易志強(qiáng)

（廣州市宏濤水務(wù)勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

水利水電工程中水閘的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。其結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，所以在工程施工時(shí)需根據(jù)實(shí)際施工情況以及項(xiàng)目需求設(shè)計(jì)合理的施工方案。在設(shè)計(jì)過程中還存在其他問題。因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)了解工程施工具體情況，通過設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)的水閘結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建優(yōu)質(zhì)水利工程。

1 水利水電工程中的水閘設(shè)計(jì)

水閘是水利工程中很重要的結(jié)構(gòu)設(shè)施，其主要作用是用于控制水流，既起到擋水貯水的作用，同時(shí)也是用來排水的設(shè)施。在水利工程的建設(shè)過程中，一般會(huì)將水閘設(shè)置于平原河網(wǎng)地區(qū)的河口交叉處，便于使用水閘控制水流的大小。在對(duì)水閘進(jìn)行方案設(shè)計(jì)工作時(shí)要考慮其穩(wěn)定性、滲透問題等各項(xiàng)數(shù)值，并確定水閘基底的承載力等數(shù)據(jù)，從而把握水閘結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性。在選擇水閘閘基位置時(shí)應(yīng)選擇地形相對(duì)簡單且地基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，地下水位較低的位置便于提升水閘的穩(wěn)定性。

本文以廣東省的某水利水電工程中的水閘結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)為案例，如圖1 所示，具體分析其水閘在設(shè)計(jì)過程中需要注意的具體問題及解決措施[1]。

圖1 廣東省某水利水電水利工程

2 工程概況

位于廣東省內(nèi)的某一河道上準(zhǔn)備擬建一水閘結(jié)構(gòu)，其主要用途為通過使用水閘設(shè)施控制河道水位的高度，并將其用于農(nóng)田灌溉。已知水閘所控制的水流量極限為360m3/s，其足以滿足大部分農(nóng)田的灌溉需求。水閘還承擔(dān)著排洪排澇的功能作用，按照相關(guān)的條規(guī)規(guī)范，其需要滿足5a 一遇的排澇任務(wù)與20a 一遇的排洪任務(wù)。其中5a 一遇規(guī)劃中設(shè)計(jì)排澇的流量約為260m3/s，相應(yīng)的水閘下游水位約為39.9m，現(xiàn)要求在排澇泄洪時(shí)其上下游水位相差不得大于10cm。20a 一遇洪水校核流量約為550m3/s，其對(duì)應(yīng)的水閘下游水位約為41.8m，并要求在泄洪時(shí)上下游水頭差不得大于20cm。正常灌溉時(shí)其水位高度約為41m。該條河流經(jīng)水流治理后，其下游河道水位流量關(guān)系根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析可知呈正比關(guān)系。河道水位流量關(guān)系如表1 所示。

表1 河道水位流量關(guān)系

根據(jù)該工程的概況可知，其水閘位于平原區(qū)河道，主要用于日常的農(nóng)田灌溉以及雨季的泄洪排澇工作。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，在平原地區(qū)地基穩(wěn)定處建設(shè)水閘設(shè)施時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況選用節(jié)水閘。節(jié)水閘可以在滿足控制河流水位水流量的同時(shí)兼顧日常的農(nóng)田灌溉工作。與傳統(tǒng)樣式水閘相比節(jié)水閘不僅設(shè)計(jì)工藝較為簡單，其占用的占地面積也較小。但是在對(duì)水閘施工方案進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候出現(xiàn)以下問題：測(cè)繪精度較低；防滲透與防沖刷設(shè)計(jì)不充分；水閘類型不適合實(shí)際使用情況；閘室底板的尺寸不合理。

3 提高測(cè)繪精度

在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)之前應(yīng)該對(duì)工程建址的周圍使用測(cè)繪技術(shù)統(tǒng)計(jì)附近的地形數(shù)據(jù)以及相關(guān)坐標(biāo)信息，為后續(xù)的相關(guān)設(shè)計(jì)工作提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支持，以便于順利開展后續(xù)的工程設(shè)計(jì)工作。所以工程設(shè)計(jì)的合理性與測(cè)繪數(shù)據(jù)的精度息息相關(guān)。在該水利水電工程中的水閘設(shè)計(jì)過程中，由于其測(cè)繪環(huán)境與普通土建工程的測(cè)繪環(huán)境不同的原因，在測(cè)繪過程中經(jīng)常出現(xiàn)岸上坐標(biāo)與河道內(nèi)部坐標(biāo)超出限度的問題。而且由于現(xiàn)場設(shè)計(jì)人員對(duì)相關(guān)技術(shù)使用不夠熟練，導(dǎo)致在使用GPS 進(jìn)行測(cè)繪時(shí)缺少對(duì)施工現(xiàn)場整體的把控，導(dǎo)致控制點(diǎn)坐標(biāo)不夠準(zhǔn)確，相關(guān)的測(cè)繪數(shù)據(jù)也沒有固定解，數(shù)據(jù)結(jié)果混亂影響到地形圖數(shù)據(jù)偏差，從而影響水閘位置的設(shè)計(jì)與實(shí)際的規(guī)劃位置出現(xiàn)位置偏差[2]。

