水利工程水闸培训讲义

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、消能防冲设计的水力条件（一）闸下水流的消能方式平原地区的水闸，水头低，下游河床抗冲能力差，且承受水头不高，宜采用底流式消能。当水闸承受较高水头，且闸下河床及岸坡为坚硬岩体时，可采用挑流消能。当水闸闸下尾水深度较大，且变化较小，河床及岸坡抗冲能力较强时，可采用面流消能。在挟有较大砾石的多泥沙河流上，不宜设消力池，可采用抗冲耐磨的斜坡护坦与下游河道连接，末端应设防冲墙。（二）消能防冲的水力条件选择不同类型的水闸，其泄流特点各不相同，因而控制消能设计的水力条件也不尽相同。拦河节制闸宜以在保持闸上最高蓄水位的情况下，以排泄上游多余来水量为控制消能设计的水力条件；当闸的下游河道已渠化时，应考虑下一级的蓄水位对闸下水位的影响。分洪闸宜以闸门全开，以通过最大分洪流量为控制消能设计的水力条件。排水闸（排涝闸）宜以冬、春蓄水期排涝流量为控制消能设计的水力条件。三、底流式消能设计在我国，水闸多修建在平原地区的土基上，因此底流式消能是主要消能型式。底流式消能的作用是增加下游水深，以保证产生淹没式水跃，防止土基冲刷破坏，保证闸室安全。底流式消能防冲设施由消力池、海漫、防冲槽等部分组成。（一）消力池1、消力池型式的选用2、消力池的尺寸确定3、消力池的构造（二）辅助消能工消力池内除设置尾槛外，也常设置消力墩、消力齿等辅助消能工，其目的是使水流受阻，促使水流撞击，形成涡流，加强紊动扩散，稳定水跃，减小消力池尺寸，提高消能效果，节省工程量。（三）海漫1、海漫长度计算2、海漫的布置及构造海漫在构造上要求有：①一定的粗糙度，以利进一步消除余能；②有一定的透水性，以降低扬压力；③有一定的柔性，以适应河床的变形。（四）防冲槽水流经过海漫后，多余能量得到进一步消除，但海漫末端处仍有冲刷现象。为保护海漫，常在海漫末端设置防冲槽。四、波状水跃及折冲水流的防止措施（一）波状水跃的防止措施（二）折冲水流的防止措施五、上游河床和上下游岸坡的防护第四节水闸的防渗排水设计水闸防渗排水设计的一般步骤：①根据水闸作用水头的大小、地基地质条件和下游排水情况，初步拟定地下轮廓线；②进行渗流分析，计算闸底板渗透压力，并验算地基土的渗透稳定性；③若抗滑稳定和渗透稳定均满足要求，即可采用初拟的地下轮廓线，否则，应重新修改地下轮廓线。一、闸基防渗长度及地下轮廓线布置（一）闸基防渗长度的确定在上下游水位差的作用下，上游水从河床入渗，绕过上游铺盖、板桩、闸底板经过反滤层由排水孔排至下游。其中铺盖、板桩和闸底板等不透水部分与地基的接触线，即闸基渗流的第一根流线，称为地下轮廓线。其长度即为闸基防渗长度（又称为渗径长度）。（二）闸基防渗排水布置闸基防渗排水布置，即进行地下轮廓线布置，主要是进行闸基防渗排水轮廓线形状及尺寸的确定。（1）布置原则，“高防低排”。（2）布置方式1）黏性土地基。2）砂性土地基。3）地震区的均匀粉砂、细砂地基。二、闸基渗流计算（一）全截面直线分布法（二）改进阻力系数法（三）直线比例法（渗径系数法）三、防渗排水设施（一）铺盖（二）板桩（三）齿墙及混凝土防渗墙（四）水泥砂浆帷幕、高压喷射灌浆帷幕及垂直防渗土工膜（五）排水设施四、水闸的侧向绕渗第五卸节违闸室杏的布醒置与旗构造一、底眨板（一）塔整体式随底板当闸墩垦与底板扮浇筑或值砌筑成软整体时公，称为妇整体式闭底板。宽整个底六板是闸灭室的基倚础，起来着承受东荷载、她传递荷仙载、防趣冲和防卫渗的作未用。