小型水闸上游连接段的结构型式

周海轮

(商丘市水利建筑勘测设计院，河南 商丘 476000)

1 前言

随着国家经济不断发展，水利工程建设也在逐步完善，在一些小型河渠上，一座又一座的小型水闸不断建成。上游连接段作为水闸工程中一个重要的组成，承担着导流、防渗、挡土的作用，其结构型式设计是否合理关系着整个水闸建设的成败，在水闸设计过程中，应充分考虑水闸整体布置、地质条件以及当地建筑材料的供应情况等因素，合理选择水闸上游连接段的结构型式。

2 常用结构型式

对于梯形河渠土基上的小型水闸，上游端与河渠连接处一般采用与河渠相同断面的护坡+护底的结构型式，材质可以选择混凝土、浆砌石等，对于该段的结构型式此处不作分析。本文着重论述梯形断面与闸室段之间连接段的结构型式，并对常见的几种型式进行优缺点分析。

在小型水闸设计过程中，常用的上游连接段结构型式有：①扭面+铺盖；②矩形槽铺盖+上游导流段；③挡土墙+铺盖防渗+上游导流段；④圆弧翼墙(八字墙)+加厚护坡+铺盖；⑤圆弧翼墙(八字墙)底板连接铺盖防渗+护坡导流。

2.1 扭面+铺盖

两侧采用扭面连接闸墩与上游护坡，底部采用铺盖。扭面一般采用浆砌石结构，铺盖多采用混凝土或钢筋混凝土结构。

当然，扭面也有选用混凝土结构的，但因模板施工比较困难，一般很少采用。

优点：上游连接段长度较短，空间布置紧凑；节省工程量；水流平顺。

缺点：浆砌石的防渗性能相对混凝土较差，经常需要在墙后铺设土工膜增强铺盖段的防渗性能；扭面后回填土压实困难，容易形成侧向绕渗；由于环保政策限制，现在多地石料限采，造成石料采购困难；部分地区缺少有经验的砌石工人，质量不易保证。

因此，这种结构型式多用于石料容易采购、闸室段已满足或已基本满足防渗要求，对上游连接段的防渗效果要求不高的小水头水闸。

2.2 矩形槽铺盖+上游导流段

铺盖段采用落地矩形槽防渗，上游专设导流段。导流段可采用扭面或圆弧翼墙(八字墙)+护坡的结构型式，如果挡土高度较大或河坡较宽，挡土墙可采用台阶式分段布置。

优点：矩形槽为整体钢筋混凝土结构，对闸基渗流的防渗效果非常好；上游导流段挡土墙对侧向绕渗有较好的防渗效果；矩形槽是对称式的整体构件，不需进行抗倾覆、抗滑的稳定验算；矩形槽一般自重较轻，基底接触面较大，平均地基应力小。

缺点：工程量较大；若铺盖段、闸室段和消力池段都采用直墙，对于小孔径的水闸来说，外观上比较狭窄细长，尤其对于闸墩较高的，更是缺少协调感；对于闸室总净宽较大的水闸，铺盖段矩形槽底板中心的弯矩较大。

因此，这种结构型式多用于闸室段防渗长度不够、闸室总净宽较小、水闸布置空间充足的水闸。

值得一提的是，当水闸在顺水流方向布置长度受限，或者渠道较宽而流量较小采用小孔径水闸时，也经常不设置导流段，而是采用与河道水流方向垂直的角墙式翼墙。不过这样会在两侧翼墙的上游形成回流，可能引起冲刷，并且影响水流均匀进入闸室，进而影响下游流态。故这种角墙式的布置方式一般仅用于水头较小、流速不大的水闸。

2.3 挡土墙+铺盖防渗+上游导流段

这种结构型式与型式②基本一致，唯一区别在于铺盖段不再是一个整体的矩形槽，而是挡土墙+铺盖底板，并在墙底与铺盖之间做止水连接。铺盖的基底应力与上部荷载为同等大小的均布应力，不再受弯矩作用，可以不受跨径的限制，适用于闸室总净宽较大的水闸。

