张磊
四川瑞熙工程咨询有限公司四川成都610094
摘要：随着我国科技进步与国民经济的迅速发展，我国水利行业进入了一个飞速前进的时代。水闸设计作为整个水利工程设计的关键之一，其稳定性将决定整个水利工程的安全运行。本文结合多年设计经验，从水闸设计中涉及的选址、地基处理、消能防冲等要点进行了总结阐述，意在为相关设计工作者提供借鉴参考。
关键词：水闸设计；选址；地基处理；消能防冲
1前言
随着国民经济的迅速发展，我国水利行业进入了一个新的时代，一批惠民水利工程正在加速建设。水闸作为水利工程的重要建筑物，对于整个水利工程的安全运行起到至关重要的作用。水闸通过调节闸门控制水流的流量以及调节水位，从而实现挡水和引水等功能要求。将闸门关闭，能够起到拦截洪水、抬高水位等作用；将水闸开启能够起到排涝、泄洪、取水等作业。通常大多数是将水闸修建在平原地区，主要功能有排水、泄洪、取水、排涝、发电等，可以说是一项综合的水利工程。水闸设计需要考虑多方面因素的影响，如施工条件、地形条件及其受力条件等，本文将结合多方面因素对水闸设计要点进行探讨。
2水闸组成
通常情况下，水闸由四个部分组成，分别为闸室、防渗排水设施、消能防冲设施和两岸连接建筑物。闸室的作用是通过调节闸门控制过闸水流流量和水位。防渗排水设施则可以起到保证闸基的安全性的作用，通常比水闸的水位设计的要高，并且选择的材料为防水性很好的材料。消能防冲设施通过消耗一定的水能使下泄水流达到扩散的作用，并在闸后消力池中形成水跃，从而达到消能防冲的目的，保障坝体及水工建筑物的安全运行。此外，水闸设计过程中还要重点考虑两岸建筑物的影响，避免水流产生的冲刷、雾气、震动等特征对两岸连接建筑物产生影响。
3水闸选址及地基处理
对于工程建设而言，最关键的因素即为建设位置的选择，确保建设位置地质条件良好，可以确保工程运行过程中的各种条件。如果地质条件不好，则要重新选择位置，或进行地基人工处理，保证水闸运行安全。
在正常情况下，闸门应首先考虑选址过程中的周围地质条件和水文条件，有必要选择具有高承载能力和抗剪切性的天然地基，建设期间最好选择新鲜完整的基岩，作为水工工程的基础，整块岩石不仅避免了施工过程中地基加固的施工要求，而且提升了工程效率，提高了闸门的承载力，抗剪承载力和抗压强度。如果在施工过程中没有很好地控制地质要求，在施工过程中很容易造成基础不受控制，完整性不足，承载能力弱，导致闸门损坏。
许多情况下，水闸建设的位置选择不太理想，为了确保水闸的安全性和稳定性，必须根据需要对基础进行处理。处理的主要原则是确保在承载能力方面可以得到改善，从而使水工建筑物更稳定。基础处理也是为了避免出现基础沉降情况，同时还可以避免基础渗漏。地基处理的方法有很多种，处理方法的选择取决于施工的具体条件。目前，基础处理的主要理措施和方法有木桩加固法、换土垫层法、预压法、闸基处理增加沉井法、桩基法等。其中换土垫层法由于施工原理清楚，施工方法简便，施工质量易于保证，从而至今为我国水闸浅层地基的主要施工技术措施和手段之一，备受人们的关注与青睐。
4消能防冲设计
水闸设计工作中，消能防冲设计是另一项重要设计工作。消能方式通常包括有底流消能、挑流消能和面流消能等方式，底流消能通常适用于中、低水头，而挑流消能则较多适用于岩基上高水头泄洪工程。水闸设计过程中，需根据工程规划选择消能防冲措施。水闸消能设施设计根据工程地质条件、过闸流量、能量耗散和抗冲击性要求等条件制定设计原则，通常情况主要布局包括闸室下游的护坦（也称为消力池），以及海漫和海漫防冲墙。护坦（也称为消力池）的主要功能是消除闸门流动的能量并防止下游河床被冲洗。海漫的主要功能是将出水流量恢复到正常状态，最大限度地减少湍流，降低底部流速，让水流畅通，调整流速分布，继续消除水流残余动能，流出护坦的水流与下游河道平顺衔接。为防止海漫末端出现被水流冲刷淘空现象，需要设置海漫末端防冲墙。
根据闸门的运行要求，上游和下游水位，闸门流量和泄洪模式通常是复杂和可变的。因此，闸门的下游消能防冲和抗冲击设施必须满足各种可能的水力条件下的耗散动能和水流均匀扩散的要求。当水流过闸室时，水流能量较大，闸门孔宽度比天然河道窄，因此闸门流量相对集中，单宽流量增加，水流具有较大的动能，必须采取措施使出闸水流和下游河流具有良好的流动衔接。水闸消能防冲设计中，闸门具有较大的出流和强烈的湍流，必须考虑下游的能量耗散。平原区闸门水头一般较低，河水阻力小，土壤流失小，而下游水位变化较大。因此通常采用底流消能方式。闸门下游消力池或其他型式的消能设施，应在水位运行范围内都能满足水跃共轭水深的要求。此外，充分考虑过闸水流在下游形成波状水跃，从而导致下游河道的冲刷，采取必要的措施。水闸闸门的控制运用同样是水闸设计考虑的一个重要因素，用以保证工程安全运行。工程运行过程中，闸门控制运用不当，则将导致出现集中水流或折冲水流等较差流态，从而引起下游河道冲刷破坏。因此，应根据水力设计手册或科研成果结果，制定合适的闸门运行方式。
水闸运行后，由于河网区域内建筑物的并联，原河网的引水条件发生了变化，导致主要河流水位逐渐上升，且两岸建筑物改变了原河道的自然条件，造成了河势的变化及水流的边界条件的改变，水位增加。因此水闸设计过程中，需要考虑水位的变化情况。此外，水利工程建设破坏了原河道的水砂动态平衡关系，水闸设计时同样考虑该方面的影响。
5结论
综上所述，水闸设计具有一定的复杂性，需要结合选址、地基处理及消能防冲等多方面因素考虑综合确定设计方案。考虑到水闸对于整个水利工程运行的重要性，设计过程中应结合实际情况进行控制，确保工程运行安全合理。此外，工程设计过程中，需要不断的总结已有工程的设计经验，借鉴其成功设计理念，攻克设计难点，提高水利工程整体设计水平。
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