论文部分内容阅读
摘要：水闸在水利水电工程中有着至关重要的作用。在我国水利行业不断发展的进程中，水闸在设计方面也一直在创新，并以可持续发展的姿态让水利水电工程提升经济效益。文章就水利水电工程中水闸的设计为关键点，探讨水闸的地基处理、水闸的底板高程、闸型选择以及水闸的选址等问题，同时对于水闸的地基处理及排水问题进行了细致的分析。
关键词：水利水电；水闸；设计
中图分类号：TV文献标识码： A
水利工程，是用于控制和调配自然界地表水和地下水，达到除害兴利目的而修建的工程，亦称为水工程。水是人类生产和生活必不可少的珍贵资源，但其自然存在的状态并不完全符合人类的需求。只有通过修建水利工程才能控制水流，防止洪涝灾害，进行水量的调节和分配，以满足人民生活和生产对水资源的需要。
20世纪50年代中期，在水利水电工程设计与科研机构中开始设置水工金属结构专业，迄今为止己有近60年历史。随着水工金属结构专业的不断发展，水闸研究也逐渐发展起来。50多年来，从水工闸门和启闭机起步，到船闸、升船机设备以及水封、支承等部件的专业化的发展，逐步锻炼、培养造就出一支门类齐全、朝气蓬勃、锐意进取的设计、科研、制造、安装、运行的专业队伍，以及专业的监理队伍。通过大量不断地实践逐步走向成熟。
一、水闸的选址
水利水电工程中，水闸的选址是极其重要的组成阶段。对于水闸最为合适的选址方向，应该朝着地质相对较好的天然地基为优先选择的选址条件，在选址的过程中一定要全方面的考虑。在一般情况下，对于管理的情况以及使用的要求一定要符合水闸的设置标准，然后对于水闸的水文条件和地质条件要透彻的分析之后，才能够择优选取岩石地基，此处用的岩石地基一定是较为新鲜完整的，如果没有找寻到符合程度的岩石地基的时候，对于透水性小、抗剪强度高、抗渗稳定好、压缩性低以及承载能力大一些的土质地基也可以与之代替使用。
二、水闸的地基处理
（一）、预压的方法
所谓预压就是在原状土上加载，使土中水排出，以实现土的预先固结，减少建筑物地基后期沉降和提高地基承载力。预压的方法具备的优点之处为：荷载持续保持的情况下，体积相对来说会产生非常大的压缩，对于闸基强度有明显的增加长度。例如：黏性的土地基以及淤泥质土都会呈现较好的成效。预压的方法存在的缺点在于：在规定的工期内不能够将施工部分有效完成，一般情况下，在施工的工期相对很紧的时候，是不提倡采用此方式的。因为闸基地下水是与河水紧密相连的，自然就得不到有效的降水，那么在解决问题的过程中，就需要较长的时间。
（二）、换土垫层的方法
换土垫层的方法是比较传统的方式，所以在操作上相对简单些，并且在实践的过程中，一般情况下使用换土垫层的方法时，基本上没有出现过问题。因此，换土垫层的方法一直是首选的地基处理方法。软弱的土层如果<3 m 的情况下，指的是浅层地基，相反，承载力特别高的土层就是下卧层地基
三、双扉钢闸门的结构设计和安全性计算分析
（一）、双扉闸门的现状
目前国内双扉门设计特点为需要两台启闭机，分别控制上、下扉闸门的升降。上、下扉闸门分别在各自独立的门槽内运行，即需要两套门槽结构，两扉间的止水安装在上扉下部的止水梁上。由于需两套启闭机，不仅增加了工作桥的荷载，使工作桥和排架断面加大，同时也使设备费用增加。而且工作桥的布置繁杂、也给操作管理带来不便，见(图1)。
图1普通双扉闸门结构布置简图
（二）、双扉门结构设计
1、闸门门槽设计
确定闸门的门槽型式，是首先要解决的问题。我们考虑用阶梯门槽取代原来的两个门槽将上下扉闸门安装在同一门槽内我们考虑用阶梯门槽取代。下扉闸门的工作主轮和上扉闸门的上工作主轮支撑在同一轨道上上扉闸门的下主轮支撑在安装于下扉门上的轨道上。在闸门处于挡水位置时，上扉闸门座落在阶梯门槽上，这样上下扉闸门完全固定在同一门槽内，保证了闸门的整体稳定。
图2门槽断面图
