浅析水闸的特点与优化设计

　　摘 要：随着水利工程建设的快速发展，水闸的设计与施工作为水利工程建设发展的重要组成部分，在现如今科学技术和施工工艺不断完善的基础上，其建设施工质量得到了显著提升。本文以水闸的防渗及排水设计为重点，对全文展开详实的论述。

　　关键词：水闸,闸基,防渗设计,排水设计

　　一、引言

　　在河道、湖泊、水库的岸边，经常能够见到由闸门挡水和泄水的低水头而构成的建筑物，便是水利工程建设的重要组成部分—水闸。水闸的建设不仅可以起到有效防洪、挡潮的作用，更有利于水上交通事业的发展。按照水闸在水利工程中所承担的任务的差异性，可以将其具体划分为以下6种：

　　1.节制闸。常见于渠道、河道上，通过对下泄流量的控制，可以起到防洪减灾、引水灌溉、调节水流等作用。

　　2.进水闸。也成为取水闸和渠首闸，河边、水库以及湖泊岸边是其建设地点，通过对引水流量的控制，来满足灌溉、发电和供水的需要。

　　3.分洪闸。常见于河道的一侧，用来将超过下游河道安全泄量的洪水泄入分洪区(蓄洪区或滞洪区)或分洪道。

　　4.排水闸。常建于江河沿岸，用来排除内河或低洼地区对农作物有害的滞水。当外河水位上涨时，可以关闸，防止外水倒灌。当洼地有蓄水、灌溉要求时，可以关门蓄水或从江河引水，具有双向挡水，有时还有双向过流的特点。

　　5.拦潮闸。建在入海河口附近，涨潮时关闸，防止海水倒灌，退潮时开闸泄水，具有双向挡水的特点。

　　6.冲沙闸(排沙闸)。建在多泥沙河流上，用于排除进水闸、节制闸或渠系中沉积的泥沙，减少引水水流的含沙量，防止渠道和闸前河道淤积。冲沙闸常建在进水闸一侧的河道上与节制闸并排布置或设在引水渠内的进水闸旁。此外还有为排除冰块、漂浮物而设置的排水闸、排污闸等。水闸一般由闸室、上游连接段和下游连接段三部分组成。闸室是水闸的主体和控制部分，它包括：闸门、闸墩、边墩、地板、胸墙、工作桥、交通桥、启闭机等。

　　二、水闸的工作特点

　　大多数平原水闸建在土基上，与建在岩基上的岸边溢洪道相比具有以下不同的特点：

　　(1)土基的压缩性大，承载能力低，可能产生较大的沉降或沉降差，造成闸室倾斜、止水破坏，闸门底版断裂，甚至发生塑性破坏，引起水闸失事。

　　(2)水闸泄洪时，尽管流速不高，但水流仍具有一定的剩余能量，土基的抗冲能力较低，容易被冲刷。此外，由于闸下游水位变幅大，闸下出流可能形成远驱水跃、临界水跃甚至淹没度较大的水跃。因此，消能防冲设施在各种运用情况时都能满足设计要求。

　　(3)土基在渗透水流作用下，容易产生渗透变形，特别是粉细砂地基，在闸后易出现翻砂冒水现象，严重时闸基和两岸会被掏空，在地震时细砂容易液化。上述情况容易引起水闸沉降、倾斜、断裂甚至倒塌。

　　基于上述特点，设计中需要解决好以下几个问题：

　　(1)选择合适的闸址。

　　(2)选择与地基条件向适应的闸室结构形式，保证闸室及地基的稳定。

　　(3)做好防渗设计，特别是上游两岸连接建筑及其铺盖的连接部分，要在空间上形成防渗整体。

　　(4)做好消能、放冲设计，避免出现危害性冲刷。

　　三、水闸的防渗、排水设计

　　水闸建成后，由于上、下游水位差，在闸基及边墩和翼墙的背水一侧产生渗流。渗流对建筑物不利，主要表现为：

　　a、降低了闸室的抗滑稳定及两岸翼墙和边墩的侧向稳定性;b、可能引起地基的渗透变形，严重的渗透变形会使地基受到破坏，甚至失事;c、损失水量;d、使地基内的可溶物质加速溶解。防渗、排水设计的任务在于拟定水闸的地下轮廓线盒做好防渗、排水设施的构造设计。

