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1、闸门的运行与管理 水闸的基础知识水闸是用以挡水 控制过闸流量 调节闸上 下游水位的低水头设备 有节制闸 分洪闸 进水闸 排水闸 冲沙闸和挡潮闸等类 发挥水闸的作用是通过水闸调度实现的 山东王营盘拦河闸 淮河蚌埠节制闸 海宁盐官排涝挡潮闸模型 嘉兴南排工程 一 闸门分类 1 按闸门的工作性质可分为工作闸门 检修闸门和事故闸门 工作闸门 又称主闸门 是水工建筑物正常运行情况下使用的闸门 事故闸门 是在水工建筑物或机械设备出现事故时 在动水中快速关闭孔口的闸门 又称快速闸门 事故排除后充水平压 在静水中开启 检修闸门 用以临时挡水 一般在静水中启闭 2 按闸门关闭时门顶与水面的相对位置分为露顶式闸门
2、和潜孔式闸门 3 按门叶的外观形状分为平面闸门 弧形闸门 人字闸门 拱形闸门 自动翻板闸门 平面钢闸门 弧形钢闸门 人字形钢闸门 拱形闸门 3 按制造门叶的材料分为钢闸门 铸铁镶铜闸门 木闸门 钢筋混凝土闸门和组合材料闸门 钢闸门 门体较轻 一般用于大 中型水闸 钢筋混凝土或钢丝网水泥闸门可以节省钢材 不需除锈但前者较笨重 启闭设备容量大 后者容易剥蚀 耐久性差 一般用于渠系小型水闸 铸铁门 抗锈蚀 抗磨性能好 止水效果也好 但由于材料抗弯强度较低 性能又脆 故仅在低水头 小孔径水闸中使用 水力自动翻板闸 另外 有些闸门如翻板闸门可借助水力自动启闭 称为水力自动闸门 二 闸门的结构组成闸门主要
3、由三部分组成 主体活动部分 用以封闭或开放孔口 通称闸门 亦称门叶 埋固部分 包括行走埋固件和止水埋固体 启闭设备 一般由动力装置 传动和制动装置以及连接装置等组成 1 活动部分2 埋固部分3 启闭设备 三 平面钢闸门 一 门叶结构由面板 梁格 纵 横向联接 行走支承装置 导向专职 之水装置 吊耳等组成 1 面板 其作用是承受水压力和承重结构的作用 设在上游面 2 梁格 支承面板 以缩小面板的宽度和减少面板的厚度 一般由主梁 次梁和边梁组成 3 纵向垂直联结系闸门纵向联结系的作用是保证主梁和其中桁架之间保持固定的位置关系 其构成有两种 实腹式 桁架是 当闸门尺寸不大时 采用多根实腹式主梁时 若
4、闸高不大 常采用实腹式纵梁 隔板上开空洞 以便减重和维修 隔板与面板联结的一面可不用翼缘 直接与面板焊接 另一面则加翼缘板 梁系布置图 4 行走支撑装置支承者闸门所承受的全部水压力 并将其传递给埋在混凝土中的轨道 1 滑动式行走支承 按材料分木滑块 金属滑块和胶木滑道和新型滑道材料 2 定轮式支承装置 其形式有悬臂轮式 简支轮式 台车式三种 a悬臂式b简支式c台车式 5 导向装置叙述为防止闸门前后左右产生过大的位移 在闸门上要设置导向装置 在平面直升门上一般设置侧向导座 槽内式侧轮 槽外式侧轮和侧向滑块 和反向导座 泛轮和滑块 6 止水装置止水的作用是封堵闸门与门框之间的缝隙 阻止漏水 按安装
5、的部位不同 可分为顶止水 侧止水 底止水和间隙止水四种 材料为橡胶止水 有圆头P型 方头P型 L型和条型止水 7 吊耳是连接闸门与启闭机的零件 构造包括吊耳轴 止轴板 吊耳板和轴承板 8 吊杆是启闭机和闸门之间的连接件 一般用于提升检修闸门 9 充水装置检修闸门或事故闸门一般在静水中开启 以减小启闭力 因此需在检修闸门或事故闸门开启之前对闸门门后输水管道进行充水平压 门型2 三 闸孔尺寸的确定闸孔总净宽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
6、游水位 底板高程 闸孔净宽相互关联 需对不同方案进行技术经济比较后确定 闸孔净宽计算 堰流 闸门全开泄水时 过闸水流 具有自由水面 保持堰流特性 闸孔总净宽B孔流不同堰型水闸 当闸门开度he和堰上水头比值he H 0 65时 即为闸孔出流 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 闸室总宽度 L1 nL0 n 1 d 2t其中 d为闸墩厚度 t为边墩厚度 n为闸孔数 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 闸孔总净宽的选择采用 采用的闸孔总净宽要略大于计算值 以留有余地 以超
