水利水電工程中水閘的設(shè)計(jì)分析

【摘要】水閘是水利水電工程的重要組成部分，承擔(dān)著電能轉(zhuǎn)化、調(diào)節(jié)水流速度的重要作用。為了保證水閘的各項(xiàng)功能得以發(fā)揮，首先應(yīng)當(dāng)從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格的控制。本文結(jié)合某水利水電工程為例，對(duì)水閘設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究分析，為今后相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】水利水電；水閘；設(shè)計(jì)；選址

水利水電工程關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，是符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展道路的重要項(xiàng)目。水閘工程在水利水電工程中承擔(dān)著非常重要的責(zé)任，在水利發(fā)電、防洪排澇、水量調(diào)節(jié)等方面作用明顯。為保證水閘工程的整體質(zhì)量，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)結(jié)合水利水電工程的實(shí)際情況進(jìn)行綜合性的分析，特別是在工程選址、消能防沖、閘孔選型等環(huán)節(jié)，下文將進(jìn)行重點(diǎn)探討。

1、工程概況

文章以某水利水電工程為例，該水利水電工程能夠進(jìn)行航運(yùn)、發(fā)電以及改善水資源環(huán)境，構(gòu)造物主要包括土壩、水閘以及水電站。該水利水電工程是一座以水庫(kù)反調(diào)節(jié)、發(fā)電為主，以改善水環(huán)境和航運(yùn)為輔的水利樞紐工程，洪峰流量（Q）和對(duì)應(yīng)的水位表現(xiàn)為：

序號(hào)1，Q=5143m3/s，水位35.33m，P（頻率）=20%；

序號(hào)2，Q=6400m3/s，水位36.06m，P=10%；

序號(hào)3，Q=8064m3/s，水位37.41m，P=5%；

序號(hào)4，Q=8720m3/s，水位37.88m，P=3.33%；

序號(hào)5，Q=10021m3/s，水位38.64m，P=2%；

序號(hào)6，Q=10881m3/s，水位39.16m，P=1%；

序號(hào)7，Q=11763m3/s，水位39.71m，P=0.5%。

2、水利水電工程水閘的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 水閘選址

水閘選址是水利水電工程的重要環(huán)節(jié)，在進(jìn)行水閘選址時(shí)應(yīng)該盡可能的選擇地質(zhì)條件較好的天然地基，充分的考慮安全性。通常狀況，需要對(duì)水閘的地質(zhì)條件和水文條件等進(jìn)行全面的分析，然后選擇巖石作為水閘地基，如果沒(méi)有合適的巖石地基，則應(yīng)該考慮壓縮性小、抗?jié)B穩(wěn)定性高、抗剪強(qiáng)度高以及承載能力大的土質(zhì)地基。

2.2 水閘消能防沖設(shè)計(jì)

工況控制是水閘消能防沖設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，具體的工況控制為：保證下游水位處于規(guī)定取下限制，水閘的蓄水位必須保證最高點(diǎn)，以此保證上游具有充足的水量。在該種工況下，在系統(tǒng)的計(jì)算消力池的深度之后，將其作為閘門的最初開啟深度。同時(shí)，在進(jìn)行水閘消能防沖設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)該注意相應(yīng)的工況。

2.3 選擇閘孔型式

水閘閘室主要包括胸墻式和敞開式兩種，因?yàn)樵撍姽こ痰男购橐笙鄬?duì)較高，在泄洪時(shí)要求水體恢復(fù)至自然狀態(tài)，避免出現(xiàn)水閘前水位過(guò)高的現(xiàn)象。由于該水利水電工程采用敞開式閘室，該種閘室的優(yōu)點(diǎn)在于施工方便、操作容易、構(gòu)造簡(jiǎn)單、泄洪速度快、沖砂速度快等。設(shè)計(jì)人員借鑒其他水利水電工程水閘的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用平面鋼閘門，能夠保證閘室能夠安全、可靠的運(yùn)行。

2.4 確定過(guò)閘水位差

水流上游被淹沒(méi)的狀況會(huì)對(duì)過(guò)閘水位差產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，設(shè)計(jì)較大的過(guò)閘水位差，雖然能夠減小閘孔的凈寬度，在一定程度上能夠降低工程造價(jià)，但是，會(huì)抬高水閘上游水位，存在一定的安全隱患。為了保證安全，要求抬高岸堤高度。綜合權(quán)衡各種因素，需要將校核水位控制在0.3m以內(nèi)。

