水闸渗透计算
小型水闸—分析水闸防渗排水
11
14
12 13
11 12 13 14
2.2勃莱法计算A点渗透压力水头
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2
4
3
57 6 8
9 10
12 3 4
5 6 78
9 10
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2.3勃莱法绘制闸室底板渗透压力分布图
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9 10
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9 10
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8
粘土要求 K铺盖/K地基≤1/100，K一般为10-7~10-5cm/s。 长度要求 L>(3-5)∆H。
厚度要求 沿水流方向变厚，下游端部加厚，δ= ∆h/[J]上游端0.6-0.8m，下游端
1.0-1.5m。
（1）止水构造 铺盖与底板连接处采用沥青麻袋止水； ①闸底板前端做成斜面；
②铺设油毛毡等止水材料，一端用螺栓固定在斜面 上，另一端埋入粘土铺盖中。 （2）保 护 层 防冲刷，防干裂。砂砾石垫层10-15cm，单层或 双层块石护面。
在池后半部，孔径5~10cm，间距1~2m，梅花型布置。
03
思考与作业
1.思考齿墙结构还可以应用在哪些建筑物以提高建筑物稳定性？ 2.网络搜索实际水闸工程图片或视频，巩固本节课涉及的水闸各类防渗排水设施。 3.借助网络资源，自行学习水闸垂直排水的类型及适用条件。
3.防渗设置—齿墙
位置
闸底板的上、下游端一般都设齿墙。
作用
利于抗滑稳定；可延长渗径。
深度
1.0~2.0m。
02
水闸排水设置
1.排水设置
形式
平铺式排水、垂直排水。
平铺式
水闸实操题目
一、水闸渗透压力计算采用阻力系数法计算某水闸（见图十五）地下轮廓线上的渗透压力，并画出渗透压力分布图（以水柱高度计）。
附：电拟试验值（与计算值可作对比之用）PD =3.93m PL=1.55m PH=2.75m PO=0.65m二、水闸闸室稳定分析实例某水闸闸室建在岩基上，已知闸室自重W1=150000KN,垂直水重W2=65000KN,扬压力U=65000KN，上游水压力P=100000KN,闸底板顺水流方向长度为20米，宽度为18米，闸基抗滑稳定安全系数【KC】=2.5，闸室基底与地基之间的摩擦系数fˊ=0.8,抗剪断粘结力Cˊ=0.5×103KN/m2,求闸室的抗滑稳定安全系数KC，并进行闸室稳定安全判定。
三、请对照下图用CAD画图四、水闸闸孔计算1、资料某水闸采用无坎平底宽顶堰型式，堰顶高程为 1.0 米，与河底同高。
闸室无胸墙并采用钢丝网水泥平面闸门，预制工厂供应相当于闸孔宽度为 6.0 米、7.0 米及 8.0 米三种规格的闸门，闸墩厚 1.0 米，头部为半园形。
上游翼墙为园弧形，其外半径为 15 米，该翼墙上游的两岸边坡均为 1：2.5 。
6.85 4.80 米，此时要求宣泄流量 870 米3/秒；上游正常水位 4.90 4.20 米，此时要求宣泄流量不小于 230 米3/秒。
河床均为粘土，其标准贯入击数为 9，水流通过闸孔后的单宽流量（其值在本习题中用总流量除以闸空总宽度进行计算，闸空总宽度包括闸墩在内）不允许超过24米3/秒。
2、要求：确定闸孔数目及闸孔宽度；五、简述消力池深度的计算步骤。
六、简述侧槽计算步骤。
七、简述改进阻力系数法计算的步骤。
八、如何提高闸室的抗滑稳定。
九、当软土地基上的水闸地基沉降计算不满足规范规定的允许值时，可以考虑采用哪些措施？。
水闸实例——精选推荐
四、防渗设计（一）闸底地下轮廓线的布置1、防渗设计的目的防止闸基渗透变形；减小闸基渗透压力；减少水量损失；合理选用地下轮廓尺寸。
