第五章 水閘教案.doc

第五章 水閘第一節(jié) 概述引言：水閘是一種低水頭的水工建筑物，兼有擋水和泄水的作用，用以調(diào)節(jié)水位、控制流量，以滿足水利事業(yè)的各種要求。l 本節(jié)主要介紹：水閘的類型、工作特點、組成及水閘設(shè)計的內(nèi)容一水閘的類型l 水閘的種類: 1.按水閘所承擔(dān)的任務(wù)分類:節(jié)制閘、進(jìn)水閘、分洪閘、排水閘、擋潮閘、排沙閘、排冰閘、排污閘等圖示講解：水閘的類型及位置示意圖 節(jié)制閘（或攔河閘）：攔河或在渠道上建造?？菟谟靡詳r截河道，抬高水位，以利上游取水或航運要求；洪水期則開閘泄洪，控制下泄流量。位于河道上的節(jié)制閘稱為攔河閘。 進(jìn)水閘：建在河道、水庫或湖泊的岸邊，用來控制引水流量，以滿足灌溉、發(fā)電或供水的需要。進(jìn)水閘又稱取水閘或渠首閘。 分洪閘：常建于河道的一側(cè)，用來將超過下游河道安全泄量的洪水泄入預(yù)定的湖泊、洼地，及時削減洪峰，保證下游河道的安全。 排水閘：常建于江河沿岸，外河水位上漲時關(guān)閘以防外水倒灌，外河水位下降時開閘排水，排除兩岸低洼地區(qū)的澇漬。該閘具有雙向擋水，有時雙向過流的特點。 擋潮閘：建在入海河口附近，漲潮時關(guān)閘不使海水沿河上溯，退潮時開閘泄水。擋潮閘具有雙向擋水的特點。 排沙閘、排冰閘、排污閘：為排除泥沙、冰塊、漂浮物等而設(shè)置的。2.按閘室結(jié)構(gòu)形式分類 開敞式水閘：閘室上面不填土封閉的水閘。一般有泄洪、排水、過木等要求時，多采用不帶胸墻的開敞式水閘，多用于攔河閘、排冰閘等；當(dāng)上游水位變幅大，而下泄流量又有限制時，為避免閘門過高，常采用帶胸墻的開敞式水閘，如進(jìn)水閘、排水閘、擋潮閘多用這種形式。 涵洞式水閘：閘（洞）身上面填土封閉的水閘，又稱封閉式水閘。涵洞式水閘常用于穿堤取水或排水的水閘。洞內(nèi)水流可以是有壓的或者是無壓的。二水閘的工作特點l 特點：1.穩(wěn)定方面：關(guān)門擋水時，水閘上、下游較大的水頭差造成較大的水平推力，使水閘有可能沿基面產(chǎn)生向下游的滑動，為此，水閘必須具有足夠的重力，以維持自身的穩(wěn)定。2.防滲方面：由于上下游水位差的作用，水將通過地基和兩岸向下游滲流。滲流會引起水量損失，同時地基土在滲流作用下，容易產(chǎn)生滲透變形。嚴(yán)重時閘基和兩岸的土壤會被淘空，危及水閘安全。滲流對閘室和兩岸聯(lián)接建筑物的穩(wěn)定不利。因此，應(yīng)妥善進(jìn)行防滲設(shè)計。3.消能防沖方面：水閘開閘泄水時，在上、下游水位差的作用下，過閘水流往往具有較大的動能，流態(tài)也較復(fù)雜，而土質(zhì)河床的抗沖能力較低，可能引起沖刷。此外，水閘下游常出現(xiàn)波狀水躍和折沖水流，會進(jìn)一步加劇對河床和兩岸的淘刷。因此，設(shè)計水閘除應(yīng)保證閘室具有足夠的過水能力外，還必須采取有效的消能防沖措施，以防止河道產(chǎn)生有害的沖刷。4.沉降方面：土基上建閘，由于土基的壓縮性大，抗剪強度低，在閘室的重力和外部荷載作用下，可能產(chǎn)生較大的沉降影響正常使用，尤其是不均勻沉降會導(dǎo)致水閘傾斜，甚至斷裂。在水閘設(shè)計時，必須合理地選擇閘型、構(gòu)造，安排好施工程序，采取必要的地基處理等措施，以減少過大的地基沉降和不均勻沉降。三水閘的組成l 圖示講解：l 組成：上游聯(lián)接段、閘室段和下游聯(lián)接段三部分組成。水閘的組成1 閘室底板 2閘墩 3胸墻 4閘門 5工作橋 6交通橋 7堤頂 8上游翼墻 9下游翼墻 10護(hù)坦 11排水孔 12消力坎 13海漫 14下游防沖槽 15上游防沖槽 16上游護(hù)底 17上、下游護(hù)坡。1.上游聯(lián)接段：主要作用是引導(dǎo)水流平穩(wěn)地進(jìn)入閘室，同時起防沖、防滲、擋土等作用。一般包括上游翼墻、鋪蓋、護(hù)底、兩岸護(hù)坡及上游防沖槽等。上游翼墻的作用是引導(dǎo)水流平順地進(jìn)入閘孔并起側(cè)向防滲作用。鋪蓋主要起防滲作用，其表面應(yīng)滿足抗沖要求。護(hù)坡、護(hù)底和上游防沖槽（齒墻）是保護(hù)兩岸土質(zhì)、河床及鋪蓋頭部不受沖刷。2.閘室段：是水閘的主體部分，通常包括底板 、閘墩、閘門、胸墻 、工作橋及交通橋等。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，此外 ，還有防沖、防滲等作用。閘墩的作用是分隔閘孔并支承閘門、工作橋等上部結(jié)構(gòu)。閘門的作用是擋水和控制下泄水流。工作橋供安置啟閉機和工作人員操作之用。交通橋的作用是連接兩岸交通。3.下游聯(lián)接段：具有消能和擴散水流的作用。一般包括護(hù)坦、海漫、下游防沖槽、下游翼墻及護(hù)坡等。下游翼墻引導(dǎo)水流均勻擴散兼有防沖及側(cè)向防滲等作用。護(hù)坦具有消能防沖作用。海漫的作用是進(jìn)一步消除護(hù)坦出流的剩余動能、擴散水流、調(diào)整流速分布、防止河床受沖。下游防沖槽是海漫末端的防護(hù)設(shè)施，避免沖刷向上游擴展。