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1、平面对开弧形三角闸门设计及应用,汇报单位：湖北省水利水电规划勘测设计院,2014年10月24日,1.设计方案的提出 2.运用工况3.闸门结构设计4.闸门结构的流激振动特性5.启闭机选型及布置6.启闭机容量的选择7.制作、安装及调试8.几点体会,汇 报 提 纲,引江济汉工程目的是将长江之水通过人工渠道引入汉江，来补充因中线从丹江口水库调水后汉江中下游的水源不足，以及避免产生严重的生态环境影响。拾桥河枢纽设置在拾桥河与引江济汉主干渠的河道交叉处，设有一座倒虹吸闸，一座上游泄洪闸，一座下游泄洪闸，一座节制闸。节制闸单孔净宽60m，主要承担防御拾桥河洪水和满足上、下游干渠检修的任务。为此，超大型闸门设
2、计成为本工程一大技术难点。在初步设计阶段中，通过对2孔垂直启升平面闸门、单孔平面对开弧形三角闸门、单孔垂直启升平面闸门等三个方案进行比较，推荐采用平面对开弧形三角闸门的设计方案，双向挡水，该门型为介于三角闸门和横拉门之间的一种新型闸门，据了解，此前全国类似的门型仅有一例。该方案能够满足防洪、航运、检修的功能要求，河面通透，对河道通航运量和速度无影响，闸孔上方无建筑物，没有通航高度的限制，布置简洁，与相关建筑物的布局及周围环境相协调。方案通过了水规总院的设计审查。,1、设计方案的提出,枢纽平面布置图,2.1 挡水工况 闸门基本上长年开启（引水、通航），只有在挡洪、检修干渠渠道工况下时才关闭孔口。
3、（1）防洪时，正向挡水水头为2.24m；（2）退洪时，反向挡水水头为2.14m；（3）检修时，双向挡水水头4.33m。2.2 调度运行原则 由于水系交叉，拾桥河枢纽的调度运用条件较为复杂，根据规划拟定的调度运用原则，分不撇洪和撇洪两种情况。需要通过本对开弧形节制闸门、拾桥河上下游两座泄洪闸、渠道出口的高石碑闸等4座闸的联合调度，完成对拾桥河的泄洪任务。限于时间，在这里就不再阐述了。,2、运用工况,3、闸门结构设计,采用平面对开弧形三角钢闸门，共1孔，通航孔口净宽60m。对开弧形工作门由2扇弧形闸门组成，沿闸纵轴线对称布置，2个支铰装置分别布置在左、右两岸，弧门各自绕支铰在水平面内转动。单扇弧门
4、面板外缘半径为45m，弧门外侧面板总弧长40m，门高8.9m。输水和通航时，闸门转动至门库内，门库为扇形状，对称布置在河道两岸。闸门双向挡水，按挡拾桥河侧的校核洪水（200年一遇），闸门设计水头差2.24m，单扇弧门总水压力4656kN；干渠检修水位30.50m、下游无水，闸门检修时设计水头差4.33m，单扇弧门总水压力3164kN。,闸门平面布置图,工作闸门侧视图,门叶展开立视图,为增加闸门的整体刚度，保证闸门的刚度满足规范要求、保证闸门止水的可靠性，门叶整体采用箱型结构，但门叶在水中也必然产生浮力，因此，可利用门体内的部分空箱作为水舱，部分空箱作为设备舱，通过内置充排水系统调节舱内充水量，
5、控制闸门对轨道的下压力，减小闸门启闭运行时的摩擦阻力。闸门在水平面内设双支臂结构，设计中尽可能地将支臂和支铰高程抬高，避免支臂长期浸没水下。支臂是传力的唯一体系，也是闸门安全运行的关键所在。由于支臂长细比铰大，为解决支臂刚度和失稳问题，其截面采用稳定的三角形桁架结构，支臂在面板系受力段沿总水压力作用线对称布置，采用3根520mm钢管组成的等腰三角形桁架格构杆，下面两根钢管最大中心距3m，上、下钢管中心距：端部3.0m，跨中3.3m。3根520mm之间的联系弦杆采用钢管连接，两个支臂单元之间设两道格构连接杆以提高支臂的刚度和整体稳定性。支铰采用自润滑球关节轴承，支铰在水平面内的最大转动角度为55
