浅析水工钢闸门的分类以及振动特性

摘要：水闸在水利工程建筑中是十分常见的，当闸门关闭，可以拦洪、挡潮、蓄水抬高上游水位，以满足上游取水或通航的需要。开启闸门，可以泄洪、排涝、冲沙、取水或根据下游用水的需要调节流量。水闸多建于河道、渠系、水库、湖泊及滨海地区。本文由浅入深介绍了钢闸门在水利水电枢纽的特性及震动带来的问题分析

关键词：水工钢闸门；水闸的分类；闸门震动；平面闸门

Abstract: Water is very common in the construction of water conservancy project, when the gate is closed, can flood retention, tide, water and increase the water level upstream, to meet the needs of the upstream water or navigation. Open the gate, can release flood waters, drainage, flushing, water or adjust the flow according to the needs of the downstream water. Sluice built in river, canal, reservoirs, lakes and coastal area. This paper introduces the analysis of steel gate from the shallower to the deeper in the characteristics of water conservancy and hydropower and vibration problems

Key words: hydraulic steel gate sluice gate; classification; vibration; plane gate

中图分类号：TV5

1、水工钢闸门的分类剖析

1.1水闸的分类按水闸所承担任务分节制闸、进水闸。节制闸：调节水位，控制流量。枯水期借以抬高水位，以利取水和上游航运，洪水期用以控制流量。渠系建筑物中节制闸一般建于支渠分水口的下游，用以抬高水位，满足支渠引水需要。

进水闸：建在河道、湖泊的岸边或渠道，用来引水灌溉、发电或其他用水需要。灌溉渠系中建于干渠以下渠道首的进水闸，作用上把上一级渠道的水分下一级渠道，分水闸、斗门、农门排水闸建在江河沿岸排水渠出口处，外河上涨时，关闸门防水洪水倒灌，避免洪灾。当外河水位退落时，开闸排水防止涝灾。具有双面挡水的作用。挡潮闸建在河流入流的河口地段，以防止海水倒灌。抬高内河水位，满足蓄淡灌溉。退潮排涝。有通航孔，还可平潮时通潮。具有双向挡水作用——挡潮闸、排水闸及分洪闸：常建于河道的一侧，用来将超过下游河道安全洪量的洪水泄入预定的湖泊、洼地，即使消减洪峰，保证下游河道安全。

1.2水闸选择的要求

节制闸或泄洪闸闸址宜选择在河道顺直、河势相对稳定的河段，经技术经济比较后可以选择在弯曲河段裁弯取直的新开河道上。进水闸、分水闸或分洪闸闸址宜选择在河岸基本稳定的顺直河段或弯道凹岸顶点稍偏下游处，但分洪闸闸址不宜选择在险工堤段和被保护的重要城镇下游堤段。排水闸或泄洪闸闸址宜选择在地势低洼、出水畅通处，排水闸闸址宜选择在靠近重要涝区和容泄区的老堤堤线上。挡潮闸闸址宜选择在岸线和岸坡稳定的潮汐河口附近，且闸址泓滩中淤变化较小、上游河道有足够的蓄水容积地点。水闸消能防冲过闸水流特点，出闸流速较大，紊动强烈。上游水位差较小。岀流形式随闸门开启程序变化。

1.3水闸的冲刷

波状水跃的产生：淹没水跃没有发生或水跃淹没过大。岀流扩散下均匀，产生折冲水流。上下游水位差较小，形成波状水跃，消能效率低。

基本消能方式：底流消能为主，有消力池，海漫，防冲槽等部分组成。其形式可根据水流情况，地形条件，施工能力消能效果等选用。

波状水跃的防止措施：总体布置时，尽量使用上游渠道有一段较的顺直段，确保来水顺均匀；控制下游翼墙的扩散角，扩散角宜7～12，使水流均匀扩散；制定合理的闸的开启程序，注意均匀起步，间隙对称开启原则，力避开启，关闭时大起大落和多孔闸部分闸孔泄流的运用方式。

1.4常用防渗及排水设施

水平防渗设备：齿墙，板墙和防渗墙等排水体与反滤层，主要目的是为改善排水为了继续降压，并将渗流安全的导向下游。

板桩的作用：铺盖前端或室底板上游端时，降低压力，设在闸室底板下游侧的矩板主要为减小出口处的渗压力。

闸室结构布置：包括底板，闸墩，胸墙，闸门，工作桥和交通桥等部分闸墩作用：分隔闸孔，支承闸及上部结构胸墙作用，减少闸的高度，减轻立门重和降低对启闭机重量的要求工作桥的作用：设置启闭机和管理人员操作启闭之用水闸和河岸或堤，坝等连接时，必须设置连接建筑，包括：上，下游翼墙和便墩，有时还有防渗刺墙，其作用：

