基于水利水電中水閘的設(shè)計(jì)研究

林松

摘 要：水閘的建設(shè)施工是保證水利工程質(zhì)量的關(guān)鍵。隨著我國(guó)水利工程建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，國(guó)際水利工程建設(shè)施工質(zhì)量的全面提高，切實(shí)加強(qiáng)水閘的建設(shè)質(zhì)量，保證水閘的安全性也是水利工程建設(shè)發(fā)展的— 個(gè)重要環(huán)節(jié)。加強(qiáng)水閘設(shè)計(jì)要點(diǎn)及方法的研究是十分必要的，本文作者結(jié)合多年來(lái)的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)水閘設(shè)計(jì)要點(diǎn)及方法進(jìn)行了研究，具有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：水閘；設(shè)計(jì)；要點(diǎn)

引言：水閘的設(shè)計(jì)是非常復(fù)雜的，它不僅有主觀的因素，還有客觀的因素。堤防之險(xiǎn)在于閘，水閘之險(xiǎn)在于基.水閘的地基處理是水閘設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。當(dāng)天然地基不能滿(mǎn)足承載力和沉降要求時(shí)，在滿(mǎn)足水閘抗滑穩(wěn)定的前提下，設(shè)計(jì)人員首先考慮采用輕型結(jié)構(gòu)、增加水閘結(jié)構(gòu)剛度等結(jié)構(gòu)措施。

一、水閘的組成部分及其作用

水閘：閘室是水閘擋水和泄水的主體部分。通常包括底板、閘墩、閘門(mén)、胸墻、工作橋及交通橋等。底板是閘室的基礎(chǔ)，承受閘室的全部荷載，并較均勻地傳給地基，此外，還有防沖、防滲等作用。閘墩的作用是分隔閘孔并支承閘門(mén)、工作橋及交通橋等上部結(jié)構(gòu)。閘門(mén)的作用是擋水和控制下泄水流。胸墻是用來(lái)?yè)跛詼p小閘門(mén)高度。工作橋供安置啟閉機(jī)和工作人員操作之用。交通橋是為連接兩岸交通設(shè)置的。

上游連接段：上游連接段的主要作用是引導(dǎo)水流平順地進(jìn)入閘室，保護(hù)上游河床及河岸免遭沖刷并有防滲作用。一般有上游護(hù)底、防沖槽、翼墻及護(hù)坡等部分組成。上游翼墻的作用是引導(dǎo)水流平順進(jìn)入閘孔并起側(cè)向防滲作用。鋪蓋緊靠閘室底板，其作用主要是防滲，應(yīng)滿(mǎn)足抗沖要求。護(hù)坡、護(hù)底和上游防沖槽是用來(lái)防止進(jìn)閘水流沖刷、保護(hù)河床和鋪蓋。

下游連接段：下游連接段具有消能和擴(kuò)散水流的功能。

使出閘水流在消力池中形成水躍消能，再使水流平順地?cái)U(kuò)散，

防止閘后水流的有害沖刷。下游連接段通常包括下游翼墻護(hù)坦、消力池、海漫、下游防沖槽以及護(hù)坡、護(hù)底等。下游防沖槽是海漫末端的防沖保護(hù)設(shè)施。

二、關(guān)于水閘的設(shè)計(jì)

一是堅(jiān)持水閘的選址原則

在水閘建設(shè)過(guò)程中，水閘的選址是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。分析已建水閘工程的失事，其主要原因往往是閘址地質(zhì)條件不好，或雖然經(jīng)過(guò)人工處理但仍未處理好，屬于不良人工地基，導(dǎo)致水閘失穩(wěn)、滲透破壞或者沖刷破壞。水閘選址的原則是水閘穩(wěn)定安全、能夠較好地滿(mǎn)足水閘的使用要求、水流流態(tài)穩(wěn)定、水閘便于管理、造價(jià)經(jīng)濟(jì)。針對(duì)上述情況，在滿(mǎn)足水閘使用要求和管理的情況下，水閘在選址時(shí)應(yīng)根據(jù)水閘的地質(zhì)條件和水文條件選擇地質(zhì)條件良好的天然地基，最好是選用新鮮完整的巖石地基，或者是承載能力大、抗剪強(qiáng)度高、壓縮性低、透水性小、抗?jié)B穩(wěn)定好的土質(zhì)地基，如果在規(guī)劃選址的范圍內(nèi)實(shí)在找不到地質(zhì)良好的天然地基，只能對(duì)天然地基進(jìn)行技術(shù)處理。

