| 标题 | 郑东新区龙湖卧倒式闸门及启闭机布置方案 |
| 范文 | 宋杰++孙传军 摘要：介绍了郑东新区龙湖卧倒式闸门及其液压启闭机的总体布置，通过对几种门型的比较，阐述了卧倒式闸门在景观工程中的应用及布置中的一些特点，并通过水力模型试验及三维有限元对其不同的设计工况进行建模计算，分析了卧倒式闸门的一些受力特点，对其控制工况及城市景观闸的设计及运行方式进行有益的探索。 关键词：大跨度；卧倒式闸门；破水器；液压系统；活塞杆 中图分类号：TV698文献标志码：A文章编号：16721683（2015）002003604 1工程概况 郑州市引黄灌区龙湖调蓄工程位于郑州市城区的东北部，根据龙湖水系主池区的总体规划成果，调蓄池主池区水域面积为56 km2，水岸线长度2166 km，龙湖正常蓄水位为8550 m，相应库容2 680万m3。 龙湖调蓄池工程1号-3号出口控制闸下游分别与东风渠连接，主要功能是满足龙湖水体交换、水位控制、通航及城市景观要求。龙湖通航状态时闸门卧倒满足通航功能，东风渠出现洪水时闸门提起挡水。1号-3号出口控制闸布置形式一致，下面仅对1号出口控制闸的设计进行介绍。 2卧倒式闸门及其液压启闭机布置 2.1门型选择 1号出口控制闸孔口净宽28 m，底槛高程8270 m，东风渠侧最高洪水位8753 m，龙湖正常蓄水位为8550 m，闸门双向挡水。本工程设计中对直升门、上翻门、横拉门、钢坝闸、卧倒门几种闸门形式进行了比较。 直升门。在水利工程中运用最普遍，闸门可双向挡水，动水启闭，也可局部开启，技术最成熟，操作简单，安全可靠，但在大型、特大型闸门中应用不多。其弱点是闸门跨度大时，为满足闸门的刚度要求，闸门的门体较厚（既梁高很大），启闭机排架高，启闭机大梁高，施工难度大，尤其是有通航要求时，景观较差。启闭机可选择卷扬式启闭机或直升液压启闭机操作，卷扬式启闭机中间同步连接轴较长，直升液压启闭机油缸伸出太高，不美观。 上翻门。该闸门是闸桥合一的结构形式。闸门分为数扇，悬挂在大桥的箱型梁上，闸门围绕上铰轴旋转，开启时平卧在桥下过水，闸门旋转垂直状态关闭挡水。闸桥结合形式简洁，可以充分利用桥下空间，缺点是以单向挡水为主，闸门局部开启工况较差，没有控制流量的功能。 横拉门。横拉门是水利工程中应用非常多的一种门型。在平面闸门的顶部或底部设置行走轮，闸门可沿轨道横向移动，多用在船闸或船坞上。闸门一般在静水条件下操作，没有控制流量的功能，闸一侧占用空间较大。 [JP+1]钢坝闸。钢坝闸主要由平面门体、旋转底轴、驱动拐柄和液压系统组成，旋转底轴安装在河床底部，闸门绕旋转底轴转动。闸门可垂直或斜立位置挡水，门顶允许过流，闸门可动水启闭，也可局部开启。闸门开启由液压启闭机推动闸墩内侧驱动拐柄，驱动拐柄转动旋转底轴完成。但旋转底轴的制造和安装难度较大，另一方面旋转底轴穿侧墙处的止水长期使用容易漏水，进入液压启闭机室，闸门不易检修。[JP] 卧倒门。[JP]平面卧倒门也[HJ1.9mm]是转动式闸门的一种。闸门根据孔口宽度设置数个安装在河床底部的铰座，闸门绕该铰座的铰轴转动。闸门挡水时为斜立位置，过水时放下为水平位置。闸门可双向挡水，门顶允许过流。闸门动水启闭，也可局部开启。闸门顶部设破水器，当内河侧水位高于外河侧时，闸门启闭时将水幕分开，使门下空腔与大气连通防止引起闸门震动。卧倒式平面钢闸门，优点是结构简单，水下没有需要经常检修部件，造价较低，地面无任何建筑物，缺点是检修不便。[JP] 通过上述5种门型分析比较，直升门、钢坝闸和卧倒门均适合1号闸，结合金属结构和水工经济方面比较，综合考虑整体建筑物布置和协调周边环境，推荐方案采用卧倒门，工作闸门采用3孔卧倒式平板钢闸门，单孔净宽度为280 m，闸门支铰轴设于底板宽顶堰上游面上，启闭采用液压启闭机控制，龙湖通航状态闸门平卧于底板上。东风渠出现百年一遇的洪水时闸门提起挡水。 2.2工作闸门设计 [BT4][STHZ]2.2.1闸门设计 卧倒门主要由卧倒门门体、支承结构、操作系统、冲淤系统等组成。 闸门宽28 m，门顶高度为52 m，支铰中心高程-075 m，闸门平时开启状态时卧倒在闸底板上。在防洪挡水时，闸门全关，与水平面成70°向东风渠侧倾斜，可满足双向挡水的要求。闸门动水启闭，也可局部开启形成瀑布景观，闸门可在任意位置局开。 安装在闸门底部大梁和闸底板预埋件上支铰，使闸门与闸底板保持铰接状态。