大型水工钢闸门的研究进展及发展趋势

图 2 平面闸门门叶结构示意图 Fig. 2 Schematic of plane gate structure
王正中，等：大型水工钢闸门的研究进展及发展趋势
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18 世纪 80 年代第一座船闸在美国 Little Falls
运河建成，而最早为人熟知的弧形闸门是 19 世纪 30 年代坐落于巴黎塞纳河上的四扇 8.75×1.0（宽× 高，m）钢闸门。美国在 1810 年制造了三曲杆式 的木质弧形闸门，并安装有驱动链控制闸门的启闭， 德国在 1895 年前后使用了一扇 12.0×1.87（宽×高， m）的弧形闸门，同期在美国出版了专门描述密西 西比河上弧形闸门使用情况的文献。此后钢闸门进 入了快速发展和广泛应用的阶段，出现了形式多样 的各类闸门，如双拱形空间网架平面钢闸门、大宽 高比的弧形闸门、立轴旋转闸门、大跨度底轴驱动 翻板闸门、荷兰三角洲管桁式挡潮闸门和浙江奉化 象山港铸钢节点船闸等。
Abstract: Along with the development in construction of high dams and large reservoirs, large scale and light weight hydraulic steel gates with increasingly larger sizes, higher working heads and greater discharging capacity have been adopted in water conservancy and hydropower engineering. The safety and flexible operation of hydraulic steel gates become crucial to the security of the dams and the downstream people's life and property. This paper summarizes and discusses the developing trends and the main problems to be studied through a comprehensive analysis on the advances and achievements in the research of large hydraulic steel gates. We found out that the research focuses on the following key problems: reasonable layout of the space frame structures of large radial gates under comprehensive conditions; optimization design methods based on the reliability of space structure systems; calculation theories and methods of deep beams, thick plates and other rigid frame structures; dynamic stability and vibration control of radial gate space frames under flow induced vibrations; failure mechanism of low temperature and low cycle fatigue under cold environment; innovation in light stable bionic tree structures of hydraulic steel gates; optimization of the structures and hydraulic characteristics of super-sized steel gates for ecological landscape; life cycle safety intelligent monitoring and diagnosis of hydraulic steel gates; development and application of super steel material, glue-welding and other new technologies. Keywords: hydraulic steel gate; layout optimization; design method; dynamic stability; low temperature and low cycle fatigue; dendritic arm; developing trend
75350 84530 102200 106300 110000
32560
闸门型式 弧形闸门 平面链轮 弧形闸门
平面链轮 平面定轮 弧形闸门 平面滑动 弧形闸门
平面定轮
平面定轮 平面定轮 弧形闸门 平面链轮 弧形闸门
附环闸门
图 1 弧形闸门门叶结构示意图 Fig. 1 Schematic of radial gate structure
优化设计方法，大型钢闸门的深梁、厚板、大刚度框架结构计算理论与方法，流激振动作用下弧门空间框架动力
稳定及振动控制，严寒环境下钢闸门低温低周疲劳破坏机理，轻型稳定仿生树状水工钢闸门的结构创新，生态景
观特型钢闸门结构及其水力特性优化，全生命周期的水工钢闸门安全诊断与智能监测，超强钢材料及新胶焊连接
等关键科技问题开展研究。
法国
事故闸门
6.2×11.0—124.0
中国 中国
事故闸门 工作闸门 事故闸门 工作闸门
4.0×9.0—132.0 4.0×6.0—132.0 5.0×12.0—133.0 5.0×6.0—133.0
巴西、巴拉圭 工作闸门
