水工钢闸门设计初探

摘要：文章介绍了水利水电工程中钢闸门设计中存在的问题，并结合运行良好的已建工程实例提出了解决问题的措施，供同行业工作人员参考。

关键词：水工钢闸门；钢闸门设计；水利枢纽；水工结构

中图分类号：TV66文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）08-0016-03

在中、小型水利枢纽及水电站金属结构闸门中，平面钢闸门运用较为广泛，工程布置多在水库的输水洞、渠道及水电站进水口、尾水渠，具有设备结构简单，制造、安装容易，维修方便，综合造价低，运行安全可靠等优点。但在运行中常出现以下问题：（1）止水密封不严，造成严重漏水；（2）门体锈蚀严重，不能正常使用；（3）启闭不灵活。为确保平面钢闸门的工程质量和运行安全，针对上述问题，需在其设计、施工及维护等方面提出更高的要求。

一、水工钢闸门存在的问题

水工钢闸门是水工建筑物中的关键性设备之一，不但要安全可靠，而且要运行管理方便，同时要求布局和结构上经济合理。但在实现这一目的时，往往在水工结构和钢闸门、启闭机之间，以及在钢闸门、启闭机本身选型和布置等方面都有矛盾存在。如在规划闸门的设置部位、结构形式、孔口尺寸以及工作水头等方面，两者之间就会出现矛盾。一般反映在中小型工程上的矛盾还不算大，对于中型以上的工程，矛盾就会显得较为突出。特别是大江大河的高坝水库工程，水头高流量大，闸门设置的部位和渲泄的流量取决于水库的调度要求，如采用表面式孔口，水头低可选用较大孔口尺寸，其泄流能力和条件较好。但不一定能满足水库水位调度的要求；采用深式泄水孔对水库水位调度有较好的适应范围和灵活性，但水流流速较高，对水工建筑物及控制设备的空蚀、振动及启闭机能力等方面又带来了一定的矛盾。

在浅水道上采用一洞多孔或一洞一孔的问题上亦有矛盾，一洞一孔的大型水工结构，其构造简单，但闸门设计困难；一洞多孔，闸门设计容易，启闭机容量亦较小，但水工结构复杂，水的流态亦复杂。

在深式泄水道上，若工作闸门设在进口，受压段较短，高压水的渗透问题较易解决，但闸后明流和高速水流问题又比较复杂，对水工结构的体型和不平整度的控制及施工工艺水平等要求较高。反之闸门设在泄水道的出口，则应注意解决高压水的渗透问题。

二、总体布置和闸门的选型分析

总体布置是闸门设计中的关键性问题，既要满足水利枢纽综合利用的要求，又要因地制宜合理布局，抓住主要矛盾，权衡利弊优选经济合理的方案。在制定总体布置方案时，要注意从具体条件出发，不要墨守陈规。如某大型水利枢纽工程放空底孔的闸门布置方案曾作过两种布署，一是将工作门和检修门都设置于洞身首部竖井内，这样建筑物比较集中，施工和管理上比较方便，洞身受力条件好，但闸后明流、 消能、高速水流、施工工艺等问题都较难以解决。同时下泄量亦受影响，并且平面门和弧门的闸室连在一起，水工结构复杂化，土建受地质条件的限制，开挖困难。为达到既能可靠运行又经济合理的目的，经反复讨论，综合利弊，从地形、地质、施工等具体因素出发，因地制宜，采取了在洞首竖井内仅设置动水关静水启的滑动式事故平面钢闸门，在底孔出口设置弧形工作闸门的第二布置方案。经过运行证明：这样布置闸后明流、消能、高速水流等问题，得到解决，改善了整体建筑物的工作条件，经济适用，节约了国家投资又简化设计与施工，相应地加快了设计和建设步伐。

对于闸门的选型，根据水工枢纽的具体要求，选择一种技术上可行、经济上合理、运行时可靠的门型是十分重要的。在水库工程上的取水孔口，当取水流量不超过30m3/s，孔口面积不超过4m2时，最好采用锥形阀作为工作闸门，而且尽可能布置于取水洞身的出口，在其上游的进口布置一道平面事故闸门，该门可利用水柱下门，门叶吊耳处设充水阀平压，在动水中关门，静水中启门。如某水利枢纽工程灌溉孔的进、出口，根据灌溉流量及孔口面积等因素要求，就是这样进行布置的，通过运行多年，能达到调节性能良好、工作可靠的目的。

在大中型工程上，当水头较高、孔口面积较大时，洞身的出口最好选用弧形闸门作工作闸门，首先它的启闭力较平板门小，而且没有凹陷的直立门槽，可以较精确地控制流量，没有空蚀和侵蚀的危险。对于配合使用的进水口事故门或检修门最好采用平面滑动支承，因为定轮支承在中型工程的中小孔口上还较适应。

