水利工程之水闸设计讲义

水闸闸概述述水闸闸的的类类型型水闸闸的的组组成成及及构构造造水闸闸的的孔孔口口尺尺寸寸闸室室的的安安全全和和地地基基处处理理消能能防防冲冲闸下下防防渗渗与与闸闸室室结结构构两岸岸连连接接建建筑筑物物其他他闸闸坝坝建建筑筑物物概述所谓水闸闸，就是是修建在在河道、、渠道或或湖、海海口，利利用闸门门控制流流量和调调节水位位的水工工建筑物物。中国修建建水闸的的历史悠悠久。公公元前598～前591年,楚令尹孙孙叔敖在在今安徽徽省寿县县建芍陂灌区时,即设五个个闸门引引水。以以后随建建闸技术术的提高高和建筑筑材料新新品种的的出现，，水闸建建设也日日益增多多。1949年后大规规模现代代化水闸闸的建设设,在中国普普遍兴起起,并积累了了丰富的的经验。。水闸是调调节水位位、控制制流量的的低水头头水工建建筑物，，主要依依靠闸门门控制水水流，具具有挡水水和泄（（引）水水的双重重功能，，关闭闸闸门，可可以拦洪洪、挡潮潮、抬高高水位，，以满足足上游取取水或通通航的需需要；开开启闸门门，可以以泄洪、、排涝、、冲沙、、取水或或根据下下游用水水需要调调节流量量。水闸多建建在平原原地区，，其功能能是兼顾顾防洪、、取水、、排水、、航运和和发电，，是综合合水利工工程。水闸的类类型1.按水闸所所承担的的任务分分类:节制闸、、进水闸闸、分洪洪闸、排排水闸、、挡潮闸闸、排沙沙闸、排排冰闸、、排污闸闸等。如如图节制闸（（或拦河河闸）：：拦河或或在渠道道上建造造。枯水水期用以以拦截河河道，抬抬高水位位，以利利上游取取水或航航运要求求；洪水水期则开开闸泄洪洪，控制制下泄流流量。位位于河道道上的节节制闸称称为拦河河闸。进水闸：：建在河河道、水水库或湖湖泊的岸岸边，用用来控制制引水流流量，以以满足灌灌溉、发发电或供供水的需需要。进进水闸又又称取水水闸或渠渠首闸。。分洪闸：：常建于于河道的的一侧，，用来将将超过下下游河道道安全泄泄量的洪洪水泄入入预定的的湖泊、、洼地，，及时削削减洪峰峰，保证证下游河河道的安安全。排水闸：：常建于于江河沿沿岸，外外河水位位上涨时时关闸以以防外水水倒灌，，外河水水位下降降时开闸闸排水，，排除两两岸低洼洼地区的的涝渍。。该闸具具有双向向挡水，，有时双双向过流流的特点点。挡潮闸：：建在入入海河口口附近，，涨潮时时关闸不不使海水水沿河上上溯，退退潮时开开闸泄水水。挡潮潮闸具有有双向挡挡水的特特点。排沙闸、、排冰闸闸、排污污闸：为为排除泥泥沙、冰冰块、漂漂浮物等等而设置置的。2.按闸室结结构形式式分类开敞式水水闸：闸闸室上面面不填土土封闭的的水闸。。一般有有泄洪、、排水、、过木等等要求时时，多采采用不带带胸墙的的开敞式式水闸，，多用于于拦河闸闸、排冰冰闸等；；当上游游水位变变幅大，，而下泄泄流量又又有限制制时，为为避免闸闸门过高高，常采采用带胸胸墙的开开敞式水水闸，如如进水闸闸、排水水闸、挡挡潮闸多多用这种种形式。。涵洞式水水闸：闸闸（洞））身上面面填土封封闭的水水闸，又又称封闭闭式水闸闸。涵洞洞式水闸闸常用于于穿堤取取水或排排水的水水闸。洞洞内水流流可以是是有压的的或者是是无压的的。水闸的组组成及构构造水闸的主主体是闸闸室。此此外，闸闸室上，，下游都都需要有有连接段段与河道道连接。。如图1—闸室底板板2—闸墩3—胸墙4—闸门5—工作桥6—交通桥7—堤顶8—上游翼墙墙9—下游翼墙墙10—护坦11—排水孔12—消力坎13—海漫14—下游防冲冲槽15—上游防冲冲槽16—上游护底底17—上、下游游护坡。。1.上游联接接段：主要作用用是引导导水流平平稳地进进入闸室室，同时时起防冲冲、防渗渗、挡土土等作用用。一般般包括上上游翼墙墙、铺盖盖、护底底、两岸岸护坡及及上游防防冲槽等等。上游游翼墙的的作用是是引导水水流平顺顺地进入入闸孔并并起侧向向防渗作作用。铺铺盖主要要起防渗渗作用，，其表面面应满足足抗冲要要求。