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水闸课程设计

第一章总述

第一节概述

本工程是西通河灌区第一级抽水站的拦河闸，其主要任务是拦蓄西通河的河水，抬高水位满足抽水灌溉的需要; 洪水期能够宣泄洪水，保证两岸农田不被洪水淹没。

第二节基本资料

(一) 闸的设计标准

根据《水闸设计规范.》SD133-84(以下简称SD133-84),该闸按IV级建筑物设计。

(二) 水位流量资料

下游水位流量关系见表

(三) 地形资料

闸址附近，河道顺直，河道横部面接近梯形，底宽18米，

边坡1:1.5，河底高程195.00米，两岸地面高程199.20米。

(四) 闸基土质资料

闸基河床地质资料柱状图如图所示

基细砂及墙后回填砂料土工试验资料如下表；

细砂允许承载力为150KN/m2，其与混凝土底板之间的摩擦系数f=0.35。

(五) 其他资料

1.闸上交通为单车道，按汽-10设计，带-50校核。桥面净宽4.0m，总宽为4.4m。

2.闸门采用平面钢闸门，有3米，4米，5米三种规格闸门。

3.该地区地震设计烈度为4度。

4.闸址附近河道有干砌石护坡。

5.多年平均最大风速12米/秒，吹程0.15公里。

第三节工程综合说明书

本工程为Ⅳ级拦河闸。设计采用开敞式水闸。

水闸由上游连接段、闸室段、下游连接段三部分组成。

闸室段位于上、下游连接段之间。是水闸工程的主体。其作用是控制水位、调节流量。包括闸门、闸墩、边墩、底板、工作桥、检修便桥、交通桥、启闭机等。

上游连接段的作用是将上游来水平顺地引进闸室。包括两岸的翼墙、护坡、铺盖、护底和防冲槽。

下游连接段的作用是引导过闸水流均匀扩散。通过消能防冲设施。以保证闸后水流不发生有害的冲刷。包括消力池、海漫、防冲槽以及两岸的翼墙和护坡。

第二章水力计算

第一节闸室的结构型式及孔口尺寸确定

﹙一﹚闸孔型式的选择

该闸建在天然河道上，河道横部面接近梯形，因此采用开敞式闸室结构。该闸建在天然河道上，为了满足泄洪、冲沙、排污

的要求，宜采用结构简单，施工方便，自由出流范围较大的无坎宽顶堰，考虑到闸基持力层是粘细砂，土质一般，承载能力不好，并参考该地区已建工程的经验，根据一般情况下，拦河闸的底板顶面可与河底齐平。即闸底板顶面（即堰顶）与西通河河底齐平，所以高程为195.00 m 。 （二）闸孔尺寸的确定

初拟孔口尺寸，该闸的尺寸必须满足拦洪灌溉以及泄洪的要求。

1.计算闸孔总净宽0B

(1)在设计情况下： ①、上游水H=198.36-195=3.36m

②、下游水深s h =198.15-195.00=3.15m ③、下泄流量Q=61.403/m s

则上游行近流速：

V 0=Q/A

根据和断面尺寸：

A=﹙b ＋mH ﹚H =﹙18+1.5×3.36﹚×3.36

＝77.4m 2

其中b 为河道宽：b=18m m 为边坡比：

m=1:1.5

V 0=Q/A =61.40/77.41=0.793m/s H 0=H ﹢αv 2/2 （取α＝1.0﹚ =3.36﹢0.7932/﹙2×9.81﹚ ＝3.39m 则

