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水闸是怎么构成的?有几种分类?
RSS 打印 复制链接 发布时间:2020-01-03 11:11:52

水闸的构成及分类
水闸在水利工程建筑中十分常见,当闸门关闭,可以拦洪、挡潮、蓄水抬高上游水位,以满足上游取水或通航的需要。开启闸门,可以泄洪、排涝、冲沙、取水或根据下游用水的需要调节流量。水闸多建于河道、渠系、水库、湖泊及滨海地区。本文对水闸的功用及组成做了详细的分析,为水利工作提供参考。
水闸的作用
水闸控制水位、调节流量的低水头水工建筑物,是农田水利中龙头工程,常与堤坝、船闸、鱼道、水站、抽水站等建筑物组成水利枢纽,以满足防洪、排洪、航运、灌溉以及发电水利工程的需要。
水闸的分类
按水闸所承担任务可分为
节制闸
进水闸
冲沙闸
分洪闸
挡潮闸
排水闸

节制闸:调节上游水位,控制下泄流量。
枯水期借以抬高水位,以利取水和上游航运,洪水期用以控制流量。渠系建筑物中节制闸一般建于支渠分水口的下游,用以抬高水位,满足支渠引水需要。
天然河道的节制闸称为拦河闸,渠道的节制闸利用闸门启闭,调节上游水位和下泄流量,以满足向下一级渠道分水或控制、截断水流的需要。
节制闸常建在分水闸、泄水闸的稍下游,以利分水和泄水;或建在渡槽、倒虹吸管等的稍上游,以利控制输水流量和事故检修;并尽量与桥梁、跌水、陡坡等结合,以取得经济效益。
渠系节制闸的过水宽度要与上、下游渠道宽度相适应,以利于连接。当采用轮灌时,节制闸上、下游渠道的设计流量相同,下游水位即为与设计流量相应的渠水位;当采用续灌时,节制闸上下游设计流量不同,水位需取相应流量的渠水位,但下游水位需计及下一级节制闸壅水的影响。
渠道节制闸多用开敞式,闸槛高程宜与渠底相平,采用平底宽顶堰,闸下消能防冲工程都比较简单,始流状态可依靠护坦上置的消力墩扩散水流,撞击消能。上下游翼墙力求平顺,常采用扭曲面过渡,以减少水头损失。在平原圩区的河渠上,在短距离内设置两个节制闸,俗称套闸,分级挡水,可起简易船闸的作用,既可解决好内外的交通运输,又可起到防洪排涝和控制水位的作用。
进水闸:建在河道、湖泊的岸边或渠道,用来引水灌溉、发电或其他用水需要。灌溉渠系中建于干渠以下渠道首的进水闸,作用上把上一级渠道的水分下一级渠道,分水闸、斗门、农门排水闸建在江河沿岸排水渠出口处,外河上涨时,关闸门防水洪水倒灌,避免洪灾。当外河水位退落时,开闸排水防止涝灾。具有双面挡水的作用。
冲沙闸:利用河道或渠道水流冲排上游河段、渠系或上、下引航道内沉积的泥沙的水闸。 又称“冲刷闸”、“排沙闸”。利用河(渠)道水流冲排上游河段或渠系沉积的泥沙的水闸。又称排沙闸。建于多沙河流上的水利枢纽,为排除进水闸或节制闸前淤积的泥沙,常设冲沙闸,以利引水冲沙。冲沙闸一般布置于紧靠进水闸一侧的河道上,其轴线与进水闸的轴线成正交或斜交,斜夹角有时不大,与拦河闸(坝)并排横跨河道布置。