二是對(duì)水閘地基處理方法

水閘地基處理的方法很多，它們主要用于以下三個(gè)方面：（1）增加地基的承載能力，保證建筑物的穩(wěn)定；（2）消除或減少地基的有害沉降；（3）防止地基滲透變形。

目前國(guó)內(nèi)在增加水閘地基承載能力和減少地基有害沉降的處理方法方面最常用的是墊層法、砂井預(yù)壓法、灌漿法和樁基法，加載預(yù)壓法、超載預(yù)壓法和真空預(yù)壓法因所需工作面廣和預(yù)壓時(shí)間長(zhǎng)，目前使用較少，強(qiáng)夯置換法、振動(dòng)水沖法。因?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)比較少，現(xiàn)正處在探索過(guò)程中。

（一）樁基法

樁基法是常用于豎向荷載大而集中或受大面積地面荷載影響的結(jié)構(gòu)以及沉降方面有較高要求的建筑物和精密設(shè)備的基礎(chǔ)，樁基能有效地承受一定的水平荷載和上拔力。樁基按施工方法分可分為預(yù)制樁和灌注樁兩大類(lèi)。

（二）復(fù)合地基法

復(fù)合地基一般是指天然地基在地基處理過(guò)程中被置換或增強(qiáng)而形成的由基體和增強(qiáng)體兩部分組成的人工地基。復(fù)合地基根據(jù)樁體材料的性質(zhì)一般可分為三類(lèi)：散粒體材料樁復(fù)合地基、柔性樁復(fù)合地基和剛性樁復(fù)合地基，也有學(xué)者將柔性樁中強(qiáng)度較高的樁細(xì)分為半剛性樁復(fù)合地基。由于樁體材料不同，各類(lèi)樁的加固機(jī)理、適用條件和施工工藝也有很大差異。

（三）木樁加固法

木樁加固法屬于樁基法中的一種，此方法是一種十分古老的地基加固方法。由于木樁加固設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，施工方便，不受環(huán)境限制，取材方便，直至20世紀(jì)60年代初，受技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件限制，國(guó)內(nèi)水利行業(yè)對(duì)較深厚的軟土閘基處理仍缺乏足夠的手段和辦法，采用木樁加固地基幾乎成為唯一的選擇。木樁的設(shè)置一般有兩種方法，一是將木樁樁頭與閘底板澆注在一起，形成類(lèi)似樁頂鉸接的深基礎(chǔ)，另一種則在木樁樁頂設(shè)碎石墊層，實(shí)際上屬于復(fù)合地基的一種。近年來(lái)廣東省在水閘安全鑒定中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論采用哪種設(shè)樁方法，相當(dāng)數(shù)量采用木樁基礎(chǔ)的水閘都出現(xiàn)了險(xiǎn)情，破壞主要表現(xiàn)在樁體腐朽導(dǎo)致水平和豎向承載力不足、閘基樁土變形不協(xié)調(diào)等。

