水工建筑物 知识点汇总

'四川水利职业技术学院水利系水利水电工程建筑物授课教案章节名称第四章水闸教学日期第二学期授课教师姓名职称授课时数22本章的教学目的与要求掌握水闸的类型、工作特点、组成及各组成部分的作用；掌握水闸孔口设计的影响因素分析和计算方法；掌握消能防冲设计中水闸下游不利水流流态及相应的防止措施；掌握防渗排水设计中水闸地下轮廓线长度拟定、布置、渗流计算方法和防渗排水措施；水闸的布置与构造；在闸室稳定应力分析中，重点从荷载计算、稳定应力分析方法等方面比较与重力坝的异同。了解水闸布置与构造、闸室结构计算内容及方法等方面的内容。授课主要内容及学时分配掌握水闸的类型、工作特点、组成及各组成部分的作用（2学时）；掌握水闸孔口设计的影响因素分析和计算方法（4学时）；掌握消能防冲设计中水闸下游不利水流流态及相应的防止措施（4学时）；掌握防渗排水设计中水闸地下轮廓线长度拟定、布置、渗流计算方法和防渗排水措施（6学时）；水闸的布置与构造（2学时）；在闸室稳定应力分析中，重点从荷载计算、稳定应力分析方法等方面比较与重力坝的异同（2学时）。了解水闸布置与构造、闸室结构计算内容及方法等方面的内容（2学时）。重点和难点水闸的类型、工作特点、组成及各组成部分的作用，水闸孔口设计的水闸孔口设计，如何不知谁炸的消能防冲设计，水闸的渗流计算，水闸的整体布置。思考题和作业 四川水利职业技术学院水利系1．水闸按其承担的任务和结构形式分为哪些类型？水闸的工作特点如何？2．水闸的组成部分及各组成部分的作用是什么？3．水闸孔口设计的影响因素有哪些？如何确定？4．水闸下游不利水流流态及相应的防止措施是什么？5．何谓水闸地下轮廓线？其长度如何拟定？布置方式有哪些？6．试述用“改进阻力系数法”计算闸底板下渗压力和渗透坡降的方法步骤。7．试述水闸荷载计算和稳定应力分析方法与重力坝有何异同？8．试述闸门、启闭机的分类与选型方法如何?9．水闸两岸连接建筑物的型式有哪些?如何选用？10．闸室结构计算的内容有哪些?试述有限深的“弹性地基梁法”的计算步骤？ 四川水利职业技术学院水利系第四章水闸第一讲讲授第一节§4～1水闸的类型和工作特点一、类型（一）概念：水闸是一种利用闸门的启闭来调节水位，控制流量的低水头水工建筑物。（二）发展：公元前6世纪春秋时代，在位于今安徽寿县城南的芍陂灌区中即设有进水和供水用的5个水门。☆世界上规模最大的水闸：荷兰木斯海尔德挡潮闸，共63孔，闸高53m，闸身净长3000m，闸全长4425m。（三）按承担任务分类：图4-1水闸布置示意图1、进水闸：建在河道、水库、湖泊岸边或渠道渠首的，用以控制引水流量，以满足灌溉、发电或供水需要的闸。又称为取水闸或渠首闸。2、节制闸：为了灌溉、通航等需要横跨河流或渠道上修建的，用以控制闸前水位及过闸流量的闸。位于河道上的节制闸又称为拦河闸。3、分洪闸：建于泄洪能力不足的天然河道河段上游适当的地点，洪峰来临时开闸分泄一部分洪水进入湖泊、洼地等滞洪区，以减轻洪水对江河下游威胁的闸。4、排水闸：建在江河沿岸低洼地区排水渠道末端，用以在外河水位上涨时防止外水倒灌，外河水位较低时排除其附近低洼地区积水的闸。特点：闸身高，底板低，双向挡水。 四川水利职业技术学院水利系5、冲砂闸：建在多泥沙河流上，用以排除进水闸、节制闸或渠系中沉积泥沙，减少引水水流含沙量，防止渠道和闸前河道淤积的闸。※一般建在进水闸一侧河道上与节制闸并排布置或设在引水渠上进水闸旁。6、挡潮闸：建在入海河口附近，涨潮时关闸防止海水倒灌入内河，退潮时开闸泄水，或者拦蓄淡水以利灌溉的闸。（四）按闸室结构型式分图4-2水闸闸室结构分类图(a)无胸墙的开敞式；(b)胸墙式；(c)涵洞式1、开敞式：即水闸闸室是露天的，上面没有填土。胸墙式：适用于上游水位较大而过闸流量不大的水闸。无胸墙式：适用于有泄洪、通航、排冰等要求的水闸。2、涵洞式：修建在河、渠堤之下的水闸。3、双层式：是一种分上下两层，分别装设闸门的结构，既具有面层泄流能力，又具有底层泄流能力的闸室结构。（五）按过闸流量分大（Ⅰ）型Q≥5000m3/s大（Ⅱ）型Q＝5000～1000m3/s中型Q=1000～100m3/s小（Ⅰ）型Q=100～20m3/s小（Ⅱ）型Q<20m3/s（六）其他类型的水闸：翻板闸，橡胶水闸，装配式水闸等。二、水闸的特点及设计要求1、工作特点 四川水利职业技术学院水利系1）沉降量和沉降差。2）冲刷3）抗滑稳定4）渗透稳定2、设计应注意问题1）选择合理的水闸形式和构造，采取合理施工程序，进行严格地基处理，保证闸与地基稳定。2）进行合理可靠的防渗排水设计，确保渗透稳定。3）采取有效的消能防冲设施，确保水闸不发生冲刷破坏。三、水闸的组成图4-3开敞式水闸组成示意图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－防冲槽；15－上游铺盖1、上游连接段①组成：翼墙，铺盖，护底，防冲槽（齿墙），护坡。