河海大学《水工建筑物》第七章 水闸

(1) 消力池的布臵 当hs’≤ hc″时，产生远趋式水跃或临界水跃， 需建消力池。反之，不需建消力池，而实际工程 中，为了安全仍取池深P=0.5~1.0m 下挖式消力池、突槛式消力池和综合式消力池是底流 式消能的三种主要形式 。 •下挖式消力池与闸室底板之间直接用斜坡段连接即可， 规范规定消力池斜坡段坡度不应陡于1：4。 •倾斜段不宜设排水孔，护坦后部设铅直排水孔以降低 池底板渗透压力，并在该部位底面铺设反滤层。
c.泄流不对称时或有某些干扰时→易产生折冲水流;
d.水头差作用下易产生渗透变形;
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2.地基特点
a.土基上的水闸抗滑能力差(f小)。
b.承载能力差 c.易压缩变形→产生不均匀沉降 d.抗冲刷能力低
3.结构特点 是弹性地基上的板、梁、柱综合体 注意解决的问题: a.选择与地基条件相适应闸室结构型式，保证闸 室及地基的稳定性; b.做好防渗设计(河床及两岸) c.做好消能防冲设计，避免出现危害性冲刷;
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PP.180
１、按任务不同，可分为以下五种： 进水闸、节制闸、分洪闸、排水闸、挡潮闸
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２、按闸室结构分
•开敞式： 闸室露天 有胸墙与无胸墙 •涵洞式：闸室后部有洞身段，洞顶有填土覆盖。
３、按操作闸门的动力分
•机械操作闸门的水闸：平面钢闸门、升卧门、 弧形门等 •水力操作闸门的水闸：水力操作闸门的水闸(自 动翻板门)
(b)砂层较浅
板桩直接深入相对不透水层，下游 渗流出口处应设臵滤层，排水布臵在护坦之下。
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二、渗流计算 ★
•渗流分析的目的：渗透压力、渗透坡降 •水闸渗流是有压渗流。
•分析方法：规范中推荐采用改进阻力系数 法和流网法作为求解土基上闸基渗透压力 的基本方法。复杂土基上重要水闸，应采 用数值计算法求解。 •基本假定：达西定律、拉普拉斯方程
呈梅花形布臵；底部设臵反滤层；(图5-8)
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2. 海漫及防冲槽
(1) 海漫：
• 紧接护坦，进一步消除余能，调整流速分布 • 要求：抗冲、表面粗糙、透水、有一定柔性； • 材料：浆砌石、干砌石；
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(2) 防冲槽

限制冲刷向上游扩展，保护海漫。深度一般为 1.5~2.0m，上下游坡度可采用1:2~1:4。
防止冲刷的要求，并与下游河道有良好的衔接。
消能防冲设施包括：底流消能、海漫和防 冲槽。大多数水闸采用底流消能。
底流消能的主要结构是消力池，在池中形成 水跃进行消能。消力池后紧接海漫，在海漫上继 续消除水流剩余动能，使水流扩散并调整流速分 布，以减小底部流速，从而保护河床免受冲刷。
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1.消力池：使水流形成水跃，避免地基遭冲刷

当n<8时尽量取单数，以便对称开启。

闸室总宽L=n b+(n-1)d，d为闸墩厚度。
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PP.184
二、水闸的消能防冲
(一) 过闸水流的特点
平原上的水闸上源自文库游水位多变，出闸水流形式
多变；
平原上 的水闸 上下游 水头差 小，当 佛氏数 在
1.0～
1.7 时易形成消能效果差的波状水跃；
水闸宽度较上下游河道窄，水流过闸先收缩再
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面板
支腿
连杆 导轨
支墩 滚轮
图5 连杆滚轮式水力自控翻板闸门
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PP.181
二、水闸的组成及各部分作用 ▲
上游连接段 →
(引导水流平顺进入闸室)
闸室段 →
(调节水位和流量)
下游连接段
(消能、防冲)
⒈闸室：
底板、闸墩、闸门(胸墙)、工作桥、交通桥 闸门（承受水压力)→闸墩（承受上部结构重量）→底板(较均匀地传
地下轮廓线的长度L
称为防渗长度
应满足：L≥c · △H，c 值见PP.190表5-1。
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PP.190
(二)地下轮廓布臵
(1) 布臵原则： 滞渗(防渗)与导渗(排水)相结合 ★ 在闸室底板上游一侧布臵防渗设施(如铺盖、 板桩及齿墙等)，用来延长渗径，减小底板渗透压 力，降低闸基渗流的平均坡降，叫滞渗； 在闸室底板下游一侧布臵排水及反滤设施， 使渗透水流尽快地安全排走，以防止发生渗透变 形，并减小底板渗透压力，叫导渗。
确定最优的地下轮廓及防渗排水措
施，使渗透压力适当减小，使闸基不发
生渗透变形，并使闸基渗透量控制在允
许范围内。
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一、地下轮廓的拟定 ★★
(一）防渗长度
地下轮廓线：闸基渗流的第一根流线，即铺 盖、板桩等防渗结构以及闸室底板与地基的 接触线。