采用阶梯门槽的闸门布置闸门增加了一对支承部件，降低了每个支承所承受的荷载，可减少支承滚轮的直径和埋件主轨断面尺寸，从而底部门槽的宽度和深度均可减小，有利于改善水流经过该门槽段的流态。去掉一个门槽，能节省埋件材料，并且减小闸墩长度。另外，由于去掉一个门槽，能节省埋件材料，并且减小闸墩长度。
2、上、下扉闸门设计
上扉闸门上端导轮支承于主轨上，下卞轮支承在下扉闸门的轨道上，面板设于下游侧，主梁采用实腹工字梁。侧止水采用P型橡塑复合止水， 座在门槽埋件上的不锈钢座板上。上扉闸门不设底水封，但在底部焊不锈钢止水座板，供下扉闸门的上水封使用。在边梁的两端安装反向滑块，控制上、下扉闸门重叠后的反向位移，使闸门在重合时不发生倾斜，且控制闸门与门槽间的间隙，使止水严密。上扉闸门可视为一胸墙，其结构见(图3)，计算时按露顶式平面闸门计算。
图3上扉闸门结构简图
下扉闸门面板设在上游面，主梁采用变截面工字实腹梁。侧止水设在上游面，即前封水，侧止水、顶止水均采用P型橡塑复合止水，侧止水座在门槽埋件上的不锈钢座板上，顶止水座在上扉闸门底部的不锈钢止水座板上，形成连续密封。在下扉闸门的兩纵梁前部，铺设钢制轨道，以供上扉闸门下主轮行走。
闸门上下扉均安装悬臂侧轮，以控制闸门的侧向移动。为减小滚轮的摩擦阻力，各滚轮均使用自润滑轴承。下扉闸门按平面深孔闸门计算，荷载考虑上扉闸门下主轮的压力对纵梁的影响，并对顶梁的变形进行控制，以使止水严密。结构简图见(图4)。
图4下扉闸门结构简图
3、上、下扉闸门的连接设计
由于两节闸门的跨度较大，上扉闸门重量为10吨，下扉为16吨，它们之间的连接串联定位，是十分困难的问题。首先，我们解决的闸门的准确定位问题，只有两节闸门能准确的定位才能有下一步的共同启闭过程。我们考虑使用定位销装置，来解决这个问题。定位销采用锥形销，安装在下扉闸门边梁的上端，定位板安装在上扉闸门上主轮的底板上，当锥形销穿入定位板时，就能调整上扉闸门的位置至设计位置并可靠定位。在计算定位销强度时，要考虑上扉闸门可能下滑引起的剪力。启闭机吊具连接在下扉闸门的吊耳上，启闭力的传递依靠安装在下扉门的顶座和上扉闸门的枕座完成。顶座设在下扉闸门的纵梁端部，为缓冲顶座与枕座接触时的冲击力，其上铺设橡胶板。枕座则用螺栓固定在上扉门上部的纵梁上，与下扉门顶座对齐。
（三）、双扉闸门的安全性荷载计算
由于双扉闸门的结构特别，安全性荷载计算只需要计算下扉闸门的荷载便可满足上扉闸门的安全荷载要求。单孔闸总水压力，分别计算正向和反向挡水情况下的总水压力，用较大的水压力数据作为设计依据。
正向挡水:某河侧挡水位60.25m(正常蓄水位)，相应沂河侧水位54.75m(平闸底板)，水头按5.5米计算
即最大水压力合力作用于闸底板以上5.5-3.7=1.8m处。
式中: γ-水的密度，10kN/m3;HS一上游水头，m;Hc一总水合力P作用点至水面的高度，m;h一闸门高度，m;Bzs一两侧止水间距，m;P一总水压力，kN
（四）、闸基防渗面层的排水
水利水电工程的上游以及下游有非常明显的水位差，从而起到了水压的作用，在一系列的流程进行中可以有效的开展排水的活动。其具体的流程为：上游水渗透进河床中，然后经过闸底板、防渗铺盖和板桩，最后经过消力池的时候，通过反滤层的排水孔顺畅的流进下游地段，有效的排水自然生成。对于地基的渗水方面，最优质的效率是应该以最快的速度排出去，想要速度加快，就要对于防渗止水的设施大量布置在高水位的一侧，具体布置防渗止水的设施可以是板桩、浅齿墙或铺盖，这样的方式可以将底板上游的相关渗透路径有效延长，使得渗透压力在消力池底板上能够压缩减小。同时，滤水层的设置可以有效排水，排渗管可以合理的进行排渗。
结束语
目前在水利工程中，水闸数量已经占到了全部工程数量的80%左右。水利工程中水闸比例较大这种特点主要取决于输水线路较长，沿线与道路交叉复杂，这就决定了水闸在水利工程中的应用比较普遍。水闸是水利水电枢纽水库调节流量、通航、电站运行、供水以及其它控制功能的关键设施。
参考文献
[1] 周忠漠，易杰军，周琪.GPS测量原理与应用[M].北京1999.