在冲沙闸与节制闸(坝)接头处的上游设置导墙,导墙与冲沙闸上游一段河槽,形成沉沙槽。开启闸门,可将沉积在闸前的泥沙排至下游河道。洪水期,可利用冲沙闸兼泄部分洪水。也有将冲沙闸布置于进水闸的下方,用以正面冲沙。为减少泥沙进入引水渠,冲沙闸底槛高程要比进水闸底槛高程低一些。建于渠系上的冲沙闸,一般设于引水渠末端靠河侧,以便冲走引水渠中沉积的泥沙。对兼有泄洪任务的冲沙闸,一般采用开敞式。当闸上水位变幅较大,闸室较高时,为减少闸门高度,也可采用胸墙式。冲沙闸的运用,有连续冲沙和定期冲沙两种方式。当河道来水充足时,可同时开启进水闸和冲沙闸,将含沙量少的表层水引入渠道,含沙量多的底层水可经冲沙闸排至下游河道;当来水量不足时,可只开启进水闸引水,停止引水时再开冲沙闸排沙。为保证能冲走沉积的泥沙,过闸流速应大于泥沙的起动流速。
挡潮闸:建于河口地段,涨潮时关闸,防止海水倒灌,退潮时开闸泄水,具有双向挡水的特点。位于防洪(挡潮)堤上的水闸,其重要性与防洪(挡潮)堤是一样的,有的防洪(挡潮)堤上的水闸即使规模不大,但一旦失事,其严重后果与防洪(挡潮)堤失事一样,且较难修复因此防洪(挡潮)堤上的水闸级别只能高于或至少等于防洪(挡潮)堤的级别,而绝不能低于防洪(挡潮)堤的级别。
闸室一般采用胸墙式。当兼有泄水和通航任务时,宜采用开敞式。由于潮汐影响,闸门上承受强烈的涌潮冲击力,故宜采用平面闸门。为尽量减少河道的进潮量和淤积量,挡潮闸宜建于海岸稳定的河口附近。因滨海一带地基多为粉、细沙或淤泥质粘性土,地基承载力小、压缩性大、抗冲能力低、抗滑性能差、遇到地震容易液化等,为保证闸室和闸基的稳定,防止地基产生较大沉陷或不均匀沉陷而影响闸室结构安全,挡潮闸一般采用轻型结构,并适当延长底板及铺盖的长度。对松软地基,需进行加固处理。由于挡潮闸的闸下水位受潮汐影响,闸的孔径需按过闸水流为非恒定流计算确定。大型挡潮闸的水力设计,应做水力模型试验验证。挡潮闸下游比较普遍存在淤积问题,由于沿海各地的潮汐类型及其挟沙能力,与河道的来水量及含沙量等各不相同,造成河口及海岸的淤积变化也不一样,情况较为复杂,应充分考虑采取妥善措施解决闸下淤积问题。例如可将挡潮闸建于紧靠海口处,或在水源比较充裕的地区,利用清水定期冲淤,以及必要时采用机械清淤等办法。
排水闸:排水闸是用以排泄洪涝渍等多余水量的水闸。常建于排水渠末端的江河沿岸堤防上。当江河水位上涨时,关闭闸门,可防外水倒灌;退落时,打开闸门,排除内涝渍水。当洼地内农田有蓄水灌溉要求时,也可关门蓄水或从江河引水。排水闸具有双向挡水和双向过流的特点,且堤内外水位差和变幅都较大,故多采用涵洞式或胸墙式。为及时将渍水降至最低水位,充分发挥排水效益,排水闸宜设在地势低洼、排水通畅处。排水闸的工作闸门和消能防冲设施,一般布置在靠江河一侧。具有双向过流时,闸上下游均应考虑消能防冲。为使过闸水流通畅,减少出闸水流冲刷,闸上下游渠道应力求顺直,闸下排水渠道需有足够长度,使在排水期,江河水位很低或江河水位降落很快等闸下消能条件最坏的情况下,排水渠内仍有足够水深,以避免闸下严重冲刷。排水渠出口,应设在江河弯道的凹岸,以免出口发生淤积。排水渠轴线应向江河下游方向倾斜,并与江河深泓成锐角相交。交角一般不宜大于60°。排水渠出口处,需沿江河做好护岸和护底工程,以免出口水位跌落,形成冲刷。
按闸室结构型式分
开敞式水闸,胸墙式水闸,涵洞式水闸。

水闸的组成
一、上游连接段

上游连接段由上游翼墙、护坡、护低和铺盖组成,将上游来水平顺地引进闸室,同时起防冲、防渗、挡土等作用。
在两岸设置的(上游)翼墙和护坡,引导水流平顺地进入闸室。在河床设置的防冲槽、护底及铺盖,保护两岸及河床免遭水流冲刷,并与闸室共同组成足够长度的渗径,确保渗透水流沿两岸和闸基的抗渗稳定性。

