水工建筑物之水闸设计全解

第四章水闸第一节概述第二节水闸的孔口尺寸确定第三节水闸的消能防冲设计第四节水闸的防渗排水设计第五节闸室的布置与构造第六节闸室稳定验算及地基处理第七节闸室结构计算第八节两岸连接建筑物第九节闸门与启闭机第一节概述一、水闸的类型（一）按水闸所承担的任务分类（1）进水闸。建在河道、水库、湖泊的岸边及渠道的首部，用于引水并控制引水流量，以满足灌溉、发电或供水需求。（2）节制闸。在河道上或渠道上建造，枯水期用以抬高水位满足上游取水或航运的需要；洪水期控制下泄流量，保证下游河道安全。（3）冲沙闸。主要建在多泥沙河道上，用于排除进水闸、节制闸前或渠道淤积的泥沙，减少引水水流的含沙量。（4）分洪闸。建于天然河道的一侧。用来将超过下游河道安全泄量的洪水泄入湖泊、洼地等滞洪区，以削减洪峰保证下游河道安全。（5）排水闸。常建于江、河沿岸或排水渠道末端，用以排除两岸低洼地区的涝渍水及防止江河洪水倒灌。具有双向挡水的特点。（6）挡潮闸。建在入海河口附近，涨潮时关闸防止海水倒灌，退潮时开闸泄水。具有双向挡水的特点。（二）按闸室结构型式分类（1）开敞式水闸。开敞式水闸闸室是露天的，可分为无胸墙和有胸墙两种型式。（2）涵洞式水闸。水闸修建在河、渠堤之下时，便成为涵洞式水闸。根据水力条件的不同，可分为有压式和无压式两类。（三）按过闸流量大小分类大（1）型水闸。过闸流量大于5000m³/s。大（2）型水闸。过闸流量1000~5000m³/s。中型水闸。过闸流量为1000~100m³/s。小（1）型水闸。过闸流量为20~100m³/s。小（2）型水闸。过闸流量小于20m³/s。二、水闸的工作特点和设计要求水闸的地基可以是岩基或土基，且多修建在土质地基上。因而它在抗滑稳定、防渗、消能防冲及沉陷等方面具有以下工作特点和设计要求。（1）土基的沉陷问题。（2）过闸水流具有较大动能。（3）土基的抗滑稳定性差。（4）渗流易使闸下产生渗透变形。三、水闸的组成水闸一般由上游连接段、闸室段和下游连接段三部分组成。（1）闸室段。闸室段是水闸的主体，有控制水流和连接两岸的作用。包括底板、闸墩、闸门、胸墙、工作桥及交通桥和启闭机房等。（2）上游连接段。主要作用是引导水流平顺、均匀地进入闸室，保护上游河床及两岸免于冲刷，并有防渗作用。一般包括上游翼墙、铺盖、护底、两岸护坡及上游防冲槽等。（3）下游连接段。主要作用是将下泄水流平顺引入下游河道，有消能防冲及防止发生渗透破坏的功能。一般包括护坦、海漫、下游防冲槽、下游翼墙及护坡等。四、水闸的等级划分和洪水标准见书中表格。第二节水闸的孔口尺寸确定一、底板型式选择闸底板型式有宽顶堰和低实用堰两种。（1）平底板宽顶堰具有结构简单、施工方便、有利于排沙冲淤、泄流能力比较稳定等优点；其缺点是自由泄流时流量系数小，闸后比较容易产生波状水跃。（2）低实用堰有WES低堰、梯形堰和驼峰堰等型式，其优点是自由泄流时流量系数较大，可缩短闸孔宽度和减小闸门高度，并能拦截泥沙入渠；缺点是泄流能力受下游水位变化的影响显著，当淹没度增加时，泄流能力急剧下降。二、闸底板高程的选定一般情况下，节制闸、泄洪闸、进水闸或冲沙闸的闸底板高程宜与河（渠）底齐平，以便多泄（引）水，多冲沙；多泥沙河流上的进水闸、分水闸及分洪闸，在满足引水、分水或泄水的条件下，闸底板高程可比河（渠）底略高些；排水闸（排涝闸）、泄水闸或挡潮闸，闸底板高程应尽量定得低些。三、过闸单宽流量的确定应综合考虑下游河床或渠道的地质条件、水闸上下游水位差、下游尾水深度、闸室总宽度与河道宽度的比值、闸的结构构造特点和下游消能防冲设施等因素来确定。