水工建筑物 知识点汇总.docx

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水工建筑物知识点汇总

水利水电工程建筑物授课教案

章节名称第四章水闸教学日期第二学期

授课教师姓名职称授课时数22

本章的教学目的与要求

掌握水闸的类型、工作特点、组成及各组成部分的作用；掌握水闸孔口设计的影响因素分析和计算方法；掌握消能防冲设计中水闸下游不利水流流态及相应的防止措施；掌握防渗排水设计中水闸地下轮廓线长度拟定、布置、渗流计算方法和防渗排水措施；水闸的布置与构造；在闸室稳定应力分析中，重点从荷载计算、稳定应力分析方法等方面比较与重力坝的异同。

了解水闸布置与构造、闸室结构计算内容及方法等方面的内容。

授课主要内容及学时分配

掌握水闸的类型、工作特点、组成及各组成部分的作用（2学时）；掌握水闸孔口设计的影响因素分析和计算方法（4学时）；掌握消能防冲设计中水闸下游不利水流流态及相应的防止措施（4学时）；掌握防渗排水设计中水闸地下轮廓线长度拟定、布置、渗流计算方法和防渗排水措施（6学时）；水闸的布置与构造（2学时）；在闸室稳定应力分析中，重点从荷载计算、稳定应力分析方法等方面比较与重力坝的异同（2学时）。

了解水闸布置与构造、闸室结构计算内容及方法等方面的内容（2学时）。

重点和难点

水闸的类型、工作特点、组成及各组成部分的作用，水闸孔口设计的水闸孔口设计，如何不知谁炸的消能防冲设计，水闸的渗流计算，水闸的整体布置。

思考题和作业

1．水闸按其承担的任务和结构形式分为哪些类型？

水闸的工作特点如何？

2．水闸的组成部分及各组成部分的作用是什么？

3．水闸孔口设计的影响因素有哪些？

如何确定？

4．水闸下游不利水流流态及相应的防止措施是什么？

5．何谓水闸地下轮廓线？

其长度如何拟定？

布置方式有哪些？

6．试述用“改进阻力系数法”计算闸底板下渗压力和渗透坡降的方法步骤。

7．试述水闸荷载计算和稳定应力分析方法与重力坝有何异同？

8．试述闸门、启闭机的分类与选型方法如何?

9．水闸两岸连接建筑物的型式有哪些?

如何选用？

10．闸室结构计算的内容有哪些?