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二、下游连接段
下游连接段主要包括护坦(消力池)、海漫、下游防冲槽、下游翼墙和护坡等。用以引导出闸水流向下游均匀扩散,减缓流速,消除过闸水流剩余动能,防止水流对河床及两岸的冲刷。
护坦(消力池)紧接闸室布置,负责承受上游水的怒气,具有形成水跃和保护水跃范围内河床允许受冲刷作用,是消能的主要措施。打铁还需自身硬,自己的重量、强度和抗冲耐磨能力要足够。
海漫:布置在消力池后面,继续消除余能,调整流速分布,用块石砌成。
防冲槽:海漫的末端防冲措施,防止海漫后河床冲刷向上游发展。
浇灭上游水的余火,让它安安静静离开,也保护了下游河床。
下游翼墙:水流均匀扩散,并保护两岸免受冲刷。
护坡:布海漫和防冲槽范围内,一般用块石。
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三、闸室
闸室是水闸的主体,包括水闸工作的各个主要部分、底板、 闸门、 启闭机、闸墩、胸墙、岸墙、工作桥、交通桥等。
闸门用来挡水和控制过闸流量
闸墩用以分隔闸孔和支承闸门、胸墙、工作桥、交通桥等。
底板是闸室的基础,承受闸室全部荷载,较均匀地将荷载传给地基并利用底板与地基图摩擦来维持闸室稳定,兼有防渗和防冲的作用。
闸室分别与上下游连接段和两岸或其他建筑物连接。
工作桥:供安装启闭机和工作人员操作机器之用。
岸墙:闸室与河岸的连接结构,主要以挡土,并且有侧向防渗作用。
闸址选择
节制闸或泄洪闸闸址宜选择在河道顺直、河势相对稳定的河段,经技术经济比较后可以选择在弯曲河段裁弯取直的新开河道上。
进水闸、分水闸或分洪闸闸址宜选择在河岸基本稳定的顺直河段或弯道凹岸顶点稍偏下游处,但分洪闸闸址不宜选择在险工堤段和被保护的重要城镇下游堤段。
排水闸或泄洪闸闸址宜选择在地势低洼、出水畅通处,排水闸闸址宜选择在靠近重要涝区和容泄区的老堤堤线上。挡潮闸闸址宜选择在岸线和岸坡稳定的潮汐河口附近,且闸址泓滩中淤变化较小、上游河道有足够的蓄水容积地点。
水闸消能防冲过闸水流特点
出闸流速较大,紊动强烈。上游水位差较小。岀流形式随闸门开启程序变化。
水闸的冲刷
波状水跃的产生:淹没水跃没有发生或水跃淹没过大。岀流扩散下均匀,产生折冲水流。上下游水位差较小,形成波状水跃,消能效率低。
基本消能方式:底流消能为主,有消力池,海漫,防冲槽等部分组成。其形式可根据水流情况,地形条件,施工能力消能效果等选用。
波状水跃的防止措施:总体布置时,尽量使用上游渠道有一段较的顺直段,确保来水顺均匀;控制下游翼墙的扩散角,扩散角宜7~12,使水流均匀扩散;制定合理的闸的开启程序,注意均匀起步,间隙对称开启原则,力避开启,关闭时大起大落和多孔闸部分闸孔泄流的运用方式。
常用防渗及排水设施
水平防渗设备:齿墙,板墙和防渗墙等排水体与反滤层,主要目的是为改善排水为了继续降压,并将渗流安全的导向下游。
板桩的作用:铺盖前端或室底板上游端时,降低压力,设在闸室底板下游侧的矩板主要为减小出口处的渗压力。
闸室结构布置:包括底板,闸墩,胸墙,闸门,工作桥和交通桥等部分。
闸墩作用:分隔闸孔,支承闸及上部结构胸墙作用,减少闸的高度,减轻立门重和降低对启闭机重量的要求工作桥的作用:设置启闭机和管理人员操作启闭之用
水闸和河岸或堤,坝等连接时,必须设置连接建筑,包括:上,下游翼墙和便墩,有时还有防渗刺墙,其作用:
(1)挡住两侧填土,维持土坝及两岸的稳定。
(2)当水闸泄水或引水时,上游冀墙用于引导水流平顺进闸,下游冀墙使出闸水流均匀扩散,减少冲刷。
(3)保持两岸或土坝边坡不受过闸水流的冲刷。
(4)控制通过闸身两侧的渗流,防止与其相连的岸坡或土坝产生渗透变形。
(5)在软弱地基上设有独立岸墙时,可以减少地基沉降对闸身应力的影响。

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