进水闸

摘要进水闸(取水闸)常在河道、湖泊的岸边或渠道的首部建造,用于引水灌溉或满足其他用水需要。位于干渠首部的进水闸又称渠首闸。位于支渠首部的进水闸,常称为分水闸。位于斗渠、农渠首部的进水闸,常称为斗门、农门。 进水闸组成 进水闸一般由闸室、上游连接段和下游连接段三部分组成。 1.闸室 闸...

进水闸

水闸(取水闸)常在河道、湖泊的岸边或渠道的首部建造,用于引水灌溉或满足其他用水需要。位于干渠首部的进水闸又称渠首闸。位于支渠首部的进水闸,常称为分水闸。位于斗渠、农渠首部的进水闸,常称为斗门、农门。

进水闸组成

进水闸一般由闸室、上游连接段和下游连接段三部分组成。

1.闸室

闸室是进水闸的主体,有控制水流和连接两岸的作用,包括底板、闸门、闸墩、胸墙(开敞式水闸)、交通桥、工作桥和启闭机房等。底板是闸室的基础,主要用于支承上部结构重量、满足抗滑稳定和地基应力要求,同时兼有防渗的作用;闸门主要用于控制过闸流量和上下游水位;闸墩用于分隔闸孔和支承闸门、胸墙、交通桥、工作桥和启闭机房;胸墙的作用是减小闸门和工作桥的高度,减小启门力,降低工程造价;交通桥用于连接水闸两侧的交通;工作桥是利用其上的启闭设备控制闸门升降;启闭机房用于安装和控制启闭设备。

2.上游连接段

上游连接段的主要作用是引导水流平顺进入闸室,保护上游河床及两岸免于冲刷,并有防渗作用,一般包括上游防冲槽、护底、护坡、铺盖、翼墙等。防冲槽、护底、护坡主要起防冲作用。铺盖、翼墙除了防冲作用之外,还有防渗作用。

3.下游连接段

下游连接段的主要作用是将下泄水流平顺引入下游河道,有消能、防冲及防止发生渗透破坏的功能,一般有护坦、翼墙、海漫、防冲槽及护坡。护坦、翼墙、海漫有消能、防冲及防止发生渗透破坏的作用。防冲槽及护坡主要起防冲的作用。

进水闸布置构造

1.闸孔和底板型式选择

(1)闸孔型式有开敞式和涵洞式两大类,其选用条件已在水闸类型中说明。

(2)闸底板型式。

1)按底板形状分有宽顶堰和低实用堰两种。

a.平底板宽顶堰具有结构简单、施工方便、有利于排沙冲淤、泄流能力比较稳定等优点;其缺点是自由泄流时流量系数较小,闸后比较容易产生波状水跃。

b.低实用堰有WES低堰、梯形堰和驼峰堰等型式。其优点是自由泄流时流量系数较大,可缩短闸孔宽度和减小闸门高度,并能拦截泥沙入渠;缺点是泄流能力受下游水位变化的影响显著,当淹没度增加时(hs>0.6H),泄流能力急剧下降。当上游水位较高而又需限制过闸单宽流量时,或由于地基表层松软需降低闸底高程又要避免闸门高度过大时,以及在多泥沙河道上有拦沙要求时,常选用这种型式。

2)按闸墩与底板的连接方式分有:整体式和分离式两种。

a.整体式底板。当闸墩与底板浇筑成整体时(可以是一孔、二孔或三孔为一个单元),即为整体式底板。它的优点是闸孔两侧闸墩之间不会产生过大的不均匀沉降,适用于地基承载力较差的土基。整体式底板具有将结构自重和水压等荷载传给地基及防冲、防渗作用,故底板较厚。

b.分离式底板。当闸墩与底板设缝分开时,即为分离式底板,见图5-5(b)。闸室上部结构的重量和水压力直接由闸墩传给地基,底板仅有防冲、防渗和稳定的要求,其厚度可根据自身稳定的要求确定。分离式底板一般适用于孔径大于8m和地基条件较好的砂土或岩石地基。由于底板较薄,所以工程量较整体式底板节省。涵洞式水闸不宜采用分离式底板。

