改进阻力系数法的基本原理

改进阻力系数法与Autobank有限元分析在水闸渗流计算中的应用1. 引言1.1 背景介绍水闸在水利工程中扮演着重要的角色，控制着水流的流动和水位的变化。

而水闸的设计与维护中，对水闸周围的渗流情况进行准确的计算和分析至关重要。

传统的计算方法往往存在一定的局限性，无法完全满足工程实际需求。

研究改进的计算方法对水闸渗流的准确性和效率性具有重要意义。

改进阻力系数法是一种基于实际工程经验的计算方法，通过考虑水流在渗流过程中受到的各种阻力的影响，对水闸渗流进行计算分析。

与传统方法相比，改进阻力系数法在考虑更多因素的基础上，能够更加准确地预测水流的渗漏情况。

Autobank有限元分析是一种基于数值模拟的技术，通过建立数学模型对水流在水闸周围的渗流过程进行模拟。

该方法能够考虑更多复杂的因素，并且在计算精度和计算效率上都有较大优势。

改进阻力系数法和Autobank有限元分析在水闸渗流计算中的应用具有重要意义，有助于提高水利工程设计的准确性和效率性。

1.2 研究意义水资源是人类生存和发展的重要基础资源，水闸在水资源管理领域发挥着至关重要的作用。

在水闸设计和维护过程中，水渗流计算是一项关键的技术。

而改进阻力系数法和Autobank有限元分析作为两种常用的计算方法，在水闸渗流计算中具有重要的应用价值。

研究意义主要体现在以下几个方面：通过对改进阻力系数法和Autobank有限元分析方法在水闸渗流计算中的应用进行深入研究和分析，可以为水资源管理和工程设计提供更为准确和可靠的计算结果，从而提高水闸的设计和维护水平。

通过比较改进阻力系数法和Autobank有限元分析方法的优劣势，可以为工程技术人员选择合适的计算方法提供参考，同时也可以为改进和完善这两种方法提供指导和借鉴。

对改进阻力系数法和Autobank有限元分析方法在水闸渗流计算中的应用进行研究，有助于推动水资源管理技术的进步，为我国水资源的可持续利用和保护提供技术支持和保障。

《水工建筑物》课程测验作业及课程设计一．平时作业（一）绪论1、我国的水资源丰富吗？开发程度如何？解决能源问题是否应优先开发水电？为什么？我国水资源总量丰富，但人均拥有量少，所以应选不丰富。

我国水资源开发利用程度接近25%，从全国而言，不完全一样，呈现“北高南低”，南方特别是西南，水资源丰富而利用量少，利用程度低，而北方尤其是西北干旱地区和华北地区利用程度高。

解决能源问题应优先开发水电，因为水能在可再生能源中是开发技术最成熟，开发经验最丰富，发电成本最经济。

2、什么是水利枢纽？什么是水工建筑物？与土木工程其他建筑物相比，水工建筑物有些什么特点？水利枢纽是修建在同一河段或地点，共同完成以防治水灾、开发利用水资源为目标的不同类型水工建筑物的综合体。

