拱形閘在城市水系中的應(yīng)用研究

黃哲元

摘 要：本文以鄭州龍湖工程拱形閘為例，闡述了拱形閘在大跨度景觀河道上的應(yīng)用。大跨度、低水頭、閘門門頂過水、閘墩少、兼顧河道景觀是本工程的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。通過水工模型試驗(yàn)研究了拱形閘門流態(tài)以及各工況下的壓強(qiáng)分布;采用三維有限元模型和流激振動(dòng)分析方法，論證了閘門門頂溢流、閘門局部開啟運(yùn)行及啟閉過程中的安全性及可靠性。

關(guān)鍵詞：拱形閘;大跨度;模型試驗(yàn);流激振動(dòng)

中圖分類號(hào)：TV663+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）13-0075-02

Abstract： Taking the arch gate of Longhu project in Zhengzhou as an example， this paper expounded the application of arch gate in large-span landscape river. The design difficulty of this project is large span， low head， gate top over water， less piers， and river landscape. Through hydraulic model test， the flow pattern and pressure distribution of arch gate under various working conditions were studied. The safety and reliability of overflow of gate top， partial opening and closing of gate were demonstrated by using three-dimensional finite element model and flow-induced vibration analysis method.

Keywords： arch gate;large span;model test;flow induced vibration

1 工程概述

近年來，城市河道的功能從單純的防洪排澇向防洪排澇與游憩相互結(jié)合轉(zhuǎn)變。開敞式、大跨度、低水頭的景觀閘應(yīng)運(yùn)而生。但目前，國內(nèi)外大跨度拱形閘仍較為少見。

鄭州龍湖調(diào)蓄工程拱形閘是一座控制型水閘，位于鄭州市鄭東新區(qū)龍湖龍尾部出口河道上，滿足龍湖蓄水、調(diào)節(jié)湖區(qū)水位，且兼顧旅游、景觀等。閘門平時(shí)關(guān)門擋水，汛期來臨或湖區(qū)換水時(shí)則開閘放水。拱形閘采用3孔拱形閘門布置，底檻高程82.50m，正常蓄水位85.50m。單孔凈寬度為24.0m，總孔口凈寬為72.0m，閘室長度為30m。

2 閘門的操作運(yùn)行工況

①正常運(yùn)用1：調(diào)蓄池水位維持正常蓄水位85.50m，關(guān)閘蓄水。②正常運(yùn)用2：調(diào)蓄池水體交換，閘門控泄。③非正常運(yùn)用1：龍湖調(diào)蓄池不參與城市防洪，調(diào)蓄池水位100年一遇最高蓄水位85.76m，關(guān)閘蓄水。④非正常運(yùn)用2：龍湖調(diào)蓄池參與城市防洪，汛前開閘，將調(diào)蓄池水位降至85.00m或84.50m，然后關(guān)閘。

3 閘門和啟閉設(shè)備設(shè)計(jì)

閘門為半圓拱形，圓拱直徑24m，拱內(nèi)圓半徑為12.4m，拱外圓半徑為13.6m，展開長度40.8m，閘門厚度1.2m。圓拱兩端通過可繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)的支鉸支承在閘墩上。為減少閘門制造和安裝誤差以及溫度等變化對(duì)門體的影響，閘門在跨中鉸接連接，使閘門整體成三鉸拱結(jié)構(gòu)。拱形門的面板圓弧凸向龍湖側(cè)，在擋水時(shí)為受壓拱，如圖1所示。

為滿足拱形門在關(guān)閘擋水時(shí)能調(diào)節(jié)閘上（龍湖側(cè)）水位的要求，拱形門的頂部設(shè)有可升降的活動(dòng)小門葉，使整個(gè)拱形門的高度可在3.00～3.50m調(diào)節(jié)。閘門設(shè)3根主梁，側(cè)止水型式采用V1型止水橡皮，底止水采用H9型止水橡皮;支承采用繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)支鉸，支鉸軸承采用自潤滑關(guān)節(jié)軸承。上主梁以上、主梁翼緣及拱形門面板之間形成的空腔為活動(dòng)小門安裝、操作空間;活動(dòng)小門為圓拱形，沿圓弧長度方向分成10扇，左右各5扇，每扇約4°，孔口尺寸（寬×高）2.2m×0.6m。小閘門和拱形門之間設(shè)置前止水，止水采用P形橡皮止水，止水橡皮固定在拱形閘門上。拱形門上部設(shè)有人行通道，兩側(cè)設(shè)置護(hù)欄，供旅游觀光使用，通道橋面高程為86.0m。為避免在換水工況下，拱形門局部開啟時(shí)水流在閘門底緣處產(chǎn)生負(fù)壓，拱形門的底緣在龍湖側(cè)（上游側(cè)）的傾角布置成大于35°，下游側(cè)的傾角布置成大于40°，但隨著閘門開啟，上游側(cè)角度將逐漸增大。拱形門可在全開、全關(guān)以及局部開啟的條件下運(yùn)行，拱形門全開后與水平向的夾角約為60°。

