徐素紅，周 浩，陶柏辰

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

1 概述

在水閘工程設(shè)計(jì)中，閘門(mén)型式的選定，將直接關(guān)系到整個(gè)工程的結(jié)構(gòu)型式、造價(jià)及安全[1]。升臥式平面閘門(mén)，綜合了直升式平面閘門(mén)與弧形閘門(mén)的優(yōu)點(diǎn)，既具有閘墩短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，又顯著降低了排架高度，提高了水工建筑物的抗震能力，降低了工程造價(jià)。

目前，升臥式平面閘門(mén)是平原地區(qū)中小型閘門(mén)首選，而針對(duì)閘門(mén)總體布置與設(shè)計(jì)方面的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)較少。因此，分析總結(jié)升臥式平面閘門(mén)的布置與設(shè)計(jì)，對(duì)該類閘門(mén)設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

2 總體布置

升臥式平面閘門(mén)是平面閘門(mén)的一種，閘門(mén)關(guān)閉時(shí)，直立擋水，開(kāi)啟時(shí)，在上升中沿軌道逐步向下游（上游）翻轉(zhuǎn)，至閘門(mén)全開(kāi)時(shí)平臥于孔口上方。

2.1 閘門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)方向選定

升臥式平面閘門(mén)有向上游、向下游轉(zhuǎn)動(dòng)兩種布置形式。

2.1.1 向下游轉(zhuǎn)動(dòng)

向下游轉(zhuǎn)動(dòng)的升臥式平面閘門(mén)，一般布置在閘室段尾部。擋水后門(mén)前閘室有較大水重，利于閘室穩(wěn)定、地基應(yīng)力均勻。同時(shí)，閘門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與水壓力使閘門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，能在很小開(kāi)度即可開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，排架高度顯著降低。但因吊點(diǎn)設(shè)于閘門(mén)上游面，起吊鋼絲繩易于銹蝕，且不能利用閘室進(jìn)行消能。

2.1.2 向上游轉(zhuǎn)動(dòng)

向上游轉(zhuǎn)動(dòng)的升臥式平面閘門(mén)，一般布置在閘室段首部。閘門(mén)局部開(kāi)啟時(shí)，流態(tài)較好，且可利用閘門(mén)后較長(zhǎng)閘室段作消能工。同時(shí)，吊點(diǎn)設(shè)在閘門(mén)下游面，對(duì)于下游無(wú)水水閘，鋼絲繩銹蝕問(wèn)題得以解決。但因閘門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與水壓力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，需升高到一定開(kāi)度才可轉(zhuǎn)動(dòng)，排架高度稍高于向下游轉(zhuǎn)動(dòng)閘門(mén)。

一般在閘門(mén)布置時(shí)，大多采用向下游轉(zhuǎn)動(dòng)方式；當(dāng)工程整體結(jié)構(gòu)布置不允許閘門(mén)向下游轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，方可采用向上游轉(zhuǎn)動(dòng)方式。

2.2 啟閉機(jī)平臺(tái)布置

（1）啟閉機(jī)在順?biāo)鞣较虻钠鸬踔行?，一般與閘門(mén)關(guān)閉狀態(tài)時(shí)吊耳中心在一條直線上。

（2）閘門(mén)全開(kāi)后，吊耳中心至啟閉機(jī)平臺(tái)距離，不應(yīng)小于所選用啟閉機(jī)規(guī)定的動(dòng)滑輪組的吊軸中心至機(jī)座底緣的最小距離（即啟閉機(jī)死揚(yáng)程）。

（3）閘門(mén)在啟閉過(guò)程中，鋼絲繩不得被機(jī)架、門(mén)葉干擾，全開(kāi)后，吊耳中心至啟閉機(jī)起吊中心的聯(lián)線與鉛垂線的夾角不宜大于15°[2]。

