于鵬輝，陳赫朋，胡 畔，邢 通，季艷茹

(黃河機械有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450006)

0 引言

南水北調(diào)中線總干渠全長1 432 km，全線共有64座節(jié)制閘[1]，其中某處節(jié)制閘采用弧形閘門液壓啟閉機，類型為露頂式閘門，弧門半徑6.5 m，弧門頂部為矩形孔口，弧門開啟狀態(tài)下，頂部露出地面1.78 m，孔口兩側(cè)安裝有鎖定支座，在孔口四周有防護(hù)欄桿圍護(hù)。

每到冬季，干渠水體流經(jīng)閘室下方，水溫較室溫高，會產(chǎn)生較多的水汽，侵蝕閘室四周墻體，造成墻皮變黑、脫落，外觀上不符合南水北調(diào)中線干線閘站標(biāo)準(zhǔn)化要求。此外，閘室內(nèi)有電氣控制柜和機電設(shè)備，水汽增加空氣濕度，容易發(fā)生電氣控制系統(tǒng)異常和機電設(shè)備故障現(xiàn)象。

對弧形閘門室建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在弧門頂部孔口處安裝封閉裝置是防止水汽進(jìn)入弧形閘門室最有效的措施。封閉裝置本身必須耐水汽侵蝕，且密封性能良好，兼顧南水北調(diào)中線閘站標(biāo)準(zhǔn)化要求，封閉裝置須外形美觀，且不能阻擋查看弧形閘門設(shè)備狀況。針對該問題，本文研制了一種封閉裝置。

1 封閉裝置設(shè)計

弧門露頂孔口尺寸較大，一般5～8 m，封閉裝置結(jié)構(gòu)強度必須滿足大跨度使用要求，采用不銹鋼拱形結(jié)構(gòu)，在保證強度的同時減輕了自重。

考慮到閘站進(jìn)出門大小，將封閉裝置分割設(shè)計，由拱頂、側(cè)墻和底座組成，如圖1所示。多組拱頂順?biāo)鞣较虿⑴挪贾?，?cè)墻封閉兩端留設(shè)檢修門。底座分為上游端底座和下游端底座，分別承載拱頂兩端支腳，阻止拱頂兩端弦長尺寸擴(kuò)大。

圖1 封閉裝置結(jié)構(gòu)

封閉裝置的拱頂和側(cè)墻由不銹鋼骨架和玻璃視窗結(jié)合的構(gòu)造形式制作。不銹鋼骨架采用100 mm×50 mm×3 mm的矩管型材制作，視窗采用5 mm+5 mm的無色夾膠玻璃制作。拱頂2個相同弧形主梁使用短連梁焊接形成一體，沿圓周方向分成8塊相同窗口，在連梁兩側(cè)焊接窄擋板，玻璃弧面曲率與主梁一致，四周卡裝U型頂泡密封條，將整塊玻璃壓裝在窗口內(nèi)，并貼緊擋板。玻璃視窗安裝方式如圖2所示。

圖2 玻璃視窗安裝方式

側(cè)墻為豎立的片狀結(jié)構(gòu)，玻璃安裝后打膠加固，側(cè)墻檢修門附近圍欄切除改造，方便檢修門開啟。上游底座、下游底座采用不銹鋼板條折彎制作，分別使用膨脹螺栓固定在交通橋和閘室墻上。

每組拱頂和側(cè)墻上設(shè)計吊耳和連接法蘭，使用室內(nèi)橋式起重機吊裝，組件就位后使用螺栓緊固連接法蘭，相鄰組件粘貼橡膠條密封條。鋼結(jié)構(gòu)全部安裝固定后，安裝玻璃視窗，最后處理縫隙。封閉裝置三維模型如圖3所示。

圖3 封閉裝置三維模型

2 封閉裝置有限元靜應(yīng)力分析

拱頂和側(cè)墻骨架為鋼結(jié)構(gòu)，選用06Cr19Ni10不銹鋼材料，在室內(nèi)正常使用狀態(tài)下，主要受重力和地面支撐力作用。封閉裝置屬于分組裝配式結(jié)構(gòu)，分別建立拱頂，側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)建立三維模型，并進(jìn)行有限元靜應(yīng)力分析[2]，判斷是否滿足使用要求。

