水电站金属结构闸门制作及安装技术研究

摘 要：水电站金属结构闸门的制作及安装技术，对于水利工程的稳定运行和可持续发展至关重要。基于此，通过深入探讨水电站金属结构闸门的设计与制作要点，总结出安全可靠的闸门的安装方法，从而提高水电站工程的施工效率、可靠性和安全性的基础。结合相关资料，总结水电站金属闸门的基本结构，并对其设计与制作关键要点进行分析。通过优化设计和选择适宜的金属材料，提高金属结构闸门的强度和稳定性，并阐述关键的安装方法，确保闸门的准确性和可靠性。

关键词：水电站；金属结构闸门；制作；安装技术

中图分类号：TV7                                    文献标识码：A                                 文章编号：2096-6903（2023）12-0050-03

0 引言

水电站作为水力发电的基础设施之一，其稳定运行直接关系到能源供应的可靠性和持续性。水电站金属结构闸门作为水电站的关键组成部分，不仅直接影响水利工程的运行效率，还与工程的安全性和经济性密切相关。水电站金属结构闸门的制作及安装是综合性的工程，涉及材料科学、机械工程、结构力学等多个学科领域，通过科学合理的设计与安装，可以使金属结构闸门在不同水位、流量条件下稳定运行，确保水电站的正常发电运行。

1 水电站金属结构闸门结构分析

在水电站金属结构闸门中，平面闸门是最常见的一种闸门类型，其结构形式简单，操作方便，适用于各种类型的坝体和水电站。弧形闸门的门体呈弧形，具有较高的水密性和止水性能，适用于大型水电站和高水头水电站。快速闸门是一种能够快速关闭的闸门，适用于需要快速切断水流的情况，如洪水或事故处理。拍门是一种特殊类型的闸门，适用于河流倒流、潮汐等特殊情况。

水电站金属结构闸门的结构形式多样，常见的包括滑门、升降闸、旋转闸等，不同的结构形式适用于不同的水利工程需求。例如滑门适用于水位较大的情况，升降闸适用于需要频繁调节水位的场合，旋转闸适用于水流较大的情况。结构形式的选择需要根据具体工程情况和设计要求进行合理搭配。

闸门需要能够承受水流、气候变化、潮汐等多种环境因素的影响。制作闸门常用的结构材料包括高强度钢、不锈钢、铝合金等。材料的选择要考虑其强度、耐腐蚀性、可焊性等因素，以满足闸门在不同工况下的工作要求[1]。

2 水电站金属结构闸门设计及制作

2.1 设计要点

2.1.1 闸门设计

水电站金属结构闸门主要包括平板闸门和弧形闸门两种类型。平板闸门又分为单向闸门和双向闸门，适用于不同的情况。弧形闸门具有较高的水密性和止水性能，适用于大型水电站和高水头水电站。

在闸门设计中，材料需要具有足够的强度和刚度，以承受外力和变形。选取材料时，需要根据闸门的使用环境和受力情况，选择具有足够强度和刚度的材料，例如，高强度钢、不锈钢等材料。需根据工程的具体情况和要求，确定闸门的形状和尺寸，比如对于大型水电站和高水头水电站。可采用弧形闸门，以获得更好的止水性能和水密性能。需要根据水电站的运行要求，确定闸门的尺寸和厚度等参数。

金属结构闸门需要设置止水装置，以防止水流泄漏。需要根据水电站的具体情况和使用要求，设计合理的止水装置。例如可以在闸门的上游和下游设置橡胶止水或金属止水等装置。闸门设计还需要考虑到止水装置的维护和更换方便性[2]。

2.1.2 门槽设计

门槽设计时，需要明确所采用的门槽结构类型，常見的门槽结构类型包括斜坡式门槽、垂直式门槽以及特殊结构式门槽。结构类型的选择应综合考虑水流条件、场地地形、材料可行性等因素，确保所选结构既能有效控制水流，又能满足工程的可行性和经济性。

在门槽设计中，流体力学分析是重要环节。通过数值模拟和实验验证，确定水流在门槽中的流动情况，预测水流对结构的影响，合理的流体力学分析有助于优化门槽形状，降低水流对结构的冲击力，提高闸门运行的稳定性和安全性。为了保证门槽正常运行，需要设计科学的排水系统，合理设置排水口的数量和位置，确保在需要排水时，能够迅速有效地排除水位，避免闸门的过度压力和冲击。

门槽的结构强度和稳定性是设计过程中的重中之重。需要确保门槽能够承受水压力、水流冲击以及其他外部力的作用，防止发生结构破坏或变形。结构强度的评估应考虑材料的强度特性，采用合适的安全系数，结合实际工程条件进行综合分析。

2.1.3 启闭机构设计

在启闭机构设计中，动力系统的选择非常重要。常见的动力系统包括液压、电动、气动等，每种系统都有其适用的场景。液压系统通常用于大型水电站，具有承载能力强、调节精度高的特点。电动系统灵活性较高，适用于小型水电站。气动系统则常用于特殊环境，如易燃易爆区域。

