第1章绪论
大坝是水利工程中防洪、灌溉及水力发电所必需的重要挡水建筑物。水工钢闸门对水流进行调控，使大坝实现功能化运行，达到工程建设的目的与需求。本章主要介绍国内外水工钢闸门的结构特征与应用、设计理论与分析方法的研究现状、仍需解决的科学问题及未来发展趋势。
1.1研究背景
建设水利水电枢纽通常具有发电、防洪、航运、供水、灌溉、旅游等多种效益，大力发展水利水电在国民经济可持续发展中具有十分重要的战略意义。发展水利水电可满足能源增长和改善能源结构的需求，可促进我国中西部地区经济快速发展，实现脱贫的目标。我国水资源及水能资源分布不均，西北地区水资源极度缺乏，而西部地区水电资源丰富，产业结构与能源结构不匹配。加快西部水资源及水电开发不仅能西电东送，实现资源的优化配置，还能把西部资源优势转化为经济优势，加快中西部地区的发展。水电作为可再生清洁能源，具有巨大的环保效益，具有防治污染和改善生态环境的作用。目前，我国的环境容量有限，尤其是沿海经济发达地区，大力促进水电开发可以有效防治大气和环境污染，改善生态环境，满足我国全面建成小康社会、提高人民生活水平和质量的需要。发展水电是防洪减灾和优化水资源配置的要求。随着各大江河“龙头”水电站和调节性能强的大中型水电站的开发建设，实现全面控制和调节流域洪水，对保证下游经济发达地区的防洪安全具有重要作用。另外，水能资源开发可以实现对资源性缺水地区水资源的优化配置，改善地域性水资源分布不均衡的状况，有力地支持地区社会经济的发展。作为风-光-水电多能源互补系统的高坝大库大型水工枢纽调节咽喉的水工钢闸门，其安全灵活地运行决定着工程效益的发挥及整个枢纽工程和下游人民生命财产的安全。水工钢闸门是水工枢纽的重要组成部分，在水工建筑物总造价中一般占10%～30%，在江河治理工程总造价中甚至占50%以上[1]。
水工闸门具有悠久的应用与发展历史。明代河工专家潘季驯的著作《河防一览》中有对水工闸门的记载。14世纪末，荷兰人将起落式闸门进行推广，实现船只通航。1853年，坐落于巴黎塞纳河上的四扇闸门（宽8.75m×高1.0m）是*早应用的弧形闸门。泰恩特（Tainter）在1886年发明了三曲杆式的木质弧形闸门，此后相关研究学者均将弧形闸门称为“Taintergate”。1860年，埃及北部的罗塞塔坝和杜姆亚特坝上安装了若干“圆筒闸门”。1910年，新型反转弧形闸门的设计被提出。第二次世界大战以后，各国政府为发展经济，开始大规模兴建水利工程。其中，具有代表性的是联邦德国在流经巴伐利亚州的伊萨尔河上兴建了许多水利工程；我国在黄河、长江干支流等兴建了一大批水利枢纽，如乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝等大型水利水电枢纽，其工作闸门和事故闸门都达到了较大尺寸。此后，随着工农业生产及社会进步，围绕城市生态治理和沿海经济发展的新型闸门结构进入了快速发展和广泛应用的阶段，出现了型式多样的各类闸门，如1960年建造于荷兰莱茵河上的护目镜闸门；1984年坐落于伦敦的泰晤士河水闸；1997年，两扇平面转动式水工弧形钢闸门在荷兰马斯朗特成功建成；2006年，浙江省曹娥江采用双拱空间管桁水工平面钢闸门作为河口挡潮闸；2013年，浙江省宁波市奉化区象山港避风锚地采用管桁式三角闸门作为通航船闸。大跨度、高水头、造型新颖的闸门结构逐渐成为未来闸门的发展趋势。
随着高坝大库及“一带一路”沿线国家水利水电工程的建设与发展，一方面水工钢闸门结构正向着高水头、大孔口、大泄量的大型化和轻型化方向发展，特别是天生桥一级、水口、五强溪等水电站大型三支臂弧形钢闸门的建设，说明大型新型水工弧形钢闸门结构分析方法及结构设计方法正不断发展；另一方面，闸门在风-光-水电能互补中的启闭越加频繁，再按现行平面体系法和线性理论对闸门结构进行设计，已不能满足闸门的设计需求。本书在总结前人及王正中团队研究成果的基础之上，对高水头大泄量频启闭闸门的空间体系法和非线性理论进行系统总结凝练，对闸门结构的静力稳定、动力稳定及考虑流固耦合作用的振动问题，提出非线性分析理论和求解方法，同时指出未来水工钢闸门的发展方向。
