摘要：修建在河道和渠道上利用閘門控制流量和調節水位的低水頭水工建筑物。關閉閘門可以攔洪、擋潮或抬高上游水位，以滿足灌溉、發電、航運、水產、環保、工業和生活用水等需要;開啟閘門，可以宣泄洪水、澇水、棄水或廢水，也可對下游河道或渠道供水。在水利工程中，水閘作為擋水、泄水或取水的建筑物，應用廣泛。

　　關鍵詞：水閘,水利建設,水利論文范文

　　中國修建水閘的歷史悠久。公元前598～前591年,楚令尹孫叔敖在今安徽省壽縣建芍陂灌區時,即設五個閘門引水。以后隨建閘技術的提高和建筑材料新品種的出現，水閘建設也日益增多。1949年后大規模現代化水閘的建設,在中國普遍興起,并積累了豐富的經驗。如長江葛洲壩樞紐的二江泄水閘，最大泄量為84000km3/s，位居中國首位，運行情況良好。國際上修建水閘的技術也在不斷發展和創新，如荷蘭興建的東斯海爾德擋潮閘，閘高53m，閘身凈長3km，被譽為海上長城(見彩圖)。當前水閘的建設，正向形式多樣化、 結構輕型化、 施工裝配化、操作自動化和遠動化方向發展。

　　水閘，按其所承擔的主要任務，可分為：節制閘、進水閘、沖沙閘、分洪閘、擋潮閘、排水閘等。按閘室的結構形式，可分為：開敞式、胸墻式和涵洞式(圖1)。開敞式水閘當閘門全開時過閘水流通暢，適用于有泄洪、排冰、過木或排漂浮物等任務要求的水閘，節制閘、分洪閘常用這種形式。胸墻式水閘和涵洞式水閘，適用于閘上水位變幅較大或擋水位高于閘孔設計水位，即閘的孔徑按低水位通過設計流量進行設計的情況。胸墻式的閘室結構與開敞式基本相同，為了減少閘門和工作橋的高度或為控制下泄單寬流量而設胸墻代替部分閘門擋水，擋潮閘、進水閘、泄水閘常用這種形式。如中國葛洲壩泄水閘采用12m×12m活動平板門胸墻，其下為12m×12m弧形工作門，以適應必要時宣泄大流量的需要。涵洞式水閘多用于穿堤引(排)水，閘室結構為封閉的涵洞，在進口或出口設閘門，洞頂填土與閘兩側堤頂平接即可作為路基而不需另設交通橋，排水閘多用這種形式。

　　水流過閘后，在消力池內產生水躍，使閘下急流轉變為緩流，通過水躍消耗的能量Ej與躍前斷面的能量Ei之比，稱為水躍消能率。躍前斷面的弗汝德數愈大，則消能率愈高。當Fr1在1O一40間，則Ej/Ei為28%一59%，低水頭的水閘，由于Fr1較小，故水閘的消能率一般較低。針對消能工設計條件及下游水深hs，對消力池及海漫的影響作些探討。

　　一、水閘消能工控制條件及消能不利原因

　　依據一些水閘的實際運行工況及消能工破壞實例分析，水閘消能工設計的控制條件，往往不一定是以泄放設計洪水時為最不利工況，而且，不同類型的水閘的消能設計條件也不相同，故在消能工的設計中，除需要考慮上下游水位、過閘流量、閘門啟閉的組合程序等因素外，還必須做大量的分析工作，以確定消能工設計的最不利組合，設計中切不可簡單地加以假定。筆者通過對一些消力池水力狀況惡劣的水閘的觀察分析，總結出消力池計算深度過深或形成不了淹沒水躍，消能率較低的主要原因為：

　　(一)由于受上游洪水流量和下游潮位不斷變化的影響，過閘水流的水位、流量及流速均在不斷變化，設計者計算時未能加以一一分析，而是簡單地定了一個上下游水位;

　　(二)下游水位很低時，未能結合對下游水面曲線的分析，考慮對閘門的開度、啟閉順序進行控制或設置多級消力池;

　　(三)未能結合設置一些消力墩等輔助消能工，促使水躍的發生。

　　二、 在不同下游水位情況下的消能防沖設計

　　(一)下游水深hs

　　消力池出口處水深應按寬頂堰自由出流公式計算。根據一定的閘下排出流量，即可按此式計算出H0，并扣去行進流速水頭(在未求得正確的池末端水深前，此值可用δHc”代替)，這樣，即可求出消力池末端水深，此值與Hc”對比，即為淹沒系數δ，要求δ值在1.05-1。1之間。如果不合，可以調整消力池開挖深度，使之基本吻合。

