已F 孔口出流计算示意图 计算公式如下: am√28H 式中:h-孔口高度(m) μ一宽顶堰上孔流流量系数,可按公式计算求得或由表查得。 E一垂直收缩系数,可由公式计算求得 Φ-流速系数,可取0.95~1.0 A-计算系数,可由公式计算求得,该公式适用于0<<0.25范围。 r胸墙底圆弧半径(m) σ‘一宽顶堰上孔流淹没系数,可由表5-8查得,表中h。为跃后水深(m) 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。 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联的,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 六.确定闸室单孔宽度和闸室总宽度 闸孔孔径: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。 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 闸孔孔数选定 闸室总宽度的确定 闸室总宽度:与上下游河道或渠道宽度相适应。 ●孔宽、孔数和闸室总宽度拟定后,再考虑闸墩等的影响,进一步验算水闸的过水能 力
6 孔口出流计算示意图 计算公式如下： 0 0 ' h 2gH Q B e = H he ' ' 1 = − + − = 2 ' 1 1 1 H he he r 16 2.718 0.4 = 式中：he－孔口高度（m）; μ－宽顶堰上孔流流量系数，可按公式计算求得或由表查得。 εˊ－垂直收缩系数，可由公式计算求得； Φ-流速系数，可取 0.95~1.0； λ－计算系数，可由公式计算求得，该公式适用于 0＜ he r ＜0.25 范围。 r-胸墙底圆弧半径（m）; σˊ－宽顶堰上孔流淹没系数，可由表 5－8 查得，表中 hc ”为跃后水深（m）。 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。 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联的，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。 六．确定闸室单孔宽度和闸室总宽度 ⚫ 闸孔孔径：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。 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 ⚫ 闸孔孔数选定 ⚫ 闸室总宽度的确定 闸室总宽度：与上下游河道或渠道宽度相适应。 ⚫ 孔宽、孔数和闸室总宽度拟定后，再考虑闸墩等的影响，进一步验算水闸的过水能 力
第三节水闸的消能防冲设计 引言:水闸泄水时,部分势能转为动能,流速增大,具有较强的冲刷能力,而土质河床 般抗冲能力较低。因此,为了保证水闸的安全运行,必须采取适当的消能防冲措施。要设 计好水闸的消能防冲措施,应先了解过闸水流的特点,进而采取妥善的防范措施。 ●本节主要介绍:过闸水流的特点、消能防冲设计条件的确定、底流消能工的设计。 过闸水流的特点 水流形式复杂:初始泄流时,闸下水深较浅,随着闸门开度的增大而逐渐加深,闸 下出流由孔流到堰流,由自由出流到淹没出流都会发生,水流形态比较复杂。因此,消能设 施应在任意工作情况下,均能满足消能的要求并与下游水流很好的衔接。 2.闸下易形成波状水跃 松姐示进解:上、下游水位差较小,出闸水流的佛汝德数较低(F=17),容易发生波状 特别是在平底板的情况下更是如此。此时无强烈的水跃旋滚,水面波动,消能效果差, 具有较大的冲刷能力。另外,水流处于急流状态,不易向两侧扩散,致使两侧产生回流,缩 小河槽过水有效宽度,局部单宽流量增大,严重地冲刷下游河道,见下图。 F 波状水跃示意图 3.闸下容易出现折冲水流 图示讲解:一般水闸的宽度较上下游河道窄,水流过闸时先收缩而后扩散。如工程布置 或操作运行不当,出闸水流不能均匀扩散,使主流集中,蜿蜒蛇行,左冲右撞,形成折冲水 流,冲毁消能防冲设施和下游河道,见下图。 侧边水面 闸下折冲水流
