水工建筑物复习纲要(武汉大学)

水工建筑物复习纲要（下）lZD•第十章水闸一、水闸的功用（1）水闸的定义一种用闸门来控制流量、调节水位的低水头水工建筑物。

（2）水闸的功用•主要功用：控制闸前水位，调节过闸流量，发挥挡水、泄水、取水等作用。

•其他功用：防洪、排涝、挡潮，以及供水、发电、灌溉、航运等作用。

二、水闸的工作特点（一）水闸与溢流坝段的比较相似点：大多都建在主河道上，都起挡水和泄水的作用。

不同点：•（1）溢流坝大多建在山区河流上，堰体高，上游水位高，形成水库，一般属于高水头建筑物；水闸大多建在平原河床上，堰体低，上游水位低，不能形成水库，属于低水头建筑物。

•（2）溢流坝闸门主要在泄洪时开启，因工作水头较高，一般采用挑流消能，下游消能情况简单；水闸闸门经常开启，泄流量多变，一般采用底流消能，下游消能情况复杂。

•（3）溢流坝必须建在岩基上；水闸也有的建在基岩上，但大多数建在平原河床的软基上。

（二）水闸的特点建在平原河床软基上的水闸有如下特点：（1）水的方面（a）闸室稳定问题•上下游水头差形成的水压力。

•在水的推力作用下，闸室在自重和水重的作用下必须维持自身的稳定。

•包括整体抗滑稳定和结构构件稳定（如底板、闸墩、胸墙等构件的稳定）。

（c）高速水流问题•消能难度较大水闸在开闸泄水时，下泄的高速水流具有较大的能量，可能对河床和河岸产生不利冲刷。

水闸泄水消能的最危险工况，不一定发生在最大泄流量时。

因此，给消能设计带来较大的复杂性和不确定性。

•可能形成折冲水流（2）地基方面（a）平原地区土基的特点：•土层分布复杂，可能夹有压缩性大、承载能力低、抗震强度差的软土；•可能含有结构松散、易于液化、抗冲能力低的粉砂或细砂层；•抗冲刷能力差，允许渗透坡降低，对防渗、消能不利。

（b）软土地基对闸室本身的稳定和沉降将带来严重的影响，因此，在水闸设计时，应：•采用适当措施，进行地基处理；•适当控制渗流；•加强消能防冲措施。

（3）结构方面水闸的闸室结构与大体积的重力坝或散粒体的土坝有较大差别。

（a）构件方面•水闸由闸墩、底板、胸墙等薄壁构件组成的空间结构体系，因此对闸室构件在强度和刚度方面均有一定要求。

（b）受力方面•闸室整体结构和某些构件受力条件复杂，承受水压力、自重、地基反力等不同性质的荷载。

（c）结构分析方面•在进行闸室结构设计计算时，一般并不采用相对复杂的有限元法，而是将整个结构视为板、梁、柱等独立构件构成，分别对这些构件用结构力学、材料力学方法进行设计计算。

