摘要：引江济汉拾桥河左岸节制闸和常州钟楼防洪控制闸都是建立在运河之上，均采用有轨弧形平面双开门，本文对比分析了两座闸的总体布局、启闭设备、运行原理、清淤方式等相同点和挡水功能、轨道铺设、支铰润滑和支臂保护等不同点，为同类设计和施工提供参考。
关键词：平面双开弧门；弧形闸门；节制闸；
随着我国水利事业的快速发展，水利工程的数量在不断地增加，特别是进入21世纪以来，水利工程施工技术要求不断提高，对水利设施的设计审美也提出了要求。平面双开弧门最早用于荷兰鹿特丹新水道的马斯朗特挡潮闸（Maeslantkering），该类型闸门结构形式新颖，形成较好的景观特色。引江济汉拾桥河左岸节制闸和常州钟楼防洪控制闸（见图1）均采用了此结构形式，是我国目前为数不多的超大型平面双开弧门。两座水利工程在外形特征、启闭原理上基本相同，但在挡水功能、支铰润滑上等略有不同。
1. 工程概况
引江济汉工程是从长江荆江河段引水至汉江高石碑镇兴隆河段的大型输水工程，渠道全长约67.23公里，属于南水北调中线一期汉江中下游治理工程之一，而引江济汉拾桥河左岸节制闸是引江济汉渠道上、下游段的主要水位调节控制工程，位于湖北省沙洋县境内。闸门除拥有防洪、撇洪作用外，还要满足1000t级船队的通航要求和分段检修的需要。拾桥河最高洪水位32.63m（1985黄海高程，下同）高于渠道最高输水位31.75m，若干渠不设节制闸控制渠道水位, 拾桥河以下至汉江干堤渠段顶部高程须按最高洪水位设计, 换言之, 不设节制闸渠顶高程比设节制闸渠顶高程要高 0.59 ～ 1.87 m。引江济汉干渠拾桥河至高石碑段挖方量远远大于填方量, 渠堤加高不仅具备所需的土料, 且填堤后可减少弃渣 120万m³ , 可减少临时占地，设置节制闸更具有经济性。
常州钟楼防洪控制工程是京杭运河常州市区段改线后，为有效控制太湖流域湖西地区的高水南下，在武澄锡西控制线上新增的防洪控制工程。作为黄金水道的京杭运河苏南段，防洪与航运的矛盾一直突出而延续，从兼顾水利与航运利益出发，钟楼防洪控制工程必须按照“不设梯级、不阻航、特大洪水不断航”的原则进行设计，满足除非大洪水期不妨碍通航的需求。
2.平面双开弧门特点
平面双开弧门是由两个水平转动弧形闸门组成，每个弧门结构包括门体、支臂衍架和支铰三个部分。正常工作情况下，作用在门体上的外载荷通过支臂使整个门体绕支铰进行水平转动，即完成闸门的启闭，两扇弧门同时向河道内旋转时闸门关闭，同时向河岸边旋转时闸门开启。关闭状态下闸门坐落于河床闸底槛上进行拦水，阻止闸门下游侧的河道水位上升，同时能够利用门体的水利特性进行闸门的运行启闭，减少了相应的启闭设备；开启状态下闸门放置在河岸两边的闸室中，不仅不阻碍水道正常通水、通航以及泥沙运移等自然特征，而且闸门可以在两岸闸室中处于干燥状态，极大地便于对闸门进行检测与运行维护。
综合考虑挡水、通航、检修等因素，选用双开弧形门比人字门更为理想。由于该类型闸门建设选址要求较高、结构性能要求较高、建设和后期维护成本较高等，因此在建设方案比选中应着重考虑这些不利因素。表1列举了部分大型平面双开弧门工程应用实例，笔者选取其中拾桥河左岸节制闸和常州钟楼防洪控制闸两座水闸进行对比分析。
表1 部分大型平面双开弧门工程应用实例
项目名称 | 地区 | 建设年份 | 主要功能 | 闸门高度 m | 闸门宽度 m | 门重 m |
马斯朗特挡潮闸 | 荷兰 | 1991-1997 | 防洪挡潮 | 19.0 | 260.0 | 13800 |
圣彼得堡挡潮闸 | 俄罗斯 | 1978-2011 | 防洪挡潮 | 22.0 | 110.0 | 2650 |
常州钟楼防洪控制闸 | 中国 | 2007-2008 | 防洪 | 7.5 | 90.0 | 1584 |
引江济汉拾桥河左岸节制闸 | 中国 | 2012-2015 | 防洪、撇洪、渠道分段检修 | 8.9 | 60.0 | 1106 |
3.工程相同性对比
3.1总体布局