（四）預(yù)壓法

預(yù)壓法是通過(guò)預(yù)先加載，加速場(chǎng)地土排水固結(jié)，以達(dá)到減少沉降和提高地基承載力的目的。該方法特別適用于在持續(xù)荷載作用下體積會(huì)發(fā)生很大壓縮，強(qiáng)度會(huì)明顯增長(zhǎng)的土，如淤泥質(zhì)土、撇泥和沖填土等飽和粘性土地基等，但此方法也有明顯的缺點(diǎn)，由于閘基地下水一般與河水連通，圍封、降水難度大，場(chǎng)地土往往需要比較長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)壓才能完成固結(jié)沉降，對(duì)施工工期緊的工程，一般較少使用該方法。預(yù)壓法加固軟粘土地基是一種比較成熟的方法，在水閘施工期許可的前提下，采用真空一堆載聯(lián)合預(yù)壓法也不失為一個(gè)很好的選擇。

（五）換土墊層法

換土墊層法屬于置換法，也是一種古老的、相當(dāng)成熟的地基處理方法。該方法加固原理比較清楚，施工簡(jiǎn)便，施工質(zhì)量易于保證，是淺層地基處理的首選。

為避免工程造價(jià)過(guò)高以及增加基坑支護(hù)費(fèi)用，一般換填深度小于3m。如軟弱土層小于3m，下臥層地基承載力較高時(shí)，將軟弱土層完全挖除換填后，一般均可滿(mǎn)足水閘對(duì)承載力和變形的要求。如果軟弱土層比較厚，僅能換上層軟弱土?xí)r，應(yīng)盡量避免采用換土墊層法處理閘基，因?yàn)閾Q填后雖然可提高基底持力層的承載力，但水閘地基的受力層深度相當(dāng)大，下臥軟弱土層在荷載下的長(zhǎng)期變形可能依然很大。實(shí)踐表明采用換土墊層法處理的地基出現(xiàn)問(wèn)題的相對(duì)比較少，故至今仍是水閘淡層地基處理的主要方法之一。

三、水閘消能防沖方法設(shè)計(jì)

一是水文條件的變遷

河網(wǎng)區(qū)聯(lián)圍筑閘改變了原來(lái)河網(wǎng)分流條件，使主河道水位雍高。

河道灘地的碼頭、工廠、道路以及眾多的占用河道斷面的橋墩，這些設(shè)施除了束窄了行洪斷面外，還改變了河道原來(lái)的天然狀況，改變了水流的邊界條件，加大了糙率，因而雍高水位。

二是河道地形的變遷

一般來(lái)說(shuō)，天然河道隨季節(jié)的變化其來(lái)水量在變化，其含砂量也在變化，河床總是時(shí)沖時(shí)淤，處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。若河道上游筑水庫(kù)，則攔截了洪水，削平了洪峰，亦攔截了泥砂。洪峰值少，夾帶泥砂少，改變了天然的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，河道筑閘后，加劇了這種不平衡狀態(tài)。

由于水閘消能設(shè)計(jì)的控制工況是：保持閘上最高蓄水位，宣泄上游多余來(lái)水量，下游水位取下限值；水閘防沖設(shè)計(jì)的控制工況是：水閘泄放最大設(shè)計(jì)洪水量，相應(yīng)下游水位最低，所以由于下游河床不斷降低，下游水位低值也隨之降低，隨河道變遷出現(xiàn)的新低水位低于原設(shè)計(jì)工況的下限低值，原控制條件就不能適應(yīng)變化了的河床，消能防沖效果必然差，很多水閘經(jīng)常發(fā)生護(hù)坦或海漫被沖壞的情況。

結(jié)束語(yǔ)

工程建設(shè)的獨(dú)特性，沒(méi)有完全相同的兩個(gè)水閘，如何使水閘設(shè)計(jì)做到安全、經(jīng)濟(jì)和合理，提高水利工程建設(shè)的設(shè)計(jì)水平，始終是擺在設(shè)計(jì)人員面前的一項(xiàng)重要的任務(wù)。在這些水利工程建設(shè)中，有很多成功的工程設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)需要系統(tǒng)地進(jìn)行總結(jié)和理論提高，同時(shí)還有很多工程問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)有待于去解決和攻關(guān)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 楊有貞.邊坡穩(wěn)定性彈塑性大變形有限元分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015.

（作者單位：崇義縣水利局）