水闸设计

3、其它分类法 按闸室结构分：开敞式、胸墙式、浮体式、 涵闸式、自动翻板式等。 按施工方法分：装配式、浮运式等。 橡胶坝 土基上溢流坝
二、水闸的组成部份
水闸由闸室段，下游联接段、上游联接段 三大部分组成。 1、闸室段 包括：闸门、闸墩、底板、工作桥、交通
桥、启闭机等。 闸室可通常为砼或钢筋砼结构。 小型水闸有些部分可采用浆砌石。 2、上游联接段 包括：上游翼墙、铺盖（护底）、上游防冲 槽、两岸护坡。 3、下游联接段 包括：护坦（消力池）、海漫、下游防冲 槽、下游翼墙、两岸护坡。
土：4－8；壤土：3－5） 与底板的连接： 护面 2.沥青砼铺盖（缺少黏土料地区） 厚度： 与闸室底板的连接：连接处适当加厚；接缝 为搭接 3.钢筋砼铺盖 缺少粘土料地区或兼作阻滑板 厚度：≥0.4m 与底板连接处加厚0.8— 1.0m；并用沉降缝分开
∆ H 厚度：由 σ = J 确定，J材料的容许坡降（粘
闸孔总净宽L0增大，q减小 闸孔总净宽L0减小，q增大 这将直接影响消能防冲的工程量和工程造价 过闸水位差的选用:关系到上游淹没和工程 造价, 平原地区，一般设计过闸水位差选用 0.1--0.3m 过水能力：与上下游水位、底板高程、闸孔 净宽相互Байду номын сангаас联，需对不同方案进 行技术经济比较后确定。 （四）确定闸室单孔宽度和总长度 我国大中型水闸的单孔宽度一般采用8— 12m。
按直线比例求地下轮廓上各点的渗压水头h
H hx = x L
式中：H—上下游水位差 L—渗透长度 x—由下游逸出点算起求 2）、莱茵法 莱茵于1934年根据更多的实际工程资料认 为：沿闸基渗流轮廓线单位长度消耗的水头 并不相同，单位单位水平渗流消耗的水头只 为单位铅直渗流的1/3。如全部折算为铅直 渗流，则折算后渗流长度L’为
（2）板桩顶部嵌入底板底面特设的凹槽内。 （适用闸室沉降量较小） （三）齿槽 上下游端一般设有浅齿墙：增强闸室稳定， 延长渗径 （四）其他防渗设施 就地浇筑砼防渗墙；灌注式水泥砂浆帷幕； 高压旋喷法构筑防渗墙。 （五）排水及反滤层
第四节 水闸的消能防冲设计
水闸泄水，势能转为动能，而土质河床抗冲 能力低，所以闸下冲刷 一种普遍现象，有害
三、防渗及排水设备
防渗设备：铺盖、板桩、齿墙 排水设备：下游铺设的砂砾石层 (一)铺盖 作用:延长渗径，降低闸底的渗透压力，降低 H 渗透坡降 (J = ) 铺 渗 系 盖 透 数 1 L 要求:(1)具有相对不透水性： 基 透 数<1000 地 渗 系 （2）有一定的柔性----适应地基的变形 （3）长度：多为闸上水头的3—6倍。 1.粘土和粘壤土铺盖 渗透系数： 长度：闸上水头的2-4倍。
2、可造成管涌流土渗透变形 3、损失水量 4、使地基中可溶物质加速溶解
一、水闸的防渗透长度及地下轮廓线的布置
（一）地下轮廓线： 自铺盖前端开始，到排水前端为止，沿铺 盖、板框两侧、、底板、护坦等与地基的接 触线，称地下轮廓线。即闸室渗流的第一根 流线，其长度即为水闸的防渗长度。 防渗长度的拟定：L≥C H C -- 渗系数（J的倒数） 见书中表6-1 （均为反滤层情况）
第一节 概述
水闸是一种低水头的水工建筑物，它具有挡 水和泄水双得作用。 与设有表孔闸门的溢流重力坝的区别是: 水闸水头较低，抬高水位较少，它主要是靠 闸门挡水； 而溢流坝主要靠闸门下坝体来挡水。 水闸可建于各种地基上。
一、水闸的类型
1、按担负的任务来分： 按担负的任务来分： （1）进水闸（取水闸） 在河道、水库或湖泊的岸边，建闸引水，并 控制入渠流量，谓之进水闸（取水闸）。 这种水闸有开敞式及涵洞式两种，常建在渠 首。 （2）节制闸（拦河闸） 一般拦河而建，枯水期截断河道，抬高水 位，以利于上游航运，或进水闸引水，洪水 期用以控制下泄流量。 灌溉渠系中此闸位于干、支渠分水口附近。
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缺点：(1)沿地下轮廓的渗压水头并不是直线 变化的（地质不均一）； (2)出逸坡降与沿地下轮廓的平均（或 加权平均）渗透坡降并不相同,J出逸 要大的多； 渗透变形的审查---审查管涌、流土是否发生 出逸坡降J出>J允
