水闸主体结构及防渗和排水布置研究

胡元瑞

摘要：水闸建成挡水后，形成上下游水位差，此时它承受着水平方向的水压力，有可能促使水闸向低水位一侧发生滑动，所以水闸必须有足够的重量来维持它的抗滑稳定。同时，上下游水位差又引起闸基和两岸土壤的渗流。闸基渗流的渗透压力、自下而上地作用在水闸底部，减小水闸的有效重量，不利于水闸的抗滑稳定。因此，要采取合理的防渗排水措施，尽可能减小闸底的渗透压力，并防止闸基及两岸土壤发生渗透破坏。

关键词：水闸；主体结构；防渗；排水布置

一、水闸的组成部分

水闸由上游连接段、闸室段和下游连接段三部分组成。a.上游连接段其主要作用是引导水流平顺地进入闸孔，防冲，防渗。这一段包括铺盖、护底、两岸的冀墙和护坡；b.闸室段是水闸的主体，其主要作用是安装闸门和启闭机械，进行操作控制水流。它包括底板、闸墩、闸门、胸墙、工作桥、交通桥等；c.下游连接段其主要作用是消能、防冲；促使水流均匀扩散，避免不利流态对下游的影响；同时排除地基渗流，减免其不利影响。这一段包括消力池、海漫、防冲槽以及翼墙、护坡等。

二、闸室的构造

1、闸底板

闸底板是闸室的基础，它起着防冲和防渗及承受闸室荷载并均匀地传给地基的作用，同时利用底板与地基之间的摩擦力来维持闸室的稳定。底板的结构有整体式和分离式，前者为闸底板与闸墩基础浇筑成整体、它适用于软土地基；后者为闸底板与闸墩基础用缝分隔，因其底板厚度较薄，难以适应地基的沉陷变形。

2、闸墩

闸墩的主要作用是分隔闸孔，支承胸墙和闸门，并作为工作桥和交通桥的支承。闸墩的外形应使水流顺畅，闸墩头部和尾部多采用半圆形或流线形设计。闸墩的长度应满足胸墙、闸门、工作桥、交通桥等的布置需要。一般边墩与底板顺水方向的长度相同，而中墩可稍短。闸墩的厚度必须满足稳定和强度的要求，它与闸门的型式和跨度有关。开敞式水闸闸槽上游的墩顶高程，一般应高于上游最高洪水位，并有一定安全超高。

3、胸墙

胸墙是闸室孔上部的挡水结构。胸墙顶高程-般与闸墩同高，底部高程应满足孔口泄流能力的要求。其结构型式为小跨度闸孔多用板式胸墙和大跨度闸孔用梁板式胸墙。它由墙板、顶梁、底梁和次梁等组成。

4、闸门和启闭设备

a.闸门。闸门按其工作性质分为工作闸门和检修闸门。前者用来操作控制流量和水位；后者用于检修工作闸门，或闸槽时作为临时挡水之用。闸门的结构型式通常是平面闸门、弧形闸门和叠梁闸门。b.启闭机。闸门常用的启闭设备有卷扬式启闭机、螺杆式启闭机和液压式启闭机三种。其中第一种应用最为广泛，一般用于弧形闸门，或靠自重（或加重）关闭以及要求较短时间内启闭的闸门，第二种在小型工程上广泛采用，大重量的螺杆启闭机，多用于闭门时需加压的深孔闸门。第三种是很有发展前途的启闭机，它的优点是动力小、启闭力大，机体体积小、重量轻、能集中操作，且操作平稳安全，对闸门有减震效能。

5、工作桥和交通桥

a.工作桥。为了安置闸门启闭设备及工作人员操作的需要，通常在闸墩上设置工作桥。其结构型式，小型水闸一般采用板式结构；大中型水闸多采用钢筋混凝土预制安装的梁板结构。b.交通桥。当有公路交通要求时，应按公路标准设置公路桥。其结构型式为：小跨度的水闸常采用板式结构；中等跨度（8-20m）常采用T形梁结构；大跨度则应采用预应力钢筋混凝土结构；并且多数采用单跨简支式。

