水利水電工程中水閘的設(shè)計(jì)分析

王新權(quán)

(江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，南昌 330000)

水利水電工程中水閘的設(shè)計(jì)分析

王新權(quán)

(江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，南昌 330000)

文章通過(guò)對(duì)水利水電工程中水閘的設(shè)計(jì)部分進(jìn)行分析，以水閘的實(shí)踐應(yīng)用為契機(jī)，著重對(duì)水閘設(shè)計(jì)、水閘排水設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)中一些注意事項(xiàng)進(jìn)行了探討分析，以便找出更加科學(xué)、合理的水閘設(shè)計(jì)方案，發(fā)揮水閘的實(shí)際作用。

水利水電工程；水閘；設(shè)計(jì)；滲流

我國(guó)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(huì)給人類帶來(lái)水患災(zāi)難。目前在長(zhǎng)江、黃河流域建設(shè)了一些水利水電工程，既可以進(jìn)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(guān)重要，水閘設(shè)計(jì)水平關(guān)系到整體工程的質(zhì)量，也關(guān)系到工程建成后的使用效果，因此水閘設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)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(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 水利水電工程中水閘的設(shè)計(jì)分析

1.1 加強(qiáng)對(duì)當(dāng)?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(chǔ)必須要堅(jiān)實(shí)牢固。在設(shè)計(jì)前要做好相關(guān)地質(zhì)條件勘測(cè)并出具正式報(bào)告,包括當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)、水質(zhì)報(bào)告、河流水文特征、自然環(huán)境以及以往自然災(zāi)害等具體情況,以便在設(shè)計(jì)中針對(duì)性采取預(yù)防措施。

1.2 水閘選址的設(shè)計(jì)

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(guó)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(diǎn)，因此選址時(shí)應(yīng)充分考慮水閘基礎(chǔ)承載問(wèn)題。選址時(shí)應(yīng)對(duì)當(dāng)?shù)氐貙舆M(jìn)行鉆孔取樣勘測(cè)，并結(jié)合水文條件、自然環(huán)境進(jìn)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(qiáng)度高的土質(zhì)地基。特別是在土質(zhì)地基建設(shè)的水閘，需要在原狀土上進(jìn)行預(yù)壓處理或是換土墊層。預(yù)壓處理是為了壓出土中水分使土層固結(jié)成為一個(gè)整體，減小水閘基礎(chǔ)沉降量，進(jìn)而增加土層承載力，一般預(yù)壓需要較長(zhǎng)時(shí)間方可達(dá)到規(guī)定要求。對(duì)于施工工期較為緊迫的項(xiàng)目，可以采用換土墊層方法，此方法具有施工快捷，操作簡(jiǎn)單，施工效果好的特點(diǎn)，可以推廣使用。

1.3 水閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要結(jié)合地勢(shì)結(jié)構(gòu)、水閘功能、水文條件等具體情況來(lái)著手。一方面，通過(guò)計(jì)算水閘負(fù)載，來(lái)確保閘室、翼墻等相對(duì)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(lái)選用水閘結(jié)構(gòu)，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性。

1.4 水閘消能防沖設(shè)計(jì)

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(shí)，水閘水位保證在高點(diǎn)處，目的是使上游盡可能存儲(chǔ)更多水資源，在對(duì)應(yīng)此種工況下來(lái)計(jì)算系統(tǒng)消力池深度，這個(gè)計(jì)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(shè)計(jì)最高蓄水位、最低蓄水位時(shí)應(yīng)加以考慮，結(jié)合實(shí)際工況與發(fā)展變化選擇較大的富裕系數(shù)來(lái)滿足未來(lái)需要。

