徐 強(qiáng)，饒英定，徐禮鋒

（江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西南昌330029）

1 概述

在水利水電建設(shè)中，隨著城市用水、景觀建設(shè)及環(huán)境整治和灌溉、發(fā)電的需要，翻板閘、水閘和橡膠壩得到廣泛的運(yùn)用。然而，橡膠壩制造比較復(fù)雜，運(yùn)行時充水（充氣）升壩或放水（放氣）塌壩時間較長，影響快速截流或泄洪，再加上橡膠存在易老化、割裂等弊端，質(zhì)量事故常有發(fā)生；老式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)水力翻板閘門，運(yùn)行時當(dāng)閘門開啟后，由于每片門葉間易卡污物，閘門經(jīng)常不能及時關(guān)閉而造成重大損失甚至危及工程安全。另外，傳統(tǒng)的鋼閘門或翻板閘門，無論是提升式或臥倒式，單孔閘都很難適用較寬的河道。因此，2005年以來，以上海市蘇州河河口閘為代表的許多水閘采用了底軸驅(qū)動翻板閘門（鋼壩）［1］。

底軸驅(qū)動翻板閘門是一種新型可調(diào)控溢流閘門，它主要由土建結(jié)構(gòu)、圓柱形底軸、固定在底軸上的門葉、支承底軸的若干固定支鉸座、底側(cè)止水、閘墩側(cè)墻密封件及啟閉機(jī)驅(qū)動連接拐臂等組成。閘門的啟、閉操作由布置在兩側(cè)啟閉機(jī)室內(nèi)的液壓啟閉機(jī)控制。目前，國內(nèi)建成或正在建造的此類閘門工程有近百座（如黃山湖邊水利樞紐花山壩工程、泰州市水生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程、蘇州工業(yè)園區(qū)金雞湖游艇碼頭工程、上海市蘇州河河口水閘工程等）。

本文根據(jù)底軸驅(qū)動翻板閘門的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)布置的要求，以及啟閉機(jī)控制操作運(yùn)行的要求，針對城市景觀水閘工程的閘門型式進(jìn)行了比選設(shè)計(jì)。

圖1 底軸驅(qū)動翻板閘門示意圖

2 底軸驅(qū)動翻板閘門的原理及特點(diǎn)

2.1 主要工作原理（圖1）

水壓力通過懸臂式門葉結(jié)構(gòu)傳遞到圓柱形底橫軸，底橫軸作用力可分解為水平力、垂直力和力矩。水平力、垂直力通過固定支鉸座傳遞給土建結(jié)構(gòu)，力矩（扭矩）由底橫軸傳遞給液壓啟閉機(jī)或鎖定裝置。閘門啟閉運(yùn)行時，液壓啟閉機(jī)通過拐臂驅(qū)動底橫軸轉(zhuǎn)動，同時使門葉以底橫軸中心為圓心作扇形轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)閘門的開啟和關(guān)閉。閘門局部開度（或轉(zhuǎn)角）取決于鎖定裝置的鎖定位置或液壓啟閉機(jī)活塞桿持住位置，閘門的開度范圍為垂直與水平之間（0°～90°）的任意位置或角度。閘門全部關(guān)閉時門頂可溢流以達(dá)到景觀效果。

2.2 使用條件及優(yōu)缺點(diǎn)分析

底軸驅(qū)動翻板閘門適合于閘孔較寬（10～100 m）而水位差比較?。?～7 m）的城市景觀工程，或山區(qū)河道洪水急漲，要求快速開閘泄洪的工程[2]。由于可以將孔口設(shè)計(jì)的比較寬，可以省去數(shù)孔中間閘墩，所以不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且可以節(jié)省土建投資。該閘門能夠?qū)崿F(xiàn)雙向擋水及立門蓄水或防洪，臥門行洪排澇；閘門啟閉靈活快速、開度無級可調(diào)且調(diào)度方便；啟閉設(shè)備隱蔽，門頂過水形成人工瀑布，改善工程景觀效果；另外，該閘型泄洪能力大，臥門時無礙通航。該閘型的主要缺點(diǎn)：總造價相對較高；要求閘基不存在大的不均勻沉陷；不便設(shè)置檢修閘門，閘門檢修較困難。

