浅议水闸的设计及分析

【关键词】水利工程；水闸；设计 

　　一、水闸的组成和作用 

　　1.水闸的组成 

　　水闸主要由三部分组成，分别是上游连接段、闸室和下游连接段三部分。其中上游连接段的作用主要是将水流引入闸室，避免其外流，对两岸及河床也起到了保护作用，防止其被冲刷，同时还与闸室一起起到了防渗作用；闸室在水闸中处于主要地位，它的主要作用是对水位和流量起到了一定的控制作用，并且防渗防冲，它的设计包括底板、闸门、闸墩、护栏和工作桥等；下游连接段主要用来消除过闸水流的剩余能量，将出闸的水流进行均匀地分散，从而起到对流速的减缓作用，避免对下游的冲刷。 

　　2.水闸的作用 

　　水闸既可以挡水，又能排除多余的水，主要是通过升降的闸门控制水位，进而调节流量，因此水闸在防洪、灌溉、排水、发电等水利工程中都有发挥着重要的作用。水闸按照其功能的不同也分为很多不同的种类，主要有节制闸、进水闸、分水闸、排水闸等；按照闸室结构又可以分为开敞式水闸、胸墙式水闸和涵洞式水闸。不同的水闸所发挥的作用不同，因此在设计时要根据水利工程特定的需要和要求进行设计。 

　　二、水闸设计选址的要求 

　　节制闸或泄洪闸闸址宜选择在河道顺直、河势相对稳定的河段，经技术经济比较后可以选择在弯曲河段裁弯取直的新开河道上。进水闸、分水闸或分洪闸闸址宜选择在河岸基本稳定的顺直河段或弯道凹岸顶点稍偏下游处，但分洪闸闸址不宜选择在险工堤段和被保护的重要城镇下游堤段。排水闸或泄洪闸闸址宜选择在地势低洼、出水畅通处，排水闸闸址宜选择在靠近重要涝区和容泄区的老堤堤线上。挡潮闸闸址宜选择在岸线和岸坡稳定的潮汐河口附近，且闸址泓滩中淤变化较小、上游河道有足够的蓄水容积地点。 

　　三、水闸设计分析 

　　（一）结构、尺寸设计 

　　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。 

　　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.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。 

　　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。 

　　（二）水闸排水问题 

　　1.消力池底板排水孔设计 

　　消力池底板要承受多方面的力量，包括水流的冲击力、水流脉动压力和底都扬压力等，具备相当的重量和强度，能够抗击重物冲击、经压耐磨。可以考虑在水平护板的后半部分设置部分垂直的排水孔，同时，排水孔呈梅花形布置，排水孔的下面可以铺一层反滤层，能够最大限度的进行排水，减少护板底端的渗透压力。 

　　2.闸基防渗面层排水 

　　由于上游与下游巨大的水位差产生的强力作用，上游水会从河床慢慢渗透，绕经上游防渗铺盖、板桩以及闸底板，再经过消力池的反滤层由排水孔流至下游，起到有效排水的作用。地基的渗水要想尽快的排出去，可以在高水位的一侧大不量布置铺盖、浅齿墙、板桩等多个防渗止水的设施，滞渗延长底板上游的渗透路径，使作用在消力池底板上的渗透压力缓缓减小压缩。在低水位一侧设置滤水层进行排水，同时使用排渗管等设施排渗。 

　　3.翼墙排水孔的设计 

　　在水闸的使用过程中，除了闸基会出现渗流以外，还会发生侧向渗流。所谓侧向渗流是指渗水从上游绕过翼墙、岸墙和刺墙后向下游流去。这种侧向渗流隐患很大，很可能造成水闸底板渗透压力的增大，从而使得渗流出口处发生严重危害性的压力变形。一般单向水龙头的水闸可以在下游翼墙和保护坡处设置多个排水孔，并且在挡土墙的另一侧孔口处设置反滤层。然而由于一些设计人员的马虎和不专业，有一些工程中的排水孔设置在了进口翼墙处，这种设计不仅浪费资源，还会起到一些发面效果。比如，这样的设置使得翼墙失去了大部分防渗、抗冲、增加渗透路径的能力，使得上游的水流直接从排水孔渗入翼墙的后面，同时也减小了翼墙的作用。 所以，设计者要明确各个环节的作用，做到心中有数，做好侧方向防渗排水设施。不能盲目的张冠李戴，闹出笑话，也给工程带来安全隐患。 

　　四、总结 

　　总之，如何使水闸的设计做到安全、经济和合理，提高水利工程建设的设计水平，始终是摆在设计人员面前的一项重要的任务。在这些水利工程建设中，有很多成功的工程设计、施工经验需要系统地进行总结和理论提高，同时还有很多工程问题和技术难点有待于去解决和攻关。 

　　参考文献： 

　　[1]石浩志，苏建明.水闸设计要点及方法的研究[J].城市建设理念研究，2012（03） 

　　[2]郭中琼.水闸设计问题的分析[J].中国水运，2009，11. 

　　[3]刘伟峰，张瑞.农田水利工程中水闸设计的探索[J].科技创新导报，2012（14）. 

　　[4] 郭中琼.水闸设计问题的分析. 中国水运[J]. 2009（11）