4水闸设计Word下载.docx
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2。
闸基持力层为粉质粘土，承载力为140kPa，渗透系数为1.8×
10-5cm/s。
闸上无交通要求。
，该地区地震烈度为Ⅵ度。
设计该水闸。
知识点
水闸设计应符合中华人民共和国行业标准SL265-2001《水闸设计规范》和现行的有关标准的规定。
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形式和尺寸，结构设计等。
水闸设计应认真搜集和整理各项基本资料。
选用的基本资料应准确可靠，满足设计要求。
水闸设计所需要的各项基本资料主要包括闸址处的气象、水文、地形、地质、试验资料以及工程施工条件、运用要求，所在地区的生态环境、社会经济状况等。
【基本知识学习】
4.1水闸的类型与工作特点
4.1.1概述
水闸是一种低水头建筑物，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。
关闭闸门，可以拦洪、挡潮、蓄水抬高上游水位，以满足上游取水或通航的需要。
开启闸门，可以泄洪、排涝、冲沙、取水或根据下游用水的需要调节流量。
水闸在水利工程中的应用十分广泛，多建于河道、渠系、水库、湖泊及滨海地区。
中国修建水闸的历史悠久。
公元前598～前591年，楚令尹孙叔敖在今安徽省寿县建芍陂灌区时，即设五个闸门引水。
新中国成立以来，为防洪、排涝、灌溉、挡潮以及供水、发电等各种目的，修建了上千座大中型水闸和难以数计的小型涵闸，促进了工农业生产的不断发展，给国民经济带来了很大的效益，并积累了丰富的工程经验。
如长江葛洲坝枢纽的二江泄水闸，最大泄量为84000km3/s，位居中国首位，运行情况良好。
国际上修建水闸的技术也在不断发展和创新，如荷兰兴建的东斯海尔德挡潮闸，闸高53m，闸身净长3km，被誉为海上长城。
当前水闸的建设，正向形式多样化、结构轻型化、施工装配化、操作自动化和远动化方向发展。
4.1.2水闸的类型
水闸的种类很多，通常按其所承担的任务和闸室的结构形式来进行分类。
（一）按水闸所承担的任务分类
1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，见图4-1。
2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。
进水闸又称取水闸或渠首闸，见图4-2。
3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，见图4-2。
4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，见图4-2。
5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，如图4-2所示。
此外,还有为排除泥沙、冰块、漂浮物等而设置的排沙闸、排冰闸、排污闸等。
图4-2水闸的类型及位置示意图
（二）按闸室结构型式分类
1开敞式水闸
开敞式水闸[图4-3（a）]当闸门全开时过闸水流通畅，适用于有泄洪、排冰、过木或排漂浮物等任务要求的水闸，节制闸、分洪闸常用这种形式。
2胸墙式水闸
胸墙式水闸[图4-3（b）]和涵洞式水闸[图4-3（c）]，适用于闸上水位变幅较大或挡水位高于闸孔设计水位，即闸的孔径按低水位通过设计流量进行设计的情况。
胸墙式的闸室结构与开敞式基本相同，为了减少闸门和工作桥的高度或为控制下泄单宽流量而设胸墙代替部分闸门挡水，挡潮闸、进水闸、泄水闸常用这种形式。
如中国葛洲坝泄水闸采用12m×
12m活动平板门胸墙，其下为12m×
12m弧形工作门，以适应必要时宣泄大流量的需要。
3涵洞式水闸
涵洞式水闸[图4-3（c）]又称封闭式水闸。
多用于穿堤引（排）水，闸室结构为封闭的涵洞，在进口或出口设闸门，洞顶填土与闸两侧堤顶平接即可作为路基而不需另设交通桥，排水闸多用这种形式。
涵内水流可以是有压的或者是无压的。
同胸墙式水闸一样，涵洞式水闸适用于闸上水位变幅较大或挡水位高于闸孔设计水位，即闸的孔径按低水位通过设计流量进行设计的情况。