1.2水工钢闸门的结构特征、应用与发展
1.2.1水工钢闸门的结构特征及应用
水工钢闸门作为一种活动的挡水结构，是泄水和引水等建筑物的主要组成部分，安装于进水口溢流坝、溢洪道、泄水孔、水工隧洞和水闸等建筑物的孔口上，用以调节流量，控制上、下游水位，宣泄洪水，排除泥沙或漂浮物等，从而起到控制、运用水流和保障人民生命财产安全的作用。
1.水工平面钢闸门
水工平面钢闸门是水利工程中应用比较广泛的一种，应用效果也得到了业界肯定（图1-1）。水工平面钢闸门的结构比较简单，安全可靠，能满足各种类型泄水孔道的需要，具有以下优点。第一，可封闭相当大面积的孔口，顺流方向建筑物的尺寸较小；第二，直升式平面闸门的结构简单，闸室比较短，维护方便；第三，门叶可移出孔口，便于检修维护，门叶可在孔口间互换，因此孔口较多时可兼作其他孔口的事故门或检修门。但是，高水头平面事故闸门动水启闭时易产生爬行振动，闭门困难。
2.水工弧形钢闸门
水工弧形钢闸门的承重结构由弧形面板、主梁、支臂和支铰组成（图1-2）。水工弧形钢闸门面板形成了一个圆弧状，其支铰中心和弧形面板共用一个圆心。一般情况下水工弧形钢闸门支铰的高度约为闸门高度的三分之二。水工弧形钢闸门早期应用在尼罗河坝，闸门壁受到牵引的作用，设计者将其命名为“半径在牵引作用下的圆筒闸门”。水工弧形钢闸门的主要优点有所需启闭力较小、没有影响水流流态的门槽、水流平顺、工作桥排架高度和闸墩厚度较小、局部开启条件好、埋设件数量少；但也存在一些缺点，如所需闸墩较长或闸门井尺寸较大，不能移出孔口以外进行检修和维护，也不能在孔口间互换，闸门承受的总水压力集中于支座处，对土建结构受力不利。
3.人字闸门
人字闸门是由两扇门组成的旋转式开关闸门，非常适合运用于航运工程中（图1-3）。人字闸门的门底和门体下部都在水中运转，对人字闸门进行维修时也能排水，因此启动运行的时候只能在静水中，关闭时也只能在静水中进行。如果人字闸门内部出现问题，维修起来非常困难，位于水下的检修尤为困难。人字闸门不能在流动的水中进行有效操作，这是因为它的抗扭能力很小。对于大孔口船闸，人字闸门节省材料，并且在运行的过程中非常灵敏。由此可见，人字闸门的优势和劣势都比较明显，优势在于适合通航，劣势在于维修困难。
1.2.2水工钢闸门的发展
水工钢闸门是水工建筑物的重要组成部分之一，其作用是封闭水工建筑物的孔口，并能按需要局部或全部开启，以调节上下游水位、泄放流量，实现电站运行、通航及其他控制功能。闸门在水工建筑物总造价中所占的比重很大，一般占10%～30%，在某些工程上可达到50%[1]，因此无论从安全性还是经济性方面，闸门的科学设计都是一项十分重要的工作。
党的十八大以来，在“创新、协调、绿色、开放、共享”的新发展理念指引下，我国水利水电发展进入了一个新的时代。《水电发展“十三五”规划》的指导思想中强调，“把发展水电作为能源供给侧结构性改革、确保能源安全、促进贫困地区发展和生态文明建设的重要战略举措”。为更好地解决我国水资源的供需矛盾和水旱灾害问题，发挥蕴藏水能资源潜力，完成能源产业结构变革，推动我国生态文明建设，保证高坝大库的稳定运行与高质量建设具有重要意义。目前，已建成或在建的水利工程有规模宏大的葛洲坝水利枢纽工程（1988，括号内为工程建成时间，后同）、黄河龙羊峡水电站枢纽工程（1989）、天生桥水电站（1998）、小浪底水利枢纽工程（2001）、长江三峡水利工程（2006）、水布垭水利枢纽工程（2009）、小湾水电站（2010）、向家坝水电站（2014）、溪洛渡水电站（2015）和白鹤滩水电站（2022）等[2]，其中作为调节咽喉的闸门起着至关重要的作用。通过闸门的灵活启闭，可以对水库进行实时调节，满足防洪、发电和水资源调配的需要，有效发挥工程效益，并且闸门安全在很大程度上决定了整个枢纽和下游人民生命财产的安全。
