水閘消能防沖設計

1、水閘消能防沖設計教學文本水工建筑物教學資源庫項目組編寫2014年9月目錄1.教案計劃表- 1 -2.教學實施- 2 -【步驟1】復習鞏固- 2 -【步驟2】結合工程案例引入新課內容- 2 -【步驟3】課程介紹及知識講授- 2 -【步驟4】案例講解- 20 -【步驟5】學生實訓- 20 -【步驟6】評價及反饋- 21 -1.教案計劃表 表1 教案計劃表單元名稱水閘消能防沖設計學時：2項目名稱水閘設計教學地點多媒體教室學生角色設計輔助人員教學目標知識目標技能目標態(tài)度目標（1）了解過閘水流的特點；（2）掌握消能防沖設計條件的確定方法；（3）掌握水閘的底流消能工設計（消力池深度、長度、消力池構造）方法

2、；（4）掌握水閘的海漫設計方法；（5）掌握水閘的防沖槽設計方法；（6）掌握波狀水躍、折沖水流的防止措施。（1）能正確理解過閘水流的特點；（2）會確定消能防沖設計的條件；（3）理解水閘的底流消能工的設計方法、思路；（4）會進行海漫設計；（5）會進行防沖槽設計；（6）會運用綜合措施以防止波狀水躍、折沖水流。（1）能按時到課、遵守課堂紀律、認真聽講、積極回答課堂問題，能按時交作業(yè)；（2）課下能配合小組積極完成老師布置的各項任務；（3）同學間能對疑難問題相互討論；（4）能勇于表達個人的觀點和見解。能力訓練任務及案例（1）完成案例任務：水閘的底流消能工設計（消力池深度、長度、消力池構造）；（2）完成案例

3、任務：水閘的海漫設計；（3）完成案例任務：水閘的防沖槽設計。教學重點、難點重點：（1）消能防沖設計條件的確定；（2）底流消能工設計（消力池深度、長度、消力池構造）；（3）海漫設計；（4）防沖槽設計。難點：（1）過閘水流的特點；（2）消能防沖設計條件的確定；（3）底流消能工設計；（4）海漫設計；（5）防沖槽設計；（6）波狀水躍、折沖水流的防止措施。教學方法、手段案例法，講練結合法，黑板、多媒體課件，動畫。教學組織過程 首先導入本次課學習任務，引入工程案例，講解過閘水流特點及消能條件選擇；其次結合工程實例背景資料選擇合適的消能結構，通過理論分析推導消力池深度，池長計算公式，講授消力池構造設計注意問

4、題，；結合工程案例，進一步講解海漫、防沖槽的結構設計，依托案例邊講邊練；最后布置任務，學生案例訓練，讓學生分析、討論解決問題，教師輔導評價，課堂小結。教學條件工程案例；練習題；課程相關課件。作 業(yè)基礎試題（填空、選擇題等）、技能訓練習題備 注2.教學實施【步驟1】復習鞏固【步驟2】結合工程案例引入新課內容某攔河閘為不設胸墻的開敞式水閘，無底坎平頂板寬頂堰，堰頂高程與河床同高（30.00m）。單孔凈寬8m，共7孔，閘孔總寬度為64m。整體式底板，邊2孔一聯，中3孔一聯，縫設在閘墩上，中墩非縫墩厚1.2m，中墩縫墩厚1.6m，邊墩厚1m。正常擋水位為38.50m。【步驟3】課程介紹及知識講授水閘泄

5、流時，流速大，水流具有較大的動能，紊動強烈（且水頭和單寬流量越大，能量也越大）。而土質河床抗沖能力很低，因而下游沖刷是一種相當普遍的現象。有的沖刷并不危害建筑物的安全，一般是允許的。對有害的沖刷，必須采取措施加以防止設計不當和運用管理不善造成。目的：1.消能（消除上、下游水位差導致水流的動能），保護水閘安全使用。2.河床、岸坡的防沖，保護河床、岸坡能抵抗沖刷。兩方面措施同時并舉，以前者為主，防沖為輔。一、閘下游發(fā)生沖刷的原因（與過閘水流的特點密切相關）及防沖措施：（一）水流形式復雜：設計時上下游水位選擇不當，不能形成淹沒式水躍，或淹沒過大垂直擴散不良而形成底部急流水流出閘時的流態(tài)較為復雜，初始