四水閘設(shè)計l 水閘設(shè)計的內(nèi)容有：閘址選擇，確定孔口形式和尺寸，防滲、排水設(shè)計，消能防沖設(shè)計，穩(wěn)定計算，沉降校核和地基處理，選擇兩岸連接建筑物的型式和尺寸，結(jié)構(gòu)設(shè)計等。第二節(jié) 閘址選擇和閘孔設(shè)計引言：閘址選擇關(guān)系到工程建設(shè)的成敗和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮，是水閘設(shè)計中的一項重要內(nèi)容。應(yīng)根據(jù)水閘的功能、特點和運用要求以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)條件，綜合考慮地形、地質(zhì)、水流、潮汐、泥沙、冰情、施工、管理、周圍環(huán)境等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。l 本節(jié)主要介紹：閘址選擇、水閘等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)、閘孔型式的選擇、閘底板高程的確定、計算閘孔總凈寬一閘址選擇選擇閘址應(yīng)考慮河勢、河岸 、地勢、岸線、岸坡、淤積、材料來源、對外交通、施工導(dǎo)流、場地布置、基坑排水、施工水電供應(yīng)、水閘建成后工程管理維修和防汛搶險等條件，并應(yīng)考慮下列要求：占用土地及拆遷房屋少；盡量利用周圍已有公路、航運、動力、通信等公用設(shè)施；有利于綠化、凈化、美化環(huán)境和生態(tài)環(huán)境保護(hù)；有利于開展綜合經(jīng)營，等等。二.水閘等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)1.工程等別及建筑物級別平原區(qū)水閘樞紐工程應(yīng)根據(jù)水閘最大過閘流量及其防護(hù)對象的重要性劃分等別，規(guī)模巨大或在國民經(jīng)濟(jì)中占有特殊重要地位的水閘樞紐工程，其等別應(yīng)經(jīng)論證后報主管部門批準(zhǔn)確定。山區(qū)、丘陵區(qū)水利水電樞紐中的水閘，其級別可根據(jù)所屬樞紐工程的等別及水閘自身的重要性確定。樞紐工程等別應(yīng)按國家現(xiàn)行的有關(guān)規(guī)范確定。對失事后造成巨大損失或嚴(yán)重影響，或采用實踐經(jīng)驗較少的新型結(jié)構(gòu)的25級主要建筑物，經(jīng)論證并報主管部門批準(zhǔn)后可提高一級設(shè)計；對失事后造成損失不大或影響較小的14級主要建筑物，經(jīng)論證并報主管部門批準(zhǔn)后可降低一級設(shè)計。2.洪水標(biāo)準(zhǔn)平原區(qū)水閘的洪水標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)所在河流流域防洪規(guī)劃規(guī)定的防洪任務(wù)，以近期防洪目標(biāo)為主，并考慮遠(yuǎn)景發(fā)展要求，綜合分析確定。 山區(qū)、丘陵區(qū)水利水電樞紐中的水閘，其洪水標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與所屬樞紐中永久性建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)一致。永久性建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按國家現(xiàn)行的SL2522000的規(guī)定確定。 三閘孔型式的選擇1.寬頂堰型：優(yōu)點、缺點2.低實用堰型：優(yōu)點、缺點3.胸墻孔口型：優(yōu)點、缺點四閘底板高程的確定底板高程與水閘承擔(dān)的任務(wù)、泄流或引水流量、上下游水位、泥沙及河床地質(zhì)條件等因素有關(guān)。展開講述底板高程、閘室寬度、兩岸連接建筑與地基強度、單寬流量的關(guān)系。五計算閘孔總凈寬閘孔總凈寬應(yīng)根據(jù)泄流特點、下游河床地質(zhì)條件和安全泄流的要求，結(jié)合閘孔孔徑和孔數(shù)的選用，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。計算時分別對不同的水流情況，根據(jù)給定的設(shè)計流量、上下游水位和初擬的底板高程及堰型來確定。l 圖示講解：1.對于平底閘，當(dāng)水流為堰流時，計算示意圖如下所示平底板堰流計算示意圖計算公式如下：= 單孔閘 多孔閘 式中 B0閘孔總凈寬（m）; Q過閘流量（m3/s）; H0計入行近流速在內(nèi)的堰上水深（m）; g 重力加速度，取9.81(m/s2); m堰流流量系數(shù)，可采用0.385；堰流側(cè)收縮系數(shù)，對于單孔閘可按公式計算求得或查表得；對于多孔閘可按公式計算求得； b0閘孔凈寬（m）；bs上游河道一半水深處的寬度（m）；N閘孔數(shù)；Z中閘孔側(cè)收縮系數(shù)， dz中閘墩厚度（m）;b邊閘孔側(cè)收縮系數(shù)，可按公式計算求得;bb邊閘墩順?biāo)飨蜻吘壘€至上游河道水邊線之間的距離（m）;堰流淹沒系數(shù)，對于寬頂堰可由表查得，表中的hs為堰頂下游水深（m）。