水工建筑物課件 第九章 水閘1-2節(jié)

第十章土基上的水閘

(Sluiceonearthfoundation)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(jì)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(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

江都水利樞紐工程江都抽水站之太平閘第一節(jié) 概述一、水閘的概念、作用及類型作用：水閘是一種既擋水又泄水的低水頭工建筑物,通常建造在土基上,也稱活動(dòng)壩。水閘：是調(diào)節(jié)水位、控制流量的低水頭水工建筑物，主要依靠閘門控制水流，具有擋水和泄（引）水的雙重功能，在防洪、治澇、灌溉、供水、航運(yùn)、發(fā)電等方面應(yīng)用十分廣泛。低水頭水工建筑物：一般指水頭不超過30m的水工建筑物，主要有水閘、低壩、橡膠壩、船閘等，多數(shù)建在軟基上，也有建在巖基上的。類型：(1)按其所擔(dān)負(fù)的任務(wù)分：分洪閘節(jié)制閘進(jìn)水閘排水閘擋潮閘沖沙閘把天然河道容納不下的洪水泄入沿岸的分洪、滯洪區(qū).橫跨干河、支渠修建，控制水位.在江河沿岸興建，從主河道中取水引流到支流（渠）中.在河道一側(cè)興建，排除江河兩岸低洼地區(qū)積水，保護(hù)農(nóng)田.建于河流入海河口上游地段，防止海潮倒灌.靜水通航，動(dòng)水沖沙，減少含沙量，防止淤積.(2)按閘室結(jié)構(gòu)型式分：開敞式、胸墻式、涵閘式（有壓、無壓）、浮體式(3)按操作閘門的動(dòng)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(自動(dòng)翻板門)二、水閘的組成及其功用.1.組成（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）③下游連接段作用:消能，保護(hù)下游河床及兩岸免受沖刷;

組成:消力池、護(hù)坦、海漫、下游防沖槽、翼墻、下游護(hù)坡②上游連接段作用:1.使水流正向、均勻、平穩(wěn)地進(jìn)入閘室;2.保護(hù)上游河床及兩岸，使岸坡免于沖刷并具有防滲作用;

組成:上游防沖槽、護(hù)底、鋪蓋、兩岸護(hù)坡、翼墻①閘室--底板、閘墩、閘門、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）三、水閘的特點(diǎn)*水閘的傳力過程 閘門→閘墩→底板→地基（承受水壓力)（承受上部結(jié)構(gòu)重量）(較均勻地傳給）

與溢流重力壩相比有如下一些特點(diǎn):1.水流特點(diǎn)關(guān)閉閘門：

水位差產(chǎn)生較大水平水壓力→滑動(dòng)；水位差產(chǎn)生滲透壓力→不利于水閘及兩岸建筑物的穩(wěn)定；繞岸滲流→不利于翼墻穩(wěn)定。開閘泄水：水位差→流速大→對下游河床、岸坡沖刷，并易產(chǎn)生滲透變形；水位變幅較大→隨著閘門開度增大，下泄量和下游水位也相應(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(jì)和計(jì)算帶來困難；閘門全開時(shí)→佛氏數(shù)(Froude)低(小于4.5)，消能效果差；佛氏數(shù)在1.0～1.7→易形成波狀水躍閘門開啟順序不合理、泄流不對稱或有某些干擾時(shí)→產(chǎn)生折沖水流2.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(jì)(河床及兩岸)c.做好消能防沖設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)危害性沖刷;四、水閘設(shè)計(jì)內(nèi)容閘址選擇總體布置水力設(shè)計(jì)：閘孔型式和尺寸確定√

消能防沖設(shè)計(jì)√

閘門控制運(yùn)用方式的擬定防滲和排水設(shè)計(jì)√⊿水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：閘室穩(wěn)定計(jì)算√

岸、翼墻穩(wěn)定計(jì)算結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析√地基處理及處理設(shè)計(jì)觀測設(shè)計(jì)第二節(jié)水閘的上部輪廓尺寸及消能防沖布置

