農(nóng)田水利工程中水閘設(shè)計(jì)的探索

劉偉峰 張瑞

摘 要:我們要掌握水閘的設(shè)計(jì)和施工方法,要認(rèn)識(shí)水閘建設(shè)的規(guī)律,就必須首先了解水閘的工作特點(diǎn),了解水閘在施工和運(yùn)用時(shí)期是在怎樣的情形下工作的,以及水閘的工作特點(diǎn)和類型等。

關(guān)鍵詞:水利水電工程水閘設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):TV221 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)05(b)-0133-01

我國(guó)具有修建水閘的悠久歷史,特別是新中國(guó)成立以來(lái),在廣大平原地區(qū)和各條江河以及大小灌區(qū),修建了千千萬(wàn)萬(wàn)座水閘,尤其是在長(zhǎng)江、黃河、淮河和海河的流域治理中,水閘更是數(shù)量眾多,在防洪、排澇、航運(yùn)、灌溉、擋潮等方面,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和巨大的社會(huì)效益。

在平原或地勢(shì)較為平緩的地區(qū),為了防洪、排澇、航運(yùn)、灌溉、擋潮以及發(fā)電等目的而興建的水利樞紐中,大多數(shù)需要修建各種類型的水閘;在各種類型的渠道中,為了控制水位和流量、宣泄入渠洪水以及防止泥沙的侵入或沖洗渠道中沉積的泥沙,也需要修建一些水閘。水閘既是擋水建筑物,又是泄水建筑物,并通過(guò)閘門控制泄流和調(diào)節(jié)水位。

水閘可以修建在土基或巖基上,但多數(shù)建于軟土地基上。水閘既要擋水又要泄水,地基條件差和水頭低且變幅大是水閘工作條件之所以比較復(fù)雜的兩個(gè)主要原因。因而,它具有許多與其他擋水建筑物不同的工作特點(diǎn)。

1 水閘的工作特點(diǎn)

1.1 穩(wěn)定問(wèn)題

水閘在正常使用時(shí),上游攔有較高水位,閘上、下游形成的水位差會(huì)造成較大的水平水壓力,使水閘有可能產(chǎn)生向下游一側(cè)的滑動(dòng)。因此,水閘必須具有足夠的重量,以維持自身的穩(wěn)定。水閘建成尚未擋水時(shí),或在正常使用的無(wú)水期,常因過(guò)大的垂直荷載,使基底壓力超過(guò)地基允許承載力而導(dǎo)致地基上發(fā)生塑性變形,可能產(chǎn)生閘基土被擠出或連同水閘一起滑動(dòng)的危險(xiǎn)。因此,水閘又必須具有適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)(底板)面積,以減小基底壓應(yīng)力。

1.2 滲流問(wèn)題

水閘擋水時(shí)在上、下游水位差的作用下,會(huì)產(chǎn)生通過(guò)閘基及水閘與兩岸連接處的滲流。滲流的存在將對(duì)水閘底部施加向上的揚(yáng)壓力,減小水閘的重力,降低水閘的抗滑穩(wěn)定性。如閘基或兩岸均為土基時(shí),滲流還可能帶走土層中的細(xì)顆粒,在閘后出現(xiàn)翻砂鼓水現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)閘基和兩岸還可能被淘空。側(cè)向滲透的繞流對(duì)兩岸連接建筑物施加水平水壓力,降低了這些建筑物的穩(wěn)定性,還將引起岸坡上的滲透變形并增大閘底的滲透壓力。滲流水量如果很大時(shí),將會(huì)影響水閘的擋水效果,甚至蓄不住水。

1.3 沖刷問(wèn)題

水閘開(kāi)閘泄水時(shí),閘下游無(wú)水或水深很淺,在上、下游水位差的作用下,過(guò)閘水流往往有很大的流速,其具有的能量將引起閘下游的嚴(yán)重沖刷。如沖刷范圍擴(kuò)大到閘基時(shí),將因閘基被淘空而導(dǎo)致水閘失事。此外,水閘兩岸多為土層或軟弱巖層,特別是當(dāng)閘孔數(shù)目較多時(shí),開(kāi)啟個(gè)別閘孔容易形成折沖水流,對(duì)下游河岸造成嚴(yán)重沖刷,也會(huì)危及水閘的穩(wěn)定和安全。

1.4 沉陷問(wèn)題

水閘建在軟土地基上時(shí),由于軟土的壓縮性很大,在閘身自重及外部荷載的作用下,往往會(huì)產(chǎn)生較大的沉陷;尤其當(dāng)通過(guò)底板傳到地基上的荷載分布不均勻以及地基土層分布不均勻時(shí),更會(huì)產(chǎn)生不均勻沉陷。地基的沉陷將會(huì)引起水閘的下沉,不均勻沉陷則會(huì)造成閘室傾斜,嚴(yán)重的甚至可能斷裂,這將嚴(yán)重影響水閘的正常使用。

2 水閘的類型

2.1 進(jìn)水閘

為了滿足農(nóng)田灌溉、水力發(fā)電或其他水利事業(yè)用水的需要,在水庫(kù)、河道、湖泊的岸邊或渠道的渠首,建閘引水,并控制入渠流量,稱為進(jìn)水閘,因其常修建在渠道的首部,故又稱為渠首閘。