2.當(dāng)為孔口出流時，計算示意圖如下所示孔口出流計算示意圖計算公式如下： 式中：he孔口高度（m）; 寬頂堰上孔流流量系數(shù)，可按公式計算求得或由表查得。垂直收縮系數(shù)，可由公式計算求得；-流速系數(shù)，可取0.951.0；計算系數(shù)，可由公式計算求得，該公式適用于00.25范圍。r-胸墻底圓弧半徑（m）;寬頂堰上孔流淹沒系數(shù)，可由表58查得，表中hc”為躍后水深（m）。 水閘的過閘水位差確定：根據(jù)上游淹沒影響、允許的過閘單寬流量和水閘工程造價等因素綜合比較確定。水閘的過水能力：與上下游水位、底板高程和閘孔總凈寬等是相互關(guān)聯(lián)的，設(shè)計時，需要通過對不同方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后最終確定。六確定閘室單孔寬度和閘室總寬度l 閘孔孔徑：根據(jù)閘的地基條件、運用要求、閘門結(jié)構(gòu)型式、啟閉機容量，以及閘門的制作、運輸、安裝等因素，進(jìn)行綜合分析確定。選用的閘孔孔徑應(yīng)符合國家現(xiàn)行的SL7495水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范所規(guī)定的閘門孔口尺寸系列標(biāo)準(zhǔn)l 閘孔孔數(shù)選定l 閘室總寬度的確定閘室總寬度：與上下游河道或渠道寬度相適應(yīng)。l 孔寬、孔數(shù)和閘室總寬度擬定后，再考慮閘墩等的影響，進(jìn)一步驗算水閘的過水能力。第三節(jié) 水閘的消能防沖設(shè)計（一）引言：水閘泄水時，部分勢能轉(zhuǎn)為動能，流速增大，具有較強的沖刷能力，而土質(zhì)河床一般抗沖能力較低。因此，為了保證水閘的安全運行，必須采取適當(dāng)?shù)南芊罌_措施。要設(shè)計好水閘的消能防沖措施，應(yīng)先了解過閘水流的特點，進(jìn)而采取妥善的防范措施。l 本節(jié)主要介紹：過閘水流的特點、消能防沖設(shè)計條件的確定、底流消能工的設(shè)計。一、過閘水流的特點1 水流形式復(fù)雜：初始泄流時，閘下水深較淺，隨著閘門開度的增大而逐漸加深，閘下出流由孔流到堰流，由自由出流到淹沒出流都會發(fā)生，水流形態(tài)比較復(fù)雜。因此，消能設(shè)施應(yīng)在任意工作情況下，均能滿足消能的要求并與下游水流很好的銜接。2 閘下易形成波狀水躍：圖示講解：上、下游水位差較小，出閘水流的佛汝德數(shù)較低（Fr=11.7）,容易發(fā)生波狀水躍，特別是在平底板的情況下更是如此。此時無強烈的水躍旋滾，水面波動，消能效果差，具有較大的沖刷能力。另外，水流處于急流狀態(tài)，不易向兩側(cè)擴散，致使兩側(cè)產(chǎn)生回流，縮小河槽過水有效寬度，局部單寬流量增大，嚴(yán)重地沖刷下游河道，見下圖。波狀水躍示意圖3 閘下容易出現(xiàn)折沖水流：圖示講解：一般水閘的寬度較上下游河道窄，水流過閘時先收縮而后擴散。如工程布置或操作運行不當(dāng)，出閘水流不能均勻擴散，使主流集中，蜿蜒蛇行，左沖右撞，形成折沖水流，沖毀消能防沖設(shè)施和下游河道，見下圖。 閘下折沖水流二消能防沖設(shè)計條件的確定1.閘下水流的消能方式：底流式消能、挑流消能、面流式消能。2.消能設(shè)計條件的選擇：以閘門的開啟程序，開啟孔數(shù)和開啟高度進(jìn)行多種組合計算，進(jìn)行分析比較確定。三.底流消能工設(shè)計 1. 講解消能工的布置圖示講解：l 底流式消能設(shè)施有三種形式：下挖式、突檻式和綜合式，如下圖所示。消力池型式示意圖（a） 下挖式；（b）突檻式；（c）綜合式（b） 下挖式：當(dāng)閘下尾水深度小于躍后水深時，可采用下挖式消力池消能。消力池可采用斜坡面與閘底板相連接，斜坡面的坡度不宜陡于1：4。 突檻式：當(dāng)閘下尾水深度略小于躍后水深時，可采用突檻式消力池消能。 綜合式：當(dāng)閘下尾水深度遠(yuǎn)小于躍后水深，且計算消力池深度又較深時，可采用下挖消力池與突檻式消力池相結(jié)合的綜合式消力池消能。 當(dāng)水閘上、下游水位差較大，且尾水深度較淺時，宜采用二級或多級消力池消能。 尾檻：布置在消力池末端：調(diào)整流速分布，減小出池水流的底部流速，且可在檻后產(chǎn)生小橫軸旋滾，防止在尾檻后發(fā)生沖刷，并有利于平面擴散和消減邊側(cè)下游回流。2.池深、池長的確定 消力池的深度消力池的深度是在某一給定的流量和相應(yīng)的下游水深條件下確定的。設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)選取最不利情況對應(yīng)的流量作為確定消力池深度的設(shè)計流量。要求水躍的起點位于消力池的上游端或斜坡段的坡腳附近。圖示講解：消力池計算示意圖 消力池深度計算 消力池的長度計算大型水閘的消力池深度和長度，在初步設(shè)計階段，應(yīng)進(jìn)行水工模型試驗驗證。3.構(gòu)造要求 消力池底板（即護(hù)坦）：承受水流的沖擊力、水流脈動壓力和底部揚壓力等作用，應(yīng)具有足夠的重量、強度和抗沖耐磨的能力。