淺談水工閘門的設(shè)計(jì)

楊再銀 李凡鑫 田軍秋

摘 要：在水工建筑中，閘門主要掌管水位的調(diào)節(jié)以及過水流量的控制兩項(xiàng)工作，是水工建筑健康順暢運(yùn)作所必不可少的設(shè)備。閘門的工作性能較高，但初始設(shè)計(jì)、加工制造與安裝等工作均較為繁瑣復(fù)雜，任何一項(xiàng)指標(biāo)的控制失力，均有可能造成其質(zhì)量缺陷，進(jìn)而影響到各方面使用性能的發(fā)揮。本文對(duì)水工閘門的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：水工；閘門；設(shè)計(jì)

引言

閘門是重要的水工建筑物之一，也是大壩、水電站、渠道等水利水電工程必不可少的水工建筑，其主要作用是封堵大壩、水電站、渠道等水工建筑物的進(jìn)出水口，然后按照需要打開閘門放水，調(diào)整上下游的水位，排除一些沉沙、冰塊、漂浮物以及泄洪等，因此閘門的設(shè)計(jì)非常重要，它關(guān)系到閘門的承受能力以及水工建筑物功能的實(shí)現(xiàn)。

一、水閘的作用

水閘是一種既能擋水，又能夠在工程中泄除多余的水量，是一種依靠升降閘門來控制水位的水工建筑物。在現(xiàn)階段水利水電工程中被廣泛的應(yīng)用在防洪、灌溉、排水、航運(yùn)和發(fā)電等多個(gè)行業(yè)之中。水閘在目前水利水電工程中主要可以分為節(jié)制閘、進(jìn)水閘、分水閘、排水閘、沖砂閘等，不同的水閘在水利水電工程中所發(fā)揮的作用和功能不盡相同，在很多的情況下，由于水利水電工程需要發(fā)揮多種不同的功能，因此在處理的時(shí)候，可以按照水利水電工程作用和效益的需求來進(jìn)行不同種類的設(shè)計(jì)和控制，也可以將多種類型的水閘一起應(yīng)用于同一水利樞紐中。

二、水閘設(shè)計(jì)原則

水閘作為水利水電工程的重要組成部分，其在設(shè)計(jì)之中容易受到施工條件、地質(zhì)條件和受力條件的影響。這主要是由于其同其他建筑結(jié)構(gòu)相比較有著特殊性。選址原則：在水閘建設(shè)之中，水閘選址是影響水利水電工程作用和效益的關(guān)鍵。在一般情況下，水閘在選址的過程中，首先要考慮到周圍的地質(zhì)條件和水文條件，要選擇具有較高承載能力和抗剪能力的天然地基，最好是在處理的過程中能夠選擇新鮮完整的巖石作為水閘的地基，這樣不但能夠避免施工中對(duì)地基加固的施工要求，還能夠提高工程效益，增加水閘的承載力、抗剪力。如果在工程施工的過程中，地質(zhì)要求無法得到良好的控制，則容易造成在施工中地基不受控制，出現(xiàn)地基完整性不夠和承載能力弱的現(xiàn)象，從而造成了水閘失事。所以在現(xiàn)階段工程項(xiàng)目中，選址問題一直都是值得關(guān)注和探索的問題，要綜合各種因素進(jìn)行綜合的分析和處理，以此提高水閘的施工要求。

三、水工閘門的設(shè)計(jì)

1、水力設(shè)計(jì)

水力設(shè)計(jì)一般包括：過流能力驗(yàn)算、擬定閘門控制運(yùn)行方式和消能防沖設(shè)計(jì)計(jì)算。病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)，影響水閘過流能力的主要因素包括設(shè)計(jì)水位的變化、孔口斷面尺寸和型式的變化、過水涵洞斷面尺寸以及涵洞長度的變化、消能防沖設(shè)施變化等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)復(fù)核后的特征水位和規(guī)模，對(duì)水閘的過流能力進(jìn)行復(fù)核。當(dāng)采取加厚底板尺寸、加固閘墩以及增加底坎等措施時(shí)，過流面積、水流流態(tài)以及下游的出流狀態(tài)都可能發(fā)生變化，需要重新復(fù)核水閘的過流能力。尤其要注意流態(tài)的變化，需要根據(jù)實(shí)際情況而采取和原設(shè)計(jì)以及安全鑒定時(shí)不同的過流能力計(jì)算公式來進(jìn)行驗(yàn)算。如果水閘為穿堤涵閘，閘室后緊鄰的涵洞斷面尺寸、長度變化都可能引起過流能力的變化。尤其是涵洞延長時(shí)，尚需重新判斷涵洞的流態(tài)，即涵洞為有壓、無壓、半有壓和長洞、短洞以及淹沒出流和非淹沒出流等不同的水流型式，據(jù)此選擇合適的計(jì)算公式驗(yàn)算其過流能力。

水力設(shè)計(jì)中閘門控制運(yùn)行方式主要為今后水閘的管理提供技術(shù)支持。因此，對(duì)閘門的開啟程度以及相應(yīng)的過流能力也應(yīng)進(jìn)行必要的復(fù)核計(jì)算，以方便水閘的運(yùn)行管理。消能防沖設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，需要特別注意特征水位變化引起的計(jì)算條件的變化，以此復(fù)核消能防沖工程能否滿足設(shè)計(jì)要求。

2、水閘門防滲排水設(shè)計(jì)

