1、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。 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 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。进水闸又称取
2、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，而
3、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。2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 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。渗流对闸室和
4、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，采取必要的地
5、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 图示讲解： 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）是保护两岸
6、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3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。下游防
7、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 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。4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。 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 、地势
8、、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。枢纽工程等别应按国家
9、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。 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5平底板堰流计算示意图计算公式如下：= 0BgmHQ230 单孔闸 4)1(7.sb 多孔闸 Nz40017. ZZZdb4002. bbb
11、式中 B0闸孔总净宽（m）;Q过闸流量（m 3/s） ;H0计入行近流速在内的堰上水深（ 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6孔口出流计算
12、示意图计算公式如下：002gHhQBe12 eehr1678.40式中：h e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 0 0.25 范围。ehrr-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。
13、六确定闸室单孔宽度和闸室总宽度 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 SL7495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 闸孔孔数选定 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。 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。7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
14、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。 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
15、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 闸下容易出现折冲水流：图示讲解：一般水闸的宽度较上下游河道窄，水流过闸时先收缩而后扩散。如工程布置或操作运行不当，出闸水流不能均匀扩散，使主流集中，蜿蜒蛇行，左冲右撞，形成折冲水流，冲毁消能防冲设施和下游河道，见下图。闸下折冲水流8二消能防冲设计条件的确定1.闸下水流的消能方式：底流式消能、挑流消能、面流式消能。2.消能设计条件的选择：以闸门的开启程序，开启孔数和开启高度进行多种组合计算，进行分析比较确定。三.底流消能工设计1. 讲解消能工的布置图示讲解： 底流式消能设
16、施有三种形式：下挖式、突槛式和综合式，如下图所示。消力池型式示意图（a） 下挖式；（b）突槛式；（c）综合式（b） 下挖式：当闸下尾水深度小于跃后水深时，可采用下挖式消力池消能。消力池可采用斜坡面与闸底板相连接，斜坡面的坡度不宜陡于 1：4。 突槛式：当闸下尾水深度略小于跃后水深时，可采用突槛式消力池消能。 综合式：当闸下尾水深度远小于跃后水深，且计算消力池深度又较深时，可采用下挖消力池与突槛式消力池相结合的综合式消力池消能。 当水闸上、下游水位差较大，且尾水深度较浅时，宜采用二级或多级消力池消能。 尾槛：布置在消力池末端：调整流速分布，减小出池水流的底部流速，且可在槛后产生小横轴旋滚，防止在
17、尾槛后发生冲刷，并有利于平面扩散和消减边侧下游回流。2.池深、池长的确定 消力池的深度消力池的深度是在某一给定的流量和相应的下游水深条件下确定的。设计时，应当选取最不利情况对应的流量作为确定消力池深度的设计流量。要求水跃的起点位于消力池的上游端或斜坡段的坡脚附近。图示讲解：9消力池计算示意图 消力池深度计算 消力池的长度计算大型水闸的消力池深度和长度，在初步设计阶段，应进行水工模型试验验证。3.构造要求 消力池底板（即护坦）：承受水流的冲击力、水流脉动压力和底部扬压力等作用，应具有足够的重量、强度和抗冲耐磨的能力。护坦一般是等厚的，但也可采用不同的厚度，始端厚度大，向下游逐渐减小。 护坦厚度：
18、可根据抗冲和抗浮要求，分别计算，并取其最大值。 消力池末端厚度取值。 配筋：底板一般用 C15 或 C20 混凝土浇筑而成，并按构造配置 1012mm、2530cm 的构造钢筋。大型水闸消力池的顶、底面均需配筋，中、小型的可只在顶面配筋。 排水孔：为了降低护坦底部的渗透压力，可在水平护坦的后半部设置排水孔，孔下铺设反滤层，排水孔孔径一般为 510cm，间距 1.03.0m，呈梅花形布置。 分缝与止水：护坦与闸室、岸墙及翼墙之间，以及其本身沿水流方向均应用缝分开，以适应不均匀沉陷和温度变形。护坦自身的缝距可取 1020m，靠近翼墙的消力池缝距应取得小一些。护坦在垂直水流方向通常不设缝，以保证其稳
19、定性，缝宽 2.02.5cm。缝的位置如在闸基防渗范围内，缝中应设止水设备；但一般都铺贴沥青油毛毡。 齿墙：为增强护坦的抗滑稳定性，常在消力池的末端设置齿墙，墙深一般为0.81.5m,宽为 0.60.8m。4.辅助消能工为了提高消力池的消能效果，除尾槛外，还可设置消力墩、消力齿等辅助消能工，以加强紊动扩散，减小跃后水深，缩短水跃长度，稳定水跃和达到提高水跃消能效果的目的。10第三节 水闸的消能防冲设计（二）复习上节课内容本节主要介绍：海漫的布置和构造、海漫长度、防冲槽的构造与设计以及波状水跃和折冲水流的防止措施。四海漫 图示讲解：水流经过消力池，虽已消除了大部分多余能量，但仍留有一定的剩余动能
