水工建筑物闸门设计的重要措施

摘要：设计闸门一般程序是收集和分析资料、闸门的选型和布置、门体布置和结构及零部件的设计计算、施工图的绘制，结合工作实践经验论述了水工建筑物闸门设计的主要技术措施，为今后类似工程提供参考资料。

关键词：水工建筑物；闸门设计；结构计算

水工建筑物的重要组成部分之一的闸门可根据需要封闭建筑物的孔口，也可全部或局部开启孔口，用于调节上下游水位和流量，从而获得防洪、灌溉、供水、发电、通航、过木过筏等效益，还可用于排除漂浮物、泥沙、冰块等，或者为相关建筑物和设备的检修提供必要条件。闸门通常设置在取水输水建筑物的进、出水口等咽喉要道，通过闸门灵活可靠地

启闭来发挥它们的功能与效益及维护建筑物的安全。在一些取水供水工程的输水管道上一般设置节制闸门，用于根据需要调节控制流量；在泵站进水口和一些隧洞、涵管、倒虹管等的进、出水口一般设置有检修闸门，为检修水工建筑物和泵组设备提供条件；在水库溢流坝或溢洪道上一般设置有泄洪工作闸门，用于控制水库的水位和泄往下游的洪水流量，最大限度地发挥水库的功能效益。

1 水工建筑物闸门的组成

从广义上讲，闸门包括闸门与阀门。闸门一般主要由活动部分、埋设部分、启闭设备三大部分组成。活动部分：是封闭孔口而又能根据需要开启孔口的闸门主体，一般称为门叶。埋设部分：埋设在土建结构中的构件，主要是孔口的门楣、底槛和支承轨道等，通过这些构件将门叶承受的荷载包括自重等传递给土建结构。

2 闸门设计的主要工作程序

闸门设计一般程序是收集和分析资料、闸门的选型和布置、门体布置和结构及零部件的设计计算、施工图的绘制。下面就各个程序介绍闸门设计的主要工作内容和方法。

（1）收集和分析资料。要进行一项闸门的设计工作，首先要收集和研究分析闸门设计的基本资料，包括枢纽的任务和水工建筑物的等级、形式与布置；闸门运用条件与相关尺寸；水文、泥沙、水质、漂浮物与气象方面的资料；有关闸门的材料、制造、运输和安装等方面的条件；地质、地震和其他特殊要求等。分析资料就是要分清闸门的各种工况及运行条件，确定闸门的荷载及具体的操作方式。

（2）闸门的选型布置原则。在取水输水建筑物中，闸门的种类繁多，闸门的选型布置直接关系到相关建筑物的布置和工程量，也就影响了工程的投资和施工进度，有时甚至是控制性的。闸门的选型布置合理，不仅会节约大量资金，而且还会取得安全可靠、操作灵活、维修方便等效果。闸门的选型与布置，应从全局出发、统筹兼顾，正确处理闸门设计与取水输水建筑物的关系，以满足工程的各种使用要求。大中型工程常需要做多种形式和布置的方案，与建筑物一起作技术经济比较，从而选定最优方案.

3 水闸门体布置及结构计算

闸门的选型与布置方案确定后，就可以对所采用的闸门进行门体布置，然后才进行结构和零部件的设计计算。门体布置就是根据闸门的形式、孔口尺寸和材料等情况来选择合理的门叶结构、零部件的形式和布置。门体布置应注意闸门的构造简单、安全可靠、节约材料以及便于制造、运输、安装与运行维护等方面的要求。闸门材料与零部件的种类应尽量少，尽可能采用标准化定型产品，尽可能采用普通钢材，以便于保证供货，也便于检修与维护。门体布置时需考虑运输条件，闸门应便于划分运输单元，应避免运输时尺寸超限、超重等情况。另外，与水工建筑物的配合也不容忽视。门叶结构形式应考虑构件的布置和连接形式。钢闸门一般考虑采用焊接结构。门叶结构因闸门形式不同而不同。对于动水启闭的大、中型平面闸门和弧形闸门底缘形式的布置也需予以重视。因为这些闸门的底缘形式对闸门泄流时的水力学因素比较敏感。若底缘形式布置不当，容易产生闸门的振动，或者是增加闸门的动水压力。闸门零部件中的支承部分应特别注意，例如平面闸门，因为滑动支承和滚动支承在水压力作用下所产生的摩擦阻力差别很大，采用滑动支承还是滚动支承对启闭力的影响将是很大的。这些支承形式、材料以及与门体本身的配合等也有多种选择。又如弧形闸门，它的支承铰的布置和材料也很重要，往往决定闸门设计是否合理、运行是否方便等。这些都是需要仔细研究的。吊耳的布置与启闭机的形式、规格及位置有关。此外如闸门的止水、反向支承、侧导向装置等零部件也应认真考虑。在门体布置完后就可以进行闸门结构和零部件的设计计算。首先根据实际可能发生的最不利的荷载组合情况和选定的结构、零部件的布置和材料，确定荷载分配，然后进行各构件和零部件的设计计算。一般先选择各构件和零部件的规格，再进行强度、刚度、稳定性验算。有时需要经反复几次计算比较，才能确定较合理的方案。前面提到，我国现行的钢闸门设计规范仍然采用容许应力方法进行闸门的设计和计算。而工业与民用建筑及水工建筑等专业的规范大都已采用可靠度设计法，1994 年国家技术监督局和建设部还联合了GB50199-94《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》，该标准采用了极限状态设计原则。在这一点上，闸门的设计规范明显落后于形势了，要向可靠度设计过渡，还有大量工作要做，如：荷载的统计、分项系数的确定、安全度的规定等，闸门结构力学计算模型主要还是采用平面体系，即把一个空间承重结构划分成几个独立的平面系统分别进行分析计算。实践证明，这种方法是偏安全的。闸门承重结构在分成平面系统时，需考虑各个构件的相对刚度和这些构件的变形情况，同时应考虑整个结构总的变形情况，也就是使计算方法尽可能地符合结构的实际受力状况。

4 结语

闸门实际上是空间结构，如果将闸门按空间结构系统进行计算，则更符合闸门工作的实际状况。但是，按空间结构进行分析相当繁杂，需要借助一些通用的结构分析软件并应用有限元理论来计算。目前，硬件和软件都已达到相当高水平，进行这方面的工作已经不存在技术问题，但闸门的空间结构理论还不普遍，国内还没有成熟的用于闸门计算的专业软件，这也是实际工作中仍沿用平面计算体系的重要原因之一。实际上，闸门结构的有限元计算的难点还是在于前处理这一关，也就是怎样把闸门结构离散化为单元，建立闸门的有限元模型。早期受硬件条件限制，单元数量不能太多，否则一般计算机要算上几个小时，所以把面板离散为板单元，梁系均离散为梁单元。近年来，随着硬件的日新月异，根据闸门结构形式和受力特点，把梁系离散得更细些，如实腹式结构，将闸门主梁、纵梁、边梁、支臂等主要结构都离散为板单元，型钢截面的水平次梁和背拉杆、支臂间连接杆等次要构件离散为梁单元。在有些工程闸门的安全鉴定中应用上述方法进行结构的有限元计算，结果与应力测试的实验数据对比，其应力分布规律基本符合，但数值还有些差别。闸门的有限元计算，不仅可以对闸门进行各种荷载组合的受力分析，还可以计算闸门的自振频率，为闸门的振动分析提供依据。随着对此问题的理论研究与大型模型的试验，加上计算机技术的高速发展，相信闸门按空间结构的计算方法将会有很大的发展。