水閘設計中若干問題的思考

姬春利

(陜西省水利電力勘測設計研究院，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、調節水位的低水頭水工建筑物，提升閘門可以泄洪、排沙，關閉閘門可以攔洪、蓄水或抬高上游水位，滿足灌溉、發電、生態、工業及生活用水等需求。實際工程中，由于水閘功能和地基土的特殊性，設計中經常會遇到一些問題，應因地制宜，及時解決問題，使水閘功能得以充分發揮，保障工程的安全性和經濟性。

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。對于蓄滯洪區承擔分洪任務的分洪閘，水閘進口宜布置在利于分洪的河流彎道凹岸側頂點，且稍偏下游處，充分利用彎道環流原理，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 水力設計

水閘水力設計中，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，工程規模相應增大，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，工程規模減小，工程造價隨之下降。因此，過閘上、下游水位差應根據淹沒影響、工程規模及工程造價等因素綜合考慮。一般情況下，平原地區過閘上、下游水位差可采用0.1～0.3 m[1]。但對于蓄滯洪區承擔分洪任務的分洪閘，要考慮與原河道及分洪閘后渠道的平順銜接，上、下游水位差可適當加大。

水閘過閘水流部分勢能轉化為動能，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，極容易對下游河床及兩岸造成嚴重沖刷，因此閘后必須采取妥善的消能防沖措施，保證工程安全。根據以往工程經驗，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。根據相關資料，當閘下尾水深度小于躍后水深時，可采用挖深式消力池；當閘下水深小于90%躍后水深時，可采用尾坎式消力池；當閘下水深小于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，再以池底為基準高程對池深進行復核。根據水工模型試驗資料，無論那種型式的消力池，只要設計得當，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置海漫和防沖槽，消殺剩余能量，改善下游水流流態。

3 地基處理

水閘大部分修建在平原、濱海區的第四紀覆蓋層上，經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、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，加固后樁間土的標準貫入錘擊數不宜小于規范規定的液化判別標準貫入錘擊數[3]，樁長應按要求處理液化的深度確定，使復合地基承載力滿足設計要求。

4 防滲設計

修建在軟土地基上的水閘，由于上、下游水位差的存在，水閘地基容易產生滲透變形，需采取相應的防滲措施。水閘防滲設施一般采用鋪蓋加垂直防滲體相結合的形式，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，確保閘室穩定安全。對于砂性土閘基，抵抗滲透變形的能力較差，滲透系數也較大，因此防滲應以防止滲透變形和減小滲漏為主。

目前，垂直防滲體應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、抗滲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過渡，上游擋墻或邊墻與河道兩岸護坡應平順銜接。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，上游擋墻順水流向的投影長度應大于或等于鋪蓋長度，下游擋墻順水流向的投影長度應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，且宜采用直墻結構。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生不均勻沉降，每個臺階擋墻長度不應小于2 m，相鄰擋墻底部高差也不宜大于2 m。

6 生態景觀

近年來，隨著水利工程的發展，水閘型式也呈現多樣化，比如橡膠壩、鋼壩、鋼堰、液壓壩、氣盾壩等景觀閘門應用比較廣泛。這些新型水閘減少了閘墩的設置，節省土建投資，不僅結構簡單、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，滿足多水位控制調節的需求，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流量的情況下可立閘蓄水，上游庫區形成景觀水面。對于分洪閘，在汛期主要承擔蓄滯洪區的分洪任務，在非汛期可引入適當流量，考慮景觀需要，改善下游渠道及兩岸生態環境。目前，靠近城市的水利工程，一般可結合人居環境要求，河道或渠道兩岸設計濕地，濕地內種植各種觀賞性植物，在正常蓄水位或設計水位以上設置親水設施，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)的生態護坡，景觀布置可考慮人文需求，實現柔性治水理念，實現洪水資源、雨洪資源的綜合利用，充分發揮水利工程防洪和生態涵養功能，提升城市生態景觀效果，實現都市水利工程功能性、生態性、景觀性、文化性綜合服務目標。

7 結語

綜上所述，水閘的布置型式與水閘的功能和類型有關，水力設計中閘室規模與上、下游水位差有直接關系，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，水閘上游側設置防滲墻，防滲墻的材料可選用黏土砼和塑性砼，抗壓強度、抗滲性和耐久性均能滿足水閘防滲要求。此外，水閘設計還應考慮上、下游岸坡銜接和生態景觀方面的要求。合理的水閘設計，不僅要滿足水閘功能的安全性、經濟效益的合理性，還要兼顧生態環境的景觀效果。