图4-3水闸的类型及位置示意图
（a）开敞式；
（b）胸墙式；
（c）封闭式
4.1.3水闸的工作特点
水闸既能挡水，又能泄水，且多修建在软土地基上，因而它在稳定、防渗、消能防冲及沉降等方面都有其自自身的特点。
1稳定方面
水闸关门挡水时，闸室将承受上下游水位差所产生的水平推力，使闸室有可能向下游滑动。
闸室的设计，须保证有足够的抗滑稳定性。
2防渗方面
在上下游水位差的作用下，水将从上游沿闸基和绕过两岸连接建筑物向下游渗透，产生渗透压力，对闸基和两岸连接建筑物的稳定不利，尤其是对建于土基上的水闸，由于土的抗渗稳定性差，有可能产生渗透变形，危及工程安全，故需综合考虑闸址地质条件、上下游水位差、闸室和两岸连接建筑物布置等因素，分别在闸室上下游设置完整的防渗和排水系统，确保闸基和两岸的抗渗稳定性。
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（图4-4）和折冲水流（图4-5），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。
图4-4波状水跃图4-5折冲水流
4沉降方面
建于平原地区的水闸地基多为较松软的土基，承载力小，压缩性大，在水闸自重与外荷载作用下将会产生沉陷或不均匀沉陷，导致闸室或翼墙等下沉、倾斜，甚至引起结构断裂而不能正常工作。
为此，对闸室和翼墙等的结构形式、布置和基础尺寸的设计，需与地基条件相适应，尽量使地基受力均匀，并控制地基承载力在允许范围以内，必要时应对地基进行妥善处理。
对结构的强度和刚度需考虑地基不均匀沉陷的影响，并尽量减少相邻建筑物的不均匀沉陷。
水闸等级划分及洪水标准
（一）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，其等别应按表4-1确定。
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。
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（3）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
—
注：
当按表列最大过闸流量及防护对象重要性分别确定的等别不同时，工程等别应经综合分析确定。
水闸枢纽中的水工建筑物应根据其所属枢纽工程等别、作用和重要性划分级别，其级别应按表4-2确定。
表4-2水闸枢纽建筑物级别划分
永久性建筑物级别
临时性建筑物级别
主要建筑物
次要建筑物
1
3
4
2
5
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按表4-2确定。
山区、丘陵区水利水电枢纽工程等别应按国家现行的SL252-2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》的规定确定。
灌排渠系上的水闸，其级别可按现行的GB50288-99《灌溉与排水工程设计规范》的规定确定。
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2~5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1~4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。
（二）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，按表4-3所列标准综合分析确定。
表4-3平原区水闸洪水标准
水闸级别
洪水重现期（a）
设计
100~50
50~30
30~20
20~10
10
校核
300~200
200~100
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。
山区、丘陵区水利水电枢纽中永久性建筑物的洪水标准应按国家现行的SL252-2000的规定确定。
灌排渠系上的水闸，其洪水标准应按表4-4确定。
