新洋港新閘工程閘門選型與設(shè)計(jì)

浦 慶，陶圣葉，於維偉

(鹽城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 鹽城 224000)

1 工程概況

新洋港新閘工程為新洋港閘下移工程的主體工程，工程地處淮河流域里下河地區(qū)，位于江蘇省鹽城市亭湖區(qū)和射陽縣交界處，為新洋港入海控制工程。

新洋港老閘位于鹽城市亭湖區(qū)和射陽縣交界處現(xiàn)狀一線海堤上，是新洋港入?？趽醭遍l，建成于1957年，具有排水、擋潮、御鹵、蓄淡等作用，水閘共17孔(其中：排水孔16孔、單孔凈寬10.0m，采用弧型鋼閘門，卷揚(yáng)式啟閉機(jī)啟閉；應(yīng)急通航孔1孔、通航凈寬10.0m，采用上下扉弧型鋼閘門，卷揚(yáng)式啟閉機(jī)啟閉)，閘室總凈寬170.0m，底板面高程-3.5m。2018年5月18日，省水利廳以蘇水管[2018]37號(hào)文印發(fā)鹽城市新洋港閘安全鑒定報(bào)告書，確定新洋港閘為四類水閘。2021年11月江蘇省發(fā)改委對(duì)新洋港閘下移工程進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)批復(fù)，工程建設(shè)總工期36個(gè)月，工程計(jì)劃于2022年3月底開工，2024年9月底完成全部工程

新洋港新閘工程等別為Ⅰ等，主要承擔(dān)防洪、排澇、擋潮、蓄水灌溉任務(wù)。新閘設(shè)漁船應(yīng)急通航孔1孔，泄水孔15孔，孔口凈寬均為12m，底板面高程為-4.0m，泄水孔為胸墻式結(jié)構(gòu)，胸墻底高程2.5m；閘室底板兩孔一聯(lián)，每聯(lián)呈“山”字形結(jié)構(gòu)布置，共8聯(lián)。根據(jù)GB 18306—2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，新洋港新閘工程位于Ⅱ類場地，Ⅱ類場地條件下基本地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，相應(yīng)地震基本烈度為7度。

新洋港閘新閘工程主要設(shè)計(jì)水位：正向設(shè)計(jì)水位內(nèi)河側(cè)0.02m，外海側(cè)4.14m；正向校核水位內(nèi)河側(cè)0.02m，外海側(cè)4.52m；反向設(shè)計(jì)水位內(nèi)河側(cè)1.54m，外海側(cè)-2.20m；反向校核水位內(nèi)河側(cè)1.54m，外海側(cè)-2.66m。本工程最大水頭為4.5m，閘門屬于低水頭閘門。

2 工程總體選型分析

由于本工程應(yīng)急通航孔過往漁船較多，閘門啟閉較為頻繁，而頻繁的開啟閘門會(huì)加快閘門局部構(gòu)件的磨損，提高閘門出現(xiàn)故障的幾率，從而會(huì)增加閘門檢修維護(hù)的次數(shù)，影響工程正常運(yùn)行和過往船只的應(yīng)急通行。因此，選型設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮檢修維護(hù)對(duì)工程運(yùn)行可靠性帶來的影響。

新洋港老閘離出?？诖蟾?0km，下移后新閘離海口較近，閘門受到的風(fēng)浪荷載更大、更頻繁，海水的腐蝕性更強(qiáng)，從而要求所選閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)能更好的適應(yīng)海邊的風(fēng)浪荷載，閘門形式在運(yùn)行使用方面應(yīng)具備更高的可靠性。

新洋港新閘工程合理使用年限為100年，閘門合理使用年限為50年，因此本工程對(duì)閘門運(yùn)行使用的可靠性提出更高要求。本次應(yīng)急通航孔和泄水孔閘門選型重點(diǎn)從閘門運(yùn)行使用的可靠性角度來進(jìn)行分析說明。

3 應(yīng)急通航孔門型比選

根據(jù)沿海擋潮閘建閘經(jīng)驗(yàn)，滿足通航功能要求的門型通常采用雙扉式平面直升鋼閘門或升臥式平面鋼閘門，2種門型均為工程常用門型，技術(shù)上均能滿足本工程使用要求。因此，本次設(shè)計(jì)應(yīng)急通航孔采用這2種門型進(jìn)行方案比選。

