丁峰 關(guān)金良 劉月剛

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院 北京 100048）

弧形鋼閘門改造設(shè)計要點(diǎn)淺論—以懷柔水庫西溢洪道閘為例

丁峰 關(guān)金良 劉月剛

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院 北京 100048）

弧形鋼閘門是常見的閘門型式之一。近年來北京地區(qū)針對弧形鋼閘門的改造設(shè)計工程較多，為梳理改造設(shè)計中的設(shè)計要點(diǎn)。本文以懷柔水庫西溢洪道閘為例，詳細(xì)闡述了弧形鋼閘門改造設(shè)計過程中的主框架、支鉸、止水和啟閉機(jī)選型設(shè)計，經(jīng)改造設(shè)計后的閘門系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，可為同類工程提供參考。

弧形鋼閘門 改造 設(shè)計要點(diǎn)

引言

閘門是水工建筑物中重要的擋泄水設(shè)備之一。平面鋼閘門、弧形鋼閘門、人字閘門是最為常見的3種閘門型式。其中弧形鋼閘門以其結(jié)構(gòu)簡單、啟閉力較小、流態(tài)較好等突出優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用在水利工程中。以北京市的水利工程為例，弧形鋼閘門的應(yīng)用有20余處，但是這些閘門大部分修建較早，當(dāng)初遵循的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)在有很大出入。近年來隨著水利行業(yè)的飛速發(fā)展，較多數(shù)量的弧形鋼閘門由于防洪標(biāo)準(zhǔn)的提高或因銹蝕嚴(yán)重導(dǎo)致的功能喪失等原因，不得不進(jìn)行重新改造設(shè)計，因此有必要對弧形鋼閘門這一類的閘型改造設(shè)計過程中的設(shè)計要點(diǎn)進(jìn)行梳理。本文以懷柔水庫西溢洪道閘為例，對其中的改造設(shè)計部分要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)說明，從而為同類工程設(shè)計提供參考。

1 工程概況

懷柔水庫西溢洪道閘建于1964年，防洪標(biāo)準(zhǔn)為百年設(shè)計，千年校核。閘室段全長750m，最大泄量Q=880m3/s（300年一遇洪水），閘門共設(shè)2孔，每孔凈寬12m，閘門底檻高程56.0m，支鉸高程60.0m，正常蓄水位62.0m；閘門型式采用露頂式斜支臂弧形鋼閘門，設(shè)計水頭6.0m，門高6.3m；閘門采用2×100kN固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)啟閉。1991年水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)提高后，啟閉機(jī)安裝高程和閘門提升門底高程增加，西溢洪道最大泄量增至Q=1491m3/s（2000年一遇洪水），但閘門及啟閉設(shè)備沒有更新。懷柔水庫西溢洪道閘室布置見圖1。

圖1 懷柔水庫西溢洪道閘室布置圖

懷柔水庫西溢洪道閘自建成運(yùn)行以來，一直對懷河下游的防洪安全及潮白河的削峰錯峰發(fā)揮著重大作用。2002年12月水利部水工金屬

結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗中心對懷柔水庫西溢洪道閘門及啟閉機(jī)進(jìn)行安全檢測，主要檢測結(jié)論如下：

（1）閘門支臂、面板、主梁、次梁等構(gòu)件外觀檢測局部銹蝕嚴(yán)重。

（2）次梁、主梁、縱梁腹板等構(gòu)件最小蝕余厚度小于6mm。

（3）閘門無損探傷檢驗中，閘門焊縫質(zhì)量不合格，多處出現(xiàn)裂紋和超標(biāo)缺陷。

（4）閘門材料大部分檢測為沸騰鋼，部分構(gòu)件S含量超標(biāo)。

（5）固定卷揚(yáng)啟閉機(jī)屬淘汰機(jī)型，能耗高，效率低，性能差，啟閉機(jī)缺少必要的自動控制性能。

檢測報告表明，閘門需更換或補(bǔ)強(qiáng)的構(gòu)件已超過30%，大修不經(jīng)濟(jì)且難以根除如焊縫內(nèi)部缺陷等隱患，而且閘門使用年限遠(yuǎn)超過其折舊年限為20年，按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定，閘門及埋件應(yīng)報廢更新。固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)應(yīng)進(jìn)行維修改造，更換電機(jī)，增設(shè)負(fù)載控制器、鎖定裝置、高度顯示器及限位裝置。

2 改造原則

現(xiàn)狀啟閉機(jī)房外觀及使用功能良好，為節(jié)省投資，本次工程不予拆除。另外為確保懷柔水庫的正常運(yùn)行及安全度汛，最大限度壓縮現(xiàn)場施工工期，爭取汛前投入使用，西溢洪道閘閘門和埋件全部拆除進(jìn)行更新改造，閘門固定鉸座保留，啟閉機(jī)更換。

