04.第四章-水闸.

第四章水闸第一节概述第二节水闸的孔口尺寸确定第三节水闸的消能防冲设计第四节水闸的防渗排水设计第五节闸室的布置与构造第六节闸室稳定验算及地基处理第七节闸室结构计算第八节两岸连接建筑物第九节闸门与启闭机第一节概述一、水闸的类型（一）按水闸所承担的任务分类（1）进水闸。建在河道、水库、湖泊的岸边及渠道的首部，用于引水并控制引水流量，以满足灌溉、发电或供水需求。（2）节制闸。在河道上或渠道上建造，枯水期用以抬高水位满足上游取水或航运的需要；洪水期控制下泄流量，保证下游河道安全。（3）冲沙闸。主要建在多泥沙河道上，用于排除进水闸、节制闸前或渠道淤积的泥沙，减少引水水流的含沙量。（4）分洪闸。建于天然河道的一侧。用来将超过下游河道安全泄量的洪水泄入湖泊、洼地等滞洪区，以削减洪峰保证下游河道安全。（5）排水闸。常建于江、河沿岸或排水渠道末端，用以排除两岸低洼地区的涝渍水及防止江河洪水倒灌。具有双向挡水的特点。（6）挡潮闸。建在入海河口附近，涨潮时关闸防止海水倒灌，退潮时开闸泄水。具有双向挡水的特点。（二）按闸室结构型式分类（1）开敞式水闸。开敞式水闸闸室是露天的，可分为无胸墙和有胸墙两种型式。（2）涵洞式水闸。水闸修建在河、渠堤之下时，便成为涵洞式水闸。根据水力条件的不同，可分为有压式和无压式两类。（三）按过闸流量大小分类大（1）型水闸。过闸流量大于5000m³/s。大（2）型水闸。过闸流量1000~5000m³/s。中型水闸。过闸流量为1000~100m³/s。小（1）型水闸。过闸流量为20~100m³/s。小（2）型水闸。过闸流量小于20m³/s。二、水闸的工作特点和设计要求水闸的地基可以是岩基或土基，且多修建在土质地基上。因而它在抗滑稳定、防渗、消能防冲及沉陷等方面具有以下工作特点和设计要求。（1）土基的沉陷问题。（2）过闸水流具有较大动能。（3）土基的抗滑稳定性差。（4）渗流易使闸下产生渗透变形。三、水闸的组成水闸一般由上游连接段、闸室段和下游连接段三部分组成。（1）闸室段。闸室段是水闸的主体，有控制水流和连接两岸的作用。包括底板、闸墩、闸门、胸墙、工作桥及交通桥和启闭机房等。（2）上游连接段。主要作用是引导水流平顺、均匀地进入闸室，保护上游河床及两岸免于冲刷，并有防渗作用。一般包括上游翼墙、铺盖、护底、两岸护坡及上游防冲槽等。（3）下游连接段。主要作用是将下泄水流平顺引入下游河道，有消能防冲及防止发生渗透破坏的功能。一般包括护坦、海漫、下游防冲槽、下游翼墙及护坡等。四、水闸的等级划分和洪水标准见书中表格。第二节水闸的孔口尺寸确定一、底板型式选择闸底板型式有宽顶堰和低实用堰两种。（1）平底板宽顶堰具有结构简单、施工方便、有利于排沙冲淤、泄流能力比较稳定等优点；其缺点是自由泄流时流量系数小，闸后比较容易产生波状水跃。（2）低实用堰有WES低堰、梯形堰和驼峰堰等型式，其优点是自由泄流时流量系数较大，可缩短闸孔宽度和减小闸门高度，并能拦截泥沙入渠；缺点是泄流能力受下游水位变化的影响显著，当淹没度增加时，泄流能力急剧下降。二、闸底板高程的选定一般情况下，节制闸、泄洪闸、进水闸或冲沙闸的闸底板高程宜与河（渠）底齐平，以便多泄（引）水，多冲沙；多泥沙河流上的进水闸、分水闸及分洪闸，在满足引水、分水或泄水的条件下，闸底板高程可比河（渠）底略高些；排水闸（排涝闸）、泄水闸或挡潮闸，闸底板高程应尽量定得低些。三、过闸单宽流量的确定应综合考虑下游河床或渠道的地质条件、水闸上下游水位差、下游尾水深度、闸室总宽度与河道宽度的比值、闸的结构构造特点和下游消能防冲设施等因素来确定。四、闸孔宽度的确定根据已确定的过闸流量、上下游水位、底板高程、闸孔型式和堰型，即可用水力学公式计算水闸的闸孔尺寸。（一）闸孔总净宽度的确定（二）单孔净宽与闸孔数目的确定（三）闸室总宽度的确定第三节水闸的消能防冲设计一、过闸水流的特点（1）水闸初始泄流时，闸下水深较浅，随着闸门开度的增加水深逐渐加深，出闸水流从孔流到堰流，从自由出流到淹没出流都会发生。