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1、第五章 水闸第一节 概述引言：水闸是一种低水头的水工建筑物，兼有挡水和泄水的作用，用以调节水位、控制流量，以满足水利事业的各种要求。l 本节主要介绍：水闸的类型、工作特点、组成及水闸设计的内容一水闸的类型l 水闸的种类: 1.按水闸所承担的任务分类:节制闸、进水闸、分洪闸、排水闸、挡潮闸、排沙闸、排冰闸、排污闸等图示讲解：水闸的类型及位置示意图 节制闸（或拦河闸）：拦河或在渠道上建造。枯水期用以拦截河道，抬高水位，以利上游取水或航运要求；洪水期则开闸泄洪，控制下泄流量。位于河道上的节制闸称为拦河闸。 进水闸：建在河道、水库或湖泊的岸边，用来控制引水流量，以满足灌溉、发电或供水的需要。进水闸又称
2、取水闸或渠首闸。 分洪闸：常建于河道的一侧，用来将超过下游河道安全泄量的洪水泄入预定的湖泊、洼地，及时削减洪峰，保证下游河道的安全。 排水闸：常建于江河沿岸，外河水位上涨时关闸以防外水倒灌，外河水位下降时开闸排水，排除两岸低洼地区的涝渍。该闸具有双向挡水，有时双向过流的特点。 挡潮闸：建在入海河口附近，涨潮时关闸不使海水沿河上溯，退潮时开闸泄水。挡潮闸具有双向挡水的特点。 排沙闸、排冰闸、排污闸：为排除泥沙、冰块、漂浮物等而设置的。2.按闸室结构形式分类 开敞式水闸：闸室上面不填土封闭的水闸。一般有泄洪、排水、过木等要求时，多采用不带胸墙的开敞式水闸，多用于拦河闸、排冰闸等；当上游水位变幅大，
3、而下泄流量又有限制时，为避免闸门过高，常采用带胸墙的开敞式水闸，如进水闸、排水闸、挡潮闸多用这种形式。 涵洞式水闸：闸（洞）身上面填土封闭的水闸，又称封闭式水闸。涵洞式水闸常用于穿堤取水或排水的水闸。洞内水流可以是有压的或者是无压的。二水闸的工作特点l 特点：1.稳定方面：关门挡水时，水闸上、下游较大的水头差造成较大的水平推力，使水闸有可能沿基面产生向下游的滑动，为此，水闸必须具有足够的重力，以维持自身的稳定。2.防渗方面：由于上下游水位差的作用，水将通过地基和两岸向下游渗流。渗流会引起水量损失，同时地基土在渗流作用下，容易产生渗透变形。严重时闸基和两岸的土壤会被淘空，危及水闸安全。渗流对闸室
4、和两岸联接建筑物的稳定不利。因此，应妥善进行防渗设计。3.消能防冲方面：水闸开闸泄水时，在上、下游水位差的作用下，过闸水流往往具有较大的动能，流态也较复杂，而土质河床的抗冲能力较低，可能引起冲刷。此外，水闸下游常出现波状水跃和折冲水流，会进一步加剧对河床和两岸的淘刷。因此，设计水闸除应保证闸室具有足够的过水能力外，还必须采取有效的消能防冲措施，以防止河道产生有害的冲刷。4.沉降方面：土基上建闸，由于土基的压缩性大，抗剪强度低，在闸室的重力和外部荷载作用下，可能产生较大的沉降影响正常使用，尤其是不均匀沉降会导致水闸倾斜，甚至断裂。在水闸设计时，必须合理地选择闸型、构造，安排好施工程序，采取必要的
5、地基处理等措施，以减少过大的地基沉降和不均匀沉降。三水闸的组成l 图示讲解：l 组成：上游联接段、闸室段和下游联接段三部分组成。水闸的组成1 闸室底板 2闸墩 3胸墙 4闸门 5工作桥 6交通桥 7堤顶 8上游翼墙 9下游翼墙 10护坦 11排水孔 12消力坎 13海漫 14下游防冲槽 15上游防冲槽 16上游护底 17上、下游护坡。1.上游联接段：主要作用是引导水流平稳地进入闸室，同时起防冲、防渗、挡土等作用。一般包括上游翼墙、铺盖、护底、两岸护坡及上游防冲槽等。上游翼墙的作用是引导水流平顺地进入闸孔并起侧向防渗作用。铺盖主要起防渗作用，其表面应满足抗冲要求。护坡、护底和上游防冲槽（齿墙）是