3.1 方案1：雙扉式平面直升鋼閘門方案

雙扉式平面直升鋼閘門是沿海擋潮閘常用的一種結(jié)構(gòu)型式。結(jié)合本工程，應(yīng)急通航孔孔口凈寬12m，閘室采用鋼筋砼平底板結(jié)構(gòu)，閘室底板面高程-4.0m，底板厚1.8m；根據(jù)上部工作橋、檢修便橋、公路橋、閘門型式布置需要，閘室底板順?biāo)鞣较蜷L度為19.5m。排架布置于閘身偏外海側(cè)，排架頂高程為16.0m，排架上布置工作橋，總寬6m，橋上建啟閉機(jī)房。工作橋?yàn)殇摻铐帕喊褰Y(jié)構(gòu)，梁底高程16.0m，梁高1.8m。在閘墩頂排架內(nèi)河側(cè)設(shè)公路橋，公路橋采用預(yù)應(yīng)力空心板結(jié)構(gòu)，橋面高程8.73m，橋面凈寬7m，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路Ⅱ級(jí)；在閘墩頂排架外海側(cè)設(shè)檢修便橋，橋面寬2.8m。

閘門采用上下扉式平面直升鋼閘門，上扉門門底高程2.5m，門頂高程7.0m，下扉門門底高程-4.0m，門頂高程2.9m。上下扉門門葉尺寸分別為12.1m×4.5m(寬×高)、12.1m×6.9m(寬×高)，門葉結(jié)構(gòu)均為多主梁等高連接形式，懸臂式主滾輪支承，懸臂式側(cè)滾輪支承，門葉材料Q235B，焊條采用E43型，上扉門采用單向止水，下扉門采用雙向止水。上扉門和下扉門采用閉式傳動(dòng)卷揚(yáng)啟閉機(jī)啟閉，閘室內(nèi)河側(cè)、外海側(cè)分別設(shè)檢修門槽1道。

平面直升鋼閘門方案閘室布置如圖1所示。

圖1 應(yīng)急通航孔平面直升門方案閘室縱剖視示意圖

雙扉式平面直升鋼閘門方案的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)用、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行維護(hù)簡便，缺點(diǎn)是閘門起吊高度相對(duì)于升臥門較高，上部排架高度較大，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震較為不利。

3.2 方案2：升臥式平面鋼閘門

升臥式平面鋼閘門是滿足通航要求常用的一種結(jié)構(gòu)型式。結(jié)合本工程，應(yīng)急通航孔孔口凈寬12m，閘室采用鋼筋砼平底板結(jié)構(gòu)，閘室底板面高程-4.0m，底板厚1.8m；根據(jù)上部工作橋、檢修便橋、公路橋、閘門型式布置需要，閘室底板順?biāo)鞣较蜷L度為23.5m。排架布置于閘身偏外海側(cè)，排架頂高程為14m，排架上布置工作橋，總寬6m，橋上建啟閉機(jī)房。工作橋?yàn)殇摻铐帕喊褰Y(jié)構(gòu)，梁底高程14m，梁高1.8m。在閘墩頂排架內(nèi)側(cè)設(shè)公路橋，公路橋采用預(yù)應(yīng)力空心板結(jié)構(gòu)，橋面高程8.73m，橋面凈寬7m，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路Ⅱ級(jí)；在閘墩頂排架外側(cè)設(shè)檢修便橋，橋面寬2.8m。

升臥門門葉尺寸為11.9m×9.0m(寬×高)，門底高程-4.0m，門頂高程5.0m，門葉結(jié)構(gòu)為多主梁等高連接形式，懸臂式主滾輪支承，懸臂式側(cè)滾輪支承，門葉材料Q235B，焊條采用E43型，采用雙向止水。采用閉式傳動(dòng)卷揚(yáng)啟閉機(jī)啟閉，閘室內(nèi)河側(cè)、外海側(cè)分別設(shè)檢修門槽1道。

升臥式平面鋼閘門方案閘室布置如圖2所示。

圖2 應(yīng)急通航孔升臥式平面鋼閘門方案閘室縱剖視示意圖

升臥式平面閘門：該門型吊座位于閘門底，閘門向上提升一定高度后沿門槽弧形軌線運(yùn)動(dòng)至閘門呈水平狀態(tài)。該門優(yōu)點(diǎn)是可適當(dāng)降低排架高度，提高建筑物的抗震能力，閘門開啟的時(shí)間較短。缺點(diǎn)是閘門向公路橋側(cè)翻轉(zhuǎn)時(shí)所需閘墩較長，會(huì)明顯增加土建工程量，閘門升起時(shí)底緣流態(tài)不太好；向檢修橋側(cè)翻轉(zhuǎn)時(shí)，可縮短閘墩，但不利于閘門檢修；啟閉機(jī)吊具長期浸入水中，易于銹蝕，且此門的檢修及維護(hù)不便；另外升臥門一般采用弧門啟閉機(jī)，此啟閉機(jī)自重大，鋼絲繩直徑大，若采用升臥門，單扇閘門自重較大，閘門啟門力較大，造價(jià)高，閘門單個(gè)滾輪輪壓較大，主滾輪布置困難，并且還會(huì)增大埋件結(jié)構(gòu)尺寸。

