水闸的防渗、排水设计

水利科技　２ｏ１４年第２４期Ｉ科技创新与应用　浅析水闸的防渗及排水处理　张娟　（黑龙江省松花江航运枢纽建设管理中心库区科，黑龙江哈尔滨１５００２６）　摘要：水闸在航运过程和水利工程建设中具有举足轻重的作用，其施工质量的好坏直接影响后期水流控制和排放的效果，因　此，在水闸设计施工过程中，要严格按照水流排放量需要来操作，以提高水闸的使用寿命和运行效果。文章就水闸在使用过程中　经常出现的渗漏和排水问题进行系统分析，以找出有效的应对方法，保证水闸能够正常发挥作用。　关键词：渗漏原因；止水片；混凝土施工；闸基排水性能　在水利工程和航运过程中，水闸主要发挥着水流拦截和泄洪的　作用，工作人员通过对水闸闸门的控制来调整闸门的起落高度，进　而实现控制水流量的目的。在洪水高发期，可以通过降下闸门的方　法以起到洪水拦截的作用，同时还可以通过闸门的上升实现水流的　排放，为农田灌溉带来了便利。可以说，闸门的设计对水流调节起到　了巨大的作用，因此，在水利工程建设过程中，要尤其注意提高水闸　的施工质量，以更好的发挥其功效。目前在我国，水闸在运行中主要　出现的问题就是渗漏现象较为严重，要想延长水闸的使用寿命，就　必须找出问题的根源并加以有效改进。　１水闸使用过程中容易出现的问题　水闸的建设和应用范围十分广泛，但由于其所处运行环境的特　殊性，经常会出现各种各样的运行问题。首先，新建成的水闸可能会　由于施工技术方面的影响，导致施工质量出现问题，进而使得水闸　在使用不长时间之后就不能正常发挥其功效；其次，水闸在运行过　程中长期处于浸水的环境中，部件极易发生老化锈蚀现象，同时由　于地区气温的变化，水闸还会经历水流冰冻和融化的过程，并长期　受到水流的冲击，天长日久难免会危及使用的安全性；再次，水闸地　基长期受到水流冲刷必然会产生沉降现象，从而导致水闸根基不　稳，发生变形。水闸工程中混凝土开裂也是影响水闸质量的重要因　素。　２导致水闸发生渗漏的原因分析和改进措施分析　水闸在使用过程中最为经常出现的问题就是发生渗漏现象，尽　管我国在水利建设过程中的施工技术日益提高，但还是时常会出现　水闸渗漏的情况，为了降低水闸渗漏的发生率，采取有效的防治措　施十分必要。　２．１引发渗漏现象的主要影响因素　水闸发生渗漏现象的原因可以归结为如下几方面：其一，混凝　土施工质量不过关导致闸体位置发生变形和偏移。混凝土工程极易　受到温度的影响发生开裂现象，同时又会在长期的水流冲击下发生　沉降，使得其稳固性受到严重影响。其二，水闸止水片容易出现问　题。止水片在水闸使用过程中起到加强密封性能的作用，以弥补闸　体结合处存在的渗水缺陷，因此其对于水闸的防渗起到重要的作　用。在水闸运行时，止水片表面会受到大量外界污染物的侵蚀和水　流的冲击，长此以往会降低其防渗性能，因此，要定期对止水片进行　清理。另外止水片本身也可能存在透水情况，或者在长期使用过程　中发生松动或脱落现象，导致其无法发挥其正常的密闭性能。　２．２有效的防渗改进措施分析　２．２．１对于止水片的有效处理　首先，在止水片的选用时要尤其注意检查其质量，除了其型号　要符合水闸施工要求之外，还要检查其表面是否存在漏眼或腐蚀缺　陷，并实现做好防水性能试验；止水片的安装施工要严格按照安装　步骤进行，不得越步或违规操作，安装和固定止水片的方法要恰当　选择，避免在安装时对止水片造成损坏；在水闸使用过程中，要定期　进行止水片的检验，及时清理器表面上的污渍和杂物，发现破损松　动情况要及时维修或更换；止水片与其他部位的连接处要进行密闭　处理，可以采用焊接的方法提高其密封性能；安装完成后要进行密　闭性试验；除此之外，在混凝土施工和其他施工环节，要注意尽量避　免杂物粘附到止水片表面，如果出现此种情况要及时清理，以免降　低止水片的密封性。　２．２．２提高混凝土施工的质量　重要的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。　２．２．３接缝处理　一般在预先留置的沥青孔一面设计长度为ｌｍ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，　不能使沥青孑Ｌ内掉入垃圾与杂物，否则必然会留下渗漏隐患。　３如何提高水闸的排水效能　水闸的主要功效就是控制水流的排放，要想实现理想的排水效　果，就一定要关注消力池下部排水、翼墙排水与闸基排水等问题，应　当做好以下２个方面的工作。　３．１排水孔位置和尺寸的设计要科学　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　排水孑Ｌ，在孑Ｌ下部铺设反滤层。一些水闸消力池下面的排水孑Ｌ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，长此以往，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。　３．２提高闸基的排水性能　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、粗砂与乱石等护坦、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。　４结束语　水闸的施工和日常管理是否到位直接影响水闸排水效能的发　挥和使用的寿命，鉴于水闸在水利工程中的重要地位，施工方和管　理方必须协同努力，在施工中确保水闸的施工质量，并重视水闸在　使用过程中的日常养护，最大限度发挥其排水功效，以更好的造福　于人类。　参考文献　［１】黄木顺．浅谈水闸的防渗及排水设计［Ｊ］．中国水运（下半月），２０１２．　［２］蒋利俊浅谈水闸的防渗及排水处理［Ｊ］．农业与技术，２０１３．　［３］５－长金，石平．水闸的防渗及排水设施［Ｊ］．黑龙江水利科技，２００７．　

