中小型水閘設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)淺析

沈建華

【摘要】 在當(dāng)前各類(lèi)水利工程中，水閘是其中非常重要的一個(gè)方面，對(duì)其加以合理設(shè)計(jì)對(duì)提高水利工程的整體效能意義重大。在本文中，筆者結(jié)合自身的工程實(shí)踐，對(duì)中小型水閘的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】 水閘，設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)

1引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)在推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和航運(yùn)發(fā)展等方面取得了巨大的成就，但洪澇災(zāi)害和泥沙沉淀的問(wèn)題也日益嚴(yán)重，這不利于我國(guó)農(nóng)業(yè)和航運(yùn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。為了滿足防洪、灌溉、排澇以及航運(yùn)方面的需要，我國(guó)在很多地方都開(kāi)始大規(guī)模興建水利工程。其中，水閘作為水利工程中出現(xiàn)最早的水工建筑之一，為農(nóng)業(yè)和航運(yùn)業(yè)的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。

在當(dāng)前各類(lèi)水利工程中，水閘在占據(jù)著非常重要的地位，對(duì)其加以合理設(shè)計(jì)對(duì)提高工程的整體效能意義重大。就目前的發(fā)展情況而言，中小型水閘設(shè)計(jì)還存在一些問(wèn)題，例如盲目借鑒已有的工程設(shè)計(jì)成果，卻缺乏對(duì)實(shí)際工程建設(shè)環(huán)境的全面考察，導(dǎo)致有的水閘工程在施工過(guò)程中不得不臨時(shí)停工以進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，這不僅會(huì)給施工帶來(lái)困擾，還會(huì)嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。因此，有必要提高水閘的設(shè)計(jì)質(zhì)量，總結(jié)中小型水閘在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的不足，將設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐相結(jié)合，這樣才能真正發(fā)揮水閘在促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用。

2水閘的選址經(jīng)驗(yàn)

水閘無(wú)論規(guī)模大小，其最終選址都會(huì)對(duì)工程設(shè)計(jì)與施工造成重要影響，一旦選址不當(dāng)，輕則可能會(huì)增加后續(xù)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)以及工程建設(shè)階段的難度，重則可能導(dǎo)致事故發(fā)生?？偟膩?lái)說(shuō)，中小型水閘選址時(shí)應(yīng)遵循以下原則：（1）所選閘址要能確保水閘的運(yùn)行達(dá)到規(guī)定要求；（2）在滿足后期使用要求的前提下，要盡可能降低工程量，體現(xiàn)選址的經(jīng)濟(jì)性；（3）要充分重視水閘的地質(zhì)條件。良好的地基具有相當(dāng)?shù)某休d能力，對(duì)于中小型水閘而言，應(yīng)盡可能選擇那些不需要進(jìn)行復(fù)雜地基處理就能滿足水閘運(yùn)行要求的天然地基。

3水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)

3.1軟土地基水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行中小型水閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，推薦使用截條法，即先將水閘結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為彈性地基上的平面框架結(jié)構(gòu)，再使用半解析法進(jìn)行計(jì)算。這種方法把上部桿系結(jié)構(gòu)和平面地基當(dāng)作兩個(gè)子結(jié)構(gòu)，然后用剛性鏈桿表征上部結(jié)構(gòu)底梁與地基間的聯(lián)系。具體計(jì)算時(shí)，則對(duì)剛性鏈桿采用有限單元法，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算得到底梁的位移，然后再根據(jù)解析法計(jì)算得到平面地基模型的單位沉降系數(shù)。依據(jù)上部結(jié)構(gòu)底梁和地基接觸面間的變形協(xié)調(diào)和平衡關(guān)系建立混合法典型方程以求解地基反力，然后再使用有限單元法進(jìn)行積分，從而計(jì)算出整個(gè)結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力。半解析法適用于各種軟土地基上的中小型水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它充分考慮了水閘閘墩、底板和地基之間的相互作用，可以較精確地計(jì)算出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所關(guān)心的結(jié)構(gòu)位移和地基反力等關(guān)鍵參數(shù)，充分體現(xiàn)了數(shù)值法和解析計(jì)算的優(yōu)勢(shì)。

在應(yīng)用半解析法進(jìn)行水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須特別注意所選取的各類(lèi)地基模型的適用范圍，必須根據(jù)工程所在地的實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行選取。根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)?shù)鼗蓧嚎s土層與基礎(chǔ)水平尺寸之比小于0.25時(shí)，應(yīng)選擇文克爾地基模型；而當(dāng)?shù)鼗蓧嚎s土層與基礎(chǔ)水平尺寸之比大于1.5時(shí)，應(yīng)選擇半無(wú)限大地基模型；其他條件下則一般選擇有限深地基模型和多層地基模型。

