水利工程之水閘設(shè)計(jì)講義

水閘閘概述述水閘閘的的類類型型水閘閘的的組組成成及及構(gòu)構(gòu)造造水閘閘的的孔孔口口尺尺寸寸閘室室的的安安全全和和地地基基處處理理消能能防防沖沖閘下下防防滲滲與與閘閘室室結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)兩岸岸連連接接建建筑筑物物其他他閘閘壩壩建建筑筑物物概述所謂水閘閘，就是是修建在在河道、、渠道或或湖、海?？冢瞄l門門控制流流量和調(diào)調(diào)節(jié)水位位的水工工建筑物物。中國修建建水閘的的歷史悠悠久。公公元前598～前591年,楚令尹孫孫叔敖在在今安徽徽省壽縣縣建芍陂灌區(qū)時(shí),即設(shè)五個(gè)個(gè)閘門引引水。以以后隨建建閘技術(shù)術(shù)的提高高和建筑筑材料新新品種的的出現(xiàn)，，水閘建建設(shè)也日日益增多多。1949年后大規(guī)規(guī)模現(xiàn)代代化水閘閘的建設(shè)設(shè),在中國普普遍興起起,并積累了了豐富的的經(jīng)驗(yàn)。。水閘是調(diào)調(diào)節(jié)水位位、控制制流量的的低水頭頭水工建建筑物，，主要依依靠閘門門控制水水流，具具有擋水水和泄（（引）水水的雙重重功能，，關(guān)閉閘閘門，可可以攔洪洪、擋潮潮、抬高高水位，，以滿足足上游取取水或通通航的需需要；開開啟閘門門，可以以泄洪、、排澇、、沖沙、、取水或或根據(jù)下下游用水水需要調(diào)調(diào)節(jié)流量量。水閘多建建在平原原地區(qū)，，其功能能是兼顧顧防洪、、取水、、排水、、航運(yùn)和和發(fā)電，，是綜合合水利工工程。水閘的類類型1.按水閘所所承擔(dān)的的任務(wù)分分類:節(jié)制閘、、進(jìn)水閘閘、分洪洪閘、排排水閘、、擋潮閘閘、排沙沙閘、排排冰閘、、排污閘閘等。如如圖節(jié)制閘（（或攔河河閘）：：攔河或或在渠道道上建造造?？菟谟靡砸詳r截河河道，抬抬高水位位，以利利上游取取水或航航運(yùn)要求求；洪水水期則開開閘泄洪洪，控制制下泄流流量。位位于河道道上的節(jié)節(jié)制閘稱稱為攔河河閘。進(jìn)水閘：：建在河河道、水水庫或湖湖泊的岸岸邊，用用來控制制引水流流量，以以滿足灌灌溉、發(fā)發(fā)電或供供水的需需要。進(jìn)進(jìn)水閘又又稱取水水閘或渠渠首閘。。分洪閘：：常建于于河道的的一側(cè)，，用來將將超過下下游河道道安全泄泄量的洪洪水泄入入預(yù)定的的湖泊、、洼地，，及時(shí)削削減洪峰峰，保證證下游河河道的安安全。排水閘：：常建于于江河沿沿岸，外外河水位位上漲時(shí)時(shí)關(guān)閘以以防外水水倒灌，，外河水水位下降降時(shí)開閘閘排水，，排除兩兩岸低洼洼地區(qū)的的澇漬。。該閘具具有雙向向擋水，，有時(shí)雙雙向過流流的特點(diǎn)點(diǎn)。擋潮閘：：建在入入海河口口附近，，漲潮時(shí)時(shí)關(guān)閘不不使海水水沿河上上溯，退退潮時(shí)開開閘泄水水。擋潮潮閘具有有雙向擋擋水的特特點(diǎn)。排沙閘、、排冰閘閘、排污污閘：為為排除泥泥沙、冰冰塊、漂漂浮物等等而設(shè)置置的。2.按閘室結(jié)結(jié)構(gòu)形式式分類開敞式水水閘：閘閘室上面面不填土土封閉的的水閘。。一般有有泄洪、、排水、、過木等等要求時(shí)時(shí)，多采采用不帶帶胸墻的的開敞式式水閘，，多用于于攔河閘閘、排冰冰閘等；；當(dāng)上游游水位變變幅大，，而下泄泄流量又又有限制制時(shí)，為為避免閘閘門過高高，常采采用帶胸胸墻的開開敞式水水閘，如如進(jìn)水閘閘、排水水閘、擋擋潮閘多多用這種種形式。。