试述有限深的“弹性地基梁法”的计算步骤？

第四章水闸

第一讲

讲授第一节

§4～1水闸的类型和工作特点

一、类型

（一）概念：

水闸是一种利用闸门的启闭来调节水位，控制流量的低水头水工建筑物。

（二）发展：

公元前6世纪春秋时代，在位于今安徽寿县城南的芍陂灌区中即设有进水和供水用的5个水门。

☆世界上规模最大的水闸：

荷兰木斯海尔德挡潮闸，共63孔，闸高53m，闸身净长3000m，闸全长4425m。

（三）按承担任务分类：

图4-1水闸布置示意图

1、进水闸：

建在河道、水库、湖泊岸边或渠道渠首的，用以控制引水流量，以满足灌溉、发电或供水需要的闸。

又称为取水闸或渠首闸。

2、节制闸：

为了灌溉、通航等需要横跨河流或渠道上修建的，用以控制闸前水位及过闸流量的闸。

位于河道上的节制闸又称为拦河闸。

3、分洪闸：

建于泄洪能力不足的天然河道河段上游适当的地点，洪峰来临时开闸分泄一部分洪水进入湖泊、洼地等滞洪区，以减轻洪水对江河下游威胁的闸。

4、排水闸：

建在江河沿岸低洼地区排水渠道末端，用以在外河水位上涨时防止外水倒灌，外河水位较低时排除其附近低洼地区积水的闸。

特点：

闸身高，底板低，双向挡水。

5、冲砂闸：

建在多泥沙河流上，用以排除进水闸、节制闸或渠系中沉积泥沙，减少引水水流含沙量，防止渠道和闸前河道淤积的闸。

※一般建在进水闸一侧河道上与节制闸并排布置或设在引水渠上进水闸旁。

6、挡潮闸：

建在入海河口附近，涨潮时关闸防止海水倒灌入内河，退潮时开闸泄水，或者拦蓄淡水以利灌溉的闸。

（四）按闸室结构型式分

图4-2水闸闸室结构分类图

（a）无胸墙的开敞式；（b）胸墙式；（c）涵洞式

1、开敞式：

即水闸闸室是露天的，上面没有填土。

胸墙式：

适用于上游水位较大而过闸流量不大的水闸。

无胸墙式：

适用于有泄洪、通航、排冰等要求的水闸。

2、涵洞式：

修建在河、渠堤之下的水闸。

3、双层式：

是一种分上下两层，分别装设闸门的结构，既具有面层泄流能力，又具有底层泄流能力的闸室结构。

（五）按过闸流量分

大（Ⅰ）型Q≥5000m3/s

大（Ⅱ）型Q＝5000～1000m3/s

中型Q=1000～100m3/s

小（Ⅰ）型Q=100～20m3/s

小（Ⅱ）型Q<20m3/s

（六）其他类型的水闸：

翻板闸，橡胶水闸，装配式水闸等。

二、水闸的特点及设计要求

1、工作特点

1）沉降量和沉降差。

2）冲刷

3）抗滑稳定

4）渗透稳定

2、设计应注意问题

1）选择合理的水闸形式和构造，采取合理施工程序，进行严格地基处理，保证闸与地基稳定。

2）进行合理可靠的防渗排水设计，确保渗透稳定。

3）采取有效的消能防冲设施，确保水闸不发生冲刷破坏。

三、水闸的组成

图4-3开敞式水闸组成示意图

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－防冲槽；15－上游铺盖

1、上游连接段

1组成：

翼墙，铺盖，护底，防冲槽（齿墙），护坡。

2作用：

翼墙：

引导水流平顺进闸，挡土，防冲，侧向防渗。

铺盖：

防渗防冲。

防冲槽：

保护护底首部，防止河床冲刷向护底方向发展。

护坡护底：

保护河岸及河床不受冲刷。

2、闸室段

①组成：

底板，闸墩，闸门，胸墙，工作墙，交通桥。

②作用：

底板：

承受闸室全部荷载，将荷载较均匀地传给地基，维持闸室抗滑稳定，防冲，防渗。

闸墩：

分隔闸孔，支承闸门和桥梁。

工作桥：

布置启闭设备，操作闸门。

闸门：

控制水位，调节流量。

3、下游连接段

①组成：

消力池，海曼，防冲槽，翼墙，护岸。

②作用：

消力池：

消能，防冲。

海曼：

继续消余能，调整流速分布。

防冲槽：

防止下游河床冲坑继续向上游发展。

翼墙：

引导过闸水流均匀扩散，保护两岸免受冲刷。

四、水闸等级划分及洪水标准

1、平原地区水闸

表4-1平原区水闸枢纽工程分等指标

工程等别

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

