河海大学《水工建筑物》第七章水闸.

1第七章土基上的水闸(Sluiceonearthfoundation)2第一节概述第二节水闸的闸孔和消能防冲第三节闸基的防渗排水第四节闸室的布置和构造第五节闸室的稳定分析和地基处理第六节闸室的结构计算第七节两岸连接建筑物第八节闸门和启闭机PP.180★×3水闸建设概况:建国以来，随着我国水利事业的蓬勃发展，全国各地兴建了数以千计的大中型水闸。大大增强了这些地区的防洪、抗旱和排涝能力。促进了工农业生产的发展，保证了人民群众的生命安全,产生了巨大的社会经济效益。第一节概述4江都水利枢纽工程江都抽水站之太平闸5一、水闸的作用和类型•水闸的作用：水闸是一种既挡水又泄水的低水头水工建筑物,通常建造在土基上,也称活动坝。PP.1806PP.180１、按任务不同，可分为以下五种：进水闸、节制闸、分洪闸、排水闸、挡潮闸7２、按闸室结构分•开敞式：闸室露天有胸墙与无胸墙•涵洞式：闸室后部有洞身段，洞顶有填土覆盖。３、按操作闸门的动力分•机械操作闸门的水闸：平面钢闸门、升卧门、弧形门等•水力操作闸门的水闸：水力操作闸门的水闸(自动翻板门)8910滚轮导轨连杆支腿支墩面板图5连杆滚轮式水力自控翻板闸门11上游连接段→闸室段→下游连接段(引导水流平顺进入闸室)(调节水位和流量)(消能、防冲)⒈闸室：底板、闸墩、闸门(胸墙)、工作桥、交通桥闸门（承受水压力)→闸墩（承受上部结构重量）→底板(较均匀地传力给地基）⒉上游连接段翼墙、铺盖、护底、防冲槽、护坡⒊下游连接段翼墙、护坦(消力池)、海漫、防冲槽、护坡二、水闸的组成及各部分作用▲PP.1811213上海拦路港元荡分流节制闸工程14•稳定问题：水平水压力、渗透压力不利于稳定三、水闸的工作特点PP.182•渗流问题：扬压力降低结构有效自重土体颗粒易产生渗透破坏•冲刷问题：流速大，会冲刷下游河床、岸坡•沉降问题：地基受压后变形，使水闸下沉15与溢流重力坝相比有如下一些特点:1.水流特点a.开始泄流时，通常下游无水，或水深很浅，随着闸门开度增大，下泄量和下游水位也相应变化，从无到有、从小到大，大幅度变化使流态(淹没出流、自由出流)较为复杂，给消能设计和计算带来困难;b.水头差小，佛氏数(Froude)低(小于4.5)，消能效果差佛氏数在1.0～1.7→易形成波状水跃c.泄流不对称时或有某些干扰时→易产生折冲水流;d.水头差作用下易产生渗透变形;16172.地基特点a.土基上的水闸抗滑能力差(f小)。b.承载能力差c.易压缩变形→产生不均匀沉降d.抗冲刷能力低3.结构特点是弹性地基上的板、梁、柱综合体注意解决的问题:a.选择与地基条件相适应闸室结构型式，保证闸室及地基的稳定性;b.做好防渗设计(河床及两岸)c.做好消能防冲设计，避免出现危害性冲刷;18第二节水闸的闸孔和消能防冲一、闸孔设计•闸孔设计的任务：确定闸孔的形式、孔口尺寸和堰顶高程(一)设计条件已知设计流量Q和下游水位，求闸孔宽；对节制闸，要合理确定过闸水头损失△H；PP.18119(二)闸孔形式宽顶堰孔口、低堰孔口、胸墙孔口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。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。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。20⒈运用条件：节制闸与河底齐平或略高；进水、分洪闸比河底略高（防泥沙）。(三)堰顶高程选择PP.183⒉经济要求：底板高程低→水深↑，q↑→闸室总宽度↓,但增大闸身和两岸结构高度，消能防冲费用↑，泥沙淤积。•需考虑运用条件、经济要求和单宽流量的要求⒊单宽流量的要求：抗冲刷能力21⒈堰流公式(四)闸孔总宽度及孔数的确定23002HgmQB式中各系数的确定见《水闸设计规范》SL265-2001附录A。