水闸消能防冲设计

1、水闸消能防冲设计教学文本水工建筑物教学资源库项目组编写2014年9月目录1.教案计划表- 1 -2.教学实施- 2 -【步骤1】复习巩固- 2 -【步骤2】结合工程案例引入新课内容- 2 -【步骤3】课程介绍及知识讲授- 2 -【步骤4】案例讲解- 20 -【步骤5】学生实训- 20 -【步骤6】评价及反馈- 21 -1.教案计划表 表1 教案计划表单元名称水闸消能防冲设计学时：2项目名称水闸设计教学地点多媒体教室学生角色设计辅助人员教学目标知识目标技能目标态度目标（1）了解过闸水流的特点；（2）掌握消能防冲设计条件的确定方法；（3）掌握水闸的底流消能工设计（消力池深度、长度、消力池构造）方法

2、；（4）掌握水闸的海漫设计方法；（5）掌握水闸的防冲槽设计方法；（6）掌握波状水跃、折冲水流的防止措施。（1）能正确理解过闸水流的特点；（2）会确定消能防冲设计的条件；（3）理解水闸的底流消能工的设计方法、思路；（4）会进行海漫设计；（5）会进行防冲槽设计；（6）会运用综合措施以防止波状水跃、折冲水流。（1）能按时到课、遵守课堂纪律、认真听讲、积极回答课堂问题，能按时交作业；（2）课下能配合小组积极完成老师布置的各项任务；（3）同学间能对疑难问题相互讨论；（4）能勇于表达个人的观点和见解。能力训练任务及案例（1）完成案例任务：水闸的底流消能工设计（消力池深度、长度、消力池构造）；（2）完成案例

3、任务：水闸的海漫设计；（3）完成案例任务：水闸的防冲槽设计。教学重点、难点重点：（1）消能防冲设计条件的确定；（2）底流消能工设计（消力池深度、长度、消力池构造）；（3）海漫设计；（4）防冲槽设计。难点：（1）过闸水流的特点；（2）消能防冲设计条件的确定；（3）底流消能工设计；（4）海漫设计；（5）防冲槽设计；（6）波状水跃、折冲水流的防止措施。教学方法、手段案例法，讲练结合法，黑板、多媒体课件，动画。教学组织过程 首先导入本次课学习任务，引入工程案例，讲解过闸水流特点及消能条件选择；其次结合工程实例背景资料选择合适的消能结构，通过理论分析推导消力池深度，池长计算公式，讲授消力池构造设计注意问

4、题，；结合工程案例，进一步讲解海漫、防冲槽的结构设计，依托案例边讲边练；最后布置任务，学生案例训练，让学生分析、讨论解决问题，教师辅导评价，课堂小结。教学条件工程案例；练习题；课程相关课件。作 业基础试题（填空、选择题等）、技能训练习题备 注2.教学实施【步骤1】复习巩固【步骤2】结合工程案例引入新课内容某拦河闸为不设胸墙的开敞式水闸，无底坎平顶板宽顶堰，堰顶高程与河床同高（30.00m）。单孔净宽8m，共7孔，闸孔总宽度为64m。整体式底板，边2孔一联，中3孔一联，缝设在闸墩上，中墩非缝墩厚1.2m，中墩缝墩厚1.6m，边墩厚1m。正常挡水位为38.50m。【步骤3】课程介绍及知识讲授水闸泄

5、流时，流速大，水流具有较大的动能，紊动强烈（且水头和单宽流量越大，能量也越大）。而土质河床抗冲能力很低，因而下游冲刷是一种相当普遍的现象。有的冲刷并不危害建筑物的安全，一般是允许的。对有害的冲刷，必须采取措施加以防止设计不当和运用管理不善造成。目的：1.消能（消除上、下游水位差导致水流的动能），保护水闸安全使用。2.河床、岸坡的防冲，保护河床、岸坡能抵抗冲刷。两方面措施同时并举，以前者为主，防冲为辅。一、闸下游发生冲刷的原因（与过闸水流的特点密切相关）及防冲措施：（一）水流形式复杂：设计时上下游水位选择不当，不能形成淹没式水跃，或淹没过大垂直扩散不良而形成底部急流水流出闸时的流态较为复杂，初始