（二）卵分离式朋底板在闸墩铸附近设台缝，将案闸室底管板与闸峡墩断开幻玉的，称贡为分离恩式底板脚。缝中葱设止水盖。其闸自室上部津结构的挤重量将戴直接由侨闸墩或敬连同部产分底板志传给地谁基。（三克）底蜂板尺炊寸及周要求二、兰闸墩霸与胸球墙（一）闷闸墩闸墩盼的作粉用是大分隔虫闸孔府，并恳支撑恨闸门白、工杀作桥舍等上茶部结德构。恳闸墩桑的外乐形轮傍廓应嚼满足些过闸程水流恋平顺马、侧姨向收顷缩小钓、过询流能凡力大滔的要弹求。织上游辰墩头葡可采巷用半爱圆形破或尖猎角形宴，下班游墩斗尾宜捎采用六流线盲形。（二）算胸墙胸墙常软用钢筋落混凝土股结构做赚成板式仙或梁板悟式。它阀与闸墩被的连接梁方式有荒简支和宁固接两吵种。胸墙相世对于闸估门的位骑置取决炉于闸门拾的型式街。若采侧用弧形顷闸门，衡胸墙设打在闸门静上游侧番；若采叮用平面迟闸门，扛胸墙可爬设在闸址门上游腿侧，也进可设在蓬闸门下死游侧。三、御工作清桥、裕交通商桥为了咬安装找启闭滚设备情和便搂于工构作人彻员操已作的室需要曲，通误常在柔闸墩期上设羽置工释作桥宰。工哪作桥扯的高蛋程与怠闸门衰和启淘闭设槐备的届型式考、闸藏门高袄度有炎关，绢一般趟应使升闸门寄开启叮后，然门底剩高于同上游述最高医水位仓，以沾免阻耽碍过假闸水洁流。建闸第后，肤为便旗于行暂人或铲车马纳通行泊，通毫常也萌在闸标墩上葛设置消交通灵桥。简交通延桥的亲位置爸应根珠据闸启室稳件定及佳两岸猾交通挠连接屑的需筹要而黄定，住一般尽布置规在闸嗓墩的战下游效侧。四、妥分缝漆与止掩水（一秋）分委缝方株式与己布置除闸室扶本身分膜缝以外分，凡是份相邻结绝构荷重泳相差悬撑殊或结痒构较长根、面积轨较大的皮地方也透要设缝浪分开。（二吨）止序水设羞备凡是具蜂有防渗齐要求的挥缝中都酷应设置禾止水设角备。对淡止水设蛋备的要杠求是：肉①应防研渗可靠泪；②应远能适应仗混凝土修收缩及锤地基不激均匀沉违降的变瓜形；③素应结构洞简单，诉施工方达便。按止桐水所仍设置年的位狭置不早同可飞分为贼水平构止水菊和铅昆直止爽水两狡种。第六节娘闸室贝稳定验建算及地脑基处理水闸的尖闸室，柔要求在缴施工、夕运行、烘检修等辆各个时掠期，都昌不产生若过大沉删降或沉固降差，勺不致沿煌地基面蚕发生水僻平滑动互，不致菠因基底防压力的春作用使透地基发点生剪切正破坏而狸失稳。团因此，色必须验猾算闸室任在刚建鲜成、运躁行、施研工以及剥检修不济同工作生情况下姨的稳定擦性。一、荷灾载计算宣及其组与合（一）雄荷载计辨算（1）自重西。指水织闸结构裹及其上篮部填料猫和永久弄设备的弱重量。（2）水重检。指闸棕室范围哲内作用沸在底板链顶面以克上的水廊体重量滔。（3）水怎平水造压力腐。指增作用头在胸楼墙、炮闸门气及闸躲墩上甲的水赠平水澡压力未。（4）扬章压力拜。指拐作用拉在底森板底霉面的床渗透黑压力墙及浮烛托力不之和众。（5）浪伶压力线。计酿算出雨波浪毫要素捧后，净判别改深水秤波、须浅水爽波或稼破碎餐波，柜分别赔用相付应公潮式进说行计朵算。（6）土头压力樱。根锯据填株土性量质、堡挡土庭高度赴、填偿土内揪的地俩下水愚位、渠填土忠顶面北坡角鸣及超背载等仗计算米确定页。（7）淤沙杂压力。附根据水区闸上、铃下游可古能淤积致的厚度翠及泥沙屈重度计敢算确定持。（二）熔荷载组殖合设计联水闸港时，过应将词可能拴同时塘作用薯的各策种荷术载进婚行组士合。青荷载串组合叮分为书基本限组合虹与特肿殊组哄合两臣类。双基本焦组合烤由基催本荷闹载组睁成；眨特殊酒荷载拾由基庆本荷愤载和懂一种冶或几圈种特青殊荷泻载组哑成。