　　防渗、排水设计主要包括以下几个步骤：

　　1.防渗长度及地下轮廓的布置

　　① 防渗长度的确定。不透水的铺盖、板桩及底版与地基的接触线，即是闸基渗流的第一根流线，称为地下轮廓线，其长度即为水闸的防渗长度。《水闸设计规范》SL 265-2001 规定，为保证水闸安全，所需的防渗长度按下列公式拟定：L≥CH。其中：H—上下游水位差;C—渗径系数，依地基上的性质而定。

　　②地下轮廓的布置

　　水闸的地下轮廓可依地基情况并参照条件相近的已建工程的实践经验进行布置。按照防渗与排水相结合的原则，在上游侧采用水平防渗(如铺盖)或垂直防渗(如：齿墙、板桩、混凝土防渗墙、灌溉帷幕等)，延长渗径以减少作用在底板上的渗透压力、降低闸基渗流的平均坡降;在下游侧设置排水反滤设施，如：面层排水、排水孔、减压并与下游连通，使地基渗水尽快排出，防止在渗流出口附近发生渗透变形。由于粘性土地基不易发生管涌破坏，底板与基图间的摩擦系数较小，在布置地下轮廓时，主要考虑的是如何降低作用在底板上的渗透压力，以提高闸室的抗滑稳定性，在闸室上游设置较长的水平防渗，在闸底板下游段或消力池底板下布置排水设施;当地基为砂性土时，因其与底板的摩擦系数较大，而抵抗渗透变形的能力较差，渗透系数也较大，因此，在布置地下轮廓时应以防止渗透变形和减小渗漏为主。当弱透水地基内有承压水或透水层时，为了消减承压水对闸室稳定的不利影响可在消力池底面设置深入改承压水或透水层的排水减压井。

　　2.渗流计算

　　渗流计算的目的，在于求解渗流区域内的渗透压力、渗透坡降、渗透流速及渗流量。

　　闸基渗流属于有压渗流。在研究闸基渗流时，一般做平面问题考虑，假定地基均匀、各向同性，渗水不可压缩，并符合达西定律。

　　对于简单的边界条件，可按流体力学方法得出理论解。但实际工程的边界条件很复杂，很难求得理论解，因而在实际工程中常用一些近似而实用的方法，如：流网法;改进阻力系数法;对于地下轮廓比较简单，地基又不复杂的中小型工程，可考虑采用直线展开法;对于复杂地基宜采用电拟试验法或数值计算方法。其中直线展开法是南京水利科学研究所沙金煊提出的一种渗透压力的简化计算方法。其要点是先把地下轮廓的垂直段展开为相同效应的水平轮廓，然后按线性关系求出各点的渗透水头。

　　其计算方法包括地下轮廓的展开、渗透压力的计算两个步骤。

　　四、防渗及排水设施

　　防渗设施是指构成地下轮廓的铺盖、板桩及齿墙、而排水设施则是指铺设在护坦、浆砌石海漫底部或闸底板下游段起导渗反滤作用的砂砾石层，并在适当部位设置排水孔。

　　1.铺盖。铺盖主要用来延长渗径，应具有相对的不透水性，为适应地基变形，也要有一定的柔性。铺盖常用粘土、粘壤土或沥青混凝土做成，有时也用钢筋混凝土作为铺盖材料。

　　2.板桩。板桩长度视地基透水层的厚度而定。当透水层较薄时，可用板桩截断，并插入不透水层至少 1.0m;若不透水层埋藏很深，则板桩的深度一般采用 0.6~1.0 倍水头。

　　3.齿墙。闸底板的上、下游端一般均设有浅齿墙，用来增强闸室的抗滑稳定，并可延长渗径。齿墙深一般在 1.0m左右。

　　4.排水及反滤层。排水一般采用粒径 1~2cm 的卵石、砾石或碎石平铺在护坦和浆砌石海漫的底部、或深入底板下游齿墙稍前方，厚约 0.2~0.3m。在排水与地基接触处(即渗流出口附近)容易发生渗透变形，应做好反滤层。

　　五、结语

　　闸基渗流计算的目的是计算水闸闸基地下轮廓下各点的渗透压力、渗透坡降、渗透流速及渗流量。通过计算得出的数据，得出应采取的防渗措施，防止水闸的渗透变形(渗透破坏)。增加水闸的使用寿命。

　　参考文献：

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《浅析水闸的特点与优化设计》

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