搜索
水工建筑物课件第六章水闸6.1概述水闸：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，具有挡水和泄水双重作用，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。与设表孔闸门的溢流重力坝的区别:水闸水头较低，抬高水位较少，主要靠闸门挡水；而溢流坝主要靠闸门下的坝体挡水。水闸可建于各种地基，在水利工程中的应用十分广泛。我国最早修建的水闸：公元前6世纪春秋时代，安徽寿县城南设有进水和供水用的5个水门。我国水闸数量：已建3万多座，其中大型水闸近500座。葛洲坝二江泄洪闸：共27孔，闸高33m，最大泄量达83900m3/s，居全国之首，1988年至今运行良好。目前世界上最高和规模最大的水闸：荷兰东斯海尔德挡潮闸，共63孔，闸高53m，闸身净长3000m，连同两端的海堤，全长4425m，被誉为海上长城。现代水闸建设发展趋势：型式多样化、结构轻型化、施工装配化、操作自动化和遥控化。一、水闸的类型1、按承担任务分类（图6–1）（1）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。节制闸在灌溉渠系中位于干、支渠分水口附近。（2）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。有开敞式及涵洞式两种，常建在渠首。图6–l水闸分类示意图（3）分洪闸常建于河道的一侧，用来将超过下游河道安全泄量的洪水泄入分洪区（蓄洪区或滞洪区）或分洪道，及时削减洪峰，确保下游安全。如：荆江分洪闸。（4）排水闸常建于江河沿岸，防江河洪水倒灌；河水退落时又可开闸排洪。其特点是：受双向水头作用，闸底板高程极低，而闸身较高。（5）挡潮闸特点：建在入海河口附近；双向挡水。作用：①涨潮时关闸，阻止海潮沿河流上溯倒灌，免使土地盐碱化；②退潮时开闸泄水；（6）冲沙闸（排沙闸）：建于多沙河流，用于排沙，减少引水水流的含沙量，防止渠道和闸前淤积。常建在进水闸一侧的河道上，与节制闸并排布置或设在进水闸旁。（7）排冰闸、排污闸：专为排除冰块、漂浮物等而建。（8）船闸（专门建筑物）2、按闸室结构形式分类（教材P302图6–2）（1）开敞式水闸（不设胸墙）多用于泄洪、排冰、排漂、过船，如：节制闸、分洪闸大都采用开敞式。（2）胸墙式水闸一般用于上游水位变幅较大、水闸净宽又为低水位过闸流量所控制、在高水位时尚需用闸门控制流量的水闸，如：进水闸、排水闸、挡潮闸多用这种型式。葛洲坝泄洪闸为“上平下弧”，当上游水位变幅大，而泄量又有限制，为避免闸门过高，常设胸墙。（3）涵洞式水闸多用于穿堤取水或排水。3、按施工方法分类装配式、浮运式等。二、水闸等别划分水闸枢纽工程等别划分：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，详见表6–1。各类水闸洪水标准，按《水闸设计规范》（SL265–2001）确定。表6-1平原地区水闸枢纽工程分等指标注：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。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（m3/s）≥50005000~10001000~100100~2020防护对象的重要性特别重要重要中等一般—表6-2水闸枢纽中的建筑物级别划分水闸枢纽中各建筑物的级别划分：应根据其所属枢纽的工程等别、建筑物的作用和重要性划分，详见表6–2。工程等别永久性建筑物级别临时性建筑物级别主要建筑物次要建筑物Ⅰ134Ⅱ234Ⅲ345Ⅳ455Ⅴ55—三、水闸的组成（图6–3）水闸一般由闸室、上游连接段和下游连接段三部分组成。