20、，特别是流速分布不均，脉动仍较剧烈，具有一定的冲刷能力。因此，护坦后仍需设置海漫等防冲加固设施，以使水流均匀扩散，并将流速分布逐步调整到接近天然河道的水流形态。海漫布置示意图1.海漫的布置和构造一般在海漫起始段做 510m 长的水平段，其顶面高程可与护坦齐平或在消力池尾坎顶以下 0.5m 左右，水平段后做成不陡于 1：10 的斜坡，以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。 对海漫的要求：表面有一定的粗糙度，以利进一步消除余能；具有一定的透水性，以便使渗水自由排出，降低扬压力；具有一定的柔性，以适应下游河床可能的冲刷变形。常用的海漫结构有以下几种： 干砌石海漫：一般由粒径大于 30cm
21、 的块石砌成，厚度为 0.40.6m，下面铺设碎石、粗砂垫层，厚 1015cm。干砌石海漫的抗冲流速为 2.54.0m/s。为了加大其抗冲能力，可每隔 610m 设一浆砌石埂。干砌石常用在海漫后段。 浆砌石海漫：采用强度等级为 M5 或 M8 的水泥砂浆，砌石粒径大于 30cm,厚度为0.40.6m，砌石内设排水孔,下面铺设反滤层或垫层。浆砌石海漫的抗冲流速可达 36m/s，但柔性和透水性较差，一般用于海漫的前部约 10m 范围内。 混凝土板海漫：整个海漫由板块拼铺而成；每块板的边长 25m，厚度为0.10.3m，板中有排水孔，下面铺设垫层。混凝土板海漫的抗冲流速可达 610m/s，但造价较高
22、。有时为增加表面糙率，可采用斜面式或城垛式混凝土块体。铺设时应注意顺水流流向不宜有通缝。 钢筋混凝土板海漫：当出池水流的剩余能量较大时，可在尾槛下游 510m 范围内采用钢筋混凝土板海漫，板中有排水孔，下面铺设反滤层或垫层。 其它形式海漫：如铅丝石笼海漫。2.海漫长度：海漫的长度应根据可能出现的不利水位、流量组合情况进行计算。讲解海漫长度计算公式当 ,且消能扩散情况良好时，海漫长度可按下式计算：91Hsq11HqkLsp五、防冲槽 图示讲解：水流经过海漫后，尽管多余能量得到了进一步消除，流速分布接近河床水流的正常状态，但在海漫末端仍有冲刷现象。为保证安全和节省工程量，常在海漫末端设置防冲槽或采
23、取其他加固措施。在海漫末端挖槽抛石预留足够的石块，当水流冲刷河床形成冲坑时，预留在槽内的石块沿斜坡陆续滚下，铺在冲坑的上游斜坡上，防止冲刷坑向上游扩展，保护海漫安全。防冲槽构造图参照已建水闸工程的实践经验，防冲槽大多采用宽浅式的，其深度 t 一般取1.52.5m，底宽 b 取 23 倍的深度，上游坡率 m1=23,下游坡率 m2= 3。防冲槽的单宽抛石量 V 应满足护盖冲坑上游坡面的需要估算。六浪状水跃、折冲水流的防止措施1.波状水跃的防止措施：对于平底板水闸，可在消力池斜坡段的顶部上游预留一段 0.5-1.0m 宽的平台，其上设置一道小槛，使水流越槛入池，促成底流式水跃。槛的高度 C 约为h
24、c 的 1/4，hc 为闸孔出流的第一共轭水深。小槛迎水面做成斜坡，以减弱水流的冲击作用，槛底设排水孔。如将小槛改成齿形槛分水墩，效果会更好。若水闸底板采用低实用堰型，则有助于消除波状水跃。2.折冲水流的防止措施：消除折冲水流首先应从平面布置上入手，尽量使上游引河具有较长的直线段，并能在上游两岸对称布置翼墙，出闸水流与原河床主流的位置和方向一致；其次是控制下游翼墙扩散角，每侧宜采用 712,且不宜采用弧形翼墙（大型水闸如采用弧形翼墙，其半径不小于 30m）,墙顶应高于下游最高水位，以免回流由墙顶漫向消力池；另外，要制订合理的闸门开启程序，如低泄量时隔孔开启，使水流均匀出闸，或开闸时先开中间孔，
25、继而开两侧邻孔至同一高度，直至全部开至所需高度，闭门与之相反，由两边孔向中间孔依次对称地操作。12第四节 水闸的防渗排水设计（一）引言：水闸的防渗排水设计任务在于经济合理地拟定闸的地下（及两岸）轮廓线型式和尺寸，以消除和减小渗流对水闸产生的不利影响，防止闸基和两岸产生渗透破坏。 本节主要介绍：地下轮廓线的概念、闸基防渗长度的计算、不同地基地下轮廓线的布置、闸基渗流计算的基本原理和计算步骤一地下轮廓的布置1.地下轮廓线 图示讲解：闸基渗流图水流在上下游水位差 H 作用下，经地基向下游渗透，并从护坦的排水孔等处排出。 地下轮廓线上游铺盖、板桩及水闸底板等不透水部分与地基的接触线，即图中折线0、1、
