余江林，唐天國

(四川大學建筑與環(huán)境學院，四川成都610065)

目前國內(nèi)外河道中水閘設(shè)計廣泛采用普通平面鋼閘門結(jié)構(gòu)，它雖然具有結(jié)構(gòu)簡單，閘室短等優(yōu)點，但最大的缺陷就是需要較高大的排架柱供其啟閉，這很大程度制約了平面鋼閘門在高度較大閘門上的應用。同樣擋水高度的閘門，平面直升閘門所需的排架高度比其他門型要高，特別是在地震烈度較強的區(qū)域，若采用普通形式的平面閘門，必然會使土建工程量加大，也使閘門建筑與周圍環(huán)境不相協(xié)調(diào)。為了發(fā)揮平面鋼閘門的優(yōu)點，又為了克服其缺點，以某大型攔河閘壩為例，簡述了平面鋼閘門的新型升降技術(shù)，并利用有限元軟件ABAQUS對比分析閘門新型升降技術(shù)和普通啟閉技術(shù)在最大啟閉力時的位移和應力，這可為以后的水閘設(shè)計提供參考。

1 閘門的新型升降技術(shù)

1.1 工程概況

旺月閘位于旺蒼縣城東河馬家渡大橋上下游附近，攔河閘室寬184.0 m，過流總凈寬140.0 m，共布置10孔泄水閘孔，單孔凈寬14.0 m，結(jié)構(gòu)型式采用開敞式平底堰，閘門采用平面鋼閘門。閘室順水流方向長度41.0 m，底板高程457.40 m，底板厚度3.5 m，其中底部采用C30鋼筋混凝土，厚3.1 m，頂部設(shè)置C40HF鋼筋混凝土，厚0.4 m，基礎(chǔ)置于基巖上。閘室段采用閘孔底板中間分縫，間距18.0 m。閘墩采用C30鋼筋混凝土，中墩厚度4.0 m，邊墩頂寬4.0 m，閘頂高程473.50 m，最大閘高19.60 m。閘頂自上游往下游依次布置3.0 m寬人行橋、21.0 m寬廊橋，6.0 m寬人行兼消防通道、1.6 m寬油管溝和1.2 m寬人行檢修橋。水閘正常蓄水位為466.00 m，設(shè)計洪水位為469.75 m，校核洪水位為471.60 m，下游正常尾水位為458.40 m。

1.2 新型升降技術(shù)

平面閘門有直升、升臥、下臥等多種啟閉方式[1]。其中直升平面閘門啟閉設(shè)備可選用卷揚式啟閉機、頂推式、倒掛式液壓啟閉機啟閉；卷揚式啟閉機需修建高排架，影響城市景觀；頂推式啟閉機檢修維護簡單，水閘頂部可過水，形成瀑布跌水的景觀效果，閘門關(guān)閉時無外露設(shè)備，景觀效果較好，啟閉高度較大時可與倒掛式結(jié)合。升臥式平面閘門，需設(shè)置啟閉工作排架，景觀效果較差，且閘門啟閉機吊具長期浸入水中，易于銹蝕，閘門檢修維護不便。下臥式平面閘門采用底軸驅(qū)動，采用多支點支承的形式，可適應不同孔口跨度，允許門頂過流，常運用于低水頭的城市景觀水閘。

由于本工程正常蓄水位與校核洪水位高差較大，直接采用頂推式液壓啟閉機，因柱塞桿工作行程較長而需加大桿徑、缸徑，技術(shù)難度顯著增加，同時，由于閘門吊梁與閘門固定，門頁整體結(jié)構(gòu)復雜，連接部分容易出現(xiàn)應力集中、桿件失穩(wěn)等問題。根據(jù)本工程泄洪流量大，校核水位高，閘門啟閉高度大等特點，平面閘門啟閉機型式擬定采用新型升降技術(shù)頂推式+倒掛式液壓啟閉機組合兩級提升方案[2]。