6、泄流时，下游水深很浅甚至无水，随着闸门的抬升，下游水位逐渐加深，在这一过程中，水流由孔流 堰流，由自由出流 淹没出流，形成水跃，当为淹没水跃时对消能有利，但淹没过大时，急流沿底部前进，对、消能反而不利。（二）上、下游水位差小（小）形成波状水跃由于上、下游水位差较小，其弗劳德数也小，当=11.7时就会出现波状水跃，此时形成不正常的水跃，即不强烈的水跃旋滚，水面消能效果甚微，具有较大的冲刷能力，水流保持急流前进，与翼墙分离而不向两侧扩散，致使两侧产生回流，缩小河槽有效宽度，局部q增大，严重冲刷河床及两岸。二、波状水跃及折冲水流：（一）波状水跃：（1）产生原因：当闸下游，或收缩断面处的=11.7时，

7、水跃无明显旋滚，呈一系列逐渐消失的波浪形态的水流，即所谓波状水跃，波状水跃消能效率不超过20%，故80%动能被水带入下游，对河床产生不利冲刷，故要避免其产生。（2）防止措施：平底板闸门：在消力池斜坡段的顶部上游留出0.51.0m宽的平台，在上面设置一道小槛（齿形槛、分水墩），使水流越槛入池，形成底流式水跃，槛高（闸孔出流的第一共轭水深）。低实用堰型底板闸门：有助于消除波状水跃。（二）折冲水流：（1）产生原因： 泄流时水流偏离主流方向，引起原因：设计不当：翼墙扩散角选择不当。管理不当：闸门开启不对称。折冲水流出了消力池后继续蜿蜒蛇形，冲刷两岸（2）防止冲刷： 布置措施（设计） a.翼墙采用较小的

8、扩散角7°12°（1:81:15）。b墙顶高出下游最高水位（以免下游回流由墙顶浸回消力池） 。管理措施a.闸门均匀开启和关闭低泄量时隔孔交替开启，使水流均匀。b.对称开启和关闭先开中间，后两边；或先两边，后中间。三、水闸的消能水利工程上为了避免水流对河道的冲刷，必须采取一些减小泄水建筑物下泄水流动能的措施，以满足工程的经济与安全要求，减小下泄水流的动能，从水力学角度来看，主要增加下游水深，使动能转变为势能，以减小水流对河床的冲刷，或增加下游水流紊动程度，使动能转变为热能消散掉。此外，还可以利用挑流水股与空气的摩擦以及水流掺气来消能。（一）消能方式选择：利用上述原理设计的水流

9、衔接和消能主要方式一般有下列两类：A:利用固体边界将水股分散，增加水流紊动程度达到消能目的常用的方式有：（1）挑流消能：在溢流建筑物的末端设置比下游水位高的挑流坎，利用高速水股下泄的动能，把水股抛向空中，再投入下游河道，水股与空气的摩擦，水流掺气以及水股射进下游河道时形成冲坑，产生漩涡，均可消减能量。适应条件：上、下游水位差大（水头高），河床岩体坚硬，水位变化大。（2）面流消能：在溢流建筑物末端设一个比下游水位低的水平的或仰角较小的导流坎，将高速的水流引向下游水流表层，在河床与表层高流速水流间形成漩涡区消能。适应条件：下游河道水深变化小，河床及河岸抗冲能力好，有泄水或过木要求。（3）消力戽消能