水工建筑物是控制和调节水流，防治水害，开发利用水资源的建筑物。

水工建筑物特点：工作条件的复杂性、设计选型的独特性、施工建造的艰巨性、失事后果的严重性。

3、水工建筑物有哪几类？各自功用是什么？挡水建筑物：用以拦截江河，形成水库或壅高水位。

如拦河坝、拦河闸。

泄水建筑物：用以宣泄多余水量，排放泥沙和冰凌，或为人防、检修而放空水库等，以保证坝和其他建筑物的安全。

如溢流坝、溢洪道、隧洞。

输水建筑物：为灌溉、发电和供水的需要，从上游向下游输水用的建筑物。

如：引水隧洞、渠道、渡槽、倒虹吸等。

取（进）水建筑物：是输水建筑物的首部建筑物，如引水隧洞的进口段、进水闸等。

整治建筑物、专门建筑物。

整治建筑物（改善河道水流条件、调整河势、稳定河槽、维护航道和保护河岸）。

专门性水工建筑物（为水利工程种某些特定的单项任务而设置的建筑物）。

4、河川上建造水利枢纽后对环境影响如何？利弊如何？人们应如何对待？河流中筑坝建库后上下游水文状态将发生变化。

上游水库水深加大，流速降低，河流带入水库的泥沙会淤积下来，逐渐减少水库库容，这实际上最终决定水库的寿命。

较天然河流大大增加了的水库面积与容积可以养鱼，对渔业有利，但坝对原河鱼的回游成为障碍，任何过鱼设施也难以维持原状，某些鱼类品种因此消失了。

C.2 改进阻力系数法C.2.1土基上水闸的地基有效深度可按公式(C.2.1-1)或(C.2.1-2)计算： 当500≥S L 时, 05.0L T e = (C.2.1-1) 当500 S L 时, 26.15000+=S L L T e (C.2.1-2) 式中 T e ---土基上水闸的地基有效深度(m)；L 0 ---地下轮廓的水平投影长度(m)；S 0 ---地下轮廓的垂直投影长度(m).当计算的T e 值大于地基实际深度时,T e 值应按地基实际深度采用.C.2.2 分段阻力系数可按公式(C.2.2-1)~(C.2.2-3)计算：1 进,出口段(见图C.2.2-1)：441.05.1230+⎭⎬⎫⎩⎨⎧=T S ξ (C.2.2-1)式中 a 0 ---进,出口段的阻力系数；S---板桩或齿墙的入土深度(m)；T---地基透水层深度(m).2 内部垂直段(见图C.2.2-2)：(C.2.2-2)式中 a y ---内部垂直段的阻力系数. 图C.2.2-1 图C.2.2-2图C.2.2-33 水平段(见图C.2.2-3)：()TS S L x x 217.0+-=ξ (C.2.2-3) 式中 a x ---水平段的阻力系数；L x ---水平段长度(m)；S 1 ,S 2 ---进,出口段板桩或齿墙的入土深度(m).C.2.3 各分段水头损失值可按公式(C.2.3)计算：∑=∆=n i ii i H h 1ξξ (C.2.3) 式中 h χ ---各分段水头损失值(m)；a i ---各分段的阻力系数；n---总分段数.以直线连接各分段计算点的水头值,即得渗透压力的分布图形.C.2.4 进,出口段水头损失值和渗透压力分布图形可按下列方法进行局部修正： 1 进,出口段修正后的水头损失值可按公式(C.2.4-1)~(C.2.4-3)计算(见图C.2.4-1)：0''0h h β= (C.2.4-1)∑==ni i h h 10 (C.2.4-2)⎭⎬⎫⎩⎨⎧+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎭⎬⎫⎩⎨⎧-=059.0212121.1'2''T S T T β (C.2.4-3) 图C.2.4-1式中 h '0 ---进,出口段修正后的水头损失值(m)；h 0 ---进,出口段水头损失值(m)；β'---阻力修正系数,当计算的β′≥1.0时,采用β′＝1.0；S ' ---底板埋深与板桩入土深度之和(m)；T '---板桩另一侧地基透水层深度(m).2 修正后水头损失的减小值,可按公式(C.2.4-4)计算：()0'1h h β-=∆ (C.2.4-4)式中 Δh---修正后水头损失的减小值(m).3 水力坡降呈急变形式的长度可按公式(C.2.4-5)计算：T I HhL N i X ∑=∆∆=ξ1'(C.2.4-5)式中 L'x ---水力坡降呈急变形式的长度(m).4 出口段渗透压力分布图形可按下列方法进行修正如图C.2.4-2所示,图C.2.4-2中的QP ′为原有水力坡降线,根据公式(C.2.4-3)和(C.2.4-4)和公式(C.2.4-5)计算的⑽h 和L'x 值,分别定出P 点和O 点,连接QOP,即为修正后的水力坡降线.图C.2.4-2C.2.5 进,出口段齿墙不规则部位可按下列方法进行修正(见图C.2.5-1和图C.2.5-2)： 图C.2.5-1 图C.2.5-21 当h x ≥Δh 时,可按公式(C.2.5-1)进行修正：h h h x x ∆+=' (C.2.5-1)式中 h x ---水平段的水头损失值(m)；h'x ---修正后的水平段水头损失值(m).2 当h x ＜Δh 时,可按下列两种情况分别进行修正：1)若h x +h y ≥Δh,可按公式(C.2.5-2)和公式(C.2.5-3)进行修正：x x h h 2'= (C.2.5-2)h h h h y y -∆+='(C.2.5-3)式中 h y ---内部垂直段的水头损失失值(m)；h'y ---修正后的内部垂直段水头损失值(m).2)若h x +h y ＜Δh,可按公式(C.2.5-2),公式(C.2.5-4)和公式(C.2.5-5)进行修正：y y h h 2'= (C.2.5-4)()y x cd cd h h h h h +-∆+=' (C.2.5-5)式中 h cd ---图C.2.5-1和图C.2.5-2中CD 段的水头损失值(m)；h'cd ---修正后的C Ρ段水头损失值(m).以直线连接修正后的各分段计算点的水头值,即得修正后的渗透压力分布图形.C.2.6 出口段渗流坡降值可按公式(C.2.6)计算：''0Sh J = (C.2.6) 式中 J---出口段渗流坡降值.。

4.2.3.2 闸基渗流计算1、渗流计算的目的和计算方法计算闸底板各点渗透压力，验算地基土在初步拟定的底下轮廓线下的渗透稳定性。

计算方法有直线的比例法、流网法和改进阻力系数法，由于改进阻力系数法计算结果精确，因此采用此法进行渗流计算。

1）用改进阻力系数法计算闸基渗流 （1）地基有效深度的计算根据S L 与5比较得出，0L 为地下轮廓线水平投影的长度，为33m ；0S 为地下轮廓线垂直投影的长度，为7m 。

则571.473300<==S L ，所以地基有效深度m S L L T e 29.1726.150=+=。

（2）分段阻力系数的计算为了计算的简便，特将地下轮廓线进行简化处理，通过底下轮廓线的各角点和尖端将渗流区域分成8个典型段，如图4.2.3.2-1所示。

其中Ⅰ、Ⅷ段为进口段和出口段，用公式441.0)(5.1230+=T Sζ计算阻力系数，Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ段为内部垂直段，用公式)1(4ln 2TSctgy -=ππζ计算阻力系数，Ⅲ、Ⅵ段为水平段，用公式TS S L x )(7.021+-=ζ计算阻力系数。

其中21,,S S S 为板桩的入土深度，各典型段的水头损失按公式∑=∆=ni iii Hh 1ξξ计算，对于进出口段的阻力系数修正，按公式0''0h h β=，式中)059.0(2)(12121.1'2''+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=T S T T β，0')1(h h β-=∆计算，其中'0h 为进出口段修正后的水头损失值，0h 为进出口段损失值，'β为阻力修正系数，当0.1'≥β时，取0.1'=β，'S 为底板埋深与板桩入图深度之和，'T 为板桩另一侧地基透水层深度。