7、过计算值3 5 为宜 要求闸室总览度大体上与上 下游河道宽度 即通过设计流量的平均过水宽度 相适应 根据江苏省几座大中型水闸工程的实践经验 闸室总宽度与河道的比值一般为0 6 0 85 参考值 河北省水利水电勘测设计研究院根据根治海河工程的实践经验 提出大中型水闸闸室总宽度与河道宽度的比值一般不宜小于表3 9所列的数值 否则会加大连接段的工程量 从而增加工程总造价 同时对水闸安全泄水不利 第三节水闸的消能防冲 闸下游发生冲刷原因消能防冲条件及措施波状水跃及折冲水流的防止措施防冲加固措施 过闸水流特点闸下游发生冲刷原因 过闸水流特点 出闸流速较大 紊动强烈 上下游水位差较小 出流型式随闸门开启程
8、序而变化 由孔流到堰流 从自由出流到淹没出流 冲刷原因 淹没水跃没有发生或水跃淹没过大 由淹没系数决定 出流扩散下均匀 产生折冲水流 上 下游水位差较小 形成波状水跃 消能效率低 消能防冲条件及措施 消能方式基本消能方式 底流消能为主 由消力池 海漫 防冲槽等部分组成 其型式可根据水流情况 地形条件 施工能力消能效果等选用 消能设计条件选择 上游水位高 闸门部分开启 单宽流量大 控制条件 上游水位 开闸泄流时的最高挡水位下游水位 考虑水位上升滞后于泄量增大的情况 计算时可选用相应于前一开度的下游水位 下游水位 选择在可能出现的最低水位 消力池 消力池型式 深挖消力池 尾水深小于跃后水深1 0
9、1 5m 消力槛式消力池 尾水深略等于跃后水深 综合消力池 尾水深小于跃后水1 5 3 0m 多级消能 尾水深小于跃后水3 0m以上 作用 壅高和增加池内水深 使闸下急流参通过淹没式水跃转化为缓流 可消杀水流全部动能的46 47 消力池设计 步骤 池深设计 D hc h下游 Z池长确定 L LS LY 3 4 Z 0 7 0 8 LN消力池设计流量的选择 对于池深时 相当于消力池池深为最大值时流量为设计流量 对于池长时 相当于水闸通过的最大流量 厚度 承受水流冲击力 水流的水动压力和底部扬压力等作用 可以等厚或变厚 抗冲要求 H 泄水时与原流量的上 下游水位差mK 系数0 175 0 2 扬压
10、力要求 抗浮要求 Py 扬压力强度hd 消力池内水深r rb 水及护坦所用材料容重KN m3K2 安全系数1 1 1 3取 或最大值t MAX t1 t2 0 5 若设排水孔 则t MAX t1 0 5 忽略了脉动压力影响 rb取饱和容重 消力池的构造 配筋 材料 材料应选用C15或C20混凝土 10 12 25 30底板按强度计算并进行配筋 如果不需要配置受力筋时 一般应在底板的顶底面配置分布钢筋 10 250或 12 250双向配筋 小型水闸的底板材料也有采用M7 5水泥砂浆砌块石的 排水孔 消力池底板后半部水平段设置排水孔 一般采用直径8 12cm的PVC管或直径15cm的无砂混凝土管
11、间距 1 0 2 0m 梅花形布置 尾槛 作用 调整流速分布 减小出池水流的底部流速 有利于平面扩散和削减下游边侧回流高度 0 5 1m 砼与钢筋混凝土筑成 并与护坦连成整体 型式 连续式 齿型 辅助消能 作用 水流受辅助消能的阻挡 抬高了原来小于跃后水深尾槛前水深 辅助消能的作用改变了原来水流的流速分布 增加了对水跃阻力 降低了对跃后水深的要求 型式 消力墩 前半段上 多排呈梅花型 D 0 15 0 5 hy 消力齿 布置在消力陡坡坡脚处 波状水跃产生原因和防止措施 1 波状水跃的产生原因当共轭水深比很小即 Fr 1 0 1 7 或闸的上 下游水头差很小 尾水位变化较大时 闸下显现一系列逐渐
