水利工程中水閘閘室與岸墻分離式設計研究

余鐘洋

(廣東華鼎新維設計工程有限公司，廣東 梅州 514000)

0 引 言

如今國家廣泛宣傳可持續理念，所以在可持續發展理念不斷發展的情況下，水資源就成為了國內各界的重點關注對象。而水利工程隨著社會經濟的發展而不斷擴大建設規模，在水資源的利用與保護方面也起著十分重要的作用。在水利工程建設中，水閘設計是一個核心環節，對于防范洪水、水路運輸、農田灌溉和排澇抗旱等功能的發揮均會起到非常重要的作用。所以需要對水利工程的設計中存在的一些缺陷和問題進行研究和討論，并找到收益最高的解決方法，以提高水利工程的整體質量，使該工程能充分發揮其功能[1]。

我國部分地區地勢較為平緩，農業發展很好，易出現洪澇現象，為防止洪澇災害的發生，滿足農藥灌溉和水源運輸的需求，我國大部分的水利工程都需要修建水閘[2]。由于混凝土結構整體的完整性強、材料密度大，所以閘室多采用整體式結構，閘室與岸墻的連接方式多采用分離式結構，閘墩需要至少與一側的底板進行連接。這樣可以使閘室的整體性好、密度大，可以減少很多質量問題[3]。而且在不同的河道中，如果想有效地控制河流的流速、流量和水面高度，或者防止泥土在渠道中沉積也對建設水閘提出了要求。不僅可以用水閘擋水，還可以利用水閘泄洪，通過控制閘門的開關還可以調節渠道中水面的高度。

為了減少水利工程中水閘建設的地基沉降量，進而提升水利工程的工程質量，文章針對水閘閘室與岸墻分離式設計進行研究。

1 工程概況及準備

文章以某水利工程為例，通過建設公路橋、水泵站、水閘，對整體水利工程進行施工。泵閘為運輸的樞紐部分，水閘需要使用高密度、延展性強的材料。水閘處于公路橋兩邊的閘墩中，閘墩的最上面設置公路橋。接著在底板上設置十個排水孔，中間位置的最上面設置交通橋，中間的閘門為1000m寬，兩側的閘墩設置為500m寬。兩側的閘墩是對稱的，閘墩也被當做橋墩使用。

接下來采用分離式方法來對閘室結構進行設計，采用底板結構型式的建設方法對交通橋進行搭建。這樣在水閘下方的交通橋的橋面也不會出現被淹沒的情況，可以保證公路上面的行車安全。接著在閘墩的中間部分安裝弧型支架，這樣就不用再單獨安裝其余的支架來支撐橋面，這樣可以使閘室占用的空間變小。而且采用分離式方法搭建的閘室的受力點相對來說更加均勻，所以在閘墩之下施工時，要采用灌柱來支撐橋面，這樣可以使地基的承受能力大幅度地提升，可以有效防止地基出現塌陷或下降的情況，最后水閘的底板只需要進行基礎的材料填充，不用進行更精密的材料處理，這樣也能在一定程度上減少施工資金[4]。

分離式的結構設計相對整體式結構在費用花費、功能效益等方面都具有明顯的優勢。

2 基于止水技術的水閘閘室與岸墻分離式設計

2.1 設計岸墻結構

在水閘搭建之前先進行岸墻的設計，岸墻是閘室與河邊連接和過渡的不可缺少的一個環節，其主要作用是保護河岸不塌陷。還可以減小地基壓力對閘室產生的影響，并對閘室結構進行整體性的優化，增大滲透密度等。岸墻一般為鋼筋混凝土結構，上部設承重梁，中部為空心設計，可以節省資源，這種結構可以依靠自身的重量平衡來維持結構的穩定。如果施工過程中操作不當，岸墻與閘室間的水面差會變大，使部分底板開裂或止水閥被拉裂，就會發生漏水的情況，甚至還會導致閘室被擠壓發生形變、使水閥開啟變得困難[5]。所以岸墻與閘室的連接方式對水閘的質量安全有很大的影響。因此對連接方式的合理選擇是施工人員所要思考的主要問題。

