河海大学《水工建筑物》第七章水闸

1、1第七章 土基上的水闸(Sluice on earth foundation)2第一节 概述第二节 水闸的闸孔和消能防冲第三节 闸基的防渗排水第四节 闸室的布置和构造第五节 闸室的稳定分析和地基处理第六节 闸室的结构计算第七节 两岸连接建筑物第八节 闸门和启闭机PP.1803水闸建设概况: 建国以来，随着我国水利事业的蓬勃发展，全国各地兴建了数以千计的大中型水闸。大大增强了这些地区的防洪、抗旱和排涝能力。促进了工农业生产的发展，保证了人民群众的生命安全,产生了巨大的社会经济效益。 第一节 概述4江都水利枢纽工程江都抽水站之太平闸5一、水闸的作用和类型 水闸的作用：水闸是一种既挡水又泄水的低水头

2、水工建筑物,通常建造在土基上,也称活动坝。PP.1806PP.180、按任务不同，可分为以下五种：进水闸、节制闸、分洪闸、排水闸、挡潮闸7、按闸室结构分、按闸室结构分开敞式： 闸室露天 有胸墙与无胸墙涵洞式：闸室后部有洞身段，洞顶有填土覆盖。、按操作闸门的动力分按操作闸门的动力分机械操作闸门的水闸：平面钢闸门、升卧门、弧形门等水力操作闸门的水闸：水力操作闸门的水闸(自动翻板门)8910滚 轮导 轨连 杆支 腿支 墩面 板图 5 连 杆 滚 轮 式 水 力 自 控 翻 板 闸 门11上游连接段 闸室段 下游连接段 (引导水流平顺进入闸室) (调节水位和流量) (消能、防冲)闸室： 底板、闸墩、闸

3、门(胸墙)、工作桥、交通桥闸门（承受水压力)闸墩（承受上部结构重量）底板(较均匀地传力给地基）上游连接段 翼墙、 铺盖、护底、防冲槽、护坡 下游连接段 翼墙、 护坦(消力池)、海漫、防冲槽、护坡二、水闸的组成及各部分作用 PP.1811213上海拦路港元荡分流节制闸工程14 稳定问题：水平水压力、渗透压力不利于稳定三、水闸的工作特点PP.182 渗流问题：扬压力降低结构有效自重 土体颗粒易产生渗透破坏 冲刷问题：流速大，会冲刷下游河床、岸坡 沉降问题：地基受压后变形，使水闸下沉15 与溢流重力坝相比有如下一些特点:1.水流特点a.开始泄流时，通常下游无水，或水深很浅，随着闸门开度增大，下泄量和

4、下游水位也相应变化，从无到有、从小到大，大幅度变化使流态(淹没出流、自由出流)较为复杂，给消能设计和计算带来困难;b.水头差小，佛氏数(Froude)低(小于4.5)，消能效果差佛氏数在1.01.7 易形成波状水跃c.泄流不对称时或有某些干扰时易产生折冲水流; d.水头差作用下易产生渗透变形;16172.地基特点 a.土基上的水闸抗滑能力差(f小)。 b.承载能力差 c.易压缩变形产生不均匀沉降 d.抗冲刷能力低 3.结构特点 是弹性地基上的板、梁、柱综合体 注意解决的问题: a.选择与地基条件相适应闸室结构型式，保证闸 室及地基的稳定性; b.做好防渗设计(河床及两岸) c.做好消能防冲设计

5、，避免出现危害性冲刷;18 第二节 水闸的闸孔和消能防冲 一、闸孔设计闸孔设计的任务：确定闸孔的形式、孔口尺寸和堰顶高程(一) 设计条件 已知设计流量Q和下游水位，求闸孔宽； 对节制闸，要合理确定过闸水头损失H；PP.18119(二)闸孔形式 宽顶堰孔口、低堰孔口、胸墙孔口n宽顶堰：2.5H堰顶厚度4H或无坎，常用于平原地区，自由泄流范围大且稳定；施工简单；流量系数m较小，易产生波状水跃。n实用堰：0.67H堰顶厚度2.5H，常用于上游水位允许有较大雍高的山区，自由泄流时流量系数m较大，流量Q受下游水位影响较大。n胸墙式：用于上游水位变幅较大时；可减小闸门及工作桥高度，增加闸室刚度；不利于排冰