水利科技

《华东科技》 2021·1 363 水闸设计常见问题以及对策浅析 张 云 （丽水利源工程咨询有限公司，浙江 丽水 323000） 摘要：水闸工程设计中，闸室稳定与沉降、闸门安全、渗流、冲刷、止水渗漏等是绕不开的常见问题，必须考虑到位、设计规范，才能为水闸安全提供最基础的保障。基于此，本文阐述了水利工程中水闸的组成以及对水闸设计中常见问题进行归纳与分析，以供参考。 关键词：水闸；常见问题；对策浅析 1 水闸组成部分及其作用 水闸一般由上游连接段、闸室段和下游连接段三部分组成。 上游连接段一般由上游护底、防冲槽、铺盖、上游翼墙及两岸护坡等组成。上游连接段的主要作用是引导水流平顺地进入闸室，保护上游河床及河岸免遭冲刷并具有防渗作用。 闸室是水闸主体部分，一般由闸底板、闸墩、闸门、胸墙、工作桥及交通桥等组成。闸底板承受闸室全部荷载并均匀传给地基，还具有防渗、防冲等作用。闸墩可以分隔闸孔，同时支撑闸门、工作桥及交通桥等上部结构。闸门可以挡水和控制下泄水流。胸墙是用来挡水以减小闸门高度的。工作桥供操作便利之用。交通桥用于连接两岸交通。 下游连接段通常包括护坦、海鳗、下游防冲槽、下游翼墙与护坡等，具有消能和扩散水流的功能。 2 水闸设计常见问题探析 2.1 闸室稳定及沉降问题 水闸在重力和外部荷载的作用下，可能产生较大沉降以致影响正常使用，尤其是不均匀沉降，会导致水闸倾斜甚至断裂，为此，在设计阶段，水闸要合理选择闸址、闸型以及采取必要的地基处理措施，确保水闸在施工、运行各时期，都不产生过大的沉降，不致因基底压力的作用使地基发生剪切破坏而失稳。 水闸关闸挡水时，水闸上下游的水头差造成较大的水平水压力，使水闸有可能向低水头一侧滑动，因此，水闸设计时应确保水闸有足够的水平抗滑力，以维持自身稳定[1]。 2.2 闸门安全问题 闸门是水工建筑物的重要组成部分之一，它的作用是封闭水工建筑物的孔口，并能够按需要或局部开放这些孔口，以调节上下游水位，泄放流量，放运船只、木排、竹筏，排除沉沙、冰块以及其他漂浮物[2]。闸门装置在水工建筑物总造价中所占的比重很大，而且闸门一旦失事，危害甚大，因此，在设计阶段，应对设计水闸的作用、规模、重要性、运行特性、水位条件以及具体的构造布置等有全面了解，要根据当地所能达到的可能条件来进行设计，要与制造安装单位讨论协商、群策群力，使闸门在设计、使用过程中达到经济、实用、安全。 2.3 渗流问题 水闸挡水使水闸上下游存在水位差，由于水位差的作用，水将通过地基及两岸向下游渗流，渗流对水闸和两岸建筑物的稳定不利。同时，地基在渗流作用下，易产生渗透变形，严重时水闸地基和两岸的土体会被掏空，危及水闸安全。为此，水闸设计时，应妥善设计防渗和排水设施，并在渗流逸出处设置反滤层等，将闸基中的渗水有计划的排向下游，以减小闸底板的渗透压力，增加闸室稳定性，以防止发生渗透变形。 2.4 冲刷问题 水闸是一种具有挡水和泄水双重作用的低水头水工建筑物，开闸泄水时，在上下游水位差的作用下，过闸水流往往具有较大的流速，流态也较复杂，过闸水流涵盖的能量会引发冲刷问题，通过长时间的冲刷作用，容易导致闸室地基被掏空，更有甚者会致使水闸失事。因此，水闸设计时除保证足够过水能力外，还需要采取有效的消能防冲设施，以防止产生有害的冲刷。 