水利水電工程中的水閘設(shè)計(jì)問題及其優(yōu)化措施

謝麗萍

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，武漢 430070）

1 引言

水利水電工程是我國重要的民生工程，水閘在水利水電工程中起到了不可替代的作用，水閘是水利水電工程中重要的水工建筑物，既是擋水建筑物，也是排水建筑物，其主要作用為控制水流[1]。水閘的建設(shè)位置大多數(shù)位于平原河網(wǎng)地區(qū)交叉河口附近，為了保證水閘的穩(wěn)定性，行進(jìn)閘基選址時(shí)，應(yīng)盡量選擇在地形簡(jiǎn)單、地基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且地下水位低的地點(diǎn)[2]。進(jìn)行水閘設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)水閘建設(shè)位置的選擇，需要對(duì)水閘結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、滲透問題、沉陷問題、沖刷問題進(jìn)行特殊考慮，確定水閘的地基承載力、滲透壓力以及消能防沖計(jì)算，從設(shè)計(jì)方面增強(qiáng)水閘結(jié)構(gòu)的自身穩(wěn)定性[3]。

根據(jù)水閘設(shè)計(jì)步驟，一般在進(jìn)行水閘設(shè)計(jì)時(shí)，僅考慮了地基承載力的計(jì)算，未考慮水閘的防沖防滲計(jì)算，沒有根據(jù)水閘建設(shè)位置以及閘基狀況確定水閘的類型[4]。本文通過對(duì)湖北省某水利水電工程中水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，梳理水閘設(shè)計(jì)中存在的問題，并針對(duì)具體問題提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施，以提高水閘結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2 水利水電工程中水閘設(shè)計(jì)問題

本文以湖北省某水利水電工程中的水閘結(jié)構(gòu)為例，分析水閘設(shè)計(jì)過程中存在的具體問題。

2.1 工程概況

湖北省某河道上準(zhǔn)備建設(shè)一水閘結(jié)構(gòu)，作用是通過水閘控制水位，用以農(nóng)田灌溉。水閘極限控制流量約360 m3/s，可滿足大量農(nóng)田灌溉需求。水閘除了滿足農(nóng)用外，仍需滿足排洪排澇功能，依據(jù)規(guī)范需要滿足5 a 一遇的排澇任務(wù)和20 a 一遇的排洪任務(wù)。5 a 一遇規(guī)劃設(shè)計(jì)除澇流量Q=260 m3/s，水閘建成后相應(yīng)閘下游水位為39.9 m，要求泄洪時(shí)閘上、下游允許水頭差h≤0.1 m。20 a 一遇洪水校核流量Q1=550 m3/s，閘下游相應(yīng)水位41.8 m，要求建閘后泄洪時(shí)上、下游水頭差h≤0.2 m。正常灌溉水位為41.0 m，該河經(jīng)治理后的下游河道水位流量關(guān)系見表1。

由工程概況可知，該水閘位于平原區(qū)河道，作用為農(nóng)田灌溉與排洪排澇，根據(jù)SL 265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，可以在平原區(qū)地基穩(wěn)定處建設(shè)水閘，依據(jù)水閘作用可選用節(jié)水閘，節(jié)水閘主要可以滿足對(duì)河流流量及水位的控制，能夠?yàn)檗r(nóng)田灌溉提供良好支撐，并且節(jié)水閘設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，占地面積較小，針對(duì)流量在100~1 000 m3/s 的中型水閘可以滿足使用要求。但是在進(jìn)行水閘設(shè)計(jì)時(shí)遇到以下4 個(gè)問題：測(cè)繪精度低；忽略了防沖刷防滲透設(shè)計(jì)；水閘類型選擇不合理；閘室底板選擇不合理。

表1 河道水位流量關(guān)系表

2.2 測(cè)繪精度低

在湖北省某水利水電工程水閘的設(shè)計(jì)過程中，采用測(cè)繪技術(shù)方法得到河道及周邊建筑的全方位準(zhǔn)確坐標(biāo)信息，測(cè)繪精度決定了設(shè)計(jì)的合理性。水利水電工程的測(cè)繪與土建測(cè)繪不同，其測(cè)繪位置在岸上，測(cè)繪作業(yè)時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)岸上坐標(biāo)與河道內(nèi)部坐標(biāo)超限的問題，除了作業(yè)場(chǎng)地原因外，主要原因是設(shè)計(jì)人員對(duì)于測(cè)繪操作不熟練，在使用GPS 進(jìn)行測(cè)繪時(shí)沒有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體測(cè)繪控制，造成控制點(diǎn)坐標(biāo)不準(zhǔn)確，得到的測(cè)繪數(shù)據(jù)沒有固定解，數(shù)據(jù)結(jié)果超限，在進(jìn)行地形圖繪制時(shí)，由于控制點(diǎn)問題造成地形圖偏差，影響了水閘設(shè)計(jì)，使水閘位置與設(shè)計(jì)位置出現(xiàn)偏差，造成水閘整體位置偏移。

