关于水利工程中水闸设计的要点分析

 摘要：水闸在水利工程中应用十分广泛，基于此，本文针对水闸设计中的一些问题进行了分析，希望可以为水利工程建设中的水闸设计作出贡献。 

　　关键词：水利工程；水闸；设计  

　　中图分类号：TV5       文献标识码：    文章编号 

　　一、水闸的具体工作特点 

　　1.稳定问题 

　　在正常使用水闸时，拦截上游的水位一般比较高，这样就导致水闸上游和下游之间产生很大的水位差，会出现水平压力过大的现象，从而使水闸向下游方向移动。要想稳定自身，水闸必须拥有一定的重量。另外，水闸在建成以后，如果还没有挡水或者是在正常使用的情况下遇到无水期，就会产生很大的垂直荷载，这样基底的实际压力就会大大超过地基能够承受的承载力，从而出现地基变形或者是出现闸基土被挤出的现象，这很容易造成水闸与地基出现滑动的危险。所以，在修建水闸时必须保证基础的面积，这样才能有效的降低基底的压应力。 

　　2.渗流问题 

　　水闸在进行挡水时，就会造成上下游水位出现差值，在这种作用下，就会在水闸、闸基与两岸的连接处出现渗流的现象。如果出现渗流，就会在水闸的底部产生向上的扬压力，这就会缩小水闸的重力作用，从而使水闸的抗滑稳定性大大降低。如果两岸和闸基都是采用土基，再出现渗流时也会带走一些细颗粒，这就会在闸后出现翻砂鼓水的现象。如果严重的话还会掏空两岸和闸基。另外，如果出现侧向渗透，会产生水平的压力，对两岸的连接建筑物都会有很大影响，使其稳定性大大下降。还有可能导致岸坡上出现渗透现象，从而加大闸底的渗透压力。如果渗流水量过大，还会对水闸的挡水功能产生影响，妨碍蓄水。 

　　3.冲刷问题 

　　在开闸泄水时，如果水闸下游水位很浅或者是没有水，在水位差的作用下，就会加大水流的流速，这种巨大的能量会对下游有严重的冲刷。一旦冲刷的范围过大，就会掏空闸基，造成水闸失事。另外，一般在水闸的两岸都是软弱的岩层或者是土层，如果修建水闸时开设过多的闸孔，一旦开启某一个闸孔就会形成折冲水流，这就会严重冲刷下游河岸，对水闸的安全和稳定性都会产生影响。 

　　4.沉陷问题 

　　软土具有很大的压缩性，如果将水闸建设在软土地基上，就会在水闸自身以及外部的荷载作用下出现沉陷现象。特别是在底板传到地基上的荷载分布不均匀时，或者是分布在地基土层的荷载不均匀时，更容易出现沉陷现象。这种地基沉陷还会导致水闸出现下沉，或者是闸室倾斜。如果严重有可能造成水闸断裂，这对水闸的正常运行会产生很大影响。 

　　二、水闸设计的相关问题 

　　1.水力设计 

　　水力设计一般包括：过流能力验算、拟定闸门控制运行方式和消能防冲设计计算。病险水闸除险加固设计时，影响水闸过流能力的主要因素包括设计水位的变化、孔口断面尺寸和型式的变化、过水涵洞断面尺寸以及涵洞长度的变化、消能防冲设施变化等。设计时应根据复核后的特征水位和规模，对水闸的过流能力进行复核。当采取加厚底板尺寸、加固闸墩以及增加底坎等措施时，过流面积、水流流态以及下游的出流状态都可能发生变化，需要重新复核水闸的过流能力。尤其要注意流态的变化，需要根据实际情况而采取和原设计以及安全鉴定时不同的过流能力计算公式来进行验算。如果水闸为穿堤涵闸，闸室后紧邻的涵洞断面尺寸、长度变化都可能引起过流能力的变化。尤其是涵洞延长时，尚需重新判断涵洞的流态，即涵洞为有压、无压、半有压和长洞、短洞以及淹没出流和非淹没出流等不同的水流型式，据此选择合适的计算公式验算其过流能力。 

　　水力设计中闸门控制运行方式主要为今后水闸的管理提供技术支持。因此，对闸门的开启程度以及相应的过流能力也应进行必要的复核计算，以方便水闸的运行管理。消能防冲设计计算时，需要特别注意特征水位变化引起的计算条件的变化，以此复核消能防冲工程能否满足设计要求。 