（4）閘門(mén)在啟閉過(guò)程中，啟閉機(jī)基礎(chǔ)梁的底緣離開(kāi)閘門(mén)頂運(yùn)行軌跡線不應(yīng)小于0.1m[2]。閘門(mén)頂運(yùn)行軌跡線可用圖解法、計(jì)算法求出，向下游轉(zhuǎn)動(dòng)閘門(mén)，即門(mén)頂上游邊緣點(diǎn)運(yùn)行軌跡，向上游轉(zhuǎn)動(dòng)閘門(mén)，即門(mén)頂下游邊緣點(diǎn)運(yùn)行軌跡。

門(mén)頂軌跡線的繪制，可按參數(shù)方程在excel中計(jì)算出上主輪軸心與弧軌的圓心連線與水平面夾角從5°～65°每增加5°時(shí)門(mén)頂坐標(biāo)值，將數(shù)據(jù)集插入CAD中，即可形成門(mén)頂軌跡線。

（5）閘門(mén)全開(kāi)平臥時(shí)，與四周建筑至少有0.3m安全凈距。

（6）閘門(mén)全開(kāi)平臥時(shí)，不得影響閘門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)側(cè)檢修閘門(mén)啟閉。

（7）為便于啟閉機(jī)零部件的安裝、檢修，一般啟閉機(jī)上方均設(shè)吊鉤用于掛手動(dòng)或電動(dòng)葫蘆。啟閉機(jī)房?jī)舾?，?yīng)保證電動(dòng)葫蘆能夠?qū)㈤]機(jī)零部件吊離啟閉機(jī)0.3～0.5m。

除以上因素外，啟閉機(jī)平臺(tái)高度還應(yīng)與上部閘房建筑高度相協(xié)調(diào)，啟閉機(jī)排架下留有足夠高度供管理人員通行。

2.3 水工結(jié)構(gòu)布置

2.3.1 閘門(mén)

在啟閉過(guò)程中，側(cè)水封運(yùn)行軌跡線呈弧型，將超出閘墩上止水座板與混凝土接觸，為防止混凝土磨壞止水橡皮，設(shè)計(jì)中一般將靠近止水座板墩面凹下20mm，如圖1。

圖1 止水導(dǎo)板處墩面示意圖

2.3.2 檢修孔

為便于主輪維護(hù)與檢修，一般在閘門(mén)平臥時(shí)上、下主輪對(duì)應(yīng)閘墩處留有檢修孔，開(kāi)孔大小應(yīng)能保證主輪移出孔洞檢修。閘墩外另有水工建筑物的需避開(kāi)檢修孔位置。

2.3.3 懸臂檢修臺(tái)

為在檢修上主輪時(shí)，門(mén)葉不直接與埋件接觸，一般在閘墩尾部上方，不影響閘門(mén)啟閉位置情況下，布置一個(gè)懸臂檢修平臺(tái)，以放置千斤頂維持閘門(mén)在原全開(kāi)位置。

2.3.4 閘底板高程

為防止閘底泥沙淤積影響閘門(mén)正常啟閉，一般在閘板底部設(shè)凸臺(tái)，局部抬高底板高程。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于升臥式平面閘門(mén)運(yùn)動(dòng)軌跡的復(fù)雜性，在門(mén)槽弧軌段尺寸、啟閉機(jī)、擱門(mén)器、門(mén)葉結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)要點(diǎn)作專門(mén)的分析說(shuō)明。

3.1 門(mén)槽尺寸確定

3.1.1 門(mén)槽形狀

升臥式平面閘門(mén)門(mén)槽的一側(cè)軌道為鉛直狀，另一側(cè)軌道的下部為鉛直段，上部為向上游（下游）彎曲的弧形軌段，再往上是與圓弧段相切的斜坡段。

鉛直段門(mén)槽寬度一般比主輪直徑大10mm，從圓弧段開(kāi)始，門(mén)槽寬度逐步加大，閘門(mén)全開(kāi)后，考慮到閘墩混凝土施工誤差，順?biāo)鞣较蜷T(mén)槽喇叭口寬度一般比上下兩主輪外緣距離大50mm。

