淺談水利水電工程中水庫(kù)水閘設(shè)計(jì)分析及其存在的問(wèn)題

范文仁 代興勇

昆明龍慧工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，云南昆明 650000

在水利水電工程當(dāng)中水庫(kù)水閘設(shè)計(jì)較為關(guān)鍵，其作為水庫(kù)抗洪、排澇、給水、灌溉等工作的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要結(jié)合具體的工程實(shí)際設(shè)計(jì)好水閘底板、閘墩、止水設(shè)施等。水利工程中的水閘工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中仍舊存在一系列問(wèn)題，只有了解并注意這些問(wèn)題才能設(shè)計(jì)出合理、優(yōu)質(zhì)的水庫(kù)水閘結(jié)構(gòu)。

1 水利水電工程水庫(kù)水閘簡(jiǎn)述

1.1 水利水電工程水庫(kù)水閘的主要類型

1.1.1 進(jìn)水閘

進(jìn)水閘稱為渠首閘，主要為農(nóng)田提供灌溉水，或者為其他用戶提供必要的供水，一般可以設(shè)置在水庫(kù)、河道、湖岸、渠首等位置控制線路供水總量。

1.1.2 節(jié)制閘

節(jié)制閘又可以稱作攔河閘，一般用于水位、流量的調(diào)整，可以在枯水期通過(guò)開(kāi)閉閘門抬升河道水位，以便為上游區(qū)域提供航運(yùn)條件和取水條件，在豐水期通過(guò)開(kāi)閉閘門控制河道總體流量，洪水期能夠有效控制河道下泄總流量。

1.1.3 排水閘

排水閘底板高程低、閘身高，能擋住較高的外河水位，將洼地積水排除，可以作為雙向水頭。在外河水位高度上升的時(shí)候，通過(guò)關(guān)閉排水閘可以避免外部河道的水倒灌進(jìn)來(lái)；當(dāng)河水退去后，可以將閘門打開(kāi)排出漬水，多設(shè)置在江河沿岸。

1.1.4 擋潮閘

擋潮閘具有較為豐富的功能，可以實(shí)現(xiàn)擋潮、蓄淡、排澇、泄洪的目的，并且能夠向水系提供雙向水頭作用，當(dāng)受到外部潮水影響的時(shí)候，擋潮閘可避免海水倒灌，還能抬高內(nèi)河水位，實(shí)現(xiàn)蓄淡灌溉；在退潮時(shí)可進(jìn)行排澇，在內(nèi)河受澇期間具有重要作用，對(duì)于建有通航孔的擋潮閘，可以在平潮時(shí)期實(shí)現(xiàn)通航。

1.1.5 分洪閘

分洪閘泄水能力高、分洪能力強(qiáng)，多建于江河適當(dāng)?shù)囟我粋?cè)，若洪水較大，并到達(dá)相應(yīng)的閘口位置時(shí)，可以通過(guò)開(kāi)閘分泄，確保河道內(nèi)的洪水不發(fā)生外泄，直接進(jìn)入閘后蓄洪區(qū)、滯洪區(qū)、其他支流等分流區(qū)域，能夠大大降低洪水對(duì)下游區(qū)域生產(chǎn)生活的影響。

1.2 水利水電工程水庫(kù)水閘地址的選擇

水利水電工程中需要對(duì)水庫(kù)水閘地址進(jìn)行合理選擇，確定合適的選址，朝向地質(zhì)條件相對(duì)較好的天然地基。在選址過(guò)程中要全方面考慮，一般管理情況和使用要求要滿足水閘設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，在對(duì)水閘水文、地質(zhì)條件分析完成后，才能選擇巖石地基，這部分巖石地基要選擇新鮮完整的，若沒(méi)有符合條件的巖石地基，就要選擇透水性小、抗剪強(qiáng)度高、抗?jié)B穩(wěn)定性好、壓縮性低、承載能力大的土質(zhì)地基[1]。

1.3 水利水電工程水庫(kù)水閘的地基處理方式

1.3.1 預(yù)壓

預(yù)壓就是在原狀土上加載，促使土中的水排除，實(shí)現(xiàn)土的預(yù)先固結(jié)，有效減少建筑地基后期沉降，提升地基承載力。預(yù)壓的優(yōu)勢(shì)在于荷載持續(xù)保持時(shí)，其體積會(huì)產(chǎn)生較大壓縮，能有效提升水閘基礎(chǔ)強(qiáng)度。這種方式對(duì)于黏性土地基、淤泥質(zhì)土都有較好成效。其缺陷在于規(guī)定工期內(nèi)無(wú)法完成有效施工，在工期較緊的情況下，不提倡使用預(yù)壓方式，由于水閘基礎(chǔ)與河水緊密相連，無(wú)法達(dá)到有效降水的目標(biāo)，需要較長(zhǎng)周期才能解決問(wèn)題。

