水 闸
第一节 一、概念 概述
1.水闸： 1.水闸： 水闸 是调节水位、控制流量的低水头水工建筑物， 是调节水位、控制流量的低水头水工建筑物， 主要依靠闸门控制水流，具有挡水和泄（ 主要依靠闸门控制水流，具有挡水和泄（引）水的 双重功能，在防洪、治涝、灌溉、供水、航运、 双重功能，在防洪、治涝、灌溉、供水、航运、发 电等方面应用十分广泛。 电等方面应用十分广泛。 2.低水头水工建筑物： 2.低水头水工建筑物： 低水头水工建筑物 一般指水头不超过30m的水工建筑物， 30m的水工建筑物 一般指水头不超过30m的水工建筑物，主要有 水闸、低坝、橡胶坝、船闸等，多数建在软基上， 水闸、低坝、橡胶坝、船闸等，多数建在软基上， 也有建在岩基上的。 也有建在岩基上的。
二、水闸的类型 ⒈按担负的任务（作用）分： 按担负的任务（作用） 节制闸（拦河闸）：拦河兴建，调节水位，控制流量。 ）：拦河兴建 节制闸（拦河闸）：拦河兴建，调节水位，控制流量。 进水闸（渠首闸）：在河、 ）：在河 水库的岸边兴建， 进水闸（渠首闸）：在河、湖、水库的岸边兴建，常 位于引水渠道首部，引取水流。 位于引水渠道首部，引取水流。 排水闸（排涝闸、泄水闸、退水闸）： ）：在江河沿岸 排水闸（排涝闸、泄水闸、退水闸）：在江河沿岸 兴建，作用是排水、防止洪水倒灌。 兴建，作用是排水、防止洪水倒灌。 分洪闸：在河道的一侧兴建，分泄洪水、削减洪峰洪、 分洪闸：在河道的一侧兴建，分泄洪水、削减洪峰洪、 滞洪。 滞洪。 挡潮闸：建于河流入海河口上游地段，防止海潮倒灌。 挡潮闸：建于河流入海河口上游地段，防止海潮倒灌。 冲沙闸：静水通航，动水冲沙，减少含沙量， 冲沙闸：静水通航，动水冲沙，减少含沙量，防止淤 积。 排冰闸：在堤岸上建闸防止冬季冰凌堵塞。 排冰闸：在堤岸上建闸防止冬季冰凌堵塞。
⒉按闸室结构分 （1）开敞式：闸室露天，又分为有胸墙；无胸 开敞式：闸室露天，又分为有胸墙； 墙两种形式 涵洞式：闸室后部有洞身段， （2）涵洞式：闸室后部有洞身段，洞顶有填土 覆盖。（有压、无压） 覆盖。（有压、无压） 。（有压 ⒊按操作闸门的动力分 （1）机械操作闸门的水闸 （2）水力操作闸门的水闸 三、水闸等级划分及洪水标准（以平原区水闸枢纽 水闸等级划分及洪水标准（ 为例） 为例） 1、工程等别及建筑物级别 平原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、 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（ 筑物组成，有的还包括涵洞、渡槽等其它泄（引） 水建筑物， 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。 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。 的等别、作用和重要
性划分。
平原区水闸枢纽工程分等指标表 工程级别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 中型 Ⅳ 小（1 ）型 Ⅴ 小（2）型 规模 大（1）型 大（2）型
最大过闸流量5000 500～ 最大过闸流量5000 500～1000 1000～100 100～20 <20 1000～ 100～ 防护对象的重要性 特别重要 重要 中等 一般
水闸枢纽建筑物级别划分表
工程等别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 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 1 3 4 2 3 4 5 3 4 5 5 4 5 5
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， 定的防洪任务，以近期防洪目标为主，并考虑远景发展要 按下表所列标准综合分析确定。 求，按下表所列标准综合分析确定。
水闸级别
1 设计 100～50 100～
2 50～30 50～
3 30～ 30～20 100～ 100～50 4 5
20～10 10 20～ 50～30 30～20 50～ 30～
洪水重现期 校核 300～200 200～100 300～ 200～ 四．水闸的组成及各部分的功用 上游连接段 → 闸室段 → 下游连接段 （引导水流平顺进入闸室）（调节水位和流量） 引导水流平顺进入闸室）（调节水位和流量） ）（调节水位和流量 消能、防冲） （消能、防冲） ⒈闸室： 底板、 闸墩、闸门、（胸墙）、工作 、（胸墙）、工作 闸室： 底板、 闸墩、闸门、（胸墙）、 交通桥。 桥、交通桥。 上游连接段：翼墙、铺盖、护底、上游防冲槽、 ⒉上游连接段：翼墙、铺盖、护底、上游防冲槽、 上游护坡。 上游护坡。 下游连接段：翼墙、护坦、海漫、下游防冲槽、 ⒊下游连接段：翼墙、护坦、海漫、下游防冲槽、 下游护坡、 下游排水（反滤、排水孔）。 下游护坡、 下游排水（反滤、排水孔）。