護(hù)坦一般是等厚的，但也可采用不同的厚度，始端厚度大，向下游逐漸減小。 護(hù)坦厚度：可根據(jù)抗沖和抗浮要求，分別計算，并取其最大值。 消力池末端厚度取值。 配筋：底板一般用C15或C20混凝土澆筑而成，并按構(gòu)造配置1012mm、2530cm的構(gòu)造鋼筋。大型水閘消力池的頂、底面均需配筋，中、小型的可只在頂面配筋。 排水孔：為了降低護(hù)坦底部的滲透壓力，可在水平護(hù)坦的后半部設(shè)置排水孔，孔下鋪設(shè)反濾層，排水孔孔徑一般為510cm，間距1.03.0m，呈梅花形布置。 分縫與止水：護(hù)坦與閘室、岸墻及翼墻之間，以及其本身沿水流方向均應(yīng)用縫分開，以適應(yīng)不均勻沉陷和溫度變形。護(hù)坦自身的縫距可取1020m，靠近翼墻的消力池縫距應(yīng)取得小一些。護(hù)坦在垂直水流方向通常不設(shè)縫，以保證其穩(wěn)定性，縫寬2.02.5cm?？p的位置如在閘基防滲范圍內(nèi)，縫中應(yīng)設(shè)止水設(shè)備；但一般都鋪貼瀝青油毛氈。 齒墻：為增強護(hù)坦的抗滑穩(wěn)定性，常在消力池的末端設(shè)置齒墻，墻深一般為0.81.5m,寬為0.60.8m。4.輔助消能工為了提高消力池的消能效果，除尾檻外，還可設(shè)置消力墩、消力齒等輔助消能工，以加強紊動擴散，減小躍后水深，縮短水躍長度，穩(wěn)定水躍和達(dá)到提高水躍消能效果的目的。第三節(jié) 水閘的消能防沖設(shè)計（二）復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容本節(jié)主要介紹：海漫的布置和構(gòu)造、海漫長度、防沖槽的構(gòu)造與設(shè)計以及波狀水躍和折沖水流的防止措施。四海漫l 圖示講解：水流經(jīng)過消力池，雖已消除了大部分多余能量，但仍留有一定的剩余動能，特別是流速分布不均，脈動仍較劇烈，具有一定的沖刷能力。因此，護(hù)坦后仍需設(shè)置海漫等防沖加固設(shè)施，以使水流均勻擴散，并將流速分布逐步調(diào)整到接近天然河道的水流形態(tài)。 海漫布置示意圖1.海漫的布置和構(gòu)造一般在海漫起始段做510m長的水平段，其頂面高程可與護(hù)坦齊平或在消力池尾坎頂以下0.5m左右，水平段后做成不陡于1：10的斜坡，以使水流均勻擴散，調(diào)整流速分布，保護(hù)河床不受沖刷。l 對海漫的要求：表面有一定的粗糙度，以利進(jìn)一步消除余能；具有一定的透水性，以便使?jié)B水自由排出，降低揚壓力；具有一定的柔性，以適應(yīng)下游河床可能的沖刷變形。常用的海漫結(jié)構(gòu)有以下幾種： 干砌石海漫：一般由粒徑大于30cm的塊石砌成，厚度為0.40.6m，下面鋪設(shè)碎石、粗砂墊層，厚1015cm。干砌石海漫的抗沖流速為2.54.0m/s。為了加大其抗沖能力，可每隔610m設(shè)一漿砌石埂。干砌石常用在海漫后段。 漿砌石海漫：采用強度等級為M5或M8 的水泥砂漿，砌石粒徑大于30cm,厚度為0.40.6m，砌石內(nèi)設(shè)排水孔,下面鋪設(shè)反濾層或墊層。漿砌石海漫的抗沖流速可達(dá)36m/s，但柔性和透水性較差，一般用于海漫的前部約10m范圍內(nèi)。 混凝土板海漫：整個海漫由板塊拼鋪而成；每塊板的邊長25m，厚度為0.10.3m，板中有排水孔，下面鋪設(shè)墊層。混凝土板海漫的抗沖流速可達(dá)610m/s，但造價較高。有時為增加表面糙率，可采用斜面式或城垛式混凝土塊體。鋪設(shè)時應(yīng)注意順?biāo)髁飨虿灰擞型p。 鋼筋混凝土板海漫：當(dāng)出池水流的剩余能量較大時，可在尾檻下游510m范圍內(nèi)采用鋼筋混凝土板海漫，板中有排水孔，下面鋪設(shè)反濾層或墊層。 其它形式海漫：如鉛絲石籠海漫。2.海漫長度：海漫的長度應(yīng)根據(jù)可能出現(xiàn)的不利水位、流量組合情況進(jìn)行計算。講解海漫長度計算公式當(dāng),且消能擴散情況良好時，海漫長度可按下式計算： 五、防沖槽 l 圖示講解：水流經(jīng)過海漫后，盡管多余能量得到了進(jìn)一步消除，流速分布接近河床水流的正常狀態(tài)，但在海漫末端仍有沖刷現(xiàn)象。為保證安全和節(jié)省工程量，常在海漫末端設(shè)置防沖槽或采取其他加固措施。在海漫末端挖槽拋石預(yù)留足夠的石塊，當(dāng)水流沖刷河床形成沖坑時，預(yù)留在槽內(nèi)的石塊沿斜坡陸續(xù)滾下，鋪在沖坑的上游斜坡上，防止沖刷坑向上游擴展，保護(hù)海漫安全。防沖槽構(gòu)造圖參照已建水閘工程的實踐經(jīng)驗，防沖槽大多采用寬淺式的，其深度 t 一般取1.52.5m，底寬b取23倍的深度，上游坡率m1=23,下游坡率m2= 3。防沖槽的單寬拋石量V應(yīng)滿足護(hù)蓋沖坑上游坡面的需要估算。 六浪狀水躍、折沖水流的防止措施1.波狀水躍的防止措施：對于平底板水閘，可在消力池斜坡段的頂部上游預(yù)留一段0.5-1.0m寬的平臺，其上設(shè)置一道小檻，使水流越檻入池，促成底流式水躍。檻的高度C約為hc的1/4，hc為閘孔出流的第一共軛水深。小檻迎水面做成斜坡，以減弱水流的沖擊作用，檻底設(shè)排水孔。如將小檻改成齒形檻分水墩，效果會更好。