關于中小型水閘設計結構優化及標準化的相關探討

【摘要】針對上海市中小型水閘建設過程中存在的問題，結合筆者多年工作經驗，本文對多種工況下水閘閘室段底板長度、消力池長度進行了計算，旨在為類似水閘工程設計提供參考，以提高水閘建設的安全性、經濟性、合理性。本文得出結論如下：在地基相似的條件下，最經濟的底板長度與上下游水位差呈正比關系，上下游水位差越大，底板長度越長；消力池長度與上游水位近似成正比關系，上游水位越高，消力池越長。

【關鍵詞】水閘設計；結構優化；標準化

在國家對水利大力投資的背景下，上海各區水利設計建設工作有序展開，其中水閘建設是重要一環。青松大控制片是上海水利分片綜合治理中地勢最為低洼的片區，該片區涉及青浦、松江兩個行政區，該片區河網密布，進行水利建設以前，區域內洪澇、漬害嚴重。隨著社會經濟的發展，防汛除澇、區域水安全任務越來越重，水閘的建設更顯得尤為重要。對青松大控制片數百座水閘結構統計分析發現，主要存在以下問題：一是設計缺乏計算，套用以往經驗數據；二是相同工況下，水閘結構部分構件設置相差較大。以4m單跨水閘為例，水閘底板長度有5.5m、6m、11m、13m、15m、18m等；三是同種類型閘，工程造價相差大。四是設計成果和當地環境、建設風格、管理要求不協調等。基于上述原因，選取水閘中占比達19%的4m單跨水閘為例，對中小型水閘工程設計進行結構優化及標準化研究。

1、水閘閘室段研究

閘室段是水閘的主體部分，起著擋水和調節水流的作用。閘室包括底板、閘墩、邊墩、岸墻、閘門、工作橋及交通橋等。本次主要研究討論閘室底板。

工程實踐中，進水閘一般都采用寬頂堰型底板，堰頂高程與下游渠低齊平或稍高。對于多泥沙河流，為了減少泥沙進入渠道，堰頂至少要高出河底0.5～1.5m。對于攔河閘，特別是在平原地區上、下游水位差較小的情況下，堰頂高程盡可能定得低些，以便獲得較大的過閘流量。一般情況下，堰頂高程與河底同高或略高，如比河底低很多，則有可能產生淤積現象。本次研究水閘采用梯形的低堰，堰頂高程比下游河底略高，取0.5m；閘室底板高程與下游河底同高，取0.0m。

閘室底板長度的確定首先根據滲徑系數法初步擬定，用改進阻力系數法驗證，最后綜合閘室布置要求確定。根據上海青松地區的地質資料，閘室底板基本位于淤泥質粉質粘土（③層）上，則允許滲徑系數值可取4～3，則閘室防滲長度為：L=（3～4）×2.11=（6.44～8.44）m。地下輪廓布置與地基土質的關系較大，對于不同的地基有不同的布置特點。上海青浦地區地基土以粘土為主，粘性土壤具有凝聚力，不易發生管涌，但土壤與閘底板之間的摩擦系數較小，不利于閘室穩定。為此，可考慮將排水設備布置在閘底板之下，這樣可減小作用在底板上的滲透壓力，且對加速粘土固結也有一定作用。因此，在布置地下輪廓線時，主要考慮如何降低閘底滲透壓力，以提高閘身穩定性。粘土地基一般不打樁，因為這樣可能破壞粘土的天然結構，在板樁與地基間造成集中滲流通道。本次研究水閘閘室底板厚度暫取0.6m，上、下游的均設置齒墻，齒墻的寬度及深度均為0.5m，上游齒墻的作用是延長滲徑、減小閘底板的滲透壓力，下游齒墻的作用是減小出逸坡降，有助于防止地基產生滲透變形。