2、布置原则防渗设计一般采用防渗和排水相结合的原则，即在高水位侧采用铺盖、板桩、齿墙等防渗设施，用以延长渗径减小渗透坡降和闸底板下的渗透压力；在低水位侧设置排水设施，如面层排水、排水孔排水或减压井与下游连通，使地下渗水尽快排出，以减小渗透压力，并防止在渗流出口附近发生渗透变形。
3、地下轮廓线布置 （1）闸基防渗长度的确定。
根据公式(2)计算闸基理论防渗长度为56.24m 。
其中 为渗径系数，因为地基土质为重粉质壤土，查表取8。
L =8×7.03=56.24 m（2）防渗设备 由于闸基土质以粘性土为主，防渗设备采用粘土铺盖，闸底板上、下游侧设置齿墙，为了避免破坏天然的粘土结构，不宜设置板桩。
（3）防渗设备尺寸和构造。
1）闸底板顺水流方向长度根据公式(1)计算，根据闸基土质为重粉质壤土A 取2.0。
L 底=A ×H =2×7.03=14.06 m底板长度综合考虑上部结构布置及地基承载力等要求，确定为16m 。
2）闸底板厚度为t =16×9=1.5 m 。
3）齿墙具体尺寸见图1。
图1 闸底板尺寸图 （单位：cm ）4）铺盖长度根据（3 ~5）倍的上、下游水位差，确定为36m 。
铺盖厚度确定为：便于施工上游端取为0.6m ，末端为1.5m 以便和闸底板联接。
为了防止水流冲刷及施工时破坏粘土铺盖，在其上设置30cm 厚的浆砌块石保护层，10cm 厚的砂垫层。
4、校核地下轮廓线的长度根据以上设计数据，实际的地下轮廓线布置长度应大于理论的地下轮廓线长度，通过校核，满足要求。
铺盖长度+闸底板长度+齿墙长度= 36+16+6.8=57.8m >L 理=56.24 m（二）排水设备的细部构造1、排水设备的作用采用排水设备，可降低渗透水压力，排除渗水，避免渗透变形，增加下游的稳定性。
水闸的防渗、排水设计
水闸的防渗、排水设计水闸挡水时，由于上、下游水头差的作用，不仅在闸基土体中会产生渗流，同时还会产生绕过两岸连接建筑物的岸坡绕渗。
渗流对建筑物产生的不利影响主要有：①降低了闸室的抗滑稳定及两岸翼墙和边墩的侧向稳定性；②可能引起地基的渗透变形，严重的渗透变形会使地基受到破坏，甚至导致水闸失事；③损失水量，一般情况下损失数量甚微，可略而不计；④使地基内的可溶物质加速溶解。
闸基防渗设计的要求是：确定最优的地下轮廓及防渗排水措施，使闸基渗透压力适当减小，使闸基不发生渗透变形，并使闸基渗流量控制在允许范围内。
总之，在保证水闸安全的前提下，做到经济合理。
1 水闸的防渗长度及地下轮廓的布置1. 防渗长度当水闸形成上、下游水位差时，上游水经过地基向下游渗透，并从护坦的排水孔等处排出。
如图7-16所示，沿着铺盖、板桩及闸室底板的这根流线为1—2—…—17，这是闸基渗流的第一根流线。
上述铺盖、板桩及闸室底板等不透水部分（连续）与地基的接触线，称为地下轮廓线（即第一根流线）。
该线的长度称为防渗长度或渗径长度，此时， 12231617L =-+-++-，如进口段设有干砌块石及垫层（图7-16左下方），则12231617L '=-+-++-；如铺盖与闸室之间的止水受到破坏或没有设置，则78891617L =-+-++-。
从图7-16的实例，可以清楚地看出，防渗长度有三个特点：①起点是入土点，即水流进入土基的这一点；②终点是出土点，即水流离开土基的这一点（排水的起点）；③中间是连续线，即起点与终点之间没有间断。
图7-16 水闸地下轮廓(单位：m) （第5版图7-13 图名相同）水闸防渗排水布置应根据闸基地质条件和水闸上、下游水位差等因素，结合闸室、消能防冲和两岸连接布置进行综合分析确定。
SL 265—2016《水闸设计规范》提出，初步拟定的闸基防渗长度应满足下式的要求：=∆（7-11）L C H式中：L为闸基防渗长度，即闸基轮廓线防渗部分水平段和垂直段长度的总和，∆为上、下游水位差，m；C为允许渗径系数值，可按表7-2选用。
水闸渗流稳定及闸室稳定分析
