第二节 水闸的孔口设计

第二节水闸的孔口设计
一、水闸孔口设计的主要内容
1.确定闸孔型式
2.拟定闸底板高程（即堰顶高程）
3.计算孔口尺寸及溢流前沿总宽
4.泄流能力验算
二、水闸的闸孔型式（开敞式）
根据水流流态分: 堰流式,孔流式
图9-5 堰流式闸孔图9-6 孔流式闸孔2、根据结构型式分
（1）宽顶堰：2.5H<堰顶厚度δ<4H或无坎，常用于平原地区，自由泄流范围大且稳定；施工简单；流量系数m较小，易产生波状水跃。

（2）实用堰：0.67H<堰顶厚度δ<2.5H，常用于上游水位允许有较大雍高的山区，自由泄流时流量系数m较大，流量Q受下游水位影响较大。

（3）胸墙式：用于上游水位变幅较大时；可减小闸门及工作桥高度，增加闸室刚度；不利于排冰排污和通航。

三、底板高程
除考虑运用条件外，还要考虑地质条件和经济要求。

⒈运用条件：
底板高程低→q↑，底板上水深↑→闸室总宽度↓
节制闸与河底齐平或略高；进水、分洪闸比河底略高（防泥沙），排涝闸低。

⒉经济要求：
底板高程低→q↑，底板上水深↑→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地质条件：避免复杂地基处理；抗冲刷能力q
四、孔口设计的具体步骤
⒈确定设计流量Q和上、下游设计水位
⒉确定孔口型式
⒊确定底板高程
⒋计算闸孔净宽B及闸室总宽L（开敞式）
规范中介绍了平底闸闸孔自由堰流、淹没式堰流、孔流的计算公式。

闸孔数n=B/b，如果运用上无特殊要求，一般b=8～12m，n<8时n一般取奇数。

溢流前缘总宽L=nb+（n-1）d，d为闸墩厚度。

⒌验算泄流能力。

*基本资料：
(1)过闸Q设、Q校
(2)上下游河道水力要素及水位-流量曲线
(3)引水角度及分流比率
(4)河床及两岸地质条件和土壤抗冲刷能力
(5)特殊运用要求（过船、过木、过鱼、排冰、排砂、防淤等）
第三节水闸的消能防冲设计
一闸下泄流的特点和闸下冲刷的原因
1.闸下泄流的特点
(1)分洪闸
开始泄流时下游无水或水位很低
始流条件差：Qmax→⊿Zmax
水位升高，Fr较小，易产生波状水跃；
进口流态不对称时会产生折冲水流。

(2)节制闸
闸门开启不对称时会产生折冲水流；
水头最大时流量并非最大，流量最大时水头最小。

2.闸下冲刷的原因
q大而土壤的抗冲刷能力低；
河道收缩，水流未充分扩散；
运用不合理，产生折冲水流；
消能工设计不合理。

二消能工设计
消能工的主要作用是改善水流与固体边界的接触条件，防护加固下游河床。

消能防冲设施必须在各种可能出现的水力条件下，都能满足消散动能与均匀扩散水流的要求，且应与下游河道有良好的衔接。

1.消能方式：
大多数采用底流消能，“ 我国已建的大、中型水闸，多数建在平原、滨海地区，一般在软基上建闸，且承
受的水头不高，闸下跃前Fr 较低，宜采用底流式水跃消能。

”
⒉消力池布置与设计：
造成产生淹没式水跃必需的尾水深度，保护水跃内河床免受冲刷。

⑴设计情况：不同类型的水闸，其泄流特点各不相同，因此控制消能设计的水力条件也不尽相同，并不一定是Qmax的情况，应选取可能的q、⊿H的组合，取不利情况。

拦河节制闸宜以在保持闸上最高蓄水位的情况下，排泄上游多余来水量为控制消能设计的水力条件；
分洪闸宜以闸门全开，通过最大分洪流量为控制消能设计的水力条件；
排水闸宜以冬、春季蓄水期通过排涝流量为控制消能设计的水力条件；
挡潮闸宜以蓄水期排泄上游多余来水量时，有时需用闸门控制泄水，上、下游可能出现较大的水位差作为控制消能设计的控制条件。