规模

大

（1）型

大

（2）型

中型

小

（1）型

小

（2）型

最大过闸流量（m3∕s）

≥5000

5000～1000

1000～100

100～20

＜20

防护对象的重要性

特别重要

重要

中等

一般

－

2、灌排渠系上水闸

表4-2灌排渠系建筑物级别划分

建筑物级别

1

2

3

4

5

过闸流量（m3∕s）

≥300

300～100

100～20

20～5

≤5

表4-3灌排渠系水闸的设计洪水标准

水闸级别

1

2

3

4

5

设计洪水重现期（a）

100～50

50～30

30～20

20～10

10

3、消能防冲

表4-4山区、丘陵区水闸闸下消能防冲设计洪水标准

水闸级别

1

2

3

4

5

闸下消能防冲设计洪水重现期（a）

100

50

30

20

10

第四章水闸

第二讲

讲授第二节（上）

§4～2水闸孔口尺寸确定

闸孔设计的任务：

根据规划的设计流量及相应上下游水位，，确定闸孔形式、底板高程、、闸孔尺寸，以满足泄水或引水要求。

一、闸孔和底板型式选择

1、闸孔形式

开敞式（胸墙式，无胸墙式），封闭式（涵洞式）

2、选择原则

1）闸坎高程较高，挡水高度较小的泄洪闸或分洪闸以及有排冰、通航等要求的水闸，一般均采用开敞式。

2）闸坎高程较低，挡水高度较大的水闸，挡水高度高于洪水运用水位，或闸上水位变幅较大，且有限制过闸单宽流量的水闸均可采用胸墙式或涵洞式。

3、底板形式

1）宽顶堰底板

1优点：

结构简单，施工方便，泄流稳定。

2缺点：

流量系数较小，易产生波状水跃。

3适用：

泄洪，冲沙，通航，排污，排冰等。

（a）（b）（c）

图4-4低实用堰

（a）梯形堰；（b）驼峰堰；（c）WES低堰

2）低堰底板

①优点：

流量系数大，水流条件好，泄流能力强。

②缺点：

流态不稳定，结构复杂，施工难度较高。

③适用：

底板高程不够（水位较高）；

因地基较差需降低底板高程时；

有拦沙要求时。

二、设计流量和上下游水位

1、流量

1）拦河闸：

设计洪水标准或校核洪水标准对应流量。

2）进水闸：

为渠道设计取水流量。

3）排水闸：

由后水计算确定。

2、水位

1）拦河闸：

下游由水位流量关系曲线查，上游比下游高0.1~0.3m。

2）进水闸：

下游由渠道水位流量关系曲线查，游比下游高0.1~0.3m。

3）排水闸：

上游为滞洪区或排水渠摸排水设计流量对应水位，下游比上游低0.05~0.1m左右。

三、闸底板高程确定

1、在地基强度满足要求的前提下，可定得高些，对大型水闸，应适当降低→降低造价；

2、拦河闸底板高程可与河底平齐；

3、进水闸底板高程常等于或略低于渠底，但应满足引水及拦沙防淤要求；

4、分洪闸底板高程可比河底略高些，但应满足最低分洪水位时的泄量要求及防止洪水冲刷河床；

5、排水闸底板高程应尽量低，以满足排涝或排碱要求；

6、受单宽流量的影响。

四、过闸单宽流量的确定

1、影响因素：

河床或渠道的地质条件，水闸上、下游水位差，下游尾水深度等因素影响，兼顾泄洪能力和下游消能防冲两个方面。

2、一般确定：

对粘土地基可取15～25m3／（s·m）；

壤土地基可取15～20m3／（s·m）；

砂壤土地基可取10～15m3／（s·m）；

粉砂、细砂、粉土和淤泥地基可取5～10m3／（s·m）。

第四章水闸

第三讲

讲授第二节（下）

§4～2水闸孔口尺寸确定

五、闸孔宽度的确定（详细介绍试算法）

1、总宽度确定确定总净宽B。

→b→n

1）堰流：

符号按书

2）孔流：

2、单孔宽及闸室总宽度

1）单孔宽

大型8～12m

中型3～8m

小型2～3m

2）闸孔数量：

n=B0/b0

6孔以下取单数，6孔及以上取双数

3）闸室总宽度

一般要求实际过流能力与设计过流量相差≤±5﹪

闸室总宽B=nb0+（n－1）d+2d0（边墩）

要求B≥0.6～0.85B河（渠）B河（渠）：

