升卧式平面闸门布置与设计要点

徐素红，周 浩，陶柏辰

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

1 概述

在水闸工程设计中，闸门型式的选定，将直接关系到整个工程的结构型式、造价及安全[1]。升卧式平面闸门，综合了直升式平面闸门与弧形闸门的优点，既具有闸墩短、结构简单等优点，又显著降低了排架高度，提高了水工建筑物的抗震能力，降低了工程造价。

目前，升卧式平面闸门是平原地区中小型闸门首选，而针对闸门总体布置与设计方面的技术经验总结较少。因此，分析总结升卧式平面闸门的布置与设计，对该类闸门设计具有重要的实践指导意义。

2 总体布置

升卧式平面闸门是平面闸门的一种，闸门关闭时，直立挡水，开启时，在上升中沿轨道逐步向下游（上游）翻转，至闸门全开时平卧于孔口上方。

2.1 闸门转动方向选定

升卧式平面闸门有向上游、向下游转动两种布置形式。

2.1.1 向下游转动

向下游转动的升卧式平面闸门，一般布置在闸室段尾部。挡水后门前闸室有较大水重，利于闸室稳定、地基应力均匀。同时，闸门转动方向与水压力使闸门转动方向一致，能在很小开度即可开始转动，排架高度显著降低。但因吊点设于闸门上游面，起吊钢丝绳易于锈蚀，且不能利用闸室进行消能。

2.1.2 向上游转动

向上游转动的升卧式平面闸门，一般布置在闸室段首部。闸门局部开启时，流态较好，且可利用闸门后较长闸室段作消能工。同时，吊点设在闸门下游面，对于下游无水水闸，钢丝绳锈蚀问题得以解决。但因闸门转动方向与水压力产生的转动方向相反，需升高到一定开度才可转动，排架高度稍高于向下游转动闸门。

一般在闸门布置时，大多采用向下游转动方式；当工程整体结构布置不允许闸门向下游转动时，方可采用向上游转动方式。

2.2 启闭机平台布置

（1）启闭机在顺水流方向的起吊中心，一般与闸门关闭状态时吊耳中心在一条直线上。

（2）闸门全开后，吊耳中心至启闭机平台距离，不应小于所选用启闭机规定的动滑轮组的吊轴中心至机座底缘的最小距离（即启闭机死扬程）。

（3）闸门在启闭过程中，钢丝绳不得被机架、门叶干扰，全开后，吊耳中心至启闭机起吊中心的联线与铅垂线的夹角不宜大于15°[2]。

（4）闸门在启闭过程中，启闭机基础梁的底缘离开闸门顶运行轨迹线不应小于0.1m[2]。闸门顶运行轨迹线可用图解法、计算法求出，向下游转动闸门，即门顶上游边缘点运行轨迹，向上游转动闸门，即门顶下游边缘点运行轨迹。

门顶轨迹线的绘制，可按参数方程在excel中计算出上主轮轴心与弧轨的圆心连线与水平面夹角从5°～65°每增加5°时门顶坐标值，将数据集插入CAD中，即可形成门顶轨迹线。

（5）闸门全开平卧时，与四周建筑至少有0.3m安全净距。

（6）闸门全开平卧时，不得影响闸门转动侧检修闸门启闭。

（7）为便于启闭机零部件的安装、检修，一般启闭机上方均设吊钩用于挂手动或电动葫芦。启闭机房净高，应保证电动葫芦能够将启闭机零部件吊离启闭机0.3～0.5m。

除以上因素外，启闭机平台高度还应与上部闸房建筑高度相协调，启闭机排架下留有足够高度供管理人员通行。

2.3 水工结构布置

2.3.1 闸门

在启闭过程中，侧水封运行轨迹线呈弧型，将超出闸墩上止水座板与混凝土接触，为防止混凝土磨坏止水橡皮，设计中一般将靠近止水座板墩面凹下20mm，如图1。

图1 止水导板处墩面示意图

2.3.2 检修孔

为便于主轮维护与检修，一般在闸门平卧时上、下主轮对应闸墩处留有检修孔，开孔大小应能保证主轮移出孔洞检修。闸墩外另有水工建筑物的需避开检修孔位置。

2.3.3 悬臂检修台

为在检修上主轮时，门叶不直接与埋件接触，一般在闸墩尾部上方，不影响闸门启闭位置情况下，布置一个悬臂检修平台，以放置千斤顶维持闸门在原全开位置。

2.3.4 闸底板高程

为防止闸底泥沙淤积影响闸门正常启闭，一般在闸板底部设凸台，局部抬高底板高程。

3 设计要点

由于升卧式平面闸门运动轨迹的复杂性，在门槽弧轨段尺寸、启闭机、搁门器、门叶结构上的设计要点作专门的分析说明。

3.1 门槽尺寸确定

3.1.1 门槽形状

升卧式平面闸门门槽的一侧轨道为铅直状，另一侧轨道的下部为铅直段，上部为向上游（下游）弯曲的弧形轨段，再往上是与圆弧段相切的斜坡段。

铅直段门槽宽度一般比主轮直径大10mm，从圆弧段开始，门槽宽度逐步加大，闸门全开后，考虑到闸墩混凝土施工误差，顺水流方向门槽喇叭口宽度一般比上下两主轮外缘距离大50mm。