1.5 水閘閘型、閘室的設(shè)計(jì)選型

在水利水電工程當(dāng)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(diǎn)，因此在選擇閘型時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際河流的水文特點(diǎn)以及當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件等綜合條件來(lái)考慮，不能一味追求新式閘型而忽略了實(shí)際應(yīng)用問(wèn)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(shí)盡可能使水流恢復(fù)至自然狀態(tài)，避免水閘前水位過(guò)高導(dǎo)致水沖擊現(xiàn)象。上述三種水閘具有不同特點(diǎn)，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(jiǎn)單，操作方便。胸墻式水閘一般用于水位波動(dòng)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(yīng)結(jié)合實(shí)際情況選擇恰當(dāng)?shù)拈l室類型。

1.6 過(guò)閘水位差的設(shè)計(jì)計(jì)算

在設(shè)計(jì)過(guò)閘水位差時(shí)，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(guò)閘水位差一般選擇上限。較大的過(guò)閘水位差可以減小閘孔凈寬度，也可以降低工程造價(jià)，但是會(huì)使上游水位抬高，也會(huì)使水閘承載更大壓強(qiáng)，增加了水閘、水壩被沖毀的風(fēng)險(xiǎn)。

1.7 閘孔尺寸的設(shè)計(jì)

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(huì)相應(yīng)減少。當(dāng)閘孔過(guò)大時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致占地空間大，隨之帶來(lái)開啟關(guān)閉閘門的設(shè)備設(shè)施都會(huì)增大規(guī)模，相應(yīng)工程造價(jià)也會(huì)增加。因此，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求將閘孔寬度設(shè)計(jì)在10-14m之間較為合適，一般彈孔水閘孔寬為10m時(shí)，水閘閘孔應(yīng)為33個(gè)，彈孔水閘孔寬為14m時(shí)，水閘閘孔應(yīng)為20個(gè)。

1.8 水閘泄流能力的設(shè)計(jì)

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

1.9 防水槽設(shè)計(jì)

在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，防水槽作用是使水閘末端性能更加穩(wěn)固，水流在流過(guò)關(guān)卡時(shí)會(huì)使水流速度有所減小，但在經(jīng)過(guò)關(guān)卡末端時(shí)沖擊能力較大，會(huì)嚴(yán)重沖擊河床。防沖槽就是使用大小不一的石塊來(lái)減弱水流沖擊力，達(dá)到保護(hù)河床延長(zhǎng)使用壽命的目的。

1.10 排水孔設(shè)計(jì)

水利水電工程投入運(yùn)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)可以布置成梅花形，將排水孔位置放置在水平護(hù)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(chǔ)防滲面排水設(shè)計(jì)

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(shì)能，這就對(duì)水閘及其周邊產(chǎn)生很大沖擊力，基礎(chǔ)防滲對(duì)水閘起到了重要保護(hù)作用，所以必須做好排水工程。結(jié)合上下游地基條件和實(shí)際應(yīng)用具體步驟為：首先將上游水引進(jìn)河床中，然后流經(jīng)底板、消力池、反濾層逐級(jí)將上游水流引入到下游，這樣確保了排水系統(tǒng)的有效運(yùn)行。另外，為了增加排水效率可以延伸上游水滲透途徑，同時(shí)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(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

2.1 水閘的穩(wěn)定因素

由于水閘攔截上游水流會(huì)使上下游產(chǎn)生較大水位差，會(huì)使上下游之間水閘承受巨大壓力，因此水閘自身必須堅(jiān)固，保持其穩(wěn)定性。另外在枯水期時(shí)上游水位較低，整個(gè)水閘的自重將會(huì)直接作用在水閘基礎(chǔ)上，在垂直載荷作用下使水閘基礎(chǔ)變形甚至?xí)雇翆颖粩D出，等到下次泄洪時(shí)將會(huì)沖刷基礎(chǔ)，長(zhǎng)此以往將會(huì)出現(xiàn)較大缺口，甚至被沖毀。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要保證水閘的基礎(chǔ)面積，減小水閘對(duì)基礎(chǔ)壓應(yīng)力的危害。

