《城市防洪防澇規(guī)劃與設(shè)計(jì)》課件 第7章 防洪閘

城市防洪防澇規(guī)劃與設(shè)計(jì)第7

章

防洪閘7.1

總體布置7.2

水力計(jì)算與消能防沖ONTENS7.1

總體布置7.1.1概

述 □

防洪閘是指城市防洪工程中的擋洪閘、分洪閘、排（泄）洪閘和擋潮閘等。（1）擋洪閘：用來(lái)防止洪水倒灌的防洪建筑物，擋洪閘一般修建在江河的支流河口附近，在江河洪水位上漲至關(guān)閘控制水位時(shí)，關(guān)閉閘門防止洪水倒灌；在洪水位下降至開(kāi)閘控制水位時(shí)，開(kāi)啟閘門排泄上游積蓄之水。若閘上游河道或調(diào)蓄建筑物的調(diào)蓄能力較小，容納不了洪水持續(xù)時(shí)間內(nèi)的水量時(shí)，需要設(shè)置提升泵站與擋洪閘聯(lián)合運(yùn)行，以解決河道調(diào)蓄能力的不足。（2）分洪閘：建于河道一側(cè)用于分泄河道洪水的水閘。對(duì)蓄洪區(qū)而言，又稱進(jìn)洪閘。分洪閘常建于河道一側(cè)的蓄洪區(qū)或分洪道的首部。當(dāng)河道上游出現(xiàn)的洪峰流量超過(guò)下游河道的安全泄量，為保護(hù)下游的重要城鎮(zhèn)及農(nóng)田免遭洪災(zāi)，必須進(jìn)行分洪時(shí)，將部分洪水通過(guò)分洪閘泄入預(yù)定的湖泊洼地（蓄洪區(qū)或滯洪區(qū)）或分洪道，以削減洪峰流量，待洪峰過(guò)后通過(guò)排水閘排泄入原河道，也有通過(guò)分洪道將洪水分泄入水位較低的臨近河流。（3）排（泄）洪閘：用來(lái)排泄蓄（滯）洪區(qū)和湖泊的調(diào)節(jié)水量，或分洪道的分水流量的泄水建筑物，排（泄）洪閘是依據(jù)蓄（滯）洪區(qū)的調(diào)洪能力或分洪分流的流量，決定其排水能力和運(yùn)行方式。（4）擋潮閘：建于濱海地段或河口附近，用來(lái)?yè)醭?、蓄淡、泄洪、排澇的水閘。漲潮時(shí)關(guān)閉閘門，防止潮水倒灌進(jìn)入河道，攔蓄內(nèi)河淡水，滿足引水、航運(yùn)等的需要。退潮時(shí)，潮水位低于河水位，開(kāi)啟閘門，可以泄洪、排澇、沖淤。擋潮閘具有雙向擋水、操作頻繁等特點(diǎn)。7.1.1概

述 □

防洪閘設(shè)計(jì)主要要求：（1）設(shè)計(jì)必須滿足城市防洪規(guī)劃對(duì)防洪閘的功能和運(yùn)行方式的要求。（2）防洪閘的選址和布置，應(yīng)根據(jù)其本身的特性和條件，多做比較論證（包括進(jìn)行模型試驗(yàn)），以便做出安全可靠、技術(shù)可行和經(jīng)濟(jì)合理的最優(yōu)方案。（3）因地制宜地修建防洪閘上下游河道的整治工程。以穩(wěn)定河槽，保證防洪閘宣泄洪水流暢。（4）具有綜合利用功能的防洪閘，設(shè)計(jì)應(yīng)分清主次，在保證防洪閘防洪功能正常運(yùn)作的前提下，最大限度地滿足綜合利用的要求。（5）洪閘設(shè)計(jì)，應(yīng)采取必要的措施防止上下游產(chǎn)生有危害性的淤積。（6）工程應(yīng)安全可靠，管理運(yùn)用靈活自便。7.1.2

