水工建筑物复习纲要(武汉大学)Word文档下载推荐.docx
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(a)构件方面
•水闸由闸墩、底板、胸墙等薄壁构件组成的空间结构体系,因此对闸室构件在强度和刚度方面均有一定要求。
(b)受力方面
•闸室整体结构和某些构件受力条件复杂,承受水压力、自重、地基反力等不同性质的荷载。
(c)结构分析方面
•在进行闸室结构设计计算时,一般并不采用相对复杂的有限元法,而是将整个结构视为板、梁、柱等独立构件构成,分别对这些构件用结构力学、材料力学方法进行设计计算。
三、水闸的类型
(一)按水闸承担的主要任务分类
•拦河闸、进水闸、泄水闸、排水闸、挡潮闸、分洪闸、冲沙闸、其他(分水闸、排冰闸、排污闸等)。
(三)按施工方法分类
可分为:
现浇式、装配式、浮运式等。
(1)现浇式
•在闸址处架立模板现场浇筑,是目前多数水闸的施工方法。
(四)其他分类方法
(1)按过闸流量划分
•过闸流量等于或大于1000m3/s者为大型水闸;
•过闸流量在100~1000m3/s间者为中型水闸。
•过闸流量小于100m3/s者为小型水闸。
•葛洲坝二江泄水闸,过闸流量达83900m3/s,属特大型水闸,或称巨型水闸。
(2)按设计水头或闸高划分
•闸高在8~10m以上者为大型水闸;
•闸高在8~10m以下者为中、小型水闸等。
一、闸室段
•
1—闸门;
2—底板;
3—闸墩;
4—胸墙;
5—工作桥;
6—交通桥
闸室段的作用:
控制水流;
联接两岸和上、下游段。
闸室段的组成:
闸门、闸墩、底板、胸墙、工作桥、交通桥、启闭机等。
.
(1)闸门
闸门的作用:
用于控制上游水位和调节下泄流量。
闸门的类型:
工作闸门和检修闸门
工作闸门用于正常运用时挡水、控制下泄流量。
检修闸门用于对闸室进行检修时挡水。
•弧形闸门和平板闸门
(3)底板
底板的作用:
底板是闸室段的基础,将闸墩、上部结构的重量、以及底板自重和所承受的水重一起传给地基。
•建在软基上闸室主要由底板与地基间的摩擦力来维持稳定。
•底板还具有防冲、防渗的作用。
二、上游连接段
7—上游防冲槽;
8—铺盖;
9—上游翼墙;
10—上游护岸;
上游连接段的作用:
•主要作用是引导水流从河道平稳地进入闸室,
•兼有防冲、防渗作用。
上游连接段的组成:
•一般包括上游翼墙、铺盖、护底、上游防冲槽和上游两岸护坡等。
(1)上游翼墙
•引导水流,使之平顺地流入闸孔;
•抵御两岸填土压力,保护闸前河岸不受冲刷;
•并有侧向防渗的作用。
(2)铺盖
•主要起防渗作用,其表面应进行保护,以满足防冲要求。
•当铺盖上游较长时,应在铺盖与上游防冲槽之间设置护底以保护上游河床不被冲刷。
(3)上游防冲槽
•铺盖或其防护的上游端有时设置上游防冲槽,以保护铺盖不致损坏。
(4)上游两岸护坡
•上游两岸要适当进行护坡,其目的是保护河床两岸不受冲刷。
•三、下游连接段
11—护坦;
12—海漫;
13—下游防冲槽;
14—下游翼墙;
15—下游护岸
下游连接段的作用:
•消除下泄水流的动能,
•顺利与下游河床水流连接,避免发生不利冲刷现象。
下游连接段的组成:
•一般包括护坦(包括消力池)、海漫、下游防冲槽(防淘墙)、下游翼墙、护底和两岸护坡等。
