農田水利工程中水閘設計的探索

劉偉峰 張瑞

摘 要:我們要掌握水閘的設計和施工方法,要認識水閘建設的規律,就必須首先了解水閘的工作特點,了解水閘在施工和運用時期是在怎樣的情形下工作的,以及水閘的工作特點和類型等。

關鍵詞:水利水電工程水閘設計

中圖分類號:TV221 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(b)-0133-01

我國具有修建水閘的悠久歷史,特別是新中國成立以來,在廣大平原地區和各條江河以及大小灌區,修建了千千萬萬座水閘,尤其是在長江、黃河、淮河和海河的流域治理中,水閘更是數量眾多,在防洪、排澇、航運、灌溉、擋潮等方面,取得了顯著的經濟效益和巨大的社會效益。

在平原或地勢較為平緩的地區,為了防洪、排澇、航運、灌溉、擋潮以及發電等目的而興建的水利樞紐中,大多數需要修建各種類型的水閘;在各種類型的渠道中,為了控制水位和流量、宣泄入渠洪水以及防止泥沙的侵入或沖洗渠道中沉積的泥沙,也需要修建一些水閘。水閘既是擋水建筑物,又是泄水建筑物,并通過閘門控制泄流和調節水位。

水閘可以修建在土基或巖基上,但多數建于軟土地基上。水閘既要擋水又要泄水,地基條件差和水頭低且變幅大是水閘工作條件之所以比較復雜的兩個主要原因。因而,它具有許多與其他擋水建筑物不同的工作特點。

1 水閘的工作特點

1.1 穩定問題

水閘在正常使用時,上游攔有較高水位,閘上、下游形成的水位差會造成較大的水平水壓力,使水閘有可能產生向下游一側的滑動。因此,水閘必須具有足夠的重量,以維持自身的穩定。水閘建成尚未擋水時,或在正常使用的無水期,常因過大的垂直荷載,使基底壓力超過地基允許承載力而導致地基上發生塑性變形,可能產生閘基土被擠出或連同水閘一起滑動的危險。因此,水閘又必須具有適當的基礎(底板)面積,以減小基底壓應力。

1.2 滲流問題

水閘擋水時在上、下游水位差的作用下,會產生通過閘基及水閘與兩岸連接處的滲流。滲流的存在將對水閘底部施加向上的揚壓力,減小水閘的重力,降低水閘的抗滑穩定性。如閘基或兩岸均為土基時,滲流還可能帶走土層中的細顆粒,在閘后出現翻砂鼓水現象,嚴重時閘基和兩岸還可能被淘空。側向滲透的繞流對兩岸連接建筑物施加水平水壓力,降低了這些建筑物的穩定性,還將引起岸坡上的滲透變形并增大閘底的滲透壓力。滲流水量如果很大時,將會影響水閘的擋水效果,甚至蓄不住水。

1.3 沖刷問題

水閘開閘泄水時,閘下游無水或水深很淺,在上、下游水位差的作用下,過閘水流往往有很大的流速,其具有的能量將引起閘下游的嚴重沖刷。如沖刷范圍擴大到閘基時,將因閘基被淘空而導致水閘失事。此外,水閘兩岸多為土層或軟弱巖層,特別是當閘孔數目較多時,開啟個別閘孔容易形成折沖水流,對下游河岸造成嚴重沖刷,也會危及水閘的穩定和安全。

1.4 沉陷問題

水閘建在軟土地基上時,由于軟土的壓縮性很大,在閘身自重及外部荷載的作用下,往往會產生較大的沉陷;尤其當通過底板傳到地基上的荷載分布不均勻以及地基土層分布不均勻時,更會產生不均勻沉陷。地基的沉陷將會引起水閘的下沉,不均勻沉陷則會造成閘室傾斜,嚴重的甚至可能斷裂,這將嚴重影響水閘的正常使用。

2 水閘的類型

2.1 進水閘

為了滿足農田灌溉、水力發電或其他水利事業用水的需要,在水庫、河道、湖泊的岸邊或渠道的渠首,建閘引水,并控制入渠流量,稱為進水閘,因其常修建在渠道的首部,故又稱為渠首閘。

