水闸

水工建筑物第六章水闸一、水闸的功能和分类水闸的概念水闸的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、湖泊岸坡。水闸的功能拦洪、挡潮、抬高水位；泄洪、排涝、冲沙、调节流量按承担任务分：节制、进水、分洪、排水、挡潮、冲沙闸按结构形式分：开敞式、胸墙式、涵洞式等按操作闸门的动力分：机械操作、水力操作闸门的水闸6.1概述6.1概述二、水闸等别划分工程等别ⅠⅡⅢⅣⅤ规模大(1)型大(2)型中型小(1)型小(2)型最大过闸流量≥50005000～10001000～100100～2020防护对象的重要性特别重要重要中等一般三、水闸的组成部分(Fig6-3)闸室含两岸翼墙、两岸护坡、河床部分的铺盖及防冲墙、护底目的：导流、防冲、防渗、护稳包括护坦、海漫、防冲槽、两岸翼墙、两岸护坡等目的：消能、导流、调流、减速、防冲包括闸门、闸墩、边墩(岸墙)、底板、胸墙、工作桥、交通桥、启闭机等上游连接段下游连接段6.1概述三、水闸的工作特点（软土地基）承载后沉降量或沉降差较大，易造成闸室倾斜、止水破坏、闸底断裂、甚至失事。因土基的抗冲能力低，仍可能引起水闸下游的冲刷。出流形成的波浪水跃、折冲水流，将进一步加剧河床、河岸的淘刷。土基在渗透水流作用下，容易产生渗流变形，引起沉降、倾斜甚至倒坍.6.1概述四、水闸设计的内容闸址选择孔口形式和尺寸设计防渗、排水设计消能、防冲设计稳定性计算沉降校核和地基处理两岸连接建筑的型式和尺寸设计结构设计6.1概述一、闸址选择地形开阔、岸坡稳定、岩土坚实、地下水位较低；优先选择地质条件良好的天然地基，壤土、中砂、粗砂和砂砾适于作闸基，尽量避开淤泥、粉砂、细砂地基；过闸水流的形态是影响闸址选择的主要因素，需出流平顺、均匀，不出现偏流和危害性冲刷和淤积。6.2闸址选择和闸孔设计二、闸孔设计1堰型选择2底板高程的确定：影响运用和造价宽顶堰低实用堰底板较高时：单宽流量小，所需闸室宽度大，但两岸连接建筑低底板较低时：单宽流量大，虽闸室宽度窄，但消能防冲的工程量增大，闸门高度增加，启闭机容量增加一般要求6.2闸址选择和闸孔设计3闸孔总净宽的确定出流为堰流时：出流为孔口出流时：L0的确定关系到单宽流量，从而关系到消能防冲工程，关系到上游淹没程度，关系到底坎高程等，需综合考虑。5.1002HgmQL002gHaQL6.2闸址选择和闸孔设计4闸室单孔宽度和总宽度闸室单孔宽度l0：依据闸门形式、启闭条件、运用要求和工程造价确定；一般经验：大中型采用8～12m闸孔孔数：n＝L0/l0，取整，且常采用单孔数闸室总宽度：（不包括边墩）总宽度与河宽的比值：河宽50～100m时，比值≥0.6～0.75；河宽大于200m时，比值≥0.85；6.2闸址选择和闸孔设计101Lnlnd一、渗流危害发生渗流的位置（图）渗流的危害闸基边墩背水一侧翼墙背水一侧降低闸室的抗滑稳定及边墩和翼墙的侧向稳定性；可能引起闸基的渗透变形，甚至破坏；损失水量；使闸基的可溶性物质加速溶解。6.3水闸的防渗、排水设计二、水闸的防渗长度及地下轮廓的布置1防渗长度的确定防渗设施：上游铺盖、板桩、底板为防渗设施，护坦不是。地下轮廓线：上游铺盖、板桩、底板等防渗设施与地基的接触线，也是渗流的第一根流线。防渗长度：地下轮廓线的长度。防渗长度L的确定：L≥CH(C是渗径系数，H为上下游水位差)6.3水闸的防渗、排水设计2地下轮廓线的布置原则：防渗与排水相结合，即上游防渗、下游排水。上游水平防渗有铺盖，垂直防渗有齿墙、板桩、砼防渗墙、灌浆帷幕等下游排水有面层排水、排水孔、减压井等粘土地基：不易发生管涌,底板与地基间摩擦系数小,以降压提高抗滑稳定为主砂土地基：底板与地基摩擦大,抗渗透变形能力差,以防治渗透变形和减小渗漏为主①粗砂与沙砾；②细砂；③粉砂；④含承压水6.3水闸的防渗、排水设计二、渗流计算(一）基本方程渗透压力、渗透比降、渗透流速、渗流量闸基渗流为有压渗流假定：地基均匀、各向同性，渗水符合达西定律。