涵洞式水水閘：閘閘（洞））身上面面填土封封閉的水水閘，又又稱封閉閉式水閘閘。涵洞洞式水閘閘常用于于穿堤取取水或排排水的水水閘。洞洞內(nèi)水流流可以是是有壓的的或者是是無壓的的。水閘的組組成及構(gòu)構(gòu)造水閘的主主體是閘閘室。此此外，閘閘室上，，下游都都需要有有連接段段與河道道連接。。如圖1—閘室底板板2—閘墩3—胸墻4—閘門5—工作橋6—交通橋7—堤頂8—上游翼墻墻9—下游翼墻墻10—護(hù)坦11—排水孔12—消力坎13—海漫14—下游防沖沖槽15—上游防沖沖槽16—上游護(hù)底底17—上、下游游護(hù)坡。。1.上游聯(lián)接接段：主要作用用是引導(dǎo)導(dǎo)水流平平穩(wěn)地進(jìn)進(jìn)入閘室室，同時(shí)時(shí)起防沖沖、防滲滲、擋土土等作用用。一般般包括上上游翼墻墻、鋪蓋蓋、護(hù)底底、兩岸岸護(hù)坡及及上游防防沖槽等等。上游游翼墻的的作用是是引導(dǎo)水水流平順順地進(jìn)入入閘孔并并起側(cè)向向防滲作作用。鋪鋪蓋主要要起防滲滲作用，，其表面面應(yīng)滿足足抗沖要要求。護(hù)護(hù)坡、護(hù)護(hù)底和上上游防沖沖槽（齒齒墻）是是保護(hù)兩兩岸土質(zhì)質(zhì)、河床床及鋪蓋蓋頭部不不受沖刷刷。2.閘室段：：是水閘的的主體部部分，通通常包括括底板、、閘墩墩、閘門門、胸墻墻、工工作橋及及交通橋橋等。底底板是閘閘室的基基礎(chǔ)，承承受閘室室全部荷荷載，并并較均勻勻地傳給給地基，，此外，，還有有防沖、、防滲等等作用。。閘墩的的作用是是分隔閘閘孔并支支承閘門門、工作作橋等上上部結(jié)構(gòu)構(gòu)。閘門門的作用用是擋水水和控制制下泄水水流。工工作橋供供安置啟啟閉機(jī)和和工作人人員操作作之用。。交通橋橋的作用用是連接接兩岸交交通。3.下游聯(lián)接接段：具有消能能和擴(kuò)散散水流的的作用。。一般包包括護(hù)坦坦、海漫漫、下游游防沖槽槽、下游游翼墻及及護(hù)坡等等。下游游翼墻引引導(dǎo)水流流均勻擴(kuò)擴(kuò)散兼有有防沖及及側(cè)向防防滲等作作用。護(hù)護(hù)坦具有有消能防防沖作用用。海漫漫的作用用是進(jìn)一一步消除除護(hù)坦出出流的剩剩余動(dòng)能能、擴(kuò)散散水流、、調(diào)整流流速分布布、防止止河床受受沖。下下游防沖沖槽是海海漫末端端的防護(hù)護(hù)設(shè)施，，避免沖沖刷向上上游擴(kuò)展展。水閘的孔孔口尺寸寸1.概述：水水閘的孔孔口尺寸寸主要是是指確定定水閘在在垂直水水流方向向的孔口口寬度，，包括單單孔凈寬寬b、孔口數(shù)數(shù)量n閘墩厚度度b`。水閘的的過流前前緣總寬寬度B`=nb+（n-1）b`，孔口過過流凈寬寬度B=nb。水閘孔孔口尺寸寸的大小小應(yīng)該滿滿足其承承擔(dān)的任任務(wù)。即即，水閘閘應(yīng)該有有足夠的的過流能能力。為為了減少少工程量量，在滿滿足工程程任務(wù)的的前提下下，水閘閘總是盡盡可能減減少垂直直水流方方向的閘閘室寬度度。2.水閘孔口口設(shè)計(jì)的的主要內(nèi)內(nèi)容確定閘孔孔型式擬定閘底底板高程程（即堰堰頂高程程）計(jì)算孔口口尺寸及及溢流前前沿總寬寬泄流能力力驗(yàn)算①.水閘的閘閘孔型式式（開敞敞式）根據(jù)水流流流態(tài)分分:堰流式,孔流式圖9-5堰流式閘閘孔圖圖9-6孔流式閘閘孔②根據(jù)結(jié)結(jié)構(gòu)型式式分（1）寬頂堰堰：2.5H<堰頂厚度度δ<4H或無坎，，常用于于平原地地區(qū)，自自由泄流流范圍大大且穩(wěn)定定；施工工簡單；；流量系系數(shù)m較小，易易產(chǎn)生波波狀水躍躍。