2.5 止水渗漏问题 在一般较大工程的修建设计中，由于不能连续浇注，或由于地基变形，或由于温度改变致使的混凝土构件热胀冷缩等缘由，要留下施工缝、沉降缝、变形缝，存在渗漏隐患。设计时凡具有防渗要求的缝都应设止水，避免发生渗漏危害。 3 水闸设计常见问题对策浅析 3.1 科学选取水闸闸址 水闸选址不当是造成事故的重要原因，关乎下游人民群众生命财产安全。水闸选址时应从地形地貌、地层岩性、物理力学性质指标、施工条件及工程投资等方面进行综合经济比较，分析各拟定闸址优劣。在满足预定水闸功能的前提下，为使闸室稳定及防止沉降，应尽量选择承载能力强、压缩性能小的天然岩基。若选定闸基为土基，应进行地基处理，确保水闸安全、正常运行。 3.2 合理确定水闸类型与规模 根据所开发项目的任务以及选址，确定水闸类型，可分为进水闸、节制闸、分洪闸、排水闸、冲砂闸和挡潮闸等，亦可在一座多孔水闸内设置不同功能，比如浙江省丽水市玉溪水利枢纽，其闸孔中有2孔为引水发电进水闸、6孔为泄洪闸、4孔为冲砂闸、1孔为船闸。合理确定工程等别及建筑物级别对勘测设计单位、施工单位、运行管理单位均有重要意义，直接影响建筑物防洪标准、结构安全系数、管理要求等，可根据开发的任务要求、规划以及相关规范规定确定工程规模。 3.3 经济比选水闸工作门 河床式水闸工作门，一般选用平面闸门或弧形闸门。两者比较，平面闸门有便于制造加工、安装、运输和便于检修维护等优点，弧形闸门较平面闸门启闭力小、结构水力条件好。通常情况下认为，平面闸门有门槽，水流条件差；弧形闸门无门槽，水流条件好。实际中，弧形闸门无门槽、水力条件好的优势，在低水头条件下并不明显[3]，因此，不应以水力条件不良为由，轻率地否定平面闸门方案，还应考虑施工、安装、运行、经济等其他因素，以具体项目进行设计，必须作综合经济比较后确定。 3.4 有效设计防渗排水体系 水闸的防渗排水是采取必要和可靠的防渗排水措施，以消除和减小渗流对水闸所产生的不利影响，保证闸基和两岸不产生渗透变形。根据水闸作用水头的大小、地基地质条件和闸下游排水设施等因素，通过渗流计算，验算地基土的抗渗稳定性，确定闸底所受的渗透压力，最终经济合理地拟定水闸地下轮廓线的型式和尺寸。防渗设施是为了延长渗径，以降低渗透压力和渗透坡降，防渗设施有水平铺盖、板桩、齿墙等。 水闸的排水设施主要是将闸基中的渗水有计划地排到下游，以减小闸底板的渗透压力，增加闸室稳定性。水闸排水问题主要集中在闸基排水、消力池底板排水。闸基排水一般采用平铺式排水，即用透水性较强的卵石、砾石或碎石平铺在闸底板、护坦等下面，由此与下游连通，降低渗透压力。消力池底板排水一般在水平护坦的后半部设置垂直排水孔，孔下铺反滤层，以使从底板渗下的水量从垂直排水孔排出，从而达到减小消力池底板渗透压力的作用。 3.5 规范设计消能防冲 水闸消能防冲一般由消力池、海漫、防冲槽、上下游翼墙及河床防护等部分组成。适当选取消能防冲设计条件，合理设计消能防冲设施布置，权宜利用当地合适防冲材料，保证消能防冲设计效果，防止闸基、河床及河岸遭受严重冲刷。 3.6 相宜选择止水材料和工艺 水闸工程中常出现止水渗漏问题，止水发生渗漏的原因有很多， （下转第 374 页）Mineral Technology

