汾河流域生態修復汾河新二壩工程人字閘門的設計與改進

趙瑞花

（山西省水利水電勘測設計研究院有限公司 山西太原 030024）

1 概況

汾河流域生態修復汾河新二壩工程（簡稱汾河新二壩工程）位于太原市小店區劉家堡鄉劉家堡汾河大橋上游550 m 處，汾河太原段綜合治理三期工程的汾河干流上。汾河新二壩工程金屬結構主要由壅水閘和通航船閘兩部分組成。其中，通航船閘的設計是此次工程的重點，也是難點。船閘對汾河新二壩工程通航事業的發展起著舉足輕重的作用。

汾河新二壩工程船閘包括上閘首（翻板式工作閘門和檢修閘門）、下閘首（人字閘工作閘門和檢修閘門）和廊道（充泄水工作閘門、進口檢修閘門、進口攔污柵和系船柱）幾部分。船閘下閘首工作閘門采用的型式是人字閘門，其結構復雜，運行頻繁，要求運轉靈活、可靠、摩阻力小，因此對其設計要求更加嚴格，精度要求也更高。

2 船閘運行原理

當船舶自上而下行駛時，可按照以下步驟進行操作：1）開啟廊道充水閘門，開始向閘室充水；2）待閘室水位與上游水位保持齊平時，打開上閘首翻板閘門，船舶平穩地駛入閘室；3）關閉上閘首翻板閘門，同時開啟廊道泄水閘門，閘室開始泄水；4）待閘室水位與下游水位保持齊平時，開啟下閘首人字閘門，船舶平穩地駛出閘室。當船舶自下而上行駛時，操作程序與此相反。

3 人字閘門設計原理

人字閘門由兩個門扇組成，兩門扇在液壓啟閉機的作用下繞頂樞和底樞構成的旋轉軸完成啟閉運轉。關門時，兩門扇拱向上游成135°夾角，起三鉸拱的作用，可將閘門承受的水壓力通過面板、次梁、主梁、支枕墊傳遞到閘首邊墩。開門時，三鉸拱的作用消失，閘門轉動到兩側閘首邊墩門龕內。

4 人字閘門的設計

汾河新二壩工程人字閘門：數量1 孔，孔寬9 m，設計水頭5.6 m，閘底高程764.25 m。

人字閘門是船閘設計的主要型式，由兩個門扇平面布置成人字形，中間接縫角度為135°。其結構組成主要包括：門體、止水、頂樞、底樞、支枕、導卡、背拉桿、鎖定、吊耳和啟閉設備等幾部分。其中最主要的部件是：門體、止水、頂樞、底樞和支枕。

1）門體設計：主梁是門體的主要組成構件，也是連接其它部件的重要紐帶。不但頂樞底座與頂主梁腹板采用螺栓緊密連接，而且啟閉機連接軸墊板也通過螺栓與頂主梁腹板固定在一起，以便于閘門能靈活地隨啟閉機液壓桿的伸縮做開啟或關閉運動。底主梁腹板與底樞的軸承巢采用螺栓配套連接，有利于整扇門體牢固地支承在底樞上，使人字閘門運轉更加安全、可靠。主梁腹板與頂樞、底樞的所有連接螺栓孔要求必須配鉆，以保證頂樞與底樞的同軸度Φ0.5。

主梁在整扇門體中起著框架的作用，是門體的主要受力構件。閘門承受的水壓力通過面板和次梁傳遞給主梁，主梁再利用三鉸拱的反力把水壓力傳遞給支枕墊，最后傳遞到閘首邊墩。

2）止水設計：止水效果是否嚴密是決定閘門設計成功與否的關鍵。人字閘門結構復雜，其止水結構也相對其它型式的閘門復雜的多。主要包括：側止水、底止水、底側轉角止水、底中間轉角止水和中間止水。側止水、底止水和底側轉角止水均采用圓頭P 型橡皮；底中間轉角止水采用方頭P 型橡皮；中間止水采用L1-100 型外R 直角橡皮。在中間止水橡皮的上游側設置通長的MC 尼龍止水墊塊。對稱止水墊塊接觸面的一側開一個大楔形槽，嵌入楔形橡皮條的大頭；另一側開一個小楔形槽，閉門時可嵌入橡皮條的小頭。

