水利水電工程中水閘的設(shè)計(jì)分析

趙越

摘 要：在水利工程建設(shè)中，水閘是其中重要的關(guān)鍵部分。水閘的主要作用是便于對(duì)水位的調(diào)節(jié)，這樣就可以很好地控制住水速。在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的過(guò)程中，水利工程的建設(shè)的重要性越來(lái)越突出，國(guó)家也投入了大量的資金推來(lái)進(jìn)水利工程的建設(shè)。其中，水閘是水利工程建設(shè)的重要組成部分。如何合理的對(duì)水閘進(jìn)行設(shè)計(jì)具有非常重要的研究?jī)r(jià)值，因?yàn)槠淇梢酝晟扑こ痰慕ㄔO(shè)。本文從水利水電工程中水閘的設(shè)計(jì)為關(guān)鍵點(diǎn)，探討水利工程中水閘設(shè)計(jì)工作的注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：水利工程；水閘設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)

1 前言

我國(guó)水資源較為豐富，利用好水資源可以為人類造福，相反控制不好將會(huì)給人類帶來(lái)水患災(zāi)難。目前在長(zhǎng)江、黃河流域建設(shè)了一些水利水電工程，既可以進(jìn)行水力發(fā)電又可以在汛期起到防洪治沙的作用，這是一條既防治水患，又可以利用水資源的可持續(xù)發(fā)展道路。在水利水電工程中水閘的作用至關(guān)重要，水閘設(shè)計(jì)水平關(guān)系到整體工程的質(zhì)量，也關(guān)系到工程建成后的使用效果，因此水閘設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程要求、地質(zhì)環(huán)境、自然環(huán)境等多方面因素綜合考慮來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 水利水電工程中水閘的設(shè)計(jì)分析

2.1 水閘選址的設(shè)計(jì)

水利水電工程一般建在水資源豐富的河流、湖泊等處，在我國(guó)不同地域其地質(zhì)條件、周圍自然環(huán)境、水文條件等都有很大差別，而水閘具有重量大、體積大特點(diǎn)，因此選址時(shí)應(yīng)充分考慮水閘基礎(chǔ)承載問(wèn)題。選址時(shí)應(yīng)對(duì)當(dāng)?shù)氐貙舆M(jìn)行鉆孔取樣勘測(cè)，并結(jié)合水文條件、自然環(huán)境進(jìn)行綜合考慮，最好選擇承載力符合要求的巖石層，其次選擇承載力符合要求、抗剪強(qiáng)度高的土質(zhì)地基。特別是在土質(zhì)地基建設(shè)的水閘，需要在原狀土上進(jìn)行預(yù)壓處理或是換土墊層。預(yù)壓處理是為了壓出土中水分使土層固結(jié)成為一個(gè)整體，減小水閘基礎(chǔ)沉降量，進(jìn)而增加土層承載力，一般預(yù)壓需要較長(zhǎng)時(shí)間方可達(dá)到規(guī)定要求[1]。對(duì)于施工工期較為緊迫的項(xiàng)目，可以采用換土墊層方法，此方法具有施工快捷，操作簡(jiǎn)單，施工效果好的特點(diǎn)，可以推廣使用。

2.2 水閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要結(jié)合地勢(shì)結(jié)構(gòu)、水閘功能、水文條件等具體情況來(lái)著手。一方面，通過(guò)計(jì)算水閘負(fù)載，來(lái)確保閘室、翼墻等相對(duì)抗滑的穩(wěn)定性能。另一方面，需要做好壩體整體結(jié)構(gòu)與各局部結(jié)構(gòu)的統(tǒng)籌規(guī)劃，綜合考慮來(lái)選用水閘結(jié)構(gòu)，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性。

2.3 水閘消能防沖設(shè)計(jì)