三、水闸的类型（一）按水闸承担的主要任务分类•拦河闸、进水闸、泄水闸、排水闸、挡潮闸、分洪闸、冲沙闸、其他（分水闸、排冰闸、排污闸等）。

（三）按施工方法分类可分为：现浇式、装配式、浮运式等。

（1）现浇式•在闸址处架立模板现场浇筑，是目前多数水闸的施工方法。

（四）其他分类方法（1）按过闸流量划分•过闸流量等于或大于1000m3/s者为大型水闸；•过闸流量在100~1000m3/s间者为中型水闸。

•过闸流量小于100m3/s者为小型水闸。

•葛洲坝二江泄水闸，过闸流量达83900m3/s，属特大型水闸，或称巨型水闸。

（2）按设计水头或闸高划分•闸高在8~10m以上者为大型水闸；•闸高在8~10m以下者为中、小型水闸等。

一、闸室段•1—闸门；2—底板；3—闸墩；4—胸墙；5—工作桥；6—交通桥闸室段的作用：控制水流；联接两岸和上、下游段。

闸室段的组成：闸门、闸墩、底板、胸墙、工作桥、交通桥、启闭机等。

.（1）闸门闸门的作用：用于控制上游水位和调节下泄流量。

闸门的类型：工作闸门和检修闸门工作闸门用于正常运用时挡水、控制下泄流量。

检修闸门用于对闸室进行检修时挡水。

•弧形闸门和平板闸门（3）底板底板的作用：底板是闸室段的基础，将闸墩、上部结构的重量、以及底板自重和所承受的水重一起传给地基。

•建在软基上闸室主要由底板与地基间的摩擦力来维持稳定。

•底板还具有防冲、防渗的作用。

二、上游连接段•7—上游防冲槽；8—铺盖；9—上游翼墙；10—上游护岸；上游连接段的作用：•主要作用是引导水流从河道平稳地进入闸室，•兼有防冲、防渗作用。

上游连接段的组成：•一般包括上游翼墙、铺盖、护底、上游防冲槽和上游两岸护坡等。

（1）上游翼墙•引导水流，使之平顺地流入闸孔；•抵御两岸填土压力，保护闸前河岸不受冲刷；•并有侧向防渗的作用。

（2）铺盖•主要起防渗作用，其表面应进行保护，以满足防冲要求。

•当铺盖上游较长时，应在铺盖与上游防冲槽之间设置护底以保护上游河床不被冲刷。

（3）上游防冲槽•铺盖或其防护的上游端有时设置上游防冲槽，以保护铺盖不致损坏。

（4）上游两岸护坡•上游两岸要适当进行护坡，其目的是保护河床两岸不受冲刷。

•三、下游连接段•11—护坦；12—海漫；13—下游防冲槽；14—下游翼墙；15—下游护岸下游连接段的作用：•消除下泄水流的动能，•顺利与下游河床水流连接，避免发生不利冲刷现象。

下游连接段的组成：•一般包括护坦（包括消力池）、海漫、下游防冲槽（防淘墙）、下游翼墙、护底和两岸护坡等。

（1）护坦（含消力池、辅助消能工）•消力池是消刹水能的主要区域；•护坦是消力池底板，保护河床底部，从而保护闸室的安全；（2）海漫海漫用于进一步消除水流余能，保护河床免受冲刷。

（3）下游翼墙下游翼墙导引水流均匀扩散，并有挡土、防冲作用。

（4）下游防冲槽下游防冲槽的作用是防止海漫末端冲刷，避免河床局部冲刷向上游发展。

（5）下游护坡和护底下游护坡和护底的作用与上游相同。

四、水闸的布置（1）闸轴线：拦河闸闸轴线一般选在河道较狭窄处，以节省工程量。

（2）位置：拦河闸一般布置在主河床上，使水闸建成后的下泄水流尽量符合天然河道的水流特性。

（3）闸室前缘宽度：泄水闸前缘总宽度由过闸洪水流量确定。

（4）闸、坝结合：•在某些宽阔河道上，拦河闸的宽度远小于闸址处的河道宽度，此时可在闸轴线其余部分用拦河坝或水电站厂房挡水。

（1）型式1）开敞式a) 宽顶堰:结构简单，施工方便，地基应力均匀，泄流能力大且稳定，还利于冲砂、排污、泄冰、通航。

适用于土基水闸。

b) 低堰实用堰型：在非淹没出流时，泄流能力大于宽顶堰，对缩短水闸宽度有利。

泄流能力受尾水淹没影响明显，泄流能力不如宽顶堰稳定。

适用于岩基、闸前水深很大、要求限制单宽流量或拦截泥沙进入下游渠道的情况。

驼峰堰型：堰的上游不淤沙；流量系数大，壅水小，可减小上游淹没损失。

适用于地基较好的情况。

2）胸墙式上游水位变幅较大，过闸流量有限制，高水位时要求控制流量，则在孔口顶部设固定挡板以减小闸门高度。

3）封闭式又称涵洞式水闸。

当水头较高时较经济。

常用于穿过堤防的水闸。

有压：多用于排水和排沙闸；无压：多用于小型分水闸。

过闸流量验算•第四节水闸的消能防冲一、水闸消能防冲的特点与高水头泄水建筑物相比较，水闸的消能防冲具有以下显著特点：•（1）上游水头小•（2）上、下游水位落差小，水流佛氏数低•（3）大流量泄流不一定是最危险工况•（4）地基条件较差二、水闸消能防冲布置•多数水闸采用底流消能方式。

•底流消能的机理：底流消能是指借助于一定的工程措施(如修建消力池)，促使下泄水流形成水跃，并将水跃控制在一定的范围，通过水跃形成的水流旋滚、摩擦、撞击、掺气和强烈紊动来消除下泄水流的能量。

