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1第七章闸门、阀门及其启闭机械第一节闸阀门的组成与选型布置闸门和阀门是是封闭闸首通航孔口和输水廊道的挡水设施。启闭机械是用于操纵闸门和阀门的驱动设备。一、闸、阀门的组成闸、阀门一般由活动的门叶（扇）结构、埋固构件和启闭机械三部分组成1.门叶结构门叶结构是用来封闭和开启闸首通航孔口或输水廊道的活动挡水结构。由梁格及面板等构成的承重结构体系、行走支承、止水部分和吊点（或油缸座）等组成。2.埋固构件闸、阀门的埋固构件一般包括行走支承的轨道、侧轮和反轮的轨道、止水埋件、门槽的护角、护面和底槛、人字门或三角门顶、底枢座和枕垫座等的支承埋件等。3.闸、阀门的启闭机械常用的闸、阀门启闭机有液压式、卷扬式和螺杆式三种。二、闸、阀门的类型闸、阀门的类型较多，一般可按其工作性质、门扇启闭方式、门扇结构形式和构造特征等加以分类。1.按工作性质分，船闸闸门可分为工作闸门、事故闸门和检修闸门；阀门可分为工作阀门和检修阀门。2.按门叶（扇）启闭方式分，闸、阀门可分为直线移动式和绕轴转动式。3.按门叶（扇）结构形式和构造特征可分为1)平面形钢闸门系指挡水面板形状为平面的一类闸门。根据门叶结构的运移方式又可分为：直升（降）式平面闸门；横拉式平面闸门；升卧式平面闸门；绕竖轴转动的平面闸门如人字门和一字门等。2）弧形钢闸门系指挡水面板形状为弧形的一类钢闸门。又可分为绕水平轴转动的弧形闸门（如正向弧形闸门、反向弧形闸门及下沉式弧形闸门）和绕竖轴转动的立轴式弧形闸门（如船闸三角门，其面板分为弧形和平面形两种）等。2三、闸、阀门的布置及选型1.闸、阀门的布置船闸在闸首设有工作闸门，在输水廊道设有工作阀门。闸、阀门布置时，应充分注意附近的水流条件。输水廊道的阀门，不应设在廊道的弯段上。阀门距转弯点距离的确定，应保证阀门门前水流平顺，避免使阀门超载、振动、气蚀等问题发生。在船闸及其设备检修时，为了检修期临时挡水，必须设置检修闸门和检修阀门。检修闸门的门槽设在上闸首闸门的上游、下闸首闸门的下游。检修阀门的门槽一般设在每一工作阀门的上、下游。对于重要水利枢纽上的船闸，当工作闸门失事时，造成航运中断、水库失调或对建筑物及下游可能造成严重经济损失，经过充分论证，可考虑设置能在动水中切断水流的事故闸门。如在葛洲坝和三峡工程的船闸中，设置了事故闸门。闸门布置不能影响船闸有效通航尺寸。在闸、阀门的设计中也应该包括与其正常工作所必须的附属设备，如工作桥、爬梯、通道、护舷、缓冲设备、限位装置和阀门的平压设备等。对于长廊道输水系统的船闸，应在廊道进口处设置拦污栅，防止污物进入输水系统，堵塞廊道，影响输水系统。另外，船闸还应设置存放或维修检修闸、阀门及其他设备的固定场所。2.闸、阀门门型选择船闸的工作闸门，在船闸正常运用情况下用来封闭通航孔口，调整水位落差，保证船舶安全进出闸室。除兼作输水用的闸门外，一般都是在无压的静水中启闭。在通航期大部分时间中，闸门是在不间断地运转着，每天开关达几十次。工作闸门操作的简便与启闭的迅速将直接影响船闸的通过能力。闸门的许多重要部件均位于水下，一旦发生故障，常需将闸室或闸首中水抽干修理，从而造成断航，因此应特别注意其运转的可靠性。在工作闸门设计时，应满足其在使用、结构和经济上的要求。在使用上，应满足启闭迅速、止水可靠、检修方便、闸门开启后具有足够的通航净空和水下航道尺寸等要求。闸门门叶结构应具有足够的强度和刚度，在静水压力、动水压力、自重、气温变化、闸门启闭的曳引力、船舶及漂浮物的撞击力、门顶上的活荷载、闸首底板和支座沉陷等3作用下，闸门能够保持正常工作状态，不致发生不容许的变形。为了保证闸门工作的可靠性，必要时应增设保安装置等辅助设备。在经济方面，应将闸门、闸首和输水系统三者综合考虑。在满足使用要求的前提下，总的工程量要小，构造简单，并应尽量减轻门重和埋设铸件的重量，以节省材料，减小启闭力，从而降低启闭机械的造价。此外，闸门还应便于制造，安装和检修。