小型水閘上游連接段的結構型式

周海輪

(商丘市水利建筑勘測設計院，河南 商丘 476000)

1 前言

隨著國家經濟不斷發(fā)展，水利工程建設也在逐步完善，在一些小型河渠上，一座又一座的小型水閘不斷建成。上游連接段作為水閘工程中一個重要的組成，承擔著導流、防滲、擋土的作用，其結構型式設計是否合理關系著整個水閘建設的成敗，在水閘設計過程中，應充分考慮水閘整體布置、地質條件以及當?shù)亟ㄖ牧系墓闆r等因素，合理選擇水閘上游連接段的結構型式。

2 常用結構型式

對于梯形河渠土基上的小型水閘，上游端與河渠連接處一般采用與河渠相同斷面的護坡+護底的結構型式，材質可以選擇混凝土、漿砌石等，對于該段的結構型式此處不作分析。本文著重論述梯形斷面與閘室段之間連接段的結構型式，并對常見的幾種型式進行優(yōu)缺點分析。

在小型水閘設計過程中，常用的上游連接段結構型式有：①扭面+鋪蓋；②矩形槽鋪蓋+上游導流段；③擋土墻+鋪蓋防滲+上游導流段；④圓弧翼墻(八字墻)+加厚護坡+鋪蓋；⑤圓弧翼墻(八字墻)底板連接鋪蓋防滲+護坡導流。

2.1 扭面+鋪蓋

兩側采用扭面連接閘墩與上游護坡，底部采用鋪蓋。扭面一般采用漿砌石結構，鋪蓋多采用混凝土或鋼筋混凝土結構。

當然，扭面也有選用混凝土結構的，但因模板施工比較困難，一般很少采用。

優(yōu)點：上游連接段長度較短，空間布置緊湊；節(jié)省工程量；水流平順。

缺點：漿砌石的防滲性能相對混凝土較差，經常需要在墻后鋪設土工膜增強鋪蓋段的防滲性能；扭面后回填土壓實困難，容易形成側向繞滲；由于環(huán)保政策限制，現(xiàn)在多地石料限采，造成石料采購困難；部分地區(qū)缺少有經驗的砌石工人，質量不易保證。

因此，這種結構型式多用于石料容易采購、閘室段已滿足或已基本滿足防滲要求，對上游連接段的防滲效果要求不高的小水頭水閘。

2.2 矩形槽鋪蓋+上游導流段

鋪蓋段采用落地矩形槽防滲，上游專設導流段。導流段可采用扭面或圓弧翼墻(八字墻)+護坡的結構型式，如果擋土高度較大或河坡較寬，擋土墻可采用臺階式分段布置。

優(yōu)點：矩形槽為整體鋼筋混凝土結構，對閘基滲流的防滲效果非常好；上游導流段擋土墻對側向繞滲有較好的防滲效果；矩形槽是對稱式的整體構件，不需進行抗傾覆、抗滑的穩(wěn)定驗算；矩形槽一般自重較輕，基底接觸面較大，平均地基應力小。

缺點：工程量較大；若鋪蓋段、閘室段和消力池段都采用直墻，對于小孔徑的水閘來說，外觀上比較狹窄細長，尤其對于閘墩較高的，更是缺少協(xié)調感；對于閘室總凈寬較大的水閘，鋪蓋段矩形槽底板中心的彎矩較大。

因此，這種結構型式多用于閘室段防滲長度不夠、閘室總凈寬較小、水閘布置空間充足的水閘。

值得一提的是，當水閘在順水流方向布置長度受限，或者渠道較寬而流量較小采用小孔徑水閘時，也經常不設置導流段，而是采用與河道水流方向垂直的角墻式翼墻。不過這樣會在兩側翼墻的上游形成回流，可能引起沖刷，并且影響水流均勻進入閘室，進而影響下游流態(tài)。故這種角墻式的布置方式一般僅用于水頭較小、流速不大的水閘。

2.3 擋土墻+鋪蓋防滲+上游導流段

這種結構型式與型式②基本一致，唯一區(qū)別在于鋪蓋段不再是一個整體的矩形槽，而是擋土墻+鋪蓋底板，并在墻底與鋪蓋之間做止水連接。鋪蓋的基底應力與上部荷載為同等大小的均布應力，不再受彎矩作用，可以不受跨徑的限制，適用于閘室總凈寬較大的水閘。