拉普拉斯方程：22220hhxy6.3水闸的防渗、排水设计6.3水闸的防渗、排水设计（二）计算方法流网法：通过手绘和实验获得(Fig6-5)改进的阻力系数法①基本原理：以流体力学为基础的近似方法②计算深度的确定：③渗压计算：④水力坡降曲线的修正⑤逸出坡降计算：直线法三、防渗及排水设施防渗设施铺盖板桩齿墙排水设施铺设在护坦、浆砌石海漫及闸底板下面的起导渗作用的砂砾石层6.3水闸的防渗、排水设计目的：延长渗径要求：相对不透水以防渗，具柔性以适应地基变形材料：粘土、粘壤土、沥青混凝土，有时可用钢筋混凝土粘土和粘壤土铺盖：(Fig6-8)沥青混凝土铺盖：厚度5～10cm；注意与闸底板连接钢筋混凝土铺盖：(Fig6-9)（一）铺盖6.3水闸的防渗、排水设计（三）齿槽（二）板桩目的：截断透水层(埋深浅)或延长渗径(埋深深)埋深要求：插入不透水层1m或插入深度0.6～1.0倍总水头材料：木材、钢筋混凝土、钢材，钢筋砼最常用。与闸底板连接：紧贴前缘和嵌入凹槽两种形式(Fig6-10)闸底板上下游均设1.0m左右的短齿槽，增强稳定和延长渗径6.3水闸的防渗、排水设计（四）其他防渗设施（五）排水与反滤混凝土防渗墙、灌注式水泥砂浆帷幕……材料：1～2cm的卵石、砾石或碎石位置：平铺在护坦、浆砌石海漫的底部，或深入闸底板底部下游段厚度：0.2～0.3m反滤：与地基接触处设反滤层6.3水闸的防渗、排水设计一、过闸水流的特点1闸下易形成波状水跃形成原因：1.0Fr1.7危害：①消能效果差，出流冲刷能力较强;②不易扩散而两侧形成回流，单宽流量增大，加剧冲刷。6.4水闸的消能、防冲设计2闸下易出现折冲水流形成原因:布置、操作不当危害:左冲右撞淘刷河床和岸坡,影响枢纽的正常运行。6.4水闸的消能、防冲设计闸下游消能、防冲设施消能设施底流消能——消力池辅助消能工尾坎防冲设施海漫防冲槽防冲墙6.4水闸的消能、防冲设计二、底流消能工设计（一）底流消能工的布置适用于水头较小而下游水位变幅大的平原地区水闸淹没度：1.05～1.10设置消力池的三种方法消力池与闸底板采用斜坡连接闸室尾设小槛防止波状水跃消力池前端设散流墩防止折冲水流消力池末端设尾槛调整流速分布，减小出流底部流速，形成横轴旋滚进一步消能6.4水闸的消能、防冲设计8.0~7.09.6cjjssjhhLLLL消力池底板厚度：由抗冲、抗浮要求确定消力池长度（二）消力池的深度、长度、底板厚度的确定深度：试算，选取最不利的流量对应的深度；要求水跃起点位于消力池前端或斜坡坡脚6.4水闸的消能、防冲设计（三）辅助消能工主要是消力墩作用：加强消能，稳定水跃，减小消力池长度和深度.布置：布置在消力池内，可前可后，可单排可多排，可交错排列。墩高：1/5-1/3跃后水深6.4水闸的消能、防冲设计（四）消力池的构造消力池底板、消力墩等配筋消力池末端设齿墙以增加稳定性水平段的后半部设排水孔以减少扬压力底部铺设反滤层分缝：垂直于水流方向不分缝；与底板、翼墙、海漫交界处设沉降缝。6.4水闸的消能、防冲设计三、海漫设计1海漫的作用2海漫的布置与构造防冲：防止水流出消力池后的剩余能量对下游的冲刷；顺流：调整水流均匀扩散，使流速分布逐渐调整到天然状态(Fig6-18)。布置：水平段＋斜坡段(Fig6-18)要求：①表面粗糙，以进一步消能②具透水性，渗流可自由排除，降低扬压力③具柔性，以适应河床冲刷变形。