　　以上的計算僅表示池內水深已經淹沒。急流動能亦有所消減，但是水流出池后，仍又能對下游海漫造成很大沖刷，嚴重影響閘室安全。所以還需計算水面下降曲線，使水流出池后能與下游水面平穩連接，進一步消除急流動能。由于海漫一般都設計成1:1O或1:20的陡坡，并在其前設置>5m的水平調整段，理論上一般認為在平坡與陡坡交界處的水深為hk。因而，可根據已知的Qmax及hk值，向下推算海漫水面曲線。這是一條標準的M2型降水曲線，愈向下水深愈小，最后接近正常水深h0，流速變緩。

　　(二)下游水深hk<0.8HO

　　下游水深對出流沒有影響，故池內淹沒情況仍可按寬頂堰自由出流公式計算。對于水平調整后的水深可按hs計算，由于愈向下流速愈小，對海漫的沖刷亦愈小。但對于海漫末端的防沖槽，由于關系到河道的沖刷安全，必需精心設計和施工。

　　(三)下游水深hs>0.8Ho

　　消力池出口為淹沒流。由于下游水位抬高，消力池出口處的水深亦相應增加，因而在保證相同淹沒系數情況下。消力池可以開挖得稍淺一些。

　　三、 實例介紹

　　為進一步分析消能防沖設施，以實例進行細致探討，設定某閘為2×4m，上游水位3.40m，下游水位1.5m，該閘底板高程1.0 m，初步擬定的消能防沖結構見圖。

　　(一)求過閘流量Q

　　按寬頂堰自由出流公式計算：參數選取e(側收縮系數)=O.95，Ho≈H=2.4m，B=8m，m=O.385(當檻高P=0時)

　　求得：Q=O.95×O.385×8×4.429×2.41.5= 48.18 m3/s

　　(二)求第1共軛水深hc和第2共軛水深hc”

　　E0=hc+q2/2gφ2hc2，假定消力池池深l.2m，則池底高程-O.2m，故E0=3.40+O.2=3.60m

　　出口處B=2×4+1=9m，單寬流量q=48.18/9=5.353m2/s

　　φ=O.95，g=9.81(常數)，把以上數字代入公式，通過試算可求出hc=O.754 m，再把 代入求hc”的公式中，得hc”= 2.432 m

　　(三)求消力池出口的水深

　　先求hk

　　B=9+2×l7×tg8o=13.78 m，q=48.18/13.78=3.496 m2/s,hk=(q2/g)1/3

　　計算求得hk=1.076m

　　由于下游水深為O.5m

　　H0=(q/(2g)1/em )2/3，e為側收縮系數o.95，m=O.385，q=3.496

　　計算求得H0==1.67m

　　扣去行進流速水頭v02/2g=3.4962/19.62×(2.432×1.05)2=0.096m,

　　則得實際堰頂水深Hl=H0-v02/2g=1.67-0.096=1.574m

　　淹沒系數δ=(1.574+1.2)/2.432=1.141>1.05淹沒。

　　根據以上計算，淹沒系數略大于1.1，因此水躍已被淹沒，十分安全。再檢驗當消力池出口水位為2.574m時，是否會影響閘下的出流，只需把這一水位換算成閘門出口處的水深即可。換算水深Hs=2.574—1.0=1.574 m，則Hs/H=1.574/2.4=0.656<0.8O，故不會影響閘門下的出流。

　　(四)與下游水位的連接問題

　　通過5m的調整段，與坡度為1:10的海漫陡坡連接,陡坡起端的臨界水深hk為：

　　hk=(q2/g)1/3=(3.4962/9.81)1/3=1.076m

　　此處的流速V=48.18/1.076×13.78 =3.249 m/s。由于海漫為1:10的陡坡，則愈向下流速愈大，最后水深到達與陡坡相適應的正常水位H0，然后再向下推出Bl型降水曲線。當推出的水位到達下游水位時，可不再推求。根據以上計算原則，可以求出在海漫始端V=3.249 m/s;在距始端1.0 m處，v=3.914m/s，在距始端7.45 m處，Vmax均=5.469 m/s(與下游水位齊平)，以后水深逐漸加大，流速亦逐步減小。通過計算可知，海漫上可發生最大流速Vmax均=5.469 m/s，已明顯大于干砌塊石的允許流速，故必須把海漫全段和調整段改為混凝土預制塊砌筑(厚O.2一O.3 m)，其允許流速V≥6m/s，屬于安全。

　　(五)其它導致沖刷嚴重，消能不利的因素

　　1、操作規程不健全，閘門操作不當：多數工程閘門操作規程都只是套用通用的均勻、同步、對稱開關，以及中間、兩邊的先后等內容，沒有根據具體工程的上下游水位、流量和河道水流形態、地質條件定出具體的操作方案。