传动机构设计是会直接影响闸门的启闭速度和力学性能。传动机构的类型包括蜗杆传动、齿轮传动、液压缸等，需要根据结构的紧凑性、效率以及维护成本，来进行传动机构类型的选择。在设计时，合理配置传动机构的布局，要确保其能够稳定、高效地传递动力。水电站金属结构闸门的启闭速度直接关系到水流的调控效果，设计时需要根据实际需要确定合适的启闭速度，并考虑到启闭过程中的平稳性，以防止因过快启闭引发的水流冲击或结构振动。良好的调节性能能够使得闸门在不同水位下都能够实现精准的启闭，适应不同工况的需要。

2.1.4 导轨设计

导轨的材料选择直接关系到其抗磨损、耐腐蚀、承载能力等性能。导轨材料包括碳钢、不锈钢、聚四氟乙烯等。选择时应根据具体工况和要求进行综合考虑，导轨的类型包括槽形导轨、V形导轨、悬挂导轨等，需谨慎选择以适应不同的闸门结构和运动方式。

合理处理导轨表面，有利于减小摩擦、延长导轨使用寿命。表面处理方式包括镀锌、喷涂聚氨酯、硬铬镀等。选择处理方式时，应根据导轨的材料和使用环境进行合理搭配。润滑系统的设计同样重要，通过设置合适的润滑装置，可以降低导轨的摩擦系数，提高启闭效率，并减少能耗。

导轨的精度要求直接关系到闸门的启闭稳定性和运动精度，在设计中需要充分考虑导轨的制造工艺和加工精度，确保导轨的表面平整度、直线度、平行度等符合要求。导轨的配合间隙也需要合理控制，以防止运动时产生过大的摩擦力或者松动现象[3]。

2.1.5 密封系统设计

在密封系统设计中，需要考虑密封材料的选择。密封材料包括橡胶、聚氨酯、氟橡胶等，其选择应根据工程要求、介质性质、工作温度等综合考虑。密封材料需要具备优异的耐磨性、耐腐蚀性和弹性，以确保长时间的可靠密封性能。

密封系统的结构设计直接关系到水闸的密闭效果，密封结构包括橡胶密封条、膨胀式密封、液压密封等。设计时需根据水闸的结构形式和运动方式进行合理选择。密封结构还应具备压力适应性，以确保在不同水位下保持稳定的密闭效果。密封系统需要能承受来自水压力的作用，因此需要特别关注密封系统的耐压性能。通过合理的密封结构设计和密封材料的选择，可确保密封系统在水压力的作用下保持稳定的密闭性能，防止水流泄漏。

为了保持密封系统的长期稳定性，还需要设计相应的防污染措施。水电站运行过程中水中可能携带有泥沙、杂质等，这可能对密封系统造成磨损或堵塞。通过设置过滤装置、清洗系统等措施，可以有效防止污染，提高密封系统的使用寿命。

2.1.6 应急启闭装置设计

应急启闭装置的设计要考虑启闭速度和响应时间，在紧急情况下能迅速关闭或打开闸门，以确保水电站安全运行。设计时需要确保应急启闭装置具有足够的启闭速度，并在接收到紧急信号时迅速响应，以减小潜在风险。

在设计中，应急启闭装置需要设置完善的安全保护系统，以应对各种突发状况，包括但不限于过载保护、温度保护、防护装置等。安全保护系统有利于及时发现设备运行异常，防止因故障而引发更大的安全问题。为确保应急启闭装置在停电等紧急状况下仍能正常工作，应考虑应急电源的设计。可以通过设置备用电源、蓄电池系统等手段，保障应急启闭装置在紧急情况下的自主供电能力[4]。

2.2 制作要点

根据设计图纸，采用精密的切割和成形技术，确保金属结构闸门的各个部件精准符合设计要求。闸门的结构通常需要通过焊接进行组装。应采用高质量的焊接工艺，确保焊缝牢固、无裂纹，提高金属结构的整体强度和稳定性。某些金属材料需要进行热处理，以提高其硬度、强度和耐腐蚀性。制作金属结构闸门时，应根据材料特性合理进行热处理工艺。

在金属结构闸门制造的每个阶段，都需要进行严格的质量控制，以确保最终产品的质量符合设计标准。采用先进的无损检测技术，如超声波检测、磁粉检测等，对制造过程中的关键部位进行检测，可以及时发现并修复潜在缺陷。精确测量尺寸能够确保金属结构闸门的各个部件符合设计规格，达到装配要求。

在安装与调试阶段，需要采用科学合理的安装工艺，确保金属结构闸门能够准确无误地安装到预定位置，与其他设备协同运行。进行系统的调试和检测，便于确保金属结构闸门的运行稳定、灵活，且符合设计要求，及时发现并解决运行中的问题。

