浅谈水工闸门的设计

杨再银 李凡鑫 田军秋

摘 要：在水工建筑中，闸门主要掌管水位的调节以及过水流量的控制两项工作，是水工建筑健康顺畅运作所必不可少的设备。闸门的工作性能较高，但初始设计、加工制造与安装等工作均较为繁琐复杂，任何一项指标的控制失力，均有可能造成其质量缺陷，进而影响到各方面使用性能的发挥。本文对水工闸门的设计进行了探讨。

关键词：水工；闸门；设计

引言

闸门是重要的水工建筑物之一，也是大坝、水电站、渠道等水利水电工程必不可少的水工建筑，其主要作用是封堵大坝、水电站、渠道等水工建筑物的进出水口，然后按照需要打开闸门放水，调整上下游的水位，排除一些沉沙、冰块、漂浮物以及泄洪等，因此闸门的设计非常重要，它关系到闸门的承受能力以及水工建筑物功能的实现。

一、水闸的作用

水闸是一种既能挡水，又能够在工程中泄除多余的水量，是一种依靠升降闸门来控制水位的水工建筑物。在现阶段水利水电工程中被广泛的应用在防洪、灌溉、排水、航运和发电等多个行业之中。水闸在目前水利水电工程中主要可以分为节制闸、进水闸、分水闸、排水闸、冲砂闸等，不同的水闸在水利水电工程中所发挥的作用和功能不尽相同，在很多的情况下，由于水利水电工程需要发挥多种不同的功能，因此在处理的时候，可以按照水利水电工程作用和效益的需求来进行不同种类的设计和控制，也可以将多种类型的水闸一起应用于同一水利枢纽中。

二、水闸设计原则

水闸作为水利水电工程的重要组成部分，其在设计之中容易受到施工条件、地质条件和受力条件的影响。这主要是由于其同其他建筑结构相比较有着特殊性。选址原则：在水闸建设之中，水闸选址是影响水利水电工程作用和效益的关键。在一般情况下，水闸在选址的过程中，首先要考虑到周围的地质条件和水文条件，要选择具有较高承载能力和抗剪能力的天然地基，最好是在处理的过程中能够选择新鲜完整的岩石作为水闸的地基，这样不但能够避免施工中对地基加固的施工要求，还能够提高工程效益，增加水闸的承载力、抗剪力。如果在工程施工的过程中，地质要求无法得到良好的控制，则容易造成在施工中地基不受控制，出现地基完整性不够和承载能力弱的现象，从而造成了水闸失事。所以在现阶段工程项目中，选址问题一直都是值得关注和探索的问题，要综合各种因素进行综合的分析和处理，以此提高水闸的施工要求。

三、水工闸门的设计

1、水力设计

水力设计一般包括：过流能力验算、拟定闸门控制运行方式和消能防冲设计计算。病险水闸除险加固设计时，影响水闸过流能力的主要因素包括设计水位的变化、孔口断面尺寸和型式的变化、过水涵洞断面尺寸以及涵洞长度的变化、消能防冲设施变化等。设计时应根据复核后的特征水位和规模，对水闸的过流能力进行复核。当采取加厚底板尺寸、加固闸墩以及增加底坎等措施时，过流面积、水流流态以及下游的出流状态都可能发生变化，需要重新复核水闸的过流能力。尤其要注意流态的变化，需要根据实际情况而采取和原设计以及安全鉴定时不同的过流能力计算公式来进行验算。如果水闸为穿堤涵闸，闸室后紧邻的涵洞断面尺寸、长度变化都可能引起过流能力的变化。尤其是涵洞延长时，尚需重新判断涵洞的流态，即涵洞为有压、无压、半有压和长洞、短洞以及淹没出流和非淹没出流等不同的水流型式，据此选择合适的计算公式验算其过流能力。

水力设计中闸门控制运行方式主要为今后水闸的管理提供技术支持。因此，对闸门的开启程度以及相应的过流能力也应进行必要的复核计算，以方便水闸的运行管理。消能防冲设计计算时，需要特别注意特征水位变化引起的计算条件的变化，以此复核消能防冲工程能否满足设计要求。