6、排污和通航。20运用条件： 节制闸与河底齐平或略高；进水、分洪闸比河底略高（防泥沙）。(三) 堰顶高程选择PP.183经济要求： 底板高程低水深， q 闸室总宽度,但增大闸身和两岸结构高度，消能防冲费用，泥沙淤积。需考虑运用条件、经济要求和单宽流量的要求单宽流量的要求：抗冲刷能力21堰流公式(四) 闸孔总宽度及孔数的确定23002 HgmQB 式中各系数的确定见水闸设计规范SL265-2001附录A。PP.183孔流公式：002gHhQBe22n 求出总净宽B0后，根据需要进行孔口划分。闸孔数n=B0 / b，如运用上无特殊要求，大型水闸一般b=812m (闸门宽高比为1.52.0)，小型水闸

7、b=3m。n 当n8时尽量取单数，以便对称开启。n 闸室总宽L=n b+(n-1)d，d为闸墩厚度。3.闸室总宽度：PP.18323二、水闸的消能防冲(一) 过闸水流的特点n平原上的水闸上下游水位多变，出闸水流形式多变；n平原上的水闸上下游水头差小，当佛氏数在1.01.7 时易形成消能效果差的波状水跃；n水闸宽度较上下游河道窄，水流过闸先收缩再扩散，如布置不当，易产生折冲水流，冲毁消能防冲设施和下游河道。PP.18424n控制单宽流量；方向与原河床主流方向一致；n合理选择下游翼墙的扩散n下泄水流角，以利于水流扩散；n消能防冲设计n合理的闸门开启程序(二) 采取的措施25(三) 消能防冲设施 消

8、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、均匀扩散水流、防止冲刷的要求，并与下游河道有良好的衔接。消能防冲设施包括：底流消能、海漫和防冲槽。大多数水闸采用底流消能。 底流消能的主要结构是消力池，在池中形成水跃进行消能。消力池后紧接海漫，在海漫上继续消除水流剩余动能，使水流扩散并调整流速分布，以减小底部流速，从而保护河床免受冲刷。261.消力池：使水流形成水跃，避免地基遭冲刷(1)消力池的布置PP.185 当hs hc时，产生远趋式水跃或临界水跃，需建消力池。反之，不需建消力池，而实际工程中，为了安全仍取池深P=0.51.0m下挖式消力池、突槛式消力池和综合式消力池是底流式消

9、能的三种主要形式 。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。 2728消力池的长度可用以下经验公式计算：nslLL式中L 为消力池长度； Ls为斜坡段的水平投影，一般为(34)P； 为水跃长度校正系数，一般取0.70.8； l n为水跃长度，按下式计算：）ccnhhl(9 . 6消力池的深度ZhhPsc 029(2).辅助消能工 n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n类型：消力墩，消力梁，散流墩等(3) 护坦构造 材料：混凝土 、钢

10、筋混凝土厚度：一般为0.51.0m；排水孔布置：孔径525cm，间距1.53.0m，呈梅花形布置；底部设置反滤层；(图5-8)PP.186302. 海漫及防冲槽海漫：紧接护坦，进一步消除余能，调整流速分布要求：抗冲、表面粗糙、透水、有一定柔性；(1)材料：浆砌石、干砌石；PP.18731(2) 防冲槽n限制冲刷向上游扩展，保护海漫。深度一般为1.52.0m，上下游坡度可采用1:21:4。 323.上游河床防护 (护底) 长度一般为(35)H，采用浆砌石或干砌石结构。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。4.上、下游河岸的防护 (护坡) 采用浆砌石或干砌石结构，厚约3

11、050cm，底部一般铺设10cm厚的卵石或粗砂垫层；每隔810m设混凝土埂或浆砌石埂。PP.18833第三节 闸基的防渗排水 n闸基渗流的主要危害： (1) 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； (2) 由于渗透力的作用，可能造成闸基土体渗透变形； (3) 严重的渗漏将造成大量的水量损失；PP.1893435n防渗设计的要求： 确定最优的地下轮廓及防渗排水措施，使渗透压力适当减小，使闸基不发生渗透变形，并使闸基渗透量控制在允许范围内。36(一）防渗长度n 地下轮廓线：闸基渗流的第一根流线，即铺盖、板桩等防渗结构以及闸室底板