6、。,闸门运行时必定存在着轨道在有淤泥的情况下进行。为尽可能减小启闭力，在门体内配备高压水枪，沿门两端部方向进行喷射清淤。闸门平时存放在旁边的扇形门库内，防洪或河道检修时才启用。因受该门型限制，闸门长期处于水中，给检修带来一定的困难。初步确定将闸门支臂设在门高的上半部，其下面两根钢管的中心线高程为31.57m，而最低通航水位为29.37m，因而可以考虑在闸孔口两侧各设一道混凝土边墙，边墙顶部高程为30.97m，离支臂下部的净空为340mm，以保证边墙顶部混凝土不干扰支臂在水平面内的旋转，边墙上游端弧形门叶通行处设一个宽4.7m的通道，并设置一扇横拉检修闸门，检修闸门平时放置门库内，以免干扰工作闸
7、门的正常运行。当枯水期（11月至2月）弧形工作门需要检修时（检修水位不能高于30.57m，水深4.4m），将检修闸门推出封闭门库通道，通过设置的排水泵将门库内的水抽干，满足工作闸门的无水检修条件。,鉴于本闸门体型设计的特殊性，我院委托南京水利科学研究院对本闸做了水力学及闸门流激振动试验，对水动力荷载模型、闸门整体振动模型、水弹性振动模型、三维有限元静动力数值计算模型等进行了研究。闸门结构整体振动试验结果显示：在闸门局部开度状态下,随着箱内液位的下降，随着门内液位的降低，门体的振动加速度、振动应力加大；进一步逐步降低调整门内液位直至闸门浮起。随着闸门轨道处的垂向下压力下降到某一临界值时，闸门首先
8、出现低频小幅度的上下方向的振动；当门内水体进一步略微减小时，闸门出现低频大幅度的振动。发生强振时上下游水面出现强烈波动，振动加速度主能量集中在0.250.53 Hz。这种现象将对闸门结构、轨道、交接部位等造成严重破坏，因此这种振动状态必须予以避免。,4、闸门结构的流激振动特性,在某一确定的上、下游水位条件下，门内液位的变化直接影响闸门轨道处垂向下压力的大小。门内液位越高，轨道垂向下压力越大，反之依然。而上下游水位对滑块处下压力的作用关系与门内液位的作用恰好相反。通过调控门内液位来控制下压力大小，对于闸门启闭十分有利；但同时尽量加大门内液位高度，增大下压力，对于保持闸门稳定运行又有重要意义。因此
9、在确定底部滑块的摩擦系数后可以进一步提出门内液位的控制要求。建议控制下压力在10002000kN之间，除极端情况需要进行闸门浮运操作外，一般应在导轨上作启闭运行为宜。闸门小开度运行时，进行门缝输水过流的水位差可控制在0.5m以内，若需要在水位差较大的情况下运行，需要密切关注下游流态和闸门振动情况。,闸门应对称开启，逐步分级开启，控制上下游水位差，保持一定下游水深。严格控制始流条件下的运行区间，万一遇到不可控的原因导致在始流情况下上下游水位差增大，过闸流速将会迅速增大，出闸水流在短时间内的不稳定运动将带来门体振动和下游河道冲刷，这是值得重视的。应进行试运行观察合适的运行区间，防止水位大起大落带来
10、新的问题。应结合长行程、卷绕、平面内受力复杂等闸门启闭特点，重视钢丝绳的选型工作；钢丝绳在整个门上卷绕时，需要控制高程，如果高程与定滑轮组有偏差，可能会增加产生额外的力。钢丝绳在运行过程中，需要注意不同高程上的启、闭两组钢丝绳的互相干扰，定滑轮组的效率问题和导轨底部的摩擦系数变化需要注意，特别是导轨受到泥沙淤积时的启闭力增大应引起足够的重视。,5、启闭机选型及布置,关于启闭机的选择，我们在招标设计前考虑了两种方案：齿轮齿条式启闭机；绳鼓卷扬式启闭机。但因工期较为紧张，若对初设的卷扬机方案进行变更需要单独审查，主管部门不同意，因此技施设计仍然选择卷扬机方案。绳鼓卷扬式启闭机采用单根钢丝绳双向出绳