图6–3水闸的组成部分1–上游防冲槽；2–上游护底；3–铺盖；4–底板；5–护坦（消力池）；6–海漫；7–下游防冲槽；8–闸墩；9–闸门；10–胸墙；11–交通桥；12–工作桥；13–启闭机；14–上游护坡；15–上游翼墙；16–边墩；17–下游翼墙；18–下游护坡1、闸室闸室是水闸的主体，包括：闸门、闸墩、底板、工作桥、交通桥、启闭机等。常为混凝土或钢筋混凝土结构，小型水闸有些部位可用浆砌石。底板作为基础，兼有防渗和防冲作用。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。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，确保两岸和闸基的抗渗稳定性。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。用以消除过闸水流的剩余能量，引导出闸水流均匀扩散，调整流速分布和减缓流速，防止水流出闸后对下游的冲刷。四、水闸的工作特点（针对软土地基而言）（一）地基特点1、抗滑能力差（稳定问题，砼与土基的f值小，c=0）；2、抗冲能力低；3、沉陷量大，而且会发生不均匀沉陷；4、渗流（闸基）变形。综合分析——软土地基的压缩性大，承载能力低，细砂容易液化，抗冲能力差。在闸室自重及外荷作用下，地基可能产生较大的沉降或不均匀沉降，造成闸室倾斜，止水破坏，闸底板断裂，甚至发生塑性破坏，引起水闸失事。（二）水流特点1、初始消能困难（下游无水或水深较浅）；2、易产生波状水跃；3、易产生折冲水流（扩散角太大，不均匀开启）。综合分析——水闸泄流时，虽流速不高，但由于土基抗冲能力较低，也可能引起水闸下游的冲刷。水闸下游常出现的波状水跃和折冲水流（教材P316，图6–11、12），进一步加剧对河床和两岸的淘刷。因此，消能防冲设施要在各种运用情况都能满足设计要求。（三）渗流特点1、闸室下及两岸均产生渗流，对建筑物的稳定不利；2、土基渗流变形问题。综合分析——土基在渗透水流作用下，容易产生渗流变形，特别是粉、细砂地基，在闸后易出现翻砂冒水现象，严重时闸基和两岸会被掏空，引起水闸沉降、倾斜、断裂甚至倒坍。基于上述特点，水闸设计中要解决好以下问题：（1）选择适宜的闸址；（2）选择与地基条件相适应的闸室结构型式，确保闸室及地基稳定；(3)做好防渗排水设计。在水闸上游侧布置防渗设施，特别是上游两岸连接建筑及其与铺盖的连接部分，要在空间上形成防渗整体；在下游侧布置排水设施，防、排结合，降低底板渗流压力，确保闸室抗滑稳定。（4）做好消能防冲设计，避免出现危害性的冲刷。五、水闸设计内容和所需基本资料（了解）（一）水闸的设计内容闸址选择；确定孔口形式和尺寸；防渗、排水设计；消能、防冲设计；稳定计算；沉降校核；地基处理；选择两岸连接建筑的型式和尺寸；结构设计等。（三）水闸设计所需基本资料河流规划运用要求地形、地质、水文、气象、泥沙、地震烈度建筑材料施工及交通运输条件等。水闸设计要求——应根据闸址附近的地形、地质条件和水文、施工、管理等因素，综合分析研究，合理布置，做到技术先进、经济合理、安全可靠、运用方便。6.2闸址选择和闸孔设计一、闸址选择闸址选择关系到工程的成败和经济效益的发挥，是水闸设计的重要内容。应根据水闸的功能、任务、特点和运用要求，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。闸址选择的基本原则：（1）宜选择在地形开阔、岸坡稳定、岩土坚实、地下水水位较低的地点。（2）应重点考虑过闸的水流形态，确保过闸水流平顺，流量分布均匀，不出现偏流和危害性冲刷或淤积。1、根据地形条件选择闸址拦河闸：宜选在河床稳定、水流顺直的河段上；兼取水、通航功能时，宜选在稳定的弯曲河段，进水闸设在凹岸，船闸设在凸岸。闸的轴线宜与河道中心线正交，其上下游河道直线段长度不宜小于5倍水闸进口处水面宽度。拦河闸兼作施工导流时，常将闸址选在凸岸，利用原河道导流（裁弯取直，新开上、下游引水和泄水渠）。进水闸或分洪闸：一般设在弯曲河段的凹岸或顺直河道的深槽一侧。进水闸中心线与河道中心线交角不宜超过30°，分洪闸中心线宜正对河道主流方向。