艾永梅 张凯
山东新汇建设集团有限公司 山东东营 257091
摘要：在马里库鲁巴水电站工程中首次接触到了液压顶拉底轴旋转曲面空腹钢闸门（后简称“空腹闸”），该类空腹闸在国外已得到了广泛应用，技术成熟完善，但据了解，国内尚无该类闸门的应用实例。本文以库鲁巴水电站空腹闸为例，通过对空腹闸的研究及与钢坝闸进行对比，熟练掌握该类闸门的适用性、设计要点及优缺点，为以后该类闸门在国内的应用推广提供一定的指导和参考。
关键词：空腹闸；应用
一、空腹闸系统构成
空腹闸为用来关闭、开启或者局部开启水工建筑物中过水孔口的结构，主要作用为控制水位和调节流量。空腹闸的主要组成部分与平面钢闸门基本相同，主要包括：闸门门叶、轴座、操控装置、止水及埋件等。闸门通过门叶结构来封闭和开启孔口，通过必要的埋设构件来固定门体，配套液压启闭设备控制闸门启闭，以实现控制水位和调节流量的功能。
图1 空腹闸三维效果图
二、适用范围
空腹闸高度及宽度适用范围主要根据闸门结构刚度、运输安装要求等方面来确定，空腹闸有效高度范围为1m至4m，有效宽度范围为9到27m，其中，对于有效宽度大于18m的闸门，最小有效高度限制为1.5m。
为防止闸门结构尺寸过大，可以通过调整闸门倾斜角度，以减少活动闸门所受的外部应力。在合理减少构件尺寸，保证闸门有效挡水的条件下，闸门挡水时倾斜的角度可控制在20°范围内。闸门挡水时，安装角度应不大于20°；放水时，闸门平放至河底，角度为90°左右。
闸门预埋件包括底轴座、锁止装置、液压缸及止水埋件，空腹闸对预埋件安装精度要求较高，尤其轴承底座埋件，需保证连接轴同心，以保证闸门的安全启闭。闸门设锁止结构埋件，闸门在正常挡水时，液压启闭机不必处于工作状态。
三、空腹闸结构应力分析
以马里库鲁巴水电站空腹闸为研究对象，采用Midas GTS NX有限元计算软件对空腹闸在不同运行工况下的结构应力进行了计算分析，以此验证空腹闸对国内材料及规范的适用性。
1.工程简介
马里库鲁巴水电站工程项目位于马里的西南部，尼日尔河上游流域、库鲁巴地区桑卡拉尼和汇入尼日尔河前的1km处。项目分左右河道两部分，其中左河道3孔净宽20m的空腹式水闸；右河道为鱼道、1孔净宽20m空腹式水闸及水轮机发电机组12套。
2.计算工况
根据闸门运行情况，考虑闸门在正常挡水、半开状态及放平三种运行工况，水位组合按照闸门受力最不利工况考虑。以闸门轴线为零高程线，各工况对应水位及闸门角度等汇总如下表：
3.空腹闸结构应力有限元计算分析
库鲁巴水电站空腹闸单孔净宽20.0m，有效挡水高度4.0m，上游面板圆弧半径9.6m，厚度10mm，下游面板圆弧半径2.6m，厚度10mm。中竖梁厚度25mm，边竖梁厚度60mm，水平横梁宽0.1m，厚度为10mm。
采用Midas有限元计算软件对三种工况下闸门面板、横梁及竖梁等主要结构应力进行计算分析，得到各工况下各主要构件的最大应力汇总如下表：
根据计算结果可知，闸门正常挡水时，面板、横梁及竖梁应力均为最大，且较容许值裕度不大，空腹式的结构型式充分发挥了材料性能。另外，闸门在各工况下结构应力均小于《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-2013）中容许应力要求，因此空腹闸满足国内规范使用要求，结构是安全的。
四、与国内钢坝闸对比分析
国内同类型闸门型式主要为底轴驱动翻板闸门（钢坝闸），钢坝闸是一种可调控溢流闸门，它由土建结构、带固定轴的钢闸门门体、启闭设备等组成，适用于闸孔较宽（10~100m）而水位差比较小的工况（1~7m），由于可以设计的比较宽，可以省去数孔闸墩，不仅结构简单，因此节省不少土建投资，而且可以立门蓄水，卧门行洪排涝，适当开启调节水位，还可以利用闸门门顶过水，形成瀑布的景观效果。本文通过对钢坝闸与空腹闸两种同规格的闸门重量、启闭设备规模及支座对结构的要求等方面进行对比，分析空腹闸及钢坝闸的适用性及优缺点。
1.闸门重量
空腹闸采用的双曲型面板，充分利用结构受力优势，减小了面板厚度；另外，钢坝闸采用底轴驱动方式，因此需要全轴连接方式，加上轴需要承受较大的扭矩，轴径较空腹闸要大的多，而空腹闸底座采用小短轴支座连接及顶拉启闭的方式，大大减小了闸门底轴的用钢量。库鲁巴水电站挡水闸单孔宽20.0m，挡水高度4.0m，经现场吊车实测闸门总重约为26.0t，单延米重量约1.3t；经与多家钢坝闸生产厂家咨询并结合已经实施工程，同规格钢坝闸重量约40.0t，单延米重量约2.0t。相比国内常用钢坝闸，空腹闸闸门在节省材料方面具有明显的优势。
2.启闭力
经计算，库鲁巴水电站空腹闸单吊点最大启门力为162.5kN，需选择2×200kN液压启闭机；同规格钢坝闸单吊点最大启门力约为800kN，需选择2×1000kN液压启闭力。空腹闸在节省结构材料的同时，采用顶拉底轴旋转的方式，也减小了闸门启门力，与钢坝闸相比，大大减小了启闭机规模，节省了工程投资。
3.支座反力
支座反力计算主要包括了空腹闸和钢坝闸在各工况下边轴座、中轴座、油缸固定支座及锁止机构反力。主要支座反力示意图及计算结果汇总如下。根据支座反力计算结果可知，空腹闸各运行工况下的支座反力均远小于钢坝闸。主要原因为钢坝闸为旋转底轴的启闭方式，需要的启闭门力较大，而空腹闸顶拉的启闭方式大大减小了支座反力，可有效减少附属混凝土结构尺寸及配筋量，节省工程投资。
4.其他
同规格空腹闸结构本身及附属结构相对钢坝闸均有较大优势，能有效减少土建规模和工程投资。除此之外，空腹闸不需要修建单独的启闭机室，直接固定在闸（桥）墩上，有效减少闸（桥）墩厚度，对上部有交通要求的桥闸合建结构尤为适用。
五、结论
空腹闸通过采用空腹式结构及顶拉底轴旋转的方式，使其在结构受力、材料用量、启闭力及混凝土构件尺寸等方面比钢坝闸有明显优势，大大节省了工程投资。空腹闸在国外已经是一种非常成熟的结构型式，但因为国内有类似钢坝闸的存在，空腹闸并未在国内得到有效应用。经与国内著名钢闸门生产厂家沟通交流，空腹闸现场拼接安装，加工、安装难度一般，理论上具有加工方便、安装易行的特点。因此，值得在国内推广应用。
论文作者:艾永梅,张凯
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第33期
论文发表时间:2019/3/7
标签：闸门论文; 启闭论文; 结构论文; 工况论文; 支座论文; 应力论文; 马里论文; 《建筑学研究前沿》2018年第33期论文;