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？第四章水闸§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53m1、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。

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。

(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=1000～100 m3/s小（Ⅰ）型 Q=100～20 m3/s小（Ⅱ）型 Q<20 m3/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。

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2、灌排渠系上水闸表4-2 灌排渠系建筑物级别划分表4-3 灌排渠系水闸的设计洪水标准3、消能防冲表4-4 山区、丘陵区水闸闸下消能防冲设计洪水标准第四章水闸§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(a) 梯形堰； (b) 驼峰堰；(c) WES低堰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：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）。

第四章 水闸§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：B =符号按书2）孔流：0B =2、单孔宽及闸室总宽度 1）单孔宽大型 8～12m 中型 3～8m 小型 2～3m 2）闸孔数量： n =B 0/b 06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 =nb 0+(n －1)d +2d 0 （边墩）要求B≥0.6～0.85B 河（渠） B 河（渠）：河道或渠道宽度。

第四章水闸§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2）消力池长度：sj s jL L L β=+ "6.9j c c L h h =-（）3）、护坦底板厚度： 根据抗冲，抗浮要求确定。

抗冲：1t k =抗浮：22mbU W P t k γ-±=t =max{ t 1，t 2} 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，二至三排交错排列第四章水闸置一道小槛，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；3112○1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。

○2为了使渗水自由排出，减小场压力，应具有一定的透水性。

○3为了进一步消能，表面应具有较大的糙率。