水工建筑物___水闸.doc

第一节 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，多用于河道,渠系及水库、湖泊岸边。我国修建水闸的历史可追溯到公元前6世纪的春秋年代，据水经注记载，在位于今安徽寿县城南的芍陂灌区中即设有进水和供水用的5个水门。至1991年，全国已建成水闸2.9万座，给国民经济带来了很大的效益。现在的水闸建设，正在向形式多样化、结构轻型化、施工装配化、操作自动化和遥控化发展。一、工作特点： 建在软土地基上的水闸具有以下一些工作特点: (1) 软工地基的压缩性大, 承载能力低, 抗冲能力差, 细砂容易液化, 在闸室自重及外荷作用下，地基可能产生较大的沉降或沉降差, 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。(2) 水闸在泄流时, 尽管流速不高, 但水流仍具有一定的剩余能量, 而土基的抗冲能力较低, 可能引起水闸下游的冲刷, 此外水闸下游常出现的波状水跃和折冲水流, 将会进一步加剧对河床和两岸的淘刷。同时, 由于闸下游水位变幅大, 闸下出流可能形成远驱水跃，临界水跃甚至淹没度较大的水跃, 因此消能防冲设施要在各种运用情况时都能满足设计要。(3) 土基在渗水流作用下, 容易产生渗透变形特别是粉、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, 断裂甚至倒塌。基于上述特点,设计时需要解决好以下几个问题:(1) 选择适宜的闸址。(2) 选择与地基条件相适应的闸室结构形式，保证闸室及地基的稳定。(3) 做好防渗设计, 特别是上游两岸连接建筑物及其与铺盖的连接部分, 要在空间上形成防渗整体。(4) 做好消能、防冲设计，避免出现危害性的冲刷。二、水闸类型：(1) 节制闸：拦河或在渠道上建造, 用于拦洪,调节水位以满足上游引水或航运的需要,控制下泄流量,保证下游河道安全或根据下游用水需要调节放水流量。(2) 进水闸: 建在河道, 水库或湖泊的岸边, 用来近控制引水流量,以满足灌溉,发电或供水的需要。(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(4) 排水闸: 常建于江河沿岸, 用来排除内河或低洼地区对农作物有害的渍水。(5) 挡潮闸: 建在入海附近, 涨潮时关闸防止海水倒灌木, 退潮时关闸泄水, 具有双向挡水特点(此特点水闸设计时需考虑双向受力)(6) 冲沙闸: 建在浪沙河流上，用于排除进水闸，节制闸前或渠系沉积的泥沙减少引水水流的含沙量，冲沙闸常建于在进水闸一侧的河道上与节制闸并排布置或设在引水渠内的进水闸旁。三、水闸组成：水闸一般由闸室、上游连接段和下游连接段组成。四、闸址选择：闸址选择是水闸设计中一项重要内容。闸址选择应当根据水闸承担的任务，综合考虑地形、地质条件和水文、施工等因素，通过技术经济比较，选定最佳方案。壤土、中砂、粗砂和砂砾石适于作为水闸的地基。建闸后，过闸水流的形态是选择闸址时需要考虑的重要因素。在河道上建造拦河闸，为解决施工导流问题，常将闸址选在弯曲河段的凸岸。闸孔设计-堰型选择;闸底板高程;闸孔总净宽;闸室单孔宽和总宽度1、堰型选择：常见堰型有：宽顶堰和低实用堰宽顶堰是常用的一种形式。有利于泄洪、冲沙、排污、排冰、通航，泄流能力比较稳定，结构简单，施工方便；但自由泄流时流量系数较小，容易产生波状水跃。低实用堰有梯形的、曲线形和驼峰形的。2、闸底板高程:底板高程与水闸承担的任务、泄流与引水流量、上下游水位及河床地质条件等因素有关。闸底板应置于较为坚实的土层，并应尽量利用天然地基。对于小型水闸，底板高程宜定高些。对于大型水闸，底板高程宜定低些。一般情况下：拦河闸和冲沙闸的底板顶面可与河底齐平。进水闸的底板顶面应尽可能高一些。分洪闸的底板顶面应较河床稍高。 排水闸的底板顶面应尽量定得低些。挡潮闸兼有作用时，其底板顶面应尽量定低一些。3、闸孔总净宽:根据设计流量、上下游水位和初拟的底板高程及堰型、水流情况计算闸孔总净宽。1.当水流呈堰流时式中 Q - 设计流量，m3/sLo - 闸孔总净宽，m ;Ho - 计入行近流速水头在内的堰顶水头，m ;g- 重力加速度，m /s2. , , m - 淹没系数、侧收缩系数和流量系数；2. 