水利工程之水闸

水闸1.概述2.水闸的类型3.水闸的组成及构造4.水闸的孔口尺寸5.闸室的安全和地基处理6.消能防冲7.闸下防渗与闸室结构8.两岸连接建筑物9.其他闸坝建筑物概述•所谓水闸，就是修建在河道、渠道或湖、海口，利用闸门控制流量和调节水位的水工建筑物。•中国修建水闸的历史悠久。公元前598～前591年,楚令尹孙叔敖在今安徽省寿县建芍陂灌区时,即设五个闸门引水。以后随建闸技术的提高和建筑材料新品种的出现，水闸建设也日益增多。1949年后大规模现代化水闸的建设,在中国普遍兴起,并积累了丰富的经验。•水闸是调节水位、控制流量的低水头水工建筑物，主要依靠闸门控制水流，具有挡水和泄（引）水的双重功能，关闭闸门，可以拦洪、挡潮、抬高水位，以满足上游取水或通航的需要；开启闸门，可以泄洪、排涝、冲沙、取水或根据下游用水需要调节流量。水闸多建在平原地区，其功能是兼顾防洪、取水、排水、航运和发电，是综合水利工程。水闸的类型•1.按水闸所承担的任务分类:节制闸、进水闸、分洪闸、排水闸、挡潮闸、排沙闸、排冰闸、排污闸等。如图•节制闸（或拦河闸）：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要求；洪水期则开闸泄洪，控制下泄流量。位于河道上的节制闸称为拦河闸。•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。•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、洼地，及时削减洪峰，保证下游河道的安全。•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。•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。•排沙闸、排冰闸、排污闸：为排除泥沙、冰块、漂浮物等而设置的。2.按闸室结构形式分类•开敞式水闸：闸室上面不填土封闭的水闸。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，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，为避免闸门过高，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。•涵洞式水闸：闸（洞）身上面填土封闭的水闸，又称封闭式水闸。涵洞式水闸常用于穿堤取水或排水的水闸。洞内水流可以是有压的或者是无压的。水闸的组成及构造•水闸的主体是闸室。此外，闸室上，下游都需要有连接段与河道连接。如图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。•1.上游联接段：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）是保护两岸土质、河床及铺盖头部不受冲刷。•2.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。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。工作桥供安置启闭机和工作人员操作之用。交通桥的作用是连接两岸交通。•3.下游联接段：具有消能和扩散水流的作用。一般包括护坦、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。护坦具有消能防冲作用。海漫的作用是进一步消除护坦出流的剩余动能、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。水闸的孔口尺寸•1.概述：水闸的孔口尺寸主要是指确定水闸在垂直水流方向的孔口宽度，包括单孔净宽b、孔口数量n闸墩厚度b`。水闸的过流前缘总宽度B`=nb+（n-1）b`，孔口过流净宽度B=nb。水闸孔口尺寸的大小应该满足其承担的任务。即，水闸应该有足够的过流能力。为了减少工程量，在满足工程任务的前提下，水闸总是尽可能减少垂直水流方向的闸室宽度。•2.水闸孔口设计的主要内容•确定闸孔型式•拟定闸底板高程（即堰顶高程）•计算孔口尺寸及溢流前沿总宽•泄流能力验算•①.水闸的闸孔型式（开敞式）•根据水流流态分:堰流式,孔流式图9-5堰流式闸孔图9-6孔流式闸孔•②根据结构型式分•（1）宽顶堰：2.5H堰顶厚度δ4H或无坎，常用于平原地区，自由泄流范围大且稳定；施工简单；流量系数m较小，易产生波状水跃。•（2）实用堰：0.67H堰顶厚度δ2.5H，常用于上游水位允许有较大雍高的山区，自由泄流时流量系数m较大，流量Q受下游水位影响较大。•（3）胸墙式：用于上游水位变幅较大时；可减小闸门及工作桥高度，增加闸室刚度；不利于排冰排污和通航。闸室的安全和地基处理•闸室安全问题包括沿闸底板平面的抗滑稳定、地基承载里和不均匀沉降。•水闸基础分为粘性土和砂性土。砂性土地基的承载力和抗摩擦习俗一般能满足要求，地基处理的重点是解决闸下防渗问题。粘性土地基，包括淤泥、软粘土，地基处理的重点是加速固结，提高承载力和抗摩擦系数。•软土地基有以下的几种处理方法：1.换土垫层2.强夯法3.沉井法4.