河道或渠道宽度。

第四章水闸

第四讲

讲授第三节（上）

§4～3水闸的消能防冲

一、过闸水流特点及闸下游冲刷原因

1）闸下水流流态复杂（流速大，紊动强烈，水流从堰流到孔流，从自由出流到淹没出流都会发生）。

2）闸下易形成波状水跃。

3）闸下容易出现折冲水流。

（翼墙布置不当，适用不当……）

二、消能防冲设计的水利条件

1、消能方式

一般采用底流消能

2、水力条件选择

1）一般是以上游最高水位、下游始流水位为可能出现的最低水位、闸门部分开启、单宽流量大为控制条件。

2）设计时应以闸门的开启程序、开启孔数和开启高度进行多种组合计算，通过分析比较确定。

三、底流消能设计

（一）消力池

1、作用：

促使出闸水流在池中发生淹没式水跃进行消能，并保护地基免遭冲刷。

2、布置：

1）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；

2）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；

3）当闸下尾水深度远小于跃后水深时，且计算消力池深度又较大时，可采用下挖式消力池与突槛式消力池相结合的综合消力池消能；

4）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。

3、消力池尺寸确定

图4-6消力池池长、池深计算示意图图4-7USBRⅢ型消力池布置

1）深度：

2）消力池长度：

3）、护坦底板厚度：

根据抗冲，抗浮要求确定。

抗冲：

抗浮：

t=max{t1，t2}

一般t=0.5～1.0m

消力池末端底板厚度可采用t/2，不宜小于0.5m，小型水闸不宜小于0.3m。

4）、尾坎：

稳定水跃，调整铅直断面上的流速分布，促使水流均匀扩散，减小下游河床冲刷。

4、消力池构造

1）材料

2）排水孔

3）变形缝

5、辅助消能工

如消力墩，一般布置在消力池前半段护坦上，二至三排交错排列

第四章水闸

第五讲

讲授第三节（下）

§4～3水闸的消能防冲

四、波状水跃级折冲水流的防止措施

1、波状水跃的防止措施

图4-8波状水跃的防止措施

（a）在出流平台上设置小槛；（b）将小槛做成分流墩、分流齿形

1）在消力池斜坡段的顶部预留一段0.5～1.0m宽的平台，在其末端设置一道小槛，见图4-8（a），迫使水流越槛入池，促成底流式水跃。

2）分流墩、分流齿形，见图4-8（b），则消除波状水跃的效果更好。

如水闸底板为低实用堰型，有助于消除波状水跃的产生。

2、折冲水流的防止措施

1）在平面布置上，尽量使上游引河具有较长的直线段，

2）在消力池前端设置散流墩，对防止折冲水流有明显效果；

3）应制定合理的闸门开启程序。

五、海漫及防冲槽

1、海漫

图4-9防冲加固措施

1）作用：

进一步削减水流剩余能量，使水流均匀扩散，保护护坝和减小对下游河床的冲刷。

2）要求：

坚固耐冲，且能适应下游河床可能的冲刷变形，具有一定的柔性。

为了使渗水自由排出，减小场压力，应具有一定的透水性。

为了进一步消能，表面应具有较大的糙率。

3）海漫长度计算：

Ks：

海曼长度计算系数；

△H′：

闸孔泄水时的上下游水位差；

qs：

消力池末端单宽流量。

4）海漫的构造

一般采用整体向下游倾斜的型式，在平面上沿水流方向向两侧逐渐扩散，以使水流均匀扩散，保护河床不受冲刷。

2、防冲槽

主要作用：

挖槽抛填块石，加固海曼末端，保护海曼

六、上下游护坡及河床防护

上游：

2～3倍水头长度护底及护坡

下游：

4～6倍水头长度护底及护坡

七、闸门的控制运用

主要满足以下要求：

1）消力池长度在任何情况下都满足要求（淹没水跃）；

2）闸门应分级均匀对称开启与关闭；

3）严格控制始流条件下的闸门开度；

4）、闸门开启与关闭速度尽量慢。

第四章水闸

第六讲

讲授第四节（上）

§4～4防渗排水设计

一、闸基防渗长度及地下轮廓线布置

（一）设计任务

经济合理地确定水闸底下轮廓线的型式和尺寸。