26、2 15、16 是闸基渗流的第一条流线，亦称地下轮廓线，其长度称为闸基防渗长度。初步拟定的闸基防渗长度应满足： CL2.不同地基地下轮廓线的布置闸基防渗长度初步确定后，可根据地基特性，参考已建的工程经验进行闸基地下轮廓线布置。13 防渗设计原则：高防低排。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、排水孔或减压井与下游连通，使地基渗水尽快排出，以减水渗透压力，并防止在渗流出口附近发生渗透变形。 粘性土地基图示讲解：粘性土壤具有凝聚力，不易产生管涌，但摩擦系数较小。因此，布置地下轮廓时，排水设施可前移到闸底板下，以
27、降低底板下的渗透压力并有利于粘土加速固结，以提高闸室稳定性。防渗措施常采用水平铺盖，而不用板桩，以免破坏粘土的天然结构，在板桩与地基间造成集中渗流通道。 粘性土地基内夹有承压透水层时，应考虑设置垂直排水，以便将承压水引出。（a）粘性地基 （b）粘性地基夹有透水砂层粘性地基上地下轮廓布置图 砂性土地基图示讲解：砂性地基上地下轮廓布置图（a）砂层厚度较深时；（b）砂层厚度较浅时；（c）易液化粉细砂土地基砂性土粒间无粘着力，易产生管涌，要求防止渗透变形是其考虑主要因素；砂性土摩擦系数较大，对减小渗透压力要求相对较小。当砂层很厚时，可采用铺盖与板桩相结合的型式，排水设施布置在护坦上。必要时，在铺盖前端
28、再加设一道短板桩，以加长渗径；当砂层较薄，下面有不透水层时，可将板桩插入不透水层，当地基为粉细砂土基时，为了防止地基液化，常将闸基四周用板桩封闭起来，因其受双向水头作用，故水闸上下游均设有排水设施，而防渗设施无法加长。设计时应以水头差较大的一边为主，另一边为辅，并采取除降低渗压以外14的其它措施，提高闸室的稳定性。二.闸基渗流计算 闸基渗流计算的目的：求解渗透压力、渗透坡降，验算地基土在初步拟定的地下轮廓线下的抗渗稳定性。 渗流计算方法：流网法、改进阻力系数法、直线法。1.改进阻力系数法：是在阻力系数法的基础上发展起来的，这两种方法的基本原理非常相似。主要区别是改进阻力系数法的渗流区划分比阻力
29、系数法多，在进出口局部修正方面考虑得更详细些。因此，改进阻力系数是一种精度较高的近似计算方法。 图示讲解： 基本原理 计算步骤 2.流网法基本原理和绘制方法对于边界条件复杂的渗流场，很难求得精确的渗流理论解，工程上往往利用流网法解决任一点渗流要素。流网的绘制可以通过实验或图解来完成。前者运用大型水闸复杂的地下轮廓和土基，后者运用于均质地基上的水闸，既简便迅速，又有足够的精度。土石坝渗流与闸基渗流的区别闸基渗流的边界条件确定方法：地下轮廓线作为第一条流线；地基中埋深较浅的不透水层表面作为最后一条流线。如果透水层很深，可认为渗流区的下部边界线为半圆弧线，该弧线的圆心位于地下轮廓线水平投影的中心，半
30、径是地下轮廓线水平投影长度的 1.5 倍。设置板桩时，则半径应为地下轮廓线垂直投影的 3 倍，与前者比较，取其中较大值。渗流入渗的上游河床是第一条等势线；渗流出口处的反滤层或垫层是最后一条等势线。计算渗流要素：渗透压力：渗透坡降、渗透流速、渗透流量15第四节 水闸的防渗排水设计（二）复习上节内容 本节主要介绍：直线比例法的计算原理和方法，铺盖、板桩及齿墙等防渗设施和排水设施的结构要求，水闸的侧向绕渗，并讲解例题3.直线比例法 图示讲解：闸基渗流计算示意图对于地下轮廓比较简单，地基又不复杂的中、小型工程，可考虑采用直线法。直线比例法是假定渗流沿地下轮廓流动时，水头损失沿程按直线变化，求地下轮廓各
31、点的渗透压力。直线比例法有勃莱法和莱因法两种。 勃莱法如上图（a）所示，地下轮廓予以展开，按比例绘一直线，在渗流开始点 1 作一长度为H 的垂线，并由垂线顶点用直线和渗流逸出点 8 相连，即得地下轮廓展开成直线后的渗透压力分布图。任一点的渗透压力 hx，如上图（c）所示，可按比例求得：xLh16 莱因法根据工程实现，莱因法认为水流在水平方向流动和垂直向流动，消能的效果是不一样的，后着为前者的三倍。在防渗长度展开为一直线时，应将水平渗径除以 3，再与垂直渗径相加，即得折算后的防渗长度，然后按直线比例法求得各点渗透压力，如上图（d）所示。三、防渗及排水设施防渗设施是指构成地下轮廓的铺盖、板桩及齿墙