2.5 確定閘孔尺寸

在保證泄洪量的基礎(chǔ)上，河床和堰頂?shù)母叨葢?yīng)該確定為28m，水閘孔數(shù)量越多，墩數(shù)也越大。全面考慮建設(shè)精力和時(shí)間、流量、水流速度、擋水的水位高度以及工程投資等因素，應(yīng)該采用閘孔相對(duì)較少的水閘。當(dāng)閘孔寬度超過(guò)一定范圍后也會(huì)造成危害，如占地面積較大、開啟和關(guān)閉設(shè)備較大、消耗材料多以及投資大等。根據(jù)公路橋交通橋的構(gòu)造設(shè)計(jì)要求，通常將水閘孔寬度控制在10m-14m之間。同時(shí)，由于該工程的校核水位小于0.3m，根據(jù)一些公式計(jì)算可知，應(yīng)該將水閘孔寬度設(shè)計(jì)為10m，水閘閘孔數(shù)量設(shè)計(jì)為33個(gè)。但是，根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況，需要將閘孔寬度設(shè)計(jì)為14m，并且閘孔數(shù)量設(shè)計(jì)為20個(gè)。

2.6 計(jì)算水閘泄流能力

在進(jìn)行泄洪量設(shè)計(jì)與校核時(shí)，應(yīng)該將所有的閘門打開，同時(shí)關(guān)閉船閘和電站，所有水通過(guò)攔河閘壩下泄，堰流就是通過(guò)的過(guò)閘水流。堰流計(jì)算公式表示為：

公式中表示淹沒(méi)堰的綜合流量系數(shù)；g表示重力加速度單位m/s2；H0表示計(jì)入行近流速水頭的堰上水深，單位m；h2表示由堰頂算起的下游水深，單位m；B0表示閘孔總凈寬，單位m；Q表示過(guò)閘流量，單位m3/s。確定閘孔數(shù)為20時(shí)，通過(guò)計(jì)算可知序號(hào)1、2、3、4、5、6、7的閘前水文高度分別為：0.13m、0.14m、0.21m、0.22m、0.26m、0.28m、0.3m，均符合小于0.3m的要求，能夠滿足泄洪的要求。

2.7 水閘排水設(shè)計(jì)

水閘排水設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：

①防沖槽設(shè)計(jì)。水流經(jīng)過(guò)關(guān)卡時(shí)，在關(guān)卡的作用下會(huì)降低水流的能量與速度，但是在經(jīng)過(guò)關(guān)切末端時(shí)，恢復(fù)原來(lái)的沖擊能力，這樣會(huì)對(duì)河床產(chǎn)生一定的危害。通過(guò)在關(guān)卡末端設(shè)計(jì)防沖槽，流程表示為：在關(guān)卡末端挖槽，在水流的沖擊下許多石塊隨著河床順勢(shì)滾下，這就需要對(duì)沖坑上游斜坡位置進(jìn)行鋪蓋，這樣能夠有效的避免沖刷坑向上游擴(kuò)展的流程，進(jìn)而提高水利工程的安全性能。②消力池底板排水孔設(shè)計(jì)。消力池底板受到水流的沖擊力、水流的脈動(dòng)壓力以及其他力量，這就要求消力池底板具有一定的耐磨性能和抗壓性能，能夠有效的抵抗重物和水流的沖擊，同時(shí)還需要具有一定的重量與強(qiáng)度。在水平護(hù)板的后半部分設(shè)置垂直的排水孔，然后再排水孔下鋪設(shè)反濾層，為了降低護(hù)板底部的滲透壓力和方便排水，應(yīng)該將排水孔設(shè)計(jì)成梅花形狀。

3、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，水閘在水利水電工程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，這就要求在進(jìn)行水利水電工程水閘設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須充分的考慮各種因素，如施工條件、水質(zhì)條件以及受力條件等，嚴(yán)格的控制各個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，如水閘選址、水閘消能防沖設(shè)計(jì)、閘孔型式的選擇、過(guò)閘水位差的確定、閘孔尺寸的設(shè)計(jì)、水閘泄流能力的計(jì)算、水閘排水設(shè)計(jì)等，做好各個(gè)方面的設(shè)計(jì)工作，能夠保證水閘質(zhì)量，充分的發(fā)揮水閘的作用，進(jìn)而保證水利水電工程能夠安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，造福當(dāng)?shù)匕傩铡?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]龍旭輝.關(guān)于水利水電工程中水閘的設(shè)計(jì)探討[J].河南水利與南水北調(diào)，2013（14）：60-61.