s h H =3.15/3.39=0.929>0.8 故属于淹没出

流。

(2)校核情况： ①、上游水H=198.9-195=3.9m

②、下游水深s h =198.65-195=3.65m ③、下泄流量Q=79.703/m s

则上游行近流速：

V 0=Q/A

根据和断面尺寸：

A=﹙b ＋mH ﹚H =﹙18+1.5×3.9﹚×3.9

＝93.02m 2

其中b 为河道宽：b=18m m 为边坡比：

m=1:1.5

V 0=Q/A =79.7/93.02=0.86m/s H 0=H ﹢αv 2/2g ﹙取α＝1.0﹚ =3.9﹢0.862/﹙2×9.81﹚ =3.94m 则

s h H =3.65/3.94=0.93>0.8 , 故属于淹没

出流。

(3)确定闸孔宽度

由以上结果可得，则按水流成堰流时并且为淹没出流，计算根据《水工建筑物》，由宽顶堰淹没出流公式：

根据

s

h H ，查SL-265-2001,附录A.01，查得淹没系数=0.74，

对无坎宽顶堰：m=0.385 假设侧收缩系数 =0.90

在设计情况下：

由公式

所以，在设计情况下

=8.66m

在校核情况下：

=9.0m

整理上述计算如下表

计算

情况

上游

水深

H

下游

水深

s

h

流量

Q

行进

流速

行进

水头

H

淹没

系数

б

流量

系数

m

侧收

缩系

数ε

B

设计

情况

下

3.36 3.15 61.40 0.793 3.39 0.74 0.385 0.90 8.66

校核

情况

3.90 3.65 79.70 0.86 3.94 0.74 0.385 0.90 9.0

g

v

2

2

H

H1

s

h

下

2.闸孔孔数n 及单孔净宽0b

单孔宽度0b 根据水闸使用要求，闸门型式及启闭机容量等因素，并参照闸门尺寸选定。由01B >02B 比较得，取净宽较大的值，则取0B =9.0m 。

以上为0B 的第一次近似值，据此可计算ε的第二次近似值，按0H h s =0.93，及闸墩边形状，查《水力学》，得=0.502 ，=0.70。侧收缩系数按式计算为：

=1-0.2×[0.7+（3-1）×0.502]×3.9/9 =0.85

净宽0B 的第二次计算近似值为

=9.5m

再将净宽0B 的第二次近似值代入式中，可得ε=0.86，再次试算后仍得ε=0.86，计算得出02B =9.4m ,根据所给闸门的型号尺寸，则选择孔数n=3，每孔净宽0b =3.2m ，则闸孔总净宽0B =3.2×3=9.6m ,

3.闸孔泄流能力校核

中墩采用钢筋混凝土结构，根据设计规范SL265-2001,取中墩厚d=1.5m ,墩首、墩尾均采用尖圆形。边墩厚度为1.0m ，墩首、尾采用半圆形。

根据拟定的闸孔尺寸净宽0B =9.6m ，用设计情况进行检验。根据堰流公式：

3/20.860.740.38529.819.6Q =?????3.39?实

=64.283/m s

则:

=|（64.28-61.40）/61.40|×100％=4.7％

＜5％

实际过流能力满足泄水的设计要求

由此得该闸的孔口尺寸确定为：选择孔数n=3，每孔净宽0b =3.2m ，2个中墩各厚d=1.5m ，边墩厚度为1.0m ，闸孔总净宽0B =9.6m ，闸室总长度B=3×3.2+2×1.5=12.6m 。 第二节 消能防冲型式

水闸闸门开启时，下泄水流具有较高能量，为防止高速水流及波状水跃的冲击等不利作用，闸下应采取防冲措施。 （一）消能型式

水闸上、下游水头一般较低，下游一般为土基，宜采用底流式消能。因此，消能设计的主要任务是确定下游消力池深度与长度，护坦型式与构造、海漫长度与构造一集防冲槽等。 （二）消力池设计 1．消力池设计依据

当过闸流量不变，上游水位较高时往往是消力池设计的依据，而实际运行中，流量却是变化的。因而，消能设计依据应是上游为较高水位、下游为较低水位时，通过某一流量，下泄水流能量E=γq △H 最大时，相应的数据即为消力池设计依据。为了降低工程造价、确保水闸安全运行，可以规定闸门的操作规程，本次设中孔开启。分别开启不同高度进行计算，找出消力池池深和池长的控制条件。闸门的开度拟分三级开启。第一级泄流量8.633m /s ；待下游水位稳定后，开度增大至设计流量61.43m /s ；最后待下游水位稳定后，再增大开度至最大下泄流量79.73m /s 。

消力池尺寸计算表

开垂泄 单 收跃下流1h c ''1h c 池消水

垂直收缩系数ε与闸孔相对开度H /e 有关，查《水力

学》表9-8可得。

泄流量：Q=2gH eB 0μ

流量系数：H

e 1ε

ε?

