拦河水闸闸门新型升降技术及荷载优化分析

余江林，唐天国

(四川大学建筑与环境学院，四川成都610065)

目前国内外河道中水闸设计广泛采用普通平面钢闸门结构，它虽然具有结构简单，闸室短等优点，但最大的缺陷就是需要较高大的排架柱供其启闭，这很大程度制约了平面钢闸门在高度较大闸门上的应用。同样挡水高度的闸门，平面直升闸门所需的排架高度比其他门型要高，特别是在地震烈度较强的区域，若采用普通形式的平面闸门，必然会使土建工程量加大，也使闸门建筑与周围环境不相协调。为了发挥平面钢闸门的优点，又为了克服其缺点，以某大型拦河闸坝为例，简述了平面钢闸门的新型升降技术，并利用有限元软件ABAQUS对比分析闸门新型升降技术和普通启闭技术在最大启闭力时的位移和应力，这可为以后的水闸设计提供参考。

1 闸门的新型升降技术

1.1 工程概况

旺月闸位于旺苍县城东河马家渡大桥上下游附近，拦河闸室宽184.0 m，过流总净宽140.0 m，共布置10孔泄水闸孔，单孔净宽14.0 m，结构型式采用开敞式平底堰，闸门采用平面钢闸门。闸室顺水流方向长度41.0 m，底板高程457.40 m，底板厚度3.5 m，其中底部采用C30钢筋混凝土，厚3.1 m，顶部设置C40HF钢筋混凝土，厚0.4 m，基础置于基岩上。闸室段采用闸孔底板中间分缝，间距18.0 m。闸墩采用C30钢筋混凝土，中墩厚度4.0 m，边墩顶宽4.0 m，闸顶高程473.50 m，最大闸高19.60 m。闸顶自上游往下游依次布置3.0 m宽人行桥、21.0 m宽廊桥，6.0 m宽人行兼消防通道、1.6 m宽油管沟和1.2 m宽人行检修桥。水闸正常蓄水位为466.00 m，设计洪水位为469.75 m，校核洪水位为471.60 m，下游正常尾水位为458.40 m。

1.2 新型升降技术

平面闸门有直升、升卧、下卧等多种启闭方式[1]。其中直升平面闸门启闭设备可选用卷扬式启闭机、顶推式、倒挂式液压启闭机启闭；卷扬式启闭机需修建高排架，影响城市景观；顶推式启闭机检修维护简单，水闸顶部可过水，形成瀑布跌水的景观效果，闸门关闭时无外露设备，景观效果较好，启闭高度较大时可与倒挂式结合。升卧式平面闸门，需设置启闭工作排架，景观效果较差，且闸门启闭机吊具长期浸入水中，易于锈蚀，闸门检修维护不便。下卧式平面闸门采用底轴驱动，采用多支点支承的形式，可适应不同孔口跨度，允许门顶过流，常运用于低水头的城市景观水闸。

由于本工程正常蓄水位与校核洪水位高差较大，直接采用顶推式液压启闭机，因柱塞杆工作行程较长而需加大杆径、缸径，技术难度显著增加，同时，由于闸门吊梁与闸门固定，门页整体结构复杂，连接部分容易出现应力集中、杆件失稳等问题。根据本工程泄洪流量大，校核水位高，闸门启闭高度大等特点，平面闸门启闭机型式拟定采用新型升降技术顶推式+倒挂式液压启闭机组合两级提升方案[2]。

两级提升方案闸门采用双吊点，门叶左右两侧主梁分别固定一支倒挂式液压缸，液压缸活塞杆头采用球形轴承与操作横梁铰接。闸墩左右分别埋设一支顶推式液压缸，液压缸柱塞杆头采用球形轴承操作横梁铰接。启门时，先由顶推油缸顶推操作横梁至油缸最大行程，再由倒挂油缸提升闸门至全开；闭门时，倒挂式油缸将闸门下放至油缸最小行程，再由顶推油缸下放操作横梁至闸门全关。顶推式液压启闭机容量选用2×1 000 kN，油缸行程9.0 m；倒挂式液压启闭机容量选用2×800 kN，油缸行程6.0 m。

新型升降技术顶推+倒挂式液压启闭机组合两级提升可降低顶推启闭机柱塞杆长度、杆径，启闭灵活，风险较小。同时顶推式启闭机检修维护简单，水闸顶部可过水，形成瀑布跌水的景观效果，闸门关闭时无外露设备，景观效果较好[3]。

