摘要：近年来，水利水电工程的地位凸显，逐步成为关系国计民生的重大工程项目。水利水电工程在工农业发展、经济社会发展方面都承担着重要的任务。水闸是水利水电工程内的重要组成，其设计的科学性与合理性将会影响整个水利水电工程的安全性，如果水闸设计没有从工程设计着手，缺乏对各种设计参数的科学计算，将会导致水闸难以发挥其作用，存在安全威胁。基于此，本文分析了水利水电工程中水闸设计的相关要点，对工程实践具有重要的指导价值。
关键词：水利水电工程；水闸；设计
水利水电工程项目的建设不仅可以实现水资源的合理调配，还能够提供生产生活所需的电力资源，因此，从水利水电工程的功能来看，其具有防洪发电、生态保护、农业灌溉等功能，是综合性工程，经济、社会与生态效益明显。水闸的存在是为了进行水利水电工程中水流速度、流量等的控制，通过水闸的建设，能够保障洪涝水排放的通畅性，保障下游供水的及时性、充足性。如果水闸设计不当，就会为下游带来巨大的安全威胁，因此，水利水电工程中需严格遵守水闸的设计要点。
1.水闸的组成与特点
1.1水闸的组成部分
闸室、上游连接段与下游连接段是水闸的主要构成，在实际的运行过程中，这三个部分通过组合，维持了水闸正常的使用，使得水闸在水利水电工程中的作用得以发挥。闸门是水闸的主体结构，其主要包含了底板、闸门、启闭机、闸墩、胸墙、工作桥与交通桥；而翼板与护坡是上游连接段的重要组成；下游连接段主要包含了消力池、护坦、海漫、防冲槽、两岸翼墙等[1]。
1.2水闸的特点
根据不同的功能，水闸包含了多种的类型：（1）节制闸。这种水闸的建设主要是为了在水利水电工程的运行过程中进行水位与流量的调节，一般在干旱时期的河流节流中有着良好的应用效果，应用节制闸能够进一步提升河流节流的水位，保障河流上游正常的航运功能，而在洪水期，节制闸的存在能够对下游的流量加以控制，进一步避免下游出现洪涝灾害。（2）进水闸。这种水闸建立的主要要进行水坝中水流量的控制。通常情况下，进水闸多建设于水坝或者渠道进水的区域。（3）分洪闸。分洪闸的突出特征体现在其较大的泄洪能力方面，基于这种优势，在水利水电工程中能够实现及时分洪的目的，避免洪涝灾害的出现。分洪闸多设立于江河的相关地段。（4）挡潮闸。在沿海地区，潮汐现象将会造成严重的涨潮情况，当潮汐过大时，将会对沿岸人们产生较大的威胁。而挡潮闸的存在就是为了应对涨潮现象，避免海水进入倒灌。一般多设置在江河的出口位置。（5）排水闸。排水闸与挡潮闸的功能相类似，在江河中的修建主要是为了应对雨季水位上升所造成的洪水倒灌现象。
2.水利水电工程中水闸的设计要点
2.1加强对当地地质环境、自然环境等资料收集
由对水利水电工程中的水闸而言，由于其本身的荷载相对较大，为保障其设计的合理性，使得在投入使用以后水闸能够发挥其应有的作用，在设计过程中，首先需要保障水闸地基基础的稳定性。因此，在设计之前，设计人员需进行水利水电工程现场地质环境、自然环境等的勘察与了解，详细获得区域内的地质地形、水文土壤、气候变化等情况。
2.2水闸选址的设计
在水闸的设计过程中，由于水闸所包含的类型相对较多，再加上不同类型的水闸都有其独特的功能与建设区域要求。因此，在水闸设计时，相关人员还需要重视水闸选址。水利水电工程多建设于水资源丰富的河流、湖泊等区域内，而在工程的不同区域内，存在着地质条件、自然环境、水文气候等的差异，水闸重量与体积都相对较大，在选址时需充分考虑多方面的因素，尤其是要考虑基础承载力[2]。在选址的过程中，需首先对区域地层开展钻孔取样勘测，并结合区域内的自然环境特征，选择基础承载力较好的岩石层。随后，在地基的选择上，要尽量选承载力高、抗剪强度高的土质地基，在后期的水闸建设时，施工人员需在原有土质地基的基础上通过预压处理或换土垫层的方式来使地基中的土层加以固结，形成整体性结构，进而减小后期水闸的沉降值。