為提升該工程設(shè)計(jì)過程中的測(cè)繪數(shù)據(jù)精度應(yīng)采用施工控制的測(cè)繪方法。首先確定控制點(diǎn)的位置，再根據(jù)控制點(diǎn)的位置使用GPS 在規(guī)劃建設(shè)的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測(cè)繪工作，并根據(jù)其位置確定水閘設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)。由于水閘結(jié)構(gòu)的一部分在建設(shè)時(shí)需要埋入土基，因此，在測(cè)繪時(shí)也可以借由無人機(jī)進(jìn)行測(cè)繪工作提高測(cè)繪效率與坐標(biāo)數(shù)據(jù)精度。在確定控制點(diǎn)位置之后，根據(jù)水閘建設(shè)的需求確定碎部點(diǎn)的坐標(biāo)，大概確定水閘的施工位置。在測(cè)量碎部點(diǎn)的過程中可以通過對(duì)高程點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定河道與河岸的高度差（圖2）并得到相關(guān)數(shù)據(jù)，高程點(diǎn)便于后續(xù)開展設(shè)計(jì)優(yōu)化工作。使用控制點(diǎn)、碎部點(diǎn)以及高程點(diǎn)相結(jié)合的測(cè)量方法可以有效地提高測(cè)繪數(shù)據(jù)的精度，同時(shí)通過無人機(jī)的航測(cè)功能還能夠控制測(cè)繪區(qū)域的外輪廓。最后根據(jù)其相關(guān)的測(cè)繪數(shù)據(jù)體積地形圖坐標(biāo)等數(shù)據(jù)選擇地基施工工藝，為后續(xù)工程設(shè)計(jì)以及施工工作提供基礎(chǔ)支持。

圖2 河道與河岸的高度差

4 加強(qiáng)防沖刷和防滲透設(shè)計(jì)

水閘作為控制水流大小的結(jié)構(gòu)設(shè)施，其防沖刷以及防滲透設(shè)計(jì)是施工設(shè)計(jì)方案中十分重要的組成部分。在對(duì)水閘進(jìn)行防沖防滲設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)其閘基的地質(zhì)情況、閘基兩側(cè)輪廓線布置情況、河道上下游水位差等數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析調(diào)查，而根據(jù)相關(guān)的工程概況可知，該工程擬建于平原地區(qū)，根據(jù)相關(guān)資料可確定其水閘結(jié)構(gòu)地基為土基。在土基上建設(shè)水閘設(shè)施需要對(duì)其水閘基底與側(cè)向抗?jié)B穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)其結(jié)果確定水閘地基是否穩(wěn)定。在本工程設(shè)計(jì)之初，由于相關(guān)設(shè)計(jì)人員過多關(guān)注水閘的功能性，擴(kuò)大灌溉面積與排洪的水量，忽視水閘的防沖防滲設(shè)計(jì)?；诒竟こ痰闹苓吳闆r，在農(nóng)田進(jìn)行施肥的環(huán)節(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的化學(xué)元素與粒子，而部分化學(xué)元素粒子在順著土壤排入河道內(nèi)部時(shí)會(huì)與相關(guān)的金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致其產(chǎn)生因化學(xué)腐蝕造成的結(jié)構(gòu)損壞。該地區(qū)由于氣候特性，夏季氣溫較高，晝夜溫差較大，極易使混凝土產(chǎn)生溫縮裂縫，導(dǎo)致水流順著裂縫滲透入結(jié)構(gòu)內(nèi)部造成腐蝕現(xiàn)象，于是相關(guān)設(shè)施耐久度下降。因此計(jì)算水閘設(shè)施的防沖防滲能力計(jì)算對(duì)于提升設(shè)施的防沖防滲能力是十分有必要的。

根據(jù)相關(guān)的規(guī)范設(shè)定，該水閘允許的滲流坡降值應(yīng)該處于0.4%～0.5%。在對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行防沖防滲設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下因素。

（1）環(huán)境氣候因素。根據(jù)該地區(qū)的氣候特性進(jìn)行分析得知，該地區(qū)夏季氣溫較高，而且晝夜溫差較大。所以在選擇建設(shè)材料時(shí)應(yīng)選擇收縮性能較好的混凝土，并且在后續(xù)的養(yǎng)護(hù)工作中采取相應(yīng)的措施避免混凝土出現(xiàn)溫縮裂縫，提高水閘設(shè)施的防沖防滲能力。

