淺談水工閘門的設計

楊再銀 李凡鑫 田軍秋

摘 要：在水工建筑中，閘門主要掌管水位的調節以及過水流量的控制兩項工作，是水工建筑健康順暢運作所必不可少的設備。閘門的工作性能較高，但初始設計、加工制造與安裝等工作均較為繁瑣復雜，任何一項指標的控制失力，均有可能造成其質量缺陷，進而影響到各方面使用性能的發揮。本文對水工閘門的設計進行了探討。

關鍵詞：水工；閘門；設計

引言

閘門是重要的水工建筑物之一，也是大壩、水電站、渠道等水利水電工程必不可少的水工建筑，其主要作用是封堵大壩、水電站、渠道等水工建筑物的進出水口，然后按照需要打開閘門放水，調整上下游的水位，排除一些沉沙、冰塊、漂浮物以及泄洪等，因此閘門的設計非常重要，它關系到閘門的承受能力以及水工建筑物功能的實現。

一、水閘的作用

水閘是一種既能擋水，又能夠在工程中泄除多余的水量，是一種依靠升降閘門來控制水位的水工建筑物。在現階段水利水電工程中被廣泛的應用在防洪、灌溉、排水、航運和發電等多個行業之中。水閘在目前水利水電工程中主要可以分為節制閘、進水閘、分水閘、排水閘、沖砂閘等，不同的水閘在水利水電工程中所發揮的作用和功能不盡相同，在很多的情況下，由于水利水電工程需要發揮多種不同的功能，因此在處理的時候，可以按照水利水電工程作用和效益的需求來進行不同種類的設計和控制，也可以將多種類型的水閘一起應用于同一水利樞紐中。

二、水閘設計原則

水閘作為水利水電工程的重要組成部分，其在設計之中容易受到施工條件、地質條件和受力條件的影響。這主要是由于其同其他建筑結構相比較有著特殊性。選址原則：在水閘建設之中，水閘選址是影響水利水電工程作用和效益的關鍵。在一般情況下，水閘在選址的過程中，首先要考慮到周圍的地質條件和水文條件，要選擇具有較高承載能力和抗剪能力的天然地基，最好是在處理的過程中能夠選擇新鮮完整的巖石作為水閘的地基，這樣不但能夠避免施工中對地基加固的施工要求，還能夠提高工程效益，增加水閘的承載力、抗剪力。如果在工程施工的過程中，地質要求無法得到良好的控制，則容易造成在施工中地基不受控制，出現地基完整性不夠和承載能力弱的現象，從而造成了水閘失事。所以在現階段工程項目中，選址問題一直都是值得關注和探索的問題，要綜合各種因素進行綜合的分析和處理，以此提高水閘的施工要求。

三、水工閘門的設計

1、水力設計

水力設計一般包括：過流能力驗算、擬定閘門控制運行方式和消能防沖設計計算。病險水閘除險加固設計時，影響水閘過流能力的主要因素包括設計水位的變化、孔口斷面尺寸和型式的變化、過水涵洞斷面尺寸以及涵洞長度的變化、消能防沖設施變化等。設計時應根據復核后的特征水位和規模，對水閘的過流能力進行復核。當采取加厚底板尺寸、加固閘墩以及增加底坎等措施時，過流面積、水流流態以及下游的出流狀態都可能發生變化，需要重新復核水閘的過流能力。尤其要注意流態的變化，需要根據實際情況而采取和原設計以及安全鑒定時不同的過流能力計算公式來進行驗算。如果水閘為穿堤涵閘，閘室后緊鄰的涵洞斷面尺寸、長度變化都可能引起過流能力的變化。尤其是涵洞延長時，尚需重新判斷涵洞的流態，即涵洞為有壓、無壓、半有壓和長洞、短洞以及淹沒出流和非淹沒出流等不同的水流型式，據此選擇合適的計算公式驗算其過流能力。

水力設計中閘門控制運行方式主要為今后水閘的管理提供技術支持。因此，對閘門的開啟程度以及相應的過流能力也應進行必要的復核計算，以方便水閘的運行管理。消能防沖設計計算時，需要特別注意特征水位變化引起的計算條件的變化，以此復核消能防沖工程能否滿足設計要求。