(1)护坦(含消力池、辅助消能工)
•消力池是消刹水能的主要区域;
•护坦是消力池底板,保护河床底部,从而保护闸室的安全;
(2)海漫海漫用于进一步消除水流余能,保护河床免受冲刷。
(3)下游翼墙下游翼墙导引水流均匀扩散,并有挡土、防冲作用。
(4)下游防冲槽下游防冲槽的作用是防止海漫末端冲刷,避免河床局部冲刷向上游发展。
(5)下游护坡和护底下游护坡和护底的作用与上游相同。
四、水闸的布置
(1)闸轴线:
拦河闸闸轴线一般选在河道较狭窄处,以节省工程量。
(2)位置:
拦河闸一般布置在主河床上,使水闸建成后的下泄水流尽量符合天然河道的水流特性。
(3)闸室前缘宽度:
泄水闸前缘总宽度由过闸洪水流量确定。
(4)闸、坝结合:
•在某些宽阔河道上,拦河闸的宽度远小于闸址处的河道宽度,此时可在闸轴线其余部分用拦河坝或水电站厂房挡水。
(1)型式
1)开敞式
a)宽顶堰:
结构简单,施工方便,地基应力均匀,泄流能力大且稳定,还利于冲砂、排污、泄冰、通航。
适用于土基水闸。
b)低堰
实用堰型:
在非淹没出流时,泄流能力大于宽顶堰,对缩短水闸宽度有利。
泄流能力受尾水淹没影响明显,泄流能力不如宽顶堰稳定。
适用于岩基、闸前水深很大、要求限制单宽流量或拦截泥沙进入下游渠道的情况。
驼峰堰型:
堰的上游不淤沙;
流量系数大,壅水小,可减小上游淹没损失。
适用于地基较好的情况。
2)胸墙式
上游水位变幅较大,过闸流量有限制,高水位时要求控制流量,则在孔口顶部设固定挡板以减小闸门高度。
3)封闭式
又称涵洞式水闸。
当水头较高时较经济。
常用于穿过堤防的水闸。
有压:
多用于排水和排沙闸;
无压:
多用于小型分水闸。
过闸流量验算
•第四节水闸的消能防冲
一、水闸消能防冲的特点
与高水头泄水建筑物相比较,水闸的消能防冲具有以下显著特点:
•
(1)上游水头小
•
(2)上、下游水位落差小,水流佛氏数低
•(3)大流量泄流不一定是最危险工况
•(4)地基条件较差
二、水闸消能防冲布置
•多数水闸采用底流消能方式。
•底流消能的机理:
底流消能是指借助于一定的工程措施(如修建消力池),促使下泄水流形成水跃,并将水跃控制在一定的范围,通过水跃形成的水流旋滚、摩擦、撞击、掺气和强烈紊动来消除下泄水流的能量。
•底流消能的优点:
运行可靠,下游流态比较平稳,对通航、发电尾水等影响较小。
•底流消能的缺点:
土石方开挖量、混凝土浇筑量均较大,不经济。
•底流消能的适用条件:
适用于河床地质条件差、抗冲能力低、下游有足够水深的情况。
底流消能的要素
•消力池:
要形成水跃,下游必须有足够的水深。
当下游水深不足时,应设置消力池,以形成发生水跃的必要水深。
•护坦:
消力池内水流紊乱,必须设置专门保护措施,即护坦。
•海漫:
流出消力池(护坦)的水流,仍然存在一定的余能,有可能冲刷河床,因此应对消力池后的河床设置保护措施,即海漫。
•防冲槽或防淘墙:
为保护海漫,且缩短海漫长度,还可在海漫末端设置防冲槽或防淘墙。
•因此,水闸消能防冲布置主要包含:
消力池(护坦)、海漫、防冲槽或防淘墙。
•消力池最好是采用矩形等宽断面,其宽度一般与闸室总宽一致。
这种型式的池内单宽流量分布均匀,水流流态好,消能效果好。
