第六章 水闸

二．底流消能工的设计
平原地区水闸，由于水位差小，下流水位变幅大， 常采用底部流消能。 （一）布置： • 底流消能要求闸下游产生一定淹没度的水跃来保护 水跃范围内的河道免遭冲刷。 • 当淹没度过小时，水域不能够稳定，易形成波形水 跃或面流，表面旋滚前后摆动，消能效果差，当淹 没度太小时，高速水流潜入水底，消能效果也会减 小。所以，一般淹没度应控制在1.05-1.1之间。 • 当下游水深较低小时，可采取的措施有： （1）降低护坦高程 （2）在护坦末端设消力坎 （3）综合（1）（2）形成消力池。
第六章 水闸
第一节 概述
一 、水闸的功能与分类
（一） 按水闸原理任务分 1. 节制闸：用于拦洪,调节水位以满足上游水位或航道的需要。控制下泄流量， 保证下游河道安全； 2. 进水闸：建在河道水库、湖泊岸边，用于控制引水流量； 3. 分洪闸：建在河道一侧，用于将超过下游河道安全泄量的洪水泄入分洪区或 分洪道（如荆州南北闸）； 4. 排水闸：江河沿岸用于排除内河低洼地积水（双向挡水作用）； 5. 挡潮闸：入海口，挡潮，泄水（双向挡水）； 6. 冲沙闸：多泥沙河流上排沙； （二） 按闸室结构分： 1. 开敞式：可排沙、漂、过木； 2. 胸墙式：用于上游水经便幅度较大，水闸净宽为低水位控制高水位时需用闸 门控制流量时； 3. 涵洞式：穿堤取水或排水； （三） 按过闸流量分： 1. 大型水闸：Q>1000m3/s； 2. 中型水闸：Q=100—1000 m3/s； 3. 小型水闸：Q<100 m3/s；
（一）铺盖： 由相对不透水性、柔性材料铺成，通过延长渗径防渗 1. 粘土与粘壤土铺盖 • 渗透系数小于地基的100倍以上，最好达1000倍； • 铺盖长度：为闸上水头的2—4倍； • 铺盖厚度：最小厚度不得于0.5-0.75m； • 保护层——砂，块石，砂砾石 2. 沥青砼铺盖： • 渗透系数：K=10-8——10-9cm/s； • 厚度：5-10cm； • 接缝处理：多为搭接； 3. 钢筋砼铺盖： • 厚度>0.4m (连接处>0.8m )； • 用沉降逢分开，设止水；
1.正槽溢洪道: 泄槽与溢流堰轴线正交,过堰水流方向与泄槽轴线一致。其特点是: 1)基本建于岩基上,结构水流,渗流等方向与重力坝基本相同. 2)消能: a.远离闸门,不存在水流冲击闸门的问题. b.下游一般无水,闸后水流为急流. c.泄水槽末端常采用排流消能形式. 3)泄水槽较陡,存在陡槽水力学问题(高速水流引起的气蚀、冲刷、冲击波)； 2.侧槽溢洪道： 泄槽与溢流堰平行,水流过堰后转90°经泄槽下泄。其特点是: 1)水流过堰后要形成两次旋滚,一次在堰后,一次在消能工； 2)闸后在堰前段流量逐步增加,故槽深度应逐步加深； 3)堰顶长度不受河谷宽度影响,可做的较长,从而可使q较小,在保证泄量的条 件下,溢流水深较小； 4)开挖工程量可较小,但对岸坡稳定性要求较高； 5)由于水流过堰后需转弯,水流较紊乱,对泄槽的衬砌要求较高； 6)常设在较陡的岸坡上,大体沿等高线设置堰轴线；
• 过闸水位差：0.1--0.3m
(四)确定闸室宽及单孔宽： 单孔宽由闸门形式、启闭设备条件、运用要求等确 定，一般: l0=8-12m(大中型水闸)。 • 孔数：n=L0/l0 取定时，应略大于计算值，总净宽 不宜大于计算值的3%-5%； • 宜采用单数孔，便于对称开启； • 闸室总宽度：L0=n l0+(n-1) d (d：为闸墩厚度)
第三节 水闸的防渗与排水
一．水闸的防渗长度及地下轮廓布置
（一）防渗长度 L≥CH
注：L——水闸的防渗长度（水平竖起段之和）m H——上下游水位差 m C——渗经系数，由地基土的性质决定(见P294表6-1)
（二）布置： 上游——以水平铺盖为主，也可采用竖直防 渗墙 下游——以排为主，设排水孔
二．防渗及排水设施
第七章 河岸溢流道
第一节 概述
一.泄水建筑物的类型
1.河床式泄水道: 坝顶溢流,中孔,底孔,坝下等。用于重力 坝,拱坝等,枢纽布置集中,管理集中； 2.河岸式泄水道: 河岸溢洪道,泄水隧洞等。常用于土石坝, 轻型坝等不允许坝身过水的工程中,或在河谷 狭窄,枢纽布置拥挤时 ；
