刘龙
上海市政工程设计研究总院第六设计院有限公司 安徽合肥 230000
摘要：水闸是一种低水头水工建筑物，水闸闸基在渗透水流作用下，容易产生渗透变形，特别是粉细砂地基，在闸后易出现翻砂冒水现象，严重时闸基和两岸会被掏空，在地震时细砂容易液化。上述情况容易引起水闸沉降、倾斜、断裂甚至倒塌。因此，水闸的防渗及排水设计是水闸设计中至关重要的环节。
关键词：水闸；防渗设计；排水；直线展开法
概述
水闸属于低水头水工建筑，它利用闸门完成挡水和泄水，多修建于湖泊、水库、渠系、河道。闸门开启时，可以发挥冲沙、排涝、泄洪以及调节流量的作用；闸门关闭时，可以发挥挡潮、拦洪、抬高水位的作用。在水利丁程中，水闸的使用非常广泛，根据其使用功能，可将水闸大致分为6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人分洪道或分洪区。
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。拦潮闸多设置于人海河口处．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。
1水闸的应用特点
很多的平原水闸都建立于土基之上，同建在岩基之上的溢洪道相比，具有明显差异。其一，土基更具压缩性，承载水平相对较弱，有可能形成较大的沉降差，最终发生闸室歪斜，影响到止水效果，而更为严重的闸门底版发生断裂，则可能引起水闸事故。其二，虽然水闸在泄洪时流速达到不很高，可是水流依然存在较大的剩余能量，剩余能量作用到抗冲能力不足的土基之上，土基极易遭到冲刷破坏。再者，因为水闸下游的水位变化很大，在水闸出流时容易产生远驱型水跃与临界型水跃。所以要使消能防冲设备在不同的情况下都能满足水闸设计上的要求。其三，因为渗透水流的影响，土基容易渗透变形，尤其是细粉砂型地基易出现冒水翻砂的问题，情况严重的，闸基与两岸可能会被刷空，而发生地震之际，细砂的液化也会造成水闸的倾斜、沉降乃至断裂与倒塌。考虑到上述几点的水闸应用特点，在对其进行设计要考虑到以下几方面的问题：一是闸址选择应当科学合理；二是选择同地基条件相适应的闸室结构，确保闸室在地基之上的稳定性；三是保证防渗设计的功能要求，尤其注意上游两侧同建筑相连的部分的性能；四是做好防冲与消能设计，防止形成危害冲刷。
2关于水闸排水问题
首先是做好消力池下部排水孔的设计为了减少护坦基部的渗透压，需要于水平护坦后侧安排垂直型排水孔，在孔下部铺设反滤层。一些水闸消力池下面的排水孔在水平护坦位置开始直到尾部均有设置，这种做法值得推敲。由于水流从水闸中出来以后，在平稳整流后经由陡坡流入消力池底板，在相交处形成收缩水深的急流。这一位置动能高、流速快，如果此处有排水孔，排水孔细粒结构受到基部压力作用的影响，有被从孔里面吸出的可能性，长此以外，底板位置可能会被掏空，所以建议于消力池后部设计垂直型排水孔，以达到降低池底板渗压的效果。
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其次是做好闸基的排水工作，因为存在上游与下游的水位差，上游的水在河床位置入渗，经过防渗铺盖、闸底板桩与反滤层，从排水孔流至下游，隔水铺盖、闸底板桩及地基接触面变为地下的轮廓线。布置地下轮廓线的总原则是低排高防，即在高水位位置布置板桩与浅齿墙等，增加底板上游位置的渗透面积，减少作用于底板上的压力，而在水位较低的一侧布设排渗管等设施，让地基渗水及早排清。土基之上的水闸，一般采取平铺型排水，即以透水功能较好的砾石、粗砂与乱世等护坦、闸底板等位置，上下游之间的涌流由此联通，可以减少闸底的渗透压。排水体通常情况下不必专门进行设计，只要把滤层里面粗粒径最大一层加大即可。而在一部分水闸工程的建设过程中，底板后部的水平整流段及陡坡段，未能设计专门的平铺型排水体，甚至有些都没有设置反滤层，这样的设计方式，极大地增加了陡坡段与闸底板的渗透压，会严重影响到水闸的稳定与安全。通常水闸在考虑排水功能时，都要在闸室后侧平行整流段初始位置安排排水体，闸基渗透压位于排水体初始处时应当为零。