其计算见表2.3.2-1：图4.2.3.2-1 渗流区域分段图 （单位：m ）表4.3.2.2-1 各段渗透压力水头损失 单位：（m ）表4.3.2.2-2 进出口段的阻力系数修正表 单位：（m ）Ⅷ（3）计算各角点的渗透压力值用上表所计算的水头损失进行计算，总的水头差分别为4.0m 和4.5m ，各段后角点渗压水头=该段前点渗压水头—此段的水头损失，结果列入表4.3.2.2-3：表4.3.2.2-3 闸基各角点渗透压力值 单位：（m ）（4）算渗流逸出坡降①出口段的逸出坡降分别为14.02.6859.0''===S h J 和16.02.6966.0''===Sh J ，由《水闸设计规范》可查得[]5.0=J ，则都小于地基土出口段允许渗流坡降值[]5.0=J ，满足要求，不会发生渗透变形。

工程流体中的阻力与流阻系数分析与优化引言：工程流体中的阻力与流阻系数是工程设计与优化中重要的研究内容。

在众多工程应用中，如空气动力学、水利工程、石油工程等，理解和优化流体的阻力与流阻系数对于提高效率、降低成本是至关重要的。

本文将对工程流体中的阻力与流阻系数进行分析与优化，探讨减少阻力、降低流阻系数的方法和原理。

一、阻力的概念与计算方法阻力是流体流动中的一个重要参数，指的是流体受到的阻碍力量。

在工程流体中，阻力可以分为壁面阻力、阻力系数和阻力损失等多个方面。

计算阻力的方法主要有实验测量法和计算模型法。

实验测量法是通过在实验室或实际工程中进行相关试验，利用测得的数据计算出阻力。

计算模型法则是通过建立数学、物理的模型，应用流体力学理论和计算方法，结合流体介质的特性计算出阻力。

二、流阻系数的意义与计算方法流阻系数是指当流体通过固定截面的管道、阀门、液体储罐等装置时，所产生的局部压力损失与流量平方成正比的一个无量纲系数。

它可以用来度量流体的阻力大小，降低流阻系数对于提高流体传输效率有着重要的意义。

计算流阻系数时，可以使用经验公式、公式图表法、数值模拟法等方法。

三、减少阻力的方法与原理1. 减小流经截面的壁面长度随着截面壁面长度的减小，流体在经过该部分时所受的阻力也会降低。

2. 平滑壁面及减小表面粗糙度平滑壁面可以减小流体与壁面的摩擦力，降低阻力。

减小表面粗糙度可以通过表面处理、材料选择等方式实现。

3. 改善流道形状合理设计流道形状可以使得流体在流过时更为流线型，减小涡流的发生，从而降低整个流道的阻力。

4. 减小流体的粘度通过控制温度、选择适当的添加剂等方式，可以降低流体的粘度，从而减小阻力。

四、优化流阻系数的方法与原理1. 调整流体的流速针对不同的工程应用，通过控制流体的流速可以实现流阻系数的优化。

流速的合理调节可以使流阻系数最小化，提高传输效率。

2. 优化管道的直径与长度合理选择管道的直径和长度，可以减小流阻系数。

水闸的防渗、排水设计水闸挡水时，由于上、下游水头差的作用，不仅在闸基土体中会产生渗流，同时还会产生绕过两岸连接建筑物的岸坡绕渗。

渗流对建筑物产生的不利影响主要有：①降低了闸室的抗滑稳定及两岸翼墙和边墩的侧向稳定性；②可能引起地基的渗透变形，严重的渗透变形会使地基受到破坏，甚至导致水闸失事；③损失水量，一般情况下损失数量甚微，可略而不计；④使地基内的可溶物质加速溶解。

闸基防渗设计的要求是：确定最优的地下轮廓及防渗排水措施，使闸基渗透压力适当减小，使闸基不发生渗透变形，并使闸基渗流量控制在允许范围内。

总之，在保证水闸安全的前提下，做到经济合理。

1 水闸的防渗长度及地下轮廓的布置1. 防渗长度当水闸形成上、下游水位差时，上游水经过地基向下游渗透，并从护坦的排水孔等处排出。

如图7-16所示，沿着铺盖、板桩及闸室底板的这根流线为1—2—…—17，这是闸基渗流的第一根流线。

上述铺盖、板桩及闸室底板等不透水部分（连续）与地基的接触线，称为地下轮廓线（即第一根流线）。

该线的长度称为防渗长度或渗径长度，此时， 12231617L =-+-++-，如进口段设有干砌块石及垫层（图7-16左下方），则12231617L '=-+-++-；如铺盖与闸室之间的止水受到破坏或没有设置，则78891617L =-+-++-。

从图7-16的实例，可以清楚地看出，防渗长度有三个特点：①起点是入土点，即水流进入土基的这一点；②终点是出土点，即水流离开土基的这一点（排水的起点）；③中间是连续线，即起点与终点之间没有间断。

图7-16 水闸地下轮廓(单位：m) （第5版图7-13 图名相同）水闸防渗排水布置应根据闸基地质条件和水闸上、下游水位差等因素，结合闸室、消能防冲和两岸连接布置进行综合分析确定。

SL 265—2016《水闸设计规范》提出，初步拟定的闸基防渗长度应满足下式的要求：=∆（7-11）L C H式中：L为闸基防渗长度，即闸基轮廓线防渗部分水平段和垂直段长度的总和，∆为上、下游水位差，m；C为允许渗径系数值，可按表7-2选用。

局部阻力损失的计算1阻力系数法ξ阻力系数法的基本原理是通过实验获取不同局部结构的阻力系数，并根据局部结构的特征和流体的特性，将阻力系数法应用于局部阻力损失的计算。