•底流消能的优点：运行可靠，下游流态比较平稳，对通航、发电尾水等影响较小。

•底流消能的缺点：土石方开挖量、混凝土浇筑量均较大，不经济。

•底流消能的适用条件：适用于河床地质条件差、抗冲能力低、下游有足够水深的情况。

底流消能的要素•消力池：要形成水跃，下游必须有足够的水深。

当下游水深不足时，应设置消力池，以形成发生水跃的必要水深。

•护坦：消力池内水流紊乱，必须设置专门保护措施，即护坦。

•海漫：流出消力池（护坦）的水流，仍然存在一定的余能，有可能冲刷河床，因此应对消力池后的河床设置保护措施，即海漫。

•防冲槽或防淘墙：为保护海漫，且缩短海漫长度，还可在海漫末端设置防冲槽或防淘墙。

•因此，水闸消能防冲布置主要包含：消力池（护坦）、海漫、防冲槽或防淘墙。

•消力池最好是采用矩形等宽断面，其宽度一般与闸室总宽一致。

这种型式的池内单宽流量分布均匀，水流流态好，消能效果好。

•为了适应下游河道地形，也可以做成扩散式，减少单宽流量。

扩散段一般与急流斜坡段布置在一起，扩散角不超过7 。

•此外，还有渐扩式消力池，突扩式消力池等形式。

（五）护坦（1）护坦的作用•护坦位于消力池底部，是消力池的底板，保护消力池部位河床不受冲刷。

•在消力池范围内，水流流态非常紊乱，底部流速大，压力脉动和流速脉动大，需要有相当坚固的结构保护河底。

护坦就是保护河床不受水流冲刷，进而保证闸室安全的重要设施，即使是平底板消力池也需要用护坦护底。

（2）护坦的材料•护坦一般为100#~150#混凝土。

四、其他消能防冲设施（一）海漫（1）海漫的作用•海漫的作用就是要消除水流的余能，调整流速分布，均匀地扩散出池水流，使之与天然河道的水流状态接近，以保护河床免受冲刷。

（2）海漫的结构•海漫的结构应该具有一定的柔性的，能够适应地基的不均匀沉陷；•海漫应该是透水的，能够顺利地排出渗水，降低扬压力；•海漫表面应做成粗糙的，以加大与水流的摩擦，有利于消除余能和调整流速分布；•海漫一般做成等于或缓于1:10的斜坡，活做成水平段＋缓坡段；•海漫下面应设垫层，以利于适应河床地基变形。

（4）海漫的构造•海漫的构造和抗冲（抗磨）能力应与其上通过的水流流速相适应。

常用的构造形式有：（a）干砌石海漫（b）浆砌石海漫（二）防冲槽或防淘墙（1）防冲槽及防淘墙的作用•经过海漫后的水流，依然存在一定的能量，有可能冲刷河床，并冲毁海漫，甚至危及消力池安全；•如果要完全消除水流余能，需要很长的海漫，不经济。

•因此，为了避免河床可能遭受的不利冲刷，保护海漫及消力池的安全，常常在海漫末端设置防冲槽或防淘墙。

（2）防冲槽及防淘墙的型式•防冲槽内由一定粒径的块石填充而成，当海漫末端发生河床底部冲刷时，防冲槽内的块石会向下滚落，自动补充到被冲刷的河床上，防止冲刷进一步向上游发展，影响海漫的安全。

•防冲槽的深度根据可能冲刷深度确定。

防冲槽多采用宽浅式，顶宽10~17m，槽深1.5~2.0m。

•防淘墙一般垂直插入基础土壤中，其底部高程应低于可能冲刷深度。

•可能冲刷深度根据单宽流量、河床地质条件（河床土质允许不冲流速）、海漫末端河床水水深等因素确定。

（三）辅助消能工辅助消能工的位置•一般设置在消力池内（消力池前端、中间或尾部）辅助消能工的作用•促成水跃•提高消能效果•减小消力池的长度和深度•降低尾坎高度。

消能工的型式•最用的辅助消能工有：尾坎、趾墩、消力墩等。

（1）尾坎（a）尾坎的位置•尾坎设置在消力池末端。

（如图中的3）（b）尾坎的作用•①尾坎给予水流提供反力，缩短水跃长度。