水闸工程防渗排水设计要点

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摘要：随着科学技术和国民经济的快速发展,水闸工程在水利建设中应用十分广泛，在工程设计的全过程中，防渗排水问题一直都是影响水工建筑物使用寿命长短的关键。文章主要针对水闸功能及防渗排水设计进行了探讨。

关键词：水闸工程；防渗排水；设计要点

中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：

水闸是水利工程的重要组成部分, 其设计工作是非常复杂的, 它不仅存在着主观因素,也存在着一定的客观因素。人们常说堤防之险在于闸,水闸之险在于基,因此在水利工程之中水闸防渗排水设计是水闸设计的重点,也是难点。

1 水闸的功能概述

水闸一般是由闸室、防渗排水设施、消能防冲设施和两岸连接建筑物四部分构成的。闸室一般主要功能都是通过水闸挡水和控制过闸水流,在设计中包括底板、闸门、闸墩、护栏和工作桥。防渗排水设施是为了保证闸基能够一直保证在安全状态而设置的, 它通常都是位于水闸的高水位侧面, 是通过用透水性能较小的材料和粘土构成的。在水利工程中，水闸的使用非常广泛，根据其使用功能，可将水闸大致分为六种类型:

（1）进水闸。进水闸主要修建在湖泊、水库、河流的岸边，其功能是对引水流量进行控制，作用是满足供水、发电与灌溉的实际需求。在实际工作中，进水闸又被称为渠首闸或取水闸。

（2）排水闸。排水闸主要修建在江河沿岸，其作用是将低洼地区或内河中存在的对农作物生长有害的滞水排出。在洼地需要蓄水、农作物需要灌溉时，可开闸引水; 在外河水位远超内河水位时，可关闸避免倒灌现象。

（3）节制闸。节制闸主要修建在河道或渠道上，作用是拦洪、调节水位和流量，以保障上下游航运需求以及下游地区的用水需求。

（4）分洪闸。分洪闸多修建于河道的某一侧，作用是将洪水中超过下游河道安全泄量的部分引入分洪道或分洪区。

（5）冲沙闸。冲沙闸多修建于泥沙河流上，作用是排除渠系、节制闸、进水闸中的泥沙，避免闸前河道以及渠道淤积。除冲沙外，还有专门为漂浮物、冰块排除所设置的排污、排水闸，也属于冲沙闸的范畴。

（6）拦潮闸。拦潮闸多设置于入海河口处，退潮时开闸泄水，涨潮时关闸避免倒灌，具备双向拦水的功能。

2 水闸工程的特点

水闸的绝大部分都修建在土基上，具有以下三个特点:

（1）由于土基的承载能力较差、压缩性较强，可能引起大幅度的沉降并最终导致闸室的倾斜、闸门底板断裂、止水破坏等问题，严重时还可以造成塑性破坏。

（2） 泄洪时水流对于土基的冲击很容易导致土基破坏，同时在水闸下游水位处于动态变化状态的影响，设计工作必须要保障消能防冲设施在任何条件下都能满足使用要求。

（3）土基在渗透水流长期作用的影响下非常容易发生变形，轻者导致水闸沉降，重者导致水闸的断裂和倒塌。

3 防渗排水设计

受上下游水位差的影响，水闸在建成后，闸基、边墩、翼墙的背水侧会产生渗流，对建筑物形成以下负面影响: ①使闸室的抗滑稳定性降低，使边墩和翼墙的侧向稳定性降低；②可能导致地基渗透变形，严重时可引起地基破坏； ③造成水量损失；④加速地基内可溶物质的溶解。而防渗排水设计工作的作用就是对水闸地下轮廓线进行拟定，以便更好地发挥防渗排水的作用。下面对设计工作的具体步骤进行分别讨论。

3.1 防渗长度与地下轮廓设置

3.1.1 确定防渗长度

地下轮廓线实际上指的就是地基、底板、板桩、铺盖的接触线，其长度与水闸防渗长度相等。根据《水闸设计规范》SL265—2001 的要求，防渗长度的计算公式为:

L≥CH ( 1)

式中: C 代表渗径系数( 根据地基性质进行选择) ; H代表上下游的水位差。

3.1.2 布置地下轮廓

设计人员在进行水闸地下轮廓的布置时，既可以参考条件类似工程的做法，也可以根据本地实际合理进行。为了实现防渗与排水功能的有机结合，在上游地区应采取垂直或水平防渗的方案，在延长渗径的基础上，进一步降低闸基渗流平均坡降和底板所承受的渗透压力。