一、阻力系数的定义阻力系数（或称为局部阻力系数）是指在单位长度的管道或局部结构上单位流体速度下，单位长度的局部阻力损失与流体的动力压力之比。

阻力系数通常用希腊字母ξ表示，其计算公式为ξ=(Δp/(ρgL))*(D/A)^2，其中Δp为局部阻力损失、ρ为流体密度、g为重力加速度、L为管道或局部结构的长度、D为管道或局部结构的直径、A为流通面积。

二、常见局部结构的阻力系数1.突变结构：当管道因突然变径或条件变化引起流速的突变时，一般会产生局部阻力损失。

突变结构的阻力系数一般按实验方法进行测定。

2. 弯头（Bend）：当管道发生曲线时，由于曲线半径较小，流体流速增大，从而产生局部阻力损失。

弯头的阻力系数一般根据实验数据和理论计算得到。

3. 阀门（Valve）：阀门的阻力系数是衡量阀门开启程度对流体流动的阻力影响大小的指标。

通常，阀门的阻力系数由制造商提供，也可以根据实验数据进行测定。

4. 突出物（Protrusion）：当管道中存在突出物时，如螺纹、法兰等，会引起局部阻力损失。

突出物的阻力系数一般根据实验数据进行测定。

5. 收缩孔（Contraction）：当管道中存在收缩孔时，由于截面变小，流体流速增大，从而产生局部阻力损失。

收缩孔的阻力系数一般根据实验数据和理论计算得到。

6. 扩张孔（Expansion）：当管道中存在扩张孔时，由于截面变大，流体流速减小，从而产生局部阻力损失。

扩张孔的阻力系数一般根据实验数据和理论计算得到。

三、阻力系数法的应用根据局部结构的特征和流体的特性，可以计算不同局部阻力损失的阻力系数，并将局部阻力损失转化为阻力系数的形式进行计算。

具体步骤如下：1.根据实验数据或理论计算，获取不同局部结构的阻力系数。

2.根据流体的流速、密度和管道或局部结构的特征，计算出局部结构的局部阻力损失。

改进阻力系数法在水闸渗流计算中的运用张亚;李乃回;代晴【摘要】闸基渗流是水闸设计的一个重要内容.对于闸基的防渗设计,《水闸设计规范》(SL265-2001)推荐改进阻力系数法或流网法进行防渗计算.文章主要阐述了改进阻力系数法在丰县黄楼闸除险加固工程中闸基渗流计算中的运用,通过阐述改进阻力系数法的基本原理、地下轮廓线的布置并进行相关的渗流计算,最后得出结论,该设计满足规范要求.【期刊名称】《治淮》【年(卷),期】2016(000)010【总页数】4页(P21-24)【关键词】水闸;渗流系数;渗流坡降;改进阻力系数法【作者】张亚;李乃回;代晴【作者单位】徐州市水利建筑设计研究院徐州 221000;徐州市水利建筑设计研究院徐州 221000;徐州市水利建筑设计研究院徐州 221000【正文语种】中文复新河是南四湖湖西一条流域性河道，发源于安徽省砀山县玄帝庙村西，沿废黄河北堤东流至董庄东北流入丰县，纵贯丰县境内，下游经山东省鱼台县于西姚村流入昭阳湖，丰县境内长度53.9km，流域面积1098km2。

复新河是纵贯丰县南北的一条主要排涝河道，主要有太行堤河、苏北堤河、西支河、子午河、苗城河等14条支流。

1973年淮委划定复新河流域总面积1812km2，其中安徽境内170 km2，山东境内459km2，江苏境内丰县1098km2，沛县85km2。

复新河分三个梯级，从下至上分别为李楼闸站、丰城闸站及黄楼闸。

黄楼闸位于复新河上游，宋楼镇黄楼村北，承担上游116.8km2排涝和2万亩农田灌溉任务，是复新河第三级梯级控制工程，具有防洪、排涝、蓄水、灌溉等多种功能。

根据《水闸设计规范》（SL265-2001）、《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）以及《防洪标准》（GB50201-2014），确定黄楼闸设计排涝标准为10年一遇，防洪标准为20年一遇。

黄楼闸为中型涵闸，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物的级别为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。

水闸渗流稳定及闸室稳定分析◎ 常聪聪 中交四航局港湾工程设计院有限公司摘 要：水闸在水利建设中扮演着重要的角色，本文结合闸坝的具体工程实例，详细介绍了水闸渗流稳定和闸室稳定的计算原理及计算步骤，计算结果表明该项目的结构设计方案较安全但偏保守，可进一步优化方案。

本文中所涉及的相关计算可为相似工程案例提供一定的参考。

关键词：水闸；渗流；闸室稳定1.引言水闸作为一种用来调节水位、控制流量且通常水头差不超过30m的低水头水工建筑物，具备挡水和泄水的两重作用，在水利工程建设中得到广泛应用。

水闸的渗流分析和闸室的稳定分析是水闸设计中两个重要部分，国内外众多学者针对该课题做了丰富的研究。

梁佳铭[1]、王建华[2]运用可靠度理论分析了水闸安全的主要影响因素，申向东[3]分析了单孔水闸的抗滑稳定，也有众多学者结合工程实例对水闸闸室的稳定进行了计算分析[4~7]。

