第五章-水闸

第五章水闸主要内容：5.1概述5.2水闸的孔口尺寸确定5.3水闸的消能防冲设计5.4水闸的防渗排水设计5.5闸室的布置与构造5.6稳定计算与地基处理5.7闸室结构计算5.8两岸连接建筑物5.9闸门与启闭机5.1概述水闸是一种低水头的水工建筑物，它具有挡水和泄水双重作用。与设有表孔闸门的溢流重力坝的区别是:1）水闸水头较低，抬高水位较少，它主要是靠闸门挡水；而溢流坝主要靠闸门下坝体来挡水。2）水闸可建于各种地基上。一、按担负的任务分：5.1.1水闸的类型水闸的类型—按所承担的任务分（1）进水闸（取水闸）①位置：建在河流、湖泊、水库或引水干渠等的岸边一侧②作用：为灌溉、发电、供水或其它用水工程引取足够的水量。由于它通常建在渠道的首部，又称渠首闸。建于河道岸边一侧的进水闸（取水闸）石龙水闸（进水闸）（2）节制闸（拦河闸）位置：拦河闸的闸轴线垂直于或接近于垂直河流、渠道布置。作用：·截断河渠，抬高河渠水位，控制下泄流量。·在航运工程中，拦河闸不仅能为上游航运提供稳定的航道水深，也能通过保持一定泄流量为下游提供稳定的航道水深。·在取水工程中，为进水闸（或分水闸）提供高保证率的取水流量。拦河闸在枯水期尽量维持上游水位，以满足取水或航运等需要；在洪水期需要随时泄放上游库区无法容纳的多余流量，避免上游水位过度上涨导致淹没或水灾。在洪水期，拦河闸还必须有足够的泄流能力，以排泄洪水。某拦河闸（一）某拦河闸（二）（3）冲砂闸：作用：排沙。·防止泥沙进入取水口造成渠道淤积。·将进入到渠道内的泥沙排向下游。·将水库的淤沙、淤泥排向下游。在取水枢纽中，冲沙闸的位置一般布置在靠近进水闸处；在水闸枢纽中，冲沙闸往往兼作节制闸。（4）分洪闸：位置：常建于河道的一侧。作用：分洪。·在洪峰到来时，分洪闸用于分泄河道暂时不能容纳的多余洪水，使之进入预定的蓄洪洼地或湖泊等分洪区，及时削减洪峰，确保下游河道安全。·待河道洪水过后，分洪区积水又要经过排水闸排入原河道。分洪闸（一）分洪闸（二）（5）排水闸：位置：常建于江河沿岸。作用：·排除内涝。当江河水位较低时，开闸排除河岸一侧降雨形成的渍水或生活废水。·挡住外河高水位。当江河水位较高时，关闭排水闸，防止江水向河岸倒灌。特点：由于既要排涝，又要挡水，因此排水闸具有闸底板高程较低、闸身较高以及承受双向水头作用的特点。某小型排水闸（6）挡潮闸位置：一般建于江河入海口。作用：·挡潮：在汛期防止潮水顶托，以免造成内涝；·御咸：防止潮水沿江河上溯，以免造成沿河岸地区土地的盐碱化；·排水：排除内河高水位；·蓄淡：在低潮时期，关闸防止内河淡水流失，以便充分利用内河淡水。挡潮闸与排水闸类似，也承受双向水头的作用。但操作更为频繁。某挡潮闸（一）某挡潮闸（二）中顺大围小榄石龙水闸水闸的类型—按闸室结构的型式分类1．开敞式水闸特点闸室上部没有阻挡水流的胸墙或顶板，过闸水流能够自由地通过闸室。开敞式水闸的泄流能力大，一般用于具有排冰、过木等要求的泄洪闸，如拦河闸、排冰闸等。开敞式水闸2．胸墙式水闸当上游水位变幅大，而下泄流量又有限制时，为避免闸门过高，常设置胸墙。·胸墙式水闸在低水位过流时，属于开敞式水闸自由出流；·在高水位过流时，属于孔口出流。胸墙式水闸多用于进水闸、排水闸和挡潮闸等。绝大多数大中型水闸为开敞式水闸。胸墙式水闸3．封闭式或涵洞式水闸闸（洞）身上面填土封闭的水闸，又称涵洞式水闸。填土可增加闸室的稳定，代替交通桥，当水头较高时往往是经济的，但地基压力较大，常用于穿过堤防的水闸。涵洞可做成有压的或无压的。前者（有压涵洞）多用于排砂闸和排水闸，后者（无压涵洞）则多用于小型分水闸。封闭式水闸某涵洞式水闸水闸的类型—按规模分类根据国内已建水闸工程的设计经验，一般以设计或校核过闸流量的大小作为划分水闸规模的依据，例如：·过闸流量等于或大于1000m3/s者为大型水闸；·过闸流量在100～1000m3/s间者为中型水闸。