水闸设计要点及方法总结

史云青

【摘 要】工程建设的独特性，没有完全相同的两个水闸，如何使中小水闸设计做到安全、经济和合理，提高水利工程建设的设计水平，始终是摆在设计人员面前的一项重要的任务。水闸工程的内在质量是一座水闸工程好坏的重要衡量标准。在实际的施工设计中，设计单位和施工单位都要做好自己的本职工作，并密切配合，在了解设计类型和施工条件的基础上，不断总结经验，利用新方法，使用新工艺技术，以不断提高水闸工程建设质量。

【关键词】水闸 设计施工 防裂 选址 质量

一、水闸的选址原则

在水闸建设过程中，水闸的选址是非常关键的环节。分析已建水闸工程的失事，其主要原因往往是闸址地质条件不好，或虽然经过人工处理但仍未处理好，属于不良人工地基，导致水闸失稳、渗透破坏或者冲刷破坏。水闸选址的原则是水闸稳定安全、能够较好地满足水闸的使用要求、水流流态稳定、水闸便于管理、造价经济。针对上述情况，在满足水闸使用要求和管理的情况下，水闸在选址时应根据水闸的地质条件和水文条件选择地质条件良好的天然地基，最好是选用新鲜完整的岩石地基，或者是承载能力大、抗剪强度高、压缩性低、透水性小、抗渗稳定好的土质地基，如果在规划选址的范围内实在找不到地质良好的天然地基，只能对天然地基进行技术处理。对地基进行技术处理的造价是较高的，一般占总造价的20%～40%。经过技术处理的水闸地基如在施工或管理等方面不规范，容易导致地基破坏，最后致使水闸失事，所以在水问选址的时候应综合考虑各种情况，选择良好的天然地基。

二、水闸设计的现实意义及理论基础

水闸工程是重要的水利工程之一，该工程对工农业生产及社会经济发展有重要作用，还有助于抗旱防汛工作。它多建在河道、渠道及水库、湖泊岸边，是具有挡水和泄水功能的低水头水工建筑物。关闭时，可以起到保证上游取水或是通航方便的作用；开启时，可以调节下游水流量供求关系。基于此，水闸设计是施工工程的灵魂，占据重要地位，故水闸设计单位应制订出合理的设计方案，以便为施工单位提供可靠依据，确保水闸施工的规范性。水闸的结构组成包括闸室、上游连接段和下游连接段。其中闸室是结构主体，由底板、闸门、闸墩等部分组成，连接上下游和两岸或其它建筑物。闸室的各结构作用不同，其中底板用以传送闸室上部结构的重量及荷载到地基，防渗漏和防冲击；闸门阻拦水流，控制过闸流量；闸墩分隔闸孔，并支承其它结构。上游连接段的组成结构包括冲槽、护坡、翼墙、铺盖和护底，其作用是引导水流和延长流径，确保两岸和闸基渗透水流的抗渗稳定性。下游连接段的组成结构通常包括护坡、翼墙、护坦、海漫、防冲槽等，用以减小出闸水流动能，避免水流过度冲刷河床和岸坡。水闸的作业难度较大，具有地基承载力低，抗渗稳定性差，水位变幅大等特点。

三、水闸的工作特点

水闸既是挡水建筑物，也是泄水建筑物，一般修建在平原地区，平原地区的覆盖层很厚，地基的压缩性很大，抗滑能力差，承载能力低，所以闸的稳定是设计中的一个重要问题。水闸靠闸门挡水，在闸上下游形成的水头差作用下会产生通过闸基及两岸的渗流，对水闸底部产生渗透压力，抵消水闸的有效重量，对闸室及两岸连接建筑物的稳定不利，并可能产生有害的渗透变形危及水闸的安全。水闸开闸泄水时，闸下无水或水很浅，在上下游水头差作用下往往有很大的流速，过闸水流携带的能量将引起下游的冲刷，给闸下消能帶来了困难。因水闸上下游水位差较小，容易产生波状水跃，消能效率低，水面波动向下游延伸很长，对下游河床及岸产生冲刷，也可能会危及水闸的稳定和安全。