⑵计算消力池长度、深度及消力池底板的厚度
（a）消力池深度：按水跃动量平衡方程求解
（b）消力池的长度：用经验公式计算：
式中
L sj为消力池长度；
L s为斜坡段的水平投影；
β为水跃长度校正系数，一般取0.7～0.8；
L j为水跃长度，新规范中推荐采用欧勒佛托斯基公式计算：
（c）消力池护坦厚度可根据抗冲和抗浮要求，分别按规范中以下公式计算，取其最大值，且不小于0.5m：
抗冲：
抗浮：
3.布置
(1)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。

(2)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。

(3)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。

三.辅助消能工
1.作用：(1)加大水流阻力；
(2)加强水流紊动和撞击；
(3)稳定水跃；
(4)利于扩散水流
2.类型:消力墩，池首坎，消力梁，散流墩等
四.上下游防护
1.闸下防冲设施：
（a）海漫：紧接护坦，进一步消除余能，调整流速分布，达到不冲流速；
要求：抗冲、有一定柔性、表面粗糙、透水；
材料：浆砌石、干砌石；
长度：按南科院提出的经验公式计算。

布置：浆砌石布置在海漫前部，厚度为30～50cm，其抗冲能力较高，抗冲流速一般为3～6m/s，浆砌块石内应设排水孔，底部设反滤层或垫层；
干砌块石布置在海漫的后部，其下部一般铺设10cm的碎石垫层设反滤层，规范规定干砌块石海漫应做成等于或缓于1：10的斜坡。

(b)防冲槽:海漫末端设大块石防冲槽：限制冲刷向上游扩展，保护海漫。

深度一般为1.0～2.0m，上下游坡度可采用1：2～1：4。

2.下游两岸护坡长度应大于护底长度
图9-7 海漫布置及其流速分布示意图
图9-8 防冲槽示意图
3.上游防护：
（1）齿墙/防冲槽→护底→铺盖
（2）为了防止水流冲刷，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即可。

因
此，修订后的新规范增列了上游护底首端河床冲刷深度的计算公式（B.3.2）：
第四节闸基渗流分析与防渗设施
一．闸基渗流的主要危害
⒈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；
⒉由于渗透力的作用，渗透力可能造成土的渗透变形；
⒊严重的渗漏将造成大量的水量损失；
⒋渗流可能使地基内可溶解的物质加速溶解。

图9-9 闸基渗流
*防渗设计的主要任务：
寻求合理经济的防渗措施，合理拟定地下轮廓尺寸，消除渗流不利影响，保证水闸安全。

*防渗设计的内容包括：
(1) 渗透压力计算；
(2) 抗渗稳定性验算；
(3) 滤层设计；
(4) 防渗帷幕及排水设计；
(5) 永久缝止水设计。

二闸基防渗措施
1.闸基的防渗长度L：
地下轮廓线（闸基渗流第一根流线，即铺盖和垂直防渗体等防渗结构以及闸室底板与地基的接触线）的长度。

应满足:
渗径系数C值表
图9-10 水闸地下轮廓及流网
⒉防渗地下轮廓布置
⑴布置原则：先阻后排，防渗与导渗相结合。

⑵防渗排水设施
水平防渗→
铺盖：粘土、粘壤土铺盖，砼、钢筋砼、沥青砼铺盖。

水平铺设土工膜 .
垂直防渗→钢筋砼板桩, 砼防渗墙,灌注式水泥砂浆帷幕, 土工膜垂直防渗结构.
高压喷射灌浆：定喷板墙
导渗→排水反滤
图9-11按直线法计算的闸基渗透压力图
⑶不同情况下防渗布置
①粘性土地基：
降低渗透压力，增加闸身有效重量。