改进阻力系数法是计算水闸闸基渗流稳定的重要方法，适应性广，众多水闸案例以此方法为基础进行设计验算[8~10]。

学者们还将水闸渗流分析的有限元分析法和改进阻力系数法作对比[11~14]，表明两种方法在计算闸基渗流问题上均可靠，有限元分析法则更偏保守。

本文结合具体工程实例，按照现行规范[15]，对水闸的闸基渗流及闸室稳定进行了具体计算分析，对相似案例工程具有一定的借鉴与参考意义。

2.工程概况本工程案例为广东某水闸的重建方案，泄水闸闸孔孔数为12孔，单孔净宽14m，总净宽168m。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）和《渠化工程枢纽总体设计规范》（JTS 181-1-2009），枢纽按库容分等指标，为Ⅲ等中型工程，建筑物级别为4级。

正常蓄水位为35m，中墩厚2.5m，边墩厚2.0m，上游铺盖长15m，闸室长度25.5m，消力池长30m。

地质条件：工程区域地震活动性较弱，区域地质稳定性良好，工程范围内本枢纽的地层主要有第四系填土层（Q4ml）、第四系冲积层（Q4al）、第四系冲洪积层（Q4al+pl）及石炭系下统大塘阶石磴子段（C1ds），中风化岩物理力学性质好，岩石强度高，分布较稳定，地基承载力较高。

⽔⼯建筑物知识点汇总⽔利⽔电⼯程建筑物授课教案章节名称第四章⽔闸教学⽇期第⼆学期授课教师姓名职称授课时数 22本章的教学⽬的与要求掌握⽔闸的类型、⼯作特点、组成及各组成部分的作⽤；掌握⽔闸孔⼝设计的影响因素分析和计算⽅法；掌握消能防冲设计中⽔闸下游不利⽔流流态及相应的防⽌措施；掌握防渗排⽔设计中⽔闸地下轮廓线长度拟定、布置、渗流计算⽅法和防渗排⽔措施；⽔闸的布置与构造；在闸室稳定应⼒分析中，重点从荷载计算、稳定应⼒分析⽅法等⽅⾯⽐较与重⼒坝的异同。

了解⽔闸布置与构造、闸室结构计算内容及⽅法等⽅⾯的内容。

授课主要内容及学时分配掌握⽔闸的类型、⼯作特点、组成及各组成部分的作⽤（2学时）；掌握⽔闸孔⼝设计的影响因素分析和计算⽅法（4学时）；掌握消能防冲设计中⽔闸下游不利⽔流流态及相应的防⽌措施（4学时）；掌握防渗排⽔设计中⽔闸地下轮廓线长度拟定、布置、渗流计算⽅法和防渗排⽔措施（6学时）；⽔闸的布置与构造（2学时）；在闸室稳定应⼒分析中，重点从荷载计算、稳定应⼒分析⽅法等⽅⾯⽐较与重⼒坝的异同（2学时）。

了解⽔闸布置与构造、闸室结构计算内容及⽅法等⽅⾯的内容（2学时）。

重点和难点⽔闸的类型、⼯作特点、组成及各组成部分的作⽤，⽔闸孔⼝设计的⽔闸孔⼝设计，如何不知谁炸的消能防冲设计，⽔闸的渗流计算，⽔闸的整体布置。

思考题和作业1．⽔闸按其承担的任务和结构形式分为哪些类型？⽔闸的⼯作特点如何？2．⽔闸的组成部分及各组成部分的作⽤是什么？3．⽔闸孔⼝设计的影响因素有哪些？如何确定？4．⽔闸下游不利⽔流流态及相应的防⽌措施是什么？5．何谓⽔闸地下轮廓线？其长度如何拟定？布置⽅式有哪些？6．试述⽤“改进阻⼒系数法”计算闸底板下渗压⼒和渗透坡降的⽅法步骤。

7．试述⽔闸荷载计算和稳定应⼒分析⽅法与重⼒坝有何异同？8．试述闸门、启闭机的分类与选型⽅法如何?9．⽔闸两岸连接建筑物的型式有哪些? 如何选⽤？10．闸室结构计算的内容有哪些? 试述有限深的“弹性地基梁法”的计算步骤？第四章⽔闸§4～1 ⽔闸的类型和⼯作特点⼀、类型（⼀）概念：⽔闸是⼀种利⽤闸门的启闭来调节⽔位，控制流量的低⽔头⽔⼯建筑物。

第四节闸基渗流分析与防渗设施一．闸基渗流的主要危害⒈沿闸基的渗流对建筑物产生向上的压力，减轻建筑物有效重量，降低闸身抗滑稳定性，沿两岸的渗流对翼墙产生水平推力；⒉由于渗透力的作用，渗透力可能造成土的渗透变形；⒊严重的渗漏将造成大量的水量损失；⒋渗流可能使地基内可溶解的物质加速溶解。

图9-9 闸基渗流*防渗设计的主要任务：寻求合理经济的防渗措施，合理拟定地下轮廓尺寸，消除渗流不利影响，保证水闸安全。

*防渗设计的内容包括：(1) 渗透压力计算；(2) 抗渗稳定性验算；(3) 滤层设计；(4) 防渗帷幕及排水设计；(5) 永久缝止水设计。

二闸基防渗措施1.闸基的防渗长度L：地下轮廓线（闸基渗流第一根流线，即铺盖和垂直防渗体等防渗结构以及闸室底板与地基的接触线）的长度。

应满足:渗径系数C值表粉砂细砂中砂粗砂中砾细砂粗砾夹卵石轻粉质砂壤土砂壤土壤土粘土有反滤层 9～13 7～9 5～7 4～5 3～4 2.5～3 7～11 5～9 3～5 2～3 无反滤层4～7 3～4图9-10 水闸地下轮廓及流网⒉防渗地下轮廓布置⑴布置原则：先阻后排，防渗与导渗相结合。

