水工建筑物课件 第九章 水闸1-2节

第十章土基上的水闸

(Sluiceonearthfoundation)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。

江都水利枢纽工程江都抽水站之太平闸第一节 概述一、水闸的概念、作用及类型作用：水闸是一种既挡水又泄水的低水头工建筑物,通常建造在土基上,也称活动坝。水闸：是调节水位、控制流量的低水头水工建筑物，主要依靠闸门控制水流，具有挡水和泄（引）水的双重功能，在防洪、治涝、灌溉、供水、航运、发电等方面应用十分广泛。低水头水工建筑物：一般指水头不超过30m的水工建筑物，主要有水闸、低坝、橡胶坝、船闸等，多数建在软基上，也有建在岩基上的。类型：(1)按其所担负的任务分：分洪闸节制闸进水闸排水闸挡潮闸冲沙闸把天然河道容纳不下的洪水泄入沿岸的分洪、滞洪区.横跨干河、支渠修建，控制水位.在江河沿岸兴建，从主河道中取水引流到支流（渠）中.在河道一侧兴建，排除江河两岸低洼地区积水，保护农田.建于河流入海河口上游地段，防止海潮倒灌.静水通航，动水冲沙，减少含沙量，防止淤积.(2)按闸室结构型式分：开敞式、胸墙式、涵闸式（有压、无压）、浮体式(3)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(自动翻板门)二、水闸的组成及其功用.1.组成（引导水流平顺进入闸室）(调节水位和流量)（消能、防冲）③下游连接段作用:消能，保护下游河床及两岸免受冲刷;

组成:消力池、护坦、海漫、下游防冲槽、翼墙、下游护坡②上游连接段作用:1.使水流正向、均匀、平稳地进入闸室;2.保护上游河床及两岸，使岸坡免于冲刷并具有防渗作用;

组成:上游防冲槽、护底、铺盖、两岸护坡、翼墙①闸室--底板、闸墩、闸门、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）三、水闸的特点*水闸的传力过程 闸门→闸墩→底板→地基（承受水压力)（承受上部结构重量）(较均匀地传给）

与溢流重力坝相比有如下一些特点:1.水流特点关闭闸门：

水位差产生较大水平水压力→滑动；水位差产生渗透压力→不利于水闸及两岸建筑物的稳定；绕岸渗流→不利于翼墙稳定。开闸泄水：水位差→流速大→对下游河床、岸坡冲刷，并易产生渗透变形；水位变幅较大→随着闸门开度增大，下泄量和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；闸门全开时→佛氏数(Froude)低(小于4.5)，消能效果差；佛氏数在1.0～1.7→易形成波状水跃闸门开启顺序不合理、泄流不对称或有某些干扰时→产生折冲水流2.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，避免出现危害性冲刷;四、水闸设计内容闸址选择总体布置水力设计：闸孔型式和尺寸确定√

消能防冲设计√

闸门控制运用方式的拟定防渗和排水设计√⊿水闸结构设计：闸室稳定计算√

岸、翼墙稳定计算结构静动力分析√地基处理及处理设计观测设计第二节水闸的上部轮廓尺寸及消能防冲布置

一、上部轮廓尺寸

轮廓尺寸主要包括：闸孔型式

闸底板高程

孔口尺寸1.闸孔型式常见的闸孔型式有：

宽顶堰型（平底板孔口型）低实用堰型（梯形堰、曲线型堰、驼峰堰）胸墙式孔口闸孔型式宽顶堰(2.5H<堰顶厚度δ<4H或无坎)优点:结构简单，施工方便;泄流能力比较稳定，有利于泄洪、冲砂、排污、排冰、通航等。缺点:自由泄流时，流量系数m较小，易产生波状水跃。适用场合:常用于平原地区，实用堰(0.67H<堰顶厚度δ<2.5H)，优点:自由泄流时流量系数m较宽顶堰大，可减小闸孔总宽度；

由于堰的高度使闸门高度减少；堰可拦截泥沙流下游；

选用适合的堰面曲线可消除波状水跃；缺点:流量Q受下游水位影响较大；

施工较宽顶堰复杂；

不能通航；适用场合:常用于上游水位允许有较大雍高的山区。胸墙式:

属于宽顶堰类型，适用于上游水位变幅较大，高水位时可用胸墙挡水，以代替部分闸门高度及工作桥高度，增加闸室刚度；但不利于排冰排污和通航。

2.闸底板高程的确定要求:a.应满足泄流能力的要求;b.过闸单宽流量应适应地质条件，

c.要分析施工开挖的可能性以及造价的经济性。在地基强度满足要求的条件下，考虑:(1)运用条件：底板高程↓→q↑，底板上水深↑→闸室总宽度↓(2)经济性：底板高程↓→q↑，底板上水深↑→闸室总宽度↓，但增大闸身和两岸结构高度，消能防冲费用↑。(3)地质条件：避免复杂地基处理；抗冲刷能力强。一般情况下

节制闸与河底齐平或略高；

分洪闸略高于河底，但应满足最低分洪水位时的泄量要求;

排涝闸尽可能低，满足排涝排碱要求;

