涵洞式水閘泄流計算及影響分析

劉洋

【摘要】涵洞式水閘常修建在挖方較深的渠道中及填土較高的河堤下，由于抗滑穩(wěn)定能得到保證，所以其設(shè)計常被人們忽視，使得水閘在運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)底板沉降不均勻，洞身段產(chǎn)生裂縫、滲漏等現(xiàn)象，造成地基滲透變形等不良后果，嚴(yán)重時會威脅水閘及堤防的安全。本文對涵洞式水閘設(shè)計中的水力計算及地基、泄流產(chǎn)生的影響進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】涵洞；水閘；計算；影響

水閘按照閘室構(gòu)造不同，可以分為開敞式水閘和涵洞式水閘。開敞式水閘閘室頂部沒有填土，是露天的；涵洞式水閘閘室有洞身段，洞頂有填土覆蓋，當(dāng)有交通要求時，可在填土頂部設(shè)置公路。涵洞式水閘常修建在挖方較深的渠道中及填土較高的河堤下。從這一方面講，相對于開敞式水閘較為有利。但是涵洞式水閘屬于地下建筑物，其水力計算不同于開敞式水閘，泄流能力往往受涵洞長度、坡度及斷面尺寸控制。在結(jié)構(gòu)計算中，涵洞的受力特點(diǎn)是：除承受自重、內(nèi)水壓力、地基反力、溫度荷載等作用外，還要同時承受土壓力和外水壓力的作用。如果地基條件不好，設(shè)計不合理，施工質(zhì)量差，或者工程老化、年久失修，將導(dǎo)致閘室底板及洞身段產(chǎn)生不均勻沉降，出現(xiàn)裂縫，產(chǎn)生滲漏，使建筑物或各構(gòu)件強(qiáng)度下降。防汛資料表明，在堤防上運(yùn)行了一段時間的涵洞式水閘都不同程度上存在著工程隱患，這些工程往往是防汛搶險的重點(diǎn)對象。同時，由于涵洞式水閘表面被泥土覆蓋，其各種病害現(xiàn)象不易被發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)現(xiàn)，其情況一般已較嚴(yán)重，且修復(fù)困難。

1、涵洞式水閘的泄流計算

開敞式水閘一般是護(hù)坦緊接閘室，其次是海漫、防沖槽等，其閘孔尺寸大都按淹沒寬頂堰流公式計算確定，涵洞式水閘的閘室后面是涵洞，由于地形條件及工程量等因素的影響，涵洞斷面及底坡不可能很大，再加上涵洞一般較大，因而涵洞式水閘的泄流能力往往受涵洞各種參數(shù)控制，其泄流能力應(yīng)視不同情況進(jìn)行計算，根據(jù)涵洞洞頂是否被淹沒而將水流分為無壓流和有壓流。

2.1 無壓流涵洞式水閘泄流計算

無壓流涵洞要保證在各種水位流量情況下，洞頂應(yīng)高出洞內(nèi)水面一定高度，一般為40cm，洞頂凈空面積應(yīng)為涵洞斷面面積的15%-20%。涵洞分為長洞和短洞，洞長不影響過流能力的涵洞稱為短洞；反之則稱為長洞，其判別方法如下。

當(dāng)涵洞底坡為緩坡且趨近平坡時，長短洞的界限長度為：

當(dāng)洞長大于時，為長洞，反之為短洞。

當(dāng)?shù)灼聻槎钙?，泄流能力不受洞長影響，按短洞進(jìn)行計算。

2.1.1 短洞的計算

由于泄流能力不受洞長影響，進(jìn)口水流為寬頂堰流，故可用下式計算流量Q：

2.1.2 長洞的計算

對于長洞，一般需要由下游向上游推算水面線，以求得進(jìn)口斷面處的水深。基本計算公式為：

式中，具有下標(biāo)和+1的量，分別表示計算段的下游斷面和上游斷面的水力要素。

2.2 有壓流涵洞式水閘泄流計算

當(dāng)涵洞為有壓流時，應(yīng)按有壓流計算，其公式為：

在計算時，首先要確定涵管是有壓流還是無壓流，并判斷屬于長洞還是短洞，然后根據(jù)情況采用相應(yīng)的公式進(jìn)行計算。

2、地基條件的影響

地基條件是設(shè)計時考慮主要的因素之一，在涵洞式水閘中地基條件更顯得重要。首先，堤壩是沿河兩岸布置的，其地質(zhì)條件往往很差。水閘都是由混凝土、漿砌石建成的，水閘基礎(chǔ)地面的荷載一般大于天然地基的承載能力，因此，常需采用深基礎(chǔ)（例如樁基、沉井基礎(chǔ)等）或?qū)μ烊坏鼗M(jìn)行加固處理。

在涵洞式水閘施工及運(yùn)行中常會出現(xiàn)一些不可預(yù)見的影響因素，致使水閘設(shè)計中地基的承載能力能滿足要求，從計算上判斷不應(yīng)該出現(xiàn)問題，但在水閘建成運(yùn)行一段時間后，閘底板發(fā)生變形、斷裂，或接縫中的止水破壞，使地基發(fā)生滲透變形，影響堤防安全。

過去我國堤防的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)很低，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，堤防建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)也逐步提高，其工程措施通常是在舊堤防基礎(chǔ)上將其加高加寬。因此，堤防上的涵洞式水閘也需要改造或擴(kuò)建。有些工程由于技術(shù)工作不細(xì)致，沒有對原來的水閘進(jìn)行加固，致使水閘在改造或擴(kuò)建之前運(yùn)行良好，而改造或擴(kuò)建之后出現(xiàn)了一系列問題。

3、水閘泄流的影響

涵洞式水閘常建造在主河道堤防的一側(cè)，因此，水閘的泄流經(jīng)常受到外河水位影響。在汛期，堤防內(nèi)外水位都很高，在一般情況下，上下游水位差很小，過閘水流常處于緩流狀態(tài)，涵洞水流為有壓流；對于有些水閘，由于可能出現(xiàn)上下游水位差較大的情況，閘孔出流為急流狀態(tài)，而涵洞水流可能為有壓流，也可能為無壓流。對于低水頭泄水涵洞，水壓力一般不很大，涵洞的主要作用力為上部荷載及地基反力。同樣，閘門關(guān)閉的速度不能太快，否則會在有壓涵洞內(nèi)產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。

當(dāng)涵洞內(nèi)的水流流速太大時，設(shè)計時須慎重考慮由于地基不均勻沉降引起涵洞接縫開裂造成的危害，例如涵洞接縫開裂造成洞內(nèi)水流外滲，會造成浸潤線增高，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致滲透變形。特別是當(dāng)涵洞發(fā)生不均勻沉降造成過大的裂縫時，由于洞內(nèi)高速深水流的作用，內(nèi)水壓強(qiáng)減小，外水倒?jié)B，如果裂縫處沒有反濾層保護(hù)，洞內(nèi)高速水流將把洞外土料帶入管內(nèi)，并隨水流帶走，在裂縫處形成空洞，進(jìn)一步加劇裂縫的發(fā)展，直至涵洞斷裂。通常，對于比較長的涵洞，地基的不均勻沉降是不可避免的，因此涵洞分縫的間距不能太大，除做好接縫止水外，還應(yīng)在分縫處布置反濾層。此外，還要防止高速水流對涵洞的磨損、氣蝕等。