护护坡、护护底和上上游防冲冲槽（齿齿墙）是是保护两两岸土质质、河床床及铺盖盖头部不不受冲刷刷。2.闸室段：：是水闸的的主体部部分，通通常包括括底板、、闸墩墩、闸门门、胸墙墙、工工作桥及及交通桥桥等。底底板是闸闸室的基基础，承承受闸室室全部荷荷载，并并较均匀匀地传给给地基，，此外，，还有有防冲、、防渗等等作用。。闸墩的的作用是是分隔闸闸孔并支支承闸门门、工作作桥等上上部结构构。闸门门的作用用是挡水水和控制制下泄水水流。工工作桥供供安置启启闭机和和工作人人员操作作之用。。交通桥桥的作用用是连接接两岸交交通。3.下游联接接段：具有消能能和扩散散水流的的作用。。一般包包括护坦坦、海漫漫、下游游防冲槽槽、下游游翼墙及及护坡等等。下游游翼墙引引导水流流均匀扩扩散兼有有防冲及及侧向防防渗等作作用。护护坦具有有消能防防冲作用用。海漫漫的作用用是进一一步消除除护坦出出流的剩剩余动能能、扩散散水流、、调整流流速分布布、防止止河床受受冲。下下游防冲冲槽是海海漫末端端的防护护设施，，避免冲冲刷向上上游扩展展。水闸的孔孔口尺寸寸1.概述：水水闸的孔孔口尺寸寸主要是是指确定定水闸在在垂直水水流方向向的孔口口宽度，，包括单单孔净宽宽b、孔口数数量n闸墩厚度度b`。水闸的的过流前前缘总宽宽度B`=nb+（n-1）b`，孔口过过流净宽宽度B=nb。水闸孔孔口尺寸寸的大小小应该满满足其承承担的任任务。即即，水闸闸应该有有足够的的过流能能力。为为了减少少工程量量，在满满足工程程任务的的前提下下，水闸闸总是尽尽可能减减少垂直直水流方方向的闸闸室宽度度。2.水闸孔口口设计的的主要内内容确定闸孔孔型式拟定闸底底板高程程（即堰堰顶高程程）计算孔口口尺寸及及溢流前前沿总宽宽泄流能力力验算①.水闸的闸闸孔型式式（开敞敞式）根据水流流流态分分:堰流式,孔流式图9-5堰流式闸闸孔图图9-6孔流式闸闸孔②根据结结构型式式分（1）宽顶堰堰：2.5H<堰顶厚度度δ<4H或无坎，，常用于于平原地地区，自自由泄流流范围大大且稳定定；施工工简单；；流量系系数m较小，易易产生波波状水跃跃。（2）实用堰堰：0.67H<堰顶厚度度δ<2.5H，常用于于上游水水位允许许有较大大雍高的的山区，，自由泄泄流时流流量系数数m较大，流流量Q受下游水水位影响响较大。。（3）胸墙式式：用于于上游水水位变幅幅较大时时；可减减小闸门门及工作作桥高度度，增加加闸室刚刚度；不不利于排排冰排污污和通航航。闸室的安安全和地地基处理理闸室安全全问题包包括沿闸闸底板平平面的抗抗滑稳定定、地基基承载里里和不均均匀沉降降。水闸基础础分为粘粘性土和和砂性土土。砂性性土地基基的承载载力和抗抗摩擦习习俗一般般能满足足要求，，地基处处理的重重点是解解决闸下下防渗问问题。粘粘性土地地基，包包括淤泥泥、软粘粘土，地地基处理理的重点点是加速速固结，，提高承承载力和和抗摩擦擦系数。。软土地基基有以下下的几种种处理方方法：换土垫层层强夯法沉井法预压加固固振冲桩法法桩基础高压旋喷喷灌浆法法消能防冲冲水闸泄水水时，部部分势能能转为动动能，流流速增大大，具有有较强的的冲刷能能力，而而土质河河床一般般抗冲能能力较低低。因此此，为了了保证水水闸的安安全运行行，必须须采取适适当的消消能防冲冲措施。。要设计计好水闸闸的消能能防冲措措施，应应先了解解过闸水水流的特特点，进进而采取取妥善的的防范措措施。水闸开闸闸泄水时时，下游游河道都都会被冲冲刷，其其原因很很多：1.过闸水流流经过闸闸孔被缩缩窄，水水流流速速增大，，加大了了冲刷的的条件。。2.水闸流量量比较集集中，单单宽流量量加大，，在上下下游有较较大水差差的情况况下，过过闸水流流有较大大的功能能，加大大了河道道冲刷。。3.平原河道道的河床床土质较较差，容容易被水水流冲刷刷。4.水闸设计计总体平平面布置置不合理理或闸门门操作控控制不当当引起水水流有害害的冲刷刷。水流的主主要特征征有波状状水流和和折冲水水流，其其对河道道冲刷严严重。