水闸渗流稳定及闸室稳定分析◎ 常聪聪 中交四航局港湾工程设计院有限公司摘 要：水闸在水利建设中扮演着重要的角色，本文结合闸坝的具体工程实例，详细介绍了水闸渗流稳定和闸室稳定的计算原理及计算步骤，计算结果表明该项目的结构设计方案较安全但偏保守，可进一步优化方案。
本文中所涉及的相关计算可为相似工程案例提供一定的参考。
关键词：水闸；渗流；闸室稳定1.引言水闸作为一种用来调节水位、控制流量且通常水头差不超过30m的低水头水工建筑物，具备挡水和泄水的两重作用，在水利工程建设中得到广泛应用。
水闸的渗流分析和闸室的稳定分析是水闸设计中两个重要部分，国内外众多学者针对该课题做了丰富的研究。
梁佳铭[1]、王建华[2]运用可靠度理论分析了水闸安全的主要影响因素，申向东[3]分析了单孔水闸的抗滑稳定，也有众多学者结合工程实例对水闸闸室的稳定进行了计算分析[4~7]。
改进阻力系数法是计算水闸闸基渗流稳定的重要方法，适应性广，众多水闸案例以此方法为基础进行设计验算[8~10]。
学者们还将水闸渗流分析的有限元分析法和改进阻力系数法作对比[11~14]，表明两种方法在计算闸基渗流问题上均可靠，有限元分析法则更偏保守。
本文结合具体工程实例，按照现行规范[15]，对水闸的闸基渗流及闸室稳定进行了具体计算分析，对相似案例工程具有一定的借鉴与参考意义。
2.工程概况本工程案例为广东某水闸的重建方案，泄水闸闸孔孔数为12孔，单孔净宽14m，总净宽168m。
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）和《渠化工程枢纽总体设计规范》（JTS 181-1-2009），枢纽按库容分等指标，为Ⅲ等中型工程，建筑物级别为4级。
正常蓄水位为35m，中墩厚2.5m，边墩厚2.0m，上游铺盖长15m，闸室长度25.5m，消力池长30m。
地质条件：工程区域地震活动性较弱，区域地质稳定性良好，工程范围内本枢纽的地层主要有第四系填土层（Q4ml）、第四系冲积层（Q4al）、第四系冲洪积层（Q4al+pl）及石炭系下统大塘阶石磴子段（C1ds），中风化岩物理力学性质好，岩石强度高，分布较稳定，地基承载力较高。
水闸设计计算
水闸设计计算-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN一、初步设计兴化闸为无坝引水进水闸，该枢纽主要由引水渠、防沙设施和进水闸组成，本次设计主要任务是确定兴化闸的型式、尺寸及枢纽布置方案；并进行水力计算、防渗排水设计、闸室布置与稳定计算、闸室底板结构设计等，绘出枢纽平面布置图及上下游立视图。
二、设计基本资料1. 概述兴化闸建在兴化镇以北的兴化渠上，闸址地理位置见图。
该闸的主要作用有：防洪：当兴化河水位较高时，关闸挡水，以防止兴化河水入侵兴化渠下游两岸农田，保护下游的农田和村镇。
灌溉：灌溉期引兴化河水北调，以灌溉兴化渠两岸的农田。
引水冲淤：在枯水季节，引兴化河水北上至下游的大成港，以冲淤保港。
河兴化镇闸址位置示意图（单位：m）2.规划数据兴化渠为人工渠道，其剖面尺寸如图所示。
渠底高程为，底宽，两岸边坡均为1:2。
该闸的主要设计组合有以下几方面：兴化渠剖面示意图（单位：m）孔口设计水位、流量根据规划要求，在灌溉期由兴化闸自流引兴化河水灌溉，引水流量为300m3/s，此时闸上游水位为，闸下游水位为；在冬季枯水季节由兴化闸自流引水送至下游大成港冲淤保港，引水流量为100m3/s，此时相应的闸上游水位为，下游为。
闸室稳定计算水位组合（1）设计情况：上游水位，浪高，下游水位。
（2）校核情况：上游水位，浪高，下游水位。
消能防冲设计水位组合（1）消能防冲的不利水位组合：引水流量为300m3/s，相应的上游水位，下游水位为。
（2）下游水位流量关系下游水位流量关系见表3. 地质资料闸基土质分布情况根据钻探报告，闸基土质分布情况见表根据土工试验资料，闸基持力层为坚硬粉质粘土，其内摩擦角ϕ=190，凝聚力C=；天然孔隙比e=，天然容重γ=m3，比重G=，变形模量E=4104⨯KPa；建闸所用回填土为砂壤土，其内摩擦角ϕ=260，凝聚力C=0，天然容重γ=18KN/m3；混凝土的弹性模量E h=710.32⨯KPa。