•为了适应下游河道地形,也可以做成扩散式,减少单宽流量。
扩散段一般与急流斜坡段布置在一起,扩散角不超过7°
。
•此外,还有渐扩式消力池,突扩式消力池等形式。
(五)护坦
(1)护坦的作用
•护坦位于消力池底部,是消力池的底板,保护消力池部位河床不受冲刷。
•在消力池范围内,水流流态非常紊乱,底部流速大,压力脉动和流速脉动大,需要有相当坚固的结构保护河底。
护坦就是保护河床不受水流冲刷,进而保证闸室安全的重要设施,即使是平底板消力池也需要用护坦护底。
(2)护坦的材料
•护坦一般为100#~150#混凝土。
四、其他消能防冲设施
(一)海漫
(1)海漫的作用
•海漫的作用就是要消除水流的余能,调整流速分布,均匀地扩散出池水流,使之与天然河道的水流状态接近,以保护河床免受冲刷。
(2)海漫的结构
•海漫的结构应该具有一定的柔性的,能够适应地基的不均匀沉陷;
•海漫应该是透水的,能够顺利地排出渗水,降低扬压力;
•海漫表面应做成粗糙的,以加大与水流的摩擦,有利于消除余能和调整流速分布;
•海漫一般做成等于或缓于1:
10的斜坡,活做成水平段+缓坡段;
•海漫下面应设垫层,以利于适应河床地基变形。
(4)海漫的构造
•海漫的构造和抗冲(抗磨)能力应与其上通过的水流流速相适应。
常用的构造形式有:
(a)干砌石海漫
(b)浆砌石海漫
(二)防冲槽或防淘墙
(1)防冲槽及防淘墙的作用
•经过海漫后的水流,依然存在一定的能量,有可能冲刷河床,并冲毁海漫,甚至危及消力池安全;
•如果要完全消除水流余能,需要很长的海漫,不经济。
•因此,为了避免河床可能遭受的不利冲刷,保护海漫及消力池的安全,常常在海漫末端设置防冲槽或防淘墙。
(2)防冲槽及防淘墙的型式
•防冲槽内由一定粒径的块石填充而成,当海漫末端发生河床底部冲刷时,防冲槽内的块石会向下滚落,自动补充到被冲刷的河床上,防止冲刷进一步向上游发展,影响海漫的安全。
•防冲槽的深度根据可能冲刷深度确定。
防冲槽多采用宽浅式,顶宽10~17m,槽深1.5~2.0m。
•防淘墙一般垂直插入基础土壤中,其底部高程应低于可能冲刷深度。
•可能冲刷深度根据单宽流量、河床地质条件(河床土质允许不冲流速)、海漫末端河床水水深等因素确定。
(三)辅助消能工
辅助消能工的位置
•一般设置在消力池内(消力池前端、中间或尾部)
辅助消能工的作用
•促成水跃
•提高消能效果
•减小消力池的长度和深度
•降低尾坎高度。
消能工的型式
•最用的辅助消能工有:
尾坎、趾墩、消力墩等。
(1)尾坎
(a)尾坎的位置
•尾坎设置在消力池末端。
(如图中的3)
(b)尾坎的作用
•①尾坎给予水流提供反力,缩短水跃长度。
•②加大消力池水位。
•③改变池后水流流速分布。
•④帮助水流扩散。
(3)尾坎的型式
•尾坎多采用连续坎,也有间断坎、齿坎。
(4)尾坎的高度
•尾坎高度为0.8~1.5m。
(2)消力墩
(a)消力墩的位置
•消力墩一般布置在消力池的中部。
(如图中的2)
(b)消力墩的作用
•给水流提供一个反力,从而消刹水流的能量,缩短水跃长度,降低共轭水深。
•有利于水流扩散,消除消力池内的回流。
(c)消力墩的布置
•消力墩的高度:
根据水流佛氏数和单宽流量经计算确定。
•消力墩的间距:
根据消能要求经计算确定,一般按间距等于消力墩宽度来布置。