防冲要求求要选择合合理的消消能防冲冲措施，，并与下下游河道道有良好好的衔接接，满足足在各种种水力情情况下消消散动能能与均匀匀扩散水水流的要要求。合理布置置水闸总总体平面面，以利利于水流流扩散，，避免或或减轻回回流的影影响。制定合理理的闸门门操作调调度制度度，杜绝绝人为不不当操作作。水闸的消消能防冲冲措施包包括：选选择合适适的过闸闸单宽流流量；选选择合理理的消能能方式及及措施，，采取必必要的防防冲措施施。水闸闸的消能能防冲措措施主要要由建在在闸室下下游的消消力池、、辅助消消能工、、海漫、、防冲漕漕及下游游翼墙组组成。1.水闸的消消能方式式：底流流消能是是一种通通过在闸闸下产生生一定淹淹没度的的水跃来来保护河河床免遭遭冲刷的的消能方方式。2.消力池：：消力池池的作用用是增加加下游水水深，保保证水流流形成淹淹没式水水跃，以以达到消消能的目目的。3.辅助消能能工：除除设消力力池外，，在消力力池中还还可设消消力齿、、消力墩墩等辅助助消能工工。4.海漫紧紧接消消力池后后，应设设海漫护护底，并并进一步步消减余余能，使使水流均均匀扩散散，调整整流速分分布，保保护河床床免受冲冲刷。5.防冲漕及及防冲墙墙：为了了保护河河漫，防防止冲刷刷向上游游扩张，，常在海海漫末端端设置防防冲漕或或是防冲冲墙加固固。6.护底与护护坡：在在上下游游连接段段多采用用砌石护护底、护护坡。7.波状水跃跃、折冲冲水跃水水流的防防治措施施。8.闸门控制制调度方方案：设设计工程程师设计计水闸，，要根据据水力设设计调试试结果或或水工模模型试验验成果，，制定闸闸门方式式，规定定闸门的的启闭顺顺序和开开度，严严格操作作。闸下防渗渗与闸室室结构水闸的防防渗排水水设施。。水闸的的防渗设设施主要要是指在在水闸中中起到防防渗作用用的水平平防渗体体（如铺铺盖）、、垂直防防渗体（（如板桩桩、防渗渗墙和齿齿墙）等等，排水水设施主主要是指指铺设在在下游护护坦、浆浆砌石海海漫底部部或闸室室板下游游段起导导渗（反反滤、排排水）作作用的沙沙砾石层层。防渗排水设施施的布置形式式，都是以承承受单向水流流的水闸来进进行布置的。。对于平原地地区的排水闸闸及海边的挡挡潮闸，一般般是双向过水水的水闸，应应以水位差较较大的一向为为主进行双向向防渗排水设设施。水闸的防渗设设施有：1.水平铺盖：铺铺盖是工程中中最常见的水水平防渗设施施，一般是平平铺布置在紧紧靠闸室上游游的河床上，，它不能阻止止渗流在闸基基下通过，但但它可以延长长渗径，用以以降低渗透压压力和渗流坡坡降，同时具具有防冲作用用。2.板桩：板桩是是垂直防渗的的措施之一，，一般设置在在闸底板的上上游端，将板板桩并排打入入闸基形成一一道防渗墙，，在垂直方向向延长渗径。。垂直防渗的的效果比水平平防渗效果好好。3.地下防渗墙：：是一种不用用模板在地下下建造的防渗渗墙，具有截截水、防渗、、承重和挡土土的多种作用用，其优点是是整体性好，，防渗效果好好、适用各种种地质条件、、对沉降及变变位易于控制制，缺点是挖挖槽的废泥浆浆污染环境，，可能引起槽槽壁坍塌、造造价高。4.齿墙：齿墙一一般设置在闸闸室底板的上上、下游端，，齿墙深度一一般为0.5~2.0m。上游齿墙的的作用是降低低在闸底板上上的渗透压力力，下游端齿齿墙是减少出出逸坡降，有有助于防止地地基土产生渗渗透变形。5.垂直土工膜：：是一种垂直直防渗的设施施之一。闸室是水闸的的主体部分。。开敞式水闸闸闸室由底板板、闸墩、闸闸门、工作桥桥和交通桥等等组成，有的的还设有胸墙墙。闸室的结结构形式、布布置和构造，，应在保证稳稳定的前提下下，尽量做到到轻型化、整整体性好、刚刚性大、布置置匀称，并进进行合理的分分缝分块，使使作用在地基基单位面积上上的荷载较小小，较均匀，，并能适应地地基可能的沉沉降变形。两岸连接建筑筑物水闸的岸墙和和翼墙通常称称为两岸连接接建筑物。当当水闸与河岸岸或土坝等连连接时，需