发生现象 对非粘性土 产生管涌 对粘土 产生流土
解决方法
1.出逸处设反滤层 2.加深出逸前的齿墙或增设不长 的板桩(降低J出) 1.加大紧近齿墙的海漫厚度(压重) 2.加深齿墙或增设不长的板桩(降 低J出)
闸室总宽度L1=nL0+(n-1)d，其中，d为闸墩 厚度 闸室总宽度拟定后，尚需要考虑闸墩等的影 响，进一步验算水闸的过水能力。 从过水能力和消能防冲两方面考虑，闸室总 宽度应与河道宽度相适应。
第三节 水闸的防渗排水设计
水闸挡水，在闸基和边墩、翼墙的背水侧产 生渗流。 渗流不利的影响表现为： 1、对稳定不利:闸室地基的抗滑稳定不利； 翼墙、边墩的侧向稳定不利
2、地质条件：
壤土、中砂、粗砂、砂砾石适合做地基。
二、闸孔设计
内容： 内容：选堰型，选底板高程，单孔尺寸， 闸室总宽度 （一）堰型选择 1、宽顶堰：结构简单，施工方便。有利 于泄洪、冲砂、排污、排水、通航，且 泄流能力比较稳定，但流量系数较小， 易产生肢状水跃。 2、低实用堰：流量系数较大，水流条件 较好。但泄流能力受尾水位变化的影响 较为明显。施工较复杂。 （二）闸底板高程的选定
的冲刷，必须防止；并不危及建筑物安全的 冲刷，一般说来是允许的。 发生冲刷的原因： 1、设计不当 2、运用管理不善 保证水闸安全使用，防止有害冲刷 1、选用适且的最大过闸单宽流量 2、合理地进行平面布置 3、采取合理的消能，防冲设施（消能为主， 防冲为辅） 4、拟定合理的运行方式
一、过闸水流的特点
（3）排水闸 常建于江河沿岸，防江河洪水倒灌；河水 退落时又可开闸排洪。 本闸特点：受双向水头作用，闸底板高程 极低，而闸身较高。 （4）挡潮闸 作用：①阻止海潮沿河流上溯，免使土 地盐碱化； ②汛期受潮水顶托，易造成内涝 （可抽排） ③低潮时免使淡水流失。
特点：受双向水头作用。 （5）分洪闸 利用河道旁预定的洼地或湖泊分洪区，及 时削减洪峰，确保下游安全。 如荆江分洪闸，1952年建成。 （6）冲砂闸：以葛洲坝为例。 （7）泄洪闸（同拦河坝） （8）船闸（专门建筑物） 2、按闸室结构形式来分 （1）开敞式和胸墙式水闸
1 L = L + L2 1 3
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物理意义:只要沿地下轮廓的平均渗透坡降 H J = 小于允许的平均渗透坡降, L 1 H 1 即可保证 (Jw允 = , = Jw < Jw允 = ) c L c 地基的抗渗稳定。 直线比例法的优缺点 优点：(1)计算简单 (2)从大量实际资料中总结得出，经过 长期实践的检验； (3)理论上：地下轮廓线不是一般的流 线，它可能形成集中渗流的通道。 南科院调查资料表明：渗流出口和沿地下轮 廓线最容易发生渗透变形。
二、底流消能工设计
平原地区水闸，水头低，下游水位变幅大， 一般都采用底流消能。 底流消能的水流条件： 设计消能工时，应在（下泄流量）Q—t（下 游水位）关系曲线上，绘制下泄流量与跃后 水深Q—h”关系曲线,以便上下游水面衔接状 态，选择合理的消能方式。 ①h”-Q曲线与t-Q曲线重合(见图2－58,a)。 表示在任何泄量下都能产生临界水跃，因而 无需修建静水池、消力坎等消能设施，只需 在水跃范围内设置护坦即可。显然，这种情
初始泄流，闸下水深较浅，随着闸门开度增 大而逐渐加深，闸下出流由孔流到堰流，由 自由出流到淹没出流 1、闸下易形成波状水跃 形成原因：上下游水位差小，弗氏数较低 危害：无强烈的水跃旋滚，水面波动，消能 效果差，冲刷力强；水流处于急流， 不易扩散，致使两侧产生回流，缩小 过流宽度,加大单宽流量，加剧冲刷。 2、闸下易出现折冲水流 产生原因：平面布置，操作运行不当 危害：水流集中，左冲右突，蜿蜒蛇行，掏 刷河床及岸坡，影响枢纽正常运行。
h q =k T l
Lq q h= =ξ Tk k
其中：q为单宽渗流量