②作用：翼墙：引导水流平顺进闸，挡土，防冲，侧向防渗。铺盖：防渗防冲。防冲槽：保护护底首部，防止河床冲刷向护底方向发展。护坡护底：保护河岸及河床不受冲刷。2、闸室段①组成：底板，闸墩，闸门，胸墙，工作墙，交通桥。②作用：底板：承受闸室全部荷载，将荷载较均匀地传给地基，维持闸室抗滑稳定，防冲，防渗。 四川水利职业技术学院水利系闸墩：分隔闸孔，支承闸门和桥梁。工作桥：布置启闭设备，操作闸门。闸门：控制水位，调节流量。3、下游连接段①组成：消力池，海曼，防冲槽，翼墙，护岸。②作用：消力池：消能，防冲。海曼：继续消余能，调整流速分布。防冲槽：防止下游河床冲坑继续向上游发展。翼墙：引导过闸水流均匀扩散，保护两岸免受冲刷。四、水闸等级划分及洪水标准1、平原地区水闸表4-1平原区水闸枢纽工程分等指标工程等别ⅠⅡⅢⅣⅤ规模大（1）型大（2）型中型小（1）型小（2）型最大过闸流量（m3∕s）≥50005000～10001000～100100～20＜20防护对象的重要性特别重要重要中等一般－2、灌排渠系上水闸表4-2灌排渠系建筑物级别划分建筑物级别12345过闸流量（m3∕s）≥300300～100100～2020～5≤5表4-3灌排渠系水闸的设计洪水标准水闸级别12345设计洪水重现期（a）100～5050～3030～2020～10103、消能防冲 四川水利职业技术学院水利系表4-4山区、丘陵区水闸闸下消能防冲设计洪水标准水闸级别12345闸下消能防冲设计洪水重现期（a）10050302010 四川水利职业技术学院水利系第四章水闸第二讲讲授第二节（上）§4～2水闸孔口尺寸确定闸孔设计的任务：根据规划的设计流量及相应上下游水位，，确定闸孔形式、底板高程、、闸孔尺寸，以满足泄水或引水要求。一、闸孔和底板型式选择1、闸孔形式开敞式（胸墙式，无胸墙式），封闭式（涵洞式）2、选择原则1）闸坎高程较高，挡水高度较小的泄洪闸或分洪闸以及有排冰、通航等要求的水闸，一般均采用开敞式。2）闸坎高程较低，挡水高度较大的水闸，挡水高度高于洪水运用水位，或闸上水位变幅较大，且有限制过闸单宽流量的水闸均可采用胸墙式或涵洞式。3、底板形式1）宽顶堰底板①优点：结构简单，施工方便，泄流稳定。②缺点：流量系数较小，易产生波状水跃。③适用：泄洪，冲沙，通航，排污，排冰等。(a)(b)(c)图4-4低实用堰(a)梯形堰；(b)驼峰堰；(c)WES低堰 四川水利职业技术学院水利系2）低堰底板①优点：流量系数大，水流条件好，泄流能力强。②缺点：流态不稳定，结构复杂，施工难度较高。③适用：底板高程不够（水位较高）；因地基较差需降低底板高程时；有拦沙要求时。二、设计流量和上下游水位1、流量1）拦河闸：设计洪水标准或校核洪水标准对应流量。2）进水闸：为渠道设计取水流量。3）排水闸：由后水计算确定。2、水位1）拦河闸：下游由水位流量关系曲线查，上游比下游高0.1~0.3m。2）进水闸：下游由渠道水位流量关系曲线查，游比下游高0.1~0.3m。3）排水闸：上游为滞洪区或排水渠摸排水设计流量对应水位，下游比上游低0.05~0.1m左右。三、闸底板高程确定1、在地基强度满足要求的前提下，可定得高些，对大型水闸，应适当降低→降低造价；2、拦河闸底板高程可与河底平齐；3、进水闸底板高程常等于或略低于渠底，但应满足引水及拦沙防淤要求；4、分洪闸底板高程可比河底略高些，但应满足最低分洪水位时的泄量要求及防止洪水冲刷河床；5、排水闸底板高程应尽量低，以满足排涝或排碱要求；6、受单宽流量的影响。四、过闸单宽流量的确定1、影响因素：河床或渠道的地质条件，水闸上、下游水位差，下游尾水深度等因素影响，兼顾泄洪能力和下游消能防冲两个方面。2、一般确定： 四川水利职业技术学院水利系对粘土地基可取15～25m3／（s·m）；壤土地基可取15～20m3／（s·m）；砂壤土地基可取10～15m3／（s·m）；粉砂、细砂、粉土和淤泥地基可取5～10m3／（s·m）。 四川水利职业技术学院水利系第四章水闸第三讲讲授第二节（下）§4～2水闸孔口尺寸确定五、闸孔宽度的确定（详细介绍试算法）1、总宽度确定确定总净宽B。→b→n1）堰流：符号按书2）孔流：2、单孔宽及闸室总宽度1）单孔宽大型8～12m中型3～8m小型2～3m2）闸孔数量：n=B0/b06孔以下取单数，6孔及以上取双数3）闸室总宽度一般要求实际过流能力与设计过流量相差≤±5﹪闸室总宽B=nb0+(n－1)d+2d0（边墩）要求B≥0.6～0.85B河（渠）B河（渠）：河道或渠道宽度。 四川水利职业技术学院水利系第四章水闸第四讲讲授第三节（上）§4～3水闸的消能防冲一、过闸水流特点及闸下游冲刷原因1）闸下水流流态复杂（流速大，紊动强烈，水流从堰流到孔流，从自由出流到淹没出流都会发生）。2）闸下易形成波状水跃。