河海大學(xué)《水工建筑物》第七章水閘

1、1第七章 土基上的水閘(Sluice on earth foundation)2第一節(jié) 概述第二節(jié) 水閘的閘孔和消能防沖第三節(jié) 閘基的防滲排水第四節(jié) 閘室的布置和構(gòu)造第五節(jié) 閘室的穩(wěn)定分析和地基處理第六節(jié) 閘室的結(jié)構(gòu)計算第七節(jié) 兩岸連接建筑物第八節(jié) 閘門和啟閉機(jī)PP.1803水閘建設(shè)概況: 建國以來，隨著我國水利事業(yè)的蓬勃發(fā)展，全國各地興建了數(shù)以千計的大中型水閘。大大增強(qiáng)了這些地區(qū)的防洪、抗旱和排澇能力。促進(jìn)了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，保證了人民群眾的生命安全,產(chǎn)生了巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益。 第一節(jié) 概述4江都水利樞紐工程江都抽水站之太平閘5一、水閘的作用和類型 水閘的作用：水閘是一種既擋水又泄水的低水頭

2、水工建筑物,通常建造在土基上,也稱活動壩。PP.1806PP.180、按任務(wù)不同，可分為以下五種：進(jìn)水閘、節(jié)制閘、分洪閘、排水閘、擋潮閘7、按閘室結(jié)構(gòu)分、按閘室結(jié)構(gòu)分開敞式： 閘室露天 有胸墻與無胸墻涵洞式：閘室后部有洞身段，洞頂有填土覆蓋。、按操作閘門的動力分按操作閘門的動力分機(jī)械操作閘門的水閘：平面鋼閘門、升臥門、弧形門等水力操作閘門的水閘：水力操作閘門的水閘(自動翻板門)8910滾 輪導(dǎo) 軌連 桿支 腿支 墩面 板圖 5 連 桿 滾 輪 式 水 力 自 控 翻 板 閘 門11上游連接段 閘室段 下游連接段 (引導(dǎo)水流平順進(jìn)入閘室) (調(diào)節(jié)水位和流量) (消能、防沖)閘室： 底板、閘墩、閘

3、門(胸墻)、工作橋、交通橋閘門（承受水壓力)閘墩（承受上部結(jié)構(gòu)重量）底板(較均勻地傳力給地基）上游連接段 翼墻、 鋪蓋、護(hù)底、防沖槽、護(hù)坡 下游連接段 翼墻、 護(hù)坦(消力池)、海漫、防沖槽、護(hù)坡二、水閘的組成及各部分作用 PP.1811213上海攔路港元蕩分流節(jié)制閘工程14 穩(wěn)定問題：水平水壓力、滲透壓力不利于穩(wěn)定三、水閘的工作特點(diǎn)PP.182 滲流問題：揚(yáng)壓力降低結(jié)構(gòu)有效自重 土體顆粒易產(chǎn)生滲透破壞 沖刷問題：流速大，會沖刷下游河床、岸坡 沉降問題：地基受壓后變形，使水閘下沉15 與溢流重力壩相比有如下一些特點(diǎn):1.水流特點(diǎn)a.開始泄流時，通常下游無水，或水深很淺，隨著閘門開度增大，下泄量和

4、下游水位也相應(yīng)變化，從無到有、從小到大，大幅度變化使流態(tài)(淹沒出流、自由出流)較為復(fù)雜，給消能設(shè)計和計算帶來困難;b.水頭差小，佛氏數(shù)(Froude)低(小于4.5)，消能效果差佛氏數(shù)在1.01.7 易形成波狀水躍c.泄流不對稱時或有某些干擾時易產(chǎn)生折沖水流; d.水頭差作用下易產(chǎn)生滲透變形;16172.地基特點(diǎn) a.土基上的水閘抗滑能力差(f小)。 b.承載能力差 c.易壓縮變形產(chǎn)生不均勻沉降 d.抗沖刷能力低 3.結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 是彈性地基上的板、梁、柱綜合體 注意解決的問題: a.選擇與地基條件相適應(yīng)閘室結(jié)構(gòu)型式，保證閘 室及地基的穩(wěn)定性; b.做好防滲設(shè)計(河床及兩岸) c.做好消能防沖設(shè)計