四、闸孔宽度的确定根据已确定的过闸流量、上下游水位、底板高程、闸孔型式和堰型，即可用水力学公式计算水闸的闸孔尺寸。（一）闸孔总净宽度的确定（二）单孔净宽与闸孔数目的确定（三）闸室总宽度的确定第三节水闸的消能防冲设计一、过闸水流的特点（1）水闸初始泄流时，闸下水深较浅，随着闸门开度的增加水深逐渐加深，出闸水流从孔流到堰流，从自由出流到淹没出流都会发生。（2）当水闸的上下游水位差较小时，闸下易产生波状水跃。（3）过闸水流都是先收缩后扩散，若设计不当或管理不善，下泄水流不能均匀扩散，主流集中，形成折冲水流。二、消能能防冲设设计的水水力条件件（一）闸闸下水流流的消能能方式平原地区区的水闸闸，水头头低，下下游河床床抗冲能能力差，，且承受受水头不不高，宜宜采用底底流式消消能。当当水闸承承受较高高水头，，且闸下下河床及及岸坡为为坚硬岩岩体时，，可采用用挑流消消能。当当水闸闸闸下尾水水深度较较大，且且变化较较小，河河床及岸岸坡抗冲冲能力较较强时，，可采用用面流消消能。在在挟有较较大砾石石的多泥泥沙河流流上，不不宜设消消力池，，可采用用抗冲耐耐磨的斜斜坡护坦坦与下游游河道连连接，末末端应设设防冲墙墙。（二）消消能防冲冲的水力力条件选选择不同类型型的水闸闸，其泄泄流特点点各不相相同，因因而控制制消能设设计的水水力条件件也不尽尽相同。。拦河节制制闸宜以以在保持持闸上最最高蓄水水位的情情况下，，以排泄泄上游多多余来水水量为控控制消能能设计的的水力条条件；当当闸的下下游河道道已渠化化时，应应考虑下下一级的的蓄水位位对闸下下水位的的影响。。分洪闸闸宜以闸闸门全开开，以通通过最大大分洪流流量为控控制消能能设计的的水力条条件。排排水闸（（排涝闸闸）宜以以冬、春春蓄水期期排涝流流量为控控制消能能设计的的水力条条件。三、底流流式消能能设计在我国，，水闸多多修建在在平原地地区的土土基上，，因此底底流式消消能是主主要消能能型式。。底流式式消能的的作用是是增加下下游水深深，以保保证产生生淹没式式水跃，，防止土土基冲刷刷破坏，，保证闸闸室安全全。底流流式消能能防冲设设施由消力池、海漫、防冲槽等部分组组成。（一）消消力池1、消力池池型式的的选用2、消力池池的尺寸寸确定3、消力池池的构造造（二）辅辅助消能能工消力池内内除设置置尾槛外外，也常常设置消消力墩、、消力齿齿等辅助助消能工工，其目目的是使使水流受受阻，促促使水流流撞击，，形成涡涡流，加加强紊动动扩散，，稳定水水跃，减减小消力力池尺寸寸，提高高消能效效果，节节省工程程量。（三）海海漫1、海漫长长度计算算2、海漫的的布置及及构造海漫在构造上要要求有：①一定定的粗糙度，以以利进一步消除除余能；②有一一定的透水性，，以降低扬压力力；③有一定的的柔性，以适应应河床的变形。。（四）防冲槽水流经过海漫后后，多余能量得得到进一步消除除，但海漫末端端处仍有冲刷现现象。为保护海海漫，常在海漫漫末端设置防冲冲槽。四、波状水跃及及折冲水流的防防止措施（一）波状水跃跃的防止措施（二）折冲水流流的防止措施五、上游河床和和上下游岸坡的的防护第四节水闸的的防渗排水设计计水闸防渗排水设设计的一般步骤骤：①根据水闸闸作用水头的大大小、地基地质质条件和下游排排水情况，初步步拟定地下轮廓廓线；②进行渗渗流分析，计算算闸底板渗透压压力，并验算地地基土的渗透稳稳定性；③若抗抗滑稳定和渗透透稳定均满足要要求，即可采用用初拟的地下轮轮廓线，否则，，应重新修改地地下轮廓线。一、闸闸基防防渗长长度及及地下下轮廓廓线布布置（一））闸基基防渗渗长度度的确确定在上下下游水水位差差的作作用下下，上上游水水从河河床入入渗，，绕过过上游游铺盖盖、板板桩、、闸底底板经经过反反滤层层由排排水孔孔排至至下游游。