2.1 拱頂鋼結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力分析

拱頂骨架重177 kg，夾膠玻璃窗及其他配件近似均布在骨架上，重209 kg，總重386 kg，進(jìn)行有限元靜應(yīng)力分析，如圖4所示，最大應(yīng)力19.48 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料屈服強度206.8 MPa，滿足強度要求。

如圖5所示，材料最大變形1.25 mm，玻璃視窗與骨架之間密封頂泡壓縮量為5 mm，骨架變形不會擠壓玻璃碎裂，滿足使用要求。

圖4 拱頂骨架應(yīng)力云圖

圖5 拱頂骨架變形云圖

2.2 側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力分析

側(cè)墻骨架重207 kg，夾膠玻璃窗及其他配件近似均布在骨架上，重208 kg，總重415 kg，進(jìn)行有限元靜應(yīng)力分析。

如圖6所示，最大應(yīng)力39.42 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料屈服強度206.8 MPa滿足強度要求；如圖7所示，材料最大變形1.11 mm，玻璃視窗與骨架之間密封頂泡壓縮量為5 mm，骨架變形不會擠壓玻璃碎裂，滿足使用要求。

3 封閉裝置工程應(yīng)用

南水北調(diào)中線工程某節(jié)制閘為雙孔弧形閘門室，單個孔口長6 425 mm，寬5 600 mm，該處安裝了2套封閉裝置。單個封閉裝置總重約2 835 kg，由5組拱頂和2組側(cè)壁組成。

本設(shè)計充分考慮現(xiàn)場情況，將下游底座抬高350 mm，避開現(xiàn)有的監(jiān)控設(shè)備，設(shè)計拱頂最高點距離地面2 250 mm，不影響閘門最大限度開啟。封閉裝置側(cè)墻騎跨在弧門鎖定支座上，使用毛刷遮擋，留足操作空間的同時，防止水汽外逸。閘站運維人員可以方便地通過觀察窗看到閘門情況，將檢修門處欄桿進(jìn)行改造，也可以方便地打開檢修門進(jìn)入孔口檢修閘門。相比之前使用彩條布覆蓋孔口防止水汽外溢的方法(見圖8)，封閉裝置大大提高了安全性。封閉裝置應(yīng)用現(xiàn)場如圖9所示。

圖6 側(cè)墻骨架應(yīng)力云圖

圖7 側(cè)墻骨架變形云圖

圖8 彩條布覆蓋孔口

圖9 封閉裝置應(yīng)用現(xiàn)場

4 結(jié)語

封閉裝置經(jīng)過一年半實際使用，證明具備以下功能和特點。

該裝置有效阻擋了水汽外逸，杜絕了水汽侵蝕閘室建筑物的現(xiàn)象，解決了閘室內(nèi)空氣濕度增大造成機電設(shè)備故障的問題。封閉裝置采用模塊化設(shè)計理念，分組制作，便于運輸、進(jìn)場、安裝，可以根據(jù)不同弧門閘室的情況量身定做，也可以根據(jù)不同的需求配裝有色玻璃。

裝置的安裝過程僅用膨脹螺栓固定，無需對現(xiàn)有建筑物進(jìn)行改造，也不會對現(xiàn)有建筑物主體造成損傷。主體使用06Cr19Ni10不銹鋼制作，視窗由玻璃制作，密封條采用硅膠材質(zhì)，均屬耐腐蝕、無毒、衛(wèi)生的材料，避免污染，阻擋水汽，杜絕對干渠水質(zhì)產(chǎn)生有害影響。封閉裝置骨架和視窗玻璃具有一定的強度，可以有效阻擋運維人員意外跌落，安全性高。不銹鋼材料整體拉絲，焊縫打磨處理，封閉裝置外形美觀大氣，符合南水北調(diào)閘站標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的要求。

綜上所述，封閉裝置在南水北調(diào)中線閘站標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)起到重要作用，獲得使用方的高度贊揚，具有廣闊的應(yīng)用前景。