水利工程概論第三章

1、第三章,閘壩工程,第一節(jié) 水 閘,一、水閘分類,1、節(jié)制閘,用來截?cái)嘣拥?，抬高上游水位，能起一定的調(diào)節(jié)流量的作用,2、進(jìn)水閘,修建在引水渠的渠首，控制引水流量。一般渠道渠首都設(shè)有這種建筑物,3、分洪閘,修建在河道的一側(cè)，洪水時(shí)開閘將部分洪水泄人低洼分洪區(qū)或泄入其他河道,4防潮閘,修建在河流入海的河口地段，以防止海水倒灌。一般防潮閘在漲潮時(shí)關(guān)問阻擋海水，退潮時(shí)開閘放水，以維持原河道的排水能力。天津市區(qū)海河口的防潮閘，建閘后海水不能進(jìn)入上游，使咸淡水分開，有利于引取海河淡水為天津市給水。但由于防潮閘不經(jīng)常放水，使閘的上下游發(fā)生淤積，并影響魚類徊游,5排水閘,修建在排水渠道的末端，將控制地區(qū)多余水

2、量排人江河內(nèi)，以防內(nèi)澇。當(dāng)江河水位較高時(shí)，關(guān)閉閘門防止江河水倒灌；水位低時(shí)再開閘排澇。滯洪區(qū)亦須利用排水閘退水,6排砂閘（沖砂閘,為防止渠首進(jìn)水閘門外的淤積，一般在節(jié)制閘或溢流壩與進(jìn)水閘的中間設(shè)置排砂閘。為防止船閘門外發(fā)生淤積，亦設(shè)有排砂閘。如葛洲壩水利樞紐的大江和三江皆有排砂閘,二、水閘的型式和組成,1、水閘型式,在水工方面常把水閘型式分為開敞式和涵洞式兩種。 （1）開敞式水閘 閘室是露天的（圖33）。這類水閘應(yīng)用最廣，常用在大量引水、泄水和排出冰塊及漂浮物等。 （2）涵管式水閘 在閘室后面有洞身段，洞頂有填土覆蓋，以利洞身的穩(wěn)定。同時(shí)，填土頂部可以代替交通橋。這類水閘常修建在挖方較深的渠道

3、中和填土較高的河堤下面,水閘組成及其作用,水閘系由閘室、上游和下游連接段三個(gè)部分組成。 （1）閘室 水閘的主體部分，起著擋水和調(diào)節(jié)水流作用。閘室包括底板、閘墩（邊墩）、閘門、工作橋和交通橋。工作橋上設(shè)置閘門起閉設(shè)備，以升降閘門。底板是閘室的基礎(chǔ)，承受閘室全部荷載，并較均勻地傳給地基，利用底板與地基之間的抗滑力來維持水閘的穩(wěn)定。同時(shí)，底板還須具有防沖及防滲作用,閘墩主要是分隔閘孔，支承閘門、工作橋、啟閉設(shè)備及交通橋。邊孔靠岸一側(cè)的閘墩，稱為邊墩，可以用岸墻代替邊墩，也可將岸墻與邊墩分開。邊墩或岸墻除具有上述閘墩的作用外，還須具有擋士及側(cè)向防滲作用（防止岸邊滲水）。閘門是用來擋水和控制水流的。在其

4、上游頂部可設(shè)或不設(shè)胸墻，根據(jù)工程需要確定。設(shè)置胸墻能減小閘門的高度。工作橋供閘門啟閉機(jī)安裝和工作人員操作使用。交通橋是為連接兩岸交通而設(shè)置的。有的水間還有機(jī)架橋，與工作橋分開，機(jī)架橋是安裝啟閉機(jī)使用的,2）上游連接段 包括上游翼墻、鋪蓋、護(hù)底、上游防沖槽、上游護(hù)坡及防滲板樁等。 上游翼墻的作用是導(dǎo)引水流平順地進(jìn)入閘孔；保護(hù)問前河岸不受沖刷；防止岸坡的滲透作用。 鋪蓋起水平防滲作用，有時(shí)還在鋪蓋前緣河床打入板樁，作為垂直防滲。板樁有木制和鋼制兩種，防滲效果好。 護(hù)底設(shè)在鋪蓋上游，能起到保護(hù)河床作用。 上游防沖槽設(shè)在連接段與河床的交界處，防止河床沖刷。 上游護(hù)坡保護(hù)河岸免受沖刷,3）下游連接段 包