二. 河岸溢洪道的形式
（二）板桩 • 桩深：透水层较薄时，插入不透水层1m以上， 透水层厚时，桩深为（0.6-1.0）倍水头； • 材料：
木料(一般厚8-12cm，宽20-30cm,长3-5m) 钢筋砼(一般厚10-15cm，宽5-10cm,长12-15m) 钢板(我国少用)；
• 板桩与闸室底板连接：见P301图10；
四．设计内容
1． 闸址选择； 2． 确定孔口形状和尺寸； 3． 功能防冲设计； 4． 防渗排水设计； 5． 稳定计算； 6． 沉降校核及地基处理； 7． 连接建筑物形式和尺寸； 8． 结构设计；
第二节 闸址选择及闸孔设计
一.闸址选择
• • • •
适宜的地基：土壤，中砂，粗砂，砂砾石地基； 需处理的地基：游泥层、粉细砂地基； 拦河闸要求河岸稳定，水流顺直的河段； 进水闸尽量选在凹岸，引水方向与河道主流夹 角<30O； • 分洪闸尽量选在凹岸或顺直河道主流侧； • 冲冲闸尽量选在河谷深槽处；
（二）海漫构造 1． 海漫构造的基本要求： （1）表面有一定粗糙度，以便于进一步消 除水流余能，保证河床及岸坡不受冲刷；。 （2）具有一定的透水性降低扬压力； （3）具有一定的柔性，以适应地基的冲刷 变形；
2.常见的海漫结构形式： （1） 干砌石海漫：砌石粒径≥30cm，厚度0.4-0.6m,下铺10-15cm厚碎石，粗砂垫层。 每隔6-10mm设一浆砌石石梗以提高抗冲能力。具有较好的柔性。 • 适用：干砌石海漫抗冲流速为2.5-4m/s时，一般用于海漫的尾部段。 （2） 浆砌石海漫： 用50号或80号水泥少砂浆粒径大于30cm的石料砌筑，厚为0.4-0.6m，砌体内设排 水孔，海漫底部设垫层或反滤层。该种海漫的柔性和透水性较干砌石海漫的差； • 适用：抗冲流速为3-6m/s时，常用于海漫前部。 (3) 砼板海漫： 由砼板块拼接而成，每块板厚0.1-0.3m，边长约为2-5m,板中设排水孔。板下设垫 层和反滤层。该类海漫糙度可以控制，为增大粗糙度，可将表面做成斜面或垛式， 造价较高。整体性好，但柔性及透水性差，砼板铺设时，顺水流向不宜留通缝。 • 适用于：抗冲流速为6-10m/s时。
（三）孔闸总净宽： (根据设计流量、上下游水位、初拟的底板高程和堰型 确定) Q L0 m 2 g H 0 1． 水流为堰流时：
3 2
2．水流为孔流时：
L0
Q ' a 2 g H 0
• 单宽流量 q 的控制：
–粉砂、细砂地基：q=5-10m3/s.m –砂址土基宽：q=10-15 m3/s.m –址土地基：q=15-20 m3/s.m –坚硬粘土地基：q=20-25 m3/s.m
(4) 钢筋砼板海漫： 常用于抗冲流速大，且水流余能也较大时，一般用在消力池后海漫首部510m内。 5．其它形式海漫： 常用的还有钢筋石笼海漫。将块石装在焊接好的钢筋笼中，以干砌石的 方式，整齐地堆放而成，可提高抗冲能力。
四．防冲槽及末端加固
（一） 防冲槽： • 在海漫末端开挖防冲槽，并预留料径在30cm以上的大 块石(在水流的冲刷作用下，河床可能被逐步淘刷， 形成冲坑，预留石块自由滚落到抗冲槽中，形成护面。 使海漫下部不至被淘刷而失稳)。 • 防冲槽深度一般为1.5-2.5m,宽度为深度的2-3倍，上 流坡度为1：2-3，下游坡度为1：3，抛石量为填充防 冲槽的需要量。 (二)防冲墙 • 形式：齿墙、板桩、沉井条； 齿墙：深1-2m，适用于冲坑深度较小的工程； • 板桩：沉井条适用于冲深较大，河床为粉、细砂等；
第二节 正槽溢洪道
由引水段,控制段,泄槽,出口消能段,尾水段组成。 一.引水段 1.作用:使水流平顺地由水库进入控制段；
二.控制段
<一>形式: • 堰式控制段：控制建筑物为各种形式的堰； • 渠式控制段：当溢洪道水流方向地形平缓,开挖的明槽长度 L>10水深时,不属宽顶堰范围(L增大,q减小)； <二>堰的形式:(以堰顶宽δ 与溢流水深H的关系划分) 1.明渠水流:δ >10H时,即为渠式控制段； 2.宽堰顶:2.5H<δ <10H时,流量系数为0.32-0.385； • 特点:结构简单,施工方便,流量系数较低； • 适用:流量较小,或地形平缓的中小型工程,需衬砌； 3.实用堰:0.67H<δ <2.5H时, • 特点:流量系数比宽顶堰大(>0.4),挖方较多,施工复杂； • 适用:多用于大,中型工程； 4.驼峰堰:(岳城水库):由不同半径的弧组成,水流特点介于宽顶 堰与实用堰之间,堰身较宽,地基应力较均匀,整体稳定性较好, 常用于软弱地基中。
