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1、水工建筑物,第六章 水闸,一、水闸的功能和分类,水闸的概念,水闸的分类,水闸是一种利用闸门挡水和泄水的低水头水工建筑物，多建于河道、渠系及水库、湖泊岸坡。 水闸的功能拦洪、挡潮、抬高水位；泄洪、排涝、冲沙、调节流量,按承担任务分：节制、进水、分洪、排水、挡潮、冲沙闸 按结构形式分：开敞式、胸墙式、涵洞式等 按操作闸门的动力分：机械操作、水力操作闸门的水闸,6.1 概述,6.1 概述,二、水闸等别划分,三、水闸的组成部分(Fig6-3),闸室,含两岸翼墙、两岸护坡、河床部分的铺盖及防冲墙、护底 目的：导流、防冲、防渗、护稳,包括护坦、海漫、防冲槽、两岸翼墙、两岸护坡等 目的：消能、导流、调流、减
2、速、防冲,包括闸门、闸墩、边墩(岸墙)、底板、胸墙、工作桥、交通桥、启闭机等,上游连接段,下游连接段,6.1 概述,三、水闸的工作特点（软土地基）,承载后沉降量或沉降差较大，易造成闸室倾斜、止水破坏、闸底断裂、甚至失事。 因土基的抗冲能力低，仍可能引起水闸下游的冲刷。出流形成的波浪水跃、折冲水流，将进一步加剧河床、河岸的淘刷。 土基在渗透水流作用下，容易产生渗流变形，引起沉降、倾斜甚至倒坍.,6.1 概述,四、水闸设计的内容,闸址选择 孔口形式和尺寸设计 防渗、排水设计 消能、防冲设计 稳定性计算 沉降校核和地基处理 两岸连接建筑的型式和尺寸设计 结构设计,6.1 概述,一、闸址选择,地形开阔
3、、岸坡稳定、岩土坚实、地下水位较低； 优先选择地质条件良好的天然地基，壤土、中砂、粗砂和砂砾适于作闸基，尽量避开淤泥、粉砂、细砂地基； 过闸水流的形态是影响闸址选择的主要因素，需出流平顺、均匀，不出现偏流和危害性冲刷和淤积。 不同类型水闸闸址的选择,6.2 闸址选择和闸孔设计,6.2 闸址选择和闸孔设计,二、闸孔设计,1 堰型选择,2 底板高程的确定：影响运用和造价,宽顶堰 低实用堰,底板较高时：单宽流量小，所需闸室宽度大，但两岸连接建筑低 底板较低时：单宽流量大，虽闸室宽度窄，但消能防冲的工程量增大，闸门高度增加，启闭机容量增加 一般要求,6.2 闸址选择和闸孔设计,3 闸孔总净宽的确定出流
4、为堰流时：出流为孔口出流时：L0的确定关系到单宽流量，从而关系到消能防冲工程，关系到上游淹没程度，关系到底坎高程等，需综合考虑。,6.2 闸址选择和闸孔设计,4 闸室单孔宽度和总宽度,闸室单孔宽度l0：依据闸门形式、启闭条件、运用要求和工程造价确定； 一般经验：大中型采用812m 闸孔孔数：nL0 /l0 ，取整，且常采用单孔数 闸室总宽度： （不包括边墩） 总宽度与河宽的比值：河宽50100m时，比值0.60.75；河宽大于200m时，比值0.85；,6.2 闸址选择和闸孔设计,一、渗流危害,发生渗流的位置（图）,渗流的危害,闸基 边墩背水一侧 翼墙背水一侧,降低闸室的抗滑稳定及边墩和翼墙的
