关于水利水电工程中水闸的设计分析

易志强

（广州市宏涛水务勘测设计有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

水利水电工程中水闸的设计至关重要。其结构工艺复杂，所以在工程施工时需根据实际施工情况以及项目需求设计合理的施工方案。在设计过程中还存在其他问题。因此设计人员应了解工程施工具体情况，通过设计优质的水闸结构，从而构建优质水利工程。

1 水利水电工程中的水闸设计

水闸是水利工程中很重要的结构设施，其主要作用是用于控制水流，既起到挡水贮水的作用，同时也是用来排水的设施。在水利工程的建设过程中，一般会将水闸设置于平原河网地区的河口交叉处，便于使用水闸控制水流的大小。在对水闸进行方案设计工作时要考虑其稳定性、渗透问题等各项数值，并确定水闸基底的承载力等数据，从而把握水闸结构自身的稳定性。在选择水闸闸基位置时应选择地形相对简单且地基结构稳定，地下水位较低的位置便于提升水闸的稳定性。

本文以广东省的某水利水电工程中的水闸结构工程设计为案例，如图1 所示，具体分析其水闸在设计过程中需要注意的具体问题及解决措施[1]。

图1 广东省某水利水电水利工程

2 工程概况

位于广东省内的某一河道上准备拟建一水闸结构，其主要用途为通过使用水闸设施控制河道水位的高度，并将其用于农田灌溉。已知水闸所控制的水流量极限为360m3/s，其足以满足大部分农田的灌溉需求。水闸还承担着排洪排涝的功能作用，按照相关的条规规范，其需要满足5a 一遇的排涝任务与20a 一遇的排洪任务。其中5a 一遇规划中设计排涝的流量约为260m3/s，相应的水闸下游水位约为39.9m，现要求在排涝泄洪时其上下游水位相差不得大于10cm。20a 一遇洪水校核流量约为550m3/s，其对应的水闸下游水位约为41.8m，并要求在泄洪时上下游水头差不得大于20cm。正常灌溉时其水位高度约为41m。该条河流经水流治理后，其下游河道水位流量关系根据相关数据分析可知呈正比关系。河道水位流量关系如表1 所示。

表1 河道水位流量关系

根据该工程的概况可知，其水闸位于平原区河道，主要用于日常的农田灌溉以及雨季的泄洪排涝工作。根据《水闸设计规范》要求，在平原地区地基稳定处建设水闸设施时可以根据实际情况选用节水闸。节水闸可以在满足控制河流水位水流量的同时兼顾日常的农田灌溉工作。与传统样式水闸相比节水闸不仅设计工艺较为简单，其占用的占地面积也较小。但是在对水闸施工方案进行设计的时候出现以下问题：测绘精度较低；防渗透与防冲刷设计不充分；水闸类型不适合实际使用情况；闸室底板的尺寸不合理。

3 提高测绘精度

在进行工程设计之前应该对工程建址的周围使用测绘技术统计附近的地形数据以及相关坐标信息，为后续的相关设计工作提供准确可靠的数据支持，以便于顺利开展后续的工程设计工作。所以工程设计的合理性与测绘数据的精度息息相关。在该水利水电工程中的水闸设计过程中，由于其测绘环境与普通土建工程的测绘环境不同的原因，在测绘过程中经常出现岸上坐标与河道内部坐标超出限度的问题。而且由于现场设计人员对相关技术使用不够熟练，导致在使用GPS 进行测绘时缺少对施工现场整体的把控，导致控制点坐标不够准确，相关的测绘数据也没有固定解，数据结果混乱影响到地形图数据偏差，从而影响水闸位置的设计与实际的规划位置出现位置偏差[2]。

为提升该工程设计过程中的测绘数据精度应采用施工控制的测绘方法。首先确定控制点的位置，再根据控制点的位置使用GPS 在规划建设的区域内进行测绘工作，并根据其位置确定水闸设计的相关数据。由于水闸结构的一部分在建设时需要埋入土基，因此，在测绘时也可以借由无人机进行测绘工作提高测绘效率与坐标数据精度。在确定控制点位置之后，根据水闸建设的需求确定碎部点的坐标，大概确定水闸的施工位置。在测量碎部点的过程中可以通过对高程点的测量数据进行分析，确定河道与河岸的高度差（图2）并得到相关数据，高程点便于后续开展设计优化工作。使用控制点、碎部点以及高程点相结合的测量方法可以有效地提高测绘数据的精度，同时通过无人机的航测功能还能够控制测绘区域的外轮廓。最后根据其相关的测绘数据体积地形图坐标等数据选择地基施工工艺，为后续工程设计以及施工工作提供基础支持。