2.闸墩

闸墩的外形轮廓应能满足过闸水流平顺、侧向收缩小、过流能力大的要求。上下游端部形状多采用半圆形或流线型。

闸墩的长度取决于上部结构布置和闸门形式,一般与底板同长或稍短些。

闸墩上游部分的顶面高程应满足以下两个方面要求:①水闸挡水时,不低于水闸正常蓄水位加波浪高度与相应安全超高之和;②泄洪时,不低于设计或校核洪水位与安全超高值之和。闸墩下游部分的高程可根据需要适当降低,但应保证下游的交通桥底部高出泄水位0.5m及桥面能与闸室两岸道路衔接顺畅。

闸墩厚度必须满足稳定和强度要求,并与闸门型式及跨度有关。平面闸门闸墩厚度决定于工作门槽颈部的厚度和门槽深度。门槽颈部厚度的最小值为0.4m。工作门槽尺寸根据闸门的尺寸决定,一般工作门槽深为 0.2~0.3m,门槽宽度为0.5~1.0m,其宽深比一般为1.6~1.8。检修门槽深约为0.15~0.20m,宽约0.15~0.30m。检修门槽至工作门槽的净距离不宜小于1.5m,以便检修操作。

3.胸墙

当水闸挡水高度较大,闸孔尺寸超过泄流要求时,可设置胸墙挡水,胸墙顶部高程可按挡水要求确定,一般与闸墩顶部高程齐平。底部高程以不影响泄水为原则,高出泄水位0.1~0.2m。

胸墙结构型式可根据孔径大小和泄水要求选用。小跨度(小于或等于6m)的胸墙可做成上薄下厚的板式结构;大跨度(大于6m)水闸则可做成梁板式结构;当胸墙高度大于5.0m,且跨度较大时,可增设中梁及竖梁构成类型结构。

板式胸墙顶部厚度一般不小于20cm。梁板式的板厚一般不小于12cm;顶梁梁高约为胸墙跨度的1/12~1/15,梁宽常取40~80cm;底梁梁高约为跨度的1/8~1/9,梁宽为60~120cm。为使过闸水流平顺,胸墙迎水面底缘应做成圆弧形。

胸墙的支承方式有简支和固结两种。简支胸墙与闸墩分开浇筑,缝内设止水;固结式胸墙与闸墩整体浇筑,闸室的整体性好,但易在连接处的迎水面产生裂缝。

4.工作桥

工作桥是供安装和操作启闭设备之用,常设置在闸墩上。小型水闸的工作桥一般采用板式结构,大中型水闸采用板梁结构。若工作桥较高时,宜在闸墩上另建支墩或排架支承工作桥。

初步确定桥高时,平面闸门可取门高的两倍再加1.0~1.5m的超高值,并满足闸门能从闸门槽中取出检修的要求;若采用活动式启闭机,桥高应大于1.7倍门高;升卧式闸门的桥高为平面直升门高的70%。弧形闸门的工作桥较低。

工作桥的总宽度取决于启闭机的类型、容量和操作需要,小型水闸总宽度在2.0~2.5m之间,大型在2.5~4.5m之间。

5.交通桥

建造水闸时,应考虑两侧的交通,以满足汽车、拖拉机和行人通过。交通桥的位置应根据闸室稳定及两岸交通连接等条件确定,通常布置在低水位一侧,桥面宽视两岸交通及防汛抢险要求确定。交通桥的型式可采用整体板式、板梁式和拱式,中、小型工程可采用定型设计。

