第六章--水闸

第六章水闸第一节概述一、概念1.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，在防洪、治涝、灌溉、供水、航运、发电等方面应用十分广泛。2.低水头水工建筑物一般指水头不超过30m的水工建筑物，主要有水闸、低坝、橡胶坝、船闸等，多数建在软基上，也有建在岩基上的。目前,世界上泄流能力最大的泄洪闸是三峡泄洪闸,分三层共有67孔,𝑄max=10.25万m3s；世界上规模最大的是荷兰东斯海尔德挡潮闸,共63孔，闸高53米,闸室净宽3000米,连同两端的海堤总长4425米。三峡泄洪闸正在泄洪东斯海尔德挡潮闸世界最高和规模最大的水上装配式水闸。位于荷兰西部东斯海尔德河口。该闸由闸身及其两端的海堤共3段组成，全长4425米。闸身长3000米，最大闸高53米，共63孔，平面闸门宽43米，高5.9~11.9米。◆施工方法采用整体预制、浮运就位、现场水上拼装及水下处理地基的方法进行施工。基础加固和保护系采用水下换基、振捣密实和铺设特制的软体垫。此软体垫外层由土工织物和钢丝加固，内分砂层、小卵石层和卵石层，中间用土工织物隔开。◆防冲设计上下游护坦的加固采用混凝土块加重防冲垫、石块加重沥青板等软体垫。闸门平时提起，只有当预报可能发生灾害性海潮时才将闸门关闭，这样既可挡潮，又不影响生态平衡。该工程于1986年10月建成。东斯海尔德挡潮闸二、水闸的工作特点①低水头，即挡水又泄水；②在水头差作用下，形成渗流，对稳定不利；③在水平推力作用下，依靠自重来维持稳定；④过闸流量大，对下游冲刷严重。设计中应解决的主要问题？①减少渗压（防渗）；②消能防冲设计（防冲）；③对地基进行处理，增加𝑓（稳定）。三、水闸的作用及分类1.作用——控制水流2.按担负的任务来分①进水闸（取水闸）②节制闸（拦河闸）③排水闸④挡潮闸⑤分洪闸⑥冲沙闸⑦船闸（专门建筑物）3.按闸室结构形式来分①开敞式水闸：闸室露天，无胸墙；【优点：易于排泄漂浮物】②胸墙式水闸【优点：减少闸门启闭力】③涵洞式水闸：闸室后部有洞身段，洞顶有填土覆盖。（有压、无压）此外：浮体式和自动翻板式等。按担负的任务来分①进水闸（取水闸)在河道、水库或湖泊的岸边，建闸引水，并控制入渠流量，谓之进水闸（取水闸）。这种水闸有开敞式及涵洞式两种，常建在渠首。启闭运用条件：枯水期（开闸引水）、洪水期（关闸挡水）。闸门顶高程=河道的校核洪水位+波浪爬高+安全超高【曾经考过】②节制闸（拦河闸）一般拦河而建，枯水期截断河道，抬高水位，以利于上游航运，或进水闸引水，洪水期用以控制下泄流量。启闭运用条件：枯水期（关闸挡水）、洪水期（开闸放水）。闸门顶高程=河道正常蓄水位+波浪爬高+安全超高③排水闸常建在江河沿岸，防江河洪水倒灌，河水退落时又可开闸排洪。特点：受双向水头作用，闸底板高程极低，而闸身较高【双向配筋】④挡潮闸作用：①阻止海潮沿河流上溯，免使土地盐碱化；②汛期受潮水顶托，易造成内滞（可抽排）。启闭运用条件：涨潮时（关闸挡水）、退潮时（开闸泄水）。特点：受双向水头作用。⑤分洪闸利用河道旁预定的洼地或湖泊分洪区，及时削减洪峰，确定下游安全。如荆江分洪闸，1952年建成。【特点：①分洪及时；②削减流量大】⑥冲沙闸动水冲沙，减少含沙量，防止淤积，以葛洲坝为例。⑦船闸（专门建筑物）【作用：便于航运】荆江分洪闸鸟瞰图葛洲坝大江冲砂闸正在冲砂杜家台分洪闸1956年兴建的杜家台分洪闸,长412米,30孔,设计流量4000立方米每秒。三峡船闸【双线五级船闸】四、水闸等级划分工程等别及建筑物级别平原区水闸枢纽工程是以水闸为主的水利枢纽工程，一般由水闸、泵站、船闸、水电站等水工建筑物组成，有的还包括涵洞、渡槽等其它泄（引）水建筑物，应根据水闸最大过闸流量及其防护对象的重要性划分等别。平原区水闸枢纽工程分等指标表注：当按表列最大过闸流量及防护对象重要性分别确定的等别不同时，工程等别应经综合分析确定。