底中間轉角止水橡皮采用方頭P 型橡皮主要是為了與中間止水下面的橡皮墊塊嚴密配合，達到良好的止水效果。中間止水采用L1-100 型外R 直角橡皮，可實現人字閘門的兩門扇在水壓力的作用下關閉時，中間止水的兩橡皮頭相互擠壓，嚴密止水。對稱止水墊塊與主梁端板間均留有20 mm 間隙，通過填充環氧填料調整止水墊塊的位置，使止水墊塊一側的楔形橡皮條的小頭與止水墊塊另一側的楔形槽在閘門關閉時嚴密契合，起到雙層止水的作用。

3）頂樞設計：頂樞是人字閘門設計中非常重要的一個構件。頂樞的一端通過頂樞底座與門體頂主梁腹板連接，另一端通過拉桿與閘首邊墩預埋的頂樞埋件相連。頂樞設置兩根拉桿，方向分別與門扇全開或全關時作用在頂樞上的反力方向接近，一般兩根拉桿的夾角Φ=60°～80°。

頂樞起著支持整個門扇重量和保證門扇繞頂樞頸軸啟閉旋轉的作用。作用在頂樞上的反力通過拉桿、預埋件傳遞給閘首邊墩。頂樞拉桿中間設置一節活節螺栓，通過調節活節螺栓可以調整拉桿的長度，以保證門扇的垂直度，使拉桿受力均衡，不會發生彎曲、變形。

4）底樞設計：底樞是人字閘門中結構最復雜、加工精度要求最高的構件。底樞結構設計的合理與否直接影響人字閘門運轉的靈活性與可靠性。底樞上面軸承巢的上側用螺栓固定在底主梁腹板上，外側與支墊座通過螺栓配套連接。底樞下面的固定底座則用地腳螺栓固定在底樞埋件上。軸承巢與固定底座之間連接有軸瓦和蘑菇軸頭。軸瓦和蘑菇軸頭之間留有1 mm 的轉動間隙，安裝時要嚴格控制二者與底樞中心線垂直度在0.05 mm 內。

底樞對整扇門體起著支承和繞蘑菇軸頭啟閉旋轉的作用。底樞將整扇門體的重量傳遞給閘首底板，大幅地減輕了頂樞拉桿的受力。蘑菇軸頭安裝在固定底座內，可以通過調節之間的墊板厚度來調整蘑菇軸頭的定位高程，有助于準確定位閘門各部件的位置，使閘門的啟閉運轉更加靈活、可靠。

5）支枕設計：支枕包括支墊座、枕墊座、支墊塊和枕墊塊，是人字閘門的主要側向支承和傳力構件。支墊座的底座用螺栓固定在主梁端板上，枕墊座的底座用螺栓固定在閘首邊墩。每一組支墊座和枕墊座的安裝位置都兩兩相對，與連接主梁保持同一高程。支墊塊安裝在支墊座的凹槽內，承壓面采用弧形面；枕墊塊安裝在枕墊座的凹槽內，承壓面采用平面。支墊塊與支墊座之間，枕墊塊與枕墊座之間均留有10 mm 的調整間隙，用來填充環氧填料，以保證支墊塊與枕墊塊緊密接觸，滿足設計要求。

支枕在人字閘門關閉擋水時起著側向支承的作用，同時把主梁通過三鉸拱作用產生的主梁反力傳遞給閘首邊墩，可減小主梁所受的側向壓力，增加主梁的側向穩定性。

5 人字閘門設計不足與改進措施

5.1 止水

1）設計不足：（1）人字閘門的止水結構設計比較復雜，分節較多，導致安裝時存在止水與止水之間銜接不嚴密，容易發生漏水等問題。（2）中間止水中起雙層止水作用的止水墊塊，一側的楔形橡皮條是用膠粘在楔形槽內的，開啟閘門時，楔形橡皮條長期在力的作用下很容易松動、脫落，增加漏水的可能。

