输水工作阀门及其启闭设备

3.5.2.1 阀门及其启闭机型式

（1）输水阀门运行方式。输水工作阀门是船闸输水系统充、泄水的控制设备，工作阀门一般对称布置于船闸闸首两侧输水廊道中。工作阀门需在动水情况下频繁启闭，实现船闸的充、泄水，使船只安全、顺利通过船闸。

船闸工作阀门在动水开启和关闭过程中，水动力学条件复杂，在廊道及阀门的局部可能产生空化，引起阀门空蚀及启闭机系统的振动，对船闸的安全运行产生不利的影响。因此，对阀门门型、门体结构、门楣形式以及启闭机系统等，必须进行综合的研究分析，选择合理的型式，避免或减小廊道及阀门在阀门启闭过程中发生空化，确保船闸输水系统的安全运行。

船闸工作阀门的运行方式一般为：

1）动水开门，对闸室进行充、泄水。

2）在低水头情况下动水闭门，控制充、泄水流量，防止超灌、超泄。

3）事故情况下动水闭门。

4）多级船闸还需根据船闸不同的水级划分方式，动水启闭阀门对需要补水或溢水的闸室进行补、溢水。

（2）工作阀门的型式。根据船闸的规模、输水系统的型式，工作水头、阀门淹没水深以及要求的输水时间等因素，可选用不同型式。

平面阀门作为船闸输水工作阀门，具有结构简单、制造容易、运行操作与检修维护方便等特点，因此，通常在国内外的低水头船闸中被广泛采用。低水头船闸由于工作水头小，阀门充泄水时，廊道水流流速低，即使平板阀门的门槽，使水流流态变得紊乱，也不致在廊道中发生严重的空化、空蚀以及阀门振动等水动力学问题。

弧形门作为船闸输水工作阀门在国内外中高水头船闸中被广泛采用。弧形门作为船闸输水工作阀门有正向弧形门和反向弧形门两种。

正向弧形门具有过流条件好、廊道内无门槽、操作灵便等特点，早期在中、低水头船闸中曾被采用。但采用正向弧形闸门时，如阀门布置高程较高，门顶无足够的淹没水深，门井水位往往因阀门开启充泄水而大幅度跌落，致使空气从门井中卷入廊道，大量气体从闸室底板溢出，可能导致闸室内水流紊乱，危及闸室内船舶停泊安全。因此，近年来正向弧形闸门在国内外工程中都无新的应用实例。但正向弧形闸门作为船闸输水工作阀门，只要阀门的布置高程较低，门顶有足够的淹没水深，能保证空气不从阀门井中卷入廊道，这种阀门型式仍是输水工作阀门型式比选的一种较好方案。

反向弧形门同样具有廊道内无门槽、操作灵便等特点。过流条件介于平板门和正向弧形门之间。从应用结果看，反向弧形门存在门井水流流态复杂，旋滚水流直接冲击吊杆，门体结构受动水作用和干扰，同时为了满足阀门的淹没深度须增大工程量等不利因素。

在实际工程中，高水头船闸由于工作水头大、充泄水水流流速高、水动力学复杂，平面阀门需要布置有门槽，而门槽使水流流态更紊乱，常常在廊道中产生空化、气蚀和引起阀门振动，已无法保证船闸廊道和阀门的安全运行；从已建船闸的实际运行情况和大量实验结果表明，采用反向弧形门作为工作阀门，在防止廊道和阀门产生空蚀方面有较好的效果和丰富的实践经验，可以保证船闸廊道和阀门的安全运行，因此，无门槽的反向弧形门在高水头船闸中被广泛采用。布置见图3-82。正向弧形门在具备能保证阀门有足够淹没水深的条件下，由于其具有较反向弧形门更好的过流条件，条件许可时，应与反向弧形门一样，对其进行比较论证。

