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.180,3,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

2、作用：水闸是一种既挡水又泄水的低水头水工建筑物,通常建造在土基上,也称活动坝。,PP.180,6,PP.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 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 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),8,9,10,11,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、闸门(胸墙)、工作桥、交通桥 闸门（承受水压力)闸墩（承

3、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.181,12,13,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，下泄量和下游水位也相应变化，从无到有、从

4、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;,16,17,2.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;

5、,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.181,19,(二)闸孔形式 宽顶堰孔口、低堰孔口、胸墙孔口,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。,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。,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；不利于排冰排污和通航

6、。,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,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：,22,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b=3m。 当n8时尽量取

7、单数，以便对称开启。 闸室总宽L=n b+(n-1)d，d为闸墩厚度。,3.闸室总宽度：,PP.183,23,二、水闸的消能防冲,(一) 过闸水流的特点,平原上的水闸上下游水位多变，出闸水流形式多变； 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； 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.184,24,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 下泄水流角，以利于水流扩散； 消能防冲设计 合理的闸门开启程序,(二) 采取的措施,25,(三) 消能防冲设施 消能防冲设施

8、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。,26,1.消力池：使水流形成水跃，避免地基遭冲刷 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能的

9、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。,27,28,消力池的长度可用以下经验公式计算：,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：,消力池的深度,29,(2).辅助消能工 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 类型：消力墩，消力梁，散流墩等 (3) 护坦构造 材料：混凝土 、钢筋混凝土 厚度：一般为0.51.0m；

10、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.186,30,2. 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； 材料：浆砌石、干砌石；,PP.187,31,(2) 防冲槽 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。,32,3.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3050cm，底部一

11、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.188,33,第三节 闸基的防渗排水 ,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.189,34,35,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 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与地

12、基的接触线。,一、地下轮廓的拟定,PP.189,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。,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 ,37,38,(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；,39,40,41,粘性土地基： 有粘着力，不易产生管涌，但底板与

13、土壤间摩擦系数小，不利于闸室稳定。,(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。 (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。,(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。,43,44,二、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

14、基上闸基渗透压力的基本方法。复杂土基上重要水闸，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.191,45,46,(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.192,47,(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

15、损失之和等于上下游水头差。,48,1.基本原理,图示为一矩形渗流区域。根据达西定律，通过该区域的单宽渗流量为：,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：,PP.193,根据渗流连续性原理，各流段的单宽渗流量相等，因此：,闸基渗流的总水头损失应为各段水头损失的之和，即：,50,51,2.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。,L0为地下轮廓的水平投影长度；s0为铅直投影长度,PP.193,5

16、2,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，绘制渗透压力分布图,(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,54,(5) 齿墙不规则部位的修正,55,(6) 抗渗稳定性验算 ,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。 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。 出口段的平均出逸坡降：,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：

17、(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。,57,58,(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.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。,59,60,2.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.196,61,3.复合土工膜防渗 （K10-11cm/s

18、） () 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、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

19、加闸室稳定性,PP.196,63,(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.197,64,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、分离式,PP.198,整体式：闸墩和底板浇筑成整体 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。,65,PP.199,2.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。,(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

20、等。经验值: (1.52.5)H1 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0.150.2m，宽0.20.3m,67,68,三、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,69,PP.199,常用结构形式： 板式 板梁式,支承方式

21、： 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.200,71,72,五、缝和止水,防止闸室因地基不均匀沉降及温度变化而产生裂缝。 伸缩缝：缝距1520m，缝宽14mm 沉降缝：缝距1525m，缝宽22.5cm,PP.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。,73,74,75,(一)荷载

22、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.202,76,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,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.205,式中：B、L 分别为计算段闸底板宽度和顺水流方向长度。,(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： 桩基础：支承桩和摩擦桩 振冲砂（碎石）桩：,四、地基处理,PP.206,81,第六节 闸室的结构计算 一、闸墩二、底板,1.倒置梁法： 2.反力直