薛国强：浅谈水闸工程设计思路、重点、难点与关键点

题记：前已谈及工程系列篇心得之城乡供水一体化工程设计理念、重点与难点；填海造地工程设计理念、重点、难点与关键点；滨海护岸工程设计理念、重点、难点与关键点；今之就结合本人2008-2011年期间从可研阶段、初步设计阶段直至施工图设计和施工配合阶段作为项目主要负责人及现场设代负责的一个水闸工程为主体的海堤开口建设工程——厦门集杏海堤开口改造工程再谈谈工程心得系列篇之水闸工程设计思路、重点、难点与关键点，与诸位学习、交流与分享。

1 前言

厦门集杏海堤开口改造工程属省重点工程，工程位于厦门西海域西北部杏林湾湾口的集杏海堤东段，建设规模为新建水闸一座，采用闸涵结合的结构型式，闸孔总净宽264m，主要是为了提高杏林湾水库的防洪设计标准，达到50年一遇湾内水位控制在1.40m的防洪要求，减少洪涝灾害对周边人民的生产和生活安全造成的不利影响。

2 工程功能定位与设计理念

厦门市杏林湾位于集美区和杏林区之间，是后溪的入海口。1959年在杏林至集美之间的海域上兴建集杏海堤。集杏海堤长2890m,垦区面积1.48万亩，保护耕地3万亩。由于杏林湾库区被开垦及水库淤积，蓄洪库容减少等原因，杏林湾水库防洪标准小于10年一遇，洪涝灾害已严重影响人民的生产和生活。园博园的建设占用了部分陆域和水域，因而进一步减小了杏林湾水库有效库容。另外，集美文教区又对杏林湾暨园博园岸线规划及开发建设进行了调整。随着杏林湾水库库容的减少，防洪排涝的形势愈加严峻。

与此同时，随着杏林湾水库库容的逐步减少，杏林湾水质条件有逐步变坏的趋势。因此，如何兴建“厦门集杏海堤开口改造工程”以提高杏林湾水库及水库周边地区的防洪排涝标准，达到既能解决库区的防洪安全、园博园度汛安全及库周地区的内涝问题，又能满足土地合理开发与利用，形成一个有利和提高城乡居民生产和生活环境，促进经济发展与繁荣，是一个急待解决的问题。

厦门市政府对此给予高度重视，于2007年12月底召集相关单位和部门进行协调，明确提出集杏海堤开口改造工程的目的由原来的“防洪排涝”的单一功能转变为“提高防洪排涝能力、增加湾内纳潮量、加大航道冲刷能力、增强湾内外水体交换能力、改善水质环境、保证景观水深”的综合功能。

3 工程主要设计及计算内容3.1 主要设计内容

工程主要设计内容包括总平面布置、水文、调洪演算、水工建筑物（含水闸建筑物、海堤加固改造、护岸、施工临时围堰等）、金属结构（闸门与启闭机）、路桥（含海堤道路路面、路堤等）、交通组织、市政工程（现有市政设施改建、箱涵等）、电气、控制（含工程观测）、给排水及消防、通信、土建（生产和辅助生产建、构筑物）等工程设计，以及工程投资估算的编制工作。具体如下：

（1)根据开口位置、最新测量地形图及新调整纵段、规划海堤清淤后高程图，计算海堤开口需清除海堤及两侧抛石方量、以及清淤土方量；

（2)根据收集到的地形资料，按照铁路改移杏林大桥考虑，尽量利用海堤现有的宽度，按照城市道路规范制定标准，同时考虑轻轨预留；

（3)渠道、供水、铁路、公路、氮气管、电缆、光缆等市政管线的迁移及设计并与相关单位协调沟通，同时应考虑部分弱电管线的要求。

（4)对施工方案进行初步研究，重点是围堰施工、海堤破堤开口、下部结构施工及施工设备的进场和施工能力等。

（5)查找公铁大桥与开口段相对应部分的基础设计资料，计算在海堤开口后，改变了现有流场，需对上述桥梁基础冲刷进行重新评估，以确定基础是否需要进行加固处理，如需加固处理需进行相关设计。