并采取必要的可靠的防渗排水措施，以减小或消除渗流的不利影响，保证闸基及两岸不产生渗透破坏，保证水闸的安全。

（二）闸基的防渗长度

图4-10水闸地下轮廓线

1、地下轮廓线：

不透水的铺盖、板桩、及闸底板等与地基的接触线。

2、防渗长度：

即地下轮廓线的长度，又称渗径长度。

（图4－10）

3、计算：

L≥CH

表4-6渗径系数C值

排水条件

地基类别

粉砂

细砂

中砂

粗砂

中砾

细砾

粗砾

夹砾石

轻粉质砂壤土

轻砂壤土

壤土

粘土

有反滤层

13～9

9～7

7～5

5～4

4～3

3～2.5

11～7

9～5

5～3

3～2

无反滤层

－

－

－

－

－

－

－

－

7～4

4～3

按上式初步确定后，还需经闸基的抗滑稳定验算及闸室稳定计算最后确定。

（三）闸基防渗排水布置

布置原则：

高防低排

“高防”就是在闸底板上游一侧布置铺盖、板桩、齿墙、混凝土防渗墙及灌浆帷幕等防渗设施，以延长渗径，减小作用在底板上的渗透压力，降低闸基渗流的平均坡降。

“低排”就是在闸底板下游一侧布置面层排水、排水孔（或排水井）、反滤层等设施，使地基渗水尽快排出

1、粘性土地基（不易发生管涌）

上游设防渗铺盖，下游出口处设反滤层图4－11（a）

2、砂类土地基（粉沙，轻砂壤土，轻粉质砂壤土……）（b）（c）（d）

易产生渗漏及渗透变形。

上游设铺盖加悬挂式板桩（防渗墙）相结合的布置方式，土层较薄时，设截水墙或截流板桩。

下游铺设良好级配的反滤层。

3、多层土地基：

下游排水减压，必要时，设板桩截断夹砂层。

（e）

4、岩石地基：

可根据需要在闸底板上游端设水泥灌浆帷幕，后设排水孔。

图4-11水闸地下轮廓线布置示意图

二、渗流计算

目的：

计算底板及护坦下的渗透压力和渗透坡降，判定初拟地下轮廓线是否满足抗滑稳定和渗透稳定要求。

计算方法：

流网法、直线法、改进阻力系数法、有限元法、电模拟试验法。

（一）直线法

1、原理：

假定渗流沿地下轮廓线流动时，其渗透水头是成直线比例逐渐减小的，即沿程渗透坡降的大小都是相同的。

2、公式：

勃莱法hx=Hx/Lhx：

渗透压强

莱茵法hx=Hx/L。

L0＝∑Lr+∑Lh/3

∑Lr：

水平渗径

∑Lh：

垂直渗径

*：

将各点所求得的压强大小，按一定比例标在闸底板面相应位置铅直线上，然后将相邻两点水头端点用直线连接，即得到作用于底板底面的渗透压力分布图。

渗透压力分布见图4－12

（a）（b）

图4-12全截面直线分布法渗透压力计算图

（a）未设水泥灌浆帷幕和排水孔情况；（b）设有水泥灌浆帷幕和排水孔情况

（二）改进阻力系数法

优点：

比较充分地考虑了渗流在边界条件变化处的水头损失，故计算结果精度较高。

1、基本原理

（a）（b）

图4-13改进阻力系数法渗透压力计算图

①如图4-13（a），由达西定律：

渗流区单宽流量为：

令ξ=L/T→

令

，则得

式中ξi——为渗流段阻力系数，与渗流段的几何形状有关；

k——地基土的渗透系数，m／s。

总水头H应为各段水头损失的总和，即

将式（4-23）代入式（4-22）得各段的水头损失为：

将各段的水头损失由出口向上游方向依次叠加，即得各段分界点的渗压水头及其它渗流要素。

以直线连接各分段计算点的水头值，即得渗透压力分布图，见图4-13（b）。

2、计算步骤

1）确定地基有效深度Te（从各等效渗流段地下轮廓最高点垂直向下算起的地基透水层有效深度）。

可按下列公式计算：

当L0／S0≥5时

当L0／S0＜5时

式中L0、S0——地下轮廓的水平投影及垂直投影长度，m。

当计算的Te大于地基实际深度时，Te值应按地基实际深度采用。

2）典型流段阻力系数的计算。

一般水闸地基渗流段可归纳为三种典型流段，即进出口段，图4-13中的Ⅰ、Ⅹ段；内部垂直段，图4-13中的Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ段；内部水平段，图4-13中的Ⅱ、Ⅳ、Ⅶ、Ⅸ段。

