农田水利工程中水闸设计的探索

刘伟峰 张瑞

摘 要:我们要掌握水闸的设计和施工方法,要认识水闸建设的规律,就必须首先了解水闸的工作特点,了解水闸在施工和运用时期是在怎样的情形下工作的,以及水闸的工作特点和类型等。

关键词:水利水电工程水闸设计

中图分类号:TV221 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)05(b)-0133-01

我国具有修建水闸的悠久历史,特别是新中国成立以来,在广大平原地区和各条江河以及大小灌区,修建了千千万万座水闸,尤其是在长江、黄河、淮河和海河的流域治理中,水闸更是数量众多,在防洪、排涝、航运、灌溉、挡潮等方面,取得了显著的经济效益和巨大的社会效益。

在平原或地势较为平缓的地区,为了防洪、排涝、航运、灌溉、挡潮以及发电等目的而兴建的水利枢纽中,大多数需要修建各种类型的水闸;在各种类型的渠道中,为了控制水位和流量、宣泄入渠洪水以及防止泥沙的侵入或冲洗渠道中沉积的泥沙,也需要修建一些水闸。水闸既是挡水建筑物,又是泄水建筑物,并通过闸门控制泄流和调节水位。

水闸可以修建在土基或岩基上,但多数建于软土地基上。水闸既要挡水又要泄水,地基条件差和水头低且变幅大是水闸工作条件之所以比较复杂的两个主要原因。因而,它具有许多与其他挡水建筑物不同的工作特点。

1 水闸的工作特点

1.1 稳定问题

水闸在正常使用时,上游拦有较高水位,闸上、下游形成的水位差会造成较大的水平水压力,使水闸有可能产生向下游一侧的滑动。因此,水闸必须具有足够的重量,以维持自身的稳定。水闸建成尚未挡水时,或在正常使用的无水期,常因过大的垂直荷载,使基底压力超过地基允许承载力而导致地基上发生塑性变形,可能产生闸基土被挤出或连同水闸一起滑动的危险。因此,水闸又必须具有适当的基础(底板)面积,以减小基底压应力。

1.2 渗流问题

水闸挡水时在上、下游水位差的作用下,会产生通过闸基及水闸与两岸连接处的渗流。渗流的存在将对水闸底部施加向上的扬压力,减小水闸的重力,降低水闸的抗滑稳定性。如闸基或两岸均为土基时,渗流还可能带走土层中的细颗粒,在闸后出现翻砂鼓水现象,严重时闸基和两岸还可能被淘空。侧向渗透的绕流对两岸连接建筑物施加水平水压力,降低了这些建筑物的稳定性,还将引起岸坡上的渗透变形并增大闸底的渗透压力。渗流水量如果很大时,将会影响水闸的挡水效果,甚至蓄不住水。

1.3 冲刷问题

水闸开闸泄水时,闸下游无水或水深很浅,在上、下游水位差的作用下,过闸水流往往有很大的流速,其具有的能量将引起闸下游的严重冲刷。如冲刷范围扩大到闸基时,将因闸基被淘空而导致水闸失事。此外,水闸两岸多为土层或软弱岩层,特别是当闸孔数目较多时,开启个别闸孔容易形成折冲水流,对下游河岸造成严重冲刷,也会危及水闸的稳定和安全。

1.4 沉陷问题

水闸建在软土地基上时,由于软土的压缩性很大,在闸身自重及外部荷载的作用下,往往会产生较大的沉陷;尤其当通过底板传到地基上的荷载分布不均匀以及地基土层分布不均匀时,更会产生不均匀沉陷。地基的沉陷将会引起水闸的下沉,不均匀沉陷则会造成闸室倾斜,严重的甚至可能断裂,这将严重影响水闸的正常使用。

2 水闸的类型

2.1 进水闸

为了满足农田灌溉、水力发电或其他水利事业用水的需要,在水库、河道、湖泊的岸边或渠道的渠首,建闸引水,并控制入渠流量,称为进水闸,因其常修建在渠道的首部,故又称为渠首闸。