2、水闸门防渗排水设计

水闸的防渗排水设计主要是根据闸基地质情况及上下游水位条件等进行设计计算，其内容包括：进行水闸的地下轮廓布置，设计防渗、排水设施的型式、布置、构造和尺寸；渗流压力计算；渗流坡降计算，验算地基抗渗稳定性；滤层设计；防渗帷幕及排水孔设计；永久缝止水设计。除险加固的水闸应根据水闸存在的问题，按水闸实际的防渗、排水设施型式、布置、构造和尺寸进行防渗排水设计验算。不同水闸存在问题不同，在除险加固设计时也应根据加固设计采取的措施，对改建后的排水设施进行复核计算。必须注意的是，一旦改变了原防渗措施，须对渗流压力进行计算，因为新增的防渗设施可能会改变渗流压力分布，影响到闸室稳定。防渗设计时，一方面要注意特征水位变化引起的计算条件的变化，另一方面，也需尽可能根据已建水闸多年观测的数据对地质参数进行必要的复核。

3、闸室结构布置及稳定性分析

三类闸除险加固时，首先需根据新的设计条件对原结构进行分析计算，然后结合安全鉴定中结构存在的问题，采取必要的工程措施进行加固，同时按加固后的结构尺寸重新进行结构分析和稳定验算。验算时应尽可能考虑工程措施中新老材料之间的差异性，以及这些差异将对工程安全运行带来的影响。

水闸结构分析及稳定计算时，其荷载的计算也应考虑设计参数的改变。同时，荷载组合中应对检修工况荷载组合进行充分的考虑。有抗震要求时，应根据《水工建筑物抗震设计规范》的规定，对抗震设防烈度超过6度的水工建筑物进行结构抗震设计校核。

4、地基处理及设计

当水闸发生不均匀沉降或者地基总体沉降量较大时，需根据地质情况重新复核地基承载力。闸室加固、防渗措施改变时都需要重新验算地基承载力。

由于闸基处于混凝土底板之下，且闸底板钢筋混凝土厚度一般均在0.8m以上，钢筋间距较小，因此，直接对地基加固有一定困难。当地基已发生较大不均匀沉降时，需根据已有地质资料认真复核地基承载力，确定合理的加固措施。必要时增加地质勘探工作，取得更为合理的地基土的物理力学指标，确保采取的措施合理、经济且施工可行。

5、慎重对待闸底板高程的调整

当因稳定问题以及挡水等需要闸底板加固时，设计中一般会对加固后的闸室问题、底板结构进行必要的分析验算。而在这种情况下，易于忽视因闸底板高程变化而对河流河床变形和水力参数变化的考虑。以拦河水闸闸底板高程抬高为例。首先，假设流量Q不变（恒定流）、沙粒径D沿程不变、河宽B不变、糙率不变、河流处于冲淤平衡状态，可以得到水流基本方程：

Q=B·C·h1/2·i1/2

式中，i是水力坡降，C是谢才系数。同时，河流基本输沙方程为：

S=D-Pmun

S=BD-PmC（hi）n/2

式中，p和n均为指数，n一般大于4，m为系数，u为流速。根据上述假定，对比降i推导出方程：

SDPB（n-3）/3=mC2n/3Qn/3In/3

可以得出，当拦河闸闸底板高程抬高后，其上游河道河床比降i变缓，而河流宽度没有改变，床沙粒径D沿程不变或改变很小，在相同流量或来水过程下，水流的挟沙能力减弱，导致河流上游的淤积抬高。上游来沙将减少，将导致下游的冲刷。同时，上游河床比降变缓，同流量水位将会抬高，可能导致两岸堤防加高。因此，当需要对闸底板高程进行改变时，须对未来的河床演变和水面线影响作出合理的预测。

结束语

水工闸门是建筑物的主要组成部分之一，其运行状况直接影响到工程的适用性、安全性和耐久性，国内外都有因闸门故障而导致整个枢纽出事的教训。近年来，随着水工规模的不断大型化，水工闸门的尺寸和荷载也不断刷新纪录，达到过去难以比拟的水平，闸门安全问题也显得更为重要。

参考文献

[1]于芳.浅析水利工程中平面钢闸门设计[J].商品与质量，2009.

[2]宋艷，邱晓琳.平面钢闸门设计、施工及维护浅谈[J].四川水利，2008

（作者单位：山东省菏泽市郓城县黄河河务局）