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钢闸门在水资源控制中的应用

　　一、双扉闸门及其工作原理
　　水利水运工程中的双扉闸门，通常是指水工建筑物中，在带有控制闸门的单孔闸室里，设置两道工作闸门门槽，在两道闸门门槽中分别安置一扇工作闸门，两扇工作闸门可以分别在各自的工作门槽轨道里上、下运行，这两扇工作闸门一般就简称为双扉门。双扉门又分为上扉门和下扉门，上、下扉门的尺寸、重量基本相同。区分上、下扉门的主要依据是上、下扉门各自承担的工作内容。一般情况下，下扉门主要放置于闸室口门底坎上，使用较为频繁，相当于工作门，主要作用是挡水、充水和泄洪。上扉门平时主要放置于闸孔上方挡板上，使用频率较小，相当于检修门，只有在所需挡水水位超过下扉门门体高度时，上扉门才会从挡板放下与下扉门闭合参与挡水任务，另外在洪水水位过高需开启闸门泄洪时，上扉门又与下扉门同时提起，承担部分泄洪任务。双扉平面闸门结构与普通平面闸门结构基本一致，通常由门叶、主轮、侧轮、吊耳以及止水橡皮等组成。上、下扉门结构上的主要区别是，下扉门的顶部和上扉门的底部各自多装了一道止水橡皮，作用是为了保证上扉门底部与下扉门顶部之间的橡皮能够相互密封闭合，防止水流从上、下扉门之间穿过，以起到阻水、挡水作用。
　　二、南四湖水资源控制工程简况
　　南水北调工程是解决我国北方地区水资源严重短缺问题的重大战略举措，规划确定东、中、西3条调水线路，其中东线工程从长江下游干流取水，基本沿京杭大运河向北方调水，主要供水目标为解决京沪铁路沿线和山东半岛的城市缺水，并为农业和生态补水。南四湖位于南水北调东线工程调水路线中，承担着为江苏、山东两省输水任务，东线工程实施后，在维护当地用水原则不变的情况下，须对南四湖周边涉及江苏和山东两省有关引水口门进行有效的控制，以加强对南四湖的水资源控制管理。第一期工程规划在南四湖上级湖湖西姚楼河、大沙河、杨官屯河和下级湖湖东潘庄引河的河口上新建控制闸。2004年，国家发改委批复南四湖水资源控制工程可行性研究报告，同意在南四湖新建姚楼河闸、大沙河闸、杨官屯河闸和潘庄引河闸4座水资源控制闸工程。潘庄引河闸因没有通航功能，闸门采用了单扇平面门。姚楼河闸、大沙河闸和杨官屯河闸皆位于南四湖上级湖湖西苏鲁交界处，因湖西河道水运十分发达，在对这3座闸的闸门设计时，对3座闸的通航能力作了分析，设计时均不同程度地采用了双扉平面钢闸门，具体如下：姚楼河闸距姚楼河入南四湖上级湖西面湖口150m处，主要建筑物级别为1级。设计20年一遇泄洪流量114m3/s，引水流量4m3/s，闸室为2孔，总净宽20m，单孔净宽，其中南侧闸孔兼做通航孔，2孔闸门均为双扉平面钢闸门。大沙河闸距大沙河入南四湖上级湖西面湖口130m处，主要建筑物级别为1级。设计20年一遇泄洪流量1360m3/s，引水流量12m3/s，由一座14孔节制闸和一座160m长船闸组成，节制闸闸室单孔净宽10m，船闸净宽12m，船闸上闸首闸门采用了双扉平面钢闸门，14孔节制闸和船闸下闸首闸门采用了单扇平面钢闸门。杨官屯河闸距杨官屯河入南四湖上级湖西面湖口130m处，主要建筑物级别为1级。设计20年一遇泄洪流量156m3/s，引水流量30m3/s，由1孔节制闸和一座160m长船闸组成，节制闸和船闸上闸首相连，总净宽20m，其中北侧节制闸闸孔净宽8m，南侧闸孔兼做船闸上闸首，单孔净宽12m，节制闸和船闸上闸首闸门均为双扉平面钢闸门，船闸下闸首为升卧门。
　　三、双扉平面钢闸门设计要点