表4-4灌排渠系上的水闸设计洪水标准
灌排渠系上水闸级别
设计洪水重现期（a）
灌排渠系上的水闸校核洪水标准，可视具体情况和需要研究确定。
平原区水闸闸下消能防冲的洪水标准应与该水闸洪水标准一致，并应考虑泄放小于消能防冲设计洪水标准的流量时可能出现的不利情况。
4.2闸址选择和闸孔设计
闸址选择
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。
应根据水闸所负担的任务和运用要求，综合考虑地形、地质、水流、泥沙、施工、管理和其他方面等因素，经过技术经济比较选定。
闸址一般设于水流平顺、河床及岸坡稳定、地基坚硬密实、抗渗稳定性好、场地开阔的河段。
由于各类水闸作用功能不一样，闸址选择时对不同的水闸有不同的要求。
节制闸或泄洪闸闸址宜选择在河道顺直、河势相对稳定的河段，经技术经济比较后可选择在弯曲河段裁弯取直的新开河道上。
进水闸、分水闸或分洪闸闸址宜选择在河岸基本稳定的顺直河段或弯道凹岸定点稍偏下游处。
但分洪闸闸址不宜选择在险工堤段和被保护重要城镇的下游堤段。
排水闸（排涝闸）或泄水闸（退水闸）闸址宜选择在地势低洼、出水通畅处，排水闸（排涝闸）闸址宜选择在靠近主要涝区和容泄区的老堤堤线上。
挡潮闸闸址宜选择在岸线和岸坡稳定的潮沙河口附近，且闸址泓滩中淤变化较小、上游河道有足够的蓄水容积的地点。
水闸的组成
水闸通常由上游连接段、闸室段和下游连接段三部分组成，如图4-6所示。
图4-6水闸的组成
1上游连搬i闸室J_下游连接段图5-3水闸的组成1一闸室底板;
2一闸墩;
3一胸墙;
4一闸门;
5一工作桥;
6一交通桥;
7一堤顶;
8一上游翼墙;
9一下游翼墙;
10一护坦;
11-排水孔;
12消力坎;
13一海漫;
14一下游防冲槽;
15一上游防冲槽;
16一上游护底;
17一上、下游护坡
（一）上游连接段
上游连接段的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。
上游连接段包括：
在两岸设置的翼墙和护坡，在河床设置的防冲槽、护底及铺盖，用以引导水流平顺地进入闸室，保护两岸及河床免遭水流冲刷，并与闸室共同组成足够长度的渗径，确保渗透水流沿两岸和闸基的抗渗稳定性。
（二）闸室段
闸室是水闸的主体,设有底板、闸门、启闭机、闸墩、胸墙、工作桥、交通桥等。
闸门用来挡水和控制过闸流量，闸墩用以分隔闸孔和支承闸门、胸墙、工作桥、交通桥等。
底板是闸室的基础，将闸室上部结构的重量及荷载向地基传递，兼有防渗和防冲的作用。
闸室分别与上下游连接段和两岸或其他建筑物连接。
（三）下游连接段
下游连接段具有消能和扩散水流的作用。
由护坦、海漫、防冲槽、两岸翼墙、护坡等组成，用以引导出闸水流向下游均匀扩散，减缓流速，消除过闸水流剩余动能，防止水流对河床及两岸的冲刷。
水闸堰型的选择
闸孔型式一般有宽顶堰型、低实用堰型和胸墙孔口型三种，见图4-7。
图4-7闸孔型式
（a）宽顶堰;
（b）低实用堰;
（c）胸墙孔口型
（一）宽顶堰型
宽顶堰是水闸中最常用的底板结构型式。
其主要优点是结构简单、施工方便，泄流能力比较稳定，有利于泄洪、冲沙、排淤、通航等；
其缺点是自由泄流时流量系数较小，容易产生波状水跃。
（二）低实用堰型
低实用堰有梯形的、曲线形的和驼峰形的。
实用堰自由泄流时流量系数较大，水流条件较好，选用适宜的堰面曲线可以消除波状水跃；
但泄流能力受尾水位变化的影响较为明显，当hs>
0.6H以后，泄流能力将急剧降低，不如宽顶堰泄流时稳。
上游水深较大时，采用这种孔口形式，可以减小闸门高度。
（三）胸墙孔口型
当上游水位变幅较大，过闸流量较小时，常采用胸墙孔口型。
可以减小闸门高度和启门力，从而降低工作桥高和工程造价。
闸槛高程的确定
闸槛高程与水闸承担的任务有关，应根据河（渠）底高程、水流、泥沙、闸址地形、地质、闸的施工、运行条件，结合选用的堰型、门型和闸孔总净宽等，经技术经济比较确定。
闸底板应置于较为坚实的土层上，并应尽量利用天然地基。
在地基强度能够满足要求的条件下，底板高程定得高些，闸室宽度大，两岸连接建筑相对较低。
对于小型水闸，由于两岸连接建筑在整个工程中所占比重较大，因而总的工程造价可能是经济的。
