水工閘門(mén)的設(shè)計(jì)策略

吳國(guó)茂

（遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義 563000）

1 閘門(mén)類別及選型

1.1 工作性質(zhì)分類

以工作性質(zhì)作為閘門(mén)分類條件：①工作閘門(mén)：正常運(yùn)行過(guò)程中所應(yīng)用的閘門(mén)，通常需要于動(dòng)水條件下開(kāi)展工作；②事故閘門(mén)：在事故發(fā)生時(shí)，閘門(mén)于動(dòng)水狀態(tài)下關(guān)閉，事故經(jīng)過(guò)處理之后，閘門(mén)于靜水狀態(tài)下開(kāi)啟；③檢修閘門(mén)：于檢修過(guò)程中起擋水作用的閘門(mén)，于靜水環(huán)境中啟閉；④施工期導(dǎo)流閘門(mén)：于封閉施工導(dǎo)流口中進(jìn)行應(yīng)用，通常于動(dòng)水中關(guān)閉。

1.2 閘門(mén)設(shè)置位置分類

以設(shè)置位置作為閘門(mén)分類條件；①露頂式：閘門(mén)位置在開(kāi)敞式泄水口，關(guān)閉時(shí)，門(mén)葉頂部可位于擋水水位之上，需要應(yīng)用三邊止水形式；②潛孔式：閘門(mén)位置在淺沒(méi)式泄水孔口，關(guān)閉時(shí)，門(mén)葉頂部可位于擋水水位之下，需要應(yīng)用四邊止水形式，“四邊”分別為頂部、底緣及兩側(cè)。

2 水工閘門(mén)存在的不足

在水工建筑物中，水工閘門(mén)為關(guān)鍵設(shè)備，不僅應(yīng)保障其持續(xù)處于安全可靠的狀態(tài)當(dāng)中，還必須針對(duì)其開(kāi)展便捷的運(yùn)行管理。與此同時(shí)，其結(jié)構(gòu)和布局也應(yīng)符合“經(jīng)濟(jì)合理”的要求。但在實(shí)際上，水工結(jié)構(gòu)與閘門(mén)和啟閉機(jī)之間，以及閘門(mén)和啟閉機(jī)的選型等各方面之間均存在矛盾，特別是在對(duì)閘門(mén)位置及結(jié)構(gòu)孔口尺寸等各方面進(jìn)行規(guī)劃的過(guò)程中，矛盾更加顯著。并且在一般情況下，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壩水庫(kù)，其水流速度較快，針對(duì)水工建筑物和相關(guān)控制設(shè)備，具有更加強(qiáng)大的振動(dòng)以及空蝕能力，導(dǎo)致矛盾大幅加劇[1]。

基于此，對(duì)于水深較淺的部分，通常存在“一洞多孔”或是“一洞一孔”矛盾，其中一洞一孔形勢(shì)下的水工結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是閘門(mén)設(shè)計(jì)工作難度大，而一洞多孔形式下的閘門(mén)設(shè)計(jì)工作難度相對(duì)較低，水工結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，同時(shí)水流狀態(tài)也更加復(fù)雜。而對(duì)于水深較深的部分，若將工作閘口設(shè)置于進(jìn)口位置，可縮短受壓段距離，也就能夠有效解決高壓水滲透問(wèn)題，但高速水流問(wèn)題以及閘后明流問(wèn)題相對(duì)明顯，如果將閘門(mén)設(shè)置于泄水道出口位置，則高壓水滲透問(wèn)題解決難度更大。

3 總體布置及閘門(mén)選型

3.1 整體布置

在閘門(mén)設(shè)計(jì)工作之中，總體布置占據(jù)重要地位，其既需要對(duì)水利樞紐的綜合利用需求進(jìn)行有效滿足，又需要根據(jù)因地制宜的原則平衡利弊，以選擇最優(yōu)的方案，所以在對(duì)總體布置計(jì)劃進(jìn)行制定的過(guò)程中，需要靈活應(yīng)用各項(xiàng)措施，以實(shí)際情況為基礎(chǔ)開(kāi)展工作。以某一水利樞紐為例，關(guān)于放空底孔閘門(mén)布置工作，提出兩個(gè)不同的方案，如表1所示。

