吳國茂

（遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563000）

1 閘門類別及選型

1.1 工作性質分類

以工作性質作為閘門分類條件：①工作閘門：正常運行過程中所應用的閘門，通常需要于動水條件下開展工作；②事故閘門：在事故發(fā)生時，閘門于動水狀態(tài)下關閉，事故經過處理之后，閘門于靜水狀態(tài)下開啟；③檢修閘門：于檢修過程中起擋水作用的閘門，于靜水環(huán)境中啟閉；④施工期導流閘門：于封閉施工導流口中進行應用，通常于動水中關閉。

1.2 閘門設置位置分類

以設置位置作為閘門分類條件；①露頂式：閘門位置在開敞式泄水口，關閉時，門葉頂部可位于擋水水位之上，需要應用三邊止水形式；②潛孔式：閘門位置在淺沒式泄水孔口，關閉時，門葉頂部可位于擋水水位之下，需要應用四邊止水形式，“四邊”分別為頂部、底緣及兩側。

2 水工閘門存在的不足

在水工建筑物中，水工閘門為關鍵設備，不僅應保障其持續(xù)處于安全可靠的狀態(tài)當中，還必須針對其開展便捷的運行管理。與此同時，其結構和布局也應符合“經濟合理”的要求。但在實際上，水工結構與閘門和啟閉機之間，以及閘門和啟閉機的選型等各方面之間均存在矛盾，特別是在對閘門位置及結構孔口尺寸等各方面進行規(guī)劃的過程中，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，其水流速度較快，針對水工建筑物和相關控制設備，具有更加強大的振動以及空蝕能力，導致矛盾大幅加劇[1]。

基于此，對于水深較淺的部分，通常存在“一洞多孔”或是“一洞一孔”矛盾，其中一洞一孔形勢下的水工結構相對簡單，但是閘門設計工作難度大，而一洞多孔形式下的閘門設計工作難度相對較低，水工結構更加復雜，同時水流狀態(tài)也更加復雜。而對于水深較深的部分，若將工作閘口設置于進口位置，可縮短受壓段距離，也就能夠有效解決高壓水滲透問題，但高速水流問題以及閘后明流問題相對明顯，如果將閘門設置于泄水道出口位置，則高壓水滲透問題解決難度更大。

3 總體布置及閘門選型

3.1 整體布置

在閘門設計工作之中，總體布置占據重要地位，其既需要對水利樞紐的綜合利用需求進行有效滿足，又需要根據因地制宜的原則平衡利弊，以選擇最優(yōu)的方案，所以在對總體布置計劃進行制定的過程中，需要靈活應用各項措施，以實際情況為基礎開展工作。以某一水利樞紐為例，關于放空底孔閘門布置工作，提出兩個不同的方案，如表1所示。

表1 放空底孔閘門布置

選擇對第二個布置方案進行應用，不僅能夠落實“經濟合理”的要求，還可保障可靠運行，特別是與當地的地質、地形以及施工條件等各方面因素均相符。所以根據因地制宜的原則，同時結合靈活應用各項措施的思路，選擇將滑動式事故平面閘門置于洞首閘井內，同時底孔出口設置工作閘門。并且通過落實該施工方案，設計過程與施工過程均更加便捷，有效加快設計工作及建設工作的進程，并能夠提高工作效率。

3.2 閘門選型

在對閘門進行選型的過程中，應以水工樞紐的實際情況作為具體要求，選擇經濟方面合理、技術方面可行且運行過程中可靠的門型。對于水庫工程的取水口來說，在水流量為30m3/s以下、同時其面積在4m2以下時，若條件允許，最好將工作閥門設置成為錐形閥，應選擇將其位置安排在取水洞身的出口處。另外，應在上游進口的位置，安排一平面事故閘門，能夠通過水柱下門，同時門葉的吊耳處還可安裝充水閥，可借此滿足“動閉靜啟”的需求。例如在某一水利樞紐工程之中，根據自身流量和孔口面積等各方面要求，對取水兼放空建筑物進、出口進行如此布置，在運行數年之后，仍可開展有效的性能調節(jié)工作，同時應用效果十分良好[2]。