施工時對岸墻和閘室的結構進行分離式設計，在河邊的兩岸進行對稱搭建，整體結構為鋼筋混凝土結構。岸墻上流的長度為2km，水閘的底部寬500m，對稱的圍墻寬400m。設置岸墻的底板厚度為50m，兩邊的寬度為30m，連接處的寬度為10m。為了施工進行得更加方便，要在中間設置一道水平的隔板，以增加岸墻的抗壓性。岸墻的前部與閘室的兩邊的閘墩的平行距離為20m，兩面墻之間需要填上填充材料。岸墻的上面板為鋼筋搭建成的金屬板，其中橋面板厚50m，其余面板厚度為30m。岸墻的下游上空設置交通橋，和水閘上方的公路橋施工情況相同。為增加岸墻的抗水壓力，采用4層的磚石混合結構。為了增強岸墻的摩擦力，減小地基的壓力，在填土時需要設置多個隔欄，使露出的墻面形成混凝土鋼筋結構。為了增加岸墻的穩定性，需要減小地基面積，混凝土結構的墻體的底高設定為20m。需要鋪設20層鋼筋材料，地面以下鋼筋長度5m，地面以上的長度為10m。岸墻中的抗壓面采用剛性材料，排水面要控制滲漏情況，維持滲透性能的穩定，減少水沖擊力帶來的摩擦效果。

2.2 設計閘室

為了增強閘室結構橫向的緊密程度，在閘室中層設置橫梁[6]。橫梁需要從上游開始，往下游進行等距的布設，布置間距一般為20m。中隔梁也可以在主門閥位置時作為胸墻使用。閘墩采用鋼筋混凝土結構，中間的閘墩厚，兩邊的閘墩較薄。一般主門閥都設立在在閘墩偏上游的位置，門閥寬2m。在主門閥的上游和下游分別設一道檢測閥門，檢測閥門為1m寬。在頂部的主門閥兩側搭建檢修通橋，橋面高10m，寬4m。閘室的下游設置一道公路橋，長10m，寬6m，兩邊各設一條人行通道。為了增強結構總體的堅硬程度，對通橋和公路橋進行現場的混凝土澆筑，閘墩進行緊密地連接。基于止水技術的設計，需要在閘墩頂的主門閥兩側安裝止水控制臺支架，架柱斷面的面積為3m2，閘墩中間設置一道橫梁，頂部設置承重梁，梁斷面的面積為5m2。支架上面分為控制臺與發電機，控制臺的支撐梁為雙T型結構，控制臺總寬為5m。根據《水閘設計規范》(SL265-2016)計算閘門閘孔的寬度，具體如式(1)所示：

(1)

式中：B為閘孔的寬度；Q為引用流量；ε為堰流側收縮系數，設為0.8；σ為堰流淹沒系數，設為0.95；H為閘孔下水的深度；g為重力加速度為9.8m/s，通過計算得出其兩側孔口的寬度為5m。

2.3 設置過渡帶

為了防止岸墻和閘墩之間會因為水的流動引發長期的摩擦，所以必須在他們之間設置過渡帶。過渡帶可以使兩者之間保持足夠的距離，接著利用連接物將過渡帶和墻體連接起來。在河岸的上、下游和中間位置都要設置連接物，并在他們中間設置對應的水閥，確保該連接物下方的地基不會出現沉降和漏水的情況，而且閘室兩側的連接物需要采用混凝土澆筑的方式來搭建。等到工程馬上完成時，而且地基的沉降程度基本穩定之后，再進行第二次的混凝土澆筑。這樣可以使兩側墻體的使用有效期變長，使地基的沉降量大大減少。有一些建設地點還存在軟土地基，為了減少其土質帶來的不利影響，在搭建過渡帶之后也要利用止水技術對地基進行處理。根據《水閘設計規范》(SL265-2016)計算過渡帶的總長度和寬度如公式(2)所示：

Q1=u×(w+p×b)∑δ′

(2)

式中：Q1為止水抵抗指數；u為摩擦系數；w為摩擦阻力；p為過渡帶表面的平均水壓；b為過渡帶受壓寬度；δ為過渡帶總長。通過計算設置過渡帶的寬度為2m，墻間需要回填黏性土，過渡帶的總長度為3m。

