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1、水利水電工程建筑物授課教案 章節(jié)名稱 第四章 水閘 教學日期 第二學期 授課教師姓名 職稱 授課時數(shù) 22 本章的教學目的與要求 掌握水閘的類型、工作特點、組成及各組成局部的作用；掌握水閘孔口設計的影響因素分析和計算方法；掌握消能防沖設計中水閘下游不利水流流態(tài)及相應的防止措施；掌握防滲排水設計中水閘地下輪廓線長度擬定、布置、滲流計算方法和防滲排水措施；水閘的布置與構造；在閘室穩(wěn)定應力分析中，重點從荷載計算、穩(wěn)定應力分析方法等方面比擬與重力壩的異同。了解水閘布置與構造、閘室結構計算內

2、容及方法等方面的內容。 授課主要內容及學時分配 掌握水閘的類型、工作特點、組成及各組成局部的作用〔2學時〕；掌握水閘孔口設計的影響因素分析和計算方法〔4學時〕；掌握消能防沖設計中水閘下游不利水流流態(tài)及相應的防止措施〔4學時〕；掌握防滲排水設計中水閘地下輪廓線長度擬定、布置、滲流計算方法和防滲排水措施〔6學時〕；水閘的布置與構造〔2學時〕；在閘室穩(wěn)定應力分析中，重點從荷載計算、穩(wěn)定應力分析方法等方面比擬與重力壩的異同〔2學時〕。了解水閘布置與構造、閘室結構計算內容及方法等方面的內容〔2學時〕。 重點和難點 水閘的類型、工作特點、組成及各組成局部的作用，水閘孔口設計的水閘孔口設計，如何不知

3、誰炸的消能防沖設計，水閘的滲流計算，水閘的整體布置。 思考題和作業(yè) 1．水閘按其承當?shù)娜蝿蘸徒Y構形式分為哪些類型？水閘的工作特點如何？ 2．水閘的組成局部及各組成局部的作用是什么？ 3．水閘孔口設計的影響因素有哪些？如何確定？ 4．水閘下游不利水流流態(tài)及相應的防止措施是什么？ 5．何謂水閘地下輪廓線？其長度如何擬定？布置方式有哪些？ 6．試述用“改良阻力系數(shù)法〞計算閘底板下滲壓力和滲透坡降的方法步驟。 7．試述水閘荷載計算和穩(wěn)定應力分析方法與重力壩有何異同？ 8．試述閘門、啟閉機的分類與選型方法如何? 9．水閘兩岸連接建筑物的型式有哪些? 如何選用？ 10．閘室結

4、構計算的內容有哪些? 試述有限深的“彈性地基梁法〞的計算步驟？ 第四章 水閘 第一講 講授第一節(jié) §4～1 水閘的類型和工作特點 一、類型 〔一〕概念：水閘是一種利用閘門的啟閉來調節(jié)水位，控制流量的低水頭水工建筑物。 〔二〕開展：公元前6世紀春秋時代，在位于今安徽壽縣城南的芍陂灌區(qū)中即設有進水和供水用的5個水門。 ☆世界上規(guī)模最大的水閘：荷蘭木斯海爾德?lián)醭遍l，共63孔，閘高53m，閘身凈長3000m，閘全長4425m。 〔三〕按承當任務分類： 圖4-1 水閘布置示意圖 1、進水閘：建在河道、水庫、湖泊岸邊或渠道渠首的，用以控制引水流量，以滿足灌溉、發(fā)電或供水需要

5、的閘。又稱為取水閘或渠首閘。 2、節(jié)制閘：為了灌溉、通航等需要橫跨河流或渠道上修建的，用以控制閘前水位及過閘流量的閘。位于河道上的節(jié)制閘又稱為攔河閘。 3、分洪閘：建于泄洪能力缺乏的天然河道河段上游適當?shù)牡攸c，洪峰來臨時開閘分泄一局部洪水進入湖泊、洼地等滯洪區(qū)，以減輕洪水對江河下游威脅的閘。 4、排水閘：建在江河沿岸低洼地區(qū)排水渠道末端，用以在外河水位上漲時防止外水倒灌，外河水位較低時排除其附近低洼地區(qū)積水的閘。 特點：閘身高，底板低，雙向擋水。 5、沖砂閘：建在多泥沙河流上，用以排除進水閘、節(jié)制閘或渠系中沉積泥沙

6、，減少引水水流含沙量，防止渠道和閘前河道淤積的閘。 ※一般建在進水閘一側河道上與節(jié)制閘并排布置或設在引水渠上進水閘旁。 6、擋潮閘：建在入海河口附近，漲潮時關閘防止海水倒灌入內河，退潮時開閘泄水，或者攔蓄淡水以利灌溉的閘。 〔四〕按閘室結構型式分 圖4-2 水閘閘室結構分類圖 (a) 無胸墻的開敞式；(b) 胸墻式；(c) 涵洞式 1、開敞式：即水閘閘室是露天的，上面沒有填土。 胸墻式：適用于上游水位較大而過閘流量不大的水閘。 無胸墻式：適用于有泄洪、通航、排冰等要求的水閘。 2、涵洞式：修建在河、渠堤之下的水閘。 3、雙層式：是一種分上下兩層，分別裝設閘

7、門的結構，既具有面層泄流能力，又具有底層泄流能力的閘室結構。 〔五〕按過閘流量分 大〔Ⅰ〕型 Q≥5000m3/s 大〔Ⅱ〕型 Q＝5000～1000m3/s 中型 Q=1000～100 m3/s 小〔Ⅰ〕型 Q=100～20 m3/s 小〔Ⅱ〕型 Q<20 m3/s 〔六〕其他類型的水閘：翻板閘，橡膠水閘，裝配式水閘等。 二、水閘的特點及設計要求 1、工作特點 1〕沉降量和沉降差。 2〕沖刷 3〕抗滑穩(wěn)定 4〕滲透穩(wěn)定 2、設計應注意問題 1〕選擇合理的水閘形式和構造，采取合理施工程序，進行嚴格地基處理，保證閘與地基穩(wěn)定