3.1.2 起弧點(diǎn)與圓弧段曲率半徑

當(dāng)門(mén)槽下部鉛直段太短（即起弧點(diǎn)太低）或圓弧段曲率半徑太小時(shí)，閘門(mén)會(huì)存在產(chǎn)生停滯或上滑問(wèn)題，當(dāng)鉛直段過(guò)長(zhǎng)或圓弧半徑過(guò)大時(shí)，排架高度又會(huì)抬高。

（1）對(duì)于閘門(mén)寬高比大于1的中小型鋼閘門(mén)或鋼筋混凝土閘門(mén)，可按以下經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定[3]：

向下游轉(zhuǎn)動(dòng)閘門(mén)，一般取S≥0.8H，R≥0.2H；向上游轉(zhuǎn)動(dòng)閘門(mén)，一般取S≥H，R≥0.3H。

（2）對(duì)于較大型閘門(mén)（尤其當(dāng)閘門(mén)寬高比小于1時(shí)），根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式初選起弧點(diǎn)高程S與圓弧段曲率半徑R，再根據(jù)計(jì)算最終確定[4-5]。

閘門(mén)在啟閉過(guò)程中產(chǎn)生停滯或上滑現(xiàn)象，則是發(fā)生在閘門(mén)的上主輪運(yùn)行到弧軌段，閘門(mén)處于局開(kāi)，底部過(guò)水狀態(tài)，可通過(guò)將此時(shí)閘門(mén)上所受各力對(duì)上下主輪反力作用線的交點(diǎn)取矩，并根據(jù)合力矩為零計(jì)算出啟門(mén)力，當(dāng)啟門(mén)力為正值時(shí)即能憑自重閉門(mén)。

作用在閘上的各力均隨閘門(mén)開(kāi)度 （即上主輪軸心與弧軌圓心聯(lián)線和水平面夾角φ）而變化，按經(jīng)驗(yàn)公式初選S，R值，對(duì)各φ值（由小到大每5°一檔）計(jì)算出相應(yīng)啟門(mén)力，繪出啟門(mén)力與φ關(guān)系曲線，找出最小啟門(mén)力（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，φ為10°～25°時(shí)啟門(mén)力最?。．?dāng)啟門(mén)力最小值大于0時(shí)，閘門(mén)能憑自重閉門(mén)；若小于0，加大S，R值重新計(jì)算。

（3）為避免泄水時(shí)閘門(mén)振動(dòng)，閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)起初段（0.2～0.3H，H意義同前）是直升段，即上主輪仍處于鉛直槽內(nèi)。開(kāi)啟達(dá)0.5H時(shí)，閘門(mén)傾斜度不超過(guò)10°[3]。

3.1.3 圓心角

圓心角，通常取60°～70°。

3.1.4 鉛直軌道頂高程

門(mén)槽的鉛直軌道頂高程，應(yīng)能保證擱門(mén)器解鎖時(shí)下主輪上行后閘門(mén)不脫槽。

3.1.5 閘門(mén)全開(kāi)門(mén)底高程

（1）閘門(mén)全開(kāi)后，閘門(mén)底緣超出最高行洪水位不小于0.3m。

（2）節(jié)制閘有通航要求時(shí)，閘門(mén)全開(kāi)后應(yīng)能保證船只安全通航并留有一定富裕度。

3.2 啟閉設(shè)備選擇

3.2.1 啟閉機(jī)選型

3.2.1.1 卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)

升臥式平面閘門(mén)，一般多采用固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，包括平面閘門(mén)卷?yè)P(yáng)機(jī)與弧形閘門(mén)卷?yè)P(yáng)機(jī)。

（1）平面閘門(mén)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，其中系列設(shè)計(jì)QPQ型雙吊點(diǎn)啟閉機(jī)選用較多，設(shè)有啟閉機(jī)動(dòng)滑輪組。

