趙瑞花

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 山西太原 030024）

1 概況

汾河流域生態(tài)修復(fù)汾河新二壩工程（簡(jiǎn)稱汾河新二壩工程）位于太原市小店區(qū)劉家堡鄉(xiāng)劉家堡汾河大橋上游550 m 處，汾河太原段綜合治理三期工程的汾河干流上。汾河新二壩工程金屬結(jié)構(gòu)主要由壅水閘和通航船閘兩部分組成。其中，通航船閘的設(shè)計(jì)是此次工程的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。船閘對(duì)汾河新二壩工程通航事業(yè)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。

汾河新二壩工程船閘包括上閘首（翻板式工作閘門和檢修閘門）、下閘首（人字閘工作閘門和檢修閘門）和廊道（充泄水工作閘門、進(jìn)口檢修閘門、進(jìn)口攔污柵和系船柱）幾部分。船閘下閘首工作閘門采用的型式是人字閘門，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行頻繁，要求運(yùn)轉(zhuǎn)靈活、可靠、摩阻力小，因此對(duì)其設(shè)計(jì)要求更加嚴(yán)格，精度要求也更高。

2 船閘運(yùn)行原理

當(dāng)船舶自上而下行駛時(shí)，可按照以下步驟進(jìn)行操作：1）開(kāi)啟廊道充水閘門，開(kāi)始向閘室充水；2）待閘室水位與上游水位保持齊平時(shí)，打開(kāi)上閘首翻板閘門，船舶平穩(wěn)地駛?cè)腴l室；3）關(guān)閉上閘首翻板閘門，同時(shí)開(kāi)啟廊道泄水閘門，閘室開(kāi)始泄水；4）待閘室水位與下游水位保持齊平時(shí)，開(kāi)啟下閘首人字閘門，船舶平穩(wěn)地駛出閘室。當(dāng)船舶自下而上行駛時(shí)，操作程序與此相反。

3 人字閘門設(shè)計(jì)原理

人字閘門由兩個(gè)門扇組成，兩門扇在液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的作用下繞頂樞和底樞構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)軸完成啟閉運(yùn)轉(zhuǎn)。關(guān)門時(shí)，兩門扇拱向上游成135°夾角，起三鉸拱的作用，可將閘門承受的水壓力通過(guò)面板、次梁、主梁、支枕墊傳遞到閘首邊墩。開(kāi)門時(shí)，三鉸拱的作用消失，閘門轉(zhuǎn)動(dòng)到兩側(cè)閘首邊墩門龕內(nèi)。

4 人字閘門的設(shè)計(jì)

汾河新二壩工程人字閘門：數(shù)量1 孔，孔寬9 m，設(shè)計(jì)水頭5.6 m，閘底高程764.25 m。

人字閘門是船閘設(shè)計(jì)的主要型式，由兩個(gè)門扇平面布置成人字形，中間接縫角度為135°。其結(jié)構(gòu)組成主要包括：門體、止水、頂樞、底樞、支枕、導(dǎo)卡、背拉桿、鎖定、吊耳和啟閉設(shè)備等幾部分。其中最主要的部件是：門體、止水、頂樞、底樞和支枕。

1）門體設(shè)計(jì)：主梁是門體的主要組成構(gòu)件，也是連接其它部件的重要紐帶。不但頂樞底座與頂主梁腹板采用螺栓緊密連接，而且啟閉機(jī)連接軸墊板也通過(guò)螺栓與頂主梁腹板固定在一起，以便于閘門能靈活地隨啟閉機(jī)液壓桿的伸縮做開(kāi)啟或關(guān)閉運(yùn)動(dòng)。底主梁腹板與底樞的軸承巢采用螺栓配套連接，有利于整扇門體牢固地支承在底樞上，使人字閘門運(yùn)轉(zhuǎn)更加安全、可靠。主梁腹板與頂樞、底樞的所有連接螺栓孔要求必須配鉆，以保證頂樞與底樞的同軸度Φ0.5。

主梁在整扇門體中起著框架的作用，是門體的主要受力構(gòu)件。閘門承受的水壓力通過(guò)面板和次梁傳遞給主梁，主梁再利用三鉸拱的反力把水壓力傳遞給支枕墊，最后傳遞到閘首邊墩。

2）止水設(shè)計(jì)：止水效果是否嚴(yán)密是決定閘門設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。人字閘門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其止水結(jié)構(gòu)也相對(duì)其它型式的閘門復(fù)雜的多。主要包括：側(cè)止水、底止水、底側(cè)轉(zhuǎn)角止水、底中間轉(zhuǎn)角止水和中間止水。側(cè)止水、底止水和底側(cè)轉(zhuǎn)角止水均采用圓頭P 型橡皮；底中間轉(zhuǎn)角止水采用方頭P 型橡皮；中間止水采用L1-100 型外R 直角橡皮。在中間止水橡皮的上游側(cè)設(shè)置通長(zhǎng)的MC 尼龍止水墊塊。對(duì)稱止水墊塊接觸面的一側(cè)開(kāi)一個(gè)大楔形槽，嵌入楔形橡皮條的大頭；另一側(cè)開(kāi)一個(gè)小楔形槽，閉門時(shí)可嵌入橡皮條的小頭。