12、消失的波状水流 叫波状水跃 它没有一般水跃的表面旋滚 消能扩散效果很差 在斜坡开始处 由于射流底部边界条件改变 水深迅速增加 极易产生波状水跃 波状水跃产生原因和防止措施 2 波状水跃的防止措施在出流平台 0 5 1 0m 末端设置一道小坎 将射流挑起转而跌入池中 形成旋滚或淹没水跃 以充分利用池深消能 小坎高度c 一般为0 5 1 0m c 折冲水流产生原因和防止措施 1 折冲水流产生原因平面布置 操作运行不当2 折冲水流的防止措施 总体布置时 尽量使上游渠道有一段较长的顺直段 确保来水顺畅均匀 控制下游翼墙的扩散角 扩散角宜7 12 使水流均匀扩散 制订合理的闸的开启程序 注意均匀齐步 间
13、隔对称等开启原则 力避开启 关闭时大起大落和多孔闸部分闸孔泄流的运用方式 防冲加固措施 海漫 水流出消力池后 流速仍较大 大于海漫河床不冲流速 因此 必须采用防冲加固措施 作用 防冲加固 使水流均匀扩散 调整流速分布 海漫长度 南科院法 毛昶照法 海漫的布置与构造 构造要求 材料具有粗糙性 抗冲性 透水性和柔韧等性能 粗糙性的目的是有效消耗水流的余能 抗冲性为的是保护河床 透水为性的是消除底面的渗透压力 而柔韧性的目的是使海漫能适应河床的变形 材料 主要是块石和混凝土 海漫示意图 布置 水平海漫 下游河床局部冲刷大 长度5 10m 适用于下游河床抗冲能力较强的情况倾斜海漫 倾斜段坡度以1 6
14、1 10为宜前面段水平 后面段倾斜 海漫构造1 混凝土海漫 干砌块石3m s 厚为30 50cm 浆砌块石3 6m s 海漫构造2 通过水跃后的亲动余能是逐渐向下游衰减的 海漫结构强度也应该相应逐渐减弱 在前段约1 4左右 海漫通常采用浆砌块石或混凝土板结构 余下的后段常用于砌块石结构 大 中型水闸的于砌块石海漫 均用浆砌块石或混凝土格埂分块围护起来 格埂的间距为10 15m 断面尺寸约40cm 60cm 防冲槽 作用 当下游渠道河床形成最终冲刷态时 保护海漫不遭受破坏 形式 抛石防冲槽 齿墙 板桩式防冲槽 目的 任务 内容闸基防渗长度及地下轮廓线布置 地下轮廓线设计 闸基渗流计算防渗排水设备
15、侧向渗流 第四节水闸防渗设计 防渗设计目的 任务 内容 目的 正确地选择地下轮廊 设计防渗 排水设施的型式 布置 构造尺寸 计算渗透压力 供闸室稳定分析时使用 计算渗透坡降 用以验算地基土抗渗稳定性 任务 经济合理地确定地下廊线的型式和尺寸 寻求减小或消除渗透水流不利影响的必要和可靠的措施 闸基防渗长度及地下轮廊线布置 定义设计步骤防渗长度确定各种地基的地下轮廓布置 地下轮廓线定义 水闸闸底与地基上的接触部分 由不透水部分和透水部分组成 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11就是地下轮廓线的不透水部分 设计步骤 根据水闸的上下游水头差大小和地基质条件选择地下轮廓线的形状和尺寸 选用适当
16、的方法对模拟的布置方案进行渗流计算 求出闸岸扬受的渗透压力以及渗透坡降 验算闸基及地基稳定性 包括地基土的抗渗稳定性 防渗长度确定 防渗长度的特点 起点为入水点 终点为出水点 中间连续无间断 确定方法 采用渗流系数法 该法认为当地基地质条件确定时 必要的防渗长度L与闸的上 下游水位差H成正比关系 比例常数即为渗流系数C L C H H与地基地质及渗流出口处有无反滤层有关 见表 地下轮廓线布置 布置原则 高防低排 上 下排 即在高水位一侧布置防渗设施 延长渗径 低水位一侧设置面层排水 排渗管等设施 使地基水尽快地渗出 粘性土地基 主要降低渗透压力平辅式布置 上游设防渗辅盖 下游渗流出口设反滤层 砂性土地基 铺盖与板桩相结合布置型式 粉砂地基 封闭式布置 上 下游均用板桩 多层土地基 平面与垂直防渗相结合 图7 17闸基地下轮廓线地布置 a 粘性土闸基 b 粘性土闸基下含有承压透水层 c 砂层厚度较深时 d 砂层厚度较浅时 e 易液化粉细砂土地基 闸基渗流计算 目的 计算闸底板所受的渗透压力和验算地基上的抗滑稳定性方法 直线比例法 加权直线法 流网法改进阻力系数法 直线比例法 勃莱法 该法