3 基本布置要求

3.1 閘孔寬度的確定

目前國內(nèi)已建工程中，底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門最大閘孔寬度為100 m（蘇州河河口水閘）。閘孔寬度確定主要考慮泄量要求、閘基地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素（見圖2）。如果閘基地質(zhì)條件較好不存在不均勻沉陷問題，泄量又有要求，閘孔寬度可適當(dāng)偏大取值；如果閘基地質(zhì)條件較差，需要選擇較大閘孔寬度時，應(yīng)對閘基進(jìn)行打樁、澆筑整體式鋼筋混凝土底板以避免閘基產(chǎn)生不均勻沉陷。但當(dāng)閘孔寬度大于約45 m時，由于扭矩使底橫軸產(chǎn)生扭角變形，跨中變形較大，通常將跨中門葉斷開設(shè)置柔性止水以便避免兩側(cè)啟閉機(jī)不同步而產(chǎn)生的巨大閘門內(nèi)力。對于高度較小、閘孔寬度較大的閘門，底橫軸結(jié)構(gòu)尺寸由剛度控制，因而經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較差。

3.2 啟閉機(jī)室主要尺寸及布置要求

底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門啟閉設(shè)備一般布置在啟閉機(jī)室內(nèi)，啟閉機(jī)室尺寸應(yīng)滿足啟閉、控制及沖淤等設(shè)備的布置、操縱和檢修等要求(見圖3)。如果為了增加過流斷面，要求閘頂過流，閘頂高度還應(yīng)滿足泄流要求，通?？扇￠l頂與閘門頂高程一致（如黃山湖邊樞紐花山壩工程閘頂可過流）。

啟閉機(jī)室為水下結(jié)構(gòu)，機(jī)室側(cè)墻的防滲，機(jī)室的通風(fēng)、采光（照明）、防雨不可忽視，其直接影響工程的運(yùn)行管理。當(dāng)閘頂需要過流時，應(yīng)進(jìn)行密封處理（如黃山湖邊樞紐花山壩工程），并應(yīng)在閘底板下部布置維護(hù)、管理交通廊道。另外，啟閉機(jī)室底板應(yīng)布置集水井，設(shè)置自動排水泵。

3.3 閘底板布置

當(dāng)采用閘底坎低于底橫軸布置時，閘底坎上游通常設(shè)置沉砂池，當(dāng)河流泥砂較多，還應(yīng)設(shè)置攔砂坎，攔砂坎和閘底坎可分別、也可結(jié)合起來布置（如泰州市水生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程攔砂坎和閘底坎結(jié)合布置，坎高2.0 m）。底坎下游閘底板高程的確定，應(yīng)考慮閘門平臥后下部緩沖墊、沖淤管道設(shè)置空間及泄流消能等要求，一般下游閘底板高程也低于閘底坎。

圖2 底軸驅(qū)動翻板閘門立面布置圖

3.4 沖淤

對于泥砂較多的河流，除在閘底坎上游布置沉砂池、攔沙坎外，還應(yīng)在底坎下游布置高壓沖淤管道（利用高壓水泵沖淤）、在適當(dāng)位置布置攔砂閘。如黃山湖邊樞紐花山壩工程針對于泥砂多的情況，在閘門前設(shè)有攔沙坎，攔沙坎與閘底坎相結(jié)合，底橫軸底高程以下坎高1.7 m；在5孔底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門右側(cè)設(shè)有一孔排砂閘，防止閘前泥砂堆積對閘門啟閉的影響。又如泰州市水生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門閘坎下游均布置了沖淤管道及高壓噴嘴。

圖3 底軸驅(qū)動翻板閘門縱剖面布置圖

3.5 側(cè)墻二期澆注密封

閘門底橫軸需要穿過閘孔兩側(cè)墻套管進(jìn)入啟閉機(jī)室，側(cè)墻套管與側(cè)墻采用二期混凝土固定，二期混凝土可用膨脹水泥澆筑，確保澆筑質(zhì)量，防止?jié)B水。底橫軸與側(cè)墻套管之間采用橡皮（或石棉盤根）止水和鋼壓板壓緊固定。

閘門側(cè)止水接觸的側(cè)墻鋼埋件采用二期澆筑。鋼埋件有局部和整體之分：整體鋼埋件范圍為在啟閉過程中閘門側(cè)止水與接觸的四分之一圓面積 （扇形）；局部鋼埋件為條狀扇形布置，設(shè)置在閘門幾個固定開度所對應(yīng)的位置。另外，側(cè)墻也有不設(shè)置鋼埋件的工程實(shí)例，如在側(cè)墻涂刷一定厚度的環(huán)氧地平涂料或表面平滑的石板?？傊?，比較而言設(shè)置鋼埋件更可靠。