2 闸门启闭力计算的理论方法

根据《水工钢闸门设计》[4]和《水利水电工程钢闸门设计规范》[5]，在动水中启闭的平面钢闸门，其启闭力计算应包括以下内容：

闭门力的计算

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

(1)

计算结果中，若Fw为正值时，需要加重，加重方式有加重块、水柱和机械下压力等；若Fw为负值时，依靠自重可以关闭。

启门力的计算

FQ=nT(Tzd+Tzs)+PX+nG′G+Gj+Ws

(2)

式中，Fw、FQ分别表示闭门力和启闭力，kN；nT为摩擦阻力安全系数，一般选用1.2；Tzd是支承摩阻力，kN；Tzs为止水摩阻力，kN；nG表示计算闭门力用的闸门自重修正系数，一般选用0.9～1.0，本文取0.9；G为闸门自重，kN，当有吊杆时应计入吊杆质量，计算闭门力时可不计吊杆的质量，门重可选用浮重；Pt为上托力，kN，包括底缘上托力及止水上托力；PX表示下吸力，kN；nG′表示计算持住力和启门力用的闸门自重修正系数，可采用1.0～1.1，本文取1.1；Gj表示加重块的自重，kN；Ws是作用在闸门上的水柱压力，kN。

3 三维有限元模型及结果分析

3.1 ABAQUS有限元模型

图1 两种闸室地基三维有限元模型

本文主要是用ABAQUS[6]对比分析在相同条件下闸门新型升降技术和普通启闭技术受到最大启闭力时，闸室的应力和位移情况。本次计算按施工缝选取其中一个双墩为研究对象，上部人行桥，廊桥等荷载以力的形式加载到闸墩上，建立闸室底板、闸墩和地基之间的三维有限元模型。建立数值模型时，X轴顺着水流指向下游，Y轴铅直指向向上，Z轴垂直水流指向右岸。为了精确的对水闸进行仿真计算，除了水闸底板和闸墩外，地基在深度方向取30 m，上下游方向取30 m作为计算结构模型，剖分网格[7]。新型升降技术及普通启闭技术计算模型及网格剖分见图1。

3.2 计算参数

闸墩及底板混凝土材料等级为C30，弹性模量Ec=30 GPa，泊松比μ=0.167，密度ρ=2 400 kg/m3。地基参数：粉砂质泥岩，弹性模量E=200 MPa，泊松比μ=0.34，密度ρ=2 000 kg/m3。在地基与闸室底板之间设置接触，选择闸室底板为主控接触面，地基土体为从属接触面，综合摩擦系数的取值多由试验得出[8]，可取0.4。

3.3 边界条件及计算荷载

在进行计算时，地基底面为固定约束，四周侧面为连杆支撑，上部结构均为自由。计算荷载考虑闸门自重，止水与埋件的摩阻力，行走支承与轨道间的摩阻力，门顶垂直动水压力，水对闸墩的侧面水压力，水对底板的水压力，上部廊桥荷载。本文分析了新型升降技术和普通启闭技术3种工况下闸室结构最大启闭力时受力情况，即正常蓄水位，设计洪水位，校核洪水位。

3.4 荷载优化分析

根据闸室地基三维有限元模型计算结果，进行新型升降技术和普通启闭技术闸室结构在3种工况下的位移应力对比分析，得出新型升降技术相比普通启闭技术在受力方面有哪些优势。

3.4.1位移和应力计算结果

3.4.1.1 正常蓄水位工况

正常蓄水位情况下，水深8.6 m，水对底板的水压力86 kPa，水对闸墩的侧面水压力43 kPa，上部廊桥作用在闸墩上面的压强395.8 kPa，闸门自重108 t，操作横梁重12.5 t，经计算得止水摩阻力28.8 kN，滚动轴承的滚动摩阻力55.7 kN，下吸力4.7 kN，启门力1 431.6 kN，闭门力-983.1 kN，为负值，依靠自重可以关闭，不需要加重。根据以上荷载进行闸室地基有限元计算，结果见图2、3。

图2 正常蓄水位工况两种闸室结构的位移分布

图3 正常蓄水位工况两种闸室结构的应力分布

由图2、3可以看到，在正常蓄水位工况下新型升降技术和普通启闭技术都是闸室上游部分的位移比较大，往下游方向位移变形越来越小。新型升降技术的最大位移和最大应力出现在闸墩上游部分，值分别为11.94 mm和2.15 MPa。在相同条件下采用普通启闭技术的最大位移和最大应力都出现在上部结构工作桥和排架上，值分别为15.39 mm和5.47 MPa，最大位移和最大应力比新型升降技术分别增加了28.89%和154.41%。