10、：在建筑物末端设置一个大反弧的低鼻坎，下游水位比鼻坎高，鼻坎把高流速的水流挑离河床在反弧及坎下分别形成两个或三个大漩滚，以达到消能目的。 论证：由于水闸的水头低，下游水深大，下泄水流没有足够的能量将水流挑起并抛射到一定远的距离，且水闸多修建在土基上，地质抗冲能力差，故无法选择挑流式消能，又因水闸下游水深变化大（常由有水到无水），一般又难以产生面流式水跃。因此：水闸一般只能采用底流式水跃消能。当然也可以有不同选择，详见书P190(尽管底流式有时因上下游水位差较小而消能效率不变，但它对下游水位变动的适应性较好，在平面上也易于扩散)。底流式消能由于水跃中的高速水流靠近河渠底部，因此将利用水跃进行水流

11、衔接和消能的方式称为底流式消能。 B:下泄水流通过水跃与下游水流衔接，利用水跃消能。（水跃：水流从急流过渡到缓流时水面突然跃起的局部水力现象称为水跃）水跃分为主流区和旋滚区两部分，水流能量主要在主流区与旋滚区的接触地带消失。因为该处的紊动附加切应力很大，一般在该处可以消耗总能量的40%67%，由于水跃中的高速水流靠近河渠底部，因此将利用水跃进行水流衔接和消能的方式称为底流式的水面衔接与消能。水跃 临界式水跃极不稳定。远离式水跃延长建筑物下趾的急流段，使水流在较长的一段距离内处于急流状态冲刷河床，故砌护工程量相当大。淹没式水跃对消能最为有利。 从工程的经济和安全要求出发，希望产生淹没式水跃，产生

12、淹没式水跃要求水工建筑物下游要有足够的水深，而要增加下游水深就需要修建一些辅助建筑物有:消力池消力墙综合式消力池 在靠近建筑物下游降低河床高程，形成水池，增加水深。 在靠近水闸下游河床上修筑挡土墙，挡高水闸与挡水墙（称消力池）间水位，增加水深。当地质或施工条件受到限制，单做消力池或消力墙不适合时，可把消力池和墙结合起来做成综合式消力池。（二）防止措施（1）选用适宜的单宽流量（2）合理进行平面布置尽量使下泄水流与原河床主流位置和方向一致，并控制下游翼墙扩散角，以利水流扩散，避免或减轻回流影响。（3）采取必要的消能防冲措施以消减下泄水流余能和保护河床两岸。（4）制定合理的闸门开启程序开门时，自中孔

13、开始对称均匀开启。关闭时，与上述操作相反。 防止因单孔开启（或集中几孔开启）而导致q过分集中，或因开启不对称而导致偏离（三）消能设计条件的选择：消能防冲的设计，应根据不同的控制运用情况，选择确定设计条件最不利的水位和流量组合条件，通常以过闸水流具有最大单宽能量E时，作为控制条件式中：水容量；上、下游水位差；闸孔单宽流量。闸门全开时， 、，不一定是控制条件。起控制作用的，可能是上游开闸泄流的最高挡水位或下游始水位是最低水位时，闸门部分开启，泄放某一流量时，此时E最大，是控制条件。因此，设计应根据水闸的运用特点，选择几种可能的水位流量组合，结合考虑合理的闸门操作方案，通过计算或实验分析比较后确定。

14、闸门操作管理：对消能防冲影响很大，设计时要求闸门尽可能均匀，分档，间歇地开启。每次开0.51.0m,如先开孔0.5m,待下游水位升高后，再开启两侧闸孔，逐次类推，直至闸门全部开启。（四）消力池设计：底流式消能希望在水闸下游河道中产生淹没式水跃，而产生淹没式水跃要求水工建筑物下游要有足够的水深，要增加下游水深就要修建一些辅助建筑物消力池。底流式消能：（辅助建筑物）消力池：促成淹没式水跃，所必须的尾水深度，并保护水跃护水跃范围内的河床免受冲刷。辅助效能工：消力墩、消力齿等，为提高效能效果，改善水流条件。（1）消力池分类：（工程中多采用挖深的方法形成消力池）下挖式（挖深式）消力池若下游水深不足，降低

