第五章水闸 第一节概述 言:水闸是一种低水头的水工建筑物,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 本节主要介绍:水闸的类型、工作特点、组成及水闸设计的内容 水闸的类型 水闸的种类 1按水闸所承担的任务分类:节制闸、进水闸、分洪闸、排水闸、挡潮闸、排沙闸、排冰 闸、排污闸等 图示讲解 渍水区 堤防 河流 排水闸 又分洪闸 进水闸心冲沙闸 挡潮 滞洪洼淀) 水闸的类型及位置示意图 ●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 ●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 ●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 非水闸: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 ●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。 ●排沙闸、排冰闸、排污闸:为排除泥沙、冰块、漂浮物等而设置的。 2按闸室结构形式分类 ●开敞式水闸:闸室上面不填土封闭的水闸。 般有泄洪、排水、过木等要求时,多采用不带胸墙的开敞式水闸,多用于拦河闸、排 冰闸等: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,常采用带胸墙的开 敞式水闸,如进水闸、排水闸、挡潮闸多用这种形式。 ●涵洞式水闸:闸(洞)身上面填土封闭的水闸,又称封闭式水闸。 涵洞式水闸常用于穿堤取水或排水的水闸。洞内水流可以是有压的或者是无压的
1 第五章 水闸 第一节 概述 引言：水闸是一种低水头的水工建筑物，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。 ⚫ 本节主要介绍：水闸的类型、工作特点、组成及水闸设计的内容 一．水闸的类型 ⚫ 水闸的种类: 1.按水闸所承担的任务分类:节制闸、进水闸、分洪闸、排水闸、挡潮闸、排沙闸、排冰 闸、排污闸等 图示讲解： 水闸的类型及位置示意图 ● 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。 ● 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。 ● 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。 ● 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。 ● 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。 ● 排沙闸、排冰闸、排污闸：为排除泥沙、冰块、漂浮物等而设置的。 2.按闸室结构形式分类 ● 开敞式水闸：闸室上面不填土封闭的水闸。 一般有泄洪、排水、过木等要求时，多采用不带胸墙的开敞式水闸，多用于拦河闸、排 冰闸等；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，常采用带胸墙的开 敞式水闸，如进水闸、排水闸、挡潮闸多用这种形式。 ● 涵洞式水闸：闸（洞）身上面填土封闭的水闸，又称封闭式水闸。 涵洞式水闸常用于穿堤取水或排水的水闸。洞内水流可以是有压的或者是无压的
水闸的工作特点 特点: 1稳定方面:关门挡水时,水闸上、下游较大的水头差造成较大的水平推力,使水闸有 可能沿基面产生向下游的滑动,为此,水闸必须具有足够的重力,以维持自身的稳定。 2防渗方面:由于上下游水位差的作用,水将通过地基和两岸向下游渗流。渗流会引起 水量损失,同时地基土在渗流作用下,容易产生渗透变形。严重时闸基和两岸的土壤会被淘 空,危及水闸安全。渗流对闸室和两岸联接建筑物的稳定不利。因此,应妥善进行防滲设计 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 出现波状水跃和折冲水流,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。 4沉降方面:土基上建闸,由于土基的压缩性大,抗剪强度低,在闸室的重力和外部荷 载作用下,可能产生较大的沉降影响正常使用,尤其是不均匀沉降会导致水闸倾斜,甚至断 裂。在水闸设计时,必须合理地选择闸型、构造,安排好施工程序,采取必要的地基处理等 措施,以减少过大的地基沉降和不均匀沉降。 