2、水閘門防滲排水設計

水閘的防滲排水設計主要是根據閘基地質情況及上下游水位條件等進行設計計算，其內容包括：進行水閘的地下輪廓布置，設計防滲、排水設施的型式、布置、構造和尺寸；滲流壓力計算；滲流坡降計算，驗算地基抗滲穩定性；濾層設計；防滲帷幕及排水孔設計；永久縫止水設計。除險加固的水閘應根據水閘存在的問題，按水閘實際的防滲、排水設施型式、布置、構造和尺寸進行防滲排水設計驗算。不同水閘存在問題不同，在除險加固設計時也應根據加固設計采取的措施，對改建后的排水設施進行復核計算。必須注意的是，一旦改變了原防滲措施，須對滲流壓力進行計算，因為新增的防滲設施可能會改變滲流壓力分布，影響到閘室穩定。防滲設計時，一方面要注意特征水位變化引起的計算條件的變化，另一方面，也需盡可能根據已建水閘多年觀測的數據對地質參數進行必要的復核。

3、閘室結構布置及穩定性分析

三類閘除險加固時，首先需根據新的設計條件對原結構進行分析計算，然后結合安全鑒定中結構存在的問題，采取必要的工程措施進行加固，同時按加固后的結構尺寸重新進行結構分析和穩定驗算。驗算時應盡可能考慮工程措施中新老材料之間的差異性，以及這些差異將對工程安全運行帶來的影響。

水閘結構分析及穩定計算時，其荷載的計算也應考慮設計參數的改變。同時，荷載組合中應對檢修工況荷載組合進行充分的考慮。有抗震要求時，應根據《水工建筑物抗震設計規范》的規定，對抗震設防烈度超過6度的水工建筑物進行結構抗震設計校核。

4、地基處理及設計

當水閘發生不均勻沉降或者地基總體沉降量較大時，需根據地質情況重新復核地基承載力。閘室加固、防滲措施改變時都需要重新驗算地基承載力。

由于閘基處于混凝土底板之下，且閘底板鋼筋混凝土厚度一般均在0.8m以上，鋼筋間距較小，因此，直接對地基加固有一定困難。當地基已發生較大不均勻沉降時，需根據已有地質資料認真復核地基承載力，確定合理的加固措施。必要時增加地質勘探工作，取得更為合理的地基土的物理力學指標，確保采取的措施合理、經濟且施工可行。

5、慎重對待閘底板高程的調整

當因穩定問題以及擋水等需要閘底板加固時，設計中一般會對加固后的閘室問題、底板結構進行必要的分析驗算。而在這種情況下，易于忽視因閘底板高程變化而對河流河床變形和水力參數變化的考慮。以攔河水閘閘底板高程抬高為例。首先，假設流量Q不變（恒定流）、沙粒徑D沿程不變、河寬B不變、糙率不變、河流處于沖淤平衡狀態，可以得到水流基本方程：

Q=B·C·h1/2·i1/2

式中，i是水力坡降，C是謝才系數。同時，河流基本輸沙方程為：

S=D-Pmun

S=BD-PmC（hi）n/2

式中，p和n均為指數，n一般大于4，m為系數，u為流速。根據上述假定，對比降i推導出方程：

SDPB（n-3）/3=mC2n/3Qn/3In/3

可以得出，當攔河閘閘底板高程抬高后，其上游河道河床比降i變緩，而河流寬度沒有改變，床沙粒徑D沿程不變或改變很小，在相同流量或來水過程下，水流的挾沙能力減弱，導致河流上游的淤積抬高。上游來沙將減少，將導致下游的沖刷。同時，上游河床比降變緩，同流量水位將會抬高，可能導致兩岸堤防加高。因此，當需要對閘底板高程進行改變時，須對未來的河床演變和水面線影響作出合理的預測。

結束語

水工閘門是建筑物的主要組成部分之一，其運行狀況直接影響到工程的適用性、安全性和耐久性，國內外都有因閘門故障而導致整個樞紐出事的教訓。近年來，隨著水工規模的不斷大型化，水工閘門的尺寸和荷載也不斷刷新紀錄，達到過去難以比擬的水平，閘門安全問題也顯得更為重要。

參考文獻

[1]于芳.淺析水利工程中平面鋼閘門設計[J].商品與質量，2009.

[2]宋艷，邱曉琳.平面鋼閘門設計、施工及維護淺談[J].四川水利，2008

（作者單位：山東省菏澤市鄆城縣黃河河務局）