15、护坦高程形成消力池。下挖式突槛式消力池，带消力槛的护坦（当下游水深略小于或等于跃后水深时，可采用尾槛构成）地基难开挖，冬季要求放空池中积水，防止冰冻。突槛式综合式消力池，浅挖低槛的消力池（降低护坦高程挖方大，施工困难，增加工程造价时用，不常用，常需在槛后设三级消力池，且槛后水面波动大综合式进行消力池尺寸设计时，包括池深和池长，用水力学公式计算，计算步骤如下：（2）判断是否修建消力池判断依据 自由出流 要修建（挖）消力池 淹没出流 不修建（挖）消力池作法：可由水利计算求得孔流流量公式： 查下游HQ曲线 式中：宽顶堰上孔流淹没系数；宽顶堰上孔流流量系数，查表或由公式计算；  孔口高度。挖

16、深前：a.孔口出流收缩断面水深：垂直收缩系数b.跃后水深：hc共轭的跃后水深，m； q收缩断面处的单宽流量，按不扩散计(例闸底板长10m，(23)he=1.53，没有超出闸底板范围，故不扩散)。结论：以时所对应的n,he为开闸泄流量最不利情况，为消能控制条件来设计，水工中一般即使下游水深已够，一般仍使池板高程低于闸底板0.51.0m,以改善水流形态，称为均流池。（3）消力池尺寸计算：（挖深后）池深和池长消力池深度计算。式中: d消力池深度，m；o水跃淹没系数，可采用1.05-1.10；hc跃后水深，m； hc收缩水深，m； T0总势能，m；Z出池落差，m； hs出池河床水深，m。求hc 和hc

17、的两种方法：a.图解法：求矩形断面明渠 求：临界水深由查曲线查曲线 b.求的迭代法求将代入上式，求当符号两边相等为止。求出后代入上式求挖深后的求d的设计步骤：（分三步走）a.假定池深d求迭代或求解和b.求，消力池末端的c.求水跃淹没系数要求之间即满足要求，否则应重新假定d再进行上述步骤的试算，直到满足要求为止，此时d即为设计值。池长计算：取决于水跃长度消力池一般包括：a.斜坡段: b.水平段: 池长为这两部分之和斜坡段当池底高程低于闸底板高程时，在闸底板与消力池间常用不陡于1:4的斜坡段连接，过陡会在出闸流速较大时，水流将脱离坡面而产生局部真空，导致结构破坏水平段水平段长度应保证水跃发生在池内

18、，由最大水跃高度和最大水跃后水深相应的水位流量组合计算确定，通常取决于大流量的泄流流态，因消力池末端的尾坎对水流有反击作用，使池中水跃长度较自由水跃减小约20%30%。所以消力池水平段的长度一般可取自由水跃长度的（0.70.8）倍。式中：m为斜坡坡率；d闸底板与消力池底的高差；水跃长度，矩形断面非扩散二元水跃，扩散形或阶梯形水跃当大于4时式中: 收缩断面处弗汝德数评论：错：a.用非扩散式消力池（q大）计算替代扩散式消力池（q小）有利于安全。对：b.对大型水闸，池深与池长需通过水工模型试验验证（算出消力池长度和实际工程有差距，所以最后确定时应参考同类型已建工程最后确定）。错：c.另（折线底板）消

19、力池一般紧接着闸室布置，但如果闸室高度不大，地基较为密实，闸室长，且上下游河床高差较大时，可将部分闸室布置成消力池（这种情况下的闸室底板成为折线底板）优点：可缩短消力池长度，减小工程量和投资。缺点：有一部分水跃建在闸室内部，易形成震动，如地基不好，易形成不均匀沉陷。（4）消力池的构造：（指对消力池护坦和尾槛在构造上的一些要求）护坦：消力池的底板称为护坦，（护坦对防止河床冲刷和保证闸室安全至关重要。a.底板受力：承受水流的冲击力，水流脉动压力，底部扬压力等作用。b.底板要求：具有足够的重量、强度和抗冲耐磨能力。c.底板型式：一般是等厚的， 也可以是不等厚的，始端厚度大，向下游逐渐减小，只用于大中

