闸址选择和闸孔初步设计

□李俊杰（开封市城区水利局）

闸址选择和闸孔初步设计

□李俊杰（开封市城区水利局）

现代水闸建设，正在向形式多样化、结构轻型化、施工装配化，操作自动化和遥控化方向发展。文章结合相关资料，依据闸址选择关系到工程建设的成败和经济效益的发挥，根据水闸承担的任务，综合考虑地形、地质条件和水文、泥沙、施工管理和建闸后过闸水流的形态等其他方面因素，最终选定最佳方案，并结合实际介绍了相关闸孔的初步设计要点。

水闸选址；闸孔设计要点；闸孔宽度计算

1　水闸的功能

水闸是一种利用闸门挡水和利用闸门控制流量和调节水位的水工建筑物，多建于河道、渠系及水库、湖泊岸边。关闭闸门，可以拦洪、挡潮、抬髙水位以满足上游引水和通航的需要;开启闸门，可以泄洪、排涝、冲沙或根据下游用水需要调节流量。

2　水闸的工作特点

一是土基的压缩性比较大，承载能力相对比较低，很容易产生较大的沉降差，造成阐室倾斜，闸底板断裂，甚至发生止水破坏塑性破坏，引起水闸失事。二是水闸泄流时，一般行进流速水头较小，但仍具有一定的冲刷能力，土基的抗冲能力较低，容易被冲刷。此外，从水闸或溢流坝下泄的急流在受到下游渠道缓流的顶托时，容易产生水跃现象。因此，消能防冲设施要在各种运用情况时都能满足设计要求。三是土基在渗透水流作用下，容易产生渗透变形，特别是粉、细砂地基。在闸后易出现翻砂冒水现象，严重时闸基和两岸会被掏空，在地震时细砂容易液化。在渗流出逸面上应铺设反滤层和设置排水沟槽。

3　闸址选择和闸孔初步设计

3.1堰型选择

宽顶堰是水闸中最常采用的一种形式。堰的厚度为2～10倍堰上水头、堰顶水面线有一段近似为水平段的堰，它有利于泄洪、冲沙、排污、排冰、通航，且泄流能力比较稳定，结构简单，施工方便，但自由泄流时流量系数较小,容易产生波状水跃。

低实用堰有梯形的、曲线形的和驼峰形的。低实用堰自由出流流量系数大，水流条件较好，堰型适宜可消除波状水跃，但当下游水深超过堰上水头的0.60倍时，出流受尾水影响明显，淹没出流流量系数低，同时施工复杂。当上游水位较高，为限制过闸单宽流量，需要抬高堰顶高程时，常选用这种形式。

3.2闸底板髙程的选定

由于底板高程与水闸承担的任务、泄流或引水流量、上下游水位及河床地质条件等因素有关，选定的是否恰当关系到闸的稳定性。

闸底板应置于较为坚实的土层上，并应尽量利用天然地基。在地基强度能够满足要求的条件下，底板高程定得高些，闸室宽度大，两岸连接建筑相对较低。在大、中型水闸中，由于闸室工程量所占比重较大，因而适当降低底板高程，常常是有利的。对于小型水闸，由于两岸连接建筑在整个工程量中所占比重较大，因而总的工程造价可能是经济的。当然，底板高程也不能定得太低，否则，由于单宽流量加大，将会增加下游消能防冲的工程量，闸门高度增加，启闭设备容量也随之加大，另外,还可能给基坑开挖带来一定的难度。

一般情况下，拦河闸和冲沙闸的底板顶面可与河底齐平；分洪闸的底板顶面也应较河床稍高，排水闸则应尽量定得低些，以保证将渍水迅速降至计划高程，但要避免排水出口被泥沙淤塞；进水闸的底板顶面在满足引用设计流量的条件下，应尽可能高一些，以防止推移质泥沙进入渠道；挡潮闸有排水闸作用，其底板顶面也应尽量设计低一些。

3.3闸顶高程的确定

在蓄水或挡水时，闸顶高程是指闸门顶高程，它不应低于正常蓄水位（或最高挡水位)加波浪计算高度与安全超高之和。在泄洪时，如果闸门全开，闸顶高程应指交通桥的梁底高程；如果闸门部分开启，闸顶高程应指交通桥的梁底和闸门开启后的门顶两者中的较低者。按照我国《水闸设计规范》SL265-2001，在泄洪时，闸顶高程不应低于设计洪水位与相应安全超高值之和，后者的安全加高已考虑浪高因素，此处不再加浪高。

根据我国《水闸设计规范》SL265-2001，闸顶高程的确定还应考虑下列因素：①软弱地基上闸基沉降的影响；②多泥沙河流上、下游河道变化引起水位升高或降低的影响；③在防洪堤上的水闸，其闸顶高程不得低于防洪堤顶高程。

4　计算闸孔总净宽

4.1当水流呈堰流时闸孔总净宽

式中：Q—设计流量，m/s2；H0—计入行近流速水头在内的堰顶水头；σεm—淹没系数、侧收缩系数和流量系数，由《水闸设计规范》SL 265—2001査算；g—重力加速度。

4.2当水流呈孔流时闸孔总净宽

式中：α—闸门开度或胸墙下孔口高度，m;σ、μ—宽顶堰上孔流的淹没系数和流速系数，由《水闸设计规范》SL265—2001査得。

决定闸孔总净宽L。还需选用适宜的最大过闸单宽流量。根据我国的经验，对粉砂、细砂地基，可选取5～10m3(s·m);砂壤土地基，可取10～15m3/(s·m);壤土地基，取15～20m3/(s·m);坚硬粘土地基，取20～25m3(s·m)。

过闸水位差的选用，关系到上游淹没和工程造价，例如：如过分壅高上游水位，将会增加上游河岸堤防的负担，使地下水位升高，加大下游消能防冲的工程量。设计中，应结合工程的具体情况来择定，一般设计过闸水位差选用0.10～0.30m。

水闸的过水能力与上下游水位、底板高程和闸孔总净宽等是相互关联的，设计时，需要通过对不同方案进行技术经济比较后最终确定。

5　确定闸室单孔宽度和闸室总宽度

闸室单孔宽度l0根据闸门形式、启闭设备条件、闸孔的运用要求（如泄洪、排冰或漂浮物、过船等）和工程造价，并参照闸系列综合比较选定，大、中型水闸的单孔宽度一般采用8～12m。闸孔孔数n=L0/l0，设计中应取略大于计算要求值的整数，但总净宽一般在计算值的3%～5%。闸室总宽度L1=nl0+（n-1）d,其中d为中墩厚度。闸室总宽度拟定后，尚需考虑闸墩等的影响，进一步验算水闸的过水能力。

从过水能力和消能防冲两方面考虑，闸室总宽度应与河（渠）道宽度相适应。拫据治理河工程的经验，当河（渠）道宽B为50～100m时，两者的比值η应≥0.60～0.75；当B＞200m时，η应≥0.85。

（责任编辑：刘长垠韦诗佳）

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2016-05-19