水闸sluice设计简介.ppt

水闸 Sluice 水工概论 2009 09 概述 1 2 3 水闸的类型 组成及构造 闸室安全和地基处理 主要内容 4 水闸的孔口尺寸 闸下防渗 4 水闸室消能防冲 8 闸室结构与两岸连接建筑物 其他闸坝建筑物 2009 09 概述 水闸定义水闸枢纽等级划分与洪水标准水闸特点 海河防潮闸天津 2009 09 概述 一 定义水闸 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 2009 09 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 概述 2009 09 南通节制闸建成于1960年7月25日 共23孔 每孔净宽4 00米 总宽115 60米 采用平面钢闸门 卧式液压卷扬式启闭机 1999年加固时 将工作桥迁至公路桥下 并对公路桥拓宽改造 概述 2009 09 概述 南水北调中线工程引水渠首位于河南省淅川县境内 距坝址30公里 有引水渠闸两座 进水闸 5孔 设计引水流量500立方米 秒 后期规模引水流量800立方米 秒 2009 09 概述 高良涧闸 进水闸在洪泽县高良涧镇北 是苏北灌溉总渠首 设计流量800m3 s 平面闸门 2009 09 概述 本着 蓄泄兼筹 以泄为主 江湖两利 的原则 1952年4月5日全面动工兴建 至6月20日以75天时间建成荆江分洪第一期主体工程 荆江分洪工程进洪闸 当地人称北闸 有54个进洪孔 长1054 375m 设计进洪流量为8000m3 s 2009 09 概述 三河闸在洪泽湖东南蒋坝 是淮河洪泽湖出口进入江水道的咽喉控制工程 淮河流域中三河上节制闸 设计流量12000m3 s 设计水头6m 弧形闸门 2009 09 概述 南京秦淮河整治三汊河口闸 双孔弧形护镜门 集防洪排涝 改善城市河道水质和水环境及人文景观等功能于一身 闸室总宽97米 分两孔 每孔净宽40米 非汛期控制水位最高为7 00米 2009 09 概述 射阳河闸 由苏联专家设计建造于1953年 1956年建成并投入使用 为建国初期的江苏省第一座挡潮闸 共35孔 总长500米 2009 09 概述 二 平原区水闸枢纽等级划分及洪水标准 1 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 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 2009 09 概述 表1平原区水闸枢纽工程分等指标 2009 09 概述 表2水闸枢纽建筑物级别划分 2009 09 概述 2 洪水标准平原区水闸的洪水标准应根据所在河流流域的防洪规划规定的防洪任务 以近期防洪目标为主 并考虑远景发展要求 按下表所列标准综合分析确定 2009 09 概述 水闸 整体式平底板 的传力过程 水荷载 闸门 承受水压力 闸墩 承受上部结构重量 底板 将荷载较均匀地传给地基 地基 三 水闸的工作特点 2009 09 1 地基 平原地区水闸大部分建在土基上 抗剪强度低 稳定性差 压缩性较大 容易产生不均匀沉降 易产生渗透变形 抗冲刷能力低 概述 2009 09 概述 2 水流 1 静水 关闸 水平水压力 土基 滑动 水头差产生渗透压力 不利于稳定 绕岸渗流 不利于翼墙稳定 2009 09 概述 2 开闸泄水 水头差 流速大 对下游河床 岸坡冲刷 水位变幅较大 流态多 堰流 孔流 淹没出流 自由出流 闸门全开时 水头差小 易形成波状水跃 闸门开启顺序不合理时 产生折冲水流 2009 09 概述 水闸相关规范 水闸设计规范 SL265 2001 水闸施工规范 SL27 91 水闸工程管理设计规范 SL170 96 水闸技术管理规程 SL75 94 水闸安全鉴定规定 SL214 98 2009 09 概述 1 2 3 水闸的类型 组成及构造 闸室安全和地基处理 主要内容 4 水闸的孔口尺寸 闸下防渗 4 水闸室消能防冲 8 闸室结构与两岸连接建筑物 其他闸坝建筑物 2009 09 一 分类1 按功能分 水闸的类型 