閘址選擇 閘址應(yīng)根據(jù)水閘的功能、特點(diǎn)和運(yùn)用要求，綜合考慮地形、地質(zhì)、水流、潮汐、泥沙、凍土、冰情、施工、管理、周圍環(huán)境等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后選定。閘址宜選擇在河道順直、河勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定的河段，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后也可選擇在彎曲河段裁彎取直的新開(kāi)河道上。閘址宜選擇在地形開(kāi)闊，岸坡穩(wěn)定，巖土堅(jiān)實(shí)和地下水水位較低的地點(diǎn)。閘址宜優(yōu)先選用地質(zhì)條件良好的天然地基，避免采用人工處理地基。閘址應(yīng)有足夠的施工場(chǎng)地、運(yùn)輸、供電和供水等條件，以保證施工的順利進(jìn)行。具有不同功能的防洪閘，在閘址選擇上各自有特點(diǎn)。分洪閘閘址宜選擇在河岸基本穩(wěn)定的順直河段或彎道凹岸頂點(diǎn)稍偏下游處，但不宜選在急流河段，彎曲半徑一般不小于3倍水面寬度。彎曲河段水流結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)存在橫向河流，橫向河流將流速較高的表層含沙量小的水流推向凹岸，使河道主流靠近凹岸，并形成深槽。與此同時(shí)，橫向河流將河底含沙量大的水流推向凸岸，分洪閘可利用這種彎道橫流的特點(diǎn)，作為分洪防沙的措施之一，深槽有利于分洪，分洪閘的分洪方向與河道主流方向夾角小，分流平順，分流量也大。7.1.2

閘址選擇 □

分洪閘閘址具體位置結(jié)合實(shí)際情況確定：擋洪閘與排（泄）洪閘的閘址宜選擇在河道順直、河槽和岸邊穩(wěn)定的河段，排水出口段與外河交角宜小于60°。擋潮閘建在大海河口或支流河口附近的河段上，河口最主要的水文現(xiàn)象是受海洋潮汐的影響。感潮的程度是隨著河流的水流大小和潮汐的大小面變化的，一般使水位、流速分布呈周期性的變化。大潮漲潮時(shí)，水面形成倒比降，這時(shí)河流出現(xiàn)倒灌。在潮差小的河口底層，海水呈楔狀上溯，河水成薄層位于其上，這時(shí)垂直流速分布呈舌狀，形成異重流。擋潮閘閘址宜選擇在岸線和岸坡穩(wěn)定的潮汐河口附近，且閘址泓灘沖淤變化較小，上游河道有足夠的蓄水容積的地點(diǎn)?！獜膹澠瘘c(diǎn)至分洪閘中點(diǎn)的弧長(zhǎng)(沿彎道中心線)(m)；——試驗(yàn)系數(shù)， =

0.6~1.0，一般選用0.8；——彎道水面寬度(m)；——彎道中心線的彎曲半徑(m)。7.1.3

總體布置 2）防沖槽防沖槽是水流進(jìn)入防洪閘的第一道防線，一般采用砌石或堆石。防沖槽深度一般不小于1.0

m，底寬不小于2.0m，邊坡不小于1∶1.5。砌石下面設(shè)粗砂、碎石墊層，各層厚度不小于0.1。3）進(jìn)口翼墻進(jìn)口翼墻的主要作用是促成水流良好的收縮，引導(dǎo)水流平順地進(jìn)入閘室、同時(shí)起擋土、防沖和防滲作用。鋪蓋及防沖槽7.1.3

總體布置 常用的翼墻形式有以下幾種：（1）直角翼墻：直角翼墻由兩段互成正交的翼墻組成。翼墻在垂直流向方向插入河岸的直墻長(zhǎng)度視岸邊的坡度及其頂端插入岸頂深度

而定，

值可取0.5～1.0

m。直角翼墻的優(yōu)點(diǎn)是防止兩岸繞流的效果較好，但造價(jià)較高，且在緊靠翼墻入口處上游容易發(fā)生回流，故岸邊必須加強(qiáng)防護(hù)。直角翼墻1—上游翼墻；2—邊墩；3—下游翼墻；4—鋪蓋；5—閘室底板；6—護(hù)坦7.1.3

總體布置 （2）八字形翼墻：八字形翼墻是順?biāo)鞣较虻膲Χ蜗蚝影镀D(zhuǎn)一個(gè)角度，偏轉(zhuǎn)的夾角

視水流情況取小于或等于30°。八字形翼墻進(jìn)水條件較直角翼墻有所改善，但水流進(jìn)閘室仍有轉(zhuǎn)折。八字翼墻圓弧翼墻（3）圓弧形翼墻：圓弧形翼墻是由兩個(gè)不同半徑的弧形墻組成，以適應(yīng)水流收縮的需要。由于圓弧形翼墻有良好的收縮段，能使水流平穩(wěn)而均勻地進(jìn)入閘室。7.1.3