根據(jù)上述比較可知，2種門型均能較好地適用于本閘的水文條件，滿足過閘的通航功能。2種閘門門型結(jié)構(gòu)相似，平面直升鋼閘門方案實(shí)用、運(yùn)行維護(hù)簡便，但排架高度較高，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利；升臥門方案上部結(jié)構(gòu)輕、對(duì)抗震有利，但閘室長度較長，增加土建工程量，閘門升起時(shí)底緣流態(tài)不太好，需采用懸臂式滾輪結(jié)構(gòu)，對(duì)鎖定裝置的可靠性要求較高，并且升臥門檢修維護(hù)很不方便。

根據(jù)相關(guān)管理單位升臥門的使用經(jīng)驗(yàn)得知：升臥門止水橡皮磨損過大，止水橡皮更換頻繁，閘門檢修維護(hù)較為頻繁；升臥門的啟閉機(jī)吊具長期侵入水中，鋼絲繩易于銹蝕，相對(duì)于雙扉式閘門啟閉機(jī)鋼絲繩更換更為頻繁，從而會(huì)影響閘門的正常啟閉。對(duì)于沿海擋潮閘閘門使用較為頻繁的工程，對(duì)閘門運(yùn)行的可靠性要求較高，因此，通過綜合分析比較，本工程不建議采用升臥門方案。

可優(yōu)化閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提高雙扉式平面直升鋼閘門整體抗震能力，同時(shí)上部啟閉房亦可選用輕質(zhì)建筑材料來降低上部結(jié)構(gòu)重量，最大限度的降低地震力對(duì)閘身的影響。因此，對(duì)于閘門開啟較為頻繁的通航孔，平面直升鋼閘門優(yōu)于升臥式鋼閘門。

4 泄水孔門型比選

泄水系統(tǒng)常用的門型有平面鋼閘門和弧形鋼閘門，本次泄水孔閘門選型以這2種門型進(jìn)行比選設(shè)計(jì)

4.1 方案1：平面直升鋼閘門

閘門采用潛孔式平面直升鋼閘門。平面直升鋼閘門是沿海擋潮閘常用的一種結(jié)構(gòu)型式。結(jié)合本工程，泄水孔孔口凈寬12m，閘室采用鋼筋砼平底板結(jié)構(gòu)，閘室底板面高程-4.0m，底板厚1.8m，工作門槽外海側(cè)設(shè)胸墻1道，胸墻底高程2.5m；根據(jù)上部工作橋、檢修便橋、公路橋、閘門型式布置需要，閘室底板順?biāo)鞣较蜷L度為19.5m。排架布置于閘身偏外海側(cè)，排架頂高程為13.1m，排架上布置工作橋，總寬6m，橋式建啟閉機(jī)房。工作橋?yàn)殇摻铐帕喊褰Y(jié)構(gòu)，梁底高程13.1m，梁高1.8m。在閘墩頂排架內(nèi)側(cè)設(shè)公路橋，公路橋采用預(yù)應(yīng)力空心板結(jié)構(gòu)，橋面高程8.73m，橋面凈寬7m，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路Ⅱ級(jí)；在閘墩頂排架外海側(cè)設(shè)檢修便橋，橋面寬2.8m。

泄水孔閘門采用潛孔式平面直升鋼閘門，門底高程-4.0m，門頂高程2.9m。門葉尺寸為12.1m×6.9m(寬×高)，門葉結(jié)構(gòu)為多主梁等高連接形式，懸臂式主滾輪支承，懸臂式側(cè)滾輪支承，門葉材料Q235B，焊條采用E43型，雙向止水。閘門采用閉式傳動(dòng)卷揚(yáng)啟閉機(jī)啟閉，閘室內(nèi)河側(cè)、外海側(cè)分別設(shè)檢修門槽1道。

閘室布置及閘門優(yōu)缺點(diǎn)基本同應(yīng)急通航孔閘門比選方案1。平面直升鋼閘門方案閘室布置如圖3所示。

圖3 泄水孔平面直升門方案閘室縱剖面示意圖

4.2 方案2：弧形鋼閘門方案

閘門采用潛孔式弧形鋼閘門，開門時(shí)閘門通過支臂繞支鉸轉(zhuǎn)動(dòng)至開門位置。根據(jù)上部工作橋、檢修便橋、公路橋、閘門型式布置需要，閘室底板順?biāo)鞣较蜷L度為21m。排架布置于閘身偏外海側(cè)，排架頂高程為13.1m，排架上布置工作橋，總寬6m，橋上建啟閉機(jī)房。工作橋?yàn)殇摻铐帕喊褰Y(jié)構(gòu)，梁底高程13.1m，梁高1.8m。在閘墩頂排架內(nèi)側(cè)設(shè)公路橋，公路橋采用預(yù)應(yīng)力空心板結(jié)構(gòu)，橋面高程8.73m，橋面凈寬7m，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路Ⅱ級(jí)；在閘墩頂排架外側(cè)設(shè)檢修便橋，橋面寬2.8m。

