水闸简要分析 (2).doc

四川农业大学网络教育
毕业论文

专业
 水利水电工程
学号
 W320312220511
 姓名 
 史先河
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水闸简要分析
四川农业大学远程与继续教育学院 水利水电工程 史先河
指导老师：胡建
摘要： 水闸的设计是极其特殊的，设计的受力条件、地质条件以及施工条件，都会直接影响着水工工程的顺利运行。水闸多建于河道、 渠系、水库、湖泊及滨海地区，主要作用为排涝、灌溉、防洪及给水等方面，在水利工程建设中的应用相对广泛。本文主要对水闸的类型、闸室结构、水闸工作特点、水闸的组成、水闸的设计、计算闸孔总净宽、确定闸室单孔宽度和闸室总宽度和水闸工程等别及建筑物级别进行了简要的介绍分析研究。

关键字：水闸类型、水闸设计、闸孔、

0前言
改革开放以来，水利工程建设快速发展，在很大程度上为人们生活提供了便利，促进了国家的经济发展。水闸工程建设时水利工程建设中一个相当重要的环节，在水利工程的整体建设中发挥着不可替代的作用。其质量的优劣直接影响日后水利工程投入使用的有效程度。因此，在水利工程建设过程中要对水闸工程建设的各个环节进行有效控制，结合工程实际情况采用有效的施工技术，以保障水闸建设质量，从而保障工程整体质量。本文对水闸的类型、工作特点及组成等等进行简要分析。
1．水闸的类型：
1.1按水闸所承担的主要任务分类: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1 水闸的类型及位置示意图

1.1.1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。 
1.1.2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。 
1.1.3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。 
1.1.4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。 
1.1.5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。 
1.1.6排沙闸、排冰闸、排污闸：为排除泥沙、冰块、漂浮物等而设置的
1.2按闸室结构形式分类:
按闸室的结构形式，可分为：开敞式、胸墙式和涵洞式。
1.2.1开敞式水闸：闸室上面不填土封闭的水闸。 
一般有泄洪、排水、过木或排漂浮物等要求时，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，如节制闸、分洪闸、进水闸、排水闸、挡潮闸多用这种形式。
1.2.2胸墙式水闸和涵洞式水闸，适用于闸上水位变幅较大或挡水位高于闸孔设计水位，即闸的孔径按低水位通过设计流量进行设计的情况。胸墙式的闸室结构与开敞式基本相同，为了减少闸门和工作桥的高度或为控制下泄单宽流量而设胸墙代替部分闸门挡水，挡潮闸、进水闸、泄水闸常用这种形式。如中国葛洲坝泄水闸采用12m×12m活动平板门胸墙，其下为12m×12m弧形工作门，以适应必要时宣泄大流量的需要。 
1.2.3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引水或排水的水闸。闸室结构为封闭的涵洞，在进口或出口设闸门，洞顶填土与闸两侧堤顶平接即可作为路基而不需另设交通桥，排水闸多用这种形式。洞内水流可以是有压的或者是无压的。 
2．水闸的工作特点： 
2.1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。 
2.2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。 
2.3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。 
2.4 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。 
2.5水闸的传力过程: 闸门 → 闸墩 → 底板 → 地基 （承受水压力）（承受上部结构重量） (较均匀地传给)。
2.6地基：平原地区水闸大部分建在土基上。 土基的特点: （1）抗剪强度低→稳定性差 （2）压缩性较大→容易产生不均匀沉降 （3）易产生渗透变形，抗冲刷能力低。
2.7水流： （1）.静水（关闸）： 水平水压力、土基→滑动 水位差产生渗透压力→不利于稳定 绕岸渗流→不利于翼墙稳定。
（2）.开闸泄水 ： 水位差→流速大→对下游河床、岸坡冲刷 水位变幅较大→流态多（堰流、孔流），淹没出流、自由出流 闸门全开时，水位差小→易形成波状水跃 闸门开启顺序不合理时→产生折冲水流 。
2.8水闸工作特点总结：
水闸关门挡水时，闸室将承受上下游水位差所产生的水平推力，使闸室有可能向下游滑动。闸室的设计，须保证有足够的抗滑稳定性，同时在上下游水位差的作用下，水将从上游沿闸基和绕过两岸连接建筑物向下游渗透，产生渗透压力对闸基和两岸连接建筑物的稳定不利，尤其是对建于土基上的水闸，由于土的抗渗稳定性差，有可能产生渗透变形，危及工程安全，故需综合考虑闸址地质条件、上下游水位差、闸室和两岸连接建筑物布置等因素，分别在闸室上下游设置完整的防渗和排水系统，确保闸基和两岸的抗渗稳定性。
水闸开门泄水时，闸室的总净宽度须保证能通过设计流量。闸的孔径，需按使用要求、闸门形式及考虑工程投资等因素选定。由于过闸水流形态复杂，流速较大，两岸及河床易遭水流冲刷，需采取有效的消能防冲措施。对两岸建筑物的布置需使水流进出闸孔有良好的收缩与扩散条件。建于平原地区的水闸地基多为较松软的土基，承载力小，压缩性大，在水闸自重与外荷载作用下将会产生沉陷或不均匀沉陷，导致闸室和翼墙等下沉、倾斜，甚至引起结构断裂而不能正常工作。为此，对闸室和翼墙等的结构形式、布置和基础尺寸的设计，需与地基条件相适应，尽量使地基受力均匀，并控制地基承载力在允许范围以内，必要时应对地基进行妥善处理。对结构的强度和刚度需考虑地基不均匀沉陷的影响，并尽量减少相邻建筑物的不均匀沉陷。
此外，对水闸的设计还要求做到结构简单、经济合理、造型美观、便于施工、管理，以及有利于环境绿化等。
3．水闸的组成：  
组成：上游联接段、闸室段和下游联接段三部分组成。