20、型水闸，厚度由大到小，因前部冲击力大，后部冲击力小。d.底板厚度：根据抗冲和抗浮要求定，但护坦受力条件十分恶劣，特别是动水压力难以精确确定，因此护坦厚，应有较大的安全系数，不能太薄，根据工程经验，护坦厚度不应小于0.5m，大中型水闸，一般为0.51.0m。e.底板材料：一般用C15C20砼浇筑。f.分缝：为适应不均匀沉陷和温度变形，沿顺水流方向，与闸室、岸墙、翼墙之间分缝缝距1012m，缝宽2.02.5m,在垂直水流方向，不分缝，保证稳定。g.止水：有缝的地方必须设止水（在闸基防渗范围内设止水设备，否则不设止水，铺贴沥青油毛毡。h.设排水孔：为降低护坦底部的渗透压力，应在水平护坦后设置垂直排水

21、孔（中后部），孔下铺设反滤层，孔径（510cm），间距（1.03.0），呈梅花形布置（也可呈矩形）。i.配筋：对大型护坦，按构造布置1012的纵横向钢筋，间距2530cm。确定护坦厚度：抗冲要求：当护坦不承受渗透压力，厚度可按抗冲要求估算。始端（等厚） 式中：t消力池底板始端厚；k1消力池底板计算系数，可采用0.150.20；H泄水时与单宽流量q相应的上、下游水位差m。抗浮要求：有扬压力作用时，护坦应有足够多的重力克服渗透以免顶托漂浮。抗浮 式中：hd消力池内平均水深，m；水的重度KN/m3；1消力池底板的饱和重度，KN/m3；k2消力池底板安全系数，可采用1.11.3;Py扬压力，kpa；护

22、坦厚度应采用以上二式计算的大值但不能小于0.5m。尾槛:设在消力池末端尾槛后的流速分布a.作用：雍高池内水深，稳定水跃调整槛后流速分布（将水流挑上去，使V大的在上面分布，加强水流平面扩散，以减小下游河床的冲刷）。b.高度：0.51.0mc.材料：混凝土或钢筋混凝土并与护坦连成整体（增加稳定性）。d.型式： 连续式的实体槛差动式的底槛对比：两种尾槛淹没较深，两者消能效果差不多。实体槛：雍高池中水位的作用比齿槛好，便于施工，一般采用较多。齿槛：齿槛对调整槛后水流流速分布和扩散作用均优于实体槛，但结构形式较为复杂，水头较高，q大时易行成空蚀破坏，故一般多用于低水头中小型工程。四、防冲加固措施闸流过水

23、经消力池消能后，仍有较大的余能紊动现象很剧烈，流速分布也未恢复到河渠正常状态，底部流速仍较大，具有一定的冲刷能力，会造成河床和岸坡的冲刷。因此，在消力池（ 护坦）后面仍需采取防冲加固措施，一般是设置海漫或防冲槽。（一）海漫（1）作用：消减水流剩余能量，使水流均匀扩散。调整流速分布，保护河岸防止冲刷。（2）布置：平面上：沿水流方向向两侧扩散。 水平的剖面优点：开挖量小，经济。缺点：防冲效果没有倾斜好。 剖面上：前1/3段水平（510m），后2/3段倾斜（1:81:10）：优点：防冲效果好。缺点：开挖量大，不经济。（3）构造：海漫的要求a柔性不是柔软性，是自身能适应地基的变形（地基变形后，石块可落

24、下，适应地基的变形）。b粗糙性消除水流佘能，调整水流分布，使顶部V大，底部V小。c透水性将残余地基的渗水排出，消除底面渗透压力。（因护坦处排水孔易堵塞失效，故海漫的透水性可起到辅助排水的作用。海漫的分类（按材料分）A.干砌块石海漫（常用在海漫的中后段）a.直径大于30cm的块石砌成0.6mc.下铺粗砂、碎石垫层1015cm4m/se.每隔610m设一浆砌石梗B.浆砌石海漫（用在海漫前510m范围内）a.M5M8水泥砂浆砌块石而成，块石直径大于30cmb.厚同干砌块石，0.40.6mc.内设三边砌，一边挖的排水孔，下设1015cm反滤层d.抗冲流速36m/sC.钢筋混凝土板海漫（缺少石料，下游流

