水利水電工程中水閘的設計分析

趙越

摘 要：在水利工程建設中，水閘是其中重要的關鍵部分。水閘的主要作用是便于對水位的調節，這樣就可以很好地控制住水速。在發展經濟的過程中，水利工程的建設的重要性越來越突出，國家也投入了大量的資金推來進水利工程的建設。其中，水閘是水利工程建設的重要組成部分。如何合理的對水閘進行設計具有非常重要的研究價值，因為其可以完善水利工程的建設。本文從水利水電工程中水閘的設計為關鍵點，探討水利工程中水閘設計工作的注意事項。

關鍵詞：水利工程；水閘設計；設計

1 前言

我國水資源較為豐富，利用好水資源可以為人類造福，相反控制不好將會給人類帶來水患災難。目前在長江、黃河流域建設了一些水利水電工程，既可以進行水力發電又可以在汛期起到防洪治沙的作用，這是一條既防治水患，又可以利用水資源的可持續發展道路。在水利水電工程中水閘的作用至關重要，水閘設計水平關系到整體工程的質量，也關系到工程建成后的使用效果，因此水閘設計時應根據實際工程要求、地質環境、自然環境等多方面因素綜合考慮來進行設計。

2 水利水電工程中水閘的設計分析

2.1 水閘選址的設計

水利水電工程一般建在水資源豐富的河流、湖泊等處，在我國不同地域其地質條件、周圍自然環境、水文條件等都有很大差別，而水閘具有重量大、體積大特點，因此選址時應充分考慮水閘基礎承載問題。選址時應對當地地層進行鉆孔取樣勘測，并結合水文條件、自然環境進行綜合考慮，最好選擇承載力符合要求的巖石層，其次選擇承載力符合要求、抗剪強度高的土質地基。特別是在土質地基建設的水閘，需要在原狀土上進行預壓處理或是換土墊層。預壓處理是為了壓出土中水分使土層固結成為一個整體，減小水閘基礎沉降量，進而增加土層承載力，一般預壓需要較長時間方可達到規定要求[1]。對于施工工期較為緊迫的項目，可以采用換土墊層方法，此方法具有施工快捷，操作簡單，施工效果好的特點，可以推廣使用。

2.2 水閘的結構設計

目前，水閘結構設計需要結合地勢結構、水閘功能、水文條件等具體情況來著手。一方面，通過計算水閘負載，來確保閘室、翼墻等相對抗滑的穩定性能。另一方面，需要做好壩體整體結構與各局部結構的統籌規劃，綜合考慮來選用水閘結構，確保結構設計的科學嚴謹性。

2.3 水閘消能防沖設計

水閘消能防沖環節主要是控制水流工況，一般要求控制工況為下游水位在規定取水下限值時，水閘水位保證在高點處，目的是使上游盡可能存儲更多水資源，在對應此種工況下來計算系統消力池深度，這個計算出的數據即為最初閘門開啟深度。隨著全球環境的改變，目前河流水文規律也發生了一些變化，因此在設計最高蓄水位、最低蓄水位時應加以考慮，結合實際工況與發展變化選擇較大的富裕系數來滿足未來需要。

2.4 水閘閘型、閘室的設計選型

在水利水電工程當中，所使用的水閘類型較多，各類閘型具有不同的作用和優缺點，因此在選擇閘型時應根據實際河流的水文特點以及當地地質條件等綜合條件來考慮，不能一味追求新式閘型而忽略了實際應用問題。水閘閘室主要有敞開式、胸墻式、涵洞式三種，在水利水電工程泄洪時盡可能使水流恢復至自然狀態，避免水閘前水位過高導致水沖擊現象[2]。上述三種水閘具有不同特點，敞開式水閘平底寬，更有利于排澇泄洪，水流寬闊穩定，結構簡單，操作方便。胸墻式水閘一般用于水位波動較大，下游水量有限制要求的河流。涵洞式水閘一般用于水位高，孔口尺寸受限制的位置，例如穿堤取水水閘。因此，應結合實際情況選擇恰當的閘室類型。