（2）弧形閘門(mén)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，不設(shè)啟閉機(jī)動(dòng)滑輪組，吊耳中心至面板距離可以適當(dāng)縮小，布置緊湊，且不存在動(dòng)滑輪組長(zhǎng)期泡水問(wèn)題，但一般相對(duì)平面閘門(mén)啟閉機(jī)較貴。

除此以外，升臥式平面閘門(mén)也可選用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，但應(yīng)用較少。

3.2.1.2 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)

QSWY系列液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，適用于升臥式平面閘門(mén)啟閉，臥式安裝。允許吊點(diǎn)距較大，與雙吊點(diǎn)的固定式卷?yè)P(yáng)機(jī)相比，不存在同步不易解決的難點(diǎn)，但較之相同容量的卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)偏貴。

3.3 擱門(mén)器布置

擱門(mén)器是閘門(mén)安全運(yùn)行的保護(hù)裝置，一般選用可自行鎖定的擱門(mén)器固定門(mén)葉于全開(kāi)位置，鎖定與脫鎖均無(wú)需人工操作[6]。

（1）擱門(mén)器設(shè)于閘門(mén)平臥時(shí)下主輪下方閘門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)方向一側(cè)。

（2）擱門(mén)器在運(yùn)行范圍內(nèi)不得與主、反軌干涉。

（3）擱門(mén)器與滾輪不得卡鎖。若擱門(mén)器布置不當(dāng)，當(dāng)上主輪進(jìn)入弧軌段、下主輪上行到一定位置時(shí)，自由狀態(tài)的擱門(mén)器會(huì)將主輪抱死，閘門(mén)無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行。一般可檢查擱門(mén)器與輪子是否卡鎖，具體操作可將擱門(mén)器外輪廓線線1、線2平移滾輪半徑R交于點(diǎn)O，以點(diǎn)O為圓心，滾輪半徑R為半徑作圓，將該圓與擱門(mén)器一起繞擱門(mén)器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如與兩側(cè)的主、反軌均不相碰，則不會(huì)存在卡鎖，如圖2。

圖2 擱門(mén)器與主輪卡鎖示意圖

3.4 門(mén)葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.4.1 門(mén)葉寬度

為避免由于閘墩混凝土施工、門(mén)葉制造中的精度誤差而妨礙門(mén)葉在閘孔內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)升臥式平面閘門(mén)門(mén)葉寬度一般略小于閘孔凈寬，每側(cè)留有20～40mm空隙[7]。

3.4.2 吊耳

為了使閘門(mén)在啟閉中保持平穩(wěn)，升臥式平面閘門(mén)一般均采用雙吊點(diǎn)。

（1）向下游轉(zhuǎn)動(dòng)閘門(mén)，吊點(diǎn)設(shè)在上游面下部，吊點(diǎn)與閘門(mén)重心形成偏心產(chǎn)生促使閘門(mén)向下游轉(zhuǎn)動(dòng)力偶；向上游轉(zhuǎn)動(dòng)的閘門(mén)，吊點(diǎn)設(shè)在下游面下部，啟門(mén)時(shí)產(chǎn)生促使閘門(mén)向上游轉(zhuǎn)動(dòng)力偶。

（2）為避免吊耳被淤泥埋設(shè)影響啟閉機(jī)下部動(dòng)滑輪的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，吊耳一般設(shè)在門(mén)葉下主梁附近。

（3）吊耳軸中心至面板外緣距離，應(yīng)能容納啟閉機(jī)動(dòng)滑輪組，并留有20～50mm富裕度。

4 結(jié)語(yǔ)

從閘門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)方向選定、啟閉機(jī)平臺(tái)、結(jié)構(gòu)布置，門(mén)槽尺寸確定、啟閉設(shè)備選擇、擱門(mén)器布置、門(mén)葉結(jié)構(gòu)幾個(gè)方面對(duì)升臥式平面閘門(mén)布置與設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述，為金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)從業(yè)人員提供參考及思路。