若水閘底板采用低實用堰型，則有助于消除波狀水躍。2.折沖水流的防止措施：消除折沖水流首先應(yīng)從平面布置上入手，盡量使上游引河具有較長的直線段，并能在上游兩岸對稱布置翼墻，出閘水流與原河床主流的位置和方向一致；其次是控制下游翼墻擴散角，每側(cè)宜采用712,且不宜采用弧形翼墻（大型水閘如采用弧形翼墻，其半徑不小于30m）,墻頂應(yīng)高于下游最高水位，以免回流由墻頂漫向消力池；另外，要制訂合理的閘門開啟程序，如低泄量時隔孔開啟，使水流均勻出閘，或開閘時先開中間孔，繼而開兩側(cè)鄰孔至同一高度，直至全部開至所需高度，閉門與之相反，由兩邊孔向中間孔依次對稱地操作。第四節(jié) 水閘的防滲排水設(shè)計（一）引言：水閘的防滲排水設(shè)計任務(wù)在于經(jīng)濟(jì)合理地擬定閘的地下（及兩岸）輪廓線型式和尺寸，以消除和減小滲流對水閘產(chǎn)生的不利影響，防止閘基和兩岸產(chǎn)生滲透破壞。l 本節(jié)主要介紹：地下輪廓線的概念、閘基防滲長度的計算、不同地基地下輪廓線的布置、閘基滲流計算的基本原理和計算步驟一地下輪廓的布置1.地下輪廓線l 圖示講解：閘基滲流圖水流在上下游水位差H作用下，經(jīng)地基向下游滲透，并從護(hù)坦的排水孔等處排出。l 地下輪廓線上游鋪蓋、板樁及水閘底板等不透水部分與地基的接觸線，即圖中折線0、1、215、16是閘基滲流的第一條流線，亦稱地下輪廓線，其長度稱為閘基防滲長度。初步擬定的閘基防滲長度應(yīng)滿足： 2.不同地基地下輪廓線的布置閘基防滲長度初步確定后，可根據(jù)地基特性，參考已建的工程經(jīng)驗進(jìn)行閘基地下輪廓線布置。l 防滲設(shè)計原則：高防低排。即在高水位側(cè)采用鋪蓋、板樁、齒墻等防滲設(shè)施，用以延長滲徑減小滲透坡降和閘底板下的滲透壓力；在低水位側(cè)設(shè)置排水設(shè)施，如面層排水、排水孔或減壓井與下游連通，使地基滲水盡快排出，以減水滲透壓力，并防止在滲流出口附近發(fā)生滲透變形。 粘性土地基圖示講解：粘性土壤具有凝聚力，不易產(chǎn)生管涌，但摩擦系數(shù)較小。因此，布置地下輪廓時，排水設(shè)施可前移到閘底板下，以降低底板下的滲透壓力并有利于粘土加速固結(jié)，以提高閘室穩(wěn)定性。防滲措施常采用水平鋪蓋，而不用板樁，以免破壞粘土的天然結(jié)構(gòu)，在板樁與地基間造成集中滲流通道。 粘性土地基內(nèi)夾有承壓透水層時，應(yīng)考慮設(shè)置垂直排水，以便將承壓水引出。 （a）粘性地基 （b）粘性地基夾有透水砂層粘性地基上地下輪廓布置圖 砂性土地基圖示講解：砂性地基上地下輪廓布置圖（a）砂層厚度較深時；（b）砂層厚度較淺時；（c）易液化粉細(xì)砂土地基砂性土粒間無粘著力，易產(chǎn)生管涌，要求防止?jié)B透變形是其考慮主要因素；砂性土摩擦系數(shù)較大，對減小滲透壓力要求相對較小。當(dāng)砂層很厚時，可采用鋪蓋與板樁相結(jié)合的型式，排水設(shè)施布置在護(hù)坦上。必要時，在鋪蓋前端再加設(shè)一道短板樁，以加長滲徑；當(dāng)砂層較薄，下面有不透水層時，可將板樁插入不透水層，當(dāng)?shù)鼗鶠榉奂?xì)砂土基時，為了防止地基液化，常將閘基四周用板樁封閉起來，因其受雙向水頭作用，故水閘上下游均設(shè)有排水設(shè)施，而防滲設(shè)施無法加長。設(shè)計時應(yīng)以水頭差較大的一邊為主，另一邊為輔，并采取除降低滲壓以外的其它措施，提高閘室的穩(wěn)定性。二.閘基滲流計算l 閘基滲流計算的目的：求解滲透壓力、滲透坡降，驗算地基土在初步擬定的地下輪廓線下的抗?jié)B穩(wěn)定性。l 滲流計算方法：流網(wǎng)法、改進(jìn)阻力系數(shù)法、直線法。1.改進(jìn)阻力系數(shù)法：是在阻力系數(shù)法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，這兩種方法的基本原理非常相似。主要區(qū)別是改進(jìn)阻力系數(shù)法的滲流區(qū)劃分比阻力系數(shù)法多，在進(jìn)出口局部修正方面考慮得更詳細(xì)些。因此，改進(jìn)阻力系數(shù)是一種精度較高的近似計算方法。 圖示講解： 基本原理 計算步驟 2.流網(wǎng)法基本原理和繪制方法對于邊界條件復(fù)雜的滲流場，很難求得精確的滲流理論解，工程上往往利用流網(wǎng)法解決任一點滲流要素。流網(wǎng)的繪制可以通過實驗或圖解來完成。前者運用大型水閘復(fù)雜的地下輪廓和土基，后者運用于均質(zhì)地基上的水閘，既簡便迅速，又有足夠的精度。土石壩滲流與閘基滲流的區(qū)別閘基滲流的邊界條件確定方法：地下輪廓線作為第一條流線；地基中埋深較淺的不透水層表面作為最后一條流線。如果透水層很深，可認(rèn)為滲流區(qū)的下部邊界線為半圓弧線，該弧線的圓心位于地下輪廓線水平投影的中心，半徑是地下輪廓線水平投影長度的1.5倍。設(shè)置板樁時，則半徑應(yīng)為地下輪廓線垂直投影的3倍，與前者比較，取其中較大值。滲流入滲的上游河床是第一條等勢線；滲流出口處的反濾層或墊層是最后一條等勢線。