水閘設(shè)計中若干問題的思考

姬春利

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001)

在水利工程中，水閘是修建在河道或渠道上利用閘門控制流量、調(diào)節(jié)水位的低水頭水工建筑物，提升閘門可以泄洪、排沙，關(guān)閉閘門可以攔洪、蓄水或抬高上游水位，滿足灌溉、發(fā)電、生態(tài)、工業(yè)及生活用水等需求。實際工程中，由于水閘功能和地基土的特殊性，設(shè)計中經(jīng)常會遇到一些問題，應(yīng)因地制宜，及時解決問題，使水閘功能得以充分發(fā)揮，保障工程的安全性和經(jīng)濟性。

1 布置型式

工程中水閘布置型式取決于水閘的功能和類型。對于蓄滯洪區(qū)承擔(dān)分洪任務(wù)的分洪閘，水閘進口宜布置在利于分洪的河流彎道凹岸側(cè)頂點，且稍偏下游處，充分利用彎道環(huán)流原理，減少閘前泥沙淤積，確保水閘分洪能力。分洪閘閘室軸線與原河道中心線不宜超過30°，閘室一般采用開敞式，閘底板高程宜與河道灘地地面接近，比主河道平均高程或攔河閘(壩)底板高程稍高一些，這樣可以有效防止河道泥沙或雜物進入分洪渠道，保證行洪暢通。

沖沙閘一般修建在緊靠進水閘一側(cè)的河道上，且與攔河閘(壩)并排橫跨河道布置，其軸線與進水閘的軸線成正交或斜交，斜夾角不大。為防止閘前泥沙淤積，沖沙閘底板高程要比攔河閘(壩)底板高程低一些。對兼有泄洪任務(wù)的沖沙閘，閘室一般采用開敞式。如果閘室上游水位變幅較大，高水位需用閘門控制下泄流量時，也可采用胸墻式。

2 水力設(shè)計

水閘水力設(shè)計中，在下泄流量一定的情況下，過閘上、下游水位差主要決定了工程規(guī)模和工程造價。若上、下游水位差較小，閘室過流寬度較寬，工程規(guī)模相應(yīng)增大，工程造價也隨之上升；反之，上、下游水位差較大，過流寬度較小，工程規(guī)模減小，工程造價隨之下降。因此，過閘上、下游水位差應(yīng)根據(jù)淹沒影響、工程規(guī)模及工程造價等因素綜合考慮。一般情況下，平原地區(qū)過閘上、下游水位差可采用0.1～0.3 m[1]。但對于蓄滯洪區(qū)承擔(dān)分洪任務(wù)的分洪閘，要考慮與原河道及分洪閘后渠道的平順銜接，上、下游水位差可適當(dāng)加大。

水閘過閘水流部分勢能轉(zhuǎn)化為動能，流速增大，水流紊動劇烈，同時水閘上、下游水位多變，出流形式也多變，加之閘門開啟不當(dāng)，極容易對下游河床及兩岸造成嚴(yán)重沖刷，因此閘后必須采取妥善的消能防沖措施，保證工程安全。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，水閘上游水頭較低，下游水位變化幅度較大，閘后水流一般都采用底流式水躍消能。

底流消能主要是通過在閘后產(chǎn)生一定淹沒度的翻滾水躍來消減水流動能，減輕水流對河床的沖刷。底流消能設(shè)施通常為消力池，主要有挖深式消力池、尾坎式消力池及綜合式消力池三種型式。消力池型式的選擇主要與躍后水深與實際尾水深度有關(guān)。根據(jù)相關(guān)資料，當(dāng)閘下尾水深度小于躍后水深時，可采用挖深式消力池；當(dāng)閘下水深小于90%躍后水深時，可采用尾坎式消力池；當(dāng)閘下水深小于50%躍后水深，且計算消力池深度又較深時，可采用挖深式與尾坎式相結(jié)合的綜合式消力池[2]。若水閘上、下游水位差較大，而且尾水深度較淺時，宜采用二級或多級消力池。

在計算消力池深度時，初步計算以下游河床為基準(zhǔn)高程，淹沒度取1.05～1.10較為適宜，通過計算確定池深后，再以池底為基準(zhǔn)高程對池深進行復(fù)核。根據(jù)水工模型試驗資料，無論那種型式的消力池，只要設(shè)計得當(dāng)，可消殺水流全部動能的40%～70%，剩余能量對下游河床還可能造成沖刷，因此消力池下游一般還要設(shè)置海漫和防沖槽，消殺剩余能量，改善下游水流流態(tài)。

3 地基處理

水閘大部分修建在平原、濱海區(qū)的第四紀(jì)覆蓋層上，經(jīng)常會遇到軟弱的粘性土或疏松的砂土地基，必須采取措施進行加固處理才可作為水閘的地基持力層。常用地基加固處理包括：換填墊層法、強夯法、強夯置換法、沉井基礎(chǔ)、水泥土攪拌樁、旋噴樁及振沖碎石樁等。

對于考慮地震影響的液化土層，若液化土層埋深較淺，可用非液化土替換全部液化土；若液化土層埋深較大，可采用振沖碎石樁或擠密碎石樁進行加固，加固后樁間土的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)不宜小于規(guī)范規(guī)定的液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)[3]，樁長應(yīng)按要求處理液化的深度確定，使復(fù)合地基承載力滿足設(shè)計要求。