4 潛孔工作閘門設計問題及措施

對于潛孔工作閘門的設計來說，受關注最多的就是其中的振動問題，對該問題進行解決的重點，在于促使啟閉機械工作容量得到縮減。從整體上來看，閘門震動的原因相對復雜，影響因素眾多，從20世紀開始，相關問題已經受到重點關注，但一直處于發(fā)展的狀態(tài)當中，當前還不具有系統(tǒng)的理論以及成熟的計算方法，以實現(xiàn)閘門振動問題的改善，但是根據實際情況，可以從以下幾個方面開展工作，以盡可能進行減振和抗振。

4.1 高水頭泄水管道閘門局部開啟

針對高水頭泄水管道位置的閘門，在局部開啟時，閘下水流速度較快，更易引起負壓?；诖耍瑸榱吮苊獬霈F(xiàn)負壓過大的情況，需要合理開展補氣工作，保障通氣量的充足，盡量縮減閘門可能面臨的威脅，一般情況下，閘門的威脅來自于空蝕與振動。對于需氣量相關問題，雖然既往研究數量較多，但是水工結構不同，流態(tài)也各不相同，所以不可能對嚴格、精準又簡易的計算公式進行準確推導，只能采用試驗以及原型測定的方式，根據實際情況推導出大概的經驗公式。針對相關問題，我國已經開展了數次通氣管道的實測工作以及驗證工作，并針對其進行數次綜合分析，通過經驗公式結合實測結果，可以提出不完全為理論性也不完全為經驗性的空氣管面積計算公式。以此為基礎，根據實際情況來看，或許可以將通過計算所得的所需通氣管面積作為基礎，將管徑適當擴大，以進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，進而在一定程度上降低閘門動荷載[3]。

4.2 高水頭泄水道閘門

在高水頭泄水管道閘門方面，開展設計工作的過程中必須為其安排相應的支墊或是具有彈性的反向輪，并為門葉結構的剛度及強度均保留合適的裕度，以能夠對門葉自激振動起到有效的控制作用。

針對門葉底緣結構形狀，應盡量采用水力設計，且需要保持其狀態(tài)良好。由此，需要適當優(yōu)化水力條件，例如使用銳角底緣結構，同時，若閘門需采用水柱關門的形式，其斜面底緣結構則應保持前傾60°、同時后傾30°的狀態(tài)。所以，閘門啟閉的過程中，負壓不易導致門體出現(xiàn)振動情況，并且根據相關工作經驗，若下游一側的傾角可在30°以上，門體減震的效果則會更好，而由于主梁結構的布置能夠對其造成影響，僅可實現(xiàn)30°傾角，但若選擇封閉下主梁后翼板，同時對底緣進行封閉處理，傾角面則能夠與整體保持一致，并通過此改善水流邊界狀態(tài)，同時還可緩解下吸力[4]。

4.3 水封件的選擇

對水封件進行選型以及設置的過程中，均需保障其具有良好的止水性能，將其應用于較高水頭之下的閘門位置時，應主要應用橡膠水封，且最好可具有三層帆布，另外，其中應用的水封壓板應具有特殊的截面形狀，以能夠對水封可撓性起到有效的抑制，進而則可避免出現(xiàn)水封漏水情況，也就可以避免水封頭的彈動引起閘門振動。當前橡膠止水方法已經在50m水頭下得到廣泛應用，且使用性能較好，但是若將其應用于高水頭下，其尚處于強度較低的狀態(tài)中，而若想要增加強度，則可能出現(xiàn)柔韌性相對不足的情況，所以從整體上來看，其止水效果并非十分良好。由此可見，當前仍需要尋找新型的止水材料，以保障其在應用過程中韌性及強度均能得到提升，同時還需研制結構更加合理的水封，以滿足高壩建設閘門方面的止水需求。

對于高水頭泄水道閘門的門槽尺寸，設計工作應保障其中的寬度及深度比值在1.5~2.0之間，同時門槽下游護角應為流線型，以能夠改善閘門水利條件和工作條件，進而則可有效降低空時破壞情況的發(fā)生率。

5 結語

根據上文可以了解到，當前水工閘門的設計工作并不完善，為了完善相關工作，還需深入探討相關問題，并根據實際情況合理設計解決方案。同時，也需要不斷對相關人才進行培養(yǎng)，以進一步改善水工閘門設計質量，從而可以提升水工閘門的可靠性。