3.1.2 起弧点与圆弧段曲率半径

当门槽下部铅直段太短（即起弧点太低）或圆弧段曲率半径太小时，闸门会存在产生停滞或上滑问题，当铅直段过长或圆弧半径过大时，排架高度又会抬高。

（1）对于闸门宽高比大于1的中小型钢闸门或钢筋混凝土闸门，可按以下经验数据确定[3]：

向下游转动闸门，一般取S≥0.8H，R≥0.2H；向上游转动闸门，一般取S≥H，R≥0.3H。

（2）对于较大型闸门（尤其当闸门宽高比小于1时），根据经验公式初选起弧点高程S与圆弧段曲率半径R，再根据计算最终确定[4-5]。

闸门在启闭过程中产生停滞或上滑现象，则是发生在闸门的上主轮运行到弧轨段，闸门处于局开，底部过水状态，可通过将此时闸门上所受各力对上下主轮反力作用线的交点取矩，并根据合力矩为零计算出启门力，当启门力为正值时即能凭自重闭门。

作用在闸上的各力均随闸门开度 （即上主轮轴心与弧轨圆心联线和水平面夹角φ）而变化，按经验公式初选S，R值，对各φ值（由小到大每5°一档）计算出相应启门力，绘出启门力与φ关系曲线，找出最小启门力（根据经验，φ为10°～25°时启门力最小）。当启门力最小值大于0时，闸门能凭自重闭门；若小于0，加大S，R值重新计算。

（3）为避免泄水时闸门振动，闸门开启时起初段（0.2～0.3H，H意义同前）是直升段，即上主轮仍处于铅直槽内。开启达0.5H时，闸门倾斜度不超过10°[3]。

3.1.3 圆心角

圆心角，通常取60°～70°。

3.1.4 铅直轨道顶高程

门槽的铅直轨道顶高程，应能保证搁门器解锁时下主轮上行后闸门不脱槽。

3.1.5 闸门全开门底高程

（1）闸门全开后，闸门底缘超出最高行洪水位不小于0.3m。

（2）节制闸有通航要求时，闸门全开后应能保证船只安全通航并留有一定富裕度。

3.2 启闭设备选择

3.2.1 启闭机选型

3.2.1.1 卷扬启闭机

升卧式平面闸门，一般多采用固定卷扬式启闭机，包括平面闸门卷扬机与弧形闸门卷扬机。

（1）平面闸门卷扬式启闭机，其中系列设计QPQ型双吊点启闭机选用较多，设有启闭机动滑轮组。

（2）弧形闸门卷扬式启闭机，不设启闭机动滑轮组，吊耳中心至面板距离可以适当缩小，布置紧凑，且不存在动滑轮组长期泡水问题，但一般相对平面闸门启闭机较贵。

除此以外，升卧式平面闸门也可选用液压启闭机，但应用较少。

3.2.1.2 液压启闭机

QSWY系列液压启闭机，适用于升卧式平面闸门启闭，卧式安装。允许吊点距较大，与双吊点的固定式卷扬机相比，不存在同步不易解决的难点，但较之相同容量的卷扬式启闭机偏贵。

3.3 搁门器布置

搁门器是闸门安全运行的保护装置，一般选用可自行锁定的搁门器固定门叶于全开位置，锁定与脱锁均无需人工操作[6]。

（1）搁门器设于闸门平卧时下主轮下方闸门转动方向一侧。

（2）搁门器在运行范围内不得与主、反轨干涉。

（3）搁门器与滚轮不得卡锁。若搁门器布置不当，当上主轮进入弧轨段、下主轮上行到一定位置时，自由状态的搁门器会将主轮抱死，闸门无法继续运行。一般可检查搁门器与轮子是否卡锁，具体操作可将搁门器外轮廓线线1、线2平移滚轮半径R交于点O，以点O为圆心，滚轮半径R为半径作圆，将该圆与搁门器一起绕搁门器转轴转动，如与两侧的主、反轨均不相碰，则不会存在卡锁，如图2。

图2 搁门器与主轮卡锁示意图

3.4 门叶结构设计

3.4.1 门叶宽度

为避免由于闸墩混凝土施工、门叶制造中的精度误差而妨碍门叶在闸孔内转动，设计时升卧式平面闸门门叶宽度一般略小于闸孔净宽，每侧留有20～40mm空隙[7]。

3.4.2 吊耳

为了使闸门在启闭中保持平稳，升卧式平面闸门一般均采用双吊点。

（1）向下游转动闸门，吊点设在上游面下部，吊点与闸门重心形成偏心产生促使闸门向下游转动力偶；向上游转动的闸门，吊点设在下游面下部，启门时产生促使闸门向上游转动力偶。

（2）为避免吊耳被淤泥埋设影响启闭机下部动滑轮的正常运转，吊耳一般设在门叶下主梁附近。

（3）吊耳轴中心至面板外缘距离，应能容纳启闭机动滑轮组，并留有20～50mm富裕度。

4 结语

从闸门转动方向选定、启闭机平台、结构布置，门槽尺寸确定、启闭设备选择、搁门器布置、门叶结构几个方面对升卧式平面闸门布置与设计进行了论述，为金属结构专业从业人员提供参考及思路。