3）闸下容易出现折冲水流。（翼墙布置不当，适用不当……）二、消能防冲设计的水利条件1、消能方式一般采用底流消能2、水力条件选择1）一般是以上游最高水位、下游始流水位为可能出现的最低水位、闸门部分开启、单宽流量大为控制条件。2）设计时应以闸门的开启程序、开启孔数和开启高度进行多种组合计算，通过分析比较确定。三、底流消能设计（一）消力池1、作用：促使出闸水流在池中发生淹没式水跃进行消能，并保护地基免遭冲刷。2、布置：1）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；2）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；3）当闸下尾水深度远小于跃后水深时，且计算消力池深度又较大时，可采用下挖式消力池与突槛式消力池相结合的综合消力池消能；4）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。3、消力池尺寸确定 四川水利职业技术学院水利系图4-6消力池池长、池深计算示意图图4-7USBRⅢ型消力池布置1）深度：2）消力池长度：3）、护坦底板厚度：根据抗冲，抗浮要求确定。抗冲：抗浮：t=max{t1，t2}一般t=0.5～1.0m消力池末端底板厚度可采用t/2，不宜小于0.5m，小型水闸不宜小于0.3m。4）、尾坎：稳定水跃，调整铅直断面上的流速分布，促使水流均匀扩散，减小下游河床冲刷。4、消力池构造1）材料2）排水孔3）变形缝5、辅助消能工如消力墩，一般布置在消力池前半段护坦上，二至三排交错排列 四川水利职业技术学院水利系第四章水闸第五讲讲授第三节（下）§4～3水闸的消能防冲四、波状水跃级折冲水流的防止措施1、波状水跃的防止措施图4-8波状水跃的防止措施(a)在出流平台上设置小槛；(b)将小槛做成分流墩、分流齿形1）在消力池斜坡段的顶部预留一段0.5～1.0m宽的平台，在其末端设置一道小槛，见图4-8(a)，迫使水流越槛入池，促成底流式水跃。2）分流墩、分流齿形，见图4-8(b)，则消除波状水跃的效果更好。如水闸底板为低实用堰型，有助于消除波状水跃的产生。2、折冲水流的防止措施1）在平面布置上，尽量使上游引河具有较长的直线段，2）在消力池前端设置散流墩，对防止折冲水流有明显效果；3）应制定合理的闸门开启程序。五、海漫及防冲槽1、海漫图4-9防冲加固措施1）作用：进一步削减水流剩余能量，使水流均匀扩散，保护护坝和减小对下游河床的冲刷。2）要求： 四川水利职业技术学院水利系坚固耐冲，且能适应下游河床可能的冲刷变形，具有一定的柔性。为了使渗水自由排出，减小场压力，应具有一定的透水性。为了进一步消能，表面应具有较大的糙率。3）海漫长度计算：Ks：海曼长度计算系数；△H′：闸孔泄水时的上下游水位差；qs：消力池末端单宽流量。4）海漫的构造一般采用整体向下游倾斜的型式，在平面上沿水流方向向两侧逐渐扩散，以使水流均匀扩散，保护河床不受冲刷。2、防冲槽主要作用：挖槽抛填块石，加固海曼末端，保护海曼六、上下游护坡及河床防护上游：2～3倍水头长度护底及护坡下游：4～6倍水头长度护底及护坡七、闸门的控制运用主要满足以下要求：1）消力池长度在任何情况下都满足要求（淹没水跃）；2）闸门应分级均匀对称开启与关闭；3）严格控制始流条件下的闸门开度；4）、闸门开启与关闭速度尽量慢。 四川水利职业技术学院水利系第四章水闸第六讲讲授第四节（上）§4～4防渗排水设计一、闸基防渗长度及地下轮廓线布置（一）设计任务经济合理地确定水闸底下轮廓线的型式和尺寸。并采取必要的可靠的防渗排水措施，以减小或消除渗流的不利影响，保证闸基及两岸不产生渗透破坏，保证水闸的安全。（二）闸基的防渗长度图4-10水闸地下轮廓线1、地下轮廓线：不透水的铺盖、板桩、及闸底板等与地基的接触线。2、防渗长度：即地下轮廓线的长度，又称渗径长度。（图4－10）3、计算：L≥CH表4-6渗径系数C值排水条件地基类别粉砂细砂中砂粗砂中砾细砾粗砾夹砾石轻粉质砂壤土轻砂壤土壤土粘土有反滤层13～99～77～55～44～33～2.511～79～55～33～2无反滤层－－－－－－－－7～44～3按上式初步确定后，还需经闸基的抗滑稳定验算及闸室稳定计算最后确定。（三）闸基防渗排水布置 四川水利职业技术学院水利系布置原则：高防低排“高防”就是在闸底板上游一侧布置铺盖、板桩、齿墙、混凝土防渗墙及灌浆帷幕等防渗设施，以延长渗径，减小作用在底板上的渗透压力，降低闸基渗流的平均坡降。“低排”就是在闸底板下游一侧布置面层排水、排水孔（或排水井）、反滤层等设施，使地基渗水尽快排出1、粘性土地基（不易发生管涌）上游设防渗铺盖，下游出口处设反滤层图4－11（a）2、砂类土地基（粉沙，轻砂壤土，轻粉质砂壤土……）（b）（c）（d）易产生渗漏及渗透变形。