在大中型水闸中，由于闸室工程量所占比重较大，因而适当降低底板高程，常常是有利的。
当然底板高程也不能定得太低，否则，由于单宽流量加大，将会增加下游消能防冲的工程量，闸门增高，启闭设备的容量也随之增大，另外基坑开挖也较困难。
一般情况下，拦河闸和冲沙闸的底板顶面可与河床齐平；
选水闸的底板顶面在满足引用设计流量的到件，应尽可高一些，以防止推移质泥沙进入渠道；
分洪闸的底板顶面也应较较河床稍高。
排水闸则应尽量定得低些，以保证将渍水迅速降至计划高程，但要避免排水出口被泥沙淤塞；
挡潮闸兼有排水闸作用时，其底板顶面也应尽量定低一些。
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。
（1）对于平底闸，当水流为堰流时，计算示意图如图4-8所示。
计算公式如式（4-1）~式（4-5）。
图4-8平底板堰流计算示意图
（4-1）
单孔闸（4-2）
多孔闸（4-3）
（4-4）
（4-5）
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，m；
g——重力加速度，取9.81，m/s2；
m——堰流流量系数，可采用0.385；
ε——堰流侧收缩系数，对于单孔闸可按式（4-2）计算求得或由表4-5查得，对于多孔闸可按式（4-3）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；
εZ——中闸孔侧收缩系数，可按式（4-4）计算求得或由表4-5查得，但表中bs为b0+dZ；
dZ——中闸墩厚度，m；
εb——边闸孔侧收缩系数，可按式（4-5）计算求得或由表4-5查得，但表中bs为
；
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；
σ——堰流淹没系数，对于宽顶堰可由表4-6查得，表中的hs为堰顶下游水深，m。
表4-6（见规范p53）
当堰顶处于高淹没度（hs/H0≥0.9）时，
表4-5侧收缩系数ε值
b0/bs
≤0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0.10
ε
0.909
0.911
0.918
0.928
0.940
0.953
0.968
0.983
1.000
图4-9孔口出流计算示意图
（2）当为孔口出流时，计算示意图如图4-9所示，计算公式如式（4-6）~式（4-9）。
（4-6）
（4-7）
（4-8）
（4-9）
式中he——孔口高度，m；
μ——宽顶堰上孔流流量系数，可按式（4-7）计算求得或由表4-7查得；
ε＇——垂直收缩系数，可由式（4-8）计算求得；
φ——流速系数，可取0.95~1.0；
λ——计算系数，可由式（4-9）计算求得，该公式适用于范围；
r——胸墙底圆弧半径，m；
σ＇——宽顶堰上孔流淹没系数，可由表4-8查得，表中hc″为跃后水深，m。
表4-7（见规范p55）
表4-8（见规范p55）
水闸的过闸水位差应根据上游淹没影响、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。
一般情况下，平原地区水闸的过闸水位差可采用0.1~0.3m。
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。
确定闸孔总净宽及闸室单孔宽度
闸孔总净宽的确定，除满足以上过流能力计算的要求外，主要还涉及两个问题：
一个是过闸单宽流量的大小，另一个是与河道总宽的关系。
闸孔总净宽大体上要求与上下游河道宽度相适应，河北省根据实践经验提出大中型水闸闸室总宽度与河道宽度的比值一般不小于表。
水闸闸室总宽与河道宽度的比值
河道宽度
闸室总宽/河道宽度
50~100
0.6~0.75
100~200
0.75~0.85
﹥200
0.85
最大过闸单宽流量取决于闸下游河渠的允许最大单宽流量。
允许最大过闸单宽流量可按下游河床允许最大单宽流量的1.2~1.5倍确定。
根据工程实践经验，一般在细粉质及淤泥河床上，单宽流量5~10m3/（s.m）；