四、水闸地基处理方法概述

水闸地基处理的方法很多，它们主要用于以下三个方面：（1）增加地基的承载能力，保证建筑物的稳定；（2）消除或减少地基的有害沉降；（3）防止地基渗透变形。

4.1木桩加固法

木桩加固法属于桩基法中的一种，此方法是一种十分古老的地基加固方法。由于木桩加固设计简单，施工方便，不受环境限制，取材方便，直至20世纪60年代初，受技术和经济条件限制，国内水利行业对较深厚的软土闸基处理仍缺乏足够的手段和办法，采用木桩加固地基几乎成为唯一的选择。木桩的设置一般有两种方法，一是将木桩桩头与闸底板浇注在一起，形成类似桩顶铰接的深基础，另一种则在木桩桩顶设碎石垫层，实际上属于复合地基的一种。近年来广东省在水闸安全鉴定中发现，无论采用哪种设桩方法，相当数量采用木桩基础的水闸都出现了险情，破坏主要表现在桩体腐朽导致水平和竖向承载力不足、闸基桩土变形不协调等。

4.2换土垫层法

换土垫层法属于置换法，也是一种古老的、相当成熟的地基处理方法。该方法加固原理比较清楚，施工简便，施工质量易于保证，是浅层地基处理的首选。

为避免工程造价过高以及增加基坑支护费用，一般换填深度小于3m。如软弱土层小于3m，下卧层地基承载力较高时，将软弱土层完全挖除换填后，一般均可满足水闸对承载力和变形的要求。如果软弱土层比较厚（层厚远大于3m），仅能换上层软弱土时，应尽量避免采用换土垫层法处理闸基，因为换填后虽然可提高基底持力层的承载力，但水闸地基的受力层深度相当大，下卧软弱土层在荷载下的长期变形可能依然很大。实践表明采用换土垫层法处理的地基出现问题的相对比较少，故至今仍是水闸淡层地基处理的主要方法之一。

五、水闸施工过程中出现裂缝的原因及预防措施

下面介绍施工不同阶段底板与闸墩裂缝成因及具体预防措施。

1）底板混凝土浇筑后，水泥发生水化反应，释放出大量的热量。底板内部温度高于四周温度，使得混凝土表面与内部出现温差。承受力对应温度分布，出现表面承受拉应力，内部承受压应力的规律。由于此阶段混凝土抗拉强度低且导热性能较差，大量的水化热量仍积贮在混凝土内部。故混凝土底板很可能从表面开裂。如果忽略混凝土浇筑质量的不均匀性，裂缝会出现在底板中部。

2）底板混凝土温度逐渐下降，使得混凝土内部发生温缩变形，在地基的约束作用下，温缩变形使底板中心出现拉应力而导致裂缝出现。但通常情况下，水闸多修筑于土基之上，土体不会对混凝土起到强大的约束力且混凝土的抗拉强度随其龄期的增长有所提高，故修建在土基上的底板混凝土此阶段很少出现裂缝。

防裂措施：

1）材料优化措施：①降低混凝土的绝热温升这是最直接、最有效的温控防裂方法，能有效地控制混凝土的温升幅度。②提高混凝土的抗拉强度通过降低水灰比以及在混凝土中加入纤维材料可使混凝土的抗拉强度增加。水灰比减小后无法保证拉应力的减小，而纤维材料的加入，可明显提升混凝土的抗拉性能。③掺入减水剂或膨胀剂在水灰比一定的条件下，掺入减水剂可以减少使用水和水泥的量，从而降低混凝土的绝热温升，有利于混凝土的防裂；掺入膨胀剂可在一定程度上补偿混凝土的自身体积收缩变形和混凝土温缩变形，大力改善后期混凝土拉应力状态，有效防止混凝土开裂。

2）施工优化措施：①降低混凝土的浇筑温度施工中，可采用降低骨料温度、加冰（水）拌合、缩短运输距离等方法实现此目的，可降低混凝土早期温度峰值，从而减小混凝土早期的内外温差以及后期的温降幅度，有效防止混凝土开裂。②保持混凝土表面的温度这项措施经济且有效，混凝土表面覆盖保温材料后，内外温差明显减小，使得拉应力随之减小而防止开裂。③减小底板与闸墩的浇筑间歇时间闸墩后期开裂的原因是由于底板与闸墩浇筑间歇时间过长。通常将底板和闸墩的浇筑间歇时间控制在一个月左右，可减小闸墩浇筑时混凝土的弹性模量和约束作用力，从而减小内部拉应力来防止开裂。

结语：

在水利工程水闸施工过程中，我们可能会遇到各种各样的问题，排水和止水是水闸工程中最主要的，需要我们在水闸设计的时候就予以认真对待，把工程施工中可能出现的问题尽可能全面地设想到，并研究出妥善的预防及解决措施。这就需要我们设计单位的工作人员充分发挥自己的能动性，确保设计方案的万无一失。