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同学们好

本节课开始

我们学习新的一章

土基上的水闸

这种水工建筑物不同于

前面章节所述的高水头建筑物

如大坝、溢洪道、隧洞等

而且建于土基之上

具有其自身特点

同学们学习时需要注意

和岩基上高水头建筑物的对比分析

本章内容包括概述

水闸的防渗排水设计

以及水闸的消能防冲和闸室设计

首先是概述部分

主要介绍水闸的作用及分类

水闸的等级划分

水闸的组成及其工作特点

闸址的选择及闸孔设计等内容

所谓水闸

是一种利用闸门挡水

和泄水的低水头水工建筑物

一般建于河道中下游

不具备建设高坝的条件

但有各种水流控制的需求

需要修建各种水闸

以控制水位

调节流量

水闸按其承担的任务

主要分为6种

如图所示

节制闸

也叫拦河闸

用以拦洪、调节水位

以满足上游引水或航运的需要

控制下泄流量

保证下游河道安全

或根据下游用水需求调节放水流量

进水闸

建在河道、水库或湖泊的岸边

用以控制引水流量

满足灌溉、发电或供水的需要

也称为取水闸

分洪闸

常建于河道一侧

用以将超过下游河道安全泄量的

洪水泄入分洪区或分洪道

排水闸

用以排除内河或低洼地区多余的渍水

当外河水位上涨时

可以关闸

防止外水倒灌

具有双向挡水或双向过流的特点

挡潮闸

建在入海口附近

涨潮时关闸

防止海水倒灌

退潮时开闸泄水

具有双向挡水功能

冲沙闸

建在多泥沙河流上

用以排除泥沙

减少引水水流的含沙量

防止渠道和闸前河道淤积

此外

还有为排除冰块、漂浮物

而设置的排水闸、排污闸等

如图所示为某河流的拦河闸和进水闸

在主河道设置拦河闸以调节水位

控制河道流量

岸边设置进水闸

满足灌溉和供水需要

如图所示为湖北荆江分洪区

在上游侧设置分洪闸

可将长江河道上的部分洪水引入分洪区

减少洪峰流量

在下游侧设置排水闸

在洪水消退之后排出渍水

淮河上的王家坝分洪闸如图所示

建于1953 年

共13孔

每孔净宽8米

设计流量为1600 m3/s

可以看出

水闸的闸室结构型式

与溢流重力坝或溢洪道类似

只是水头较低

多建于土基之上

如图所示为某挡潮闸

通过闸门操作

实现关闸挡潮

防止海水倒灌

以及开闸泄水的功能

葛洲坝三江冲沙闸如图所示

共6孔

总宽度108米

最大泄量10500m3/s

主要作用是排除上游航道的泥沙淤积

和冲刷下游航道的淤积物

以保证航运畅通

同时在大洪水时参与泄洪

与大坝等水工建筑物类似

水闸的规模也有大有小

需要进行等级划分

平原地区的水闸枢纽工程需根据水闸

最大过闸流量及其防护对象的

重要性划分为五等

如表格所示

而水闸枢纽中的水工建筑物的级别

则根据其所属枢纽的工程等别

以及建筑物的作用和重要性等进行划分

如表格所示

水闸的组成

如图所示

主要有三个部分

上游连接段、闸室

和下游连接段

各个部分的详细组成如图所示

其中

闸室是水闸的主体

包括闸门、闸墩、底板、胸墙

工作桥、交通桥、启闭机等

用以挡水和控制流量

上游连接段包括两岸翼墙

护坡以及铺盖等

用以引导水流平顺地进入闸室

并保护两岸及河床免受冲刷

下游连接段包括护坦、海漫

防冲槽及两岸翼墙和护坡等

用以消除过闸水流的剩余能量

引导水流顺利出闸

防止下游冲刷

水闸一般建于中下游河道

遇到土基甚至是软土地基的情况较多

其工作特点有以下几个方面

1、土基

特别是软土地基

抗滑能力差

抗冲能力低

沉陷量大

易发生不均匀沉陷

易发生渗透变形

2、水流特点

水闸泄流时

尽管流速不高

但水流仍具有一定的剩余能量

而土基的抗冲能力较低

可能引起冲刷破坏

消能困难

另外

水闸下游易产生波状水跃、折冲水流等

加剧对河床和两岸的淘刷

3、渗流特点