兩級提升方案閘門采用雙吊點，門葉左右兩側(cè)主梁分別固定一支倒掛式液壓缸，液壓缸活塞桿頭采用球形軸承與操作橫梁鉸接。閘墩左右分別埋設(shè)一支頂推式液壓缸，液壓缸柱塞桿頭采用球形軸承操作橫梁鉸接。啟門時，先由頂推油缸頂推操作橫梁至油缸最大行程，再由倒掛油缸提升閘門至全開；閉門時，倒掛式油缸將閘門下放至油缸最小行程，再由頂推油缸下放操作橫梁至閘門全關(guān)。頂推式液壓啟閉機容量選用2×1 000 kN，油缸行程9.0 m；倒掛式液壓啟閉機容量選用2×800 kN，油缸行程6.0 m。

新型升降技術(shù)頂推+倒掛式液壓啟閉機組合兩級提升可降低頂推啟閉機柱塞桿長度、桿徑，啟閉靈活，風險較小。同時頂推式啟閉機檢修維護簡單，水閘頂部可過水，形成瀑布跌水的景觀效果，閘門關(guān)閉時無外露設(shè)備，景觀效果較好[3]。

2 閘門啟閉力計算的理論方法

根據(jù)《水工鋼閘門設(shè)計》[4]和《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》[5]，在動水中啟閉的平面鋼閘門，其啟閉力計算應包括以下內(nèi)容：

閉門力的計算

Fw=nT(Tzd+Tzs)-nGG+Pt

(1)

計算結(jié)果中，若Fw為正值時，需要加重，加重方式有加重塊、水柱和機械下壓力等；若Fw為負值時，依靠自重可以關(guān)閉。

啟門力的計算

FQ=nT(Tzd+Tzs)+PX+nG′G+Gj+Ws

(2)

式中，F(xiàn)w、FQ分別表示閉門力和啟閉力，kN；nT為摩擦阻力安全系數(shù)，一般選用1.2；Tzd是支承摩阻力，kN；Tzs為止水摩阻力，kN；nG表示計算閉門力用的閘門自重修正系數(shù)，一般選用0.9～1.0，本文取0.9；G為閘門自重，kN，當有吊桿時應計入吊桿質(zhì)量，計算閉門力時可不計吊桿的質(zhì)量，門重可選用浮重；Pt為上托力，kN，包括底緣上托力及止水上托力；PX表示下吸力，kN；nG′表示計算持住力和啟門力用的閘門自重修正系數(shù)，可采用1.0～1.1，本文取1.1；Gj表示加重塊的自重，kN；Ws是作用在閘門上的水柱壓力，kN。

3 三維有限元模型及結(jié)果分析

3.1 ABAQUS有限元模型

圖1 兩種閘室地基三維有限元模型

本文主要是用ABAQUS[6]對比分析在相同條件下閘門新型升降技術(shù)和普通啟閉技術(shù)受到最大啟閉力時，閘室的應力和位移情況。本次計算按施工縫選取其中一個雙墩為研究對象，上部人行橋，廊橋等荷載以力的形式加載到閘墩上，建立閘室底板、閘墩和地基之間的三維有限元模型。建立數(shù)值模型時，X軸順著水流指向下游，Y軸鉛直指向向上，Z軸垂直水流指向右岸。為了精確的對水閘進行仿真計算，除了水閘底板和閘墩外，地基在深度方向取30 m，上下游方向取30 m作為計算結(jié)構(gòu)模型，剖分網(wǎng)格[7]。新型升降技術(shù)及普通啟閉技術(shù)計算模型及網(wǎng)格剖分見圖1。

3.2 計算參數(shù)

閘墩及底板混凝土材料等級為C30，彈性模量Ec=30 GPa，泊松比μ=0.167，密度ρ=2 400 kg/m3。地基參數(shù)：粉砂質(zhì)泥巖，彈性模量E=200 MPa，泊松比μ=0.34，密度ρ=2 000 kg/m3。在地基與閘室底板之間設(shè)置接觸，選擇閘室底板為主控接觸面，地基土體為從屬接觸面，綜合摩擦系數(shù)的取值多由試驗得出[8]，可取0.4。