6、泄流時，下游水深很淺甚至無水，隨著閘門的抬升，下游水位逐漸加深，在這一過程中，水流由孔流 堰流，由自由出流 淹沒出流，形成水躍，當為淹沒水躍時對消能有利，但淹沒過大時，急流沿底部前進，對、消能反而不利。（二）上、下游水位差小（?。┬纬刹钏S由于上、下游水位差較小，其弗勞德數也小，當=11.7時就會出現波狀水躍，此時形成不正常的水躍，即不強烈的水躍旋滾，水面消能效果甚微，具有較大的沖刷能力，水流保持急流前進，與翼墻分離而不向兩側擴散，致使兩側產生回流，縮小河槽有效寬度，局部q增大，嚴重沖刷河床及兩岸。二、波狀水躍及折沖水流：（一）波狀水躍：（1）產生原因：當閘下游，或收縮斷面處的=11.7時，

7、水躍無明顯旋滾，呈一系列逐漸消失的波浪形態(tài)的水流，即所謂波狀水躍，波狀水躍消能效率不超過20%，故80%動能被水帶入下游，對河床產生不利沖刷，故要避免其產生。（2）防止措施：平底板閘門：在消力池斜坡段的頂部上游留出0.51.0m寬的平臺，在上面設置一道小檻（齒形檻、分水墩），使水流越檻入池，形成底流式水躍，檻高（閘孔出流的第一共軛水深）。低實用堰型底板閘門：有助于消除波狀水躍。（二）折沖水流：（1）產生原因： 泄流時水流偏離主流方向，引起原因：設計不當：翼墻擴散角選擇不當。管理不當：閘門開啟不對稱。折沖水流出了消力池后繼續(xù)蜿蜒蛇形，沖刷兩岸（2）防止沖刷： 布置措施（設計） a.翼墻采用較小的

8、擴散角7°12°（1:81:15）。b墻頂高出下游最高水位（以免下游回流由墻頂浸回消力池） 。管理措施a.閘門均勻開啟和關閉低泄量時隔孔交替開啟，使水流均勻。b.對稱開啟和關閉先開中間，后兩邊；或先兩邊，后中間。三、水閘的消能水利工程上為了避免水流對河道的沖刷，必須采取一些減小泄水建筑物下泄水流動能的措施，以滿足工程的經濟與安全要求，減小下泄水流的動能，從水力學角度來看，主要增加下游水深，使動能轉變?yōu)閯菽?，以減小水流對河床的沖刷，或增加下游水流紊動程度，使動能轉變?yōu)闊崮芟⒌?。此外，還可以利用挑流水股與空氣的摩擦以及水流摻氣來消能。（一）消能方式選擇：利用上述原理設計的水流

9、銜接和消能主要方式一般有下列兩類：A:利用固體邊界將水股分散，增加水流紊動程度達到消能目的常用的方式有：（1）挑流消能：在溢流建筑物的末端設置比下游水位高的挑流坎，利用高速水股下泄的動能，把水股拋向空中，再投入下游河道，水股與空氣的摩擦，水流摻氣以及水股射進下游河道時形成沖坑，產生漩渦，均可消減能量。適應條件：上、下游水位差大（水頭高），河床巖體堅硬，水位變化大。（2）面流消能：在溢流建筑物末端設一個比下游水位低的水平的或仰角較小的導流坎，將高速的水流引向下游水流表層，在河床與表層高流速水流間形成漩渦區(qū)消能。適應條件：下游河道水深變化小，河床及河岸抗沖能力好，有泄水或過木要求。（3）消力戽消能