每段的阻力系数ξi，可按表4-7中的公式确定。

表4-7典型流段阻力系数计算表

3）对进、出口段水头损失值和渗透压力分布图进行局部修正，进、出口段修正后的水头损失值可按下列公式计算（如图4-14（a）所示）、表4-17

图4-14进、出口段渗压修正示意图

β′——阻力修正系数，当计算的β′≥1.0时，采用β′＝1.0；

S′——底板埋深与板桩入土深度之和，m；

T′——板桩另一侧地基透水层深度，m。

表4-8出口段和水平段的允许渗流坡降[J]值

分段

地基类别

粉砂

细砂

中砂

粗砂

中砾

细砾

粗砾

夹砾石

砂壤土

壤土

软壤土

坚硬粘土

极坚硬粘土

水平段

0.05～0.07

0.07～0.10

0.10～0.13

0.13～0.17

0.17～0.22

0.22～0.28

0.15～0.25

0.25～0.35

0.30～0.40

0.40～0.50

0.50～0.60

出口段

0.25～0.30

0.30～0.35

0.35～0.40

0.40～0.45

0.45～0.50

0.50～0.55

0.40～0.50

0.50～0.60

0.60～0.70

0.70～0.80

0.80～0.90

注：

当渗流出口处设反滤层时，表中数值可加大30％。

修正后的水头损失的减小值Δh可按下式计算：

水力坡降呈急变形式的长度L'x可按下式计算：

出口段渗透压力分布图可按图4-14（b）方法进行修正。

QP′为原有水力坡降，由计算的Δh和L'x值，分别定出P点和O点，连接QOP，即为修正后的水力坡降线。

图4-15进、出口段齿墙不规则部位修正示意图

进、出口段齿墙不规则部位可按下列方法进行修正（图4-15）：

当hx≥Δh时，按下式修正：

h'x＝hx＋Δh

式中hx、h'x——水平段和修正后水平段的水头损失，m。

当hx＜Δh时，可按下列两种情况分别进行修正：

①若hx＋hy≥Δh，可按下式进行修正：

h'x＝2hx

h'y＝hy＋Δh－hx

式中hy、h'y——内部垂直段和修正后内部垂直段的水头损失，m。

第四章水闸

第七讲

讲授第四节（中）

§4～4防渗排水设计

注：

详细讲解闸基的防渗计算

【例4-1】某水闸地下轮廓线如图4-16（a）所示。

根据钻探资料知地面以下12m深处为相对不透水的粘土层。

用改进阻力系数法计算渗流要素。

解：

1.简化地下轮廓：

简化后地下轮廓如图4-16（b）所示，划分10个基本段。

2．确定地基的有效深度：

由于L0＝0.5＋12.25＋10.25＋1.0＝24m，S0＝25.5－20＝5.5m，L0／S0＝4.36＜5，按公式（4-26）得Te＝13.36＞Tp＝12.0m，故按实际透水层深度T＝Tp＝12.0m，进行渗流计算。

3．计算各典型段阻力系数：

按各典型段阻力系数计算公式计算，见表4-9。

4．计算各段水头损失：

按公式（4-24）计算各段水头损失，列于表4-10。

5．进、出口段水头损失修正

图4-16某水闸地下轮廓线布置及渗流计算图

表4-9

分段编号

分段名称

S（m）

S1（m）

S2（m）

T（m）

L（m）

ξi

①

进口段

1.0

12

0.477

②

水平段

0

0

11

0.5

0.045

③

内部铅直段

0.6

11.6

0.052

④

水平段

0.6

5.1

11.6

12.25

0.712

⑤

内部铅直段

5.1

11.6

0.479

⑥

内部铅直段

4.5

11.0

0.441

⑦

水平段

4.5

0.5

11.0

10.25

0.614

⑧

内部铅直段

0.5

11.0

0.045

⑨

水平段

0

0

10.5

1.0

0.095

⑩

出口段

0.6

11.1

0.460

∑

总和

3.420

表4-10

分段编号

①

②

③

④

⑤

⑥

⑦

⑧

⑨

⑩

hi

0.628

0.059

0.068

0.937

0.630

0.581

0.808

0.059

0.125

0.605