第六章_水闸.ppt.ppt

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1、第五章 水 闸,主要内容：5.1 概述5.2 水闸的孔口尺寸确定5.3 水闸的消能防冲设计5.4 水闸的防渗排水设计5.5 闸室的布置与构造5.6 稳定计算与地基处理5.7 闸室结构计算5.8 两岸连接建筑物5.9 闸门与启闭机,5.1 概 述,水闸是一种低水头的水工建筑物，它具有挡水和泄水双重作用。与设有表孔闸门的溢流重力坝的区别是:1）水闸水头较低，抬高水位较少，它主要是靠闸门挡水；而溢流坝主要靠闸门下坝体来挡水。2）水闸可建于各种地基上。,一、按担负的任务分：,5.1.1水闸的类型,水闸的类型按所承担的任务分,（1）进水闸（取水闸）位置：建在河流、湖泊、水库或引水干渠等的岸边一侧 作用：

2、为灌溉、发电、供水或其它用水工程引取足够的水量。由于它通常建在渠道的首部，又称渠首闸。,建于河道岸边一侧的进水闸（取水闸）,石龙水闸（进水闸）,（2）节制闸（拦河闸）位置：拦河闸的闸轴线垂直于或接近于垂直河流、渠道布置。作用：截断河渠，抬高河渠水位，控制下泄流量。在航运工程中，拦河闸不仅能为上游航运提供稳定的航道水深，也能通过保持一定泄流量为下游提供稳定的航道水深。在取水工程中，为进水闸（或分水闸）提供高保证率的取水流量。拦河闸在枯水期尽量维持上游水位，以满足取水或航运等需要；在洪水期需要随时泄放上游库区无法容纳的多余流量，避免上游水位过度上涨导致淹没或水灾。在洪水期，拦河闸还必须有足够的泄流

3、能力，以排泄洪水。,某拦河闸（一）,某拦河闸（二）,（3）冲砂闸：作用：排沙。防止泥沙进入取水口造成渠道淤积。将进入到渠道内的泥沙排向下游。将水库的淤沙、淤泥排向下游。在取水枢纽中，冲沙闸的位置一般布置在靠近进水闸处；在水闸枢纽中，冲沙闸往往兼作节制闸。,（4）分洪闸：位置：常建于河道的一侧。作用：分洪。在洪峰到来时，分洪闸用于分泄河道暂时不能容纳的多余洪水，使之进入预定的蓄洪洼地或湖泊等分洪区，及时削减洪峰，确保下游河道安全。待河道洪水过后，分洪区积水又要经过排水闸排入原河道。,分洪闸（一）,分洪闸（二）,（5）排水闸：位置：常建于江河沿岸。作用：排除内涝。当江河水位较低时，开闸排除河岸一侧

4、降雨形成的渍水或生活废水。挡住外河高水位。当江河水位较高时，关闭排水闸，防止江水向河岸倒灌。特点：由于既要排涝，又要挡水，因此排水闸具有闸底板高程较低、闸身较高以及承受双向水头作用的特点。,某小型排水闸,（6）挡潮闸位置：一般建于江河入海口。作用：挡潮：在汛期防止潮水顶托，以免造成内涝；御咸：防止潮水沿江河上溯，以免造成沿河岸地区土地的盐碱化；排水：排除内河高水位；蓄淡：在低潮时期，关闸防止内河淡水流失，以便充分利用内河淡水。挡潮闸与排水闸类似，也承受双向水头的作用。但操作更为频繁。,某挡潮闸（一）,某挡潮闸（二）,中顺大围小榄石龙水闸,水闸的类型按闸室结构的型式分类,1开敞式水闸特点闸室上部

5、没有阻挡水流的胸墙或顶板，过闸水流能够自由地通过闸室。开敞式水闸的泄流能力大，一般用于具有排冰、过木等要求的泄洪闸，如拦河闸、排冰闸等。,开敞式水闸,2胸墙式水闸当上游水位变幅大，而下泄流量又有限制时，为避免闸门过高，常设置胸墙。胸墙式水闸在低水位过流时，属于开敞式水闸自由出流；在高水位过流时，属于孔口出流。胸墙式水闸多用于进水闸、排水闸和挡潮闸等。绝大多数大中型水闸为开敞式水闸。,胸墙式水闸,3封闭式或涵洞式水闸闸（洞）身上面填土封闭的水闸，又称涵洞式水闸。填土可增加闸室的稳定，代替交通桥，当水头较高时往往是经济的，但地基压力较大，常用于穿过堤防的水闸。涵洞可做成有压的或无压的。前者（有压涵

6、洞）多用于排砂闸和排水闸，后者（无压涵洞）则多用于小型分水闸。,封闭式水闸,某涵洞式水闸,水闸的类型按规模分类,根据国内已建水闸工程的设计经验，一般以设计或校核过闸流量的大小作为划分水闸规模的依据，例如：过闸流量等于或大于1000m3/s者为大型水闸；过闸流量在1001000m3/s间者为中型水闸。过闸流量小于100m3/s者为小型水闸。我国葛洲坝水利枢纽的二江泄水闸，过闸流量达83900m3/s，属特大型水闸，或称巨型水闸。也有的以设计水头高低（反映为闸高）作为划分水闸规模的依据，例如：闸高在810m以上者为大型水闸，闸高在810m以下者为中、小型水闸等。,5.1.2 水闸的工作特点和设计要

