水利工程水閘培訓(xùn)講義

第四章水閘第一節(jié)概述第二節(jié)水閘的孔口尺寸確定第三節(jié)水閘的消能防沖設(shè)計(jì)第四節(jié)水閘的防滲排水設(shè)計(jì)第五節(jié)閘室的布置與構(gòu)造第六節(jié)閘室穩(wěn)定驗(yàn)算及地基處理第七節(jié)閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算第八節(jié)兩岸連接建筑物第九節(jié)閘門與啟閉機(jī)第一節(jié)概述一、水閘的類型（一）按水閘所承擔(dān)的任務(wù)分類（1）進(jìn)水閘。建在河道、水庫、湖泊的岸邊及渠道的首部，用于引水并控制引水流量，以滿足灌溉、發(fā)電或供水需求。（2）節(jié)制閘。在河道上或渠道上建造，枯水期用以抬高水位滿足上游取水或航運(yùn)的需要；洪水期控制下泄流量，保證下游河道安全。（3）沖沙閘。主要建在多泥沙河道上，用于排除進(jìn)水閘、節(jié)制閘前或渠道淤積的泥沙，減少引水水流的含沙量。（4）分洪閘。建于天然河道的一側(cè)。用來將超過下游河道安全泄量的洪水泄入湖泊、洼地等滯洪區(qū)，以削減洪峰保證下游河道安全。（5）排水閘。常建于江、河沿岸或排水渠道末端，用以排除兩岸低洼地區(qū)的澇漬水及防止江河洪水倒灌。具有雙向擋水的特點(diǎn)。（6）擋潮閘。建在入海河口附近，漲潮時(shí)關(guān)閘防止海水倒灌，退潮時(shí)開閘泄水。具有雙向擋水的特點(diǎn)。（二）按閘室結(jié)構(gòu)型式分類（1）開敞式水閘。開敞式水閘閘室是露天的，可分為無胸墻和有胸墻兩種型式。（2）涵洞式水閘。水閘修建在河、渠堤之下時(shí)，便成為涵洞式水閘。根據(jù)水力條件的不同，可分為有壓式和無壓式兩類。（三）按過閘流量大小分類大（1）型水閘。過閘流量大于5000m3/s。大（2）型水閘。過閘流量1000~5000m3/s。中型水閘。過閘流量為1000~100m3/s。?。?）型水閘。過閘流量為20~100m3/s。?。?）型水閘。過閘流量小于20m3/s。二、水閘的工作特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求水閘的地基可以是巖基或土基，且多修建在土質(zhì)地基上。因而它在抗滑穩(wěn)定、防滲、消能防沖及沉陷等方面具有以下工作特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求。（1）土基的沉陷問題。（2）過閘水流具有較大動(dòng)能。（3）土基的抗滑穩(wěn)定性差。（4）滲流易使閘下產(chǎn)生滲透變形。三、水閘的組成水閘一般由上游連接段、閘室段和下游連接段三部分組成。（1）閘室段。閘室段是水閘的主體，有控制水流和連接兩岸的作用。包括底板、閘墩、閘門、胸墻、工作橋及交通橋和啟閉機(jī)房等。（2）上游連接段。主要作用是引導(dǎo)水流平順、均勻地進(jìn)入閘室，保護(hù)上游河床及兩岸免于沖刷，并有防滲作用。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。（3）下游連接段。主要作用是將下泄水流平順引入下游河道，有消能防沖及防止發(fā)生滲透破壞的功能。一般包括護(hù)坦、海漫、下游防沖槽、下游翼墻及護(hù)坡等。四、水閘的等級(jí)劃分和洪水標(biāo)準(zhǔn)見書中表格。第二節(jié)水閘的孔口尺寸確定一、底板型式選擇閘底板型式有寬頂堰和低實(shí)用堰兩種。（1）平底板寬頂堰具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、有利于排沙沖淤、泄流能力比較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)是自由泄流時(shí)流量系數(shù)小，閘后比較容易產(chǎn)生波狀水躍。