水力閘門的建設(shè)是與灌溉、供水及河流航運(yùn)系統(tǒng)的發(fā)展緊密聯(lián)系在一起的。在早期的水利工程中,通過小壩蓄水并輸送到旁邊的灌溉渠道中,過量的水通過壩頂排放。隨著進(jìn)一步發(fā)展,修建了“可移動(dòng)的壩”(即閘門)。這些可移動(dòng)的壩可以從正常的位置移開,為排放過量的水提供了通道,這樣在水利工程的運(yùn)行中允許有更大的安全性和靈活性。
第一條用于輸送貨物和排放洪水的運(yùn)河建于中國。最初,中國人是通過修建兩側(cè)有坡度的堰來解決急流地區(qū)的河流運(yùn)輸問題。大約在983年,中國人發(fā)明了在間隔一段距離后建設(shè)兩座壩的方法,船可以進(jìn)入兩座壩形成的“水池中”,通過升高或降低池中的水位來運(yùn)送船只。荷蘭的閘門開發(fā)采取的是與中國類似的模式。14世紀(jì)末,船閘在那里已經(jīng)非常普遍。閘門仍是起落式閘門,安裝有鉛配重,并裝備有排水管,可允許船閘閘室逐級(jí)排空。
1795年,小瀑布運(yùn)河建成,使其成為美國第一條帶有船閘的運(yùn)河。小瀑布船閘中的木閘門設(shè)計(jì)與眾不同,兩座木質(zhì)旋轉(zhuǎn)閘門放置在船閘的兩側(cè)。它閉合時(shí)不是靠近平板面,而是形成一個(gè)角度,指向上游,正對水流方向。第一座金屬閘門出現(xiàn)在1830年左右。隨著即將進(jìn)入新世紀(jì),出現(xiàn)了各種各樣的閘門,現(xiàn)有的類型也出現(xiàn)了大的發(fā)展,但也進(jìn)一步面臨著修建更大型閘門的挑戰(zhàn)。
1、人字門 第一座蓄水船閘是1439年由Filipo Maria Visconti設(shè)計(jì)的,它位于意大利米蘭附近,其目的是為了改善運(yùn)輸花崗巖石的航運(yùn)問題。第一座蓄水船閘的藍(lán)圖出現(xiàn)于1497年,這一設(shè)計(jì)圖已經(jīng)體現(xiàn)了現(xiàn)代船閘的主要特征閘門的旋轉(zhuǎn)代替了垂直工作,中間部分的擴(kuò)大允許同時(shí)通過更多的船只。
在閘室壁上安裝有錨孔,船舶可以通過繩子連接,防止閘室在蓄水和放空水時(shí)出現(xiàn)移動(dòng)。閘門其中之一是人字閘門,類似于今天所使用的。充水和放空是通過閘門關(guān)閉后形成的小孔來進(jìn)行的。這樣的系統(tǒng)在目前的小型船閘中仍然使用。
鑄鐵結(jié)構(gòu)及鋼板護(hù)板結(jié)構(gòu)的人字門遠(yuǎn)在1828年就在法國獲得使用。金屬鋼閘門1864年用于法國的沙郎通船閘,該閘門寬7.8m,高7.6m。
2、弧形閘門 弧形閘門最早為人所了解是它1853年運(yùn)用在巴黎的塞納河上,那里曾安裝有四扇寬8.75m,高1m的閘門。其它早期的應(yīng)用包括1860年在尼羅河三角洲Rosetla壩和Damietta壩上安裝的132扇寬6m,高5.1m的弧形閘門。閘門臂受到牽引的作用,當(dāng)時(shí)被叫作“半徑在牽引力作用下的圓筒閘門”。
最初的閘門是制作成圓弧形,用于閉合兩閘墩之間的空隙。1910年,美國授與L.F.哈扎一項(xiàng)反轉(zhuǎn)弧形閘門專利。
1810年左右,美國出現(xiàn)了相同的弧形閘門。閘門有三條弧形臂,且是木質(zhì)構(gòu)造,由安裝在面板上游的鏈條所帶動(dòng)。
德國第一次采用弧形閘門是在1894/1895年,在柏林附近安裝了一扇寬12m高1.87m的弧形閘門。1895年,在美國出版的報(bào)告中描述了伊利諾斯—密西西比河道上的弧形閘門使用。1953年反轉(zhuǎn)弧形閘門在德國的大壩中再一次得到應(yīng)用,閘門寬16m,高8.25m,頂部另有一個(gè)高2.15m的翻板閘門。由于這些閘門具有高度的可靠性,1976年,在德國的巴伐利亞地區(qū)又建造了28座閘門。
3、雙葉閘門 雙葉閘門起源于歐洲,在美國和日本曾有出現(xiàn)。1902年埃及Assiout壩采用了寬5m高5m的金屬雙葉閘門。現(xiàn)代的雙定輪鉤型閘門1930年第一次安裝于瑞士的Reckingen壩。1908年在瑞士的Augst—Wghlen壩安裝350扇寬17.5m高9m的雙定輪閘門。為了平衡雙葉定輪鉤型閘門,在開發(fā)與雙層定輪L型類似的嘗試中,開發(fā)了雙層弧形閘門,但安裝的很少,且所有都在瑞士。