上游设铺盖加悬挂式板桩（防渗墙）相结合的布置方式，土层较薄时，设截水墙或截流板桩。下游铺设良好级配的反滤层。3、多层土地基：下游排水减压，必要时，设板桩截断夹砂层。（e）4、岩石地基：可根据需要在闸底板上游端设水泥灌浆帷幕，后设排水孔。图4-11水闸地下轮廓线布置示意图二、渗流计算 四川水利职业技术学院水利系目的：计算底板及护坦下的渗透压力和渗透坡降，判定初拟地下轮廓线是否满足抗滑稳定和渗透稳定要求。计算方法：流网法、直线法、改进阻力系数法、有限元法、电模拟试验法。（一）直线法1、原理：假定渗流沿地下轮廓线流动时，其渗透水头是成直线比例逐渐减小的，即沿程渗透坡降的大小都是相同的。2、公式：勃莱法hx=Hx/Lhx：渗透压强莱茵法hx=Hx/L。L0＝∑Lr+∑Lh/3∑Lr：水平渗径∑Lh：垂直渗径*：将各点所求得的压强大小，按一定比例标在闸底板面相应位置铅直线上，然后将相邻两点水头端点用直线连接，即得到作用于底板底面的渗透压力分布图。渗透压力分布见图4－12(a)(b)图4-12全截面直线分布法渗透压力计算图(a)未设水泥灌浆帷幕和排水孔情况；(b)设有水泥灌浆帷幕和排水孔情况（二）改进阻力系数法优点：比较充分地考虑了渗流在边界条件变化处的水头损失，故计算结果精度较高。1、基本原理 四川水利职业技术学院水利系(a)(b)图4-13改进阻力系数法渗透压力计算图①如图4-13（a），由达西定律：渗流区单宽流量为：令ξ=L/T→令，则得式中ξi——为渗流段阻力系数，与渗流段的几何形状有关；k——地基土的渗透系数，m／s。总水头H应为各段水头损失的总和，即将式(4-23)代入式(4-22)得各段的水头损失为：将各段的水头损失由出口向上游方向依次叠加，即得各段分界点的渗压水头及其它渗流要素。以直线连接各分段计算点的水头值，即得渗透压力分布图，见图4-13(b)。2、计算步骤1）确定地基有效深度Te（从各等效渗流段地下轮廓最高点垂直向下算起的地基透水层有效深度）。可按下列公式计算：当L0／S0≥5时当L0／S0＜5时式中L0、S0——地下轮廓的水平投影及垂直投影长度，m。当计算的Te大于地基实际深度时，Te值应按地基实际深度采用。 四川水利职业技术学院水利系2）典型流段阻力系数的计算。一般水闸地基渗流段可归纳为三种典型流段，即进出口段，图4-13中的Ⅰ、Ⅹ段；内部垂直段，图4-13中的Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ段；内部水平段，图4-13中的Ⅱ、Ⅳ、Ⅶ、Ⅸ段。每段的阻力系数ξi，可按表4-7中的公式确定。表4-7典型流段阻力系数计算表3）对进、出口段水头损失值和渗透压力分布图进行局部修正，进、出口段修正后的水头损失值可按下列公式计算（如图4-14（a）所示）、表4-17图4-14进、出口段渗压修正示意图β′——阻力修正系数，当计算的β′≥1.0时，采用β′＝1.0；S′——底板埋深与板桩入土深度之和，m；T′——板桩另一侧地基透水层深度，m。表4-8出口段和水平段的允许渗流坡降[J]值地基类别 四川水利职业技术学院水利系分段粉砂细砂中砂粗砂中砾细砾粗砾夹砾石砂壤土壤土软壤土坚硬粘土极坚硬粘土水平段0.05～0.070.07～0.100.10～0.130.13～0.170.17～0.220.22～0.280.15～0.250.25～0.350.30～0.400.40～0.500.50～0.60出口段0.25～0.300.30～0.350.35～0.400.40～0.450.45～0.500.50～0.550.40～0.500.50～0.600.60～0.700.70～0.800.80～0.90注：当渗流出口处设反滤层时，表中数值可加大30％。修正后的水头损失的减小值Δh可按下式计算：水力坡降呈急变形式的长度L"x可按下式计算：出口段渗透压力分布图可按图4-14(b)方法进行修正。QP′为原有水力坡降，由计算的Δh和L"x值，分别定出P点和O点，连接QOP，即为修正后的水力坡降线。图4-15进、出口段齿墙不规则部位修正示意图进、出口段齿墙不规则部位可按下列方法进行修正（图4-15）：当hx≥Δh时，按下式修正：h"x＝hx＋Δh式中hx、h"x——水平段和修正后水平段的水头损失，m。当hx＜Δh时，可按下列两种情况分别进行修正：①若hx＋hy≥Δh，可按下式进行修正：h"x＝2hx 四川水利职业技术学院水利系h"y＝hy＋Δh－hx式中hy、h"y——内部垂直段和修正后内部垂直段的水头损失，m。 四川水利职业技术学院水利系第四章水闸第七讲讲授第四节（中）§4～4防渗排水设计注：详细讲解闸基的防渗计算【例4-1】某水闸地下轮廓线如图4-16(a)所示。根据钻探资料知地面以下12m深处为相对不透水的粘土层。用改进阻力系数法计算渗流要素。解：1.简化地下轮廓：简化后地下轮廓如图4-16(b)所示，划分10个基本段。