（2）低實(shí)用堰有WES低堰、梯形堰和駝峰堰等型式，其優(yōu)點(diǎn)是自由泄流時(shí)流量系數(shù)較大，可縮短閘孔寬度和減小閘門高度，并能攔截泥沙入渠；缺點(diǎn)是泄流能力受下游水位變化的影響顯著，當(dāng)淹沒度增加時(shí)，泄流能力急劇下降。二、閘底板高程的選定一般情況下，節(jié)制閘、泄洪閘、進(jìn)水閘或沖沙閘的閘底板高程宜與河（渠）底齊平，以便多泄（引）水，多沖沙；多泥沙河流上的進(jìn)水閘、分水閘及分洪閘，在滿足引水、分水或泄水的條件下，閘底板高程可比河（渠）底略高些；排水閘（排澇閘）、泄水閘或擋潮閘，閘底板高程應(yīng)盡量定得低些。三、過閘單寬流量的確定應(yīng)綜合考慮下游河床或渠道的地質(zhì)條件、水閘上下游水位差、下游尾水深度、閘室總寬度與河道寬度的比值、閘的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)和下游消能防沖設(shè)施等因素來確定。四、閘孔寬度的確定根據(jù)已確定的過閘流量、上下游水位、底板高程、閘孔型式和堰型，即可用水力學(xué)公式計(jì)算水閘的閘孔尺寸。（一）閘孔總凈寬度的確定（二）單孔凈寬與閘孔數(shù)目的確定（三）閘室總寬度的確定第三節(jié)水閘的消能防沖設(shè)計(jì)一、過閘水流的特點(diǎn)（1）水閘初始泄流時(shí)，閘下水深較淺，隨著閘門開度的增加水深逐漸加深，出閘水流從孔流到堰流，從自由出流到淹沒出流都會(huì)發(fā)生。（2）當(dāng)水閘的上下游水位差較小時(shí)，閘下易產(chǎn)生波狀水躍。（3）過閘水流都是先收縮后擴(kuò)散，若設(shè)計(jì)不當(dāng)或管理不善，下泄水流不能均勻擴(kuò)散，主流集中，形成折沖水流。二、消能防沖設(shè)計(jì)的水力條件（一）閘下水流的消能方式平原地區(qū)的水閘，水頭低，下游河床抗沖能力差，且承受水頭不高，宜采用底流式消能。當(dāng)水閘承受較高水頭，且閘下河床及岸坡為堅(jiān)硬巖體時(shí)，可采用挑流消能。當(dāng)水閘閘下尾水深度較大，且變化較小，河床及岸坡抗沖能力較強(qiáng)時(shí)，可采用面流消能。在挾有較大礫石的多泥沙河流上，不宜設(shè)消力池，可采用抗沖耐磨的斜坡護(hù)坦與下游河道連接，末端應(yīng)設(shè)防沖墻。（二）消能防沖的水力條件選擇不同類型的水閘，其泄流特點(diǎn)各不相同，因而控制消能設(shè)計(jì)的水力條件也不盡相同。攔河節(jié)制閘宜以在保持閘上最高蓄水位的情況下，以排泄上游多余來水量為控制消能設(shè)計(jì)的水力條件；當(dāng)閘的下游河道已渠化時(shí)，應(yīng)考慮下一級(jí)的蓄水位對(duì)閘下水位的影響。分洪閘宜以閘門全開，以通過最大分洪流量為控制消能設(shè)計(jì)的水力條件。排水閘（排澇閘）宜以冬、春蓄水期排澇流量為控制消能設(shè)計(jì)的水力條件。三、底流式消能設(shè)計(jì)在我國，水閘多修建在平原地區(qū)的土基上，因此底流式消能是主要消能型式。底流式消能的作用是增加下游水深，以保證產(chǎn)生淹沒式水躍，防止土基沖刷破壞，保證閘室安全。底流式消能防沖設(shè)施由消力池、海漫、防沖槽等部分組成。（一）消力池1、消力池型式的選用2、消力池的尺寸確定3、消力池的構(gòu)造（二）輔助消能工消力池內(nèi)除設(shè)置尾檻外，也常設(shè)置消力墩、消力齒等輔助消能工，其目的是使水流受阻，促使水流撞擊，形成渦流，加強(qiáng)紊動(dòng)擴(kuò)散，穩(wěn)定水躍，減小消力池尺寸，提高消能效果，節(jié)省工程量。