土基上的水闸(河海大学水工建筑物课件)

土基上的水闸,土基上的水闸束一鸣02583786883shuyiming河海大学水利水电学院,土基上的水闸,第一节概述第二节闸孔布置及消能防冲设施第三节闸基渗流渗流分析及防渗设施第四节闸室布置与构造第五节闸室与闸基的稳定分析第六节闸室结构计算第七节水闸与两岸连接结构设计与计算第八节水闸软弱地基处理,土基上的水闸,第一节概述一、水闸的功能与类型二、水闸结构的组成三、水闸的工作特点与设计要求,第一节概述,一、水闸的功能与类型多建于平原土基上，用于控制水位，调节流量，水头较低。按照功用可分为：1、拦河闸（或称节制闸）2、进水闸（或称取水闸、渠首闸）3、排水闸4、挡潮闸5、分洪闸6、冲砂闸,3、排水闸排除河岸内渍水或滞洪区滞蓄水，平时用于挡水。,浙江盐官太湖南排工程排水闸（200流量）,4、挡潮闸阻挡潮水入侵上溯，洪涝期（低潮位时）排水。,荷兰东谢尔德挡潮闸62孔，总长2.8km，闸室高53m，最大重量为1万8千吨，全部预制后安装。,荷兰马斯兰德闸门,长江荆江分洪北闸太平口进洪闸,07年7月淮河王家坝分洪闸分洪,07年9月葛洲坝水利枢纽三江冲砂,小浪底水利枢纽调水调砂,按照闸室结构可分为：开敞式胸墙式封闭式,太湖望虞河控制立交,入海水道淮安枢纽与京杭大运河立交,二、水闸的组成上游连接段、闸室、下游连接段,三、水闸的工作特点与设计要求1、力学稳定在上下游水头差、闸基扬压力作用下保持稳定。,2、渗流稳定需防止闸基、两岸渗流产生管涌、流土、接触冲刷等渗透破坏。,3、泄水水流稳定需防止低水头、宽断面泄流产生波状水跃、折冲水流等不稳定水流状态,4、其他不利状态需防止较大沉陷而影响正常运行；沿海地区需防止风暴潮冲击；取水闸需防止闸前泥砂淤积，等等。,闸址选择,土基上的水闸,第二节闸孔布置与消能防冲设施一、闸孔型式二、底板高程三、闸孔尺寸与孔数四、消力池及其护坦、辅助消能工五、海漫防冲槽等设施的结构布置,一、闸孔型式1、宽顶堰（平底板孔口）（1）泄流能力较稳定（流量系数随下游水位变化小）（2）可排漂浮物，兼作通航（小型工程的套闸）（3）结构简单，施工方便实际工程采用较多,2、低实用堰（1）自由出流时流量系数大（比宽顶堰大约20%），可降低闸门高度（2）可拦截泥砂（3）堰面曲线选择合适可消除波状水跃（4）当下游堰上水头0.6倍的上游堰上水头时，流量系数将大为降低,3、胸墙式孔口（上述两款堰的闸门上部加胸墙）当上游水位变幅大、下泄流量不能太大时采用，可有效降低闸门高度。当下泄流量也大时，可采用上下两扉闸门。,二、闸底板高程q=f(H),Q=f(H,B)给定下泄设计流量时，闸底板高，则闸孔净宽大（单宽流量小）；闸底板低，则闸孔净宽小（单宽流量大）。,小型工程，两岸连接建筑物占整个工程量比重较大，闸室工程量所占比重较小。所以，闸底板定高些（闸室宽度增大，两岸连接建筑物的高度降低），较为经济。大中型工程，闸室占整个工程量比重较大，两岸连接建筑物工程量所占比重较小。所以，闸底板定低些（闸室宽度减小，两岸连接建筑物的高度增加），较为经济。