1.3.2 換土墊層

換土墊層是較為傳統(tǒng)的方式，其操作較為簡(jiǎn)單，在實(shí)際施工過(guò)程中使用換土墊層的方式不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。因此，換土墊層一直是首選的水庫(kù)水閘地基處理方式。

2 水利水電工程水庫(kù)水閘設(shè)計(jì)分析

水庫(kù)水閘設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分結(jié)合基礎(chǔ)資料，以此對(duì)水利水電工程水庫(kù)水閘具體設(shè)置目標(biāo)、施工實(shí)際環(huán)境條件進(jìn)行明確，然后設(shè)計(jì)水閘類型、大小、尺寸、規(guī)模。水利水電工程水庫(kù)水閘主要參數(shù)包括：出閘孔寬度、孔數(shù)、閘高、閘孔型式、閘底板高程等內(nèi)容[2]。

2.1 進(jìn)水閘的主要類型及其尺寸設(shè)計(jì)方式

渠首存在按需引水需求時(shí)，就會(huì)修建進(jìn)水閘，不引水的時(shí)候關(guān)閉閘門即可避免河水流入渠道。根據(jù)實(shí)際河道取水方式的不同，可以將其分為有壩、無(wú)壩取水兩種方式。若天然河道水量豐富、水位滿足取水條件，就能采用無(wú)壩取水方式；若天然河道水量不足、水位不能滿足取水條件，就能采用有壩取水方式，通過(guò)在渠首設(shè)計(jì)進(jìn)水閘進(jìn)行引水、河道適當(dāng)位置建立攔河壩阻斷河流，抬高水位，將水迫入水渠當(dāng)中，以便滿足水閘引水需求，進(jìn)水閘需要充足的閘孔尺寸和相應(yīng)的高度，以便獲得良好的擋水效果，減少洪水漫頂?shù)那闆r，實(shí)現(xiàn)按需引水的目標(biāo)。

水閘的種類繁多，不同水閘具有不同的優(yōu)勢(shì)和功能，在進(jìn)行水閘設(shè)計(jì)選型時(shí)要充分參照外部限制因素，不可一味的求新，必須能夠綜合建設(shè)區(qū)域地理環(huán)境、河流條件、道路特征、工程控制管理?xiàng)l件等因素，確保選定適合的水閘類型，充分滿足建設(shè)區(qū)域的使用要求。

2.2 攔河閘的主要形式及其尺寸設(shè)計(jì)方式

攔河閘的存在主要是為了達(dá)到阻斷河流、抬升水位，確保滿足渠道引水使用要求。在攔河閘應(yīng)用過(guò)程中，可以將水位抬升到正常擋水位，利用灌溉取水，具體水位數(shù)值需要根據(jù)建設(shè)區(qū)域周邊的灌區(qū)規(guī)劃進(jìn)行合理確定；在汛期，攔河閘需要及時(shí)開(kāi)閘泄水，這就需要攔河閘具備足夠尺寸的閘孔滿足相應(yīng)的洪水外泄需求，在整個(gè)汛期泄洪期間，水位都會(huì)高于閘前抬升的水位，所以，攔河閘的閘前最高水位受到閘前洪水位高低的影響。為滿足日常的灌溉引水需求，必須確定相應(yīng)的閘前抬升水位和攔河閘擋水高程數(shù)值，并且汛期洪水外泄總量與閘前洪水位的高低都會(huì)對(duì)攔河閘高度、閘孔型式、閘孔尺寸造成影響[3]。

2.3 閘門梁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

閘門整體剛度的提升能有效降低閘門運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)問(wèn)題，這個(gè)需要在閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中認(rèn)真考慮。而閘門梁系統(tǒng)的布置工作中，除底主梁外，上部主梁也要盡量等荷載布置，通過(guò)相同主梁截面，便于施工制作。而底主梁主要是采用雙腹板箱型梁的方式建造，主要是因?yàn)殚l門底檻下游側(cè)存在向下的偏角，需要通過(guò)減少底主梁以下的懸伸來(lái)降低底主梁荷載總量。與此同時(shí)，還能滿足底主梁、止水間的距離要求，這部分的距離要能夠進(jìn)行底緣布置，對(duì)于下游傾角的設(shè)計(jì)要充分依據(jù)實(shí)際使用需求，而且底主梁與底檻夾角要控制在有效范圍指內(nèi)。為了達(dá)到改善水流流態(tài)的目標(biāo)，可以使用鋼板密封底主梁后翼緣、底次梁間的空隙，對(duì)于水平次梁則可以近似按照等跨連續(xù)梁的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)使用槽鋼，槽鋼肢尖向下，避免出現(xiàn)積水、積塵問(wèn)題。