2.2 節制閘

節制閘一般用以調節水位和流量,在枯水期借以截斷河道抬高水位,以利上游航運和進水閘取水;洪水期用以控制下泄流量。節制閘若攔河建造,又可稱為攔河閘。

2.3 排水閘

排水閘常位于江河沿岸。外河水位上漲時可以關閘以防江河洪水倒灌;河水退落時即打開閘門排除漬水。由于它既要排除洼地積水,又要擋住較高的外河水位,所以其特點是閘底板高程較低而閘身較高,并受有雙向水頭作用。

2.4 擋潮閘

沿海地區遭受潮水的影響,為了防止海水倒灌入河,需修建擋潮閘。擋潮閘還可用來抬高內河水位,達到蓄淡灌溉的目的;內河兩岸受澇時,可利用擋潮閘在退潮時排澇;建有通航孔的擋潮閘,可在平潮時期開閘通航。因此,擋潮閘的作用是擋潮、蓄淡、泄洪、排澇,其特點亦是受有雙向水頭作用。

2.5 分洪閘

在江河適當地段的一側修建分洪閘,當較大洪水來臨時開閘分泄一部分下游河道容納不下的洪水,進入閘后的洼地、湖泊等蓄洪區、滯洪區或下游不同的支流,以減小洪水對下游的威脅。這類水閘的特點是,泄水能力大,以利及時分洪。

3 水閘設計要點

進行水閘設計,首先要根據水閘承擔的任務和當地的具體條件確定水閘的基本型式和主要尺寸。如為了滿足“既擋水、又泄(引)水”的要求,需要確定出閘孔寬度、孔數、閘高以及閘孔型式和閘底板高程等作為水閘設計的基本依據。

3.1 攔河閘基本型式和尺寸的確定

攔河閘承擔的任務主要是攔斷河流和壅高河中水位以保證引水的需要。需要壅高的水位,稱為正常壅水位,亦稱正常擋水位。對于灌溉取水工程,該水位是根據灌區規劃對引水高程的要求確定的。洪水時期,攔河閘則開閘泄水。為了滿足泄洪要求,攔河閘應具有足夠的閘孔尺寸。泄洪時,閘前的洪水位往往要高于閘前的正常壅水位,故攔河閘的閘前最高水位取決于閘前洪水位的高低。為了滿足引水要求而確定的閘前正常壅水位是攔河閘的正常擋水高程,而泄洪量的大小和閘前洪水位的高低,則直接影響攔河閘的高度、閘孔的型式和尺寸、閘的上游淹沒損失以及對閘下游消能防沖的要求和工程量的大小等。

3.2 進水閘基本型式和尺寸的確定

從天然河道取水,按取水方式一般可分為無壩取水和有壩(閘)取水兩種方式。當天然河道水量豐富,水位也能滿足引水要求時,可采取無壩取水方式,即直接在渠首修建進水閘引水;當天然河道水位不能滿足引水要求或引水流最較大(占河道來水30%以上)時,由于引水有困難,常需采取有壩取水方式,即除了在渠首修建進水閘引水外,還需在河道中修建攔河壩(閘),攔斷河流,壅高水位,迫水入渠,以滿足進水閘引水要求。

進水閘是修建在渠首按需要引水的建筑物,當不需要引水時,則關閘擋水,以免河水進入渠道。顯然,進水閘不但要有足夠的閘孔尺寸,以滿足引水要求;還要有一定的高度,以阻擋河中水流和洪水漫頂,否則就不能完成按需要引水的任務。

4 結語

設計水閘必須有正確的和足夠的資料,以便作出符合實際的設計。在以往的水利建設中,有不少工程,由于資料搜集不完善或者不正確,致使有的工程重新設計,有的工程不得不臨時停工,或給施工帶來很大的困難,甚至于造成失事等等;這樣的教訓不少,應予以重視。

參考文獻

[1] 山東省水利勘測設計院編.水閘設計實例.1984.

[2] 張朝溫.水閘樞紐管理.2002.

[3] 張紹芳.堰閘水力設計.1987.