在下游地区则应进行排水反滤设施的设置，通过对地基渗水的及时排除降低变形问题的发生概率。若水闸为黏性土地基，则设计工作应围绕底板所承受渗透压力的降低开展，使闸室抗滑稳定性得到进一步提升; 若水闸为砂性土地基，则设计工作的重点应放在渗漏问题的削弱和渗透变形的阻止上，以提升地基对于渗透变形的抵御能力。

3.2 渗流计算

进行渗流计算的目的就是得出渗流区域内渗透流速、坡降、压力以及渗流量的实际数值，并以此为依据，针对性选择设计方法。

在对闸基渗流进行研究时，可以将其视为平面问题，即水闸地基均匀且各向同性，渗水不可压缩，且完全符合达西定律的各项要求。在这种条件下，闸基渗流规律完全符合拉普拉斯方程的各项要求，计算公式为:

式中: h 为渗透水流在某点的计算水头，被称为水头函数。

对于简单的边界条件，可根据流体力学的方法得出相应的结论，但是在实际操作的过程中边界条件则非常复杂，所以必须要采取一些更加实用的方式，如改进阻力系数法、流网法等。

若地基复杂程度较低，地下轮廓较为简单，可采用直线展开法; 若地基条件比较复杂，可采用数值计算法或电拟试验法。下面，对直线展开法进行简单介绍。

在对渗透压力进行计算的过程中，直线展开法无疑是一种简便易行的手段，在对该方法进行应用的过程中，设计人员首先要将地下轮廓的垂直段展开成为具有相同效应的水平轮廓，再以线性关系为依据，计算各点的渗透水头。该方法适用于T≥L0 /2的情况，其中T 为透水层深度；L0为地下轮廓线水平长度。具体使用方法如下:

3.2.1 展开地下轮廓

图1 为带有一道板桩的地下轮廓，计算公式为:

式中: 可以将其转化为渗径长度为l 的水平轮廓。各控制点离开端点A′的横距计算公式为:

图1 地下轮廓及其展开图

如图1 中右侧水平轮廓线上的A′ ～ E′5 个点就是图1 左侧原轮廓线各点的渗透水头。

3.2.2 计算渗透压力

通过对计算公式的简化以及对流体力学有关水平轮廓线的解答，设计人员可以获得线性变化关系，计算公式为:

式中: xi为i 点与水平轮廓上游端点的距离；l 为地下轮廓展开长度； φ 为势函数差值； H 为上下游水头差。

4 防渗排水设施

水闸的防渗设施主要包括地下轮廓所涉及的齿墙、板桩以及铺盖，水闸的排水设施主要包括排水层和反滤层，它们大多被设置在护坦和浆砌石海漫的底部。主要设施为:

4.1 齿墙

水闸底板的上游端与下游端是齿墙的主要设置位置，它的作用就是对渗径进行进一步延长，使闸室能拥有更强的抗滑稳定性，一般来说，齿墙的设置深度都在1 m左右。

4.2 板桩

设计人员在对板桩长度进行选择时，应该根据透水层的实际埋藏深度进行针对性判断，此时要注意避免对以往工程经验的一味照搬。

4.3 铺盖

铺盖的作用与齿墙相似，都是对渗径进行进一步延长，但是铺盖的不透水性和柔性要求相对较高。一般来说，沥青混凝土、黏壤土、黏土是铺盖的主要材料，部分工程也采取钢筋混凝土作为建造材料。

4.4 排水层和反滤层

在进行排水层的设置时，工作人员可采取在护坦、浆砌石海漫的底部平铺碎石、砾石或卵石的做法，粒径的选择应以1 ～ 2 cm为宜。反滤层的设置应集中在渗流出口的位置，以便在最大程度上消除渗透变形所带来的不利影响。

5 结束语

水闸是一种既能挡水,又能够在工作中泄除多余的水量, 是一种依靠升降闸门来控制水位的水工建筑物。在防渗排水设计中，之所以进行闸基渗流计算，目的就是得出渗流区域内渗流量、渗透流速、渗透坡降、渗透压力的具体数值，并以此为依据，针对性的采取防渗措施，避免水闸发生渗透变形问题，为水闸寿命的延长提供技术保障。

参考文献

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[2] 陈芳. 水闸排水与止水问题的分析. 水利科技与经济[J]. 2009(8).

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