2.4 布置地基

由于岸上的地質條件和地基會對工程有一定的影響，所以不同地基的岸墻受力大小也有所不同。因為軟弱地基經常會被水淹沒從而變的泥濘，所以文章選用止水技術來降低土壤的水澇程度，使土壤變得干燥，減少土壤之間的裂縫。對于泥濘的土壤我們有兩種處理方式，可以選用混合石料來增加土壤的密度，使水分相對整體的比例來說有所減小，而且砂石還可以增強其承重程度。還可以采用壓力機制對地基進行局部施壓，使一部分的水排出土壤。這樣可以減小土壤的泥濘程度，還加強了地基的穩定性，從根本上改變了軟土地基的材料質量問題，使地基變得更穩固。

對于軟土地基我們要從土壤的本質上對它進行改進，文章選用砂石來進行混合，砂石在承重和透水的效果上有特別突出的優勢，不會像沙土一樣只要遇到水就會變成一灘泥。為了進一步加強此地基區域的承重能力，在進行填埋的時候要對混合材料進行壓實，這樣可以減少泥土之間的縫隙。在有強力的水通過時，才能抵抗住流水帶來的壓力。在對地基進行挖掘時，我們還需要考慮軟土有多深。太多的挖掘會導致地下的土壤結構被破壞，而且還會浪費更多的資金。所以在進行地基搭建前，要精準測量軟土的深度，并選擇適合的泥土進行填充，保證填充材料的質量，這樣才能使之后的施工可以更好地完成[7]。

在施工的前期，由于岸墻會不斷地受到土壤擠壓，會導致向前傾斜。在施工后期地基會開始沉降，水的沖擊壓力也會越來越大，也會導致岸墻后倒，所以工程設計時應避免岸墻長期受到擠壓或摩擦。施工時閘室內的連接物在垂直鋼筋位置進行混凝土澆筑，在工程快要完成時或者地基已經沉降到一定程度時，再進行第二次混凝土澆筑，這樣可以使兩個岸墻之間的沉降程度減小。文章使用復合材料來搭建地基，并在地基結構中安裝土木格來減少結構上的水平方向壓力，減少地基與水閘之間的高度差，增加整體地基的穩定性。

3 施工結果及分析

對整體的工程結構進行分析，受施工條件的影響，施工步驟如下：先對岸墻地基進行處理，地基結構中采用支撐柱處理，渠道的上、下游兩側和中間部分設置過渡帶。而且施工過程需要的速度需要下降，這樣可以更好地觀測地基的沉降程度。該水利工程的水閘設置于兩側閘墩中，閘墩上方設置公路橋，底板處設置10個排水孔，在其上方設置交通橋。中間閘門寬為1000m，兩側閘墩寬為500m。現根據《水閘設計規范》(SL265-2016)計算沉降量，具體過程如公式(3)所示：

(3)

式中：S為最終的地基沉降量；n為地基中的受到壓力的層數；e1i為第i層土在平均自重應力作用下的壓縮向量的孔隙比；e2i為第i層土在平均自重應力和平均附加應力作用下的壓縮向量的孔隙比；hi為第i層土的厚度；m為地基沉降量的修正系數。比較預測結果和實際測量結果的沉降量如表1所示。

表1 沉降量對比表

通過預測沉降量和實際測量沉降量的對比，發現在同一層數下，基于止水技術的水閘閘室與岸墻分離式設計可以減少地基的沉降量可以使工程的保質期延長。

4 結 語

岸墻與閘室分離式的設計方法可以選擇適用各種地基的不同類型的水閘，確保能夠有效地進行止水。結合以上所說，在閘墩下面設置灌樁之后，底板的下表面就不需要進行混凝土的澆筑，節省了不少的施工開銷。在以后的研究中，更要深入研究閘墩的基礎地基，采用更好的地基材料可有效減少閘室地基出現沉降的情況。對于底板的上表面和閘墩中的水面高度位置要進行更細致的計算，這樣可以防止垂直的受力鋼筋被壓壞，不但方便了施工人員對閘門的搭建還保證了整個水利工程的質量。