除了平面双开弧门的共性外，两处闸门均配备了供弧形门体停靠的弧形门库，门库出口即闸门入河道口处布置一道检修用的横拉式平面钢闸门，检修闸门通过卧式液压启闭机操作。闸门支铰墩布置在河道边缘处，支铰通过大型扇形衍架连接弧形门体，弧形门体底部采用有轨支承型式，弧形轨道沿弧形门体运行轨迹铺设在底板上，启闭机室布置在靠近弧形门体一侧，从上到下依次为启闭机布置层、钢丝绳滑轮导向层、门库充排水设备层。
拾桥河左岸节制闸单侧弧形闸门面板弧长40m，半径45m，宽度3m；常州钟楼防洪控制闸单侧弧形闸门面板弧长58.357m，半径60m，宽度3.5m。
3.2启闭设备
两处闸门的启闭均采用固定卷扬式启闭机，每扇闸门使用一台启闭机。启闭机主要由电动机、减速器、制动器、卷筒装置、钢丝绳及导向滑轮组、高度荷载指示装置及电气控制系统组成。启闭机钢丝绳的两端通过导向滑轮组固定在闸门的两端，采用单根钢丝绳双向出绳的方式完成闸门的启闭。主要安全措施均包括起重量限制器、限流保护、机械和电子双重行程限位。
拾桥河左岸节制闸启闭机容量为800KN，最大行程约为47m，钢丝绳的直径为60mm；常州钟楼防洪控制闸启闭机容量为600KN，最大行程约为66m，钢丝绳的直径为50mm，两者启闭速度均约为1m/min。
拾桥河节制闸门库检修门采用QPPY-D-150kN液压启闭机，启闭机容量为150KN，孔口宽度为4.7m，闸门高度为4.5m。常州钟楼防洪控制闸检修门采用YJQ-J150/6600液压启闭机，启闭机容量为150KN，孔口宽度为6.26m，闸门高度为4.81m。
3.3运行原理
两座闸门门体均采用箱型结构，利用门体内的部分空箱作为水舱，部分空箱作为设备舱，通过内置充排水系统调节舱内充水量，控制闸门对轨道的下压力，减小闸门启闭运行时的摩擦阻力，从而选择合适的启闭容量，必要时可进行调整。
在事先安全检查和操作准备后，关门操作步骤均大致可分为闸：门设备舱按要求充排水、检修门开启、支臂挡水门卧倒（如有）、弧形闸门关闭、闸门设备舱充水下压；开门操作步骤均大致可分为：闸门设备舱按要求充排水、弧形闸门开启、支臂挡水门开立（如有）、检修门关闭。
3.4清淤方法
考虑河道必有淤积情况，为尽可能减小启闭力，两处闸门均采用两种措施清淤：一是门体设备舱内配备高压水枪，沿门端部方向进行喷射，二是利用闸门底部端头结构，使其自然形成一套挤淤装置，即采用类似“刀”型结构，可以使闸门在运行过程中将淤积物向两侧排挤，并可将轨道表面较大杂物清除。因常州钟楼防洪控制闸门弧形底部轨道高出河道底面，在进行弧形门启闭操作前，还需由潜水员对河道底轨进行最后检查、清理，要求底轨附近无较大硬性杂物。
4.工程差异性对比
4.1挡水功能
由于引江济汉拾桥河左岸节制闸闸室段没有护坦、消力池、海漫等，闸门需在静水状态下启闭，且没有调节流量和水位的能力，只能全开或全关。考虑干渠分段检修需要和汛期利用拾桥河下游渠道容积调节洪水从而减少长湖排水压力等功能，闸室按双向挡水要求设计。一方面，闸门底止水采用双L形止水橡胶对称布置；另一方面，闸门关闭时需要渠道在非输水状态下操作，即静水关门，闸门开启时需要联合调度，保证上下游水位差不能超过0.5m，才能打开闸门。
常州钟楼防洪控制闸闸室由闸底板、下游消力池、上下游钢筋混凝土铺盖，上下游浆砌块石铺盖，下游干砌块石防冲槽等组成，实现单向挡水的功能，闸门底止水采用L型止水橡皮，且闸门的开关不需要考虑上下游的水位差，并可调整开度10-20m来实现通过门缝输水进行控制泄流。
4.2轨道设置
两处闸门的移动均是支承滑块在不锈钢板轨道上运动。由于弧门埋件长期淹没水下，检修困难，为避免埋件锈蚀，同时，也为了减小门底滑块对底槛的摩擦阻力，弧门埋件的表面采用复合钢板（1Cr18Ni9Ti/Q235B），钢板表面为不锈钢复合层。门叶的底部支承型式采用弧面滑块，每扇弧形闸门底部设置了多个支承滑块，为MGB自润滑材料，该材料抗腐蚀、耐磨损、承载能力强、自润滑性能好，清水中摩擦系数（对不锈钢）小于0.08。
拾桥河左岸节制闸弧形底部轨道采用平面钢板铺设，其高程与渠道底面相平；常州钟楼防洪控制闸弧形底部轨道采用形状类似工字钢结构铺设，其高程高于河道底部约0.5m。
2017年11月，常州钟楼防洪控制工程管理单位进行了弧形闸门轨道改造项目。由于弧形底部轨道高出河道底面约0.5m，河道中的杂物随水流在轨道迎水面形成淤堵，铁锚等较大型杂物易挂在门板上，影响闸门的安全运行，闸门轨道改造项目的主要工作内容是在原弧形闸门门轨上游侧放置斜面钢结构，以消除闸门运行的安全隐患。