計算滲流要素：滲透壓力：滲透坡降、滲透流速、滲透流量第四節(jié) 水閘的防滲排水設(shè)計（二）復(fù)習(xí)上節(jié)內(nèi)容l 本節(jié)主要介紹：直線比例法的計算原理和方法，鋪蓋、板樁及齒墻等防滲設(shè)施和排水設(shè)施的結(jié)構(gòu)要求，水閘的側(cè)向繞滲，并講解例題3.直線比例法l 圖示講解：閘基滲流計算示意圖對于地下輪廓比較簡單，地基又不復(fù)雜的中、小型工程，可考慮采用直線法。直線比例法是假定滲流沿地下輪廓流動時，水頭損失沿程按直線變化，求地下輪廓各點的滲透壓力。直線比例法有勃萊法和萊因法兩種。 勃萊法如上圖（a）所示，地下輪廓予以展開，按比例繪一直線，在滲流開始點1作一長度為H的垂線，并由垂線頂點用直線和滲流逸出點8相連，即得地下輪廓展開成直線后的滲透壓力分布圖。任一點的滲透壓力hx，如上圖（c）所示，可按比例求得： 萊因法根據(jù)工程實現(xiàn)，萊因法認(rèn)為水流在水平方向流動和垂直向流動，消能的效果是不一樣的，后著為前者的三倍。在防滲長度展開為一直線時，應(yīng)將水平滲徑除以3，再與垂直滲徑相加，即得折算后的防滲長度，然后按直線比例法求得各點滲透壓力，如上圖（d）所示。三、防滲及排水設(shè)施防滲設(shè)施是指構(gòu)成地下輪廓的鋪蓋、板樁及齒墻，而排水設(shè)施則是指鋪設(shè)在護(hù)坦、漿砌石海漫底部或閘底板下游段起導(dǎo)滲作用的砂礫石層。排水常與反濾層結(jié)合使用。1.鋪蓋鋪蓋主要用來延長滲徑，應(yīng)具有相對的不透水性；為適應(yīng)地基變形，也要有一定的柔性。鋪蓋常用粘土、粘土壤或瀝青混凝土作成，有時也可用鋼筋混凝土作為鋪蓋材料。結(jié)合圖示展開內(nèi)容，分別講述 粘土和粘壤土鋪蓋鋪蓋的滲透系數(shù)應(yīng)比地基土的滲透系數(shù)小100倍以上。鋪蓋的長度應(yīng)由閘基防滲需要確定。鋪蓋的厚度應(yīng)根據(jù)鋪蓋土料的允許水力坡降值計算確定。 混凝土、鋼筋混凝土鋪蓋如當(dāng)?shù)厝狈φ承酝亮希蛞凿伾w兼作阻滑板增加閘室穩(wěn)定時，可采用混凝土或鋼筋混凝土鋪蓋。鋪蓋與底板、翼墻之間用沉降縫分開。鋪蓋本身亦應(yīng)設(shè)溫度沉降縫，靠近翼墻的縫距應(yīng)小一些，縫中均應(yīng)設(shè)止水?；炷翉姸鹊燃墳镃15，配置鋼筋。 還有瀝青混凝土和漿砌塊石鋪蓋。2.板樁：板樁的作用隨其位置不同而不同。一般設(shè)在閘底板上游端或鋪蓋前端，主要用以降低滲透壓力，有時也設(shè)在底板下游端，以減小出口段坡降或出逸坡降。3.齒墻：閘底板的上、下游端一般都設(shè)有齒墻，它有利于抗滑穩(wěn)定，并可延長滲徑。4.排水設(shè)施：排水的位置直接影響滲壓的大小和分布，應(yīng)根據(jù)閘基土質(zhì)情況和水閘的工作條件，做到既減小滲壓又避免滲透變形。并在排水與地基接觸處做好反濾層。四水閘的側(cè)向繞滲 圖示講解：側(cè)向繞滲：水閘建成擋水后，除閘基滲流外，滲流還從上游高水位繞過翼墻、岸墻和剌墻等流向下游。繞滲對翼墻、岸墻施加水壓力，影響其穩(wěn)定性；在滲流出口處，以及填土與岸、翼墻的接觸面上可能產(chǎn)生滲透變形。此外，它還會影響閘和地基的安全。因此，應(yīng)做好側(cè)向防滲排水設(shè)施。1側(cè)向繞滲計算側(cè)向繞滲具有自由水面，屬于三維無壓滲流。當(dāng)河岸土質(zhì)均一，在其下面有水平不透水層時，可將三維問題簡化成二維問題，按與閘基有壓滲流相似的方法或流網(wǎng)法或改進(jìn)阻力系數(shù)法求解繞滲要素。如果墻后土層的滲透系數(shù)小于地基滲透系數(shù)時，側(cè)向繞滲壓力可以近似地采用相對應(yīng)部位的閘基揚壓力計算值。2側(cè)向防滲措施側(cè)向防滲排水布置（包括刺墻、板樁、排水井等）應(yīng)根據(jù)上、下游水位、墻體材料和墻后土質(zhì)以及地下水位變化等情況綜合考慮，并應(yīng)與閘基的防滲排水布置相適應(yīng)，使在空間上形成防滲整體。側(cè)向繞滲示意圖3.例題： 第五節(jié) 閘室的布置和構(gòu)造引言：閘室是水閘的主體部分。開敞式水閘閘室由底板、閘墩、閘門、工作橋和交通橋等組成，有的還設(shè)有胸墻。閘室的結(jié)構(gòu)形式、布置和構(gòu)造，應(yīng)在保證穩(wěn)定的前提下，盡量做到輕型化、整體性好、剛性大、布置勻稱，并進(jìn)行合理的分縫分塊，使作用在地基單位面積上的荷載較小，較均勻，并能適應(yīng)地基可能的沉降變形。l 本節(jié)主要介紹：閘室各組成部分的結(jié)構(gòu)型式、尺寸、布置及構(gòu)造。一底板l 閘底板型式：平底板、鉆孔灌注樁底板、低堰底板、箱式底板、斜底板、反拱底板l 平底板分為：整體式、分離式1 整體式底板l 圖示講解：概念、長度確定條件、底板厚度、混凝土強度等級以及適用范圍整體式底板（a）墩中分縫底板；（b）跨中分縫底板2分離式底板l 圖示講解：概念、長度確定條件、底板厚度、混凝土強度等級以及適用范圍分離式底板二、閘墩1.結(jié)構(gòu)型式2.閘教的外形輪廓3.閘墩上游部分的頂面高程4.閘墩長度5.閘墩厚度6.平面閘門的門槽尺寸三、胸墻胸墻頂部高程與閘墩頂部高程齊平。胸墻底高程應(yīng)根據(jù)孔口泄流量要求計算確定，以不影響泄水為原則。