•消力墩的排数:
一般布置一排;
多排时一般交错布置。
(d)消力墩的型式
•消力墩的型式有矩形墩、棱柱形墩、梯形墩等。
(3)趾墩
(a)趾墩的位置
•位于消力池始端,斜坡连接段的末端。
(b)趾墩的作用
•趾墩将闸下出流在一定高程处挑起,使得收缩断面的水深相对增加,减少共轭水流。
•常用于下游水深过大的情况。
(4)平台小坎
(a)平台小坎的位置
•小坎置于闸底板平台末端,斜坡连接段的上游处。
(b)平台小坎的作用
•出闸水流遭遇小坎时,水流向上挑起后,跌落入消力池潜入水中。
当闸下水流佛氏数Fr<
1.7时,小坎能够有效的完成水面衔接。
因此,趾坎能够防止波状水跃的发生。
•趾墩还有分散和扩散水流的作用,有利于避免出现折冲水流。
(c)平台小坎的形状
•小坎的断面形状一般为梯形。
(四)翼墙和护坡
(1)翼墙
翼墙的作用
•保护闸下两岸不受冲刷,并帮助水流均匀扩散。
•(消力池段内的翼墙,一般称为边墙或导墙)
翼墙的长度
•一般不小于海漫的长度。
(2)护坡
护坡的作用
•保护翼墙以外的、下游一定长度的河岸边坡不受冲刷破坏。
护坡的形式
•主要有:
浆砌石、干砌石、混凝土板。
(三)闸门开启方式问题
消能防冲设计与闸门的开启运行方式有关:
•一方面,运行中闸门开启方式,应符合消能防冲设计的要求,避免因闸门开启不当导致出现下游冲刷破坏;
•另一方面,在消能防冲设计时,应尽量减少对水闸的运行方式的限制。
闸门开启一般应遵循以下原则:
•
(1)尽量采用对称均匀开启。
•
(2)逐级开启闸门,使下游河道涨水过程与闸门开度相适应,避免水流激增对下游的冲刷。
•(3)隔孔对称开启,避免折冲水流
•(4)对多孔水闸,应避免单孔全开的开启方式
第五节闸下的防渗排水
水闸的渗流特点(渗流对水闸的危害)
一、水闸的地下轮廓布置
(一)水闸主要防渗设施
•包括:
上游铺盖、板桩、闸底板和不透水护坦板等。
•上游铺盖一般是都设置的;
•是否设置板桩,取决于地基条件;
•护坦是否起防渗作用,取决于闸基下游排水出口的位置。
(二)水闸主要排水设施
闸下排水层和排水孔。
(三)地下轮廓线
•闸基渗流场的第一根流线,称为地下轮廓线,如图中的红线。
•地下轮廓线的形状,取决于防渗、排水设施的布置;
•防渗、排水设施的布置,取决于地基条件。
•地下轮廓线一旦确定,闸基底板扬压力(闸室稳定问题)、闸下地基渗透压力(地基渗透破坏问题)均随之确定。
•因此,水闸的防渗排水设计,实质上是确定水闸地下轮廓线。
(四)地下轮廓线的布置原则
•地下轮廓线的布置总原则:
“上堵下排”。
•“上堵”主要指:
在闸基靠近上游侧,以防渗为主,采取水平或垂直降渗措施,阻截渗水,消耗水头。
•“下排”主要指:
在防渗体的下游侧,以排水为主,尽快排除渗水,降低渗压。
(五)不同地基条件下地下轮廓线的布置
基本原则
•当需要减小闸底渗透压力(闸底板扬压力)、以提高闸室抗滑稳定性为主要目的时(如粘性土地基),将水头尽量消耗在渗径上游部分,即:
(a)延长上游铺盖和/或(b)尽量将板桩位置靠向上游,或(c)将排水的前端(起点)尽量向上游延伸。
•当需要减小闸基地基内渗流渗透坡降、以防止发生渗透破坏为主要目的时(如砂性土地基):