图2 水闸的组成图

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—下游防冲槽；15—上游防冲槽；16—上游护底；17—上、下游护坡。 
3.1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。 
3.2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。 
3.3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。 
4.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。闸址和闸槛高程的选择根据水闸所负担的任务和运用要求，综合考虑地形、 地质、 水流、泥沙、施工、管理和其他方面等因素，经过技术经济比较选定。闸址一般设于水流平顺、 河床及岸坡稳定、 地基坚硬密实、抗渗稳定性好、场地开阔的河段。闸槛高程的选定，应与过闸单宽流量相适应。在水利枢纽中，应根据枢纽工程的性质及综合利用要求，统一考虑水闸与枢纽其他建筑物的合理布置，确定闸址和闸槛高程。
4.1闸址选择和闸孔设计:
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。
4.2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。
4.3水闸等级划分及洪水标准：
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。 
4.4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。    
4.5闸孔型式的选择：
4.5.1宽顶堰型：是水闸中最常用的地板结构型式。其主要有点是结构简单、施工方便，泄流能力比较稳定，有利于泄洪、冲沙、排淤、通航等；其缺点是自由泄流时流量系数较小，容易产生波状水跃。
4.5.2低实用堰型：低实用堰有梯形的、曲线形的和驼峰形的。实用堰自由泄流时流量系数较大，水流条件较好，选用适宜的堰面曲线可以消除波状水跃；上游水深较大时，采用这种孔口形式，可以减小闸门高度。
4.5.3胸墙孔口型：当上游水位变幅较大，过闸流量较小时，常采用胸墙孔口型。可以减小闸门高度和启门力。从而降低工作桥高和工程造价。
4.6水闸底板高程的确定： 
水闸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。
闸底板应置于较为坚实的土层上，并应尽量利用天然地基。在地基强度能够满足要求的条件下，底板高程定得高些，闸室宽度大，两岸连接建筑物相对较低。对于小型水闸，由于两岸连接建筑物在整个工程中所占比重较大，因而总的工程造价可能是经济的。在大中型水闸中，由于闸室工程量所占比重较大，因而适当降低底板高程，常常是有利的。
选择底板高程以前，首先要确定合适的最大过闸单流量。它取决于闸下游河渠的允许最大单宽流量。根据工程实践经验，一般在细粉质及淤泥河床上，单宽流量取5~10m3/（s.m）；在沙壤土地基上取10~20m3/（s.m）；粘土地基上取20~25m3/（s.m）。
5．计算闸孔总净宽：
5.1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。
5.2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。
5.3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连的，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。
6.确定闸室单孔宽度和闸室总宽度：
6.1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。我国大中型水闸的单孔净宽度一般采用8~12m。
6.2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。
6.3闸孔孔数n=Bo/bo，n值应采取略大于计算要求值的整数。闸孔孔数少于8孔时，宜采用单孔数，以利于对称开启闸门，改善下游水流条件。
6.4闸室总宽度应与上下游河道或渠道宽度相适应。一般不小于河（渠）道宽度的0.6倍。
6.5孔宽、孔数和闸室总宽度拟定后，再考虑闸墩的影响，进一步验算水闸的过水能力。
7.水闸工程等别及建筑物级别:（以平原地区水闸枢纽为例）：  
7.1平原地区水闸枢纽工程是以水闸为主的水利枢纽工程，一般由水闸、泵站、船闸、水电站等水工建筑物组成，有的还包括涵洞、渡槽等其它泄（引）水建筑物，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。其中水工建筑物的级别应根据其所属枢纽工程的等别、作用和重要性划分。