7 第三节 水闸的消能防冲设计（一） 引言：水闸泄水时，部分势能转为动能，流速增大，具有较强的冲刷能力，而土质河床 一般抗冲能力较低。因此，为了保证水闸的安全运行，必须采取适当的消能防冲措施。要设 计好水闸的消能防冲措施，应先了解过闸水流的特点，进而采取妥善的防范措施。 ⚫ 本节主要介绍：过闸水流的特点、消能防冲设计条件的确定、底流消能工的设计。 一、过闸水流的特点 1． 水流形式复杂：初始泄流时，闸下水深较浅，随着闸门开度的增大而逐渐加深，闸 下出流由孔流到堰流，由自由出流到淹没出流都会发生，水流形态比较复杂。因此，消能设 施应在任意工作情况下，均能满足消能的要求并与下游水流很好的衔接。 2． 闸下易形成波状水跃： 图示讲解：上、下游水位差较小，出闸水流的佛汝德数较低（Fr=1~1.7）,容易发生波状 水跃，特别是在平底板的情况下更是如此。此时无强烈的水跃旋滚，水面波动，消能效果差， 具有较大的冲刷能力。另外，水流处于急流状态，不易向两侧扩散，致使两侧产生回流，缩 小河槽过水有效宽度，局部单宽流量增大，严重地冲刷下游河道，见下图。 波状水跃示意图 3． 闸下容易出现折冲水流： 图示讲解：一般水闸的宽度较上下游河道窄，水流过闸时先收缩而后扩散。如工程布置 或操作运行不当，出闸水流不能均匀扩散，使主流集中，蜿蜒蛇行，左冲右撞，形成折冲水 流，冲毁消能防冲设施和下游河道，见下图。 闸下折冲水流
二.消能防冲设计条件的确定 1闸下水流的消能方式:底流式消能、挑流消能、面流式消能 2消能设计条件的选择:以闸门的开启程序,开启孔数和开启高度进行多种组合计算 进行分析比较确定 三底流消能工设计 1.讲解消能工的布置 图示讲解 底流式消能设施有三种形式:下挖式、突槛式和综合式,如下图所示。 (a) (105-1.1)h (1.05~1.1)h 消力池型式示意图 (a)下挖式;(b)突槛式;(c)综合式 (b) 下挖式:当闸下尾水深度小于跃后水深时,可采用下挖式消力池消能。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 突槛式:当闸下尾水深度略小于跃后水深时,可采用突槛式消力池消能 综合式: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,可采用下挖 消力池与突槛式消力池相结合的综合式消力池消能 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。 尾槛:布置在消力池末端:调整流速分布,减小出池水流的底部流速,且可在槛后产 生小横轴旋滚,防止在尾槛后发生冲刷,并有利于平面扩散和消减边侧下游回流。 2池深、池长的确定 ●消力池的深度 消力池的深度是在某一给定的流量和相应的下游水深条件下确定的。设计时,应当选取 最不利情况对应的流量作为确定消力池深度的设计流量。要求水跃的起点位于消力池的上游 端或斜坡段的坡脚附近。 图示讲解
8 二．消能防冲设计条件的确定 1.闸下水流的消能方式：底流式消能、挑流消能、面流式消能。 2.消能设计条件的选择：以闸门的开启程序，开启孔数和开启高度进行多种组合计算， 进行分析比较确定。 三.底流消能工设计 1. 讲解消能工的布置 图示讲解： ⚫ 底流式消能设施有三种形式：下挖式、突槛式和综合式，如下图所示。 消力池型式示意图 （a） 下挖式；（b）突槛式；（c）综合式 （b） ● 下挖式：当闸下尾水深度小于跃后水深时，可采用下挖式消力池消能。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。 ● 突槛式：当闸下尾水深度略小于跃后水深时，可采用突槛式消力池消能。 ● 综合式：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，可采用下挖 消力池与突槛式消力池相结合的综合式消力池消能。 ● 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。 ● 尾槛：布置在消力池末端：调整流速分布，减小出池水流的底部流速，且可在槛后产 生小横轴旋滚，防止在尾槛后发生冲刷，并有利于平面扩散和消减边侧下游回流。 2.池深、池长的确定 ● 消力池的深度 消力池的深度是在某一给定的流量和相应的下游水深条件下确定的。设计时，应当选取 最不利情况对应的流量作为确定消力池深度的设计流量。要求水跃的起点位于消力池的上游 端或斜坡段的坡脚附近。 图示讲解：