（2）水閘的使用功能。根據(jù)工程概況可知，該水閘的主要作用為調(diào)節(jié)河道水位并灌溉農(nóng)田。由于附近農(nóng)田在施肥時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生化學(xué)成分殘留，而這部分化學(xué)成分在排入河道時(shí)有可能會(huì)對(duì)水閘產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，因此結(jié)合該河道的上下游流量差數(shù)值較小和水流流速正常的情況下對(duì)水閘設(shè)施進(jìn)行滲透壓力計(jì)算，以此來提升水閘的抗?jié)B等級(jí)。并且在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)根據(jù)工程要求按照20a 一遇的洪水重現(xiàn)期數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)工作。對(duì)該地區(qū)近年來的最強(qiáng)降雨量進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算在最強(qiáng)降雨量時(shí)，分析該河道的流量與水位高度數(shù)據(jù)，為后續(xù)的滲流坡與消力池的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。水閘流量如圖3 所示。

圖3 水閘流量

（3）水閘基礎(chǔ)。由于該水閘設(shè)施基底為土基，所以在建設(shè)前需要對(duì)其土基進(jìn)行加固處理。以此來提升地基的承載力，滿足工程的防沖防滲標(biāo)準(zhǔn)。并且在設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)注意設(shè)計(jì)地基的相關(guān)排水與防水設(shè)計(jì)，提升地基與水閘的穩(wěn)定性[3]。

5 選擇合理的水閘類型

在設(shè)計(jì)水閘工程的時(shí)候，水閘類型的選擇也是非常重要的工程影響因素。通常情況下，在選擇水閘類型的時(shí)候，綜合工程需求更加偏向于選擇功能性較強(qiáng)的水閘類型，而在滿足最大使用功能的情況下則選擇施工工藝相對(duì)簡單的水閘類型。當(dāng)處于特殊環(huán)境時(shí)就需要一并考慮環(huán)境因素進(jìn)行綜合分析選擇。如果對(duì)水閘類型的選擇考慮不夠充分，后續(xù)就可能會(huì)出現(xiàn)水閘無法適應(yīng)環(huán)境，其發(fā)揮不出正常的使用功能的情況，從而影響整個(gè)工程。在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，綜合水閘設(shè)施的使用情況以及相關(guān)的功能要求選擇使用節(jié)水閘，但由于河道較窄且水流量較大，只有中型水閘符合項(xiàng)目條件。而中型水閘對(duì)占地面積以及地基的承載力都有一定的要求，結(jié)合實(shí)際的工程情況很難開展施工工作。由于水閘設(shè)施建立于土基之上，所以還需要結(jié)合自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性考慮施工要求[4]。

根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際情況，在選擇水閘類型時(shí)應(yīng)提取相關(guān)的因素進(jìn)行排列，最終確定對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行考慮的順序如下：①使用功能。②地形地貌。③環(huán)境氣候。④服務(wù)年限。最終選擇節(jié)水閘類型。在相關(guān)工程設(shè)計(jì)工作的時(shí)候，還要選擇合理的閘室類型，以確保在泄洪過程中河道水流能夠恢復(fù)至正常的自然狀態(tài)。同時(shí)還要設(shè)計(jì)與之相對(duì)應(yīng)的進(jìn)水閘控制引入的水流量，并以此來開發(fā)該工程的供水供電以及灌溉等職能。

6 選擇合適的閘室底板尺寸

閘室作為水閘的重要組成結(jié)構(gòu)之一，其底板的尺寸決定閘室結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度。根據(jù)相關(guān)的工程概況可知，該水閘建設(shè)于土基之上。在進(jìn)行土基閘室設(shè)計(jì)時(shí)，一般選用一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，忽略閘室底板尺寸的設(shè)計(jì)，水閘設(shè)計(jì)如圖4 所示。但實(shí)際上點(diǎn)作為水閘閘室的基礎(chǔ)承載結(jié)構(gòu)，如若閘室底板尺寸過大會(huì)增加工程量的負(fù)擔(dān)以及造成材料的浪費(fèi)；但如若閘室底板尺寸過小則會(huì)對(duì)其整體的穩(wěn)定性造成不利影響。

對(duì)該水閘的閘室底板進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)考慮到河道較窄且地基承載力不足等因素，對(duì)其底板尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減少結(jié)構(gòu)對(duì)地基的荷載傳遞。根據(jù)相關(guān)的工程規(guī)范，底板長度應(yīng)為水位高程差的2.5～4.5 倍，因此根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可知，本次底板設(shè)計(jì)中，底板長度約5.10m，厚度在0.7～2.0m。并根據(jù)施工環(huán)境因素的綜合分析對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，最終數(shù)據(jù)為底板長度8m，厚度0.7m[5]。

7 結(jié)語

水閘作為水利水電工程中重要的組成結(jié)構(gòu)設(shè)施，其工程的質(zhì)量與整個(gè)水利工程的質(zhì)量息息相關(guān)。本文通過對(duì)廣東省某水利設(shè)施的水閘設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述相關(guān)問題與解決方案，以此優(yōu)化水閘建設(shè)工程質(zhì)量來提升整個(gè)水利工程質(zhì)量。