河海大学水工建筑物复试-水闸

第六章水闸一、水闸的功能与分类水闸是一种利用闸门挡水和泄水的低水头水工建筑物，多建于河道、渠系及水库、湖泊岸边。关闭闸门，可以拦洪、挡潮、抬高水位以满足上游引水和通航的需要；开启闸门，可以泄洪、排涝、冲沙或根据下游用水需要调节流量。水闸在水利工程中的应用十分广泛。二、水闸的组成部分水闸一般由闸室、上游连接段和下游连接段三部分组成1、闸室是水闸的主体，包括：闸门、闸墩、边墩(岸墙)、底板、胸墙、工作桥、交通桥、启闭机等。2、上游连接段，包括：两岸的冀墙和护坡以及河床部分的铺盖，有时为保护河床免受冲刷加做防冲槽和护底。用以引导水流平顺地进入闸室，保护两岸及河床免遭冲刷，并与闸室等共同构成防渗地下轮廓，确保在渗透水流作用下两岸和闸基的抗渗稳定性。3、下游连接段，包括：护坦、海漫、防冲槽以及两岸的翼墙和护坡等。用以消除过闸水流的剩余能量．引导出闸水流均匀扩散，调整流速分布和减绥流速，防止水流出闸后对下游的冲刷。第二节闸址选择和闸孔设计水闸的防渗、排水设计水闸建成后，由于上、下游水位差，在闸基及边墩和翼墙的背水一侧产生渗流。渗流对建筑物不利，主要表现为：①降低了闸室的抗滑稳定及两岸翼墙和边墩的侧向稳定性；②可能引起地基的渗透变形，严重的渗透变形会使地基受到破坏，甚至失事；③损失水量；④使地基内的可溶物质加速溶解。防渗、排水设计的任务在于拟定水闸的地下轮廓线和做好防渗、排水设施的构造设计。一、水闸的防渗长度及地下轮廓的布置(一)防渗长度的确定不透水的铺盖、板桩及底扳与地基的接触线，即是闸基渗流的第一很流线，称为地下轮廓线，其长度即为水闸的防渗长度。根据《水闸设计规范》(SDl33—84)规定，为保证水闸安全，所需的防渗长度可按式(6—3)拟定。(二)地下轮廓的布置水闸的地下轮廓可依地基情况并参照条件相近的已建工程的实践经验进行布置。1、按照防渗与排水相结合的原则：①在上游侧采用水平防渗，如：铺盖；或垂直防渗，如：齿墙、板桩、混凝土防渗墙、灌浆帷幕等．延长渗径以减小作用在底板上的渗透压力．降低闸基渗流的平均坡降；②在下游侧设置排水反滤设施．如：面层排水、排水孔、减压井与下游连通，使地基渗水尽快排出．防止在渗流出口附近发生渗透变形。2、粘性土地基：不易发生管涌破坏。底板与基土间的摩擦系数较小．在布置地下轮廓时，主要考虑的是如何降低作用在底板上的渗透压力，以提高闸室的抗滑稳定性。为此．可在闸室上游设置水平防渗，而将排水设施布置在闸底板下游段或消力池底板下。由于打桩可能破坏粘土的天然结构，在板桩与地基间造成集中渗流通道，对粘性土地基一般不用板桩3、为砂性土地基：因其与底板间的摩擦系数较大，而抵抗渗透变形的能力较差，渗透系数也较大，因此，在布置地下轮廓时应以防止渗透变形和减小渗漏为主。4、当弱透水地基内有承压水或透水层时，为了消减承压水对闸室稳定的不利影响消力池底面设置深入该承压水或透水层的排水减压井二、渗流计算渗流计算的目的．在于求解渗流区域内的渗透压力、渗透坡降、渗流流速及渗流量（通常渗流量可以不计)。(一)渗流的基本方程闸基渗流属于有压渗流。在研究闸基渗流时，一般作为平面问题考虑，假定地基是均匀、各向同性的，渗水是不可压缩纳，并符合达西定律。在此情况下，间基渗流运动可用拉普拉斯方程式表示(二)计算方法流网法和改进的阻力系数法。对于复杂地基宜采用电拟试验法或数值计算方法；对于地下轮廓比较简单，地基又不复杂的中、小型工程，可考虑采用直线法。1．流网法2．改进的阻力系数法(1)基本原理：这是一种以流体力学解为基础的近似方法。对于比较复杂的地下轮廓，可从板桩与底板或铺盖相交处相桩尖画等势线，将整个渗流区域分成几个典型流段，只要已知各个典型流段的阻力系数，即可算出任一流段的水头损失。将各段的水头损失由出口向上游依次叠加，即可求得各段分界线处的渗透压力以及其他渗流要素。3．直线法前面介绍的用渗径系数确定防渗长度的方法，实质上就是假定渗流沿地基轮廓的坡降相同，即水头损失按直线变化。当渗流水头H及防渗长度L已定，即可按直线比例求出地下轮廓各点的渗透压力，这种方法称为直线法。三、防渗及排水设施防渗设施：指构成地下轮廓的铺盖、板桩及齿墙排水设施则是指铺设在护坦、浆砌石海漫底部或闸底板下游段起导渗作用的砂砾石层。(一)铺盖铺盖的作用：延长渗径；要求：应具有相对的不透水性；为适应地基变形，也要有一定的柔性。铺盖常用粘土、粘壤土或沥青混凝土做成，有时也可用钢筋混凝土作为铺盖材料。(二)板桩板桩长度视地基透水层的厚度而定：①当透水层较薄时，可用扳桩截断．并插入不透水层至少1.0m②若不透水层埋藏很深，则板桩的深度一般采用0.6—1.0倍水头。