史云青

【摘 要】工程建設(shè)的獨特性，沒有完全相同的兩個水閘，如何使中小水閘設(shè)計做到安全、經(jīng)濟和合理，提高水利工程建設(shè)的設(shè)計水平，始終是擺在設(shè)計人員面前的一項重要的任務(wù)。水閘工程的內(nèi)在質(zhì)量是一座水閘工程好壞的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。在實際的施工設(shè)計中，設(shè)計單位和施工單位都要做好自己的本職工作，并密切配合，在了解設(shè)計類型和施工條件的基礎(chǔ)上，不斷總結(jié)經(jīng)驗，利用新方法，使用新工藝技術(shù)，以不斷提高水閘工程建設(shè)質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】水閘 設(shè)計施工 防裂 選址 質(zhì)量

一、水閘的選址原則

在水閘建設(shè)過程中，水閘的選址是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。分析已建水閘工程的失事，其主要原因往往是閘址地質(zhì)條件不好，或雖然經(jīng)過人工處理但仍未處理好，屬于不良人工地基，導(dǎo)致水閘失穩(wěn)、滲透破壞或者沖刷破壞。水閘選址的原則是水閘穩(wěn)定安全、能夠較好地滿足水閘的使用要求、水流流態(tài)穩(wěn)定、水閘便于管理、造價經(jīng)濟。針對上述情況，在滿足水閘使用要求和管理的情況下，水閘在選址時應(yīng)根據(jù)水閘的地質(zhì)條件和水文條件選擇地質(zhì)條件良好的天然地基，最好是選用新鮮完整的巖石地基，或者是承載能力大、抗剪強度高、壓縮性低、透水性小、抗?jié)B穩(wěn)定好的土質(zhì)地基，如果在規(guī)劃選址的范圍內(nèi)實在找不到地質(zhì)良好的天然地基，只能對天然地基進(jìn)行技術(shù)處理。對地基進(jìn)行技術(shù)處理的造價是較高的，一般占總造價的20%～40%。經(jīng)過技術(shù)處理的水閘地基如在施工或管理等方面不規(guī)范，容易導(dǎo)致地基破壞，最后致使水閘失事，所以在水問選址的時候應(yīng)綜合考慮各種情況，選擇良好的天然地基。

二、水閘設(shè)計的現(xiàn)實意義及理論基礎(chǔ)

水閘工程是重要的水利工程之一，該工程對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及社會經(jīng)濟發(fā)展有重要作用，還有助于抗旱防汛工作。它多建在河道、渠道及水庫、湖泊岸邊，是具有擋水和泄水功能的低水頭水工建筑物。關(guān)閉時，可以起到保證上游取水或是通航方便的作用；開啟時，可以調(diào)節(jié)下游水流量供求關(guān)系。基于此，水閘設(shè)計是施工工程的靈魂，占據(jù)重要地位，故水閘設(shè)計單位應(yīng)制訂出合理的設(shè)計方案，以便為施工單位提供可靠依據(jù)，確保水閘施工的規(guī)范性。水閘的結(jié)構(gòu)組成包括閘室、上游連接段和下游連接段。其中閘室是結(jié)構(gòu)主體，由底板、閘門、閘墩等部分組成，連接上下游和兩岸或其它建筑物。閘室的各結(jié)構(gòu)作用不同，其中底板用以傳送閘室上部結(jié)構(gòu)的重量及荷載到地基，防滲漏和防沖擊；閘門阻攔水流，控制過閘流量；閘墩分隔閘孔，并支承其它結(jié)構(gòu)。上游連接段的組成結(jié)構(gòu)包括沖槽、護(hù)坡、翼墻、鋪蓋和護(hù)底，其作用是引導(dǎo)水流和延長流徑，確保兩岸和閘基滲透水流的抗?jié)B穩(wěn)定性。下游連接段的組成結(jié)構(gòu)通常包括護(hù)坡、翼墻、護(hù)坦、海漫、防沖槽等，用以減小出閘水流動能，避免水流過度沖刷河床和岸坡。水閘的作業(yè)難度較大，具有地基承載力低，抗?jié)B穩(wěn)定性差，水位變幅大等特點。

三、水閘的工作特點

水閘既是擋水建筑物，也是泄水建筑物，一般修建在平原地區(qū)，平原地區(qū)的覆蓋層很厚，地基的壓縮性很大，抗滑能力差，承載能力低，所以閘的穩(wěn)定是設(shè)計中的一個重要問題。水閘靠閘門擋水，在閘上下游形成的水頭差作用下會產(chǎn)生通過閘基及兩岸的滲流，對水閘底部產(chǎn)生滲透壓力，抵消水閘的有效重量，對閘室及兩岸連接建筑物的穩(wěn)定不利，并可能產(chǎn)生有害的滲透變形危及水閘的安全。水閘開閘泄水時，閘下無水或水很淺，在上下游水頭差作用下往往有很大的流速，過閘水流攜帶的能量將引起下游的沖刷，給閘下消能帶來了困難。因水閘上下游水位差較小，容易產(chǎn)生波狀水躍，消能效率低，水面波動向下游延伸很長，對下游河床及岸產(chǎn)生沖刷，也可能會危及水閘的穩(wěn)定和安全。