4 基本結(jié)構(gòu)要求

4.1 底橫軸

底橫軸作為門葉懸臂梁的縱向固端和閘門啟閉驅(qū)動軸是閘門最重要結(jié)構(gòu)之一，主要承受門葉水壓力作用產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)（矩）和彎曲（矩）。橫軸為圓形鋼管截面，管徑較小時可選用定型標(biāo)準(zhǔn)無縫鋼管加工，管徑較大時可采用鋼板卷制焊接結(jié)構(gòu)。由于底橫軸整體較長，在廠內(nèi)分段制造加工，分段長度根據(jù)支承間距、加工及運(yùn)輸條件確定，一般長約6～10 m，在工地現(xiàn)場進(jìn)行組裝。拼接方式為焊接和高強(qiáng)螺栓連接兩種。底橫軸的制造、安裝時應(yīng)保證同心度，軸外表盡可能進(jìn)行精加工。一般跨度較大時底橫軸在中間一分為二，采取柔性連接，不僅有效減少閘底板變形變位的影響，還可有效避免啟閉機(jī)不同步帶來的問題。

底橫軸的截面尺寸應(yīng)按承受門葉水壓力作用、門葉重量、門頂水重及底橫軸自重產(chǎn)生的扭矩和彎矩初選、復(fù)核和確定，確定截面尺寸時注意留有余地。

4.2 底軸鉸座

鉸座主要承受門葉水壓力作用、門葉重量、門頂水重及底橫軸自重產(chǎn)生的推力及啟閉時摩擦阻力，并將其傳遞到土建結(jié)構(gòu)。通常鉸座的布置間隔約6～10 m，底軸與鉸座之間采用低摩擦系數(shù)的自潤滑球軸承，鉸座材料一般使用鑄鋼。鉸座與土建結(jié)構(gòu)固定采用錨栓，使用二期砼澆筑。

4.3 密封止水

與傳統(tǒng)閘門比較，底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門的止水要復(fù)雜得多。因此，止水設(shè)計(jì)應(yīng)作為設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)。止水主要包含門葉與側(cè)墻止水、穿墻套管與底橫軸止水、底軸與門葉止水、底軸與閘底坎止水等，而且有單向和雙向止水之分。門葉與側(cè)墻通常用P型橡皮止水，外加彈簧鋼板調(diào)節(jié)橡皮壓縮；門葉與底軸之間常用I型橡皮止水帶配鋼壓板，橡皮壓縮量不超過5 mm，否則底軸旋轉(zhuǎn)時，橡皮容易翻轉(zhuǎn)，并會增加啟閉的摩阻力。底軸與穿墻套管的止水應(yīng)加強(qiáng)設(shè)計(jì)，盡量做到滴水不漏。止水材料要求耐磨性能好。

4.4 閘門頂部破水及補(bǔ)氣措施

門頂過流的底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門，由于門頂過流形成連續(xù)的水面瀑布，門體背面容易產(chǎn)生負(fù)壓，門頂易產(chǎn)生氣蝕。通常在門頂設(shè)置破水器（板）和補(bǔ)氣孔，破水器高度應(yīng)根據(jù)門頂溢流水深確定（一般門頂溢流水深≦0.5 m）。如泰州市水生態(tài)環(huán)境整治工程、黃山湖邊樞紐花山壩工程和上海市蘇州河河口水閘門頂均設(shè)了破水器（板）和補(bǔ)氣孔。

4.5 閘門鎖定方式

閘門的鎖定基本依靠對驅(qū)動拐臂的固定來實(shí)現(xiàn)閘門位置的鎖定。目前有兩種鎖定方式：一是在拐臂上布置液壓推桿，液壓推桿將活塞桿推入墻體的定位孔鎖定住閘門，此種鎖定型式的缺點(diǎn)在于推桿缸體直徑有限，抵抗鎖定剪力較小，如蘇州工業(yè)園區(qū)金雞湖游艇碼頭閘就是采用這種鎖定；二是在拐臂上設(shè)置擋板，并根據(jù)拐臂的轉(zhuǎn)動軌跡，用升降式鎖定鋼梁與拐臂上的擋板接觸鎖定閘門，如泰州市水生態(tài)環(huán)境整治工程。