5、侧向稳定性； 可能引起闸基的渗透变形，甚至破坏； 损失水量； 使闸基的可溶性物质加速溶解。,6.3 水闸的防渗、排水设计,二、水闸的防渗长度及地下轮廓的布置,1 防渗长度的确定,防渗设施：上游铺盖、板桩、底板为防渗设施，护坦不是。 地下轮廓线：上游铺盖、板桩、底板等防渗设施与地基的接触线，也是渗流的第一根流线。 防渗长度：地下轮廓线的长度。 防渗长度L的确定：LCH (C是渗径系数，H为上下游水位差),6.3 水闸的防渗、排水设计,2 地下轮廓线的布置,原则：防渗与排水相结合，即上游防渗、下游排水。 上游水平防渗有铺盖，垂直防渗有齿墙、板桩、砼防渗墙、灌浆帷幕等 下游排水有面层排水、排水孔、减
6、压井等 粘土地基：不易发生管涌,底板与地基间摩擦系数小,以降压提高抗滑稳定为主 砂土地基：底板与地基摩擦大,抗渗透变形能力差,以防治渗透变形和减小渗漏为主粗砂与沙砾；细砂；粉砂；含承压水,6.3 水闸的防渗、排水设计,二、渗流计算,(一）基本方程,渗透压力、渗透比降、渗透流速、渗流量,闸基渗流为有压渗流 假定：地基均匀、各向同性，渗水符合达西定律。 拉普拉斯方程：,6.3 水闸的防渗、排水设计,6.3 水闸的防渗、排水设计,（二）计算方法,流网法：通过手绘和实验获得(Fig6-5)改进的阻力系数法基本原理：以流体力学为基础的近似方法计算深度的确定：渗压计算：水力坡降曲线的修正逸出坡降计算：直线
7、法,三、防渗及排水设施,防渗设施 铺盖 板桩 齿墙 排水设施铺设在护坦、浆砌石海漫及闸底板下面的起导渗作用的砂砾石层,6.3 水闸的防渗、排水设计,目的：延长渗径 要求：相对不透水以防渗，具柔性以适应地基变形 材料：粘土、粘壤土、沥青混凝土，有时可用钢筋混凝土 粘土和粘壤土铺盖：(Fig6-8) 沥青混凝土铺盖：厚度510cm；注意与闸底板连接 钢筋混凝土铺盖： (Fig6-9),（一）铺盖,6.3 水闸的防渗、排水设计,（三）齿槽,（二）板桩,目的：截断透水层(埋深浅)或延长渗径(埋深深) 埋深要求：插入不透水层1m或插入深度0.61.0倍总水头 材料：木材、钢筋混凝土、钢材，钢筋砼最常用。
8、 与闸底板连接：紧贴前缘和嵌入凹槽两种形式(Fig6-10),闸底板上下游均设1.0m左右的短齿槽，增强稳定和延长渗径,6.3 水闸的防渗、排水设计,（四）其他防渗设施,（五）排水与反滤,混凝土防渗墙、灌注式水泥砂浆帷幕,材料：12cm的卵石、砾石或碎石 位置：平铺在护坦、浆砌石海漫的底部，或深入闸底板底部下游段 厚度：0.20.3m 反滤：与地基接触处设反滤层,6.3 水闸的防渗、排水设计,一、过闸水流的特点,1 闸下易形成波状水跃,形成原因：1.0Fr30cm的石块，发生冲刷后石块自动滚下阻止冲刷继续发展,防冲墙：齿墙、板桩、沉井等,6.4 水闸的消能、防冲设计,6.5 闸室的布置与构造,
9、闸室的布置 底板、闸墩、边墩、胸墙、闸门、启闭机、工作桥、交通桥 闸室分缝 闸室与边墩的连接与分缝 闸室的设计要求 抗滑稳定 结构强度 沉陷,一、底板,1 底板类型,2 底板分缝,3 底板长度,按过闸形式分：水平底板、低实用堰底板 按与闸墩的连接形式分：整体式底板、分离式底板(图) 按结构形式分：实体底板、箱式底板,温度沉降缝：将闸室分成若干闸段,每个闸段可含单孔、双孔或三孔(Fig6-21(a),取决于上部结构，需满足强度和抗滑要求，参考经验取值,6.5 闸室的布置与构造,底板施工,二、闸墩,顶部高程 预制构件 框架式闸墩,6.5 闸室的布置与构造,三、闸门,闸门型式选择考虑的内容,闸门在闸