6.4水闸的消能、防冲设计3海漫的长度影响因素：单宽流量、水位差、地质条件、尾水深度、海漫粗糙度……类型①干砌石海漫：常用于海漫后段(Fig6-18)②浆砌石海漫：常用于海漫前段③混凝土板海漫：板中设排水孔，下设反滤或垫层④钢筋砼板海漫：流速较大时采用⑤其它形式海漫：铅丝笼海漫(Fig6-19)6.4水闸的消能、防冲设计四、防冲槽与末端加固防冲槽海漫末端预留足够d30cm的石块，发生冲刷后石块自动滚下阻止冲刷继续发展防冲墙：齿墙、板桩、沉井等6.4水闸的消能、防冲设计6.5闸室的布置与构造闸室的布置底板、闸墩、边墩、胸墙、闸门、启闭机、工作桥、交通桥闸室分缝闸室与边墩的连接与分缝闸室的设计要求抗滑稳定结构强度沉陷一、底板1底板类型2底板分缝3底板长度按过闸形式分：水平底板、低实用堰底板按与闸墩的连接形式分：整体式底板、分离式底板(图)按结构形式分：实体底板、箱式底板温度沉降缝：将闸室分成若干闸段,每个闸段可含单孔、双孔或三孔(Fig6-21(a)取决于上部结构，需满足强度和抗滑要求，参考经验取值6.5闸室的布置与构造底板施工二、闸墩顶部高程预制构件框架式闸墩6.5闸室的布置与构造三、闸门闸门型式选择考虑的内容闸门在闸室中的位置运用要求、闸孔跨度、启闭机容量、工程造价与闸室稳定、闸墩应力、地基应力、上部结构位置有关平板门通常设在上游侧，有时为了利于水重也可设在下游侧弧形闸门需靠上游侧设置，可缩短闸墩检修闸门设在上游侧，与工作闸门净距1～3m6.5闸室的布置与构造四、胸墙1胸墙形式(Fig6-23)2胸墙的支承型式(Fig6-24)楔形板：适用于跨度6m的水闸，墙板上薄下厚梁板式：跨度6m的水闸适用,由墙板、底梁、顶梁组成简支式支承：柔性连接，可避免闸墩附近出现裂缝，但截面尺寸较大。多用于分离式底板。固接式支承：刚性连接，截面尺寸小，闸室整体稳定好，但受温度和变形影响大，易出现裂缝。多用于整体式底板。6.5闸室的布置与构造五、交通桥、工作桥、检修便桥1交通桥2工作桥设在水闸下游一侧板式结构：跨度3～6m常用T型梁结构：跨度=6～20m常用预应力钢筋砼结构：跨度20m常用多用单跨简支板式结构：小型水闸常用装配式梁板结构：大中型水闸常用采用固定式启闭机和活动式启闭机的工作桥高度不同6.5闸室的布置与构造六、分缝与止水1分缝方式与布置2止水设备缝间距：岩基20m,土基30m缝宽：2.0～2.5cm分缝方式铅直止水：闸墩中间、边墩与翼墙间、上游翼墙本身水平止水：铺盖、消力池、底板、闸墩等之间的沉降缝止水交叉：铅直交叉、水平交叉；柔性连接、刚性连接6.5闸室的布置与构造一、闸室稳定分析验算工况:竣工期、运行期、检修、施工期验算单元:整个闸室或分缝之间的闸段（一）荷载及组合主要荷载：自重/水重/水推力/扬压力/浪压力/泥沙压力/土压力/地震力8类荷载组合基本组合：正常蓄水位、设计洪水位、完建等工况特殊组合：校核洪水位、地震、施工、检修等工况6.6闸室稳定分析、沉降校核和地基处理6.6闸室稳定分析、沉降校核和地基处理（二）闸室的稳定性及安全指标闸室的稳定性平均基底压力不大于地基容许承载力不发生明显的倾斜，地基压力的最大值与最小值之比不大于规定的容许值不发生沿地基面或深层的滑动1闸室基底压力验算结构布置和受力对称的闸段：单向偏心受压公式：结构布置和受力不对称的闸段：双向偏向受压公式要求：BAMAW6maxminmaxmaxmin11.22[]、、maxmin6.6闸室稳定分析、沉降校核和地基处理2闸室抗滑稳定验算地基临界法向应力：地基面(平面滑动)抗滑稳定计算tg21tgubABcmaxu，只验算平面滑动maxu，平面滑动、深层滑动均验算PAcWKPWfKcc00tg或6.6闸室稳定分析、沉降校核和地基处理安全系数的要求：计算的准确性取决于f、c的准确性增稳措施①减小渗透压力：增长铺盖、闸底板设排水设施等②利用上游钢筋砼铺盖作阻滑板③多利用水重：闸门向下移或底