·过闸流量小于100m3/s者为小型水闸。我国葛洲坝水利枢纽的二江泄水闸，过闸流量达83900m3/s，属特大型水闸，或称巨型水闸。也有的以设计水头高低（反映为闸高）作为划分水闸规模的依据，例如：闸高在8～10m以上者为大型水闸，闸高在8～10m以下者为中、小型水闸等。5.1.2水闸的工作特点和设计要求水闸可建在岩基上，也可建在土基上。对于建在岩基上的水闸，其工作特点与岩基上的混凝土重力坝相似。本章主要介绍建在土基上的水闸的工作特点。作为土基上低水头的挡水、泄水建筑物，水闸有如下工作特点。水闸的工作特点（一）水的方面水闸在水的作用下，需要解决以下几个方面问题。1．稳定问题水闸在关闭闸门挡水的时候，闸室上、下游形成一定的水位差。在水的推力作用下，闸室在自重和水重的作用下必须维持自身的稳定。包括整体抗滑稳定和结构构件稳定（如底板、闸墩、胸墙等构件的稳定）。水闸荷载图2．渗流问题上、下游水位差在水闸的闸基下部和闸室两岸均会产生渗流。闸基渗流和岸坡绕渗不仅导致水库漏水，更重要的是可能导致在闸基、岸坡以及渗流出逸处发生渗透变形；此外，渗压还对闸室和两岸联接建筑物的稳定产生不利影响。水闸渗流流网图3．高速水流问题水闸下泄的高速水流问题，主要表现在3个方面：（1）消能问题水闸在开闸泄水时，下泄的高速水流具有较大的能量，可能对河床和河岸产生不利冲刷。因此必须采用合适的消能措施进行消能。水闸最常用的消能方式为底流消能，即利用水跃将水能消耗在消力池中。水闸消能（2）远驱水跃和波状水跃当闸室下游无水或水深很浅时，可能在闸下产生远驱水跃。远驱水跃不在消力池范围，将直接冲刷河床，严重威胁闸室的安全和两岸岸坡稳定。当闸室上、下游水位差较小，且水流佛氏数较小时，可能在闸下产生波状水跃。波状水跃是一系列起伏不大的不完全水跃，消能效果极差。（3）折冲水流当闸孔孔数不多或开启不均匀时，过闸水流宽度远小于下游河床宽度，此时过闸水流先收缩后扩散，水流可能使主流偏向河床的一边。当水流条件变化时，主流可能左右急摆，形成左冲右突的折冲水流。波状水跃折冲水流（二）地基方面平原地区的水闸常建于土基上。平原地区土基的特点：·土层分布复杂，可能夹有压缩性大、承载能力低、抗震强度差的软土；·可能含有结构松散、易于液化、抗冲能力低的粉砂或细砂层；·抗冲刷能力差，允许渗透坡降低，对防渗、消能不利。软土地基对闸室本身的稳定和沉降将带来严重的影响，因此，在水闸设计时，应：·采用适当措施，进行地基处理；·适当控制渗流；·加强消能防冲措施。（三）结构方面水闸的闸室结构与大体积的重力坝或散粒体的土坝有较大差别。1．构件方面它是由闸墩、底板、胸墙等薄壁构件组成的空间结构体系，因此对闸室构件在强度和刚度方面均有一定要求。2．受力方面闸室整体结构和某些构件受力条件复杂，承受水压力、自重、地基反力等不同性质的荷载。3．结构分析方面在进行闸室结构设计计算时，一般并不采用相对复杂的有限元法，而是将整个结构视为板、梁、柱等独立构件构成，分别对这些构件用结构力学、材料力学方法进行设计计算。5.1.3水闸的组成水闸由闸室段和上游联接段、下游联接段3大部分组成。1—闸门；2—底板；3—闸墩；4—胸墙；5—工作桥；6—交通桥；7—上游防冲槽；8—上游防冲段、铺盖；9—上游翼墙；10—上游护岸；11—护坦；12—海漫；13—下游防冲槽；14—下游翼墙；15—下游护岸土基上水闸的组成示意图水闸的组成（1）闸室段闸室段是水闸的主体。A）闸室段的作用·控制水流；·联接两岸和上、下游段。B）闸室段的组成闸门、闸墩、底板、胸墙、工作桥、交通桥、启闭机等。1．闸门用于控制上游水位和调节下泄流量。闸门安放在闸底板上，横跨孔口，由闸墩支撑。闸门分为检修闸门和工作闸门。工作闸门用于正常运用时挡水、控制下泄流量。常用的型式有平面闸门和工作闸门。检修闸门多用平面叠梁门。