6.7×22.0—140.0
巴基斯坦 中国 中国
工作闸门 事故闸门 工作闸门 事故闸门 工作闸门
闸门中最常用的是弧形闸门、平面闸门及人字 闸门。弧形闸门具有前后水流平顺、过水条件好和 启闭灵活等优点，平面闸门具有结构简单，制造、 安装和运输比较简便等优点，都广泛应用于泄水建 筑物中，其门叶结构示意图如图 1 和图 2 所示。
序号 1 2 3 4
5 6 7 8
9 10
工程名称 鹿特丹新水道 天生桥一级 Serre Poncon
702 t 的溪洛渡弧形闸门，最高水头 181 m 的 Inguri
弧形闸门，最大跨度 360 m 的鹿特丹新水道挡潮 闸门。表 1 给出了世界大型及高水头闸门的基本 情况。
钢闸门是水工枢纽的重要构成部分，在水工建 筑物总造价中一般占 10% ~ 30%，在江河治理工程 上甚至达到 50%以上[3]，其在很大程度上决定了整 个水利枢纽和下游人民生命财产的安全。
拉西瓦
锦屏一级 Itaipu Tarbela 水布垭
小湾 Inguri
表 1 大型及高水头闸门基本情况统计表 Table 1 Statistics of large size and high head gates
国家
闸门名称 孔口尺寸（宽×高—水头）/m
荷兰 中国
挡潮闸 事故闸门 工作闸门
360.0×22.0—17.0 6.8×9.0—120.0 6.4×7.5—120.0
从安全灵活运行出发确保钢闸门的轻型和稳 定始终是研究者所追求的目标。新材料、新结构及 新技术的层出不穷，为解决闸门设计制造及运行中 的不少难题提供了思路，但不少老问题尚未彻底解 决，且随着高坝大库和生态水利的不断发展，新的 难题也不断涌现。如因启闭机容量限制要求大型闸 门的轻型化，高强钢的应用和管桁式结构创新虽可 实现水工钢闸门的轻型化，但易强化钢结构的局部 及整体稳定问题，这又促使金属发泡内填充承压结 构研究；同时，管桁式仿生结构复杂的节点构造进 一步促进了铸钢节点及胶焊新技术在闸门中应用 的研究等等一系列新进展和新挑战。就目前来看， 大型水工钢闸门研究主要围绕以下九个关键科技 问题开展：典型工况下大型弧门空间框架结构的合 理布置，基于空间结构体系可靠度的结构优化设计 方法，大型钢闸门的深梁、厚板、大刚度框架结构 计算理论与方法，流激振动荷载作用下弧门空间框 架动力稳定及振动控制，严寒环境下钢闸门低温低 周疲劳破坏机理，轻型稳定仿生树状水工钢闸门结 构创新，生态景观特型钢闸门结构及水力优化，全 生命周期的水工钢闸门安全诊断与智能监测，超 强钢材料、铸钢节点及胶焊连接等新技术的开发 应用等。
4.1×13.7—141.0 5.0×11.0—152.0 6.0×7.0—154.0 5.0×12.0—160.0 5.0×7.0—163.0
格鲁吉亚
泄洪底孔
φ4.35—181.0
总水推力/kN 700000 73540 87350
84300 48694 46096 87200 52120
190150
WANG Zhengzhong1, ZHANG Xuecai1, LIU Jiliang2
(1. Arid & Cold Regions Water Engineering Safety Research Center, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100; 2. Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering, Xi'an University of technology, Xi'an 710048 )
关键词：水工钢闸门；优化布置；设计方法；动力稳定；低温低周疲劳；树状支臂；发展趋势
中图分类号：TV663
文献标识码：A
DOI: 10.11660/slfdxb.20171001
Advances and developing trends in research of large hydraulic steel gates
水力发电学报 2017 年第 36 卷第 10 期: 1-18 Journal of Hydroelectric Engineering, 2017, Vol. 36, No. 10: 1-18
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大型水工钢闸门的研究进展及发展趋势
王正中 1，张雪才 1，刘计良 2
（1. 西北农林科技大学 旱区寒区水工程安全研究中心，陕西 杨凌 712100；2. 西安理工大学 水利水电学院，西安 710048）
1 典型工况下水工闸门结构的合理 布置
摘 要：随着国内外高坝大库的建设与发展，作为水利水电工程泄水建筑物调节咽喉的水工钢闸门正向着高水头、
大孔口、大泄量的大型化和轻型化方向发展，其安全灵活地运行决定着整个枢纽工程和下游人民生命财产的安全。
在全面分析国内外水工钢闸门研究进展及取得成果的基础上，指出了有待研究的主要问题及今后的发展方向。大
型水工钢闸门研究中主要围绕：典型工况下大型弧门空间框架结构的合理布置，基于空间结构体系可靠度的结构
收稿日期：2017-09-03
接受日期：2017-10-18
基金项目：国家自然科学基金(51179164); 国家科技支撑计划(2012BAD10B02)
作者简介：王正中(1963—), 男, 教授. E-mail: wangzhengzhong@nwsuaf.edu.cn
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水力发电学报
0 引言
随着水利水电事业的快速发展，至 2012 年底 我国已建各种水库 9.8 万余座，总库容 8.166×1011 m3，已建或在建 200 m 以上的超高坝达 20 多座， 其中超 300 m 级的大坝已非常多见，我国已成为 全球水库大坝最多的国家[1]。高坝大库的不断兴建 和金属结构制造水平的不断提高，促使水工闸门向 着高水头、大孔口、大泄量的方向发展。闸门承受 的荷载及自重越来越大，如：世界最大孔口尺寸 63× 17.5（m2）的 Bureya 水电站弧门[2]，最大自重