3关于水闸防渗问题
3.1水闸渗漏的原因
水闸比较容易形成止水伸缩缝渗漏的问题。渗漏有设计、建设、材料等多方面的原因，可是更多是由于设计施工所造成的。对止水伸缩缝进行设计有严格的规范性方法。而根据设计进行施工最终造成渗漏可能是由下面几点原因所致。其一是止水片之上的油渍、水泥渣等污物未能清除干净即实施混凝土浇筑，这会让混凝土与止水片难以很好结合而发生渗漏；其二是止水片存在钉孔、砂眼、接缝缺陷而发生渗漏；其三是同止水片相连的混凝土发生泌水收缩，造成两者的间隙；其四是相邻结构出现沉降落差使得止水片发生锚固松脱问题。其五是垂直性止水沥青孔填充不严造成的渗漏。
3.2防止止水伸缩缝发生渗水的方法
如何处理止水片上的污渍。在施工过程中，在模板上使用脱膜剂会造成止水片与脱模剂相沾连的污渍。因此模板在脱模剂工序上应当安排在正式安装模板之前。浇筑时会有杂物不断掉浇到止水片之上。因此在第一次去除杂物以后，还要在淹埋混凝土止水片之后，进行杂物的二次清除。再者，对基层进行混凝土浇筑时，难以避免混凝土会散落于止水片之上，先期落下的混凝土在止水片淹埋时可能已经初凝，这种混凝土带来的渗漏隐患一定要及时给以清除。如何处理止水片钉孔、砂眼以及接缝之类的问题。在采购止水片材料的时候，要注意止水片的规格、品种、性能等项内容应当满足设计与施工要求，尤其应当严格注意检查其外观，对于有问题的材料要给以及时更换。安装止水片时，一部分施工人员用铁钉把止水片直接钉于模板之上，这种能直接留下钉孔的办法要予以避免，最好是采用模板嵌因法对止水片进行固定。止水片在接缝处也较容易形成渗漏，为此，需要注意金属片的接缝必须要采取同母材料质同样的材料予以焊接，为保障焊缝的可靠程度，可以使用铆接与双面焊结合的办法。重要位置的止水片，应该采取热压粘接接头的办法。所有的接缝均要求进行压水检查，全部合格验收之后，才能正常应用。
如何处理混凝土泌水收缩。重要一点是选取合适的水泥与骨料。矿渣水泥保水效果不明显，收缩性大，泌水性强，所以在防渗处，混凝土最好不要采取矿渣水泥，而是应当以普通型硅酸盐水泥进行配制。此外应当注意混凝土的坍落程度要尽量降低，泵送混凝土由于坍落程度大，一般不予以使用。
如何处理沉降差问题。水闸设计时很难避免沉降差这个问题。因为设计或者施工方面的要求，结构荷载上的差别带来了沉降量的不同。显著的沉降差通常出现于显著的荷载结构上。在几乎所有的水闸建筑里，闸首、防渗铺盖、翼墙间的荷载悬殊，可能增加沉降差的程度。沉降差如果较小，通常不会产生结构危害，施工时可以采用预沉与设计两次浇筑带的方案来降低沉降差，还应该注意在施工时首先安排有较大荷载的翼墙与闸首位置，让其可以先进行沉降，等到沉降形成一定荷载能力以后，再进行相关的防渗铺盖施工等后续操作。
如何处理垂直止水缝灌注沥青的密实问题、凹槽同混凝土结合的问题。一般在预先留置的沥青孔一面设计长度为1米的凹形混凝土槽，每节凹槽依次安装于混凝土的墙面之上。每一缝槽分别以水泥砂浆进行固定，沥青分别由每节顶端灌入。需注意在预制槽安装时，不能使沥青孔内掉入垃圾与杂物，否则必然会留下渗漏隐患。
结语
在水闸的防渗排水设计中，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。
论文作者:刘龙
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第21期
论文发表时间:2018/11/28
标签：水闸论文; 混凝土论文; 底板论文; 防渗论文; 进水闸论文; 水位论文; 下游论文; 《建筑学研究前沿》2018年第21期论文;