8、。 2〕進行合理可靠的防滲排水設計，確保滲透穩(wěn)定。 3〕采取有效的消能防沖設施，確保水閘不發(fā)生沖刷破壞。 三、水閘的組成 圖4-3 開敞式水閘組成示意圖 1－閘室底板；2－閘墩；3－胸墻；4－閘門；5－工作橋；6－交通橋；7－堤頂；8－上游翼墻；9－下游翼墻； 10－護坦；11－排水孔；12－消力坎；13－海漫；14－防沖槽；15－上游鋪蓋 1、上游連接段 ① 組成：翼 墻，鋪蓋，護底，防沖槽〔齒墻〕，護坡。 ② 作用：翼 墻：引導水流平順進閘，擋土，防沖，側向防滲。 鋪 蓋：防滲防沖。 防沖槽：保護護底首部，防止河床沖刷向護底方向開展。 護坡護底：保

9、護河岸及河床不受沖刷。 2、閘室段 ① 組成：底板，閘墩，閘門，胸墻，工作墻，交通橋。 ② 作用： 底 板：承受閘室全部荷載，將荷載較均勻地傳給地基，維持閘室抗滑穩(wěn)定，防沖，防滲。 閘 墩：分隔閘孔，支承閘門和橋梁。 工作橋：布置啟閉設備，操作閘門。 閘 門：控制水位，調節(jié)流量。 3、下游連接段 ①組成：消力池，海曼，防沖槽，翼墻，護岸。 ②作用：消力池：消能，防沖。 海 曼：繼續(xù)消余能，調整流速分布。 防沖槽：防止下游河床沖坑繼續(xù)向上游開展。 翼 墻：引導過閘水流均勻擴散，保護兩岸免受沖刷。 四、水閘等級劃分及洪水標準 1、平原地區(qū)水閘 表

10、4-1 平原區(qū)水閘樞紐工程分等指標 工 程 等 別 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 規(guī) 模 大〔1〕型 大〔2〕型 中型 小〔1〕型 小〔2〕型 最大過閘流量〔m3∕s〕 ≥5000 5000～1000 1000～100 100～20 ＜20 防護對象的重要性 特別重要 重要 中等 一般 － 2、灌排渠系上水閘 表4-2 灌排渠系建筑物級別劃分 建筑物級別 1 2 3 4 5 過閘流量〔m3∕s〕 ≥300 300～100 100～20 20～5 ≤5 表4-3 灌排渠系水閘的設計洪水標準

11、 水閘級別 1 2 3 4 5 設計洪水重現(xiàn)期〔a〕 100～50 50～30 30～20 20～10 10 3、消能防沖 表4-4 山區(qū)、丘陵區(qū)水閘閘下消能防沖設計洪水標準 水閘級別 1 2 3 4 5 閘下消能防沖設計洪水重現(xiàn)期〔a〕 100 50 30 20 10 第四章 水閘 第二講 講授第二節(jié)〔上〕 §4～2 水閘孔口尺寸確定 閘孔設計的任務：根據(jù)規(guī)劃的設計流量及相應上下游水位，，確定閘孔形式、底板高程、、閘孔尺寸，以滿足泄水或引水要求。 一、閘孔和底板型式選擇 1、閘孔形式

12、開敞式〔胸墻式，無胸墻式〕，封閉式〔涵洞式〕 2、選擇原那么 1〕閘坎高程較高，擋水高度較小的泄洪閘或分洪閘以及有排冰、通航等要求的水閘，一般均采用開敞式。 2〕閘坎高程較低，擋水高度較大的水閘，擋水高度高于洪水運用水位，或閘上水位變幅較大，且有限制過閘單寬流量的水閘均可采用胸墻式或涵洞式。 3、底板形式 1〕寬頂堰底板 ① 優(yōu)點：結構簡單，施工方便，泄流穩(wěn)定。 ② 缺點：流量系數(shù)較小，易產生波狀水躍。 ③ 適用：泄洪，沖沙，通航，排污，排冰等。 (a) (b)

13、 (c) 圖4-4 低實用堰 (a) 梯形堰； (b) 駝峰堰；(c) WES低堰 2〕低堰底板 ① 優(yōu)點：流量系數(shù)大，水流條件好，泄流能力強。 ② 缺點：流態(tài)不穩(wěn)定，結構復雜，施工難度較高。 ③ 適用：底板高程不夠〔水位較高〕； 因地基較差需降低底板高程時； 有攔沙要求時。 二、設計流量和上下游水位 1、流量 1〕攔河閘：設計洪水標準或校核洪水標準對應流量。 2〕進水閘：為渠道設計取水流量。 3〕排水閘：由后水計算確定。 2、水位 1〕攔河閘：下游由水位流量關系曲線查，上游比下游高0.1~0.3m。 2〕進

14、水閘：下游由渠道水位流量關系曲線查，游比下游高0.1~0.3m。 3〕排水閘：上游為滯洪區(qū)或排水渠摸排水設計流量對應水位，下游比上游低0.05~0.1m左右。 三、閘底板高程確定 1、在地基強度滿足要求的前提下，可定得高些，對大型水閘，應適當降低→降低造價； 2、攔河閘底板高程可與河底平齊； 3、進水閘底板高程常等于或略低于渠底，但應滿足引水及攔沙防淤要求； 4、分洪閘底板高程可比河底略高些，但應滿足最低分洪水位時的泄量要求及防止洪水沖刷河床； 5、排水閘底板高程應盡量低，以滿足排澇或排堿要求； 6、受單寬流量的影響。 四、過閘單寬流量確實定 1、影響因素：河床或渠道的地質

15、條件，水閘上、下游水位差，下游尾水深度等因素影響，兼顧泄洪能力和下游消能防沖兩個方面。 2、一般確定： 對粘土地基可取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、細砂、粉土和淤泥地基可取5～10m3／〔s·m〕。 第四章 水閘 第三講 講授第二節(jié)〔下〕 §4～2 水閘孔口尺寸確定 五、閘孔寬度確實定〔詳細介紹試算法〕 1、總寬度確定 確定總凈寬 B?！鷅→n 1〕堰流： 符號按書 2〕孔流： 2、單孔寬及閘室總寬度