一般，拦河闸的闸底板与河底同高程,三、闸孔尺寸与孔数1、单宽流量选择单宽流量选择主要取决于闸室下游基土的抗冲刷能力,2、过闸水位差选择,3、闸孔尺寸与孔数（1）闸孔总净宽B0堰流孔口,孔流孔口,（2）闸孔净宽b已建大中型水闸多为b812m一般取整数，并考虑定型生产闸门,（3）闸孔数目n,（4）闸室总宽度LLnbd（d为闸墩厚度）一般地，L（0.60.85）河（渠）道宽度,（5）过流能力校核,四、消力池及其护坦、辅助消能工功能：消杀水力能量；防止波状水跃、折冲水流,消力池型式：下挖式：尾水低于跃后水深突槛式：尾水稍低于跃后水深综合式：尾水多低于跃后水深,消力池长度与深度下挖式池深d,突槛式槛高h式中溢流水头H,水平护坦长度LB=（0.70.8）Lj（水跃长度）=（0.70.8）6.9hj（水跃高度）=（0.70.8）6.9（h2h1）=（4.835.52）（h2h1）,辅助消能工趾墩、前墩、尾槛前部起辅助消能作用，后部起调整流速分布，改善流态的作用,护坦厚度（约0.51.0m）满足抗冲刷的厚度满足抗浮动的厚度,五、海漫、防冲槽及连接段布置1、海漫功能：继续消杀水流剩余能量，调整流速分布结构特点：柔性以适应变形，粗糙以消杀能量透水以消除扬压力材料：浆砌石（抗冲流速vk36m/s）、干砌石（vk2.54m/s）,海漫长度LL=Kq1/2H1/4（适用于L19m）,2、防冲槽功用：防护达到冲刷平衡深度的上游坡面平衡冲刷深度hdvk为抗冲流速,3、连接段上游铺盖前长35倍水深需防护。上下游连接段的岸坡防护长度应大于河床的防护长度。,土基上的水闸,第三节闸基渗流分析与防渗设施一、闸基渗流的危害二、闸基防渗长度的确定三、水闸地下轮廓布置四、闸基渗流计算方法五、闸基抗渗稳定验算六、防渗排水设施,一、闸基渗流的危害影响水力学稳定（管涌、流土、接触冲刷）和力学稳定,二、闸基防渗长度的确定闸基防渗长度（地下轮廓线）：铺盖、板桩、闸底板等防渗构件（至排水始端）与地基的接触线，也是闸基渗流的第一根流线。,闸基防渗长度L由渗透稳定条件为J=H/LJ可得闸基防渗长度LH/JCH式中H为上下游水位差；J为允许的渗透坡降；C为渗径系数，为允许渗透坡降的倒数。,三、水闸地下轮廓布置原则：前堵后排，即防渗与导渗相结合。铺盖、板桩延长渗径，减少闸底板的渗透压力强度；排水减少承受渗透压力的面积。,1、黏性土地基因不易发生管涌，但摩擦系数小，对稳定不利，所以，主要减少渗压，将排水前延至闸底板下。而打板桩会破坏黏土结构，引起集中渗流。,2、砂性土地基因摩擦系数大，但易发生管涌，所以主要延长渗径，降低渗透坡降。防渗采用铺盖与板桩结合。而排水设在护坦下。,3、特殊地基粉细砂地基采用双向板桩以封闭闸基粉细砂，防止液化。挡潮闸因双向挡水运行，所以双向布置板桩与排水，以水头大的一向为主布置。,对于弱透水层中夹有强透水层地基：设置竖向排水，直至强透水层，排水减压，防止上层土发生流土变形。,不同地下轮廓线布置的渗透压力,四、闸基渗流计算（水力学的改进阻力系数法）（一）基本原理将闸基渗流区域按转折各点的等势线分成几个流段；由连续性定理，各段Q相等；各段的水头损失hi与各段阻力系数i成正比；hi即为上下游总水位差H,其中=l/A是只与渗流区段形状有关的函数,由连续性定理，各段Q相等，所以各区段的q/k相同，总水头H为各区段水头损失的总和。qAkjAkh/lkh/（其中l/A）hq/kq/kh/各段总和为由上式q/kH/i代入hiiq/k得各区段的水头损失：即由各段阻力系数占阻力系数总和的分数来分配总水头,（二）适用范围地基为均质，各向同性。,阻力系数l/A可见，只与渗流区段的几何形状有关。,（三）计算步骤1、计算深度（该法只适用于有限深地基，故需取以有效深度）当地基有效深度TeT实，（体现有限深度）按Te计算；当地基有效深度TeT实，按T实计算。