土基在渗流作用下

易产生渗透变形

特别是粉砂、细沙地基

闸后易出现流土现象

严重时引起闸基和两岸掏空

造成水闸沉降、倾斜、断裂甚至倒塌

基于水闸的上述工作特点

在水闸设计时需要重点关注

以下几点设计要求

1、保持水闸的力学稳定

要求水闸在重力、水头差

扬压力等主要荷载作用下

能保持稳定

防止发生滑动和倾覆失稳

2、保证水闸的渗透稳定

防止闸基、两岸的渗流产生渗透破坏

3、保证泄水水流稳定

做好消能防冲设计

避免出现危害性的冲刷

避免产生波状水跃

折冲水流等不稳定流态

一座水闸能否满足上述要求

闸址的选择是关键

关系到工程的成败和经济效益的发挥

闸址的选择应根据功能、特点和运行条件

综合考虑地形、地质、水流、潮汐

泥沙、冰冻、施工、管理、周围环境等

经技术经济综合比较后确定

一般来说

闸址应选择在地形开阔、岸坡稳定

岩土坚实、地下水位较低的地点

考虑的重点在于过闸水流的流态

需确保过闸水流平顺

流量分布均匀

不出现危害性冲刷或淤积

应优先选用地质条件较好的天然地基

壤土、中砂、粗砂、砂砾石地基

均可作为水闸地基

尽量避开淤泥质土和粉沙、细沙地基

闸址选定之后

下一步需进行闸孔的设计

设计内容包括

选择堰型、确定堰顶或底板高程

确定单孔尺寸及闸室总宽

对于堰型

常用的有宽顶堰和低实用堰

其特点及设计要点

参见溢洪道一章中的相关内容

此处不再赘述

对于闸底板高程

需根据任务、过流量、上下游水位

地质条件、工程造价等因素综合确定

闸底板应置于较为坚实的土层上

并应尽量利用天然地基

在地基强度满足要求的条件下

底板高程定的高

则闸室宽度大

两岸连接建筑物相对较低

减少工程量

适用于小型水闸

而在大、中型水闸中

为降低闸室工程量

需适当降低底板高程

但是底板高程越低

单宽流量增大

将会加大下游的消能防冲工程量

另外造成闸门高度增加

启闭设备容量也需要增加

对于闸孔尺寸

涉及单孔尺寸和闸室净宽

需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

分别对不同的水流情况进行计算

如图所示

当水流为堰流时

采用堰流公式初步计算闸孔总净宽L0

当水流为孔流时

采用孔流公式

对于闸孔的总净宽L0

其数值的增大或减小

意味着过闸单宽流量的减小或加大

而单宽流量的大小

将直接影响水闸的消能防冲的难度和工程量

因此

还需要结合河床地质情况

上下游水位差及下游水位等条件

选择适宜的最大过闸单宽流量

根据一般经验

对于粉砂、细砂地基

最大单宽流量可选为5~10m3/(s·m)

砂壤土地基

10~15m3/(s·m)

壤土地基

15~20m3/(s·m)

坚硬的粘土地基

20~25m3/(s·m)

闸孔总净宽确定后

下一步为选定单孔宽度及确定闸孔的孔数

单孔宽度l0

需根据闸门型式、启闭设备条件

闸孔的运行条件和工程造价等因素选定

大、中型水闸工程中

单孔宽度一般可选为8~12m

由初步选定的总净宽L0和单宽宽度l0

可计算闸孔孔数n=L0/ l0

设计中应取略大于计算值的整数

但总净宽不宜超过计算值3~5%

当孔数较少时

为便于闸门对称开启

使过闸水流均匀

孔数宜采用单数

当孔数较多时

如多于8孔时

可采用单数或双数均可

确定孔数、单孔宽度后

再结合闸墩厚度d

可以初步计算闸室总宽L1

公式如图所示

从过流能力和消能防冲两方面考虑

闸室总宽度应与河道宽度相适应

根据已有经验

闸室总宽与河道宽度的比值

当河宽B=50~100m时

应大于60~75%

当河宽B>200m时

两者比值应大于85%

闸室总宽度初步拟定后

还需考虑闸墩等的影响

进一步验算水闸的过流能力

设计时

通常根据计算结果

初步拟定几种设计方案

然后对不同方案进行技术经济比较后最终确定