二、闸毛室抗滑魂稳定计萝算（一记）计慌算公悟式（1）土基泥上的水驾闸闸室偶沿地基野面的抗旅滑稳定拦计算。（2）岩基联上沿闸掩室基底奴面的抗残滑稳定薯公式减计算。（二）愁提高闸勤室抗滑源稳定性予的措施当沿闸劳室基底魂面抗滑异稳定安茎全系数晚计算值滴小于允握许值时押，可采党用下列摩一种或称几种抗股滑措施鸽。①将意闸门娘位置远移向交低水遭位一耳侧，剪或将负水闸清底板矿向高呢水位岛一侧弱加长郑，以膨增加灾水重狡；②适当听增大收闸室说结构旺尺寸及；③达增加西闸室坑底板惨的齿尤墙深住度；扔④增俗加铺罚盖长察度或如帷幕汉灌浆性深度土，或视在不竿影响促防渗宵安全验的条观件下辱将排仿水设喊施向凉水闸掏底板居靠近工；⑤垦利用俭钢筋星混凝仁土铺旨盖作课为阻押滑板贝，但尽闸室爹自身民的抗桥滑稳凑定安厌全系像数不拳应小博于1.0，阻疲滑板责应满罗足抗栏裂要裳求；叮⑥增偷设钢查筋混附凝土剖抗滑贩桩或贯预应间力锚焰固结堆构。三、毒闸室庆基底唉应力垒计算（一便）计刃算公鸣式（1）对于绣结构布钱置及受洁力情况萍对称的际闸孔，送如多孔予水闸的超中间孔越或左右盆对称的奇单闸孔掀，按下敲式计算（2）对恳于结泻构布谁置及惨受力岛情况肥不对备称的阵闸孔参，如柳多孔教闸的由边闸汉孔或恶左右基不对彼称的扫单闸酷孔，牢按双承向偏翼心受嗓压公提式计零算（二）景安全指棍标见书滤中表熔格。四、品地基恰沉降柔校核由于土骂基压缩退变形大钞，容易授引起较脸大的地叠基沉降浅。较大评的均匀英沉降可送能会使女闸顶部密高程不泛足；过热大的不守均匀沉气降，将帐导致闸拌室倾斜辟、产生膀裂缝、扛止水破祥坏，甚面至断裂匠等。因露此在研牲究地基酸稳定时抖，应进恰行地基办的沉降济校核，段以保证仗水闸的棕安全和档正常运双用。五、馒地基猜处理水闸地烘基处理腥的目的缸是：提霉高地基猛的承载以能力和溉稳定性禁；减小蹲或消除购地基的桥有害沉夺陷，防肢止地基予渗透变墨形。第七种节悔闸室役结构熄计算一、挂底板闸底板络一般采挎用“截颤板成梁述”的方稠法进行苹计算，鸡即沿垂炮直水流谢方向截动取单位代宽度的瞧板条作贤为梁来繁进行计告算。由帅于闸门絮前后水腔重相差奖悬殊，绩底板所渠受荷载喂不同，车常以闸前门为界界，分别欺在闸门旧上下游裂段的中址间处截犁取单宽会板条及刚墩条。（一）拒倒置梁墨法（二荒）弹蜻性地街基梁钢法二、闸蓝墩闸墩基结构圾计算争主要尝包括纠闸墩猛水平钢截面江上的诵正应乱力和杯剪应殿力、柱平面殿闸门价门槽陪或弧传形闸壶门支贝座的堤应力粘计算组。闸舞墩计哈算情豆况有内运用根期和僻检修魄期两荐种。三、胸墙、洒工作桥将、检修蓝便桥及症交通桥可根据供各自的矿支承情月况、结破构布置咐型式按乡丰板或板洲梁系统甩采用结谎构力学芽的方法璃进行结都构计算剧。第八益节僚两岸钓连接旨建筑便物一、饺连接船建筑界物的赛作用水闸两季端与河洞岸或堤术、坝等稿建筑物卖的连接辉处，需搞设置连护接建筑奔，它们裹包括上旬、下游祝翼墙，辫边墩或砍岸墙、渴刺墙和狠导流墙连等。其腐作用是女：①挡同住两茂侧填恩土，庸维持忧土坝梦及两茫岸的妖稳定围，防宜止过贱闸水城流的饱冲刷垦；②引导译水流平塘顺进闸烂，并使皮出闸水聚流均匀古扩散；③阻新止侧首向绕铃渗，溪防止仁与其卫相连弦的岸疲坡或多土坝氏产生巷渗透泉变形灶；④保护苹两岸或需土坝边拒坡不受暗过闸水文流的冲摄刷；⑤在软语弱地基粱上设有踩独立岸仅墙时，侨可减少超地基沉桃降对闸闯身应力室的影响轰，改善壮闸室受届力状况乘。二、飞连接告建筑焰物的桑布置叼型式（一榴）上良、下在游翼扛