根據計算閘室防滲長度要求，初步擬定閘室底板順水流長度進行滲流計算，若滲透坡降不能滿足要求，則加大底板長度至滿足要求。

根據初步擬定的閘室底板尺寸，可求得實際防滲長度：

由以上計算可知：防滲長度滿足要求。

采用改進阻力系數法來進行滲流計算，計算過程：計算地基有效深度→計算各典型段的阻力系數→計算各典型段的滲壓水頭損失→進、出口水頭損失值的修正→計算各滲流角點處的滲壓水頭→驗算滲透坡降。計算結果示意圖如下：

通過滲流計算可合理擬定水閘地下輪廓線的型式和尺寸，確定滿足滲透要求的最經濟合理的底板長度。而影響滲流的主要因素為上下游水頭差，故本次研究在假定地基基礎與上述相同的情況下，分別計算了水位差為1.5m、2.0m、2.5m及3.0m時的滲透坡降，計算結果見下表：

根據以上計算結果可知，在地基相似的條件下，

最經濟的底板長度與上下游水位差呈正向關系，上下游水位差越大，底板長度越長，其關系見圖3：

2、水閘消能防沖研究

水閘的消能方式主要有底流式、面流式和挑流式三種。底流式消能，可用于中、低水頭的水閘，是應用較廣的基本消能方式。底流消能由消力池、海漫和防沖槽三部分組成。消力池緊挨閘室，在池中利用水躍進行消能。海漫緊接消力池，其作用是繼續消除水流的剩余動能，是水流擴散并調整流速分布，以減小底部流速。海漫末端常設防沖槽。促使閘下產生底流式水躍主要靠消力池，消力池布置在閘室的兩側，能使下泄急流迅速變為緩流，一般可將下泄水流的動能消除46%～67%，并可縮短護坦長度，是一種有效而經濟的消能設施。

設計消力池時先根據上下游水位、過閘流量和地形地質等條件，假定池底高程，然后進行水躍計算，求出躍前水深hc及躍后水深hc”，從而確定池深以及池底高程。

計算消力池深度及長度時要考慮最不利的運用情況，可用設計范圍內不同的過閘單寬流量及相應的上、下游水位，分別計算上述兩個數值并分別取用最大值作為設計值。

本次研究水閘采用梯形的實用低堰形式，堰頂高程為0.5m，根據消能水位組合，正向及反向上游最低水位均為2.5m，則閘前水深H=2.5-0.5=2.0m。本次研究取閘門開度為0.5m時的過閘單寬流量進行消能防沖計算。閘門開度e=0.5m，此時e/H=0.2≤0.65，為閘孔出流。

根據消力池長度計算公式，其大小與躍后水深及收縮水深有關，而，，故在消力池首端、末端寬度b1、b2相同的情況下，與均與單寬流量相關，，因此，當b1、b2及閘門開度e等均相同的情況下，消力池長度主要與堰上總水頭H0相關，而本次研究的水閘主要位于圩內，河道內水流速度很小，可不計行近流速，則消力池長度主要與上游水位相關。

從上圖中可知：消力池長度與上游水位近似成正比例關系，上游水位越高，消力池越長。

3、結束語：

總之，在水利工程施工中，水閘施工較為特殊，且其與其他的建筑結構不具有共性，所以設計人員在進行水閘設計時應充分考慮工程所在位置的水文、地質、周邊環境等因素，提高水閘工程的設計水平，促進水閘工程的順利建設，并確保其足夠安全、經濟且合理。

參考文獻：

[1]韓延成，徐云修.開敞式水閘閘室結構優化設計探討[J].中國農村水利水電，2000（4）：34-37

[2]俞根新.水閘閘室底板設置齒墻時抗滑穩定計算方法探討[J].上海水務，1997（4）：30-35

[3]郭憲艷，馮碩.平原地區水閘消能防沖設計探討[J].中國水運（下半月），2011，11（3）：144-145

[4]施景裕.水閘消能防沖設計探討[J].浙江水利科技，1999（3）：1-2