水闸渗流计算
水闸渗流计算
水闸渗流计算是水闸设计和运行中的重要环节，用于评估水闸在不同工况下的渗流情况，确保水闸的安全和稳定。
以下是水闸渗流计算的一般步骤：
1. 确定计算区域：根据水闸的几何形状和地质条件，确定计算区域的边界和范围。
2. 建立渗流模型：根据计算区域的几何形状和边界条件，选择合适的渗流模型，如有限元法、有限差分法等。
3. 输入参数：输入计算所需的参数，如土壤的渗透系数、地下水位、水闸的水位和流量等。
4. 计算渗流场：根据输入的参数和渗流模型，计算水闸在不同工况下的渗流场。
5. 分析计算结果：对计算结果进行分析，评估水闸的渗流情况，如渗流速度、渗流压力、渗流量等。
6. 优化设计：根据计算结果，对水闸的设计进行优化，如调整水闸的几何形状、增加防渗措施等。
水闸渗流计算是一个复杂的过程，需要结合工程实际情况和地质条件进行综合考虑，同时需要进行现场监测和实验验证，以确保计算结果的准确性和可靠性。
水闸水利计算和防渗设计 正文
1基本资料1．1背景资料前进闸建在前进镇以北的红旗渠上，该闸的作用是：1．1．1 防洪：当胜利河水位较高时，关闸挡水，以防止胜利河的高水入侵红旗渠下游两岸的低田，保护下游的农田和村镇。
1．1．2 灌溉：灌溉期引胜利河氺北调，以灌溉红旗渠两岸的农田。
1．1．3 引水冲淤：枯水季节，引水北上至下游的红星港，以冲淤保港。
1．2 地质资料1．2．1 闸基土质分布情况如下表所示表1-1闸基土层分布1．2．2 闸基土工试验资料根据土工试验资料，闸基持力层坚硬粉质粘土的各项参数指标为：凝聚力Ｃ=60.0kpa；内摩擦角ϕ=19°；天然孔隙比e=0.6g；天然容重r=20.3KN/ m3。
建闸所用回填土为啥壤土，其内摩擦角ϕ=26°，凝聚力C=0。
天然容前r=18KN/ m3。
1．3 气象资料1．3．1气象资料不全1．4 三材情况1．4．1该地区“三材”供应不足。
闸门采用平面钢闸门，尺寸字定，由工厂设计，加工制造。
1．4．2 该地区地震设计烈度为6度，故不可考虑地震影响。
1．5 基本水文资料1．5．1 孔口设计水位、流量根据规划要求，在灌溉期前进闸自流胜利河水灌溉，引水量为320 m3/s。
此时相应的水位为：闸上游水位为1.86 m；闸下游水位为1.80 m。
枯水季节冬季，由前进闸自流引水送至下游的红星港冲淤保港，引水流量为100m3/s。
此时相应的水位为：闸上游水位为1.44m；闸下游水位为1.38m。
1．5．2 闸身稳定计算水位组合(1)设计情况：上游水位4.3m，浪高0.8m，下游水位1.0m。
(2)校核情况：上游水位4.7m，浪高0.5m，下游水位1.0m。
1．5．3 消能防冲设计水位组合根据分析，消能防冲的不利水位组合是：引水流量300m3/s，相应的上游水位4.7m，下游水位1.78m。
1．5．4 下游水位流量关系表1-2下游水位流量关系1．6 闸的设计标准根据《水闸设计规范》SI265—2001（以下简称SI265—2001），前进闸按III级建筑物设计。
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【例4-1】某水闸地下轮廓布置及尺寸如图4-28所示。
混凝土铺盖长10.50m，底板顺水流方向长10.50m，板桩入土深度4.4m。
闸前设计洪水位104.75m，闸底板堰顶高程100.00m。
闸基土质在高程100.00～90.50m之间为砂壤土，渗透系数K砂=2.4×10-4cm/s，可视为透水层，90.50m以下为粘壤土不透水层。
试用渗径系数法验算其防渗长度，并用直线比例法计算闸底板底面所受的渗透压力。
（一）验算地下轮廓不透水部分的总长度（即防渗长度）。
上游设计洪水位104.75m，关门挡水，下游水位按100.00m考虑，排水设施工作正常。
C，作用水头为
根据表4-2，可知砂壤土的渗径系数0.5=
()m
104=
-
∆H
.