2.2 節(jié)制閘

節(jié)制閘一般用以調(diào)節(jié)水位和流量,在枯水期借以截?cái)嗪拥捞Ц咚?以利上游航運(yùn)和進(jìn)水閘取水;洪水期用以控制下泄流量。節(jié)制閘若攔河建造,又可稱為攔河閘。

2.3 排水閘

排水閘常位于江河沿岸。外河水位上漲時(shí)可以關(guān)閘以防江河洪水倒灌;河水退落時(shí)即打開(kāi)閘門排除漬水。由于它既要排除洼地積水,又要擋住較高的外河水位,所以其特點(diǎn)是閘底板高程較低而閘身較高,并受有雙向水頭作用。

2.4 擋潮閘

沿海地區(qū)遭受潮水的影響,為了防止海水倒灌入河,需修建擋潮閘。擋潮閘還可用來(lái)抬高內(nèi)河水位,達(dá)到蓄淡灌溉的目的;內(nèi)河兩岸受澇時(shí),可利用擋潮閘在退潮時(shí)排澇;建有通航孔的擋潮閘,可在平潮時(shí)期開(kāi)閘通航。因此,擋潮閘的作用是擋潮、蓄淡、泄洪、排澇,其特點(diǎn)亦是受有雙向水頭作用。

2.5 分洪閘

在江河適當(dāng)?shù)囟蔚囊粋?cè)修建分洪閘,當(dāng)較大洪水來(lái)臨時(shí)開(kāi)閘分泄一部分下游河道容納不下的洪水,進(jìn)入閘后的洼地、湖泊等蓄洪區(qū)、滯洪區(qū)或下游不同的支流,以減小洪水對(duì)下游的威脅。這類水閘的特點(diǎn)是,泄水能力大,以利及時(shí)分洪。

3 水閘設(shè)計(jì)要點(diǎn)

進(jìn)行水閘設(shè)計(jì),首先要根據(jù)水閘承擔(dān)的任務(wù)和當(dāng)?shù)氐木唧w條件確定水閘的基本型式和主要尺寸。如為了滿足“既擋水、又泄(引)水”的要求,需要確定出閘孔寬度、孔數(shù)、閘高以及閘孔型式和閘底板高程等作為水閘設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。

3.1 攔河閘基本型式和尺寸的確定

攔河閘承擔(dān)的任務(wù)主要是攔斷河流和壅高河中水位以保證引水的需要。需要壅高的水位,稱為正常壅水位,亦稱正常擋水位。對(duì)于灌溉取水工程,該水位是根據(jù)灌區(qū)規(guī)劃對(duì)引水高程的要求確定的。洪水時(shí)期,攔河閘則開(kāi)閘泄水。為了滿足泄洪要求,攔河閘應(yīng)具有足夠的閘孔尺寸。泄洪時(shí),閘前的洪水位往往要高于閘前的正常壅水位,故攔河閘的閘前最高水位取決于閘前洪水位的高低。為了滿足引水要求而確定的閘前正常壅水位是攔河閘的正常擋水高程,而泄洪量的大小和閘前洪水位的高低,則直接影響攔河閘的高度、閘孔的型式和尺寸、閘的上游淹沒(méi)損失以及對(duì)閘下游消能防沖的要求和工程量的大小等。

3.2 進(jìn)水閘基本型式和尺寸的確定

從天然河道取水,按取水方式一般可分為無(wú)壩取水和有壩(閘)取水兩種方式。當(dāng)天然河道水量豐富,水位也能滿足引水要求時(shí),可采取無(wú)壩取水方式,即直接在渠首修建進(jìn)水閘引水;當(dāng)天然河道水位不能滿足引水要求或引水流最較大(占河道來(lái)水30%以上)時(shí),由于引水有困難,常需采取有壩取水方式,即除了在渠首修建進(jìn)水閘引水外,還需在河道中修建攔河壩(閘),攔斷河流,壅高水位,迫水入渠,以滿足進(jìn)水閘引水要求。

進(jìn)水閘是修建在渠首按需要引水的建筑物,當(dāng)不需要引水時(shí),則關(guān)閘擋水,以免河水進(jìn)入渠道。顯然,進(jìn)水閘不但要有足夠的閘孔尺寸,以滿足引水要求;還要有一定的高度,以阻擋河中水流和洪水漫頂,否則就不能完成按需要引水的任務(wù)。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)水閘必須有正確的和足夠的資料,以便作出符合實(shí)際的設(shè)計(jì)。在以往的水利建設(shè)中,有不少工程,由于資料搜集不完善或者不正確,致使有的工程重新設(shè)計(jì),有的工程不得不臨時(shí)停工,或給施工帶來(lái)很大的困難,甚至于造成失事等等;這樣的教訓(xùn)不少,應(yīng)予以重視。

參考文獻(xiàn)

[1] 山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院編.水閘設(shè)計(jì)實(shí)例.1984.

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[3] 張紹芳.堰閘水力設(shè)計(jì).1987.