μ-=

消力池深度:=d Z h s c ?--'''0h σ 收缩水深：e c ε=h 消能计算公式： 0

001h T T T c ?-

?-

?=

2

2

2q ?g =

?

25.02132''1812h ???

? ??????????-+=b b gh q h c c c 出池落差:2

''2

'2222q c s gh q h g Z α?α-

=? 消力池长：sj L =j L L S β+

其中消力池与闸底板以1:4的斜坡段连接 水跃长度：()c c h h L -=''j 9.6 'h s 是出池河床水深

0T 是从消力池底板顶面算起的总势能

为水流动能校正系数取1.0。β为水跃长度校正系数取0.75。水跃淹没系数0σ=1.05。流速系数95.0=?。 2．消力池深度d 及消力池长度的计算

结论：通过计算上述计算可知，当闸孔开度为0.17m 时满足控制条件，其余两组都不满足条件，根据下列计算：

以下泄流量Q=8.633/m s 作为确定消力长度的计算依据。 （1）消力池力池深

依据SL265-2001,附表B1.1,则计算出消力池的相关参数:

2

''2

'2222q c

s gh q h g Z α?α-=? =2222

2

0.710.71

29.811129.810.91??-?????

=-0.006m

其中Z ?为出池落差、'h s 为出池河床水深、为水流动能校正系数取1.0。

则 =d Z h s c ?--'''0h σ

=1.05×0.921-1+0.006 =-0.0385m

则计算出消力池池深d=-0.0385m ，但为了稳定泄流时的水流，根据规范取池深d=0.5m 。 （2）消力池长度计算:

由前面的计算，以下泄流量8.633/m s 作为确定消力池长度计算的依据。略去行进流速v 0，则：

d 0+=H T =3.9+0.5=4.4m

根据公式

其中：

2

2

2q ?g =

?=

02.081

.9268..02

=? 则：0

001h T T T c ?-

?-

?=

=

4

.402.04.02.04.402.0-

-

=0.07m

25.02132''1812h ???? ??????????-+=b b gh q

h c c c

=0.0712????

=1.13m

水跃长度：()c c h h L -=''j 9.6 =6.9(1.13-0.07)=7.3m

消力池与闸底板以1:4的斜坡段连接， s L =dp =0.5×4=2m ，则消力池长度：

sj L =j L L S β+=2+0.75×7.3=7.5m

所以取消力池长度为7.5m 。

3．消力池底板厚度t

（1）消力池底板厚度，为减少作用于底板扬压力，消力池底板可以做成透水的，始端厚度可按抗冲和抗浮要求确定。

抗冲 H q k ?=1t 抗浮

1

2

γM

P W U k t ±-=

其中1k 为消力池底板计算系数取0.18，q 为消力池进口处的单宽流量，H ?为相应于单宽流量的上、下游水位差。 此结构按抗冲条件计算得:

H

q k ?=1t

消力池底板厚度计算表

t

消力池一般可用浆砌石或混凝土建成，下设0.3m 的卵石垫层，透水底板设排水孔，孔径0.2m ，孔距2m ，梅花状布置，底部设反滤层。为使出闸水流在池中产生水跃，在消力池与闸底板连接处留一宽为1.5m 的平台，为了增强护坦班的抗滑稳定性在消力池的末端设置齿墙，墙深1m ，宽为0.6m （三）防冲加固措施 1.海漫