除(a)延长铺盖外,(b)上游板桩位置宜合适,应避免板桩位置过于靠前导致上游段地基内渗透坡降过大(一般宜将板桩设置在闸底板前端);
同时,宜(b)将排水出口向下游方向后移(一般将排水出口设置在护坦前端或海漫前端),以增大下游段地基内渗流渗径,降低渗流的渗透坡降。
1)粘性土地基
(1)粘性土地基特点
•(a)粘性土地基自身的渗透系数小,地基的渗透破坏临界坡降[J]较大,发生渗透破坏的可能性相对较小;
•(b)地基与闸室底板之间的摩擦系f较小,在进行地下轮廓布置时,应该以降低闸底渗压、提高闸室稳定性为主。
(2)粘性土地基防渗排水措施
•尽可能将排水向上游延伸,减小闸底板渗透压力。
如:
将闸下排水的上游端延伸到闸底板,甚至延伸到整个底板,如图所示。
•上游铺盖以防冲、抗浮为主,大多采用混凝土铺盖。
•尽量不设置板桩。
粘性地基在固结后,土体结构致密。
如果设置板桩,则可能破坏粘性土的天然结构,在板桩与地基间形成集中渗流通道,反而不利于防渗。
•为了降低铺盖底部的扬压力,有时也会在铺盖上游端设施板桩。
1—铺盖;
2—板桩;
3—护坦;
4—海漫;
5—排水及反滤层
2)砂性土地基
(1)砂性土地基特点
•砂性土闸基的特点是摩擦系数较大,有利于闸室抗滑稳定。
•砂性土抵抗渗透变形的能力较差,渗透系数也较大,因此防渗设计时应以防止渗透变形和减少渗漏为主。
(2)砂性土地基的防渗排水措施
(a)当砂土层很厚、且为粗砂或砾石时(这是最常见的情况)
•一般采用铺盖与闸底板上游端板桩或垂直防渗墙相结合的方式来增加渗径、减小渗透坡降。
•由于板桩达不到不透水层时,因此称为悬挂式板桩。
•排水一般设在护坦底部即可,如图所示,不必再向上游延伸。
上游采用防渗铺盖和板桩,闸下排水向上游延伸到护坦板的前端。
闸下渗透坡降不大,护坦底部没有渗透压力,闸底渗透压力较小。
此种布置,兼顾了避免闸基渗透坡降过大(渗透破坏)和闸底扬压力过大(闸室稳定)两方面。
(b)当砂土层很厚、且为细砂时
•由于细砂的临界渗透坡降更小,因此,应进一步增大渗流的渗径,降低闸下地基内的渗透坡降。
除采用上述措施外,还可以:
•在铺盖的上游端加设短板桩,在上游端延长渗径;
•或将排水出口设置在护坦末端(海漫前端),在下游端延长渗径。
上游采用防渗铺盖和板桩,闸底板及护坦底部无排水,排水出口设置在护坦的末端或海漫的前端,海漫底部设排水层。
此种布置,闸底板扬压力加大,但闸地基渗透坡降减小。
(c)当砂土层较薄、且不透水层埋深不大时
•当砂层较薄、不透水层埋深不大于水头的(1~1.5)倍时,最好是采用齿墙或板桩切断砂层,彻底切断闸下渗流通道。
•这样,渗压、渗透变形、漏水等问题都可以得到较好解决。
(d)当地基为粉细砂时
•粉砂地基容易在动荷载作用下发生液化,应尽量将闸基四周用板桩封闭起来。
•这时,由于下游侧增设了板桩,底板下渗透压力有所增加,应在上游侧适当加强防渗,以提高闸室的稳定性。
(e)当地基为双层或多层地基时
•对于上层为弱透水层而下层为强透水层的双层或多层地基,除根据上层地基情况采取防渗措施外,还是考虑承压水作用,验算上部覆盖层的抗渗、抗浮稳定性。
•必要时可在消力池设深入强透水层的排水减压井。
•
二、防渗、排水设施
(一)水平防渗
•水平防渗的主要措施为:
铺盖(粘土铺盖、混凝土铺盖、钢筋混凝土铺盖、土工膜铺盖)。