3 水利水電工程水庫(kù)水閘設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題

3.1 需要考慮沖刷問(wèn)題

在各種水閘使用過(guò)程中，需要開(kāi)閘泄水時(shí)，下游以便處于無(wú)水或少水狀態(tài)，受上下游水位差作用，過(guò)閘水流一般都會(huì)有很大的流速，較大的流速中蘊(yùn)含的能量會(huì)對(duì)下游產(chǎn)生沖刷問(wèn)題，若沖刷范圍擴(kuò)大到閘基，經(jīng)長(zhǎng)期沖刷作用，容易出現(xiàn)閘基被淘空的情況，嚴(yán)重者會(huì)造成水閘失事；另外，若水閘兩側(cè)為土層、軟弱巖層，并且水壩具有較多的閘孔，而單獨(dú)開(kāi)啟個(gè)別閘孔會(huì)形成折沖水流，嚴(yán)重沖刷下游河岸，同時(shí)給水閘造成嚴(yán)重的安全問(wèn)題。

3.2 需要考慮沉陷問(wèn)題

水庫(kù)水閘的沉陷問(wèn)題普遍存在，特別是軟土地基區(qū)域，若其具有較大的壓縮性，并且水閘具有一定自重，受水閘自重、外界載荷共同作用，非常容易出現(xiàn)沉陷問(wèn)題。而且，當(dāng)?shù)装鍌鬟f的荷載在地基上分布不均，還會(huì)出現(xiàn)不均勻沉陷，地基的沉陷會(huì)造成水閘下沉、閘室傾斜等問(wèn)題，嚴(yán)重者會(huì)影響水閘使用，在設(shè)計(jì)水閘時(shí)要考慮地基具體情況，避免出現(xiàn)沉陷問(wèn)題[4]。

3.3 需要考慮穩(wěn)定問(wèn)題

水庫(kù)水閘正常使用期間，上游攔蓄了較高水位的水流，上下游之間的水位差會(huì)產(chǎn)生水平水壓力，作用在水閘上，會(huì)使其產(chǎn)生向下游滑動(dòng)的趨勢(shì)，這就需要水閘具有足夠的重量來(lái)維持自身穩(wěn)定。然而，在水閘建設(shè)過(guò)程或枯水期，水閘會(huì)因較大的垂直載荷造成地基承載里超標(biāo)，引起地基塑性變形，造成閘基土被擠出或與水閘一起出現(xiàn)滑動(dòng)問(wèn)題。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須充分考慮基礎(chǔ)面積，降低基底壓應(yīng)力，提升水閘整體穩(wěn)定性。

3.4 需要考慮滲流問(wèn)題

擋水時(shí)，上下游水位差作用在水閘上，會(huì)在閘基、水閘與岸邊連接處產(chǎn)生滲流，滲流對(duì)水閘底部產(chǎn)生向上的揚(yáng)壓力，減小水閘重力，降低水閘穩(wěn)定性，若閘基或兩岸為土質(zhì)地基，滲流會(huì)造成土層中的細(xì)顆粒流失，在閘后出現(xiàn)翻砂鼓水現(xiàn)象，嚴(yán)重情況會(huì)掏空閘基和兩岸，降低水閘安全性[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)水閘設(shè)計(jì)工作要在現(xiàn)場(chǎng)資料、建設(shè)要求的基礎(chǔ)上實(shí)施，因此必須確保前期資料搜集準(zhǔn)確、完整，才能保障水庫(kù)水閘設(shè)計(jì)科學(xué)合理，并保障水利水電工程項(xiàng)目的順利開(kāi)展，提高對(duì)水庫(kù)水閘設(shè)計(jì)重視力度，確保水閘運(yùn)行安全、可靠，真正發(fā)揮水利水電工程作用。

[1] 湯金躍，閉文德. 水利水電工程中的水庫(kù)水閘設(shè)計(jì)[J]. 城市建設(shè)理論研究（電子版），2017（11）：170.

[2] 王藤. 水庫(kù)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題[J]. 黑龍江科技信息，2017（18）：201.

[3] 覃杰. 中小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固技術(shù)的應(yīng)用分析[J]. 建材與裝飾，2017（20）：276.

[4] 譚志軍，姜軍，傅迪. 通化抽水蓄能電站下水庫(kù)設(shè)計(jì)[J]. 東北水利水電，2017（11）：6.

[5] 黃麗琴. 水利工程病險(xiǎn)水庫(kù)的加固設(shè)計(jì)探討[J]. 江西建材，2017（24）：120.