5、括下游翼墻、護(hù)坦、海漫、防沖槽和下游護(hù)坡等。 下游翼墻的作用是使閘后水流均勻擴(kuò)散，同時(shí)與上游翼墻一樣，還具有防沖和防滲作用。 護(hù)坦是消除過閘水流所具有的動(dòng)能的主要設(shè)施，多為混凝土結(jié)構(gòu)，并具有防沖作用。為了加強(qiáng)消能作用，有時(shí)在護(hù)坦下游設(shè)尾坎，將在下節(jié)進(jìn)一步論述。一般在混凝土護(hù)坦上設(shè)有排水管，其下端有反濾層，以防止地基土顆粒被沖失，起到降低滲透壓力作用。 海漫是繼續(xù)消除護(hù)坦上未消完的能量，是防沖第二道防線，一般多為干砌塊石或拋石結(jié)構(gòu)。 防沖槽是設(shè)在海漫末端的防沖措施，是防止河床被沖刷的第三道防線。 下游護(hù)坡的作用與上游護(hù)坡相同,三、 閘門和閘孔型式,1閘門類型 閘門是用鋼、木及鋼筋混凝土等材料制成

6、。 閘門包括門板、門上滾輪及閘槽的導(dǎo)向軌道等。在閘槽須設(shè)止水設(shè)備，一般是用橡膠止水,按用途分，閘門可分為： （1）工作閘門 啟閉時(shí)，控制流量。 （2）檢修閘門 檢修主要閘門時(shí)，用來擋水。 （3）事故閘門 當(dāng)主要閘門或其下游的建筑物發(fā)生事故時(shí)使用，以防止事故擴(kuò)大。 按結(jié)構(gòu)分： （1）平板閘門 （2）弧形閘門 （3）蝴蝶閘門,1）平板閘門,a鋼閘門 b木閘門 c迭梁閘門,2）弧形閘門,面板呈圓弧形，用林架或梁來撐固，支于兩個(gè)閘墩的支承腳架上，另外還有滾軸支座、止水設(shè)備及埋裝設(shè)備等。 弧形閘門使用也很廣泛，其優(yōu)點(diǎn)是啟門力比同等平板門為小，適用的跨度比平板門也大，因不需閘撤 可以減小閘墩的厚度；其缺點(diǎn)

7、是占空間位置較大，需要的閘墩較長，不能做為修理閘門,3）蝴蝶閘門,在閘門的位置設(shè)置一鋼圓盤，其中央設(shè)有鉛直軸或水平軸，用一圓形凸透鏡形狀的鋼板作為閘門，中央安設(shè)在上述軸上，圍繞軸旋轉(zhuǎn)啟閉。這種閘門操作迅速，適于作為水電站的事故閘門,2閘門的啟閉設(shè)備,1）移動(dòng)式啟門機(jī)（圖36，a）包括移動(dòng)式起重機(jī)及其絞車。起重機(jī)可分為門式和橋式，主要用于平板閘門的啟閉，可用一臺(tái)啟門機(jī)擔(dān)任啟閉多數(shù)閘門。 （2）固定絞車（圖36，b）在每臺(tái)閘門上部，各設(shè)一臺(tái)啟閉絞車，多用于啟閉弧形閘門，亦可用于平板門上。這種裝置可以同時(shí)開啟各閘門，以加速泄水。 （3）手搖式啟閉機(jī) 多用于小型工程閘門上,3閘孔形式,四、水閘的工作特

8、點(diǎn),水閘的工作特點(diǎn)主要包括三方面：穩(wěn)定、防滲及消能防沖。 1穩(wěn)定分析 2滲透分析 3消能防沖,1穩(wěn)定分析,如前所述，閘的穩(wěn)定是依靠底板與地基之間的抗滑力來維持的?？砂磶追N情況來分析： （1）設(shè)計(jì)情況 上游是設(shè)計(jì)（正常）蓄水位，下游是最低水位。 （2）校核情況 上游是校核洪水位，下游是最低水位；水閘剛建成，尚未運(yùn)用，因無揚(yáng)壓力，地基承受的垂直壓應(yīng)力最大；在水閘檢修時(shí)期，閘底的浮托力最大。 （3）特殊情況 考慮閘下游連接段的排水孔失效，增大了滲透壓力或考慮地震的荷載,2滲透分析,地基的滲流和土壩一樣，應(yīng)符合達(dá)西定律。在上、下游水位固定的情況下，為降低水閘的滲透量和滲透壓力，只有加長L值，即增加滲透