表6-2水闸枢纽中的建筑物级别划分其中水工建筑物的级别应根据其所属枢纽工程的等别、作用和重要性划分。五、水闸的组成及其各部分作用组成：上游连接段、闸室段、下游连接段。1.闸室段包括：闸门、闸墩、闸底板、工作桥、交通桥、启闭机等；闸室可通常为混凝土或钢筋混凝土结构。小型水闸有些部分可采用浆砌石。作用：是水闸的主体，【闸门】起到控制水流和【交通桥】连接两岸交通，同时具有防渗防冲作用。2.上游连接段包括：上游翼墙、铺盖（护底）、上游防冲槽、两岸护坡。作用：引导水流平顺地进入闸室，保护两岸及河床免遭冲刷，同时具有防渗作用。3.下游连接段包括：护坦（消力池）、海漫、下游防冲槽、下游翼墙、两岸护坡。作用：消除能量，引导出闸水流均匀扩散，平顺地进入下游河道，保护两岸及河床免遭冲刷。第二节闸址选择及水闸的孔口设计一、闸址选择根据水闸承担的任务，综合考虑地形、地质、水文、施工等因素，通过技术经济比较，选择最佳方案。1.地形条件拦河闸：宜选在河床稳定、水流顺直的河流上；（兼取水、通航的）宜选在稳定的弯曲河流上，将进水闸设在凹岸，船闸设在凸岸。分洪闸：一般设在弯曲河流的凹岸或顺直河道的深槽一侧。排水闸：闸址设在江河老堤的堤线上。冲沙闸：大多布置在拦河闸与进水闸之间。注：如拦河闸兼作施工导流用，常将闸址选在弯曲河流的凸岸，利用原河道导流。2.地质条件：壤土、中砂、粗砂、砂砾石适合做地基。二、闸孔设计内容选堰型，选底板高程，单孔尺寸，闸室总宽度、泄流能力计算等。（一）堰型选择宽顶堰：结构简单，施工方便。有利于泄洪、冲沙、排污、排冰、通航，且泄流能力比较稳定，但流量系数较小，易产生波状水跃。低实用堰：流量系数较大，水流条件较好。但泄流能力受尾水位变化的影响较为明显，施工较复杂。（二）闸底板高程的选定相关因素：水闸的任务，泄流（引水）流量，上下游水位，河床地质条件，工程总投资是否经济。底板高程高：闸室宽度大，两岸连接建筑物相对较低。底板高程低：闸室𝑞加大，加大消能防冲工程量；闸门高度增加，启闭设备容量增加，基坑开挖增加。一般情况：拦河闸和冲沙闸：底板顶面与河底平齐。进水闸：底板顶面可以高一些，防推移质泥沙进入渠道。（三）确定闸室单孔净宽和闸室总宽度单孔净宽考虑因素：闸门形式、启闭设备条件和运用要求我国大中型水闸的单孔宽度一般采用8~12m。则闸室总宽度：𝐿=𝑛𝑏+(𝑛−1)𝑑其中：𝑏——单孔净宽；𝑑——闸墩厚度；𝑛——闸孔数。讨论：闸孔总净宽增大，𝑞减小；闸孔总净宽减小，𝑞增大，这将直接影响消能防冲的工程量和工程造价。过闸水位差的选取：关系到上游淹没和工程造价。平原地区，一般设计过闸水位差选用0.1~0.3m【开启闸门时】。（四）泄洪能力计算泄流能力：与上下游水位、底板高程、闸孔净宽及形式等有关。1.当水流呈堰流时：𝑄=𝜎𝘀𝑚𝑛2𝑔𝐻0322.当水流呈孔流时：𝑄=𝜎′𝜇𝑎𝑛2𝑔𝐻0计算的流量应不小于设计的流量或校核的流量。第三节水闸的防渗与排水设计一、渗流对建筑物的主要影响1.降低了水闸的稳定性；2.可造成管涌流土渗透变形；3.损失水量；4.使地基中可溶物质加速溶解。二、防渗的目的1.减小闸底的扬压力；2.防止渗透变形；3.减少渗漏量。又称化学管涌，管涌的一种特殊形式三、防渗透长度的确定1.防渗设施的类型水平防渗——铺盖、闸底板垂直防渗——板桩、齿墙2.地下轮廓线的定义自铺盖前端开始，到排水前端为止，沿铺盖、板桩及底板等与地基的接触线，称地下轮廓线，即闸室渗流的第一根流线，其长度即为水闸的防渗长度。3.防渗长度的确定（1）勃莱法1910年，勃莱根据许多修建在土基上的成功和失败的低水头闸坝观测资料统计而得出。勃莱法假定：沿闸基渗透轮廓线单位长度消耗的水头差相同，即渗透坡降是均匀的。水平防渗和垂直防渗效果相同。