　　姚楼河闸、大沙河闸和杨官屯河闸彼此相距不远，3座闸设计所采用的挡洪、除涝和通航水位全部一致。但因3座闸所在位置地势不同引起3座闸的闸室底板高程也各不相同，因此3座闸的双扉平面钢闸门结构、尺寸也有所不同。具体如下:
　　1.姚楼河闸
　　姚楼河闸闸室为2孔，2孔闸门均为双扉工作门，共4扇，结构形式为露顶式平面滚动钢闸门。闸孔单孔净宽10m，底板高程，按挡水和最高通航水位设计，相应上、下扉闸门尺设计均为×。闸门结构形式为双主梁实腹式焊接结构，上扉门主梁高1000mm，下扉门主梁高1250mm，主梁变截面端、顶梁及底梁高600mm，主要结构材料Q235B，主支承采用φ700悬臂式滚轮支承，滚轮材料为ZG270-500，轴材料为45号钢镀铬，轴套材料为高强度钢基铜塑自润滑轴承FZB08B170×200×190-2RS。闸门止水采用橡皮双向止水，侧止水采用方头P型橡皮，上、下扉门节间止水采用Ω型橡皮，底止水及所有橡皮垫块采用条形橡皮，侧止水及节间止水材料采用橡塑复合止水，其余止水橡皮材料选用防Ⅱ橡胶。
　　2.大沙河闸
　　大沙河闸由节制闸和船闸两部分组成。节制闸共14孔，单孔净宽10m，配工作闸门和检修闸门，船闸分上、下闸首，上闸首设双扉工作闸门一道，下闸首设工作闸门和检修闸门各一道。另外，上闸首还配置充水廊道控制闸门两扇及相应的启闭设备。船闸上闸首闸孔净宽12m，底板高程，按挡水和最高通航水位设计，相应上、下扉闸门尺设计均为×。双扉门采用平面定轮钢闸门，双主横梁变截面结构。支承采用悬臂式滚轮支承，滚轮材料ZG310-570，轮轴材料45号钢镀铬，轴套材料采用高强度钢基铜塑自润滑轴承FZB08。闸门止水布置为双向止水，侧止水采用双P型和方头橡皮，上、下扉门节间止水采用Ω型橡皮，底止水采用I型切角橡皮。闸门和埋件主要材料选用Q235B。
　　3.杨官屯河闸
　　杨官屯河闸由船闸和节制闸组成，节制闸1孔，单孔净宽8m，闸门采用双扉钢闸门。船闸分上、下闸首，上闸首和节制闸相连，上闸首采用双扉工作闸门，下闸首不参与挡水采用升卧门，船闸净宽12m。节制闸和船闸上闸首底板采用同一高程，按挡水和最高通航水位设计，节制闸和船闸上闸首闸门尺设计分别如下：节制闸、扉门闸孔尺寸均为×，结构形式为露顶式平面滚动钢闸门，上扉门主梁按刚度要求的最小梁高为，设计为变截面结构型式，主梁跨中梁高为850mm，闸门下扉门主梁按刚度要求的最小梁高为，设计为变截面结构型式，主梁跨中梁高为1050mm。上、下扉门主梁端部梁高与边梁等高，设计为600mm。船闸上闸首上、下扉门均为×。上扉门主梁按刚度要求的最小梁高为，主梁跨中梁高为1100mm，闸门下扉门主梁按刚度要求的最小梁高为，主梁跨中梁高为1100mm，设计为变截面结构型式，上、下扉门主梁端部梁高与边梁等高，设计为700mm。主要结构材料Q235B，主支承采用φ700悬臂式滚轮支承，滚轮材料为ZG270-500，轴材料为45号钢镀铬，轴套材料为高强度钢基铜塑自润滑轴承FZB08B170×200×190-2RS。闸门止水采用橡皮双向止水，侧止水采用方头P型橡皮，上、下扉门节间止水采用Ω型橡皮，底止水及所有橡皮垫块采用条形橡皮，侧止水及节间止水材料采用橡塑复合止水，其余止水橡皮材料选用防Ⅱ橡胶。
　　四、南四湖水资源控制工程选用双扉平面钢闸门应用与研究
　　1.工程选用双扉平面闸门的合理性