4 防滲設(shè)計

修建在軟土地基上的水閘，由于上、下游水位差的存在，水閘地基容易產(chǎn)生滲透變形，需采取相應(yīng)的防滲措施。水閘防滲設(shè)施一般采用鋪蓋加垂直防滲體相結(jié)合的形式，達到增加滲徑，以減小作用在閘底板上的滲透壓力，降低閘基平均滲流坡降，確保閘室穩(wěn)定安全。對于砂性土閘基，抵抗?jié)B透變形的能力較差，滲透系數(shù)也較大，因此防滲應(yīng)以防止?jié)B透變形和減小滲漏為主。

目前，垂直防滲體應(yīng)用較多的屬于砼防滲墻。砼防滲墻大致分為普通砼、黏土砼、塑性砼、固化灰漿和自凝灰漿等。普通砼防滲墻抗壓強度15～35 MPa，彈性模量大于2 500 MPa，滲透系數(shù)10-10～10-11cm/s。對于水閘防滲墻，砼強度要求不高，但要具有良好的抗變形能力，而普通砼彈性模量高，抗變形能力差。黏土砼抗壓強度一般在10 MPa左右，彈性模量在2 000～12 000 MPa，滲透系數(shù)10-7～10-9cm/s；塑性砼抗壓強度一般為1～5 MPa，彈性模量一般不大于2 000 MPa，滲透系數(shù)10-6～10-7cm/s[4]。黏土砼和塑性砼彈性模量較小，抗變形能力強，抗壓強度、抗?jié)B性和耐久性均能滿足水閘防滲要求。

5 上、下游岸坡銜接

水閘閘室寬度一般較上游河道縮窄，為了保證入閘室水流平穩(wěn)過渡，上游擋墻或邊墻與河道兩岸護坡應(yīng)平順銜接。下游出閘水流往往流速高、動能大，容易對河床及兩岸造成沖刷破壞，而下游擋墻可以改善出閘水流條件，提高泄流能力和消能防沖效果，確保下游河床和邊坡穩(wěn)定。上、下游擋墻可采用扭面、八字墻式、角墻式、圓弧或橢圓弧形式與岸坡銜接，上游擋墻順?biāo)飨虻耐队伴L度應(yīng)大于或等于鋪蓋長度，下游擋墻順?biāo)飨虻耐队伴L度應(yīng)大于或等于消力池長度。

對于粘性土或砂土地基，上、下游擋墻宜采用圓弧或橢圓弧形式，且宜采用直墻結(jié)構(gòu)。擋墻若埋入護坡深度較大時，擋墻底部可按階梯形分段布置，為防止相鄰臺階之間產(chǎn)生不均勻沉降，每個臺階擋墻長度不應(yīng)小于2 m，相鄰擋墻底部高差也不宜大于2 m。

6 生態(tài)景觀

近年來，隨著水利工程的發(fā)展，水閘型式也呈現(xiàn)多樣化，比如橡膠壩、鋼壩、鋼堰、液壓壩、氣盾壩等景觀閘門應(yīng)用比較廣泛。這些新型水閘減少了閘墩的設(shè)置，節(jié)省土建投資，不僅結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，即可立壩蓄水、臥壩行洪，又能利用壩頂過流，形成人工瀑布的景觀效果。此外，這些水閘可多角度、多高度鎖定裝置，滿足多水位控制調(diào)節(jié)的需求，減少了河道上部啟閉機房，形成寬闊的水面景觀。

對于攔河閘，在汛期開閘泄洪，在非汛期保證下游生態(tài)流量的情況下可立閘蓄水，上游庫區(qū)形成景觀水面。對于分洪閘，在汛期主要承擔(dān)蓄滯洪區(qū)的分洪任務(wù)，在非汛期可引入適當(dāng)流量，考慮景觀需要，改善下游渠道及兩岸生態(tài)環(huán)境。目前，靠近城市的水利工程，一般可結(jié)合人居環(huán)境要求，河道或渠道兩岸設(shè)計濕地，濕地內(nèi)種植各種觀賞性植物，在正常蓄水位或設(shè)計水位以上設(shè)置親水設(shè)施，比如親水平臺或步行棧道，兩岸護坡可采用植草或填充卵石(碎石)的生態(tài)護坡，景觀布置可考慮人文需求，實現(xiàn)柔性治水理念，實現(xiàn)洪水資源、雨洪資源的綜合利用，充分發(fā)揮水利工程防洪和生態(tài)涵養(yǎng)功能，提升城市生態(tài)景觀效果，實現(xiàn)都市水利工程功能性、生態(tài)性、景觀性、文化性綜合服務(wù)目標(biāo)。

7 結(jié)語

綜上所述，水閘的布置型式與水閘的功能和類型有關(guān)，水力設(shè)計中閘室規(guī)模與上、下游水位差有直接關(guān)系，閘后常采用底流消能，消力池型式由下游尾水深度決定；水閘一般建在軟土地基上，地基必須進行加固處理方可作為持力層，水閘上游側(cè)設(shè)置防滲墻，防滲墻的材料可選用黏土砼和塑性砼，抗壓強度、抗?jié)B性和耐久性均能滿足水閘防滲要求。此外，水閘設(shè)計還應(yīng)考慮上、下游岸坡銜接和生態(tài)景觀方面的要求。合理的水閘設(shè)計，不僅要滿足水閘功能的安全性、經(jīng)濟效益的合理性，還要兼顧生態(tài)環(huán)境的景觀效果。