2.3水闸的结构设计
水闸的结构设计上，主要要从地势结构、水闸功能、水文条件等情况着手。首先，设计人员需结合水利水电工程的具体情况，来保障水闸负载计算的准确性，根据水闸负载计算结果，设计人员可以来进行闸室、翼墙的抗滑稳定性设计[3]。其次，设计人员需做好整体结构与局部结构的规划设计，保障结构的合理性。
2.4水闸消能防冲设计
消能防冲设计主要是为了使得在水利水电工程的总体运行过程中，水闸能够起到对水流工况的控制作用。通常情况下，消能防冲的控制工况主要是要满足以下条件：当下游水位在规定取水下限的情况下，水闸水位需处于高点处，只有这样，才能够使得上游能够实现水资源的有效存储，在这种工况下，设计人员需进行消力池深度的计算与确定。近年来，随着全球气候的变化，在消能防冲设计方面，设计人员也同样需要考虑最高与最低蓄水位因素。
2.5水闸闸型、闸室的设计选型
近年来，随着水利水电工程技术逐步进步，在水闸设计的过程中可选闸型也逐步增多，不同类型的水闸存在各自的优势与劣势，同时也存在着一定的适用条件。综合来看，水闸选型的过程中，设计人员需结合河流的水文特点、区域的地质地形条件来选择。在当前的水利水电工程中，水闸主要包含了敞开式、胸墙式与涵洞式，其中，敞开式水闸总体上具有平底宽的特征，应用此种水闸形式更有利于泄洪，且能够维持水流的宽阔性与稳定性，具有结构简单、操作便捷的优势；而胸墙式多在水位变动较大、下游水量有严格限制的河流中能够取得理想的应用效果；而涵洞式更适用于水位高、孔口尺寸存在限制的区域[4]。总之，对不同的区域条件下，要选择最佳的水闸形式。
2.6过闸水位差的设计计算
过闸水位差也是水闸设计中需要重点关注的设计参数，在设计过程中，需结合地形特征来进行。不同的地形条件下，过闸水位差也存在着一定的区别。通常情况下，过闸水位差多在10～30m的范围内，在平原地区的过闸水位差一般为10m，而山区地区的过闸水位差一般为30m[5]。在过闸水位差的设计过程中，较大的水位差能够缩小闸孔净宽度，进而实现工程成本的控制，但与此同时，较大的过闸水位差也会使得水闸所承受的水力压强更大，水闸存在被冲毁的威胁。
2.7闸孔尺寸的设计
水利水电工程的水闸设计过程中，设计人员需从建造成本、流量与速度等的分析着手，尽量控制水闸的数量。在水利水电工程中，在满足最大泄洪量的基础上，如果水闸的数量越少，也就能够使得墩数越少。一旦闸孔设置过大，可能会造成更大的空间占用，同样会引发开启关闭闸门设施规模的增大，进而工程造价也将随之上升。因此，从综合分析的角度，铰孔宽度一般需尽量保持在10～14m。
2.8水闸泄流能力的设计
在水闸泄流能力的计算方面，有相应的计算公式，设计人员在设计的过程中要结合堰流计算公式来确定水闸的泄流能力，提高水闸的安全性。
2.9防冲槽设计
在水闸的总体结构中，防冲槽的设计主要是为了使得水闸末端更为稳定。水流在流过关卡的过程中，水流速度也会随之逐步减小，但是，水流在流经关卡末端时，存在较大的水流冲击力，此冲击力可能会对河床产生较大的冲击，造成河床损毁。而防冲槽的设计主要是为了抵御水流冲击力，保护河床。在防冲槽的设计过程中，同样需要考虑河流的冲击力等因素。