　　姚楼河闸、大沙河闸和杨官屯河闸虽按相同挡水高程和最高通航水位设计，但因所处位置和口门大小不同，3座闸的双扉闸门大小、尺寸也不尽相同，具体数据如表1。根据表中数据计算得出，在通航时，姚楼河闸单扉门挡水高程为，大沙河闸单扉门挡水高程为，杨官屯河闸单扉门挡水高程为，均超过了最高通航水位，都能满足最高通航水位挡水要求；当南四湖湖中来洪水需挡水时，姚楼河闸双扉门组合挡水高程为，大沙河闸门双扉门组合挡水高程为，杨官屯河闸双扉门组合挡水高程为，均超过设计挡水高程，亦都能满足设计挡水高程要求。从计算结果中可以看出，采用双扉门组合挡洪水时，姚楼河闸闸门门顶高程比设计水位高出，大沙河闸上闸首闸门门顶高程比设计水位高出，杨官屯河闸闸门门顶高程比设计水位高出。因此姚楼河闸最为经济，大沙河闸次之，杨官屯河闸最后。这并不是因为大沙河闸与杨官屯河闸选用双扉闸门门型不妥，原因在于大沙河闸的节制闸单孔净宽10m，闸门设计为14孔单扇门配2组检修门组合，而船闸净宽为12m，检修门净宽比船闸净宽小2m，不匹配，如船闸改用单扇平面门，则单扇门高度应达到才能满足挡洪要求，同时还须另配12m宽检修门，相比双扉平面单扉门的高度，更不经济。同理，杨官屯河闸若将双扉平面门改为单扇平面门，则单扇门高度将达到，且节制闸净宽8m，船闸净宽12m，还分别配置宽度不同的检修门，相比单扉门的高度，造价更高。因此姚楼河闸、大沙河闸和杨官屯河闸在满足通航和挡水前提条件下，相关口门上的闸门采用双扉平面闸门组合是合理的。
　　2.工程选用双扉平面门的优势
　　从上面对比分析可以看出，姚楼河闸的2孔闸、大沙河闸的上闸首、杨官屯河的节制闸和船闸上室首，在满足通航和挡水功能条件下，采用双扉平面门组合，比采用单扇平面门配检修门组合更有优势，采用双扉门组合后，可大大减少制造闸门所用的钢材，从而有效地节省了工程投资，降低了工程造价。上、下扉门尺寸一样的优势还在于可以通用，通航时，下扉门若出现故障需提出检修时，就可将上扉门放下，代替下扉门工作，保证了过闸船只的正常通航。姚楼河闸、大沙河闸和杨官屯河闸均位于南四湖湖西航道入口处，航运十分发达，入湖支流姚楼河、大沙河和杨官屯河沿岸均设有不同等级的货运码头，往来船只较多，这就要求3座闸能够具有较强的过闸能力。利用双扉闸门过船的优势在于船舶过闸时仅下扉门参与通航作业，上扉门并不参与。与单扇门相比，闸门的重量大大减轻，闸门启闭也变得更加轻巧、方便，可有效缩短闸门开启时间，减少过闸船只等候时间，提高船闸过船效率。与单扇平面门相比，双扉平面门因其两扇单扉门高度较小，设计时就可以将闸室排架柱高度、启闭机房工作桥高度和与之衔接的桥头堡高度降低，从而减轻土建工程施工难度。
　　3、双扉平面门的劣势
　　双扉平面门在启闭时，与单扇平面门相比，在最高通航水位以下的下扉门的启闭，与单扇平面门启闭无异。在需启用上扉门挡水时，要求上扉门必须放置到上扉门的底止水橡皮和下扉门的顶止水橡皮闭合处，既不能过放，也不能欠放，否则双扉门组合就起不到挡水作用。同理，双扉门组合在泄洪时，为防止水流从上、下扉门间流过时对下扉门造成破坏，上、下扉门提出水面时需同步开启因此双扉门在启用上扉门参与挡水和泄洪时，双扉门的操作控制难度比操作单扇门难度要大。同一闸孔里，单扇门启闭只需一台启闭机即可，双扉门比单扇门多一扇门，双扉门启闭需两台启闭机，因此双扉门的启闭机数量比单扇门启闭机数量要多，所占用启闭机房的面积和空间也就多，启闭机房内工作人员的工作面积和活动空间也就要小。同时由于启闭机数量的增加，引起安置启闭机重量的次梁增加，承担启闭机荷载的工作桥结构型式也就相对复杂。南四湖水资源控制工程的姚楼河闸、大沙河闸船闸上闸首和杨官屯河闸不仅要具备挡洪和泄洪要求，还要满足通航要求。现阶段选择双扉平面钢闸门来同时承担工程通航和挡洪任务，无疑是一种最优选择.钢闸门在水资源控制中的应用