4.3支铰润滑
平面双开弧形闸门支铰安装于岸边主沉井上，闸门挡洪时，支铰既要承受较大的径向力，又承受一定的轴向力。
拾桥河左岸节制闸支铰最大径向力为4656kN，最大轴向力约为370kN。支铰采用自润滑球关节轴承，轴的直径600mm，材质为45钢，铰座和铰链的材质为ZG310-570。支铰在水平面内的最大转动角约为60°，一套支铰重约27t。
常州钟楼防洪控制闸支铰最大水平分析径向力6148kN，最大垂直方向轴向力400kN,弧门支铰轴径600mm，支铰在水平面内的最大转动角亦约为60°，铰链和铰座约26t。支铰轴承采用自润滑GEW600XFZ5-2RS球关节轴承， 轴承内圈材料为S31803(SAF2205)，外圈基体材料为三环公司2#配方高强铜合金，该轴承在垂直平面内可以偏摆±2度，能满足闸门在特殊情况下的沉浮需要。
2019年，在弧形闸门多次运行的情况分析后，常州钟楼防洪控制闸管理单位针对支铰关节轴承进行了技术改造，即增加环形润滑油槽对铰链系统提供外部润滑装置，自润滑轴承加装外部脂润滑的复合润滑方式，进一步提高轴承的润滑性能，在轴承本身具备自润滑性能的条件下提供一道保险，通过定期进行外部油脂润滑可以去除由于密封失效等原因造成的轴承内部的污染，使运行更加可靠。
4.4支臂保护
支臂是传力的唯一体系，也是闸门安全运行的关键所在。两处闸门在水平面内均设双支臂，结构大同小异，其截面采均用稳定的三角形桁架结构，支臂在面板系受力段沿总水压力作用线对称布置。
为尽量避免支臂长期浸没水中，设计中尽可能地将支臂和支铰高程抬高。拾桥河左岸节制闸支铰中心距底槛高度为6.5m，因渠道常年正常运行水位要低于支臂最低点高程，所以支臂大多数时候不会被水浸泡，也不会被行船的浪潮所冲刷，只需按要求定期做好防腐便可。
常州钟楼防洪控制闸支铰中心距底槛高度为6.527m，因河道常年正常运行水位便能将支臂最低点淹没，故在支臂平台设置了挡水自动翻倒门。一方面，对运河水位超过支臂所处平台高程时进行临时挡水，减少和避免水面漂浮物对工程造成的景观破坏，减轻行船的浪潮对支臂的冲刷，对支臂也起了一定的保护；另一方面，提高了弧形闸门的可检修水位，更便于弧形闸门的维护。支臂平台挡水门采用可控自动翻倒、浮箱钢结构型式，设计对挡水门浮箱采用放水和充水的不同方法，调节阻力矩和上浮力矩的相对关系，使其自行卧倒或立起挡水，达到控制运用的要求。
5.结语
总的来说两座闸门基本大同小异，但因常年水位高度和功能要求不同，才导致两处闸门在局部设计和使用上稍有不同，随着不断地使用和完善，工程应用效益逐步发挥，引江济汉拾桥河左岸节制闸和常州钟楼防洪控制闸采用的大跨度有轨弧形平面双开门结构形式，吸收了国外的先进理念，又紧密结合了本流域河网水系特点、通航、防洪的实际需求，在水闸的设计、施工和运行等方面均具有创新型，且结构布置美观、操作方便、运行平稳等，具有较好的应用前景和参考意义。
参考文献：
[1]吴强,李剑,陆仙.拾桥河大型平面双开弧门结构特点与安装方法[J].水利水电技术,2017,48(S1):94-97.
[2]刘家明,孙鹏飞.引江济汉工程拾桥河枢纽总体布置方案研究[J].人民长江,2010,41(11):10-12+40.
[3]辛华荣,李学荣,王兵,等.超大有轨弧形平面双开钢闸门制造与安装的控制要点[J]. 江苏水利,2013(6):6-7.
[4]胡友安,常语峰,顾晓峰. 苏南防洪超大型平面弧形双开闸门设计[A]. 中国水力发电工程学会金属结构专业委员会、全国水利水电工程金属结构专业信息网.水工机械技术2008年论文集[c].中国水力发电工程学会金属结构专业委员会、全国水利水电工程金属结构专业信息网:中国水力发电工程学会,2007:4.
[5]辛华荣,顾晓峰,常语锋,王建.常州钟楼防洪控制工程与马斯兰特挡潮闸门型对比浅析[J].江苏水利,2013(03):5-7.
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