　　2、過量、無序采挖河砂：采砂未經規劃或許可，未能實現有效的采砂管理，普遍存在偷采、超采河砂現象，特別是水閘下游河道過量挖砂，造成閘下水位降低，水閘泄水時發生流量與水位失衡，這已成為水閘下游沖刷破壞的主要原因。所以應特別加強對水閘下游一定范圍內采砂活動的管理、監督。

　　四、結語

　　水閘消能防沖歷來是十分重要的研究課題，特別是在粉砂地基上建閘，更需認真對待，使建成后的水閘都能安全運行，發揮出最大的效益。并且要根據不同的工程情況，多進行現場調查，以設計出最優最安全的工程。

　　(一)求過閘流量Q

　　按寬頂堰自由出流公式計算：參數選取e(側收縮系數)=O.95，Ho≈H=2.4m，B=8m，m=O.385(當檻高P=0時)

　　求得：Q=O.95×O.385×8×4.429×2.41.5= 48.18 m3/s

　　(二)求第1共軛水深hc和第2共軛水深hc”

　　E0=hc+q2/2gφ2hc2，假定消力池池深l.2m，則池底高程-O.2m，故E0=3.40+O.2=3.60m

　　出口處B=2×4+1=9m，單寬流量q=48.18/9=5.353m2/s

　　φ=O.95，g=9.81(常數)，把以上數字代入公式，通過試算可求出hc=O.754 m，再把 代入求hc”的公式中，得hc”= 2.432 m

　　(三)求消力池出口的水深

　　先求hk

　　B=9+2×l7×tg8o=13.78 m，q=48.18/13.78=3.496 m2/s,hk=(q2/g)1/3

　　計算求得hk=1.076m

　　由于下游水深為O.5m

　　H0=(q/(2g)1/em )2/3，e為側收縮系數o.95，m=O.385，q=3.496

　　計算求得H0==1.67m

　　扣去行進流速水頭v02/2g=3.4962/19.62×(2.432×1.05)2=0.096m,

　　則得實際堰頂水深Hl=H0-v02/2g=1.67-0.096=1.574m

　　淹沒系數δ=(1.574+1.2)/2.432=1.141>1.05淹沒。

　　根據以上計算，淹沒系數略大于1.1，因此水躍已被淹沒，十分安全。再檢驗當消力池出口水位為2.574m時，是否會影響閘下的出流，只需把這一水位換算成閘門出口處的水深即可。換算水深Hs=2.574—1.0=1.574 m，則Hs/H=1.574/2.4=0.656<0.8O，故不會影響閘門下的出流。

　　(四)與下游水位的連接問題

　　通過5m的調整段，與坡度為1:10的海漫陡坡連接,陡坡起端的臨界水深hk為：

　　hk=(q2/g)1/3=(3.4962/9.81)1/3=1.076m

　　此處的流速V=48.18/1.076×13.78 =3.249 m/s。由于海漫為1:10的陡坡，則愈向下流速愈大，最后水深到達與陡坡相適應的正常水位H0，然后再向下推出Bl型降水曲線。當推出的水位到達下游水位時，可不再推求。根據以上計算原則，可以求出在海漫始端V=3.249 m/s;在距始端1.0 m處，v=3.914m/s，在距始端7.45 m處，Vmax均=5.469 m/s(與下游水位齊平)，以后水深逐漸加大，流速亦逐步減小。通過計算可知，海漫上可發生最大流速Vmax均=5.469 m/s，已明顯大于干砌塊石的允許流速，故必須把海漫全段和調整段改為混凝土預制塊砌筑(厚O.2一O.3 m)，其允許流速V≥6m/s，屬于安全。

　　(五)其它導致沖刷嚴重，消能不利的因素

　　1、操作規程不健全，閘門操作不當：多數工程閘門操作規程都只是套用通用的均勻、同步、對稱開關，以及中間、兩邊的先后等內容，沒有根據具體工程的上下游水位、流量和河道水流形態、地質條件定出具體的操作方案。

　　2、過量、無序采挖河砂：采砂未經規劃或許可，未能實現有效的采砂管理，普遍存在偷采、超采河砂現象，特別是水閘下游河道過量挖砂，造成閘下水位降低，水閘泄水時發生流量與水位失衡，這已成為水閘下游沖刷破壞的主要原因。所以應特別加強對水閘下游一定范圍內采砂活動的管理、監督。

　　四、結語

　　水閘消能防沖歷來是十分重要的研究課題，特別是在粉砂地基上建閘，更需認真對待，使建成后的水閘都能安全運行，發揮出最大的效益。并且要根據不同的工程情況，多進行現場調查，以設計出最優最安全的工程。