水閘消能防沖環(huán)節(jié)主要是控制水流工況，一般要求控制工況為下游水位在規(guī)定取水下限值時(shí)，水閘水位保證在高點(diǎn)處，目的是使上游盡可能存儲(chǔ)更多水資源，在對(duì)應(yīng)此種工況下來(lái)計(jì)算系統(tǒng)消力池深度，這個(gè)計(jì)算出的數(shù)據(jù)即為最初閘門開(kāi)啟深度。隨著全球環(huán)境的改變，目前河流水文規(guī)律也發(fā)生了一些變化，因此在設(shè)計(jì)最高蓄水位、最低蓄水位時(shí)應(yīng)加以考慮，結(jié)合實(shí)際工況與發(fā)展變化選擇較大的富裕系數(shù)來(lái)滿足未來(lái)需要。

2.4 水閘閘型、閘室的設(shè)計(jì)選型

在水利水電工程當(dāng)中，所使用的水閘類型較多，各類閘型具有不同的作用和優(yōu)缺點(diǎn)，因此在選擇閘型時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際河流的水文特點(diǎn)以及當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件等綜合條件來(lái)考慮，不能一味追求新式閘型而忽略了實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。水閘閘室主要有敞開(kāi)式、胸墻式、涵洞式三種，在水利水電工程泄洪時(shí)盡可能使水流恢復(fù)至自然狀態(tài)，避免水閘前水位過(guò)高導(dǎo)致水沖擊現(xiàn)象[2]。上述三種水閘具有不同特點(diǎn)，敞開(kāi)式水閘平底寬，更有利于排澇泄洪，水流寬闊穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。胸墻式水閘一般用于水位波動(dòng)較大，下游水量有限制要求的河流。涵洞式水閘一般用于水位高，孔口尺寸受限制的位置，例如穿堤取水水閘。因此，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況選擇恰當(dāng)?shù)拈l室類型。

2.5 過(guò)閘水位差的設(shè)計(jì)計(jì)算

在設(shè)計(jì)過(guò)閘水位差時(shí)，根據(jù)不同地形選擇不同的水位差，規(guī)范要求在10cm～30cm，一般在平原地區(qū)選用下限，在山區(qū)過(guò)閘水位差一般選擇上限。較大的過(guò)閘水位差可以減小閘孔凈寬度，也可以降低工程造價(jià)，但是會(huì)使上游水位抬高，也會(huì)使水閘承載更大壓強(qiáng)，增加了水閘、水壩被沖毀的風(fēng)險(xiǎn)。

2.6 閘孔尺寸的設(shè)計(jì)

在綜合考慮建造成本、流量、速度以及水位高度等因素前提下，盡可能選擇較少的水閘。在保證最大泄洪量前提下，水閘越少，墩數(shù)也會(huì)相應(yīng)減少。當(dāng)閘孔過(guò)大時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致占地空間大，隨之帶來(lái)開(kāi)啟關(guān)閉閘門的設(shè)備設(shè)施都會(huì)增大規(guī)模，相應(yīng)工程造價(jià)也會(huì)增加。因此，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求將閘孔寬度設(shè)計(jì)在10-14m之間較為合適，一般彈孔水閘孔寬為10m時(shí)，水閘閘孔應(yīng)為33個(gè)，彈孔水閘孔寬為14m時(shí)，水閘閘孔應(yīng)為20個(gè)[3]。

3 水利工程中水閘設(shè)計(jì)工作的注意事項(xiàng)

3.1 穩(wěn)定問(wèn)題

在正常使用水閘時(shí)，攔截上游的水位一般比較高，這樣就導(dǎo)致水閘上游和下游之間產(chǎn)生很大的水位差，會(huì)出現(xiàn)水平壓力過(guò)大的現(xiàn)象，從而使水閘向下游方向移動(dòng)。要想穩(wěn)定自身，水閘必須擁有一定的重量。另外，水閘在建成以后，如果還沒(méi)有擋水或者是在正常使用的情況下遇到無(wú)水期，就會(huì)產(chǎn)生很大的垂直荷載，這樣基底的實(shí)際壓力就會(huì)大大超過(guò)地基能夠承受的承載力，從而出現(xiàn)地基變形或者是出現(xiàn)閘基土被擠出的現(xiàn)象，這很容易造成水閘與地基出現(xiàn)滑動(dòng)的危險(xiǎn)。所以，在修建水閘時(shí)必須保證基礎(chǔ)的面積，這樣才能有效的降低基底的壓應(yīng)力。