弧形門門葉尺寸11.96m×7.1m(寬×高)，門頂高程2.6m，門底高程-4.0m，雙主梁結(jié)構(gòu)，支臂采用斜支臂π型結(jié)構(gòu)，弧門半徑9.2m，雙圓柱鉸，支鉸中心高程2.5m，簡支式側(cè)滾輪支承，門葉材料Q235B，焊條采用E43型，雙向止水。閘門采用閉式傳動(dòng)卷揚(yáng)啟閉機(jī)啟閉，閘室外海側(cè)設(shè)檢修門槽1道?；⌒伍T方案閘室布置如圖4所示。

圖4 泄水孔弧形門方案閘室縱剖面示意圖

平面閘門與弧形閘門方案優(yōu)缺點(diǎn)具體見表1?？紤]到本工程為沿海擋潮閘，且離出?？谳^近，由于受潮汐的影響，閘門受涌浪或風(fēng)浪沖擊較強(qiáng)，因此閘門會(huì)頻繁的受到動(dòng)力荷載。只要荷載頻率與弧形鋼閘門支臂的自振頻率存在某種關(guān)系就會(huì)發(fā)生參數(shù)共振，從而會(huì)導(dǎo)致支臂動(dòng)力失穩(wěn)。根據(jù)SL 274—2019《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》調(diào)查統(tǒng)計(jì)，我國約有20座低水頭弧形閘門發(fā)生程度不同的支臂失穩(wěn)事故，而弧形鋼閘門空間結(jié)構(gòu)因參數(shù)共振導(dǎo)致的動(dòng)力穩(wěn)定是大型水工弧形發(fā)生事故的主要原因；

表1 平面閘門與弧形閘門優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

弧形閘門的制作、安裝、運(yùn)行等因素也影響著支臂穩(wěn)定。所以，弧形閘門支臂是薄弱環(huán)節(jié)，而支臂的動(dòng)力穩(wěn)定性又是問題的關(guān)鍵，目前破壞機(jī)理還不十分清楚，現(xiàn)如今只能通過一些構(gòu)造措施來提高支臂穩(wěn)定，但不能完全消除支臂失穩(wěn)的隱患，所以弧形門的安全可靠性不如平面閘門。

另外，低水頭寬矮弧形門一般采用雙主梁結(jié)構(gòu)，如果閘門工作時(shí)在某個(gè)主梁發(fā)生斷裂破壞，雙主梁閘門整體門葉破壞速度明顯會(huì)快于多主梁閘門。從閘門失事后可繼續(xù)發(fā)揮應(yīng)急擋水功能角度比較，雙主梁弧形門的可靠性不如多主梁平面閘門，而平面閘門常用結(jié)構(gòu)有雙主梁和多主梁兩種形式，因此采用多主梁平面閘門可發(fā)揮閘門破壞時(shí)應(yīng)急擋水功能。

根據(jù)從統(tǒng)計(jì)資料來看，高水頭閘門以弧形門居多，主要考慮高水頭水力學(xué)條件居主要矛盾。由于本工程閘門設(shè)計(jì)水頭較低，閘門的水力學(xué)條件不是閘門選型的主要因素。在我國沿海地區(qū)，江蘇、浙江、福建、廣東等省均興建了若干擋潮閘，經(jīng)調(diào)查，擋潮閘的門型大多為平面閘門，少數(shù)為弧形閘門。

根據(jù)SL 265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》4.2.18第3款，沿海擋潮閘宜采用平面閘門，并從閘門使用的安全可靠性角度綜合考慮，設(shè)計(jì)推薦采用方案1，即平面直升鋼閘門方案。

5 結(jié)語

本文以新洋港新閘工程為例，通過對(duì)應(yīng)急通航孔和泄水孔閘門選型，得出主要結(jié)論如下：

(1)對(duì)于開啟較為頻繁的通航孔閘門，閘門選型應(yīng)重點(diǎn)考慮閘門后期檢修方面的影響，升臥門止水易破損，鋼絲繩易銹蝕，檢修較為頻繁，因此，雙扉式鋼閘門更適合于通航孔。

(2)沿海地區(qū)海浪對(duì)弧形閘門支臂的沖擊是比較大的安全隱患，從結(jié)構(gòu)角度而言，平面門可靠性高于弧形門，希望今后的科研工作加強(qiáng)在弧形門支臂動(dòng)力穩(wěn)定性破壞機(jī)理方面的研究。

(3)對(duì)于中、高水頭的沿海擋潮閘門，本次泄水孔選型方法不完全適用，需要結(jié)合工程特點(diǎn)和水力學(xué)條件來綜合比較。