h 为两断面水头差 T 为土层厚度 K 为土壤渗透系数 ξ为阻力系数 ③流网法 3、试验法（比较精确） 介绍直线比例法 1）、勃莱法 1910年，勃莱根据许多修建在土基上的成功 和失败的低水头闸坝观测资料统计而得出。 勃莱法假定：沿闸基渗透轮廓线单位长度消 耗的水头差相同，即渗透坡降是均匀的。
∂2h ∂2h + 2 =0 2 ∂x ∂y
（laplace方程）
式中h为渗流水头在某点的压力水头，系坐 标的函数。理论上只要渗流区域的边界条件 已知，即可根据拉氏方程求出任意一点的h 值，亦可求出渗流场内任意点的渗流要素， 但实际边界条件相当复杂，难以求解。 2、水力学解法（近似解） ①直线比例法：勃莱法 莱茵法 ②阻力系数法
H – 上下游水位差 （二）地下轮廓线的布置 原则：上防下排 防渗：水平---铺盖 垂直---齿墙、板桩、防渗墙、灌浆 帷幕等。 下排：排水孔、减压井等 具体做法： 1、粘土地基 2、砂性土 3、粉砂地基 4、有承压水的地基
二、渗流计算
目的：求解渗流区域内的渗透压力，渗透坡 降，渗透流速及渗流量。 （一）渗流的基本方程 闸基渗流属有压渗流(土坝渗流为无压渗流) 一般作为平面的考虑 基本假定：地基是均匀的，各向同性的； 渗水不可压缩，符合达西定律。 渗流的计算方法： 1、流体力学法（精确）
三、水闸的工作特点（软土地基上的） （一）地基方面
1、抗滑能力差（稳定问题）（硅与土基的
f值小，c=0） 2、抗冲能力低 3、均匀沉陷量大，且会发生不均匀沉陷 4、渗流（闸基）变形
（二）水流方面
1、闸室下及两岸产生渗流，对建筑物的稳 定不利 2、初始消能困难（下游无水或水深浅） 3、易产生波状水跃 4、易产生折冲水流（扩散角太大，不均匀 开启） 基于上述特点，设计中要解决的问题：
（1）选择适应的坝址； （2）选择适应的坝室结构形式； （3）做好防渗设计； （4）做好消能防冲设计。
第二节 闸址选择和闸孔设计
一、闸址选择
根据水闸承担的任务，综合考虑地形、地 质、水文、施工等因素，通过技术经济比 较，选择最佳方案。
1、地形条件：
拦河闸：宜选在河床稳定、水流顺直的河 海上；（兼取水、通航的）宜选 在稳定的弯曲河海上，将进水闸 设在凹岸，船闸设在凸岸。 分洪闸：一般设在弯曲河海的凹岸或顺直 河道的深槽一侧 排水闸：闸址设在江河老堤的堤线上。 冲砂闸：大多布置在拦河闸与进水闸之间。 如拦河闸兼作施工导流用，常将闸址选在 弯曲河海的凸岸，利用原河道导流。
相关因素：水闸的任务，泄流（引水）流量， 上下游水位，河床地质条件，工程 总投资是否经济。 底板高程高：闸室宽度大，两岸连接建筑物相 对较低。 底板高程低：闸室q加大，加大消能防冲工程 量；闸门高度增加，启闭设备容 量增加，基坑开挖增加。 一般情况： 拦河闸和冲砂闸：底板顶面与河底平齐。 进水闸：底板顶面可以高一些，防推移质泥 砂进入渠道。
式中：L1－铅直渗流长度(含倾斜大于45° 的防渗体) L2－水平渗流长度(含倾斜小于45° 的防渗体) 在折算渗径上,距逸出点为x’处的渗压水头为 H ' ' hx = ' X L 勃莱还提出了安全渗流系数法.勃莱认为:为 防止闸基渗流破坏,L和H至少保持一定的比 L 值,即 ≥C ，C为渗流系数,依地基土壤性质 H 而定。
况是非常理想的，在实践中很少遇到。 ②h”-Q曲线位于t-Q曲线之上(见图2－58,b)。 表示在各种流量下，t＜h”，将产生远驱水 跃。为了缩短保护河床的范围，必须采取工 程措施，强迫水流产生临近坝趾且稍有淹没 的水跃，例如降低护坦高程，形成静水池(见 图2－59,a)；ad若基岩开挖困难时，可修建 消力坎(见图2－59,b)，使下游水位抬高；或 同时采用两种措施形成综合静水池(见图2－ 59,c)。 ③h”-Q曲线位于t-Q曲线之下(见图2－58,c)。 表示在各种流量下，t＞h”，水跃将被尾水淹
分缝：顺水流、垂直水流均分缝，间距15－ 20m，缝中设止水 配筋：双向配构造筋 （二）板桩（垂直防渗） 板桩长度：透水层浅，用板桩截断，并深入 不透水层至少1.0m； 透水层深，板桩深度一般为0.6－ 1.0倍水头。 板桩材料：木材、钢材、钢筋砼 板桩与底板的连接形式： （1）板桩紧靠底板前缘，顶宽嵌入黏土铺 盖一定深度（适用闸室沉降量大）；