12、与地基的接触线。一、地下轮廓的拟定PP.189n地下轮廓线的长度L 称为防渗长度 应满足：Lc H，c 值见PP.190表5-1。n地下轮廓线有三个特点：起点是入土点，终点是出土点，中间是连续线 3738(二)地下轮廓布置(1) 布置原则： 滞渗(防渗)与导渗(排水)相结合PP.190 在闸室底板下游一侧布置排水及反滤设施，使渗透水流尽快地安全排走，以防止发生渗透变形，并减小底板渗透压力，叫导渗。 在闸室底板上游一侧布置防渗设施(如铺盖、板桩及齿墙等)，用来延长渗径，减小底板渗透压力，降低闸基渗流的平均坡降，叫滞渗；394041粘性土地基： 有粘着力，不易产生管涌，但底板与土壤间摩擦系数小，不

13、利于闸室稳定。(2) 不同地基土质情况下的地下轮廓布置降低渗透压力，增加闸身有效重量。闸室上游设置铺盖(不用板桩)，闸室下游护坦底部应设排水设施，下游排水可延伸到闸底板下。42砂性土地基： 防止渗透变形，对降低渗透压力的要求较低。n(a)砂层很厚 上游可采用铺盖和悬挂式板桩相结合的形式，下游渗流出口处应设置反滤层，排水布置在护坦之下。n(b)砂层较浅 板桩直接深入相对不透水层，下游渗流出口处应设置滤层，排水布置在护坦之下。 4344二、渗流计算 渗流分析的目的：渗透压力、渗透坡降水闸渗流是有压渗流。 分析方法：规范中推荐采用改进阻力系数法和流网法作为求解土基上闸基渗透压力的基本方法。复杂土基上

14、重要水闸，应采用数值计算法求解。基本假定：达西定律、拉普拉斯方程PP.1914546(一)加权直线法 由直线比例法发展而来。把地下轮廓上、下游端的铅直渗径扩大一个倍数n，而其他部分仍保持不变。 假定端板桩（或齿墙）的深度为S，地下轮廓水平投影长度为L，计算用透水层深度为T，则同时满足S/T0.1和S/L0.1的为短板桩，取n=4；否则视为长板桩，取n=2。(绘图说明)PP.19247(二) 改进阻力系数法 把闸基的渗流区域按可能的等水头线划分为几个典型流段，根据渗流连续性原理，流经各流段的渗流量相等，各段水头损失与其阻力系数成正比，各段水头损失之和等于上下游水头差。481.基本原理 图示为一矩

15、形渗流区域。根据达西定律，通过该区域的单宽渗流量为：LhkAAkJqALkqhkqhAL则，记PP.192 可见：h与成正比，而仅与渗流区的几何形状有关，是渗流边界的函数。49 水闸的闸基渗流区域比较复杂，可以将其按可能的等水头线划分为几个典型流段，各典型流段有各自的阻力系数i ，各段的水头损失为：,kqhiiPP.193 根据渗流连续性原理，各流段的单宽渗流量相等，因此：kqhiiiikqhHiiiHhiHkq 闸基渗流的总水头损失应为各段水头损失的之和，即：5051 2.主要计算步骤确定地基计算深度Te 若Te地基的透水深度T，则取Te=T计算。0005 . 0,5LTSLe时当26 .

16、15,500000SLLTSLe时当L0为地下轮廓的水平投影长度；s0为铅直投影长度PP.19352 按可能的等水头线划分为几个典型流段(进口段、出口段、水平段、内部铅直段) 按PP.194表5-2公式计算各段的阻力系数。要正确计算T、S、S1、S2等参数。(3)求出各段水头损失hi i，绘制渗透压力分布图iiiHh(2)分段并计算各段的阻力系数53(4) 进、出口段水头损失修正)059. 0(2)(12121. 12TSTT) 11( ,00取时进出口段hh0)1 (hh水头损失减少了niiTHha154(5) 齿墙不规则部位的修正hhhhhxxx当)(,2xyyxxyxxhhhhhhhhh

17、h当)(2,2yxCDCDyyxxyxhhhhhhhhhhhh当55(6) 抗渗稳定性验算 n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。n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。n出口段的平均出逸坡降：00JShJ 作业：56改进阻力系数法作业 已知：H1=6.0m，H2=2.0m，T地基=20m，试用改进阻力系数法求： (1)闸底板下的渗透压力； (2)闸底板水平段的平均渗透坡降和出口处的平均逸出坡降。5758(一) 铺盖 （水平防渗设施） 渗透系数比地基的小100倍以上； 铺盖长度采用上、下游最大水头差的35倍； 并非越长越好。三、防渗排水设施PP.195 1.