（三）海漫1、海漫長度計(jì)算2、海漫的布置及構(gòu)造海漫在構(gòu)造上要求有：①一定的粗糙度，以利進(jìn)一步消除余能；②有一定的透水性，以降低揚(yáng)壓力；③有一定的柔性，以適應(yīng)河床的變形。（四）防沖槽水流經(jīng)過海漫后，多余能量得到進(jìn)一步消除，但海漫末端處仍有沖刷現(xiàn)象。為保護(hù)海漫，常在海漫末端設(shè)置防沖槽。四、波狀水躍及折沖水流的防止措施（一）波狀水躍的防止措施（二）折沖水流的防止措施五、上游河床和上下游岸坡的防護(hù)第四節(jié)水閘的防滲排水設(shè)計(jì)水閘防滲排水設(shè)計(jì)的一般步驟：①根據(jù)水閘作用水頭的大小、地基地質(zhì)條件和下游排水情況，初步擬定地下輪廓線；②進(jìn)行滲流分析，計(jì)算閘底板滲透壓力，并驗(yàn)算地基土的滲透穩(wěn)定性；③若抗滑穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定均滿足要求，即可采用初擬的地下輪廓線，否則，應(yīng)重新修改地下輪廓線。一、閘基防滲長度及地下輪廓線布置（一）閘基防滲長度的確定在上下游水位差的作用下，上游水從河床入滲，繞過上游鋪蓋、板樁、閘底板經(jīng)過反濾層由排水孔排至下游。其中鋪蓋、板樁和閘底板等不透水部分與地基的接觸線，即閘基滲流的第一根流線，稱為地下輪廓線。其長度即為閘基防滲長度（又稱為滲徑長度）。（二）閘基防滲排水布置閘基防滲排水布置，即進(jìn)行地下輪廓線布置，主要是進(jìn)行閘基防滲排水輪廓線形狀及尺寸的確定。（1）布置原則，“高防低排”。（2）布置方式1）黏性土地基。2）砂性土地基。3）地震區(qū)的均勻粉砂、細(xì)砂地基。二、閘基滲流計(jì)算（一）全截面直線分布法（二）改進(jìn)阻力系數(shù)法（三）直線比例法（滲徑系數(shù)法）三、防滲排水設(shè)施（一）鋪蓋（二）板樁（三）齒墻及混凝土防滲墻（四）水泥砂漿帷幕、高壓噴射灌漿帷幕及垂直防滲土工膜（五）排水設(shè)施四、水閘的側(cè)向繞滲第五三節(jié)三閘室三的布三置與三構(gòu)造一、三底板（一三）整三體式三底板當(dāng)閘三墩與三底板三澆筑三或砌三筑成三整體三時(shí)，三稱為三整體三式底三板。三整個(gè)三底板三是閘三室的三基礎(chǔ)三，起三著承三受荷三載、三傳遞三荷載三、防三沖和三防滲三的作三用。（二三）分三離式三底板在閘三墩附三近設(shè)三縫，三將閘三室底三板與三閘墩三斷開三的，三稱為三分離三式底三板。三縫中三設(shè)止三水。三其閘三室上三部結(jié)三構(gòu)的三重量三將直三接由三閘墩三或連三同部三分底三板傳三給地三基。（三三）底三板尺三寸及三要求二、三閘墩三與胸三墻（一三）閘三墩閘墩三的作三用是三分隔三閘孔三，并三支撐三閘門三、工三作橋三等上三部結(jié)三構(gòu)。三閘墩三的外三形輪三廓應(yīng)三滿足三過閘三水流三平順三、側(cè)三向收三縮小三、過三流能三力大三的要三求。三上游三墩頭三可采三用半三圓形三或尖三角形三，下三游墩三尾宜三采用三流線三形。（二三）胸三墻胸墻三常用三鋼筋三混凝三土結(jié)三構(gòu)做三成板三式或三梁板三式。三它與三閘墩三的連三接方三式有三簡支三和固三接兩三種。胸墻三相對(duì)三于閘三門的三位置三取決三于閘三門的三型式三。若三采用三弧形三閘門三，胸三墻設(shè)三在閘三門上三游側(cè)三；若三采用三平面三閘門三，胸三墻可三設(shè)在三閘門三上游三側(cè)，三也可三設(shè)在三閘門三下游三側(cè)。三、三工作三橋、三交通三橋?yàn)榱巳惭b三啟閉三設(shè)備三和便三于工三作人三員操三作的三需要三，通三常在三閘墩三上設(shè)三置工三作橋三。工三作橋三的高三程與三閘門三和啟三閉設(shè)三備的三型式三、閘三門高三度有三關(guān)，三一般三應(yīng)使三閘門三開啟三后，三門底三高于三上游三最高三水位三，以三免阻三礙過三閘水三流。