7、求,水闸可建在岩基上，也可建在土基上。对于建在岩基上的水闸，其工作特点与岩基上的混凝土重力坝相似。本章主要介绍建在土基上的水闸的工作特点。作为土基上低水头的挡水、泄水建筑物，水闸有如下工作特点。,水闸的工作特点,（一）水的方面 水闸在水的作用下，需要解决以下几个方面问题。1稳定问题水闸在关闭闸门挡水的时候，闸室上、下游形成一定的水位差。在水的推力作用下，闸室在自重和水重的作用下必须维持自身的稳定。包括整体抗滑稳定和结构构件稳定（如底板、闸墩、胸墙等构件的稳定）。,水闸荷载图,2渗流问题上、下游水位差在水闸的闸基下部和闸室两岸均会产生渗流。闸基渗流和岸坡绕渗不仅导致水库漏水，更重要的是可能导致在

8、闸基、岸坡以及渗流出逸处发生渗透变形；此外，渗压还对闸室和两岸联接建筑物的稳定产生不利影响。,水闸渗流流网图,3高速水流问题 水闸下泄的高速水流问题，主要表现在3个方面：（1）消能问题 水闸在开闸泄水时，下泄的高速水流具有较大的能量，可能对河床和河岸产生不利冲刷。因此必须采用合适的消能措施进行消能。水闸最常用的消能方式为底流消能，即利用水跃将水能消耗在消力池中。,水闸消能,（2）远驱水跃和波状水跃当闸室下游无水或水深很浅时，可能在闸下产生远驱水跃。远驱水跃不在消力池范围，将直接冲刷河床，严重威胁闸室的安全和两岸岸坡稳定。当闸室上、下游水位差较小，且水流佛氏数较小时，可能在闸下产生波状水跃。波状

9、水跃是一系列起伏不大的不完全水跃，消能效果极差。,（3）折冲水流 当闸孔孔数不多或开启不均匀时，过闸水流宽度远小于下游河床宽度，此时过闸水流先收缩后扩散，水流可能使主流偏向河床的一边。当水流条件变化时，主流可能左右急摆，形成左冲右突的折冲水流。,波状水跃,折冲水流,（二）地基方面 平原地区的水闸常建于土基上。平原地区土基的特点：土层分布复杂，可能夹有压缩性大、承载能力低、抗震强度差的软土；可能含有结构松散、易于液化、抗冲能力低的粉砂或细砂层；抗冲刷能力差，允许渗透坡降低，对防渗、消能不利。软土地基对闸室本身的稳定和沉降将带来严重的影响，因此，在水闸设计时，应：采用适当措施，进行地基处理；适当控

10、制渗流；加强消能防冲措施。,（三）结构方面 水闸的闸室结构与大体积的重力坝或散粒体的土坝有较大差别。1构件方面 它是由闸墩、底板、胸墙等薄壁构件组成的空间结构体系，因此对闸室构件在强度和刚度方面均有一定要求。2受力方面 闸室整体结构和某些构件受力条件复杂，承受水压力、自重、地基反力等不同性质的荷载。3结构分析方面 在进行闸室结构设计计算时，一般并不采用相对复杂的有限元法，而是将整个结构视为板、梁、柱等独立构件构成，分别对这些构件用结构力学、材料力学方法进行设计计算。,5.1.3 水闸的组成,水闸由闸室段和上游联接段、下游联接段3大部分组成。,1闸门；2底板；3闸墩；4胸墙；5工作桥；6交通桥；

11、7上游防冲槽；8上游防冲段、铺盖；9上游翼墙；10上游护岸；11护坦；12海漫；13下游防冲槽；14下游翼墙；15下游护岸,土基上水闸的组成示意图,水闸的组成,（1）闸室段 闸室段是水闸的主体。A）闸室段的作用控制水流；联接两岸和上、下游段。B）闸室段的组成 闸门、闸墩、底板、胸墙、工作桥、交通桥、启闭机等。1闸门 用于控制上游水位和调节下泄流量。闸门安放在闸底板上，横跨孔口，由闸墩支撑。闸门分为检修闸门和工作闸门。工作闸门用于正常运用时挡水、控制下泄流量。常用的型式有平面闸门和工作闸门。检修闸门多用平面叠梁门。,2闸墩 闸墩用于分隔闸孔、支撑闸门，同时用作桥墩支撑上部桥梁、安装闸门启闭机等设

12、备。闸墩将闸门、胸墙以及闸墩本身挡水所承受的水压力传递给底板。3底板 底板是闸室段的基础，它将闸墩、上部结构的重量、以及底板自重和所承受的水重一起传给地基。建在软基上闸室主要由底板与地基间的摩擦力来维持稳定。底板它还具有防冲、防渗的作用。,4胸墙 胸墙设于工作闸门上部，帮助闸门挡水。在上游水位变幅较大的情况下，完全用闸门挡水将导致闸门尺寸和启闭机等设备过大。设置胸墙后，可以大大减小闸门尺寸。胸墙也可以做成活动型，当遭遇特大洪水时开启胸墙加大泄流量。底板、闸墩和胸墙通常为混凝土或钢筋混凝土结构，小型水闸也可采用浆砌石结构。5工作桥 工作桥用于安装卷扬式启闭机，便于工作人员操作。6交通桥 交通桥连