2.5 過閘水位差的設計計算

在設計過閘水位差時，根據不同地形選擇不同的水位差，規范要求在10cm～30cm，一般在平原地區選用下限，在山區過閘水位差一般選擇上限。較大的過閘水位差可以減小閘孔凈寬度，也可以降低工程造價，但是會使上游水位抬高，也會使水閘承載更大壓強，增加了水閘、水壩被沖毀的風險。

2.6 閘孔尺寸的設計

在綜合考慮建造成本、流量、速度以及水位高度等因素前提下，盡可能選擇較少的水閘。在保證最大泄洪量前提下，水閘越少，墩數也會相應減少。當閘孔過大時，將會導致占地空間大，隨之帶來開啟關閉閘門的設備設施都會增大規模，相應工程造價也會增加。因此，根據相關設計要求將閘孔寬度設計在10-14m之間較為合適，一般彈孔水閘孔寬為10m時，水閘閘孔應為33個，彈孔水閘孔寬為14m時，水閘閘孔應為20個[3]。

3 水利工程中水閘設計工作的注意事項

3.1 穩定問題

在正常使用水閘時，攔截上游的水位一般比較高，這樣就導致水閘上游和下游之間產生很大的水位差，會出現水平壓力過大的現象，從而使水閘向下游方向移動。要想穩定自身，水閘必須擁有一定的重量。另外，水閘在建成以后，如果還沒有擋水或者是在正常使用的情況下遇到無水期，就會產生很大的垂直荷載，這樣基底的實際壓力就會大大超過地基能夠承受的承載力，從而出現地基變形或者是出現閘基土被擠出的現象，這很容易造成水閘與地基出現滑動的危險。所以，在修建水閘時必須保證基礎的面積，這樣才能有效的降低基底的壓應力。

3.2 滲流問題

水閘在進行擋水時，就會造成上下游水位出現差值，在這種作用下，就會在水閘、閘基與兩岸的連接處出現滲流的現象。如果出現滲流，就會在水閘的底部產生向上的揚壓力，這就會縮小水閘的重力作用，從而使水閘的抗滑穩定性大大降低。如果兩岸和閘基都是采用土基，再出現滲流時也會帶走一些細顆粒，這就會在閘后出現翻砂鼓水的現象。如果嚴重的話還會掏空兩岸和閘基。另外，如果出現側向滲透，會產生水平的壓力，對兩岸的連接建筑物都會有很大影響，使其穩定性大大下降。還有可能導致岸坡上出現滲透現象，從而加大閘底的滲透壓力。如果滲流水量過大，還會對水閘的擋水功能產生影響，妨礙蓄水。 沉陷問題。軟土具有很大的壓縮性，如果將水閘建設在軟土地基上，就會在水閘自身以及外部的荷載作用下出現沉陷現象。特別是在底板傳到地基上的荷載分布不均勻時，或者是分布在地基土層的荷載不均勻時，更容易出現沉陷現象。這種地基沉陷還會導致水閘出現下沉，或者是閘室傾斜。

3.3 沖刷問題

在開閘泄水時，如果水閘下游水位很淺或者是沒有水，在水位差的作用下，就會加大水流的流速，這種巨大的能量會對下游有嚴重的沖刷。一旦沖刷的范圍過大，就會掏空閘基，造成水閘失事。另外，一般在水閘的兩岸都是軟弱的巖層或者是土層，如果修建水閘時開設過多的閘孔，一旦開啟某一個閘孔就會形成折沖水流，這就會嚴重沖刷下游河岸，對水閘的安全和穩定性都會產生影響。

4 結語

綜上所述，水閘工程在水利水電工程中至關重要，水閘工程施工質量與人們的生命財產安全息息相關，因此，必須加強水閘工程設計和施工研究。 在水閘工程設計和施工過程中，必須充分考慮實際施工環境以及設計施工規范， 這樣才能夠確保設計方案的合理性，保證施工質量，促進水利水電工程可持續發展。

參考文獻：

[1] 李宏偉.水利水電工程中水閘的設計探討[J].科技創新與應用，2017（22）：110+112.

[2] 李躍濤.芻議水利水電工程中水閘的設計[J].城市建設理論研究（電子版），2017（21）：205～206.

[3] 張征.簡述水利水電工程中水閘的施工技術[J].甘肅農業，2016（20）：50～51.