[2] 丁爱萍.水闸设计系统的研究及实现[J].大连理工大学：机械工程，2005（01）.
关键词：水利水电；水闸；设计
中图分类号：TV文献标识码： A
水利工程，是用于控制和调配自然界地表水和地下水，达到除害兴利目的而修建的工程，亦称为水工程。水是人类生产和生活必不可少的珍贵资源，但其自然存在的状态并不完全符合人类的需求。只有通过修建水利工程才能控制水流，防止洪涝灾害，进行水量的调节和分配，以满足人民生活和生产对水资源的需要。
20世纪50年代中期，在水利水电工程设计与科研机构中开始设置水工金属结构专业，迄今为止己有近60年历史。随着水工金属结构专业的不断发展，水闸研究也逐渐发展起来。50多年来，从水工闸门和启闭机起步，到船闸、升船机设备以及水封、支承等部件的专业化的发展，逐步锻炼、培养造就出一支门类齐全、朝气蓬勃、锐意进取的设计、科研、制造、安装、运行的专业队伍，以及专业的监理队伍。通过大量不断地实践逐步走向成熟。
一、水闸的选址
水利水电工程中，水闸的选址是极其重要的组成阶段。对于水闸最为合适的选址方向，应该朝着地质相对较好的天然地基为优先选择的选址条件，在选址的过程中一定要全方面的考虑。在一般情况下，对于管理的情况以及使用的要求一定要符合水闸的设置标准，然后对于水闸的水文条件和地质条件要透彻的分析之后，才能够择优选取岩石地基，此处用的岩石地基一定是较为新鲜完整的，如果没有找寻到符合程度的岩石地基的时候，对于透水性小、抗剪强度高、抗渗稳定好、压缩性低以及承载能力大一些的土质地基也可以与之代替使用。
二、水闸的地基处理
（一）、预压的方法
所谓预压就是在原状土上加载，使土中水排出，以实现土的预先固结，减少建筑物地基后期沉降和提高地基承载力。预压的方法具备的优点之处为：荷载持续保持的情况下，体积相对来说会产生非常大的压缩，对于闸基强度有明显的增加长度。例如：黏性的土地基以及淤泥质土都会呈现较好的成效。预压的方法存在的缺点在于：在规定的工期内不能够将施工部分有效完成，一般情况下，在施工的工期相对很紧的时候，是不提倡采用此方式的。因为闸基地下水是与河水紧密相连的，自然就得不到有效的降水，那么在解决问题的过程中，就需要较长的时间。
（二）、换土垫层的方法
换土垫层的方法是比较传统的方式，所以在操作上相对简单些，并且在实践的过程中，一般情况下使用换土垫层的方法时，基本上没有出现过问题。因此，换土垫层的方法一直是首选的地基处理方法。软弱的土层如果<3 m 的情况下，指的是浅层地基，相反，承载力特别高的土层就是下卧层地基
三、双扉钢闸门的结构设计和安全性计算分析
（一）、双扉闸门的现状
目前国内双扉门设计特点为需要两台启闭机，分别控制上、下扉闸门的升降。上、下扉闸门分别在各自独立的门槽内运行，即需要两套门槽结构，两扉间的止水安装在上扉下部的止水梁上。由于需两套启闭机，不仅增加了工作桥的荷载，使工作桥和排架断面加大，同时也使设备费用增加。而且工作桥的布置繁杂、也给操作管理带来不便，见(图1)。
图1普通双扉闸门结构布置简图
（二）、双扉门结构设计
1、闸门门槽设计
确定闸门的门槽型式，是首先要解决的问题。我们考虑用阶梯门槽取代原来的两个门槽将上下扉闸门安装在同一门槽内我们考虑用阶梯门槽取代。下扉闸门的工作主轮和上扉闸门的上工作主轮支撑在同一轨道上上扉闸门的下主轮支撑在安装于下扉门上的轨道上。在闸门处于挡水位置时，上扉闸门座落在阶梯门槽上，这样上下扉闸门完全固定在同一门槽内，保证了闸门的整体稳定。
图2门槽断面图
采用阶梯门槽的闸门布置闸门增加了一对支承部件，降低了每个支承所承受的荷载，可减少支承滚轮的直径和埋件主轨断面尺寸，从而底部门槽的宽度和深度均可减小，有利于改善水流经过该门槽段的流态。去掉一个门槽，能节省埋件材料，并且减小闸墩长度。另外，由于去掉一个门槽，能节省埋件材料，并且减小闸墩长度。