2．闸墩闸墩用于分隔闸孔、支撑闸门，同时用作桥墩支撑上部桥梁、安装闸门启闭机等设备。闸墩将闸门、胸墙以及闸墩本身挡水所承受的水压力传递给底板。3．底板底板是闸室段的基础，它将闸墩、上部结构的重量、以及底板自重和所承受的水重一起传给地基。建在软基上闸室主要由底板与地基间的摩擦力来维持稳定。底板它还具有防冲、防渗的作用。4．胸墙胸墙设于工作闸门上部，帮助闸门挡水。在上游水位变幅较大的情况下，完全用闸门挡水将导致闸门尺寸和启闭机等设备过大。设置胸墙后，可以大大减小闸门尺寸。胸墙也可以做成活动型，当遭遇特大洪水时开启胸墙加大泄流量。底板、闸墩和胸墙通常为混凝土或钢筋混凝土结构，小型水闸也可采用浆砌石结构。5．工作桥工作桥用于安装卷扬式启闭机，便于工作人员操作。6．交通桥交通桥连接两岸交通，供汽车、拖拉机、行人通过。（二）上游联接段1.上游联接段的作用·主要作用是引导水流从河道平稳地进入闸室，兼有防冲、防渗作用。2.上游联接段的组成一般包括上游翼墙、铺盖、护底、上游防冲槽和上游两岸护坡等。1）．上游翼墙①引导水流，使之平顺地流入闸孔；②抵御两岸填土压力，保护闸前河岸不受冲刷；③·并有侧向防渗的作用。2．铺盖主要起防渗作用，其表面还应进行保护，以满足防冲要求。3．护底设在铺盖上游，起保护河床作用。4．上游防冲槽铺盖或其防护的上游端有时设置上游防冲槽，以保护铺盖不致损坏。5．上游两岸护坡上游两岸要适当进行护坡，其目的是保护河床两岸不受冲刷。（三）下游联接段A）下游连接段的作用从闸室出来的水流具有相当的能量，因此下游联接段的主要作用是：·消除下泄水流的动能，·顺利与下游河床水流连接，避免发生不利冲刷现象。B）下游联接段组成一般包括护坦（包括消力池）、海漫、下游防冲槽（防淘墙）、下游翼墙、护底和两岸护坡等。·消力池：消力池是消刹水能的主要区域，·护坦：护坦是消力池底板，保护河床底部，从而保护闸室的安全。·辅助消能工：有时，要在消力池内设置辅助消能工，增强消能效果。·海漫：海漫则用于进一步消除水流余能，保护河床免受冲刷。·下游翼墙：下游翼墙导引水流均匀扩散，并有挡土、防冲作用。·下游防冲槽：下游防冲槽的作用是防止海漫末端冲刷，避免河床局部冲刷向上游发展。·下游护坡和护底：下游护坡和护底的作用与上游相同。5.1.4水闸的等级划分和洪水标准见课本P132～P133，表5-1、表5-2、表5-3、表5-45.2水闸的孔口尺寸确定5.2.1闸孔和底板型式选择土基上的拦河闸，闸孔型式多采用开敞式宽顶堰。·在地基条件较好的拦河闸可以采用驼峰堰。·岩基上的水闸常采用实用堰。开敞式宽顶堰：结构简单、施工方便、地基应力均匀，泄流能力大、上游水位壅高较小，有利于完成冲砂、排污等其他任务。宽顶堰的流量系数为0.36～0.385。驼峰堰和实用堰：流量系数较宽顶堰大，可以使枢纽布置更紧凑。水闸上的实用堰多为低堰，其流量系数参考有关文献。实用堰：在淹没出流的情况下，流量系数急剧减少。因此，经常或主要工况为淹没出流的泄水闸不宜于选用实用堰。上游水位变幅较大的水闸，可以考虑设置胸墙，以减少闸门挡水高度和闸门受力。5.2.2设计流量和上、下游水位的确定1）拦河闸设计流量:根据工程等别确定相应的设计洪水流量Q设和校核洪水流量Q校。上、下游水位下游水位：由下泄流量查下游河道天然水位～流量关系曲线确定。上游水位：（1）正常蓄水位拦河闸的上游正常蓄水位，要根据泄水闸承担的任务，建成后上游淹没损失等因素确定。在正常运用情况下，拦河闸的任务是控制上游水位为正常蓄水位，以满足取水、航运等的要求。（2）最高水位泄水闸的上游最高水位由水闸的泄水能力特性决定。泄水闸泄放校核洪水时，其上游水位为最高水位。此时，闸门全开下泄洪水流量，上游水位等于校核洪水流量下天然河道水位加上上游水位壅高。在平原地区建水闸，往往对上游水位壅高值的限制较严。一般在洪水期泄洪时，