（6)需对开口段桥梁两侧桥台的设计进行特别研究，确定采用何种加固、防冲措施？

（7）应提出合理的交通组织模式以及两岸互通、匝道接入形式的考虑。

（8）收集与本工程有关的海域和陆域自然条件及现有市政设施的资料，结合已有设计资料、规划资料以及实际情况，综合论证工程建设的必要性和可行性，根据工程的功能和建设目标要求，提出技术可靠经济合理的建设方案。

3.2 主要计算内容

一、总图

1、土方挖方、填方计算；

二、水工建筑物

1、海堤改造工程

（1）波浪爬高、坡顶高程的计算；

（2）护坡面层厚度、重量的计算；

（3）护岸整体稳定、地基应力的计算；

（4）工程量统计。

2、水闸工程

（1）闸室结构计算（含孔口单孔净宽、孔数、中墩、边墩、缝墩厚度、闸底板厚度、顺水流方向长度等参数计算）；

（2）水闸过水能力计算，应与前方桥涵过水能力一并计算，取二者小值为整体工程过水能力值；其中桥涵的过水能力应首先根据水力条件对桥涵尺寸参数进行长洞与短洞的判别、陡坡与缓坡的判别，而采取相应的公式计算。

（3）根据初步拟定闸室尺寸进行闸基防渗能力复核计算；

（4）闸室稳定和地基应力计算；

（5）闸室地基处理计算；

（6）消能防冲计算；

（7）工程量统计。

3、围堰工程

（1）波浪爬高、坡顶高程的计算；

（2）围堰护坡面层厚度、重量的计算；

（3）围堰整体稳定、地基应力的计算；

（4）围堰渗流稳定计算；

（5）工程量统计。

三、机电、金属结构

1、机电设备选型计算；

2、闸门结构计算；

3、闸门启闭机选型计算。

4、工程量统计。

四、市政道路、管线工程

1、北溪引水渠改造工程水力计算（含改造箱涵过流能力、过流断面尺寸等参数拟定计算，应对引水渠运行工况等基本资料进行调查核实）；

2、海堤开口后架设交通桥结构设计计算、以及水闸检修用交通桥结构设计计算；

3、供水管改造设计计算。

4、电缆、光缆等改造结构计算。

5、工程量统计。

4 工程设计总体思路、重点、难点与关键点 4.1 总体设计思路

本工程的勘察设计及相关研究工作是多项科技含量较高的技术工作的有及机合成，这些技术工作既相互独立，又相互关联，呈现一种互为条件、互相支撑的组合关系，本次勘察设计及相关研究工作的主要工作思路为：

（1）从对杏林湾历年演变资料的分析整理出发→分析杏林湾淤积成因，为设计奠定基础；

（2）根据规划、测量、勘察以及其他基础资料提出初步设计方案；

（3）利用数模、海域使用论证、环境影响评价等验证及优化设计方案；

（4）综合经济、技术、环境、社会因素最终确定设计方案。

（5）由于本工程的实施，对整个杏林湾区域的水动力、潮流、海洋生态环境等方面有一定影响，因此要根据类似工程设计经验拟定较为合理的方案，同时使用数值模拟研究进行方案验证，进一步优化确定水闸结构及闸室轴线走向等问题。

4.2 设计重点和难点

水闸作为水利工程的重要组成部分,其在设计之中容易受到施工条件、地质条件和受力条件的影响。这主要是由于其同其他建筑结构相比较有着特殊性。下面主要从水文计算、闸址选择、消能防冲、海床防护设计等几方面分别阐述本工程设计的重点和难点。

4.2.1 水文计算对水文设计依据站实测洪水过程的峰型、持续时间、年最大洪峰出现时间等进行统计分析。对河段进行历史洪水的调查，收集有关文献资料进行考证，估算历史洪水重视期。根据已有及延长的洪水系列，加入历史洪水进行洪峰频率计算，接面积比推求得防洪工程的设计洪水成果，并对洪水系列的代表性及成果的合理性进行分析。选择典型洪水过程线，按峰同频率控制放大，推求得设计洪水过程线。天然河道水面线的计算则多采用不计局部水头损失的能量方程(差分形式)逐段推算,计算中常遇的问题是初始计算断面的选择及其水深的确定。

4.2.2 闸址选择

水闸选址是影响水利工程作用和效益的关键,在一般情况下,水闸在选址的过程中首先要考虑到周围的地质条件和水文条件,并经数模、物模和调洪演算进行分析论证，最终确定推荐方案，是整个工程设计的重点与难点。就本工程而言，对于中轴线的选择，设计曾对现有海湾深槽线、现有海湾深槽线西移50m和西移100m三种方案进行了综合比选。