⑵防渗排水设施水平防渗→铺盖：粘土、粘壤土铺盖，砼、钢筋砼、沥青砼铺盖。

水平铺设土工膜 .垂直防渗→钢筋砼板桩, 砼防渗墙,灌注式水泥砂浆帷幕, 土工膜垂直防渗结构.高压喷射灌浆：定喷板墙导渗→排水反滤图9-11按直线法计算的闸基渗透压力图⑶不同情况下防渗布置①粘性土地基：降低渗透压力，增加闸身有效重量。

闸室上游宜设置水平钢筋砼或粘土铺盖，或土工膜防渗铺盖，闸室下游护坦底部应设滤层，下游排水可延伸到闸底板下。

图9-12 粘性土地基的地下轮廓线布置②砂性土地基：防止渗透变形→通过延长渗径来降低渗透流速和坡降，对降低渗透压力的要求较低。

砂层很厚→闸室上游可采用铺盖和悬挂式防渗墙相结合的形式，闸室下游渗流出口处应设置滤层，排水布置在护坦之下。

砂层较浅→闸室底板上游端设置截水槽或防渗墙（嵌入相对不透水层深度不应小于1.0m），闸室下游渗流出口处应设置滤层，排水布置在护坦之下。

水闸渗流计算方法的探讨水闸渗流是水在压力坡降作用下穿过土中连续空隙发生流动的现象。

本文通过水闸渗流的影响及计算方法来曲面探讨。

标签：影响;全截面直线分布法;流网法;渗流;闸基引言：上游的水压力是水工建筑物要承受的主要荷载之一，而且地基和混凝土也不是完全不透水的材料，在水头的长期作用下，水即将会通过地基和坝体向下游流去，因此，在地基内和闸坝体内有一个渗流场的存在。

渗流分析给合理的选择渗流控制方法和对闸坝工程的安全可靠性的评价提供一定的根据，水闸闸基渗流为剖面的平面渗流运动，既有水平的分速度，同时也有垂直的分速度，可以近似的看做为二维流。

闸基渗流经常用到的计算方法包括有限元法、流网法、直线比例法（渗径系数法）、电网络法[1，2]和改进阻力系数法。

改进阻力系数法[3，4]为分段法，把地基渗流沿着地下轮廓线划分成水平的和垂直的几个段，进行单独的解决。

把各分段的阻力系数计算出来，再进一步把渗透流速、渗透压力、渗透坡降及渗流量求出。

这是一种近似的流体力学的解法，有较高的计算精度，对计算复杂的地下轮廓的渗流量也同样有很大的的现实意义，在国内外已经得到广泛的运用，水闸设计规范计算闸基渗流就是运用了这种方法。

把求解的渗流区域划分为有限个互相联系的子区域的方法就是有限单元法，它用子区域内连续的分区近似水头函数来代替待定的水头函数。

随着计算机的发展，其应用于数值计算的有限元法也得到了快速的发展，可以很好的把条件复杂的渗流问题模拟出来。

现在，有很多有限元软件都可以用来计算渗流，包括GEO-SLOPE、MARC、SEEPAGE、ANSYS、ADINA、FLAC、ABQUS等。

一、滲透与渗透影响（一）渗透渗透是水在压力坡降作用下穿过土中连续空隙发生流动的现象。

水利工程中渗流计算的研究对象为岩土，土是具有连续空隙的介质，水在重力作用下可以穿过土的空隙发生运动。

土的渗透性主要研究在重力势能作用下，土空隙中的水的流动过程及其规律性。

阻力的原理和计算方法阻力是指物体在运动过程中受到的阻碍其运动的力。

阻力的产生是由于物体在流体介质中或者在与其他物体接触时引起的。

了解阻力的原理和计算方法对于学习力学和流体力学等课程具有重要意义。

一、阻力的原理当物体运动时，其运动状态受到外界力的影响。

如果物体在空气或液体中运动，会受到其中流体介质的阻力作用。

阻力的大小与物体的运动速度、流体介质的性质以及物体的形状等因素有关。

1. 流体介质的性质流体介质可以是气体（比如空气）或液体（比如水）。

流体的特性会直接影响阻力的大小。

一般来说，流体的密度越大，阻力就越大；流体的黏性越大，阻力也越大。

2. 物体的形状物体的形状对阻力的大小有重要影响。

同样速度下，物体越大、越圆滑，其阻力就越小；物体越小、越粗糙，其阻力就越大。

3. 物体的运动速度物体的运动速度也是影响阻力大小的重要因素。

当物体的运动速度增加时，阻力也会增加；当物体的运动速度减小时，阻力也会减小。

这是因为当物体运动速度增加时，其所受到的撞击次数增多，进而引起阻力增加。

二、阻力的计算方法在物理学中，可以通过数学公式来计算阻力的大小。

常见的计算方法如下：1. 流体介质中的阻力计算方法（适用于气体和液体）在流体介质中，物体所受到的阻力可以用以下公式来计算：F = 0.5 * ρ * v^2 * A * Cd其中，F表示阻力大小，ρ表示流体介质的密度，v表示物体的运动速度，A表示物体的横截面积，Cd表示物体的阻力系数。

2. 绕过物体运动的流体介质中的阻力计算方法当物体绕过流体介质（如空气）运动时，其阻力可以通过以下公式来计算：F = 0.5 * ρ * v^2 * A * Cl其中，F表示阻力大小，ρ表示流体介质的密度，v表示物体的运动速度，A表示物体的横截面积，Cl表示绕过物体运动时的升力系数。