(1)粘土铺盖
•粘土铺盖应不透水,一般要求粘土的渗透系数比地基土壤的渗透系数小100倍以上。
•粘土铺盖在与水闸底板上游面接触处紧密贴紧,不透水。
•粘土铺盖厚度应满足铺盖土体本身的允许坡降,可变厚度。
•粘土或壤土铺盖的表面应该设保护层,防止水流冲刷或其它破坏。
1—粘土;
2—垫层;
3—砌石防冲;
4—闸底板前端;
5—沥青填料(止水)
(2)混凝土板(或钢筋混凝土板)铺盖
•混凝土或钢筋混凝土铺盖的最小厚度不小于0.4m;
•顺水流方向每隔8~20m设一道永久缝,以适应温变化度和不均匀沉陷。
缝宽一般2~3cm。
•在混凝土板铺盖与闸室底板连接处应设置止水。
止水片的材料为紫铜片、塑料片。
1—闸底板;
2—止水;
3—混凝土铺盖的垫层;
4—闸底板垫层;
5—钢筋混凝土铺盖的垫层;
6—钢筋混凝土铺盖;
(3)铺盖的长度
•铺盖的长度根据闸基防渗需要确定,一般采用上下游最大水位差的3~5倍。
•过度向上游延伸铺盖长度对降低闸基渗透坡降、减少扬压力作用不大,工程量却增加不小。
因此,当铺度长度不能满足防渗要求时,可采用垂直铺盖、改变排水布置等措施解决问题。
(三)水闸主要排水设施
(1)排水层
•闸下排水层一般采用透水性很好的卵石、砾石、碎石等材料平铺在闸下设计位置,以便顺利地排除渗水。
•排水石料的粒径一般为1~2cm,在下部与地基面之间应设置反滤层。
(2)排水孔
•在护坦底部设有排水层时,常在护坦的后半部设排水孔。
排水孔呈矩形或梅花形,孔径5~8cm,孔距1.0~1.5m。
三、闸基渗流计算的基本方法
•水闸渗流计算的目的:
计算闸下渗透场的各渗透要素,如渗透压力分布、渗流出逸处的渗透坡降等。
•在水闸渗流计算中,渗流量往往不是主要计算内容。
•闸基渗流计算的方法主要有:
流体力学法、水力学法和试验法。
四、改进阻力系数法
•改进阻力系数法计算精度较高,是《水闸设计规范》推荐采用的计算方法。
(一)基本原理
•将地下渗流通道沿程分作若干典型渗流段,根据渗流的连续性条件,首先计算出总的水头损失,然后计算各段的渗透水头损失和其它渗透要素。
(1)典型渗流段的划分
•根据对闸下渗流特性的分析,闸下渗流可以划分为3种典型渗流段形式:
进出口段,内部垂直段,内部水平段。
(二)典型渗流段阻力系数
(1)进出口段阻力系数
(三)地基有效深度
(1)地基有效深度的概念
•当实际的透水地基深度T0很深时,渗流场的下部流线弯曲,间距增大,渗流强度大为降低。
如果仍采用实际的地基深度作为计算深度,将导致计算结果严重偏离实际情况,产生较大误差。
•在阻力系数法计算中,一般采用某一适当深度作为计算深度T,来取代实际深度T0。
这个深度称为地基有效深度Te。
•直线比例法包括:
勃莱法和莱因法(改进的直线比例法)
(1)勃莱法
•直线比例法由勃莱于1910年提出,该方法基于以下假定:
假定渗透水压力沿地下轮廊线的水头损失是均匀的。
(2)莱茵法
•直线比例法没有考虑不同渗流段的渗透特性。
莱因在1934年根据实际资料分析认为:
单位长度渗径上,水平渗径上消耗的水头是垂直渗径的1/3。
基于
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- 水工 建筑物 复习 纲要 武汉大学