18、粘土及粘壤土铺盖 （K10-5cm/s） 铺盖厚度=H / J，上游端不小于0.6m，末端不小于11.5m； 为防止冲刷，表面应设护面结构。59602.混凝土、钢筋混凝土铺盖 （K10-7cm/s） 可用C15、C20混凝土，厚度一般为0.40.6m，每1020m设沉降缝PP.196613.复合土工膜防渗 （K10-11cm/s） () 土工合成材料是应用于岩土工程的、以合成材料为原材料制成的各种产品的统称。因为它们主要用于岩土工程，故冠以“土工”(geo一)两字，称为“土工合成材料”，以区别于天然材料。 可分为四大类：土工织物、土工膜、土工复合材料、土工特种材料。 补充 六大功能：排水、反滤

19、、防渗、防护、隔离、加筋；62(二) 板桩 (垂直防渗设施)一般设在闸室底板高水位一侧或混凝土铺盖起端;低水位一侧的短板桩可减小出口的渗透坡降，但底板渗透压力会增大；钢筋砼板桩：5060cm宽，1015cm厚，长度不超过8m，采用C20、C25预制。 (三) 齿墙钢筋混凝土做成，深度一般为0.51.5m延长渗径、增加闸室稳定性PP.19663(四) 排水及反滤层 排水位置对底板渗透压力大小的影响(图) 反滤层：由23层不同粒径的砂石料组成，层面大致与渗流方向正交，粒径顺着渗流方向由细到粗。(另见PP.154)PP.19764 第四节 闸室的布置和构造 一、底板按底板与闸墩的连接方式分：整体式、

20、分离式PP.198整体式：闸墩和底板浇筑成整体n 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。65PP.1992.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。n (顺水流方向)长度L：受上部结构布置所控制、考虑地基受力情况等。经验值: (1.52.5)H1n 厚度：( 1/51/7)闸孔净宽66二、闸墩作用： 分隔闸孔、承载顶部高程：闸门上游部分的顶高程高出设计（或校核）水位、闸门下游部分可适当降低。长度：与底板同长或稍短。厚度：门槽处最小厚度不宜小于50cm； 工作门槽深0.30.5m，宽0.51.0m 检修门槽深0.

21、150.2m，宽0.20.3m6768三、胸墙 顶部高程：与墩顶相同 底部高程：有泄流所需的孔口高度决定 胸墙位置：采用弧形闸门时，设在闸门上游;采用平面闸门时，闸门上下游均可。 作用：减小闸门高度和启门力、增加闸室刚度69PP.199 常用结构形式： 板式 板梁式 支承方式： 简支式 固支式70四、工作桥和交通桥 工作桥： (大中型水闸) 面板厚度810cm， 纵梁翼板端部厚810cm，根部加厚至2025cm；纵梁高约为跨度的1/81/10，肋宽约为梁高的1/3，但不小于2530cm， 横梁截面一般为2550 cm 3060cm。PP.2007172五、缝和止水 防止闸室因地基不均匀沉降及温

22、度变化而产生裂缝。 伸缩缝：缝距1520m，缝宽14mm 沉降缝：缝距1525m，缝宽22.5cmPP.200 除此以外，不同结构之间都需要设沉降缝。 凡具有防渗要求的缝都要设置止水设备。按止水位置不同，可分为铅直止水和水平止水。737475(一)荷载自重水重扬压力水平水压力 第五节 闸室的稳定分析和地基处理 一、荷载计算PP.20276有混凝土铺盖时，水平水压力计算77以一个闸室段为计算单元。常用计算公式：二、表层抗滑稳定验算PP.204(二) 荷载组合基本组合：正常运用期、完建期特殊组合：校核洪水位、检修期、地震等ccKHGfKtan00ccKHACGK粘性土地基上的大型水闸，宜按第二式计算；78 KC值可查 PP.205 表5-4。 提高闸室抗滑稳定的措施：(1)调整闸门位置，增加水重； (2)增加防渗长度，或在满足防渗安全的条件下将排水设施向底板靠近；(3)增加齿墙深度；(4)用钢筋混凝土铺盖作阻滑板。 79 (一)基底压力 假定：顺水流方向线性分布。计算公式如下：三、地基反力计算PP.2052maxmin6BLMBLG 式中：B、L 分别为计算段闸底板宽度和顺水流方向长度。 minmaxminmax)2(2)() 1(二) 地基反力要满足两个条件：80 目的：满足地基承载力和沉降量的要求常用措施： 换土垫层