图9-2 土基上水闸立体示意图
五．水闸的工作特点 1．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） ）（承受上部结构重量 （承受水压力）（承受上部结构重量） (较均匀 地传给) 地传给) 2．地基：平原地区水闸大部分建在土基上。 地基：平原地区水闸大部分建在土基上。 土基的特点 特点: 土基的特点: 抗剪强度低→ （1）抗剪强度低→稳定性差 压缩性较大→ （2）压缩性较大→容易产生不均匀沉降 易产生渗透变形， （3）易产生渗透变形，抗冲刷能力低
3．水流 （1）.静水（关闸）： 静水（关闸）： 水平水压力、土基→ 水平水压力、土基→滑动 水位差产生渗透压力→ 水位差产生渗透压力→不利于稳定 绕岸渗流→ 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、 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 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→ 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→ 闸门开启顺序不合理时→产生折冲水流
4．结构：防渗排水，消能防冲，闸室结构 结构：防渗排水，消能防冲，
图9-3 波状水跃冲刷示意图
图9-4 闸下冲折水流
*水闸设计内容： 水闸设计内容： 1.闸址选择 1.闸址选择 2.总体布置 2.总体布置 3.水力设计 闸孔型式和尺寸确定√ 水力设计： 3.水力设计：闸孔型式和尺寸确定√ 消能防冲设施的设计计算√ 消能防冲设施的设计计算√ 闸门控制运用方式的拟定 4.防渗和排水设计 防渗和排水设计√ 4.防渗和排水设计√⊿ 5.水闸结构设计 闸室稳定计算√ 水闸结构设计： 5.水闸结构设计：闸室稳定计算√ 岸、翼墙稳定计算 结构应力分析√ 结构应力分析√ 6.地基处理及处理设计 6.地基处理及处理设计 7.观测设计 7.观测设计
第二节 水闸的孔口设计 一、 水闸孔口设计的主要内容 1.确定闸孔型式 1.确定闸孔型式 2.拟定闸底板高程（即堰顶高程） 2.拟定闸底板高程（即堰顶高程） 拟定闸底板高程 3.计算孔口尺寸及溢流前沿总宽 3.计算孔口尺寸及溢流前沿总宽 4.泄流能力验算 4.泄流能力验算
二 、水闸的闸孔型式（开敞式） 水闸的闸孔型式（开敞式） 堰流式, 1 根据水流流态分 : 堰流式,孔流式
图9-5 堰流式闸孔
图9-6 孔流式闸孔
2、根据结构型式分
（1）宽顶堰：2.5H<堰顶厚度δ<4H或无坎，常 宽顶堰：2.5H<堰顶厚度δ<4H或无坎， 堰顶厚度δ<4H或无坎 用于平原地区，自由泄流范围大且稳定；施工简单； 用于平原地区，自由泄流范围大且稳定；施工简单； 流量系数m较小，易产生波状水跃。 流量系数m较小，易产生波状水跃。 （2）实用堰：0.67H<堰顶厚度δ<2.5H，常用 堰顶厚度δ<2.5H 实用堰：0.67H<堰顶厚度δ<2.5H， 于上游水位允许有较大雍高的山区， 于上游水位允许有较大雍高的山区，自由泄流时流 量系数m较大，流量Q受下游水位影响较大。 量系数m较大，流量Q受下游水位影响较大。 （3）胸墙式：用于上游水位变幅较大时；可减小 胸墙式：用于上游水位变幅较大时； 闸门及工作桥高度，增加闸室刚度； 闸门及工作桥高度，增加闸室刚度；不利于排冰排 污和通航。 污和通航。
三、 底板高程 除考虑运用条件外，还要考虑地质条件和经济 除考虑运用条件外， 要求。 要求。 运用条件： ⒈运用条件： 底板高程低→q↑，底板上水深↑→闸室总宽度↓ ↑→闸室总宽度 底板高程低→q↑，底板上水深↑→闸室总宽度↓ 节制闸与河底齐平或略高；进水、 节制闸与河底齐平或略高；进水、分洪闸比河底 略高（防泥沙），排涝闸低。 ），排涝闸低 略高（防泥沙），排涝闸低。 经济要求： ⒉经济要求： 底板高程低→q↑，底板上水深↑→闸室总宽度↓ ↑→闸室总宽度 底板高程低→q↑，底板上水深↑→闸室总宽度↓， 但增大闸身和两岸结构高度，消能防冲费用↑ 但增大闸身和两岸结构高度，消能防冲费用↑，泥 沙淤积。 沙淤积。 地质条件： ⒊地质条件： 避免复杂地基处理；抗冲刷能力q 避免复杂地基处理；抗冲刷能力q