表1 放空底孔閘門(mén)布置

選擇對(duì)第二個(gè)布置方案進(jìn)行應(yīng)用，不僅能夠落實(shí)“經(jīng)濟(jì)合理”的要求，還可保障可靠運(yùn)行，特別是與當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、地形以及施工條件等各方面因素均相符。所以根據(jù)因地制宜的原則，同時(shí)結(jié)合靈活應(yīng)用各項(xiàng)措施的思路，選擇將滑動(dòng)式事故平面閘門(mén)置于洞首閘井內(nèi)，同時(shí)底孔出口設(shè)置工作閘門(mén)。并且通過(guò)落實(shí)該施工方案，設(shè)計(jì)過(guò)程與施工過(guò)程均更加便捷，有效加快設(shè)計(jì)工作及建設(shè)工作的進(jìn)程，并能夠提高工作效率。

3.2 閘門(mén)選型

在對(duì)閘門(mén)進(jìn)行選型的過(guò)程中，應(yīng)以水工樞紐的實(shí)際情況作為具體要求，選擇經(jīng)濟(jì)方面合理、技術(shù)方面可行且運(yùn)行過(guò)程中可靠的門(mén)型。對(duì)于水庫(kù)工程的取水口來(lái)說(shuō)，在水流量為30m3/s以下、同時(shí)其面積在4m2以下時(shí)，若條件允許，最好將工作閥門(mén)設(shè)置成為錐形閥，應(yīng)選擇將其位置安排在取水洞身的出口處。另外，應(yīng)在上游進(jìn)口的位置，安排一平面事故閘門(mén)，能夠通過(guò)水柱下門(mén)，同時(shí)門(mén)葉的吊耳處還可安裝充水閥，可借此滿足“動(dòng)閉靜啟”的需求。例如在某一水利樞紐工程之中，根據(jù)自身流量和孔口面積等各方面要求，對(duì)取水兼放空建筑物進(jìn)、出口進(jìn)行如此布置，在運(yùn)行數(shù)年之后，仍可開(kāi)展有效的性能調(diào)節(jié)工作，同時(shí)應(yīng)用效果十分良好[2]。

4 潛孔工作閘門(mén)設(shè)計(jì)問(wèn)題及措施

對(duì)于潛孔工作閘門(mén)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，受關(guān)注最多的就是其中的振動(dòng)問(wèn)題，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行解決的重點(diǎn)，在于促使啟閉機(jī)械工作容量得到縮減。從整體上來(lái)看，閘門(mén)震動(dòng)的原因相對(duì)復(fù)雜，影響因素眾多，從20世紀(jì)開(kāi)始，相關(guān)問(wèn)題已經(jīng)受到重點(diǎn)關(guān)注，但一直處于發(fā)展的狀態(tài)當(dāng)中，當(dāng)前還不具有系統(tǒng)的理論以及成熟的計(jì)算方法，以實(shí)現(xiàn)閘門(mén)振動(dòng)問(wèn)題的改善，但是根據(jù)實(shí)際情況，可以從以下幾個(gè)方面開(kāi)展工作，以盡可能進(jìn)行減振和抗振。

4.1 高水頭泄水管道閘門(mén)局部開(kāi)啟

針對(duì)高水頭泄水管道位置的閘門(mén)，在局部開(kāi)啟時(shí)，閘下水流速度較快，更易引起負(fù)壓。基于此，為了避免出現(xiàn)負(fù)壓過(guò)大的情況，需要合理開(kāi)展補(bǔ)氣工作，保障通氣量的充足，盡量縮減閘門(mén)可能面臨的威脅，一般情況下，閘門(mén)的威脅來(lái)自于空蝕與振動(dòng)。對(duì)于需氣量相關(guān)問(wèn)題，雖然既往研究數(shù)量較多，但是水工結(jié)構(gòu)不同，流態(tài)也各不相同，所以不可能對(duì)嚴(yán)格、精準(zhǔn)又簡(jiǎn)易的計(jì)算公式進(jìn)行準(zhǔn)確推導(dǎo)，只能采用試驗(yàn)以及原型測(cè)定的方式，根據(jù)實(shí)際情況推導(dǎo)出大概的經(jīng)驗(yàn)公式。針對(duì)相關(guān)問(wèn)題，我國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了數(shù)次通氣管道的實(shí)測(cè)工作以及驗(yàn)證工作，并針對(duì)其進(jìn)行數(shù)次綜合分析，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果，可以提出不完全為理論性也不完全為經(jīng)驗(yàn)性的空氣管面積計(jì)算公式。以此為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際情況來(lái)看，或許可以將通過(guò)計(jì)算所得的所需通氣管面積作為基礎(chǔ)，將管徑適當(dāng)擴(kuò)大，以進(jìn)一步提升泄水管道之中流態(tài)的穩(wěn)定性，從而減少空蝕現(xiàn)象，進(jìn)而在一定程度上降低閘門(mén)動(dòng)荷載[3]。

