探討水閘設計的重點及設計措施

【摘要】水閘屬于特殊性建筑物，不僅能夠擋水，而且能夠泄水。在水閘運行過程中，主要通過升降閘門，進對水位進行控制，并調節水量，是防洪、運河及灌溉、發電的重要工程。本文主要研究水閘設計的重點，并提出相應的設計措施，以期提升水閘設計質量，推動水利行業的健康、穩定發展。

【關鍵詞】水閘設計；重點；設計措施

1、前言

水閘在不同的水利工程中，都扮演著重要的角色，是泄水、擋水的重要建筑物。由于水閘設計具有一定的特殊性，且相對系統、龐雜，其設計質量受各種因素的影響。因此，在設計過程中，要明確其設計要點，并對受力條件、地質狀況進行分析，將安全性作為設計的首要幕布，多角度進行設計考慮，免設計方案不符合實際施工要求，而影響到整體工程質量，并威脅到周邊居民的生命與財產安全。

2、水閘組成要素分析

水閘主要由上游連接段、下游連接段、閘室等部分構成。其中，上游連接段主要是用于引導水流順利進入閘室，以免河岸及上流河床受到沖擊，并具有防滲的作用。一般來說，上游連接段包含了鋪蓋、防沖槽、兩岸翼墻、護坡等。其中的鋪蓋作用是用于防滲；而防沖槽則是為了確保鋪蓋頭不受水利的沖擊；兩岸的翼墻是保證水流能夠有效進入閘孔的關鍵，具有側向防滲作用。而閘室為整個水閘的主體，用于擋水及泄水，其組成要素包括了底板及胸墻、閘墩、閘門、交通橋與工作橋及等。其中，底板為閘室基礎建筑，起著承受閘室荷載的重要作用；而閘墩用于分隔閘孔，并承接著交通橋及工作橋、閘門等上部結構的受力；閘門起到擋水、控制下泄水流的重要作用；閘室段通常由底板及閘墩、閘門三部分構成，通常為混凝土或是鋼筋混凝土結構。

3、水閘設計的重點及設計措施分析

3.1 水閘選址

在水利水電的工程建設中，要確保水閘的功能性，首先需要進行科學選址，盡量選取地質良好的天然地基，來作為建設地址。同時，在選址過程中，還需要對各方面因素進行綜合性的考慮，并結合使用狀況、水文條件，來進行水閘的標準化設置。同時，還需要對周邊的地質條件進行深入的分析，盡量選擇適當的巖石地基。若是沒有合適的巖石地基，也可選用抗滲性能好、透水性小且抗剪強度高、承載力強、壓縮性低的土質地基代替。

3.2 地基處理

地基處理質量能夠直接影響到水閘的泄水、擋水效果。因此，在設計過程中，要注意加強地基處理。而地基處理通常包括三方面的內容。其一是樁基。樁基一般包括灌注樁與預制樁。相對來說，若受力分布為上拔力與水平荷載，樁基便能夠承受此種受力。而豎向荷載由于結構相對集中，因此荷載較大，因此，也需要對地基進行特殊處理。其二為預壓。所謂的預壓也就是通過事先加載，，來促進場地土排水固加速，以提升地基的承載力，并起到沉降的作用。預壓在荷載持續狀況下，體積會受到較大壓縮，并增強水閘強度。常見的黏性土地基、淤泥質土均具有良好的預壓成效。其三為換土墊層。該種地基處理方式較為傳統，且操作相對簡單，需要進行換土墊層，來提高地基從承載力。

3.3 消能防沖設計

在水閘設計中，控制工況為消能設計的關鍵。在實際設計過程中，要對下游水位進行下限值的正規取值，并對水閘蓄水位進行最高點取值分析，確保上游具備較強蓄洪能力。而在的具體設計分析中，要對閘門最初開啟深度、力量進行有效分析。水閘的消能防沖設計，通常包括工況的計算，及消能防沖設施的選擇。在設計過程中，要對海漫長度及河床沖刷深度進行計算，以免數據不精確而導致工程的設計標準較低，使得消能防沖設施受到水流沖擊的破壞。另外，在水閘的防沖設計中，為使下游相應水位較低，其水閘泄放，要符合洪水實際流量情況。當前，人類活動日益頻繁，再加上氣候、環境的改變，使得水文狀況也發生了較大的改變，所以在設計過程中，要結合多種因素進行綜合性考慮，確保最低水位與最高蓄水位符合河道地形變化狀況。