(三)齿墙闸底板的上、下游端一般均设有浅齿墙．用来增强闸室的抗滑稳定，并可延长渗经。齿墙深一般在1.0m左右。(四)其它防渗设施就地浇筑混凝土防渗墙、灌注式水泥砂浆帷幕以及用高压旋喷法构筑防渗墙等方法已成功地用于水闸建没，详细内容可参阅有关文献。(五)排水及反滤层排水一般采用粒径1～2cm的卵石、砾石或碎石平铺在护坦和浆砌石海漫的底部，或伸入底板下游齿墙稍前方，在排水与地基接触处(即渗流出口附近)容易发生渗透变形，应做好反滤层。有关反滤层的设计，参见第五章。水闸的消能、防冲设计一、过闸水流的特点1．闸下易形成波状水跃2．闸下容易出现折冲水流水流过闸时先行收缩，出闸后再行扩散．如果布置或操作运行不当．出闸水流不能均匀扩散，即容易形成折冲水流。见图6—12。二、底流消能工设计适用于平原地区的水闸，由于其水头低，下游水位变幅大，一般都采用底流式消能。(把底流式消能结构搞清楚)(三)辅助消能工辅助消能工用以使水流受阻，给水流以反力，在墩后形成涡流，加强水跃中的紊流扩散，从而达到稳定水跃，减小和缩短消力池深度和长度的作用（消力墩）三、海漫(一)海漫的布置和构造其顶面高程可与护坦齐平或在消力池尾坎顶以下0.5m左右．以使水流均匀扩散．调整流速分布保护河床不受冲刷。对海漫的要求有：①表面有一定的粗糙度，以利进一步消除余能；②具有一定的透水性，以便使渗水自由排出，降低扬压力，③具有一定的柔性．以适应下游河床可能的冲刷变形。五、翼墙与护坡下游翼墙的作用、布置及形式，见本章第八节。在与冀墙连接的一段河岸，由于水流流速较大和回流游涡，还需加做护坡。护坡在靠近冀墙处常做成浆砌石的，然后接以干砌石的．保护范围稍长于海漫．包括预计冲刷坑的侧坡。闸室稳定分析、沉降校核和地基处理一、闸室稳定分析水闸竣工时，地基所受的压力最大，沉降也较大。过大的沉降，特别是不均匀沉降，会使闸室倾斜，影响水闸的正常运行。水闸在运用期间，受水平推力的作用，有可能沿地基面或深层滑动。因此，必须分别验算水闸在刚建成、运行、检修以及施工期等不同工作情况下的稳定性。二、地基处理常用的处理方法有以下几种：(一)预压加固在修建水闸之前，先在建闸范围内的软土地基表面加荷(如堆土、堆石)，对地基进行预压，埃沉降基本稳定后，将荷重移去．再正式建闸。(二)换土垫层换土垫层是工程上广为采用的一种地基处理方法，适用于软弱粘性土，包括淤泥质土。砂垫层的主要作用是：①通过垫层的应力扩散作用，减小软土层所受的附加应力，提高地基的稳定性；②减小地基沉降量；③铺设在软粘土上的砂层．具有良好的排水作用．有利于软土地基加速固结。(三)桩基础水闸的桩基础，一般均采用钢筋混凝土桩。按其施工方法又可分为灌注桩和预制桩两类，桩基础适用于：①在松软地基上，有排放大块漂浮物或冰凌的要求．必须采用较大的闸孔跨度，利用桩基承受上部的主要荷载，以改善底板的受力条件；②水头高，水平椎力大．一般地基处理方法难以满足抗滑稳定要求；③根据运用要求．需要严格控制基础变形等情况。(四)沉井基础沉井基础与桩基础同属深基础，也是工程上广为采用的一种地基处理方法。沉井可作为闸墩或岸墙的基础，用以解决地基承载力不足和沉降或沉降差过大；也可与防冲加固结合考虑，如图6—32所示。当地基内存在承压水层且影响地基抗渗稳定性时，不宜采用沉井基础。闸室的结构计算一、底板的结构计算1．弹性地基粱法适用于：对于相对紧密度5.0rD的砂性土或粘土地基，地基变形不容易得到调整计算步骤如下：(1)用偏心受压公式计算闸底纵向(顺水流流向)的地基反力。(2)计算板条及墩条上的不平衡剪力。(3)确定不平衡剪力在问墩和底板上的分配。(4)计算基础梁上的荷载。(5)考虑边荷载的影响(6)计算地基反力及梁的内力。2、反力直线分布法是进一步假定垂直水流流向的地基反力为均匀分布。其计算步骤是；①用偏心受压公式计算闸底纵向地基反力；②确定单宽板条及墩条上的不平衡剪力；③将不平衡剪力在闸墩和底板上进行分配；④计算作用在底板梁上的荷载适用：5.0rD的砂性土地基，因地基松软，底板刚度相对较大，变形容易得到调整，可以采用地基反力沿水流流向呈直线分布、垂直水流流向为均匀分布的反力直线分布法3、倒置梁法倒置梁法同样也是假定地基反力沿闸室纵向(顺水流流向)呈直线分布，横向(垂直水流流向)为均匀分布，它是把闸墩当作底板的支座，在地基反力和其他荷载作用下按连续梁计算底板内力。倒置梁法的缺点是：①没有考虑底板与地基间的变形相容条件；②假设底板在横向的地基反力为均匀分布与实际情况不符；③闸墩处的支座反力与实际的铅直荷载也不相等。但计算简便，多用于小型水间。