在砂壤土地基上取10~15m3/（s.m）；
在壤土地基上取15~20m3/（s.m）；
在粘土地基上取20~25m3/（s.m）。
下游水深较深，上下游水位差较小和闸后出流扩散条件较好时，宜选用较大值。
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。
计算的过水能力与设计流量的差值，一般不得超过±
5%。
闸孔孔径应根据闸的地基条件、运用要求、闸门结构形式、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。
我国大中型水闸的单孔净宽b0一般采用8~12m。
选用的闸孔孔径应符合国家现行的SL74-95《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n=B0//b0，n值应取略大于计算要求值的整数。
闸孔孔数少于8孔时，宜采用单数孔，以利于对称开启闸门，改善下游水流条件。
4.3闸室的布置和构造
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，有的水闸还设有胸墙。
4.3.1底板
底板按结构形式分，主要有平底板、低堰底板[图4-4（b）]、箱式底板[图4-10（a）]、斜底板[图4-10（b）]、反拱底板[图4-10（c）]等。
根据底板与闸墩的连接方式不同，底板可分为整体式与分离式两种。
工程中使用最多的底板是整体式平底板。
图5-10闸底板型式（单位:
cm）
（a）箱式底板;
（b）斜底板;
（c）反拱底板1一工作桥;
2一交通桥
平底板按底板与闸墩的连接方式,有整体式（图5-34）和分离式（图5-35）两种。
1整体式平底板
闸墩与底板浇筑成整体即为整体式底板。
其顺流向长度可根据闸身稳定和地基应力分布较均匀等条件来确定，同时应满足上层结构布置的需要。
水头愈大，地基愈差，底板应愈长。
初拟底板长度时，参考下表：
表4-9闸室底板顺水流向长度与上下游最大水位差的比值
地基条件
闸室底板顺水流向长度/上下游最大水位差
碎石土、砾（卵）石
1.5~2.5
砂土、砂壤土
2.0~3.5
粉质壤土、壤土
2.0~4.0
粘土
2.5~4.5
底板厚度必须满足强度和刚度的要求。
大中型水闸可取闸孔净宽的1/6~1/8，一般为1.0~2.0m，最薄不小于0.7m，渠系小型水闸可薄至0.3m。
底板内配置钢筋。
底板混凝土强度等级应满足强度、抗渗及防冲要求，一般选用C15或C20。
图5-11整体式底板
（a）墩中分缝底板;
（b）跨中分缝底板
2分离式平底板
底板与闸墩之间用沉降缝分开，成为分离式底板，如图4-12所示。
中间底板仅有防冲、防渗的要求，其厚度按自身抗滑稳定确定。
一般用混凝土或浆砌石建成，必要时加少量钢筋。
分离式平底板一般适用于孔径大于8m和密实的地基或岩基。
分离式底板水闸的整体性较差，不宜用在涵洞式闸室结构中，也不宜建在地震区。
图4-12分离式底板（单位:
4.3.2闸墩
闸墩的作用主要是分隔闸门，支承闸门、胸墙、工作桥、交通桥等上部结构。
闸墩结构型式应根据闸室结构抗滑稳定性和闸墩纵向刚度要求确定，一般宜采用实体式。
闸墩的外形轮廓应能满足过闸水流平顺、侧向收缩小，过流能力大的要求。
上游墩头可采用半圆形或尖角形，下游墩头宜采用流线形。
闸墩上游部分的顶面高程应满足以下两个要求：
①水闸挡水时，不应低于水闸正常蓄水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应安全超高值之和；
②泄洪时，不应低于设计洪水位（或校核洪水位）与相应安全超高值之和。
各种运用情况下水闸安全超高下限值见表4-10。
位于防洪（挡潮）堤上的水闸，其闸墩顶高程不得低于防洪（挡潮）堤堤顶高程。
闸墩下游部分的顶面高程可根据需要适当降低。
表4-10水闸安全超高下限值（m）
运用情况水闸级别
4、5
挡水时
正常蓄水位
最高当水位
0.2
泄水时
设计洪水位
1.5
1.0
校核洪水位
闸墩长度取
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