2.3 忽略防沖刷與防滲透設(shè)計(jì)

水閘的防沖防滲設(shè)計(jì)主要考慮閘基的地質(zhì)情況、閘基兩側(cè)輪廓線布置以及上、下游水位差。根據(jù)工程概況可知，該水閘位于平原地區(qū)，根據(jù)我國地區(qū)土質(zhì)分類，該水閘結(jié)構(gòu)地基為土基，對(duì)于建在土基上的水閘，需要計(jì)算水閘基底和側(cè)向抗?jié)B穩(wěn)定性，通過計(jì)算保證水閘地基的穩(wěn)定性。但是在該水閘設(shè)計(jì)時(shí)，由于注重考慮水閘作用最大化，盡可能擴(kuò)大灌溉面積與排洪水量，忽略了對(duì)水閘防沖防滲功能的設(shè)計(jì)。雖然本項(xiàng)目上下游流量差較小，但是河道周圍有大量農(nóng)田，在農(nóng)田施肥過程中，農(nóng)田中會(huì)殘留許多化學(xué)離子，化學(xué)離子排至河道內(nèi)后，會(huì)對(duì)水工建筑物產(chǎn)生化學(xué)侵蝕，造成結(jié)構(gòu)損壞。并且湖北省位于我國中部地區(qū)，夏季氣溫較高，晝夜溫差大，容易使大體積混凝土產(chǎn)生溫縮裂縫，使水流滲入結(jié)構(gòu)內(nèi)部造成結(jié)構(gòu)耐久性下降。所以，必須對(duì)水閘進(jìn)行防沖刷與防滲計(jì)算，提高水閘的防沖刷與防滲能力。

2.4 水閘類型選擇不合理

進(jìn)行水閘設(shè)計(jì)時(shí)，水閘類型的選擇影響了水閘的使用功能。一般水閘類型的選擇多偏向于功能性，在能滿足最大使用功能的情況下選用施工簡(jiǎn)單的水閘類型。但是，對(duì)于環(huán)境條件特殊的水閘結(jié)構(gòu)，需要著重考慮環(huán)境因素。水閘類型的選擇考慮不充分會(huì)導(dǎo)致水閘無法發(fā)揮正常的使用功能，影響工程運(yùn)行效果。設(shè)計(jì)本項(xiàng)目的水閘時(shí)，根據(jù)水閘的使用功能，選用節(jié)水閘，但河道寬度較窄，且流量較大，需要建設(shè)中型水閘，中型水閘占地面積和地基承載力要求高，施工困難。該水閘結(jié)構(gòu)建于土基之上，需考慮結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性以及使用功能。

2.5 閘室底板尺寸不合理

閘室是水閘結(jié)構(gòu)的重要組成之一，閘室的底板尺寸決定了閘室結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。根據(jù)工程概況可知，該項(xiàng)目閘基位于土基之上，底板作為水閘閘室的基礎(chǔ)承受上部結(jié)構(gòu)荷載并傳遞給地基，同時(shí)還借助底板與地基之間的抗滑力來保持閘室的穩(wěn)定性，在土基上進(jìn)行閘室設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，未考慮閘室底板尺寸的設(shè)計(jì)。若閘室底板尺寸過大，會(huì)造成工程量的增加材料的浪費(fèi)問題；若閘室底板尺寸較小，則會(huì)影響閘室整體的穩(wěn)定性。

3 水利水電工程中水閘設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

3.1 提高測(cè)繪精度

測(cè)繪精度不足的原因主要包括兩方面：一方面是人為因素導(dǎo)致測(cè)繪坐標(biāo)精度不足；另一方面是測(cè)繪位置位于河岸與河道內(nèi)造成測(cè)量誤差。為了提高測(cè)繪精度，應(yīng)該采用施工控制測(cè)繪方法。首先，根據(jù)水閘設(shè)計(jì)需要進(jìn)行控制點(diǎn)確定，使用GPS 在建設(shè)區(qū)域進(jìn)行控制點(diǎn)測(cè)繪，由于水閘結(jié)構(gòu)一部分位于土基一部分位于河道，可采用無人機(jī)測(cè)繪的方法，提高測(cè)繪效率，減少坐標(biāo)誤差?？刂泣c(diǎn)確定后，根據(jù)水閘建設(shè)的需要，測(cè)量碎布點(diǎn)坐標(biāo)，通過碎部點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行水閘設(shè)計(jì)位置的初步確定，在碎部測(cè)量過程中，插入高程點(diǎn)的測(cè)量，確定河道與河岸的高程差，便于進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，根據(jù)測(cè)繪結(jié)果繪制地形圖。測(cè)繪精度不足主要是對(duì)地形地貌不熟悉，造成坐標(biāo)測(cè)量誤差，采用控制點(diǎn)、碎部點(diǎn)和高程點(diǎn)測(cè)量方法能夠有效減少坐標(biāo)誤差，結(jié)合無人機(jī)航測(cè)可以對(duì)測(cè)繪區(qū)域進(jìn)行輪廓控制。然后，依據(jù)測(cè)繪地形圖以及各點(diǎn)位準(zhǔn)確坐標(biāo)選擇相應(yīng)的地基處理方式，以此保證后續(xù)設(shè)計(jì)工作的順利實(shí)施。