4、扇形閘門 扇形閘門最早出現(xiàn)于美國,1907年第一次用于芝加哥排水渠的Lockport壩上。安裝的兩座閘門是用來調(diào)節(jié)渠道的水流并且?guī)ё弑鶝Q和漂浮物。其中一座閘門孔口寬度為3.66m,另一座閘門的孔口寬度為14.6m。
在歐洲,扇形閘門的最早應(yīng)用于始于1911年,在德國的Weser壩安裝了兩座閘門,孔口寬度為54m,高度為4.6m。當(dāng)時(shí),經(jīng)過研究之所以選擇扇形閘門是因?yàn)樾枰粋€(gè)可淹沒式閘門。當(dāng)時(shí),可淹沒式定輪和弧形閘門都己為人所知,但還沒有在實(shí)踐中應(yīng)用過。
1924年,巴西在帕拉伊巴河上安裝了三扇扇形閘門,寬度為45m,高度為7.4m,至今仍保持該類型閘門的最大淹沒面積的記錄。
5、定輪閘門 定輪閘門是德國入于1898年發(fā)明的,最早的應(yīng)用是1902年是在Sau河上。閘門寬為18m,高4.14m。為了減少小浮力,閘門中央部位的橫斷面呈梨狀,兩端呈圓筒狀。1903年在同一地區(qū)安裝了另一扇寬35m,高2m的定輪閘門。
最初的定輪閘門是平面圓筒狀,因在提升的圓筒下會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓,導(dǎo)致出現(xiàn)過大的振動(dòng),后來的圓筒的較低部分添加了一圍裙?fàn)畹那姘?,保證了與底部溢流的分離。
定輪閘門在美國也經(jīng)常被采用,主要在俄亥俄河與密西西比河。最早于1915年用于科羅拉多河上,閘門寬21.3m,高3m。
6、鼓形閘門 鼓形閘門是由美國陸軍工程兵團(tuán)于1896年設(shè)計(jì)的,最先于1913年應(yīng)用在美國歐塞奇河的1號(hào)壩上。閘門的內(nèi)部框架是由鐵制成,而其外部是木質(zhì)。
7、屋頂式閘門 1818年,美國人Josiah White在利哈伊河上修建了第一座屋頂式閘門,目的是為了增加水深并改善運(yùn)煤船的航運(yùn)條件。1819年在利哈伊河上建設(shè)的12座壩上都采用了這種閘門。這種閘門在法國、德國和瑞士都建造過。
8、圓筒閘門 圓筒閘門是筒形閘門的一種變化,由美國墾務(wù)局發(fā)明,用于豎井式溢洪道。目前為人所了解的只有兩處應(yīng)用,都在美國:一處是在奧懷希壩(1936年建),直徑為18m,高度為3.6m;另一處是在亨格里霍斯壩(1953年建),直徑為19.5m,高度為3.6m。
9、提升式平板閘門提升式平板閘門是以它的發(fā)明者F.G.M斯托尼先生的名字所命名的,于1883年最先用于愛爾蘭。四扇閘門放置在磚石橋墩之間,以控制湖的出水口。每扇閘門均為4.4m高,8.9m寬。
提升式平板閘門在20世紀(jì)初大量地應(yīng)用于歐洲、美國、埃及和印度。
10、擋板式閘門閘門是用來控制潮漲并允許船只在漲潮時(shí)通過。1960年和1970年分別在荷蘭和日本安裝了寬度為48m和56m的擋板式閘門。
11、充氣式閘門 1955年法國人Mesnager教授發(fā)明了充氣式堰,這一新技術(shù)在美國得到了迅速的發(fā)展。最近,日本的橋石(Bridgestone)公司提出了橡膠壩的概念。橡膠壩主要用于日本、美國、德國和法國。充氣式閘門是用來加高壩0.5m~6m,單體寬度可以增加至180m。
12 自潰式閘門 自潰式閘門是1989年由法國開發(fā)的。水力自潰式閘門系統(tǒng)包括若干獨(dú)立的閘門組,放置在溢洪道底檻上,在重力的作用下可獨(dú)立地保持穩(wěn)定。當(dāng)放置在一起時(shí),就形成了一個(gè)迷官式堰。在中等水流條件下,水可以漫過閘門。在預(yù)報(bào)洪水水位時(shí),每一個(gè)單元都將不穩(wěn)定并自動(dòng)倒塌。
第一座利用自潰式閘門對壩進(jìn)行改造的壩是位于法國阿爾代什的呂薩斯灌溉壩。底檻長35m,安裝有10扇自潰式閘門,每一扇閘門均為2.15m高,3.5m寬。