水闸设计要点及方法剖析

郭玉红

摘要：加强水闸设计要点及方法的研究是十分必要的，本文作者结合多年来的工作经验，对水闸设计要点及方法进行了研究，具有重要的参考意义。

关键词：水闸设计 要点

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

水闸的设计是非常复杂的,它不仅有主观的因素,还有客观的因素。堤防之险在于闸,水闸之险在于基．水闸的地基处理是水闸设计中的重点和难点。当天然地基不能满足承载力和沉降要求时,在满足水闸抗滑稳定的前提下,设计人员首先考虑采用轻型结构、增加水闸结构刚度等结构措施。1 水闸的组成部分及其作用水闸：闸室是水闸挡水和泄水的主体部分。通常包括底板、闸墩、闸门、胸墙、工作桥及交通桥等。底板是闸室的基础，承受闸室的全部荷载，并较均匀地传给地基，此外，还有防冲、防渗等作用。闸墩的作用是分隔闸孔并支承闸门、工作桥及交通桥等上部结构。闸门的作用是挡水和控制下泄水流。胸墙是用来挡水以减小闸门高度。工作桥供安置启闭机和工作人员操作之用。交通桥是为连接两岸交通设置的。上游连接段：上游连接段的主要作用是引导水流平顺地进入闸室，保护上游河床及河岸免遭冲刷并有防渗作用。一般有上游护底、防冲槽、翼墙及护坡等部分组成。上游翼墙的作用是引导水流平顺进入闸孔并起侧向防渗作用。铺盖紧靠闸室底板，其作用主要是防渗，应满足抗冲要求。护坡、护底和上游防冲槽是用来防止进闸水流冲刷、保护河床和铺盖。下游连接段：下游连接段具有消能和扩散水流的功能。使出闸水流在消力池中形成水跃消能，再使水流平顺地扩散，防止闸后水流的有害冲刷。下游连接段通常包括下游翼墙护坦、消力池、海漫、下游防冲槽以及护坡、护底等。下游防冲槽是海漫末端的防冲保护设施。2 水闸的设计2.1 水闸的选址原则在水闸建设过程中,水闸的选址是非常关键的环节。分析已建水闸工程的失事,其主要原因往往是闸址地质条件不好,或虽然经过人工处理但仍未处理好,属于不良人工地基,导致水闸失稳、渗透破坏或者冲刷破坏。水闸选址的原则是水闸稳定安全、能够较好地满足水闸的使用要求、水流流态稳定、水闸便于管理、造价经济。针对上述情况,在满足水闸使用要求和管理的情况下,水闸在选址时应根据水闸的地质条件和水文条件选择地质条件良好的天然地基,最好是选用新鲜完整的岩石地基,或者是承载能力大、抗剪强度高、压缩性低、透水性小、抗渗稳定好的土质地基,如果在规划选址的范围内实在找不到地质良好的天然地基,只能对天然地基进行技术处理。