16、 1〕單孔寬 大型 8～12m 中型 3～8m 小型 2～3m 2〕閘孔數(shù)量： n=B0/b0 6孔以下取單數(shù)，6孔及以上取雙數(shù) 3〕閘室總寬度 一般要求實際過流能力與設計過流量相差≤±5﹪ 閘室總寬 B=nb0+(n－1)d+2d0 〔邊墩〕 要求B≥0.6～0.85B河〔渠〕 B河〔渠〕：河道或渠道寬度。 第四章 水閘 第四講 講授第三節(jié)〔上〕 §4～3 水閘的消能防沖 一、過閘水流特點及閘下游沖刷原因 1〕閘下水流流態(tài)復雜〔流速大，紊動強烈，水流從堰流到孔流，從自由出流到淹沒出流都會發(fā)生〕。 2

17、〕閘下易形成波狀水躍。 3〕閘下容易出現(xiàn)折沖水流。 〔翼墻布置不當，適用不當……〕 二、消能防沖設計的水利條件 1、消能方式 一般采用底流消能 2、水力條件選擇 1〕一般是以上游最高水位、下游始流水位為可能出現(xiàn)的最低水位、閘門局部開啟、單寬流量大為控制條件。 2〕設計時應以閘門的開啟程序、開啟孔數(shù)和開啟高度進行多種組合計算，通過分析比擬確定。 三、底流消能設計 〔一〕消力池 1、作用：促使出閘水流在池中發(fā)生淹沒式水躍進行消能，并保護地基免遭沖刷。 2、布置： 1〕當閘下尾水深度小于躍后水深時，可采用下挖式消力池消能； 2〕當閘下尾水深度略小于躍后水深時，可采用突檻

18、式消力池消能； 3〕當閘下尾水深度遠小于躍后水深時，且計算消力池深度又較大時，可采用下挖式消力池與突檻式消力池相結合的綜合消力池消能； 4） 當水閘上下游水位差較大，且尾水深度較淺時，宜采用二級或多級消力池消能。 3、消力池尺寸確定 圖4-6 消力池池長、池深計算示意圖 圖4-7 USBRⅢ型消力池布置 1〕深度： 2〕消力池長度： 3〕、護坦底板厚度： 根據(jù)抗沖，抗浮要求確定。 抗沖： 抗?。? 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，小型水閘不宜小

19、于0.3m。 4〕、尾坎：穩(wěn)定水躍，調整鉛直斷面上的流速分布，促使水流均勻擴散，減小下游河床沖刷。 4、消力池構造 1〕材料 2〕排水孔 3〕變形縫 5、輔助消能工 如消力墩，一般布置在消力池前半段護坦上，二至三排交錯排列 第四章 水閘 第五講 講授第三節(jié)〔下〕 §4～3 水閘的消能防沖 四、波狀水躍級折沖水流的防止措施 1、波狀水躍的防止措施 圖4-8 波狀水躍的防止措施 (a) 在出流平臺上設置小檻；(b) 將小檻做成分流墩、分流齒形 1〕在消力池斜坡段的頂部預留一段0.5～1.0m寬的平臺，在其末端設

20、置一道小檻，見圖4-8(a)，迫使水流越檻入池，促成底流式水躍。 2〕分流墩、分流齒形，見圖4-8(b)，那么消除波狀水躍的效果更好。如水閘底板為低實用堰型，有助于消除波狀水躍的產生。 2、折沖水流的防止措施 1〕在平面布置上，盡量使上游引河具有較長的直線段， 2〕在消力池前端設置散流墩，對防止折沖水流有明顯效果； 3〕應制定合理的閘門開啟程序。 五、海漫及防沖槽 1、海漫 圖4-9 防沖加固措施 1〕作用：進一步削減水流剩余能量，使水流均勻擴散，保護護壩和減小對下游河床的沖刷。 2〕要求： 鞏固耐沖，且能適應下游河床可能的沖刷變形，具有一定的柔性。 為了使

21、滲水自由排出，減小場壓力，應具有一定的透水性。 為了進一步消能，外表應具有較大的糙率。 3〕海漫長度計算： Ks：海曼長度計算系數(shù)； △H′：閘孔泄水時的上下游水位差； qs：消力池末端單寬流量。 4〕海漫的構造 一般采用整體向下游傾斜的型式，在平面上沿水流方向向兩側逐漸擴散，以使水流均勻擴散，保護河床不受沖刷。 2、防沖槽 主要作用：挖槽拋填塊石，加固海曼末端，保護海曼 六、上下游護坡及河床防護 上游：2～3倍水頭長度護底及護坡 下游：4～6倍水頭長度護底

22、及護坡 七、閘門的控制運用 主要滿足以下要求： 1〕消力池長度在任何情況下都滿足要求〔淹沒水躍〕； 2〕閘門應分級均勻對稱開啟與關閉； 3〕嚴格控制始流條件下的閘門開度； 4〕、閘門開啟與關閉速度盡量慢。 第四章 水閘 第六講 講授第四節(jié)〔上〕 §4～4 防滲排水設計 一、閘基防滲長度及地下輪廓線布置 〔一〕設計任務 經濟合理地確定水閘底下輪廓線的型式和尺寸。并采取必要的可靠的防滲排水措施，以減小或消除滲流的不利影響，保證閘基及兩岸不產生滲透破壞，保證水閘的平安。 〔二〕閘基的防滲長度 圖4-10 水閘地下輪廓線 1、地下輪廓線：不透

23、水的鋪蓋、板樁、及閘底板等與地基的接觸線。 2、防滲長度：即地下輪廓線的長度，又稱滲徑長度?！矆D4－10〕 3、計算：L≥CH 表4-6 滲徑系數(shù)C值 排水條件 地 基 類 別 粉 砂 細 砂 中 砂 粗 砂 中礫 細礫 粗 礫 夾礫石 輕粉質砂壤土 輕砂壤土 壤土 粘土 有反濾層 13～9 9～7 7～5 5～4 4～3 3～2.5 11～7 9～5 5～3 3～2 無反濾層 － － － － － － － － 7～4 4～3 按上式初步確定后，還需經閘基的抗滑穩(wěn)定驗算及閘室穩(wěn)定計算最后確定。 〔三

