水利水電工程中的水閘設計問題及其優化措施

謝麗萍

（湖北省水利水電規劃勘測設計院，武漢 430070）

1 引言

水利水電工程是我國重要的民生工程，水閘在水利水電工程中起到了不可替代的作用，水閘是水利水電工程中重要的水工建筑物，既是擋水建筑物，也是排水建筑物，其主要作用為控制水流[1]。水閘的建設位置大多數位于平原河網地區交叉河口附近，為了保證水閘的穩定性，行進閘基選址時，應盡量選擇在地形簡單、地基結構穩定且地下水位低的地點[2]。進行水閘設計時，根據水閘建設位置的選擇，需要對水閘結構的穩定性、滲透問題、沉陷問題、沖刷問題進行特殊考慮，確定水閘的地基承載力、滲透壓力以及消能防沖計算，從設計方面增強水閘結構的自身穩定性[3]。

根據水閘設計步驟，一般在進行水閘設計時，僅考慮了地基承載力的計算，未考慮水閘的防沖防滲計算，沒有根據水閘建設位置以及閘基狀況確定水閘的類型[4]。本文通過對湖北省某水利水電工程中水閘結構設計研究，梳理水閘設計中存在的問題，并針對具體問題提出結構設計優化措施，以提高水閘結構的穩定性。

2 水利水電工程中水閘設計問題

本文以湖北省某水利水電工程中的水閘結構為例，分析水閘設計過程中存在的具體問題。

2.1 工程概況

湖北省某河道上準備建設一水閘結構，作用是通過水閘控制水位，用以農田灌溉。水閘極限控制流量約360 m3/s，可滿足大量農田灌溉需求。水閘除了滿足農用外，仍需滿足排洪排澇功能，依據規范需要滿足5 a 一遇的排澇任務和20 a 一遇的排洪任務。5 a 一遇規劃設計除澇流量Q=260 m3/s，水閘建成后相應閘下游水位為39.9 m，要求泄洪時閘上、下游允許水頭差h≤0.1 m。20 a 一遇洪水校核流量Q1=550 m3/s，閘下游相應水位41.8 m，要求建閘后泄洪時上、下游水頭差h≤0.2 m。正常灌溉水位為41.0 m，該河經治理后的下游河道水位流量關系見表1。

由工程概況可知，該水閘位于平原區河道，作用為農田灌溉與排洪排澇，根據SL 265—2016《水閘設計規范》，可以在平原區地基穩定處建設水閘，依據水閘作用可選用節水閘，節水閘主要可以滿足對河流流量及水位的控制，能夠為農田灌溉提供良好支撐，并且節水閘設計簡單，占地面積較小，針對流量在100~1 000 m3/s 的中型水閘可以滿足使用要求。但是在進行水閘設計時遇到以下4 個問題：測繪精度低；忽略了防沖刷防滲透設計；水閘類型選擇不合理；閘室底板選擇不合理。

表1 河道水位流量關系表

2.2 測繪精度低

在湖北省某水利水電工程水閘的設計過程中，采用測繪技術方法得到河道及周邊建筑的全方位準確坐標信息，測繪精度決定了設計的合理性。水利水電工程的測繪與土建測繪不同，其測繪位置在岸上，測繪作業時往往會出現岸上坐標與河道內部坐標超限的問題，除了作業場地原因外，主要原因是設計人員對于測繪操作不熟練，在使用GPS 進行測繪時沒有對現場進行整體測繪控制，造成控制點坐標不準確，得到的測繪數據沒有固定解，數據結果超限，在進行地形圖繪制時，由于控制點問題造成地形圖偏差，影響了水閘設計，使水閘位置與設計位置出現偏差，造成水閘整體位置偏移。

2.3 忽略防沖刷與防滲透設計

水閘的防沖防滲設計主要考慮閘基的地質情況、閘基兩側輪廓線布置以及上、下游水位差。根據工程概況可知，該水閘位于平原地區，根據我國地區土質分類，該水閘結構地基為土基，對于建在土基上的水閘，需要計算水閘基底和側向抗滲穩定性，通過計算保證水閘地基的穩定性。但是在該水閘設計時，由于注重考慮水閘作用最大化，盡可能擴大灌溉面積與排洪水量，忽略了對水閘防沖防滲功能的設計。雖然本項目上下游流量差較小，但是河道周圍有大量農田，在農田施肥過程中，農田中會殘留許多化學離子，化學離子排至河道內后，會對水工建筑物產生化學侵蝕，造成結構損壞。并且湖北省位于我國中部地區，夏季氣溫較高，晝夜溫差大，容易使大體積混凝土產生溫縮裂縫，使水流滲入結構內部造成結構耐久性下降。所以，必須對水閘進行防沖刷與防滲計算，提高水閘的防沖刷與防滲能力。

2.4 水閘類型選擇不合理

進行水閘設計時，水閘類型的選擇影響了水閘的使用功能。一般水閘類型的選擇多偏向于功能性，在能滿足最大使用功能的情況下選用施工簡單的水閘類型。但是，對于環境條件特殊的水閘結構，需要著重考慮環境因素。水閘類型的選擇考慮不充分會導致水閘無法發揮正常的使用功能，影響工程運行效果。設計本項目的水閘時，根據水閘的使用功能，選用節水閘，但河道寬度較窄，且流量較大，需要建設中型水閘，中型水閘占地面積和地基承載力要求高，施工困難。該水閘結構建于土基之上，需考慮結構自身穩定性以及使用功能。