胸墻相對于閘門的位置，取決于閘門的型式。胸墻結(jié)構(gòu)型式可根據(jù)閘孔孔徑大小和泄水要求選用。胸墻厚度選擇胸墻與閘墩的連接方式四.工作橋、交通橋1.工作橋概念、作用、工作橋設(shè)置高程（與門型有關(guān)，舉例說明）工作橋的總寬度選定2.交通橋交通橋的位置應(yīng)根據(jù)閘室穩(wěn)定及兩岸交通連接等條件確定，通常布置在閘室下游。寬度根據(jù)交通要求定。交通橋的型式：板式、板梁式、拱式。五、閘室的分縫及止水設(shè)備1.分縫方式及布置分縫原因、方式、縫距l(xiāng) 圖示說明：閘底板分縫型式示意圖1底板；2閘墩；3閘門；4岸墻；5沉降縫；6邊墩整體式底板閘室沉降縫，一般設(shè)在閘墩中間，一孔、二孔或三孔一聯(lián)，成為獨立單元，其優(yōu)點是保證在不均勻沉降時閘孔不變形，閘門仍然正常工作?？拷哆厱r，為了減輕墻后填土對閘室的不利影響，特別是在地質(zhì)條件較差時，最多一孔一縫或兩孔一縫，而后再接二孔或三孔的閘室。如果地基條件較好，也可以將縫設(shè)在底板中間,這樣不僅減小閘墩厚度和水閘總寬，底板受力條件也可改善，但地基不均勻沉降可能影響閘門工作。土基上的水閘,不僅閘室本身分縫,凡相鄰結(jié)構(gòu)荷重相差懸殊或結(jié)構(gòu)較長、面積較大的地方，都要設(shè)縫分開。例如，鋪蓋、護(hù)坦與底板、翼墻聯(lián)接處都應(yīng)設(shè)縫；翼墻、混凝土鋪蓋及消力池底板本身也需分段、分塊。水閘分縫布置圖1邊墩 2混凝土鋪蓋 3消力池 4上游翼墻 5下游翼墻6中墩 7縫墩 8柏油油毛氈嵌紫銅片 9垂直止水甲10垂直止水乙 11柏油油毛氈止水2.止水凡具有防滲要求的縫，都應(yīng)設(shè)止水設(shè)備。具體講解鉛直止水：設(shè)在閘墩中間，邊墩與翼墻間以及上游翼墻本身具體講解水平止水：設(shè)在鋪蓋、消力池與底板和翼墻、底板與閘墩間以及混凝土鋪蓋及消力池本身的溫度沉降縫內(nèi)。第六節(jié) 閘門與啟閉機引言：閘門是水閘的關(guān)鍵部分,用它來封閉和開啟孔口,以達(dá)到控制水位和調(diào)節(jié)流量的目的。l 本節(jié)主要介紹：閘門的類型、啟閉機類型一.閘門1.閘門的類型 按工作性質(zhì)分類閘門按其工作性質(zhì)的不同,可分為工作閘門、事故閘門和檢修閘門等。工作閘門又稱主閘門，是水工建筑物正常運行情況下使用的閘門。事故閘門是在水工建筑物或機械設(shè)備出現(xiàn)事故時，在動水中快速關(guān)閉孔口的閘門，又稱快速閘門。事故排除后充水平壓，在靜水中開啟。檢修閘門用以臨時擋水，一般在靜水中啟閉。 按門體的材料分類閘門按門體的材料可分為鋼閘門、鋼筋混凝土或鋼絲網(wǎng)水泥閘門、木閘門及鑄鐵閘門等。鋼閘門門體較輕，一般用于大、中型水閘。鋼筋混凝土或鋼絲網(wǎng)水泥閘門可以節(jié)省鋼材，不需除銹但前者較笨重，啟閉設(shè)備容量大；后者容易剝蝕，耐久性差，一般用于渠系小型水閘。鑄鐵門抗銹蝕、抗磨性能好、止水效果也好，但由于材料抗彎強度較低，性能又脆，故僅在低水頭、小孔徑水閘中使用。木閘門耐久性差，已日趨不用。 按結(jié)構(gòu)形式分類閘門按其結(jié)構(gòu)形式可分為平面閘門、弧形閘門等。弧形閘門與平面閘門比較，其主要優(yōu)點是啟門力小，可以封閉相當(dāng)大面積的孔口；無影響水流態(tài)的門槽，閘墩厚度較薄，機架橋的高度較低，埋件少。它的缺點是需要的閘墩較長；不能提出孔口以外進(jìn)行檢修維護(hù)，也不能在孔口之間互換；總水壓力集中于支鉸處，閘墩受力復(fù)雜。2.平面閘門的構(gòu)造平面閘門由活動部分（即門葉）、埋固部分和啟閉設(shè)備三部分組成。其中門葉由承重結(jié)構(gòu)包括面板、梁格、豎向聯(lián)結(jié)系或隔板、門背（縱向）聯(lián)接系和支承邊梁等，支承行走部件、止水裝置和吊耳等組成。埋固部分一般包括行走埋固件和止水埋固體等。啟閉設(shè)備一般由動力裝置,傳動和制動裝置以及連接裝置等組成。平面閘門的基本尺寸根據(jù)孔口尺寸確定。孔口尺寸應(yīng)優(yōu)先采用鋼閘門設(shè)計規(guī)范中推薦的系列尺寸。露頂式閘門頂部應(yīng)在可能出現(xiàn)的最高擋水位以上有0.30.5m的超高。 二.啟閉機閘門啟閉機可分為固定式和移動式兩種。啟閉機型式可根據(jù)門型、尺寸及其運用條件等因素選定。選用啟閉機的啟閉力應(yīng)等于或大于計算啟閉力，同時應(yīng)符合國家現(xiàn)行的SL4193水利水電工程啟閉機設(shè)計規(guī)范所規(guī)定的啟閉機系列標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)多孔閘門啟閉頻繁或要求短時間內(nèi)全部均勻開啟時，每孔應(yīng)設(shè)一臺固定式啟閉機。常用的固定式啟閉機有卷揚式、螺桿式、油壓式。1.卷揚式啟閉機主要由電動機、減速箱、傳動軸和繩鼓所組成。繩鼓固定在傳動軸上，圍繞鋼絲繩，鋼絲繩連接在閘門吊耳上。啟閉閘門時，通過電動機、減速箱和傳動軸使繩鼓轉(zhuǎn)動，帶動閘門升降。為了防備停電或電器設(shè)備發(fā)生故障，可同時使用人工操作，通過手搖箱進(jìn)行人力啟閉。