组成及构造 2009 09 2 按闸室结构分P123 1 开敞式 闸室露天 有胸墙 无胸墙 2 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 1 机械操作闸门的水闸 2 水力操作闸门的水闸 水闸的类型 组成及构造 2009 09 4 水闸按照规模分 1 大型水闸 Q 1000m3 s 2 中型水闸 Q 100m3 s 1000m3 s 3 小型水闸 3 按施工方式 1 现浇 2 装配 水闸的类型 组成及构造 2009 09 二 水闸的组成 土基上水闸立体示意图 水闸的类型 组成及构造 2009 09 1 闸室 调节水位和流量 底板 闸墩 闸门 胸墙 工作桥 交通桥2 上游连接段 引导水流平顺进入闸室 翼墙 铺盖 护底 上游防冲槽 上游护坡3 下游连接段 消能 防冲 翼墙 护坦 海漫 下游防冲槽 下游护坡 下游排水 反滤 排水孔 水闸的类型 组成及构造 2009 09 概述 1 2 3 水闸的类型 组成及构造 闸室安全和地基处理 主要内容 4 水闸的孔口尺寸 闸下防渗 4 水闸室消能防冲 8 闸室结构与两岸连接建筑物 其他闸坝建筑物 2009 09 单宽流量 应避免复杂地基处理 考虑抗冲刷能力q 在水闸的可行性研究阶段 过闸单宽流量q可按下列数据选用 粉砂 细砂 粉土和淤泥 5 10m2 s 砂壤土 10 15m2 s 壤土 15 20m2 s 粘土 15 25m2 s 水闸的孔口尺寸 2009 09 计算孔口尺寸B及溢流前沿总宽L 规范中介绍了平底闸闸孔自由堰流 淹没式堰流 孔流的计算公式 平底板堰流 平底板堰流淹没状态 平底板孔流 水闸的孔口尺寸 2009 09 闸孔数n B b 如果运用上无特殊要求 一般b 8 12m n 8时n一般取奇数 溢流前缘总宽 L nb n 1 d d为闸墩厚度 水闸的孔口尺寸 2009 09 概述 1 2 3 水闸的类型 组成及构造 闸室安全和地基处理 主要内容 4 水闸的孔口尺寸 闸下防渗 4 水闸室消能防冲 8 闸室结构与两岸连接建筑物 其他闸坝建筑物 2009 09 1 土基上的闸室稳定计算应满足以下要求 在各种计算情况下 闸室的平均基底压力不大于地基允许承载力 最大基底压力不大于地基允许承载力的1 2倍 闸室基底应力的最大值和最小值之比不大于规范规定的允许值 不均匀沉降问题 沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数不小于规范规定的允许值 闸室安全和地基处理 2009 09 2 岩基上的闸室稳定计算应满足以下要求 各种计算情况下 闸室的最大基底压力不大于地基允许承载力 在非地震情况下 闸室基底不出现拉应力 在地震情况下 闸室基底拉应力不大于100kPa 沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数不小于规范规定的允许值 闸室安全和地基处理 2009 09 当不能满足要求 需进行地基处理 常用 换土垫层 强夯法 桩基础 预压加固 沉井基础 振冲碎石桩 高压旋喷灌浆 闸室安全和地基处理 2009 09 概述 1 2 3 水闸的类型 组成及构造 闸室安全和地基处理 主要内容 4 水闸的孔口尺寸 闸下防渗 4 水闸消能防冲 8 闸室结构与两岸连接建筑物 其他闸坝建筑物 2009 09 一 闸下泄流的特点和闸下冲刷的原因1 闸下泄流的特点 泄量大 水头低 弗氏数小 消能不充分 1 分洪闸 开始泄流时下游无水或水位很低 始流条件差 Qmax Zmax 水位升高 Fr较小 易产生波状水跃 进口流态不对称时会产生折冲水流 水闸消能防冲 2009 09 水闸消能防冲 2 节制闸闸门开启不对称时会产生折冲水流 下游水流不稳定 上下游水头差大 能量大 3 排水闸上下游水头差小 过闸水流常处于缓流 2009 09 水闸消能防冲 2 闸下冲刷的原因 q大而土壤的抗冲刷能力低 河道收缩 水流未充分扩散 运用不合理 产生折冲水流 消能工设计不合理 2009 09 水闸消能防冲 二 消能工设计消能防冲设施必须在各种可能出现的水力条件下 