32、，而排水设施则是指铺设在护坦、浆砌石海漫底部或闸底板下游段起导渗作用的砂砾石层。排水常与反滤层结合使用。1.铺盖铺盖主要用来延长渗径，应具有相对的不透水性；为适应地基变形，也要有一定的柔性。铺盖常用粘土、粘土壤或沥青混凝土作成，有时也可用钢筋混凝土作为铺盖材料。结合图示展开内容，分别讲述 粘土和粘壤土铺盖铺盖的渗透系数应比地基土的渗透系数小 100 倍以上。铺盖的长度应由闸基防渗需要确定。铺盖的厚度 应根据铺盖土料的允许水力坡降值计算确定。 混凝土、钢筋混凝土铺盖如当地缺乏粘性土料，或以铺盖兼作阻滑板增加闸室稳定时，可采用混凝土或钢筋混凝土铺盖。铺盖与底板、翼墙之间用沉降缝分开。铺盖本身亦应设
33、温度沉降缝，靠近翼墙的缝距应小一些，缝中均应设止水。混凝土强度等级为 C15，配置钢筋。 还有沥青混凝土和浆砌块石铺盖。2.板桩：板桩的作用随其位置不同而不同。一般设在闸底板上游端或铺盖前端，主要用以降低渗透压力，有时也设在底板下游端，以减小出口段坡降或出逸坡降。3.齿墙：闸底板的上、下游端一般都设有齿墙，它有利于抗滑稳定，并可延长渗径。4.排水设施：排水的位置直接影响渗压的大小和分布，应根据闸基土质情况和水闸的工作条件，做到既减小渗压又避免渗透变形。并在排水与地基接触处做好反滤层。四水闸的侧向绕渗 图示讲解：侧向绕渗：水闸建成挡水后，除闸基渗流外，渗流还从上游高水位绕过翼墙、岸墙和剌墙等流向
34、下游。绕渗对翼墙、岸墙施加水压力，影响其稳定性；在渗流出口处，以及填土与岸、翼墙的接触面上可能产生渗透变形。此外，它还会影响闸和地基的安全。因此，应做好侧向防渗排水设施。1侧向绕渗计算侧向绕渗具有自由水面，属于三维无压渗流。当河岸土质均一，在其下面有水平不透水层时，可将三维问题简化成二维问题，按与闸基有压渗流相似的方法或流网法或改进阻力系数法求解绕渗要素。如果墙后土层的渗透系数小于地基渗透系数时，侧向绕渗压力可以近似地采用相对应部位的闸基扬压力计算值。2侧向防渗措施侧向防渗排水布置（包括刺墙、板桩、排水井等）应根据上、下游水位、墙体材料和墙后土质以及地下水位变化等情况综合考虑，并应与闸基的防渗
35、排水布置相适应，使在空间上形成防渗整体。17侧向绕渗示意图3.例题： 18第五节 闸室的布置和构造引言：闸室是水闸的主体部分。开敞式水闸闸室由底板、闸墩、闸门、工作桥和交通桥等组成，有的还设有胸墙。闸室的结构形式、布置和构造，应在保证稳定的前提下，尽量做到轻型化、整体性好、刚性大、布置匀称，并进行合理的分缝分块，使作用在地基单位面积上的荷载较小，较均匀，并能适应地基可能的沉降变形。 本节主要介绍：闸室各组成部分的结构型式、尺寸、布置及构造。一底板 闸底板型式：平底板、钻孔灌注桩底板、低堰底板、箱式底板、斜底板、反拱底板 平底板分为：整体式、分离式1 整体式底板 图示讲解：概念、长度确定条件、底
36、板厚度、混凝土强度等级以及适用范围整体式底板（a）墩中分缝底板；（b）跨中分缝底板2分离式底板 图示讲解：概念、长度确定条件、底板厚度、混凝土强度等级以及适用范围分离式底板二、闸墩1.结构型式2.闸教的外形轮廓3.闸墩上游部分的顶面高程4.闸墩长度195.闸墩厚度6.平面闸门的门槽尺寸三、胸墙胸墙顶部高程与闸墩顶部高程齐平。胸墙底高程应根据孔口泄流量要求计算确定，以不影响泄水为原则。胸墙相对于闸门的位置，取决于闸门的型式。胸墙结构型式可根据闸孔孔径大小和泄水要求选用。胸墙厚度选择胸墙与闸墩的连接方式四.工作桥、交通桥1.工作桥概念、作用、工作桥设置高程（与门型有关，举例说明）工作桥的总宽度选定
37、2.交通桥交通桥的位置应根据闸室稳定及两岸交通连接等条件确定，通常布置在闸室下游。宽度根据交通要求定。交通桥的型式：板式、板梁式、拱式。五、闸室的分缝及止水设备1.分缝方式及布置分缝原因、方式、缝距 图示说明：闸底板分缝型式示意图1底板；2闸墩；3闸门；4岸墙；5沉降缝；6边墩整体式底板闸室沉降缝，一般设在闸墩中间，一孔、二孔或三孔一联，成为独立单元，其优点是保证在不均匀沉降时闸孔不变形，闸门仍然正常工作。靠近岸边时，为了减轻墙后填土对闸室的不利影响，特别是在地质条件较差时，最多一孔一缝或两孔一缝，而后再接二孔或三孔的闸室。如果地基条件较好，也可以将缝设在底板中间,这样不仅减小闸墩厚度和水闸总