四、水閘地基處理方法概述

水閘地基處理的方法很多，它們主要用于以下三個方面：（1）增加地基的承載能力，保證建筑物的穩(wěn)定；（2）消除或減少地基的有害沉降；（3）防止地基滲透變形。

4.1木樁加固法

木樁加固法屬于樁基法中的一種，此方法是一種十分古老的地基加固方法。由于木樁加固設(shè)計簡單，施工方便，不受環(huán)境限制，取材方便，直至20世紀(jì)60年代初，受技術(shù)和經(jīng)濟條件限制，國內(nèi)水利行業(yè)對較深厚的軟土閘基處理仍缺乏足夠的手段和辦法，采用木樁加固地基幾乎成為唯一的選擇。木樁的設(shè)置一般有兩種方法，一是將木樁樁頭與閘底板澆注在一起，形成類似樁頂鉸接的深基礎(chǔ)，另一種則在木樁樁頂設(shè)碎石墊層，實際上屬于復(fù)合地基的一種。近年來廣東省在水閘安全鑒定中發(fā)現(xiàn)，無論采用哪種設(shè)樁方法，相當(dāng)數(shù)量采用木樁基礎(chǔ)的水閘都出現(xiàn)了險情，破壞主要表現(xiàn)在樁體腐朽導(dǎo)致水平和豎向承載力不足、閘基樁土變形不協(xié)調(diào)等。

4.2換土墊層法

換土墊層法屬于置換法，也是一種古老的、相當(dāng)成熟的地基處理方法。該方法加固原理比較清楚，施工簡便，施工質(zhì)量易于保證，是淺層地基處理的首選。

為避免工程造價過高以及增加基坑支護(hù)費用，一般換填深度小于3m。如軟弱土層小于3m，下臥層地基承載力較高時，將軟弱土層完全挖除換填后，一般均可滿足水閘對承載力和變形的要求。如果軟弱土層比較厚（層厚遠(yuǎn)大于3m），僅能換上層軟弱土?xí)r，應(yīng)盡量避免采用換土墊層法處理閘基，因為換填后雖然可提高基底持力層的承載力，但水閘地基的受力層深度相當(dāng)大，下臥軟弱土層在荷載下的長期變形可能依然很大。實踐表明采用換土墊層法處理的地基出現(xiàn)問題的相對比較少，故至今仍是水閘淡層地基處理的主要方法之一。

五、水閘施工過程中出現(xiàn)裂縫的原因及預(yù)防措施

下面介紹施工不同階段底板與閘墩裂縫成因及具體預(yù)防措施。

1）底板混凝土澆筑后，水泥發(fā)生水化反應(yīng)，釋放出大量的熱量。底板內(nèi)部溫度高于四周溫度，使得混凝土表面與內(nèi)部出現(xiàn)溫差。承受力對應(yīng)溫度分布，出現(xiàn)表面承受拉應(yīng)力，內(nèi)部承受壓應(yīng)力的規(guī)律。由于此階段混凝土抗拉強度低且導(dǎo)熱性能較差，大量的水化熱量仍積貯在混凝土內(nèi)部。故混凝土底板很可能從表面開裂。如果忽略混凝土澆筑質(zhì)量的不均勻性，裂縫會出現(xiàn)在底板中部。

2）底板混凝土溫度逐漸下降，使得混凝土內(nèi)部發(fā)生溫縮變形，在地基的約束作用下，溫縮變形使底板中心出現(xiàn)拉應(yīng)力而導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。但通常情況下，水閘多修筑于土基之上，土體不會對混凝土起到強大的約束力且混凝土的抗拉強度隨其齡期的增長有所提高，故修建在土基上的底板混凝土此階段很少出現(xiàn)裂縫。

防裂措施：

1）材料優(yōu)化措施：①降低混凝土的絕熱溫升這是最直接、最有效的溫控防裂方法，能有效地控制混凝土的溫升幅度。②提高混凝土的抗拉強度通過降低水灰比以及在混凝土中加入纖維材料可使混凝土的抗拉強度增加。水灰比減小后無法保證拉應(yīng)力的減小，而纖維材料的加入，可明顯提升混凝土的抗拉性能。③摻入減水劑或膨脹劑在水灰比一定的條件下，摻入減水劑可以減少使用水和水泥的量，從而降低混凝土的絕熱溫升，有利于混凝土的防裂；摻入膨脹劑可在一定程度上補償混凝土的自身體積收縮變形和混凝土溫縮變形，大力改善后期混凝土拉應(yīng)力狀態(tài)，有效防止混凝土開裂。

2）施工優(yōu)化措施：①降低混凝土的澆筑溫度施工中，可采用降低骨料溫度、加冰（水）拌合、縮短運輸距離等方法實現(xiàn)此目的，可降低混凝土早期溫度峰值，從而減小混凝土早期的內(nèi)外溫差以及后期的溫降幅度，有效防止混凝土開裂。②保持混凝土表面的溫度這項措施經(jīng)濟且有效，混凝土表面覆蓋保溫材料后，內(nèi)外溫差明顯減小，使得拉應(yīng)力隨之減小而防止開裂。③減小底板與閘墩的澆筑間歇時間閘墩后期開裂的原因是由于底板與閘墩澆筑間歇時間過長。通常將底板和閘墩的澆筑間歇時間控制在一個月左右，可減小閘墩澆筑時混凝土的彈性模量和約束作用力，從而減小內(nèi)部拉應(yīng)力來防止開裂。

結(jié)語：

在水利工程水閘施工過程中，我們可能會遇到各種各樣的問題，排水和止水是水閘工程中最主要的，需要我們在水閘設(shè)計的時候就予以認(rèn)真對待，把工程施工中可能出現(xiàn)的問題盡可能全面地設(shè)想到，并研究出妥善的預(yù)防及解決措施。這就需要我們設(shè)計單位的工作人員充分發(fā)揮自己的能動性，確保設(shè)計方案的萬無一失。