沿孔口宽度方向上共布置2个支铰，支铰将闸门承受的荷载传递到闸底板上。在闸门两侧靠近闸墙处设两个支臂，启闭设备通过驱动支臂，使支臂带动闸门绕支铰轴线转动，从而达到启闭闸门的功能。 闸门的操作设备采用液压启闭机，油缸活塞杆吊点与闸门支臂铰接，油缸中部铰点布置在河道闸墙上，活塞杆吊点采用自润滑关节轴承。闸门两吊点的同步通过闭环液压同步系统保证。液压泵站布置在两侧边墩的液压泵站房里，一侧控制2孔闸，一侧控制1孔闸。 在闸门底槛上设置冲淤装置，满足闸门的冲淤要求，保证闸门不会因污物而影响闸门的正常工作。冲淤装置的高压水泵也布置在两侧液压泵站房里。 [BT4][STHZ]22.2闸门部件设计 卧倒门结构由门叶、支铰、止水组成。门叶由面板、主梁和次梁组成，由于闸门允许顶部过流，在闸门的顶部设破水器，当闸门启闭时破水器将水幕分开，闸门内部设置通气孔，使门下空腔与大气连通，防止因产生负压引起闸门震动。 闸门两支铰采用固定式，轴承采用自润滑关节轴承，作为闸门的轴向基准点，可承受一定的轴向力，支铰通过锚栓固定在闸底板上。 由于闸门支铰完全淹没于水下，水下维护保养比较困难，对自润滑关节轴承而言，保证轴承安全有效的工作，防止污水和泥沙对轴承的侵蚀和破坏就是关键。关节轴承支铰结构的设计应能保护关节轴承免于泥沙的进入并且具有可靠的密封装置，关节轴承的滑动面除有较低的摩擦系数外，对可能进入的少量泥沙有一定的适应能力，不能因泥沙的进入导致摩擦面的损坏，摩擦系数大幅升高。关节轴承应为自润滑型，其使用寿命大于30 a。 闸门底止水采用P型橡皮，两侧双向止水的侧水封装置采用U型橡皮，侧水封材料为普通水封橡皮，侧水封装置的结构能够适应闸门因温度变化产生的变形。 [BT4][STHZ]2.2.3闸门冲淤 闸门运行状态是长期卧倒放置，水中的门体有可能出现淤积现象，为了能正常启闭，应设置冲淤装置，冲淤主要是对门体下部的泥沙进行冲刷。冲淤装置采用高压水枪自动冲淤为主，人工清淤为辅的方式。 自动冲淤方式是在闸门底槛上设置冲淤装置，利用高压水通过冲淤管对门底淤积进行清理。设计考虑到冲淤的需要，在闸门卧倒状态时，门叶底部缓冲垫与闸底板上支撑块接触使闸门与闸底板保留一定距离，少量淤积不影响闸门的正常工作，同时给高压冲淤留出空间。闸门门底淤积应定时冲淤，每次启闭闸门前应先进行冲淤。 [BT4][STHZ]2.2.4液压启闭机设计 卧倒门采用2×1600/2×1000 kN的液压启闭机操作，启闭机工作行程为61 m。启闭机油缸设置在闸墩两侧，启闭机支铰中心线距底槛高程为40 m，高于龙湖100年一遇洪水位8562 m。液压启闭机泵站和现地电控设备设置在两岸，泵组、阀组、油箱为一体式结构。每个泵站设两套油泵电动机组，互为备用。 液压系统具有使闸门同步、自动复位的功能。为保证闸门启闭运行时两吊点的同步，既保持闸门绕支铰轴转动时始终同步，启闭机液压系统设有闭环同步纠偏控制系统，以保证闸门的同步运行，同步误差不大于2 cm。 自动复位的功能：当闸门挡龙湖水或在局开位置时，由于启闭机液压系统和油缸的内泄，造成闸门支臂吊点向东风渠侧滑动200 mm时，液压启闭机能够自动启动一组油泵电动机组将闸门提升至原位置。若下滑200 mm，液压启闭机未能启动，则当滑动至300 mm时，液压启闭机能够自动启动另一组油泵电动机组，将闸门提升至原位置，并自动停止，同时发出声光报警信号。 1号出口控制闸布置形式见图1。 2.3工作闸门模型试验 [JP+1]本工程中采用的大跨度卧倒门属新型景观水闸，目前没有可供依据的规范标准，计算理论也不够成熟，特别是闸门开启及局部开启运行状态下闸门上下同时过流，水流流态复杂，水流对闸门作用过程复杂，引发闸门振动[HJ1.9mm]的边界条件不明。因此，特意委托天津大学通过闸门水工模型试验及相应的分析计算，对闸门运行过程中的水动力和结构静动力问题进行研究，为水工建筑设计和闸门结构优化设计提供依据，提出闸门优化布置及合理的闸门[JP]运行操作调度方案。 根据闸门的实际运用情况，分以下5种工况。 （1）正常运用1：龙湖水位8550 m，东风渠水位与龙湖水位差不大于±05 m时，闸门开启，最终闸前后水位高程一致，维持在8550 m。 （2）正常运用2：龙湖水位8550 m，东风渠无水，闸门关闭，闸前后水位差达到最大。 （3）正常运用3：龙湖水位8550 m，东风渠无水或水深低于20 m，闸门局部开启。 （4）非正常运用1：龙湖水位8550 m，闸门关闭，东风渠100年一遇水位最大水位8753 m。 （5）非正常运用2：龙湖水位8450 m，闸门关闭，东风渠100年一遇水位最大水位8753 m。 试验量测了各工况下闸门位于不同开度时，单油缸吊头和单支铰座的受力。具体数值见表1-表4。 从试验数据可看出如下结果。 （1）正常运用1，闸门开度20°左右时，单油缸吊头所受拉力达到最大值，其值约为2483 t，单支铰座所受压力达到最大值，其值约为3336 t。 （2）[JP+2]正常运用2，单油缸吊头所受最大拉力约为3282 t，单支铰座所受最大压力约为2024 t；正常运用3，闸门开度50°左右时，单油缸吊头所受拉力达到最大值，其值约为8680 t，单支铰座所受压力达到最大值，其值约为14881 t。[JP] （3）非正常运用1，单油缸吊头所受最大压力约为5653 t，单支铰座所受最大压力约为5624 t；非正常运用2，单油缸吊头所受最大压力约为6469 t，单支铰座所受最大压力约为6496 t。 按常规力学方法计算卧倒门启闭力时，采用舌瓣闸门门顶溢流的动水压力计算方法，计算结果同模型试验结果趋势基本一致。 24结构计算 首先按常规的平面体系的容许应力法对卧倒门进行了计算，由于闸门结构实际上是一个比较复杂的空间体系，因此采用有限元计算更接近实际情况。 根据闸门的结构特点，依据设计图纸建立闸门几何模型，钢闸门面板、主次梁及支臂均采用具有计算精度高、模拟实体方便灵活的特点的SOLID 45三维实体单元，单元划分采用四面体和六面体单元，单元数量共720 113个，节点数量共210 497个。 [BT4][STHZ]2.4.1边界条件 （1）计算参数。 闸门及支臂结构均采用16 Mn钢材，钢材弹性模量E=206×105 MPa，泊松比μ=03，密度ρ=7850 kg/m3； （2）计算荷载。 计算荷载主要为：自重，上下游水荷载； （3）边界约束。 坐标系定义为：x轴方向为水流方向，y轴为垂直方向，z轴为主横梁轴，零点位于门底。根据闸门结构的边界约束情况，无论是闸门挡水还是开启，均在底部支铰处受到铰的约束，同时受到闸门在不同开启角度时支臂的约束，支臂与闸门之间锚栓连接需耦合各方向的自由度，支臂末端吊头处施加全部约束。有限元计算模型的边界处理为：底部支铰及支臂吊头施加x、y、z三个方向约束。 [BT4][STHZ]2.4.2计算过程 （1）正常运用1计算。 正常运用1，内河水位8550 m，外河无水，闸门关闭，变形量计算见图2，应力计算见图3，闸门变形83 mm，拉应力523 MPa。[FL）] [FL（K2][FK（W12。22] 图2工况1变形量计算 [FK）] [FK（W12。22] 图3工况1应力计算 [FK）][FL）] [FL（K2]（2）正常运用2计算。 正常运用2，内河水位8550 m，外河无水，闸门局部开启20°，变形量计算见图4，应力计算见图5，闸门变形139 mm，拉应力768 MPa。[FL）] [FL（K2][FK（W12。22] 图4工况2变形量计算 [FK）] [FK（W12。22] 图5工况2应力计算 [FK）][FL）] [FL（K2]经计算得知，工况1和工况2由于挡水方向相同，应力和位移等值线分布具有相似性，但由于工况2为闸门局部开启闸顶过水工况，工况2应力和变形量最大，为控制工况，闸门的实际运行中应避免长时间停留在工况2的位置。 3结语 河流水环境是城市生态文明的载体，是城市宝贵的自然与文化资源，提高了城市的品味，改善了城市环境，具有综合功能的新型大跨度闸门将得到广泛的应用，目前郑州市引黄灌区龙湖调蓄工程正在施工，大跨度液压下翻转式卧倒门景观闸正在施工。 考虑到大跨度液压下翻转式卧倒门受力状态复杂，且需局部开启闸顶过水，传统的平面计算难以反映其整体的受力状态，本研究项目除进行模型试验外，结构计算采用三维有限元对其进行空间结构复核。针对其不同的设计工况进行建模计算，对其控制工况进行有益的探索，计算结果对城市景观闸的设计及运行方式具有现实指导意义。 参考文献： [1]DL/T 5167-2002，水电水利工程启闭机设计规范[S]. [2]成大先.机械设计手册[K].化学工业出版社，2010. [3]华东水利学院.水工设计手册6.泄水与过坝建筑物[K].北京：水利电力出版社，1987. |
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