因拱形閘門的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，啟閉設(shè)備既要保證起重容量和起升揚(yáng)程，又必須節(jié)省位置減少重量，啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)必須結(jié)構(gòu)緊湊。盤香式啟閉機(jī)是一種多根銅絲繩多層纏繞的卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，每根鋼絲繩在同一斷面重疊多層纏繞，形如“盤香”，故稱盤香式啟閉機(jī)。盤香式啟閉機(jī)直接同吊耳相連，鋼絲繩分支數(shù)可多達(dá)14根，卷筒為半徑差值的兩個(gè)半圓盤，均勻纏繞多層鋼絲繩。將盤香式卷揚(yáng)機(jī)固定在排架頂部平臺(tái)上，卷揚(yáng)機(jī)的鋼絲繩通過托輪轉(zhuǎn)向后固定在拱形閘門吊耳上。鋼絲繩共6根，通過調(diào)節(jié)螺栓使每根鋼絲繩的受力趨于相同，鋼絲繩僅與托輪接觸，鋼絲繩和卷揚(yáng)機(jī)傳遞給排架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力明確。最終啟閉設(shè)備選用2×1 000kN盤香卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，揚(yáng)程為12m，門頂活動(dòng)小門的操作選用2×50kN的螺桿啟閉機(jī)（電動(dòng)螺桿升降機(jī)），將螺桿固定，螺母安裝在下閘門底部，通過螺桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺母和小閘門升降。小閘門總高度0.75m，小門開啟調(diào)節(jié)高度0.6m，即螺桿受拉（壓）長度0.6m。電動(dòng)螺桿升降機(jī)具有啟閉鎖定功能，在啟閉機(jī)的有效工作范圍內(nèi)，活動(dòng)小門可停留在任意位置而不會(huì)造成下滑。

4 拱形閘門水工模型試驗(yàn)

拱形門門頂過流時(shí)，閘門開啟及局部開啟運(yùn)行狀態(tài)水流流態(tài)復(fù)雜。利用水工模型試驗(yàn)，研究拱形閘門在各工況和開啟角度和動(dòng)水啟閉時(shí)的壓強(qiáng)分布。

4.1 各開啟狀態(tài)的閘門壓強(qiáng)分布

試驗(yàn)量測了不同上下游水位下拱形閘門各開啟狀態(tài)（1°、1.5°、2.5°、5°）的閘門壓強(qiáng)分布。試驗(yàn)結(jié)果表明：同一工況，閘門相同高度位置層，距中間鉸越近，壓力越小;同一水位，拱形閘門開度越小，閘門相同位置處的壓力越大;不同水位，上游水位越高，閘門相同位置的壓力越大。

4.2 活動(dòng)門葉全開時(shí)拱形閘門壓強(qiáng)分布

試驗(yàn)量測了上游水位85.76m、下游水位85.12m，上游水位85.5m、下游無水兩種工況下活動(dòng)門葉全部開啟時(shí)拱形閘門上下游面板及底緣壓強(qiáng)分布。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)活動(dòng)門葉全開過流時(shí)，拱形閘門下游面板不會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓。

5 結(jié)語

大跨度的空間結(jié)構(gòu)是當(dāng)前土木工程的一個(gè)重要發(fā)展方向，目前正在越來越多地運(yùn)用于水工建筑物領(lǐng)域。鄭州龍湖工程已經(jīng)蓄水，拱形閘門已投入正常運(yùn)用，城市景觀效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)。閘門閉合時(shí)，形成弧形水上瀑布景觀，滔滔不絕;閘門開啟時(shí)，猶如三道彩虹，橫貫天幕，蔚為壯觀。拱形閘景觀與周圍交通橋、水系、岸邊綠化做到和諧統(tǒng)一，水乳相融，充分展示了水利建筑設(shè)計(jì)的不同境界，賦予了水工建筑物不同的風(fēng)格。

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