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水工建筑物闸门设计重要措施

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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* 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*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 设部还联合发布了 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*面体系,即把一个空间承重结构划 分成几个独立的*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*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*,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*面计算体 系的重要原因之一。实际上,闸



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