3 改造設(shè)計要點(diǎn)

表1 閘門特性表

改造后工作閘門型式仍采用斜支臂弧形鋼閘門，共2扇，閘門設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不變，孔口尺寸為12m×6.3m—6.0m（寬×高—設(shè)計水頭）。

改造前閘門主體及埋件材料為舊標(biāo)準(zhǔn)材料A3，本次改造為全面提升閘門整體性能，主體材料選用Q345B，埋件主體材料為復(fù)合不銹鋼板。閘門面板外緣半徑7.5m，閘門重20t/扇，閘門埋件2.4t/扇，閘門運(yùn)行方式為動水啟閉。閘門特性參數(shù)見表1。

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于閘門寬高比較大，閘門主框架采用雙主橫梁式結(jié)構(gòu)。主梁形式采用實腹式組合梁，兩主梁布置并未嚴(yán)格按照總水壓力作用線對稱布置，而是將上主梁稍偏離總水壓力作用線一點(diǎn)，這主要考慮到門重對支臂的影響導(dǎo)致上支臂增載，下支臂受力減載的原因?？偹畨毫ψ饔镁€距底坎弧長2.2m，上、下支臂距離總水壓力作用線分別為1.6m和1.4m。閘門結(jié)構(gòu)布置圖如圖2所示：

圖2 閘門結(jié)構(gòu)布置圖

圖3 閘門門葉結(jié)構(gòu)圖

原閘門面板厚度為8mm，本次閘門面板設(shè)計經(jīng)計算復(fù)核，8mm厚鋼板滿足設(shè)計要求，本次設(shè)計面板厚度不變。為加強(qiáng)閘門整體剛度，梁格布置采用復(fù)式布置，閘門梁格共布置2道主橫梁，7道水平次梁，5道縱梁，2道邊梁。閘門梁格連接型式采用齊平連接，水平次梁、縱梁和主梁

的上翼緣表面齊平，直接與閘門面板相連，有效保證閘門整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。頂梁、底梁選用槽鋼[28a，水平次梁選用槽鋼[22a。水平次梁槽鋼肢背和主梁腹板開排水孔排水以減輕閘門梁格積水腐蝕。邊梁型式采用單腹板式，邊梁腹板與面板焊接相連，邊梁翼緣與主梁下翼緣焊接相連。邊梁腹板上開孔，側(cè)滑塊通過螺栓連接固定在邊梁上，起運(yùn)行導(dǎo)向作用。側(cè)滑塊材料選用工程塑料MGA，側(cè)滑塊與邊墻保留6mm間隙。閘門門葉結(jié)構(gòu)圖見圖3。

3.2 主框架設(shè)計

圖4 主梁截面圖

圖5 支臂截面圖

主框架是弧形鋼閘門主梁和支臂的統(tǒng)稱。一方面主梁承擔(dān)總水壓力，另一方面大量事實表明支臂喪失穩(wěn)定性可導(dǎo)致弧形閘門失事，而且有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)弧形鋼閘門主框架對閘門體系可靠性貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)權(quán)重可達(dá)57.3%，因此弧形閘門主框架的設(shè)計尤為重要。斜支臂弧形閘門實腹式主橫梁與支臂的單位剛度比K0應(yīng)在3～7之間，K0采用以下公式計算，主框架截面見圖3、圖4。主框架截面特性計算參數(shù)及結(jié)果見表2。

式中，K0—為主梁與支臂線剛度比；

I1—主梁截面慣性矩，mm4；

b—主梁中間跨度，m；

I2—支臂截面慣性矩，mm4；

S—支臂長度，取鉸軸中心到主梁截面形心距離，m。

表2 主框架截面特性計算表

3.3 支鉸設(shè)計

支鉸是弧形閘門的轉(zhuǎn)動裝置，常見形式有圓柱鉸、圓錐鉸和球鉸。其中圓柱鉸構(gòu)造簡單、制造安裝方便，應(yīng)用最為廣泛。原閘門支鉸型式為圓柱鉸，本次改造支鉸固定座不更換，活動座部分更換。原閘門活動座材料為ZG270-500，鉸軸材料為45號鋼，軸套材料為19CN5。改造設(shè)計中活動座材料選用ZG310-570，鉸軸仍采用45號鋼，軸表面鍍鉻增加鋼材硬度和耐磨性。

軸套選用自潤滑軸承，材料為工程塑料MGA。支鉸組裝時，在自潤滑軸承內(nèi)注入潤滑劑，工作狀態(tài)下，潤滑劑在軸承表面形成潤滑良好、牢固附著并均勻覆蓋的潤滑膜，大幅度降低摩擦損耗。隨摩擦的進(jìn)行，嵌入的固體潤滑劑不斷提供與軸承表面，從而保證長期運(yùn)行時的良好潤滑。軸套與軸間隙配合，軸套與活動座孔過渡配合。軸套工程塑料合金層具有吸振減振性，在閘