（2）当水闸的上下游水位差较小时，闸下易产生波状水跃。（3）过闸水流都是先收缩后扩散，若设计不当或管理不善，下泄水流不能均匀扩散，主流集中，形成折冲水流。二、消能防冲设计的水力条件（一）闸下水流的消能方式平原地区的水闸，水头低，下游河床抗冲能力差，且承受水头不高，宜采用底流式消能。当水闸承受较高水头，且闸下河床及岸坡为坚硬岩体时，可采用挑流消能。当水闸闸下尾水深度较大，且变化较小，河床及岸坡抗冲能力较强时，可采用面流消能。在挟有较大砾石的多泥沙河流上，不宜设消力池，可采用抗冲耐磨的斜坡护坦与下游河道连接，末端应设防冲墙。（二）消能防冲的水力条件选择不同类型的水闸，其泄流特点各不相同，因而控制消能设计的水力条件也不尽相同。拦河节制闸宜以在保持闸上最高蓄水位的情况下，以排泄上游多余来水量为控制消能设计的水力条件；当闸的下游河道已渠化时，应考虑下一级的蓄水位对闸下水位的影响。分洪闸宜以闸门全开，以通过最大分洪流量为控制消能设计的水力条件。排水闸（排涝闸）宜以冬、春蓄水期排涝流量为控制消能设计的水力条件。三、底流式消能设计在我国，水闸多修建在平原地区的土基上，因此底流式消能是主要消能型式。底流式消能的作用是增加下游水深，以保证产生淹没式水跃，防止土基冲刷破坏，保证闸室安全。底流式消能防冲设施由消力池、海漫、防冲槽等部分组成。（一）消力池1、消力池型式的选用2、消力池的尺寸确定3、消力池的构造（二）辅助消能工消力池内除设置尾槛外，也常设置消力墩、消力齿等辅助消能工，其目的是使水流受阻，促使水流撞击，形成涡流，加强紊动扩散，稳定水跃，减小消力池尺寸，提高消能效果，节省工程量。（三）海漫1、海漫长度计算2、海漫的布置及构造海漫在构造上要求有：①一定的粗糙度，以利进一步消除余能；②有一定的透水性，以降低扬压力；③有一定的柔性，以适应河床的变形。（四）防冲槽水流经过海漫后，多余能量得到进一步消除，但海漫末端处仍有冲刷现象。为保护海漫，常在海漫末端设置防冲槽。四、波状水跃及折冲水流的防止措施（一）波状水跃的防止措施（二）折冲水流的防止措施五、上游河床和上下游岸坡的防护第四节水闸的防渗排水设计水闸防渗排水设计的一般步骤：①根据水闸作用水头的大小、地基地质条件和下游排水情况，初步拟定地下轮廓线；②进行渗流分析，计算闸底板渗透压力，并验算地基土的渗透稳定性；③若抗滑稳定和渗透稳定均满足要求，即可采用初拟的地下轮廓线，否则，应重新修改地下轮廓线。一、闸基防渗长度及地下轮廓线布置（一）闸基防渗长度的确定在上下游水位差的作用下，上游水从河床入渗，绕过上游铺盖、板桩、闸底板经过反滤层由排水孔排至下游。其中铺盖、板桩和闸底板等不透水部分与地基的接触线，即闸基渗流的第一根流线，称为地下轮廓线。其长度即为闸基防渗长度（又称为渗径长度）。LCH（二）闸基防渗排水布置闸基防渗排水布置，即进行地下轮廓线布置，主要是进行闸基防渗排水轮廓线形状及尺寸的确定。（1）布置原则，“高防低排”。（2）布置方式1）黏性土地基。2）砂性土地基。3）地震区的均匀粉砂、细砂地基。二、闸基渗流计算（一）全截面直线分布法（二）改进阻力系数法（三）直线比例法（渗径系数法）三、防渗排水设施（一）铺盖（二）板桩（三）齿墙及混凝土防渗墙（四）水泥砂浆帷幕、高压喷射灌浆帷幕及垂直防渗土工膜（五）排水设施四、水闸的侧向绕渗第五节闸室的布置与构造一、底板（一）整体式底板当闸墩与底板浇筑或砌筑成整体时，称为整体式底板。整个底板是闸室的基础，起着承受荷载、传递荷载、防冲和防渗的作用。（二）分离式底板在闸墩附近设缝，将闸室底板与闸墩断开的，称为分离式底板。缝中设止水。其闸室上部结构的重量将直接由闸墩或连同部分底板传给地基。（三）底板尺寸及要求二、闸墩与胸墙（一）闸墩闸墩的作用是分隔闸孔，并支撑闸门、工作桥等上部结构。闸墩的外形轮廓应满足过闸水流平顺、侧向收缩小、过流能力大的要求。上游墩头可采用半圆形或尖角形，下游墩尾宜采用流线形。