水闸的组成 图示讲解: 组成:上游联接段、闸室段和下游联接段三部分组成。 40 150 上游连接段 下游连接段 水闸的组成 1一闸室底板2—闸墩 3一胸墙 4一闸门 5—工作桥 6一交通桥 7一堤顶 8一上游翼墙 下游翼墙10—护坦11—排水孔12—消力坎 13一海漫 14—下游防冲槽15—上游防冲槽16-上游护底17—上、下游护坡 1.上游联接段: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 一般包括上游翼墙、铺盖、护底、两岸护坡及上游防冲槽等。上游翼墙的作用是引导水流平 顺地进入闸孔并起侧向防渗作用。铺盖主要起防渗作用,其表面应满足抗冲要求。护坡、护 底和上游防冲槽(齿墙)是保护两岸土质、河床及铺盖头部不受冲刷 2闸室段:是水闸的主体部分,通常包括底板、闸墩、闸门、胸墙、工作桥及交通桥 等。底板是闸室的基础,承受闸室全部荷载,并较均匀地传给地基,此外,还有防冲、防渗 等作用。闸墩的作用是分隔闸孔并支承闸门、工作桥等上部结构。闸门的作用是挡水和控制 下泄水流。工作桥供安置启闭机和工作人员操作之用。交通桥的作用是连接两岸交通。 3.下游联接段:具有消能和扩散水流的作用。一般包括护坦、海漫、下游防冲槽、下游 翼墙及护坡等。下游翼墙引导水流均匀扩散兼有防冲及侧冋防渗等作用。护坦具有消能防冲 作用。海漫的作用是进一步消除护坦出流的剩余动能、扩散水流、调整流速分布、防止河床
2 二．水闸的工作特点 ⚫ 特点： 1.稳定方面：关门挡水时，水闸上、下游较大的水头差造成较大的水平推力，使水闸有 可能沿基面产生向下游的滑动，为此，水闸必须具有足够的重力，以维持自身的稳定。 2.防渗方面：由于上下游水位差的作用，水将通过地基和两岸向下游渗流。渗流会引起 水量损失，同时地基土在渗流作用下，容易产生渗透变形。严重时闸基和两岸的土壤会被淘 空，危及水闸安全。渗流对闸室和两岸联接建筑物的稳定不利。因此，应妥善进行防渗设计。 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 出现波状水跃和折冲水流，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。 4.沉降方面：土基上建闸，由于土基的压缩性大，抗剪强度低，在闸室的重力和外部荷 载作用下，可能产生较大的沉降影响正常使用，尤其是不均匀沉降会导致水闸倾斜，甚至断 裂。在水闸设计时，必须合理地选择闸型、构造，安排好施工程序，采取必要的地基处理等 措施，以减少过大的地基沉降和不均匀沉降。 三．水闸的组成 ⚫ 图示讲解： ⚫ 组成：上游联接段、闸室段和下游联接段三部分组成。 水闸的组成 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—下游防冲槽 15—上游防冲槽 16—上游护底 17—上、下游护坡。 1.上游联接段：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。 一般包括上游翼墙、铺盖、护底、两岸护坡及上游防冲槽等。上游翼墙的作用是引导水流平 顺地进入闸孔并起侧向防渗作用。铺盖主要起防渗作用，其表面应满足抗冲要求。护坡、护 底和上游防冲槽（齿墙）是保护两岸土质、河床及铺盖头部不受冲刷。 2.闸室段：是水闸的主体部分，通常包括底板 、闸墩、闸门、胸墙 、工作桥及交通桥 等。底板是闸室的基础，承受闸室全部荷载，并较均匀地传给地基，此外 ，还有防冲、防渗 等作用。闸墩的作用是分隔闸孔并支承闸门、工作桥等上部结构。闸门的作用是挡水和控制 下泄水流。工作桥供安置启闭机和工作人员操作之用。交通桥的作用是连接两岸交通。 3.下游联接段：具有消能和扩散水流的作用。一般包括护坦、海漫、下游防冲槽、下游 翼墙及护坡等。下游翼墙引导水流均匀扩散兼有防冲及侧向防渗等作用。护坦具有消能防冲 作用。海漫的作用是进一步消除护坦出流的剩余动能、扩散水流、调整流速分布、防止河床
受冲。下游防冲槽是海漫末端的防护设施,避免冲刷向上游扩展 四.水闸设计 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型式和尺寸,结构设计等
3 受冲。下游防冲槽是海漫末端的防护设施，避免冲刷向上游扩展。 四．水闸设计 ⚫ 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型式和尺寸，结构设计等