,2、分段计算阻力系数i按转折各点分段后，各段阻力系数的计算见表10-2。,3、初绘渗透压力分布图计算各渗流区段的水头损失hi初绘渗透压力分布图,4、进出口段修正当底板与板桩埋深长度较小时，水力坡降线需修正。进出口修正后的水头损失修正系数,5、齿墙不规则部位修正因为进出口段水头损失减少了h，这种水头损失在齿墙的不规则部位也应产生。所以，齿墙水平段的水头损失应减少h。,齿墙不规则部位水头损失修正方法：,6、出口段的渗透坡降计算沿轮廓线逸出的出逸坡降平均值J0为：,五、闸基抗渗稳定验算J出J1、管涌验算若为砂砾地基，当4Pf（1n）1.0时，则闸基出口段的渗透破坏为管涌破坏，其允许渗透坡降为,2、流土验算J见表,六、防渗排水设施1、水平铺盖要求渗透系数比基土小100倍以上，长度为上下游水头的（35）倍，厚度满足TiHi/J盖能适应地基变形。形式：黏土铺盖、钢筋混凝土铺盖、沥青混凝土铺盖等,2、竖向防渗设施（1）板桩（钢筋混凝土桩或钢板桩）长度为防渗水头的（0.71.2）倍，多为35m，最长8m。厚度满足TiHi/J桩与闸底板连接形式嵌入式（桩未达坚硬层）前搭式（桩达坚硬层）,（2）齿墙混凝土或钢筋混凝土齿墙位于闸底板两端，既可延长渗径，又有阻滑作用。深度0.51.5m。,3、排水与反滤要求：既减小渗透压力，又避免渗透变形一般采用直径12cm的卵石、砾石、碎石铺设在闸底板、护坦下面，厚度0.20.3m，需设置反滤层。护坦后半部设置排水孔，孔径58cm，间距11.5m,土基上的水闸,第四节闸室布置与构造一、闸底板二、闸墩三、闸门与胸墙四、工作桥与交通桥五、分缝及止水,闸室主要由闸底板、闸墩、闸门等结构组成，还有工作桥、交通桥等。一、闸底板（一）功用：将底板以上结构的荷载及闸门传来的水平推力比较均匀地传给地基。所以，其必须满足稳定、强度以及刚度要求。,（二）型式1、整体式（闸底板与闸墩整体浇筑）（1）特点1）底板不仅具有防渗、防冲刷作用，还具有传力功能（将上部结构荷载传给地基）；2）与分离式相比，底板承受弯矩较大，配钢筋较多；3）抗震性能较好，有的经历强震仍然可继续适用。（2）适用闸室地基较好、较差均可适用。,（3）布置1）底板长度L（顺水流方向）长度的确定应满足闸身稳定、地基应力分布比较均匀、上部结构布置等要求。L与水头H的大小、地基土壤的强弱有关，水头，则长度；地基强弱，则长度。L（1.54.5）H2）底板厚度TT主要由底板的强度及刚度定，约为（1/51/7）闸孔净宽,2、分离式底板（闸墩与底板间设缝分开）（1）特点1）只有防渗、防冲刷作用，无传力作用（上部结构荷载由闸墩传到地基）；2）配筋少（底板承受弯矩小），只需按构造配筋，底板薄（只需满足自身抗滑稳定），可用浆砌石；3）抗震性差（整体性差），构件之间易发生错动。（2）适用适用于土质较好的地基。,二、闸墩1、功用分隔闸孔，支承闸门、工作桥、交通桥，将荷载传给底板或直接传给地基。2、顶高程,4、长度取决于上部结构（工作桥、交通桥）的布置、闸门的型式（弧形门或平面门），一般与底板同长或稍短。5、厚度由稳定、强度条件决定，一般厚0.81.6m。弧形门不设门槽，墩薄些。平面门两侧设门槽（槽深0.3m，宽0.51m），墩厚些；,5、头部型式为使过闸水流平顺，减少水流的侧向收缩，提高闸孔的泄流能力应选择流线型或半圆型。,三、闸门1、设计原则安全经济；启闭灵活；可在各种开启度工作；关闭时止水性好，泄流时水流平顺；制造安装简捷。