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同学们好

本节课我们学习水闸的

消能防冲与闸室设计

水闸过流时

易引起土质河床的冲刷破坏

为了防止对河床的有害冲刷

保证水闸的安全运行

需要采取系列措施

要选用适宜的最大过闸单宽流量

合理地进行平面布置

利于水流扩散

避免或减轻回流的影响

采取相应的消能防冲措施

保护河床及岸坡

以及拟定合理的运行方式

严格按照规程操作运行

对于平原地区的水闸

一般水头较低

下游水位变幅大

一般都采用如图所示的底流消能

其作用是通过在闸下产生

一定淹没度的水跃消除余能

保护水跃范围内的河床免受冲刷

当尾水深度引起的淹没不能满足消能要求时

可以降低护坦高程

或在护坦末端设置消力坎的方式

使水流在消力池内产生一定淹没度的水跃

有时也可以在护坦上设置消力墩等辅助消能工

消力池布置在闸室之后

池底与闸室的底板之间用斜坡连接

并在末端布置尾坎

用以调整流态

减小出池水流的流速

防止发生冲刷

水流经过消力池后

虽然大部分能量得到了消除

但是仍留有一定的剩余动能

特别是存在流速分布不均

脉动强烈

仍具有一定的冲刷能力

因此

在消力池护坦之后

仍需设置海漫等防冲加固措施

使得水流均匀扩散

将流速分布逐渐调整到

接近天然河道的水流形态

海漫的布置如图所示

一般在起始段设置5~10m长的水平段

水平段之后设置斜坡

斜坡坡比不陡于1：10

常用的海漫结构有干砌石海漫

浆砌石海漫、混凝土板海漫

以及钢筋混凝土板海漫

无论哪种型式

都需要保证消能的效果

满足三个方面的要求

表面有一定的粗糙度

利于进一步消除余能

具有一定的透水性

以便使得渗水自由排出

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

海漫的铺设长度应根据

可能出现的最不利水位

和流量的情况进行设计

与消力池出口单宽流量

水流扩散情况、水位差

地质、尾水深度、海漫粗糙程度等有关

可根据规范建议的经验公式计算

水流经过上述设置的海漫后

多余的能量得到了进一步的消除

流速分布接近于河床水流的正常状态

但在海漫末端仍可能存在冲刷现象

为保护海漫

常在海漫末端设置如图所示的防冲槽

防冲槽是在海漫末端预留足够的

块径大于30cm的石块

当水流冲刷河床时

预留的石块沿冲刷坑斜坡陆续滚下

散铺在冲坑的上游斜坡上

自动形成护面

使冲刷不再向上游侧扩展

根据工程经验

防冲槽大多采用宽浅式

深度一般为1.5~2.5m

底宽为2~3倍的深度

上游坡率m1一般取为2~3

下游坡率m2取为3

采取上述底流消能

加以消力池、海漫

防冲槽等防冲措施

可以有效保护河床及岸坡免受冲刷

以上是水闸的消能防冲设计

下面简要介绍闸室的设计要点

闸室是水闸的主体

主要设计内容包括

底板、闸墩、闸门、胸墙等

以及闸室的稳定分析和沉降计算

1、底板

常用的有水平底板和低实用堰底板两种类型

水平底板采用的较多

当上游水位较高

而过闸单宽流量又受到限制时

可将堰顶抬高

做成低实用堰底板

当河道较宽、闸孔较多时

需要用横缝将闸室分为若干个闸段

如图所示

每个闸段可为单孔、两孔或三孔

横缝可以设置在闸墩中间

闸墩和底板连在一起

称为整体式底板

在坚硬、密实的地基上

可以在单孔底板上设置双缝

如图所示

将底板与闸墩分开

称为分离式底板

当地基条件较好

相邻闸墩之间不至于出现不均匀沉降的情况下

也可将横缝设置在闸孔底板的中间

底板顺水流方向的长度

取决于地基条件

并需要考虑上部结构的布置

以及闸室抗滑稳定的要求

可根据经验拟定

一般取为上下游水头差的1.5~4倍

底板的厚度

需考虑满足强度和刚度的要求

对于大、中型水闸

可取为1/6~1/8倍的闸孔净宽