5、，避免出現(xiàn)危害性沖刷;18 第二節(jié) 水閘的閘孔和消能防沖 一、閘孔設(shè)計閘孔設(shè)計的任務(wù)：確定閘孔的形式、孔口尺寸和堰頂高程(一) 設(shè)計條件 已知設(shè)計流量Q和下游水位，求閘孔寬； 對節(jié)制閘，要合理確定過閘水頭損失H；PP.18119(二)閘孔形式 寬頂堰孔口、低堰孔口、胸墻孔口n寬頂堰：2.5H堰頂厚度4H或無坎，常用于平原地區(qū)，自由泄流范圍大且穩(wěn)定；施工簡單；流量系數(shù)m較小，易產(chǎn)生波狀水躍。n實(shí)用堰：0.67H堰頂厚度2.5H，常用于上游水位允許有較大雍高的山區(qū)，自由泄流時流量系數(shù)m較大，流量Q受下游水位影響較大。n胸墻式：用于上游水位變幅較大時；可減小閘門及工作橋高度，增加閘室剛度；不利于排冰

6、排污和通航。20運(yùn)用條件： 節(jié)制閘與河底齊平或略高；進(jìn)水、分洪閘比河底略高（防泥沙）。(三) 堰頂高程選擇PP.183經(jīng)濟(jì)要求： 底板高程低水深， q 閘室總寬度,但增大閘身和兩岸結(jié)構(gòu)高度，消能防沖費(fèi)用，泥沙淤積。需考慮運(yùn)用條件、經(jīng)濟(jì)要求和單寬流量的要求單寬流量的要求：抗沖刷能力21堰流公式(四) 閘孔總寬度及孔數(shù)的確定23002 HgmQB 式中各系數(shù)的確定見水閘設(shè)計規(guī)范SL265-2001附錄A。PP.183孔流公式：002gHhQBe22n 求出總凈寬B0后，根據(jù)需要進(jìn)行孔口劃分。閘孔數(shù)n=B0 / b，如運(yùn)用上無特殊要求，大型水閘一般b=812m (閘門寬高比為1.52.0)，小型水閘

7、b=3m。n 當(dāng)n8時盡量取單數(shù)，以便對稱開啟。n 閘室總寬L=n b+(n-1)d，d為閘墩厚度。3.閘室總寬度：PP.18323二、水閘的消能防沖(一) 過閘水流的特點(diǎn)n平原上的水閘上下游水位多變，出閘水流形式多變；n平原上的水閘上下游水頭差小，當(dāng)佛氏數(shù)在1.01.7 時易形成消能效果差的波狀水躍；n水閘寬度較上下游河道窄，水流過閘先收縮再擴(kuò)散，如布置不當(dāng)，易產(chǎn)生折沖水流，沖毀消能防沖設(shè)施和下游河道。PP.18424n控制單寬流量；方向與原河床主流方向一致；n合理選擇下游翼墻的擴(kuò)散n下泄水流角，以利于水流擴(kuò)散；n消能防沖設(shè)計n合理的閘門開啟程序(二) 采取的措施25(三) 消能防沖設(shè)施 消

8、能防沖設(shè)施必須 在各種可能出現(xiàn)的水力條件下，都能滿足消散動能、均勻擴(kuò)散水流、防止沖刷的要求，并與下游河道有良好的銜接。消能防沖設(shè)施包括：底流消能、海漫和防沖槽。大多數(shù)水閘采用底流消能。 底流消能的主要結(jié)構(gòu)是消力池，在池中形成水躍進(jìn)行消能。消力池后緊接海漫，在海漫上繼續(xù)消除水流剩余動能，使水流擴(kuò)散并調(diào)整流速分布，以減小底部流速，從而保護(hù)河床免受沖刷。261.消力池：使水流形成水躍，避免地基遭沖刷(1)消力池的布置PP.185 當(dāng)hs hc時，產(chǎn)生遠(yuǎn)趨式水躍或臨界水躍，需建消力池。反之，不需建消力池，而實(shí)際工程中，為了安全仍取池深P=0.51.0m下挖式消力池、突檻式消力池和綜合式消力池是底流式消

9、能的三種主要形式 。下挖式消力池與閘室底板之間直接用斜坡段連接即可，規(guī)范規(guī)定消力池斜坡段坡度不應(yīng)陡于1：4。傾斜段不宜設(shè)排水孔，護(hù)坦后部設(shè)鉛直排水孔以降低池底板滲透壓力，并在該部位底面鋪設(shè)反濾層。 2728消力池的長度可用以下經(jīng)驗(yàn)公式計算：nslLL式中L 為消力池長度； Ls為斜坡段的水平投影，一般為(34)P； 為水躍長度校正系數(shù)，一般取0.70.8； l n為水躍長度，按下式計算：）ccnhhl(9 . 6消力池的深度ZhhPsc 029(2).輔助消能工 n作用：加大水流阻力；加強(qiáng)水流紊動和撞擊；穩(wěn)定水躍；利于擴(kuò)散水流n類型：消力墩，消力梁，散流墩等(3) 護(hù)坦構(gòu)造 材料：混凝土 、鋼