值得一提的是，当采用这种结构型式时，要做好两侧挡土墙的稳定验算和结构计算，并应分完建期、正常蓄水、设计洪水、水位骤降、正常蓄水+地震等工况分别计算，计算量较大。另外，在方案比选过程中，经常会有相关参数(如特征水位、墙顶高程、墙底高程等)不断变化，这就使设计工作者的工作量大大增加。当然，现在计算机技术比较发达，可以借助软件。不过目前很多软件也有各自的优点和局限性，例如，“百图软件”可以计算没有墙踵的挡土墙，但是不能计算加凸隼的挡土墙，抗滑容易不满足要求；“理正软件”无法模拟没有墙踵的情况，但可以计算加凸隼的挡土墙，抗滑易满足要求，但不均匀系数不易满足要求。在实际计算时，可以兼顾使用两个软件，分别计算抗滑(用“理正软件”)与地基应力(用“百图软件”)。

2.4 圆弧翼墙(八字墙)+加厚护坡+铺盖

铺盖段两侧采用挡土墙，墙面与铺盖之间的三角区按照与上游河道边坡同等坡度进行回填土，并做混凝土护坡，为达到防渗要求，护坡厚度应≥0.40 m，护坡与挡土墙及铺盖之间均应做止水连接。

这种结构型式优点明显，由于三角护坡的存在，铺盖段具有导流作用，不需要再专设上游导流段，缩短水闸长度，减少占用空间；两侧挡土墙采用俯斜式，墙后填土易于压实，避免了扭面后容易产生侧向绕渗的不利情况。

不过缺点也一样明显，三角区护坡作为铺盖段防渗体的一部分，其防渗作用与铺盖同等重要，其两侧的挡土墙和铺盖一般均坐落在原状土上，而三角区护坡却坐落在回填土上，故此处对回填土压实度的要求很高，但边角地带正是不易压实的部位，一旦出现不均匀沉降，很容易造成混凝土开裂或止水撕裂形成裂缝。不论铺盖的建设厚度为多少，只要其出现了裂缝，就不具备相应的防渗功能了。另外，这种结构型式工程量较大，投资较高。

2.5 圆弧翼墙(八字墙)底板连接铺盖防渗+护坡导流

这种结构型式与型式③在外观上类似，区别在于铺盖底板向两侧延伸至挡土墙前趾并做止水连接，形成一个稳定的封闭防渗体，铺盖两侧上方的三角区护坡仅起导流作用。当采用这种方式布置水闸时，由于三角区回填土不易压实，护坡应尽量采用预制块或其他抗变形能力强的护坡型式。

这种结构型式具备型式③的所有优点，并且铺盖段的防渗效果更有保障。但是工程量更大，投资更高；挡土墙施工使得上游护坡只能坐落在回填土上，且边坡土体不易压实，容易产生不均匀沉降；另外，由于铺盖两侧上方做有导流护坡，对于铺盖来说，出现了“挑扁担”的情况，在中心线位置会出现弯矩，铺盖应根据受力计算进行配置钢筋。水闸孔径越大，弯矩越大，故这种结构型式一般用于小孔径的水闸。

3 整体导流式铺盖

“整体导流式铺盖”概念已在河南商丘地区的多座小型水闸中使用，取得了不错的应用效果。

与矩形槽式铺盖不同，整体导流式铺盖除了具有防渗、挡土的作用，还兼具导流功能，建成之后在外观上与文中型式③、型式④类似。其结构设计如图1所示。

图1(a、b、c) 整体导流式铺盖设计示意图

整体导流式铺盖上游端连接护坡、护底，断面与河道设计断面相同。下游端连接闸室，为矩形断面，净宽与闸室总净宽相同，并与闸室做止水连接。中间典型断面为渐变段，从上游到下游，护坡高度不断降低，边墙高度不断加深，形成一个三角坡，其垂直水流方向的坡度与上游梯形河道的设计边坡一致。值得一提的是，若采用此种结构型式，在基坑开挖时，应按照设计断面进行开挖，尽量使包括三角坡在内的整个底板坐落在原状土上，并且，三角坡与底板组合为一个整体的折线式底板应同步施工。