其其中铺铺盖、、板桩桩和闸闸底板板等不不透水水部分分与地地基的的接触触线，，即闸闸基渗渗流的的第一一根流流线，，称为为地下下轮廓廓线。。其长长度即即为闸闸基防防渗长长度（（又称称为渗渗径长长度））。（二））闸基基防渗渗排水水布置置闸基防防渗排排水布布置，，即进进行地地下轮轮廓线线布置置，主主要是是进行行闸基基防渗渗排水水轮廓廓线形形状及及尺寸寸的确确定。。（1）布置置原则则，““高防防低排排”。。（2）布置置方式式1）黏性性土地地基。。2）砂性性土地地基。。3）地震震区的的均匀匀粉砂砂、细细砂地地基。。二、闸闸基渗渗流计计算（一））全截截面直直线分分布法法（二））改进进阻力力系数数法（三））直线线比例例法（（渗径径系数数法））三、防防渗排排水设设施（一））铺盖盖（二））板桩桩（三））齿墙墙及混混凝土土防渗渗墙（四））水泥泥砂浆浆帷幕幕、高高压喷喷射灌灌浆帷帷幕及及垂直直防渗渗土工工膜（五））排水水设施施四、水水闸的的侧向向绕渗渗第五节节闸闸室的的布置置与构构造一、底底板（一））整体体式底底板当闸墩墩与底底板浇浇筑或或砌筑筑成整整体时时，称称为整整体式式底板板。整整个底底板是是闸室室的基基础，，起着着承受受荷载载、传传递荷荷载、、防冲冲和防防渗的的作用用。（二））分离离式底底板在闸墩墩附近近设缝缝，将将闸室室底板板与闸闸墩断断开的的，称称为分分离式式底板板。缝缝中设设止水水。其其闸室室上部部结构构的重重量将将直接接由闸闸墩或或连同同部分分底板板传给给地基基。（三））底板板尺寸寸及要要求二、闸闸墩与与胸墙墙（一））闸墩墩闸墩的的作用用是分分隔闸闸孔，，并支支撑闸闸门、、工作作桥等等上部部结构构。闸闸墩的的外形形轮廓廓应满满足过过闸水水流平平顺、、侧向向收缩缩小、、过流流能力力大的的要求求。上上游墩墩头可可采用用半圆圆形或或尖角角形，，下游游墩尾尾宜采采用流流线形形。（二））胸墙墙胸墙常常用钢钢筋混混凝土土结构构做成成板式式或梁梁板式式。它它与闸闸墩的的连接接方式式有简简支和和固接接两种种。胸墙相相对于于闸门门的位位置取取决于于闸门门的型型式。。若采采用弧弧形闸闸门，，胸墙墙设在在闸门门上游游侧；；若采采用平平面闸闸门，，胸墙墙可设设在闸闸门上上游侧侧，也也可设设在闸闸门下下游侧侧。三、工工作桥桥、交交通桥桥为了安安装启启闭设设备和和便于于工作作人员员操作作的需需要，，通常常在闸闸墩上上设置置工作作桥。。工作作桥的的高程程与闸闸门和和启闭闭设备备的型型式、、闸门门高度度有关关，一一般应应使闸闸门开开启后后，门门底高高于上上游最最高水水位，，以免免阻碍碍过闸闸水流流。建闸后后，为为便于于行人人或车车马通通行，，通常常也在在闸墩墩上设设置交交通桥桥。交交通桥桥的位位置应应根据据闸室室稳定定及两两岸交交通连连接的的需要要而定定，一一般布布置在在闸墩墩的下下游侧侧。四、分分缝与与止水水（一））分缝缝方式式与布布置除闸室室本身身分缝缝以外外，凡凡是相相邻结结构荷荷重相相差悬悬殊或或结构构较长长、面面积较较大的的地方方也要要设缝缝分开开。（二）止水设设备凡是具有防渗渗要求的缝中中都应设置止止水设备。对对止水设备的的要求是：①①应防渗可靠靠；②应能适适应混凝土收收缩及地基不不均匀沉降的的变形；③应应结构简单，，施工方便。。按止水所设置置的位置不同同可分为水平平止水和铅直直止水两种。。第六节闸室室稳定验算及及地基处理水闸的闸室，，要求在施工工、运行、检检修等各个时时期，都不产产生过大沉降降或沉降差，，不致沿地基基面发生水平平滑动，不致致因基底压力力的作用使地地基发生剪切切破坏而失稳稳。