,2、闸门型式（1）平面门特点（与弧形门相比）结构简单；可使用移动式启闭机；闸墩短，不受侧向推力；闸门可吊出孔口，便于检修。但启门力大，启闭设备大；门槽使墩厚加大，产生漩涡；闸门全开时需吊出最高洪水位，加大工作桥的高度,（2）弧形门（与平面门相比特点）启门力小，可增大闸孔宽度（因闸门的总水压力通过转动中心）；工作桥高度低；闸墩薄，过闸水流条件好（因不设门槽）。但闸墩长度大，且受侧向推力，牛腿处应力集中；构造复杂；不能吊出闸孔维修；需一门一机。,（3）升卧门可降低闸室高度，结构比较复杂。（4）翻转门由水位升降自动启闭闸门，适于水位变幅频繁。,五、工作桥、交通桥工作桥用于安装启闭设备；桥高需满足闸门开启后悬挂；桥面由闸墩或排架支承。交通桥用于运行管理或交通；用于道路交通需按交通部门要求设计,六、分缝及止水1、分缝垂直于水流方向设置永久缝（沉陷缝、伸缩缝），间距不大于30m，缝宽约22.5cm。顺水流向也需设缝。（1）整体式底板分缝1）一般设于闸墩中间2）闸基较好，也可设于底板中间，减小跨中弯矩,（2）其他分缝相邻建筑物之间，荷载相差较大，均需设缝。底板与铺盖、护坦之间，底板、铺盖、护坦与岸墩、翼墙之间。,2、止水直立缝、平卧缝均需设缝。要求发生不均匀沉陷时，止水不破坏。闸墩分缝止水设在闸门的上游。直立缝止水,四、胸墙1、功用上游水位变幅大，闸孔尺寸已超过泄流要求，设置胸墙，以降低闸门挡水高度，减小闸门高度。2、布置（取决于闸门的位置）弧形门：在闸墩上游段平面门：在闸墩中间稍偏上游3、结构常为板梁式结构也有板式、拱式结构,土基上的水闸,第五节闸室与闸基的稳定分析一、作用荷载及其组合二、闸室抗滑稳定验算三、基底压力验算四、沉陷计算,一、作用荷载及其组合作用荷载及其组合与重力坝相类似，区别为：（1）波浪压力采用莆田试验站公式，参见水闸规范；（2）地震荷载计算参数不同，可参见规范；作用在底板上的水平水压力，采用黏土铺盖和采用钢筋混凝土铺盖，两者的分布不同,黏土铺盖，作用在闸底板上的水平水压力（b点的水压强度为b点的扬压力强度；a点透水）,钢筋混凝土铺盖，作用在闸底板上的水平水压力（a点的水压强度为a点的浮托力加上b点的渗透压力；b的水压强度为b点的扬压力强度）,二、闸室抗滑稳定验算砂性土地基黏性土地基,增强抗滑稳定性的措施：（1）闸门向低水位一侧布置，增加底板上的水重；（2）合理增加铺盖长度，排水向上游合理延伸；（3）利用钢筋混凝土铺盖与底板的钢筋连接，形成阻滑板。,三、基底压力验算因顺水流向闸墩刚度很大，所以基底压力近似直线分布。采用偏心受压公式计算。对称荷载作用时，基底平均应力：边缘最大最小应力：,不对称荷载作用时，基底平均应力：边缘最大最小应力：,压力校核：基底压力平均值地基最大、最小压力比值max/min,四、沉陷计算采用单向压缩分层总和法，计算点选在底板中央及4个角点。总沉陷量为e1i、e2i分别为第i计算层土天然孔隙比和压缩后的孔隙比；n为分层数目；hi为闸基底面以下第i分层土层厚度（每层厚度不大于2m）,减小不均匀沉降的措施：（1）避免相邻建筑物的重量悬殊；（2）重量大的建筑物先行施工，预先沉降；（3）软弱地基进行地基处理。,土基上的水闸,第六节闸室结构计算一、整体式平底板结构计算二、闸墩结构计算三、胸墙结构,一、整体式平底板结构计算弹性地基梁法适用于大中型水闸，黏土地基与砂土地基相对密度Dr0.5。顺水流向，假定地基反力为直线分布，以偏心受压公式计算垂直水流向，取单宽板条，按平面应变弹性地基梁计算。