水利水电工程中水闸的设计分析

王新权

(江西省水利规划设计研究院，南昌 330000)

水利水电工程中水闸的设计分析

王新权

(江西省水利规划设计研究院，南昌 330000)

文章通过对水利水电工程中水闸的设计部分进行分析，以水闸的实践应用为契机，着重对水闸设计、水闸排水设计以及设计中一些注意事项进行了探讨分析，以便找出更加科学、合理的水闸设计方案，发挥水闸的实际作用。

水利水电工程；水闸；设计；渗流

我国水资源较为丰富，利用好水资源可以为人类造福，相反控制不好将会给人类带来水患灾难。目前在长江、黄河流域建设了一些水利水电工程，既可以进行水力发电又可以在汛期起到防洪治沙的作用，这是一条既防治水患，又可以利用水资源的可持续发展道路。在水利水电工程中水闸的作用至关重要，水闸设计水平关系到整体工程的质量，也关系到工程建成后的使用效果，因此水闸设计时应根据实际工程要求、地质环境、自然环境等多方面因素综合考虑来进行设计。

1 水利水电工程中水闸的设计分析

1.1 加强对当地地质环境、自然环境等资料收集

由于水闸、大坝自身荷载较大，地基基础必须要坚实牢固。在设计前要做好相关地质条件勘测并出具正式报告,包括当地地质、水质报告、河流水文特征、自然环境以及以往自然灾害等具体情况,以便在设计中针对性采取预防措施。

1.2 水闸选址的设计

水利水电工程一般建在水资源丰富的河流、湖泊等处，在我国不同地域其地质条件、周围自然环境、水文条件等都有很大差别，而水闸具有重量大、体积大特点，因此选址时应充分考虑水闸基础承载问题。选址时应对当地地层进行钻孔取样勘测，并结合水文条件、自然环境进行综合考虑，最好选择承载力符合要求的岩石层，其次选择承载力符合要求、抗剪强度高的土质地基。特别是在土质地基建设的水闸，需要在原状土上进行预压处理或是换土垫层。预压处理是为了压出土中水分使土层固结成为一个整体，减小水闸基础沉降量，进而增加土层承载力，一般预压需要较长时间方可达到规定要求。对于施工工期较为紧迫的项目，可以采用换土垫层方法，此方法具有施工快捷，操作简单，施工效果好的特点，可以推广使用。

1.3 水闸的结构设计

目前，水闸结构设计需要结合地势结构、水闸功能、水文条件等具体情况来着手。一方面，通过计算水闸负载，来确保闸室、翼墙等相对抗滑的稳定性能。另一方面，需要做好坝体整体结构与各局部结构的统筹规划，综合考虑来选用水闸结构，确保结构设计的科学严谨性。

1.4 水闸消能防冲设计

水闸消能防冲环节主要是控制水流工况，一般要求控制工况为下游水位在规定取水下限值时，水闸水位保证在高点处，目的是使上游尽可能存储更多水资源，在对应此种工况下来计算系统消力池深度，这个计算出的数据即为最初闸门开启深度。随着全球环境的改变，目前河流水文规律也发生了一些变化，因此在设计最高蓄水位、最低蓄水位时应加以考虑，结合实际工况与发展变化选择较大的富裕系数来满足未来需要。

1.5 水闸闸型、闸室的设计选型

在水利水电工程当中，所使用的水闸类型较多，各类闸型具有不同的作用和优缺点，因此在选择闸型时应根据实际河流的水文特点以及当地地质条件等综合条件来考虑，不能一味追求新式闸型而忽略了实际应用问题。水闸闸室主要有敞开式、胸墙式、涵洞式三种，在水利水电工程泄洪时尽可能使水流恢复至自然状态，避免水闸前水位过高导致水冲击现象。上述三种水闸具有不同特点，敞开式水闸平底宽，更有利于排涝泄洪，水流宽阔稳定，结构简单，操作方便。胸墙式水闸一般用于水位波动较大，下游水量有限制要求的河流。涵洞式水闸一般用于水位高，孔口尺寸受限制的位置，例如穿堤取水水闸。因此，应结合实际情况选择恰当的闸室类型。

1.6 过闸水位差的设计计算

在设计过闸水位差时，根据不同地形选择不同的水位差，规范要求在10-30cm，一般在平原地区选用下限，在山区过闸水位差一般选择上限。较大的过闸水位差可以减小闸孔净宽度，也可以降低工程造价，但是会使上游水位抬高，也会使水闸承载更大压强，增加了水闸、水坝被冲毁的风险。

1.7 闸孔尺寸的设计

在综合考虑建造成本、流量、速度以及水位高度等因素前提下，尽可能选择较少的水闸。在保证最大泄洪量前提下，水闸越少，墩数也会相应减少。当闸孔过大时，将会导致占地空间大，随之带来开启关闭闸门的设备设施都会增大规模，相应工程造价也会增加。因此，根据相关设计要求将闸孔宽度设计在10-14m之间较为合适，一般弹孔水闸孔宽为10m时，水闸闸孔应为33个，弹孔水闸孔宽为14m时，水闸闸孔应为20个。