9、途徑的長度。因而水閘的防滲措施基本上與擋水建筑物類似，即增加上游連接段的鋪蓋長度；在必要時(shí)在上游或閘室下增設(shè)板樁。這可使?jié)B透水流沿著加長的鋪蓋或板樁兩側(cè)流動(dòng)，增加了滲徑，降低了滲透流速，從而減小滲透總量和滲透壓力。在透水地基上修水閘，完全杜絕滲水是不可能的，只要滲透水量在允許范圍之內(nèi)，而滲透壓力又不致影響水閘穩(wěn)定，就認(rèn)為符合要求,3消能防沖,水閘過水時(shí)，水流具有相當(dāng)?shù)膭?dòng)能。因此，必須采取措施，進(jìn)行消能。水流經(jīng)過消能以后還有一定的余能，對(duì)下游河床仍產(chǎn)生不同程度的沖刷。對(duì)影響建筑物安全的沖刷，必須采取措施，加以防止。但有的沖刷并不引起危害作用，如沖刷坑已經(jīng)穩(wěn)定，不再擴(kuò)大，不影響建筑物的安全，一般可

10、以不處理,第二節(jié) 壅 水 壩,平原上的壅水壩，也稱溢流壩，位于軟基（砂礫石或土基）上，主要作用是抬高河道水位，以利取水口引水。因壩的高度較低，河道正常泄水及汛期洪水，經(jīng)過壩頂泄到下游，所以首水壩具有變水和泄水的雙重作用，而對(duì)調(diào)節(jié)流量的作用很小。 壅水壩所在的地基和工作條件與水閘相似，它的工作特點(diǎn)，在穩(wěn)定、防滲和消能防沖等方面，基本上和水閘也相同，現(xiàn)僅略述其不同之處,一、壩頂高程及溢流段長度,壩頂高程主要取決于以下因素： 1）滿足正常壅水位的要求，保證取水口能引進(jìn)所需要的水量； 2）上游洪水位不超過允許高程，以免造成過大的淹沒損失； 3）壩頂溢流時(shí)，單寬流量不大于下游河道的允許值，以利于消能和防

11、沖,二、壅水壩的斷面型式和構(gòu)造,壅水壩的迎水坡一般為鉛直。背水坡由三段組成，即溢流曲線段AB、直線段BC及反弧段CD。溢流曲線由溢流水頭大小確定；直線段的坡度為1：0.61：0.8，并切于B、C兩點(diǎn)；反弧段的反,弧半徑為0205（HP)。水流沿AB、BC兩段平穩(wěn)下泄到反弧段CD，將水流平順地導(dǎo)向下游，從而在護(hù)坦上產(chǎn)生底流式水躍,對(duì)于設(shè)置閘門的壅水壩，壩頂因安裝閘門需要加寬，壩的斷面類似梯形（b,第三節(jié) 橡膠壩和浮體閘,一、橡膠壩 是用高分子合成材料按要求的尺寸、錨固于底板上，形成封閉狀、用水（氣）充脹后形成的擋水壩。不需擋水時(shí)，放空壩袋內(nèi)的水（氣），就可恢復(fù)原有河渠的過水?dāng)嗝妗Ｏ鹉z壩可用于防洪