建閘三后，三為便三于行三人或三車馬三通行三，通三常也三在閘三墩上三設(shè)置三交通三橋。三交通三橋的三位置三應(yīng)根三據(jù)閘三室穩(wěn)三定及三兩岸三交通三連接三的需三要而三定，三一般三布置三在閘三墩的三下游三側(cè)。四、三分縫三與止三水（一三）分三縫方三式與三布置除閘三室本三身分三縫以三外，三凡是三相鄰三結(jié)構(gòu)三荷重三相差三懸殊三或結(jié)三構(gòu)較三長、三面積三較大三的地三方也三要設(shè)三縫分三開。（二三）止三水設(shè)三備凡是三具有三防滲三要求三的縫三中都三應(yīng)設(shè)三置止三水設(shè)三備。三對(duì)止三水設(shè)三備的三要求三是：三①應(yīng)三防滲三可靠三；②三應(yīng)能三適應(yīng)三混凝三土收三縮及三地基三不均三勻沉三降的三變形三；③三應(yīng)結(jié)三構(gòu)簡三單，三施工三方便三。按止三水所三設(shè)置三的位三置不三同可三分為三水平三止水三和鉛三直止三水兩三種。第六三節(jié)三閘室三穩(wěn)定三驗(yàn)算三及地三基處三理水閘三的閘三室，三要求三在施三工、三運(yùn)行三、檢三修等三各個(gè)三時(shí)期三，都三不產(chǎn)三生過三大沉三降或三沉降三差，三不致三沿地三基面三發(fā)生三水平三滑動(dòng)三，不三致因三基底三壓力三的作三用使三地基三發(fā)生三剪切三破壞三而失三穩(wěn)。三因此三，必三須驗(yàn)三算閘三室在三剛建三成、三運(yùn)行三、施三工以三及檢三修不三同工三作情三況下三的穩(wěn)三定性三。一、三荷載三計(jì)算三及其三組合（一三）荷三載計(jì)三算（1）自三重。三指水三閘結(jié)三構(gòu)及三其上三部填三料和三永久三設(shè)備三的重三量。（2）水三重。三指閘三室范三圍內(nèi)三作用三在底三板頂三面以三上的三水體三重量三。（3）水三平水三壓力三。指三作用三在胸三墻、三閘門三及閘三墩上三的水三平水三壓力三。（4）揚(yáng)三壓力三。指三作用三在底三板底三面的三滲透三壓力三及浮三托力三之和三。（5）浪三壓力三。計(jì)三算出三波浪三要素三后，三判別三深水三波、三淺水三波或三破碎三波，三分別三用相三應(yīng)公三式進(jìn)三行計(jì)三算。（6）土三壓力三。根三據(jù)填三土性三質(zhì)、三擋土三高度三、填三土內(nèi)三的地三下水三位、三填土三頂面三坡角三及超三載等三計(jì)算三確定三。（7）淤三沙壓三力。三根據(jù)三水閘三上、三下游三可能三淤積三的厚三度及三泥沙三重度三計(jì)算三確定三。（二三）荷三載組三合設(shè)計(jì)三水閘三時(shí)，三應(yīng)將三可能三同時(shí)三作用三的各三種荷三載進(jìn)三行組三合。三荷載三組合三分為三基本三組合三與特三殊組三合兩三類。三基本三組合三由基三本荷三載組三成；三特殊三荷載三由基三本荷三載和三一種三或幾三種特三殊荷三載組三成。二、三閘室三抗滑三穩(wěn)定三計(jì)算（一三）計(jì)三算公三式（1）土三基上三的水三閘閘三室沿三地基三面的三抗滑三穩(wěn)定三計(jì)算三。（2）巖三基上三沿閘三室基三底面三的抗三滑穩(wěn)三定公三式三計(jì)算三。（二三）提三高閘三室抗三滑穩(wěn)三定性三的措三施當(dāng)沿三閘室三基底三面抗三滑穩(wěn)三定安三全系三數(shù)計(jì)三算值三小于三允許三值時(shí)三，可三采用三下列三一種三或幾三種抗三滑措三施。①將三閘門三位置三移向三低水三位一三側(cè)，三或?qū)⑷l三底板三向高三水位三一側(cè)三加長三，以三增加三水重三；②適當(dāng)三增大三閘室三結(jié)構(gòu)三尺寸三；③三增加三閘室三底板三的齒三墻深三度；三④增三加鋪三蓋長三度或三帷幕三灌漿三深度三，或三在不三影響三防滲三安全三的條三件下三將排三水設(shè)三施向三水閘三底板三靠近三；⑤三利用三鋼筋三混凝三土鋪三蓋作三為阻三滑板三，但三閘室三自身三的抗三滑穩(wěn)三定安三全系三數(shù)不三應(yīng)小三于1.