地下轮廓线有三个特点：起点是入土点，终
点是出土点，中间是连续线 ▲
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(2) 不同地基土质情况下的地下轮廓布臵 ①粘性土地基： 有粘着力，不易产生管涌，但底 板与土壤间摩擦系数小，不利于闸室稳定。 降低渗透压力，增加闸身有效重量。 闸室上游设臵铺盖(不用板桩)，闸室下游护坦底 部应设排水设施，下游排水可延伸到闸底板下。
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②砂性土地基： 防止渗透变形，对降低渗透压力的要求较低。 (a)砂层很厚 上游可采用铺盖和悬挂式板桩相结 合的形式，下游渗流出口处应设臵反滤层，排水布 臵在护坦之下。
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PP.189
第三节 闸基的防渗排水 ★▲
闸基渗流的主要危害：
(1) 沿闸基的渗流对建筑物产生向上的压力， 减轻建筑物有效重量，降低闸身抗滑稳定性， 沿两岸的渗流对翼墙产生水平推力； (2) 由于渗透力的作用，可能造成闸基土体 渗透变形； (3) 严重的渗漏将造成大量的水量损失；
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防渗设计的要求：
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(一)加权直线法
由直线比例法发展而来。把地下轮廓上、下 游端的铅直渗径扩大一个倍数 n ，而其他部分仍 保持不变。
假定端板桩（或齿墙）的深度为S，地下轮廓 水平投影长度为L，计算用透水层深度为T，则同 时满足S/T<0.1和S/L<0.1 的为短板桩，取n=4 ； 否则视为长板桩，取n=2。(绘图说明)
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(二) 改进阻力系数法
把闸基的渗流区域按可能的等水 头线划分为几个典型流段，根据渗 流连续性原理，流经各流段的渗流 量相等，各段水头损失与其阻力系 数成正比，各段水头损失之和等于 上下游水头差。
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PP.192
1.基本原理
图示为一矩形渗流区域。 根据达西定律，通过该区域 的单宽渗流量为：
h q L q AkJ A k h L k A
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消力池的深度 P h '' h ' Z 0 c s
消力池的长度可用以下经验公式计算：
L Ls ln
•式中L 为消力池长度； • Ls为斜坡段的水平投影，一般为(3~4)P； •β 为水跃长度校正系数，一般取0.7~0.8； • l n为水跃长度，按下式计算：
⒉孔流公式：
B0
Q
he 2 gH 0
式中各系数的确定见《水闸设计规范》 SL265-2001附录A。
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PP.183
3.闸室总宽度：

求出总净宽B0后，根据需要进行孔口划分。
闸孔数n=B0 / b，如运用上无特殊要求，大型 水闸一般b=8~12m (闸门宽高比为1.5~2.0)，
小型水闸b=3m。
水闸建设概况: 建国以来，随着我国水利事业的蓬 勃发展，全国各地兴建了数以千计的大 中型水闸。大大增强了这些地区的防洪、 抗旱和排涝能力。促进了工农业生产的 发展，保证了人民群众的生命安全,产 生了巨大的社会经济效益。
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江都水利枢纽工程
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江都抽水站之太平闸
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一、水闸的作用和类型
• 水闸的作用：水闸是一种既挡水又泄水的 低水头水工建筑物,通常建造在土基上,也 称活动坝。
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PP.188 3.上游河床防护 (护底) 长度一般为(3~5)H，采用浆砌石或干砌石 结构。必要时上游护底首端应设防冲槽(或防冲 墙)，其深度一般采用1.0m。 4.上、下游河岸的防护 (护坡) 采用浆砌石或干砌石结构，厚约30～50cm， 底部一般铺设10cm厚的卵石或粗砂垫层；每隔 8~10m设混凝土埂或浆砌石埂。
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与溢流重力坝相比有如下一些特点:
1.水流特点
a.开始泄流时，通常下游无水，或水深很浅，随着闸 门开度增大，下泄量和下游水位也相应变化，从无到 有、从小到大，大幅度变化使流态(淹没出流、自由出 流)较为复杂，给消能设计和计算带来困难;
b.水头差小，佛氏数(Froude)低(小于4.5)，消能效果 差佛氏数在1.0～1.7 →易形成波状水跃
第七章 土基上的水闸 (Sluice on earth foundation)
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第一节 第二节 ★ 第三节 第四节 第五节 × 第六节 第七节 第八节
概述 水闸的闸孔和消能防冲 闸基的防渗排水 闸室的布臵和构造 闸室的稳定分析和地基处理 闸室的结构计算 两岸连接建筑物 闸门和启闭机
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第一节 概述
扩散，如布臵不当，易产生折冲水流，冲毁消 能防冲设施和下游河道。
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•(二) 采取的措施
控制单宽流量；方向与原河床主流方向一致； 合理选择下游翼墙的扩散 下泄水流角，以利于水流扩散； 消能防冲设计 合理的闸门开启程序
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(三) 消能防冲设施
消能防冲设施必须 在各种可能出现的水
力条件下，都能满足消散动能、均匀扩散水流、
L q 记 ， 则h A k
可见：h与ξ成正比，而ξ仅与渗流区的几 何形状有关，是渗流边界的函数。
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PP.193 水闸的闸基渗流区域比较复杂，可以将其按可 能的等水头线划分为几个典型流段，各典型流段 有各自的阻力系数ξi ，各段的水头损失为：
q hi i , 根据渗流连续性原理，各流段 k q 的单宽渗流量相等，因此： hi i k 闸基渗流的总水头损失应为各段水头损失的之 和，即： H h q q H i k i k i H hi i

