涵洞式水閘泄流計算及影響分析

劉洋

【摘要】涵洞式水閘常修建在挖方較深的渠道中及填土較高的河堤下，由于抗滑穩定能得到保證，所以其設計常被人們忽視，使得水閘在運行中經常出現底板沉降不均勻，洞身段產生裂縫、滲漏等現象，造成地基滲透變形等不良后果，嚴重時會威脅水閘及堤防的安全。本文對涵洞式水閘設計中的水力計算及地基、泄流產生的影響進行了探討。

【關鍵詞】涵洞；水閘；計算；影響

水閘按照閘室構造不同，可以分為開敞式水閘和涵洞式水閘。開敞式水閘閘室頂部沒有填土，是露天的；涵洞式水閘閘室有洞身段，洞頂有填土覆蓋，當有交通要求時，可在填土頂部設置公路。涵洞式水閘常修建在挖方較深的渠道中及填土較高的河堤下。從這一方面講，相對于開敞式水閘較為有利。但是涵洞式水閘屬于地下建筑物，其水力計算不同于開敞式水閘，泄流能力往往受涵洞長度、坡度及斷面尺寸控制。在結構計算中，涵洞的受力特點是：除承受自重、內水壓力、地基反力、溫度荷載等作用外，還要同時承受土壓力和外水壓力的作用。如果地基條件不好，設計不合理，施工質量差，或者工程老化、年久失修，將導致閘室底板及洞身段產生不均勻沉降，出現裂縫，產生滲漏，使建筑物或各構件強度下降。防汛資料表明，在堤防上運行了一段時間的涵洞式水閘都不同程度上存在著工程隱患，這些工程往往是防汛搶險的重點對象。同時，由于涵洞式水閘表面被泥土覆蓋，其各種病害現象不易被發現，一旦發現，其情況一般已較嚴重，且修復困難。

1、涵洞式水閘的泄流計算

開敞式水閘一般是護坦緊接閘室，其次是海漫、防沖槽等，其閘孔尺寸大都按淹沒寬頂堰流公式計算確定，涵洞式水閘的閘室后面是涵洞，由于地形條件及工程量等因素的影響，涵洞斷面及底坡不可能很大，再加上涵洞一般較大，因而涵洞式水閘的泄流能力往往受涵洞各種參數控制，其泄流能力應視不同情況進行計算，根據涵洞洞頂是否被淹沒而將水流分為無壓流和有壓流。

2.1 無壓流涵洞式水閘泄流計算

無壓流涵洞要保證在各種水位流量情況下，洞頂應高出洞內水面一定高度，一般為40cm，洞頂凈空面積應為涵洞斷面面積的15%-20%。涵洞分為長洞和短洞，洞長不影響過流能力的涵洞稱為短洞；反之則稱為長洞，其判別方法如下。

當涵洞底坡為緩坡且趨近平坡時，長短洞的界限長度為：

當洞長大于時，為長洞，反之為短洞。

當底坡為陡坡，泄流能力不受洞長影響，按短洞進行計算。

2.1.1 短洞的計算

由于泄流能力不受洞長影響，進口水流為寬頂堰流，故可用下式計算流量Q：

2.1.2 長洞的計算

對于長洞，一般需要由下游向上游推算水面線，以求得進口斷面處的水深。基本計算公式為：

式中，具有下標和+1的量，分別表示計算段的下游斷面和上游斷面的水力要素。

2.2 有壓流涵洞式水閘泄流計算

當涵洞為有壓流時，應按有壓流計算，其公式為：

在計算時，首先要確定涵管是有壓流還是無壓流，并判斷屬于長洞還是短洞，然后根據情況采用相應的公式進行計算。

2、地基條件的影響

地基條件是設計時考慮主要的因素之一，在涵洞式水閘中地基條件更顯得重要。首先，堤壩是沿河兩岸布置的，其地質條件往往很差。水閘都是由混凝土、漿砌石建成的，水閘基礎地面的荷載一般大于天然地基的承載能力，因此，常需采用深基礎（例如樁基、沉井基礎等）或對天然地基進行加固處理。

在涵洞式水閘施工及運行中常會出現一些不可預見的影響因素，致使水閘設計中地基的承載能力能滿足要求，從計算上判斷不應該出現問題，但在水閘建成運行一段時間后，閘底板發生變形、斷裂，或接縫中的止水破壞，使地基發生滲透變形，影響堤防安全。

過去我國堤防的建設標準很低，隨著國民經濟的發展和人民生活水平的提高，堤防建設的標準也逐步提高，其工程措施通常是在舊堤防基礎上將其加高加寬。因此，堤防上的涵洞式水閘也需要改造或擴建。有些工程由于技術工作不細致，沒有對原來的水閘進行加固，致使水閘在改造或擴建之前運行良好，而改造或擴建之后出現了一系列問題。

3、水閘泄流的影響

涵洞式水閘常建造在主河道堤防的一側，因此，水閘的泄流經常受到外河水位影響。在汛期，堤防內外水位都很高，在一般情況下，上下游水位差很小，過閘水流常處于緩流狀態，涵洞水流為有壓流；對于有些水閘，由于可能出現上下游水位差較大的情況，閘孔出流為急流狀態，而涵洞水流可能為有壓流，也可能為無壓流。對于低水頭泄水涵洞，水壓力一般不很大，涵洞的主要作用力為上部荷載及地基反力。同樣，閘門關閉的速度不能太快，否則會在有壓涵洞內產生水錘現象。

當涵洞內的水流流速太大時，設計時須慎重考慮由于地基不均勻沉降引起涵洞接縫開裂造成的危害，例如涵洞接縫開裂造成洞內水流外滲，會造成浸潤線增高，嚴重時可能導致滲透變形。特別是當涵洞發生不均勻沉降造成過大的裂縫時，由于洞內高速深水流的作用，內水壓強減小，外水倒滲，如果裂縫處沒有反濾層保護，洞內高速水流將把洞外土料帶入管內，并隨水流帶走，在裂縫處形成空洞，進一步加劇裂縫的發展，直至涵洞斷裂。通常，對于比較長的涵洞，地基的不均勻沉降是不可避免的，因此涵洞分縫的間距不能太大，除做好接縫止水外，還應在分縫處布置反濾層。此外，還要防止高速水流對涵洞的磨損、氣蝕等。