2、上、下扉闸门设计
上扉闸门上端导轮支承于主轨上，下卞轮支承在下扉闸门的轨道上，面板设于下游侧，主梁采用实腹工字梁。侧止水采用P型橡塑复合止水， 座在门槽埋件上的不锈钢座板上。上扉闸门不设底水封，但在底部焊不锈钢止水座板，供下扉闸门的上水封使用。在边梁的两端安装反向滑块，控制上、下扉闸门重叠后的反向位移，使闸门在重合时不发生倾斜，且控制闸门与门槽间的间隙，使止水严密。上扉闸门可视为一胸墙，其结构见(图3)，计算时按露顶式平面闸门计算。
图3上扉闸门结构简图
下扉闸门面板设在上游面，主梁采用变截面工字实腹梁。侧止水设在上游面，即前封水，侧止水、顶止水均采用P型橡塑复合止水，侧止水座在门槽埋件上的不锈钢座板上，顶止水座在上扉闸门底部的不锈钢止水座板上，形成连续密封。在下扉闸门的兩纵梁前部，铺设钢制轨道，以供上扉闸门下主轮行走。
闸门上下扉均安装悬臂侧轮，以控制闸门的侧向移动。为减小滚轮的摩擦阻力，各滚轮均使用自润滑轴承。下扉闸门按平面深孔闸门计算，荷载考虑上扉闸门下主轮的压力对纵梁的影响，并对顶梁的变形进行控制，以使止水严密。结构简图见(图4)。
图4下扉闸门结构简图
3、上、下扉闸门的连接设计
由于两节闸门的跨度较大，上扉闸门重量为10吨，下扉为16吨，它们之间的连接串联定位，是十分困难的问题。首先，我们解决的闸门的准确定位问题，只有两节闸门能准确的定位才能有下一步的共同启闭过程。我们考虑使用定位销装置，来解决这个问题。定位销采用锥形销，安装在下扉闸门边梁的上端，定位板安装在上扉闸门上主轮的底板上，当锥形销穿入定位板时，就能调整上扉闸门的位置至设计位置并可靠定位。在计算定位销强度时，要考虑上扉闸门可能下滑引起的剪力。启闭机吊具连接在下扉闸门的吊耳上，启闭力的传递依靠安装在下扉门的顶座和上扉闸门的枕座完成。顶座设在下扉闸门的纵梁端部，为缓冲顶座与枕座接触时的冲击力，其上铺设橡胶板。枕座则用螺栓固定在上扉门上部的纵梁上，与下扉门顶座对齐。
（三）、双扉闸门的安全性荷载计算
由于双扉闸门的结构特别，安全性荷载计算只需要计算下扉闸门的荷载便可满足上扉闸门的安全荷载要求。单孔闸总水压力，分别计算正向和反向挡水情况下的总水压力，用较大的水压力数据作为设计依据。
正向挡水:某河侧挡水位60.25m(正常蓄水位)，相应沂河侧水位54.75m(平闸底板)，水头按5.5米计算
即最大水压力合力作用于闸底板以上5.5-3.7=1.8m处。
式中: γ-水的密度，10kN/m3;HS一上游水头，m;Hc一总水合力P作用点至水面的高度，m;h一闸门高度，m;Bzs一两侧止水间距，m;P一总水压力，kN
（四）、闸基防渗面层的排水
水利水电工程的上游以及下游有非常明显的水位差，从而起到了水压的作用，在一系列的流程进行中可以有效的开展排水的活动。其具体的流程为：上游水渗透进河床中，然后经过闸底板、防渗铺盖和板桩，最后经过消力池的时候，通过反滤层的排水孔顺畅的流进下游地段，有效的排水自然生成。对于地基的渗水方面，最优质的效率是应该以最快的速度排出去，想要速度加快，就要对于防渗止水的设施大量布置在高水位的一侧，具体布置防渗止水的设施可以是板桩、浅齿墙或铺盖，这样的方式可以将底板上游的相关渗透路径有效延长，使得渗透压力在消力池底板上能够压缩减小。同时，滤水层的设置可以有效排水，排渗管可以合理的进行排渗。
结束语
目前在水利工程中，水闸数量已经占到了全部工程数量的80%左右。水利工程中水闸比例较大这种特点主要取决于输水线路较长，沿线与道路交叉复杂，这就决定了水闸在水利工程中的应用比较普遍。水闸是水利水电枢纽水库调节流量、通航、电站运行、供水以及其它控制功能的关键设施。
参考文献
[1] 周忠漠，易杰军，周琪.GPS测量原理与应用[M].北京1999.
[2] 丁爱萍.水闸设计系统的研究及实现[J].大连理工大学：机械工程，2005（01）.