6.闸门

闸门是水闸的关键部分,用它来封闭和开启孔口,以达到控制水位和调节流量的目的。闸门按其工作性质分为工作闸门、事故闸门和检修闸门等。按门体的材料分为钢闸门、钢筋混凝土或钢丝网水泥闸门、木闸门及铸铁闸门等。按结构型式分为平面闸门、弧形闸门等。弧形闸门与平面闸门比较,其主要优点是启门力小,可以封闭相当大面积的孔口;无影响水流态的门槽,闸墩厚度较薄,机架桥的高度较低,埋件少。它的缺点是需要的闸墩较长,不能提出孔口以外进行检修维护,也不能在孔口之间互换;总水压力集中于支铰处,闸墩受力复杂。露顶式闸门顶部应在可能出现的最高挡水位以上有0.3~0.5m的超高。

7.启闭机

闸门启闭机可分为固定式和移动式两种。启闭机型式可根据门型、尺寸及其运用条件等因素选定。选用启闭机的启闭力应等于或大于计算启闭力,同时应符合国家现行的《水利水电工程启闭机设计规范》(SL 41—2011)所规定的启闭机系列标准。当多孔闸门启闭频繁或要求短时间内全部均匀开启时,每孔应设一台固定式启闭机。常用的固定式启闭机有卷扬式、螺杆式、油压式。

8.闸室分缝与止水

(1)分缝。水闸沿轴线方向每隔一定距离必须设置永久缝,以免闸室因地基不均匀沉降及伸缩变形而产生裂缝。缝的间距一般为15~20m,缝宽2~3cm。除了前面介绍的在闸室分缝外,凡相邻结构荷载相差悬殊或尺寸较大的地方,都需设缝分开。如在铺盖与闸底板连接处、翼墙与边墩及铺盖连接处、消力池护坦与闸底板及翼墙连接处都设沉降缝。此外,混凝土铺盖及消力池本身也需设缝分段、分块。

(2)止水。凡是有防渗要求的缝,都应设止水。止水分水平止水和垂直止水两种。铺盖与闸底板、消力池底板与闸底板、翼墙与底板之间,需设水平止水。缝墩中、边墩与翼墙之间以及各段翼墙之间设垂直止水。水平止水一般为紫铜片、镀锌铁片、塑料止水片;垂直止水常采用油毛毡或沥青麻布。在无防渗要求的缝中,一般铺贴沥青油毡。

进水闸防渗设施

a.铺盖。铺盖主要是用来延长渗径,应具有一定的不透水性(一般要求铺盖的渗透系数要比地基土的渗透系数小100倍以上);为了适应地基的变形,也要有一定的柔性;还要有一定的抗冲性。常用的材料为黏土、黏壤土、混凝土或钢筋混凝土。

黏土铺盖:一般用于砂土地基,铺盖的长度应由地下轮廓线设计方案比较确定,一般为闸上水头的3~5倍。铺盖上游端的最小厚度由施工条件确定,一般为0.6~0.8m。

钢筋混凝土铺盖:钢筋混凝土铺盖的厚度不宜小于0.4m,在与底板连接处加厚至0.8~1.0m并用沉降缝分开,缝中设止水。在顺水流和垂直水流流向方向应设沉降缝,间距不宜超过15~20m。在接缝处局部加厚,并设止水。

b.板桩。透水地基较薄时,可用板桩截断渗流,并插入不透水层至少1.0m;若不透水层很厚,则板桩的深度一般采用0.6~1.0倍水头。用作板桩的材料有木材、钢筋混凝土及钢材三种。

c.齿墙。闸底板的上下游端一般均设有浅齿墙,其作用是增强闸室的抗滑稳定和延长渗径,齿墙1.0~2.0m左右。

d.其他防渗设施。垂直防渗设施除了上述的板桩和齿墙外,还有混凝土防渗墙、灌注式水泥砂浆帷幕以及用高压旋喷法构筑防渗墙。

进水闸排水设施

a.平铺式排水。其一般都是在设有排水孔的消力池和浆砌石海漫的底部平铺反滤层,即在开挖好的地基上平铺1~2层200~300g/m2的土工布,土工布上铺设反滤层,反滤层上平铺直径1~2cm,厚0.2~0.4m的卵石、砾石或碎石。

b.铅直排水。铅直排水常用于下面有承压透水层处。将排水井伸入到该层内0.3~0.5m,引出承压水,达到降压的目的。排水井的井径一般为0.3m左右,间距3m左右,内填滤料。