闸室上游宜设置水平钢筋砼或粘土铺盖，或土工膜防渗铺盖，闸室下游护坦底部应设滤层，下游排水可延伸到闸底板下。

图9-12 粘性土地基的地下轮廓线布置
②砂性土地基：
防止渗透变形→通过延长渗径来降低渗透流速和坡降，对降低渗透压力的要求较低。

砂层很厚→闸室上游可采用铺盖和悬挂式防渗墙相结合的形式，闸室下游渗流出口处应设置滤层，排水布置在护坦之下。

砂层较浅→闸室底板上游端设置截水槽或防渗墙（嵌入相对不透水层深度不应小于1.0m），闸室下游渗流出口处应设置滤层，排水布置在护坦之下。

图9-13 砂性土地基的地下轮廓线布置
③粉细砂地基（或粉土、轻砂壤土、轻粉质砂壤土）：
闸室上游宜采用铺盖和垂直防渗体相结合的布置形式。

在地震区的粉细砂地基上，有震动液化问题，宜采用封闭式布置（闸室底板下布置的垂直防渗体宜构成四周封闭的形式），垂直防渗体的长度应超过粉砂地基液化深度。

④特殊地基：弱透水地基下有透水层，地基为不同性质冲积层，K H>>K V。

→闸室下游设置铅直排水，并防止淤堵。

⑤双向水头作用
→合理地进行双向布置形式，并以水位差较大的一向为主。

*规范规定：
1.铺盖长度采用上、下游最大水头差的3~5倍；
2.砼或钢筋砼铺盖的厚度，一般根据构造要求确定，最小厚度不宜小于0.4m，一般作成等厚；为了减小地基不均匀沉降和温度变化的影响，通常设顺水流向的永久缝，缝距可采用8~20m。

3.粘土或壤土铺盖的厚度应根据铺盖土料的允许水力坡降值计算确定，为了保证铺盖碾压施工质量，粘土或壤土铺盖前端最小厚度不宜小于0.6m，铺盖与底板之间应设油毛毡止水，铺盖上面应设保护层。

4.水平铺设土工膜厚度应根据作用水头、膜下土体可能产生裂缝宽度、膜的应变和强度等因素确定，但不宜小于0.5mm，上部应设保护层。

图9-14 粘土铺盖细部构造单位：m
图9-15 混凝土及钢筋混凝土铺盖
*规范规定：
1.钢筋砼板桩最小厚度不宜小于0.2m，宽度不宜小于0.4m；
2.水泥砂浆帷幕或高压喷射灌浆帷幕的最小厚度不宜小于0.1m；
3.砼防渗墙的最小厚度不宜小于0.2m；
4.地下垂直防渗土工膜厚度不宜小于0.25mm，重要工程可采用复合土工膜，其厚度不宜小于0.5mm。

5.闸室底板的上、下游端均宜设置齿墙，齿墙深度可采用0.5~1.5m。

三闸基的渗流分析
渗流分析的目的：决定渗透压力，渗透坡降及渗流量
图9-16 不同闸基型式的流网图
1.假定
渗流符合达西定理v=kJ
运动符合拉普拉斯方程
⒉分析方法
⑴直线比例法：即勃莱系数法和莱因系数法。

计算精度较差，特别是对于进、出口部分，不宜采用。

⑵直线展开法和加权直线法适用于防渗布置简单、地基不复杂的中小型水闸。

加权直线法与勃莱法基本相同，不同点在于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）的长度为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；如果不能同时满足或都不满足，则视为长板桩，取n=2。

直线展开法把地下轮廓线垂直段展开为相同效应的水平轮廓，再按线性关系求各点的渗透水头。

⑶流网法：图解法，适用于均质和非均质地基，不同的地下轮廓布置。

⑷改进阻力系数法：较精确的近似计算方法，但不能解决非均质地基渗流问题。

⑸有限单元法和电拟试验法用于地基条件较复杂时。

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。

岩基上水闸的渗透压力，采用全截面直线分布法计算。

⒊改进阻力系数法
（1）计算原理
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。

图9-17 改进阻力系数法计算图
⑵计算步骤
①确定地基有效深度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。

当
当
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、内部垂直段）
按规范中基本公式计算各段的阻力系数，运用公式时要正确计算T、S、S1、S2等参数。

③由式（10-11）求出各段水头损失，初绘渗压图；
④进行进、出口段水头损失修正
⑤齿墙不规则部位修正（当齿墙宽度<a时，需对齿墙再做修正）
⑥闸基抗渗稳定性验算：
要求水平段及出口段的渗透坡降必须小于规范规定的允许坡降。

水平段的平均渗透坡降根据各水平段的长度和水头损失计算。

出口段的平均出逸坡降
水平段的允许渗透坡降及出口段防止流土破坏的允许渗透坡降见P448表10-3。

验算砂砾石闸基出口段抗渗稳定性时，应首先判别可能发生的渗流破坏型式，为管涌破坏时，其允许坡降为：。