姬春利

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

在水利工程中，水闸是修建在河道或渠道上利用闸门控制流量、调节水位的低水头水工建筑物，提升闸门可以泄洪、排沙，关闭闸门可以拦洪、蓄水或抬高上游水位，满足灌溉、发电、生态、工业及生活用水等需求。实际工程中，由于水闸功能和地基土的特殊性，设计中经常会遇到一些问题，应因地制宜，及时解决问题，使水闸功能得以充分发挥，保障工程的安全性和经济性。

1 布置型式

工程中水闸布置型式取决于水闸的功能和类型。对于蓄滞洪区承担分洪任务的分洪闸，水闸进口宜布置在利于分洪的河流弯道凹岸侧顶点，且稍偏下游处，充分利用弯道环流原理，减少闸前泥沙淤积，确保水闸分洪能力。分洪闸闸室轴线与原河道中心线不宜超过30°，闸室一般采用开敞式，闸底板高程宜与河道滩地地面接近，比主河道平均高程或拦河闸(坝)底板高程稍高一些，这样可以有效防止河道泥沙或杂物进入分洪渠道，保证行洪畅通。

冲沙闸一般修建在紧靠进水闸一侧的河道上，且与拦河闸(坝)并排横跨河道布置，其轴线与进水闸的轴线成正交或斜交，斜夹角不大。为防止闸前泥沙淤积，冲沙闸底板高程要比拦河闸(坝)底板高程低一些。对兼有泄洪任务的冲沙闸，闸室一般采用开敞式。如果闸室上游水位变幅较大，高水位需用闸门控制下泄流量时，也可采用胸墙式。

2 水力设计

水闸水力设计中，在下泄流量一定的情况下，过闸上、下游水位差主要决定了工程规模和工程造价。若上、下游水位差较小，闸室过流宽度较宽，工程规模相应增大，工程造价也随之上升；反之，上、下游水位差较大，过流宽度较小，工程规模减小，工程造价随之下降。因此，过闸上、下游水位差应根据淹没影响、工程规模及工程造价等因素综合考虑。一般情况下，平原地区过闸上、下游水位差可采用0.1～0.3 m[1]。但对于蓄滞洪区承担分洪任务的分洪闸，要考虑与原河道及分洪闸后渠道的平顺衔接，上、下游水位差可适当加大。

水闸过闸水流部分势能转化为动能，流速增大，水流紊动剧烈，同时水闸上、下游水位多变，出流形式也多变，加之闸门开启不当，极容易对下游河床及两岸造成严重冲刷，因此闸后必须采取妥善的消能防冲措施，保证工程安全。根据以往工程经验，水闸上游水头较低，下游水位变化幅度较大，闸后水流一般都采用底流式水跃消能。

底流消能主要是通过在闸后产生一定淹没度的翻滚水跃来消减水流动能，减轻水流对河床的冲刷。底流消能设施通常为消力池，主要有挖深式消力池、尾坎式消力池及综合式消力池三种型式。消力池型式的选择主要与跃后水深与实际尾水深度有关。根据相关资料，当闸下尾水深度小于跃后水深时，可采用挖深式消力池；当闸下水深小于90%跃后水深时，可采用尾坎式消力池；当闸下水深小于50%跃后水深，且计算消力池深度又较深时，可采用挖深式与尾坎式相结合的综合式消力池[2]。若水闸上、下游水位差较大，而且尾水深度较浅时，宜采用二级或多级消力池。

在计算消力池深度时，初步计算以下游河床为基准高程，淹没度取1.05～1.10较为适宜，通过计算确定池深后，再以池底为基准高程对池深进行复核。根据水工模型试验资料，无论那种型式的消力池，只要设计得当，可消杀水流全部动能的40%～70%，剩余能量对下游河床还可能造成冲刷，因此消力池下游一般还要设置海漫和防冲槽，消杀剩余能量，改善下游水流流态。

3 地基处理

水闸大部分修建在平原、滨海区的第四纪覆盖层上，经常会遇到软弱的粘性土或疏松的砂土地基，必须采取措施进行加固处理才可作为水闸的地基持力层。常用地基加固处理包括：换填垫层法、强夯法、强夯置换法、沉井基础、水泥土搅拌桩、旋喷桩及振冲碎石桩等。

对于考虑地震影响的液化土层，若液化土层埋深较浅，可用非液化土替换全部液化土；若液化土层埋深较大，可采用振冲碎石桩或挤密碎石桩进行加固，加固后桩间土的标准贯入锤击数不宜小于规范规定的液化判别标准贯入锤击数[3]，桩长应按要求处理液化的深度确定，使复合地基承载力满足设计要求。