值得一提的是，當采用這種結構型式時，要做好兩側擋土墻的穩(wěn)定驗算和結構計算，并應分完建期、正常蓄水、設計洪水、水位驟降、正常蓄水+地震等工況分別計算，計算量較大。另外，在方案比選過程中，經常會有相關參數(shù)(如特征水位、墻頂高程、墻底高程等)不斷變化，這就使設計工作者的工作量大大增加。當然，現(xiàn)在計算機技術比較發(fā)達，可以借助軟件。不過目前很多軟件也有各自的優(yōu)點和局限性，例如，“百圖軟件”可以計算沒有墻踵的擋土墻，但是不能計算加凸隼的擋土墻，抗滑容易不滿足要求；“理正軟件”無法模擬沒有墻踵的情況，但可以計算加凸隼的擋土墻，抗滑易滿足要求，但不均勻系數(shù)不易滿足要求。在實際計算時，可以兼顧使用兩個軟件，分別計算抗滑(用“理正軟件”)與地基應力(用“百圖軟件”)。

2.4 圓弧翼墻(八字墻)+加厚護坡+鋪蓋

鋪蓋段兩側采用擋土墻，墻面與鋪蓋之間的三角區(qū)按照與上游河道邊坡同等坡度進行回填土，并做混凝土護坡，為達到防滲要求，護坡厚度應≥0.40 m，護坡與擋土墻及鋪蓋之間均應做止水連接。

這種結構型式優(yōu)點明顯，由于三角護坡的存在，鋪蓋段具有導流作用，不需要再專設上游導流段，縮短水閘長度，減少占用空間；兩側擋土墻采用俯斜式，墻后填土易于壓實，避免了扭面后容易產生側向繞滲的不利情況。

不過缺點也一樣明顯，三角區(qū)護坡作為鋪蓋段防滲體的一部分，其防滲作用與鋪蓋同等重要，其兩側的擋土墻和鋪蓋一般均坐落在原狀土上，而三角區(qū)護坡卻坐落在回填土上，故此處對回填土壓實度的要求很高，但邊角地帶正是不易壓實的部位，一旦出現(xiàn)不均勻沉降，很容易造成混凝土開裂或止水撕裂形成裂縫。不論鋪蓋的建設厚度為多少，只要其出現(xiàn)了裂縫，就不具備相應的防滲功能了。另外，這種結構型式工程量較大，投資較高。

2.5 圓弧翼墻(八字墻)底板連接鋪蓋防滲+護坡導流

這種結構型式與型式③在外觀上類似，區(qū)別在于鋪蓋底板向兩側延伸至擋土墻前趾并做止水連接，形成一個穩(wěn)定的封閉防滲體，鋪蓋兩側上方的三角區(qū)護坡僅起導流作用。當采用這種方式布置水閘時，由于三角區(qū)回填土不易壓實，護坡應盡量采用預制塊或其他抗變形能力強的護坡型式。

這種結構型式具備型式③的所有優(yōu)點，并且鋪蓋段的防滲效果更有保障。但是工程量更大，投資更高；擋土墻施工使得上游護坡只能坐落在回填土上，且邊坡土體不易壓實，容易產生不均勻沉降；另外，由于鋪蓋兩側上方做有導流護坡，對于鋪蓋來說，出現(xiàn)了“挑扁擔”的情況，在中心線位置會出現(xiàn)彎矩，鋪蓋應根據(jù)受力計算進行配置鋼筋。水閘孔徑越大，彎矩越大，故這種結構型式一般用于小孔徑的水閘。

3 整體導流式鋪蓋

“整體導流式鋪蓋”概念已在河南商丘地區(qū)的多座小型水閘中使用，取得了不錯的應用效果。

與矩形槽式鋪蓋不同，整體導流式鋪蓋除了具有防滲、擋土的作用，還兼具導流功能，建成之后在外觀上與文中型式③、型式④類似。其結構設計如圖1所示。

圖1(a、b、c) 整體導流式鋪蓋設計示意圖

整體導流式鋪蓋上游端連接護坡、護底，斷面與河道設計斷面相同。下游端連接閘室，為矩形斷面，凈寬與閘室總凈寬相同，并與閘室做止水連接。中間典型斷面為漸變段，從上游到下游，護坡高度不斷降低，邊墻高度不斷加深，形成一個三角坡，其垂直水流方向的坡度與上游梯形河道的設計邊坡一致。值得一提的是，若采用此種結構型式，在基坑開挖時，應按照設計斷面進行開挖，盡量使包括三角坡在內的整個底板坐落在原狀土上，并且，三角坡與底板組合為一個整體的折線式底板應同步施工。