總體布置 （4）扭曲面翼墻：扭曲面翼墻是由直立的邊墩處開(kāi)始逐漸變?yōu)槟骋辉O(shè)計(jì)坡度的扭曲面，扭曲面為水流創(chuàng)造良好的漸變收縮條件，流勢(shì)平順。但施工較為復(fù)雜，墻后填土不易夯實(shí)。（a）縱剖面（b）平面扭曲面翼墻7.1.3

總體布置 基土種類閘底板寬度/m基土種類閘底板寬度/m砂礫石和礫石（1.25～1.75）H黏壤土（2.00～2.25）H沙壤土和沙土（1.75～2.00）H黏

土（2.25～2.50）H4）上游岸邊防護(hù)由于閘室縮窄了河道的寬度，水流進(jìn)入閘室后，流速加大，在閘室上游能產(chǎn)生沖刷，因此，除河底設(shè)有鋪蓋和防沖槽外，岸邊也應(yīng)該采取相應(yīng)的防護(hù)措施。岸邊防護(hù)長(zhǎng)度一般比防沖槽末端稍長(zhǎng)，并在防護(hù)端部設(shè)齒墻嵌入岸邊，以防止水流淘刷。2．閘室段閘室段由閘底板、閘墩、岸墻、邊墩、閘門和工作橋、交通橋等上部結(jié)構(gòu)組成。1）閘底板（1）閘底板高程應(yīng)不低于閘下游出口段末端的河床高程，一般不宜高于上游河床的高程，有特殊要求時(shí)應(yīng)做專門研究。（2）閘底板長(zhǎng)度與寬度，主要是根據(jù)水力計(jì)算、閘室在外力作用下的穩(wěn)定要求以及機(jī)械設(shè)備布置等因素確定。閘底板寬度7.1.3

總體布置 閘墩形式升臥式平面閘門7.1.3

總體布置 （2）海漫：作用是繼續(xù)消減水流出消力池后的剩余能量，并進(jìn)一步擴(kuò)散和調(diào)整水流，減少水流速度。為使海漫充分發(fā)揮防沖的作用，應(yīng)具有以下性能：①

具有柔韌的性能：當(dāng)下游河床受沖刷變形時(shí)，要求海漫能適應(yīng)變形，繼續(xù)起護(hù)面防沖的作用。②

具有透水的性能：使?jié)B透水流自海漫底部自由逸出。以消除滲透壓力。海漫采用混凝土板或漿砌石護(hù)面時(shí)，必須設(shè)置排水孔。為防止?jié)B透水流將土顆粒帶出，因此，在海漫護(hù)面下設(shè)置墊層，一般設(shè)兩層墊層，各層厚度為0.1～0.2

m，在滲透壓力較大的情況，應(yīng)考慮設(shè)置反濾層。③

具有粗糙的性能：海漫護(hù)面具有粗糙性能，有利于消除水流能量，故海漫常用砌石、拋石或混凝土預(yù)制塊為護(hù)面。（3）防沖槽：在海漫末端水流仍有較小的沖刷能力，為防止海漫末端由于受水流淘刷遭到破壞。而在末端設(shè)置防沖槽。當(dāng)防沖槽下游河床形成最總沖刷狀態(tài)時(shí)，防沖槽內(nèi)的堆石將自動(dòng)地鋪?zhàn)o(hù)沖刷坑的邊坡，使其保持穩(wěn)定，從而保護(hù)海漫不遭破壞。（4）出口翼墻：它的作用是引導(dǎo)出閘水流均勻地?cái)U(kuò)散，以減少單寬流量，有利于消能，并防止水躍范圍內(nèi)尾水的壓縮而惡化效能。因此，出口翼墻順?biāo)鞣较虻拈L(zhǎng)度至少應(yīng)與消力池的長(zhǎng)度相等。7.2

水力計(jì)算與消能防沖7.2.1

水力計(jì)算 1．實(shí)用堰式閘孔1）孔

流當(dāng)實(shí)用堰頂上設(shè)置控制閘門，在閘門部分開(kāi)啟或有胸腔阻水，且出流不受下游水位影響時(shí)，閘下出流呈自由式孔流。過(guò)閘流量：實(shí)用堰孔流——過(guò)閘流量（m3/s）；——流量系數(shù)，