24、〕閘基防滲排水布置 布置原那么：高防低排 “高防〞就是在閘底板上游一側布置鋪蓋、板樁、齒墻、混凝土防滲墻及灌漿帷幕等防滲設施，以延長滲徑，減小作用在底板上的滲透壓力，降低閘基滲流的平均坡降。 “低排〞就是在閘底板下游一側布置面層排水、排水孔〔或排水井〕、反濾層等設施，使地基滲水盡快排出 1、粘性土地基〔不易發(fā)生管涌〕 上游設防滲鋪蓋，下游出口處設反濾層 圖4－11〔a〕 2、砂類土地基〔粉沙，輕砂壤土，輕粉質砂壤土……〕〔b〕〔c〕〔d〕 易產生滲漏及滲透變形。 上游設鋪蓋加懸掛式板樁〔防滲墻〕相結合的布置方式 ，土層較薄時，設截水墻或截流板樁。 下游鋪設良好級

25、配的反濾層。 3、多層土地基：下游排水減壓，必要時，設板樁截斷夾砂層?！瞖〕 4、巖石地基： 可根據(jù)需要在閘底板上游端設水泥灌漿帷幕，后設排水孔。 圖4-11 水閘地下輪廓線布置示意圖 二、滲流計算 目的：計算底板及護坦下的滲透壓力和滲透坡降，判定初擬地下輪廓線是否滿足抗滑穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定要求。 計算方法：流網法、直線法、改良阻力系數(shù)法、有限元法、電模擬試驗法。 〔一〕直線法 1、原理：假定滲流沿地下輪廓線流動時，其滲透水頭是成直線比例逐漸減小的，即沿程滲透坡降的大小都是相同的。 2、公式： 勃萊法 hx=Hx/L hx：滲透壓強 萊茵法

26、 hx=Hx/L。 L0＝∑Lr+∑Lh/3 ∑Lr：水平滲徑 ∑Lh：垂直滲徑 *：將各點所求得的壓強大小，按一定比例標在閘底板面相應位置鉛直線上，然后將相鄰兩點水頭端點用直線連接，即得到作用于底板底面的滲透壓力分布圖。 滲透壓力分布見圖4－12 (a) (b) 圖4-12 全截面直線分布法滲透壓力計算圖 (a) 未設水泥灌漿帷幕和排水孔情況； (b) 設有水泥灌漿帷幕和排水孔情況 〔二〕改良阻力系數(shù)法 優(yōu)點：比擬充分地考慮了滲流在邊界條件變化處的水頭損失，故計算結果精度較高。

27、 1、 根本原理 (a) (b) 圖4-13 改良阻力系數(shù)法滲透壓力計算圖 ① 如圖4-13〔a〕，由達西定律：滲流區(qū)單寬流量為： 令ξ=L/T→ 令，那么得 式中 ξi——為滲流段阻力系數(shù)，與滲流段的幾何形狀有關； k——地基土的滲透系數(shù)，m／s。 總水頭H應為各段水頭損失的總和，即 將式(4-23)代入式(4-22)得各段的水頭損失為： 將各段的水頭損失

28、由出口向上游方向依次疊加，即得各段分界點的滲壓水頭及其它滲流要素。以直線連接各分段計算點的水頭值，即得滲透壓力分布圖，見圖4-13(b)。 2、計算步驟 1〕確定地基有效深度Te〔從各等效滲流段地下輪廓最高點垂直向下算起的地基透水層有效深度〕?？砂匆韵鹿接嬎悖? 當L0／S0≥5時 當L0／S0＜5時 式中 L0、S0——地下輪廓的水平投影及垂直投影長度，m。 當計算的Te大于地基實際深度時，Te值應按地基實際深度采用。 2〕典型流段阻力

29、系數(shù)的計算。一般水閘地基滲流段可歸納為三種典型流段，即進出口段，圖4-13中的Ⅰ、Ⅹ段；內部垂直段，圖4-13中的Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ段；內部水平段，圖4-13中的Ⅱ、Ⅳ、Ⅶ、Ⅸ段。每段的阻力系數(shù)ξi，可按表4-7中的公式確定。 表4-7 典型流段阻力系數(shù)計算表 3〕對進、出口段水頭損失值和滲透壓力分布圖進行局部修正，進、出口段修正后的水頭損失值可按以下公式計算〔如圖4-14〔a〕所示〕、表4-17 圖4-14 進、出口段滲壓修正示意圖 β′——阻力修正系數(shù)，當計算的β′≥1.0時，采用β′＝1.0； S

30、′——底板埋深與板樁入土深度之和，m； T′——板樁另一側地基透水層深度，m。 表4-8 出口段和水平段的允許滲流坡降[J]值 分段 地 基 類 別 粉 砂 細 砂 中 砂 粗 砂 中礫 細礫 粗 礫 夾礫石 砂壤土 壤土 軟壤土 堅硬粘土 極堅硬粘土 水平段 0.05～0.07 0.07～0.10 0.10～0.13 0.13～0.17 0.17～0.22 0.22～0.28 0.15～0.25 0.25～0.35 0.30～0.40 0.40～0.50 0.50～0.60 出口段 0.25～0.30 0.30～0

31、.35 0.35～0.40 0.40～0.45 0.45～0.50 0.50～0.55 0.40～0.50 0.50～0.60 0.60～0.70 0.70～0.80 0.80～0.90 注：當滲流出口處設反濾層時，表中數(shù)值可加大30％。 修正后的水頭損失的減小值Δh可按下式計算： 水力坡降呈急變形式的長度L'x可按下式計算： 出口段滲透壓力分布圖可按圖4-14(b) 方法進行修正。QP′為原有水力坡降，由計算的Δh和L'x值，分別定出P點和O點，連接QOP，即為修正后的水力坡降線。

32、 圖4-15 進、出口段齒墻不規(guī)那么部位修正示意圖 進、出口段齒墻不規(guī)那么部位可按以下方法進行修正〔圖4-15〕： 當hx≥Δh時，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頭損失，m。 當hx＜Δh時，可按以下兩種情況分別進行修正： ① 假設hx＋hy≥Δh，可按下式進行修正： h'x＝2hx h'y＝hy＋Δh－h(huán)x 式中 hy 、h'y——內部垂直段和修正后內部垂直段的水頭損失，m。 第