11、的方式，与弧门卷扬机的工作原理相似，但结构上有很大差别，双向卷筒使一根钢丝绳收而另一根钢丝绳放，钢丝绳通过转向滑轮的定位和导向，从而完成对弧门在水平面面内的启闭操作，缺点是钢丝绳荷载大，绳粗，需进口，长度大，布置复杂。这种布置型式的非标卷扬机我们曾在船闸的横拉闸门上用过，但钢丝绳转向没本工程多，布置仍然较本工程简单。,绳鼓卷扬式启闭机每侧各设1台，容量均为800kN，启闭机运行速度为1m/min，钢丝绳直径为60mm，运行绳长约45m，闸门绕支铰由门库转至挡水位置约需45分钟。因钢丝绳较长，可通过配重进行约束，解决钢丝绳松弛的限度问题。启闭机设在左右两岸上游侧的平台上，高程为34.87m。因单
12、扇闸门结构重量达545t，如果不采取其它措施而直接启门，其启闭力将达2000kN，因本闸门布置型式特殊，无法采用动滑轮组，钢丝绳的牵引力倍率只能为1倍，导致选择启闭机十分困难。因此，寻求通过对门体内的充、排水调节，控制闸门作用在滑块上的总下压力显得尤为重要，以尽量减小滑块运行过程中的摩擦阻力，从而选择合适的启闭容量。,对开弧形三角闸门、启闭机平面位置关系图,启闭机立面布置图,6、启闭机容量的选择,6.1 启闭时闸门对底槛压力值的确定 决定启闭机的容量的主要因素是闸门对底槛的下压力。根据南科院的闸门流激振动模型试验，闸门对底槛的压力值越小，闸门振动位移值就越大，对闸门结构就越不利，而对启闭机的容
13、量选择来说，闸门对底槛的压力值越小，启闭力就越小，工程投资就越节省。分以下两种启闭工况讨论：（1）闸门启闭时全部浮起，闸门对底槛无下压力。闸门流激振动试验表明，当下压力小于0后条件下，闸门完全浮起，按照实际运行条件水位差小于0.6m的情况来看，闸门端部振动位移峰峰值大值到3.087mm，尾部振动位移峰峰值大值到4.154mm，表明在该工况下已经发生较强烈的振动，闸门振动位移均方根值及振动位移峰峰值均超出允许振动位移量值，因而这种工况不可取。（2）闸门启闭时不浮起，闸门对底槛有下压力。,根据闸门流激振动试验数据结论，在下压力10002000kN条件下，按照实际运行条件水位差小于0.6m的情况来看
14、，闸门振动位移均方根值及振动位移峰峰值均在允许振动位移量值范围以内，闸门振动位移的分级为允许。从流激振动测量的角度出发，在水位差较小的情况下，控制下压力在100t200t均可满足要求；但在水位差较大的情况下，各部位的动水作用加大，控制下压力宜大一些（150t200t）。因此，确定闸门启闭时滑块上的总下压力控制在1000kN、1500kN两种工况，必要时进行调整，闸门最大启闭水压差不能超过0.5m。6.2 控制闸门启闭时对底槛压力值的措施 不考虑浮力作用，闸门自重对底槛的下压力为4420kN，现在需要将闸门启闭时滑块上的总下压力控制为1000kN或1500kN的基本恒定值，就必须借助闸门的浮力。
15、,为此，闸门门叶整体须采用浮力可调式浮箱结构，利用门体内的部分空箱作为水舱，部分空箱作为设备舱，通过内置充排水系统调节舱内充水量，控制闸门对轨道的下压力在不同水位工况条件下基本恒定，既减小闸门启闭运行时的摩擦阻力，又能保持门体平稳移动。每扇闸门设2个设备舱，每个设备舱内均设置立式自吸泵（设2套，一用一备，必要时2台水泵可同时运行以加快排水速度）、电磁阀、闸阀、压力表、进排水管道等设备。水泵启动为远程控制。闸门基本上为静水启闭，通过渠道上下游的其它节制闸来充水平压，最大启闭水位不得超过0.5m。渠道上下游水位、门叶内部液位高度和下压力之间的关系见表。上下游水位、门叶内部液位高度经数据采集，传送到