6、保护两岸土质、河床及铺盖头部不受冲刷。2.闸室段：是水闸的主体部分，通常包括底板 、闸墩、闸门、胸墙 、工作桥及交通桥等。底板是闸室的基础，承受闸室全部荷载，并较均匀地传给地基，此外 ，还有防冲、防渗等作用。闸墩的作用是分隔闸孔并支承闸门、工作桥等上部结构。闸门的作用是挡水和控制下泄水流。工作桥供安置启闭机和工作人员操作之用。交通桥的作用是连接两岸交通。3.下游联接段：具有消能和扩散水流的作用。一般包括护坦、海漫、下游防冲槽、下游翼墙及护坡等。下游翼墙引导水流均匀扩散兼有防冲及侧向防渗等作用。护坦具有消能防冲作用。海漫的作用是进一步消除护坦出流的剩余动能、扩散水流、调整流速分布、防止河床受冲。
7、下游防冲槽是海漫末端的防护设施，避免冲刷向上游扩展。四水闸设计l 水闸设计的内容有：闸址选择，确定孔口形式和尺寸，防渗、排水设计，消能防冲设计，稳定计算，沉降校核和地基处理，选择两岸连接建筑物的型式和尺寸，结构设计等。第二节 闸址选择和闸孔设计引言：闸址选择关系到工程建设的成败和经济效益的发挥，是水闸设计中的一项重要内容。应根据水闸的功能、特点和运用要求以及区域经济条件，综合考虑地形、地质、水流、潮汐、泥沙、冰情、施工、管理、周围环境等因素，经技术经济比较确定。l 本节主要介绍：闸址选择、水闸等级划分及洪水标准、闸孔型式的选择、闸底板高程的确定、计算闸孔总净宽一闸址选择选择闸址应考虑河势、河岸
8、 、地势、岸线、岸坡、淤积、材料来源、对外交通、施工导流、场地布置、基坑排水、施工水电供应、水闸建成后工程管理维修和防汛抢险等条件，并应考虑下列要求：占用土地及拆迁房屋少；尽量利用周围已有公路、航运、动力、通信等公用设施；有利于绿化、净化、美化环境和生态环境保护；有利于开展综合经营，等等。二.水闸等级划分及洪水标准1.工程等别及建筑物级别平原区水闸枢纽工程应根据水闸最大过闸流量及其防护对象的重要性划分等别，规模巨大或在国民经济中占有特殊重要地位的水闸枢纽工程，其等别应经论证后报主管部门批准确定。山区、丘陵区水利水电枢纽中的水闸，其级别可根据所属枢纽工程的等别及水闸自身的重要性确定。枢纽工程等别
9、应按国家现行的有关规范确定。对失事后造成巨大损失或严重影响，或采用实践经验较少的新型结构的25级主要建筑物，经论证并报主管部门批准后可提高一级设计；对失事后造成损失不大或影响较小的14级主要建筑物，经论证并报主管部门批准后可降低一级设计。2.洪水标准平原区水闸的洪水标准应根据所在河流流域防洪规划规定的防洪任务，以近期防洪目标为主，并考虑远景发展要求，综合分析确定。 山区、丘陵区水利水电枢纽中的水闸，其洪水标准应与所属枢纽中永久性建筑物的洪水标准一致。永久性建筑物的洪水标准应按国家现行的SL2522000的规定确定。 三闸孔型式的选择1.宽顶堰型：优点、缺点2.低实用堰型：优点、缺点3.胸墙孔口