图2 河道与河岸的高度差

4 加强防冲刷和防渗透设计

水闸作为控制水流大小的结构设施，其防冲刷以及防渗透设计是施工设计方案中十分重要的组成部分。在对水闸进行防冲防渗设计时，需要对其闸基的地质情况、闸基两侧轮廓线布置情况、河道上下游水位差等数据进行详细的分析调查，而根据相关的工程概况可知，该工程拟建于平原地区，根据相关资料可确定其水闸结构地基为土基。在土基上建设水闸设施需要对其水闸基底与侧向抗渗稳定性进行计算，并根据其结果确定水闸地基是否稳定。在本工程设计之初，由于相关设计人员过多关注水闸的功能性，扩大灌溉面积与排洪的水量，忽视水闸的防冲防渗设计。基于本工程的周边情况，在农田进行施肥的环节时会产生大量的化学元素与粒子，而部分化学元素粒子在顺着土壤排入河道内部时会与相关的金属结构发生反应，导致其产生因化学腐蚀造成的结构损坏。该地区由于气候特性，夏季气温较高，昼夜温差较大，极易使混凝土产生温缩裂缝，导致水流顺着裂缝渗透入结构内部造成腐蚀现象，于是相关设施耐久度下降。因此计算水闸设施的防冲防渗能力计算对于提升设施的防冲防渗能力是十分有必要的。

根据相关的规范设定，该水闸允许的渗流坡降值应该处于0.4%～0.5%。在对其结构进行防冲防渗设计时应考虑以下因素。

（1）环境气候因素。根据该地区的气候特性进行分析得知，该地区夏季气温较高，而且昼夜温差较大。所以在选择建设材料时应选择收缩性能较好的混凝土，并且在后续的养护工作中采取相应的措施避免混凝土出现温缩裂缝，提高水闸设施的防冲防渗能力。

（2）水闸的使用功能。根据工程概况可知，该水闸的主要作用为调节河道水位并灌溉农田。由于附近农田在施肥时可能会产生化学成分残留，而这部分化学成分在排入河道时有可能会对水闸产生化学腐蚀，因此结合该河道的上下游流量差数值较小和水流流速正常的情况下对水闸设施进行渗透压力计算，以此来提升水闸的抗渗等级。并且在进行设计的时候应根据工程要求按照20a 一遇的洪水重现期数据进行相关的设计工作。对该地区近年来的最强降雨量进行数据统计，并计算在最强降雨量时，分析该河道的流量与水位高度数据，为后续的渗流坡与消力池的设计提供数据支持。水闸流量如图3 所示。

图3 水闸流量

（3）水闸基础。由于该水闸设施基底为土基，所以在建设前需要对其土基进行加固处理。以此来提升地基的承载力，满足工程的防冲防渗标准。并且在设计施工时应注意设计地基的相关排水与防水设计，提升地基与水闸的稳定性[3]。

5 选择合理的水闸类型

在设计水闸工程的时候，水闸类型的选择也是非常重要的工程影响因素。通常情况下，在选择水闸类型的时候，综合工程需求更加偏向于选择功能性较强的水闸类型，而在满足最大使用功能的情况下则选择施工工艺相对简单的水闸类型。当处于特殊环境时就需要一并考虑环境因素进行综合分析选择。如果对水闸类型的选择考虑不够充分，后续就可能会出现水闸无法适应环境，其发挥不出正常的使用功能的情况，从而影响整个工程。在本项目设计时，综合水闸设施的使用情况以及相关的功能要求选择使用节水闸，但由于河道较窄且水流量较大，只有中型水闸符合项目条件。而中型水闸对占地面积以及地基的承载力都有一定的要求，结合实际的工程情况很难开展施工工作。由于水闸设施建立于土基之上，所以还需要结合自身的结构稳定性考虑施工要求[4]。

根据本项目的实际情况，在选择水闸类型时应提取相关的因素进行排列，最终确定对相关因素进行考虑的顺序如下：①使用功能。②地形地貌。③环境气候。④服务年限。最终选择节水闸类型。在相关工程设计工作的时候，还要选择合理的闸室类型，以确保在泄洪过程中河道水流能够恢复至正常的自然状态。同时还要设计与之相对应的进水闸控制引入的水流量，并以此来开发该工程的供水供电以及灌溉等职能。

6 选择合适的闸室底板尺寸

闸室作为水闸的重要组成结构之一，其底板的尺寸决定闸室结构的稳定程度。根据相关的工程概况可知，该水闸建设于土基之上。在进行土基闸室设计时，一般选用一体式结构设计，忽略闸室底板尺寸的设计，水闸设计如图4 所示。但实际上点作为水闸闸室的基础承载结构，如若闸室底板尺寸过大会增加工程量的负担以及造成材料的浪费；但如若闸室底板尺寸过小则会对其整体的稳定性造成不利影响。

对该水闸的闸室底板进行设计的时候应考虑到河道较窄且地基承载力不足等因素，对其底板尺寸进行优化设计，以减少结构对地基的荷载传递。根据相关的工程规范，底板长度应为水位高程差的2.5～4.5 倍，因此根据相关数据可知，本次底板设计中，底板长度约5.10m，厚度在0.7～2.0m。并根据施工环境因素的综合分析对其进行优化，最终数据为底板长度8m，厚度0.7m[5]。

7 结语

水闸作为水利水电工程中重要的组成结构设施，其工程的质量与整个水利工程的质量息息相关。本文通过对广东省某水利设施的水闸设计进行分析，详细阐述相关问题与解决方案，以此优化水闸建设工程质量来提升整个水利工程质量。