3 水电站金属结构闸门的安装步骤

3.1 安装前准备

在安装开始前，进行现场勘查，确认安装位置、地形地貌，了解工程环境和周边条件，为后续施工提供详细的实地信息。经过安全评估后，制定详细的施工计划，明确安装过程中可能遇到的风险和应对措施，确保施工过程的安全性，并准备好所需的安装材料和设备，包括吊装设备、起重机械、安全防护设备等，确保设备完好并符合相关标准。

根据金属结构闸门的实际情况，確定合适的吊装点。吊装点的设置需要考虑金属结构的平衡，防止在吊装过程中发生不稳定情况。根据金属结构闸门的质量和形状，选择适当的起重设备，起重设备的吨位和工作半径要满足实际需要，以确保吊装过程中的安全性。在实际吊装过程中，通过监控设备和人工操作，及时调整吊装设备的动作，保持金属结构闸门的平衡状态，防止发生倾斜或摆动。吊装完成后，进行金属结构闸门的整体检查，确认其在吊装过程中是否受到损坏，并采取必要的修复和保养措施[5]。

3.2 闸门安装

闸门的基础施工工作包括基础开挖、混凝土浇筑等工程。基础的质量和稳定性直接关系到闸门的后续安装和运行，因此在基础施工过程中需要确保地基的承载力满足设计要求，确保混凝土的强度和密实度等指标符合标准。在进行水电站金属结构闸门的实际安装之前，需要进行充分的安装预备工作，包括对安装现场的勘察和清理，确保安装场地的平整度和安全性。还需要对安装工具和设备进行检查和维护，确保在安装过程中能够顺利使用。

吊装完成后，将金属结构闸门准确定位到设计位置，使用定位工具、测量仪器等设备，确保金属结构与其他工程结构的相对位置准确无误。金属结构闸门的安装需要进行连接工作，将其与水电站的其他部分进行紧密连接包括螺栓连接、焊接等工艺，确保连接牢固、稳定。在定位与连接完成后，进行安装质量检查，通过对连接部位的细致检查，确保金属结构的每个连接点都符合设计要求，不存在缺陷和安全隐患。

由于水电站金属结构闸门在水中长期工作，其表面容易受到腐蚀，所以在安装完成后，需要对金属结构进行防腐处理。防腐处理包括喷涂防腐漆、涂覆防腐涂料等，以提高金属结构的抗腐蚀性，延长使用寿命。

3.3 运行调试

对金属结构闸门的电气连接进行详细检查。确保所有电缆、接线端都连接牢固，排除因电气问题导致的潜在故障。金属结构闸门控制系统的测试工作，包括对开关、传感器、自动控制程序等进行逐一检查，以确保控制系统各项功能正常。如果涉及通信系统，需要验证其与水电站整体通信网络的联通性，确保金属结构闸门能够及时、准确地响应来自监控中心或其他系统的指令。对金属结构闸门的机械结构进行稳定性检查，确保各个部件没有松动、变形等现象，保证整个结构在运行时的稳定性。

机械传动系统的测试工作包括齿轮、轴承、传动带等。应科学调整机械传动系统的参数，确保金属结构闸门的运动平稳、无卡阻。测试金属结构闸门的闭合与打开过程，验证其运动轨迹和速度是否符合设计要求，调整相关参数，确保金属结构闸门的运动符合水电站的实际需求。安全性测试就是模拟各种突发状况，检查金属结构闸门的安全性能，确保在紧急情况下，金属结构闸门能够迅速、有效地停止运动，以保护水电站和设备的安全。应急处理演练目的是培训操作人员在發生突发情况时的应对能力，演练中要包括对紧急停机、故障排除等方面的处理流程。

4 结束语

水电站金属结构闸门制作及安装技术的研究对于水力发电工程的可持续发展具有重要作用，通过科学合理的设计、优化的制作工艺以及先进的自动化技术的应用，可以提高水电站金属结构闸门的性能，确保其长期、安全、稳定地运行，从而为清洁能源的生产贡献力量。

参考文献

[1] 汪大斌.龙桥水电站枢纽的闸门安装[J].湖北水力发电，2007 （S1）：98-100.

[2] 安郁亮.草街航电枢纽泄洪闸金属结构与启闭机安装管理[J].水电与新能源，2020，34（10）：57-60.

[3] 罗明全.麻窝水电站首部枢纽金属结构（闸门）安装施工技术[J].价值工程，2017，36（31）：101-102.

[4] 石运深.放空洞金属结构制作安装的监理[J].人民长江，1998 （06）：43-44+49.

[5] 白文杰.水电站金属结构闸门制作及安装焊接技术的运用分析[J].智能建筑与工程机械，2023，5（1）：36-38.

收稿日期：2023-11-02

作者简介：邱志强（1984—），男，甘肃天水人，本科，工程师，研究方向：水工金属结构制造及安装。