水利水電工程中水閘施工技術與管理

唐耕耘

（安徽省水利水電工程建設監理中心，安徽 合肥 230000）

0 引言

隨著水閘在我國水工建筑的建設過程中被運用的越來越廣泛，很多學者對其相關研究也越來越深入，但由于水閘的復雜性，特別是砂土地基上的水閘設計分析等相關問題還有待進行進一步的研究。本文在前人相關研究的基礎上，結合實際的工程項目，對砂土地基上的水閘設計進行研究，從而更好地指導工程實踐[1]。

1 工程概況

某項目水閘位于漫灘之上，地形較為開闊，地面高程約為23.86m至24.15m。場地地貌單元屬風化殘丘地貌及三角洲沖積平原地貌，由第四系海陸交互相及沖、殘積物組成。根據鉆探揭露，場地地層上部覆蓋層為第四系（Q）土層，依其成因類型自上而下分為海陸交互層（Q4mc）、沖積層（Q4al）、殘積層（Qel），下伏基巖為花崗巖。

表1 土層物理力學參數表

從上表可以看出，地表土層為礫砂層，水閘地基位于礫砂層之上，需對砂性土地基上的水閘進行設計。

2 水閘結構與地基相互作用相關基本理論

水閘建筑結構通常建設在土層地基上，土層地基與水閘結構間的摩擦力直接決定了兩者之間的有效應力、彎矩和變形。在現階段，大部分學者僅僅在進行水閘設計過程中假設水閘結構與地基土之間的接觸面為粗糙的，這往往會使得計算結果與實際情況相差很大[2]。基于此，可以采用有限元單位計算方法，在考慮水閘基礎與地基接觸面粗糙的同時，還可以考慮作用在接觸面上非線性的應力-應變關系，這樣計算出來的結果與往往與實際情況更為接近。采用有限元法對水閘建筑物結構基礎與地基進行分析時，在實際工程過程中，通常會進行兩個極端假定：（1）假定接觸面為固定支座，水閘結構與地基之間不發生相對變形，僅傳遞應力和彎矩；（2）假定接觸面為滑動的，即水閘建筑結構基礎與砂土地基之間無摩擦力的作用，不產生彎矩，不存在水平力，只傳遞豎向力。通常情況下，水閘建筑結構基礎與地基土之間的相互作用位于兩種假定之間，通過結合實際接觸面的情況，水閘建筑結構的材料，砂土的內摩擦角等，選取兩種假定之間的某個特定點進行分析[3]。

3 險情分析

（1）泄流沖刷過程：在進行水閘設計過程中，其中泄流過程中對砂土地基土的沖刷是研究的重點難點，在進行泄水時，由于下游水位較低，上下游之間的水位差相差較大，此時水流產生的動能很大，對砂土地基的沖刷嚴重，一般情況下，在水閘進行泄流之前，會設置消力池，消力池會卸載大部分水流動能，殘余動能對砂土地基土進行沖刷，當沖刷力較強且持續時間較長時，水閘地基砂土被水流攜帶沖入下游，造成水閘地基板底脫空，水閘失穩，造成工程事故。（2）水力分析：水力的大小主要取決于上下游之間的水位差，當水位差大時，產生的水力大，反之，當水位差較小時，產生的水力較小。在放水條件下，基本情況下均為緩流放水，且通過消力池的消能，產生的水力值基本上在控制范圍內。當在惡劣情況下放水，或者在不對稱情況下開啟水閘閘門時，其產生的水力值往往較大，且其水力值的作用方向往往具有不確定性，從而水力對砂土地基進行沖刷，裹挾砂土沖下下游，造成底板脫空，水閘基礎出現不均勻沉降或者下沉，造成工程事故[4]。

4 破壞原因分析及采取的對策措施

通過上述分析，可知在砂土地基上進行水閘設計，其沖刷破壞的主要原因有以下幾種：（1）消力池作用有限：消力池對水力的減弱能力較少，使得作用在砂土地基上的水力值較大，水力值過大對砂土地基進行沖刷，造成破壞；（2）水閘設計不合理：水閘設計呈不完全對稱結構，導致水閘上面的受力不均衡，在相對薄弱區域，由于水力沖刷，造成底板脫空，使得水閘下側的砂土流失，造成結構失穩；（3）砂土層性質：當砂土層內摩擦角較少時，更容易出現破壞。針對上述問題，采取的主要應對措施有：①增加消力池的消力效果，將大部分水力值消耗在消力池中，減少水力對水閘下砂土地基的沖刷；②水閘采用對稱結構，且保證在開閘過程中對稱，使得受力均衡，使沖水壓力較為均衡的作用在水閘上；③在水閘施工過程中，應確保施工質量，特別是對于一些搭接縫的處理，采用全封閉措施，防止應水壓力過大在水閘部分區域發生滲流，造成水閘破壞；④當砂土層內摩擦角較小，土層性質較差時，在進行水閘施工前，可對砂土地基進行地基處理[5]。

5 結語

本文在結合前人分析成果的基礎上，結合實際工程項目，對砂土地基上水閘設計進行分析研究，得出如下結論：

土層地基與水閘結構間的摩擦力直接決定了兩者之間的有效應力、彎矩和變形，其中有限元單元分析因考慮了水閘和砂土地基之間的各種因素，這樣計算出來的結果與往往與實際情況更為接近[6]。在出現險情時，主要原因是因水力值過大導致砂土地基上土層被水流攜帶沖入下游，造成水閘地基板底脫空，水閘失穩，造成工程事故。

結合工程實際，得出在砂土地基上進行水閘設計，其沖刷破壞的主要原因有以下幾種：（1）消力池作用有限；（2）水閘設計不合理；（3）砂土層性質。采取的主要應對措施有：①增加消力池的消力效果；②水閘采用對稱結構；③在水閘施工過程中，應確保施工質量；④可對砂土地基進行地基處理。