一、上部輪廓尺寸

輪廓尺寸主要包括：閘孔型式

閘底板高程

孔口尺寸1.閘孔型式常見的閘孔型式有：

寬頂堰型（平底板孔口型）低實(shí)用堰型（梯形堰、曲線型堰、駝峰堰）胸墻式孔口閘孔型式寬頂堰(2.5H<堰頂厚度δ<4H或無坎)優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單，施工方便;泄流能力比較穩(wěn)定，有利于泄洪、沖砂、排污、排冰、通航等。缺點(diǎn):自由泄流時(shí)，流量系數(shù)m較小，易產(chǎn)生波狀水躍。適用場合:常用于平原地區(qū)，實(shí)用堰(0.67H<堰頂厚度δ<2.5H)，優(yōu)點(diǎn):自由泄流時(shí)流量系數(shù)m較寬頂堰大，可減小閘孔總寬度；

由于堰的高度使閘門高度減少；堰可攔截泥沙流下游；

選用適合的堰面曲線可消除波狀水躍；缺點(diǎn):流量Q受下游水位影響較大；

施工較寬頂堰復(fù)雜；

不能通航；適用場合:常用于上游水位允許有較大雍高的山區(qū)。胸墻式:

屬于寬頂堰類型，適用于上游水位變幅較大，高水位時(shí)可用胸墻擋水，以代替部分閘門高度及工作橋高度，增加閘室剛度；但不利于排冰排污和通航。

2.閘底板高程的確定要求:a.應(yīng)滿足泄流能力的要求;b.過閘單寬流量應(yīng)適應(yīng)地質(zhì)條件，

c.要分析施工開挖的可能性以及造價(jià)的經(jīng)濟(jì)性。在地基強(qiáng)度滿足要求的條件下，考慮:(1)運(yùn)用條件：底板高程↓→q↑，底板上水深↑→閘室總寬度↓(2)經(jīng)濟(jì)性：底板高程↓→q↑，底板上水深↑→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↑。(3)地質(zhì)條件：避免復(fù)雜地基處理；抗沖刷能力強(qiáng)。一般情況下

節(jié)制閘與河底齊平或略高；

分洪閘略高于河底，但應(yīng)滿足最低分洪水位時(shí)的泄量要求;

排澇閘盡可能低，滿足排澇排堿要求;

進(jìn)水閘

由最低取水位引水流量定，同時(shí)考慮攔砂防淤。二、閘孔尺寸及閘室總寬度⒈確定設(shè)計(jì)流量Q和上、下游設(shè)計(jì)水位⒉確定孔口型式⒊確定底板高程⒋計(jì)算閘孔凈寬B及閘室總寬L（開敞式）規(guī)范中介紹了平底閘閘孔自由堰流、淹沒式堰流、孔流的計(jì)算公式。閘孔數(shù)n=B/b，如果運(yùn)用上無特殊要求，一般b=8~12m，常用10m，最大可達(dá)30m.n<8時(shí)一般取奇數(shù)?？讛?shù)少，對水流條件有利，墩數(shù)少，總寬度小，但閘門跨度大，應(yīng)選擇適中的方案。溢流前緣總寬L=nb+d，d為閘墩厚度。⒌驗(yàn)算泄流能力。三、

水閘的消能防沖與防護(hù)（一）、閘下泄流的特點(diǎn)和閘下沖刷的原因⒈閘下泄流的特點(diǎn)

a.閘下水流具有剩余能量開始泄流時(shí)下游無水或水位很低，各種不同泄量和相應(yīng)的下游水位情況下，難以保證都發(fā)生完全水躍，因而水流還有沒有消耗的能量;b.Fr較小，易產(chǎn)生波狀水躍；

c.進(jìn)口流態(tài)不對稱時(shí)會(huì)產(chǎn)生折沖水流。

⒉閘下沖刷的原因

a.q大，而土壤的抗沖刷能力低；

設(shè)計(jì)不合理洪水估計(jì)不準(zhǔn)不對稱進(jìn)流折沖水流

b.消能工設(shè)計(jì)不合理印度薩爾達(dá)水閘，水躍發(fā)生在海漫上，沖刷淘空，致使水閘全部沖垮

c.管理不當(dāng)(要求逐級開啟，均勻開啟)

泰倉某閘23孔，1961年春節(jié)開三孔放網(wǎng)捕魚，下游沖坑5m，投石2萬多元加固。三河閘1954年，10800m3/sec均勻開啟未沖刷破壞;1956年，7400m3/sec因部分孔油漆維修，不均勻開啟，沖坑3～4m。