33、四章 水閘 第七講 講授第四節(jié)〔中〕 §4～4 防滲排水設計 注：詳細講解閘基的防滲計算 【例4-1】 某水閘地下輪廓線如圖4-16(a)所示。根據(jù)鉆探資料知地面以下12m深處為相對不透水的粘土層。用改良阻力系數(shù)法計算滲流要素。 解：1. 簡化地下輪廓：簡化后地下輪廓如圖4-16(b)所示，劃分10個根本段。 2．確定地基的有效深度：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，故按實際透水層深度T＝Tp＝12.0m，進行滲流計算。 3．計算各典型段阻

34、力系數(shù)：按各典型段阻力系數(shù)計算公式計算，見表4-9。 4．計算各段水頭損失：按公式〔4-24〕計算各段水頭損失，列于表4-10。 5．進、出口段水頭損失修正 圖4-16 某水閘地下輪廓線布置及滲流計算圖 表4-9 分段編號 分段名稱 S(m) S1(m) S2(m) T(m) L(m) ξi ① 進口段 1.0 12 0.477 ② 水平段 0 0 11 0.5 0.045 ③ 內部鉛直段 0.6 11.6 0.052 ④ 水平段 0.6 5.1 11.6 12.25 0.712 ⑤

35、 內部鉛直段 5.1 11.6 0.479 ⑥ 內部鉛直段 4.5 11.0 0.441 ⑦ 水平段 4.5 0.5 11.0 10.25 0.614 ⑧ 內部鉛直段 0.5 11.0 0.045 ⑨ 水平段 0 0 10.5 1.0 0.095 ⑩ 出口段 0.6 11.1 0.460 ∑ 總和 3.420 表4-10 分段編號 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ hi 0.628 0.059 0.068 0

36、.937 0.630 0.581 0.808 0.059 0.125 0.605 注：總水頭H=30－25.5＝4.5m 〔1〕進口段水頭損失修正：T′=12－1＝11m，T=12m，S′=1.0m，按式〔4-28〕計算得β′＝0.629＜1.0，那么進口段修正為h'01＝0.628×0.629＝0.395m。水頭損失減小值Δh＝0.628－0.395＝0.233m，因〔hx2＋hy3〕＝0.059＋0.068＝0.127＜Δh，故第②、③、④段分別按式(4-34)、(4-35)修正：h'x2＝2hx2＝2×0.059＝0.118m，h'y3＝2hy3＝2×0.068＝0.1

37、36m，h'x4＝hx4＋Δh－〔hx2＋hy3〕＝0.937+0.233－〔0.059＋0.068〕＝1.043m。 〔2〕出口段水頭損失修正：T′=10.5m，T=11.1m，S′=0.6m，按式〔4-28〕計算得β′＝0.516＜1.0，那么出口段修正為h'010＝0.605×0.516＝0.312m。水頭損失減小值Δh＝0.605－0.312＝0.293m，因〔hx9＋hy8〕＝0.125＋0.059＝0.184＜Δh，故第⑦、⑧、⑨段分別按式(4-34)、(4-35)修正：h'x9＝2hx9＝2×0.125＝0.250m，h'y8＝2hy8＝2×0.059＝0.118m，h'x7＝

38、hx7＋Δh－〔hx9＋hy8〕＝0.808+0.293－〔0.125＋0.059〕＝0.917m。 驗算：H＝0.395＋0.118＋0.136＋1.043＋0.630＋0.581＋0.917＋0.118＋0.250＋0.312＝4.5m，計算無誤。 6．計算各角點或尖端滲壓水頭：由上游進口段開始，逐次向下游從總水頭H＝4.5m，減去各分段水頭損失值，即可求得各角點或尖端滲壓水頭值：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

39、.562m，H10＝0.312m，H11＝0.312－0.312＝0。 7．繪制滲壓水頭分布圖：如圖4-16(c)所示。 8. 滲流出口平均坡降：按式〔4-36〕J=h'0／S′=0.312／0.6＝0.52。 第四章 水閘 第八講 講授第四節(jié)〔下〕 §4～4 防滲排水設計 三、防滲及排水設施 防滲設施：水平防滲〔鋪蓋〕；垂直防滲〔板樁，齒墻，防滲墻，防滲帷幕……〕； 排水設施：鋪設在護坦，閘底板下起導滲作用的沙礫石層，一般與反濾層結合使用。 〔一〕 鋪蓋 1〕粘土，粘壤土鋪蓋: 鋪蓋的厚度應根據(jù)鋪蓋土料的允許水力坡降值計算確定，上游端的最小厚度應不小于0.

40、6m，逐漸向閘室方向加厚，且任一截面厚度不應小于1/4～1/6倍該計算斷面頂?shù)酌娴乃^差值。為了防止鋪蓋在施工期被損壞和運用時被水流沖刷，其上面應設置厚0.3～0.5m的干砌塊石或混凝土板保護層，保護層與鋪蓋間設置一層或兩層砂礫石墊層。 2〕砼或鋼筋砼鋪蓋 : 其厚度一般根據(jù)構造要求確定，最小厚度不宜小于0.4m，在與底板連接處應加厚至0.8～1.0m。為了減小地基不均勻沉降和溫度變化的影響，其順水流方向應設永久縫，縫距可采用8～20m。鋪蓋與閘底板、翼墻之間也要分縫?？p寬可采用2～3cm，縫內均應設止水?；炷龄伾w中應配置構造筋，對于起阻滑作用的鋼筋混凝土鋪蓋那么要根據(jù)受力情況配置受拉

41、鋼筋。受拉鋼筋與閘室在接縫處應采用鉸接的構造型式。鋪蓋的混凝土強度等級一般不低于C20。 3)土工膜防滲鋪蓋：水閘防滲鋪蓋也可用土工膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的弱透水土料。用于防滲的土工合成材料主要有土工膜或復合土工膜，其厚度應根據(jù)作用水頭、膜下土體可能產生裂隙寬度、膜的應變和強度等因素確定，但不宜小于0.5mm。 〔二〕 板樁 1、作用：增加滲徑，降低滲透壓力，減小滲流出口坡降，防止出口處土壤產生滲透變形。 2、構造 ① 入土深度≥〔0.7～1.2〕H； ② 厚度≥0.2m，寬度不宜小于0.4m； ③ 順水流方向設永久性變形縫，縫距8～20m，縫寬2～3cm，縫內設止水。 3、與底板的連接

