江门市科禹水利规划设计咨询有限公司529000
摘要：水闸是修建在河道或渠道上利用闸门控制流量和调节水位的低水头水工建筑物，一般由闸室段、上游连接段和下游连接段组成，其中闸室段是水闸发挥功能的主体部分。水闸往往和电排站、船闸等建筑物结合在一起组成水利枢纽。珠江三角洲地区为冲积平原，地质结构较为特殊，往往表层为较深厚的淤泥或淤泥质土，下层为残积土和风化岩等。在这种软基上修建水闸，主要存在地基承载力不足、消能防冲设施薄弱以及渗流破坏等问题，本文结合作者多年的工作经验，着重从以上三个方面介绍珠江三角洲地区水闸设计要点。
关键词：平原区水闸；基础处理；消能防冲；渗透破坏
一、水闸设计难点分析
珠江三角洲地区水闸与其他地区水闸相比，存在其特殊性，主要体现在地质条件、施工条件、受力条件和其重要性方面。
1.珠江三角洲地区水闸地基主要为软弱的冲积覆盖层，覆盖层多为松散的砂层或淤泥质土，松散的砂层空隙比大、透水性强、易液化；淤泥质土层抗剪强度低、压缩性大、土层含水率高，地基承载力低且往往分布不均匀。
2.水闸在挡水工况下，上下游存在较大的水头差，若此工况存在时间较长，则闸室要长时间承受较大的水平推力，对其抗滑稳定性不利；闸室边墩亦承受较大的侧向土压力，导致闸室基底应力分布复杂，容易产生不均匀沉降及渗透变形。
3.水闸在排涝工况下，水头差将产生较大的动能，水流将冲刷下游两侧河岸，破坏下游河道，水流将产生气蚀等现象，将混凝土掏空。
4.水闸施工一般选择在枯水期修筑围堰施工，若一个枯水期无法完成施工，就要考虑度汛问题，施工风险随即增大。
5.水闸承担着保护下游人民生命财产安全的重任，水闸的重要性不言而喻。
考虑到以上问题，水闸设计是十分复杂的。因此，作为一名水利设计人员，在工作中要充分考虑各个方面的问题，根据不同水闸的不同特点，综合分析，详细设计。
二、水闸基础处理方法简介
软土地基水闸基础处理的方法很多，基础处理的主要作用归结于以下几个方面：减少或消除地基的有害沉降，防止沉降对建筑物的不利影响；提高地基承载力，保证建筑物能正常运行；防止地基因渗透变形而破坏建筑物。
根据作者以往的设计经验，同时结合相关文献，总结出软土地基基础处理应用较多的几种方法主要是换土垫层法、堆载预压法、复合地基法和桩基法。下面分别简要介绍这几种方法。
换土垫层法适用于软弱土层相对较浅的地基，一般处理深度不宜超过3米。该方法加固原理清晰，施工质量有保证，是浅层地基处理的首选。该方法的缺点为处理地基范围有限。
堆载预压法是通过预先加荷载，加速场地土排水固结，以达到减少沉降和提高承载力的目的。特别适用于在持续荷载作用下体积会发生较大压缩，强度会明显提高的土类，如淤泥、淤泥质土等饱和软粘性土地基。该方法的缺点为施工难度相对较大，施工工期长。
复合地基法是天然地基在基础处理中被置换或增强而形成由天然基础土体和增强体两部分组成的加固地基。根据桩体材料性质可分为三类，散粒体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。