图3-82 反向弧形门布置纵剖面图

JTJ308—2003《船闸闸阀门设计规范》中规定：中低水头的船闸可选用平面阀门或反向弧形门，中高水头宜选用反向弧形门。

船闸输水廊道的弧形工作阀门及其启闭机，虽然工作水头和孔口尺寸没有一般泄洪弧形门大，但启闭运行远较泄洪闸门频繁，廊道水力学问题极其复杂。不同的门体结构型式和细部处理，特别是一些对水力学有较大影响的细部结构，如处理不当，有可能在廊道中产生空化、空蚀，引起工作阀门振动等问题。因此，廊道水力学及阀门振动是反向弧形门设计需解决的首要问题。

（3）阀门启闭机的型式。在低水头船闸用平面阀门作为输水工作阀门时，一般可采用固定卷扬式或螺杆式启闭机，这些启闭机具有设备简单、制造容易、运行操作与检修方便等特点。低水头船闸由于工作水头小，阀门充泄水时，廊道水流流速低，即使阀门门槽使水流流态变得紊乱，也不致在廊道中发生严重影响船闸运行的空化气蚀和阀门振动等水动力学问题。但一定要注意保证平面阀门有足够的重量，使钢丝绳或螺杆始终处于受拉状态，避免阀门及启闭机系统产生有害振动。卷扬式启闭机的布置，主要包括选定卷扬机的位置和在阀门井顶部布置导向滑轮等，螺杆式启闭机一般直接布置在阀门顶部，设计工作比较简单。对中高水头的船闸，无论输水工作阀门是平面阀门还是反向（或正向）弧形门，一般均采用液压启闭机加吊杆进行操作。采用这种启闭机，除了具有设备简单、运行操作与检修方便等特点外，在必要时可施加一定的下压力，作为减小或避免阀门及启闭机系统产生有害振动的一种措施。阀门的液压启闭机，一般有水上和水下两种布置。水上布置有利油缸和电气设备的维护保养，提高操作的可靠性，但增加吊杆和导向滑槽及导向卡箍；水下布置油缸直接连接阀门，布置简单，但油缸活塞杆在阀门井中易受水的浸泡和泥沙冲刷而损坏，维护保养困难。考虑上述因素一般采用水上布置。液压启闭机为双作用单活塞杆型式，油缸采用缸体中部耳轴支承方式，支承轴采用滑动球面轴承，以减少安装误差对支承轴受力的影响，通过油缸上的支承轴及轴承座与两侧机架连接，机架通过底脚螺栓固定在混凝土埋件上。

3.5.2.2 阀门设计

（1）设计荷载系数的确定。船闸输水廊道工作阀门设计荷载系数的大小，应根据阀门、廊道型式和设计经验确定。如系数取值过大，虽然安全，但不经济；过小则不安全。平面阀门一般用于中、低水头船闸，水动力学的作用较小，压力系数和动力系数可取中间值或小值。反向弧形门一般用于中高水头船闸，水动力学的作用较大，其压力系数和动力系数一般取较大值。

JTJ261—266《船闸设计规范》中规定：在没有实验资料的情况下，工作阀门的设计动水荷载取设计静水荷载乘以压力系数和动力系数：当船闸无动水关闭阀门要求时，压力系数对长廊道可采用1.2～1.3，短廊道可采用1.1～1.2；当船闸有动水关闭阀门要求时，压力系数对长廊道可采用1.4～1.6，短廊道可采用1.15～1.25。动力系数根据水流情况、阀门型式和不同部件取1.0～1.2。相应于静水荷载的倍数，长廊道为1.40～1.92，短廊道为1.15～1.50。葛洲坝1 号、2号、3 号船闸工作阀门的设计动水荷载，取静水荷载的倍数为2.0，三峡船闸工作阀门模型试验的最大动水荷载对静水荷载的倍数为1.64，设计动水荷载取静水荷载的倍数为1.8。美国有关船闸的手册中也建议工作阀门的设计动水荷载，取静水荷载倍数为2.0。