当水流呈孔流时 式中 a - 闸门开度或胸墙下孔口开度， m ; , - 宽顶堰上孔流的淹没系数和流量系数。 根据我国经验，闸孔总净宽Lo对粉砂、细砂地基，取5-10m3/（som）;对沙壤土地基，取10-15 m3/（som）; 对壤土地基，取15-20 m3/（som）;对坚硬粘土地基，取20-25 m3/（som）。闸室单孔宽和总宽度:闸室单孔宽度lo，我国大中型水闸一般采用8 12m。闸孔孔数n=Lo/ lo,孔数宜采用单数。闸室总宽度L1=nlo+(n-1)d ，其中d为闸室厚度。闸室总宽度拟定后，需考虑闸墩的影响，进一步验算水闸的过水能力。从过水能力和消能防两方面考虑，闸室总宽度应与河（渠）道宽度相适应。五、防渗设计防渗排水-渗流危害;防渗长度;地下轮廓；渗流计算;防渗排水措施1、渗流危害：水闸建成以后，由于上下游水位差影响,在闸基及边墩和翼墙的背水一侧产生渗流。 主要表现在:(1)降低了闸室的抗滑稳定及两岸翼墙和边墩的侧向稳定性。(2)可能引起地基的渗透变形，严重的渗透变形会使地基受到破坏，甚至失事。(3)损失水量。(4)使地基内的可溶物质加速溶解。防渗排水的任务在于拟订水闸的地下轮廓线和作好防渗、排水设施的构造设计。防渗长度：水闸不透水的铺盖、板桩及底板与地基的接触线，即是闸基渗流的第一根流线，称为地下轮廓线，其长度即为水闸的防渗长度。2、防渗长度由如下的公式确定：L CH式中 L- 水闸的防渗长度，即闸基轮廓线水平段和垂直段的总和，m ； C- 渗径系数，以地基土的性质而定； H- 上、下游水位差，m 。3、地下轮廓:水闸的地下轮廓依地基情况并参照条件相近的已建工程的实践经验进行布置。按照防渗与排水相结合的原则，在上游侧采用水平防渗；在下游侧设置排水反滤措施。布置粘性土地基的地下轮廓时，可在上游侧采用水平防渗，将排水措施布置在闸底板下游段或消力池底板下；对粘性土地基一般不用板桩。布置砂性土地基的地下轮廓时：对砂层很厚的粗砂或细砂，可采用铺盖与悬挂式板桩相结合； 对砂层很厚的细砂，可在铺盖上游端增设短板桩；对砂层较薄且下面有不透水层时，最好采用齿墙和板桩切断砂层，并在消力池下设排水；对粉砂地基，大多采用板桩将闸基封闭起来。当弱透水地基内有承压水或透水层时，可设置排水减压井。4、渗流计算：渗流计算的目的:求解渗流区域内的渗透压力, 渗透坡降, 渗透流速及渗流量。 (1) 渗流的基本方程(2) 计算方法: 1. 流网法 2. 改进的阻力系数法 3. 直线法防渗排水措施：防渗措施指构成地下轮廓的铺盖、板桩及齿墙；排水措施指铺设的起导流作用的砂砾石层。(1) 铺盖铺盖主要用来延长渗径。按材料分为粘土与粘壤土铺盖、沥青混凝土铺盖、钢筋混凝土铺盖等。(2) 板桩板桩长度视地基透水层的厚度而定。用作板桩的材料有木材、钢筋混凝土及钢材三种。(3) 齿墙齿墙用来增强闸室的抗滑稳定，并可延长渗径。(4) 其他防渗措施有就地浇筑混凝土防渗墙，灌注式水泥砂浆帷幕，高压旋喷法构筑防渗墙等。(5) 排水及反滤层消能防冲-消能防冲设计;底流消能工;消力池;海漫;防冲槽六、消能防冲设计原因: 水闸泄水时,部分势能转化为动能,流速增大,而土质河床抗冲能力低,所以闸下冲刷是一个普遍的现象.措施：首先应选用适宜的过闸单宽流量;其次是合理地进行平面布置,以利于水流扩散,避免或减轻回流的影响;第三是消除水流的多余能量和采取相应的消能.防冲设施,保护河床及岸坡;第四是拟定合理的运行方式,严格按规定操作进行.1、底流消能工:底流消能工的作用是通过在闸下产生一淹没度的水跃来保护水跃范围内的河床免遭冲刷。当尾水深度不能满足要求时可采取1. 降低护坦高程2. 在护坦末端设消力坎3. 即降低护坦高程又修建消力坎等措施形成消力池,促使水流在池内产生一定淹没深度的水跃,有时可在坊坦上设消力墩等辅助消能工。 2、消力池：消力池的形式主要受跃后水深与实际尾水深相对关系的制约：(1) 当尾水深约略等于跃后水深时,宜采用辅助消能工或消力坎。(2) 当尾水深小于跃后水深1.0-1.5米时,宜采用降低护坦高程减消力池。(3) 当尾水深小于跃后水深1.5-3.0米时,宜采用综合消力池。(4) 当尾水深水于跃后水深3米以下时,应做一级消能和多级消能的方案比较,从中选择技术上可靠经济上合理的方案。 (5) 消力池布置在闸室之后,池底与闸室底板之间用1:3 1:4的斜坡连接,为防止产生波状水跃,可在闸室后留一水平段,并在其末端设置一道小槛,为应防止产生折冲水流,还可在消力池前端设置散流墩。 (6) 如果消力池深度不大,常把闸门后的闸室底板用1 : 3的坡度降至消力池底的高程作为消力池的一部分。 (7) 消力池末端一般布置尾槛,用以调整流速分布,减小出池水流的底部流速,且可在槛后产生小横轴旋滚,防止在尾槛后发生冲刷，并且利于下游扩散和消减下游边侧回流。消力池的深度,长度及其底(护坦)厚度的确定：消力池的深度是在某一给定的流量和相应的下游水深条件下确定,设计时，应当选择几个泄流量分别计算其跃后水深,从其与实际尾水深相比，选取较不利情况对应的流量作为确定消力池深度的设计流量.要求水跃的起点位于消力池的上游端或斜坡段的坡脚附近。消力池上游侧如果有斜坡段,则消力池的长度应为斜坡段水平投影长度与水平段长度之和。消力池底板的厚度可根据抗浮要求确定。消力池的厚度可根据抗浮要求确定。消力池的构造消力池底板用标号150或200混凝土浇筑而成,并需配置10-12mm,25-30cm 的构造钢筋大型水闸消力池底板：上下均需配筋中小型: 只在顶面配筋闸墩容易被冲刷破坏,故须用高标号的混凝土,并配置适量的构造钢筋.为增设护坦板的抗滑稳定性,常需在消略波末端设置齿墙。为减小作用在护担底板上的扬压力,可在水平段的后半部设置排水孔并在议该部位的底面铺设反滤层。3、海漫:海漫设计水流经过消力池,虽已消除了大部分多余能量,但仍留有一定的剩余动能,特别是流速分布不均匀,脉动仍较剧烈,具有一定的冲刷能力。因此,护坦后仍需设置海漫等防冲加固设施,以使水流均匀扩散,并将流速分布逐渐调整到接近天然河道的水流形态,消减剩余动能。一般在海漫起始段做5 -10m长的水平段,其顶面高程可与护坦齐坦齐平或在消力池尾坎顶以下0.5m左右，水平段后做成不陡于1:10的斜坡，以使水流均匀扩散,调整流速分布,保证河床不受冲刷。对海漫的要求有：(1) 表面有一定的粗糙度,以利进一步消除余能(2) 具有一定的透水性,以使渗水自由排出降低扬压力(3) 具有一定的柔性以适应下游河床可能的冲刷变形海漫结构有以下几种：(1) 干砌石海漫 (2) 浆砌石海漫 (3) 混凝土板海漫 (4) 钢筋混凝土板海漫 (5)其他形式海漫(如铅丝石笼海漫) 海漫长度L如下：(1) 干砌石海漫：一般由粒径大于30cm的块石彻成,厚度为0.4-0.6m,下面铺设碎石.粗砂垫层,厚10-15cm，干砌石海漫的抗冲流速为2.5-4.0/s。为了加大其抗冲能力，可每隔6-10m设一浆彻石梗,干砌石常用在海漫后段。(2) 浆砌石海漫：采用50号或80号水泥砂浆砌粒径大于30cm的块石厚度为0.4-0.6m。砌石内设排水孔,下面铺设反滤层或垫层，浆砌石海漫的抗抗冲流速可达3-6m/s，但柔性和透性较差一般用于海漫的前部约10m范围内。(3) 混凝土板海漫：整个海漫由板块拼铺而成，每块板的边长2-5m,厚度0.1-0.3m，板中有排水孔，下面铺设反滤层或垫层混凝土板海漫的抗冲流速可达6-10m/s，但造价较高。(4) 钢筋混凝土板海漫：当出池水流剩余能量较大时可在尾槛下游5-10m范围内采用钢筋混凝土海漫,板中有排水孔下面铺设反滤层或垫层。海漫布置及其流速分布图防冲槽七、闸室布置闸室布置-底板;闸墩;闸门;胸墙;交通桥与工作桥;分缝方式及止水设备1、底板：常见的闸室底板有水平底板和低实用堰底板两种。底板由横缝设置的不同又可分为连在一起的整体式底板和在单孔底板设双缝，将底板与闸室分开的分离式底板。底板顺水流方向的长度，取决于上部结构布置并满足结构强度和抗滑稳定要求。2、闸墩：闸墩的平面形状，在上游段常采用半圆形或椭圆形；下游段一般涌流线形或圆弧曲线。闸墩厚度与闸门形式有关。闸墩的长度和高度，应满足布置闸门、工作桥、交通桥和启闭机械的要求。3、闸门4、胸墙：胸墙一般做成板式或梁板式。板式适用于跨度小于5.0m的水闸，梁板式适用于跨度大于5.0m的水闸。胸墙的支撑形式分为简支式和固接式两种。5、交通桥与工作桥6、分缝方式及止水设备分缝方式：对多孔水闸需要设永久缝，整体式底板需要设温度沉降缝，为避免出现不均匀降，也要设缝。止水设备：凡具有防渗要求的缝,都应设止水。止水分为铅直止水及水平止水两种。八、稳定计算1、水闸稳定计算:水闸承受的主要荷载有