⑴现有海湾深槽线方案：根据相关规范、资料及工程经验，当水闸中轴线与海湾深槽线基本一致时，进出闸口的潮流较平顺，增加水体动力的效果较好。该方案水闸中轴线位置与海湾深槽线基本一致。⑵现有海湾深槽线西移50m或100m方案：为周密慎重拟定水闸中轴线位置，经多次现场踏勘、认真研究，结合相关物模、数模实验成果，认为原来方案水闸中轴线位置虽然与海湾深槽线吻合性较好，但离现有厦门大桥集美侧桥头段较近，工程建设和运行期都将对厦门大桥集美侧桥头端交通造成一定的影响，景观效果也受到一定程度的影响。为此，调整方案水闸中轴线较原来方案西移了约50m，该处地形仍较深，且与西海域清淤整治后的水域深槽基本一致，在尽量满足水流平顺的同时也考虑了工程区域交通组织的需要。物模研究结果表明，认为闸室西移50m是合适可行的。4.2.3 围堰设计
集杏海堤位于厦门主干道杏前路，东侧为集美大桥立交，西侧为园博苑，南侧临海,北临杏林湾水库。为保证集杏海堤开口改造工程的顺利实施，须在开口建闸处设置相应的围堰，其临时工程主要包括为保证基坑内干地施工而设置的内、外围堰。围堰结构的方案选择主要从经济合理安全适用便于回收利用的原则进行方案选择，根据初步调查厦门目前缺土石，厦门运用比较成熟的为袋装砂围堰。故选择袋装砂围堰方案。从钻探资料看，围堰处地基的软弱土层很厚(最厚达13m)，地基处理也是围堰结构设计方案的难点和重点。地基处理可选用水泥搅拌桩复合地基、换填、塑料排水板堆载预压等处理方案。水泥搅拌桩复合地基投资大，换填工程量大投资也会比较高，塑料排水板堆载预压工期长但地基加固投资较少，故围堰的地基处理采用塑料排水板堆载预压。围堰施工时的排水范围则主要考虑到施工作业面大小，根据需要用抽水泵站把围堰内的水抽出。内围堰垂直铺塑施工现场照片

工程验收会

4.2.3 消能防冲设计一般来说，水闸消能设计和控制方法通常以闸上游取高水位为基准,对多余的水量进行宣泄和排除,同时对下游的水位取最低下限值,这种方法的应用是目前水闸工程中最为常见的形式之一,也是确保水闸工程正常工作的核心。此种工况下闸门的初始开启度,往往是消力池深度计算的控制因素。水闸防冲设计的控制工况是:水闸泄放最大设计洪水流量,相应下游水位最低。但闸上最高蓄水位是多大?闸下水位下限值又是多少？闸门的初始开启度是多少?对于水闸设计来说需要多工况组合分析研究，确定合理的水闸运行调度方案。这些都是我们设计过程中需要重点思考的地方。4.2.4海床防护设计工程实施后，水流冲刷对建构筑物的影响主要有两方面。一方面是海床冲刷引起水闸消能设施的破坏；另一方面是水流对杏林大桥桥墩的局部冲刷，从而影响杏林大桥的安全。

物模和数模研究成果表明，集杏海堤开口后，落潮时杏林大桥基础附近最大流速达2m/s，将对水闸消能措施和杏林大桥桥墩基础产生一定的冲刷，为了减少对海域的污染，并确保水闸本身和杏林大桥结构安全，结合对桥墩基础的防护需要，设计采用全范围抛石防护方案。

沿海地区水闸泄流的特点是水位差小，但尾水位变化幅度大，闸门开启调度过程中，能形成从急流到缓流或从缓流到急流的多变流态，而且河道宽广闸孔多时，各孔难以齐步开启，容易造成不对称的集中水流和旁侧回流，从而导致水闸下游海床的冲刷。经计算，海漫末端冲刷坑深度可深达8m以上。

引起桥墩冲刷的主要原因有二：一是由于桥墩阻水而在墩前形成壅水产生下移螺旋流，在桥墩下游形成回流区，漩涡的中心形成真空，卷起泥沙带往下游，从而导致河床下切；二是由于桥墩阻水形成侧向绕流产生马蹄形螺旋流淘刷两侧地形，从而导致桥墩周围床面的冲刷，桥墩周围河床上的泥沙被冲起带向下游，逐渐形成冲刷坑（见图4-1）。

