水工闸门的设计策略

吴国茂

（遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563000）

1 闸门类别及选型

1.1 工作性质分类

以工作性质作为闸门分类条件：①工作闸门：正常运行过程中所应用的闸门，通常需要于动水条件下开展工作；②事故闸门：在事故发生时，闸门于动水状态下关闭，事故经过处理之后，闸门于静水状态下开启；③检修闸门：于检修过程中起挡水作用的闸门，于静水环境中启闭；④施工期导流闸门：于封闭施工导流口中进行应用，通常于动水中关闭。

1.2 闸门设置位置分类

以设置位置作为闸门分类条件；①露顶式：闸门位置在开敞式泄水口，关闭时，门叶顶部可位于挡水水位之上，需要应用三边止水形式；②潜孔式：闸门位置在浅没式泄水孔口，关闭时，门叶顶部可位于挡水水位之下，需要应用四边止水形式，“四边”分别为顶部、底缘及两侧。

2 水工闸门存在的不足

在水工建筑物中，水工闸门为关键设备，不仅应保障其持续处于安全可靠的状态当中，还必须针对其开展便捷的运行管理。与此同时，其结构和布局也应符合“经济合理”的要求。但在实际上，水工结构与闸门和启闭机之间，以及闸门和启闭机的选型等各方面之间均存在矛盾，特别是在对闸门位置及结构孔口尺寸等各方面进行规划的过程中，矛盾更加显著。并且在一般情况下，中小型工程中矛盾尚不激烈，而若工程位于大江大河中的高坝水库，其水流速度较快，针对水工建筑物和相关控制设备，具有更加强大的振动以及空蚀能力，导致矛盾大幅加剧[1]。

基于此，对于水深较浅的部分，通常存在“一洞多孔”或是“一洞一孔”矛盾，其中一洞一孔形势下的水工结构相对简单，但是闸门设计工作难度大，而一洞多孔形式下的闸门设计工作难度相对较低，水工结构更加复杂，同时水流状态也更加复杂。而对于水深较深的部分，若将工作闸口设置于进口位置，可缩短受压段距离，也就能够有效解决高压水渗透问题，但高速水流问题以及闸后明流问题相对明显，如果将闸门设置于泄水道出口位置，则高压水渗透问题解决难度更大。

3 总体布置及闸门选型

3.1 整体布置

在闸门设计工作之中，总体布置占据重要地位，其既需要对水利枢纽的综合利用需求进行有效满足，又需要根据因地制宜的原则平衡利弊，以选择最优的方案，所以在对总体布置计划进行制定的过程中，需要灵活应用各项措施，以实际情况为基础开展工作。以某一水利枢纽为例，关于放空底孔闸门布置工作，提出两个不同的方案，如表1所示。

表1 放空底孔闸门布置

选择对第二个布置方案进行应用，不仅能够落实“经济合理”的要求，还可保障可靠运行，特别是与当地的地质、地形以及施工条件等各方面因素均相符。所以根据因地制宜的原则，同时结合灵活应用各项措施的思路，选择将滑动式事故平面闸门置于洞首闸井内，同时底孔出口设置工作闸门。并且通过落实该施工方案，设计过程与施工过程均更加便捷，有效加快设计工作及建设工作的进程，并能够提高工作效率。

3.2 闸门选型

在对闸门进行选型的过程中，应以水工枢纽的实际情况作为具体要求，选择经济方面合理、技术方面可行且运行过程中可靠的门型。对于水库工程的取水口来说，在水流量为30m3/s以下、同时其面积在4m2以下时，若条件允许，最好将工作阀门设置成为锥形阀，应选择将其位置安排在取水洞身的出口处。另外，应在上游进口的位置，安排一平面事故闸门，能够通过水柱下门，同时门叶的吊耳处还可安装充水阀，可借此满足“动闭静启”的需求。例如在某一水利枢纽工程之中，根据自身流量和孔口面积等各方面要求，对取水兼放空建筑物进、出口进行如此布置，在运行数年之后，仍可开展有效的性能调节工作，同时应用效果十分良好[2]。