10、型：优点、缺点四闸底板高程的确定底板高程与水闸承担的任务、泄流或引水流量、上下游水位、泥沙及河床地质条件等因素有关。展开讲述底板高程、闸室宽度、两岸连接建筑与地基强度、单宽流量的关系。五计算闸孔总净宽闸孔总净宽应根据泄流特点、下游河床地质条件和安全泄流的要求，结合闸孔孔径和孔数的选用，经技术经济比较后确定。计算时分别对不同的水流情况，根据给定的设计流量、上下游水位和初拟的底板高程及堰型来确定。l 图示讲解：1.对于平底闸，当水流为堰流时，计算示意图如下所示平底板堰流计算示意图计算公式如下：= 单孔闸 多孔闸 式中 B0闸孔总净宽（m）; Q过闸流量（m3/s）; H0计入行近流速在内的堰上水深
11、（m）; g 重力加速度，取9.81(m/s2); m堰流流量系数，可采用0.385；堰流侧收缩系数，对于单孔闸可按公式计算求得或查表得；对于多孔闸可按公式计算求得； b0闸孔净宽（m）；bs上游河道一半水深处的宽度（m）；N闸孔数；Z中闸孔侧收缩系数， dz中闸墩厚度（m）;b边闸孔侧收缩系数，可按公式计算求得;bb边闸墩顺水流向边缘线至上游河道水边线之间的距离（m）;堰流淹没系数，对于宽顶堰可由表查得，表中的hs为堰顶下游水深（m）。2.当为孔口出流时，计算示意图如下所示孔口出流计算示意图计算公式如下： 式中：he孔口高度（m）; 宽顶堰上孔流流量系数，可按公式计算求得或由表查得。垂直收缩
12、系数，可由公式计算求得；-流速系数，可取0.951.0；计算系数，可由公式计算求得，该公式适用于00.25范围。r-胸墙底圆弧半径（m）;宽顶堰上孔流淹没系数，可由表58查得，表中hc”为跃后水深（m）。 水闸的过闸水位差确定：根据上游淹没影响、允许的过闸单宽流量和水闸工程造价等因素综合比较确定。水闸的过水能力：与上下游水位、底板高程和闸孔总净宽等是相互关联的，设计时，需要通过对不同方案进行技术经济比较后最终确定。六确定闸室单孔宽度和闸室总宽度l 闸孔孔径：根据闸的地基条件、运用要求、闸门结构型式、启闭机容量，以及闸门的制作、运输、安装等因素，进行综合分析确定。选用的闸孔孔径应符合国家现行的S
13、L7495水利水电工程钢闸门设计规范所规定的闸门孔口尺寸系列标准l 闸孔孔数选定l 闸室总宽度的确定闸室总宽度：与上下游河道或渠道宽度相适应。l 孔宽、孔数和闸室总宽度拟定后，再考虑闸墩等的影响，进一步验算水闸的过水能力。第三节 水闸的消能防冲设计（一）引言：水闸泄水时，部分势能转为动能，流速增大，具有较强的冲刷能力，而土质河床一般抗冲能力较低。因此，为了保证水闸的安全运行，必须采取适当的消能防冲措施。要设计好水闸的消能防冲措施，应先了解过闸水流的特点，进而采取妥善的防范措施。l 本节主要介绍：过闸水流的特点、消能防冲设计条件的确定、底流消能工的设计。一、过闸水流的特点1 水流形式复杂：初始泄流时，闸下水深较浅，随着闸门开度的增大而逐渐加深，闸下出流由孔流到堰流，由自由出流到淹没出流都会发生，水流形态比较复杂。因此，消能设施应在任意工作情况下，均能满足消能的要求并与下游水流很好的衔接。2 闸下易形成波状水跃：图示讲解：上、下游水位差较小，出闸水流的佛汝德数较低（Fr=11.7）,容易发生波状水跃，特别是在平底板的情况下更是如此。此时无强烈的水跃旋滚，水面波动，消能效果差，具有较大的冲刷能力。另外，水流处于急流状态，不易向两侧扩散，致使两侧产生回流，缩小河槽过水有效宽度，局部单宽流量增大，严重地冲刷下游河道，见下图。波状水跃示意图3 闸下容易出现折