三、防渗排水布置要点

在水闸建设完成并挡水使用后，势必形成上游下游所对应的水位差，在水位差影响下，导致水闸需要承受来自水平方向的水压力，在该取值较高的情况下，可能会导致水闸发生自高水位偏向低水位的滑动问题。有关分析中认为：渗流对水闸主体结构所产生的不良影响主要表现在三个方面：第一，严重的渗漏会导致水闸大量模量损失；第二，水闸闸基溶流以及两岸绕溶问题的产生可能对水闸主体结构地基基础以及两岸土壤结构造成极为不良的影响，在渗透破坏下可能引发水闸的失事；第三，水闸闸基础渗流相对于闸底而言会产生渗透压力（方向为自下而上），造成闸室有效重量减少，削弱其抗滑稳定性能。根据以上分析认为：在水闸建设过程当中，上游需要通过采取相关防治措施的方式，避免水流集中流入闸基内部，下游则需要通过系统排水的方式，及时将深入闸基内的水分排除。根据这一思路，认为在水闸主体结构防渗排水布置的过程当中，需要重点关注以下几个方面的问题：第一，从防渗布置的角度上来说，当前技术条件支持下，比较常见的水闸防渗装置有三种类型：第一是齿墙，第二是板桩，第三是水平铺盖。以上三种方案均有各自的应用优势。

首先，对于齿墙而言，一般需要在闸室底板的上游端、下游端分别设置浅齿墙，其优势在于：除了能够使同底板的横向刚度得到有效的提升以外，还能够促进闸室主体结构抗滑稳定性的改善，对于延长渗流直径，优化防渗效果而言同样意义确切。

其次，对于板桩而言，在水闸建设过程当中，可以根据工程现场的实际情况，选择合理尺寸的板桩，将其以并排连接的方式打入闸基内部，形成一道稳固的防渗墙。在垂直方向上起到降低渗透坡降，延长渗流直径，同时控制渗透压力的目的。该方案的特点在于：垂直向的防渗效果非常确切。结合已有的实践工程经验来看，多在砂性土地基基础区域采用本方案，且需要以钢筋混凝土板桩或模板桩为首选方案，以达到提高板桩防渗效果的目的。

最后，对于水平铺盖而言，其主要技术手段是，使用黏土，钢筋混凝土，以及黏壤土等一类具有较小透水性特点的材料，在闸室上游铺设一层防渗层，其目的是对渗流直径进行合理控制，使渗透坡降能够得到有效降低，且可达到缩小作用于闸底渗透比力的目的。

第二，从排水布置的角度上来说，在水闸中设置排水装置的主要目的是将闸基渗流水及时地排放至下游，通过此种方式，一方面可达到减小渗透压力的目的，另一方面可杜绝地基发生渗透破坏方面的问题。结合水闸的一般特点，多建议采取平铺式的排水布置方案，具体实现方式是：使用直径在2.0cm以内的砾石或卵石，将其铺设于护垣下方，设置为排水层，铺设厚度控制在20.0-30.0cm范围内，同时，考虑到在闸基渗流影响下，排水层与地基直接接触的渗流出逸位置是最容易发生渗透变形问题的区域，因此还需要设置反滤层，通常建议使用无纺土工布做反滤排水处理，以达到确切的排水效果。

结束语

结合相关的实践工作经验来看：在水闸投入泄水或者引水工程的过程当中，受到上游区域与下游区域水位差因素的影响，可能会导致过闸水流的流动速度比较大，对应产生较大的动能。然而，對于水闸所影响区域内的河床而言，其土壤抗冲能力是比较有限的，因此，往往会产生比较严重的冲刷问题。为了避免对水闸下游造成不利的冲刷影响，提高水闸运行的安全性，就需要做好防渗以及排水方面的关键工作，以达到消解水流能力，促进流态合理改善的目的。本文从这一角度入手，围绕水闸主体结构以及防渗排水布置方面的关键问题展开系统分析与研究，希望能够在后续的实践工作中引起各方人员的关注与重视。

参考文献

[1]谈祥，谢东，谢慧娇.青草沙水库下游水闸加大排水能力工程措施研究和理论分析[A].中国水利学会2013年学术年会论文集[C].北京：中国水利学会，2013：1880-1887.

[2]吴平，曾黎明，邓海忠.峡江水利枢纽18号泄水闸右边墙地基稳定分析与处理[J].资源环境与工程，2011，25（5）：456-