（2）實(shí)用堰堰：0.67H<堰頂厚度度δ<2.5H，常用于于上游水水位允許許有較大大雍高的的山區(qū)，，自由泄泄流時(shí)流流量系數(shù)數(shù)m較大，流流量Q受下游水水位影響響較大。。（3）胸墻式式：用于于上游水水位變幅幅較大時(shí)時(shí)；可減減小閘門門及工作作橋高度度，增加加閘室剛剛度；不不利于排排冰排污污和通航航。閘室的安安全和地地基處理理閘室安全全問題包包括沿閘閘底板平平面的抗抗滑穩(wěn)定定、地基基承載里里和不均均勻沉降降。水閘基礎(chǔ)礎(chǔ)分為粘粘性土和和砂性土土。砂性性土地基基的承載載力和抗抗摩擦習(xí)習(xí)俗一般般能滿足足要求，，地基處處理的重重點(diǎn)是解解決閘下下防滲問問題。粘粘性土地地基，包包括淤泥泥、軟粘粘土，地地基處理理的重點(diǎn)點(diǎn)是加速速固結(jié)，，提高承承載力和和抗摩擦擦系數(shù)。。軟土地基基有以下下的幾種種處理方方法：換土墊層層強(qiáng)夯法沉井法預(yù)壓加固固振沖樁法法樁基礎(chǔ)高壓旋噴噴灌漿法法消能防沖沖水閘泄水水時(shí)，部部分勢能能轉(zhuǎn)為動(dòng)動(dòng)能，流流速增大大，具有有較強(qiáng)的的沖刷能能力，而而土質(zhì)河河床一般般抗沖能能力較低低。因此此，為了了保證水水閘的安安全運(yùn)行行，必須須采取適適當(dāng)?shù)南芊罌_沖措施。。要設(shè)計(jì)計(jì)好水閘閘的消能能防沖措措施，應(yīng)應(yīng)先了解解過閘水水流的特特點(diǎn)，進(jìn)進(jìn)而采取取妥善的的防范措措施。水閘開閘閘泄水時(shí)時(shí)，下游游河道都都會(huì)被沖沖刷，其其原因很很多：1.過閘水流流經(jīng)過閘閘孔被縮縮窄，水水流流速速增大，，加大了了沖刷的的條件。。2.水閘流量量比較集集中，單單寬流量量加大，，在上下下游有較較大水差差的情況況下，過過閘水流流有較大大的功能能，加大大了河道道沖刷。。3.平原河道道的河床床土質(zhì)較較差，容容易被水水流沖刷刷。4.水閘設(shè)計(jì)計(jì)總體平平面布置置不合理理或閘門門操作控控制不當(dāng)當(dāng)引起水水流有害害的沖刷刷。水流的主主要特征征有波狀狀水流和和折沖水水流，其其對(duì)河道道沖刷嚴(yán)嚴(yán)重。防沖要求求要選擇合合理的消消能防沖沖措施，，并與下下游河道道有良好好的銜接接，滿足足在各種種水力情情況下消消散動(dòng)能能與均勻勻擴(kuò)散水水流的要要求。合理布置置水閘總總體平面面，以利利于水流流擴(kuò)散，，避免或或減輕回回流的影影響。制定合理理的閘門門操作調(diào)調(diào)度制度度，杜絕絕人為不不當(dāng)操作作。水閘的消消能防沖沖措施包包括：選選擇合適適的過閘閘單寬流流量；選選擇合理理的消能能方式及及措施，，采取必必要的防防沖措施施。水閘閘的消能能防沖措措施主要要由建在在閘室下下游的消消力池、、輔助消消能工、、海漫、、防沖漕漕及下游游翼墻組組成。1.水閘的消消能方式式：底流流消能是是一種通通過在閘閘下產(chǎn)生生一定淹淹沒度的的水躍來來保護(hù)河河床免遭遭沖刷的的消能方方式。2.消力池：：消力池池的作用用是增加加下游水水深，保保證水流流形成淹淹沒式水水躍，以以達(dá)到消消能的目目的。3.輔助消能能工：除除設(shè)消力力池外，，在消力力池中還還可設(shè)消消力齒、、消力墩墩等輔助助消能工工。4.