（二）胸墙胸墙常用钢筋混凝土结构做成板式或梁板式。它与闸墩的连接方式有简支和固接两种。胸墙相对于闸门的位置取决于闸门的型式。若采用弧形闸门，胸墙设在闸门上游侧；若采用平面闸门，胸墙可设在闸门上游侧，也可设在闸门下游侧。三、工作桥、交通桥为了安装启闭设备和便于工作人员操作的需要，通常在闸墩上设置工作桥。工作桥的高程与闸门和启闭设备的型式、闸门高度有关，一般应使闸门开启后，门底高于上游最高水位，以免阻碍过闸水流。建闸后，为便于行人或车马通行，通常也在闸墩上设置交通桥。交通桥的位置应根据闸室稳定及两岸交通连接的需要而定，一般布置在闸墩的下游侧。四、分缝与止水（一）分缝方式与布置除闸室本身分缝以外，凡是相邻结构荷重相差悬殊或结构较长、面积较大的地方也要设缝分开。（二）止水设备凡是具有防渗要求的缝中都应设置止水设备。对止水设备的要求是：①应防渗可靠；②应能适应混凝土收缩及地基不均匀沉降的变形；③应结构简单，施工方便。按止水所设置的位置不同可分为水平止水和铅直止水两种。第六节闸室稳定验算及地基处理水闸的闸室，要求在施工、运行、检修等各个时期，都不产生过大沉降或沉降差，不致沿地基面发生水平滑动，不致因基底压力的作用使地基发生剪切破坏而失稳。因此，必须验算闸室在刚建成、运行、施工以及检修不同工作情况下的稳定性。一、荷载计算及其组合（一）荷载计算（1）自重。指水闸结构及其上部填料和永久设备的重量。（2）水重。指闸室范围内作用在底板顶面以上的水体重量。（3）水平水压力。指作用在胸墙、闸门及闸墩上的水平水压力。（4）扬压力。指作用在底板底面的渗透压力及浮托力之和。（5）浪压力。计算出波浪要素后，判别深水波、浅水波或破碎波，分别用相应公式进行计算。（6）土压力。根据填土性质、挡土高度、填土内的地下水位、填土顶面坡角及超载等计算确定。（7）淤沙压力。根据水闸上、下游可能淤积的厚度及泥沙重度计算确定。（二）荷载组合设计水闸时，应将可能同时作用的各种荷载进行组合。荷载组合分为基本组合与特殊组合两类。基本组合由基本荷载组成；特殊荷载由基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。二、闸室抗滑稳定计算（一）计算公式（1）土基上的水闸闸室沿地基面的抗滑稳定计算。（2）岩基上沿闸室基底面的抗滑稳定公式计算。00tanCCfGKHGCAKHCCfGKHfGCAKH（二）提高闸室抗滑稳定性的措施当沿闸室基底面抗滑稳定安全系数计算值小于允许值时，可采用下列一种或几种抗滑措施。①将闸门位置移向低水位一侧，或将水闸底板向高水位一侧加长，以增加水重；②适当增大闸室结构尺寸；③增加闸室底板的齿墙深度；④增加铺盖长度或帷幕灌浆深度，或在不影响防渗安全的条件下将排水设施向水闸底板靠近；⑤利用钢筋混凝土铺盖作为阻滑板，但闸室自身的抗滑稳定安全系数不应小于1.0，阻滑板应满足抗裂要求；⑥增设钢筋混凝土抗滑桩或预应力锚固结构。三、闸室基底应力计算（一）计算公式（1）对于结构布置及受力情况对称的闸孔，如多孔水闸的中间孔或左右对称的单闸孔，按下式计算（2）对于结构布置及受力情况不对称的闸孔，如多孔闸的边闸孔或左右不对称的单闸孔，按双向偏心受压公式计算（二）安全指标见书中表格。maxminGMAWmaxminyxxyMMGAWW四、地基沉降校核由于土基压缩变形大，容易引起较大的地基沉降。较大的均匀沉降可能会使闸顶部高程不足；过大的不均匀沉降，将导致闸室倾斜、产生裂缝、止水破坏，甚至断裂等。因此在研究地基稳定时，应进行地基的沉降校核，以保证水闸的安全和正常运用。五、地基处理水闸地基处理的目的是：提高地基的承载能力和稳定性；减小或消除地基的有害沉陷，防止地基渗透变形。第七节闸室结构计算一、底板闸底板一般采用“截板成梁”的方法进行计算，即沿垂直水流方向截取单位宽度的板条作为梁来进行计算。由于闸门前后水重相差悬殊，底板所受荷载不同，常以闸门为界，分别在闸门上下游段的中间处截取单宽板条及墩条。（一）倒置梁法（二