（2）门体设计。平面工作阀门的工作水头小，水力学问题简单，门体设计与一般需动水启闭的平面阀门设计相同。门体结构可采用铸造、焊接等型式。

反向弧形门的设计不同于其他用途的弧形门，由于其廊道水力学问题极其复杂，因此，廊道水力学及阀门振动是反向弧形门设计研究的首要问题，必须综合分析各种因素，必要时通过模型试验研究比较，确定工作阀门的结构型式。

反向弧形门有竖梁式、横梁式、横梁全包式等门型。通过对竖梁式、横梁式、横梁全包式3 种门型实际应用和水力学模型试验的资料分析表明：竖梁式反向弧形门的廊道水力学条件好，但阀门结构的抗振性差；横梁全包式反向弧形门的廊道水力学较差，但阀门结构的抗振性好；横梁式反向弧形门的廊道水力学比竖梁式反向弧形门的差、比横梁全包式反向弧形门的好，但阀门结构的抗振性比竖梁式反向弧形门的好、比横梁全包式反向弧形门的差。由于阀门的振动影响阀门止水效果及启闭设备的正常工作，一般选用阀门整体刚度较大，抗振性较好的横梁全包式反向弧形门。如葛洲坝1 号、2 号、3 号船闸，万安船闸，三峡船闸等的工作阀门，均采用此种门型。

横梁全包式反向弧形门由上游导水护板、下游面板、主横梁、次梁、支铰梁、支臂等组成，见图3-83。门叶、支臂、支铰梁以及各部位的包护板连成整体，形成闭合框架，保证门体的刚度。设计时应按平面框架结构对阀门的主要受力构件，进行强度及刚度计算。反向弧形门结构尺寸，根据廊道孔口大小、廊道水流流态等确定，支铰中心应布置于充泄水时支铰和支铰梁都不受水流直接冲击的高程上，与廊道底面的距离一般为1.1～1.3 倍阀门处的廊道高度；面板曲率半径与阀门处廊道高度的比值可取为1.3～1.6。同时，还应考虑弧门面板与廊道底面的夹角不宜太小，以30°为宜。如三峡船闸第一和第六闸首的工作阀门，孔口尺寸为4.5m×5.5m，支铰中心距廊道底面6.4m，面板曲率半径为8.2m，面板与廊道底面的夹角为29°。(www.xing528.com)

图3-83 横梁全包式反向弧形门

（a）侧视图；（b）顶视图

（3）止水设计。船闸充泄水阀门的止水，不管是顶止水、侧止水还是底止水，一般均采用橡皮水封。由于工作阀门运行频繁，止水极易损坏，而阀门一般位于几十米深的阀门井内，不易检查，检修、更换困难。且止水局部破坏后，发生射流，会发展成较大范围的撕裂，引起阀门振动，加快止水的破坏。设计时应考虑采取必要的措施，延长止水的使用寿命，如挑选橡皮水封的型式、提高橡皮水封的抗拉强度以及采用刚性水封等。葛洲坝3座船闸阀门的顶、侧止水，采用P型橡皮水封，底止水为刀口型橡皮水封；三峡船闸阀门的顶止水和侧止水均采用P 型橡皮止水，底止水采用刚性止水。

刚性止水抗冲耐磨，不易损坏，在水工闸门中常被采用，为便于安装，在底坎埋件上填巴氏合金等硬度较小、易修磨的材料，但是高水头船闸廊道水流流速高，巴氏合金抗冲耐磨性能较差，不适用于高水头、大流速的部位，而采用钢对钢的刚性止水，止水及止水面均为钢板，抗冲耐磨性能较好，不易损坏。三峡船闸阀门的底止水采用不锈钢刚性止水，这种止水要求的安装精度高，现场修磨工作量较大。

（4）门楣体型。船闸输水廊道工作阀门的门楣体型，对输水廊道工作阀门水力学特性有着非常重要和敏感的影响。阀门面板与门楣形成的缝隙形状犹如文杜里管，而作用水头接近于上、下游水位差，缝隙水流流速极高，能量较大，极易发生空化，是阀门的一个重要的激振源。且紧贴面板，直接影响阀门的正常工作。根据门楣与阀门面板构成的几何形状，可将门楣体型分为：