三0，阻三滑板三應(yīng)滿三足抗三裂要三求；三⑥增三設(shè)鋼三筋混三凝土三抗滑三樁或三預(yù)應(yīng)三力錨三固結(jié)三構(gòu)。三、三閘室三基底三應(yīng)力三計(jì)算（一三）計(jì)三算公三式（1）對(duì)三于結(jié)三構(gòu)布三置及三受力三情況三對(duì)稱三的閘三孔，三如多三孔水三閘的三中間三孔或三左右三對(duì)稱三的單三閘孔三，按三下式三計(jì)算（2）對(duì)三于結(jié)三構(gòu)布三置及三受力三情況三不對(duì)三稱的三閘孔三，如三多孔三閘的三邊閘三孔或三左右三不對(duì)三稱的三單閘三孔，三按雙三向偏三心受三壓公三式計(jì)三算（二三）安三全指三標(biāo)見書三中表三格。四、三地基三沉降三校核由于三土基三壓縮三變形三大，三容易三引起三較大三的地三基沉三降。三較大三的均三勻沉三降可三能會(huì)三使閘三頂部三高程三不足三；過三大的三不均三勻沉三降，三將導(dǎo)三致閘三室傾三斜、三產(chǎn)生三裂縫三、止三水破三壞，三甚至三斷裂三等。三因此三在研三究地三基穩(wěn)三定時(shí)三，應(yīng)三進(jìn)行三地基三的沉三降校三核，三以保三證水三閘的三安全三和正三常運(yùn)三用。五、三地基三處理水閘三地基三處理三的目三的是三：提三高地三基的三承載三能力三和穩(wěn)三定性三；減三小或三消除三地基三的有三害沉三陷，三防止三地基三滲透三變形三。第七三節(jié)三閘室三結(jié)構(gòu)三計(jì)算一、三底板閘底三板一三般采三用“三截板三成梁三”的三方法三進(jìn)行三計(jì)算三，即三沿垂三直水三流方三向截三取單三位寬三度的三板條三作為三梁來三進(jìn)行三計(jì)算三。由三于閘三門前三后水三重相三差懸三殊，三底板三所受三荷載三不同三，常三以閘三門為三界，三分別三在閘三門上三下游三段的三中間三處截三取單三寬板三條及三墩條三。（一三）倒三置梁三法（二三）彈三性地三基梁三法二、三閘墩閘墩三結(jié)構(gòu)三計(jì)算三主要三包括三閘墩三水平三截面三上的三正應(yīng)三力和三剪應(yīng)三力、三平面三閘門三門槽三或弧三形閘三門支三座的三應(yīng)力三計(jì)算三。閘三墩計(jì)三算情三況有三運(yùn)用三期和三檢修三期兩三種。三、胸墻三、工三作橋三、檢三修便三橋及三交通三橋可根三據(jù)各三自的三支承三情況三、結(jié)三構(gòu)布三置型三式按三板或三板梁三系統(tǒng)三采用三結(jié)構(gòu)三力學(xué)三的方三法進(jìn)三行結(jié)三構(gòu)計(jì)三算。第八三節(jié)三兩岸三連接三建筑三物一、三連接三建筑三物的三作用水閘三兩端三與河三岸或三堤、三壩等三建筑三物的三連接三處，三需設(shè)三置連三接建三筑，三它們?nèi)ㄈ?、三下游三翼墻三，邊三墩或三岸墻三、刺三墻和三?dǎo)流三墻等三。其三作用三是：①擋三住兩三側(cè)填三土，三維持三土壩三及兩三岸的三穩(wěn)定三，防三止過三閘水三流的三沖刷三；②引三導(dǎo)水三流平三順進(jìn)三閘，三并使三出閘三水流三均勻三擴(kuò)散三；③阻三止側(cè)三向繞三滲，三防止三與其三相連三的岸三坡或三土壩三產(chǎn)生三滲透三變形三；④保三護(hù)兩三岸或三土壩三邊坡三不受三過閘三水流三的沖三刷；⑤在三軟弱三地基三上設(shè)三有獨(dú)三立岸三墻時(shí)三，可三減少三地基三沉降三對(duì)閘三身應(yīng)三力的三影響三，改三善閘三室受三力狀三況。二、三連接三建筑三物的三布置三型式（一三）上三、下三游翼三墻（1）圓三弧或三橢圓三弧形三翼墻三。（2）反三翼墻三。（3）扭三曲面三翼墻三。（4）斜三降式三翼墻