13、接两岸交通，供汽车、拖拉机、行人通过。,（二）上游联接段1.上游联接段的作用 主要作用是引导水流从河道平稳地进入闸室，兼有防冲、防渗作用。2.上游联接段的组成 一般包括上游翼墙、铺盖、护底、上游防冲槽和上游两岸护坡等。1）上游翼墙 引导水流，使之平顺地流入闸孔；抵御两岸填土压力，保护闸前河岸不受冲刷；并有侧向防渗的作用。,2铺盖 主要起防渗作用，其表面还应进行保护，以满足防冲要求。3护底 设在铺盖上游，起保护河床作用。4上游防冲槽 铺盖或其防护的上游端有时设置上游防冲槽，以保护铺盖不致损坏。5上游两岸护坡 上游两岸要适当进行护坡，其目的是保护河床两岸不受冲刷。,（三）下游联接段A）下游连接段的

14、作用 从闸室出来的水流具有相当的能量，因此下游联接段的主要作用是：消除下泄水流的动能，顺利与下游河床水流连接，避免发生不利冲刷现象。B）下游联接段组成 一般包括护坦（包括消力池）、海漫、下游防冲槽（防淘墙）、下游翼墙、护底和两岸护坡等。,消力池：消力池是消刹水能的主要区域，护坦：护坦是消力池底板，保护河床底部，从而保护闸室的安全。辅助消能工：有时，要在消力池内设置辅助消能工，增强消能效果。海漫：海漫则用于进一步消除水流余能，保护河床免受冲刷。下游翼墙：下游翼墙导引水流均匀扩散，并有挡土、防冲作用。下游防冲槽：下游防冲槽的作用是防止海漫末端冲刷，避免河床局部冲刷向上游发展。下游护坡和护底：下游护

15、坡和护底的作用与上游相同。,5.1.4 水闸的等级划分 和洪水标准,见课本P132P133，表5-1、表5-2、表5-3、表5-4,5.2 水闸的孔口尺寸确定,5.2.1 闸孔和底板型式选择土基上的拦河闸，闸孔型式多采用开敞式宽顶堰。在地基条件较好的拦河闸可以采用驼峰堰。岩基上的水闸常采用实用堰。开敞式宽顶堰：结构简单、施工方便、地基应力均匀，泄流能力大、上游水位壅高较小，有利于完成冲砂、排污等其他任务。宽顶堰的流量系数为0.360.385。驼峰堰和实用堰：流量系数较宽顶堰大，可以使枢纽布置更紧凑。水闸上的实用堰多为低堰，其流量系数参考有关文献。实用堰：在淹没出流的情况下，流量系数急剧减少。因

16、此，经常或主要工况为淹没出流的泄水闸不宜于选用实用堰。上游水位变幅较大的水闸，可以考虑设置胸墙，以减少闸门挡水高度和闸门受力。,5.2.2设计流量和上、下游水位的确定1）拦河闸设计流量:根据工程等别确定相应的设计洪水流量Q设和校核洪水流量Q校。上、下游水位下游水位：由下泄流量查下游河道天然水位流量关系曲线确定。上游水位：（1）正常蓄水位 拦河闸的上游正常蓄水位，要根据泄水闸承担的任务，建成后上游淹没损失等因素确定。在正常运用情况下，拦河闸的任务是控制上游水位为正常蓄水位，以满足取水、航运等的要求。,（2）最高水位 泄水闸的上游最高水位由水闸的泄水能力特性决定。泄水闸泄放校核洪水时，其上游水位为

17、最高水位。此时，闸门全开下泄洪水流量，上游水位等于校核洪水流量下天然河道水位加上上游水位壅高。在平原地区建水闸，往往对上游水位壅高值的限制较严。一般在洪水期泄洪时，上游水位壅高值只允许控制在0.10.3m，否则将造成较大的上游淹没。修建在山区和丘陵地区的水闸，其上游水位壅高往往没有严格限制。可以根据水闸的任务、上游淹没损失、工程造价、两岸堤防、地下水位等因素，经多方案综合比较后确定。,2）进水闸设计流量：等于渠道的设计取用流量。上、下游水位：进水闸的上游水位：为水库正常蓄水位或河道最低水位。从河道取水流量较大时，要考虑取水口处河道水位局部降落，进水闸的下游水位：由渠系规划和水闸额定取水流量来确

18、定。3）排水闸：设计流量：由设计暴雨、汇水面积及排水时间确定。上、下游水位：上游水位：为渍水区内或排水渠末端相应于排水设计流量时的水位；下游水位：低于上游水位0.050.1m。,5.2.3 闸底板高程的选定1）拦河闸：拦河闸的底板为平底板时，闸底板的面高程等于或略高于河底高程，有利于减轻闸前泥沙淤积。2）进水闸：进水闸的底板高程应该高于冲砂闸或泄水闸的底板高程。在地基条件好和上游水位较高的情况下，可以尽量提高底板高程，或采用泄流能力高的实用堰。,5.2.4 过闸单宽流量的确定决定单宽流量大小的主要因素是河床抗冲能力。当选择较大的单宽流量时，可以减少拦河闸的闸室数量和缩短泄水前缘总宽度，降低闸室