3.2 防沖防滲設(shè)計(jì)

根據(jù)SL 191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，需要計(jì)算水閘基底和側(cè)向抗?jié)B穩(wěn)定性，滲流坡降應(yīng)小于表2 中數(shù)據(jù)。

表2 水平段出口段允許滲流坡降值

根據(jù)表2 可知，該水閘允許滲流坡降值應(yīng)在0.4%~0.5%，在對(duì)水閘結(jié)構(gòu)進(jìn)行防沖防滲設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮3 個(gè)因素：

1）環(huán)境氣候因素，湖北省夏季氣溫高，且晝夜溫差大，在進(jìn)行材料選擇時(shí)，混凝土類型必須選擇收縮性能好的混凝土，并且在養(yǎng)護(hù)時(shí)需要采取措施避免出現(xiàn)混凝土溫縮裂縫，增強(qiáng)材料的防沖防滲性能。

2）水閘使用功能。該水閘的主要作用為調(diào)節(jié)水位、灌溉農(nóng)田，由于該水閘上下游流量差較小，水流流速正常，但是農(nóng)田施肥殘留的化學(xué)離子會(huì)排入河道，對(duì)水閘進(jìn)行化學(xué)侵蝕，所以，必須提高水閘的抗?jié)B等級(jí)，對(duì)滲透壓力進(jìn)行計(jì)算。并且工程要求按照20 a 一遇的洪水重現(xiàn)期進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以，對(duì)該地區(qū)最強(qiáng)降雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算最強(qiáng)降雨量時(shí)河道流量與水位高度，依據(jù)計(jì)算結(jié)果確定滲流坡降值和消力池設(shè)計(jì)。

3）水閘基礎(chǔ)。該水閘建設(shè)在土基之上，對(duì)于土基需要進(jìn)行加固處理，提高地基承載力，滿足地基防沖刷、防滲要求，對(duì)地基進(jìn)行排水與地基防水設(shè)計(jì)，加強(qiáng)地基穩(wěn)定性，保證水閘結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3.3 選擇合適的水閘類型

本項(xiàng)目采用方案比選的方法選擇水閘類型。將影響水閘類型的因素進(jìn)行排列，包括環(huán)境氣候、地形地貌、使用功能以及服務(wù)年限，根據(jù)影響因素的重要程度，確定排列順序?yàn)椋菏褂霉δ埽镜匦蔚孛玻经h(huán)境氣候＞服務(wù)年限。為了保證水閘的使用功能，水閘類型選擇為節(jié)水閘，并且通過對(duì)閘室類型的合理選擇，保證在排洪排澇過程中將河道水流恢復(fù)到自然狀態(tài)，避免水位過高引發(fā)的沖擊問題。為了保證水閘的排洪排澇功能，設(shè)計(jì)相應(yīng)的進(jìn)水閘，對(duì)引水流量進(jìn)行控制，以此準(zhǔn)確賦予工程供水、發(fā)電、灌溉等功能。從施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況著眼，要做好水閘尺寸的合理設(shè)計(jì)，確保水閘能夠很好地滿足引水要求。

3.4 閘室底板尺寸優(yōu)化

對(duì)該水閘進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，由于河道寬度較窄且地基承載力較低，需要對(duì)閘室底板尺寸進(jìn)行優(yōu)化，減小結(jié)構(gòu)對(duì)地基的荷載傳遞。依據(jù)JTJ 307—2001《船閘水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》，板底長度約為水位差的2.5~4.5 倍，可以得到底板長度在5~10 m，板厚在0.7~2.0 m，確定了閘室板底尺寸范圍，對(duì)閘室板底進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過對(duì)工程環(huán)境因素，地形地貌以及使用功能因素的綜合分析，對(duì)底板尺寸進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果為，底板長度為8 m，底板厚度為0.7 m。對(duì)底板尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠有效減少施工工程量節(jié)省建設(shè)成本。

4 結(jié)語

水閘是水利水電工程中重要的水工建筑物，主要由上游連接段、閘室、下游連接段3 部分構(gòu)成。本文通過對(duì)湖北省某水利水電工程水閘進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到水閘設(shè)計(jì)中存在的問題，包括測(cè)繪精度不足、忽略防沖刷防滲透設(shè)計(jì)、水閘類型選擇不合理以及閘室底板尺寸不合理4個(gè)問題，并針對(duì)水閘設(shè)計(jì)中存在的4 個(gè)問題，提出水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施。