i
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PP.193
2.主要计算步骤 (1) 确定地基计算深度Te
若Te<地基的透水深度T，则按Te计算； 若Te>地基的透水深度T，则取Te=T计算。
L0 当 5 时, Te 0.5L0 S0
L0 5L0 当 5 时, Te L0 S0 1.6 2 S0
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L0为地下轮廓的水平投影长度；s0为铅直投影长度
(2)分段并计算各段的阻力系数 • 按可能的等水头线划分为几个典型流段(进口 段、出口段、水平段、内部铅直段) • 按PP.194表5-2公式计算各段的阻力系数。要
⒈运用条件： 节制闸与河底齐平或略高；进水、分洪闸 比河底略高（防泥沙）。
⒉经济要求： 底板高程低→水深↑， q ↑→闸室总宽度↓, 但增大闸身和两岸结构高度，消能防冲费用↑， 泥沙淤积。
⒊单宽流量的要求：抗冲刷能力
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(四) 闸孔总宽度及孔数的确定 ⒈堰流公式
Q B0 32 m 2 g H 0
力给地基）
⒉上游连接段
翼墙、 铺盖、护底、防冲槽、护坡
⒊下游连接段
翼墙、 护坦(消力池)、海漫、防冲槽、护坡 11
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上海拦路港元荡分流节制闸工程
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三、水闸的工作特点
• 稳定问题：水平水压力、渗透压力不利于稳定
• 渗流问题：扬压力降低结构有效自重
土体颗粒易产生渗透破坏
• 冲刷问题：流速大，会冲刷下游河床、岸坡 • 沉降问题：地基受压后变形，使水闸下沉
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第二节 水闸的闸孔和消能防冲
一、闸孔设计
• 闸孔设计的任务：确定闸孔的形式、 孔口尺寸和堰顶高程
(一) 设计条件
已知设计流量Q和下游水位，求闸孔宽； 对节制闸，要合理确定过闸水头损失△H；
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(二)闸孔形式
宽顶堰孔口、低堰孔口、胸墙孔口
实用堰： 胸墙式：用于上游水位变幅较大时；可减小 宽顶堰： 0.67H< 2.5H<堰顶厚度δ<4H或无坎，常 堰顶厚度δ<2.5H，常用于
l n 6.9 (h hc）
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c
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(2).辅助消能工 ×

作用：加大水流阻力；加强水流紊动和撞 击；稳定水跃；利于扩散水流 类型：消力墩，消力梁，散流墩等

(3) 护坦构造
材料：混凝土 、钢筋混凝土
厚度：一般为0.5～1.0m；
▲ 排水孔布臵：孔径5～25cm，间距1.5～3.0m，
上游水位允许有较大雍高的山区，自由泄流时 闸门及工作桥高度，增加闸室刚度；不利于排 用于平原地区，自由泄流范围大且稳定；施工 流量系数 冰排污和通航。 简单；流量系数 m较大，流量 m较小，易产生波状水跃。 Q受下游水位影响较大。 19
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(三) 堰顶高程选择
•需考虑运用条件、经济要求和单宽流量的要求