（1）挡住两侧填土，维持土坝及两岸的稳定。

（2）当水闸泄水或引水时，上游冀墙用于引导水流平顺进闸，下游冀墙使出闸水流均匀扩散，减少冲刷。

（3）保持两岸或土坝边坡不受过闸水流的冲刷。

（4）控制通过闸身两侧的渗流，防止与其相连的岸坡或土坝产生渗透变形。

（5）在软弱地基上设有独立岸墙时，可以减少地基沉降对闸身应力的影响

2、水工钢闸门振动现象及振动特性分析

钢闸门是水工建筑物一个十分关键的结构部分。目前,从闸门失事的调查结果来看,振动是造成事故发生的主要原因。水工闸门对于整个水工建筑物有着极为重要的作用,多数闸门在启动、关闭状态下都会出现不同程度的振动情况,遇到振动较大的情况时,需要对其进行深入研究,并制定相应的紧急应对措施,这样才能将振动造成的不利影响控制在最小范围内,否则将会对闸门产生巨大的破坏。

2.1闸门的振动机理

引起闸门振动的原因是多方面的,情况较为复杂。而根据专家们提出的理论认为,导致振动出现的主要原因是动水作用的不均衡,从闸门与动水互相接触的那一刻开始,振动现象则随之出现。

闸门结构面对各种形式的作用力,其出现的振动特点也是不一样的。很多情况下,闸门的作用力指的都是其结构的外力,也存在着另外一种情况,就是闸门自身的结构或与附近质的运动保持相互作用。当闸门受到多种作用力时则将对闸门系统做功,而输入能量对阻尼耗能填补后能够使得系统出现持续性的振动。

在流激振动方面进行分析研究,世界各国建筑专家及设计师们将流激振动分为3种:

(1)外部诱发振动(微幅随机振动)。这种振动的引起因素是因为水流自身存在着很大的波动性,导致脉动压力的出现而引起振动。

(2)稳定性差导致的振动。这种振动是由于水流的不稳定性及反馈机制共同形成了外力的作用而造成的,这些和振动内部结构有着十分密切的关系,不稳定反馈机制涉及到流体动力学中的流体共振或物体共振。

(3)运动诱发振动(自激振动)。这种振动的引起因素是闸门自身结构的诱发力,它与物体共振反馈的不稳定振动之间不存在准确地区分,此种振动随着结构运动消失而消失。

2.2闸门振动振源情况与处理方式

要想避免振动的发生,就需要对造成振动的原因进行准确的分析,这样才能找出合适的处理措施。根据水力条件的各种情况可以把振源分成以下几个因素:

(1)弧形闸门止水漏水因素。这类发生在止水上的脉动压力会使得止水发生振动,当漏水量过大时使得闸门顶止水射出的水流不断拍打门叶背后的梁格,最后引起闸门的振动。针对这些情况应该对工程进行改进优化,以确保止水具备良好的密封性。对止水位置、材料、尺寸进行合理的规划安排,促进止水与止水座板的紧密接触,以防止闸门在漏水停止后出现振动。

(2)波浪冲击闸门因素。当闸前水位接近胸墙周围时,其上游具备较大风浪作用时会在胸墙底部和弧门露出水面部分范围内造成封闭气囊,空气受到压缩,导致很大的气囊冲击压力,对弧门的安全造成冲击,在这种冲击作用下引起了振动。为避免这一情况的出现,应该在闸门上游装置防浪栅、浪排,以防止波浪给闸门造成较大作用。对胸墙底部装置通气管时能够在正常泄流时发挥出较好的作用,能够有效避免闸门出现振动[3]。

(3)平面闸门的底缘型式因素。根据实践经验得出,在平面闸门中使用水平底缘常常出现水力条件达不到要求的问题,这就不断增加了闸门启闭的难度,尤其是在造成起动水脉动压力出现后出现空蚀,以上现象都是闸门出现振动的关键因素。可采取以下措施进行防止:闸门底缘的设计需要注重刀刃形底缘及挑出的角度,最佳情况是将闸门底缘上游倾角、下游倾角分别控制在45°、30°以上,这样才能保证泄流时底缘流线的有效进行且阻碍闸门振动的发生;时刻保持闸门开度大于底部主梁宽度,以此来防止形成小开度的强振区。

3、结语

水工钢闸门是水利水电枢纽建筑物的主要组成部分之一，其运行状况直接影响到工程的适用性、安全性和耐久性，国内外都有因闸门故障而导致整个枢纽出事的教训。近年来，随着水利水电枢纽规模的不断大型化，水工钢闸门的尺寸和荷载也不断刷新纪录，达到过去难以比拟的水平，闸门安全问题也显得更为重要。和大体积混凝土建筑物相比，水工钢闸门似乎是较为简单的结构，但是，我们必须看到闸门有它的特殊性。

参考文献

[1] 潘锦江.闸门振动问题探讨[J].水利水电科技进展,2001,21(6):21-39.

[2] 严根华.水动力荷载与闸门振动[J].水利水运工程学报,2001(2):10-15.

[3] 周峰,侍克斌,马亮,等.胜利水库平面钢闸门水压加重结构的应用[J].南北水调与水利科技,2009(5):55-56,72.

[4] 练继建,彭新民.水工闸门振动稳定性研究[J].天津大学学报,1999, 32(2):171-176.