4 防渗设计

修建在软土地基上的水闸，由于上、下游水位差的存在，水闸地基容易产生渗透变形，需采取相应的防渗措施。水闸防渗设施一般采用铺盖加垂直防渗体相结合的形式，达到增加渗径，以减小作用在闸底板上的渗透压力，降低闸基平均渗流坡降，确保闸室稳定安全。对于砂性土闸基，抵抗渗透变形的能力较差，渗透系数也较大，因此防渗应以防止渗透变形和减小渗漏为主。

目前，垂直防渗体应用较多的属于砼防渗墙。砼防渗墙大致分为普通砼、黏土砼、塑性砼、固化灰浆和自凝灰浆等。普通砼防渗墙抗压强度15～35 MPa，弹性模量大于2 500 MPa，渗透系数10-10～10-11cm/s。对于水闸防渗墙，砼强度要求不高，但要具有良好的抗变形能力，而普通砼弹性模量高，抗变形能力差。黏土砼抗压强度一般在10 MPa左右，弹性模量在2 000～12 000 MPa，渗透系数10-7～10-9cm/s；塑性砼抗压强度一般为1～5 MPa，弹性模量一般不大于2 000 MPa，渗透系数10-6～10-7cm/s[4]。黏土砼和塑性砼弹性模量较小，抗变形能力强，抗压强度、抗渗性和耐久性均能满足水闸防渗要求。

5 上、下游岸坡衔接

水闸闸室宽度一般较上游河道缩窄，为了保证入闸室水流平稳过渡，上游挡墙或边墙与河道两岸护坡应平顺衔接。下游出闸水流往往流速高、动能大，容易对河床及两岸造成冲刷破坏，而下游挡墙可以改善出闸水流条件，提高泄流能力和消能防冲效果，确保下游河床和边坡稳定。上、下游挡墙可采用扭面、八字墙式、角墙式、圆弧或椭圆弧形式与岸坡衔接，上游挡墙顺水流向的投影长度应大于或等于铺盖长度，下游挡墙顺水流向的投影长度应大于或等于消力池长度。

对于粘性土或砂土地基，上、下游挡墙宜采用圆弧或椭圆弧形式，且宜采用直墙结构。挡墙若埋入护坡深度较大时，挡墙底部可按阶梯形分段布置，为防止相邻台阶之间产生不均匀沉降，每个台阶挡墙长度不应小于2 m，相邻挡墙底部高差也不宜大于2 m。

6 生态景观

近年来，随着水利工程的发展，水闸型式也呈现多样化，比如橡胶坝、钢坝、钢堰、液压坝、气盾坝等景观闸门应用比较广泛。这些新型水闸减少了闸墩的设置，节省土建投资，不仅结构简单、性能可靠，即可立坝蓄水、卧坝行洪，又能利用坝顶过流，形成人工瀑布的景观效果。此外，这些水闸可多角度、多高度锁定装置，满足多水位控制调节的需求，减少了河道上部启闭机房，形成宽阔的水面景观。

对于拦河闸，在汛期开闸泄洪，在非汛期保证下游生态流量的情况下可立闸蓄水，上游库区形成景观水面。对于分洪闸，在汛期主要承担蓄滞洪区的分洪任务，在非汛期可引入适当流量，考虑景观需要，改善下游渠道及两岸生态环境。目前，靠近城市的水利工程，一般可结合人居环境要求，河道或渠道两岸设计湿地，湿地内种植各种观赏性植物，在正常蓄水位或设计水位以上设置亲水设施，比如亲水平台或步行栈道，两岸护坡可采用植草或填充卵石(碎石)的生态护坡，景观布置可考虑人文需求，实现柔性治水理念，实现洪水资源、雨洪资源的综合利用，充分发挥水利工程防洪和生态涵养功能，提升城市生态景观效果，实现都市水利工程功能性、生态性、景观性、文化性综合服务目标。

7 结语

综上所述，水闸的布置型式与水闸的功能和类型有关，水力设计中闸室规模与上、下游水位差有直接关系，闸后常采用底流消能，消力池型式由下游尾水深度决定；水闸一般建在软土地基上，地基必须进行加固处理方可作为持力层，水闸上游侧设置防渗墙，防渗墙的材料可选用黏土砼和塑性砼，抗压强度、抗渗性和耐久性均能满足水闸防渗要求。此外，水闸设计还应考虑上、下游岸坡衔接和生态景观方面的要求。合理的水闸设计，不仅要满足水闸功能的安全性、经济效益的合理性，还要兼顾生态环境的景观效果。