門啟閉過程中能夠降低振動破壞的可能性。

和改造前的軸套相比，自潤滑軸承質(zhì)量更輕，摩擦系數(shù)更低，性能更優(yōu)。兩者性能比較見表3。

表3 軸套材料性能比較表

3.4 止水設(shè)計

止水漏水會引起閘門自激振動，可能引發(fā)閘門運(yùn)行的安全隱患。懷柔水庫西溢洪道閘有全開和局開要求，尤其是在局部開啟的狀態(tài)下可能誘發(fā)水流的脈動壓力。提高閘門止水預(yù)壓縮量，可以提高閘門的低階頻率，從而避開水流脈動壓力的頻率范圍，因此良好的止水設(shè)計有助于減輕閘門振動現(xiàn)象的發(fā)生。本次改造設(shè)計中，底止水采用條形橡膠止水，底止水下端切成45°破口，止水預(yù)壓縮10mm。側(cè)止水采用L型橡膠止水，止水預(yù)壓縮4mm。側(cè)止水與底止水接縫處，底止水部分切割，熱膠嚴(yán)實以防止漏水。

3.5 啟閉機(jī)選型設(shè)計

本次改造設(shè)計啟閉機(jī)房不拆除，原啟閉機(jī)基礎(chǔ)承重梁不變，原吊物孔不做改動。這就要求選型的啟閉機(jī)一方面重量不得大于原啟閉機(jī)，另一方面又必須保證鋼絲繩起吊時與原吊物孔周圍板梁結(jié)構(gòu)不發(fā)生干涉。經(jīng)設(shè)計方、施工方、設(shè)備廠家等各方努力，新選型的啟閉機(jī)滿足既定要求。閘門啟閉設(shè)備選用QH型弧門卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，啟門力為2×100kN，閘門依靠自重閉門。新啟閉機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 新啟閉機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

經(jīng)荷載復(fù)核計算，原啟閉機(jī)承重梁結(jié)構(gòu)可滿足新啟閉機(jī)的承重荷載受力要求。新啟閉機(jī)較原啟閉機(jī)在安全保護(hù)方面有大幅改進(jìn)。啟閉機(jī)重量不僅減輕，而且還增設(shè)鎖定裝置、負(fù)載控制器、高度指示器、限位裝置、聲光報警裝置。啟閉機(jī)采用現(xiàn)地控制方式，啟閉機(jī)配電柜和控制柜均設(shè)在啟閉機(jī)安裝平臺。

4 結(jié)論

（1）本次改造設(shè)計在充分總結(jié)常見設(shè)計理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)國家現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對弧形閘門改造設(shè)計要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，其中閘門主框架、支鉸、止水設(shè)計應(yīng)充分考慮到對原設(shè)計的優(yōu)化改進(jìn)，啟閉機(jī)選型設(shè)計應(yīng)充分考慮到與原建筑結(jié)構(gòu)的配合銜接。改造后的設(shè)備性應(yīng)能做到技術(shù)成熟先進(jìn)，運(yùn)行可靠安全。

（2）懷柔水庫西溢洪道閘門經(jīng)改造設(shè)計后，閘門啟閉機(jī)經(jīng)安裝調(diào)試、檢測試驗，運(yùn)行狀況良好，從而有效保證了建筑物的安全運(yùn)行、懷柔水庫下游的防洪安全及工程效益的正常發(fā)揮。同時本次工程改造設(shè)計也對北京地區(qū)同類型的大型弧形閘門及啟閉機(jī)改造工程具有一定的借鑒參考意義。

1 水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測中心.京密引水渠閘門及啟閉機(jī)安全檢測報告[R].2002：3-4.

2 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報廢標(biāo)準(zhǔn)(SL 226-98) [S]. 北京：中國水利水電出版社.1998∶7-9.

3 安徽省水利局勘測設(shè)計院.水工鋼閘門設(shè)計[M].北京：中國水利水電出版社.1980∶292-293.

4 邱德修.弧形鋼閘門的動力特性及動力穩(wěn)定性分析[D].南京：河海大學(xué).2006：1-9.

5 周建方，李典慶.水工鋼閘門結(jié)構(gòu)可靠度分析[M].北京：中國水利水電出版社，2008∶203-208.

6 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范(SL 74-95) [S]. 北京：中國水利水電出版社.1995∶13-17.

7 王均星，魯小兵，項志超. 閘門止水對自振特性的影響[J].武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）.2008,41(2)∶28-31.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.09.026

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1672-2469(2014)09-0086-04

丁峰（1980年—），男，工程師。