以完建期為例對整體導流式鋪蓋進行受力分析，鋪蓋上游端是一個完全坐落在原狀土上的折線底板，自重應力直接傳遞到地基上，結構本身基本不受內力。

下游端是矩形結構，兩側邊墻承受土壓力而產生彎矩，墻底處彎矩最大。底板承受邊墻傳遞下來的結構自重和地基反力，對于矩形槽結構，底板端部基底應力大于平均基底應力，端頭應力較大，跨中應力趨于均布。但對于小型水閘，可以按照倒置梁法簡化計算，認為地基反力均勻的作用在底板上。在完建期計算工況下，地基反力對底板產生的負彎矩與兩側邊墻傳遞至底板的彎矩方向相反，故底板的彎矩與跨徑、墻底彎矩大小有關。當跨徑較小時，底板中心不會產生負彎矩，底板最大彎矩值位于兩側，大小與墻底彎矩接近，底板的底層為受拉面。隨跨徑的增大，跨中負彎矩逐漸增大，底板中心上表面為受拉面，兩側的受拉面仍在底層。

除了上、下游兩個端面外，整體導流式鋪蓋的斷面型式為折線型。承受側向土壓力的只有邊墻，其形狀為三角形。底板兩側的三角區(qū)與上游河道邊坡坡度一致，而河道自然邊坡一般較緩，故三角區(qū)一般不會產生側向土壓力，而是與底板一起形成一個整體的折線式底板共同承受地基反力。相對于矩形結構而言，由于邊墻高度小，土壓力明顯減小，按照非粘性土計算，土壓力合力僅為同等長度矩形槽的1/3，而水閘作為一個蓄水建筑物，兩側填土一般都采用粘性土，粘聚力的存在使回填土頂部一定高度范圍內不會產生側向土壓力，這樣就使土壓力減小的比例更大，即土壓力合力不足同等長度矩形槽的1/3。另外，由于邊墻高度的減小，土壓力合力距離墻底的力臂高度也在減小，故可以大大降低墻底彎矩。

相對于矩形槽結構，整體導流式鋪蓋由于墻高的減小，降低了墻體自重，而折線式底板承載面積卻是增加的，這就使得基底應力較小。另外，由于底板形狀類似一個倒置的拱，所以承受的地基反力并不會全部轉化成跨中彎矩，而是會在結構內產生壓力，這正好利用了混凝土結構抗壓能力強的優(yōu)點，減小了跨中彎矩值。

綜合以上分析，相對于矩形槽鋪蓋，整體導流式鋪蓋的結構內力明顯減小。從上游到下游，邊墻及底板的結構內力值均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。不過由于它是一個整體構件，上游端的結構內力值不會是零，下游端的結構內力值也不會達到與矩形槽相同。在進行結構配筋時，上游端面附近按照構造要求配筋即可，下游端面附近可按照矩形槽結構計算的內力值進行配筋，以確保工程安全。

與其它集中結構型式相比，整體導流式鋪蓋的優(yōu)點顯著。與型式①相比，墻后填土易于壓實，降低了發(fā)生側向繞滲的風險。與型式②相比，不需專設導流段，減小了水閘總體布置長度；工程量小，投資少；結構內力比矩形槽結構顯著降低。與型式③相比，不僅縮短了水閘的布置長度，結構的整體穩(wěn)定性也更好；與型式④相比，整體導流式鋪蓋的防滲體全部坐落在原狀土上，避免了邊角區(qū)回填不密實產生的影響，防滲更有保障；工程量小，投資較少。與型式⑤相比，塢工工程量及土方開挖量都有明顯減少，節(jié)省投資，并且避免了對上游護坡的影響。可以說，整體導流式鋪蓋是型式④的升級版，是型式⑤的優(yōu)化版。

當然，整體導流式鋪蓋也有一些缺點，在臨近閘室端，跨中仍會產生彎矩，故不適用于跨徑較大的水閘；另外，由于結構的斷面尺寸是漸變的，給配筋圖的繪制、鋼筋的下料、模板的加工都帶來了一定的麻煩，造成了設計、施工的困難。

4 結語

任何一種結構型式都有其優(yōu)缺點和最佳適用條件，在工程設計時，應認真分析、計算，選擇最合理的結構型式。對于土基上的小型水閘來說，整體導流式鋪蓋相比于傳統(tǒng)的鋪蓋段型式有著顯著的優(yōu)點，是值得借鑒和推廣的。金無足赤人無完人，希望廣大水利工作者能夠在以后的工作和實踐中，進一步完善整體導流式鋪蓋的結構型式，讓它更加科學、合理、實用。