水利水電工程中水閘的設計分析

王新權(quán)

(江西省水利規(guī)劃設計研究院，南昌 330000)

水利水電工程中水閘的設計分析

王新權(quán)

(江西省水利規(guī)劃設計研究院，南昌 330000)

文章通過對水利水電工程中水閘的設計部分進行分析，以水閘的實踐應用為契機，著重對水閘設計、水閘排水設計以及設計中一些注意事項進行了探討分析，以便找出更加科學、合理的水閘設計方案，發(fā)揮水閘的實際作用。

水利水電工程；水閘；設計；滲流

我國水資源較為豐富，利用好水資源可以為人類造福，相反控制不好將會給人類帶來水患災難。目前在長江、黃河流域建設了一些水利水電工程，既可以進行水力發(fā)電又可以在汛期起到防洪治沙的作用，這是一條既防治水患，又可以利用水資源的可持續(xù)發(fā)展道路。在水利水電工程中水閘的作用至關重要，水閘設計水平關系到整體工程的質(zhì)量，也關系到工程建成后的使用效果，因此水閘設計時應根據(jù)實際工程要求、地質(zhì)環(huán)境、自然環(huán)境等多方面因素綜合考慮來進行設計。

1 水利水電工程中水閘的設計分析

1.1 加強對當?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境、自然環(huán)境等資料收集

由于水閘、大壩自身荷載較大，地基基礎必須要堅實牢固。在設計前要做好相關地質(zhì)條件勘測并出具正式報告,包括當?shù)氐刭|(zhì)、水質(zhì)報告、河流水文特征、自然環(huán)境以及以往自然災害等具體情況,以便在設計中針對性采取預防措施。

1.2 水閘選址的設計

水利水電工程一般建在水資源豐富的河流、湖泊等處，在我國不同地域其地質(zhì)條件、周圍自然環(huán)境、水文條件等都有很大差別，而水閘具有重量大、體積大特點，因此選址時應充分考慮水閘基礎承載問題。選址時應對當?shù)氐貙舆M行鉆孔取樣勘測，并結(jié)合水文條件、自然環(huán)境進行綜合考慮，最好選擇承載力符合要求的巖石層，其次選擇承載力符合要求、抗剪強度高的土質(zhì)地基。特別是在土質(zhì)地基建設的水閘，需要在原狀土上進行預壓處理或是換土墊層。預壓處理是為了壓出土中水分使土層固結(jié)成為一個整體，減小水閘基礎沉降量，進而增加土層承載力，一般預壓需要較長時間方可達到規(guī)定要求。對于施工工期較為緊迫的項目，可以采用換土墊層方法，此方法具有施工快捷，操作簡單，施工效果好的特點，可以推廣使用。

1.3 水閘的結(jié)構(gòu)設計

目前，水閘結(jié)構(gòu)設計需要結(jié)合地勢結(jié)構(gòu)、水閘功能、水文條件等具體情況來著手。一方面，通過計算水閘負載，來確保閘室、翼墻等相對抗滑的穩(wěn)定性能。另一方面，需要做好壩體整體結(jié)構(gòu)與各局部結(jié)構(gòu)的統(tǒng)籌規(guī)劃，綜合考慮來選用水閘結(jié)構(gòu)，確保結(jié)構(gòu)設計的科學嚴謹性。

1.4 水閘消能防沖設計

水閘消能防沖環(huán)節(jié)主要是控制水流工況，一般要求控制工況為下游水位在規(guī)定取水下限值時，水閘水位保證在高點處，目的是使上游盡可能存儲更多水資源，在對應此種工況下來計算系統(tǒng)消力池深度，這個計算出的數(shù)據(jù)即為最初閘門開啟深度。隨著全球環(huán)境的改變，目前河流水文規(guī)律也發(fā)生了一些變化，因此在設計最高蓄水位、最低蓄水位時應加以考慮，結(jié)合實際工況與發(fā)展變化選擇較大的富裕系數(shù)來滿足未來需要。