消力池计算示意图 消力池深度计算 消力池的长度计算 大型水闸的消力池深度和长度,在初步设计阶段,应进行水工模型试验验证 3构造要求 消力池底板(即护坦):承受水流的冲击力、水流脉动压力和底部扬压力等作用,应 具有足够的重量、强度和抗冲耐磨的能力。护坦一般是等厚的,但也可采用不同的厚度,始 端厚度大,向下游逐渐减小 护坦厚度:可根据抗冲和抗浮要求,分别计算,并取其最大值 消力池末端厚度取值 配筋:底板一般用C15或C20混凝土浇筑而成,并按构造配置Φ10-12mm、@25-30cm 的构造钢筋。大型水闸消力池的顶、底面均需配筋,中、小型的可只在顶面配筋 ●排水孔:为了降低护坦底部的渗透压力,可在水平护坦的后半部设置排水孔,孔下铺 设反滤层,排水孔孔径一般为5~10cm,间距1.0~30m,呈梅花形布置。 ●分缝与止水:护坦与闸室、岸墙及翼墙之间,以及其本身沿水流方向均应用缝分开 以适应不均匀沉陷和温度变形。护坦自身的缝距可取10~20m,靠近翼墙的消力池缝距应取得 小一些。护坦在垂直水流方向通常不设缝,以保证其稳定性,缝宽20~25cm。缝的位置如在 闸基防渗范围内,缝中应设止水设备;但一般都铺贴沥青油毛毡 ●齿墙:为増强护坦的抗滑稳定性,常在消力池的末端设置齿墙,墙深一般为O.8~1.5π 宽为0.6~0.8m 4辅助消能工 为了提高消力池的消能效果,除尾槛外,还可设置消力墩、消力齿等辅助消能工,以加 强紊动扩散,减小跃后水深,缩短水跃长度,稳定水跃和达到提高水跃消能效果的目的
9 消力池计算示意图 ● 消力池深度计算 ● 消力池的长度计算 大型水闸的消力池深度和长度，在初步设计阶段，应进行水工模型试验验证。 3.构造要求 ● 消力池底板（即护坦）：承受水流的冲击力、水流脉动压力和底部扬压力等作用，应 具有足够的重量、强度和抗冲耐磨的能力。护坦一般是等厚的，但也可采用不同的厚度，始 端厚度大，向下游逐渐减小。 ● 护坦厚度：可根据抗冲和抗浮要求，分别计算，并取其最大值。 ● 消力池末端厚度取值。 ● 配筋：底板一般用C15 或C20混凝土浇筑而成，并按构造配置Ф10—12mm、@25~30cm 的构造钢筋。大型水闸消力池的顶、底面均需配筋，中、小型的可只在顶面配筋。 ● 排水孔：为了降低护坦底部的渗透压力，可在水平护坦的后半部设置排水孔，孔下铺 设反滤层，排水孔孔径一般为 5~10cm，间距 1.0~3.0m，呈梅花形布置。 ● 分缝与止水：护坦与闸室、岸墙及翼墙之间，以及其本身沿水流方向均应用缝分开， 以适应不均匀沉陷和温度变形。护坦自身的缝距可取 10~20m，靠近翼墙的消力池缝距应取得 小一些。护坦在垂直水流方向通常不设缝，以保证其稳定性，缝宽 2.0~2.5cm。缝的位置如在 闸基防渗范围内，缝中应设止水设备；但一般都铺贴沥青油毛毡。 ● 齿墙：为增强护坦的抗滑稳定性，常在消力池的末端设置齿墙，墙深一般为 0.8~1.5m, 宽为 0.6~0.8m。 4.辅助消能工 为了提高消力池的消能效果，除尾槛外，还可设置消力墩、消力齿等辅助消能工，以加 强紊动扩散，减小跃后水深，缩短水跃长度，稳定水跃和达到提高水跃消能效果的目的