南通港閘，因管理人員怕麻煩，不按規(guī)程開啟閘門，造成下游沖刷坑深達(dá)13m?？刂茊螌捔髁浚环较蚺c原河床主流方向一致；合理選擇下游翼墻的擴(kuò)散,以利于水流擴(kuò)散；消能防沖設(shè)計(jì)合理的閘門開啟程序3采取的措施（二）.消能工設(shè)計(jì)改善水流與固體邊界的接觸條件，防護(hù)加固下游河床。消能防沖設(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(dòng)能與均勻擴(kuò)散水流的要求，且應(yīng)與下游河道有良好的銜接。

1.消能方式：我國已建的大、中型水閘，多數(shù)建在平原、濱海地區(qū)，大多為軟基，承受的水頭不高，下游水深變幅大，無法采用挑流消能，也難以產(chǎn)生面流式水躍，宜采用底流式水躍消能。其主要設(shè)備就是消力池。作用是使水流形成水躍，避免地基遭沖刷。2.計(jì)算消力池深度、長度及消力池底板的厚度（a）消力池深度：按水躍動(dòng)量平衡方程求解當(dāng)hs’≤hc″時(shí)，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0.51.0m(b)消力池的長度：用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：式中Lsj為消力池長度；

Ls為斜坡段的水平投影；β

為水躍長度校正系數(shù)，一般取0.7~0.8；Lj為水躍長度，新規(guī)范中推薦采用歐勒佛托斯基公式計(jì)算：

(c).消力池護(hù)坦厚度可根據(jù)抗沖和抗浮要求，分別按規(guī)范中公式計(jì)算，取其最大值，且不小于0.5m：

抗沖：

抗?。?/p>

3.布置下挖式消力池、突檻式消力池和綜合式消力池是底流式消能的三種主要形式。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。

1：4~1：54.輔助消能工

a.作用：①加大水流阻力，給水流以很大的反力，達(dá)到加強(qiáng)消能減小消力池開挖深度的效果；②加強(qiáng)水流紊動(dòng)和撞擊，增加消能效果；③促進(jìn)水流擴(kuò)散，調(diào)整水流分布穩(wěn)定水躍，縮短水躍長度；

b.類型 消力墩、池首坎、齒坎、消力梁、散流墩等。5.波狀水躍的防止

a.將底板延長預(yù)留平臺(tái)，平臺(tái)末端設(shè)置一道小檻，使水流越檻入池，促成底流水躍。

b.當(dāng)Fr較低時(shí)，小檻對泄流能力有影響，可將小檻改為齒形檻、分水墩或分水檻。6.折沖水流的防止a.從平面布置入手，使下泄水流與原河床主流位置一致;b.制訂合理的閘門開啟程序，先開中間閘孔，后開兩側(cè)閘孔;c.控制下游翼墻擴(kuò)散角，促使出閘水流擴(kuò)散，擴(kuò)散度1:6～1:4;d.在消力池前端采用散流墩，對防止折沖水流效果顯著;7.海漫--緊接護(hù)坦作用:進(jìn)一步消除余能，使水流均勻擴(kuò)散，調(diào)整流速分布，使其達(dá)到河道天然流速分布狀態(tài)；要求:堅(jiān)固抗沖、有一定柔性、表面粗糙能消除余能、透水；材料:漿砌石、干砌石；厚30-50cm

長度:按南科院提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

1～9

當(dāng)消能擴(kuò)散良好時(shí)，用下式計(jì)算海漫長度(m)海漫長度計(jì)算系數(shù)

qs

消力池末端單寬流量(m2/s)河床土質(zhì)粉砂、細(xì)砂中砂、粗砂、粉質(zhì)壤土粉質(zhì)粘土堅(jiān)硬粘土

Ks14～1312～

1110～

98～

78.防沖槽—末端加固設(shè)計(jì)海漫雖以出口水流不沖河床作為設(shè)計(jì)條件，但實(shí)際上海漫末端受沖刷是屢見不鮮的。為限制沖刷擴(kuò)展，保護(hù)海漫安全，設(shè)計(jì)要求不論海漫降到或未降到可能沖刷深度，均需設(shè)防沖