水利水电工程中的水闸设计问题及其优化措施

谢丽萍

（湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430070）

1 引言

水利水电工程是我国重要的民生工程，水闸在水利水电工程中起到了不可替代的作用，水闸是水利水电工程中重要的水工建筑物，既是挡水建筑物，也是排水建筑物，其主要作用为控制水流[1]。水闸的建设位置大多数位于平原河网地区交叉河口附近，为了保证水闸的稳定性，行进闸基选址时，应尽量选择在地形简单、地基结构稳定且地下水位低的地点[2]。进行水闸设计时，根据水闸建设位置的选择，需要对水闸结构的稳定性、渗透问题、沉陷问题、冲刷问题进行特殊考虑，确定水闸的地基承载力、渗透压力以及消能防冲计算，从设计方面增强水闸结构的自身稳定性[3]。

根据水闸设计步骤，一般在进行水闸设计时，仅考虑了地基承载力的计算，未考虑水闸的防冲防渗计算，没有根据水闸建设位置以及闸基状况确定水闸的类型[4]。本文通过对湖北省某水利水电工程中水闸结构设计研究，梳理水闸设计中存在的问题，并针对具体问题提出结构设计优化措施，以提高水闸结构的稳定性。

2 水利水电工程中水闸设计问题

本文以湖北省某水利水电工程中的水闸结构为例，分析水闸设计过程中存在的具体问题。

2.1 工程概况

湖北省某河道上准备建设一水闸结构，作用是通过水闸控制水位，用以农田灌溉。水闸极限控制流量约360 m3/s，可满足大量农田灌溉需求。水闸除了满足农用外，仍需满足排洪排涝功能，依据规范需要满足5 a 一遇的排涝任务和20 a 一遇的排洪任务。5 a 一遇规划设计除涝流量Q=260 m3/s，水闸建成后相应闸下游水位为39.9 m，要求泄洪时闸上、下游允许水头差h≤0.1 m。20 a 一遇洪水校核流量Q1=550 m3/s，闸下游相应水位41.8 m，要求建闸后泄洪时上、下游水头差h≤0.2 m。正常灌溉水位为41.0 m，该河经治理后的下游河道水位流量关系见表1。

由工程概况可知，该水闸位于平原区河道，作用为农田灌溉与排洪排涝，根据SL 265—2016《水闸设计规范》，可以在平原区地基稳定处建设水闸，依据水闸作用可选用节水闸，节水闸主要可以满足对河流流量及水位的控制，能够为农田灌溉提供良好支撑，并且节水闸设计简单，占地面积较小，针对流量在100~1 000 m3/s 的中型水闸可以满足使用要求。但是在进行水闸设计时遇到以下4 个问题：测绘精度低；忽略了防冲刷防渗透设计；水闸类型选择不合理；闸室底板选择不合理。

表1 河道水位流量关系表

2.2 测绘精度低

在湖北省某水利水电工程水闸的设计过程中，采用测绘技术方法得到河道及周边建筑的全方位准确坐标信息，测绘精度决定了设计的合理性。水利水电工程的测绘与土建测绘不同，其测绘位置在岸上，测绘作业时往往会出现岸上坐标与河道内部坐标超限的问题，除了作业场地原因外，主要原因是设计人员对于测绘操作不熟练，在使用GPS 进行测绘时没有对现场进行整体测绘控制，造成控制点坐标不准确，得到的测绘数据没有固定解，数据结果超限，在进行地形图绘制时，由于控制点问题造成地形图偏差，影响了水闸设计，使水闸位置与设计位置出现偏差，造成水闸整体位置偏移。

2.3 忽略防冲刷与防渗透设计

水闸的防冲防渗设计主要考虑闸基的地质情况、闸基两侧轮廓线布置以及上、下游水位差。根据工程概况可知，该水闸位于平原地区，根据我国地区土质分类，该水闸结构地基为土基，对于建在土基上的水闸，需要计算水闸基底和侧向抗渗稳定性，通过计算保证水闸地基的稳定性。但是在该水闸设计时，由于注重考虑水闸作用最大化，尽可能扩大灌溉面积与排洪水量，忽略了对水闸防冲防渗功能的设计。虽然本项目上下游流量差较小，但是河道周围有大量农田，在农田施肥过程中，农田中会残留许多化学离子，化学离子排至河道内后，会对水工建筑物产生化学侵蚀，造成结构损坏。并且湖北省位于我国中部地区，夏季气温较高，昼夜温差大，容易使大体积混凝土产生温缩裂缝，使水流渗入结构内部造成结构耐久性下降。所以，必须对水闸进行防冲刷与防渗计算，提高水闸的防冲刷与防渗能力。

2.4 水闸类型选择不合理

进行水闸设计时，水闸类型的选择影响了水闸的使用功能。一般水闸类型的选择多偏向于功能性，在能满足最大使用功能的情况下选用施工简单的水闸类型。但是，对于环境条件特殊的水闸结构，需要着重考虑环境因素。水闸类型的选择考虑不充分会导致水闸无法发挥正常的使用功能，影响工程运行效果。设计本项目的水闸时，根据水闸的使用功能，选用节水闸，但河道宽度较窄，且流量较大，需要建设中型水闸，中型水闸占地面积和地基承载力要求高，施工困难。该水闸结构建于土基之上，需考虑结构自身稳定性以及使用功能。