3.2樁基水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在軟基上建閘時(shí)，若天然地基或者經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理的地基不能滿足承載要求，則需要采用樁基礎(chǔ)。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，樁基礎(chǔ)一般適用于以下幾類(lèi)情況：（1）水閘上部構(gòu)造或者其它運(yùn)用要求對(duì)基礎(chǔ)沉降有嚴(yán)格要求時(shí)，采用樁基礎(chǔ)可以有效控制基礎(chǔ)變形；（2）水閘底板下臥層有承載力高的堅(jiān)實(shí)粘土層時(shí)，直接采用樁基礎(chǔ)坐落在持力層上，不僅可以確保閘基的穩(wěn)定性，還對(duì)下游的消能防沖設(shè)計(jì)有利；（3）水閘承受的水平推力過(guò)大時(shí)，直接采用普通軟土地基難以保證穩(wěn)定性，此時(shí)應(yīng)采用樁基礎(chǔ)等深基礎(chǔ)；（4）有通航需求時(shí)，為了減少底板的工程量，可視情況在閘墩下采用樁基礎(chǔ)。

具體設(shè)計(jì)時(shí)，則可以根據(jù)地基土質(zhì)條件、樁徑以及樁頂?shù)那豆糖闆r等，并參考有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)樁的容許水平承載力進(jìn)行初步確定。

4水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)

在進(jìn)行中小型水庫(kù)的險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)，中小型水閘的加固設(shè)計(jì)是其中非常重要的一個(gè)方面。如果水閘的重要部位，例如底板、閘墩因?yàn)樵O(shè)計(jì)不合理而出現(xiàn)問(wèn)題，那么對(duì)整個(gè)水庫(kù)的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)都會(huì)造成直接影響。中小型水閘的底板、閘墩等混凝土部位的加固設(shè)計(jì)長(zhǎng)期困擾著工程界，給水閘工程乃至于整個(gè)水利工程帶來(lái)了多方面的不同程度的危害。要徹底解決這一問(wèn)題則必須在水閘設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行全面考慮，尤其需要重點(diǎn)考慮閘址附近的地形、地質(zhì)條件和水文、施工、管理等方面的影響，只有確保以上方面的影響都在設(shè)計(jì)過(guò)程中被妥善處理，才能確保水閘底板混凝土的質(zhì)量，也才能從根本上提高中小型水閘加固設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

5水閘消能防沖設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)

水閘的消能防沖設(shè)計(jì)一直是中小型水閘設(shè)計(jì)中的一個(gè)非常重要的課題，尤其是在粉砂地基上建閘時(shí)更應(yīng)該慎重對(duì)待。具體而言，在進(jìn)行消能防沖設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行充分的現(xiàn)場(chǎng)勘察，以設(shè)計(jì)出最安全的工程，確保水閘建成后能夠安全運(yùn)行，使其效能得到充分發(fā)揮。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，造成閘下有害沖刷的因素是多方面的，除了受上下游水位、過(guò)閘流量以及閘門(mén)啟閉等因素影響外，還受一些其他因素影響。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要全面考慮各種因素的影響，尤其是各種因素的最不利組合的影響，切不可根據(jù)簡(jiǎn)單的條件進(jìn)行假設(shè)。在當(dāng)前中小型水閘的消能防沖設(shè)計(jì)中，一種經(jīng)常出現(xiàn)的錯(cuò)誤就是忽視了不同類(lèi)型水閘的消能設(shè)計(jì)條件間的差異，只是簡(jiǎn)單地以泄放設(shè)計(jì)洪水時(shí)的最不利工況為消能防沖設(shè)計(jì)的依據(jù)，而沒(méi)有進(jìn)行大量的實(shí)際分析工作，造成最終的消能防沖設(shè)計(jì)質(zhì)量大打折扣，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效益。

6事故檢修閘門(mén)設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)

由于事故檢修閘門(mén)平時(shí)使用很少，所以發(fā)生問(wèn)題時(shí)也難以被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)除需要滿足強(qiáng)度等基本運(yùn)行要求外，還要特別注意在主體結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化、零部件的選型上下功夫，做到建設(shè)成本低，投入運(yùn)行后穩(wěn)定可靠，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單。就目前而言，在進(jìn)行事故檢修閘門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)比較流行使用高分子復(fù)合材料，這不僅可以有效降低建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)成本，還有效提高了閘門(mén)的運(yùn)行可靠度。

7結(jié)束語(yǔ)

興建水利工程不僅可以推動(dòng)農(nóng)業(yè)和航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，還可以作為推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的命脈，在現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。而水閘作為水利工程中的一個(gè)重要內(nèi)容，其設(shè)計(jì)質(zhì)量會(huì)對(duì)水利工程的整體效能產(chǎn)生重要影響。因此，對(duì)中小型水閘設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行研究，總結(jié)出當(dāng)前工程實(shí)踐中存在的不足和具有指導(dǎo)意義的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)改善水閘設(shè)計(jì)質(zhì)量、提高水利工程的整體效能等方面具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 張坤.水閘設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題探討[J].科技與生活，2012，（5）：127

[2] 葉曉東，祁偉洪，李江.淺析中小型水閘設(shè)計(jì)以及方法[J].華東科技（學(xué)術(shù)版）， 2013，（12）：155

[3] 胡關(guān)保.關(guān)于水利水電工程中水閘的設(shè)計(jì)探討[J].商品與質(zhì)量（建筑與發(fā)展）， 2012，（5）：365-366

[4] 陳張華.淺論水閘工程設(shè)計(jì)存在問(wèn)題與建議[J].科技致富向?qū)В?013，（9）：394

[5] 于艷華.探討水閘設(shè)計(jì)要點(diǎn)及方法[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2013，（5）：25