2.2 节制闸

节制闸一般用以调节水位和流量,在枯水期借以截断河道抬高水位,以利上游航运和进水闸取水;洪水期用以控制下泄流量。节制闸若拦河建造,又可称为拦河闸。

2.3 排水闸

排水闸常位于江河沿岸。外河水位上涨时可以关闸以防江河洪水倒灌;河水退落时即打开闸门排除渍水。由于它既要排除洼地积水,又要挡住较高的外河水位,所以其特点是闸底板高程较低而闸身较高,并受有双向水头作用。

2.4 挡潮闸

沿海地区遭受潮水的影响,为了防止海水倒灌入河,需修建挡潮闸。挡潮闸还可用来抬高内河水位,达到蓄淡灌溉的目的;内河两岸受涝时,可利用挡潮闸在退潮时排涝;建有通航孔的挡潮闸,可在平潮时期开闸通航。因此,挡潮闸的作用是挡潮、蓄淡、泄洪、排涝,其特点亦是受有双向水头作用。

2.5 分洪闸

在江河适当地段的一侧修建分洪闸,当较大洪水来临时开闸分泄一部分下游河道容纳不下的洪水,进入闸后的洼地、湖泊等蓄洪区、滞洪区或下游不同的支流,以减小洪水对下游的威胁。这类水闸的特点是,泄水能力大,以利及时分洪。

3 水闸设计要点

进行水闸设计,首先要根据水闸承担的任务和当地的具体条件确定水闸的基本型式和主要尺寸。如为了满足“既挡水、又泄(引)水”的要求,需要确定出闸孔宽度、孔数、闸高以及闸孔型式和闸底板高程等作为水闸设计的基本依据。

3.1 拦河闸基本型式和尺寸的确定

拦河闸承担的任务主要是拦断河流和壅高河中水位以保证引水的需要。需要壅高的水位,称为正常壅水位,亦称正常挡水位。对于灌溉取水工程,该水位是根据灌区规划对引水高程的要求确定的。洪水时期,拦河闸则开闸泄水。为了满足泄洪要求,拦河闸应具有足够的闸孔尺寸。泄洪时,闸前的洪水位往往要高于闸前的正常壅水位,故拦河闸的闸前最高水位取决于闸前洪水位的高低。为了满足引水要求而确定的闸前正常壅水位是拦河闸的正常挡水高程,而泄洪量的大小和闸前洪水位的高低,则直接影响拦河闸的高度、闸孔的型式和尺寸、闸的上游淹没损失以及对闸下游消能防冲的要求和工程量的大小等。

3.2 进水闸基本型式和尺寸的确定

从天然河道取水,按取水方式一般可分为无坝取水和有坝(闸)取水两种方式。当天然河道水量丰富,水位也能满足引水要求时,可采取无坝取水方式,即直接在渠首修建进水闸引水;当天然河道水位不能满足引水要求或引水流最较大(占河道来水30%以上)时,由于引水有困难,常需采取有坝取水方式,即除了在渠首修建进水闸引水外,还需在河道中修建拦河坝(闸),拦断河流,壅高水位,迫水入渠,以满足进水闸引水要求。

进水闸是修建在渠首按需要引水的建筑物,当不需要引水时,则关闸挡水,以免河水进入渠道。显然,进水闸不但要有足够的闸孔尺寸,以满足引水要求;还要有一定的高度,以阻挡河中水流和洪水漫顶,否则就不能完成按需要引水的任务。

4 结语

设计水闸必须有正确的和足够的资料,以便作出符合实际的设计。在以往的水利建设中,有不少工程,由于资料搜集不完善或者不正确,致使有的工程重新设计,有的工程不得不临时停工,或给施工带来很大的困难,甚至于造成失事等等;这样的教训不少,应予以重视。

参考文献

[1] 山东省水利勘测设计院编.水闸设计实例.1984.

[2] 张朝温.水闸枢纽管理.2002.

[3] 张绍芳.堰闸水力设计.1987.