水利水電工程中水閘的設計分析

王新權

(江西省水利規劃設計研究院，南昌 330000)

水利水電工程中水閘的設計分析

王新權

(江西省水利規劃設計研究院，南昌 330000)

文章通過對水利水電工程中水閘的設計部分進行分析，以水閘的實踐應用為契機，著重對水閘設計、水閘排水設計以及設計中一些注意事項進行了探討分析，以便找出更加科學、合理的水閘設計方案，發揮水閘的實際作用。

水利水電工程；水閘；設計；滲流

我國水資源較為豐富，利用好水資源可以為人類造福，相反控制不好將會給人類帶來水患災難。目前在長江、黃河流域建設了一些水利水電工程，既可以進行水力發電又可以在汛期起到防洪治沙的作用，這是一條既防治水患，又可以利用水資源的可持續發展道路。在水利水電工程中水閘的作用至關重要，水閘設計水平關系到整體工程的質量，也關系到工程建成后的使用效果，因此水閘設計時應根據實際工程要求、地質環境、自然環境等多方面因素綜合考慮來進行設計。

1 水利水電工程中水閘的設計分析

1.1 加強對當地地質環境、自然環境等資料收集

由于水閘、大壩自身荷載較大，地基基礎必須要堅實牢固。在設計前要做好相關地質條件勘測并出具正式報告,包括當地地質、水質報告、河流水文特征、自然環境以及以往自然災害等具體情況,以便在設計中針對性采取預防措施。

1.2 水閘選址的設計

水利水電工程一般建在水資源豐富的河流、湖泊等處，在我國不同地域其地質條件、周圍自然環境、水文條件等都有很大差別，而水閘具有重量大、體積大特點，因此選址時應充分考慮水閘基礎承載問題。選址時應對當地地層進行鉆孔取樣勘測，并結合水文條件、自然環境進行綜合考慮，最好選擇承載力符合要求的巖石層，其次選擇承載力符合要求、抗剪強度高的土質地基。特別是在土質地基建設的水閘，需要在原狀土上進行預壓處理或是換土墊層。預壓處理是為了壓出土中水分使土層固結成為一個整體，減小水閘基礎沉降量，進而增加土層承載力，一般預壓需要較長時間方可達到規定要求。對于施工工期較為緊迫的項目，可以采用換土墊層方法，此方法具有施工快捷，操作簡單，施工效果好的特點，可以推廣使用。

1.3 水閘的結構設計

目前，水閘結構設計需要結合地勢結構、水閘功能、水文條件等具體情況來著手。一方面，通過計算水閘負載，來確保閘室、翼墻等相對抗滑的穩定性能。另一方面，需要做好壩體整體結構與各局部結構的統籌規劃，綜合考慮來選用水閘結構，確保結構設計的科學嚴謹性。

1.4 水閘消能防沖設計

水閘消能防沖環節主要是控制水流工況，一般要求控制工況為下游水位在規定取水下限值時，水閘水位保證在高點處，目的是使上游盡可能存儲更多水資源，在對應此種工況下來計算系統消力池深度，這個計算出的數據即為最初閘門開啟深度。隨著全球環境的改變，目前河流水文規律也發生了一些變化，因此在設計最高蓄水位、最低蓄水位時應加以考慮，結合實際工況與發展變化選擇較大的富裕系數來滿足未來需要。

1.5 水閘閘型、閘室的設計選型

在水利水電工程當中，所使用的水閘類型較多，各類閘型具有不同的作用和優缺點，因此在選擇閘型時應根據實際河流的水文特點以及當地地質條件等綜合條件來考慮，不能一味追求新式閘型而忽略了實際應用問題。水閘閘室主要有敞開式、胸墻式、涵洞式三種，在水利水電工程泄洪時盡可能使水流恢復至自然狀態，避免水閘前水位過高導致水沖擊現象。上述三種水閘具有不同特點，敞開式水閘平底寬，更有利于排澇泄洪，水流寬闊穩定，結構簡單，操作方便。胸墻式水閘一般用于水位波動較大，下游水量有限制要求的河流。涵洞式水閘一般用于水位高，孔口尺寸受限制的位置，例如穿堤取水水閘。因此，應結合實際情況選擇恰當的閘室類型。

1.6 過閘水位差的設計計算

在設計過閘水位差時，根據不同地形選擇不同的水位差，規范要求在10-30cm，一般在平原地區選用下限，在山區過閘水位差一般選擇上限。較大的過閘水位差可以減小閘孔凈寬度，也可以降低工程造價，但是會使上游水位抬高，也會使水閘承載更大壓強，增加了水閘、水壩被沖毀的風險。

1.7 閘孔尺寸的設計

在綜合考慮建造成本、流量、速度以及水位高度等因素前提下，盡可能選擇較少的水閘。在保證最大泄洪量前提下，水閘越少，墩數也會相應減少。當閘孔過大時，將會導致占地空間大，隨之帶來開啟關閉閘門的設備設施都會增大規模，相應工程造價也會增加。因此，根據相關設計要求將閘孔寬度設計在10-14m之間較為合適，一般彈孔水閘孔寬為10m時，水閘閘孔應為33個，彈孔水閘孔寬為14m時，水閘閘孔應為20個。