𝐿=𝐿1+𝐿2式中：𝐿1——铅直渗流长度（含倾斜大于45°的防渗体）𝐿2——水平渗流长度（含倾斜小于45°的防渗体）𝐿≥𝑐𝐻𝑐——渗径系数（𝐽的倒数）；𝐻——上下游水位差；𝐿——渗径长度。渗透坡降𝑱=𝑯𝑳（2）莱茵法莱茵于1934年根据更多的实际工程资料认为：沿闸基渗流轮廓线单位长度消耗的水头并不相同，单位水平渗流消耗的水头只为单位铅直渗流的13。如全部折算为铅直渗流，则折算后渗流长度𝐿′为：𝐿′=𝐿1+𝐿23式中：𝐿1——铅直渗流长度（含倾斜大于45°的防渗体）𝐿2——水平渗流长度（含倾斜小于45°的防渗体）𝐿′≥𝑐′𝐻𝑐′——渗径系数（𝐽的倒数）；𝐻——上下游水位差。渗径系数：𝒄——又称勃莱系数；𝒄′——又称莱茵系数。（3）例题（用上述方法求渗流长度）某水闸地下轮廓线布置如下图所示，已知渗径系数𝑐′=4.0，板桩的深度𝑕=5米，求铺盖的长度𝑥（注：图中尺寸及高程单位均为米）解：𝐿′=𝐿水′3+𝐿垂′=𝑥+3+153+1+1+2𝑕=𝑥3+18∵𝐿′≥𝑐′𝐻∴𝑥3+18≥4.0×10−3=28𝑥≥30m答：铺盖的长度至少为30米。𝑥315−2.00−1.000.0010.003.00𝐴𝐵排水起点莱茵法四、地下轮廓线的布置原则：上防（堵）下排，即防渗与排水相结合防渗：水平防渗——铺盖；垂直防渗——齿墙、板桩、防渗墙、灌浆帷幕等。下排：排水孔、减压井等。具体地下轮廓线设计（讨论）1.粘土地基【𝑓=tan𝜑→𝜑小，𝑓小→减小闸底板渗压→延长铺盖或排水设备前移】【板桩在粘土地基处理不好容易形成渗流通道，所以粘土地基一般不打板桩】2.砂性土地基【减小𝐽→𝐽=𝐻𝐿→加大𝐿→加铺盖+板桩+排水设备后移】3.粉砂地基【地震时易流动→打封闭板桩】4.有承压水的地基【排水】渗透压力图解（延长铺盖）延长前延长后闸底板渗透压力减小，渗径延长渗透压力图解（排水设备前移）移动前移动后闸底板渗透压力减小，渗径缩短渗透压力图解（排水设备后移）移动前移动后闸底板渗透压力增大，渗径延长渗透压力图解（设板桩）打桩前打桩后渗径延长五、渗流计算目的：求解渗流区域内的渗透压力、渗透坡降、渗透流速及渗透流量。渗流的基本方程闸基渗流属有压渗流（土坝渗流为无压渗流），一般按平面问题考虑。基本假定：地基是均匀的，各向同性的，渗水不可压缩，符合达西定律。1.流体力学方法（了解）𝜕2ℎ𝜕𝑥2+𝜕2ℎ𝜕𝑦2=0（拉普拉斯方程）式中：𝑕为渗流水头在某点的压力水头，系坐标的函数。理论上只要渗流区域的边界条件已知，即可根据拉氏方程求出任意一点的𝑕值，亦可求出渗流场内任意点的渗流要素，但实际边界条件相当复杂，难以求解。渗透三要素𝑽=𝒌𝑱2.水力学解法（近似解）（1）直线比例法勃莱法、莱茵法（2）阻力系数法𝑞=𝑘ℎ𝑙𝑇𝑕=𝐿𝑇𝑞𝑘=𝑞𝑘其中：𝑞为单宽渗流量；𝑕为两断面水头差；𝑇为土层厚度；𝑘为土壤渗透系数；为阻力系数；（3）流网法（参考土石坝）3.直线比例法（1）勃莱法勃莱法假定：沿闸基渗透轮廓线单位长度消耗的水头差相同，即渗透坡降是均匀的。按直线比例求地下轮廓上各点的渗压水头𝑕𝑥𝑕𝑥=𝐻𝐿𝑥式中：𝐻——上下游水位差；𝐿——渗透长度；𝑥——由下游逸出点算起；？𝑥𝐿𝛾𝐻1−𝐻2？=𝑥𝐿𝛾𝐻1−𝐻2直线比例法原理图（2）莱茵法认为：沿闸基渗流轮廓线单位长度消耗的水头并不相同，单位水平渗流消耗的水头只为单位铅直渗流的1∕3。如全部折算为铅直渗流，则折算后渗流长度𝐿′为：𝐿′=𝐿1+𝐿23式中：𝐿1——铅直渗流长度（含倾斜大于45°的防渗体）𝐿2——水平渗流长度（含倾斜小于45°的防渗体）在折算渗径上，距逸出点为𝑥′处的渗压水头为：𝑕𝑥′=𝐻𝐿′𝑥′（3）直线比例法的优缺点优点：（1）计算简单；（2）从大量实际资料中总结得出，经过长期实践的检验；（3）理论上：地下轮廓线不是一般的流线，它可能形成集中渗流通道。南科院调查资料表明：渗流出口和沿地下轮廓线最容易发生渗透变形。缺点：（1）沿地下轮廓的渗压水头并不是直线变化的（地质不