4.6 防腐

底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門跨度較大，上、下游不便設(shè)置檢修閘門。通常閘門檢修時需要做上、下游圍堰，代價較大，因此閘門的防腐十分重要。目前主要防腐措施有3種：一是噴鋅加涂料防腐，噴鋅厚度不小于0.2 mm，應(yīng)采用耐磨性能較好涂料，如氯化橡膠防銹漆等，厚度不小于0.4 mm；二是泥砂較多，流速較高的河流閘門，面板采用復(fù)合不銹鋼板材料制造，不銹鋼層不小于3 mm。如黃山湖邊樞紐地處于新安江水庫上游新安江上，泥砂較多，閘門面板采用了復(fù)合不銹鋼板材料；三是采用防腐涂料加陰極保護(hù)，如泰州市生態(tài)景觀工程和上海市蘇州河河口水閘均安裝了陰極保護(hù)裝置。

4.7 檢修

由于單閘孔寬度大，通常不設(shè)置檢修閘門。因此，對于無條件檢修的閘門，應(yīng)按照免維修、少維護(hù)的要求設(shè)計(jì)底橫軸，適當(dāng)增加底橫軸軸壁厚度及水下部分使用年限，如蘇州河口閘，水下部分按30年設(shè)計(jì)。這樣雖增加了投資，但大大減輕了運(yùn)行管理的工作量。對于通過采取措施形成檢修條件的閘門，可適當(dāng)簡化底橫軸等結(jié)構(gòu)構(gòu)件及防腐設(shè)計(jì)。

5 啟閉機(jī)控制操作運(yùn)行和管理

液壓啟閉機(jī)的電控柜布置于啟閉機(jī)室內(nèi)，通常采用二層控制方式，即現(xiàn)地控制和遠(yuǎn)程控制。另外，可編制閘門開啟、關(guān)閉及各個開度所對應(yīng)的水位關(guān)系，進(jìn)入計(jì)算機(jī)程序控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)閘門上、下游設(shè)置的水位儀傳輸?shù)乃毁Y料實(shí)現(xiàn)閘門的自動開啟、關(guān)閉，確保洪水來時能及時敞泄，洪水退后能及時關(guān)閉蓄水，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化管理。當(dāng)控制設(shè)備出現(xiàn)故障時可以緊急手動開啟閘門。

閘門啟、閉時主要通過行程傳感器和糾偏裝置實(shí)現(xiàn)左、右兩臺液壓啟閉機(jī)的同步。計(jì)算機(jī)自動收集左、右啟閉機(jī)行程量測系統(tǒng)的行程數(shù)據(jù)，當(dāng)啟閉機(jī)行程同步誤差大于10 mm（一般設(shè)置值）時，開始糾偏，行程同步誤差大于20 mm（一般設(shè)置值）時，自動停機(jī)檢查。若行程誤差大于20 mm繼續(xù)工作時，會造成底橫軸較大扭轉(zhuǎn)變形。

6 結(jié) 語

通過對底軸驅(qū)動翻板閘門的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)布置要求的論述，能夠使水利水電工程設(shè)計(jì)者在水閘等大跨度泄水工程設(shè)計(jì)選型時選出更適合工程需要的閘門及啟閉機(jī)設(shè)備型式，處理好水工結(jié)構(gòu)布置要求，使底軸驅(qū)動翻板閘門能夠發(fā)揮應(yīng)有的作用。在設(shè)計(jì)時應(yīng)注意閘底板不均勻沉陷引起的底橫軸變形變位，避免閘門卡阻造成啟閉困難的問題。為了適應(yīng)城市現(xiàn)代化發(fā)展，對城市河道治理等水閘工程的景觀、功能需求也日益提高，建議在金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備選型時能充分考慮工程需要，結(jié)合工程特點(diǎn)，根據(jù)底軸驅(qū)動翻板閘門等新型閘門的特點(diǎn)，使金屬結(jié)構(gòu)成為水閘工程的核心設(shè)計(jì)，既解決工程要求泄洪與蓄水的矛盾，又利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，注重景觀效果。

［1］盧新杰，石守津，韓 晶，陳文偉.蘇州河河口水閘底軸驅(qū)動式翻板閘門設(shè)計(jì)［J］.水利水電科技進(jìn)展，2007（4）.

［2］江 飛.鋼壩閘門在城市景觀河道中的應(yīng)用［J］.中國農(nóng)村水利水電，2011（12）.