1.8 水閘泄流能力的設計

水閘泄流能力是指將所有閘門打開，同時除去船閘和電站影響，這時水流通過攔河大壩下泄的堰流，可以根據堰流計算公式計算得出，以便滿足最大洪峰泄流要求。

1.9 防水槽設計

在進行實際應用當中，防水槽作用是使水閘末端性能更加穩固，水流在流過關卡時會使水流速度有所減小，但在經過關卡末端時沖擊能力較大，會嚴重沖擊河床。防沖槽就是使用大小不一的石塊來減弱水流沖擊力，達到保護河床延長使用壽命的目的。

1.10 排水孔設計

水利水電工程投入運行后，消力池底板部位承受巨大壓力，最主要影響因素是水流沖擊力。設計時應充分留有底板靜壓壓力余量，要有充足的耐磨靜壓，這樣才能保證底板能夠承受巨大水壓。在排水孔設計時可以布置成梅花形，將排水孔位置放置在水平護板后半部分，排水孔加裝了反濾層，這樣既保證了排水通暢，又減輕了滲透壓力。

1.11 水閘基礎防滲面排水設計

在河流上下游之間存在巨大水位差，水位差的作用是使水流積聚了大量勢能，這就對水閘及其周邊產生很大沖擊力，基礎防滲對水閘起到了重要保護作用，所以必須做好排水工程。結合上下游地基條件和實際應用具體步驟為：首先將上游水引進河床中，然后流經底板、消力池、反濾層逐級將上游水流引入到下游，這樣確保了排水系統的有效運行。另外，為了增加排水效率可以延伸上游水滲透途徑，同時也減小了消力池底板壓力，濾水層也起到了有效排水作用。

2 水閘設計中的注意事項

2.1 水閘的穩定因素

由于水閘攔截上游水流會使上下游產生較大水位差，會使上下游之間水閘承受巨大壓力，因此水閘自身必須堅固，保持其穩定性。另外在枯水期時上游水位較低，整個水閘的自重將會直接作用在水閘基礎上，在垂直載荷作用下使水閘基礎變形甚至會使土層被擠出，等到下次泄洪時將會沖刷基礎，長此以往將會出現較大缺口，甚至被沖毀。因此，在設計時一定要保證水閘的基礎面積，減小水閘對基礎壓應力的危害。

2.2 水閘滲流問題

關閉水閘后，在上下游巨大水位差作用下，將會引起在水閘與地基、水閘與兩側基礎出現滲流現象，這種滲流作用降低了水閘的抗滑穩定性，同時在滲流不斷沖刷下將會造成兩側基礎混凝土層出現溝洞、翻砂鼓水，甚至會被掏空土基基層，十分危險。另外也降低了水閘擋水、蓄水的效果，因此在水閘閘體與軌道設計時做好對應防范措施。

2.3 水閘以及地基沉陷問題

軟土層自身具有較強的可壓縮性，水閘、基礎、蓄水的重力全部作用在軟土層上，對于建設在軟土層基礎上的水閘會產生不同程度的下陷，或是承受荷載不均勻也會導致局部下陷。當地基以及閘體下陷較嚴重時，可以造成閘室變形、水閘開裂的嚴重后果，將會失去水閘的基本作用。

2.4 水閘開閉時的沖刷問題

在開、閉水閘時在上、下游水流巨大的水位差作用下，將會加大水流速度。特別是剛剛開啟時和即將關閉時都會對水閘產生較大的水流沖擊，下泄的水流對下游也會有較大沖刷作用和折沖水流，這些都會對水閘和水閘基礎產生較大的負面影響，對整個工程質量構成威脅。

2.5 水閘裂縫問題

在水閘實際投入運行后會發現，很多的水閘以及基礎等處會出現裂縫，為水利工程埋下了隱患，在設計時應加以考慮。第一，應明確施工作業的溫度要求，基本原則應避開夏季炎熱天氣，或是使用地下水進行攪拌混凝土來降低溫度，采取這些措施是為了減少混凝土內外溫度梯度，降低內外應力影響。第二，設計時應對混凝土添加劑加以明確要求，以便施工時可以按照配比執行，特別注意某些地區的水pH超標或是砂石料含雜質過多，不但會降低混凝土強度而且會導致混凝土干燥后產生裂紋，因此對砂石含雜質率進行明確標注，進行有效控制。第三，設計時應科學使用配筋，在一些施工中會發現各方面都在按標準實施，也會出現裂縫問題。因此，設計時要從結構方面入手，合理釋放應力，降低裂紋發生率。

2.6 設計人員方案與實踐應用相結合

設計人員是構建水閘結構的主要能動因素,也是企業的寶貴財富，但有很多設計人員理論知識豐富，但工作經驗與實踐經驗不足，所以對設計人員進行定期培訓是行之有效的方法。培訓包括以往水利水電工程案例分析、設計工程實際勘測、水閘應用中出現的問題分析等，使其思想上要密切聯系應用,以便更好的指導設計工作。在設計中業會引進一些新設備、新技術,特別是在環保領域，應做好新技術的探索工作，推動水閘設計工作的與時俱進。

3 總 結

總的來說，在水利水電工程當中水閘作用十分重要，必須從設計之初就要加以重視，結合當地地質條件、河流水文條件等多方面綜合考慮，嚴格按照有關設計規范做好各方面設計工作，特別是設計者應多加考慮實際的應用情況，與實踐應用進行緊密聯系，使設計出的水閘安全牢固，又可以發揮其最大調節作用，確保使用時的優質效果，為水資源的合理利用做出貢獻。

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1007-7596(2017)10-0080-03

TV66

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2017-09-25

王新權(1968-)，男，江西南康人，工程師。