图4-1 桥墩局部冲刷现象示意图4.3 主要对策措施水闸是一种常见的水利工程，以堤围、各类水闸、电排站为代表的水利工程设施遍布各镇街，捍卫人民生命和财产安全。然而，水闸工程结构构造复杂，施工环节质量控制难度大，在施工过程中若不严把质量关，会降低工程质量，给以后的管理工作带来一定的影响，其建设工程质量问题必须引起充分重视。1、底板施工闸室地基处理后，对于软基应铺素混凝土垫层8～10cm，以保护地基，找平基面。垫层养护7d后即在其上放出底板的样线。首先进行扎筋和立模，距样线隔混凝土保护层厚度放置样筋，在样筋上分别画出分布筋和受力筋的位置并用粉笔标记，然后依次摆上设计要求的钢筋，检查无误后用丝扎扎好，最后垫上事先预制好的保护层垫块以控制保护层厚度。上层钢筋是通过绑扎好的下层钢筋上焊上三角架后固定的，齿墙部位弯曲钢筋是在下层钢筋绑扎好后焊在下层钢筋上的，在上层钢筋固定好后再焊在上层钢筋上。立模作业可与扎筋同时进行，底板模板一般采用组合钢模，模板上口应高出混凝土面10～20cm，模板固定应稳定可靠。模板立好后标出混凝土面的位置，便于浇筑时控制浇筑高程。

底板仓面的面积较大，采用平层浇筑法易产生冷缝，一般采用斜层浇筑法，这时应控制混凝土坍落度在4cm以下。为避免进料口的上层钢筋被砸变形，一般开始浇筑混凝土时，该处上层钢筋可暂不绑扎，待混凝土浇筑面将要到达上层钢筋位置时，再进行绑扎，以免因校正钢筋变形而延误浇筑时间。