第三节水闸的消能防冲设计(二) 复习上节课内容 本节主要介绍:海漫的布置和构造、海漫长度、防冲槽的构造与设计以及波状水跃和折 冲水流的防止措施 四.海漫 图示进解 水流经过消力池,虽已消除了大部分多余能量,但仍留有一定的剩余动能,特别是流速 分布不均,脉动仍较剧烈,具有一定的冲刷能力。因此,护坦后仍需设置海漫等防冲加固设 施,以使水流均匀扩散,并将流速分布逐步调整到接近天然河道的水流形态 水平段 缓坡段 消力池海漫 干砌石 防冲槽 海漫布置示意图 1.海漫的布量和构造 般在海漫起始段做5~10m长的水平段,其顶面高程可与护坦齐平或在消力池尾坎顶以 下0.5m左右,水平段后做成不陡于l:10的斜坡,以使水流均匀扩散,调整流速分布,保护 河床不受冲刷 ●对海漫的要求:表面有一定的粗糙度,以利进一步消除余能;具有一定的透水性 以便使渗水自由排出,降低扬压力;具有一定的柔性,以适应下游河床可能的冲刷变形。常 用的海漫结构有以下几种 ●干砌石海漫:一般由粒径大于30cm的块石砌成,厚度为04-06m,下面铺设碎石 粗砂垫层,厚10—15cm。干砌石海漫的抗冲流速为2.5~40m/s。为了加大其抗冲能力,可每 隔6-10m设一浆砌石埂。干砌石常用在海漫后段 ●浆砌石海漫:采用强度等级为MS或M8的水泥砂浆,砌石粒径大于30cm,厚度为 04~06m,砌石内设排水孔,下面铺设反滤层或垫层。浆砌石海漫的抗冲流速可达3~6m/s,但 柔性和透水性较差,一般用于海漫的前部约10m范围内 ●混凝土板海漫:整个海漫由板块拼铺而成;每块板的边长2-5m,厚度为0.1-0.3m, 板中有排水孔,下面铺设垫层。混凝土板海漫的抗冲流速可达6-10m/s,但造价较高。有时 为增加表面糙率,可采用斜面式或城垛式混凝土块体。铺设时应注意顺水流流向不宜有通缝 ●钢筋混凝土板海漫:当岀池水流的剩余能量较大时,可在尾槛下游5~10m范围内采 用钢筋混凝土板海漫,板中有排水孔,下面铺设反滤层或垫层。 ●其它形式海漫:如铅丝石笼海漫 2.海浸长度:海漫的长度应根据可能出现的不利水位、流量组合情况进行计算 井解海漫长度计算公式 当√,w=1~9,且消能扩散情况良好时,海漫长度可按下式计算: 五、防冲槽 图示进解
10 第三节 水闸的消能防冲设计（二） 复习上节课内容 本节主要介绍：海漫的布置和构造、海漫长度、防冲槽的构造与设计以及波状水跃和折 冲水流的防止措施。 四．海漫 ⚫ 图示讲解： 水流经过消力池，虽已消除了大部分多余能量，但仍留有一定的剩余动能，特别是流速 分布不均，脉动仍较剧烈，具有一定的冲刷能力。因此，护坦后仍需设置海漫等防冲加固设 施，以使水流均匀扩散，并将流速分布逐步调整到接近天然河道的水流形态。 海漫布置示意图 1.海漫的布置和构造 一般在海漫起始段做 5~10m 长的水平段，其顶面高程可与护坦齐平或在消力池尾坎顶以 下 0.5m 左右，水平段后做成不陡于 1：10 的斜坡，以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护 河床不受冲刷。 ⚫ 对海漫的要求：表面有一定的粗糙度，以利进一步消除余能；具有一定的透水性， 以便使渗水自由排出，降低扬压力；具有一定的柔性，以适应下游河床可能的冲刷变形。常 用的海漫结构有以下几种： ● 干砌石海漫：一般由粒径大于 30cm 的块石砌成，厚度为 0.4~0.6m，下面铺设碎石、 粗砂垫层，厚 10－15cm。干砌石海漫的抗冲流速为 2.5~4.0m/s。为了加大其抗冲能力，可每 隔 6~10m 设一浆砌石埂。干砌石常用在海漫后段。 ● 浆砌石海漫：采用强度等级为 M5 或 M8 的水泥砂浆，砌石粒径大于 30cm,厚度为 0.4~0.6m，砌石内设排水孔,下面铺设反滤层或垫层。浆砌石海漫的抗冲流速可达 3~6m/s，但 柔性和透水性较差，一般用于海漫的前部约 10m 范围内。 ● 混凝土板海漫：整个海漫由板块拼铺而成；每块板的边长 2－5m，厚度为 0.1~0.3m， 板中有排水孔，下面铺设垫层。混凝土板海漫的抗冲流速可达 6~10m/s，但造价较高。有时 为增加表面糙率，可采用斜面式或城垛式混凝土块体。铺设时应注意顺水流流向不宜有通缝。 ● 钢筋混凝土板海漫：当出池水流的剩余能量较大时，可在尾槛下游 5~10m 范围内采 用钢筋混凝土板海漫，板中有排水孔，下面铺设反滤层或垫层。 ● 其它形式海漫：如铅丝石笼海漫。 2.海漫长度：海漫的长度应根据可能出现的不利水位、流量组合情况进行计算。 讲解海漫长度计算公式 当 ' = 1 ~ 9 s H q ,且消能扩散情况良好时，海漫长度可按下式计算： L k q H' p = s s 五、防冲槽 ⚫ 图示讲解：