19、总造价。但是，较大的单宽流量对河床冲刷破坏的能量增大，容易发生冲刷破坏，需要加强消能防冲设施和护底措施，增大相应造价。河床抗冲能力还与水流条件有关。在水深较大，上下游水位差较小，出闸水流扩散较平顺的情况下，同样的土基条件可以承受较大的单宽流量冲刷。在我国一般采用的单宽流量为530m3/s，下表为江苏省对不同闸基土壤选用单宽流量的经验值。在砂砾石地基上可以取更大的单宽流量。,不同土壤不冲单宽流量表,5.2.5 闸孔宽度的确定一、闸孔总净宽B0的确定（1）堰流时：当堰顶处于高淹没度（hs/H00.9)时，(2)孔流时：,（5-1）,（5-7）,（5-9）,二、闸室单孔宽度 b 的确定 我国大中型水

20、闸的单孔宽度一般采用812m。三、闸室总长度L的确定闸室总宽度L=nb+(n-1)d，其中，d为闸墩厚度 闸室总宽度拟定后，尚需要考虑闸墩等的影响，进一步验算水闸的过水能力。从过水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。,5.3 水闸的消能防冲设计,一、水闸消能防冲的特点 与高水头泄水建筑物相比较，水闸的消能防冲具有以下显著的特点。（1）上游水头小 由于水闸大部分建在平原，水闸的上游水头较小，下游水深变化大，加上河床土壤抗冲能力较小，一般无法采用挑流式消能工。只有下游河道有足够的稳定水深，并且河床条件较好的个别情况下，才考虑采用面流式消能方式。因此，在水闸工程中，广泛地采取底流

21、式消能方式。,（2）上下游水位落差小，水流佛氏数低 这种情况多发生在大流量泄流情况。此时往往是形成不完全水跃，甚至是波状水跃，消能极不充分，加大了下游防冲的护岸护底工程。（3）大流量泄流不一定是最危险工况 大流量泄流时，上、下游水位差很小，消能防冲的任务更多地在于防冲，顺利地完成上、下游水面线的衔接。,小流量泄流时，上下游水位差相对较大。不论是部分开启闸孔还是闸门控制开启泄流，由于总下泄流量较小，下游水位较低。此时，如果设计不当，容易因水深不足而形成远驱水跃冲刷河床。因此，泄水闸最危险工况常发生在下游无水的初始开启。如宽敞河道上的多孔水闸中，如果全开其中一孔，往往因下游水深较浅，局部单宽流量大

22、，水流流速高，能量集中，从而产生不利冲刷。（4）地基条件较差 土基抗冲能力低，经过消能工的余能如处理不当，仍然可能冲刷河床。根据上述分析可知，水闸消能设计的基本原则是：促使水跃发生在闸下一定范围内，最大限度地通过表面水滚消能，避免造成下游河床冲刷。,二、水闸消能防冲布置,水闸闸下消能防冲典型布置图,多数水闸采用底流消能方式。在底流消能中，水跃发生区域的水流非常紊乱，只有将水跃限定在指定位置，对其底部采取专门的保护措施，才能保护河床不被冲刷。为达到上述目的，主要采用如下几种措施：护坦。保护水跃范围内的河床不受水流冲刷。护坦一般是钢筋混凝土结构，要求具有足够的抗冲、抗浮能力。消力池。创造形成淹没水

23、跃的条件。为了将水跃控制在一定范围内，并保证形成淹没水跃，需要在下游形成一定水深，因此将护坦高程下降并低于下游河床或用高于下游河床的尾坎使之形成消力池。消力池实质上就是形成水跃、消刹能量的地方。护岸。在消力池的两侧，设置边墙，以保护两岸。海漫。消除消力池水流的余能。防冲槽。进一步消除水流的余能，防止河床被淘刷，进一步保护水闸闸室的安全。,（一）消力池 消力池的结构型式和尺寸应充分满足底流水跃消能的要求。个别建在多泥沙河流上的拦河闸，不设消力池。1水跃共轭条件,（1）跃后共轭水深h”与跃前收缩断面水深hc之间的关系（2）收缩断面水深hc的确定 消力池内形成水跃时，闸孔为自由出流。闸孔自由出流情况

24、下，跃前收缩断面水深hc决定于上游水位Zu与消力池底板之间的高程差E0，可按下式计算。（3）跃后共轭水深h与下游水深的关系 当下游水深不能满足共轭水深条件时，将形成远驱水跃或淹没水跃。此时，应采用合适的消力池结构促使水跃发生在消力池内。,（5-15）,2消力池的结构形式 当下游水深在任何一级流量下都能等于或大于产生水跃的共轭水深时，不需要设置专门的消力池，消力池的底板可以做成与河底平齐的平底。但是，这种情况在工程中很少见。多数情况下表现为下游水深小于共轭水深，或表现为部分流量条件下大于共轭水深、部分流量条件下小于共轭水深。为了在各级流量下均满足水跃共轭条件，常采用消力池来适应这种水位变化。消力

25、池的形成大致有以下几种：（1）挖深式，如图(a)；（2）消力坎式，如图(b)；（3）综合式，如图(c)。,消力池结构形式,消力池的底板一般低于闸室底板，形成下降式消力池。在水闸底板与消力池之间，采用直线型斜坡连接段连接。斜坡坡度为一般1:31:6。在一般的情况下，闸下流速较高者宜采用较平缓的连接坡度。对于落差较大、流速较高的情况，连接段可以考虑采用曲线，曲线形状多为抛物线。消力池最好是采用矩形等宽断面，其宽度一般与闸室总宽一致。这种型式的池内单宽流量分布均匀，水流流态好，消能效果好。为了适应下游河道地形，也可以做成扩散式，减少单宽流量。扩散段一般与急流斜坡段布置在一起，扩散角不超过7。此外，还