底中間轉(zhuǎn)角止水橡皮采用方頭P 型橡皮主要是為了與中間止水下面的橡皮墊塊嚴(yán)密配合，達(dá)到良好的止水效果。中間止水采用L1-100 型外R 直角橡皮，可實(shí)現(xiàn)人字閘門的兩門扇在水壓力的作用下關(guān)閉時(shí)，中間止水的兩橡皮頭相互擠壓，嚴(yán)密止水。對(duì)稱止水墊塊與主梁端板間均留有20 mm 間隙，通過(guò)填充環(huán)氧填料調(diào)整止水墊塊的位置，使止水墊塊一側(cè)的楔形橡皮條的小頭與止水墊塊另一側(cè)的楔形槽在閘門關(guān)閉時(shí)嚴(yán)密契合，起到雙層止水的作用。

3）頂樞設(shè)計(jì)：頂樞是人字閘門設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)構(gòu)件。頂樞的一端通過(guò)頂樞底座與門體頂主梁腹板連接，另一端通過(guò)拉桿與閘首邊墩預(yù)埋的頂樞埋件相連。頂樞設(shè)置兩根拉桿，方向分別與門扇全開(kāi)或全關(guān)時(shí)作用在頂樞上的反力方向接近，一般兩根拉桿的夾角Φ=60°～80°。

頂樞起著支持整個(gè)門扇重量和保證門扇繞頂樞頸軸啟閉旋轉(zhuǎn)的作用。作用在頂樞上的反力通過(guò)拉桿、預(yù)埋件傳遞給閘首邊墩。頂樞拉桿中間設(shè)置一節(jié)活節(jié)螺栓，通過(guò)調(diào)節(jié)活節(jié)螺栓可以調(diào)整拉桿的長(zhǎng)度，以保證門扇的垂直度，使拉桿受力均衡，不會(huì)發(fā)生彎曲、變形。

4）底樞設(shè)計(jì)：底樞是人字閘門中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、加工精度要求最高的構(gòu)件。底樞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否直接影響人字閘門運(yùn)轉(zhuǎn)的靈活性與可靠性。底樞上面軸承巢的上側(cè)用螺栓固定在底主梁腹板上，外側(cè)與支墊座通過(guò)螺栓配套連接。底樞下面的固定底座則用地腳螺栓固定在底樞埋件上。軸承巢與固定底座之間連接有軸瓦和蘑菇軸頭。軸瓦和蘑菇軸頭之間留有1 mm 的轉(zhuǎn)動(dòng)間隙，安裝時(shí)要嚴(yán)格控制二者與底樞中心線垂直度在0.05 mm 內(nèi)。

底樞對(duì)整扇門體起著支承和繞蘑菇軸頭啟閉旋轉(zhuǎn)的作用。底樞將整扇門體的重量傳遞給閘首底板，大幅地減輕了頂樞拉桿的受力。蘑菇軸頭安裝在固定底座內(nèi)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)之間的墊板厚度來(lái)調(diào)整蘑菇軸頭的定位高程，有助于準(zhǔn)確定位閘門各部件的位置，使閘門的啟閉運(yùn)轉(zhuǎn)更加靈活、可靠。

5）支枕設(shè)計(jì)：支枕包括支墊座、枕墊座、支墊塊和枕墊塊，是人字閘門的主要側(cè)向支承和傳力構(gòu)件。支墊座的底座用螺栓固定在主梁端板上，枕墊座的底座用螺栓固定在閘首邊墩。每一組支墊座和枕墊座的安裝位置都兩兩相對(duì)，與連接主梁保持同一高程。支墊塊安裝在支墊座的凹槽內(nèi)，承壓面采用弧形面；枕墊塊安裝在枕墊座的凹槽內(nèi)，承壓面采用平面。支墊塊與支墊座之間，枕墊塊與枕墊座之間均留有10 mm 的調(diào)整間隙，用來(lái)填充環(huán)氧填料，以保證支墊塊與枕墊塊緊密接觸，滿足設(shè)計(jì)要求。

支枕在人字閘門關(guān)閉擋水時(shí)起著側(cè)向支承的作用，同時(shí)把主梁通過(guò)三鉸拱作用產(chǎn)生的主梁反力傳遞給閘首邊墩，可減小主梁所受的側(cè)向壓力，增加主梁的側(cè)向穩(wěn)定性。

5 人字閘門設(shè)計(jì)不足與改進(jìn)措施

5.1 止水

1）設(shè)計(jì)不足：（1）人字閘門的止水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，分節(jié)較多，導(dǎo)致安裝時(shí)存在止水與止水之間銜接不嚴(yán)密，容易發(fā)生漏水等問(wèn)題。（2）中間止水中起雙層止水作用的止水墊塊，一側(cè)的楔形橡皮條是用膠粘在楔形槽內(nèi)的，開(kāi)啟閘門時(shí)，楔形橡皮條長(zhǎng)期在力的作用下很容易松動(dòng)、脫落，增加漏水的可能。