16、中控室，中控室管理员可以根据上下游水位通过控制水泵运行，调节门内液位到表中的对应水位，以保证在启闭过程中闸门对底槛压力值基本恒定，使闸门平稳运行。,箱型门叶内的水泵设备舱平面图、截面图,6.3启闭力容量计算选择 考虑支铰摩阻力、门上风阻、门底淤泥摩阻力、底止水压缩摩阻力、底滑块摩阻力等，闸门启闭需要克服的阻力见下表:,根据闸门主滑块供货厂家提供的“摩擦磨损试验报告”，在模拟泥沙工况下，试验时间60分钟，3组摩擦系数测定值最大为0.17，设计取值为0.2。实际运行时，对于启闭机容量而言需要考虑一定的安全裕度。如果摩擦系数沿轨道分布不均匀或者随时间变大，或出现瞬时摩擦力增大、突跳、卡阻现象等其他一
17、些意料不到的情况，尤其在瞬时启闭门的时候，闸门克服惯性开始运动时需要较大的启闭力。因此，取启闭机的容量为800kN，通过调节门内液位高度，使闸门对底槛的压力满足在100t或150t两种工况，实际操作选压力值为100t工况。,7.1 制作 本闸门由郑州水工机械厂制作。闸门总的尺寸精度控制符合规范要求。闸门尺寸精度控制的关键是分节部位。闸门在厂内进行了整扇闸门试组装，通过试组装对分节对接位置的变形进行的校正，然后加强分节处的支撑。分节闸门采用公路运输，在运输过程中及卸货过程中，变形基本得到预期的控制。7.2 安装 本闸门由武警水电完成安装。因闸门分节多，现场安装的焊接量很大，保证焊缝质量和控制闸门
18、的外形尺寸精度是重中之重。经过第三方检测，个别焊缝经返工后，总体焊接质量和闸门尺寸控制均达到要求。,7、制作、安装及调试,7.3 调试 因闸门组装位置在闸室河道中间，而恰逢今年湖北大旱，在闸门安装还未彻底完工时（主体工程已完成），省委和省南调局通过决议，引江济汉工程必须提前通水，以缓解汉江下游的旱情。因此，在无水工况下，要把闸门移动到门库内。无水运行工况为闸门启闭机的最恶劣工况。因闸门、启闭机均为初次运行，几经周折，把底止水卸掉、轨道全长全部抹上润滑油后，终于把闸门移动到门库内。闸门有水初次调试时，因围堰拆除，闸门底槛处的淤泥厚度实测约为50mm，河道设计流量约为150m3/s，河道水深3.5
19、m，此时闸门对底槛的下压力为180t。因需要向下游输水，河道出口闸不能关闭，只能通过拾桥河下游泄洪闸门辅助泄水，闸门在合龙时上下游水位差为0.46m，闸门、启闭机运行在启闭过程中运行平稳。下一步工作是有水工况下，闸门电气联调及远程控制。,河道右岸堤身现状,闸门厂内预组装,刘家河闸,闸门底槛埋件安装,刘家河闸南干渠侧,闸门门叶组装,幸福河闸近景,闸门支臂安装,郭湾泵站出口现状 郭湾泵站进口现状,右岸闸门在门库内全景,郭湾泵站出口现状 郭湾泵站进口现状,右岸闸门在门库内全景（试通水）,郭湾泵站出口现状 郭湾泵站进口现状,右岸闸门水中全景（试通水）,友爱河涵剅现状 友爱河泵站现状,左、右闸门合龙（初
20、次调试）,1）采用卷扬机启闭机，钢丝绳较粗较长，因钢丝绳张紧装置设在启闭机房内，对钢丝绳的张紧作用效果不明显，导致松弛端的钢丝绳在面板前产生较大的弧垂，钢丝绳在面板上摩擦。如果在钢丝绳两端（门体内）设辅拉张紧重锤，则直接增加了启闭机容量，导致钢丝绳的选择更难。此外，牵引钢丝绳转向弯折过多，影响启闭机的工作效率；钢丝绳较长，不利于准确控制闸门的开度。2）若启闭水头较小，闸门启闭时可以考虑“浮运”（即通过控制闸门的浮力，使闸门底槛压力为零），通过模型试验优化闸门的结构布置，使闸门振动控制在一个安全范围内。建议研究采用液压马达驱动齿轮齿条或液压启闭机控制闸门开启的设计方案，从而可以大大减小启闭机的布置难度。对孔口超宽的水闸，启闭机的选择布置比闸门自身结构设计难度甚至更大。建议考虑闸门启闭采用浮运方式，否则，启闭机容量过大，启闭行程过长，卷扬式启闭机钢丝绳难以选择。3）在保证过流能力不变的前提下，建议适当抬高闸门底槛处的高程，使闸门底槛高出闸室底板0.5m左右，这样可以尽量减少河道淤积对闸门启闭运行的不利影响。,8、几点体会,