2．确定地基的有效深度：由于L0＝0.5＋12.25＋10.25＋1.0＝24m，S0＝25.5－20＝5.5m，L0／S0＝4.36＜5，按公式(4-26)得Te＝13.36＞Tp＝12.0m，故按实际透水层深度T＝Tp＝12.0m，进行渗流计算。3．计算各典型段阻力系数：按各典型段阻力系数计算公式计算，见表4-9。4．计算各段水头损失：按公式（4-24）计算各段水头损失，列于表4-10。5．进、出口段水头损失修正 四川水利职业技术学院水利系图4-16某水闸地下轮廓线布置及渗流计算图表4-9分段编号分段名称S(m)S1(m)S2(m)T(m)L(m)ξi①进口段1.0120.477②水平段00110.50.045③内部铅直段0.611.60.052④水平段0.65.111.612.250.712⑤内部铅直段5.111.60.479⑥内部铅直段4.511.00.441⑦水平段4.50.511.010.250.614⑧内部铅直段0.511.00.045⑨水平段0010.51.00.095⑩出口段0.611.10.460∑总和3.420表4-10分段编号①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩hi0.6280.0590.0680.9370.6300.5810.8080.0590.1250.605注：总水头H=30－25.5＝4.5m（1）进口段水头损失修正：已知T′=12－1＝11m，T=12m，S′=1.0m，按式（4-28）计算得β′＝0.629＜1.0，则进口段修正为h"01＝0.628×0.629＝0.395m。水头损失减小值Δh＝0.628－0.395＝0.233m，因（hx2＋hy3）＝0.059＋0.068＝0.127＜Δh，故第②、③、④段分别按式(4-34)、(4-35)修正：h"x2＝2hx2＝2×0.059＝0.118m，h"y3＝2hy3＝2×0.068＝0.136m，h"x4＝hx4＋Δh－（hx2＋hy3）＝0.937+0.233－（0.059＋0.068）＝1.043m。（2）出口段水头损失修正：已知T′=10.5m，T=11.1m，S′=0.6m，按式（4-28）计算得β′＝0.516＜1.0，则出口段修正为h"010＝0.605×0.516＝0.312m。水头损失减小值Δh＝0.605－0.312＝0.293m，因（hx9＋hy8）＝0.125＋0.059＝0.184＜Δh，故第⑦、⑧、⑨段分别按式(4-34)、(4-35)修正：h"x9 四川水利职业技术学院水利系＝2hx9＝2×0.125＝0.250m，h"y8＝2hy8＝2×0.059＝0.118m，h"x7＝hx7＋Δh－（hx9＋hy8）＝0.808+0.293－（0.125＋0.059）＝0.917m。验算：H＝0.395＋0.118＋0.136＋1.043＋0.630＋0.581＋0.917＋0.118＋0.250＋0.312＝4.5m，计算无误。6．计算各角点或尖端渗压水头：由上游进口段开始，逐次向下游从总水头H＝4.5m，减去各分段水头损失值，即可求得各角点或尖端渗压水头值：H1＝4.5m，H2＝4.5－0.359＝4.105m，H3＝4.105－0.118＝3.987m，H4＝3.851m，H5＝2.808m，H6＝2.178m，H7＝1.597m，H8＝0.680m，H9＝0.562m，H10＝0.312m，H11＝0.312－0.312＝0。7．绘制渗压水头分布图：如图4-16(c)所示。8.渗流出口平均坡降：按式（4-36）J=h"0／S′=0.312／0.6＝0.52。 四川水利职业技术学院水利系第四章水闸第八讲讲授第四节（下）§4～4防渗排水设计三、防渗及排水设施防渗设施：水平防渗（铺盖）；垂直防渗（板桩，齿墙，防渗墙，防渗帷幕……）；排水设施：铺设在护坦，闸底板下起导渗作用的沙砾石层，一般与反滤层结合使用。（一）铺盖1）粘土，粘壤土铺盖:铺盖的厚度应根据铺盖土料的允许水力坡降值计算确定，上游端的最小厚度应不小于0.6m，逐渐向闸室方向加厚，且任一截面厚度不应小于1/4～1/6倍该计算断面顶底面的水头差值。为了防止铺盖在施工期被损坏和运用时被水流冲刷，其上面应设置厚0.3～0.5m的干砌块石或混凝土板保护层，保护层与铺盖间设置一层或两层砂砾石垫层。2）砼或钢筋砼铺盖:其厚度一般根据构造要求确定，最小厚度不宜小于0.4m，在与底板连接处应加厚至0.8～1.0m。为了减小地基不均匀沉降和温度变化的影响，其顺水流方向应设永久缝，缝距可采用8～20m。铺盖与闸底板、翼墙之间也要分缝。缝宽可采用2～3cm，缝内均应设止水。混凝土铺盖中应配置构造筋，对于起阻滑作用的钢筋混凝土铺盖则要根据受力情况配置受拉钢筋。受拉钢筋与闸室在接缝处应采用铰接的构造型式。