散粒体材料桩复合地基桩体是由散体材料组成，如碎石桩、砂桩等，此类地基的承载力主要取决于散体材料的摩擦角和周围土体提供的桩侧侧阻力。柔性桩复合地基的桩体材料有一定的粘结强度，但桩体刚度较小，如水泥土搅拌桩等，其承载力主要由桩体和桩间土共同承担。刚性桩复合地基桩体主要以水泥为胶结材料，如粉煤灰碎石桩、素混凝土桩等，此类桩桩身强度高，具有较高的地基承载力。设计中也经常采用散粒体材料桩结合柔性桩的地基处理方式，例如有些淤泥地基，试验数据显示淤泥的液性指数太大，若只采用水泥土搅拌桩无法成型，加固效果差，此时会考虑采用砂桩辅助水泥土搅拌桩成型，提高地基承载力。
桩基法常用于竖向荷载较大，对沉降有较高要求的建筑物基础，同时桩基能有效的承担一定的水平力，常用的桩基有预制桩和灌注桩。
三、水闸消能防冲设计
水闸消能防冲设施修建在水闸下游，其作用是将通过闸室的高速水流转化为正常缓流，保证河道不受冲刷，保护水闸正常运行的水工建筑设施。常用的水闸消能形式有底流消能、面流消能、挑流消能和消能戽消能。水闸消能防冲设计与使用中应注意的问题：
1.水闸出口翼墙扩散角过大，回流无法及时消除，该处单宽流量集中，流速较大，海漫容易遭受冲刷，建议出口扩散角严格按照《水闸设计规范》要求的7º～12º设计。
2.消力池太浅，急流有可能冲出消力池，发生远驱式水跃，消力池设计深度应严格按照《水闸设计规范》附录B中的计算公式确定。
3.消力池结构单薄，强度不足而遭到冲毁，因此在设计时应对消力池的脉冲压力，消力齿上的水流冲击力进行精确计算。
4.水闸运行时，管理不得当，导致水闸遭到冲刷破坏。管理人员应严格按照水闸闸门开度控制表调节流量。
四、水闸基础防渗设计
水闸在建成运行中，在上下游水位差产生的渗透压力下，闸基将产生渗透水流。当渗透水流达到某一限值时，土颗粒就会在地基中移动，靠近渗流出逸处的土颗粒首先被带到地表，从而改变土的结构和组成，称为土的渗透变形。水闸产生渗透变形的主要原因表现在：
1.水闸地下轮廓布置与两岸边墙布置不协调，地基渗透与两岸绕渗的沿程水头损失不一致。因此，设计者一定要足够重视侧向绕渗引起的不良后果。
2.反滤层被泥砂淤塞而无法清洗，导致闸基扬压力增大。
3.伸缩缝止水不严密，导致渗径缩短，应严格控制施工质量。
基于渗透破坏引起的以上问题，设计人员可采取以下工程措施减少渗透压力。为延长闸基防渗长度，应在闸室上游布置铺盖作为水平防渗，铺盖一般采用粘土、混凝土、钢筋混凝土和土工膜等；同理为延长渗径，应在闸室上游布置垂直防渗措施，一般采用钢筋混凝土板桩、水泥砂浆帷幕及地下垂直防渗土工膜等；应切实做好反滤层等导渗措施，防止渗流出口土体由于渗流变形或流失而引起破坏。
结论
本文针对珠江三角洲地区水闸设计中常遇到的沉降过大、不均匀沉降、渗透变形破坏和消能防冲工程经常被冲毁等问题做了综合性阐述，通过分析得出以下结论：解决水闸沉降量过大或不均匀沉降，应从水闸结构出发，选择轻型结构，谨慎弄清工程地质情况，从工程地质情况、原材料来源、工程安全等方面选择较好的地基处理方案；解决消能防冲问题，应弄清楚水闸运行工况，合理精准地设计消能防冲建筑物；解决渗透变形破坏，应做到防渗和导渗相结合的原则，从工程安全和经济等方面考虑，上游做好水平和垂直防渗，下游做好反滤层。望水利设计者在以后的设计工作中，能够对水闸以上三部分内容引起足够的重视。
参考文献：
[1]中华人民共和国行业标准：《水闸设计规范》（SL265-2016），2016年；
[2]《地基处理手册》（第三版），龚晓南中国建筑工业出版社2008年；
[3]《某水闸重建工程软基处理经验及教训》《广东水利水电》，杨媛、陈秀吟2003年。