3.4 水閘排水設計

水閘的排水設計，主要包含了防沖槽、排水孔、閘基防滲面層排水三方面的內容。其中，水利工程中的防沖槽為水閘關卡末端的加固基礎設施。相對來說，水流在通過關卡時，因關卡作用，水流能量與水流速度通常會變得較為緩慢，而在通過關卡末端時，其沖擊力又會恢復原來的數值。這種強大的水流沖擊力，很容易對河床造成較大的危害。因此，在水閘設計中一般會在關卡的末端設置拋石防沖槽，以確保水閘的安全性能。而消力池底板，通常會承受來自不同因素的荷載，包括水流沖擊、水流脈動壓力等。在閘基防滲面層排水設計上，由于河道上下游的水位差較為明顯，因此水流強力作用較大。因此，就要進行系列的排水活動。通常，上游水滲透到河床后，會通過閘底板、板樁以及防滲鋪蓋，之后才會通過消力池，而在通過消力池時，由于反濾層排水孔的作用，能夠讓水流順暢的進入到下游，避免了較大水流的沖擊。在地基滲水上，若是排水性能差，不僅會威脅到水閘的穩定性，而且會導致地基質量受到較大的威脅。因此，將要將防滲止水設施布置于高水位，通過板樁、鋪蓋或是淺齒墻、濾水層等形式，將底板上游滲透路徑進行有效延長，進而減小消力池底板上的滲透壓力，促進排水。

3.5 底板高程設計

在水閘設計中，確定水閘的底板高程也較為重要。通常，水閘質量與是施工工藝、工程造價、閘底板高程等有著直接的聯系。因此，要對工程概況進行深入分析，并秉承認真、負責的原則。從多層次、全方位考慮閘底板的高程，確保其運行符合地質狀況、水文狀況。一般來講，若是閘底板的高程過低，很容易致使攔河閘功效受限，并對防沙沖布置、閘門啟閉力等造成較大的影響。同時，還會大大增加地基的開挖處理難度。所以，在水閘設計中，要正確選擇閘底板高程，確保設計方案的可行性、科學性、規范性，進而真正發揮泄水、擋水的作用。

4、軟土地基水閘設計要點

在水利工程建設中，通常會遇到軟土地基，該種地基若是處理不好，很容易對水閘治療造成較大威脅。因此，還需要在設計過程中提高重視度，通過利用半解析法及有限元法，確保設計質量。

（1）半解析法。半解析法適用于一般的水閘結構，主要是將上部的桿系結構與平面地基視為子結構，利用地基與剛性鏈桿替代底梁間的聯系，來用桿系有限單元法，對上部結構的底梁單位位移進行計算，并算出各平面地基的模型單位沉陷系數及地基反力。之后，結合疊加原理，利用限單元法計算整體結構的內力及位移（如圖1所示）。這種平面水閘結構充分考慮了水閘的閘墩與底板、地基之間的相互作用，較適用于軟土地基中不同的水閘結構形式。

（2）有限元法。有限元法主要是用于求解復雜工程的一種方法。在利用有限元法進行水閘結構設計與分析時，通常需要將整個水閘與地基看做一個整體，結合空間有限元方法，來對結構予以靜動力分析，并利用直接濾頻法，來對結構自振特性進行計算，之后再結合振型分解反應譜法，來對其抗震予以分析（如圖2所示）。在設計中，要將空間應力轉變為平面內力，對底板、地基、閘墩之間的相互作用進行充分考慮，以便更好地處理各類復雜幾何、物理、荷載條件，反映出實際工程狀況。

5、結束語

水閘在水利工程建設中具有重要的作用，不僅能夠擋水，而且泄水效果也較顯著。因此，在水閘設計中，要結合工程實況，對周邊地理環境進行詳細的分析，依據規定要求予以設計，進而大大提升水閘的設計質量。

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