关于水利水电工程中水库水闸设计的思考

关于水利水电工程中水库水闸设计的思考

【摘要】在水利水电工程中的水库水闸设计道路上，我国已经具有久远的研究历史，良好的水闸设计有助于提高其在抗洪、排涝、灌溉、挡潮、航运等方面的作用。文中首先介绍了水库水闸的主要类型，并一一列明，就水电工程中水库水闸设计的主要思路及注意事项展开分析，力求完善水库水闸设计，提高其经济效益及社会效益。

【关键词】水利水电工程；水库；水闸；设计

当前我国的水利水电工程中的水库水闸设计十分关键，它是水库做好抗洪、排涝、给水、灌溉等工作的重要设施。因此，在进行水库水闸设计时，必须结合具体的工程情况进行水闸底板、闸墩、止水设施等设计。然而，由于水利工程中的水闸工程结构构造复杂，设计师在进行水闸设计时尤其应当注意结合现场环境，设计出合理、优质的水闸布局构造。

1.水库水闸类型

1.1进水闸

进水闸又称为渠首闸，其作用是为农田提供灌溉功能，或者为水力发电等其他水利事业提供必要的用水量。进水闸一般设置于水库、河道、湖泊的岸边或渠道的渠首，通过建闸引水、加强入渠流量的控制。

1.2节制闸

节制闸又称为拦河闸，其作用是通过调节水位和流量，在枯水期时截断河道以便抬高水位，以便利用上游航运和进水闸取水，并在洪水期进行下泄流量控制。

1.3排水闸

排水闸本身闸底板高程低、闸身高，以便挡住较高的外河水位，并排除洼地积水，因此还可以作为双向水头。排水闸主要是在外河水位上涨时，通过关闸来避免江河洪水倒灌；在河水退落时，即时打开闸门排除渍水。一般来说，排水闸是设置于江河沿岸。

1.4挡潮闸

挡潮闸的作用主要是挡潮、蓄淡、泄洪、排涝，它与排水闸一样可以提供双向水头作用，当受到潮水影响时，挡潮闸可以避免海水倒灌入河，还可以通过抬高内河水位，实现蓄淡灌溉目的；挡潮闸还可在退潮时排涝，在内河两岸受涝时具有重要作用。另外，建有通航孔的挡潮闸，可在平潮时期开闸通航。

1.5分洪闸

分洪闸具有泄水能力高、分洪能力强的优势，它一般建于江河适当地段的一侧。当较大洪水来临时开闸分泄一部分下游河道容纳不下的洪水，进入闸后的洼地、湖泊等蓄洪区、滞洪区或下游不同的支流，以减小洪水对下游的威胁。

2.水库水闸设计分析

设计水库水闸时，应当结合基础资料，按照此水库水闸的具体设置目的及当地的实际环境条件，来设计水闸的类型、大小、尺寸规模等。水库水闸的主要数据包括：出闸孔宽度、孔数、闸高以及闸孔型式和闸底板高程等。

2.1设计进水闸类型和尺寸

进水闸是修建在渠首按需要引水的建筑物，当不需要引水时，则关闸挡水，以免河水进入渠道。从天然河道取水，按取水方式一般可分为无坝取水和有坝（闸）取水两种方式。当天然河道水量丰富，水位也能满足引水要求时，可采取无坝取水方式，即直接在渠首修建进水闸引水；当天然河道水位不能满足引水要求或引水流最较大（占河道来水30%以上）时，由于引水有困难，常需采取有坝取水方式，即除了在渠首修建进水闸引水外，还需在河道中修建拦河坝（闸），拦断河流，壅高水位，迫水入渠，以满足进水闸引水要求。为了满足引水要求，进水闸不但要有足够的闸孔尺寸，而且要有一定的高度，以便阻挡河中水流和洪水漫顶，才能真正实现按需要引水的目标。

2.2设计拦河闸基本型式和尺寸

拦河闸主要是为了拦断河流和壅高河中水位，以此来保证引水目标的实现。需要壅高的水位，称为正常壅水位，亦称正常挡水位。对于灌溉取水工程，该水位是根据灌区规划对引水高程的要求确定的。