都能满足消散动能与均匀扩散水流的要求 且应与下游河道有良好的衔接 1 消能方式 大多数采用底流消能 水闸承受的水头不高 闸下跃前Fr较低 宜采用底流式水跃消能 2009 09 水闸消能防冲 2 计算消力池长度 深度及消力池底板的厚度 消力池深度 按水跃动量平衡方程试算求解 需经过试算确定 消力池的长度 用经验公式计算 消力池护坦厚度 根据抗冲和抗浮要求确定 2009 09 水闸消能防冲 消力池深度计算 2009 09 水闸消能防冲设计 2009 09 水闸消能防冲 实际工程设计中 往往是计算出各种不同水位组合 闸门开度时要求的消力池深度 取其最大值作为设计值 消力池池深一般为1 3m 2009 09 水闸消能防冲 消力池的长度 用经验公式计算 Lj为水跃长度 规范 SL265 2001 中推荐采用欧勒佛托斯基公式计算 2009 09 水闸消能防冲 消力池底板 护坦 厚度 要求满足抗浮和抗冲要求 且不小于0 5m 抗冲 抗浮 k1为消力池底板计算系数 可采用0 15 0 20 k2为消力池底板安全系数 可采用1 1 1 3 2009 09 水闸消能防冲 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 消力池布置 2009 09 水闸消能防冲 3 辅助消能工 1 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 2 类型 消力墩 池首坎 消力梁 散流墩等 2009 09 水闸消能防冲 4 上下游防护 1 闸下防护 护坦 反滤层 海漫 海漫末端设大块石防冲槽 限制冲刷向上游扩展 保护海漫 深度一般为1 0 2 0m 上下游坡度可采用1 2 1 4 下游两岸护坡长度应大于护底长度 2009 09 海漫紧接护坦 进一步消除余能 调整流速分布 达到不冲流速 要求 抗冲 有一定柔性 表面粗糙 透水 材料 浆砌石 干砌石 长度 按经验公式计算 水闸消能防冲 2009 09 水闸消能防冲 2009 09 水闸消能防冲 2 上游防护 齿墙 防冲槽 护底 铺盖为了防止水流冲刷 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即可 2009 09 概述 1 2 3 水闸的类型 组成及构造 闸室安全和地基处理 主要内容 4 水闸的孔口尺寸 闸下防渗 4 水闸消能防冲 8 闸室结构与两岸连接建筑物 其他闸坝建筑物 2009 09 1 闸基渗流的主要危害 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 由于渗透力的作用 渗透力可能造成土的渗透变形 严重的渗漏将造成大量的水量损失 渗流可能使地基内可溶解的物质加速溶解 闸下防渗 2009 09 2 闸基防渗长度的确定与布置 1 闸基的防渗长度L 地下轮廓线 闸基渗流第一根流线 即铺盖和垂直防渗体等防渗结构以及闸室底板与地基的接触线 的长度应满足 闸下防渗 2009 09 2 防渗地下轮廓布置 1 布置原则 先阻后排 防渗与导渗相结合 2 防渗排水设施水平防渗 铺盖 水平铺设土工膜垂直防渗 钢筋砼板桩 砼防渗墙 灌注式水泥砂浆帷幕 土工膜垂直防渗结构 高压喷射灌浆 定喷板墙导渗 排水反滤 闸下防渗 2009 09 规范中对水平防渗的要求 铺盖长度采用上 下游最大水头差的3 5倍 砼或钢筋砼铺盖的厚度 一般根据构造要求确定 最小厚度不宜小于0 4m 一般作成等厚 为了减小地基不均匀沉降和温度变化的影响 通常设顺水流向的永久缝 缝距可采用8 20m 闸下防渗 2009 09 钢筋砼板桩最小厚度不宜小于0 2m 宽度不宜小于0 4m 水泥砂浆帷幕或高压喷射灌浆帷幕的最小厚度不宜小于0 1m 砼防渗墙的最小厚度不宜小于0 2m 规范中对垂直防渗的要求 闸室底板的上 下游端均宜设置齿墙 齿墙深度可采用0 5 1 5m 闸下防渗 2009 09 3 不同情况下防渗布置 粘性土地基 降低渗透压力 增加闸身有效重量 砂性土地基 防止渗透变形 通过延长渗径来降低渗透流速和坡降 对降低渗透压力的要求较低 