38、宽，底板受力条件也可改善，但地基不均匀沉降可能影响闸门工作。土基上的水闸,不仅闸室本身分缝,凡相邻结构荷重相差悬殊或结构较长、面积较大的地方，都要设缝分开。例如，铺盖、护坦与底板、翼墙联接处都应设缝；翼墙、混凝土铺盖及20消力池底板本身也需分段、分块。水闸分缝布置图1边墩 2混凝土铺盖 3消力池 4上游翼墙 5下游翼墙6中墩 7缝墩 8柏油油毛毡嵌紫铜片 9垂直止水甲10垂直止水乙 11柏油油毛毡止水2.止水凡具有防渗要求的缝，都应设止水设备。具体讲解铅直止水：设在闸墩中间，边墩与翼墙间以及上游翼墙本身具体讲解水平止水：设在铺盖、消力池与底板和翼墙、底板与闸墩间以及混凝土铺盖及消力池本身的温度
39、沉降缝内。21第六节 闸门与启闭机引言：闸门是水闸的关键部分,用它来封闭和开启孔口,以达到控制水位和调节流量的目的。 本节主要介绍：闸门的类型、启闭机类型一.闸门1.闸门的类型 按工作性质分类闸门按其工作性质的不同,可分为工作闸门、事故闸门和检修闸门等。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。 按门体的材料分类闸门按门体的材料可分为钢闸门、钢筋混凝土或钢丝网水泥闸门、木闸门及铸铁闸门等。钢闸门门体较轻，一般用于大、中型
40、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。木闸门耐久性差，已日趋不用。 按结构形式分类闸门按其结构形式可分为平面闸门、弧形闸门等。弧形闸门与平面闸门比较，其主要优点是启门力小，可以封闭相当大面积的孔口；无影响水流态的门槽，闸墩厚度较薄，机架桥的高度较低，埋件少。它的缺点是需要的闸墩较长；不能提出孔口以外进行检修维护，也不能在孔口之间互换；总水压力集中于支铰处，闸墩受力复杂。2.平面闸门的构造平面闸门由活
41、动部分（即门叶） 、埋固部分和启闭设备三部分组成。其中门叶由承重结构包括面板、梁格、竖向联结系或隔板、门背（纵向）联接系和支承边梁等 ，支承行走部件、止水装置和吊耳等组成。埋固部分一般包括行走埋固件和止水埋固体等。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。平面闸门的基本尺寸根据孔口尺寸确定。孔口尺寸应优先采用钢闸门设计规范中推荐的系列尺寸。露顶式闸门顶部应在可能出现的最高挡水位以上有 0.30.5m 的超高。二.启闭机闸门启闭机可分为固定式和移动式两种。启闭机型式可根据门型、尺寸及其运用条件等因素选定。选用启闭机的启闭力应等于或大于计算启闭力，同时应符合国家现行的 SL4193
42、水利水电工程启闭机设计规范所规定的启闭机系列标准。当多孔闸门启闭频繁或要求短时间内全部均匀开启时，每孔应设一台固定式启闭机。常用的固定式启闭机有卷扬式、螺杆式、油压式。1.卷扬式启闭机主要由电动机、减速箱、传动轴和绳鼓所组成。绳鼓固定在传动轴上，围绕钢丝绳，钢丝绳连接在闸门吊耳上。启闭闸门时，通过电动机、减速箱和传动轴使绳鼓转动，带动闸门升降。为了防备停电或电器设备发生故障，可同时使用人工操作，通过手摇箱进行人力启闭。卷扬式启闭机启闭能力较大，操作灵便，启闭速度快，但造价较高，适用于弧形闸门。某些平面闸门能靠自重（或加重）关闭，且启闭力较大时，也可采用卷扬式启闭机。2.螺杆式启闭机当闸门尺寸和
43、启闭力都很小时，常用简便、廉价的单吊点螺杆式启闭机。螺杆与闸门连接，用机械或人力转动主机，迫使螺杆连同闸门上下移动。当水压力较大，门重不足时，为22使闸门关闭到底，可通过螺杆对闸门施加压力。当螺杆长度较大（如大于 3m）时，可在胸墙上每隔一定距离设支撑套环，以防止螺杆受压失稳。其启闭重量一般为 3100KN 。3.油压启闭机油压启闭机的主体为油缸和活塞。活塞经活塞杆或连杆和闸门连接。改变油管中的压力即可使活塞带动闸门升降。其优点是利用油泵产生的液压传动，可用较小的动力获得很大的启重力；液压传动比较平稳和安全；较易实行遥控和自动化等。主要缺点是缸体内圆镗的加工受到各地条件的限制，质量不易保证，造