2.2 水闸地基处理方法水闸地基处理的方法很多,它们主要用于以下三个方面:(1)增加地基的承载能力,保证建筑物的稳定;(2)消除或减少地基的有害沉降;(3)防止地基渗透变形。目前国内在增加水闸地基承载能力和减少地基有害沉降的处理方法方面最常用的是垫层法、砂井预压法、灌浆法和桩基法,加载预压法、超载预压法和真空预压法因所需工作面广和预压时间长,目前使用较少,强夯置换法、振动水冲法。因实践经验比较少,现正处在探索过程中。2.2.1桩基法桩基法是常用于竖向荷载大而集中或受大面积地面荷载影响的结构以及沉降方面有较高要求的建筑物和精密设备的基础,桩基能有效地承受一定的水平荷载和上拔力。桩基按施工方法分可分为预制桩和灌注桩两大类。2.2.2复合地基法复合地基一般是指天然地基在地基处理过程中被置换或增强而形成的由基体和增强体两部分组成的人工地基。复合地基根据桩体材料的性质一般可分为三类:散粒体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基,也有学者将柔性桩中强度较高的桩细分为半刚性桩复合地基。由于桩体材料不同,各类桩的加固机理、适用条件和施工工艺也有很大差异。2.2.3木桩加固法 木桩加固法属于桩基法中的一种,此方法是一种十分古老的地基加固方法。由于木桩加固设计简单,施工方便,不受环境限制,取材方便,直至20世纪60年代初,受技术和经济条件限制,国内水利行业对较深厚的软土闸基处理仍缺乏足够的手段和办法,采用木桩加固地基几乎成为唯一的选择。木桩的设置一般有两种方法,一是将木桩桩头与闸底板浇注在一起,形成类似桩顶铰接的深基础,另一种则在木桩桩顶设碎石垫层,实际上属于复合地基的一种。近年来广东省在水闸安全鉴定中发现,无论采用哪种设桩方法,相当数量采用木桩基础的水闸都出现了险情,破坏主要表现在桩体腐朽导致水平和竖向承载力不足、闸基桩土变形不协调等。2.2.4预压法预压法是通过预先加载,加速场地土排水固结,以达到减少沉降和提高地基承载力的目的。该方法特别适用于在持续荷载作用下体积会发生很大压缩,强度会明显增长的土,如淤泥质土、撇泥和冲填土等饱和粘性土地基等,但此方法也有明显的缺点,由于闸基地下水一般与河水连通,围封、降水难度大,场地土往往需要比较长时间的预压才能完成固结沉降,对施工工期紧的工程,一般较少使用该方法。预压法加固软粘土地基是一种比较成熟的方法,在水闸施工期许可的前提下,采用真空一堆载联合预压法也不失为一个很好的选择。

2.2.5 换土垫层法换土垫层法属于置换法,也是一种古老的、相当成熟的地基处理方法。该方法加固原理比较清楚,施工简便,施工质量易于保证,是浅层地基处理的首选。为避免工程造价过高以及增加基坑支护费用,一般换填深度小于3m。如软弱土层小于3m,下卧层地基承载力较高时,将软弱土层完全挖除换填后,一般均可满足水闸对承载力和变形的要求。如果软弱土层比较厚,仅能换上层软弱土时,应尽量避免采用换土垫层法处理闸基,因为换填后虽然可提高基底持力层的承载力,但水闸地基的受力层深度相当大,下卧软弱土层在荷载下的长期变形可能依然很大。实践表明采用换土垫层法处理的地基出现问题的相对比较少,故至今仍是水闸淡层地基处理的主要方法之一。2.3 水闸消能防冲方法设计2.3.1 水文条件的变迁河网区联围筑闸改变了原来河网分流条件,使主河道水位雍高。河道滩地的码头、工厂、道路以及众多的占用河道断面的桥墩,这些设施除了束窄了行洪断面外,还改变了河道原来的天然状况,改变了水流的边界条件,加大了糙率,因而雍高水位。2.3.2 河道地形的变迁一般来说,天然河道随季节的变化其来水量在变化,其含砂量也在变化,河床总是时冲时淤,处于动态平衡状态。若河道上游筑水库,则拦截了洪水,削平了洪峰,亦拦截了泥砂。洪峰值少,夹带泥砂少,改变了天然的动态平衡状态,河道筑闸后,加剧了这种不平衡状态。由于水闸消能设计的控制工况是:保持闸上最高蓄水位,宣泄上游多余来水量,下游水位取下限值;水闸防冲设计的控制工况是:水闸泄放最大设计洪水量,相应下游水位最低,所以由于下游河床不断降低,下游水位低值也随之降低,随河道变迁出现的新低水位低于原设计工况的下限低值,原控制条件就不能适应变化了的河床,消能防冲效果必然差,很多水闸经常发生护坦或海漫被冲坏的情况。3 结束语工程建设的独特性，没有完全相同的两个水闸，如何使水闸设计做到安全、经济和合理，提高水利工程建设的设计水平，始终是摆在设计人员面前的一项重要的任务。在这些水利工程建设中，有很多成功的工程设计、施工经验需要系统地进行总结和理论提高，同时还有很多工程问题和技术难点有待于去解决和攻关。 参考文献

[1] 满广生.水闸设计及闸室结构设计研究[J].科技资讯，2003.

[2] 杨有贞.边坡稳定性弹塑性大变形有限元分析[J].科技创新导报,2004.