第二节闸址选择和闸孔设计 引言: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。应根据水闸的功能、特点和运用要求以及区域经济条件,综合考虑地形、地质、水流、 潮汐、泥沙、冰情、施工、管理、周围环境等因素,经技术经济比较确定。 本节主要介绍:闸址选择、水闸等级划分及洪水标准、闸孔型式的选择、闸底板高 程的确定、计算闸孔总净宽 闸址选择 选择闸址应考虑河势、河岸、地势、岸线、岸坡、淤积、材料来源、对外交通、施工导 流、场地布置、基坑排水、施工水电供应、水闸建成后工程管理维修和防汛抢险等条件,并 应考虑下列要求:占用土地及拆迁房屋少:尽量利用周围己有公路、航运、动力、通信等公 用设施:有利于绿化、净化、美化环境和生态环境保护;有利于开展综合经营,等等 二水闸等级划分及洪水标准 1.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,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 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 重要性确定。枢纽工程等别应按国家现行的有关规范确定。 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 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 2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,综合分析确定 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。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。 三.闸孔型式的选择 1.宽顶堰型:优点、缺点 2.低实用堰型:优点、缺点 3.胸墙孔口型:优点、缺点 四.闸底板高程的确定 底板高程与水闸承担的任务、泄流或引水流量、上下游水位、泥沙及河床地质条件等因 素有关 展开讲述底板高程、闸室宽度、两岸连接建筑与地基强度、单宽流量的关系。 五.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 图示讲解: 1对于平底闸,当水流为堰流时,计算示意图如下所示
4 第二节 闸址选择和闸孔设计 引言：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。应根据水闸的功能、特点和运用要求以及区域经济条件，综合考虑地形、地质、水流、 潮汐、泥沙、冰情、施工、管理、周围环境等因素，经技术经济比较确定。 ⚫ 本节主要介绍：闸址选择、水闸等级划分及洪水标准、闸孔型式的选择、闸底板高 程的确定、计算闸孔总净宽 一．闸址选择 选择闸址应考虑河势、河岸 、地势、岸线、岸坡、淤积、材料来源、对外交通、施工导 流、场地布置、基坑排水、施工水电供应、水闸建成后工程管理维修和防汛抢险等条件，并 应考虑下列要求：占用土地及拆迁房屋少；尽量利用周围已有公路、航运、动力、通信等公 用设施；有利于绿化、净化、美化环境和生态环境保护；有利于开展综合经营，等等。 二.水闸等级划分及洪水标准 1.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，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。 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 重要性确定。枢纽工程等别应按国家现行的有关规范确定。 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。 2.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，综合分析确定。 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。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。 三．闸孔型式的选择 1.宽顶堰型：优点、缺点 2.低实用堰型：优点、缺点 3.胸墙孔口型：优点、缺点 四．闸底板高程的确定 底板高程与水闸承担的任务、泄流或引水流量、上下游水位、泥沙及河床地质条件等因 素有关。 展开讲述底板高程、闸室宽度、两岸连接建筑与地基强度、单宽流量的关系。 五．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。 ⚫ 图示讲解： 1.对于平底闸，当水流为堰流时，计算示意图如下所示