=
.
.4
00
75
100
75
故最小防渗长度为
()m
=
∆
C
L
⨯
=H
.
75
23
75
.4
0.5=
地下轮廓不透水部分的实际长度为
+
⨯
+
+
+
+
+
=
L
9.0⨯
+
⨯
+
5.0
7.0
6.0
5.1
2
4.4
414
6.0
.1
414
8.7
5.0
.1
实
1. 将地下轮廓不透水部分的总长度展开，并按一定的比例画成一条线，将各角隅点1、
2、3 ……、17 依次按实际间距标于线上。
2. 在此直线的起点作一长度为作用水头 4.75m 的垂线 1-1′, 并用直线连接垂线的顶点 1′与水平线的终点17 。
1′~17 即为渗流平均坡降线。
3. 在各点作水平线的垂线与平均坡降线相交，即得各点的渗透压力水头值。
准确的渗压水头值可用比例公式计算求得。
4. 将1、2、3、……、17 各点的渗压水头值垂直地画在地下轮廓不透水部分的水平投影上，用直线连接各水头线的顶点，即可求出铺盖和底板的渗压水头分布图[ 图 4-28 (c ) ] 。
【例4-2】 用改进阻力系数法计算例4-1中各渗流要素。
（一）阻力系数的计算
1.有效深度的确定
由于
)m (5.205.10100=+=L ，
)m (0.600.9400.1000=-=S ，故
542.30
.65
.2000<==S L ，按式（4-19）计算e T
)m (5.95.9000.100m 72.13242.36.15
.20526.150
00=-=>=+⨯⨯=+=
T S L L T e
故按实际透水层深度m 5.9=T 进行计算。
2.简化地下轮廓 将地下轮廓划分成十个段，如图4-29（a ）所示。
3.计算阻力系数[ 图4-29（b ）]
（1）进口段：将齿墙简化为短板桩，板桩入土深度为0.5m ，铺盖厚度为0.4m ，故)(9.04.05.0m S =+=，m T 5.9=。
按表（4-3）计算进口段阻力系数01ξ为
48.044.05.99.05.144.05.12
/32
/301=+⎪
⎭
⎫
⎝⎛⨯=+⎪
⎭
⎫
⎝⎛⨯=T S ξ
（2）齿墙水平段：021==S S ，m 6.0=L ，m 6.8=T ，按表（4-3）计算齿墙水
平段阻力系数1x ξ为
()07.06
.86
.07.0211==+-=
T S S L x ξ
（3）齿墙垂直段：m 5.0=S
，m 1.9=T 。
按表（4-3）计算齿墙垂直段的阻力系数
1y ξ为
06.01.95.014ctg ln 214ctg ln 2
1
=⎪⎭
⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=
ππππξT S y （4）铺盖水平段：m 5.01
=S ，m 6.52=S ，m 75.10=L ，按表（4-3）计算铺盖
水平段阻力系数2x ξ为
()()71.01
.96.55.07.075.107.0212=+⨯-=+-=
T S S L x ξ
（5）板桩垂直段：m 6.5=S ，m 1.9=T ，根据表（4-3）
，板桩垂直段阻力系数2y ξ为
74.01.96.514ln 2
2=⎪⎭
⎫
⎝⎛
-=ππ
ξctg
y （6）板桩垂直段：m 9.4=S ，m 4.8=T ，根据表（4-3）
，板桩垂直段阻力系数3y ξ为
69.04.89.414ln 2
3=⎪⎭
⎫
⎝⎛
-=
ππ
ξctg
y （7）底板水平段：m 9.41
=S ，m 5.02=S ，m 75.8=L ，m 4.8=T ，故底板水
平段阻力系数3x ξ为
()59.04
.85.09.47.075.83=+-=
x ξ
（8）齿墙垂直段：m 5.0=S ，m 4.8=T ，根据表（4-3）
，则齿墙垂直段的阻力系数4y ξ为