=

；——垂直收縮系數(shù)；——流速系數(shù)，實(shí)用堰 =

0.95；——閘門開(kāi)啟高度（m）；——閘門寬度（m）；——堰上水頭（m）；——計(jì)入行進(jìn)速度在內(nèi)的堰上水深（m）， = +

；——流速分布不均勻系數(shù)，

=

1.0~1.1。7.2.1

水力計(jì)算 （1）進(jìn)口有坎寬頂堰的側(cè)收縮系數(shù)。

a

H+ /2，——上游坎高（m）?！呱纤睿╩）?！l孔凈寬（m）?！嫌魏訉挘╩），對(duì)于梯形斷面，近似用1/2水深處的水面寬，即

=為底寬，

為邊坡系數(shù)，

為水深（m）?！禂?shù)，閘墩（或邊墩）墩頭為矩形，寬頂堰進(jìn)口邊緣為直角時(shí)，

=

0.19；墩頭為曲線形，寬頂堰進(jìn)口邊緣為直角或圓弧時(shí)，

=

0.10。（2）進(jìn)口無(wú)底坎寬頂堰側(cè)收縮系數(shù)：對(duì)于無(wú)底坎的平底閘，出現(xiàn)寬頂堰流，是由于平面上閘孔小于上游河寬，過(guò)水?dāng)嗝媸湛s而引起的。因而邊墩收縮對(duì)過(guò)閘流量的影響已包含在流量系數(shù)中，計(jì)算用以下幾種情況處理：①

單孔閘：若計(jì)算中流量系數(shù)m按表直接選用，側(cè)收縮系數(shù)

不再計(jì)算（即取

），即側(cè)收縮對(duì)過(guò)閘流量的影響包含在流量系數(shù)m中。7.2.1

水力計(jì)算 直角形翼墻進(jìn)口的平底寬頂堰流量系數(shù)

a

H八字形翼墻進(jìn)口的平底寬頂堰流量系數(shù)7.2.1

水力計(jì)算 3）過(guò)閘流量計(jì)算擋潮閘過(guò)閘流量計(jì)算是否正確，不但和閘下潮型選擇及閘上河流水庫(kù)蓄泄能力的計(jì)算密切相關(guān)，而且和過(guò)閘流量的計(jì)算方法有關(guān)。當(dāng)閘下潮水位的漲落不影響過(guò)閘流量時(shí)，計(jì)算方法最簡(jiǎn)單，這是臨界流情況，可直接應(yīng)用水力學(xué)公式計(jì)算過(guò)閘流量。以往常用堰流計(jì)算法和合成波計(jì)算法，近年來(lái)由于電子計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用，對(duì)過(guò)閘的不恒定流做了大量的計(jì)算工作，并通過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，認(rèn)為擋潮閘過(guò)閘流量完全可以用寬頂堰的公式計(jì)算。閘孔尺寸選擇應(yīng)根據(jù)過(guò)閘流量與上下游河道的泄流能力，進(jìn)行若干方案比較，求得最經(jīng)濟(jì)的組合方案。4．防洪閘閘頂高程確定擋洪閘與分洪閘的閘頂高程確定方式相同，為：——閘頂高程（m）。——閘前河道設(shè)計(jì)水位（m）。——波浪襲擊高度。δ——安全超高，一般不小于0.5

m。e——由于風(fēng)浪而產(chǎn)生的水位升高?！L(fēng)速（m/s）；——浪程（km）；——閘前水深（m）；——風(fēng)向與計(jì)算吹程方向的夾角（

）。7.2.2

消能防沖 1．護(hù)坦設(shè)計(jì)護(hù)坦是閘身以下消減水流動(dòng)能及保護(hù)在水躍范圍內(nèi)河床不受水流沖刷的主要結(jié)構(gòu)，由于護(hù)坦表面受高速水流作用，因此護(hù)坦材料必須具有抗沖耐磨的性能，一般采用混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。1）水面連接的判別由于防洪閘前后水流等水力要素之間的關(guān)系不同，在閘下游可能發(fā)生各種不同連接形式。防洪閘多是平底出流，因此只有底流式連接形式，假定防洪閘為定流量，下游河道水流狀態(tài)為均勻流態(tài)，下游水深

為正常水深。一般建閘河道均系緩坡，水流是緩流狀態(tài)，下游