4 潜孔工作闸门设计问题及措施

对于潜孔工作闸门的设计来说，受关注最多的就是其中的振动问题，对该问题进行解决的重点，在于促使启闭机械工作容量得到缩减。从整体上来看，闸门震动的原因相对复杂，影响因素众多，从20世纪开始，相关问题已经受到重点关注，但一直处于发展的状态当中，当前还不具有系统的理论以及成熟的计算方法，以实现闸门振动问题的改善，但是根据实际情况，可以从以下几个方面开展工作，以尽可能进行减振和抗振。

4.1 高水头泄水管道闸门局部开启

针对高水头泄水管道位置的闸门，在局部开启时，闸下水流速度较快，更易引起负压。基于此，为了避免出现负压过大的情况，需要合理开展补气工作，保障通气量的充足，尽量缩减闸门可能面临的威胁，一般情况下，闸门的威胁来自于空蚀与振动。对于需气量相关问题，虽然既往研究数量较多，但是水工结构不同，流态也各不相同，所以不可能对严格、精准又简易的计算公式进行准确推导，只能采用试验以及原型测定的方式，根据实际情况推导出大概的经验公式。针对相关问题，我国已经开展了数次通气管道的实测工作以及验证工作，并针对其进行数次综合分析，通过经验公式结合实测结果，可以提出不完全为理论性也不完全为经验性的空气管面积计算公式。以此为基础，根据实际情况来看，或许可以将通过计算所得的所需通气管面积作为基础，将管径适当扩大，以进一步提升泄水管道之中流态的稳定性，从而减少空蚀现象，进而在一定程度上降低闸门动荷载[3]。

4.2 高水头泄水道闸门

在高水头泄水管道闸门方面，开展设计工作的过程中必须为其安排相应的支垫或是具有弹性的反向轮，并为门叶结构的刚度及强度均保留合适的裕度，以能够对门叶自激振动起到有效的控制作用。

针对门叶底缘结构形状，应尽量采用水力设计，且需要保持其状态良好。由此，需要适当优化水力条件，例如使用锐角底缘结构，同时，若闸门需采用水柱关门的形式，其斜面底缘结构则应保持前倾60°、同时后倾30°的状态。所以，闸门启闭的过程中，负压不易导致门体出现振动情况，并且根据相关工作经验，若下游一侧的倾角可在30°以上，门体减震的效果则会更好，而由于主梁结构的布置能够对其造成影响，仅可实现30°倾角，但若选择封闭下主梁后翼板，同时对底缘进行封闭处理，倾角面则能够与整体保持一致，并通过此改善水流边界状态，同时还可缓解下吸力[4]。

4.3 水封件的选择

对水封件进行选型以及设置的过程中，均需保障其具有良好的止水性能，将其应用于较高水头之下的闸门位置时，应主要应用橡胶水封，且最好可具有三层帆布，另外，其中应用的水封压板应具有特殊的截面形状，以能够对水封可挠性起到有效的抑制，进而则可避免出现水封漏水情况，也就可以避免水封头的弹动引起闸门振动。当前橡胶止水方法已经在50m水头下得到广泛应用，且使用性能较好，但是若将其应用于高水头下，其尚处于强度较低的状态中，而若想要增加强度，则可能出现柔韧性相对不足的情况，所以从整体上来看，其止水效果并非十分良好。由此可见，当前仍需要寻找新型的止水材料，以保障其在应用过程中韧性及强度均能得到提升，同时还需研制结构更加合理的水封，以满足高坝建设闸门方面的止水需求。

对于高水头泄水道闸门的门槽尺寸，设计工作应保障其中的宽度及深度比值在1.5~2.0之间，同时门槽下游护角应为流线型，以能够改善闸门水利条件和工作条件，进而则可有效降低空时破坏情况的发生率。

5 结语

根据上文可以了解到，当前水工闸门的设计工作并不完善，为了完善相关工作，还需深入探讨相关问题，并根据实际情况合理设计解决方案。同时，也需要不断对相关人才进行培养，以进一步改善水工闸门设计质量，从而可以提升水工闸门的可靠性。