卷揚式啟閉機啟閉能力較大，操作靈便，啟閉速度快，但造價較高，適用于弧形閘門。某些平面閘門能靠自重（或加重）關(guān)閉，且啟閉力較大時，也可采用卷揚式啟閉機。2.螺桿式啟閉機當(dāng)閘門尺寸和啟閉力都很小時，常用簡便、廉價的單吊點螺桿式啟閉機。螺桿與閘門連接，用機械或人力轉(zhuǎn)動主機，迫使螺桿連同閘門上下移動。當(dāng)水壓力較大，門重不足時，為使閘門關(guān)閉到底，可通過螺桿對閘門施加壓力。當(dāng)螺桿長度較大（如大于3m）時，可在胸墻上每隔一定距離設(shè)支撐套環(huán)，以防止螺桿受壓失穩(wěn)。其啟閉重量一般為3100KN。3.油壓啟閉機油壓啟閉機的主體為油缸和活塞。活塞經(jīng)活塞桿或連桿和閘門連接。改變油管中的壓力即可使活塞帶動閘門升降。其優(yōu)點是利用油泵產(chǎn)生的液壓傳動，可用較小的動力獲得很大的啟重力；液壓傳動比較平穩(wěn)和安全；較易實行遙控和自動化等。主要缺點是缸體內(nèi)圓鏜的加工受到各地條件的限制，質(zhì)量不易保證，造價也較高。第七節(jié) 水閘的穩(wěn)定分析及地基處理（一）引言：水閘竣工時，地基所受的壓力最大，沉降也較大。過大的沉降，特別是不均勻沉降，會使閘室傾斜，影響水閘的正常運行。當(dāng)?shù)鼗惺艿暮奢d過大，超過其容許承載力時，將使地基整體發(fā)生破壞。水閘在運用期間，受水平推力的作用，有可能沿地基面或深層滑動。因此，必須分別驗算水閘在不同工作情況下的穩(wěn)定性。本節(jié)主要介紹：水閘承受的主要荷載及其組合一、穩(wěn)定分析對于孔數(shù)較少而未分縫的小型水閘，可取整個閘室（包括邊墩）作為驗算單元；對于孔數(shù)較多設(shè)有沉降縫的水閘，則應(yīng)取兩縫之間的閘室單元分別進(jìn)行驗算。1.荷載及其組合圖示講解：水閘擋水情況荷載示意圖水閘承受的主要荷載：自重、水重、水平水壓力、揚壓力、浪壓力、泥沙壓力、土壓力及地震荷載等。 自重：（包括永久設(shè)備自重）壩體自重W標(biāo)準(zhǔn)值計算公式：W=V c （kN/m） 式中：V壩體體積（m3）；c壩體混凝土的重度（kN/m3）。計算自重時，壩上永久性的固定設(shè)備，如閘門、固定式啟閉機的重量也應(yīng)計算在內(nèi)，壩內(nèi)較大的孔洞應(yīng)該扣除。壩體自重的作用分項系數(shù)為1.0。永久設(shè)備自重的作用分項系數(shù)，當(dāng)其作用效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時采用1.05，有利時采用0.95。 水重：當(dāng)上、下游壩面傾斜時，應(yīng)計入豎向靜水壓力。 泥沙壓力：概念：入庫水流挾帶的泥沙在水庫中淤積，淤積在壩前的泥沙對壩面產(chǎn)生的壓力。泥沙壓力計算圖計算公式：Psk = （kN/m） 式中 sb泥沙的浮重度（kN/m3），sb=sd-（1-n）wsd泥沙的干重度（kN/m3）；w水的重度（kN/m3）；n泥沙的孔隙率；hs壩前估算的泥沙淤積厚度（m）；s泥沙的內(nèi)摩擦角（）。當(dāng)上游壩面傾斜時，應(yīng)計入豎向淤沙壓力，按淤沙的浮重度計算。淤沙壓力的作用分項系數(shù)采用1.2。 壩底面上的揚壓力：講解揚壓力的組成及其概念：揚壓力包括滲透壓力和浮托力兩部分。滲透壓力是由上下游水位差產(chǎn)生的滲流而在壩內(nèi)或壩基面上形成的向上的壓力。浮托力是由下游水深淹沒壩體計算截面而產(chǎn)生向上的壓力。揚壓力的分布與壩體結(jié)構(gòu)，上下游水位，防滲排水設(shè)施等因素有關(guān)。 當(dāng)壩基設(shè)有防滲和排水幕時，壩底面上游（壩踵）處的揚壓力作用水頭為H1；排水孔中心線處的揚壓力作用水頭為H2+H （H=H1-H2）；下游（壩趾）處為H2；三者之間用直線連接。 當(dāng)壩基設(shè)有防滲帷幕、上游主排水孔幕、下游副排水孔及抽排系統(tǒng)時，壩底面上游處的揚壓力作用水頭為H1，下游壩趾處為H2，主、副排水孔中心線處分別為1H1、2H2，其間各段用直線連接。 當(dāng)壩基無防滲、排水幕時，壩底面上游處的揚壓力作用水頭為H1，下游處為H2，其間用直線連接。 土壓力按主動土壓力計算。 波浪壓力平原、濱海地區(qū)水閘按莆田試驗站公式計算和： （534） （535）式中 hm平均波高（m）；V0計算風(fēng)速（m/s），可采用當(dāng)?shù)貧庀笈_站提供的30年一遇10min平均最大風(fēng)速；D風(fēng)區(qū)長度（m），當(dāng)對岸最遠(yuǎn)水面距離不超過水閘前沿水面寬度5倍時，可采用對岸至水閘前沿的直線距離；當(dāng)對岸最遠(yuǎn)水面距離超過水閘前沿寬度5倍時，可采用水閘前沿水面寬度的5倍；Hm風(fēng)區(qū)內(nèi)的平均水深（m），可由沿風(fēng)向的地形剖面圖求得，其計算水位與相應(yīng)計算情況下的靜水位一致；Tm平均波周期（S）。 查得水閘的設(shè)計波列累積頻率P（）值。 計算hP。 波長值 計算波浪壓力時分別按下列規(guī)定進(jìn)行1）當(dāng)H和時，波浪壓力可按下式計算。 式中 PL作用于水閘迎水面上的浪壓力（KN/