平底板堰流计算示意图 计算公式如下: Bo nH 单孔闸 多孔闸E N-1)+EH N bo bo+dz川b。+dz 式中B0-闸孔总净宽(m) Q一过闸流量(m3/s); H一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一堰流流量系数,可采用0.385: 堰流侧收缩系数,对于单孔闸可按公式计算求得或查表得 对于多孔闸可按公式计算求得 b。一闸孔净宽(m); b-上游河道一半水深处的宽度(m) N一闸孔数 Ez-中闸孔侧收缩系数 d2-中闸墩厚度(m) eb-边闸孔侧收缩系数,可按公式计算求得; bb一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一堰流淹没系数,对于宽顶堰可由表查得,表中的h为堰顶下游水深(m)。 2当为孔口出流时,计算示意图如下所示
5 平底板堰流计算示意图 计算公式如下： B0 = mH g Q 2 2 3 0 ● 单孔闸 4 0 0 1 0.171(1 ) s s b b b b = − − ● 多孔闸 N z N b − + = ( 1) 4 0 0 0 0 1 0.171 1 Z Z Z b d b b d b + + = − − 4 0 0 0 0 2 2 1 0.171 1 b Z b Z b b d b b b d b b + + + + = − − 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，对于单孔闸可按公式计算求得或查表得； 对于多孔闸可按公式计算求得； 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， dz－中闸墩厚度（m）; εb－边闸孔侧收缩系数，可按公式计算求得; 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，对于宽顶堰可由表查得，表中的 hs 为堰顶下游水深（m）。 2.当为孔口出流时，计算示意图如下所示
已F 孔口出流计算示意图 计算公式如下: am√28H 式中:h-孔口高度(m) μ一宽顶堰上孔流流量系数,可按公式计算求得或由表查得。 E一垂直收缩系数,可由公式计算求得 Φ-流速系数,可取0.95~1.0 A-计算系数,可由公式计算求得,该公式适用于0<<0.25范围。 r胸墙底圆弧半径(m) σ‘一宽顶堰上孔流淹没系数,可由表5-8查得,表中h。为跃后水深(m) 水闸的过闸水位差确定: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。 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 六.确定闸室单孔宽度和闸室总宽度 闸孔孔径:根据闸的地基条件、运用要求、闸门结构型式、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。 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 闸孔孔数选定 闸室总宽度的确定 闸室总宽度:与上下游河道或渠道宽度相适应。 ●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
6 孔口出流计算示意图 计算公式如下： 0 0 ' h 2gH Q B e = H he ' ' 1 = − + − = 2 ' 1 1 1 H he he r 16 2.718 0.4 = 式中：he－孔口高度（m）; μ－宽顶堰上孔流流量系数，可按公式计算求得或由表查得。 εˊ－垂直收缩系数，可由公式计算求得； Φ-流速系数，可取 0.95~1.0； λ－计算系数，可由公式计算求得，该公式适用于 0＜ he r ＜0.25 范围。 r-胸墙底圆弧半径（m）; σˊ－宽顶堰上孔流淹没系数，可由表 5－8 查得，表中 hc ”为跃后水深（m）。 水闸的过闸水位差确定：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。 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。 六．确定闸室单孔宽度和闸室总宽度 ⚫ 闸孔孔径：根据闸的地基条件、运用要求、闸门结构型式、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。 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 ⚫ 闸孔孔数选定 ⚫ 闸室总宽度的确定 闸室总宽度：与上下游河道或渠道宽度相适应。 ⚫ 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