进水闸消能防冲

进水闸的消能方式常采用底流式消能,消能防冲措施主要有消力池、海漫和防冲槽。

1.消力池的布置与构造

消力池的型式主要有下挖式、突槛式和综合式。当闸下尾水深度小于跃后水深时,常将护坦高程降低,形成下挖式消力池,消力池可采用斜坡面与闸底板相连接,斜坡面的坡度不宜陡于1:4;当闸下尾水深度略小于跃后水深时,或者地基开挖困难或开挖会影响闸室稳定时,则在护坦上建造消力墙来壅高水位,形成突槛式消力池;当闸下尾水深度远小于跃后水深,且计算消力池深度又较深时,可采用综合消力池。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。

2.海漫的布置与构造

海漫的作用是进一步消减水流余能,并调整流速分布,保护护坦和河床的安全,防止冲刷。常用海漫形式有干砌石海漫、浆砌石海漫、混凝土海漫、铅丝笼海漫等。

3.防冲槽的布置与构造

水流经过海漫后,能量得到进一步消除,但仍具有一定冲刷能力,流速分布接近河床正常流速分布,但在海漫末端仍有冲刷现象。为保证安全和节省工程量,常在海漫末端挖槽抛石加固,形成一道防冲槽或其他加固措施,其深度 t″一般取1.5~2.5m,底宽b取2~3倍的深度,上游坡率m1=2~3,下游坡率m2=3。

4.上下游护坡及上游河床防护

上游水流流向闸室,流速逐渐加大,为了保证河床和河岸不受冲刷,闸室上游的河床及岸坡要采取相应的防护措施。与闸底板连接的上游铺盖,主要是为防渗而设,但处于冲刷地段,其表层应有防冲保护。上游翼墙通常设于铺盖段的护坡部位,其上游有2~3倍水头长度的护底及护坡。

水闸下游河床和岸坡防护,除护坦、海漫、防冲槽和下游翼墙外,防冲槽及海漫两侧均常设干砌石护坡,有时在防冲槽末端还设4~6倍水头长度的护坡。

在护坡与河床和边坡交接处,常驻设一道深0.5m的浆砌石齿墙。其下设0.1~0.2m碎石、粗砂垫层。

进水闸闸址选择

闸址选择关系到工程建设的成败和经济效益的发挥。应综合考虑地形、地质、水流、泥沙、冰情、施工、管理、周围环境等因素,经技术经济比较确定。

1.地形、地质条件

水闸的闸址宜选择在地形开阔、岸坡稳定、岩土坚实和地下水位较低的地点。水闸的闸址宜优先选用地质良好的天然地基,最好是选用新鲜完整的岩石地基,或承载能力大、抗剪强度高、压缩性低、透水性小、抗渗稳定好的土质地基,避免采用人工处理地基。

2.水流条件

闸址的位置应使进闸和出闸水流比较均匀和平顺,闸前和闸后应尽量避开其上、下游可能产生有害的冲刷和泥沙淤积的地方。

3.交通影响

在铁路桥或Ⅰ、Ⅱ级公路桥附近建闸,选定的闸址与铁路桥或Ⅰ、Ⅱ级公路桥的距离不能太近。由于铁路桥或Ⅰ、Ⅱ级公路桥车流量大、交通繁忙,对附近水闸的正常运行有一定的干扰影响。

4.施工、管理条件

选择闸址应综合考虑材料来源、对外交通、施工导流、场地布置、基坑排水、施工用水、用电等条件,还应考虑水闸建成后工程管理和防汛抢险等条件。

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