进水闸

由最低取水位引水流量定，同时考虑拦砂防淤。二、闸孔尺寸及闸室总宽度⒈确定设计流量Q和上、下游设计水位⒉确定孔口型式⒊确定底板高程⒋计算闸孔净宽B及闸室总宽L（开敞式）规范中介绍了平底闸闸孔自由堰流、淹没式堰流、孔流的计算公式。闸孔数n=B/b，如果运用上无特殊要求，一般b=8~12m，常用10m，最大可达30m.n<8时一般取奇数。孔数少，对水流条件有利，墩数少，总宽度小，但闸门跨度大，应选择适中的方案。溢流前缘总宽L=nb+d，d为闸墩厚度。⒌验算泄流能力。三、

水闸的消能防冲与防护（一）、闸下泄流的特点和闸下冲刷的原因⒈闸下泄流的特点

a.闸下水流具有剩余能量开始泄流时下游无水或水位很低，各种不同泄量和相应的下游水位情况下，难以保证都发生完全水跃，因而水流还有没有消耗的能量;b.Fr较小，易产生波状水跃；

c.进口流态不对称时会产生折冲水流。

⒉闸下冲刷的原因

a.q大，而土壤的抗冲刷能力低；

设计不合理洪水估计不准不对称进流折冲水流

b.消能工设计不合理印度萨尔达水闸，水跃发生在海漫上，冲刷淘空，致使水闸全部冲垮

c.管理不当(要求逐级开启，均匀开启)

泰仓某闸23孔，1961年春节开三孔放网捕鱼，下游冲坑5m，投石2万多元加固。三河闸1954年，10800m3/sec均匀开启未冲刷破坏;1956年，7400m3/sec因部分孔油漆维修，不均匀开启，冲坑3～4m。

南通港闸，因管理人员怕麻烦，不按规程开启闸门，造成下游冲刷坑深达13m。控制单宽流量；方向与原河床主流方向一致；合理选择下游翼墙的扩散,以利于水流扩散；消能防冲设计合理的闸门开启程序3采取的措施（二）.消能工设计改善水流与固体边界的接触条件，防护加固下游河床。消能防冲设施必须在各种可能出现的水力条件下，都能满足消散动能与均匀扩散水流的要求，且应与下游河道有良好的衔接。

1.消能方式：我国已建的大、中型水闸，多数建在平原、滨海地区，大多为软基，承受的水头不高，下游水深变幅大，无法采用挑流消能，也难以产生面流式水跃，宜采用底流式水跃消能。其主要设备就是消力池。作用是使水流形成水跃，避免地基遭冲刷。2.计算消力池深度、长度及消力池底板的厚度（a）消力池深度：按水跃动量平衡方程求解当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0.51.0m(b)消力池的长度：用经验公式计算：式中Lsj为消力池长度；

Ls为斜坡段的水平投影；β

为水跃长度校正系数，一般取0.7~0.8；Lj为水跃长度，新规范中推荐采用欧勒佛托斯基公式计算：

(c).消力池护坦厚度可根据抗冲和抗浮要求，分别按规范中公式计算，取其最大值，且不小于0.5m：

抗冲：

抗浮：

3.布置下挖式消力池、突槛式消力池和综合式消力池是底流式消能的三种主要形式。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。

1：4~1：54.辅助消能工

a.作用：①加大水流阻力，给水流以很大的反力，达到加强消能减小消力池开挖深度的效果；②加强水流紊动和撞击，增加消能效果；③促进水流扩散，调整水流分布稳定水跃，缩短水跃长度；

b.类型 消力墩、池首坎、齿坎、消力梁、散流墩等。5.波状水跃的防止

a.将底板延长预留平台，平台末端设置一道小槛，使水流越槛入池，促成底流水跃。

b.当Fr较低时，小槛对泄流能力有影响，可将小槛改为齿形槛、分水墩或分水槛。6.折冲水流的防止a.从平面布置入手，使下泄水流与原河床主流位置一致;b.制订合理的闸门开启程序，先开中间闸孔，后开两侧闸孔;c.控制下游翼墙扩散角，促使出闸水流扩散，扩散度1:6～1:4;d.在消力池前端采用散流墩，对防止折冲水流效果显著;7.海漫--紧接护坦作用:进一步消除余能，使水流均匀扩散，调整流速分布，使其达到河道天然流速分布状态；要求:坚固抗冲、有一定柔性、表面粗糙能消除余能、透水；材料:浆砌石、干砌石；厚30-50cm

长度:按南科院提出的经验公式计算。

1～9

当消能扩散良好时，用下式计算海漫长度(m)海漫长度计算系数

qs

消力池末端单宽流量(m2/s)河床土质粉砂、细砂中砂、粗砂、粉质壤土粉质粘土坚硬粘土

Ks14～1312～

1110～

98～

78.防冲槽—末端加固设计海漫虽以出口水流不冲河床作为设计条件，但实际上海漫末端受冲刷是屡见不鲜的。为限制冲刷扩展，保护海漫安全，设计要求不论海漫降到或未降到可能冲刷深度，均需设防冲