随着水利水电事业的快速发展，截至2019年，我国已建各种水库超过9.81万座，总库容8983亿m3，已建或在建高度200m以上的超高坝20余座，其中300m级的大坝2座，我国已成为全球水库大坝*多的国家[3-4]。随着高坝大库的不断兴建和金属结构制造水平的不断提高，水利枢纽向着高水头、大孔口、大泄量的方向发展，水工钢闸门承受的荷载、结构尺寸和自重越来越大，如世界*大孔口尺寸（63m×17.5m）的布里亚水电站水工弧形钢闸门[5]，世界*大自重（1295t）的大藤峡水利枢纽船闸人字闸门，世界*高水头（181m）的英古里水工弧形钢闸门，世界*大跨度（360m）的鹿特丹新水道挡潮闸门。
一般规定水工钢闸门门叶面积与水头乘积在1000～5000m3的闸门为大型水工钢闸门，超过5000m3的为超大型水工钢闸门[6]。表1-1为部分世界大型及高水头闸门的基本情况（按闸门受到的总水推力从大到小排序），表1-2为我国大型及高水头闸门的基本情况（按闸门受到的总水推力从大到小排序），其中绝大多数位于我国的西南地区。
随着高坝大库和大型水利工程的建设，对水工钢闸门的要求也不断提高，主要表现在孔口面积、工作水头和总水压力的不断提高。常规的闸门线性设计理论与分析方法已不能满足这类大型水工钢闸门的设计需求，需要发展与大型水工钢闸门相适应的结构非线性分析理论与方法。实际上，工程结构的非线性问题早在19世纪中叶就引起学者的关注，经过几代科学家多年的不断研究、攻克难关，特别是20世纪60年代以来有限元法等数值模拟方法的产生和发展，以及高速大容量电子计算机的问世与普及，为非线性问题的解决提供了必要的计算手段和计算工具，促使结构非线性分析理论与方法在水工钢闸门中应用成为现实。
1.3水工钢闸门的研究进展
从安全灵活运行出发，确保水工钢闸门的轻型和稳定，始终是业界的追求目标。新材料与新技术层出不穷，为闸门设计制造与运行中的不少难题提供了解决思路，但不少老问题尚未彻底解决。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。例如，高强钢和超强钢的出现和应用可以实现水工钢闸门的轻型化，但又易引起结构的局部或整体稳定问题，仿生结构在闸门中的应用又可能引起构件的连接问题。目前，大型水工钢闸门发展需要围绕以下几个方面的关键科技问题开展研究：大型水工钢闸门的深梁、厚板、大刚度框架结构非线性动、静力分析理论与方法；基于空间结构体系可靠度的闸门结构优化设计方法；典型工况下大型水工弧形钢闸门空间框架结构的合理布置；流激振动作用下水工弧形钢闸门空间框架动力稳定性及振动控制；严寒环境下水工钢闸门低温低周疲劳断裂破坏机理，轻型稳定仿生树状水工钢闸门结构创新；生态景观特大型水工钢闸门结构流固耦合及水力优化；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、铸钢节点及新胶焊连接等新技术的开发研究应用等。
1.水工钢闸门的分析方法
水工钢闸门的设计是一个系统工程，需要全方位、多方面的考虑，*终保证设计的闸门结构安全可靠、启闭灵活、使用方便、技术先进和经济合理。水工钢闸门设计前要掌握的资料如下。①水工建筑物的情况，重点是工程规模、重要性及调控流量要求，以此确定闸门的运行特性和具体构造布置等。②闸门孔口的情况，包括孔口尺寸、孔口数量以及对闸门运行程序的要求等。③闸门上下游水位条件，设计闸门时要对可能出现的各种运行水位情况进行考虑。④水库的水质情况，特别对于泥沙含量大的水库，要考虑泥沙的淤积对闸门启闭力的影响。⑤水库所在地的气象和地震资料，主要包括水库冬季是否结冰，是否需要泄冰，是否
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