闸下防渗 2009 09 数值分析法 电拟试验法 闸下防渗 渗流分析方法 2009 09 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 闸下防渗 2009 09 水平段的允许渗透坡降及出口段防止流土破坏的允许渗透坡降见规范 验算砂砾石闸基出口段抗渗稳定性时 应首先判别可能发生的渗流破坏型式 为管涌破坏时 其允许坡降为 闸下防渗 2009 09 概述 1 2 3 水闸的类型 组成及构造 闸室安全和地基处理 主要内容 4 水闸的孔口尺寸 闸下防渗 4 水闸消能防冲 8 闸室结构与两岸连接建筑物 其他闸坝建筑物 2009 09 一 底板 1 型式 1 按底板与闸墩的连接方式分 整体式 闸墩和底板浇筑成整体 有分段缝时缝设在闸墩上 底板是传力结构 将荷载较均匀地传给地基 闸室整体性较好 适用于松软地基 分离式 底板与闸墩用沉陷缝分开 闸墩传力 底板仅防渗抗冲 一般适用于岩基或压缩性小的土基 闸室结构与两岸连接建筑物 2009 09 闸室结构与两岸连接建筑物 2009 09 2 布置 1 分离式底板材料 混凝土或浆砌石厚度 满足自身稳定要求 2 整体式平底板材料 钢筋 混凝土高程 考虑运用 经济和地质条件确定厚度 根据地基条件 作用荷载和闸孔净宽等因素 满足强度和刚度要求 通常是等厚度的 也有变厚度的 对于大 中型水闸 平底板厚度可取闸孔净宽的1 6 1 8 约为1 2m 一般不小于1m 闸室结构与两岸连接建筑物 2009 09 二 闸墩1 材料 混凝土 小型工程常用浆砌块石 2 闸顶高程 闸顶高程通常指闸室胸墙或闸门挡水线上游闸墩和闸墙的顶部高程 应根据挡水和泄水两种运用情况确定 挡水时闸顶高程不低于水闸正常蓄水位 或最高挡水位 加波浪计算高度与相应安全超高值之和 泄水时闸顶高程不应低于设计洪水位 或校核洪水位 与相应安全超高值之和 闸室结构与两岸连接建筑物 2009 09 水闸安全超高下限值 m 位于防洪 挡潮 堤上的水闸 其闸顶高程不得低于防洪 挡潮 堤堤顶高程 闸室结构与两岸连接建筑物 2009 09 3 长度 与底板长度相同或比底板长度稍短 取决于上部结构布置和闸门型式 4 厚度 根据闸孔孔径 受力条件 结构构造要求和施工方法等确定 平面闸门闸墩门槽处不宜小于0 4m 闸室结构与两岸连接建筑物 2009 09 5 外形 应使水流平顺 侧向收缩小 过流能力大 闸室结构与两岸连接建筑物 2009 09 三 闸门1 宽度 与孔口一致2 高度 露顶式闸门顶部在可能出现的最高挡水位以上应有0 3 0 5m的超高 3 型式 最常用的有平面闸门和弧形闸门 4 布置 要考虑对闸室稳定 闸墩和地基的应力以及对上部结构布置的影响 闸室结构与两岸连接建筑物 2009 09 四 分缝和止水沉陷缝 伸缩缝 防止闸室因地基不均匀沉陷或温度变化而产生裂缝 土基上的分段长度不宜超过35m 止水 防渗 有水平止水和垂直止水 闸室结构与两岸连接建筑物 2009 09 五 提高闸室抗滑稳定性的工程措施1 增加闸室底板的齿墙深度 2 将闸门的位置向低水头一侧移动 或将水闸底板向高水位一侧加长 3 适当增加闸室结构的尺寸 4 增加防渗体的长度 铺盖 板桩 或在不影响防渗安全的前提下 将排水设施向闸室底板靠近 以减小渗透压力 闸室结构与两岸连接建筑物 2009 09 1 两岸连接结构的种类上游翼墙下游翼墙岸墙刺墙 六 连接结构的作用及种类 闸室结构与两岸连接建筑物 2009 09 闸室结构与两岸连接建筑物 2009 09 2 两岸连接结构的作用挡土 保证岸坡稳定 保护岸坡免受冲刷 改善水闸进 出水流条件 上游翼墙引导水流平顺进入闸室 下游翼墙使水流均匀扩散 提高消能防冲效果 满足侧向绕渗要求 防止两岸土体的渗透变形 岸墙可减轻闸室底板边荷载的影响 闸室结构与两岸连接建筑物 2009 09 七 连接结构的布置 1 翼墙的平面布置形式圆弧式 椭圆弧式 扭曲面式 用于坚硬的粘土和岩石地基上 反翼墙及一字墙 斜降翼墙 八字形翼墙 斜坡式翼墙 闸室结构与两岸连接建筑物 2009 09 闸室结构与两岸连接建筑物 2009 0