排水闸：宜选择在地势低洼、出水通畅、靠近主要涝区和容泄区的老堤线上，闸中心线与河道中心线交角不宜超过60°。冲沙闸：大多布置在拦河闸与进水闸之间、紧靠拦河闸河槽最深部位；有时也建在引水渠内的进水闸旁。挡潮闸：宜选择在岸线和岸坡稳定的潮汐河口附近，且闸址泓滩冲淤变化较小，上游河道有足够的蓄水容积的地点。2、根据地质条件选择闸址优先选用地质条件好的天然地基；壤土、中砂、粗砂、砂砾石均可作为水闸地基；尽量避开淤泥质土和粉砂、细砂地基。二、闸孔设计设计内容：堰型选择，选定堰顶或底板高程，确定单孔尺寸和闸室总宽度。1.堰型选择⑴宽顶堰：水闸中最常采用的堰型。结构简单，施工方便。有利于泄洪、冲沙、排污、排水、通航，且泄流能力比较稳定，但流量系数m较小，易产生波状水跃。⑵低实用堰：低实用堰有梯形、曲线形和驼峰形等。流量系数m较大，水流条件较好。但泄流能力受尾水位变化的影响较明显，当hs＞0.6H时，泄流能力急剧降低，不如宽顶堰泄流时稳定。施工较宽顶堰复杂。2.闸底板高程的选定基本要求：底板应置于坚实土层上，尽量利用天然地基。相关因素：水闸的任务、过流流量、上下游水位、河床地质条件、工程总投资等。底板高程选定：⑴底板高程高：闸室宽度大，两岸连接建筑物相对较低；适于小型水闸，其两岸连接建筑在整个工程量中所占比重较大，因而总造价可能是经济的。⑵底板高程低：闸室单宽流量大，将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（大、中型）。适于大中型水闸，其闸室工程量所占比重大，适当降低底板高程，常常是有利的。一般情况下：⑴拦河闸、冲沙闸：底板顶面与河底平齐。⑵进水闸：底板顶面可以高一些，防推移质泥沙进入渠道。⑶分洪闸：底板顶面较河床稍高。⑷排水闸：底板顶面应尽量低些，保证积水迅速排出；同时要避免排水出口被泥沙淤塞；⑸挡潮闸兼排水闸：底板顶面应尽量低一些。03202QLmgH⑴堰流情况：3.闸孔总净宽的计算已知条件：Q设、▽上、▽下、初拟的▽底板、堰型。式中：Q——设计流量，m3/s；L0——闸孔总净宽，m；H0——计入行近流速水头在内的堰顶水头，m;σ、ε、m——淹没系数、侧收缩系数和流量系数，可根据《水闸设计规范》(SL265–2001)的附表查得；g—重力加速度，m/s2。（6–1）⑵孔流情况：02QLagH（6–2）式中:a——闸门开度或胸墙下孔口高度，m；、μ——宽顶堰上孔流的淹没系数和流量系数，可由《水闸设计规范》(SL265–2001)的附表查得。过闸单宽流量q直接影响消能防冲的工程量和工程造价。闸孔总净宽L0↑，q↓；闸孔总净宽L0↓，q↑。为此，需要结合河床或渠道的土质情况、上下游水位差、下游水深等因素，选用适宜的最大单宽流量qmax。q的选用：粉砂、细砂地基：q=5～l0m3/（s·m）；砂壤土地基：q=10～15m3/（s·m）；壤土地基：q=15～20m3/（s·m）；坚硬粘土地基：q=20～25m3/（s·m）。过闸水位差ΔH的选用：关系到上游淹没和工程造价。平原地区，如果过分壅高上游水位，将增加上游河岸堤防的负担，使地下水位升高，加大下游消能防冲的工程量。一般设计过闸水位差选用ΔH=0.1～0.3m。过水能力：与上下游水位、底板高程、闸孔净宽相互关联，需对不同方案进行技术经济比较后确定。4.确定闸室单孔宽度和总长度闸室单孔宽度l0：根据闸门型式、启闭设备条件、闸孔运用要求（如泄洪、排冰、过船等）和工程造价，并参照闸门系列综合比较选定。大中型水闸一般取l0=8～12m。闸孔孔数：n=L0/l0。应取略大于计算要求值的整数，但总净宽L0不宜超过计算值的3%~5%。当少于8孔时，孔数宜采用单数，以使闸室结构受力对称和便于闸门对称开启，使过闸水流均匀，避免偏流造成局部冲刷；当多于8孔时，采用单数或双数孔均可。闸室总宽度：L1=nL0+(n-1)d，（d为闸墩厚度）。闸室总宽度拟定后，尚需考虑闸墩等的影响，进一步验算水闸的过水能力。从过水能力和