涵洞式水閘設(shè)計(jì)探析

【摘要】在水利工程中，涵洞式水閘的主要作用是用于管理水流量，對(duì)于上下游的水流量控制有著至關(guān)重要的作用。涵洞式水閘的設(shè)計(jì)尤為重要，缺陷性設(shè)計(jì)極有可能導(dǎo)致水閘崩塌，造成巨大的安全危險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)此，本文具體分析涵洞式水閘中設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】涵洞式；水閘；水利工程

引言

水利工程中水閘的質(zhì)量將直接決定上下游的水流量，對(duì)于農(nóng)作物、生活取水等都有著一定的影響，為了加強(qiáng)對(duì)上下游水域的保護(hù)，提升水利工程的整體建設(shè)效率、質(zhì)量，就必需提高涵洞式水閘的設(shè)計(jì)質(zhì)量，如此才能保障水利工程的作用。涵洞式水閘在設(shè)計(jì)過(guò)程中往往會(huì)忽略許多問(wèn)題，例如泄流計(jì)算的合理性、地基條件、防滲設(shè)計(jì)等。

1、無(wú)壓流涵洞式水閘的泄流計(jì)算

本文主要探討無(wú)壓流涵洞式水閘的泄流計(jì)算。無(wú)壓流涵洞需要保障在各種水位的情況下安全運(yùn)行，洞頂應(yīng)高出洞內(nèi)水位一定距離，一般為50cm左右，洞頂凈空面積不小于涵洞斷面面積的20%，涵洞主要分為短洞與長(zhǎng)洞，短洞是指洞長(zhǎng)不會(huì)對(duì)過(guò)流能力造成影響，反之，形成影響的便是長(zhǎng)洞。

當(dāng)涵洞底坡較為平緩或者趨向平坡時(shí)，長(zhǎng)洞、短洞的界限計(jì)算方式為：Lk=（64-163m）H。由該算式能夠發(fā)現(xiàn)，涵洞界限與水閘的水深、進(jìn)口流量的參數(shù)有著密切的關(guān)系，也就是說(shuō)與底坡的緩急有直接關(guān)系。如果洞長(zhǎng)L小于Lk，則為短洞，反之為長(zhǎng)洞。如果涵洞底坡為陡坡，則其泄流能力不會(huì)受洞長(zhǎng)影響，可以按照短洞進(jìn)行算計(jì)。

1.1 短洞計(jì)算方式

涵洞泄流如果不會(huì)因?yàn)楹撮L(zhǎng)度而造成影響，那么該涵洞便是短洞，其進(jìn)水口水流則為寬頂堰流。所以計(jì)算方式可按以下公式：Q=mσsb03/2。在該算式中：m表示流量參數(shù)；Q表示流量；H0表示從洞出口的斷面底板高程起算的上游總水頭（米）；σs表示淹沒(méi)系數(shù)；b表示矩形涵洞過(guò)水?dāng)嗝鎸挾龋祝?；?dāng)過(guò)水?dāng)嗝娌皇蔷匦螘r(shí)，b=wk/hk。在該算式中，hk表示臨界水深（米）；wk表示hk對(duì)應(yīng)的斷面面積（米2）。

1.2 長(zhǎng)洞計(jì)算方式

對(duì)于長(zhǎng)洞的計(jì)算方式，不同點(diǎn)在于需要從下游往上游推算水面線，從而求得進(jìn)口斷面位置的水深。計(jì)算公式主要為：

在該式中，△L表示所計(jì)算出的長(zhǎng)度（米）；i表示渠底坡降；J表示計(jì)算地段的平均水力坡降。

2、地基條件的影響設(shè)計(jì)