目前，国内大、中型船闸中常用的闸门有人字闸门、横拉闸门、三角闸门和升降式平板闸门等；常用的阀门主要有平面阀门和反向弧形阀门等。下面主要结合上述常用的闸、阀门结构型式进行简单介绍。1）人字闸门（图7-1)人字闸门由两扇绕垂直轴转动的门叶组成。关门时，两扇门叶互相支承在彼此的斜接柱上，构成三铰拱以封闭通航孔口。开启后，两扇门叶分别隐藏在闸首边墩的门龛内。人字闸门能封闭高而宽的孔口、由于是以三铰拱的作用来承受水压力，因而可以减小闸门的厚度，降低造价和减轻闸门自重。在高水头，大跨度的船闸中，上述优点尤其显著。启闭时，两扇门叶分别绕垂直轴旋转，启闭迅速，启闭力较小，操作简便。人字闸门一般不能承受反向水压力，即使很小的水头，也会使闸门骤然打开而发生事故，因而需要设保安装置。人字闸门也不能在有水压情况下启闭。此外，闸门水下支承部分易于损坏，检修困难。闸门的制造安装精度要求较高。止水线长，门底止水又是折线，止水效能差，易于漏水。这些都是它的缺点。人字闸门在船闸中得到最广泛的应用，在静水条件下启闭的工作闸门，美国约有90%以上的船闸工作闸门采用了人字闸门，前苏联的船闸规范认为口门宽度在30米以内，采用人字闸门是经济可靠的。在我国船闸设计中人字门也是最普遍采用的工作闸门门型之一，承受单向水头在静水条件下启闭的工作闸门，特别是中、高水头下工作的闸门宜选用人字闸门。41-开门位置；2-关门位置1-闸门；2-门库；3-顶轮小车；4-变向滑轮图7-1人字闸门图7-2横拉闸门2）横拉闸门横拉闸门是沿水平方向移动的闸门（图7-2)，在开门时，闸门横向移入闸首一侧的门库中。其主要优点是：能承受双向水头，启门力较小。缺点是闸门的水下滚轮工作不可靠，常易发生故障，检修不便。必须设置门库，门库约占整个闸首工程量的1/3左右，使闸首工程量增大。同时由于设置门库，闸首平面布置因而不对称，也使闸首结构以及底板受力情况复杂化。此外，闸门门叶的厚度通常不是由经济梁高决定，而是由横向倾覆稳定决定，致使闸门厚度较大。横拉闸门适用于门宽较大的船闸上，但也可用于有泄洪要求的山区小型船闸上。承受双向水头在静水条件下启闭的闸门宜选用横拉闸门。3）三角闸门（图7-3）这种闸门是由两扇绕垂直轴转动的竖向弧形门扇组成，向下俯视、犹如扇面，故称为扇形闸门。在有的船闸上，为了加工制造方便，将挡水面板做成平面，又称三角闸门。三角闸门所受的水压力的合力，原则上通过旋转轴中心，因而启门力较小，可以在有水压的情况下启闭，能够承受双向水头，还可以利用闸门本身进行输水。所以常用在感潮河段的船闸上，利用平潮开通闸来提高船闸的通过能力。作为长江下游地区的江苏长江沿岸附近的船闸中经常用到三角闸门。由于三角闸门可以在动水中启闭，所以可以兼做事故闸门，也可以用在利用船闸泄洪的情况。三角闸门的主要缺点是闸门所占的空间比较大，而使闸首结构庞大，布置复杂；闸门门扇结构及支承部件的材料用量较多，工程造价较高；闸门的止水不易严密，容易漏5水，有时因门底漏水而引起闸门振动。闸门的安装也较困难。承受双向水头在动水条件下启闭或在局部开启条件下输水的工作闸门宜选用三角闸门。1-闸门；2-支铰图7-3三角闸门4）升降式平板闸门升降式平板闸门的结构和启闭方式简单、安全、可靠。能承受双向水头，在水压力作用下，能将闸门逐渐缓慢提升进行门下输水，从而可省去其它的输水设备。由于门槽长度较小，所以闸首长度可缩至很短，因而减少了闸首的工程量（图7-4)。闸门安装方便，可提出于水面以上，便于检修。此外，闸首的沉陷和变形对它的影响较小。平板闸门开启后限制了通航净空。同时，为了开启闸门，需要建筑高大的起重门架，因而增加了闸门的支承导向装置的工程量。为了避免闸门发生突然下降，引起闸门冲击水流或碰撞经过门下的过闸船舶，必须设置锁定装置；为了避免船舶通过门下时，门上水流下落，闸门上需设置排水装置，这样就使闸门增添了复杂的辅助装置。此外，由于启闭力较大，启闭机械也较笨重。如果设置平衡重，可减少启闭力，但却须增加装置。