44、价也较高。23第七节 水闸的稳定分析及地基处理（一）引言：水闸竣工时，地基所受的压力最大，沉降也较大。过大的沉降，特别是不均匀沉降，会使闸室倾斜，影响水闸的正常运行。当地基承受的荷载过大，超过其容许承载力时，将使地基整体发生破坏。水闸在运用期间，受水平推力的作用，有可能沿地基面或深层滑动。因此，必须分别验算水闸在不同工作情况下的稳定性。本节主要介绍：水闸承受的主要荷载及其组合一、稳定分析对于孔数较少而未分缝的小型水闸，可取整个闸室（包括边墩）作为验算单元；对于孔数较多设有沉降缝的水闸，则应取两缝之间的闸室单元分别进行验算。1.荷载及其组合图示讲解：水闸挡水情况荷载示意图水闸承受的主要荷载：自重
45、、水重、水平水压力、扬压力、浪压力、泥沙压力、土压力及地震荷载等。 自重：（包括永久设备自重）坝体自重 W 标准值计算公式：W=V c （kN/m） 式中：V坝体体积（m 3） ；24c坝体混凝土的重度（kN/m 3） 。计算自重时，坝上永久性的固定设备，如闸门、固定式启闭机的重量也应计算在内，坝内较大的孔洞应该扣除。坝体自重的作用分项系数为 1.0。永久设备自重的作用分项系数，当其作用效应对结构不利时采用 1.05，有利时采用 0.95。 水重：当上、下游坝面倾斜时，应计入竖向静水压力。 泥沙压力：概念：入库水流挟带的泥沙在水库中淤积，淤积在坝前的泥沙对坝面产生的压力。泥沙压力计算图计算公式
46、：P sk = （kN/m ） )245(212ssbtgh式中 sb泥沙的浮重度（kN/m 3） ， sb= sd-（ 1-n） wsd泥沙的干重度（kN/m 3） ；w水的重度（kN/m 3） ；n泥沙的孔隙率；hs坝前估算的泥沙淤积厚度（m ） ；s泥沙的内摩擦角（） 。当上游坝面倾斜时，应计入竖向淤沙压力，按淤沙的浮重度计算。淤沙压力的作用分项系数采用 1.2。 坝底面上的扬压力：讲解扬压力的组成及其概念：扬压力包括渗透压力和浮托力两部分。渗透压力是由上下游水位差产生的渗流而在坝内或坝基面上形成的向上的压力。浮托力是由下游水深淹没坝体计算截面而产生向上的压力。扬压力的分布与坝体结构，上
47、下游水位，防渗排水设施等因素有关。 当坝基设有防渗和排水幕时，坝底面上游（坝踵）处的扬压力作用水头为 H1；排水25孔中心线处的扬压力作用水头为 H2+ H （H=H 1-H2） ；下游（坝趾）处为 H2；三者之间用直线连接。 当坝基设有防渗帷幕、上游主排水孔幕、下游副排水孔及抽排系统时，坝底面上游处的扬压力作用水头为 H1，下游坝趾处为 H2，主、副排水孔中心线处分别为1H1、 2H2，其间各段用直线连接。 当坝基无防渗、排水幕时，坝底面上游处的扬压力作用水头为 H1，下游处为 H2，其间用直线连接。 土压力按主动土压力计算。 波浪压力平原、滨海地区水闸按莆田试验站公式计算 和 ：20Vgh
48、m0T（534）7.0245.7.0220 .13813vgHthDvgHthvgmmm（535）5.0209.Tm式中 hm平均波高（m） ；V0计算风速（m/s） ，可采用当地气象台站提供的 30 年一遇 10min 平均最大风速；D风区长度（m） ，当对岸最远水面距离不超过水闸前沿水面宽度 5 倍时，可采用对岸至水闸前沿的直线距离；当对岸最远水面距离超过水闸前沿宽度 5 倍时，可采用水闸前沿水面宽度的 5 倍；Hm风区内的平均水深（m） ，可由沿风向的地形剖面图求得，其计算水位与相应计算情况下的静水位一致；Tm平均波周期（ S） 。 查得水闸的设计波列累积频率 P（）值。 计算 hP。 波长值 计算波浪压力时分别按下列规定进行1）当 H 和 时，波浪压力可按下式计算。K2mLzpLh4mzcth2式中 PL作用于水闸迎水面上的浪压力（KN/m） ；hP累积频率为 P（% ）的波高