2.10排水孔设计
水利水电工程在投入使用以后，在长期的运行与使用过程中，消力池底板承受着较大的冲击力，尤其是水流的冲击作用可能会造成消力池底板的破坏。因此，在这种情况下，在消力池的设计过程中，需在底板进行静压压力余量的预留，使得底板具有较好的耐磨静压特性，降低水流冲击对底板造成的破坏。在排水孔的设计过程中，一般要将其设计为梅花形，并将这些排水孔设置在水平护板的后半部分位置，发挥排水孔应用的排水、减压作用。
2.11水闸基础防渗面排水设计
在河流的流动过程中，由于上下游之间可能存在着巨大的水位差，而这种水位差可能会使得水流中集聚了大量的势能，而水流势能将会对水闸及其周边产生较大的冲击，引起水闸的渗漏等问题。而水闸基础防渗面排水设计在一定程度上能够缓解水流势能对水闸的冲击力，避免渗漏现象的出现。从根本上来看，水闸基础防渗面排水设计时，设计人员需首先将上游水引入河床中，使得引入的水流能够逐步经由底板、消力池、反滤层等逐步流入河流下游，保障良好的排水效果。
3.水利水电工程中水闸设计工作的注意事项
3.1稳定问题
在水闸投入使用以后，由于其能够对上游流水起到一定的拦截作用，而拦截的上游水位相对较高，这种情况下，水闸上下游之间会存在较大的水位差，而此水位差的存在将会使得水闸面临水平压力过大的现象，此时，水闸将向下游方向移动。要维持水闸结构的稳定性，必须要使得水闸存在一定的自重。水闸在建成投入使用以后，在尚未实现挡水、或者在正常使用的情况下遭遇枯水期的情况下，会存在较大的垂直荷载，这种情况下，基底所承受的实际压力将会远远大于地基的实际承载力，水闸会面临地基变形等威胁，加大水闸与地基的滑动威胁[6]。因此，在水闸的设计过程中，需进行基础面积的合理设计，降低水闸基底所承受的压应力。
3.2渗流问题
水闸在发挥其挡水作用时，上下游之间将会出现明显的水位差，在此水位差作用下，水闸、闸基、两岸连接位置都可能会面临渗流威胁。一旦出现严重的渗流现象，将会使得水闸底部存在一定的向上扬压力，而此压力将会降低水闸本身的重力作用，导致水闸的抗滑稳定性不足。如果在水闸建设的过程中，两岸与闸基都采用的是土基结构，当出现渗流现象时会存在细颗粒的流失，闸后可能会出现翻砂鼓水现象，如果情况严重时，甚至会直接损坏两岸与闸基。如果在水闸的使用过程中出现了侧向渗透现象，会伴随着水平压力的产生，最终将会对两岸连接建筑物稳定性与安全性产生极为不利的影响，有时甚至会造成岸坡渗透，最终导致闸底的渗透压力增大。渗漏水量如果超过了标准范围，将会影响水闸功能的实现，挡水、蓄水难以正常进行。因此，在水闸设计的过程中，需充分考虑渗流问题，采取必要的处理措施来预防渗流现象的出现。
3.3冲刷问题
开闸泄水的过程中，一旦水闸下游的水位较小，将会使得上下游之间的水位差很大，而这种水位差同样会增大水流速度，水流流动过程中将会对下游造成一定的冲刷作用，一旦冲刷作用力过大，将会影响整个水闸结构的稳定性与安全性。因此，在水闸设计的过程中，需保障水闸选址的合理性。
结束语：
近年来，水利水电工程在经济社会发展中发挥着越来越重要的作用，作为工程中的重要内容，水闸具有重要的作用，设计人员在水闸的设计过程中不仅要从区域的自然地理条件着手，还需要充分考虑水闸的功能与作用，保障水闸设计的合理性。
参考文献：
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