,计算步骤：（1）以偏心受压公式计算顺水流向的地基反力；（2）垂直水流向取门前部中央、门后部中央单宽板条各1条，计算不平衡剪力Q（水流向两侧剪力之差）QQ1Q2,（3）不平衡剪力Q的分配（墩、板分摊）截面上的剪应力分布QS/Ib或bSQ/I因剖面一定，故Q/I为常数，所以，绘出Sy曲线，如图所示，得到by的关系S为计算点所在纤维层以外的面积对形心轴的面积矩；b为计算点处剖面宽度,若A1、A2分别为墩、板的截面积则墩分摊不平衡剪力为（约占（8085）板分摊不平衡剪力为（约占（1015）,墩承担剪力中还需在中墩与缝墩之间分摊中墩分摊缝墩分摊,（4）基础梁上的荷载计算（分配给闸墩的不平衡剪力与闸墩及其上部结构的重量，可作为集中力作用于梁上）中墩集中力缝墩集中力P2=N2,底板上的均布荷载,（5）按弹性地基梁计算地基反力和梁的内力，并验算强度、配筋0.25按基床系数法（文克尔假定）计算T/L=0.250.2按有限深弹性地基梁计算0.2按半无限深弹性地基梁计算T为压缩土层的厚度；L计算闸段长度的一半。,（6）考虑边荷载（两侧地基上的荷载）影响边荷载使地基沉降，影响地基梁的内力,二、闸墩假定闸墩为固支在底板上的悬臂梁，用材料力学法计算1、水平截面上的应力（最不利为挡水期闸门全关时）（1）顺水流方向正应力,（2）顺水流向剪应力最大剪应力（在xx轴上）max3Q/2dL,（3）垂直水流向正应力墩一侧过水，另一侧关闭时（4）垂直水流向剪应力,2、弧形闸门支座处的应力计算牛腿处的配筋量Ag近似计算,四、胸墙结构胸墙类似固定的闸门，结构有板式、板梁式（双梁式）钢筋混凝土,土基上的水闸,第七节水闸与两岸连接结构设计与计算一、连接建筑物型式与功用二、连接结构布置,一、连接建筑物型式与功用（一）型式边墩：闸室两侧的闸墩，内侧支承闸门，外侧支承岸土适用：地基较强，闸室高度不大的情况,岸墙：在边墩外侧，专门设置的挡土墙适用：地基较差、闸室与填土荷载相差较大的情况,上游翼墙：闸室岸墙向上游的延伸部分。,下游翼墙：闸室岸墙向下游的延伸部分。,（二）功用1、挡住两侧填土，保证土坝或河岸的稳定；2、水闸泄水时，上游翼墙引导水流平顺过闸；下游翼墙使水流均匀扩散，减小单宽流量；3、保护河岸或土坝边坡等不受过闸水流冲刷；4、控制经闸室两侧的渗流，防止河岸或相邻土坝的渗透变形；5、软弱地基上所设的独立岸墙，可减少两岸地基沉陷对闸身应力的影响。连接结构约占水闸总造价的0.150.4，闸孔越少，比重越大。,二、连接结构的布置1、岸墙地基软弱、闸身较高，若采用边墩直接与河岸连接，由于边墩与闸身地基的荷载相差悬殊（因边墩只承受半孔上部荷载），则可能产生不均匀沉降，影响闸门启闭，在底板中产生较大应力，甚至产生裂缝。因此，需专门设置岸墙与河岸连接，使地基变形逐渐变化，保证闸室安全。一般岸墙与边墩同高、同长。,2、翼墙翼墙与岸墙或边墩应设缝分开。翼墙高度：高于上下游最高水位翼墙长度：向上游延伸长度为水闸水头的（35）倍，或与上游铺盖同长；向下游延伸至消力池末端或稍长些。,翼墙布置型式（1）扭曲面翼墙翼墙在边墩两端竖立，向上、下游逐渐扭曲转变，直至与河岸坡度相同。其特点：水流平顺，工程量节省，施工较麻烦；小型水闸采用较多。,（2）反翼墙翼墙到末端预定位置转90，插入两岸土体。其特点：插入两岸的部分具有防止绕渗的功能；水流条件较好；工程量较大；一般用于大中型多孔水闸。,（3）圆弧式翼墙（与反翼墙类似）上游圆弧半径1530m，下游圆弧半径3040m。,（4）斜降式翼墙平