表1 平原区水闸枢纽工程分等指标表:

工程等别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
规　　模
大(1)型
大(2)型
中型
小(1)型
小(2)型
最大过闸流量
(m3 /s)
≥5000
5000～1000
1000～100
100～20
＜20
防护对象的重要性
特别重要
重要
中等
一般
-

注：当按表列最大过闸流量及防护对象重要性分别确定的等别不同时,工程等别应经综合分析确定。
水闸枢纽中的水工建筑物应根据其所属枢纽工程等别,作用和重要性划分级别,其级别应按下表确定。

表2 水闸枢纽建筑物级别划分表:

工程等别
永久性建筑物级别
临时性建筑物级别
主要建筑物
次要建筑物
Ⅰ
1
3
4
Ⅱ
2
3
4
Ⅲ
3
4
5
Ⅳ
4
5
5
Ⅴ
5
5
-

注永久性建筑物指枢纽工程运行期间使用的建筑物。主要建筑物指失事后将造成下游灾害或严重影响工程效益的建筑物。次要建筑物是指失事后不致造成下游灾害或对工程效益影响不大并易于修复的建筑物。临时性建筑物指枢纽工程施工期间使用的建筑物。
7.2洪水标准:  
平原区水闸的洪水标准应根据所在河流流域的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，按下表所列标准综合分析确定。
表3平原区水闸洪水标准
水闸级别
1
2
3
4
5
洪水重现期(a)
设计
100～50
50～30
30～20
20～10
10
校核
300～200
200～100
100～50
50～30
30～20

因我所在地区为平原地区，也无发生过洪水事件，所以对水闸防洪及水闸工程等别及建筑物级别的介绍（以平原地区水利枢纽为例）只做简单论述。山区、丘陵区水闸洪水标准不做叙述。

8结论
通过这次毕业论文，我不仅了解了水闸的功能，而且对水闸的类型、工作特点、组成、设计计算等有了一定的掌握。水闸在我国应用比较广泛，其原因是因为水闸具有造价低、节省三材、施工期短、结构简单、自重轻、抗震性能好、不阻水和止水效果好等优点。
虽然水闸优点多，用途广泛，但在具体实践中还有许多新的课题需待解决，如水闸的自动控制问题，上游翼墙和原河道连接问题，坝后消能问题等等水闸是随着科学技术的发展而诞生的一种新型水工建筑物，它必将随着科学技术的发展，从材料、设计以及施工和管理等方面得到进一步的发展和完善。
总之，水闸工程的建设在水利水电工程中发挥的作用是巨大且无法替代的，要想将水利工程排涝及引水等功能充分发挥出来，就必须对水闸工程建设过程中关键的施工技术的选择及实际运用予以绝对重视，并加强相关方面的管理，因为文中都是理论知识，具体应用还要结合实际情况综合分析。

参考文献:
[1]华东水利学院主编.水闸设计.上海：上海科学技术出版社， 1985
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[4]程兴奇，王志凯主编.水工建筑物.北京：中国水利水电出版社，2007
[5]汤能见，吴伟民主编.水工建筑物.北京：中国水利水电出版社，2005
[6]中华人民共和国行业标准.DL 5077-1997 水工建筑物荷载设计规范.北京：中国电力出版社，1998
致谢：
本次论文我主要是通过利用工作的闲余时间完成，由于是第一次写此专业论文，加上时间有限，只能凭借所学的理论知识和自己对施工比较模糊、肤浅的理解来完成这份论文。在指导教师胡建的耐心指导下，对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进，论文的写作过程中遇到了不少的困难和障碍都在老师的帮助下度过了。毕业论文算是顺利的完成了。所以其中有很多的疏漏与错误之处，特别是在细节的处理上，有很多迷茫和想不到的地方。敬请各位老师和同学们不吝赐教、指正。
借此机会我衷心感谢胡建老师，毕业论文是在他的悉心指导完成的。他在论文中给了我很大的指导与帮助。同时，我要感谢学院的领导和老师们，对我们的毕业论文予大力支持，还有我的同学们，大家在论文中相互帮助，相互监督，表现出良好的团队精神。
在今后的学习、工作中我会谨记各位老师的教诲，努力学习，认真工作，不辜负老师和同学们的期望。
同时，也祝愿我们所有老师身体健康，在以后的工作和生活中事事顺利；希望我们即将毕业的学生，在以后的学习、工作、生活中不断努力，创造出属于自己的辉煌。