12、、灌溉、發(fā)電、供水、航運(yùn)、擋潮及城市園林美化，也可用于活動(dòng)圍堰、渠系臨時(shí)擋水工程等,橡膠壩與常規(guī)閘壩相比具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）節(jié)省三材（鋼、木、水泥）； （2）造價(jià)低，一般可減少投資30%70%； （3）結(jié)構(gòu)簡單，施工期短，一般為36個(gè)月； （4）壩體跨度大、不阻水、自重輕、抗震性能好,橡膠壩的優(yōu)點(diǎn),橡膠壩的缺點(diǎn),1）堅(jiān)固性較差 壩袋是較薄的膠布制品，與其他鋼、混凝土等相比較，其堅(jiān)固性顯然較差，尤其容易被刺傷和磨損。如出現(xiàn)裂口，不及時(shí)修補(bǔ)，容易迅速擴(kuò)大，以至壩袋失效。多泥沙的河流，溢洪時(shí)壩袋亦容易磨損。所以在運(yùn)輸、安裝和運(yùn)行中，要求精心施工，更應(yīng)經(jīng)常檢修。 （2）老化問題 壩袋除上述易受機(jī)械磨

13、損外，老化問題限制了橡膠壩的使用年限。合成橡膠和合成纖維都是高分子聚合物，老化不可避免。但如養(yǎng)護(hù)及時(shí)，使用正常，一般認(rèn)為壽命可達(dá)20年，失效后，應(yīng)更換壩袋。老化問題不應(yīng)是采用橡膠壩的決定因素，而只應(yīng)是計(jì)算經(jīng)濟(jì)合理性一項(xiàng)因素。 （3）檢修較困難 橡膠壩的跨度大，是一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，但也給檢修帶來了困難，因?yàn)橐话阈蘩黹l門的跨度都很小，適用于檢修橡膠壩的設(shè)施和工藝還須繼續(xù)研究提高,山東臨沂小埠東橡膠壩 高3.5米 16跨 每跨70米 總長1135米 1997年建成,橡膠壩總投資5800萬元，攔河蓄水后形成1.6萬畝的水面，在當(dāng)?shù)乇环Q為“沂蒙湖”。該工程1999年獲得山東省建筑工程質(zhì)量“泰山杯”獎(jiǎng)，同年1

14、0月橡膠壩以其長度創(chuàng)世界吉尼斯之最，2000年8月獲世界吉尼斯記錄最佳項(xiàng)目獎(jiǎng),孟加拉BAKHHALI雙向擋水橡膠壩 高3.5米 長87米 1995年建成,天津市北運(yùn)河防洪綜合治理市區(qū)段彩色橡膠壩工程現(xiàn)已安裝完工，該工程汛期時(shí)能起到泄洪作用,二、浮 體 閘,浮體閘是利用充排水系統(tǒng)控制閘門的升降，用來調(diào)節(jié)水位和流量的一種新型閘門。 1折進(jìn)式浮體閘 利用對(duì)閘腔的充排水升降閘板。 升門蓄水操作程序是：關(guān)閉下游排水廊道閘門；開啟上游進(jìn)水廊道閘門；向間腔充水；使閘門升至指定位置。 降落閘門行洪或排水的程序是：關(guān)閉上游進(jìn)水廊道閘門；開啟下游排水廊道閘門；抽出閘腔內(nèi)水；閘門降落至指定位置,2浮筒式浮體閘,利用

15、充排水升降斷面為扇形的浮筒。 升門蓄水操作程序：抽出浮筒腔內(nèi)的水；關(guān)閉下游排水廊道閘門；開啟上游進(jìn)水廊道閘門；向閘室內(nèi)充水；閘門升至指定位置。 降落閘門行洪排水的程序是：關(guān)閉上游進(jìn)水廊道閘門；開啟下游排水廊道閘門；向浮筒腔內(nèi)充水；排出閘室內(nèi)水；閘門降落至指定地點(diǎn),水力自控翻板閘門,它是利用水力和閘門重量平衡的原理，增設(shè)阻尼反饋系統(tǒng)來達(dá)到閘門隨上游水位升高，而逐漸開啟泄流；上游水位下降，而逐漸回關(guān)蓄水，使上游水位始終保持在要求的范圍內(nèi)（即上游正常水位）。舉個(gè)例來說，連桿滾輪式翻板閘門是一種雙支點(diǎn)帶連桿的閘門，它是根據(jù)閘前水位的變化，依靠其水力平衡作用自動(dòng)控制閘門開啟和關(guān)閉，在運(yùn)行過程中無撞擊和拍

