涵洞式水闸泄流计算及影响分析

刘洋

【摘要】涵洞式水闸常修建在挖方较深的渠道中及填土较高的河堤下，由于抗滑稳定能得到保证，所以其设计常被人们忽视，使得水闸在运行中经常出现底板沉降不均匀，洞身段产生裂缝、渗漏等现象，造成地基渗透变形等不良后果，严重时会威胁水闸及堤防的安全。本文对涵洞式水闸设计中的水力计算及地基、泄流产生的影响进行了探讨。

【关键词】涵洞；水闸；计算；影响

水闸按照闸室构造不同，可以分为开敞式水闸和涵洞式水闸。开敞式水闸闸室顶部没有填土，是露天的；涵洞式水闸闸室有洞身段，洞顶有填土覆盖，当有交通要求时，可在填土顶部设置公路。涵洞式水闸常修建在挖方较深的渠道中及填土较高的河堤下。从这一方面讲，相对于开敞式水闸较为有利。但是涵洞式水闸属于地下建筑物，其水力计算不同于开敞式水闸，泄流能力往往受涵洞长度、坡度及断面尺寸控制。在结构计算中，涵洞的受力特点是：除承受自重、内水压力、地基反力、温度荷载等作用外，还要同时承受土压力和外水压力的作用。如果地基条件不好，设计不合理，施工质量差，或者工程老化、年久失修，将导致闸室底板及洞身段产生不均匀沉降，出现裂缝，产生渗漏，使建筑物或各构件强度下降。防汛资料表明，在堤防上运行了一段时间的涵洞式水闸都不同程度上存在着工程隐患，这些工程往往是防汛抢险的重点对象。同时，由于涵洞式水闸表面被泥土覆盖，其各种病害现象不易被发现，一旦发现，其情况一般已较严重，且修复困难。

1、涵洞式水闸的泄流计算

开敞式水闸一般是护坦紧接闸室，其次是海漫、防冲槽等，其闸孔尺寸大都按淹没宽顶堰流公式计算确定，涵洞式水闸的闸室后面是涵洞，由于地形条件及工程量等因素的影响，涵洞断面及底坡不可能很大，再加上涵洞一般较大，因而涵洞式水闸的泄流能力往往受涵洞各种参数控制，其泄流能力应视不同情况进行计算，根据涵洞洞顶是否被淹没而将水流分为无压流和有压流。

2.1 无压流涵洞式水闸泄流计算

无压流涵洞要保证在各种水位流量情况下，洞顶应高出洞内水面一定高度，一般为40cm，洞顶净空面积应为涵洞断面面积的15%-20%。涵洞分为长洞和短洞，洞长不影响过流能力的涵洞称为短洞；反之则称为长洞，其判别方法如下。

当涵洞底坡为缓坡且趋近平坡时，长短洞的界限长度为：

当洞长大于时，为长洞，反之为短洞。

当底坡为陡坡，泄流能力不受洞长影响，按短洞进行计算。

2.1.1 短洞的计算

由于泄流能力不受洞长影响，进口水流为宽顶堰流，故可用下式计算流量Q：

2.1.2 长洞的计算

对于长洞，一般需要由下游向上游推算水面线，以求得进口断面处的水深。基本計算公式为：

式中，具有下标和+1的量，分别表示计算段的下游断面和上游断面的水力要素。

2.2 有压流涵洞式水闸泄流计算

当涵洞为有压流时，应按有压流计算，其公式为：

在计算时，首先要确定涵管是有压流还是无压流，并判断属于长洞还是短洞，然后根据情况采用相应的公式进行计算。

2、地基条件的影响

地基条件是设计时考虑主要的因素之一，在涵洞式水闸中地基条件更显得重要。首先，堤坝是沿河两岸布置的，其地质条件往往很差。水闸都是由混凝土、浆砌石建成的，水闸基础地面的荷载一般大于天然地基的承载能力，因此，常需采用深基础（例如桩基、沉井基础等）或对天然地基进行加固处理。

在涵洞式水闸施工及运行中常会出现一些不可预见的影响因素，致使水闸设计中地基的承载能力能满足要求，从计算上判断不应该出现问题，但在水闸建成运行一段时间后，闸底板发生变形、断裂，或接缝中的止水破坏，使地基发生渗透变形，影响堤防安全。

过去我国堤防的建设标准很低，随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，堤防建设的标准也逐步提高，其工程措施通常是在旧堤防基础上将其加高加宽。因此，堤防上的涵洞式水闸也需要改造或扩建。有些工程由于技术工作不细致，没有对原来的水闸进行加固，致使水闸在改造或扩建之前运行良好，而改造或扩建之后出现了一系列问题。

3、水闸泄流的影响

涵洞式水闸常建造在主河道堤防的一侧，因此，水闸的泄流经常受到外河水位影响。在汛期，堤防内外水位都很高，在一般情况下，上下游水位差很小，过闸水流常处于缓流状态，涵洞水流为有压流；对于有些水闸，由于可能出现上下游水位差较大的情况，闸孔出流为急流状态，而涵洞水流可能为有压流，也可能为无压流。对于低水头泄水涵洞，水压力一般不很大，涵洞的主要作用力为上部荷载及地基反力。同样，闸门关闭的速度不能太快，否则会在有压涵洞内产生水锤现象。

当涵洞内的水流流速太大时，设计时须慎重考虑由于地基不均匀沉降引起涵洞接缝开裂造成的危害，例如涵洞接缝开裂造成洞内水流外渗，会造成浸润线增高，严重时可能导致渗透变形。特别是当涵洞发生不均匀沉降造成过大的裂缝时，由于洞内高速深水流的作用，内水压强减小，外水倒渗，如果裂缝处没有反滤层保护，洞内高速水流将把洞外土料带入管内，并随水流带走，在裂缝处形成空洞，进一步加剧裂缝的发展，直至涵洞断裂。通常，对于比较长的涵洞，地基的不均匀沉降是不可避免的，因此涵洞分缝的间距不能太大，除做好接缝止水外，还应在分缝处布置反滤层。此外，还要防止高速水流对涵洞的磨损、气蚀等。