2）改進措施：（1）將止水結構中的底止水、底側轉角止水和側止水橡皮做成一個整體，既便于止水橡皮的安裝又減少止水橡皮的接縫，使止水更加嚴密，效果更好。（2）如圖1，將中間止水的對稱止水墊塊改成接觸面分別開一個大小不同的楔形槽，再分別嵌入橡皮條（橡皮條各伸出5 mm），一端為平面，一端為弧面。通過填充環氧填料使橡皮條在閘門關閉時能相互擠緊，達到良好的止水效果。

圖1 中間止水

5.2 頂樞

1）設計不足：（1）頂樞拉桿采用的是雙拉桿，拉桿承受較大的作用力，彎矩較大，容易彎曲。（2）頂樞拉桿的一端與門體的頂主梁腹板通過螺栓連接，另一端與埋設在閘首邊墩的頂樞埋件通過吊耳軸連接。由于土建的施工誤差較大，不能精確地控制頂樞埋件的吊耳軸中心線高程，導致拉桿不易保持水平，受力不均，容易發生彎曲、損壞。

2）改進措施：（1）如圖2，將雙拉桿頂樞改成由三根拉桿組成的三角形桁架式頂樞。即在頂樞頸軸與兩拉桿頂端之間連接一塊三角形連接板，再在兩拉桿斜對角增加一根拉桿，構成三角形結構。這種結構由連接板承受彎矩，而拉桿不受彎矩作用，可極大地提高拉桿的承載力，防止拉桿彎曲、變形。（2）將埋設在閘首邊墩的頂樞埋件改成埋在閘首邊墩的側墻上。把側墻埋固鋼板上的地腳螺栓孔設計成橢圓孔，便于調節吊耳軸中心線高程，使之與拉桿中心線高程保持一致，可確保拉桿均衡受力，門扇一直處于垂直狀態，啟閉運轉靈活、可靠。

圖2 三角形桁架式頂樞

5.3 底樞

1）設計不足：支墊塊和枕墊塊長期運轉發生磨損，接觸不緊密，不能有效地把水壓力引起的底主梁反力通過支枕墊座直接傳遞給閘首邊墩。同時，底樞的軸承巢與底主梁腹板緊密連接，蘑菇軸頭也牢固地安裝在固定底座內。軸承巢內嵌的軸瓦與蘑菇軸頭只能垂直擠壓，不能產生微量的水平移動，致使底樞承受很大的水平推力。

2）改進措施：如圖3，將固定式底樞改成微動式底樞，即底樞的固定底座改成固定支座和活動圓盤兩部分?；顒訄A盤鑲嵌在固定支座內，之間留有15 mm 移動間隙，中間填充尼龍墊圈。軸承巢與底主梁支墊座制作成整體，用螺栓固定在底主梁腹板上。支墊座做成扇形，埋設在閘首邊墩的枕墊座也做成扇形。蘑菇軸頭與活動圓盤緊密契合，閘門關閉時，尼龍墊圈受到力的擠壓產生變形，蘑菇軸頭隨活動圓盤在固定支座中可作任意方向的微量移動。軸承巢隨蘑菇軸頭做旋轉運動，支墊座也隨著軸承巢沿著枕墊座做旋轉運動。直至閉門，支墊塊與枕墊座緊密接觸，將底主梁反力傳遞給扇形枕墊座，再傳給閘首邊墩。這種結構不但減少了支枕墊的磨損，而且降低了底樞承受的水平推力，有效地提高了人字閘門運轉的靈活性與可靠性。

6 結論

目前，汾河流域生態修復汾河新二壩工程船閘下閘首人字閘門運行良好，啟閉靈活。船閘是通航建筑物的常用型式，未來發展前景廣闊。人字閘門是船閘的主要結構型式，是保證船舶安全過閘的重要設施。隨著航運事業的發展，為使通航更加便捷、順暢，人字閘門的結構設計必然會不斷地進行更新改進，閘門的啟閉運轉也會變得更加安全、可靠。

圖3 微動式底樞