10、：在建筑物末端設置一個大反弧的低鼻坎，下游水位比鼻坎高，鼻坎把高流速的水流挑離河床在反弧及坎下分別形成兩個或三個大漩滾，以達到消能目的。 論證：由于水閘的水頭低，下游水深大，下泄水流沒有足夠的能量將水流挑起并拋射到一定遠的距離，且水閘多修建在土基上，地質抗沖能力差，故無法選擇挑流式消能，又因水閘下游水深變化大（常由有水到無水），一般又難以產生面流式水躍。因此：水閘一般只能采用底流式水躍消能。當然也可以有不同選擇，詳見書P190(盡管底流式有時因上下游水位差較小而消能效率不變，但它對下游水位變動的適應性較好，在平面上也易于擴散)。底流式消能由于水躍中的高速水流靠近河渠底部，因此將利用水躍進行水流

11、銜接和消能的方式稱為底流式消能。 B:下泄水流通過水躍與下游水流銜接，利用水躍消能。（水躍：水流從急流過渡到緩流時水面突然躍起的局部水力現象稱為水躍）水躍分為主流區(qū)和旋滾區(qū)兩部分，水流能量主要在主流區(qū)與旋滾區(qū)的接觸地帶消失。因為該處的紊動附加切應力很大，一般在該處可以消耗總能量的40%67%，由于水躍中的高速水流靠近河渠底部，因此將利用水躍進行水流銜接和消能的方式稱為底流式的水面銜接與消能。水躍 臨界式水躍極不穩(wěn)定。遠離式水躍延長建筑物下趾的急流段，使水流在較長的一段距離內處于急流狀態(tài)沖刷河床，故砌護工程量相當大。淹沒式水躍對消能最為有利。 從工程的經濟和安全要求出發(fā)，希望產生淹沒式水躍，產生

12、淹沒式水躍要求水工建筑物下游要有足夠的水深，而要增加下游水深就需要修建一些輔助建筑物有:消力池消力墻綜合式消力池 在靠近建筑物下游降低河床高程，形成水池，增加水深。 在靠近水閘下游河床上修筑擋土墻，擋高水閘與擋水墻（稱消力池）間水位，增加水深。當地質或施工條件受到限制，單做消力池或消力墻不適合時，可把消力池和墻結合起來做成綜合式消力池。（二）防止措施（1）選用適宜的單寬流量（2）合理進行平面布置盡量使下泄水流與原河床主流位置和方向一致，并控制下游翼墻擴散角，以利水流擴散，避免或減輕回流影響。（3）采取必要的消能防沖措施以消減下泄水流余能和保護河床兩岸。（4）制定合理的閘門開啟程序開門時，自中孔

13、開始對稱均勻開啟。關閉時，與上述操作相反。 防止因單孔開啟（或集中幾孔開啟）而導致q過分集中，或因開啟不對稱而導致偏離（三）消能設計條件的選擇：消能防沖的設計，應根據不同的控制運用情況，選擇確定設計條件最不利的水位和流量組合條件，通常以過閘水流具有最大單寬能量E時，作為控制條件式中：水容量；上、下游水位差；閘孔單寬流量。閘門全開時， 、，不一定是控制條件。起控制作用的，可能是上游開閘泄流的最高擋水位或下游始水位是最低水位時，閘門部分開啟，泄放某一流量時，此時E最大，是控制條件。因此，設計應根據水閘的運用特點，選擇幾種可能的水位流量組合，結合考慮合理的閘門操作方案，通過計算或實驗分析比較后確定。

14、閘門操作管理：對消能防沖影響很大，設計時要求閘門盡可能均勻，分檔，間歇地開啟。每次開0.51.0m,如先開孔0.5m,待下游水位升高后，再開啟兩側閘孔，逐次類推，直至閘門全部開啟。（四）消力池設計：底流式消能希望在水閘下游河道中產生淹沒式水躍，而產生淹沒式水躍要求水工建筑物下游要有足夠的水深，要增加下游水深就要修建一些輔助建筑物消力池。底流式消能：（輔助建筑物）消力池：促成淹沒式水躍，所必須的尾水深度，并保護水躍護水躍范圍內的河床免受沖刷。輔助效能工：消力墩、消力齒等，為提高效能效果，改善水流條件。（1）消力池分類：（工程中多采用挖深的方法形成消力池）下挖式（挖深式）消力池若下游水深不足，降低

