水利工程中钢闸门的可靠性设计探讨

水利工程中钢闸门的可靠性设计探讨

李凯郝首智

李凯郝首智

大连海洋大学海洋与土木工程学院辽宁大连116021

摘要：本文分析了平面钢闸门总体布置和闸门的选型，提出了解决解决设计的几个常见问题的措施，阐述了水利水电工程中钢闸门设计中存在的几个问题，确保平面钢闸门的工程质量和运行安全。

关键词：水利工程；钢闸门；设计

前言

水利工程的主要作用有两大方面，一是开发利用水资源，补充我国的能源格局；二是防洪抗旱，消除灾害，与我国的经济发展以及广大人民群众的生命财产安全息息相关。目前，在我国的水利工程当中，最主要的内容之一就是金属结构，其质量是否达到国家标准是左右整个水利工程的使用质量以及使用寿命的关键因素。一般而言，金属结构指的是水利工程中压力钢管、清污装置、钢闸门拦污栅等金属结构设备。水利工程的建设由于工程的低于跨度广，施工时间长，并且具有非常明显的季节性，所以保证其施工质量就显得尤为重要了。部分施工单位为了追求更高的经济效益，往往会盲目加快工程期，导致水利工程的施工质量难以得到保证。因此，加强对水利工程中平面钢闸门制造质量的检测就具有了非常重要的现实意义。

1闸门总体布置和选型分析

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，采用自润滑减摩材料(GS2B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。

2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。

（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。

3减少闸门启闭机械的工作容量问题

关于如何减少闸门启闭机械的工作容量问题，有下列几个方面值得研究:①合理选择门型；②减少摩阻力；③改善门叶底缘型式；④加强通气作用。这几个问题在前面也有涉及，如弧形门的启闭力较平板门小，而平板门中又以定轮支承的为小，当采用自润滑减摩材料作为滑动支承时比定轮更小。门叶底缘采用好的水力设计型式，降低下吸力，以及保证闸后通气量等都是降低启闭机容量的有效措施。

结束语

质量管理属于非常重要的内容，如果一个水利水电工程质量比较落后，严格不符合有关的标准，那么就无法更加长久的发展。在水利水电工程当中，质量属于整个工程的生命线，保证施工质量是每个水利水电建设者的首要任务和基本任务。在提高整个水利水电工程质量的同时，还要具有与之相匹配的管理模式，企业在发展的同时，还要注重管理模式的更新，尽最大程度的减少一些安全事故的发生，创造出更加质量过硬的水利水电工程。

参考文献：

[1]张伟超.水利工程溢洪道钢闸门防腐处理的研究与应用[J].钢结构，2016，31(04):95-97.

[2]姜涛.浅谈施工进度控制——以水利工程钢闸门制作为例[J].内蒙古水利，2012(04):131-132.