16、打的一種翻板閘門。由門葉、支腿、支墩、滾輪，連桿等部件組成 。 截止2002年共40余座,1、原理獨(dú)特、作用微妙、結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運(yùn)行安全。 2、施工簡便、造價(jià)低廉，投次僅為常規(guī)門的1/2左右。 3、自動(dòng)起閉，自控水位準(zhǔn)確，運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性良好。管理方便安全、省人、省事、省時(shí)、省力。 4、門體為預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，僅支承部分為金屬結(jié)構(gòu)。維修方便，費(fèi)用低。 5、由于能準(zhǔn)確自動(dòng)調(diào)控水位、就當(dāng)前水資源短缺，在合理使用和利用水資源有其獨(dú)到之處,優(yōu)點(diǎn),貴州省都勻市西山公園水力自控翻板閘門7米2米10扇,第四節(jié) 船 閘,閘室，過閘時(shí)船只位于其中。上、下游閘首，位于鬧室的兩門端，在閘首中設(shè)有閘門，兩端閘門關(guān)

17、閉時(shí)，閘室和上下游隔開，船只在其中。當(dāng)開啟一個(gè)閘門時(shí)，閘室即與上游或下游連通。輸水設(shè)備是借助孔口或廊道，以閥門控制向問室供水或由間室泄水。船閘上下游設(shè)有引航道，導(dǎo)引船只出人船閘,三峽工程永久船閘一閘首閘門,第五節(jié) 救魚措施,在河道中修建水利樞紐，無疑會(huì)給魚類生活環(huán)境的條件帶來巨大變化，使魚類的數(shù)量減少，甚至使某些魚類的種群數(shù)量急驟下降。這主要表現(xiàn)以下幾方面： 1）修筑攔河閘壩，壩上形成水庫，庫區(qū)部分產(chǎn)卵場遭到破壞。 2）切斷了魚類產(chǎn)卵的徊游路線，使一些洞游魚類和半徊游魚類不能上溯到產(chǎn)卵場繁殖,3）幼魚攝食的洄游條件惡化。 4）由于水庫調(diào)節(jié)作用，縮小了下游地區(qū)魚類的繁殖面積，使得一些習(xí)于沼澤地區(qū)

18、的魚類，如鯉魚、鯽魚等的繁殖受到影響。 5）改變了河流的水文條件，如洪水期的變動(dòng)，水溫、流速、流態(tài)、含鹽量等的變化，使壩下游適合某些魚類產(chǎn)卵的河段和在河口附近海灣中生活的魚類的環(huán)境條件受到影響,救護(hù)措施,救護(hù)措施主要有三類： 修建過魚設(shè)施； 建筑人工模擬產(chǎn)卵場； 進(jìn)行人工繁殖放養(yǎng),一、修建過魚設(shè)施,過 魚 設(shè) 施主要包括： 1）魚道 2）集運(yùn)魚船 3）魚閘 4）升魚機(jī),魚道,1）槽式魚道 a光面槽式魚道 b人工加糙的魚道 C帶有挑水板的魚道 （2）池形魚道 （3）梯級(jí)魚道,池形魚道,把一些水池用短的明渠連接起來，布置在河岸上或土壩的壩頭上（圖332）。當(dāng)?shù)匦魏偷刭|(zhì)條件有利時(shí)，這種魚道可使水頭達(dá)到1025米。池形魚道的優(yōu)點(diǎn)是在一定程度上保持天然的條件（底與岸均為土質(zhì)），魚在上溯過程中，可有暫時(shí)休息的地方,梯級(jí)魚道,多級(jí)跌水，由橫隔墻分成許多水池構(gòu)成，在橫隔墻上設(shè)有交錯(cuò)的過魚孔。根據(jù)通過的魚類特性作成表面孔（如對(duì)青魚）或作成底孔（對(duì)鰱魚）?？卓诖笮「鶕?jù)通過魚類的大小而定,2集運(yùn)魚船,集運(yùn)魚船一般由集魚船和運(yùn)魚艙兩部分組成的一個(gè)“浮式魚道”，誘魚進(jìn)入集魚艙后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、拍攝、選魚、防止魚病措施等工作，再使魚轉(zhuǎn)入運(yùn)魚艙，并與集魚艙脫鉤（兩艙原連掛一起），最后借助通航建筑物或其他運(yùn)輸設(shè)施將運(yùn)魚艙運(yùn)行過壩，