15、護坦高程形成消力池。下挖式突檻式消力池，帶消力檻的護坦（當下游水深略小于或等于躍后水深時，可采用尾檻構成）地基難開挖，冬季要求放空池中積水，防止冰凍。突檻式綜合式消力池，淺挖低檻的消力池（降低護坦高程挖方大，施工困難，增加工程造價時用，不常用，常需在檻后設三級消力池，且檻后水面波動大綜合式進行消力池尺寸設計時，包括池深和池長，用水力學公式計算，計算步驟如下：（2）判斷是否修建消力池判斷依據 自由出流 要修建（挖）消力池 淹沒出流 不修建（挖）消力池作法：可由水利計算求得孔流流量公式： 查下游HQ曲線 式中：寬頂堰上孔流淹沒系數；寬頂堰上孔流流量系數，查表或由公式計算；  孔口高度。挖

16、深前：a.孔口出流收縮斷面水深：垂直收縮系數b.躍后水深：hc共軛的躍后水深，m； q收縮斷面處的單寬流量，按不擴散計(例閘底板長10m，(23)he=1.53，沒有超出閘底板范圍，故不擴散)。結論：以時所對應的n,he為開閘泄流量最不利情況，為消能控制條件來設計，水工中一般即使下游水深已夠，一般仍使池板高程低于閘底板0.51.0m,以改善水流形態(tài)，稱為均流池。（3）消力池尺寸計算：（挖深后）池深和池長消力池深度計算。式中: d消力池深度，m；o水躍淹沒系數，可采用1.05-1.10；hc躍后水深，m； hc收縮水深，m； T0總勢能，m；Z出池落差，m； hs出池河床水深，m。求hc 和hc

17、的兩種方法：a.圖解法：求矩形斷面明渠 求：臨界水深由查曲線查曲線 b.求的迭代法求將代入上式，求當符號兩邊相等為止。求出后代入上式求挖深后的求d的設計步驟：（分三步走）a.假定池深d求迭代或求解和b.求，消力池末端的c.求水躍淹沒系數要求之間即滿足要求，否則應重新假定d再進行上述步驟的試算，直到滿足要求為止，此時d即為設計值。池長計算：取決于水躍長度消力池一般包括：a.斜坡段: b.水平段: 池長為這兩部分之和斜坡段當池底高程低于閘底板高程時，在閘底板與消力池間常用不陡于1:4的斜坡段連接，過陡會在出閘流速較大時，水流將脫離坡面而產生局部真空，導致結構破壞水平段水平段長度應保證水躍發(fā)生在池內

18、，由最大水躍高度和最大水躍后水深相應的水位流量組合計算確定，通常取決于大流量的泄流流態(tài)，因消力池末端的尾坎對水流有反擊作用，使池中水躍長度較自由水躍減小約20%30%。所以消力池水平段的長度一般可取自由水躍長度的（0.70.8）倍。式中：m為斜坡坡率；d閘底板與消力池底的高差；水躍長度，矩形斷面非擴散二元水躍，擴散形或階梯形水躍當大于4時式中: 收縮斷面處弗汝德數評論：錯：a.用非擴散式消力池（q大）計算替代擴散式消力池（q?。┯欣诎踩Γ篵.對大型水閘，池深與池長需通過水工模型試驗驗證（算出消力池長度和實際工程有差距，所以最后確定時應參考同類型已建工程最后確定）。錯：c.另（折線底板）消

19、力池一般緊接著閘室布置，但如果閘室高度不大，地基較為密實，閘室長，且上下游河床高差較大時，可將部分閘室布置成消力池（這種情況下的閘室底板成為折線底板）優(yōu)點：可縮短消力池長度，減小工程量和投資。缺點：有一部分水躍建在閘室內部，易形成震動，如地基不好，易形成不均勻沉陷。（4）消力池的構造：（指對消力池護坦和尾檻在構造上的一些要求）護坦：消力池的底板稱為護坦，（護坦對防止河床沖刷和保證閘室安全至關重要。a.底板受力：承受水流的沖擊力，水流脈動壓力，底部揚壓力等作用。b.底板要求：具有足夠的重量、強度和抗沖耐磨能力。c.底板型式：一般是等厚的， 也可以是不等厚的，始端厚度大，向下游逐漸減小，只用于大中