26、有渐扩式消力池，突扩式消力池等形式。,3消力池的深度 消力池的深度应该使池内水深对水跃产生一定的淹没度，以保证在下游水位波动或下泄流量突变等情况下，不致于使水跃转变为远驱冲刷下游河床。淹没度为510%。,消力池深度按下式计算：,d=0 h-t-Z,式中：0淹没系数，取=1.051.10；t 下游水深；h形成水跃的共轭水深；Z涌浪高度，,消力池计算深度d 等于或小于零时，表示无需设置消力池也能满足共轭水深要求。,（5-16）,（5-13）,4消力池的长度 消力池总长度包括斜坡段和护坦水平段。Lsj=Ls+Lj 式中 Ls斜坡段水平投影长度；Lj自由水跃长度；水跃长度校正系数，=0.70.8。水平

27、段是发生水跃的地方，由于池末尾坎的壅水作用，水跃长度一般可以缩短到自由水跃长度Lj的0.70.8倍。也有一些文献规定，护坦水平段的长度等于一个自由水跃的长度。自由水跃长度Lj=6.9(h-h)。,（二）护坦-消力池底板1护坦的作用 护坦位于消力池底部，是消力池的底板，保护消力池部位河床不受冲刷。在消力池范围内，水流流态非常紊乱，底部流速大，压力脉动和流速脉动大，需要有相当坚固的结构保护河底。护坦就是保护河床不受水流冲刷，进而保证闸室安全的重要设施，即使是平底板消力池也需要用护坦护底。2护坦的材料 护坦一般为100#150#混凝土。,3护坦的厚度 护坦板的厚度，主要应考虑两方面的因素：抗冲和抗浮

28、。抗冲：护坦在工作时需要满足在水流冲击作用下不会掀起和下移。根据动量方程，护坦板在下泄水流的冲击下，提供的反力应足以抵抗水流的动量。据此，护坦的抗冲厚度为：抗浮：护坦在扬压力和脉动压力的合成作用下不至于浮起。作用在护坦板上的主要荷载有：自重、扬压力、水重、脉动压力等。因此，护坦的抗浮厚度为：,式中：t消力池底板始端的厚度；H闸孔泄水时的上下游水位差；k1消力池底板的计算系数，k1=0.150.20；k2消力池底板的安全系数，k2=1.11.3。U作用在消力池底板底面的扬压力（kPa）；W作用在消力池底板顶面的水重（kPa）；Pm作用在消力池底板上的脉动压力（kPa）；b消力池底板的饱和容重（k

29、N/m3）。设计时，应取上述两式中较大值作为护坦板厚度。护坦的厚度一般采取变厚度，即：上游端的厚度大于下游端的厚度。,（三）海漫1海漫的作用 水流在护坦内消刹了大部分能量后进入海漫。这时水流仍然保持着一定的剩余能量，特别是水流的垂直流速分布不均，底部流速仍然较大，水流脉动也很剧烈。海漫的作用就是要消除水流的余能，调整流速分布，均匀地扩散出池水流，使之与天然河道的水流状态接近，以保护河床免受冲刷。2海漫的结构海漫的结构应该具有一定的柔性的，能够适应地基的不均匀沉陷；海漫应该是透水的，能够顺利地排出渗水，降低扬压力；海漫表面应做成粗糙的，以加大与水流的摩擦，有利于消除余能和调整流速分布；海漫一般做

30、成等于或缓于1:10的斜坡；海漫下面应设垫层。,3海漫的长度,式中Lp海漫长度（m）；qs消力池末端单宽流量（m3/s）；Ks海漫长度计算系数，可参考下表。,Ks值表,Ks值表,4海漫的构造 海漫的构造和抗冲（抗磨）能力应与其上通过的水流流速相适应。常用的构造形式有：（1）干砌石海漫 用直径大于30cm的块石砌筑，厚度为0.30.7m。干砌石的块体直径越大，砌筑得越紧密，干砌石海漫的抗冲流速越高。砌石下通常铺设碎石垫层。为了增加抗冲能力，每隔610m修建一道浆砌石埂。（2）浆砌石海漫 用水泥砂浆将块石砌筑而成。浆砌石的抗冲能力大于同样粒径大小的干砌石海漫，但柔性和透水性较差，常布置在海漫紧接消

31、力池的前1/3处。浆砌石海漫中应设排水孔，下设反滤层。,（3）抛石海漫 用块石堆筑抛填而成。抛石海漫的结构简单，施工速度快，整体柔性好。石块越大，其抗冲流速越大。可按下式选取石块粒径。,式中：d抛石粒径，m；v 水流流速，m/s。,（4）混凝土海漫 在缺乏石料的地方，可用混凝土板铺筑形成海漫。混凝土板一般为正方形，边长2-5m，厚0.1-0.2m。混凝土板下设反滤层或碎石粗砂垫层。混凝土海漫的抗冲流速可达6-8m/s。,（5）其他构造 此外，海漫还有铁丝石笼、梢捆、钢筋混凝土等结构型式。（6）组合式海漫在工程中，常采用不同材料、不同型式的海漫组合在一起的形式，往往能取得较好的效果。组合海漫的布

