探討水閘設(shè)計的重點及設(shè)計措施

【摘要】水閘屬于特殊性建筑物，不僅能夠擋水，而且能夠泄水。在水閘運(yùn)行過程中，主要通過升降閘門，進(jìn)對水位進(jìn)行控制，并調(diào)節(jié)水量，是防洪、運(yùn)河及灌溉、發(fā)電的重要工程。本文主要研究水閘設(shè)計的重點，并提出相應(yīng)的設(shè)計措施，以期提升水閘設(shè)計質(zhì)量，推動水利行業(yè)的健康、穩(wěn)定發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】水閘設(shè)計；重點；設(shè)計措施

1、前言

水閘在不同的水利工程中，都扮演著重要的角色，是泄水、擋水的重要建筑物。由于水閘設(shè)計具有一定的特殊性，且相對系統(tǒng)、龐雜，其設(shè)計質(zhì)量受各種因素的影響。因此，在設(shè)計過程中，要明確其設(shè)計要點，并對受力條件、地質(zhì)狀況進(jìn)行分析，將安全性作為設(shè)計的首要幕布，多角度進(jìn)行設(shè)計考慮，免設(shè)計方案不符合實際施工要求，而影響到整體工程質(zhì)量，并威脅到周邊居民的生命與財產(chǎn)安全。

2、水閘組成要素分析

水閘主要由上游連接段、下游連接段、閘室等部分構(gòu)成。其中，上游連接段主要是用于引導(dǎo)水流順利進(jìn)入閘室，以免河岸及上流河床受到?jīng)_擊，并具有防滲的作用。一般來說，上游連接段包含了鋪蓋、防沖槽、兩岸翼墻、護(hù)坡等。其中的鋪蓋作用是用于防滲；而防沖槽則是為了確保鋪蓋頭不受水利的沖擊；兩岸的翼墻是保證水流能夠有效進(jìn)入閘孔的關(guān)鍵，具有側(cè)向防滲作用。而閘室為整個水閘的主體，用于擋水及泄水，其組成要素包括了底板及胸墻、閘墩、閘門、交通橋與工作橋及等。其中，底板為閘室基礎(chǔ)建筑，起著承受閘室荷載的重要作用；而閘墩用于分隔閘孔，并承接著交通橋及工作橋、閘門等上部結(jié)構(gòu)的受力；閘門起到擋水、控制下泄水流的重要作用；閘室段通常由底板及閘墩、閘門三部分構(gòu)成，通常為混凝土或是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3、水閘設(shè)計的重點及設(shè)計措施分析

3.1 水閘選址

在水利水電的工程建設(shè)中，要確保水閘的功能性，首先需要進(jìn)行科學(xué)選址，盡量選取地質(zhì)良好的天然地基，來作為建設(shè)地址。同時，在選址過程中，還需要對各方面因素進(jìn)行綜合性的考慮，并結(jié)合使用狀況、水文條件，來進(jìn)行水閘的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置。同時，還需要對周邊的地質(zhì)條件進(jìn)行深入的分析，盡量選擇適當(dāng)?shù)膸r石地基。若是沒有合適的巖石地基，也可選用抗?jié)B性能好、透水性小且抗剪強(qiáng)度高、承載力強(qiáng)、壓縮性低的土質(zhì)地基代替。

3.2 地基處理

地基處理質(zhì)量能夠直接影響到水閘的泄水、擋水效果。因此，在設(shè)計過程中，要注意加強(qiáng)地基處理。而地基處理通常包括三方面的內(nèi)容。其一是樁基。樁基一般包括灌注樁與預(yù)制樁。相對來說，若受力分布為上拔力與水平荷載，樁基便能夠承受此種受力。而豎向荷載由于結(jié)構(gòu)相對集中，因此荷載較大，因此，也需要對地基進(jìn)行特殊處理。其二為預(yù)壓。所謂的預(yù)壓也就是通過事先加載，，來促進(jìn)場地土排水固加速，以提升地基的承載力，并起到沉降的作用。預(yù)壓在荷載持續(xù)狀況下，體積會受到較大壓縮，并增強(qiáng)水閘強(qiáng)度。常見的黏性土地基、淤泥質(zhì)土均具有良好的預(yù)壓成效。其三為換土墊層。該種地基處理方式較為傳統(tǒng)，且操作相對簡單，需要進(jìn)行換土墊層，來提高地基從承載力。

3.3 消能防沖設(shè)計

在水閘設(shè)計中，控制工況為消能設(shè)計的關(guān)鍵。在實際設(shè)計過程中，要對下游水位進(jìn)行下限值的正規(guī)取值，并對水閘蓄水位進(jìn)行最高點取值分析，確保上游具備較強(qiáng)蓄洪能力。而在的具體設(shè)計分析中，要對閘門最初開啟深度、力量進(jìn)行有效分析。水閘的消能防沖設(shè)計，通常包括工況的計算，及消能防沖設(shè)施的選擇。在設(shè)計過程中，要對海漫長度及河床沖刷深度進(jìn)行計算，以免數(shù)據(jù)不精確而導(dǎo)致工程的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低，使得消能防沖設(shè)施受到水流沖擊的破壞。另外，在水閘的防沖設(shè)計中，為使下游相應(yīng)水位較低，其水閘泄放，要符合洪水實際流量情況。當(dāng)前，人類活動日益頻繁，再加上氣候、環(huán)境的改變，使得水文狀況也發(fā)生了較大的改變，所以在設(shè)計過程中，要結(jié)合多種因素進(jìn)行綜合性考慮，確保最低水位與最高蓄水位符合河道地形變化狀況。