2.2 水閘滲流問(wèn)題

關(guān)閉水閘后，在上下游巨大水位差作用下，將會(huì)引起在水閘與地基、水閘與兩側(cè)基礎(chǔ)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(shí)在滲流不斷沖刷下將會(huì)造成兩側(cè)基礎(chǔ)混凝土層出現(xiàn)溝洞、翻砂鼓水，甚至?xí)惶涂胀粱鶎樱治ｋU(xiǎn)。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(shè)計(jì)時(shí)做好對(duì)應(yīng)防范措施。

2.3 水閘以及地基沉陷問(wèn)題

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

2.4 水閘開閉時(shí)的沖刷問(wèn)題

在開、閉水閘時(shí)在上、下游水流巨大的水位差作用下，將會(huì)加大水流速度。特別是剛剛開啟時(shí)和即將關(guān)閉時(shí)都會(huì)對(duì)水閘產(chǎn)生較大的水流沖擊，下泄的水流對(duì)下游也會(huì)有較大沖刷作用和折沖水流，這些都會(huì)對(duì)水閘和水閘基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，對(duì)整個(gè)工程質(zhì)量構(gòu)成威脅。

2.5 水閘裂縫問(wèn)題

在水閘實(shí)際投入運(yùn)行后會(huì)發(fā)現(xiàn)，很多的水閘以及基礎(chǔ)等處會(huì)出現(xiàn)裂縫，為水利工程埋下了隱患，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以考慮。第一，應(yīng)明確施工作業(yè)的溫度要求，基本原則應(yīng)避開夏季炎熱天氣，或是使用地下水進(jìn)行攪拌混凝土來(lái)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(yīng)力影響。第二，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)混凝土添加劑加以明確要求，以便施工時(shí)可以按照配比執(zhí)行，特別注意某些地區(qū)的水pH超標(biāo)或是砂石料含雜質(zhì)過(guò)多，不但會(huì)降低混凝土強(qiáng)度而且會(huì)導(dǎo)致混凝土干燥后產(chǎn)生裂紋，因此對(duì)砂石含雜質(zhì)率進(jìn)行明確標(biāo)注，進(jìn)行有效控制。第三，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)科學(xué)使用配筋，在一些施工中會(huì)發(fā)現(xiàn)各方面都在按標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，也會(huì)出現(xiàn)裂縫問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)時(shí)要從結(jié)構(gòu)方面入手，合理釋放應(yīng)力，降低裂紋發(fā)生率。

2.6 設(shè)計(jì)人員方案與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合

設(shè)計(jì)人員是構(gòu)建水閘結(jié)構(gòu)的主要能動(dòng)因素,也是企業(yè)的寶貴財(cái)富，但有很多設(shè)計(jì)人員理論知識(shí)豐富，但工作經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，所以對(duì)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行定期培訓(xùn)是行之有效的方法。培訓(xùn)包括以往水利水電工程案例分析、設(shè)計(jì)工程實(shí)際勘測(cè)、水閘應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題分析等，使其思想上要密切聯(lián)系應(yīng)用,以便更好的指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作。在設(shè)計(jì)中業(yè)會(huì)引進(jìn)一些新設(shè)備、新技術(shù),特別是在環(huán)保領(lǐng)域，應(yīng)做好新技術(shù)的探索工作，推動(dòng)水閘設(shè)計(jì)工作的與時(shí)俱進(jìn)。

3 總 結(jié)

總的來(lái)說(shuō)，在水利水電工程當(dāng)中水閘作用十分重要，必須從設(shè)計(jì)之初就要加以重視，結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件、河流水文條件等多方面綜合考慮，嚴(yán)格按照有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范做好各方面設(shè)計(jì)工作，特別是設(shè)計(jì)者應(yīng)多加考慮實(shí)際的應(yīng)用情況，與實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行緊密聯(lián)系，使設(shè)計(jì)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(shí)的優(yōu)質(zhì)效果，為水資源的合理利用做出貢獻(xiàn)。

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TV66

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2017-09-25

王新權(quán)(1968-)，男，江西南康人，工程師。