20、型水閘，厚度由大到小，因前部沖擊力大，后部沖擊力小。d.底板厚度：根據抗沖和抗浮要求定，但護坦受力條件十分惡劣，特別是動水壓力難以精確確定，因此護坦厚，應有較大的安全系數，不能太薄，根據工程經驗，護坦厚度不應小于0.5m，大中型水閘，一般為0.51.0m。e.底板材料：一般用C15C20砼澆筑。f.分縫：為適應不均勻沉陷和溫度變形，沿順水流方向，與閘室、岸墻、翼墻之間分縫縫距1012m，縫寬2.02.5m,在垂直水流方向，不分縫，保證穩(wěn)定。g.止水：有縫的地方必須設止水（在閘基防滲范圍內設止水設備，否則不設止水，鋪貼瀝青油毛氈。h.設排水孔：為降低護坦底部的滲透壓力，應在水平護坦后設置垂直排水

21、孔（中后部），孔下鋪設反濾層，孔徑（510cm），間距（1.03.0），呈梅花形布置（也可呈矩形）。i.配筋：對大型護坦，按構造布置1012的縱橫向鋼筋，間距2530cm。確定護坦厚度：抗沖要求：當護坦不承受滲透壓力，厚度可按抗沖要求估算。始端（等厚） 式中：t消力池底板始端厚；k1消力池底板計算系數，可采用0.150.20；H泄水時與單寬流量q相應的上、下游水位差m?？垢∫螅河袚P壓力作用時，護坦應有足夠多的重力克服滲透以免頂托漂浮。抗浮 式中：hd消力池內平均水深，m；水的重度KN/m3；1消力池底板的飽和重度，KN/m3；k2消力池底板安全系數，可采用1.11.3;Py揚壓力，kpa；護

22、坦厚度應采用以上二式計算的大值但不能小于0.5m。尾檻:設在消力池末端尾檻后的流速分布a.作用：雍高池內水深，穩(wěn)定水躍調整檻后流速分布（將水流挑上去，使V大的在上面分布，加強水流平面擴散，以減小下游河床的沖刷）。b.高度：0.51.0mc.材料：混凝土或鋼筋混凝土并與護坦連成整體（增加穩(wěn)定性）。d.型式： 連續(xù)式的實體檻差動式的底檻對比：兩種尾檻淹沒較深，兩者消能效果差不多。實體檻：雍高池中水位的作用比齒檻好，便于施工，一般采用較多。齒檻：齒檻對調整檻后水流流速分布和擴散作用均優(yōu)于實體檻，但結構形式較為復雜，水頭較高，q大時易行成空蝕破壞，故一般多用于低水頭中小型工程。四、防沖加固措施閘流過水

23、經消力池消能后，仍有較大的余能紊動現象很劇烈，流速分布也未恢復到河渠正常狀態(tài)，底部流速仍較大，具有一定的沖刷能力，會造成河床和岸坡的沖刷。因此，在消力池（ 護坦）后面仍需采取防沖加固措施，一般是設置海漫或防沖槽。（一）海漫（1）作用：消減水流剩余能量，使水流均勻擴散。調整流速分布，保護河岸防止沖刷。（2）布置：平面上：沿水流方向向兩側擴散。 水平的剖面優(yōu)點：開挖量小，經濟。缺點：防沖效果沒有傾斜好。 剖面上：前1/3段水平（510m），后2/3段傾斜（1:81:10）：優(yōu)點：防沖效果好。缺點：開挖量大，不經濟。（3）構造：海漫的要求a柔性不是柔軟性，是自身能適應地基的變形（地基變形后，石塊可落