因此，必必须验算闸室室在刚建成、、运行、施工工以及检修不不同工作情况况下的稳定性性。一、荷载计算算及其组合（一）荷载计计算（1）自重。指水水闸结构及其其上部填料和和永久设备的的重量。（2）水重。指闸闸室范围内作作用在底板顶顶面以上的水水体重量。（3）水平水压力力。指作用在在胸墙、闸门门及闸墩上的的水平水压力力。（4）扬压力。指指作用在底板板底面的渗透透压力及浮托托力之和。（5）浪压力。计计算出波浪要要素后，判别别深水波、浅浅水波或破碎碎波，分别用用相应公式进进行计算。（6）土压力。根根据填土性质质、挡土高度度、填土内的的地下水位、、填土顶面坡坡角及超载等等计算确定。。（7）淤沙压力。。根据水闸上上、下游可能能淤积的厚度度及泥沙重度度计算确定。。（二）荷载组组合设计水闸时，，应将可能同同时作用的各各种荷载进行行组合。荷载载组合分为基基本组合与特特殊组合两类类。基本组合合由基本荷载载组成；特殊殊荷载由基本本荷载和一种种或几种特殊殊荷载组成。。二、闸室抗滑滑稳定计算（一）计算公公式（1）土基上的水水闸闸室沿地地基面的抗滑滑稳定计算。。（2）岩基上沿闸闸室基底面的的抗滑稳定公公式计算。。（二）提高闸闸室抗滑稳定定性的措施当沿闸室基底底面抗滑稳定定安全系数计计算值小于允允许值时，可可采用下列一一种或几种抗抗滑措施。①将闸门位置置移向低水位位一侧，或将将水闸底板向向高水位一侧侧加长，以增增加水重；②适当增大闸室室结构尺寸；；③增加闸室室底板的齿墙墙深度；④增增加铺盖长度度或帷幕灌浆浆深度，或在在不影响防渗渗安全的条件件下将排水设设施向水闸底底板靠近；⑤⑤利用钢筋混混凝土铺盖作作为阻滑板，，但闸室自身身的抗滑稳定定安全系数不不应小于1.0，阻滑板应满满足抗裂要求求；⑥增设钢钢筋混凝土抗抗滑桩或预应应力锚固结构构。三、闸室基底底应力计算（一）计算公公式（1）对于结构布布置及受力情情况对称的闸闸孔，如多孔孔水闸的中间间孔或左右对对称的单闸孔孔，按下式计计算（2）对于结构布布置及受力情情况不对称的的闸孔，如多多孔闸的边闸闸孔或左右不不对称的单闸闸孔，按双向向偏心受压公公式计算（二）安全指指标见书中表格。。四、地基沉降降校核由于土基压缩缩变形大，容容易引起较大大的地基沉降降。较大的均均匀沉降可能能会使闸顶部部高程不足；；过大的不均均匀沉降，将将导致闸室倾倾斜、产生裂裂缝、止水破破坏，甚至断断裂等。因此此在研究地基基稳定时，应应进行地基的的沉降校核，，以保证水闸闸的安全和正正常运用。五、地基处理理水闸地基处理理的目的是：：提高地基的的承载能力和和稳定性；减减小或消除地地基的有害沉沉陷，防止地地基渗透变形形。第七节闸室室结构计算一、底板闸底板一般采采用“截板成成梁”的方法法进行计算，，即沿垂直水水流方向截取取单位宽度的的板条作为梁梁来进行计算算。由于闸门门前后水重相相差悬殊，底底板所受荷载载不同，常以以闸门为界，，分别在闸门门上下游段的的中间处截取取单宽板条及及墩条。（一）倒置梁梁法（二）弹性地地基梁法二、闸墩闸墩结构计算算主要包括闸闸墩水平截面面上的正应力力和剪应力、、平面闸门门门槽或弧形闸闸门支座的应应力计算。闸闸墩计算情况况有运用期和和检修期两种种。三、胸墙、工作桥桥、检修便桥桥及交通桥可根据各自的的支承情况、、结构布置型型式按板或板板梁系统采用用结构力学的的方法进行结结构计算。第八节两岸岸连接建筑物物一、连接建筑筑物的作用水闸两端与河河岸或堤、坝坝等建筑物的的连接处，需需设置连接建建筑，它们包包括上、下游游翼墙，边墩墩或岸墙、刺刺墙和导流墙墙等。其作用用是：①挡住两侧填