子任务一 水闸的认识
水闸是一种利用闸门的启闭来调节水位、控制流量的低水头水工建筑物，具有挡水和泄水的双重功能。它是农田水利中的龙头工程，常与堤坝、水电站、泵站、船闸、鱼道等建筑物组成水利枢纽，以满足防洪、泄洪、航运、灌溉以及发电的要求。
中华人民共和国成立以来，为防洪、排涝、灌溉、挡潮以及供水、发电等各种目的，修建了几千座大中型水闸和难以数计的小型涵闸，促进了工农业生产的不断发展，给国民经济带来了很大的效益，并积累了丰富的工程经验。第一次全国水利普查(2010—2012年)公报显示，全国规模以上水闸已建97019座，按过闸流量大小划分，大型水闸860座，中型水闸6332座，小型水闸89827座。1988年建成的长江葛洲坝水利枢纽，其中的二江泄洪闸，共27孔，闸高33m，最大泄量达83900m3/s，位居全国之首，运行情况良好。目前世界上最髙和规模最大的荷兰东斯海尔德挡潮闸，共63孔，闸高53m，闸身净长 3000m，连同两端的海堤，全长4425m，被誉为海上长城。
我国大多数水闸建成于20 世纪50—70 年代。由于建设、运行、管理及环境等方面的原因，目前水闸存在着各种安全隐患。据不完全统计，我国水闸的病险比例高达2/3。2013年2月，国家发展改革委、水利部印发《全国大中型病险水闸除险加固总体方案》，明确对全国2622座大中型病险水闸进行除险加固，以恢复或提高规划内水闸的建设标准，保证水闸功能长期正常发挥。2015年2月，水利部公布了全国大中型病险水闸除险加固工作责任单位和责任人名单，要求建立健全大中型病险水闸除险加固责任制，加快大中型水闸除险加固进度和便于工程建设管理，确保工程建设质量和安全。目前，水闸除险加固成为水利工程建设的主要任务之一。
目前我国水闸存在的病险种类繁多，从水闸的作用及结构组成来说，主要有以下9种病险问题：① 防洪标准偏低；②水闸下游消能防冲设施损坏；③闸室和翼墙存在整体稳定问题；④闸基和两岸渗流破坏；⑤建筑物结构老化损害严重；⑥闸门和启闭设施老化；⑦上下游淤积及闸室磨蚀严重；⑧水闸抗震不满足规范要求；⑨管理设施问题。在以上病险情况中，最重要的安全隐患就是水闸下游消能防冲设施损坏。目前有较多拦河水闸消能设施被洪水冲毁，甚至还形成几米至十几米深的冲刷坑，严重危及闸坝主体工程安全，如图1-1所示。
图1-1 水闸下游消力池冲毁
一、水闸的类型
水闸的种类很多，通常按其所承担的任务和闸室的结构形式来进行分类。
（一）按水闸所承担的任务分类
1.节制闸（或拦河闸、泄洪闸）
拦河或在渠道上建造。枯水期用以拦截河道，抬高水位，以利上游取水或航运；洪水期则开闸泄洪，控制下泄流量。位于河道上的节制闸也称为拦河闸，如图1-2所示。
图1-2 水闸的类型及位置示意图
2.进水闸
进水闸建在河道、水库或湖泊的岸边，用来控制引水流量，以满足灌溉、发电或供水的需要。进水闸又称取水闸或渠首闸，通常与拦河水闸配套实现引水功能，如图1-2所示。
3.分洪闸
分洪闸常建于河道的一侧，用来将超过下游河道安全泄量的洪水泄入预定的湖泊或洼地，及时削减洪峰，保证下游河道的安全，如图1-2所示。
4.排水闸
排水闸常建于江河沿岸，外河水位上涨时关闸以防外水倒灌，外河水位下降时开闸排水，排除两岸低洼地区的涝渍。该闸具有双向挡水，有时双向过流的特点。排水闸属于穿堤建筑物，与堤坝下的涵管配套实现排水功能，这种涵管与水闸组成的建筑物叫涵闸。如图1-2所示。
5.挡潮闸
挡潮闸建在入海河口附近，涨潮时关闸不使海水沿河上溯，退潮时开闸泄水。挡潮闸具有双向挡水的特点，如图1-2所示。
6.分水闸
图1-3 分水闸位置示意图
分水闸是干渠以下各级渠道渠首控制并分配流量的水闸，只起到分流作用，如图1-3所示。
