对水利工程设施中水闸设计方法分析

对水利工程设施中水闸设计方法分析
摘要：水闸是一种既能挡水，又能泄水的水工建筑物，它依靠可以升降的闸门来控制水位，调节流量，在防洪、灌溉、排水、航运、发电等水利工程中得到十分广泛的应用。

文章以水闸设计为研究对象，对水闸的选址原则、地基处理方法等进行论述。

关键词：水闸，地基，设计要点，消能防冲
Abstract: locks is a kind of can block water, and can discharge the water hydraulic structures, it relies on its can lift of the gate to control water level, the flow adjustment, in flood control, irrigation, drainage, shipping, power generation and so on in the water conservancy project gets very widely. Based on related design as the research object, the location of the damages to the principle, foundation treatment method is discussed.
Keywords: locks, foundation, and the key points of the design, can prevent rushed away
1前言
水闸是一种既能挡水，又能泄水的水工建筑物，它依靠可以升降的闸门来控制水位，调节流量，在防洪、灌溉、排水、航运、发电等水利工程中得到十分广泛的应用。

水闸的地质条件、施工条件、受力条件及其重要性等与其它建筑物相比有其特殊性。

其设计是非常复杂的，它不仅有主观的因素，还有客观的因素。

堤防之险在于闸，水闸之险在于基。

水闸的地基处理是水闸设计中的重点和难点。

当天然地基不能满足承载力和沉降要求时，在满足水闸抗滑稳定的前提下，设计人员首先考虑采用轻型结构、增加水闸结构刚度等结构措施。

1 水闸的选址原则
在水闸建设过程中，水闸的选址是非常关键的环节。

分析已建水闸工程的失事，其主要原因往往是闸址地质条件不好，或虽然经过人工处理但仍未处理好，属于不良人工地基，导致水闸失稳、渗透破坏或者冲刷破坏。

水闸选址的原则是水闸稳定安全、能够较好地满足水闸的使用要求、水流流态稳定、水闸便于管理、造价经济。

针对上述情况，在满足水闸使用要求和管理的情况下，水闸在选址时应根据水闸的地质条件和水文条件选择地质条件良好的天然地基，最好是选用新鲜完整的岩石地基，或者是承载能力大、抗剪强度高、压缩性低、透水性小、抗渗稳定好的土质地基，如果在规划选址的范围内实在找不到地质良好的天然地基，只能对天然地基进行技术处理。

对地基进行技术处理的造价是较高的，一般占总造价的20％～40％。

经过技术处理的水闸地基如在施工或管理等方面不规范，容易导致地基破坏，最后致使水闸失事，所以在水闸选址的时候应综合考虑各种情况，选择良好的天然地基。

2 水闸地基处理方法概述
水闸地基处理的方法很多，它们主要用于以下三个方面：(1)增加地基的承载能力，保证建筑物的稳定；(2)消除或减少地基的有害沉降；(3)防止地基渗透变形。

建国以来，中部地区因水闸天然地基复杂，在兴建大中型水闸时，各地区根据当地的地质特点、经济能力及原材料来源等因素采用了很多种水闸地基处理方法。

国外对于水闸地基处理的方法也很多，使用较多的主要有以下几种：置换法、排水固结法、灌入固化物法、振密或挤密法、加筋法和桩基法等。

置换法根据置换材料不同可分为换土垫层法、挤淤置换法、强夯置换法、振动水冲法、砂石桩法、石灰桩法等；排水固结法主要有加载预压法、超载预压法和真空预压法等；灌入固化物法主要有深层搅拌法、旋喷桩法和水泥粉煤灰碎石桩法(CFG桩法)；振密或挤密法主要有强夯法、挤密砂石桩法和夯实水泥土桩法；加筋法主要有低强度混凝土桩复合地基法和钢筋混凝士桩复合地基法；桩基法主要有木桩法、预制管桩法、钻孔桩法。

目前国内在增加水闸地基承载能力和减少地基有害沉降的处理方法方面最常用的是垫层法、砂井预压法、灌浆法和桩基法，加载预压法、超载预压法和真空预压法因所需工作面广和预压时间长，目前使用较少，强夯置换法、振动水冲法因实践经验比较少，现正处在探索过程中。

2．1木桩加固法
木桩加固法属于桩基法中的一种，此方法是一种十分古老的地基加固方法。

由于木桩加固设计简单，施工方便，不受环境限制，取材方便，直至20世纪60
年代初，受技术和经济条件限制，国内水利行业对较深厚的软土闸基处理仍缺乏足够的手段和办法，采用木桩加固地基几乎成为唯一的选择。

木桩的设置一般有两种方法，一是将木桩桩头与闸底板浇注在一起，形成类似桩顶铰接的深基础，另一种则在木桩桩顶设碎石垫层，实际上属于复合地基的一种。

近年来我省在水闸安全鉴定中发现，无论采用哪种设桩方法，相当数量采用木桩基础的水闸都出现了险情，破坏主要表现在桩体腐朽导致水平和竖向承载力不足、闸基桩土变形不协调等。

2．2换土垫层法
换土垫层法属于置换法，也是一种古老的、相当成熟的地基处理方法。

该方法加固原理比较清楚，施工简便，施工质量易于保证，是浅层地基处理的首选。

为避免工程造价过高以及增加基坑支护费用，一般换填深度小于3m。

如软弱土层小于3m，下卧层地基承载力较高时，将软弱土层完全挖除换填后，一般均可满足水闸对承载力和变形的要求。

如果软弱土层比较厚(层厚远大于3m)，仅能换上层软弱土时，应尽量避免采用换土垫层法处理闸基，因为换填后虽然可提高基底持力层的承载力，但水闸地基的受力层深度相当大，下卧软弱土层在荷载下的长期变形可能依然很大。