第三节水闸的消能防冲设计 引言:水闸泄水时,部分势能转为动能,流速增大,具有较强的冲刷能力,而土质河床 般抗冲能力较低。因此,为了保证水闸的安全运行,必须采取适当的消能防冲措施。要设 计好水闸的消能防冲措施,应先了解过闸水流的特点,进而采取妥善的防范措施。 ●本节主要介绍:过闸水流的特点、消能防冲设计条件的确定、底流消能工的设计。 过闸水流的特点 水流形式复杂:初始泄流时,闸下水深较浅,随着闸门开度的增大而逐渐加深,闸 下出流由孔流到堰流,由自由出流到淹没出流都会发生,水流形态比较复杂。因此,消能设 施应在任意工作情况下,均能满足消能的要求并与下游水流很好的衔接。 2.闸下易形成波状水跃 松姐示进解:上、下游水位差较小,出闸水流的佛汝德数较低(F=17),容易发生波状 特别是在平底板的情况下更是如此。此时无强烈的水跃旋滚,水面波动,消能效果差, 具有较大的冲刷能力。另外,水流处于急流状态,不易向两侧扩散,致使两侧产生回流,缩 小河槽过水有效宽度,局部单宽流量增大,严重地冲刷下游河道,见下图。 F 波状水跃示意图 3.闸下容易出现折冲水流 图示讲解:一般水闸的宽度较上下游河道窄,水流过闸时先收缩而后扩散。如工程布置 或操作运行不当,出闸水流不能均匀扩散,使主流集中,蜿蜒蛇行,左冲右撞,形成折冲水 流,冲毁消能防冲设施和下游河道,见下图。 侧边水面 闸下折冲水流
7 第三节 水闸的消能防冲设计（一） 引言：水闸泄水时，部分势能转为动能，流速增大，具有较强的冲刷能力，而土质河床 一般抗冲能力较低。因此，为了保证水闸的安全运行，必须采取适当的消能防冲措施。要设 计好水闸的消能防冲措施，应先了解过闸水流的特点，进而采取妥善的防范措施。 ⚫ 本节主要介绍：过闸水流的特点、消能防冲设计条件的确定、底流消能工的设计。 一、过闸水流的特点 1． 水流形式复杂：初始泄流时，闸下水深较浅，随着闸门开度的增大而逐渐加深，闸 下出流由孔流到堰流，由自由出流到淹没出流都会发生，水流形态比较复杂。因此，消能设 施应在任意工作情况下，均能满足消能的要求并与下游水流很好的衔接。 2． 闸下易形成波状水跃： 图示讲解：上、下游水位差较小，出闸水流的佛汝德数较低（Fr=1~1.7）,容易发生波状 水跃，特别是在平底板的情况下更是如此。此时无强烈的水跃旋滚，水面波动，消能效果差， 具有较大的冲刷能力。另外，水流处于急流状态，不易向两侧扩散，致使两侧产生回流，缩 小河槽过水有效宽度，局部单宽流量增大，严重地冲刷下游河道，见下图。 波状水跃示意图 3． 闸下容易出现折冲水流： 图示讲解：一般水闸的宽度较上下游河道窄，水流过闸时先收缩而后扩散。如工程布置 或操作运行不当，出闸水流不能均匀扩散，使主流集中，蜿蜒蛇行，左冲右撞，形成折冲水 流，冲毁消能防冲设施和下游河道，见下图。 闸下折冲水流
二.消能防冲设计条件的确定 1闸下水流的消能方式:底流式消能、挑流消能、面流式消能 2消能设计条件的选择: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 进行分析比较确定 三底流消能工设计 1.讲解消能工的布置 图示讲解 底流式消能设施有三种形式:下挖式、突槛式和综合式,如下图所示。 (a) (105-1.1)h (1.05~1.1)h 消力池型式示意图 (a)下挖式;(b)突槛式;(c)综合式 (b) 下挖式: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。消力池可采用 斜坡面与闸底板相连接,斜坡面的坡度不宜陡于1:4 突槛式: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 综合式:当闸下尾水深度远小于跃后水深,且计算消力池深度又较深时,可采用下挖 消力池与突槛式消力池相结合的综合式消力池消能 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。 尾槛:布置在消力池末端:调整流速分布,减小出池水流的底部流速,且可在槛后产 生小横轴旋滚,防止在尾槛后发生冲刷,并有利于平面扩散和消减边侧下游回流。 2池深、池长的确定 ●消力池的深度 消力池的深度是在某一给定的流量和相应的下游水深条件下确定的。设计时,应当选取 最不利情况对应的流量作为确定消力池深度的设计流量。要求水跃的起点位于消力池的上游 端或斜坡段的坡脚附近。 图示讲解