10、筋混凝土厚度：一般為0.51.0m；排水孔布置：孔徑525cm，間距1.53.0m，呈梅花形布置；底部設(shè)置反濾層；(圖5-8)PP.186302. 海漫及防沖槽海漫：緊接護(hù)坦，進(jìn)一步消除余能，調(diào)整流速分布要求：抗沖、表面粗糙、透水、有一定柔性；(1)材料：漿砌石、干砌石；PP.18731(2) 防沖槽n限制沖刷向上游擴(kuò)展，保護(hù)海漫。深度一般為1.52.0m，上下游坡度可采用1:21:4。 323.上游河床防護(hù) (護(hù)底) 長度一般為(35)H，采用漿砌石或干砌石結(jié)構(gòu)。必要時上游護(hù)底首端應(yīng)設(shè)防沖槽(或防沖墻)，其深度一般采用1.0m。4.上、下游河岸的防護(hù) (護(hù)坡) 采用漿砌石或干砌石結(jié)構(gòu)，厚約3

11、050cm，底部一般鋪設(shè)10cm厚的卵石或粗砂墊層；每隔810m設(shè)混凝土埂或漿砌石埂。PP.18833第三節(jié) 閘基的防滲排水 n閘基滲流的主要危害： (1) 沿閘基的滲流對建筑物產(chǎn)生向上的壓力，減輕建筑物有效重量，降低閘身抗滑穩(wěn)定性，沿兩岸的滲流對翼墻產(chǎn)生水平推力； (2) 由于滲透力的作用，可能造成閘基土體滲透變形； (3) 嚴(yán)重的滲漏將造成大量的水量損失；PP.1893435n防滲設(shè)計的要求： 確定最優(yōu)的地下輪廓及防滲排水措施，使?jié)B透壓力適當(dāng)減小，使閘基不發(fā)生滲透變形，并使閘基滲透量控制在允許范圍內(nèi)。36(一）防滲長度n 地下輪廓線：閘基滲流的第一根流線，即鋪蓋、板樁等防滲結(jié)構(gòu)以及閘室底板

12、與地基的接觸線。一、地下輪廓的擬定PP.189n地下輪廓線的長度L 稱為防滲長度 應(yīng)滿足：Lc H，c 值見PP.190表5-1。n地下輪廓線有三個特點(diǎn)：起點(diǎn)是入土點(diǎn)，終點(diǎn)是出土點(diǎn)，中間是連續(xù)線 3738(二)地下輪廓布置(1) 布置原則： 滯滲(防滲)與導(dǎo)滲(排水)相結(jié)合PP.190 在閘室底板下游一側(cè)布置排水及反濾設(shè)施，使?jié)B透水流盡快地安全排走，以防止發(fā)生滲透變形，并減小底板滲透壓力，叫導(dǎo)滲。 在閘室底板上游一側(cè)布置防滲設(shè)施(如鋪蓋、板樁及齒墻等)，用來延長滲徑，減小底板滲透壓力，降低閘基滲流的平均坡降，叫滯滲；394041粘性土地基： 有粘著力，不易產(chǎn)生管涌，但底板與土壤間摩擦系數(shù)小，不

13、利于閘室穩(wěn)定。(2) 不同地基土質(zhì)情況下的地下輪廓布置降低滲透壓力，增加閘身有效重量。閘室上游設(shè)置鋪蓋(不用板樁)，閘室下游護(hù)坦底部應(yīng)設(shè)排水設(shè)施，下游排水可延伸到閘底板下。42砂性土地基： 防止?jié)B透變形，對降低滲透壓力的要求較低。n(a)砂層很厚 上游可采用鋪蓋和懸掛式板樁相結(jié)合的形式，下游滲流出口處應(yīng)設(shè)置反濾層，排水布置在護(hù)坦之下。n(b)砂層較淺 板樁直接深入相對不透水層，下游滲流出口處應(yīng)設(shè)置濾層，排水布置在護(hù)坦之下。 4344二、滲流計算 滲流分析的目的：滲透壓力、滲透坡降水閘滲流是有壓滲流。 分析方法：規(guī)范中推薦采用改進(jìn)阻力系數(shù)法和流網(wǎng)法作為求解土基上閘基滲透壓力的基本方法。復(fù)雜土基上