32、置原则是先硬后软。上游段采用抗冲流速较高的材料，下游段采用柔性好的材料。,（四）防冲槽和防淘墙 经过海漫的水流基本上已接近于河道流速正常分布，但是仍然有可能冲刷河床。要想完全消除河床冲刷，必须设置相当长的海漫长度，这样非常不经济。为了保护河床可能发生的不利冲刷，常常在海漫末端设置防冲槽。防冲槽内由一定粒径的块石填充而成，当海漫末端发生河床底部冲刷时，防冲槽内的块石会向下滚落，自动补充到被冲刷的河床上，防止冲刷进一步向上游发展，影响海漫的安全。防冲槽的尺寸应根据可能冲刷深度确定，槽内石块体积应略多于继续冲刷后形成护坡的石头方量。在我国，防冲槽多采用宽浅式，顶宽1017m，槽深1.52.0m。,在

33、海漫末端设置垂直向下的防淘墙，也可以防止海漫下游可能发生的冲刷。防淘墙垂直插入基础土壤中，其底部高程要低于可能冲刷深度。海漫末端的河床冲刷深度可按下式计算。,式中：qm海漫末端的单宽流量；v0河床土质允许不冲流速(m/s)；hm海漫末端河床水水深。,（五）辅助消能工 在消力池中，可以加设辅助消能工，其作用是促成水跃，提高消能效果，减小消力池的长度和深度，降低尾坎高度。最用的辅助消能工有：尾坎、趾墩、消力墩、消力梁等。辅助消能工的体型、布置、所起的作用、消能率等，往往需要通过水工模型试验获得较理想的效果。在实际工程中，需要何种辅助消能工，应针对工程存在的问题设置。,1趾墩；2消力墩；3尾坎,（六

34、）翼墙和护坡下游翼墙的作用是保护闸下两岸不受冲刷，并帮助水流均匀扩散。翼墙的长度一般不小于海漫的长度。在消力池范围内，翼墙（或导墙）最好做成铅直的，在池后缓流区再用扭曲面或其他方式与下游坡连接。在闸室下游一定长度的河岸边坡要进行保护。护坡形式有：浆砌石、干砌石、混凝土板。护坡坡脚与海漫、防冲槽的连接处要有可靠连接，如设置防淘墙等。水闸上游的水流流速往往较大，也应该进行护底和护坡。,5.4 水闸的防渗排水设计,一、水闸的地下轮廓布置（一）水闸地下轮廓线的几种情况 水闸地下轮廊线，是指闸基渗流场的第一根流线。水闸闸下防渗一般包括上游铺盖、板桩、闸底板和不透水护坦板等设施。因此，水闸地下轮廓线一般为

35、：从防渗铺盖前端开始，沿铺盖、板桩、底板及护坦，到下游排水的前端为止。地下轮廓线的布置原则是“上堵下排”。“上堵”主要指：在闸基靠近上游侧以防渗为主，采取水平或垂直降渗措施，阻截渗水，消耗水头。“下排”主要指：在防渗体的下游侧以排水为主，尽快排除渗水，降低渗压。,不同防渗排水布置对闸底渗压的影响。（1）上游采用防渗铺盖和板桩、闸底板及护坦底部无排水、海漫底部设排水的情况（图a）,1铺盖；2板桩；3护坦；4海漫；5排水及反滤层,如图（a），由于底板及护坦底部均未设排水，虽然采取了铺盖、板桩等防渗措施，但作用在底板及护坦上的渗透压力仍然较大。,（2）上游采用防渗铺盖和板桩，闸下排水向上游延伸至护坦

36、底部的情况（图b）,1铺盖；2板桩；3护坦；4海漫；5排水及反滤层,如图（b），上游采用防渗铺盖和板桩，闸下排水向上游延伸到护坦板的底下。与图（a）相比，护坦底部没有渗透压力，因此闸底渗压也明显减小。,（3）上游采用防渗铺盖和板桩，闸下排水向上游延伸至闸底后半部的情况（图c）,如图（c），上游采用防渗铺盖和板桩，闸下排水进一步前伸到闸底的后半部。与图（b）相比，闸底板承受的渗压更小。,1铺盖；2板桩；3护坦；4海漫；5排水及反滤层,（4）上游采用防渗铺盖，在铺盖上游端设板桩，闸下排水向上游延伸至铺盖下游端的情况（图d）,1铺盖；2板桩；3护坦；4海漫；5排水及反滤层,如图（d），闸底板完全没有

37、渗压。,（二）不同地基条件下，水闸地下轮 廓线的布置1粘性土地基特点：粘性土地基自身的渗透系数小，而其摩擦系数则较小。在进行地下轮廓布置时，应该以降低闸底渗压、提高闸室稳定性为主。措施：（a）尽可能将排水向上游延伸，减小闸底板渗透压力。如：将闸下排水的上游端延伸到闸底板，甚至延伸到整个底板（如图d）。（b）闸室上游以防冲为主，如：采用混凝土铺盖。（c）尽量不设置板桩。粘性地基在固结后，土体结构致密。如果设置板桩，则可能破坏粘性土的天然结构，在板桩与地基间形成集中渗流通道，反而不利于防渗。,2砂性土地基特点：砂性土闸基的特点是摩擦系数较大，有利于闸室抗滑稳定。但是，砂性土抵抗渗透变形的能力较差，