1.8 水闸泄流能力的设计

水闸泄流能力是指将所有闸门打开，同时除去船闸和电站影响，这时水流通过拦河大坝下泄的堰流，可以根据堰流计算公式计算得出，以便满足最大洪峰泄流要求。

1.9 防水槽设计

在进行实际应用当中，防水槽作用是使水闸末端性能更加稳固，水流在流过关卡时会使水流速度有所减小，但在经过关卡末端时冲击能力较大，会严重冲击河床。防冲槽就是使用大小不一的石块来减弱水流冲击力，达到保护河床延长使用寿命的目的。

1.10 排水孔设计

水利水电工程投入运行后，消力池底板部位承受巨大压力，最主要影响因素是水流冲击力。设计时应充分留有底板静压压力余量，要有充足的耐磨静压，这样才能保证底板能够承受巨大水压。在排水孔设计时可以布置成梅花形，将排水孔位置放置在水平护板后半部分，排水孔加装了反滤层，这样既保证了排水通畅，又减轻了渗透压力。

1.11 水闸基础防渗面排水设计

在河流上下游之间存在巨大水位差，水位差的作用是使水流积聚了大量势能，这就对水闸及其周边产生很大冲击力，基础防渗对水闸起到了重要保护作用，所以必须做好排水工程。结合上下游地基条件和实际应用具体步骤为：首先将上游水引进河床中，然后流经底板、消力池、反滤层逐级将上游水流引入到下游，这样确保了排水系统的有效运行。另外，为了增加排水效率可以延伸上游水渗透途径，同时也减小了消力池底板压力，滤水层也起到了有效排水作用。

2 水闸设计中的注意事项

2.1 水闸的稳定因素

由于水闸拦截上游水流会使上下游产生较大水位差，会使上下游之间水闸承受巨大压力，因此水闸自身必须坚固，保持其稳定性。另外在枯水期时上游水位较低，整个水闸的自重将会直接作用在水闸基础上，在垂直载荷作用下使水闸基础变形甚至会使土层被挤出，等到下次泄洪时将会冲刷基础，长此以往将会出现较大缺口，甚至被冲毁。因此，在设计时一定要保证水闸的基础面积，减小水闸对基础压应力的危害。

2.2 水闸渗流问题

关闭水闸后，在上下游巨大水位差作用下，将会引起在水闸与地基、水闸与两侧基础出现渗流现象，这种渗流作用降低了水闸的抗滑稳定性，同时在渗流不断冲刷下将会造成两侧基础混凝土层出现沟洞、翻砂鼓水，甚至会被掏空土基基层，十分危险。另外也降低了水闸挡水、蓄水的效果，因此在水闸闸体与轨道设计时做好对应防范措施。

2.3 水闸以及地基沉陷问题

软土层自身具有较强的可压缩性，水闸、基础、蓄水的重力全部作用在软土层上，对于建设在软土层基础上的水闸会产生不同程度的下陷，或是承受荷载不均匀也会导致局部下陷。当地基以及闸体下陷较严重时，可以造成闸室变形、水闸开裂的严重后果，将会失去水闸的基本作用。

2.4 水闸开闭时的冲刷问题

在开、闭水闸时在上、下游水流巨大的水位差作用下，将会加大水流速度。特别是刚刚开启时和即将关闭时都会对水闸产生较大的水流冲击，下泄的水流对下游也会有较大冲刷作用和折冲水流，这些都会对水闸和水闸基础产生较大的负面影响，对整个工程质量构成威胁。

2.5 水闸裂缝问题

在水闸实际投入运行后会发现，很多的水闸以及基础等处会出现裂缝，为水利工程埋下了隐患，在设计时应加以考虑。第一，应明确施工作业的温度要求，基本原则应避开夏季炎热天气，或是使用地下水进行搅拌混凝土来降低温度，采取这些措施是为了减少混凝土内外温度梯度，降低内外应力影响。第二，设计时应对混凝土添加剂加以明确要求，以便施工时可以按照配比执行，特别注意某些地区的水pH超标或是砂石料含杂质过多，不但会降低混凝土强度而且会导致混凝土干燥后产生裂纹，因此对砂石含杂质率进行明确标注，进行有效控制。第三，设计时应科学使用配筋，在一些施工中会发现各方面都在按标准实施，也会出现裂缝问题。因此，设计时要从结构方面入手，合理释放应力，降低裂纹发生率。

2.6 设计人员方案与实践应用相结合

设计人员是构建水闸结构的主要能动因素,也是企业的宝贵财富，但有很多设计人员理论知识丰富，但工作经验与实践经验不足，所以对设计人员进行定期培训是行之有效的方法。培训包括以往水利水电工程案例分析、设计工程实际勘测、水闸应用中出现的问题分析等，使其思想上要密切联系应用,以便更好的指导设计工作。在设计中业会引进一些新设备、新技术,特别是在环保领域，应做好新技术的探索工作，推动水闸设计工作的与时俱进。

3 总 结

总的来说，在水利水电工程当中水闸作用十分重要，必须从设计之初就要加以重视，结合当地地质条件、河流水文条件等多方面综合考虑，严格按照有关设计规范做好各方面设计工作，特别是设计者应多加考虑实际的应用情况，与实践应用进行紧密联系，使设计出的水闸安全牢固，又可以发挥其最大调节作用，确保使用时的优质效果，为水资源的合理利用做出贡献。

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1007-7596(2017)10-0080-03

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2017-09-25

王新权(1968-)，男，江西南康人，工程师。