水利水电工程中水闸的设计

修德禄

（营口市水利勘测建筑设计院，辽宁营口115000）

1 虎庄河水闸简介

虎庄河闸是一座以防潮为主，兼顾排涝、灌溉与防洪等任务的水闸，该水闸设计标准为30年一遇，校核标准为100年一遇，设计潮水标准为100年一遇，工程等别为Ⅱ等。虎庄河闸以上游胸墙为界，前为开敞式，后为涵洞式，共9孔，每3孔为一联。进口尺寸3.5 m×4.2 m（宽×高），设矩形平板铸铁闸门，手电两用双吊点螺杆式启闭机；出口尺寸3.0 m×4.2 m（宽×高），设节能型自力式闸门，总宽41.10 m。

2 选址与地基处理

水利水电工程建设中，水闸的选址十分重要，应选择地基基础较好的地点。一般而言，应优先选择岩石地基，同时充分考虑到地质和水文分析情况，若无法满足岩石地基的要求，可使用抗剪性强、渗水性较弱，压缩性较低且承载力较强的土质地基来代替岩石地基。

另外施工人员可在原土上加载，以此排除多余的水分，提高土的固结程度，并对工程后续的沉降进行有效控制，提高结构承载力是预压的主要目的。预压能够在保证荷载的前提下减小体积，且闸基会有所增强，如淤泥质土和粘性土地基的应用效果比较理想。但其也存在着明显的不足，其通常无法在规定时间内完成工程建设，给企业带来较大损失。

3 闸室稳定性分析

3.1 计算工况

1）基本组合

①完建期情况：闸上、闸下均无水；

②正常蓄水位情况：闸上水位1.50 m，闸下水位-1.00 m；

③设计洪水情况：闸上水位3.42 m，闸下平均高潮位1.45 m。

2）特殊组合

①校核情况：闸上水位1.50 m，闸下大辽河100年洪水位3.77 m；

②地震情况：闸上水位1.50 m，闸下-1.00 m。

3.2 计算公式

式中：Kc——抗滑稳定系数；ΣG——作用在闸室的全部垂直力的总和，kN；ΣP——作用在闸室的全部水平力的总和，kN；f——底板与基础之间的摩擦系数，取0.35；ΣM——荷载对底板形心轴力矩的总和，kN·m；e——偏心距，m；σmax，σmin——基底的最大和最小压应力，MPa；η——不均匀系数。

4 闸基防渗排水

水利水电工程建设中，上下游水位的差异十分明显，这种差异对水利工程的运行也起到了十分积极的作用。在施工中应采取多种措施增强排水的效果。在上游水进入到河床，并经过防渗铺盖、闸底板、板桩和消力池时，应借助反渗层当中的排水孔，让水进入到下游河段，从而保证排水的效果。若工程建设中出现地基渗水的问题，则需采取有效措施第一时间排除积水。为了加快排水的速度，还可采取多种有效措施加强防水质量。另外借助铺盖、板桩等结构作为防水的工具，延长渗透通道，缩小渗透压。而且这里的滤水层也有着十分显著的排渗作用。

此外闸基防渗长度应满足：

式中：L——闸基防渗长度，即闸基轮廓线防渗部分水平段和垂直段长度的总和，m；△H——上下游水位差，上游水位取10年一遇设计堤防满槽水位4.22 m，下游无水即水位为-1.00 m，为最不利情况，△H=5.22 m；C——允许渗径系数值，根据《水闸设计规范》表4.3.2粘土取3～2，该次取3。

经计算：L=3×5.22=16.56 m。

地下轮廓线实际长度L≈40.00 m＞16.56 m，由此可见，防渗长度满足要求。

5 消力池底板排水孔设计

消力池底板需要承受不同的作用力，如水流脉动压力、水流冲击力以及水力上浮等。因此消力池底板应具有较强的抗压性及耐磨性，同时为抵御来自重物的冲击，其还应具有较高的强度。排水孔可设置在水平护板的后部，且在排水孔的下方设置反滤层。这里需将排水孔设置为梅花形，从而保证排水的质量，避免排水不畅。此外，在工作中还要减轻护板底部所产生的渗透压力。

6 水闸过流能力验算

6.1 涵洞过流能力计算方法

根据中国水利水电出版社出版的“取水建筑物丛书”的《涵洞》，采用如下公式：

6.1.1 流态的判别

1）当H/D≤1.2，h＜D时，为无压流；h≥D时，为淹没压力流。

2）当1.2＜H/D ≤1.5，h＜D 时，为半有压流；h≥D时，为淹没压力流。

3）当1.5＜H/D时，为有压流；h≥D时，为淹没压力流。

式中：H——进口水深，m；h——出口水深，m；D——洞高，m。

6.1.2 无压短洞流涵洞流量计算

式中：Q——流量，m3/s；m——流量系数，取0.36；B——洞宽，m；H0——计入行进流速水头在内的进口水深，m。

6.1.3 半有压流涵洞流量计算

式中：m1——流量系数，取0.62；i——涵洞底坡比降；β1——修正系数，取0.72；A——洞身断面面积，m2。

6.1.4 淹没压力流涵洞流量计算

式中：m3——流量系数；∑ξ——局部水头损失的总和；C——谢才系数；R——水力半径。

6.2 实例

闸上10年一遇水位流态判别。根据虎庄河闸运行情况，当上游发生10年一遇洪水与下游10年一遇潮位3.05 m遭遇时，该闸闸门全部开启泄流，假设为无压流涵洞。经计算，当过流量为330.75 m3/s时，闸上计入行近流速水头的水深H0=4.53 m，闸上水深H=4.42 m，即闸上水位为4.42+（-1.0）=3.42 m。由于 H/D=4.42 m/4.2 m=1.05＜1.2，下游水深h=4.05 m=4.2 m，满足对涵洞无压流的判别。

6.3 过流能力验算

闸上泄流水位4.22 m，与下游各种不同水位进行组合，验算水闸过流能力，成果见表1。

7 结语

水利水电工程建设中，水闸设计的质量对水闸运行的效果以及水利水电工程建设的质量有着较大影响，因此必须重视该项工作，且要从每一个细节入手加强对设计的管控，进而达到提高设计合理性的目的。

表1 过流能力验算表