韩江东山(禾埕岗)水利枢纽工程水闸设计研究

韩江东山（禾埕岗）水利枢纽工程水闸设计研究[摘要]本文以韩江东山（禾埕岗）水利枢纽工程为例，就水闸的选址，水闸
的地基设计，水闸的消能放冲，闸下游水流衔接等要点进行了探讨。

【关键词】水闸；地基；消能防冲
水闸一般由闸室、防渗排水设施、消能防冲设施及两岸连接建筑物四个部分组成，闸室是水闸挡水和控制过闸水流的主体部分，它包括底板、闸墩、闸门、胸墙和工作桥。

防渗排水设施是为了使闸基渗流处于安全工况而设置的，防渗设施通常多在水闸的高水位一侧，用透水性小的材料如粘土、钢筋混凝土等筑成水平防渗铺盖，或用板桩形成垂直防渗幕，借以增长闸基的渗流途径，减小作用于闸底的渗透压力，消除闸基产生渗透变形的可能性；在靠近闸室低水位一侧，设置排水设备，使进入闸基的渗水迅速排走，减小闸基的渗透压力，防止渗水逸出处地基发生渗透变形。

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。

首先平原地区的水闸一般建于河道、堤防或江河入海口处，其所处位置决定了水闸地基多为松散或软弱的冲积覆盖层，特别是珠三角洲地区，因受到河流的冲积，水闸基本是建造在第四纪松散的覆盖层上，覆盖层多为松散的砂层或软弱的粘性土层，松散的砂层孔隙比大、压缩性大、透水性强及易液化，软弱的粘土层抗剪强度较低、含水量较高、压缩性较大、地基承载力较低且土层常常分布不均匀。

其次是水闸前后存在较大的水头差，闸室及地基长期承受巨大的水平推力，闸室边墩又承受强大的侧向土压力作用，导致闸基底应力分布比较复杂，易产生不均匀沉降和渗透变形，同时闸门又经常启闭，如水闸变形过大，将影响闸门的启闭及闸门的止水。

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。

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。

近年来广东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，故至今仍是水闸地基处理的主要方法之一。

3、水闸消能防冲方法设计研究
结合韩江东山（禾埕岗）水利枢纽拦河水闸泄洪时上下游水位差小，下游呈高淹没流，但闸下出流泄洪形成的水跃将对河床和两岸堤围形成较严重的冲刷，需要选择稳定可靠的消能方式，以保证拦河水闸的安全。

又因通航要求水面稳定，以采用消力池底流消能方式为宜。

按50年一遇（P=2%）洪水设计计算，并经闸门部分开启等工况复核，通过计算，选定的消力池尺寸为：池长35m，池深2.0m。

池底高程13.50m；海漫段长度为57m，其中30m为浆砌石平段，27m为干砌石斜坡段，坡度为1:10；为防止水流对海漫末端的冲刷，本工程考虑到河床下切的不定因素，在海漫末端设置长15m，深3.0m的防冲槽。

经水工模型试验论证成果分析，本工程拦河水闸消能建筑物，能满足工程运行要求。

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。

天然河道随季节的变化其来水量在变化，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。

4、闸下游水流衔接
本工程水闸属于节制闸，在渲泄设计洪水时，闸门全部提出水面，上下游落差上，过闸水流呈缓流状态，只要保证下游水流均匀扩散，不致产生危害，该情况不是消能设计的控制条件。

本工程的消能设计控制条件是在保持闸上游为正常蓄水位25.50m的情况下，由水闸来渲泄除发电流量以外上游多余的来水量，利用闸门控制泄水量。

为保证水闸在泄水过程中的消能防冲安全和提高消能效果，保证下游出池水流与下游尾水缓流衔接，在水闸管理运用中，闸门开启时，应由
中间孔向两侧隔孔对称均匀开启，关闭时与上述顺序相反。

水闸局部开启应遵循按均匀开启听方式运行，即在同一开度各孔连续开启或间隔开启，应避免闸孔大开度不均匀的集中开启方式泄流，在集中数孔大开度运行情况下，消力池的泄水消能效果降低，消力池内产生远驱式水跃，出池水流对海漫会产生破坏性的急流冲刷。