水閘的防滲排水設(shè)計(jì)主要是根據(jù)閘基地質(zhì)情況及上下游水位條件等進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，其內(nèi)容包括：進(jìn)行水閘的地下輪廓布置，設(shè)計(jì)防滲、排水設(shè)施的型式、布置、構(gòu)造和尺寸；滲流壓力計(jì)算；滲流坡降計(jì)算，驗(yàn)算地基抗?jié)B穩(wěn)定性；濾層設(shè)計(jì)；防滲帷幕及排水孔設(shè)計(jì)；永久縫止水設(shè)計(jì)。除險(xiǎn)加固的水閘應(yīng)根據(jù)水閘存在的問題，按水閘實(shí)際的防滲、排水設(shè)施型式、布置、構(gòu)造和尺寸進(jìn)行防滲排水設(shè)計(jì)驗(yàn)算。不同水閘存在問題不同，在除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)根據(jù)加固設(shè)計(jì)采取的措施，對(duì)改建后的排水設(shè)施進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。必須注意的是，一旦改變了原防滲措施，須對(duì)滲流壓力進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)樾略龅姆罎B設(shè)施可能會(huì)改變滲流壓力分布，影響到閘室穩(wěn)定。防滲設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要注意特征水位變化引起的計(jì)算條件的變化，另一方面，也需盡可能根據(jù)已建水閘多年觀測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行必要的復(fù)核。

3、閘室結(jié)構(gòu)布置及穩(wěn)定性分析

三類閘除險(xiǎn)加固時(shí)，首先需根據(jù)新的設(shè)計(jì)條件對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，然后結(jié)合安全鑒定中結(jié)構(gòu)存在的問題，采取必要的工程措施進(jìn)行加固，同時(shí)按加固后的結(jié)構(gòu)尺寸重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和穩(wěn)定驗(yàn)算。驗(yàn)算時(shí)應(yīng)盡可能考慮工程措施中新老材料之間的差異性，以及這些差異將對(duì)工程安全運(yùn)行帶來的影響。

水閘結(jié)構(gòu)分析及穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，其荷載的計(jì)算也應(yīng)考慮設(shè)計(jì)參數(shù)的改變。同時(shí)，荷載組合中應(yīng)對(duì)檢修工況荷載組合進(jìn)行充分的考慮。有抗震要求時(shí)，應(yīng)根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，對(duì)抗震設(shè)防烈度超過6度的水工建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)校核。

4、地基處理及設(shè)計(jì)

當(dāng)水閘發(fā)生不均勻沉降或者地基總體沉降量較大時(shí)，需根據(jù)地質(zhì)情況重新復(fù)核地基承載力。閘室加固、防滲措施改變時(shí)都需要重新驗(yàn)算地基承載力。

由于閘基處于混凝土底板之下，且閘底板鋼筋混凝土厚度一般均在0.8m以上，鋼筋間距較小，因此，直接對(duì)地基加固有一定困難。當(dāng)?shù)鼗寻l(fā)生較大不均勻沉降時(shí)，需根據(jù)已有地質(zhì)資料認(rèn)真復(fù)核地基承載力，確定合理的加固措施。必要時(shí)增加地質(zhì)勘探工作，取得更為合理的地基土的物理力學(xué)指標(biāo)，確保采取的措施合理、經(jīng)濟(jì)且施工可行。

5、慎重對(duì)待閘底板高程的調(diào)整

當(dāng)因穩(wěn)定問題以及擋水等需要閘底板加固時(shí)，設(shè)計(jì)中一般會(huì)對(duì)加固后的閘室問題、底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的分析驗(yàn)算。而在這種情況下，易于忽視因閘底板高程變化而對(duì)河流河床變形和水力參數(shù)變化的考慮。以攔河水閘閘底板高程抬高為例。首先，假設(shè)流量Q不變（恒定流）、沙粒徑D沿程不變、河寬B不變、糙率不變、河流處于沖淤平衡狀態(tài)，可以得到水流基本方程：

Q=B·C·h1/2·i1/2

式中，i是水力坡降，C是謝才系數(shù)。同時(shí)，河流基本輸沙方程為：

S=D-Pmun

S=BD-PmC（hi）n/2

式中，p和n均為指數(shù)，n一般大于4，m為系數(shù)，u為流速。根據(jù)上述假定，對(duì)比降i推導(dǎo)出方程：

SDPB（n-3）/3=mC2n/3Qn/3In/3

可以得出，當(dāng)攔河閘閘底板高程抬高后，其上游河道河床比降i變緩，而河流寬度沒有改變，床沙粒徑D沿程不變或改變很小，在相同流量或來水過程下，水流的挾沙能力減弱，導(dǎo)致河流上游的淤積抬高。上游來沙將減少，將導(dǎo)致下游的沖刷。同時(shí)，上游河床比降變緩，同流量水位將會(huì)抬高，可能導(dǎo)致兩岸堤防加高。因此，當(dāng)需要對(duì)閘底板高程進(jìn)行改變時(shí)，須對(duì)未來的河床演變和水面線影響作出合理的預(yù)測(cè)。

結(jié)束語

水工閘門是建筑物的主要組成部分之一，其運(yùn)行狀況直接影響到工程的適用性、安全性和耐久性，國內(nèi)外都有因閘門故障而導(dǎo)致整個(gè)樞紐出事的教訓(xùn)。近年來，隨著水工規(guī)模的不斷大型化，水工閘門的尺寸和荷載也不斷刷新紀(jì)錄，達(dá)到過去難以比擬的水平，閘門安全問題也顯得更為重要。

參考文獻(xiàn)

[1]于芳.淺析水利工程中平面鋼閘門設(shè)計(jì)[J].商品與質(zhì)量，2009.

[2]宋艷，邱曉琳.平面鋼閘門設(shè)計(jì)、施工及維護(hù)淺談[J].四川水利，2008

（作者單位：山東省菏澤市鄆城縣黃河河務(wù)局）