3.3 邊界條件及計算荷載

在進行計算時，地基底面為固定約束，四周側(cè)面為連桿支撐，上部結(jié)構(gòu)均為自由。計算荷載考慮閘門自重，止水與埋件的摩阻力，行走支承與軌道間的摩阻力，門頂垂直動水壓力，水對閘墩的側(cè)面水壓力，水對底板的水壓力，上部廊橋荷載。本文分析了新型升降技術(shù)和普通啟閉技術(shù)3種工況下閘室結(jié)構(gòu)最大啟閉力時受力情況，即正常蓄水位，設(shè)計洪水位，校核洪水位。

3.4 荷載優(yōu)化分析

根據(jù)閘室地基三維有限元模型計算結(jié)果，進行新型升降技術(shù)和普通啟閉技術(shù)閘室結(jié)構(gòu)在3種工況下的位移應力對比分析，得出新型升降技術(shù)相比普通啟閉技術(shù)在受力方面有哪些優(yōu)勢。

3.4.1位移和應力計算結(jié)果

3.4.1.1 正常蓄水位工況

正常蓄水位情況下，水深8.6 m，水對底板的水壓力86 kPa，水對閘墩的側(cè)面水壓力43 kPa，上部廊橋作用在閘墩上面的壓強395.8 kPa，閘門自重108 t，操作橫梁重12.5 t，經(jīng)計算得止水摩阻力28.8 kN，滾動軸承的滾動摩阻力55.7 kN，下吸力4.7 kN，啟門力1 431.6 kN，閉門力-983.1 kN，為負值，依靠自重可以關(guān)閉，不需要加重。根據(jù)以上荷載進行閘室地基有限元計算，結(jié)果見圖2、3。

圖2 正常蓄水位工況兩種閘室結(jié)構(gòu)的位移分布

圖3 正常蓄水位工況兩種閘室結(jié)構(gòu)的應力分布

由圖2、3可以看到，在正常蓄水位工況下新型升降技術(shù)和普通啟閉技術(shù)都是閘室上游部分的位移比較大，往下游方向位移變形越來越小。新型升降技術(shù)的最大位移和最大應力出現(xiàn)在閘墩上游部分，值分別為11.94 mm和2.15 MPa。在相同條件下采用普通啟閉技術(shù)的最大位移和最大應力都出現(xiàn)在上部結(jié)構(gòu)工作橋和排架上，值分別為15.39 mm和5.47 MPa，最大位移和最大應力比新型升降技術(shù)分別增加了28.89%和154.41%。

3.4.1.2 設(shè)計洪水位工況

設(shè)計洪水位情況下，水深12.35 m，水對底板的水壓力123.5 kPa，水對閘墩的側(cè)面水壓力61.75 kPa，上部廊橋作用在閘墩上面的壓強395.8 kPa，閘門自重108 t，操作橫梁重12.5 t，經(jīng)計算得止水摩阻力55.4 kN，滾動軸承的滾動摩阻力106.9 kN，下吸力4.7 kN，啟門力1 524.96 kN，閉門力-889.74 kN，為負值，依靠自重可以關(guān)閉，不需要加重。根據(jù)以上荷載進行閘室地基有限元計算，結(jié)果見圖4、5。

圖4 設(shè)計洪水位工況兩種閘室結(jié)構(gòu)的位移分布

圖5 設(shè)計洪水位工況兩種閘室結(jié)構(gòu)的應力分布

由圖4、5可以看到，在設(shè)計洪水位工況下新型升降技術(shù)和普通啟閉技術(shù)都是閘室上游部分的位移比較大，往下游方向位移變形越來越小。新型升降技術(shù)的最大位移和最大應力出現(xiàn)在閘墩上游部分，值分別為14.67 mm和2.62 MPa。在相同條件下采用普通啟閉技術(shù)的最大位移出現(xiàn)在底板上游端部，最大應力出現(xiàn)在排架上部，值分別為17.95 mm和5.78 MPa，最大位移和最大應力比新型升降技術(shù)分別增加了22.36%和120.61%。