上升式平板闸门适用于水头很大的下闸首、特别适用于井式船闸和升船机中。因为在这些场合下，易于满足通航净空的要求。如果门高及要求的通航净空不大时，在一般船闸的闸首上也可采用上升式平板闸门。61一滑轮，2一平衡重；3钢架；4一钢丝绳；5一间门的门扇，6一启闭机械，7一闸门上的滑轮图7-4升降式平板闸门5）平面阀门（也称为垂直提升阀门）在国内已建船闸中，廊道输水系统的灌、泄水，一般采用平面阀门（如图7-5）。它具有结构简单、门体刚度大、制造、安装和检修方便等优点。平面阀门的结构设计与升降式平板闸门相同，可参照升降式平板闸门的设计原则进行结构设计。但是，由于平面阀门需经常在动水条件下进行启闭，因此，其在设计上与升降式闸门又有不同之处，主要表现在底缘形状和止水线的位置、门槽尺寸确定、门井布置和如何设法避免廊道顶出现负压等问题上。在实践上，上述问题往往需要通过大量的水力计算和模型试验研究才能得到合理的解决。在我国平面阀门的设计和使用，已有多年实践经验，且应用较为广泛，一般适宜用于10米以下的低水头的船闸。如对门槽产生的气蚀能采取有效的措施，也能用于10~20米左右的中水头船闸。7图7-5平面阀门图7-6反向弧形阀门6）反向弧形阀门（图7-6）反向弧形阀门，是将枢轴布置在阀门面板的上游，阀门面板的凸面面向下游，止水线布置在阀门井的下游出口，使门井处于上游水位，可阻止灌水时空气由门井进入廊道。与平面阀门相比，反向弧形阀门需要的启闭力较小，由于门井处于上游水位，有利于防止水流掺气，阀门不需要设置门槽，可避免平面阀门因设置门槽而引起的门槽气蚀问题，多用于10~20米以上的中、高水头船闸。该类阀门在美国的船闸中应用十分普遍。第二节闸阀门的构造与启闭机械一、船闸闸门的构造和结构布置1.人字闸门的构造和结构布置人字钢闸门一般由以下几部分组成，如图7-7。1).门叶结构：是由面板、主梁、次梁、门轴柱、斜接柱及门背联结系等构成的板、梁、杆组合钢结构承重骨架。2).支承部分：包括支垫座、枕垫座、顶枢和底枢以及辅助支承设备如导柄和保安支垫。3).止水设备：根据其所在位置不同可分为斜接柱止水——即两扇闸门之间的门缝8止水；门轴柱止水，亦称门侧止水——即门轴与闸首墙之间的止水；底部止水——即闸门与门槛间的止水。4).工作桥：为便于管理人员的工作和通行而设置的人行便桥。1-主横梁；2-斜接柱；3-门轴柱；4-次梁；5-对角斜撑；6-节点板；7-面板；7-底枢；9-顶枢；10-支垫座；11-枕垫座图7-7人字闸门构造图根据人字闸门门扇结构的平面形状，可以分为平面人字闸门和拱形人字闸门。在平面人字闸门中，门扇结构成平面形式，其主横梁受轴向力和弯矩的共同作用。在拱形人字闸门中，门扇结构成圆拱形，其门扇轴线和三铰拱的压力轴线相重合，主横梁只承受轴向压力，故材料较为节省。但拱形人字闸门制作安装均较复杂，门龛深度较大，目前应用较少。根据门扇结构梁格布置方式不同，平面人字闸门又可分为横梁式和立柱式。在横梁式人字闸门（图7-7a）中，水平的主横梁是它的主要承重构件，在主横梁间布置竖立次梁。水压力由面板和次梁传给主横梁，然后再由主横梁通过斜接柱和门轴柱上的支垫座和枕垫座形成三铰拱而传至闸首边墩。当闸门高度较大时，一般多采用横梁式。在立柱式人字闸门（图7-7b)中，以竖直的主梁（简称立柱）来代替横梁式人字闸门中的主横梁作为它的主要承重构件，在立柱之间布置竖立次梁和水平次梁，立柱两端和顶、底横梁相连。水压力由面板、次梁、立柱传至顶、底横梁。底横梁所承受的荷载9直接传至闸首门槛，顶横梁所承受的荷载通过三铰拱的作用而传至闸首边墩。立柱式人字闸门主要用于门宽比门高大的情况。a)横梁式b)立柱式1-竖立次梁；2-水平次梁；3-斜接柱；4-门轴柱；5-底横梁；6-顶横梁；7-立柱图7-8人字闸门的梁格布置2.横拉闸门的构造和结构布置横拉闸门或简称横拉门，是一种沿着垂直于船闸轴线方向移动的单扇平板门，它的门叶结构与一般的多横梁式平板闸门相同；如图7-9所示。1-主横梁；2-次梁；3-竖立桁架；4-端