四、 孔口设计的具体步骤 ⒈确定设计流量Q和上、下游设计水位 确定设计流量Q和上、 ⒉确定孔口型式 ⒊确定底板高程 ⒋计算闸孔净宽B及闸室总宽L（开敞式） 计算闸孔净宽B及闸室总宽L 开敞式） 规范中介绍了平底闸闸孔自由堰流、 规范中介绍了平底闸闸孔自由堰流、淹没式堰 孔流的计算公式。 流、孔流的计算公式。 闸孔数n=B/b 如果运用上无特殊要求， n=B/b， 闸孔数n=B/b，如果运用上无特殊要求，一般 b=8～12m，n<8时 一般取奇数。 b=8～12m，n<8时n一般取奇数。 溢流前缘总宽L=nb+ L=nb+（ 为闸墩厚度。 溢流前缘总宽L=nb+（n-1）d，d为闸墩厚度。 验算泄流能力。 ⒌验算泄流能力。
*基本资料： 基本资料：
(1)过闸 (1)过闸Q设、Q校 过闸Q (2)上下游河道水力要素及水位 (2)上下游河道水力要素及水位-流量曲线 上下游河道水力要素及水位(3)引水角度及分流比率 (3)引水角度及分流比率 (4)河床及两岸地质条件和土壤抗冲刷能力 (4)河床及两岸地质条件和土壤抗冲刷能力 (5)特殊运用要求（过船、过木、过鱼、排冰、 (5)特殊运用要求（过船、过木、过鱼、排冰、排 特殊运用要求 防淤等） 砂、防淤等）
第三节 水闸的消能防冲设计
一 闸下泄流的特点和闸下冲刷的原因 1.闸下泄流的 1.闸下泄流的特点 闸下泄流的特点 (1)分洪闸 (1)分洪闸 开始泄流时下游无水或水位很低 始流条件
差：Qmax→⊿ 始流条件差：Qmax→⊿Zmax 水位升高，Fr较小，易产生波状水跃； 水位升高，Fr较小，易产生波状水跃； 较小 进口流态不对称时会产生折冲水流。 进口流态不对称时会产生折冲水流。 (2)节制闸 (2)节制闸 闸门开启不对称时会产生折冲水流； 闸门开启不对称时会产生折冲水流； 水头最大时流量并非最大，流量最大时水头最小。 水头最大时流量并非最大，流量最大时水头最小。
2.闸下冲刷的原因 2.闸下冲刷的原因 q大而土壤的抗冲刷能力低； 大而土壤的抗冲刷能力低； 河道收缩，水流未充分扩散； 河道收缩，水流未充分扩散； 运用不合理，产生折冲水流； 运用不合理，产生折冲水流； 消能工设计不合理。 消能工设计不合理。
二 消能工设计 消能工的主要作用是改善水流与固体边界的接触 条件，防护加固下游河床。 条件，防护加固下游河床。 消能防冲设施必须在各种可能出现的水力条件下， 消能防冲设施必须在各种可能出现的水力条件下， 都能满足消散动能与均匀扩散水流的要求， 都能满足消散动能与均匀扩散水流的要求，且应与 下游河道有良好的衔接。 下游河道有良好的衔接。 1.消能方式： 1.消能方式： 消能方式 大多数采用底流消能，“ 我国已建的大、中型 大多数采用底流消能， 我国已建的大、 水闸，多数建在平原、滨海地区， 水闸，多数建在平原、滨海地区，一般在软基上建 且承受的水头不高，闸下跃前Fr 较低， 闸，且承受的水头不高，闸下跃前Fr 较低，宜采用 底流式水跃消能。 底流式水跃消能。”
⒉消力池布置与设计： 消力池布置与设计：
造成产生淹没式水跃必需的尾水深度， 造成产生淹没式水跃必需的尾水深度，保护水跃内河床 免受冲刷。 免受冲刷。 设计情况： ⑴设计情况： 不同类型的水闸，其泄流特点各不相同， 不同类型的水闸，其泄流特点各不相同，因此控制消能 设计的水力条件也不尽相同，并不一定是Qmax的情况， Qmax的情况 设计的水力条件也不尽相同，并不一定是Qmax的情况，应 选取可能的q 的组合，取不利情况。 选取可能的q、⊿H的组合，取不利情况。 拦河节制闸宜以在保持闸上最高蓄水位的情况下， 拦河节制闸宜以在保持闸上最高蓄水位的情况下，排泄 上游多余来水量为控制消能设计的水力条件； 上游多余来水量为控制消能设计的水力条件； 分洪闸宜以闸门全开， 分洪闸宜以闸门全开，通过最大分洪流量为控制消能设 计的水力条件； 计的水力条件； 排水闸宜以冬、 排水闸宜以冬、春季蓄水期通过排涝流量为控制消能设 计的水力条件； 计的水力条件； 挡潮闸宜以蓄水期排泄上游多余来水量时， 挡潮闸宜以蓄水期排泄上游多余来水量时，有时需用闸 门控制泄水， 门控制泄水，上、下游可能出现较大的水位差作为控制消能 设计的控制条件。 设计的控制条件。
⑵计算消力池长度、深度及消力池底板的厚 计算消力池长度、 度
（a）消力池深度：按水跃动量平衡方程求解 消力池深度： 消力池的长度：用经验公式计算： （b）消力池的长度：用经验公式计算： 消力池护坦厚度可根据抗冲和抗浮要求， （c）消力池护坦厚度可根据抗冲和抗浮要求， 分别按规范中以下公式计算，取其最大值， 分别按规范中以下公式计算，取其最大值，