8 二．消能防冲设计条件的确定 1.闸下水流的消能方式：底流式消能、挑流消能、面流式消能。 2.消能设计条件的选择：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， 进行分析比较确定。 三.底流消能工设计 1. 讲解消能工的布置 图示讲解： ⚫ 底流式消能设施有三种形式：下挖式、突槛式和综合式，如下图所示。 消力池型式示意图 （a） 下挖式；（b）突槛式；（c）综合式 （b） ● 下挖式：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。消力池可采用 斜坡面与闸底板相连接，斜坡面的坡度不宜陡于 1：4。 ● 突槛式：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。 ● 综合式：当闸下尾水深度远小于跃后水深，且计算消力池深度又较深时，可采用下挖 消力池与突槛式消力池相结合的综合式消力池消能。 ● 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。 ● 尾槛：布置在消力池末端：调整流速分布，减小出池水流的底部流速，且可在槛后产 生小横轴旋滚，防止在尾槛后发生冲刷，并有利于平面扩散和消减边侧下游回流。 2.池深、池长的确定 ● 消力池的深度 消力池的深度是在某一给定的流量和相应的下游水深条件下确定的。设计时，应当选取 最不利情况对应的流量作为确定消力池深度的设计流量。要求水跃的起点位于消力池的上游 端或斜坡段的坡脚附近。 图示讲解：
消力池计算示意图 消力池深度计算 消力池的长度计算 大型水闸的消力池深度和长度,在初步设计阶段,应进行水工模型试验验证 3构造要求 消力池底板(即护坦):承受水流的冲击力、水流脉动压力和底部扬压力等作用,应 具有足够的重量、强度和抗冲耐磨的能力。护坦一般是等厚的,但也可采用不同的厚度,始 端厚度大,向下游逐渐减小 护坦厚度:可根据抗冲和抗浮要求,分别计算,并取其最大值 消力池末端厚度取值 配筋:底板一般用C15或C20混凝土浇筑而成,并按构造配置Φ10-12mm、@25-30cm 的构造钢筋。大型水闸消力池的顶、底面均需配筋,中、小型的可只在顶面配筋 ●排水孔:为了降低护坦底部的渗透压力,可在水平护坦的后半部设置排水孔,孔下铺 设反滤层,排水孔孔径一般为5~10cm,间距1.0~30m,呈梅花形布置。 ●分缝与止水:护坦与闸室、岸墙及翼墙之间,以及其本身沿水流方向均应用缝分开 以适应不均匀沉陷和温度变形。护坦自身的缝距可取10~20m,靠近翼墙的消力池缝距应取得 小一些。护坦在垂直水流方向通常不设缝,以保证其稳定性,缝宽20~25cm。缝的位置如在 闸基防渗范围内,缝中应设止水设备;但一般都铺贴沥青油毛毡 ●齿墙:为増强护坦的抗滑稳定性,常在消力池的末端设置齿墙,墙深一般为O.8~1.5π 宽为0.6~0.8m 4辅助消能工 为了提高消力池的消能效果,除尾槛外,还可设置消力墩、消力齿等辅助消能工,以加 强紊动扩散,减小跃后水深,缩短水跃长度,稳定水跃和达到提高水跃消能效果的目的
9 消力池计算示意图 ● 消力池深度计算 ● 消力池的长度计算 大型水闸的消力池深度和长度，在初步设计阶段，应进行水工模型试验验证。 3.构造要求 ● 消力池底板（即护坦）：承受水流的冲击力、水流脉动压力和底部扬压力等作用，应 具有足够的重量、强度和抗冲耐磨的能力。护坦一般是等厚的，但也可采用不同的厚度，始 端厚度大，向下游逐渐减小。 ● 护坦厚度：可根据抗冲和抗浮要求，分别计算，并取其最大值。 ● 消力池末端厚度取值。 ● 配筋：底板一般用C15 或C20混凝土浇筑而成，并按构造配置Ф10—12mm、@25~30cm 的构造钢筋。大型水闸消力池的顶、底面均需配筋，中、小型的可只在顶面配筋。 ● 排水孔：为了降低护坦底部的渗透压力，可在水平护坦的后半部设置排水孔，孔下铺 设反滤层，排水孔孔径一般为 5~10cm，间距 1.0~3.0m，呈梅花形布置。 ● 分缝与止水：护坦与闸室、岸墙及翼墙之间，以及其本身沿水流方向均应用缝分开， 以适应不均匀沉陷和温度变形。护坦自身的缝距可取 10~20m，靠近翼墙的消力池缝距应取得 小一些。护坦在垂直水流方向通常不设缝，以保证其稳定性，缝宽 2.0~2.5cm。缝的位置如在 闸基防渗范围内，缝中应设止水设备；但一般都铺贴沥青油毛毡。 ● 齿墙：为增强护坦的抗滑稳定性，常在消力池的末端设置齿墙，墙深一般为 0.8~1.5m, 宽为 0.6~0.8m。 4.辅助消能工 为了提高消力池的消能效果，除尾槛外，还可设置消力墩、消力齿等辅助消能工，以加 强紊动扩散，减小跃后水深，缩短水跃长度，稳定水跃和达到提高水跃消能效果的目的