42、 板樁頂部嵌入粘土鋪蓋一定深度。適用于閘室沉降量較大，而板樁尖已插入堅實土層情況。適用于閘室沉降量較小， 板樁頂部嵌入底板下特設凹槽內，板頂填塞瀝青等材料，適用閘室沉降量小而板樁尖未到達堅實土層的情況。 〔三〕齒墻及混凝土防滲墻 作用：輔助防滲，并有利于抗滑 〔四〕水泥砂漿帷幕，高壓噴射砂漿帷幕及垂直防滲土工膜 〔五〕排水設施 1、目的：排除滲水，減小滲透壓力 2、平鋪式排水〔適用于土基〕 即在護坦及漿砌石海曼底部平鋪粒徑為1～2 cm的礫石、碎石或卵石透水層，厚0.2～0.3m ，下設反濾層。 注意：① 閘底板齒墻底面應位于反濾層底往下一定距離； ② 砼護坦

43、及漿砌石海曼上應設排水孔。 3、垂直排水〔地基內有承壓水〕 作用：主要用于降低地基內承壓水水頭。 方式：排水溝； 排水井〔了解〕 4、水平帶狀排水〔巖基〕 在根底面上設排水溝或排水管等。 四、水閘的側向繞滲 1、概念：水閘建成擋水后，除閘基有滲流外，水流還從上游經水閘兩岸滲向下游，這就是側向繞滲，見圖4-17。 圖4-17 側向防滲排水布置圖 2、危害：繞滲對岸墻、翼墻產生滲透壓力，加大了墻底揚壓力和墻身的水平水壓力，對翼墻、邊墩或岸墻的結構強度和穩(wěn)定產生影響；并有可能使填土發(fā)生危害性的滲透變形，增加滲漏損失。 3、防滲措施：側向防滲排水布置〔包括刺墻、板樁

44、、排水井等〕應根據(jù)上、下游水位、墻體材料和墻后土質以及地下水位變化等情況綜合考慮，并應與閘基的防滲排水布置相適應，在空間上形成一體。 4、布置原那么：布置原那么仍是防滲與導滲相結合。 有時為了防止填土與邊墩〔或岸墻〕接觸面上產生集中滲流，也可設置短刺墻。排水設施一般設在下游翼墻上，根據(jù)墻后回填土的性質不同，可采用排水孔或連續(xù)排水墊層等型式?？卓诟浇鼞O反濾層以防發(fā)生滲透變形。 第四章 水閘 第九講 講授第五節(jié) §4～5 水閘的布置與構造 一、閘室的布置與構造 〔一〕底板 型式：平底板，低堰～，折線～ 分類

45、 墩與板連接方式：整體式，別離式 1、 整體式底板 圖4-18 整體式、別離式平底板 1－底板；2－閘墩；3－閘門；4－空箱式岸墻；5－溫度沉陷縫；6－邊墩 1〕概念：閘墩與底板澆筑或砌筑成整體時的底板。 2〕分縫：對于多孔、寬度較大的水閘，為適應地基不均勻沉陷和溫度變化需要，一般在垂直水流方向設永久性縫將底板分成假設干閘段，縫距不大于20m〔巖基〕，35m〔土基〕。 3〕分縫位置 ① 閘墩中間〔縫墩〕 優(yōu)點：閘室結構整體性好，各閘段獨立工作，抗震性好。 缺點：施工期長，工程量大，施工難度大。 適用：地質條件較差地區(qū)或地震區(qū)。 ② 底板中間 優(yōu)點

46、：可縮短工期，減小閘室的總寬度和底板跨中彎矩，節(jié)約 第四章 水閘 第十講 講授第六節(jié) §4～6閘室穩(wěn)定驗算和地基處理 一、荷載及其組合 〔一〕荷載計算 1、自重：指水閘結構及其上部填料和永久設備的重量。 2、水重：指閘室范圍內作用在底板頂面以上的水體重量。 3、水平水壓力：指作用在胸墻，閘門及閘墩上的水平水壓力。 (a) (b) 圖4-26 水平水壓力計算圖 注意： a點處為靜水壓強 ① 鋪蓋與底板連接處的水平水壓力

47、 b點處取揚壓力值 ② 對鋼筋砼或砼鋪蓋 止水片以上按靜水壓力分布計算 止水片以上按梯形分布計算 4、揚壓力 滲透壓力：見滲流計算 浮托力：某點處的浮托力等于該點與下游水位間的高差乘以水的重度。 5、浪壓力 ：波長、波高和波浪中心線高出靜水位高度等波浪要素的計算按莆田試驗站法進行；根據(jù)風區(qū)范圍內平均水深、波浪破碎的臨界水深及半波長之間的關系，判別屬深水波、淺水波或破碎波，分別用相應公式進行浪壓力計算。 6、土壓力 對重力式擋土墻，墻背后填土為均質無粘性土時 土壓力：Fa=0.5γtHt2ka

48、 Fa：主動土壓力，作用在距墻底為墻高的1/3處。作用方向與水平面成〔δ+ε〕角?！睰N/m〕 γt：填土重度〔KN/m3〕,地下水位以下取滲重度。 Ht：墻高 Ka：主動土壓力系數(shù) φt：墻后填土內摩擦角 δ：擋土墻后填土對墻背的外摩擦角 *墻背光滑，排水不良 δ=〔0.00～0.33〕φt 墻背粗糙，排水良好 〔0.33～0.50〕φt 墻背很粗糙，排水良好 〔0.50～0.67〕φt 墻背與填土之間不可能滑動 〔0.67～1.00〕φt 其余按水閘標準 P66－69

49、 7、淤沙壓力 根據(jù)可能淤積厚度確定 參見重力壩 P14 8、其他荷載：地震荷載，冰壓力，土的凍脹力 參見?水閘設計標準?重力壩 〔二〕荷載組合 表4-12 水閘荷載組合表 荷載組合 計算情況 荷 載 自重 水重 靜水壓力 揚壓力 土壓力 淤砂壓力 風壓力 浪壓力 冰壓力 土的凍脹力 地震荷載 其他 說 明 根本組合 完建情況 √ — — — √ — — — — — — √ 必要時，可考慮地下水產生的揚壓力 正常蓄水位 情況 √