2.5 閘室底板尺寸不合理

閘室是水閘結構的重要組成之一，閘室的底板尺寸決定了閘室結構的穩定性。根據工程概況可知，該項目閘基位于土基之上，底板作為水閘閘室的基礎承受上部結構荷載并傳遞給地基，同時還借助底板與地基之間的抗滑力來保持閘室的穩定性，在土基上進行閘室設計時，通常采用一體式結構設計，未考慮閘室底板尺寸的設計。若閘室底板尺寸過大，會造成工程量的增加材料的浪費問題；若閘室底板尺寸較小，則會影響閘室整體的穩定性。

3 水利水電工程中水閘設計優化措施

3.1 提高測繪精度

測繪精度不足的原因主要包括兩方面：一方面是人為因素導致測繪坐標精度不足；另一方面是測繪位置位于河岸與河道內造成測量誤差。為了提高測繪精度，應該采用施工控制測繪方法。首先，根據水閘設計需要進行控制點確定，使用GPS 在建設區域進行控制點測繪，由于水閘結構一部分位于土基一部分位于河道，可采用無人機測繪的方法，提高測繪效率，減少坐標誤差。控制點確定后，根據水閘建設的需要，測量碎布點坐標，通過碎部點坐標進行水閘設計位置的初步確定，在碎部測量過程中，插入高程點的測量，確定河道與河岸的高程差，便于進行設計優化，根據測繪結果繪制地形圖。測繪精度不足主要是對地形地貌不熟悉，造成坐標測量誤差，采用控制點、碎部點和高程點測量方法能夠有效減少坐標誤差，結合無人機航測可以對測繪區域進行輪廓控制。然后，依據測繪地形圖以及各點位準確坐標選擇相應的地基處理方式，以此保證后續設計工作的順利實施。

3.2 防沖防滲設計

根據SL 191—2008《水工混凝土結構設計規范》，需要計算水閘基底和側向抗滲穩定性，滲流坡降應小于表2 中數據。

表2 水平段出口段允許滲流坡降值

根據表2 可知，該水閘允許滲流坡降值應在0.4%~0.5%，在對水閘結構進行防沖防滲設計時，主要考慮3 個因素：

1）環境氣候因素，湖北省夏季氣溫高，且晝夜溫差大，在進行材料選擇時，混凝土類型必須選擇收縮性能好的混凝土，并且在養護時需要采取措施避免出現混凝土溫縮裂縫，增強材料的防沖防滲性能。

2）水閘使用功能。該水閘的主要作用為調節水位、灌溉農田，由于該水閘上下游流量差較小，水流流速正常，但是農田施肥殘留的化學離子會排入河道，對水閘進行化學侵蝕，所以，必須提高水閘的抗滲等級，對滲透壓力進行計算。并且工程要求按照20 a 一遇的洪水重現期進行設計，所以，對該地區最強降雨量進行統計，計算最強降雨量時河道流量與水位高度，依據計算結果確定滲流坡降值和消力池設計。

3）水閘基礎。該水閘建設在土基之上，對于土基需要進行加固處理，提高地基承載力，滿足地基防沖刷、防滲要求，對地基進行排水與地基防水設計，加強地基穩定性，保證水閘結構的穩定。

3.3 選擇合適的水閘類型

本項目采用方案比選的方法選擇水閘類型。將影響水閘類型的因素進行排列，包括環境氣候、地形地貌、使用功能以及服務年限，根據影響因素的重要程度，確定排列順序為：使用功能＞地形地貌＞環境氣候＞服務年限。為了保證水閘的使用功能，水閘類型選擇為節水閘，并且通過對閘室類型的合理選擇，保證在排洪排澇過程中將河道水流恢復到自然狀態，避免水位過高引發的沖擊問題。為了保證水閘的排洪排澇功能，設計相應的進水閘，對引水流量進行控制，以此準確賦予工程供水、發電、灌溉等功能。從施工現場的實際情況著眼，要做好水閘尺寸的合理設計，確保水閘能夠很好地滿足引水要求。

3.4 閘室底板尺寸優化

對該水閘進行結構設計時，由于河道寬度較窄且地基承載力較低，需要對閘室底板尺寸進行優化，減小結構對地基的荷載傳遞。依據JTJ 307—2001《船閘水工建筑物設計規范》，板底長度約為水位差的2.5~4.5 倍，可以得到底板長度在5~10 m，板厚在0.7~2.0 m，確定了閘室板底尺寸范圍，對閘室板底進行優化設計。通過對工程環境因素，地形地貌以及使用功能因素的綜合分析，對底板尺寸進行優化。優化結果為，底板長度為8 m，底板厚度為0.7 m。對底板尺寸的優化設計能夠有效減少施工工程量節省建設成本。

4 結語

水閘是水利水電工程中重要的水工建筑物，主要由上游連接段、閘室、下游連接段3 部分構成。本文通過對湖北省某水利水電工程水閘進行設計，得到水閘設計中存在的問題，包括測繪精度不足、忽略防沖刷防滲透設計、水閘類型選擇不合理以及閘室底板尺寸不合理4個問題，并針對水閘設計中存在的4 個問題，提出水閘結構設計優化措施。