预压加固5.振冲桩法6.桩基础7.高压旋喷灌浆法消能防冲•水闸泄水时，部分势能转为动能，流速增大，具有较强的冲刷能力，而土质河床一般抗冲能力较低。因此，为了保证水闸的安全运行，必须采取适当的消能防冲措施。要设计好水闸的消能防冲措施，应先了解过闸水流的特点，进而采取妥善的防范措施。•水闸开闸泄水时，下游河道都会被冲刷，其原因很多：•1.过闸水流经过闸孔被缩窄，水流流速增大，加大了冲刷的条件。•2.水闸流量比较集中，单宽流量加大，在上下游有较大水差的情况下，过闸水流有较大的功能，加大了河道冲刷。•3.平原河道的河床土质较差，容易被水流冲刷。•4.水闸设计总体平面布置不合理或闸门操作控制不当引起水流有害的冲刷。•水流的主要特征有波状水流和折冲水流，其对河道冲刷严重。•防冲要求要选择合理的消能防冲措施，并与下游河道有良好的衔接，满足在各种水力情况下消散动能与均匀扩散水流的要求。合理布置水闸总体平面，以利于水流扩散，避免或减轻回流的影响。制定合理的闸门操作调度制度，杜绝人为不当操作。•水闸的消能防冲措施包括：选择合适的过闸单宽流量；选择合理的消能方式及措施，采取必要的防冲措施。水闸的消能防冲措施主要由建在闸室下游的消力池、辅助消能工、海漫、防冲漕及下游翼墙组成。•1.水闸的消能方式：底流消能是一种通过在闸下产生一定淹没度的水跃来保护河床免遭冲刷的消能方式。•2.消力池：消力池的作用是增加下游水深，保证水流形成淹没式水跃，以达到消能的目的。•3.辅助消能工：除设消力池外，在消力池中还可设消力齿、消力墩等辅助消能工。•4.海漫紧接消力池后，应设海漫护底，并进一步消减余能，使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床免受冲刷。•5.防冲漕及防冲墙：为了保护河漫，防止冲刷向上游扩张，常在海漫末端设置防冲漕或是防冲墙加固。•6.护底与护坡：在上下游连接段多采用砌石护底、护坡。•7.波状水跃、折冲水跃水流的防治措施。•8.闸门控制调度方案：设计工程师设计水闸，要根据水力设计调试结果或水工模型试验成果，制定闸门方式，规定闸门的启闭顺序和开度，严格操作。闸下防渗与闸室结构•水闸的防渗排水设施。水闸的防渗设施主要是指在水闸中起到防渗作用的水平防渗体（如铺盖）、垂直防渗体（如板桩、防渗墙和齿墙）等，排水设施主要是指铺设在下游护坦、浆砌石海漫底部或闸室板下游段起导渗（反滤、排水）作用的沙砾石层。•防渗排水设施的布置形式，都是以承受单向水流的水闸来进行布置的。对于平原地区的排水闸及海边的挡潮闸，一般是双向过水的水闸，应以水位差较大的一向为主进行双向防渗排水设施。•水闸的防渗设施有：1.水平铺盖：铺盖是工程中最常见的水平防渗设施，一般是平铺布置在紧靠闸室上游的河床上，它不能阻止渗流在闸基下通过，但它可以延长渗径，用以降低渗透压力和渗流坡降，同时具有防冲作用。2.板桩：板桩是垂直防渗的措施之一，一般设置在闸底板的上游端，将板桩并排打入闸基形成一道防渗墙，在垂直方向延长渗径。垂直防渗的效果比水平防渗效果好。3.地下防渗墙：是一种不用模板在地下建造的防渗墙，具有截水、防渗、承重和挡土的多种作用，其优点是整体性好，防渗效果好、适用各种地质条件、对沉降及变位易于控制，缺点是挖槽的废泥浆污染环境，可能引起槽壁坍塌、造价高。4.齿墙：齿墙一般设置在闸室底板的上、下游端，齿墙深度一般为0.5~2.0m。上游齿墙的作用是降低在闸底板上的渗透压力，下游端齿墙是减少出逸坡降，有助于防止地基土产生渗透变形。5.垂直土工膜：是一种垂直防渗的设施之一。•闸室是水闸的主体部分。开敞式水闸闸室由底板、闸墩、闸门、工作桥和交通桥等组成，有的还设有胸墙。闸室的结构形式、布置和构造，应在保证稳定的前提下，尽量做到轻型化、整体性好、刚性大、布置匀称，并进行合理的分缝分块，使作用在地基单位面积上的荷载较小，较均匀，并能适应地基可能的沉降变形。两岸连接建筑物•水闸的岸墙和翼墙通常称为两岸连接建筑物。当水闸与河岸或土坝等连接时，需设置这种专门的连接建筑物。直接挡住河道两岸坡填土的挡土墙叫翼墙，在水闸边墩之后的挡土墙叫岸墙。其作用如下：•1.挡住两岸坡的填土，保证河岸填土的稳定及免遭受河流的冲刷。•2.引导水流平顺进闸，并使出闸水流均匀扩散。•3.控制绕过闸室两侧的渗流，防止两岸土壤或土坝发生渗流变形。•4.软弱地基上的岸墙可以减少两岸地基沉降对闸室结构的不利影响。其他闸坝建筑物•在低水头的闸坝工程中，除了普通水闸外，还有其他类型的水坝。例如橡胶坝。•橡胶坝，又称橡胶水闸，是用高强度合成纤维织物做受力骨架，内外涂敷橡胶作保护层，加工成胶布，再将其锚固于底板上成封闭状的坝袋，通过充排管路用水（气）将其充胀形成的袋式挡水坝。坝顶可以溢流，并可根据需要调节坝高，控制上游水位，以发挥灌溉、发电、航运、防洪、挡潮等效益。•橡胶坝属薄壁柔性结构，是随着高分子合成材料的发展而出现•的一种新型水工建筑物。1957年世界上首座橡胶坝诞生于美国洛杉矶，坝高1.52m，长6.1m，坝袋胶布厚为3mm，强度为90kN/m。此后世界各国相继开始兴建橡胶坝。我国于1965年下半年开始进行橡胶坝的研制建设工作，于1966年6月建成我国第一座橡胶坝——北京右安门橡胶坝，坝高3.4m，坝顶长37.6m，该橡胶坝曾两次更换坝袋，至今运行正常。