24、下，適應地基的變形）。b粗糙性消除水流佘能，調整水流分布，使頂部V大，底部V小。c透水性將殘余地基的滲水排出，消除底面滲透壓力。（因護坦處排水孔易堵塞失效，故海漫的透水性可起到輔助排水的作用。海漫的分類（按材料分）A.干砌塊石海漫（常用在海漫的中后段）a.直徑大于30cm的塊石砌成0.6mc.下鋪粗砂、碎石墊層1015cm4m/se.每隔610m設一漿砌石梗B.漿砌石海漫（用在海漫前510m范圍內）a.M5M8水泥砂漿砌塊石而成，塊石直徑大于30cmb.厚同干砌塊石，0.40.6mc.內設三邊砌，一邊挖的排水孔，下設1015cm反濾層d.抗沖流速36m/sC.鋼筋混凝土板海漫（缺少石料，下游流

25、速過大時） a.混凝土板、鋼筋混凝土板，邊長25m，厚0.10.3m。可預制，可現澆（尺寸大），下鋪墊層。b.用錯縫、斜面或城垛式塊體拼鋪而成c抗沖流速610m/s，造價高D.鋼筋混凝土海漫討論：a.由于海漫上的紊動余能向下游逐漸衰減，故海漫結構的強度要求也應前強后弱，通常在前段1/3左右海漫長度范圍內多采用漿砌石或混凝土結構，后端多用干砌石結構。b.海漫底層應設墊層，厚1015cm，防止?jié)B流帶走基土。護坦若不設排水孔或護坦長度較小時，前段海漫下的墊層應按濾層要求設置，并在海漫上加設排水孔。（4）長度至今尚無成熟計算方法(原則上應根據消力池出口q、上下游水位差、地質條件、尾水深度、水流擴散情況

26、等)用經驗公式進行估算。計算公式：式中：Lp海漫長度，m；qs消力池未端單寬流量，m3/sm；H泄水時的上、下游水位差，m；Ks海漫長度計算系數，可由下表查得。河床土質粉砂、細砂中砂、粗砂、粉質壤土粉質粘土堅硬粘土1413121110987注：公式的適應條件為計算L時，應按最不利的水位、流量組合計算。防沖最不利的情況不一定是消能控制條件。因按某一控制條件設計的消能工，在該條件下消能效果是最好的，而在其他情況下不一定能獲取同樣的消能效果，剩余能量就可能大增，一般說，水閘泄放最大流量是防沖設計的控制條件。（二）防沖槽在海漫的末端設（1）作用：保護海漫末端不受沖刷（2）型式：拋石型防沖槽在海漫末端加

27、板樁并打入沖刷深度以下，目的防止海漫沖刷。（3）（拋石防沖槽）構造：原理：在海漫末端預留足夠的堆石，當水流沖刷河床，沖刷坑向預計的深度逐漸發(fā)展時，預留在海漫末端的堆石體將沿沖涮坑的斜坡陸續(xù)滾下，鋪列在沖坑的上游斜坡上，以保護河床，使沖刷坑不向上蔓延，趨于穩(wěn)定，形成防沖槽。防沖槽尺寸：根據海漫末端沖槽深度t定。防沖槽斷面尺寸：為寬淺式梯形斷面 槽深可取m，下游坡率m2=3上游坡率m1=23，即1：2.01:3.0，底寬b?。?3）h，h為槽深。（三）上游河床防護： 上游水流流向閘室 ，由于進閘水流的平面收縮和水面跌落，水流流速增大，容易造成河床沖刷，因此對上游河床應采取防護措施。 干砌或漿砌塊石

28、，下設碎石及粗砂墊層。a.護底保護河床不受沖刷長度=（35）H（堰頂水頭）b.上游防沖槽：在護底前端設，厚1.0m左右。（四）上、下游岸坡的防護：（1）漿砌石、干砌石護坡：靠近翼墻的一段，然后接干砌石護坡。厚3040cm下設10cm墊層，每隔810m設混凝土或漿砌石梗一道。（2）上游護坡：長自鋪蓋始端向上游延伸（23）H（水頭）。（3）下游護坡：長自防沖槽末端向下游延伸（46）m?！静襟E4】案例講解教學地點教師任務學生任務教學條件時間（分鐘）多媒體教室（1）通過案例講解使學生掌握繪制取水閘下游干渠的水位流量關系曲線；（2）通過案例講解使學生掌握選擇閘室結構型式的方法；（3）通過案例講解使學生掌握選擇堰型方法，掌握確定閘底板高程的方法；（4）通過案