一般为1~2m

最薄不宜小于0.6m

2、闸墩

闸墩的顶高程应根据挡水

和泄水两种情况确定

挡水时

闸墩顶高程等于

最高水位+波浪高度+安全超高

泄水时

闸墩顶高程不应低于设计洪水位

或校核洪水位+相应的安全加高

闸墩的布置和设计要求

可参考泄水重力坝一节中的相关内容

3、闸门及门槽

闸门的位置与闸室稳定、闸墩和地基应力

以及上部结构的布置有关

对于平面闸门

一般设置在靠近上游侧

以减少闸墩长度

有时为充分利用水重以增强闸室的稳定性

也可以将闸门移向下游侧

对于弧形闸门

为避免闸墩过长

需要靠上游侧布置

对于平面闸门

需设置门槽

对于工作门槽

深度一般为0.3m

宽深比1.6~1.8

对于检修门槽

深度一般为0.15~0.2m

宽度0.15~0.3m

检修门槽与工作门槽之间的净距不宜小于1.5m

以便检修

闸室的上述各个部分设计完成后

需进行闸室的稳定分析与沉降校核

闸室的稳定性是指闸室在各种荷载作用下

满足3个方面的要求

1、不至于沿地基面

或深层发生滑动失稳

与重力坝的抗滑稳定分析类似

可以采用抗剪强度公式

或抗剪断公式进行计算

并注意选择合理的计算参数

其安全控制标准如表格所示

与水闸的级别和荷载组合条件有关

2、在各种情况下

平均基底压力不大于地基的容许承载力

最大基底压力不大于地基容许承载力的1.2倍

地基容许承载力与地基条件有关

可由现场试验求取

3、不发生明显的倾斜

基底压力的最大值与最小值之比

不大于规定的容许值

与重力坝的应力分析类似

基底压力的计算也可以采用材料力学法

通过偏心受压公式求得

显然

基底两端压力相差越大

地基的沉降差越大

越容易导致闸室倾斜

因此

需要控制闸室的不均匀沉降

和两端压力的差异比例

根据工程经验

闸室两端的沉降差宜控制

在闸室底宽的2/1000以内

以避免对闸室的正常运行产生不利影响

而闸室底板两端压力的差异比例的

控制标准如表格所示

与水闸的级别和荷载组合情况有关

当闸室的稳定性不能满足要求时

可以采取下列措施以提高闸室稳定性

延长铺盖长度或帷幕灌浆的深度

以减小底板上的渗流压力

利用上游钢筋混凝土铺盖作为阻滑板

提供更多的拉力

将闸门位置向下游侧移动

或将底板向上游一侧加长

以便多利用部分水重

增强抗滑力

也可以增加底板齿墙的深度

或者采用钢筋混凝土抗滑桩

及预应力锚固措施等

对于闸室的沉降校核

主要目的在于避免土基变形量大

引起过大的沉降差

造成闸室的倾斜、裂缝和止水破坏

通过沉降计算

可以了解地基的变形情况

以便选用合理的水闸结构型式

确实适宜的施工程序和施工进度

或选择适当的地基处理措施

地基沉降的计算

一般采用分层总和法

可参考土石坝的沉降计算

及土力学课程中相关内容

对于沉降量和沉降差的容许值

对于天然土质地基

最大沉降量不宜超过15cm

沉降差不宜超过5cm

为了减小不均匀沉降

在设计施工中需要注意以下几点

尽量使相邻结构的重量不要相差太大

重量大的结构先施工

使地基先行预压沉降

尽量使得地基压力分布均匀

其最大值与最小值之比不超过容许值

对于不满足沉降要求的地基

可以采用换土垫层、预压排水

桩基础、沉井基础、振冲碎石桩

强夯等地基处理方法

以加固地基

减少沉降量和沉降差

满足工程的要求

以上是本节课的内容

到此

土基上水闸的内容已学习完毕

本章我们学习了水闸的功能及分类

水闸的工作特点及其组成

重点学习了各种水平、垂直防渗

和排水措施的构造设计要点

以及消力池、海漫、防冲槽等消能防冲措施

并介绍了闸室的构造设计

稳定分析和沉降校核相关内容

学习本章时

部分内容可以参考前述重力坝的设计

但需注意二者的区别

深入理解土基上水闸自身的结构

水力和地基特点以及设计内容和要点的差异

本章就到这里

谢谢大家