以完建期为例对整体导流式铺盖进行受力分析，铺盖上游端是一个完全坐落在原状土上的折线底板，自重应力直接传递到地基上，结构本身基本不受内力。

下游端是矩形结构，两侧边墙承受土压力而产生弯矩，墙底处弯矩最大。底板承受边墙传递下来的结构自重和地基反力，对于矩形槽结构，底板端部基底应力大于平均基底应力，端头应力较大，跨中应力趋于均布。但对于小型水闸，可以按照倒置梁法简化计算，认为地基反力均匀的作用在底板上。在完建期计算工况下，地基反力对底板产生的负弯矩与两侧边墙传递至底板的弯矩方向相反，故底板的弯矩与跨径、墙底弯矩大小有关。当跨径较小时，底板中心不会产生负弯矩，底板最大弯矩值位于两侧，大小与墙底弯矩接近，底板的底层为受拉面。随跨径的增大，跨中负弯矩逐渐增大，底板中心上表面为受拉面，两侧的受拉面仍在底层。

除了上、下游两个端面外，整体导流式铺盖的断面型式为折线型。承受侧向土压力的只有边墙，其形状为三角形。底板两侧的三角区与上游河道边坡坡度一致，而河道自然边坡一般较缓，故三角区一般不会产生侧向土压力，而是与底板一起形成一个整体的折线式底板共同承受地基反力。相对于矩形结构而言，由于边墙高度小，土压力明显减小，按照非粘性土计算，土压力合力仅为同等长度矩形槽的1/3，而水闸作为一个蓄水建筑物，两侧填土一般都采用粘性土，粘聚力的存在使回填土顶部一定高度范围内不会产生侧向土压力，这样就使土压力减小的比例更大，即土压力合力不足同等长度矩形槽的1/3。另外，由于边墙高度的减小，土压力合力距离墙底的力臂高度也在减小，故可以大大降低墙底弯矩。

相对于矩形槽结构，整体导流式铺盖由于墙高的减小，降低了墙体自重，而折线式底板承载面积却是增加的，这就使得基底应力较小。另外，由于底板形状类似一个倒置的拱，所以承受的地基反力并不会全部转化成跨中弯矩，而是会在结构内产生压力，这正好利用了混凝土结构抗压能力强的优点，减小了跨中弯矩值。

综合以上分析，相对于矩形槽铺盖，整体导流式铺盖的结构内力明显减小。从上游到下游，边墙及底板的结构内力值均呈现逐渐增大的趋势。不过由于它是一个整体构件，上游端的结构内力值不会是零，下游端的结构内力值也不会达到与矩形槽相同。在进行结构配筋时，上游端面附近按照构造要求配筋即可，下游端面附近可按照矩形槽结构计算的内力值进行配筋，以确保工程安全。

与其它集中结构型式相比，整体导流式铺盖的优点显著。与型式①相比，墙后填土易于压实，降低了发生侧向绕渗的风险。与型式②相比，不需专设导流段，减小了水闸总体布置长度；工程量小，投资少；结构内力比矩形槽结构显著降低。与型式③相比，不仅缩短了水闸的布置长度，结构的整体稳定性也更好；与型式④相比，整体导流式铺盖的防渗体全部坐落在原状土上，避免了边角区回填不密实产生的影响，防渗更有保障；工程量小，投资较少。与型式⑤相比，坞工工程量及土方开挖量都有明显减少，节省投资，并且避免了对上游护坡的影响。可以说，整体导流式铺盖是型式④的升级版，是型式⑤的优化版。

当然，整体导流式铺盖也有一些缺点，在临近闸室端，跨中仍会产生弯矩，故不适用于跨径较大的水闸；另外，由于结构的断面尺寸是渐变的，给配筋图的绘制、钢筋的下料、模板的加工都带来了一定的麻烦，造成了设计、施工的困难。

4 结语

任何一种结构型式都有其优缺点和最佳适用条件，在工程设计时，应认真分析、计算，选择最合理的结构型式。对于土基上的小型水闸来说，整体导流式铺盖相比于传统的铺盖段型式有着显著的优点，是值得借鉴和推广的。金无足赤人无完人，希望广大水利工作者能够在以后的工作和实践中，进一步完善整体导流式铺盖的结构型式，让它更加科学、合理、实用。