4.2 高水頭泄水道閘門(mén)

在高水頭泄水管道閘門(mén)方面，開(kāi)展設(shè)計(jì)工作的過(guò)程中必須為其安排相應(yīng)的支墊或是具有彈性的反向輪，并為門(mén)葉結(jié)構(gòu)的剛度及強(qiáng)度均保留合適的裕度，以能夠?qū)﹂T(mén)葉自激振動(dòng)起到有效的控制作用。

針對(duì)門(mén)葉底緣結(jié)構(gòu)形狀，應(yīng)盡量采用水力設(shè)計(jì)，且需要保持其狀態(tài)良好。由此，需要適當(dāng)優(yōu)化水力條件，例如使用銳角底緣結(jié)構(gòu)，同時(shí)，若閘門(mén)需采用水柱關(guān)門(mén)的形式，其斜面底緣結(jié)構(gòu)則應(yīng)保持前傾60°、同時(shí)后傾30°的狀態(tài)。所以，閘門(mén)啟閉的過(guò)程中，負(fù)壓不易導(dǎo)致門(mén)體出現(xiàn)振動(dòng)情況，并且根據(jù)相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，若下游一側(cè)的傾角可在30°以上，門(mén)體減震的效果則會(huì)更好，而由于主梁結(jié)構(gòu)的布置能夠?qū)ζ湓斐捎绊懀瑑H可實(shí)現(xiàn)30°傾角，但若選擇封閉下主梁后翼板，同時(shí)對(duì)底緣進(jìn)行封閉處理，傾角面則能夠與整體保持一致，并通過(guò)此改善水流邊界狀態(tài)，同時(shí)還可緩解下吸力[4]。

4.3 水封件的選擇

對(duì)水封件進(jìn)行選型以及設(shè)置的過(guò)程中，均需保障其具有良好的止水性能，將其應(yīng)用于較高水頭之下的閘門(mén)位置時(shí)，應(yīng)主要應(yīng)用橡膠水封，且最好可具有三層帆布，另外，其中應(yīng)用的水封壓板應(yīng)具有特殊的截面形狀，以能夠?qū)λ饪蓳闲云鸬接行У囊种?，進(jìn)而則可避免出現(xiàn)水封漏水情況，也就可以避免水封頭的彈動(dòng)引起閘門(mén)振動(dòng)。當(dāng)前橡膠止水方法已經(jīng)在50m水頭下得到廣泛應(yīng)用，且使用性能較好，但是若將其應(yīng)用于高水頭下，其尚處于強(qiáng)度較低的狀態(tài)中，而若想要增加強(qiáng)度，則可能出現(xiàn)柔韌性相對(duì)不足的情況，所以從整體上來(lái)看，其止水效果并非十分良好。由此可見(jiàn)，當(dāng)前仍需要尋找新型的止水材料，以保障其在應(yīng)用過(guò)程中韌性及強(qiáng)度均能得到提升，同時(shí)還需研制結(jié)構(gòu)更加合理的水封，以滿足高壩建設(shè)閘門(mén)方面的止水需求。

對(duì)于高水頭泄水道閘門(mén)的門(mén)槽尺寸，設(shè)計(jì)工作應(yīng)保障其中的寬度及深度比值在1.5~2.0之間，同時(shí)門(mén)槽下游護(hù)角應(yīng)為流線型，以能夠改善閘門(mén)水利條件和工作條件，進(jìn)而則可有效降低空時(shí)破壞情況的發(fā)生率。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上文可以了解到，當(dāng)前水工閘門(mén)的設(shè)計(jì)工作并不完善，為了完善相關(guān)工作，還需深入探討相關(guān)問(wèn)題，并根據(jù)實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)解決方案。同時(shí)，也需要不斷對(duì)相關(guān)人才進(jìn)行培養(yǎng)，以進(jìn)一步改善水工閘門(mén)設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而可以提升水工閘門(mén)的可靠性。