铺盖的混凝土强度等级一般不低于C20。3)土工膜防渗铺盖：水闸防渗铺盖也可用土工膜代替传统的弱透水土料。用于防渗的土工合成材料主要有土工膜或复合土工膜，其厚度应根据作用水头、膜下土体可能产生裂隙宽度、膜的应变和强度等因素确定，但不宜小于0.5mm。（二）板桩1、作用：增加渗径，降低渗透压力，减小渗流出口坡降，防止出口处土壤产生渗透变形。2、构造 四川水利职业技术学院水利系①入土深度≥（0.7～1.2）H；②厚度≥0.2m，宽度不宜小于0.4m；③顺水流方向设永久性变形缝，缝距8～20m，缝宽2～3cm，缝内设止水。3、与底板的连接板桩顶部嵌入粘土铺盖一定深度。适用于闸室沉降量较大，而板桩尖已插入坚实土层情况。适用于闸室沉降量较小，板桩顶部嵌入底板下特设凹槽内，板顶填塞沥青等材料，适用闸室沉降量小而板桩尖未达到坚实土层的情况。（三）齿墙及混凝土防渗墙作用：辅助防渗，并有利于抗滑（四）水泥砂浆帷幕，高压喷射砂浆帷幕及垂直防渗土工膜（五）排水设施1、目的：排除渗水，减小渗透压力2、平铺式排水（适用于土基）即在护坦及浆砌石海曼底部平铺粒径为1～2cm的砾石、碎石或卵石透水层，厚0.2～0.3m，下设反滤层。注意：①闸底板齿墙底面应位于反滤层底往下一定距离；②砼护坦及浆砌石海曼上应设排水孔。3、垂直排水（地基内有承压水）作用：主要用于降低地基内承压水水头。方式：排水沟；排水井（了解）4、水平带状排水（岩基）在基础面上设排水沟或排水管等。四、水闸的侧向绕渗1、概念：水闸建成挡水后，除闸基有渗流外，水流还从上游经水闸两岸渗向下游，这就是侧向绕渗，见图4-17。 四川水利职业技术学院水利系图4-17侧向防渗排水布置图2、危害：绕渗对岸墙、翼墙产生渗透压力，加大了墙底扬压力和墙身的水平水压力，对翼墙、边墩或岸墙的结构强度和稳定产生影响；并有可能使填土发生危害性的渗透变形，增加渗漏损失。3、防渗措施：侧向防渗排水布置（包括刺墙、板桩、排水井等）应根据上、下游水位、墙体材料和墙后土质以及地下水位变化等情况综合考虑，并应与闸基的防渗排水布置相适应，在空间上形成一体。4、布置原则：布置原则仍是防渗与导渗相结合。有时为了避免填土与边墩（或岸墙）接触面上产生集中渗流，也可设置短刺墙。排水设施一般设在下游翼墙上，根据墙后回填土的性质不同，可采用排水孔或连续排水垫层等型式。孔口附近应设反滤层以防发生渗透变形。 四川水利职业技术学院水利系第四章水闸第九讲讲授第五节§4～5水闸的布置与构造一、闸室的布置与构造（一）底板型式：平底板，低堰～，折线～分类墩与板连接方式：整体式，分离式1、整体式底板图4-18整体式、分离式平底板1－底板；2－闸墩；3－闸门；4－空箱式岸墙；5－温度沉陷缝；6－边墩1）概念：闸墩与底板浇筑或砌筑成整体时的底板。2）分缝：对于多孔、宽度较大的水闸，为适应地基不均匀沉陷和温度变化需要，一般在垂直水流方向设永久性缝将底板分成若干闸段，缝距不大于20m（岩基），35m（土基）。3）分缝位置①闸墩中间（缝墩）优点：闸室结构整体性好，各闸段独立工作，抗震性好。缺点：施工期长，工程量大，施工难度大。适用：地质条件较差地区或地震区。②底板中间优点：可缩短工期，减小闸室的总宽度和底板跨中弯矩，节约 四川水利职业技术学院水利系第四章水闸第十讲讲授第六节§4～6闸室稳定验算和地基处理一、荷载及其组合（一）荷载计算1、自重：指水闸结构及其上部填料和永久设备的重量。2、水重：指闸室范围内作用在底板顶面以上的水体重量。3、水平水压力：指作用在胸墙，闸门及闸墩上的水平水压力。(a)(b)图4-26水平水压力计算图注意：a点处为静水压强①铺盖与底板连接处的水平水压力b点处取扬压力值②对钢筋砼或砼铺盖止水片以上按静水压力分布计算止水片以上按梯形分布计算4、扬压力渗透压力：见渗流计算浮托力：某点处的浮托力等于该点与下游水位间的高差乘以水的重度。5、浪压力：波长、波高和波浪中心线高出静水位高度等波浪要素的计算按莆田试验站法进行；根据风区范围内平均水深、波浪破碎的临界水深及半波长之间的关系，判别属深水波、浅水波或破碎波，分别用相应公式进行浪压力计算。6、土压力对重力式挡土墙，墙背后填土为均质无粘性土时 四川水利职业技术学院水利系土压力：Fa=0.5γtHt2kaFa：主动土压力，作用在距墙底为墙高的1/3处。作用方向与水平面成（δ+ε）角。（KN/m）γt：填土重度（KN/m3）,地下水位以下取渗重度。