3.4 水閘排水設(shè)計

水閘的排水設(shè)計，主要包含了防沖槽、排水孔、閘基防滲面層排水三方面的內(nèi)容。其中，水利工程中的防沖槽為水閘關(guān)卡末端的加固基礎(chǔ)設(shè)施。相對來說，水流在通過關(guān)卡時，因關(guān)卡作用，水流能量與水流速度通常會變得較為緩慢，而在通過關(guān)卡末端時，其沖擊力又會恢復(fù)原來的數(shù)值。這種強(qiáng)大的水流沖擊力，很容易對河床造成較大的危害。因此，在水閘設(shè)計中一般會在關(guān)卡的末端設(shè)置拋石防沖槽，以確保水閘的安全性能。而消力池底板，通常會承受來自不同因素的荷載，包括水流沖擊、水流脈動壓力等。在閘基防滲面層排水設(shè)計上，由于河道上下游的水位差較為明顯，因此水流強(qiáng)力作用較大。因此，就要進(jìn)行系列的排水活動。通常，上游水滲透到河床后，會通過閘底板、板樁以及防滲鋪蓋，之后才會通過消力池，而在通過消力池時，由于反濾層排水孔的作用，能夠讓水流順暢的進(jìn)入到下游，避免了較大水流的沖擊。在地基滲水上，若是排水性能差，不僅會威脅到水閘的穩(wěn)定性，而且會導(dǎo)致地基質(zhì)量受到較大的威脅。因此，將要將防滲止水設(shè)施布置于高水位，通過板樁、鋪蓋或是淺齒墻、濾水層等形式，將底板上游滲透路徑進(jìn)行有效延長，進(jìn)而減小消力池底板上的滲透壓力，促進(jìn)排水。

3.5 底板高程設(shè)計

在水閘設(shè)計中，確定水閘的底板高程也較為重要。通常，水閘質(zhì)量與是施工工藝、工程造價、閘底板高程等有著直接的聯(lián)系。因此，要對工程概況進(jìn)行深入分析，并秉承認(rèn)真、負(fù)責(zé)的原則。從多層次、全方位考慮閘底板的高程，確保其運(yùn)行符合地質(zhì)狀況、水文狀況。一般來講，若是閘底板的高程過低，很容易致使攔河閘功效受限，并對防沙沖布置、閘門啟閉力等造成較大的影響。同時，還會大大增加地基的開挖處理難度。所以，在水閘設(shè)計中，要正確選擇閘底板高程，確保設(shè)計方案的可行性、科學(xué)性、規(guī)范性，進(jìn)而真正發(fā)揮泄水、擋水的作用。

4、軟土地基水閘設(shè)計要點

在水利工程建設(shè)中，通常會遇到軟土地基，該種地基若是處理不好，很容易對水閘治療造成較大威脅。因此，還需要在設(shè)計過程中提高重視度，通過利用半解析法及有限元法，確保設(shè)計質(zhì)量。

（1）半解析法。半解析法適用于一般的水閘結(jié)構(gòu)，主要是將上部的桿系結(jié)構(gòu)與平面地基視為子結(jié)構(gòu)，利用地基與剛性鏈桿替代底梁間的聯(lián)系，來用桿系有限單元法，對上部結(jié)構(gòu)的底梁單位位移進(jìn)行計算，并算出各平面地基的模型單位沉陷系數(shù)及地基反力。之后，結(jié)合疊加原理，利用限單元法計算整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移（如圖1所示）。這種平面水閘結(jié)構(gòu)充分考慮了水閘的閘墩與底板、地基之間的相互作用，較適用于軟土地基中不同的水閘結(jié)構(gòu)形式。

（2）有限元法。有限元法主要是用于求解復(fù)雜工程的一種方法。在利用有限元法進(jìn)行水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析時，通常需要將整個水閘與地基看做一個整體，結(jié)合空間有限元方法，來對結(jié)構(gòu)予以靜動力分析，并利用直接濾頻法，來對結(jié)構(gòu)自振特性進(jìn)行計算，之后再結(jié)合振型分解反應(yīng)譜法，來對其抗震予以分析（如圖2所示）。在設(shè)計中，要將空間應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎯?nèi)力，對底板、地基、閘墩之間的相互作用進(jìn)行充分考慮，以便更好地處理各類復(fù)雜幾何、物理、荷載條件，反映出實際工程狀況。

5、結(jié)束語

水閘在水利工程建設(shè)中具有重要的作用，不僅能夠擋水，而且泄水效果也較顯著。因此，在水閘設(shè)計中，要結(jié)合工程實況，對周邊地理環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的分析，依據(jù)規(guī)定要求予以設(shè)計，進(jìn)而大大提升水閘的設(shè)計質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]康慷，袁海霞，吳俊.水利樞紐水閘消能工設(shè)計措施[J].中國水運(yùn)（下半月），2014，14（03）：221-222.

[2]鐘秋喜，李文雙.老哈河紅山水庫下游重點水閘工程設(shè)計洪水分析計算[J].內(nèi)蒙古水利，2014，50（02）：31-32.