3.4.1.2 设计洪水位工况

设计洪水位情况下，水深12.35 m，水对底板的水压力123.5 kPa，水对闸墩的侧面水压力61.75 kPa，上部廊桥作用在闸墩上面的压强395.8 kPa，闸门自重108 t，操作横梁重12.5 t，经计算得止水摩阻力55.4 kN，滚动轴承的滚动摩阻力106.9 kN，下吸力4.7 kN，启门力1 524.96 kN，闭门力-889.74 kN，为负值，依靠自重可以关闭，不需要加重。根据以上荷载进行闸室地基有限元计算，结果见图4、5。

图4 设计洪水位工况两种闸室结构的位移分布

图5 设计洪水位工况两种闸室结构的应力分布

由图4、5可以看到，在设计洪水位工况下新型升降技术和普通启闭技术都是闸室上游部分的位移比较大，往下游方向位移变形越来越小。新型升降技术的最大位移和最大应力出现在闸墩上游部分，值分别为14.67 mm和2.62 MPa。在相同条件下采用普通启闭技术的最大位移出现在底板上游端部，最大应力出现在排架上部，值分别为17.95 mm和5.78 MPa，最大位移和最大应力比新型升降技术分别增加了22.36%和120.61%。

3.4.1.3 校核洪水位工况

校核洪水位情况下，水深14.2 m，水对底板的水压力为142 kPa，水对闸墩的侧面水压力71 kPa，上部廊桥作用在闸墩上面的压强395.8 kPa，闸门自重108 t，操作横梁重12.5 t，经计算得止水摩阻力68.5 kN，滚动轴承的滚动摩阻力132.26 kN，下吸力4.7 kN，启门力1 571.1 kN，闭门力-843.6 kN，为负值，依靠自重可以关闭，不需要加重。根据以上荷载进行闸室地基有限元计算，结果见图6、7。

图6 校核洪水位工况两种闸室结构的位移分布

由图6、7可以看到，在设计洪水位工况下新型升降技术和普通启闭技术都是闸室上游部分的位移比较大，往下游方向位移变形越来越小。新型升降技术的最大位移和最大应力出现在底板上游和闸墩上游部分，值分别为19.64 mm和2.26 MPa。在相同条件下采用普通启闭技术的最大位移出现在底板上游端部，最大应力出现在排架上部，值分别为19.98 mm和5.95 MPa，最大位移和最大应力比新型升降技术分别增加了1.73%和163.27%。

3.4.2结果分析

为使分析结果更明显，对水闸3种工况下结构的位移和应力进行了总结，闸室位移和应力情况见表1。

综上所述，3种工况下新型升降技术和普通启闭技术闸室的上游部分位移变形都比较大，往下游方向变形越来越小。普通启闭技术对比新型升降技术，在3种工况下最大位移和最大应力值都比新型升降技术的大，增加率分别为28.89%，22.36%，1.73%和154.41%，120.61%，163.27%。在3种工况下启闭机附近的最大位移和应力值，普通启闭技术都是新型升降技术的2倍左右，且普通启闭技术的最大位移和最大应力主要出现在排架和工作桥上，不利于闸室整体稳定性和抗震，采用新型升降技术的最大位移和应力主要分布在闸墩上，受力布局合理，提高了结构的抗震能力并具有良好的景观效果。

图7 校核洪水位工况两种闸室结构的应力分布

表1 3种工况下两种启闭技术闸室结构的位移应力

4 结 论

(1)以某大型拦河闸坝闸门采用新型升降技术为例，新型闸门升降技术对比普通启闭技术不仅具有普通平面钢闸门结构简单，安装方便，闸室短等优点，而且启闭高度大，同时不需要较高大的排架柱，闸室整体稳定性和抗震能力好，可以减少土建工程量，节约资金。闸门关闭时无外露设备，有较好的景观效果。

(2)利用ABAQUS将水闸结构和地基作为一个整体建立三维有限元模型，对新型升降技术和普通启闭技术在3种工况条件相同时水闸结构的位移和应力进行对比分析，结果表明，模型具有较高的仿真度，能够较好地模拟水闸结构的位移和应力的变化，反映工程实际情况。同时对于采用的新型闸门升降技术，同一条件时闸室结构的位移变形和结构应力都比普通启闭技术小，且荷载布局更合理，更能够保证水闸工程的安全。该新型升降技术对以后的城市河道中新建大流量、高水头的水闸设计具有一定的借鉴意义。