3. 固体物体间的接触阻力计算方法当两个固体物体通过接触而运动时，其受到的接触阻力可以通过以下公式来计算：F = μ * N其中，F表示阻力大小，μ表示固体间的摩擦系数，N表示两个固体间的法向力。

1、水工建筑物分为哪几类？各自的作用是什么？答：挡水；泄水；输水；引水；整治；专门建筑物。

挡水建筑物：拦截或约束水流，抬高水位及调蓄水量。

泄水建筑物：保证水利枢纽安全宣泄水库，湖泊及河渠多余水量。

输水建筑物：输送库水或河水以满足灌溉，发电或工业用水。

引水建筑物：从水库中或河流取水满足各种用水要求。

整治建筑物：改善河道水流条件，调整河势，稳定河槽，维护航道及保护河岸。

专门建筑物：专门为发电，航运，过鱼及过木等单一目的而设置。

2、水利工程等级划分的目的是什么？依据是什么？答：为了妥善解决水利工程建设中安全性和经济性的矛盾，对水利枢纽进行分等，水工建筑物进行分级，等级越高者，在规划，设计，施工和管理等方面要求也越高等级的划分通常依据，工程规模，水库总库量，防洪区域及面积，排涝面积，灌溉面积，供水范围及水电站装机容量。

3、水工建筑物特点有哪些？答：复杂性，艰巨性，个别性，显著性4、水库枢纽三大件指哪三类建筑物？答：挡水建筑物，泄水建筑物，输水建筑物是水库枢纽的三大件5、按水闸作用分有几类？按闸室结构形式如何分类？答：进水闸，节制闸，排水闸，分洪闸，挡潮闸按闸室结构：开敞式，涵洞式，双层式6、水闸由哪几部分组成？各起什么作用？答：闸室段，上游连接段及下游连接段闸室是水闸的主体部分起着挡水和调节水流的作用上游连接段包括上游翼墙，铺盖，护底，上游防冲槽及上游护坡，上游翼墙能使水流平顺的进入闸孔，保护闸前河岸不受冲刷，同时还有侧向防渗作用。

铺盖主要起防渗作用，护底起着保护河床的作用，上游防冲槽可防止河床冲刷，保护上游连接段起点不致遭受损坏下游连接段包括下游翼墙，消力池，海曼，下游防冲槽及下游湖泊，下游翼墙能使闸室水流均匀扩散，防冲和防渗作用，消力池作用是消除过闸水流动能，防冲作用。

海曼消除剩余能量，保护河床不受冲刷。

下游防冲槽是海漫末端的防冲措施。

7、闸孔型式有哪几种？各自优缺点及适用条件是什么？答：宽顶堰孔口，低堰孔口，胸墙孔口宽顶堰孔口：8、水闸底板高程如何确定？答：9、水闸采用什么消能方式？为什么？答：底流式，面流式和挑流式对于各类地基而言用中，低水头的水闸，采用底流式消能方式最经济适用水闸下游尾水深度较大且变化较小，河床及岸坡抗冲能力较强时，可采用面流式当水闸承受水头较高，闸后河床为较坚硬的岩体时可采用挑流式10、海漫的作用是什么？对材料有什么要求？海漫是消除过闸水流的剩余动能，减缓分布不均匀，流速的水流及紊动比较厉害的水流根据水流流速可以选着干砌块石，浆砌块石，混凝土，石笼，梢捆及堆石11、什么叫地下轮廓线和闸基防渗长度？如何确定闸基防渗长度？防渗长度有何特征？对于不同类型的地基应如何布置地下轮廓线?地下轮廓线即为水闸上游铺盖和闸底板等不透水部分和地基的接触线， 长度。

【例2】 用改进阻力系数法计算例1中各渗流要素。

某水闸地下轮廓布置及尺寸如图4-28所示。

混凝土铺盖长10.50m ，底板顺水流方向长10.50m ，板桩入土深度4.4m 。

闸前设计洪水位104.75m ，闸底板堰顶高程100.00m 。

闸基土质在高程100.00～90.50m 之间为砂壤土，渗透系数K 砂=2.4×10-4cm/s ，可视为透水层，90.50m 以下为粘壤土不透水层。

试用渗径系数法验算其防渗长度，并用直线比例法计算闸底板底面所受的渗透压力。

（一）阻力系数的计算 （二）1.有效深度的确定 由于)m (5.205.10100=+=L ，)m (0.600.9400.1000=-=S ，故542.30.65.2000<==S L ，按式（4-19）计算e T)m (5.95.9000.100m 72.13242.36.15.20526.15000=-=>=+⨯⨯=+=T S L L T e故按实际透水层深度m 5.9=T 进行计算。

2.简化地下轮廓 将地下轮廓划分成十个段，如图4-29（a ）所示。

3.计算阻力系数[ 图4-29（b ）]（1）进口段：将齿墙简化为短板桩，板桩入土深度为0.5m ，铺盖厚度为0.4m ，故)(9.04.05.0m S =+=，m T 5.9=。

按表（4-3）计算进口段阻力系数01ξ为48.044.05.99.05.144.05.12/32/301=+⎪⎭⎫⎝⎛⨯=+⎪⎭⎫⎝⎛⨯=T S ξ（2）齿墙水平段：021==S S ，m 6.0=L ，m 6.8=T，按表（4-3）计算齿墙水平段阻力系数1x ξ为()07.06.86.07.0211==+-=T S S L x ξ（3）齿墙垂直段：m 5.0=S，m 1.9=T 。