PP.183⒉孔流公式：002gHhQBe22求出总净宽B0后，根据需要进行孔口划分。闸孔数n=B0/b，如运用上无特殊要求，大型水闸一般b=8~12m(闸门宽高比为1.5~2.0)，小型水闸b=3m。当n8时尽量取单数，以便对称开启。闸室总宽L=nb+(n-1)d，d为闸墩厚度。3.闸室总宽度：PP.18323二、水闸的消能防冲(一)过闸水流的特点平原上的水闸上下游水位多变，出闸水流形式多变；平原上的水闸上下游水头差小，当佛氏数在1.0～1.7时易形成消能效果差的波状水跃；水闸宽度较上下游河道窄，水流过闸先收缩再扩散，如布置不当，易产生折冲水流，冲毁消能防冲设施和下游河道。PP.18424控制单宽流量；方向与原河床主流方向一致；合理选择下游翼墙的扩散下泄水流角，以利于水流扩散；消能防冲设计合理的闸门开启程序•(二)采取的措施25(三)消能防冲设施消能防冲设施必须在各种可能出现的水力条件下，都能满足消散动能、均匀扩散水流、防止冲刷的要求，并与下游河道有良好的衔接。消能防冲设施包括：底流消能、海漫和防冲槽。大多数水闸采用底流消能。底流消能的主要结构是消力池，在池中形成水跃进行消能。消力池后紧接海漫，在海漫上继续消除水流剩余动能，使水流扩散并调整流速分布，以减小底部流速，从而保护河床免受冲刷。261.消力池：使水流形成水跃，避免地基遭冲刷(1)消力池的布置PP.185当hs’≤hc″时，产生远趋式水跃或临界水跃，需建消力池。反之，不需建消力池，而实际工程中，为了安全仍取池深P=0.5~1.0m下挖式消力池、突槛式消力池和综合式消力池是底流式消能的三种主要形式。•下挖式消力池与闸室底板之间直接用斜坡段连接即可，规范规定消力池斜坡段坡度不应陡于1：4。•倾斜段不宜设排水孔，护坦后部设铅直排水孔以降低池底板渗透压力，并在该部位底面铺设反滤层。2728消力池的长度可用以下经验公式计算：nslLL•式中L为消力池长度；•Ls为斜坡段的水平投影，一般为(3~4)P；•β为水跃长度校正系数，一般取0.7~0.8；•ln为水跃长度，按下式计算：）ccnhhl(9.6消力池的深度ZhhPsc'''029(2).辅助消能工×作用：加大水流阻力；加强水流紊动和撞击；稳定水跃；利于扩散水流类型：消力墩，消力梁，散流墩等(3)护坦构造材料：混凝土、钢筋混凝土厚度：一般为0.5～1.0m；排水孔布置：孔径5～25cm，间距1.5～3.0m，呈梅花形布置；底部设置反滤层；(图5-8)PP.186▲302.海漫及防冲槽(1)海漫：•紧接护坦，进一步消除余能，调整流速分布•要求：抗冲、表面粗糙、透水、有一定柔性；•材料：浆砌石、干砌石；PP.18731(2)防冲槽限制冲刷向上游扩展，保护海漫。深度一般为1.5~2.0m，上下游坡度可采用1:2~1:4。323.上游河床防护(护底)长度一般为(3~5)H，采用浆砌石或干砌石结构。必要时上游护底首端应设防冲槽(或防冲墙)，其深度一般采用1.0m。4.上、下游河岸的防护(护坡)采用浆砌石或干砌石结构，厚约30～50cm，底部一般铺设10cm厚的卵石或粗砂垫层；每隔8~10m设混凝土埂或浆砌石埂。PP.18833第三节闸基的防渗排水★▲闸基渗流的主要危害：(1)沿闸基的渗流对建筑物产生向上的压力，减轻建筑物有效重量，降低闸身抗滑稳定性，沿两岸的渗流对翼墙产生水平推力；(2)由于渗透力的作用，可能造成闸基土体渗透变形；(3)严重的渗漏将造成大量的水量损失；PP.1893435防渗设计的要求：确定最优的地下轮廓及防渗排水措施，使渗透压力适当减小，使闸基不发生渗透变形，并使闸基渗透量控制在允许范围内。36(一）防渗长度地下轮廓线：闸基渗流的第一根流线，即铺盖、板桩等防渗结构以及闸室底板与地基的接触线。