五．下游翼墙及护坡
1.翼墙 (1)作用:上游翼墙,引导水流平顺入闸,并配合铺盖防渗 下游翼墙,引导水流均匀扩散,避免出现回流,旋涡； (2)布置：上游翼墙的上端插入岸坡,墙顶高出最高水位 0.5-1.0m；下游翼墙的下端插入岸坡,墙顶高出下游 最高泄水位；长度≥消力池长度,扩散角为7°-10°； (3)结构形式:重力式、悬臂式、扶壁式、空箱式等； (4)平面布置形式: 2.护坡：常用干砌石或竖砌石做成，长度竖起达海漫 后防冲槽下游，干砌石护坦每隔6-10m设砼或浆砌石 板一道。断面尺寸为30*60cm，护坡坡脚及护坡与河 岸交接处，应设齿墙（0.5m深）护坦下应设0.1m厚的 卵石或粗砂垫层。
三．海漫
（一）布置： • 海漫布置在消力池后，由5-10m长的水平段和 坡度不陡于1：10的斜坡段组成。水平段顶面 高底一般与护坦齐平或比消力池尾槛低0.5m； • 海漫的长度由下泄流量、水流扩散情况。上下 游水位差，尾水深度及河床地质条件等因素决 定，海漫的粗糙程度与海漫的长度有关，按 《水闸设计规范》（SO133-84）规定；
二．闸孔设计
（一）堰型选择： • 宽顶堰： 有利于泄洪、冲砂、排泥、排冰、通航、泄流能力 稳定结构简单、施工方便，自由泄流时流量系数小， 易产生波状水跃； • 实用堰： 有梯形的、曲线形的和驼峰形的，流量系数大，水 流条件好，可消除波状水跃，泄流能力明显受尾水位 影响，施工较复杂； （二）闸底坡高程： 一般与河底平齐，进水闸应高于河底、防止进沙。
靠紧底板，插入铺盖内——用于沉降量大的工 程； 插入底板下凹槽中——用于沉降量小的工程；
（三）齿墙 底板上下游端设齿墙，与地基相连。齿墙深 1m左右。 （四）其它防渗设施： • 垂直防渗：砼防渗墙、灌注式水泥砂浆帷幕、 高压旋喷法防渗墙等。 （五）排水及反滤层： • 排水：护坦或海漫底部铺0.2-0.3m厚粒径为 1-2cm的卵石、砾石或碎石。 • 反滤层：排水层下部与地基接触处设反滤层
第四节 水闸的消能防冲设计
一.过闸水流的特点
1．易形成波状水跃 由于水闸的上下游水位差较小，易发生波状水跃， 尤其当底板为平底时(当底板与河床齐平时，就会出现 波状水跃)更是如此。波状水跃虽无强烈的旋滚，水面 呈波形，但消能效果差，冲刷力大，水流处于急流流 态，不宜迅速向两侧扩散。使过流宽度小，局部区域 内单宽流量q大，对河刷冲刷较大。 2．易出现折冲水流 由于闸孔总宽度小于河道宽度，水流过闸时，先有 侧向收缩，过闸后再扩散，若布置或操作不当，出闸 水流不能均匀收缩，易形成的冲水流，淘刷河床及岸 坡。
二．水闸的组成
1．闸室：闸门，闸板、边坡（岸墙）、底板， 胸墙，工作桥、交通桥、起闭机； 2．上游连接段：两岸翼墙及河流铺盖，引导 水流平顺入闸，护坦、防渗； 3．下游连接段：护坦、海漫、防溃槽，翼墙， 护坡，消能，均匀扩散，防冲等；
三．土基上水闸的工作特点
1. 工作特点： (1)土基压缩性大，承载能力差，抗冲能力差，尤其细 砂易液化，可能产生较大沉降或者水均匀沉降。 造成闸室倾斜，止水破坏，底板裂缝断开等； (2)泄水时下游冲刷问题，常出现坡状水跃，折冲水流； (3)易产生渗透变形； 2. 设计要求： (1)选择恰当的闸址； (2)做好防渗设计； (3)选择与在基条件相适应的闸室结构形式； (4)做好消能防冲设计；
3.竖井式溢洪道. 由溢流喇叭口段,竖井段,弯道段,水平 泄洪洞段组成.主题为泄洪隧道. 4.虹吸式溢洪道. 是一Βιβλιοθήκη Baidu封闭式溢洪道,利用虹吸作用吸 泄水。其原理是:当水位上升到超过堰顶高 程时,水流沿堰面下泄,并与空气掺混,逐渐 将水道内的空气带出,从而在水道中形成负 压,进而形成真空,增加泄水量,当水流充满 整个水道时,形成完全虹吸泄流,当水位低于 上游孔口下缘时,停止泄水。