3.2 滲流問(wèn)題

水閘在進(jìn)行擋水時(shí)，就會(huì)造成上下游水位出現(xiàn)差值，在這種作用下，就會(huì)在水閘、閘基與兩岸的連接處出現(xiàn)滲流的現(xiàn)象。如果出現(xiàn)滲流，就會(huì)在水閘的底部產(chǎn)生向上的揚(yáng)壓力，這就會(huì)縮小水閘的重力作用，從而使水閘的抗滑穩(wěn)定性大大降低。如果兩岸和閘基都是采用土基，再出現(xiàn)滲流時(shí)也會(huì)帶走一些細(xì)顆粒，這就會(huì)在閘后出現(xiàn)翻砂鼓水的現(xiàn)象。如果嚴(yán)重的話還會(huì)掏空兩岸和閘基。另外，如果出現(xiàn)側(cè)向滲透，會(huì)產(chǎn)生水平的壓力，對(duì)兩岸的連接建筑物都會(huì)有很大影響，使其穩(wěn)定性大大下降。還有可能導(dǎo)致岸坡上出現(xiàn)滲透現(xiàn)象，從而加大閘底的滲透壓力。如果滲流水量過(guò)大，還會(huì)對(duì)水閘的擋水功能產(chǎn)生影響，妨礙蓄水。 沉陷問(wèn)題。軟土具有很大的壓縮性，如果將水閘建設(shè)在軟土地基上，就會(huì)在水閘自身以及外部的荷載作用下出現(xiàn)沉陷現(xiàn)象。特別是在底板傳到地基上的荷載分布不均勻時(shí)，或者是分布在地基土層的荷載不均勻時(shí)，更容易出現(xiàn)沉陷現(xiàn)象。這種地基沉陷還會(huì)導(dǎo)致水閘出現(xiàn)下沉，或者是閘室傾斜。

3.3 沖刷問(wèn)題

在開(kāi)閘泄水時(shí)，如果水閘下游水位很淺或者是沒(méi)有水，在水位差的作用下，就會(huì)加大水流的流速，這種巨大的能量會(huì)對(duì)下游有嚴(yán)重的沖刷。一旦沖刷的范圍過(guò)大，就會(huì)掏空閘基，造成水閘失事。另外，一般在水閘的兩岸都是軟弱的巖層或者是土層，如果修建水閘時(shí)開(kāi)設(shè)過(guò)多的閘孔，一旦開(kāi)啟某一個(gè)閘孔就會(huì)形成折沖水流，這就會(huì)嚴(yán)重沖刷下游河岸，對(duì)水閘的安全和穩(wěn)定性都會(huì)產(chǎn)生影響。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，水閘工程在水利水電工程中至關(guān)重要，水閘工程施工質(zhì)量與人們的生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)，因此，必須加強(qiáng)水閘工程設(shè)計(jì)和施工研究。 在水閘工程設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，必須充分考慮實(shí)際施工環(huán)境以及設(shè)計(jì)施工規(guī)范， 這樣才能夠確保設(shè)計(jì)方案的合理性，保證施工質(zhì)量，促進(jìn)水利水電工程可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李宏偉.水利水電工程中水閘的設(shè)計(jì)探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（22）：110+112.

[2] 李躍濤.芻議水利水電工程中水閘的設(shè)計(jì)[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2017（21）：205～206.

[3] 張征.簡(jiǎn)述水利水電工程中水閘的施工技術(shù)[J].甘肅農(nóng)業(yè)，2016（20）：50～51.