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，并将流速分布逐渐调整到接近天然河道的水流形态。 （1）海漫的长度计算由式：H

q K L s s p

?=

s K 为海漫长度计算系数，根据闸基土质为河床为细砂取s K =14.0，s q 为消力池出口处的单宽流量。

海漫长度计算表

p L =24m ，河床宽度为18m 。

（2）海漫构造。海漫使用厚度45cm 的块石材料，海漫起始段做10m 长的水平段浆砌块石，其顶面高程与护坦齐平。水平段后做成1：10 的斜坡干砌块石，以使河流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。浆砌块石海漫上设排水孔，干砌块石上设浆砌块石格埂。海漫底部铺设20cm 厚的砂粒垫层。 2．防冲槽

海漫与下游渠道相交处，应设防冲槽，以保护海漫免受冲刷。按下列公式：

[]m

m

m h v q d -=1

.1

不经济、施工也困难。故取防冲槽深度为2.0m，槽顶高程与海漫末端齐平，底宽取5m。上游边坡系数为2，下游边坡系数为3。第三章水闸防渗及排水设计

第一节防渗设施及闸底轮廓布置

水闸的地下轮廓是指水闸底板与地基的接触部分，由不透水和透水部分组成，对于砂土层地基通常采用直板桩和铺盖增加防渗长度，地下轮廓的设计主要包括底板，防渗铺盖，板桩等的设计。

1.底板

底板既是闸室的基础，又兼有防渗、防冲刷的作用。它既要满足上部结构布置的要求，又要满足稳定及本身的结构强度等要求。

（1）底板顺水流方向的长度L：

有经验公式：L=3.5H=3.5×(198.90-195.00)=13.6m

为了满足上部结构布置的要求，L必须大于交通桥宽、工作桥、工作便桥及其之间间隔的总和，即取L=14.0m。

（2）底板厚度d:

根据经验，底板厚度为（1/5～1/7）单孔净跨，一般为1.0～2.0m由此初拟底板厚度d=1.0m

（3）底板构造：

底板采用钢筋混凝土结构，采用C20混凝土，上下游两端各设1.0m深的齿墙嵌入地基，底板分缝设以“v”型铜片止水，由于地基为砂性土的细砂地基，抵抗渗流变形的能力较差，渗流系数也较大，由此得在底板两端分别设置不同深度的板桩，由于一

般为水头的（0.6～1.0）倍，由水头大小可知，上游端设板桩深为3.0m，下游端不设板桩。

2.铺盖

铺盖用钢筋混凝土结构，采用C20，其长度为上下游最大水位差的（3～5）倍，则取铺盖L=12.0m，铺盖厚度为0.5m。铺盖两端各设设0.5m深的小齿墙，其头部不再设防冲槽，为了防止上游河床的冲刷，铺盖上游设块石护底，厚为0.3m，其下设0.2m厚的砂石垫层。顺水流方向设置永缝，缝距为8m。

3.板桩

(1)根据工程经验:用钢筋混凝土板桩，板桩长度3m，厚度0.2m,宽度0.4m。

(2)板桩的构造：采用现场预制，桩的两侧做成舌槽形，以便相互贴紧，板桩与闸室的连接形式是把板桩顶嵌入底板面特留的的凹槽内，桩顶填塞可塑性较大的不透水材料

4.其它防渗设施

侧向防渗主要靠上游翼墙和边墩，则上游翼墙为曲线形式，从边墩开始向上游延伸至铺盖头部，以半径为7.0米的圆弧插入岸坡。闸底板的上、下游端均设置齿墙，用来增强闸室的抗滑稳定，并延长渗径，齿墙深1m。

综上所述

闸基防渗的计算必须的防渗长度满足:

L=C·△H

△H为上下游最大水位差，则△H=3.9m,C为允许渗径系数值，由于为砂性土则取C=9.0。得最小允许防渗长度L=C·△H=3.9×9.0=35.1m。则地下轮廓布置见下图。