此外，还有为排除泥沙、冰块、漂浮物等而设置的排沙闸、排冰闸、排污闸等。
（二）按闸室结构形式分类
1.开敞式水闸
开敞式水闸是闸室上面不填土封闭的水闸（图1-4）。一般有泄洪、排水、过木等要求时，多采用不带胸墙的开敞式水闸［图1-4（a）］，多用于拦河闸、排冰闸等；当上游水位变幅大，而下泄流量又有限制时，为避免闸门过髙，常采用带胸墙的开敞式水闸，如进水闸、排水闸、挡潮闸多用这种形式［图1-4（b）］。
图1-4 开敞式水闸
1—工作闸门；2—检修闸门；3—工作桥；4—交通桥；5—检修桥；6—胸墙
图1-5 封闭式水闸
2.涵洞式水闸（简称涵闸）
涵洞式水闸是闸（洞）身上面填土封闭的水闸（图1-5），又称封闭式水闸，常用于穿堤取水或排水的水闸。
二、水闸的工作特点
水闸既能挡水，又能泄水，且多修建在软土地基上，因而它在稳定、防渗、消能防冲及沉降等方面都有其自身的特点。
1.稳定方面
关门挡水时，水闸上、下游较大的水位差造成较大的水平推力，使水闸有可能沿建基面产生向下游的滑动，为此，水闸必须具有足够的重力，以维持自身的稳定。
2.防渗方面
因上下游水位差的作用，水将通过地基和两岸向下游渗流。渗流会引起水量损失，同时地基土在渗流作用下，容易产生渗透变形。严重时闸基和两岸的土壤会被淘空，危及水闸安全。渗流对闸室和两岸连接建筑物的稳定不利。因此，应妥善进行防渗设计。
3.消能防冲方面
水闸开闸泄水时，在上、下游水位差的作用下，过闸水流往往具有较大的动能，流态也较复杂，而土质河床的抗冲能力较低，可能引起冲刷。此外，水闸下游常出现波状水跃和折冲水流，会进一步加剧对河床和两岸的淘刷。因此，设计水闸除应保证闸室具有足够的过水能力外，还必须采取有效的消能防冲措施，以防止河道产生有害的冲刷。
4.沉降方面
土基上建闸，由于土基的压缩性大，抗剪强度低，在闸室的重力和外部荷载作用下，可能产生较大的沉降，影响正常使用。尤其是不均匀沉降会导致水闸倾斜，甚至断裂。在水闸设计时，必须合理地选择闸型、构造，安排好施工程序，采取必要的地基处理等措施，以减少过大的地基沉降和不均匀沉降。
三、水闸的组成
水闸通常由上游连接段、闸室段和下游连接段三部分组成，如图1-6所示。
图1-6 水闸的组成
1—闸室底板；2—闸墩；3—胸墙；4—闸门；5—工作桥；6—交通桥；7—堤顶；8—上游翼墙；9—下游翼墙；10—护坦；11—排水孔；12—消力坎；13—海漫；14—下游防冲槽；15—上游防冲槽；16—上游护底；17—上、下游护坡；18—铺盖
（一）上游连接段
上游连接段的主要作用是引导水流平稳地进入闸室，同时起防冲、防渗、挡土等作用。一般包括上游翼墙、铺盖、护底、两岸护坡及上游防冲槽等。上游翼墙的作用是引导水流平顺地进入闸孔并起侧向防渗作用。铺盖主要起防渗作用，其表面应满足抗冲要求。护坡、护底和上游防冲槽（齿墙）保护两岸土质、河床及铺盖头部不受冲刷。
（二）闸室段
闸室段是水闸的主体部分，通常包括底板、闸墩、闸门、胸墙、工作桥及交通桥等（图1-7）。底板是闸室的基础，承受闸室全部荷载，并较均匀地传给地基，此外，还有防冲、防渗等作用。闸墩的作用是分隔闸孔并支承闸门、工作桥等上部结构。闸门的作用是挡水和控制下泄水流。工作桥的作用是安置启闭机和工作人员操作启闭机。交通桥的作用是连接两岸交通。
（三）下游连接段
图1-7 闸室组成示意图
下游连接段具有消能和扩散水流的作用。一般包括消力池（护坦）、海漫、下游防冲槽、下游翼墙及护坡等。下游翼墙引导水流均匀扩散兼有防冲及侧向防渗等作用。消力池具有消能防冲作用。海漫的作用是进一步消除消力池出流的剩余动能，扩散水流，调整流速分布，防止河床受冲。下游防冲槽是海漫末端的防护设施，避免冲刷向上游扩展。