　　2.防渗排水设计 

　　水闸的防渗排水设计主要是根据闸基地质情况及上下游水位条件等进行设计计算，其内容包括：进行水闸的地下轮廓布置， 设计防渗、排水设施的型式、布置、构造和尺寸；渗流压力计算；渗流坡降计算，验算地基抗渗稳定性；滤层设计；防渗帷幕及排水孔设计；永久缝止水设计。除险加固的水闸应根据水闸存在的问题，按水闸实际的防渗、排水设施型式、布置、构造和尺寸进行防渗排水设计验算。不同水闸存在问题不同，在除险加固设计时也应根据加固设计采取的措施， 对改建后的排水设施进行复核计算。必须注意的是，一旦改变了原防渗措施，须对渗流压力进行计算，因为新增的防渗设施可能会改变渗流压力分布，影响到闸室稳定。防渗设计时，一方面要注意特征水位变化引起的计算条件的变化，另一方面，也需尽可能根据已建水闸多年观测的数据对地质参数进行必要的复核。 

　　3.闸室结构布置及稳定性分析 

　　三类闸除险加固时，首先需根据新的设计条件对原结构进行分析计算，然后结合安全鉴定中结构存在的问题， 采取必要的工程措施进行加固，同时按加固后的结构尺寸重新进行结构分析和稳定验算。验算时应尽可能考虑工程措施中新老材料之间的差异性，以及这些差异将对工程安全运行带来的影响。 

　　水闸结构分析及稳定计算时，其荷载的计算也应考虑设计参数的改变。同时，荷载组合中应对检修工况荷载组合进行充分的考虑。有抗震要求时，应根据《水工建筑物抗震设计规范》的规定，对抗震设防烈度超过6 度的水工建筑物进行结构抗震设计校核。 

　　4.地基处理及设计 

　　当水闸发生不均匀沉降或者地基总体沉降量较大时，需根据地质情况重新复核地基承载力。闸室加固、防渗措施改变时都需要重新验算地基承载力。 

　　由于闸基处于混凝土底板之下，且闸底板钢筋混凝土厚度一般均在0.8m 以上，钢筋间距较小，因此，直接对地基加固有一定困难。当地基已发生较大不均匀沉降时，需根据已有地质资料认真复核地基承载力，确定合理的加固措施。必要时增加地质勘探工作，取得更为合理的地基土的物理力学指标，确保采取的措施合理、经济且施工可行。 

　　5.慎重对待闸底板高程的调整 

　　当因稳定问题以及挡水等需要闸底板加固时，设计中一般会对加固后的闸室问题、底板结构进行必要的分析验算。而在这种情况下，易于忽视因闸底板高程变化而对河流河床变形和水力参数变化的考虑。以拦河水闸闸底板高程抬高为例。首先，假设流量Q不变(恒定流)、沙粒径D 沿程不变、河宽B 不变、糙率不变、河流处于冲淤平衡状态，可以得到水流基本方程： 

　　Q=B•C•h1/2•i1/2 

　　式中，i 是水力坡降，C 是谢才系数。同时，河流基本输沙方程为： 

　　S=D-Pmun 

　　S=BD-PmC（hi）n/2 

　　式中，p 和n 均为指数，n 一般大于4，m 为系数，u 为流速。根据上述假定，对比降i 推导出方程： 

　　SDPB（n-3)/3=mC2n/3Qn/3In/3 

　　可以得出，当拦河闸闸底板高程抬高后，其上游河道河床比降i 变缓，而河流宽度没有改变，床沙粒径D 沿程不变或改变很小，在相同流量或来水过程下， 水流的挟沙能力减弱，导致河流上游的淤积抬高。上游来沙将减少，将导致下游的冲刷。同时，上游河床比降变缓，同流量水位将会抬高，可能导致两岸堤防加高。因此，当需要对闸底板高程进行改变时，须对未来的河床演变和水面线影响作出合理的预测。 

　　三、结束语 

　　综上所述，由于水利工程中水闸起到了非常重要的作用，这就需要设计人员的全面分析、综合考虑，并避免遗漏细小问题，避免出现安全漏洞。以确保整个水利工程的质量。 

　　参考文献： 

　　[1] 陈芳. 水闸排水与止水问题的分析. 水利科技与经济[J]. 2009(8). 

　　[2] 郭中琼. 水闸设计问题的分析. 中国水运[J]. 2009(11).