四、防渗设计

（一）闸底地下轮廓线的布置

1、防渗设计的目的

防止闸基渗透变形；减小闸基渗透压力；减少水量损失；合理选用地下轮廓尺寸。

2、布置原则

防渗设计一般采用防渗和排水相结合的原则，即在高水位侧采用铺盖、板桩、齿墙等防

渗设施，用以延长渗径减小渗透坡降和闸底板下的渗透压力；在低水位侧设置排水设施，如

面层排水、排水孔排水或减压井与下游连通，使地下渗水尽快排出，以减小渗透压力，并防

止在渗流出口附近发生渗透变形。

3、地下轮廓线布置

（1）闸基防渗长度的确定。根据公式(2)计算闸基理论防渗长度为56.24m。其中 为

渗径系数，因为地基土质为重粉质壤土，查表取8。 L=8×7.03=56.24 m

（2）防渗设备 由于闸基土质以粘性土为主，防渗设备采用粘土铺盖，闸底板上、下

游侧设置齿墙，为了避免破坏天然的粘土结构，不宜设置板桩。

（3）防渗设备尺寸和构造。

1）闸底板顺水流方向长度根据公式(1)计算，根据闸基土质为重粉质壤土A取2.0。

L底=A×H=2×7.03=14.06 m

底板长度综合考虑上部结构布置及地基承载力等要求，确定为16m。

2）闸底板厚度为t=16 ×9=1.5 m。

3）齿墙具体尺寸见图1。

图1 闸底板尺寸图 （单位：cm）

4）铺盖长度根据（3 ~5）倍的上、下游水位差，确定为36m。铺盖厚度确定为：便于施工

上游端取为0.6m，末端为1.5m以便和闸底板联接。为了防止水流冲刷及施工时破坏粘土铺

盖，在其上设置30cm厚的浆砌块石保护层，10cm厚的砂垫层。

4、校核地下轮廓线的长度

根据以上设计数据，实际的地下轮廓线布置长度应大于理论的地下轮廓线长度，通过校核，

满足要求。 铺盖长度+闸底板长度+齿墙长度= 36+16+6.8=57.8m>L理=56.24 m

（二）排水设备的细部构造

1、排水设备的作用

采用排水设备，可降低渗透水压力，排除渗水，避免渗透变形，增加下游的稳定性。排

水闸的防渗、排水设计

水闸挡水时，由于上、下游水头差的作用，不仅在闸基土体中会产生渗流，同时还会产生绕过两岸连接建筑物的岸坡绕渗。渗流对建筑物产生的不利影响主要有：①降低了闸室的抗滑稳定及两岸翼墙和边墩的侧向稳定性；②可能引起地基的渗透变形，严重的渗透变形会使地基受到破坏，甚至导致水闸失事；③损失水量，一般情况下损失数量甚微，可略而不计；④使地基内的可溶物质加速溶解。

闸基防渗设计的要求是：确定最优的地下轮廓及防渗排水措施，使闸基渗透压力适当减小，使闸基不发生渗透变形，并使闸基渗流量控制在允许范围内。总之，在保证水闸安全的前提下，做到经济合理。

1 水闸的防渗长度及地下轮廓的布置

1. 防渗长度

当水闸形成上、下游水位差时，上游水经过地基向下游渗透，并从护坦的排水孔等处排出。如图7-16所示，沿着铺盖、板桩及闸室底板的这根流线为1—2—…—17，这是闸基渗流的第一根流线。上述铺盖、板桩及闸室底板等不透水部分（连续）与地基的接触线，称为地下轮廓线（即第一根流线）。该线的长度称为防渗长度或渗径长度，此时， 12231617L，如进口段设有干砌块石及垫层（图7-16左下方），则12231617L；如铺盖与闸室之间的止水受到破坏或没有设置，则78891617L。从图7-16的实例，可以清楚地看出，防渗长度有三个特点：①起点是入土点，即水流进入土基的这一点；②终点是出土点，即水流离开土基的这一点（排水的起点）；③中间是连续线，即起点与终点之间没有间断。

图 7-16 水闸地下轮廓 (单位：m) （第5版 图7-13 图名相同）

水闸防渗排水布置应根据闸基地质条件和水闸上、下游水位差等因素，结合闸室、消能防冲和两岸连接布置进行综合分析确定。SL 265—2016《水闸设计规范》提出，初步拟定的闸基防渗长度应满足下式的要求：

LCH （7-11）