50、 √ √ √ √ √ √ √ — — — √ 按正常蓄水位組合計算水重、靜水壓力、揚壓力及浪壓力 設計洪水位 情況 √ √ √ √ √ √ √ √ — — — — 按設計洪水位組合計算水重、靜水壓力、揚壓力及浪壓力 冰凍情況 √ √ √ √ √ √ √ — √ √ — √ 按正常蓄水位組合計算水重、靜水壓力、揚壓力及浪壓力 特殊組合 校核洪水位 情況 √ √ √ √ √ √ √ √ — — — — 按校核洪水位組合計算水重、靜水壓力、揚壓力及浪壓力 施工情況 √ — —

51、— √ — — — — — — √ 應考慮施工過程中各個階段的臨時荷載 檢修情況 √ — √ √ √ √ √ √ — — — √ 按正常蓄水位組合〔必要時可按設計洪水位組合或冬季低水位條件〕計算水重、靜水壓力、揚壓力及浪壓力 地震情況 √ √ √ √ √ √ √ √ — — √ — 按正常蓄水位組合計算水重、靜水壓力、揚壓力及浪壓力 注：表中“√〞號為需要考慮荷載，“—〞 號為不需要考慮荷載 二、閘室抗穩(wěn)定計算 〔一〕計算公式 1、土基： P148

52、 Kc=f∑G/∑H 〔簡單〕 Kc=〔tgφ0∑G+C0A〕/ ∑H 〔更合理〕 2、巖基：同重力壩 3、穩(wěn)定條件：Kc≥[K土〔巖〕] 表4-13 [K土]值 表4-14 ［K巖］值 注：1、特殊組合Ⅱ適用于地震情況。 2、特殊組合Ⅰ適用于校核洪水位情況、施工情況及檢修情況。 表4-15 f值 表4-16 φ0、C0值〔土質地基〕 土質地基類別 φ0〔°〕

53、C0 〔kPa〕 粘性土 0.9φ (0.2～0.3)C 砂性土 (0.85～0.90)φ 0 地基類別 f 粘土 軟弱 中等堅硬 堅硬 0.20～0.25 0.25～0.35 0.35～0.45 壤土、粉質壤土 砂壤土、粉砂土 細砂、極細砂 中砂、粗砂 砂礫石 礫石、卵石 碎石土 0.25～0.40 0.35～0.40 0.40～0.45 0.45～0.50 0.40～0.50 0.50～0.55 0.40～0.50 軟質巖石 極軟 軟 較軟 0.40～0.45 0.45～0.55 0.55～0.60 硬質巖石

54、 較堅硬 堅硬 0.60～0.65 0.65～0.70 注：φ為室內飽和固結快剪〔粘性土〕或飽和快剪實驗測得的內摩擦角；C為室內飽和固結快剪實驗測得的粘結力。 巖石地基類別 f′ C′(M Pa〕 硬質 巖石 堅硬 1.5～1.3 1.5～1.3 較堅硬 1.3～1.1 1.3～1.1 軟質 巖石 較軟 1.1～0.9 1.1～0.7 軟 0.9～0.7 0.7～0.3 極軟 0.7～0.4 0.3～0.05 表4-1

55、7 f′、C′值〔巖石地基〕 注：如巖基內存在結構面、軟弱層〔帶〕或斷層的情況，f′、C′值應按現(xiàn)行的GB50287—99?水利水電工程地質勘測標準?選用。 〔二〕提高閘室抗滑穩(wěn)定性的工程措施 1〕將閘門位置向低水位一側移動，或將水閘底板向高水位一側加長，以增加水重； 2〕適當增加閘室結構自重； 3〕增加閘室底板的齒墻深度； 4〕增加鋪蓋長度或帷幕深度，或在不影響

56、防滲平安的前提下，將排水設施向水閘底板靠近； 5〕利用鋼筋混凝土鋪蓋作阻滑板； 6〕增加鋼筋砼抗滑樁或預應力錨固結構。 三、閘室基底應力計算 〔一〕應滿足條件 1、在各種情況下，閘室最大基底壓力不大于地基容許承載力〔土基不大于1.2倍地基容許承載力〕； 2、在非地震情況下，閘室基底不出現(xiàn)拉應力，在地震情況下，閘室基底拉應力不大于100kpa； 3、最大應力與最小應力的比值η不大于容許值〔表4-18〕。 表4-18 土基上的[η]值 地基土質 荷載組合 根本組合 特殊組合 松軟 1.50 2.00 中等堅實 2.00 2.50 堅實 2.50 3.

57、00 〔二〕計算 1、閘室結構布置及受力情況對稱時： 2、不對稱時，如多孔閘的邊閘孔或左右不對稱的單孔閘： 四、閘室沉降 1、危害：使閘頂高程缺乏，過大的不均勻沉降將導致閘室傾斜，產生裂縫，止水破壞，甚至斷裂。 2、目的：通過計算分析，可以了解地基的變形情況，以便選用合理的水閘結構形式，確定適宜的施工程序和施工進度，或進行適當?shù)牡鼗幚怼? 3、減少沉降的措施 ① 采用沉降縫隔開； ② 改變根底型式或剛度； ③ 調整根底尺寸與埋置深度； ④ 對地基進行人工加固； ⑤ 安排適宜的施工程序，嚴格控制施工進度； ⑥ 變更結構型式〔采用輕型結構或靜定結構〕

58、或加強結構剛度。 五、地基處理： 1、換土墊層法； 2、樁基； 3、高壓旋噴法 第四章 水閘 第十一講 講授第七節(jié) §4～7 閘室結構計算 目的：驗算強度，以便最后確定各構件的型式、尺寸及構造。 方法：一般將水閘分解成底板、閘墩、胸墻、工作橋、交通橋等假設干構件分別計算，并在單獨計算時，考慮它們之間的相互作用。 一、整體式底板內力計算 一般把閘底板視為地基上的一塊板進行計算，在垂直水流方向采用截板成梁的方法計算。 〔一〕倒置梁法 1、概念：假定地基反力為均布荷載，底板當作梁，閘墩當作支點，按倒置的連續(xù)梁計算內力。 2、 方法： ① 根據(jù)上部