按表（4-3）计算齿墙垂直段的阻力系数1y ξ为06.01.95.014ctg ln 214ctg ln 21=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=ππππξT S y（4）铺盖水平段：m 5.01=S ，m 6.52=S ，m 75.10=L ，按表（4-3）计算铺盖水平段阻力系数2x ξ为()()71.01.96.55.07.075.107.0212=+⨯-=+-=T S S L x ξ（5）板桩垂直段：m 6.5=S ，m 1.9=T ，根据表（4-3），板桩垂直段阻力系数2y ξ为74.01.96.514ln 22=⎪⎭⎫⎝⎛-=ππξctgy （6）板桩垂直段：m 9.4=S ，m 4.8=T ，根据表（4-3），板桩垂直段阻力系数3y ξ为69.04.89.414ln 23=⎪⎭⎫⎝⎛-=ππξctgy （7）底板水平段：m 9.41=S ，m 5.02=S ，m 75.8=L ，m 4.8=T ，故底板水平段阻力系数3x ξ为()59.04.85.09.47.075.83=+-=x ξ（8）齿墙垂直段：m 5.0=S ，m 4.8=T ，根据表（4-3），则齿墙垂直段的阻力系数4y ξ为06.04.85.014ln 24=⎪⎭⎫⎝⎛-=ππξctgy （9）齿墙水平段：021==S S ，m 0.1=L ，m 9.7=T ，按表（4-3）计算齿墙水平段阻力系数4x ξ为13.09.70.14==x ξ （10）出口段：出口段中m 55.0=S ，m 45.8=T ，按表（4-3）计算其阻力系数02ξ为46.044.045.855.05.12/302=+⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=ξ（二）渗透压力计算1.求各分段的渗压水头损失值 根据式（4-18） ∆H ∑=iii h ξξ，其中m 75.4=∆H ，且 99.346.013.006.059.069.074.071.006.007.048.071=+++++++++=∑=i i ξ（1）进口段)m (57.048.019.148.099.375.411=⨯=⨯=∆H ∑=ξξh（2）齿墙水平段 )m (08.007.019.12=⨯=h （3）齿墙垂直段 )m (07.006.019.13=⨯=h （4）铺盖水平段 )m (85.071.019.14=⨯=h（5）板桩垂直段 )m (88.074.019.15=⨯=h （6）板桩垂直段 )m (82.069.019.16=⨯=h（7）底板水平段 )m (70.059.019.17=⨯=h（8）齿墙垂直段 )m (07.006.019.18=⨯=h （9）齿墙水平段 )m (16.013.019.19=⨯=h （10）出口段 )m (55.046.019.110=⨯=h2. 进出口水头损失值的修正（1）进口处按式（4-20）计算修正系数1β'为⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎭⎫ ⎝⎛'⨯-='059.0212121.121TS T T β66.0059.05.99.025.96.812121.12=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎭⎫⎝⎛⨯-= 0.166.01<='β，应予修正。

一．闸基渗流的主要危害⒈沿闸基的渗流对建筑物产生向上的压力，减轻建筑物有效重量，降低闸身抗滑稳定性，沿两岸的渗流对翼墙产生水平推力；⒉由于渗透力的作用，渗透力可能造成土的渗透变形；⒊严重的渗漏将造成大量的水量损失；⒋渗流可能使地基内可溶解的物质加速溶解。

图9-9 闸基渗流*防渗设计的主要任务：寻求合理经济的防渗措施，合理拟定地下轮廓尺寸，消除渗流不利影响，保证水闸安全。

*防渗设计的内容包括：(1) 渗透压力计算；(2) 抗渗稳定性验算；(3) 滤层设计；(4) 防渗帷幕及排水设计；(5) 永久缝止水设计。

二闸基防渗措施1.闸基的防渗长度L：地下轮廓线（闸基渗流第一根流线，即铺盖和垂直防渗体等防渗结构以及闸室底板与地基的接触线）的长度。

应满足:渗径系数C值表粉砂细砂中砂粗砂中砾细砂粗砾夹卵石轻粉质砂壤土砂壤土壤土粘土有反滤层 9～13 7～9 5～7 4～5 3～4 2.5～3 7～11 5～9 3～5 2～3 无反滤层4～7 3～4图9-10 水闸地下轮廓及流网⒉防渗地下轮廓布置⑴布置原则：先阻后排，防渗与导渗相结合。

⑵防渗排水设施水平防渗→铺盖：粘土、粘壤土铺盖，砼、钢筋砼、沥青砼铺盖。

水平铺设土工膜 .垂直防渗→钢筋砼板桩, 砼防渗墙,灌注式水泥砂浆帷幕, 土工膜垂直防渗结构.高压喷射灌浆：定喷板墙导渗→排水反滤图9-11按直线法计算的闸基渗透压力图⑶不同情况下防渗布置①粘性土地基：降低渗透压力，增加闸身有效重量。

闸室上游宜设置水平钢筋砼或粘土铺盖，或土工膜防渗铺盖，闸室下游护坦底部应设滤层，下游排水可延伸到闸底板下。

图9-12 粘性土地基的地下轮廓线布置②砂性土地基：防止渗透变形→通过延长渗径来降低渗透流速和坡降，对降低渗透压力的要求较低。

砂层很厚→闸室上游可采用铺盖和悬挂式防渗墙相结合的形式，闸室下游渗流出口处应设置滤层，排水布置在护坦之下。

砂层较浅→闸室底板上游端设置截水槽或防渗墙（嵌入相对不透水层深度不应小于1.0m），闸室下游渗流出口处应设置滤层，排水布置在护坦之下。