38、渗透系数也较大，故防渗设计时应以防止渗透变形和减少渗漏为主。措施：（a）当砂土层很厚，且为粗砂或砾石时 一般采用铺盖与闸底板上游端板桩或垂直防渗墙相结合的方式来增加渗径、减小渗透坡降。板桩达不到不透水层时，称为悬挂式板桩。排水一般设在护坦底部即可（如图b），不必再向上游延伸。（b）当砂土层很厚，且为细砂时 除采用上述措施外，还可以在铺盖的上游端加设短板桩，以增加渗径，减小渗透坡降。,（c）当砂土层较薄，且不透水层埋深不大时 当砂层较薄、不透水层埋深不大于水头的（11.5）倍时，最好是采用齿墙或板桩切断砂层（图c），彻底切断闸下渗流通道。这时，在护坦底部仍需设置排水。这样，渗压、渗透变形、漏水等

39、问题都可以得到较好解决。（d）当地基为粉细砂时 粉砂地基容易在动荷载作用下发生液化，应尽量将闸基四周用板桩封闭起来。这时，由于下游侧增设了板桩，底板下渗透压力有所增加，应在上游侧适当加强防渗，以提高闸室的稳定性（e）当地基为双层或多层地基时 对于上层为弱透水而下层为强透水的双层或多层地基，除根据上层地基情况采取防渗措施外，还是考虑承压水作用，验算上部覆盖层的抗渗、抗浮稳定性。必要时可在消力池设深入强透水层的排水减压井。,（三）闸基防渗长度的确定 铺盖、板桩和闸底板等不透水部分与地基的接触线是闸基渗流的第一条流线，称为地下轮廓线。其长度即为闸基的防渗长度。应满足：L=CH，式中：C-渗径系数，见

40、表5-3；H-上下游水位差。,二、防渗排水设施（一）水平防渗-铺盖。铺盖材料有粘土、混凝土板、钢筋混凝土板、土工膜等。1粘土铺盖粘土铺盖应不透水，一般要求粘土的渗透系数比地基土壤的渗透系数小100倍以上，常为k=10-510-7cm/s。粘土铺盖在与水闸底板上游面接触处紧密贴紧，不透水。粘土铺盖厚度应满足铺盖土体本身的允许坡降。一般自上游向闸底板逐渐加厚。上游端的最小厚度由施工条件决定，一般为0.50.75m。底板处的厚度由粘土的渗透坡降决定，一般为上下游最大水头的1/4。粘土或壤土铺盖的表面应该设保护层，防止水流冲刷或其它破坏。,2混凝土板铺盖混凝土或钢筋混凝土铺盖的最小厚度不小于0.4m；

41、顺水流方向每隔820m设一道永久缝，以适应温变化度和不均匀沉陷。缝宽一般23cm。在混凝土板铺盖与闸室底板连接处应设置止水。止水片的材料为紫铜片、塑料片。3防渗土工膜铺盖防渗土工膜的厚度根据作用水头、膜下土体可能产生裂隙宽度、膜的应变和强度等因素确定，一般不小于0.5mm。土工膜上部铺设保护层，下部设垫层，防止树枝、石子等硬物刺破。,4铺盖的长度铺盖的长度根据闸基防渗需要确定，一般采用上下游最大水位差的35倍。过度向上游延伸铺盖长度对降低闸基渗透坡降、减少扬压力作用不大，工程量却增加不小。因此，当铺度长度不能满足防渗要求时，可采用垂直铺盖、改变排水布置等措施解决问题。,（二）垂直防渗垂直防渗设

42、施有钢板桩、钢筋混凝土板桩、木板桩、混凝土防渗墙、高压旋喷灌浆帷幕等。木材来源困难，木板桩易劈裂，施工质量难以保证。目前，除少数小型临时性工程外，木板桩已很少使用。钢板桩强度大，容易打入地基，用锁扣连接后漏水少。钢板桩成本较高，在中小型工程中目前很少用，但在一些大型工程中使用时，能够加快施工速度。钢筋混凝土板桩下端为楔形，以便于打入地下。板桩两侧采用梯形榫槽，用锁扣装置连接，可减少板桩成形后的桩间漏水。板桩用强夯逐渐打击进入预定位置。钢筋混凝土板桩的最小厚度不小于0.2m，宽度不小于0.4m。,（三）排水措施1排水层 闸下排水层一般采用透水性很好的卵石、砾石、碎石等材料平铺在设计位置，以便顺利

43、地排除渗水。排水石料的粒径一般为12cm，在下部与地基面之间应设置反滤层。闸下排水向上游延伸的位置由地下轮廓布置确定，在粘性土地基上可以一直延伸到闸底板下面。2排水孔 在护坦底部设有排水层时，常在护坦的后半部设排水孔。排水孔呈矩形或梅花形，孔径58cm，孔距1.01.5m。,三、闸基渗流计算水闸渗流计算的目的：计算闸下渗透场的各渗透要素，如渗透压力分布、渗流出逸处的渗透坡降等。闸基渗流计算的方法主要有：流体力学的理论解法、水力学法和试验法。（1）流体力学的理论解法 由流体力学知，在各向同性地基中，闸基渗流满足下式的拉普拉斯方程：式中 H渗流场内的水头函数。解析解：拉普拉斯方程在理论上存在解析解

44、。但是，只有在边界条件十分简单的情况下才能求得其解析解。对于实际工程中的复杂边界是很难得到直接求解公式的。尽管如此，流体力学的理论解是其它各种解法的基础。,有限元法：近年来得到广泛应用的有限元法，是流体力学的数值解法之一。流网法：流网法是流体力学法的一种图解法。流网由流线和等势线组成，相互正交。用流网法可以适用于各种情况，是工程中解决渗透问题的简单而有效的方法。（2）试验法 试验法是一种比较精确的解法，能够解决较复杂的边界条件和三维渗流问题。试验法需要一定的设备条件，且试验周期较长，一般用于解决重大工程或复杂工程。（3）水力学法 水力学法方法是一种简单而有效的渗流计算方法，目前得到广泛应用。水