1）扩散型。α＜0°，最小间隙位于缝隙进口。

2）基本平行型。α＝0°，缝隙间隙变化不大。

3）收缩型。α＞0°，最小间隙位于缝隙出口。

另外，缝隙直线段前的进口斜段及门楣出口衔接段也在一定程度上影响门楣的空化特性。

高水头船闸的门楣型式和尺寸，一般需根据模型试验确定。通过对模型试验成果分析表明：在相同进出口布置型式及同一最小间隙下，通过改变缝隙直线段倾斜角进行不同门楣体型空化试验，各种体型的空化均发生于最小断面处，扩散型为边界层剪切空化，收缩型及平行型为射流空化。平行型抗空化性能最佳，收缩型次之，收缩角越小，抗空化性能越佳，扩散型则较易发生空化。但扩散型过流能力最强，收缩型次之，平行型较低。

尽管平行型和收缩型门楣体形具有较佳的抗空化性能，但由于施工、安装的精度，很难保证其体型尺度，门楣缝隙处高速水流将是十分危险的潜在空化源。扩散型门楣体型由于水流较易在缝隙段产生负压区，过流能力强，缝隙流速大，通气条件较易得到满足。因此，采用何种门楣型式，需根据模型试验的成果，以及是否在门楣处通气等因素确定。如设置门楣通气，一般采用扩散型门楣，如葛洲坝1号船闸的门楣、三峡船闸的门楣均采用了扩散型门楣；否则可采用平行型和收缩型门楣，如葛洲坝2号船闸的门楣采用了收缩型门楣。

针对高水头船闸阀门门楣及底缘空化问题，美国根据其渠化河流水位变化小的特点，采用了快速开启阀门与廊道顶部自然通气的解决措施。在我国，由于枢纽船闸的水位变化大，廊道顶部自然通气所需的负压条件不易保证，一方面为解决门楣的空化，另一方面利用门楣通气对阀门底缘空化起一定的抑制作用，考虑门楣缝隙高速射流的特点，一般采用在门楣中设置通气管，实现门楣通气的措施。通气孔横向均匀排列，出口布置于缝隙喉口附近，实现自然通气，通气管数量及总的面积根据试验所需通气量的大小确定。

如何实现在水位变幅大的情况下稳定地通气，并使通气量达到所要求的最小值，门楣的槛高的选择是很重要的。试验表明当H1／H2＝0.8 左右时，门楣能实现较长时间稳定的自然通气。

3.5.2.3 启闭机设计

鉴于启闭平板阀门用的固定式卷扬机属通用产品，这里着重对安装在闸顶的反弧门液压启闭机及其吊杆设计中需注意的问题，作如下简要介绍。

启闭机系统由油缸总成、机架、吊杆、导轨装置、卡箍装置、液压系统及埋件等部分组成。启闭机采用双作用油缸，油缸支承采用铰轴支承，油缸吊头与多节吊杆组连接。

液压启闭机吊杆的下端，在水中与阀门顶部相连，当阀门开启时，由于水流对阀门运行的平稳性影响极大，特别是门井漩滚水流会导致吊杆横向振动。从模型试验结果看：虽然吊杆不会发生危害性振动，阀门开启过程中各节吊杆受力及脉动基本一致，但阀门紧急动水关闭时，摆杆脉动较大，设计中为减小、避免吊杆的振动，提高启闭机和吊杆运行的可靠性，并考虑运行、安装、检修条件，在门井下游壁上下两端设置吊杆导槽、中部设置多个吊杆导向卡箍，启闭机活塞杆吊头与吊杆铰接，并通过设在吊头上的导向滚轮沿侧壁导槽运行，与阀门连接的吊杆为摆杆，可随阀门的启闭摇摆，中部吊杆则通过导向卡箍导向，吊杆组整体采用十字铰接，这样不但限制了长吊杆的横向振动，还减少了加工难度，适应安装误差，保证了阀门安全平稳运行。同时为解决吊杆导向与防腐之间的矛盾，减少吊杆和导向的磨损，保证吊杆杆身的防腐蚀要求，在吊杆导向段杆身4个方向各焊接一条不锈钢导轨条，不锈钢导轨条的长度由工作行程决定，并在导向卡箍内壁装设导承滑块，滑块采用青铜材料，使钢轨导条的表面硬度大于青铜滑块表面，减少钢导条的磨损。