一、地下轮廓的拟定PP.189★★地下轮廓线的长度L称为防渗长度应满足：L≥c·△H，c值见PP.190表5-1。地下轮廓线有三个特点：起点是入土点，终点是出土点，中间是连续线▲3738(二)地下轮廓布置(1)布置原则：滞渗(防渗)与导渗(排水)相结合PP.190在闸室底板下游一侧布置排水及反滤设施，使渗透水流尽快地安全排走，以防止发生渗透变形，并减小底板渗透压力，叫导渗。★在闸室底板上游一侧布置防渗设施(如铺盖、板桩及齿墙等)，用来延长渗径，减小底板渗透压力，降低闸基渗流的平均坡降，叫滞渗；394041①粘性土地基：有粘着力，不易产生管涌，但底板与土壤间摩擦系数小，不利于闸室稳定。(2)不同地基土质情况下的地下轮廓布置降低渗透压力，增加闸身有效重量。闸室上游设置铺盖(不用板桩)，闸室下游护坦底部应设排水设施，下游排水可延伸到闸底板下。42②砂性土地基：防止渗透变形，对降低渗透压力的要求较低。(a)砂层很厚上游可采用铺盖和悬挂式板桩相结合的形式，下游渗流出口处应设置反滤层，排水布置在护坦之下。(b)砂层较浅板桩直接深入相对不透水层，下游渗流出口处应设置滤层，排水布置在护坦之下。4344二、渗流计算★•渗流分析的目的：渗透压力、渗透坡降•水闸渗流是有压渗流。•分析方法：规范中推荐采用改进阻力系数法和流网法作为求解土基上闸基渗透压力的基本方法。复杂土基上重要水闸，应采用数值计算法求解。•基本假定：达西定律、拉普拉斯方程PP.1914546(一)加权直线法由直线比例法发展而来。把地下轮廓上、下游端的铅直渗径扩大一个倍数n，而其他部分仍保持不变。假定端板桩（或齿墙）的深度为S，地下轮廓水平投影长度为L，计算用透水层深度为T，则同时满足S/T0.1和S/L0.1的为短板桩，取n=4；否则视为长板桩，取n=2。(绘图说明)PP.19247(二)改进阻力系数法把闸基的渗流区域按可能的等水头线划分为几个典型流段，根据渗流连续性原理，流经各流段的渗流量相等，各段水头损失与其阻力系数成正比，各段水头损失之和等于上下游水头差。481.基本原理图示为一矩形渗流区域。根据达西定律，通过该区域的单宽渗流量为：LhkAAkJqALkqhkqhAL则，记PP.192可见：h与ξ成正比，而ξ仅与渗流区的几何形状有关，是渗流边界的函数。49水闸的闸基渗流区域比较复杂，可以将其按可能的等水头线划分为几个典型流段，各典型流段有各自的阻力系数ξi，各段的水头损失为：,kqhiiPP.193根据渗流连续性原理，各流段的单宽渗流量相等，因此：kqhiiiikqhHiiiHhiHkq闸基渗流的总水头损失应为各段水头损失的之和，即：50512.主要计算步骤(1)确定地基计算深度Te若Te地基的透水深度T，则按Te计算；若Te地基的透水深度T，则取Te=T计算。0005.0,5LTSLe时当26.15,500000SLLTSLe时当L0为地下轮廓的水平投影长度；s0为铅直投影长度PP.19352•按可能的等水头线划分为几个典型流段(进口段、出口段、水平段、内部铅直段)•按PP.194表5-2公式计算各段的阻力系数。要正确计算T、S、S1、S2等参数。(3)求出各段水头损失hi，绘制渗透压力分布图iiiHh(2)分段并计算各段的阻力系数53(4)进、出口段水头损失修正)059.0](2)(12[121.12TSTT)11(,00取时进出口段hh0)1(hh水头损失减少了niiTHha154(5)齿墙不规则部位的修正hhhhhxxx当)(,2xyyxxyxxhhhhhhhhhh当)(2,2yxCDCDyyxxyxhhhhhhhhhhhh当55(6)抗渗稳定性验算★要求水平段及出口段的渗透坡降必须小于规范规定的允许坡降。水平段的平均渗透坡降根据各水平段的长度和水头损失计算。出口段的平均出逸坡降：][00JShJ作业：56改进阻力系数