此外，在洪水时期，拦河闸必须开闸泄水。因此，拦河闸应具有足够的闸孔尺寸，才能进一步满足泄洪要求。泄洪时，闸前的洪水位一般会高于闸前的正常壅水位，可见拦河闸的闸前最高水位取决于闸前洪水位的高低。为了满足引水要求而确定的闸前正常壅水位是拦河闸的正常挡水高程，而泄洪量的大小和闸前洪水位的高低，则直接影响拦河闸的高度、闸孔的型式和尺寸、闸的上游淹没损失以及对闸下游消能防冲的要求和工程量的大小等。

2.3闸门梁系设计

为减小闸门运行过程中的振动，结构设计时考虑了适当提高闸门的整体刚度。闸门主梁布置除底主梁外，上部主梁尽量等荷载布置，采用相同主梁截面，方便制造。底主梁采用双腹板箱型梁，由于闸门底槛下游侧有向下5°的偏角，为减少门底底主梁以下悬伸长度以减小底主梁荷载，同时又能满足底主梁到底止水的距离符合底缘布置的要求，下游倾角设计为26.2°，底主梁与底槛的夹角则

为31.2°>30°。为改善水流流态，底主梁后翼缘与底次梁间采用钢板进行密封。水平次梁采用槽钢，近似按等跨连续梁设计，槽钢肢尖向下，以防积水和积尘。

2.4水闸设计的相关问题分析

2.4.1稳定问题

一般来说，当正常使用水库水闸，而上游拦有较高水位，闸上、下游形成的水位差会造成较大的水平水压力，使水闸有可能产生向下游一侧的滑动。因此，水闸必须具有足够的重量，以维持自身的稳定。水闸建成尚未挡水时，或在正常使用的无水期，常因过大的垂直荷载，使基底压力超过地基允许承载力而导致地基上发生塑性变形，可能产生闸基土被挤出或连同水闸一起滑动的危险。因此，水闸又必须具有适当的基础（底板）面积，以减小基底压应力，以便提高水闸的稳定性。

2.4.2渗流问题

水闸挡水时在上、下游水位差的作用下，会产生通过闸基及水闸与两岸连接处的渗流。渗流的存在将对水闸底部施加向上的扬压力，减小水闸的重力，降低水闸的抗滑稳定性。如闸基或两岸均为土基时，渗流还可能带走土层中的细颗粒，在闸后出现翻砂鼓水现象，严重时闸基和两岸还可能被淘空。侧向渗透的绕流对两岸连接建筑物施加水平水压力，降低了这些建筑物的稳定性，还将引起岸坡上的渗透变形并增大闸底的渗透压力。渗流水量如果很大时，将会影响水闸的挡水效果，甚至蓄不住水。

2.4.3冲刷问题

水闸开闸泄水时，闸下游无水或水深很浅，在上、下游水位差的作用下，过闸水流往往有很大的流速，其具有的能量将引起闸下游的严重冲刷。如冲刷范围扩大到闸基时，将因闸基被淘空而导致水闸失事。此外，水闸两岸多为土层或软弱岩层，特别是当闸孔数目较多时，开启个别闸孔容易形成折冲水流，对下游河岸造成严重冲刷，也会危及水闸的稳定和安全。

2.4.4沉陷问题

水库水闸出现沉陷的问题也屡见不鲜，尤其是当水闸建在软土地基上时，而软土本身具有较大压缩性，加上水闸本身具有一定的重量，在水闸自身的重力以及外界荷载双重作用之下，极易导致其出现沉陷问题。当通过底板传到地基上的荷载分布不均匀以及地基土层分布不均匀时，更会产生不均匀沉陷。地基的沉陷将会引起水闸的下沉，不均匀沉陷则会造成闸室倾斜，严重的甚至可能断裂，这将严重影响水闸的正常使用。因此，在设计水库水闸时，应当考虑其建设地基的具体情况，避免出现沉陷问题。

3.结语