为方便施工，一般穿插安排底板与消力池的混凝土浇筑。由于闸室部分重量大，沉陷量也大，而相邻的消力池重量较轻，沉陷量也小。如两者同时浇筑，较大的不均匀沉陷会将止水片撕裂，为此一般在消力池靠近底板处留一道施工缝，将消力池分成大小两部分。当闸室已有足够沉陷后即浇筑消力池二期混凝土，在浇筑消力池二期混凝土前，施工缝应注意进行凿毛冲洗等处理。2、闸墩及底板裂缝的控制混凝土表面裂缝是由于混凝土内部与表面散热速率不一致引起较大的表面拉应力,超过了混凝土的极限抗拉强度,从而产生表面裂缝。贯穿温度裂缝多是由于外界约束力而引起的,如闸墩浇筑时温度高及水化热大,使混凝土温度很高。混凝土冷却收缩时,受到闸底板的约束,混凝土内部出现较大的拉应力,当超过混凝土的极限强度时而产生裂缝。预防混凝土裂缝的措施可从降低混凝土的水化热及混凝土的入仓温度入手。如选用发热量低的矿渣水泥,优化配合比设计,减少水泥用量,降低水化热,采用双掺技术,掺高效减水剂,使混凝土缓凝推迟水泥热峰值的出现,加微膨胀剂,以补偿硅的收缩。混凝土的浇筑要选择在合适的月份,利用较低的环境气温。拌制混凝土时,用深井中的低温水进行骨料冷却也可达到降温的目的。另外,还要尽可能缩短浇筑闸底板与闸墩之间的时间间隔,使底板与闸墩的收缩应力基本同步,也可较好地控制混凝土的贯穿裂缝。3、翼墙沉陷缝的设置为了适应地基不均匀沉陷的要求,翼墙一般需设置沉陷缝。沉陷缝的设置应从墙基础开始,缝面应平整垂直。但在实际施工时往往仅在翼墙上部设缝,而基础上却忽略了沉陷缝的设置。有的虽然设置了沉陷缝,但两边缝面并不垂直、平整,起不到应有的作用,甚至有的砌石翼墙在完工后用砂浆饰一假缝。产生这一问题的原因一是没有严格按设计要求施工；二是对沉陷缝的意义不太理解。4、永久缝止水橡皮的设置设置永久缝止水橡皮是为了防止水体渗漏,减少扬压力,避免对主体工程造成损害。施工过程中常见的缺陷有止水橡皮嵌固不牢,施工中常出现移动,完工后橡皮不在浇筑层或砌体中间,起不到伸缩连接的作用止水橡皮搭接方法不当,搭接不牢,有的甚至没有搭接水平止水橡皮下的硅振捣不落实。针对以上问题,施工单位在施工中必须按规范要求精心组织、认真施工。止水橡皮要用模板嵌固,不宜用铁钉固定。橡皮接头用热接法最好,严禁用铁丝或铁钉固定。固定橡皮时,橡皮中间的伸缩圈要居于缝上间。水平止水下的橡皮施工时,要谨慎振捣,使之密实无孔隙。5、闸门止水问题闸门漏水主要表现在以下几种：一是止水橡皮与止水面不在一个平面上,致使止水橡皮与止水滑道之间有缝隙而漏水；二是从止水橡皮螺栓孔漏水；三是从底止水橡皮与侧止水橡皮的接头处或止水橡皮接缝处漏水。解决以上问题的方法：一是在安装止水橡皮时要谨慎操作,使止水橡皮与门叶顺直合贴,闸门吊人后在设计水位差下,橡皮与止水座板或滑道间无偏离,无缝隙。二是门叶预留螺孔与止水压板上的螺孔要对应一致,然后对止水橡皮进行钻孔或冲孔,不宜采用烫孔,橡皮孔径可比螺栓直径略小一点,以保证橡皮对螺栓包裹紧密。如闸门为钢筋混凝土结构,在预制过程中便应保证预留孔的位置、孔径、方向准确无误。三是闸门止水橡皮应尽量定制“门”型橡皮,减少橡皮接头,如需要接头,应采用生胶热压法胶合,不宜采用氯丁胶粘接,因为闸门在启闭过程中橡皮受力较大,很容易把胶接处撕裂。底止水橡皮与侧止水橡皮的接合处也应挤压紧密,以防漏水。
5 结语水闸是一种既能挡水,又能够在工程中下泄多余的水量,是一种依靠升降闸门来控制水位的水工建筑物。在现阶段水利工程中被广泛的应用在防洪、灌溉、排水、航运和发电等多个行业之中。水闸在目前水利工程中主要可以分为节制闸、进水闸、分水闸,排水闸、冲砂闸等,不同的水闸在水利工程中所发挥的作用和功能不尽相同,在很多的情况下,由于水利工程需要发挥多种不同的功能,因此在处理的时候可以按照水利工程作用和效益的需求来进行不同种类的设计和控制,也可以将多种类型的水闸一起应用于同一水利枢纽中。该工程为水利工程，同时涉及水利、港口、市政、交通、景观、水文、地质等多领域、多专业交叉知识，整个工程设计综合度高，需要相互配合和协调是本工程独有的特色；需根据设计委托书、物模、数模及调洪演算等技术论证报告、相关会议纪要意见和建设条件，并按照建设目标，进行周密的方案研究；在满足国家、相关行业颁布的现行标准、规范、规程及规定和地方政府有关部门颁布的相关法规条件下满足城市景观要求，应对海堤开口段建筑物的顶面高程进行合理设计，尽量降低建筑物的顶面高程，使海堤开口段的桥面（或路面）与海堤东西段道路平顺连接。同时根据市政管线现状，结合水闸和交通桥设计方案，提出合理的市政管线改造方案；尽量采用新工艺、新材料、新方法，使建设方案技术先进、经济合理、方便管理，确保结构的安全性、适用性和耐久性，尽量减少工程建设对环境的影响，提高生态环境效益；并应尽量方便施工。同时该地块临近宽广的海域；具有得天独厚的自然环境资源。对该地块进行绿化景观规划，可提升该区域的商业价值，带动整体地块经济效益的攀升，从而改善当地的生态环境，增加景观亮点，带动该地区经济的可持续性发展。总之，水闸工程设计具综合性强、多学科交叉融合特点，需进行多方踏勘、调研、沟通、协调、模型研究及周密的设计计算，结合丰富的工程经验，专家智慧以及建设、设计、勘察、施工、监理、质检等多方参建单位及相关部门的积极配合，群策群力，方可完成优质的工程设计和建设方案。

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