14、重要水閘，應(yīng)采用數(shù)值計算法求解?；炯俣ǎ哼_(dá)西定律、拉普拉斯方程PP.1914546(一)加權(quán)直線法 由直線比例法發(fā)展而來。把地下輪廓上、下游端的鉛直滲徑擴(kuò)大一個倍數(shù)n，而其他部分仍保持不變。 假定端板樁（或齒墻）的深度為S，地下輪廓水平投影長度為L，計算用透水層深度為T，則同時滿足S/T0.1和S/L0.1的為短板樁，取n=4；否則視為長板樁，取n=2。(繪圖說明)PP.19247(二) 改進(jìn)阻力系數(shù)法 把閘基的滲流區(qū)域按可能的等水頭線劃分為幾個典型流段，根據(jù)滲流連續(xù)性原理，流經(jīng)各流段的滲流量相等，各段水頭損失與其阻力系數(shù)成正比，各段水頭損失之和等于上下游水頭差。481.基本原理 圖示為一矩

15、形滲流區(qū)域。根據(jù)達(dá)西定律，通過該區(qū)域的單寬滲流量為：LhkAAkJqALkqhkqhAL則，記PP.192 可見：h與成正比，而僅與滲流區(qū)的幾何形狀有關(guān)，是滲流邊界的函數(shù)。49 水閘的閘基滲流區(qū)域比較復(fù)雜，可以將其按可能的等水頭線劃分為幾個典型流段，各典型流段有各自的阻力系數(shù)i ，各段的水頭損失為：,kqhiiPP.193 根據(jù)滲流連續(xù)性原理，各流段的單寬滲流量相等，因此：kqhiiiikqhHiiiHhiHkq 閘基滲流的總水頭損失應(yīng)為各段水頭損失的之和，即：5051 2.主要計算步驟確定地基計算深度Te 若Te地基的透水深度T，則取Te=T計算。0005 . 0,5LTSLe時當(dāng)26 .

16、15,500000SLLTSLe時當(dāng)L0為地下輪廓的水平投影長度；s0為鉛直投影長度PP.19352 按可能的等水頭線劃分為幾個典型流段(進(jìn)口段、出口段、水平段、內(nèi)部鉛直段) 按PP.194表5-2公式計算各段的阻力系數(shù)。要正確計算T、S、S1、S2等參數(shù)。(3)求出各段水頭損失hi i，繪制滲透壓力分布圖iiiHh(2)分段并計算各段的阻力系數(shù)53(4) 進(jìn)、出口段水頭損失修正)059. 0(2)(12121. 12TSTT) 11( ,00取時進(jìn)出口段hh0)1 (hh水頭損失減少了niiTHha154(5) 齒墻不規(guī)則部位的修正hhhhhxxx當(dāng))(,2xyyxxyxxhhhhhhhhh

17、h當(dāng))(2,2yxCDCDyyxxyxhhhhhhhhhhhh當(dāng)55(6) 抗?jié)B穩(wěn)定性驗(yàn)算 n要求水平段及出口段的滲透坡降必須小于規(guī)范規(guī)定的允許坡降。n水平段的平均滲透坡降根據(jù)各水平段的長度和水頭損失計算。n出口段的平均出逸坡降：00JShJ 作業(yè)：56改進(jìn)阻力系數(shù)法作業(yè) 已知：H1=6.0m，H2=2.0m，T地基=20m，試用改進(jìn)阻力系數(shù)法求： (1)閘底板下的滲透壓力； (2)閘底板水平段的平均滲透坡降和出口處的平均逸出坡降。5758(一) 鋪蓋 （水平防滲設(shè)施） 滲透系數(shù)比地基的小100倍以上； 鋪蓋長度采用上、下游最大水頭差的35倍； 并非越長越好。三、防滲排水設(shè)施PP.195 1.

18、粘土及粘壤土鋪蓋 （K10-5cm/s） 鋪蓋厚度=H / J，上游端不小于0.6m，末端不小于11.5m； 為防止沖刷，表面應(yīng)設(shè)護(hù)面結(jié)構(gòu)。59602.混凝土、鋼筋混凝土鋪蓋 （K10-7cm/s） 可用C15、C20混凝土，厚度一般為0.40.6m，每1020m設(shè)沉降縫PP.196613.復(fù)合土工膜防滲 （K10-11cm/s） () 土工合成材料是應(yīng)用于巖土工程的、以合成材料為原材料制成的各種產(chǎn)品的統(tǒng)稱。因?yàn)樗鼈冎饕糜趲r土工程，故冠以“土工”(geo一)兩字，稱為“土工合成材料”，以區(qū)別于天然材料。 可分為四大類：土工織物、土工膜、土工復(fù)合材料、土工特種材料。 補(bǔ)充 六大功能：排水、反濾