地基條件是水利工程設(shè)計(jì)的重要因素之一，在涵洞式水閘當(dāng)中地基條件更為重要。首先，堤防的地基條件普遍較差。在堤防建設(shè)過(guò)程中，斷面尺寸要重點(diǎn)考慮，即使上下游坡度較為平緩，堤壩地基仍然會(huì)存在較大的沉降，并且沉降會(huì)持續(xù)相當(dāng)久的時(shí)間。同時(shí)，在建設(shè)完成后如果沒(méi)有其他不良因素的影響，堤壩的安全性能會(huì)逐漸提升，但是在堤壩上建造水閘之后，情況便完全不同。涵洞式水閘普遍使用漿砌石、混凝土建造，建成之后，底面的承載力會(huì)顯著大于天然地基的承載力，對(duì)此，需要對(duì)天然地基進(jìn)行加固處理。但是，如果出現(xiàn)地基處理不均勻情況，水閘就極可能發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致閘體傾斜斷裂，形成嚴(yán)重的安全事故，影響整個(gè)水閘的安全運(yùn)行。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮各種工況，保障設(shè)計(jì)工況內(nèi)水閘結(jié)構(gòu)不會(huì)遭到破壞，確保工程安全運(yùn)行。在修建之前要全面分析地基條件，如果地基條件不足則需要加固處理，例如換土墊層法、重錘表層夯實(shí)、砂樁、擠密等，以提高地基承載力。在修建過(guò)程中需要注意對(duì)地基的保護(hù)，切勿出現(xiàn)挖空地基的情況。此外，在水閘竣工并工作一段時(shí)候之后，需要檢查水閘底板是否出現(xiàn)斷裂、變形及接縫止水是否出現(xiàn)破裂等現(xiàn)象。

3、水閘防滲設(shè)計(jì)

水利工程中，滲流破壞對(duì)水閘安全有著非常大的危害，許多水利工程事故都源于結(jié)構(gòu)滲漏，造成基礎(chǔ)沉降，結(jié)構(gòu)破壞，影響整個(gè)工程安全。

涵洞式水閘在筑堤后，在上下游水位差的影響下，水流將會(huì)向閘基及兩側(cè)滲流，這樣的滲流形式如果不加以控制，將對(duì)水閘造成嚴(yán)重的不利影響。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了控制這一現(xiàn)象應(yīng)采取相應(yīng)的改善措施，如適當(dāng)?shù)脑鲈O(shè)止水設(shè)施，降低閘室自重，控制浸潤(rùn)線等。雖然有相應(yīng)的改善措施，但由于涵洞式水閘的建設(shè)位置、地基情況及施工條件等因素的影響，其抗?jié)B能力可能仍然較低，仍會(huì)發(fā)生滲漏現(xiàn)象，需要設(shè)置反濾設(shè)施。水閘運(yùn)行一段時(shí)間之后，因?yàn)榛A(chǔ)處理不均勻等現(xiàn)象，涵洞或者閘室會(huì)出現(xiàn)一定程度的不均勻沉降，導(dǎo)致涵洞水閘出現(xiàn)沉陷、裂縫，同時(shí)，如果閘室以及涵洞外部的土質(zhì)結(jié)構(gòu)不緊密，原本正常的滲透現(xiàn)象會(huì)引發(fā)更深層次的滲流破壞，會(huì)進(jìn)一步加快工程的破壞。由此可見(jiàn)，涵洞式水閘在設(shè)計(jì)過(guò)程中如果以下兩個(gè)方面不夠完善，則必然會(huì)受到滲流的影響：1、施工程序及方式不合理，導(dǎo)致地基的原本結(jié)構(gòu)受到影響，形成安全隱患；2、防滲設(shè)計(jì)以及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在不合理，埋下安全隱患。

預(yù)防水閘滲透破壞的措施需要從多個(gè)方面進(jìn)行，首先要做好防滲設(shè)計(jì)，全面分析水閘附近的土質(zhì)狀況，做好水閘上下游的布置及兩側(cè)邊墻設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按照高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，確保止水設(shè)施的正確安裝，保障其不會(huì)漏水。其次要做好排水設(shè)計(jì)，控制滲流溢出面位置，降低揚(yáng)壓力，實(shí)現(xiàn)良好的排水性能；最后要做好反濾層設(shè)計(jì)，尤其是涵洞以及閘室的接縫止水部位，既要做好斷裂層的防護(hù)工作，保障涵洞內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)滲流，還要預(yù)防因紊流而形成的侵蝕，為了防止水流負(fù)壓力的形成，筆者建議可以從閘室、涵洞過(guò)流結(jié)構(gòu)著手，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使水流及時(shí)平順外泄，確保整體工程的安全性。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，涵洞式水閘的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜并且十分重要的工作，需要做到全面調(diào)查、綜合分析。涵洞式水閘普遍修建在地基較弱或者挖方較深的渠道中，如果涵洞式水閘的設(shè)計(jì)不合理，則必然會(huì)形成安全隱患，對(duì)此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須詳細(xì)計(jì)算水閘的泄流水量、全面分析地基條件、做好防滲設(shè)計(jì)等工作，從而提高涵洞式水閘的安全系數(shù)。

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