10、室中的位置,运用要求、闸孔跨度、启闭机容量、工程造价,与闸室稳定、闸墩应力、地基应力、上部结构位置有关 平板门通常设在上游侧，有时为了利于水重也可设在下游侧 弧形闸门需靠上游侧设置，可缩短闸墩 检修闸门设在上游侧，与工作闸门净距13m,6.5 闸室的布置与构造,四、胸墙,1 胸墙形式(Fig6-23),2 胸墙的支承型式(Fig6-24),楔形板：适用于跨度6m的水闸适用,由墙板、底梁、顶梁组成,简支式支承：柔性连接，可避免闸墩附近出现裂缝，但截面尺寸较大。多用于分离式底板。 固接式支承：刚性连接，截面尺寸小，闸室整体稳定好，但受温度和变形影响大，易出现裂缝。多用于整体式底板。,6.5 闸室的
11、布置与构造,五、交通桥、工作桥、检修便桥,1 交通桥,2 工作桥,设在水闸下游一侧 板式结构：跨度20m常用 多用单跨简支,板式结构：小型水闸常用 装配式梁板结构：大中型水闸常用 采用固定式启闭机和活动式启闭机的工作桥高度不同,6.5 闸室的布置与构造,六、分缝与止水,1 分缝方式与布置,2 止水设备,缝间距：岩基20m,土基30m 缝宽：2.03.0cm 分缝方式,铅直止水：闸墩中间、边墩与翼墙间、上游翼墙本身 水平止水：铺盖、消力池、底板、闸墩等之间的沉降缝 止水交叉：铅直交叉、水平交叉；柔性连接、刚性连接,6.5 闸室的布置与构造,一、闸室稳定分析,验算工况:竣工期、运行期、检修、施工期
12、,验算单元:整个闸室或分缝之间的闸段,（一） 荷载及组合 主要荷载：自重/水重/水推力/扬压力/浪压力/泥沙压力/土压力/地震力 8类 荷载组合 基本组合： 正常蓄水位、设计洪水位、完建等工况 特殊组合： 校核洪水位、地震、施工、检修等工况,6.6 闸室稳定分析、沉降校核和地基处理,6.6 闸室稳定分析、沉降校核和地基处理,（二）闸室的稳定性及安全指标 闸室的稳定性 平均基底压力不大于地基容许承载力 不发生明显的倾斜，地基压力的最大值与最小值之比不大于规定的容许值 不发生沿地基面或深层的滑动,1 闸室基底压力验算 结构布置和受力对称的闸段：单向偏心受压公式：结构布置和受力不对称的闸段：双向偏向
13、受压公式 要求：,6.6 闸室稳定分析、沉降校核和地基处理,2 闸室抗滑稳定验算 地基临界法向应力：地基面(平面滑动)抗滑稳定计算,6.6 闸室稳定分析、沉降校核和地基处理,安全系数的要求：计算的准确性取决于f 、c的准确性 增稳措施减小渗透压力：增长铺盖、闸底板设排水设施等利用上游钢筋砼铺盖作阻滑板多利用水重：闸门向下移或底板向上游延长增加闸室底板齿墙深度增设钢筋混凝土抗滑桩或预应力锚固结构,6.6 闸室稳定分析、沉降校核和地基处理,3 闸基的整体稳定验算（塑性平衡理论） 满足极限平衡状态的最小凝聚力点稳定状态的判别 cKc：计算点处于塑性变形状态 容许塑性开展深度：大型水闸小于B/4，中型水闸小于B/3,6.6 闸室稳定分析、沉降校核和地基处理,