1.5 水閘閘型、閘室的設計選型

在水利水電工程當中，所使用的水閘類型較多，各類閘型具有不同的作用和優(yōu)缺點，因此在選擇閘型時應根據(jù)實際河流的水文特點以及當?shù)氐刭|(zhì)條件等綜合條件來考慮，不能一味追求新式閘型而忽略了實際應用問題。水閘閘室主要有敞開式、胸墻式、涵洞式三種，在水利水電工程泄洪時盡可能使水流恢復至自然狀態(tài)，避免水閘前水位過高導致水沖擊現(xiàn)象。上述三種水閘具有不同特點，敞開式水閘平底寬，更有利于排澇泄洪，水流寬闊穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。胸墻式水閘一般用于水位波動較大，下游水量有限制要求的河流。涵洞式水閘一般用于水位高，孔口尺寸受限制的位置，例如穿堤取水水閘。因此，應結(jié)合實際情況選擇恰當?shù)拈l室類型。

1.6 過閘水位差的設計計算

在設計過閘水位差時，根據(jù)不同地形選擇不同的水位差，規(guī)范要求在10-30cm，一般在平原地區(qū)選用下限，在山區(qū)過閘水位差一般選擇上限。較大的過閘水位差可以減小閘孔凈寬度，也可以降低工程造價，但是會使上游水位抬高，也會使水閘承載更大壓強，增加了水閘、水壩被沖毀的風險。

1.7 閘孔尺寸的設計

在綜合考慮建造成本、流量、速度以及水位高度等因素前提下，盡可能選擇較少的水閘。在保證最大泄洪量前提下，水閘越少，墩數(shù)也會相應減少。當閘孔過大時，將會導致占地空間大，隨之帶來開啟關閉閘門的設備設施都會增大規(guī)模，相應工程造價也會增加。因此，根據(jù)相關設計要求將閘孔寬度設計在10-14m之間較為合適，一般彈孔水閘孔寬為10m時，水閘閘孔應為33個，彈孔水閘孔寬為14m時，水閘閘孔應為20個。

1.8 水閘泄流能力的設計

水閘泄流能力是指將所有閘門打開，同時除去船閘和電站影響，這時水流通過攔河大壩下泄的堰流，可以根據(jù)堰流計算公式計算得出，以便滿足最大洪峰泄流要求。

1.9 防水槽設計

在進行實際應用當中，防水槽作用是使水閘末端性能更加穩(wěn)固，水流在流過關卡時會使水流速度有所減小，但在經(jīng)過關卡末端時沖擊能力較大，會嚴重沖擊河床。防沖槽就是使用大小不一的石塊來減弱水流沖擊力，達到保護河床延長使用壽命的目的。

1.10 排水孔設計

水利水電工程投入運行后，消力池底板部位承受巨大壓力，最主要影響因素是水流沖擊力。設計時應充分留有底板靜壓壓力余量，要有充足的耐磨靜壓，這樣才能保證底板能夠承受巨大水壓。在排水孔設計時可以布置成梅花形，將排水孔位置放置在水平護板后半部分，排水孔加裝了反濾層，這樣既保證了排水通暢，又減輕了滲透壓力。

1.11 水閘基礎防滲面排水設計

在河流上下游之間存在巨大水位差，水位差的作用是使水流積聚了大量勢能，這就對水閘及其周邊產(chǎn)生很大沖擊力，基礎防滲對水閘起到了重要保護作用，所以必須做好排水工程。結(jié)合上下游地基條件和實際應用具體步驟為：首先將上游水引進河床中，然后流經(jīng)底板、消力池、反濾層逐級將上游水流引入到下游，這樣確保了排水系統(tǒng)的有效運行。另外，為了增加排水效率可以延伸上游水滲透途徑，同時也減小了消力池底板壓力，濾水層也起到了有效排水作用。

2 水閘設計中的注意事項

2.1 水閘的穩(wěn)定因素

由于水閘攔截上游水流會使上下游產(chǎn)生較大水位差，會使上下游之間水閘承受巨大壓力，因此水閘自身必須堅固，保持其穩(wěn)定性。另外在枯水期時上游水位較低，整個水閘的自重將會直接作用在水閘基礎上，在垂直載荷作用下使水閘基礎變形甚至會使土層被擠出，等到下次泄洪時將會沖刷基礎，長此以往將會出現(xiàn)較大缺口，甚至被沖毀。因此，在設計時一定要保證水閘的基礎面積，減小水閘對基礎壓應力的危害。