59、荷載計算地基反力： 〔q反〕〔作用力、反作用力〕 ②倒置梁上的均布荷載：q=q反+ q揚－q自－q水，得計算簡圖： 圖4-27 倒置梁法底板結構計算簡圖 ③ 內力計算； ④ 配筋計算。 3、優(yōu)點：計算簡單 4、缺點： ① 沒有考慮底板與地基變形的協(xié)調作用； ② 假定底板在垂直水流方向地基反力為均勻分布，有時與實際出入較大； ③ 支座及力與閘墩鉛直荷載不等，計算結果誤差大。 5、適用：軟弱地基上的中小型水閘。 〔二〕彈性地基梁法 1、根本假定：順水流方向地基反力成直線變化，垂直水流方向彈性〔曲線分布〕 2、步驟 ① 用偏心受壓公式計算閘底在順水流

60、方向的地基反力： ② 計算不平衡剪力 a、以閘門為界，將底板分為上下兩段，分別在兩段中央截取單寬板條〔及墩條〕進行分析。 b、對單寬板條進行受力分析〔荷載：水重，墩重，底板重，場壓力，地基反力〕。 ∑Fy=0 △Q：不平衡剪力 ③ 將不平衡剪力在底板和閘墩上進行分配。 一般： ④計算中作用在單寬板條上的荷載 中墩集中力：P1=G1/b2+△Q墩[d1/〔2d2+d1〕] 繼墩集中力：P2= G2/b2+△Q墩[d2/〔2d2+d1〕] 并將P1，P2化為局部均勻荷載〔面荷

61、載〕→單寬→線荷載〔垂直水流方向〕 那么板條上的均布荷載為： 注：底板自重取值：按書 ⑤按靜定結構計算內力 ⑥配筋計算〔驗算〕 二、閘墩 〔一〕內容：閘墩水平截面上的正應力和剪應力，平面閘門門槽或弧形閘支座應力計算。 〔二〕計算工況〔了解〕 運用期 檢修期 〔三〕閘墩水平截面上的正應力和剪應力 墩底截面為控制截面，將閘墩視為固結于底板上的懸臂結構，近似按材料力學中的偏心受壓公式分析應力。 (a) (b) (c) 圖4-28 閘墩結構計算示意圖

62、 P1P2—上、下游水平水壓力；P3P4—閘墩兩側橫向水壓力；P5—交通橋上車輛剎車制動力； G1—閘墩自重；G2—工作橋及閘門重；G3—交通橋重 1、水平截面上的正應力： 2、水平截面上的剪應力計算 τx=QxSx/〔Ixdx〕 τy=QySy/〔IYB〕 Qx=P1+P2－P3－P4 或 Qx=P6－P7+P8－P10 Qy=P5－P9－P11 *對縫墩或一側閘門開啟另一側閘門關閉的中墩，水平力對水平截面形心還將產生紐矩Mn， 位于y軸邊緣將產生最大扭剪應力：τnmax=Mn/(0.3Ld2) A點處主應力： ★要求：σzl

63、不得大于混凝土的允許拉應力，否那么應配受力鋼筋。 〔四〕平面閘門閘墩門槽應力計算 要承受由閘門承受的水壓力而產生的拉壓力。 ⑴ 取lm高的閘墩作為計算單元。 由左、右側閘門傳來的水壓力為P，在計算單元上、下水平截面上將產生剪力Q上和Q下，剪力差Q下－Q上應等于P。 ⑵ 假設剪應力在上、下水平截面上呈均勻分布，并取門槽前的閘墩作為脫離體，由力的平衡條件可求得此lm高門槽頸部所受的拉力P1為： A1：門槽頸部以前閘墩的水平截面積，m2； A：閘墩的水平截面積，m2。

64、 ⑶ 計算 lm高閘墩在門槽頸部所產生的拉應力： b：門槽頸部厚度，m。 ⑷ 閘墩配筋：當拉應力小于混凝土的容許拉應力時，可按構造要求進行配筋； 否那么，應按實際受力情況配筋。一般情況下，實體閘墩的應力不會超過墩體材料的容許應力，只需在閘墩底部及門槽配置構造鋼筋。閘墩底部一般配Φ10～14mm，間距25～30cm的垂直鋼筋，下端深入底板25～30倍的鋼筋直徑，上端伸至墩頂或底板以上2～3m處 截斷。水平分布鋼筋一般采用Φ8～12mm，每米3～4根。門槽配筋見圖4-30。

65、 圖4-29 邊墩墩底主拉應力計算 圖4-30 門槽配筋圖 〔五〕弧形閘門支座處應力計算 當閘門關閉擋水時，由弧形閘門門軸傳給牛腿的作用力R為閘門全部水壓力合力的一半，該力可分為法向力N和切向力T〔圖4-31〕。 分析時可將牛腿視為短懸臂梁，計算它在N與T二力作用下的受力鋼筋，并驗算牛腿與閘墩相連處的面積是否滿足要求。有關牛腿配筋計算可參閱?水工鋼筋混凝土結構?等有關書籍。 遠離牛腿部位的閘墩應力仍可用前述方法進行計算，但牛腿附近的應力集中現(xiàn)象那么需采用彈性理論進行分析。三向偏光彈性試驗結果說明：僅在牛腿前〔靠閘門一邊〕的約2倍牛腿寬、1.5～2.5倍牛腿

66、高范圍內〔圖 4-32虛線范圍〕的主拉應力大于混凝土的容許應力，需要配置受力鋼筋，其余部位可按構造配筋或不配筋。在牛腿附近閘墩需配置的受力鋼筋面積As可近似地按下式計算： N′：大于混凝土容許拉應力范圍內的拉應力總和〔即圖4-32虛線范圍內的總拉力〕，該值約為〔70～80〕％N，kN； γd：結構系數(shù)，取1.2； fy：鋼筋受拉強度設計值，MPa。 圖 4-31 牛腿計算圖 圖 4-32 牛腿附近的閘墩拉應力 三、胸墻、工作橋、檢修橋與交通橋 工作橋一般為鋼筋混凝土或預應力鋼筋混凝土裝配式梁板結構 交通橋一般采用鋼筋混凝土板橋或梁式橋