19、、防滲、防護(hù)、隔離、加筋；62(二) 板樁 (垂直防滲設(shè)施)一般設(shè)在閘室底板高水位一側(cè)或混凝土鋪蓋起端;低水位一側(cè)的短板樁可減小出口的滲透坡降，但底板滲透壓力會增大；鋼筋砼板樁：5060cm寬，1015cm厚，長度不超過8m，采用C20、C25預(yù)制。 (三) 齒墻鋼筋混凝土做成，深度一般為0.51.5m延長滲徑、增加閘室穩(wěn)定性PP.19663(四) 排水及反濾層 排水位置對底板滲透壓力大小的影響(圖) 反濾層：由23層不同粒徑的砂石料組成，層面大致與滲流方向正交，粒徑順著滲流方向由細(xì)到粗。(另見PP.154)PP.19764 第四節(jié) 閘室的布置和構(gòu)造 一、底板按底板與閘墩的連接方式分：整體式、

20、分離式PP.198整體式：閘墩和底板澆筑成整體n 底板是傳力結(jié)構(gòu)，將荷載較均勻地傳給地基。閘室整體性較好，適用于松軟地基。65PP.1992.分離式：底板與閘墩用沉陷縫分開。閘墩傳力，底板僅防滲抗沖，一般適用于巖基或壓縮性小的土基。n (順?biāo)鞣较?長度L：受上部結(jié)構(gòu)布置所控制、考慮地基受力情況等。經(jīng)驗(yàn)值: (1.52.5)H1n 厚度：( 1/51/7)閘孔凈寬66二、閘墩作用： 分隔閘孔、承載頂部高程：閘門上游部分的頂高程高出設(shè)計（或校核）水位、閘門下游部分可適當(dāng)降低。長度：與底板同長或稍短。厚度：門槽處最小厚度不宜小于50cm； 工作門槽深0.30.5m，寬0.51.0m 檢修門槽深0.

21、150.2m，寬0.20.3m6768三、胸墻 頂部高程：與墩頂相同 底部高程：有泄流所需的孔口高度決定 胸墻位置：采用弧形閘門時，設(shè)在閘門上游;采用平面閘門時，閘門上下游均可。 作用：減小閘門高度和啟門力、增加閘室剛度69PP.199 常用結(jié)構(gòu)形式： 板式 板梁式 支承方式： 簡支式 固支式70四、工作橋和交通橋 工作橋： (大中型水閘) 面板厚度810cm， 縱梁翼板端部厚810cm，根部加厚至2025cm；縱梁高約為跨度的1/81/10，肋寬約為梁高的1/3，但不小于2530cm， 橫梁截面一般為2550 cm 3060cm。PP.2007172五、縫和止水 防止閘室因地基不均勻沉降及溫

22、度變化而產(chǎn)生裂縫。 伸縮縫：縫距1520m，縫寬14mm 沉降縫：縫距1525m，縫寬22.5cmPP.200 除此以外，不同結(jié)構(gòu)之間都需要設(shè)沉降縫。 凡具有防滲要求的縫都要設(shè)置止水設(shè)備。按止水位置不同，可分為鉛直止水和水平止水。737475(一)荷載自重水重?fù)P壓力水平水壓力 第五節(jié) 閘室的穩(wěn)定分析和地基處理 一、荷載計算PP.20276有混凝土鋪蓋時，水平水壓力計算77以一個閘室段為計算單元。常用計算公式：二、表層抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算PP.204(二) 荷載組合基本組合：正常運(yùn)用期、完建期特殊組合：校核洪水位、檢修期、地震等ccKHGfKtan00ccKHACGK粘性土地基上的大型水閘，宜按第二式計算；78 KC值可查 PP.205 表5-4。 提高閘室抗滑穩(wěn)定的措施：(1)調(diào)整閘門位置，增加水重； (2)增加防滲長度，或在滿足防滲安全的條件下將排水設(shè)施向底板靠近；(3)增加齒墻深度；(4)用鋼筋混凝土鋪蓋作阻滑板。 79 (一)基底壓力 假定：順?biāo)鞣较蚓€性分布。計算公式如下：三、地基反力計算PP.2052maxmin6BLMBLG 式中：B、L 分別為計算段閘底板寬度和順?biāo)鞣较蜷L度。 minmaxminmax)2(2)() 1(二) 地基反力要滿足兩個條件：80 目的：滿足地基承載力和沉降量的要求常用措施： 換土墊層