3.4.1.3 校核洪水位工況

校核洪水位情況下，水深14.2 m，水對底板的水壓力為142 kPa，水對閘墩的側(cè)面水壓力71 kPa，上部廊橋作用在閘墩上面的壓強395.8 kPa，閘門自重108 t，操作橫梁重12.5 t，經(jīng)計算得止水摩阻力68.5 kN，滾動軸承的滾動摩阻力132.26 kN，下吸力4.7 kN，啟門力1 571.1 kN，閉門力-843.6 kN，為負值，依靠自重可以關(guān)閉，不需要加重。根據(jù)以上荷載進行閘室地基有限元計算，結(jié)果見圖6、7。

圖6 校核洪水位工況兩種閘室結(jié)構(gòu)的位移分布

由圖6、7可以看到，在設(shè)計洪水位工況下新型升降技術(shù)和普通啟閉技術(shù)都是閘室上游部分的位移比較大，往下游方向位移變形越來越小。新型升降技術(shù)的最大位移和最大應力出現(xiàn)在底板上游和閘墩上游部分，值分別為19.64 mm和2.26 MPa。在相同條件下采用普通啟閉技術(shù)的最大位移出現(xiàn)在底板上游端部，最大應力出現(xiàn)在排架上部，值分別為19.98 mm和5.95 MPa，最大位移和最大應力比新型升降技術(shù)分別增加了1.73%和163.27%。

3.4.2結(jié)果分析

為使分析結(jié)果更明顯，對水閘3種工況下結(jié)構(gòu)的位移和應力進行了總結(jié)，閘室位移和應力情況見表1。

綜上所述，3種工況下新型升降技術(shù)和普通啟閉技術(shù)閘室的上游部分位移變形都比較大，往下游方向變形越來越小。普通啟閉技術(shù)對比新型升降技術(shù)，在3種工況下最大位移和最大應力值都比新型升降技術(shù)的大，增加率分別為28.89%，22.36%，1.73%和154.41%，120.61%，163.27%。在3種工況下啟閉機附近的最大位移和應力值，普通啟閉技術(shù)都是新型升降技術(shù)的2倍左右，且普通啟閉技術(shù)的最大位移和最大應力主要出現(xiàn)在排架和工作橋上，不利于閘室整體穩(wěn)定性和抗震，采用新型升降技術(shù)的最大位移和應力主要分布在閘墩上，受力布局合理，提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力并具有良好的景觀效果。

圖7 校核洪水位工況兩種閘室結(jié)構(gòu)的應力分布

表1 3種工況下兩種啟閉技術(shù)閘室結(jié)構(gòu)的位移應力

4 結(jié) 論

(1)以某大型攔河閘壩閘門采用新型升降技術(shù)為例，新型閘門升降技術(shù)對比普通啟閉技術(shù)不僅具有普通平面鋼閘門結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，閘室短等優(yōu)點，而且啟閉高度大，同時不需要較高大的排架柱，閘室整體穩(wěn)定性和抗震能力好，可以減少土建工程量，節(jié)約資金。閘門關(guān)閉時無外露設(shè)備，有較好的景觀效果。

(2)利用ABAQUS將水閘結(jié)構(gòu)和地基作為一個整體建立三維有限元模型，對新型升降技術(shù)和普通啟閉技術(shù)在3種工況條件相同時水閘結(jié)構(gòu)的位移和應力進行對比分析，結(jié)果表明，模型具有較高的仿真度，能夠較好地模擬水閘結(jié)構(gòu)的位移和應力的變化，反映工程實際情況。同時對于采用的新型閘門升降技術(shù)，同一條件時閘室結(jié)構(gòu)的位移變形和結(jié)構(gòu)應力都比普通啟閉技術(shù)小，且荷載布局更合理，更能夠保證水閘工程的安全。該新型升降技術(shù)對以后的城市河道中新建大流量、高水頭的水閘設(shè)計具有一定的借鑒意義。