2）改進(jìn)措施：（1）將止水結(jié)構(gòu)中的底止水、底側(cè)轉(zhuǎn)角止水和側(cè)止水橡皮做成一個(gè)整體，既便于止水橡皮的安裝又減少止水橡皮的接縫，使止水更加嚴(yán)密，效果更好。（2）如圖1，將中間止水的對(duì)稱止水墊塊改成接觸面分別開(kāi)一個(gè)大小不同的楔形槽，再分別嵌入橡皮條（橡皮條各伸出5 mm），一端為平面，一端為弧面。通過(guò)填充環(huán)氧填料使橡皮條在閘門關(guān)閉時(shí)能相互擠緊，達(dá)到良好的止水效果。

圖1 中間止水

5.2 頂樞

1）設(shè)計(jì)不足：（1）頂樞拉桿采用的是雙拉桿，拉桿承受較大的作用力，彎矩較大，容易彎曲。（2）頂樞拉桿的一端與門體的頂主梁腹板通過(guò)螺栓連接，另一端與埋設(shè)在閘首邊墩的頂樞埋件通過(guò)吊耳軸連接。由于土建的施工誤差較大，不能精確地控制頂樞埋件的吊耳軸中心線高程，導(dǎo)致拉桿不易保持水平，受力不均，容易發(fā)生彎曲、損壞。

2）改進(jìn)措施：（1）如圖2，將雙拉桿頂樞改成由三根拉桿組成的三角形桁架式頂樞。即在頂樞頸軸與兩拉桿頂端之間連接一塊三角形連接板，再在兩拉桿斜對(duì)角增加一根拉桿，構(gòu)成三角形結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由連接板承受彎矩，而拉桿不受彎矩作用，可極大地提高拉桿的承載力，防止拉桿彎曲、變形。（2）將埋設(shè)在閘首邊墩的頂樞埋件改成埋在閘首邊墩的側(cè)墻上。把側(cè)墻埋固鋼板上的地腳螺栓孔設(shè)計(jì)成橢圓孔，便于調(diào)節(jié)吊耳軸中心線高程，使之與拉桿中心線高程保持一致，可確保拉桿均衡受力，門扇一直處于垂直狀態(tài)，啟閉運(yùn)轉(zhuǎn)靈活、可靠。

圖2 三角形桁架式頂樞

5.3 底樞

1）設(shè)計(jì)不足：支墊塊和枕墊塊長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生磨損，接觸不緊密，不能有效地把水壓力引起的底主梁反力通過(guò)支枕墊座直接傳遞給閘首邊墩。同時(shí)，底樞的軸承巢與底主梁腹板緊密連接，蘑菇軸頭也牢固地安裝在固定底座內(nèi)。軸承巢內(nèi)嵌的軸瓦與蘑菇軸頭只能垂直擠壓，不能產(chǎn)生微量的水平移動(dòng)，致使底樞承受很大的水平推力。

2）改進(jìn)措施：如圖3，將固定式底樞改成微動(dòng)式底樞，即底樞的固定底座改成固定支座和活動(dòng)圓盤兩部分?；顒?dòng)圓盤鑲嵌在固定支座內(nèi)，之間留有15 mm 移動(dòng)間隙，中間填充尼龍墊圈。軸承巢與底主梁支墊座制作成整體，用螺栓固定在底主梁腹板上。支墊座做成扇形，埋設(shè)在閘首邊墩的枕墊座也做成扇形。蘑菇軸頭與活動(dòng)圓盤緊密契合，閘門關(guān)閉時(shí)，尼龍墊圈受到力的擠壓產(chǎn)生變形，蘑菇軸頭隨活動(dòng)圓盤在固定支座中可作任意方向的微量移動(dòng)。軸承巢隨蘑菇軸頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，支墊座也隨著軸承巢沿著枕墊座做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。直至閉門，支墊塊與枕墊座緊密接觸，將底主梁反力傳遞給扇形枕墊座，再傳給閘首邊墩。這種結(jié)構(gòu)不但減少了支枕墊的磨損，而且降低了底樞承受的水平推力，有效地提高了人字閘門運(yùn)轉(zhuǎn)的靈活性與可靠性。

6 結(jié)論

目前，汾河流域生態(tài)修復(fù)汾河新二壩工程船閘下閘首人字閘門運(yùn)行良好，啟閉靈活。船閘是通航建筑物的常用型式，未來(lái)發(fā)展前景廣闊。人字閘門是船閘的主要結(jié)構(gòu)型式，是保證船舶安全過(guò)閘的重要設(shè)施。隨著航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，為使通航更加便捷、順暢，人字閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必然會(huì)不斷地進(jìn)行更新改進(jìn)，閘門的啟閉運(yùn)轉(zhuǎn)也會(huì)變得更加安全、可靠。

圖3 微動(dòng)式底樞