2.2 水閘滲流問題

關閉水閘后，在上下游巨大水位差作用下，將會引起在水閘與地基、水閘與兩側(cè)基礎出現(xiàn)滲流現(xiàn)象，這種滲流作用降低了水閘的抗滑穩(wěn)定性，同時在滲流不斷沖刷下將會造成兩側(cè)基礎混凝土層出現(xiàn)溝洞、翻砂鼓水，甚至會被掏空土基基層，十分危險。另外也降低了水閘擋水、蓄水的效果，因此在水閘閘體與軌道設計時做好對應防范措施。

2.3 水閘以及地基沉陷問題

軟土層自身具有較強的可壓縮性，水閘、基礎、蓄水的重力全部作用在軟土層上，對于建設在軟土層基礎上的水閘會產(chǎn)生不同程度的下陷，或是承受荷載不均勻也會導致局部下陷。當?shù)鼗约伴l體下陷較嚴重時，可以造成閘室變形、水閘開裂的嚴重后果，將會失去水閘的基本作用。

2.4 水閘開閉時的沖刷問題

在開、閉水閘時在上、下游水流巨大的水位差作用下，將會加大水流速度。特別是剛剛開啟時和即將關閉時都會對水閘產(chǎn)生較大的水流沖擊，下泄的水流對下游也會有較大沖刷作用和折沖水流，這些都會對水閘和水閘基礎產(chǎn)生較大的負面影響，對整個工程質(zhì)量構(gòu)成威脅。

2.5 水閘裂縫問題

在水閘實際投入運行后會發(fā)現(xiàn)，很多的水閘以及基礎等處會出現(xiàn)裂縫，為水利工程埋下了隱患，在設計時應加以考慮。第一，應明確施工作業(yè)的溫度要求，基本原則應避開夏季炎熱天氣，或是使用地下水進行攪拌混凝土來降低溫度，采取這些措施是為了減少混凝土內(nèi)外溫度梯度，降低內(nèi)外應力影響。第二，設計時應對混凝土添加劑加以明確要求，以便施工時可以按照配比執(zhí)行，特別注意某些地區(qū)的水pH超標或是砂石料含雜質(zhì)過多，不但會降低混凝土強度而且會導致混凝土干燥后產(chǎn)生裂紋，因此對砂石含雜質(zhì)率進行明確標注，進行有效控制。第三，設計時應科學使用配筋，在一些施工中會發(fā)現(xiàn)各方面都在按標準實施，也會出現(xiàn)裂縫問題。因此，設計時要從結(jié)構(gòu)方面入手，合理釋放應力，降低裂紋發(fā)生率。

2.6 設計人員方案與實踐應用相結(jié)合

設計人員是構(gòu)建水閘結(jié)構(gòu)的主要能動因素,也是企業(yè)的寶貴財富，但有很多設計人員理論知識豐富，但工作經(jīng)驗與實踐經(jīng)驗不足，所以對設計人員進行定期培訓是行之有效的方法。培訓包括以往水利水電工程案例分析、設計工程實際勘測、水閘應用中出現(xiàn)的問題分析等，使其思想上要密切聯(lián)系應用,以便更好的指導設計工作。在設計中業(yè)會引進一些新設備、新技術,特別是在環(huán)保領域，應做好新技術的探索工作，推動水閘設計工作的與時俱進。

3 總 結(jié)

總的來說，在水利水電工程當中水閘作用十分重要，必須從設計之初就要加以重視，結(jié)合當?shù)氐刭|(zhì)條件、河流水文條件等多方面綜合考慮，嚴格按照有關設計規(guī)范做好各方面設計工作，特別是設計者應多加考慮實際的應用情況，與實踐應用進行緊密聯(lián)系，使設計出的水閘安全牢固，又可以發(fā)揮其最大調(diào)節(jié)作用，確保使用時的優(yōu)質(zhì)效果，為水資源的合理利用做出貢獻。

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1007-7596(2017)10-0080-03

TV66

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2017-09-25

王新權(quán)(1968-)，男，江西南康人，工程師。