实际闸基防渗长度L:

L=0.5+0.5+0.7+11+0.7+0.5+3+1+1.4+10+1.4+1+1.5=36.0m

则L=36.0m＞L=35.1m闸基防渗长度满足要求

第二节防渗和排水设计及渗透压力计算

采用改进阻力系数法进行渗流计算

为了便于计算，将复杂的地下轮廓进行简化。由于铺盖头部及底板上下游两端的齿墙均较浅，可以将它们简化成短板的形式如下图：

1.确定地基的有效深度

根据钻探资料，闸基透水层深度很大。故在渗流计算中必须取一有效深度代替实际深度。由地下轮廓线简化图知：地下轮廓

=12+14=26m;地下轮廓的垂直投影长度的水平投影长度L

S=195.00-190.00=5m。L

/S=26/5=5.2＞5时,故地基的有效深度

T=0.5 L0=13m。而地基的实际计算深度T=195.0-183.32=11.68m, e

则T＜

T，故地基的实际计算深度e T=T=11.68m。

e

2．渗流区域的分段和阻力系数的计算

过地下轮廓的角点、尖点，将渗流区域分成八个典型段。如上图，1、8段为进出口段，2、4、5、7则为内部垂直段，3、6、二段为内部水平段。

（1）设计洪水位情况

各流段阻力系数为

△H=198.36-195.00=3.36m。根据水流的连续条件，经过各流段的单宽渗流流量均应相等。

①各流段的水头损失的计算i i

H

h ξξ

?=

,则得

1h =0.433m 2h =0.041m

3h =0.688m

4h =0.414m

5h =0.343m 6h =0.890

7h =0.082m

8h =0.468m

②进出口段进行必要的修正：进出口修正系数为

'T =11.18m T =11.68m 'S =1m

则得： =0.68＜[]=1.0 故需要修正 进水口段水头损失的修正为：

'1h =×h 1=0.68×0.433=0.294m

进口段水头损失的修正量为：

Δh=1h －'1h =0.434-0.294=0.140m

修正量应转移给相邻各段

2h +3h =0.73>0.140

所以 '2h =0.041?2=0.082m

'3h =0.688+（0.139-0.041）=0.786m.

同样对出口段修正如下

'T =10.68m T =11.68m 'S =2m

则得： =0.849＜[]=1.0 故亦需要修正 出口段的水头损失修正为

'8h = ×h 8=0.397m

进口段水头损失的修正量为：

h ?=8h -'8h =0.467-0.397=0.070m

将该修正量转移给相邻各段，则

'7h =0.085+0.070=0.155

③计算各角点的修正后的渗压水头：由上游进口段开始，逐

次向下游从作用水头值△H中相继减去各分段的水头损失值，即可求得各角隅点的渗压水头值：

H=3.36m

1

H=1H-'1h=3.066m

2

H=2H-'2h=2.984m

3

H=3H-'3h=2.198m

4

H=4H-4h=1.784m

5

H=5H-5h=1.441m

6

H=6H-6h=0.551m

7

H=7H-'7h=0.396m

8

H=8H-'8h=0

9

④作出渗透压力分布图：根据以上算得渗压水头值，并认为沿水平段水头损失呈线形变化，则作出设计洪水位是渗透压力分布图

设计洪水位时渗透压力分布图

单位宽度底板所受渗透压力：

P=0.5×(6H+7H)×14×1=0.5×（1.441+0.551）

1

×14×1

=136.91kN

单位宽铺盖所受的渗透压力：

P=0.5×(3H+4H)×12×1=0.5×（2.984+2.198）

2

×12×1

=304.49kN

2．校核洪水位情况

各流段阻力系数为

△H=198.90-195.00=3.90m 。根据水流的连续条件，经过各流段的单宽渗流流量均应相等.

①各流段的水头损失的计算i i

H

h ξξ

?=

,则得

1h =0.502m 2h =0.047m 3h =0.799m

4h =0.480m