水利水电工程中水闸设计

关于水利水电工程中水闸的设计探讨

【摘要】水闸在水利工程施工之中具有着独特性和个性，它具有调节水位和控制水流量的作用，可以通过闸门的升降完成挡水和泄水，在我国水利行业不断发展的进程中，水闸在设计方面也一直在创新，并以可持续发展的姿态让水利水电工程提升经济效益水闸的设计是一项比较复杂的工程，它受到很多因素的制约。文章根据平原区水闸运行特点，系统分析了水闸消能防冲设施的破坏机理，并根据相关规范规程和实际工作经验，提出了水闸消能防冲设施设计中，应遵循的基本原则和设计要点，为水闸消能防冲设计提供了技术支持。

一、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。在平原区软基上建的水闸消能防冲设施根据过闸流量、工程地质条件、消能防冲要求等条件，一般主要布置形式包括水闸闸室下游的护坦（又称消力池），海漫及海漫末端的防冲墙、护坦（又称消力池）的主要功能是消除过闸水流的能量，防止冲刷下游河床！海漫的主要功能是使流出消力池水流回复正常状态，最大程度减少紊流，减小底部流速，使水流平稳扩散，调整流速分布，继续消除水流的剩余动能，流出护坦的水流与下游河道平顺衔接！海漫末端防冲墙的主要功能是防止海漫末端被水流冲刷淘空。

二、水闸消能防冲设施破坏机理

（1）设计方面

首先地质勘探工作不足，对闸基础、河床土质物理力学性指标了解不全，设计中未能发现存在的地质问题，因而出现基础不均匀沉陷而引起消力池倾斜、倒塌等破坏现象；其次枢纽布置不合理，产生偏向水流或回流，或者由于上游河床淤积，人为缩窄，整治段偏短等原因，引起过闸单宽流量不合理，致使消能防冲设施遭受冲刷破坏；再次设计的消能防冲设施不满足消能防冲要求，影响出闸水流的水流边界条件及流态，使消能防冲设施产生气蚀、磨损及基础淘刷等现象，或者水闸防渗排水设计不合理，使地基发生渗透变形，引起流土破坏，使消力池底板沉陷、开裂、导致下游消能防冲设施的破坏。

（2）施工方面

工程施工质量存在缺陷，没有严格按照设计要求施工；施工控制不严，消能防冲设施的结构尺寸不符合设计要求，混凝土浇筑质量差、达不到设计强度，过水部分粗糙、没有进行修整及清理等原因，在运行时容易造成消能防冲设施的破坏。

（3）管理运用方面

运行管理措施不到位，制度不健全，维修养护不及时，小缺陷得不到及时处理逐步演变成重大破坏。运行中没有按闸门操作规程进行操作，闸门开启顺序及开度不合理，造成局部单宽流量和流速过大，使消力池内形成不良流态，引起磨损及淘刷等破坏现象。未经充分论证或复核就改变运用条件，引起消能防冲设施结构破坏和下游河床严重冲刷。

三、水闸消能防冲设计原则

根据水闸的运用要求，其上下游水位，过闸流量以及泄洪方式等常常是复杂多变的，因此，水闸下游消能防冲设施必须在各种可能出现的水力条件下，都能满足消散动能与均匀扩散水流的要求。由于水流通过闸室时，具有较大的水能，同时闸孔宽度比天然河道狭窄，使过闸流量比较集中，单宽流量加大，水流具有较大的动能，必修采取措施，使出闸水流与

下游河道有良好的流态衔接。水闸消能防冲设计应遵循以下几个原则：

（1）出闸水流流速较大，紊动强烈，必须考虑下游消能问题。平原地区水闸的水头一般较低，河道土质抗冲能力较小，下游水位变化又较大，一般常采用底流式消能方式。

（2）要求修筑的消力池或其他型式的消能设施，应在可能发生的工作情况下，都能满足水跃共轭水深的要求。

（3）充分的重视，过闸水流在下游形成波状水跃，冲刷下游河道，要采取适当的措施。

（4）水闸闸门的控制运用是保证工程安全运行的主要因素，闸门控制运用不当，将产生集中水流或折冲水流等不良流态，造成冲刷破坏。因此，应根据水力设计或水工模型试验成果，制定合适的闸门控制运用方式。

四、水闸消能防冲设计要点

（1）护坦的设计

消力池的主要型式有3种：①挖深式消力池，即降低护坦高程所

形成的消力池；②尾坎式消力池，即护坦高程不降低，在其末端修建消能坎形成的平底消力池；③综合式消力池，是一种常用的、既有挖深又筑有低坎的消力池型式。设计中根据水闸流量，上下游水位差，单宽流量、河床地质等条件合理选择消力池形式，并根据规范计算确定消力池的深度、长度和消力池地板的厚度。

消力池在运行过程中，承受高速水流的冲击以及脉动压力、扬压力等的作用，受力比较复杂，必须具有较好的强度、整体性和稳定性。对于有高速水流冲击的消力池，还应具有较强的抗冲能力，并满足抗浮的稳定性要求。

（2）海漫的设计

虽然消力池能抵消部分水能，由于种种原因流出消力池的水流，底部流速较大，流速分布也未恢复到正常状态，对河床仍有较强的冲刷能力。所以对护坦以下的河床，除抗冲能力很强的岩基外，一般均设置海漫护底，以免引起严重冲刷。海漫设计中首先要控制好水流扩散和单宽流量。根据消力池末端单宽流量和河床土质情况根据规范推荐的经验公式合理确定海漫长度。在下游河床局部冲刷不大时，可采用水平海漫；反之，采用倾斜海漫，或者前面一段是水平的，后面一段是倾斜的。根据试验资料海漫宜做成等于或缓于1：10的斜坡。

根据海漫所承担的功能，它应具有一定的柔性、透水性、表面粗糙性和抗冲性。柔性是可以使海漫在一定程度上能适应河床的变形；透水性是为了消除海漫底部的渗透压力；表面粗糙性是为了消除水流的余能；抗冲性是为了保证海漫本身不致被水流冲刷破坏，从而达到

保护河床的目的。

（3）防冲墙的设计

经过海漫末端的水流仍具有一定的冲刷能力，一定程度上危及海漫等结构的安全。为此，常在海漫末端设置一道防冲墙。防冲墙宜设重力式挡土墙形式，墙顶与海漫顶面齐平，墙底高程决定于冲刷深度、开挖施工等条件。在设计中确定防冲墙深度，应根据水闸设计规范推荐的公式进行计算，计算中河床土质允许不冲流速应结合河床地基土颗分曲线合理确定。在实际工作中软基上的水闸海漫末端防冲墙深度公式计算值往往很大，按此值做防冲墙既不经济，施工也困难。因此结合已建工程，进行类比，合理确定防冲墙深度。

五、水闸设计中闸室安全计算

闸室的安全与稳定可以帮助水闸功能最大程度的发挥，其作用至关重要。这样就需要对闸室进行相关的计算。主要就是对负载组合、基底应力计算、抗滑稳定计算等。在对负载组合进行计算时还要考虑不同组合方式之间的差别。对基底应力计算主要是对力矩计算、正常运用情况下的基底应力以及竣工检修情况的计算等。抗滑稳定计算就是对正常情况下的总弯矩以及总重进行计算，为了获得抗滑稳定系数。

六、结束语

平原地区土质河道的抗冲能力较低，通过消力池、海漫、防冲槽以及上游河岸的防护措施能够有效提升水闸的消能防冲能力；同时合理布置水闸平面及上下游连接段，根据现有的水力学理论，分析过闸