Ht：墙高Ka：主动土压力系数φt：墙后填土内摩擦角δ：挡土墙后填土对墙背的外摩擦角*墙背光滑，排水不良δ=（0.00～0.33）φt墙背粗糙，排水良好（0.33～0.50）φt墙背很粗糙，排水良好（0.50～0.67）φt墙背与填土之间不可能滑动（0.67～1.00）φt其余按水闸规范P66－697、淤沙压力根据可能淤积厚度确定参见重力坝P148、其他荷载：地震荷载，冰压力，土的冻胀力参见《水闸设计规范》重力坝（二）荷载组合表4-12水闸荷载组合表荷载组合计算情况荷载自重水重静水压力扬压力土压力淤砂压力风压力浪压力冰压力土的冻胀力地震荷载其他说明基本组合完建情况√———√——————√必要时，可考虑地下水产生的扬压力正常蓄水位情况√√√√√√√√———√按正常蓄水位组合计算水重、静水压力、扬压力及浪压力设计洪水位情况√√√√√√√√————按设计洪水位组合计算水重、静水压力、扬压力及浪压力冰冻情况√√√√√√√—√√—√按正常蓄水位组合计算水重、静水压力、扬压力及浪压力 四川水利职业技术学院水利系特殊组合校核洪水位情况√√√√√√√√————按校核洪水位组合计算水重、静水压力、扬压力及浪压力施工情况√———√——————√应考虑施工过程中各个阶段的临时荷载检修情况√—√√√√√√———√按正常蓄水位组合（必要时可按设计洪水位组合或冬季低水位条件）计算水重、静水压力、扬压力及浪压力地震情况√√√√√√√√——√—按正常蓄水位组合计算水重、静水压力、扬压力及浪压力注：表中“√”号为需要考虑荷载，“—”号为不需要考虑荷载二、闸室抗稳定计算（一）计算公式1、土基：P148Kc=f∑G/∑H（简单）Kc=（tgφ0∑G+C0A）/∑H（更合理）2、岩基：同重力坝3、稳定条件：Kc≥[K土（岩）]表4-13[K土]值表4-14［K岩］值注：1、特殊组合Ⅱ适用于地震情况。2、特殊组合Ⅰ适用于校核洪水位情况、施工情况及检修情况。表4-15f值表4-16φ0、C0值（土质地基）土质地基类别φ0（°）C0（kPa）粘性土0.9φ(0.2～0.3)C砂性土(0.85～0.90)φ0地基类别f粘土软弱中等坚硬坚硬0.20～0.250.25～0.350.35～0.45 四川水利职业技术学院水利系壤土、粉质壤土砂壤土、粉砂土细砂、极细砂中砂、粗砂砂砾石砾石、卵石碎石土0.25～0.400.35～0.400.40～0.450.45～0.500.40～0.500.50～0.550.40～0.50软质岩石极软软较软0.40～0.450.45～0.550.55～0.60硬质岩石较坚硬坚硬0.60～0.650.65～0.70注：φ为室内饱和固结快剪（粘性土）或饱和快剪实验测得的内摩擦角；C为室内饱和固结快剪实验测得的粘结力。岩石地基类别f′C′(MPa）硬质岩石坚硬1.5～1.31.5～1.3较坚硬1.3～1.11.3～1.1软质岩石较软1.1～0.91.1～0.7软0.9～0.70.7～0.3极软0.7～0.40.3～0.05表4-17f′、C′值（岩石地基）注：如岩基内存在结构面、软弱层（带）或断层的情况，f′、C′值应按现行的GB50287—99《水利水电工程地质勘测规范》选用。（二）提高闸室抗滑稳定性的工程措施1）将闸门位置向低水位一侧移动，或将水闸底板向高水位一侧加长，以增加水重；2）适当增加闸室结构自重； 四川水利职业技术学院水利系3）增加闸室底板的齿墙深度；4）增加铺盖长度或帷幕深度，或在不影响防渗安全的前提下，将排水设施向水闸底板靠近；5）利用钢筋混凝土铺盖作阻滑板；6）增加钢筋砼抗滑桩或预应力锚固结构。三、闸室基底应力计算（一）应满足条件1、在各种情况下，闸室最大基底压力不大于地基容许承载力（土基不大于1.2倍地基容许承载力）；2、在非地震情况下，闸室基底不出现拉应力，在地震情况下，闸室基底拉应力不大于100kpa；3、最大应力与最小应力的比值η不大于容许值（表4-18）。表4-18土基上的[η]值地基土质荷载组合基本组合特殊组合松软1.502.00中等坚实2.002.50坚实2.503.00（二）计算1、闸室结构布置及受力情况对称时：2、不对称时，如多孔闸的边闸孔或左右不对称的单孔闸：四、闸室沉降1、危害：使闸顶高程不足，过大的不均匀沉降将导致闸室倾斜，产生裂缝，止水破坏，甚至断裂。2、目的：通过计算分析，可以了解地基的变形情况，以便选用合理的水闸结构形式，确定适宜的施工程序和施工进度，或进行适当的地基处理。3、减少沉降的措施①采用沉降缝隔开；②改变基础型式或刚度； 四川水利职业技术学院水利系①调整基础尺寸与埋置深度；②对地基进行人工加固；③安排合适的施工程序，严格控制施工进度；④变更结构型式（采用轻型结构或静定结构）或加强结构刚度。五、地基处理：1、换土垫层法；2、桩基；3、高压旋喷法 四川水利职业技术学院水利系第四章水闸第十一讲讲授第七节§4～7闸室结构计算目的：验算强度，以便最后确定各构件的型式、尺寸及构造。方法：一般将水闸分解成底板、闸墩、胸墙、工作桥、交通桥等若干构件分别计算，并在单独计算时，考虑它们之间的相互作用。一、整体式底板内力计算一般把闸底板视为地基上的一块板进行计算，在垂直水流方向采用截板成梁的方法计算。（一）倒置梁法1、概念：假定地基反力为均布荷载，底板当作梁，闸墩当作支点，按倒置的连续梁计算内力。