水利工程水闸基础结构设计要点研究

一、引言

水利工程在水资源调配、防洪、灌溉及航运等领域发挥着不可替代的重要作用。水闸作为水利工程的核心组成部分，能够有效控制水流、调节水位，其基础结构犹如建筑的根基，对水闸整体的稳定性、安全性及耐久性起着决定性作用。科学合理的水闸基础结构设计，不仅能够确保水闸在复杂水文地质条件下正常运行，还能有效延长水闸使用寿命，降低工程维护成本。随着水利工程建设规模的不断扩大与技术要求的日益提高，深入研究水闸基础结构设计要点具有极为重要的现实意义。

二、水闸基础选型要点

2.1 地质条件分析

地质条件是影响水闸基础选型的首要因素。在设计前期，需通过详细的地质勘察，全面掌握工程区域内地基土的类型、土层分布、物理力学性质（如土的密度、含水量、抗剪强度、压缩性等）以及地下水水位、水质等信息。例如，若地基为坚硬的岩石或密实的砂卵石层，其承载能力较高，可优先考虑采用刚性基础，如浅埋的混凝土基础；而对于软弱地基，如淤泥质土、粉质黏土等，因其压缩性大、承载能力低，则需采用桩基础、复合地基等能够有效提高地基承载能力和减少沉降的基础形式。

2.2 工程荷载分析

水闸在运行过程中承受多种荷载作用，包括自身结构重量、上下游水压力、土压力、地震荷载、风荷载以及闸上交通荷载等。准确分析这些荷载的大小、方向及组合方式，对于合理选择基础类型至关重要。以大型水闸为例，其上下游水头差产生的巨大水压力对基础的抗滑稳定性和承载能力提出了极高要求，此时可能需要采用桩基础或沉井基础等能够提供强大抗滑力和承载能力的基础形式。

2.3 环境因素考量

工程所处的环境因素，如气候条件、周边建筑物分布、地下管线情况等，也会对水闸基础选型产生影响。在寒冷地区，需考虑地基土的冻胀问题，选择能够有效抵抗冻胀破坏的基础形式，如采用深基础或将基础底面置于冻结深度以下，并设置防冻胀措施。若水闸周边存在既有建筑物或地下管线，基础选型应避免对其产生不利影响，可采用对周边环境扰动较小的基础施工方法，如静压桩法、钻孔灌注桩法等。

三、水闸基础抗渗与防冲设计要点

3.1 抗渗设计要点

3.1.1 渗流分析方法

水闸在运行过程中，由于上下游存在水头差，会导致闸基及两岸土体中产生渗流。渗流不仅会降低地基土的有效应力，影响基础的稳定性，还可能引发渗透变形，如管涌、流土等，危及水闸的安全。因此，准确进行渗流分析是水闸抗渗设计的关键环节。常用的渗流分析方法有解析法、数值法和实验法。解析法是基于一定的数学物理模型，通过理论推导得出渗流场的解析解，该方法简单直观，但仅适用于一些简单的边界条件和地质模型；数值法如有限元法、有限差分法等，能够模拟复杂的渗流边界条件和地质结构，计算精度较高，是目前工程中广泛应用的渗流分析方法；实验法则是通过在实验室或现场进行渗流实验，直接测量渗流参数，该方法能够真实反映渗流情况，但实验成本较高，且受实验条件限制较大。

3.1.2 防渗措施选择

为有效减少渗流对水闸基础的不利影响，需采取合理的防渗措施。常见的防渗措施包括水平防渗和垂直防渗。水平防渗主要通过设置防渗铺盖来实现，防渗铺盖一般采用黏土、混凝土、土工膜等防渗性能良好的材料，铺设在闸室上游地基表面，延长渗径，减小渗透坡降，从而降低渗透压力和渗流量。垂直防渗则可采用截水墙、防渗墙、灌浆帷幕等形式，通过在地基中设置垂直的防渗体，截断渗流通道，阻止渗流的发生。在实际工程中，应根据地质条件、水头大小、工程投资等因素综合考虑，选择合适的防渗措施或多种防渗措施的组合。例如，对于砂性土地基，由于其透水性较强，可采用垂直防渗为主，结合水平防渗的方案；而对于黏性土地基，若其防渗性能较好，可适当减少垂直防渗措施的深度和强度，以降低工程成本。

3.2 防冲设计要点

3.2.1 水流冲刷分析

水闸开闸泄水时，高速水流具有较大的能量，可能对闸下河床及两岸土体产生强烈的冲刷作用，导致河床下切、河岸坍塌，危及水闸的安全稳定。因此，在水闸基础设计中，需对水流冲刷进行详细分析。水流冲刷分析主要包括计算过闸水流的流速、流量分布以及确定冲刷坑的深度和范围等。常用的水流冲刷计算方法有经验公式法和数值模拟法。经验公式法是根据大量的工程实践和试验研究，建立水流流速、流量与冲刷坑深度之间的经验关系，通过计算水流参数，利用经验公式估算冲刷坑深度。该方法计算简便，但由于其基于经验数据，准确性相对较低，适用范围有限。数值模拟法则是利用计算流体力学（CFD）软件，对过闸水流进行数值模拟，考虑水流的紊流特性、边界条件以及河床土体的抗冲能力等因素，精确计算水流的流速场、压力场以及冲刷坑的形成和发展过程，能够为防冲设计提供较为准确的依据。

3.2.2 消能防冲措施设计

为减轻水流对闸下河床及两岸的冲刷破坏，需在闸下设置合理的消能防冲设施。常见的消能防冲措施有消力池、海漫、防冲槽等。消力池是通过在闸下形成水跃，将高速水流的动能转化为热能，从而达到消能的目的。消力池的设计应根据水闸的泄流能力、上下游水位差、河床地质条件等因素，确定消力池的深度、长度和池底构造。海漫则设置在消力池下游，其作用是进一步消除水流的剩余能量，调整水流流速分布，使水流均匀扩散，减少对下游河床的冲刷。海漫一般采用抗冲性能较好的材料，如干砌石、浆砌石、混凝土板等，并具有一定的柔性，以适应河床的变形。防冲槽设置在海漫末端，当河床被冲刷形成冲刷坑时，防冲槽内的块石会自动滑落，填充冲刷坑，起到保护河床的作用。

结语

水闸基础结构设计是一项系统且复杂的工作，其要点贯穿基础选型、承载力计算、抗渗与防冲设计等关键环节。每个要点的精准把控，都与水闸安全稳定运行息息相关。随着水利工程建设迈向新高度，设计人员需不断汲取工程实践经验，积极探索新技术、新方法，持续优化设计方案，提升水闸基础结构设计质量，为水利事业高质量发展筑牢根基，更好地服务于社会经济建设与民生保障。

参考文献

[1]何立慧.水利工程水闸基础结构设计要点研究[J].价值工程,2024,43(36):57-59.

[2]吴振成.水利工程中的水闸设计[J].江苏建材,2025,(02):93-94.