当荷载很大而且孔口跨度亦较大（10m以上）时，定轮布置、结构、材料等问题都比较突出，有一定的局限性。若采用滑动支承，则能较好地解决这些问题，目前滑动支承的材料已有新的发展，如已运行多年工作良好的某抽水蓄能电站上、下库进水口闸门，采用自减摩材料（GS 2B支承滑道）作闸门的支承滑道，大大降低摩阻力，减少启闭机械的工作容量，简化了水工布置，节约了国家投资。

三、潜孔工作闸门设计的几个问题

在进行潜孔工作闸门设计中常常担心闸门的振动问题，同时也为如何减少启闭机械的工作容量而努力。闸门的振动，是一个原因比较复杂、影响因素较多且一时难以确切了解和解决的问题。对闸门的振动问题，国际上在20世纪30年代就着手研究，我国已于20世纪50年代开始进行了不少原型观测，但目前仍处在发展阶段，还没有一套成熟的理论和计算方法可供设计参考，一般侧重于进行原型观测，企图通过原型观测来摸索一些减振与抗振的措施。根据实际情况可以从下列几个方面着手。

1．当高水头泄水管道的闸门局部开启时，闸下游的高速水流将引起负压，为了避免产生过大的负压，需要进行补气，足够的通气量对于减小闸门由于空蚀和振动造成的威胁是十分重要的。但对于需气量的问题，许多科研人员都进行了研究，由于水工结构体型各异，水的流态亦不相同，很难推导出一个简易而又精确的统一计算公式，也不可能采用严格的数学推导方法，只有通过试验和原型测定提出较符合实际情况的经验公式。我国对这一问题也进行了不少工程的通气管的实测和验证，在综合分析各种经验公式和实测成果中提出了经验公式和半理论半经验的通气管面积计算公式。笔者建议：在计算得到的所需通气管面积的基础上，适当加大管径，对于保证泄水管道的流态稳定，避免空蚀，减少闸门的动荷载等有相当大的作用。

2．对输水发电的管道，因水流流速要小得多，通气量要小些，一般可取通气管的断面面积为输水管道面积的3%～5%。

3．对高水头泄水管道的闸门，设计具有弹性的反向轮或支垫很有必要，同时在门叶结构强度和刚度方面留有适当裕度，以控制门叶自身的自激振动。

在设计门叶的底缘结构形状时尽可能采用最好的水力设计。改善水力条件，应采取锐角底缘结构，部分利用水柱关门的闸门采取前倾60°及后倾30°的斜面底缘结构，这样可避免门叶底缘在启闭过程中产生负压导致门体振动，根根实践经验，最好能使下游侧倾角稍大于30°，如因主梁结构布置原因，只能基本满足下倾角30°时，可把下主梁后翼板和底缘用钢板封闭，形成倾角面的连续和整体一致，借以改善水流的边界条件，减少下吸力。

水封件的设置和选型上要保证止水性能良好可靠，对较高水头下的闸门，最好采用有三层帆布的橡胶水封，采用具有特殊截面形状的水封压板，借以抑制水封的可挠性，防止水封漏水而引起水封头弹动导致闸门振动。目前广泛使用的橡胶止水在50m水头以下运用性能尚可，但在高水头下使用，强度偏低，若增大强度，则柔韧性较差，止水效果不良，今后应寻求一种强度高、韧性好的止水材料并研制一种更好结构形式的水封，以适应高坝建设的闸门止水需要。

对高水头泄水管道的闸门，在设计门槽尺寸方面，应使门槽的宽度和深度有较好的比值（1.5～2.0），并将门槽的下游护角设计成流线型，通过改善闸门的工作条件和水力条件来到防空蚀破坏的目的。

四、加强施工质量监管

金属结构闸门，埋件一般用型钢或钢板，在焊接、安装过程中，容易变形或产生底不平及倾斜现象，与止水不能面接触，产生漏水。在工程施工中，要严把施工质量关，对工程施工必须实行法人代表制、工程监理制、招标投标制和责任终身制。

五、保证产品质量

工程完工，严格按《水利水电工程钢闸门制造安装及验收规范》进行验收。安装偏差在规范允许范围内，且注意闸门橡胶止水的质量，保证产品硬度、拉伸、粘着强度、压缩变形、抗老化等重要技术指标达标。

六、结语

加强管理人员的业务培训，严格维护检修，定期进行金属结构钢闸门的防腐维护，定期对钢闸门进行启闭操作，确保钢闸门正常运行。

作者简介：张文武（1980-），男，广东五华人，兴宁市水利水电勘测设计室助理工程师，研究方向：水工建筑。

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