25、速过大时） a.混凝土板、钢筋混凝土板，边长25m，厚0.10.3m。可预制，可现浇（尺寸大），下铺垫层。b.用错缝、斜面或城垛式块体拼铺而成c抗冲流速610m/s，造价高D.钢筋混凝土海漫讨论：a.由于海漫上的紊动余能向下游逐渐衰减，故海漫结构的强度要求也应前强后弱，通常在前段1/3左右海漫长度范围内多采用浆砌石或混凝土结构，后端多用干砌石结构。b.海漫底层应设垫层，厚1015cm，防止渗流带走基土。护坦若不设排水孔或护坦长度较小时，前段海漫下的垫层应按滤层要求设置，并在海漫上加设排水孔。（4）长度至今尚无成熟计算方法(原则上应根据消力池出口q、上下游水位差、地质条件、尾水深度、水流扩散情况

26、等)用经验公式进行估算。计算公式：式中：Lp海漫长度，m；qs消力池未端单宽流量，m3/sm；H泄水时的上、下游水位差，m；Ks海漫长度计算系数，可由下表查得。河床土质粉砂、细砂中砂、粗砂、粉质壤土粉质粘土坚硬粘土1413121110987注：公式的适应条件为计算L时，应按最不利的水位、流量组合计算。防冲最不利的情况不一定是消能控制条件。因按某一控制条件设计的消能工，在该条件下消能效果是最好的，而在其他情况下不一定能获取同样的消能效果，剩余能量就可能大增，一般说，水闸泄放最大流量是防冲设计的控制条件。（二）防冲槽在海漫的末端设（1）作用：保护海漫末端不受冲刷（2）型式：抛石型防冲槽在海漫末端加

27、板桩并打入冲刷深度以下，目的防止海漫冲刷。（3）（抛石防冲槽）构造：原理：在海漫末端预留足够的堆石，当水流冲刷河床，冲刷坑向预计的深度逐渐发展时，预留在海漫末端的堆石体将沿冲涮坑的斜坡陆续滚下，铺列在冲坑的上游斜坡上，以保护河床，使冲刷坑不向上蔓延，趋于稳定，形成防冲槽。防冲槽尺寸：根据海漫末端冲槽深度t定。防冲槽断面尺寸：为宽浅式梯形断面 槽深可取m，下游坡率m2=3上游坡率m1=23，即1：2.01:3.0，底宽b取（23）h，h为槽深。（三）上游河床防护： 上游水流流向闸室 ，由于进闸水流的平面收缩和水面跌落，水流流速增大，容易造成河床冲刷，因此对上游河床应采取防护措施。 干砌或浆砌块石

28、，下设碎石及粗砂垫层。a.护底保护河床不受冲刷长度=（35）H（堰顶水头）b.上游防冲槽：在护底前端设，厚1.0m左右。（四）上、下游岸坡的防护：（1）浆砌石、干砌石护坡：靠近翼墙的一段，然后接干砌石护坡。厚3040cm下设10cm垫层，每隔810m设混凝土或浆砌石梗一道。（2）上游护坡：长自铺盖始端向上游延伸（23）H（水头）。（3）下游护坡：长自防冲槽末端向下游延伸（46）m。【步骤4】案例讲解教学地点教师任务学生任务教学条件时间（分钟）多媒体教室（1）通过案例讲解使学生掌握绘制取水闸下游干渠的水位流量关系曲线；（2）通过案例讲解使学生掌握选择闸室结构型式的方法；（3）通过案例讲解使学生掌握选择堰型方法，掌握确定闸底板高程的方法；（4）通过案