2.5 闸室底板尺寸不合理

闸室是水闸结构的重要组成之一，闸室的底板尺寸决定了闸室结构的稳定性。根据工程概况可知，该项目闸基位于土基之上，底板作为水闸闸室的基础承受上部结构荷载并传递给地基，同时还借助底板与地基之间的抗滑力来保持闸室的稳定性，在土基上进行闸室设计时，通常采用一体式结构设计，未考虑闸室底板尺寸的设计。若闸室底板尺寸过大，会造成工程量的增加材料的浪费问题；若闸室底板尺寸较小，则会影响闸室整体的稳定性。

3 水利水电工程中水闸设计优化措施

3.1 提高测绘精度

测绘精度不足的原因主要包括两方面：一方面是人为因素导致测绘坐标精度不足；另一方面是测绘位置位于河岸与河道内造成测量误差。为了提高测绘精度，应该采用施工控制测绘方法。首先，根据水闸设计需要进行控制点确定，使用GPS 在建设区域进行控制点测绘，由于水闸结构一部分位于土基一部分位于河道，可采用无人机测绘的方法，提高测绘效率，减少坐标误差。控制点确定后，根据水闸建设的需要，测量碎布点坐标，通过碎部点坐标进行水闸设计位置的初步确定，在碎部测量过程中，插入高程点的测量，确定河道与河岸的高程差，便于进行设计优化，根据测绘结果绘制地形图。测绘精度不足主要是对地形地貌不熟悉，造成坐标测量误差，采用控制点、碎部点和高程点测量方法能够有效减少坐标误差，结合无人机航测可以对测绘区域进行轮廓控制。然后，依据测绘地形图以及各点位准确坐标选择相应的地基处理方式，以此保证后续设计工作的顺利实施。

3.2 防冲防渗设计

根据SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》，需要计算水闸基底和侧向抗渗稳定性，渗流坡降应小于表2 中数据。

表2 水平段出口段允许渗流坡降值

根据表2 可知，该水闸允许渗流坡降值应在0.4%~0.5%，在对水闸结构进行防冲防渗设计时，主要考虑3 个因素：

1）环境气候因素，湖北省夏季气温高，且昼夜温差大，在进行材料选择时，混凝土类型必须选择收缩性能好的混凝土，并且在养护时需要采取措施避免出现混凝土温缩裂缝，增强材料的防冲防渗性能。

2）水闸使用功能。该水闸的主要作用为调节水位、灌溉农田，由于该水闸上下游流量差较小，水流流速正常，但是农田施肥残留的化学离子会排入河道，对水闸进行化学侵蚀，所以，必须提高水闸的抗渗等级，对渗透压力进行计算。并且工程要求按照20 a 一遇的洪水重现期进行设计，所以，对该地区最强降雨量进行统计，计算最强降雨量时河道流量与水位高度，依据计算结果确定渗流坡降值和消力池设计。

3）水闸基础。该水闸建设在土基之上，对于土基需要进行加固处理，提高地基承载力，满足地基防冲刷、防渗要求，对地基进行排水与地基防水设计，加强地基稳定性，保证水闸结构的稳定。

3.3 选择合适的水闸类型

本项目采用方案比选的方法选择水闸类型。将影响水闸类型的因素进行排列，包括环境气候、地形地貌、使用功能以及服务年限，根据影响因素的重要程度，确定排列顺序为：使用功能＞地形地貌＞环境气候＞服务年限。为了保证水闸的使用功能，水闸类型选择为节水闸，并且通过对闸室类型的合理选择，保证在排洪排涝过程中将河道水流恢复到自然状态，避免水位过高引发的冲击问题。为了保证水闸的排洪排涝功能，设计相应的进水闸，对引水流量进行控制，以此准确赋予工程供水、发电、灌溉等功能。从施工现场的实际情况着眼，要做好水闸尺寸的合理设计，确保水闸能够很好地满足引水要求。

3.4 闸室底板尺寸优化

对该水闸进行结构设计时，由于河道宽度较窄且地基承载力较低，需要对闸室底板尺寸进行优化，减小结构对地基的荷载传递。依据JTJ 307—2001《船闸水工建筑物设计规范》，板底长度约为水位差的2.5~4.5 倍，可以得到底板长度在5~10 m，板厚在0.7~2.0 m，确定了闸室板底尺寸范围，对闸室板底进行优化设计。通过对工程环境因素，地形地貌以及使用功能因素的综合分析，对底板尺寸进行优化。优化结果为，底板长度为8 m，底板厚度为0.7 m。对底板尺寸的优化设计能够有效减少施工工程量节省建设成本。

4 结语

水闸是水利水电工程中重要的水工建筑物，主要由上游连接段、闸室、下游连接段3 部分构成。本文通过对湖北省某水利水电工程水闸进行设计，得到水闸设计中存在的问题，包括测绘精度不足、忽略防冲刷防渗透设计、水闸类型选择不合理以及闸室底板尺寸不合理4个问题，并针对水闸设计中存在的4 个问题，提出水闸结构设计优化措施。