1、方法：①根据上部荷载计算地基反力：（q反）（作用力、反作用力）②倒置梁上的均布荷载：q=q反+q扬－q自－q水，得计算简图：图4-27倒置梁法底板结构计算简图③内力计算；④配筋计算。3、优点：计算简单4、缺点：①没有考虑底板与地基变形的协调作用； 四川水利职业技术学院水利系②假定底板在垂直水流方向地基反力为均匀分布，有时与实际出入较大；③支座及力与闸墩铅直荷载不等，计算结果误差大。5、适用：软弱地基上的中小型水闸。（二）弹性地基梁法1、基本假定：顺水流方向地基反力成直线变化，垂直水流方向弹性（曲线分布）2、步骤①用偏心受压公式计算闸底在顺水流方向的地基反力：②计算不平衡剪力a、以闸门为界，将底板分为上下两段，分别在两段中央截取单宽板条（及墩条）进行分析。b、对单宽板条进行受力分析（荷载：水重，墩重，底板重，场压力，地基反力）。∑Fy=0△Q：不平衡剪力③将不平衡剪力在底板和闸墩上进行分配。一般：④计算中作用在单宽板条上的荷载中墩集中力：P1=G1/b2+△Q墩[d1/（2d2+d1）]继墩集中力：P2=G2/b2+△Q墩[d2/（2d2+d1）] 四川水利职业技术学院水利系并将P1，P2化为局部均匀荷载（面荷载）→单宽→线荷载（垂直水流方向）则板条上的均布荷载为：注：底板自重取值：按书⑤按静定结构计算内力⑥配筋计算（验算）二、闸墩（一）内容：闸墩水平截面上的正应力和剪应力，平面闸门门槽或弧形闸支座应力计算。（二）计算工况（了解）运用期检修期（三）闸墩水平截面上的正应力和剪应力墩底截面为控制截面，将闸墩视为固结于底板上的悬臂结构，近似按材料力学中的偏心受压公式分析应力。(a)(b)(c)图4-28闸墩结构计算示意图P1P2—上、下游水平水压力；P3P4—闸墩两侧横向水压力；P5—交通桥上车辆刹车制动力；G1—闸墩自重；G2—工作桥及闸门重；G3—交通桥重1、水平截面上的正应力： 四川水利职业技术学院水利系2、水平截面上的剪应力计算τx=QxSx/（Ixdx）τy=QySy/（IYB）Qx=P1+P2－P3－P4或Qx=P6－P7+P8－P10Qy=P5－P9－P11*对缝墩或一侧闸门开启另一侧闸门关闭的中墩，水平力对水平截面形心还将产生纽矩Mn，位于y轴边缘将产生最大扭剪应力：τnmax=Mn/(0.3Ld2)A点处主应力：★要求：σzl不得大于混凝土的允许拉应力，否则应配受力钢筋。（四）平面闸门闸墩门槽应力计算要承受由闸门承受的水压力而产生的拉压力。⑴取lm高的闸墩作为计算单元。由左、右侧闸门传来的水压力为P，在计算单元上、下水平截面上将产生剪力Q上和Q下，剪力差Q下－Q上应等于P。⑵假设剪应力在上、下水平截面上呈均匀分布，并取门槽前的闸墩作为脱离体，由力的平衡条件可求得此lm高门槽颈部所受的拉力P1为：A1：门槽颈部以前闸墩的水平截面积，m2；A：闸墩的水平截面积，m2。⑶计算lm高闸墩在门槽颈部所产生的拉应力：b：门槽颈部厚度，m。⑷闸墩配筋：当拉应力小于混凝土的容许拉应力时，可按构造要求进行配筋；否则，应按实际受力情况配筋。一般情况下，实体闸墩的应力不会超过墩体材料的容许应力，只需在闸墩底部及门槽配置构造钢筋。闸墩底部一般配Φ 四川水利职业技术学院水利系10～14mm，间距25～30cm的垂直钢筋，下端深入底板25～30倍的钢筋直径，上端伸至墩顶或底板以上2～3m处截断。水平分布钢筋一般采用Φ8～12mm，每米3～4根。门槽配筋见图4-30。图4-29边墩墩底主拉应力计算图4-30门槽配筋图（五）弧形闸门支座处应力计算当闸门关闭挡水时，由弧形闸门门轴传给牛腿的作用力R为闸门全部水压力合力的一半，该力可分为法向力N和切向力T（图4-31）。分析时可将牛腿视为短悬臂梁，计算它在N与T二力作用下的受力钢筋，并验算牛腿与闸墩相连处的面积是否满足要求。有关牛腿配筋计算可参阅《水工钢筋混凝土结构》等有关书籍。远离牛腿部位的闸墩应力仍可用前述方法进行计算，但牛腿附近的应力集中现象则需采用弹性理论进行分析。三向偏光弹性试验结果表明：仅在牛腿前（靠闸门一边）的约2倍牛腿宽、1.5～2.5倍牛腿高范围内（图4-32虚线范围）的主拉应力大于混凝土的容许应力，需要配置受力钢筋，其余部位可按构造配筋或不配筋。在牛腿附近闸墩需配置的受力钢筋面积As可近似地按下式计算：N′：大于混凝土容许拉应力范围内的拉应力总和（即图4-32虚线范围内的总拉力），该值约为（70～80）％N，kN；γd：结构系数，取1.2；fy：钢筋受拉强度设计值，MPa。 四川水利职业技术学院水利系图4-31牛腿计算图图4-32牛腿附近的闸墩拉应力三、胸墙、工作桥、检修桥与交通桥工作桥一般为钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土装配式梁板结构交通桥一般采用钢筋混凝土板桥或梁式桥'