06.04.85.014ln 2
4=⎪⎭
⎫
⎝⎛
-=
ππ
ξctg
y （9）齿墙水平段：021==S S ，m 0.1=L ，m 9.7=T ，按表（4-3）计算齿墙水
平段阻力系数4x ξ为
13.09
.70
.14==
x ξ （10）出口段：出口段中m 55.0=S ，m 45.8=T ，按表（4-3）计算其阻力系数02
ξ为
46.044.045.855.05.12
/302
=+⎪
⎭
⎫ ⎝⎛⨯=ξ
（二）渗透压力计算 1.求各分段的渗压水头损失值 根据式（4-18） ∆H ∑=
i
i
i h ξξ，其中m 75.4=∆H ，且 99.346.013.006.059.069.074.071.006.007.048.07
1
=+++++++++=∑=i i ξ
（1）进口段 )m (57.048.019.148.099
.375.411=⨯=⨯=∆H ∑=
ξξh （2）齿墙水平段 )m (08.007.019.12
=⨯=h （3）齿墙垂直段 )m (07.006.019.13=⨯=h （4）铺盖水平段
)m (85.071.019.14
=⨯=h （5）板桩垂直段 )m (88.074.019.15=⨯=h （6）板桩垂直段 )m (82.069.019.16
=⨯=h
（7）底板水平段
)m (70.059.019.17=⨯=h
（8）齿墙垂直段 )m (07.006.019.18=⨯=h （9）齿墙水平段 )m (16.013.019.19=⨯=h （10）出口段 )m (55.046.019.110=⨯=h
2. 进出口水头损失值的修正
（1）进口处按式（4-20）计算修正系数1β'为
⎥
⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎭⎫ ⎝⎛'⨯-
='059.02121
21.12
1T
S T T β
66.0059.05
.99.025.96.8121
21.12
=⎥⎦⎤
⎢⎣⎡+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎭⎫
⎝⎛⨯-
= 0.166.01<='β，应予修正。
进口段水头损失应修正为
)m (38.057.066.011'1=⨯='=h h β
进口段水头损失减小值1h ∆为
)(15.0)(19.038.057.0321m h h m h =+>=-=∆ 故应按式（4-25）、式（4-26）修正各段的水头损失值为
)m (16.008.0222'2=⨯==h h
)m (14.007.0223'3=⨯==h h
()())
m (89.007.008.019.085.03214'4=+-+=+-∆+=h h h h h
（2）出口处亦按式（4-20）计算修正系数2
β'为 156.0059.045
.855.0245.89.7121
21.12
2
<=⎥⎦⎤
⎢⎣⎡+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎭⎫
⎝⎛⨯-='β
出口段水头损失应修正为
)m (31.055.056.0102
'
10=⨯='=h h β
)m (23.0)(24.031.055.098m 10=+>=-=∆h h h
图 4-29 改进阻力系数法计算图 （单位：m ）
（a ）渗流场分段图；（b ）阻力系数计算图；（c ）渗压水头分布图
故应按式（4-25）、式（4-26）修正各段的水头损失值为
)m (32.016.0229'9=⨯==h h
)m (14.007.0228'
8=⨯==h h ()())m (71.007.016.024.070.089107'7=+-+=+-∆+=h h h h h。