实践表明采用换土垫层法处理的地基出现问题的相对比较少，故至今仍是水闸淡层地基处理的主要方法之一。

2．3预压法
预压法是通过预先加载，加速场地土排水固结，以达到减少沉降和提高地基承载力的目的。

该方法特别适用于在持续荷载作用下体积会发生很大压缩，强度会明显增长的土，如淤泥质土、撇泥和冲填土等饱和粘性土地基等，但此方法也有明显的缺点，由于闸基地下水一般与河水连通，围封、降水难度大，场地土往往需要比较长时间的预压才能完成固结沉降，对施工工期紧的工程，一般较少使用该方法。

预压法加固软粘土地基是一种比较成熟的方法，在水闸施工期许可的前提下，采用真空一堆载联合预压法也不失为一个很好的选择。

由于一般闸基砂层比较厚，透水性较强，与外江水力联系紧密，水源补给充
分，施工时常沿闸基外侧设l～2排壁式搅拌桩或定喷__墙，端部进入相对不透水层以隔断内外水力联系，加固土层厚度小于4时，可以不设竖向排水，否则必须设砂井或插塑料排水板，目前国内插板机最大插板深度达25m左右，大中型水闸为进一步提高地基承载力，减小不均匀沉降，还往往将排水措施与碎石桩、砂桩或水泥搅拌桩等复合地基结合在一起，在复合地基进行真空预压，形成组合式地基处理方案。

故在选择该方法之前要仔细分析场地及地质条件，对表层土为砂性土，以及加固区范围内有强透水层等情况，要在施工前采用适当措施处理，避免出现加固不理想、延误工期等问题。

2．4复合地基法
复合地基一般是指天然地基在地基处理过程中被置换或增强(或在天然地基中设置加筋材料)而形成的由基体(天然地基土体)和增强体两部分组成的人工地基。

复合地基根据桩体材料的性质一般可分为三类：散粒体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基，也有学者将柔性桩中强度较高的桩(如粉喷桩)细分为半刚性桩复合地基。

由于桩体材料不同，各类桩的加固机理、适用条件和施工工艺也有很大差异。

2．5桩基法
桩基法是常用于竖向荷载大而集中或受大面积地面荷载影响的结构以及沉降方面有较高要求的建筑物和精密设备的基础，桩基能有效地承受一定的水平荷载和上拔力。

桩基按施工方法分可分为预制桩和灌注桩两大类。

3 水闸消能防冲方法设计研究
水闸消能防冲工程设计包括计算工况和消能防冲设施形式的选择，消力池(深度、长度、底板厚度)、海漫长度，河床冲刷深度计算和跌坎计算消力池(深度、长度、底板厚度)、海漫长度、河床冲刷深度计算和跌坎计算在很多专著中均有较为明确实用的计算方法。

但如何准确选择计算工况，如何选取消能防冲设施等方面论述得不多，同时很多水闸因计算工况的不准确导致工程设计标准偏低，消能防冲设施形式选择不当导致消能防冲设施经常冲坏。

一般来说，水闸消能设计的控制工况是：保持闸中最高蓄水位，宣泄上游多余水量，下游水位取下限值。

此种工况下闸门的初始开启度，往往是消力池深度计算的控制因素。

水闸防冲设计的控制工况是：水闸泄放最大设计洪水流量，相应下游水位最低。

但闸上最高蓄水位是多大?闸下水位下限值又是多小?闸门的初始开启度是多少?对于某类水闸来说值得深入探讨。

由于人类活动加剧，气候环境变迁，使得水文规律发生了巨大的变化，有些认为不可能的设计工况，在水闸运行一、二十年后出现。

针对我省较多水闸出现的问题，在选择水闸闸上最高蓄水位、最低水位时要考虑以下两因素一一水文条件的变迁和河道地形的变迁。

3．1水文条件的变迁
(1)河网区联围筑闸改变了原来河网分流条件，使主河道水位雍高。

(2)河道滩地的码头、工厂、道路以及众多的占用河道断面的桥墩，这些设施除了束窄了行洪断面外，还改变了河道原来的天然状况，改变了水流的边界条件，加大了糙率，因而雍高水位。

3．2河道地形的变迁
一般来说，天然河道随季节的变化其工业技术来水量在变化，其含砂量也在变化，河床总是时冲时淤，处于动态平衡状态。

若河道上游筑水库，则拦截了洪水，削平了洪峰，亦拦截了泥砂。

洪峰值少，夹带泥砂少，改变了天然的动态平衡状态，河道筑闸后，加剧了这种不平衡状态。

由于水闸消能设计的控制工况是：保持闸上最高蓄水位，宣泄上游多余来水量，下游水位取下限值，水闸防冲设计的控制工况是：水闸泄放最大设计洪水量，相应下游水位最低，所以由于下游河床不断降低，下游水位低值也随之降低，随河道变迁出现的新低水位低于原设计工况的下限低值，原控制条件就不能适应变化了的河床，消能防冲效果必然差，很多水闸经常发生护坦或海漫被冲坏的情况。

参考文献
[1]满广生．水闸设计及闸室结构设计研究[J]．科技资讯，2003．。