海漫緊緊接消消力池后后，應(yīng)設(shè)設(shè)海漫護(hù)護(hù)底，并并進(jìn)一步步消減余余能，使使水流均均勻擴(kuò)散散，調(diào)整整流速分分布，保保護(hù)河床床免受沖沖刷。5.防沖漕及及防沖墻墻：為了了保護(hù)河河漫，防防止沖刷刷向上游游擴(kuò)張，，常在海海漫末端端設(shè)置防防沖漕或或是防沖沖墻加固固。6.護(hù)底與護(hù)護(hù)坡：在在上下游游連接段段多采用用砌石護(hù)護(hù)底、護(hù)護(hù)坡。7.波狀水躍躍、折沖沖水躍水水流的防防治措施施。8.閘門控制制調(diào)度方方案：設(shè)設(shè)計(jì)工程程師設(shè)計(jì)計(jì)水閘，，要根據(jù)據(jù)水力設(shè)設(shè)計(jì)調(diào)試試結(jié)果或或水工模模型試驗(yàn)驗(yàn)成果，，制定閘閘門方式式，規(guī)定定閘門的的啟閉順順序和開開度，嚴(yán)嚴(yán)格操作作。閘下防滲滲與閘室室結(jié)構(gòu)水閘的防防滲排水水設(shè)施。。水閘的的防滲設(shè)設(shè)施主要要是指在在水閘中中起到防防滲作用用的水平平防滲體體（如鋪鋪蓋）、、垂直防防滲體（（如板樁樁、防滲滲墻和齒齒墻）等等，排水水設(shè)施主主要是指指鋪設(shè)在在下游護(hù)護(hù)坦、漿漿砌石海海漫底部部或閘室室板下游游段起導(dǎo)導(dǎo)滲（反反濾、排排水）作作用的沙沙礫石層層。防滲排水設(shè)施施的布置形式式，都是以承承受單向水流流的水閘來進(jìn)進(jìn)行布置的。。對(duì)于平原地地區(qū)的排水閘閘及海邊的擋擋潮閘，一般般是雙向過水水的水閘，應(yīng)應(yīng)以水位差較較大的一向?yàn)闉橹鬟M(jìn)行雙向向防滲排水設(shè)設(shè)施。水閘的防滲設(shè)設(shè)施有：1.水平鋪蓋：鋪鋪蓋是工程中中最常見的水水平防滲設(shè)施施，一般是平平鋪布置在緊緊靠閘室上游游的河床上，，它不能阻止止?jié)B流在閘基基下通過，但但它可以延長長滲徑，用以以降低滲透壓壓力和滲流坡坡降，同時(shí)具具有防沖作用用。2.板樁：板樁是是垂直防滲的的措施之一，，一般設(shè)置在在閘底板的上上游端，將板板樁并排打入入閘基形成一一道防滲墻，，在垂直方向向延長滲徑。。垂直防滲的的效果比水平平防滲效果好好。3.地下防滲墻：：是一種不用用模板在地下下建造的防滲滲墻，具有截截水、防滲、、承重和擋土土的多種作用用，其優(yōu)點(diǎn)是是整體性好，，防滲效果好好、適用各種種地質(zhì)條件、、對(duì)沉降及變變位易于控制制，缺點(diǎn)是挖挖槽的廢泥漿漿污染環(huán)境，，可能引起槽槽壁坍塌、造造價(jià)高。4.齒墻：齒墻一一般設(shè)置在閘閘室底板的上上、下游端，，齒墻深度一一般為0.5~2.0m。上游齒墻的的作用是降低低在閘底板上上的滲透壓力力，下游端齒齒墻是減少出出逸坡降，有有助于防止地地基土產(chǎn)生滲滲透變形。5.垂直土工膜：：是一種垂直直防滲的設(shè)施施之一。閘室是水閘的的主體部分。。開敞式水閘閘閘室由底板板、閘墩、閘閘門、工作橋橋和交通橋等等組成，有的的還設(shè)有胸墻墻。閘室的結(jié)結(jié)構(gòu)形式、布布置和構(gòu)造，，應(yīng)在保證穩(wěn)穩(wěn)定的前提下下，盡量做到到輕型化、整整體性好、剛剛性大、布置置勻稱，并進(jìn)進(jìn)行合理的分分縫分塊，使使作用在地基基單位面積上上的荷載較小小，較均勻，，并能適應(yīng)地地基可能的沉沉降變形。兩岸連接建筑筑物水閘的岸墻和和翼墻通常稱稱為兩岸連接接建筑物。當(dāng)當(dāng)水閘與河岸岸或土壩等連連接時(shí)，需