45、力学法主要有：阻力系数法和直线比例法，是本章重点介绍的内容。,闸基渗流计算方法之一 直线比例法,1勃莱法 直线比例法由勃莱在1910年提出，该方法基于以下假定：假定渗透水压力沿地下轮廊线的水头损失是均匀的。,勃莱法计算示意图,如图所示：渗径长度L为地下轮廊线的长度，上下游水头差为H，根据直线比例法，地下轮廓线上的平均渗透坡降为：,在直线段上，距下游逸出点的渗径距离为x处的渗压水头为：,2莱因法（改进的直线比例法）直线比例法没有考虑不同渗流段的渗透特性。莱因在1934年根据实际资料分析认为：单位长度渗径上，水平渗径上消耗的水头是垂直渗径的1/3。基于此，提出了改进的直线比例法。,莱因法计算示意图

46、,如图：将渗径全部折算成垂直渗径，则：折算后的渗径长度L为：L=L1+L2/3，其中L1为垂直渗径长度，L2为水平渗径长度。当渗流段为倾斜段时，大于45的按垂直渗径考虑，否则按水平渗径考虑。,3安全渗径系数 勃莱和莱因先后担出安全渗径系数C和加权安全渗径系数C的概念。要保证闸基不发生渗透变形，必须使地下轮廓线的渗径长度LCH或LCH。不同的地基土质条件，其C和C不一样。直线法计算方便，可应用于工程规划和可行性研究阶段初拟闸基防渗长度。,闸基渗流计算方法之二 改进的阻力系数法,改进的阻力系数法计算简图,改进阻力系数法计算精度较高，是水闸设计规范推荐采用的计算方法。1基本原理 将地下渗流通道沿程分

47、作若干典型渗流段，根据渗流的连续性条件，首先计算出总的水头损失，然后计算各段的渗透水头损失和其它渗透要素。,根据达西定律，某一渗流段的单宽流量,式中k渗流场土料的渗透系数；Ji该渗流段的渗透坡降；T地基透水层的厚度；hi渗流段的水头差；li渗流段长度。,从上式可以看到，i=是一个只与渗流段的几何形状有关的函数，称为计算渗流段的阻力系数。在该渗流段上，渗透水头损失hi=i。,闸基渗透水头损失之和等于上下游水位差，即,根据上式，只要知道了各渗流段的阻力系数i和上、下游水头差H，则很容易计算各段的水头损失。,2计算步骤阻力系数法计算闸下渗流的具体计算步骤如下：计算闸基的有效深度Te和计算深度T；将地

48、下渗流场分成n个渗流段。计算各渗流段的阻力系数i。计算闸下渗流的总阻力系数。计算各分段水头损失hi。修正出口段及齿墙不规则部位的水力坡降。,3典型渗流段 闸下渗流阻力系数i只与渗流区域的几何形状有关。研究表明：水闸的地下渗流段可以归纳为3种典型渗流段形式：进出口段，内部垂直段，内部水平段，如图。,（a）进、出口段,（b）内部垂直段,（c）水平段,各缎阻力系数计算见课本145页，表5-7,4地基有效深度 改进阻力系数法适用于有限深地基。当实际的透水地基深度T0很深时，渗流场的下部流线弯曲，间距增大，渗流强度大为降低。如果仍采用实际的地基深度作为计算深度，将导致计算结果严重偏离实际情况，产生较大误

49、差。在阻力系数法计算中，一般采用某一适当深度作为计算深度T，来取代实际深度T0。这个深度称为地基有效深度Te。,地基有效深度Te按下式计算：,式中 L0、T0分别为渗流场的水平和垂直投影长度。当按上式计算的地基有效深度Te小于实际地基深度T0时，取计算深度T=Te；当按上式计算的地基有效深度Te大于实际地基深度T0时，取计算深度T=T0。,5进、出口段的局部修正 在渗流出逸处，渗流水力坡降急剧变化。当出口板桩较短或无板桩时，由上式计算的水头损失值与实际有较大的误差，需要进行局部修正。进口段存在同样的情况。,出口段渗透坡降局部修正图,修正后的进、出口段水头损失为：,局部水头损失修正后，进、出口段

50、的水头损失减少；修正后的进、出口段水头损失减少值为 h=（1-）h0；出口段渗流坡降为水力坡降修正段长度为：修正时，在原坡降线上根据修正段长度a及修正值h0，分别定出O点和P点，即得到修正后的水力坡降线OP。水力坡降变大，OP相对呈急变形式。,5.4.4 侧向绕渗及防渗连接 在上下游水位差的情况下，渗流也可能从河岸两侧绕过翼墙渗透。两岸绕渗增大两岸翼墙的荷载，对两岸岸坡和翼墙稳定不利。水闸侧向绕渗是一个三维无压渗流问题。计算分析时假设侧向渗流为层流，符合达西定律。具体计算方法可参考土石坝的渗流计算。防止两岸绕流破坏的基本方法是降低渗透坡降，其基本措施是延长两岸绕渗“地下轮廓线”的长度。如，向上