第三节水闸的消能防冲设计(二) 复习上节课内容 本节主要介绍:海漫的布置和构造、海漫长度、防冲槽的构造与设计以及波状水跃和折 冲水流的防止措施 四.海漫 图示进解 水流经过消力池,虽已消除了大部分多余能量,但仍留有一定的剩余动能,特别是流速 分布不均,脉动仍较剧烈,具有一定的冲刷能力。因此,护坦后仍需设置海漫等防冲加固设 施,以使水流均匀扩散,并将流速分布逐步调整到接近天然河道的水流形态 水平段 缓坡段 消力池海漫 干砌石 防冲槽 海漫布置示意图 1.海漫的布量和构造 般在海漫起始段做5~10m长的水平段,其顶面高程可与护坦齐平或在消力池尾坎顶以 下0.5m左右,水平段后做成不陡于l:10的斜坡,以使水流均匀扩散,调整流速分布,保护 河床不受冲刷 ●对海漫的要求:表面有一定的粗糙度,以利进一步消除余能;具有一定的透水性 以便使渗水自由排出,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。常 用的海漫结构有以下几种 ●干砌石海漫:一般由粒径大于30cm的块石砌成,厚度为04-06m,下面铺设碎石 粗砂垫层,厚10—15cm。干砌石海漫的抗冲流速为2.5~40m/s。为了加大其抗冲能力,可每 隔6-10m设一浆砌石埂。干砌石常用在海漫后段 ●浆砌石海漫:采用强度等级为MS或M8的水泥砂浆,砌石粒径大于30cm,厚度为 04~06m,砌石内设排水孔,下面铺设反滤层或垫层。浆砌石海漫的抗冲流速可达3~6m/s,但 柔性和透水性较差,一般用于海漫的前部约10m范围内 ●混凝土板海漫:整个海漫由板块拼铺而成;每块板的边长2-5m,厚度为0.1-0.3m, 板中有排水孔,下面铺设垫层。混凝土板海漫的抗冲流速可达6-10m/s,但造价较高。有时 为增加表面糙率,可采用斜面式或城垛式混凝土块体。铺设时应注意顺水流流向不宜有通缝 ●钢筋混凝土板海漫:当岀池水流的剩余能量较大时,可在尾槛下游5~10m范围内采 用钢筋混凝土板海漫,板中有排水孔,下面铺设反滤层或垫层。 ●其它形式海漫:如铅丝石笼海漫 2.海浸长度:海漫的长度应根据可能出现的不利水位、流量组合情况进行计算 井解海漫长度计算公式 当√,w=1~9,且消能扩散情况良好时,海漫长度可按下式计算: 五、防冲槽 图示进解
10 第三节 水闸的消能防冲设计（二） 复习上节课内容 本节主要介绍：海漫的布置和构造、海漫长度、防冲槽的构造与设计以及波状水跃和折 冲水流的防止措施。 四．海漫 ⚫ 图示讲解： 水流经过消力池，虽已消除了大部分多余能量，但仍留有一定的剩余动能，特别是流速 分布不均，脉动仍较剧烈，具有一定的冲刷能力。因此，护坦后仍需设置海漫等防冲加固设 施，以使水流均匀扩散，并将流速分布逐步调整到接近天然河道的水流形态。 海漫布置示意图 1.海漫的布置和构造 一般在海漫起始段做 5~10m 长的水平段，其顶面高程可与护坦齐平或在消力池尾坎顶以 下 0.5m 左右，水平段后做成不陡于 1：10 的斜坡，以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护 河床不受冲刷。 ⚫ 对海漫的要求：表面有一定的粗糙度，以利进一步消除余能；具有一定的透水性， 以便使渗水自由排出，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。常 用的海漫结构有以下几种： ● 干砌石海漫：一般由粒径大于 30cm 的块石砌成，厚度为 0.4~0.6m，下面铺设碎石、 粗砂垫层，厚 10－15cm。干砌石海漫的抗冲流速为 2.5~4.0m/s。为了加大其抗冲能力，可每 隔 6~10m 设一浆砌石埂。干砌石常用在海漫后段。 ● 浆砌石海漫：采用强度等级为 M5 或 M8 的水泥砂浆，砌石粒径大于 30cm,厚度为 0.4~0.6m，砌石内设排水孔,下面铺设反滤层或垫层。浆砌石海漫的抗冲流速可达 3~6m/s，但 柔性和透水性较差，一般用于海漫的前部约 10m 范围内。 ● 混凝土板海漫：整个海漫由板块拼铺而成；每块板的边长 2－5m，厚度为 0.1~0.3m， 板中有排水孔，下面铺设垫层。混凝土板海漫的抗冲流速可达 6~10m/s，但造价较高。有时 为增加表面糙率，可采用斜面式或城垛式混凝土块体。铺设时应注意顺水流流向不宜有通缝。 ● 钢筋混凝土板海漫：当出池水流的剩余能量较大时，可在尾槛下游 5~10m 范围内采 用钢筋混凝土板海漫，板中有排水孔，下面铺设反滤层或垫层。 ● 其它形式海漫：如铅丝石笼海漫。 2.海漫长度：海漫的长度应根据可能出现的不利水位、流量组合情况进行计算。 讲解海漫长度计算公式 当 ' = 1 ~ 9 s H q ,且消能扩散情况良好时，海漫长度可按下式计算： L k q H' p = s s 五、防冲槽 ⚫ 图示讲解：