为便于吊杆的安装和检修，在每节吊杆上端吊头处设有吊装孔，并在钢导槽上端设置吊杆锁定支承槽；导向卡箍采用哈夫铰轴结构形式，为便于吊杆的安装和检修，卡箍可以打开，不妨碍吊杆及导轮通过，工作时用螺栓紧固，以提高工作可靠性，减小检修工作强度。

3.5.2.4 运行中的问题及处理措施

船闸的运行和原型观测情况表明：高水头船闸输水阀门在运行中出现的主要问题，均与阀门水动力学有关，如阀门的空化气蚀、阀门及吊杆的振动、启闭机的启闭力脉动以及紧固件的松动等。而这些问题会直接引起设备故障、造成设备损坏、影响船闸安全运行。如何解决这些问题或减轻其危害，在保证阀门结构和启闭机设计、制造、安装质量的前提下，改善阀门水力学条件是最直接、也是最有效的方法。葛洲坝3 座船闸输水阀门在高调试过程中，在船闸单边充水时，出现过阀门井内水流旋滚、波动强烈，上闸首建筑物颤动，甚至拌有巨大的爆炸声的情况，噪声为90dB，有时达到120dB。工作水头接近设计水头时的原型观测资料显示：吊杆最大启闭力超过设计的1.36 倍；液压系统压力脉动值大，设备故障停机，门楣缝隙处压力值为－9.4m水柱等情况。3 座船闸检修时还发现过一些共同的问题：门楣钢板有不同程度蚀损；阀门底缘、面板空化气蚀成蜂窝状；止水螺栓松动脱落，甚至有的被剪断；支铰座的螺栓经常松动等。通过对船闸水力学采取优化措施后，逐步得到了解决。

改善阀门水力学最简单的措施是改善阀门的运行条件，在门楣处及阀门底缘处通空气，抑制或减弱阀门门楣及底缘处的空化。通气分为自然通气和空压机强行补气，由于阀门底缘处受结构布置和水流条件的限制，不易布置通气设施且只能用空压机强行补气，故大多数船闸采用在门楣处设置通气设施，效果比较明显。葛洲坝3 座船闸的门楣进行改造后的观测及检测资料表明：

（1）门楣实现自然通气后，改善了工作阀门的工作条件。改造前，充水过程伴随密集的轰鸣，掺杂阵阵爆破声。1 号闸在试验单边开启阀门进行输水时振动很大，一次输水过程可以听到20次以上的爆破声。采取措施后，噪声长时间稳定在70～75dB，极端噪声再未出现；强烈的振动、轰鸣声基本消失。

（2）门楣通气使空化源基本消失，有效地抑制了顶缘空化。门楣实现自然通气后，其掺气浓度在阀门开启的大部分时间均在7%以上，能有效地抑制门楣处的空化，且对闸室的停泊条件没有任何不利影响。

（3）门楣通气对底缘空化的减免效果明显。通过分析通气前后原型观测的声压波形及空化噪声谱，通气后的噪声谱平均降低10～15dB，脉动幅值大大降低，底缘空化得到抑制。

（4）门楣通气使启门力脉动幅值降低。在门楣实现稳定的自然通气后，减弱了门楣及底缘空化强度，因而启门力脉动亦随之降低，脉冲次数明显减少，脉冲峰值显著降低。启闭机油缸上腔压力脉动幅值由615kN 降为330kN，下腔压力脉动幅值由690kN 降为300kN。脉动次数减少75%左右。