水利工程水闸课程设计

目录

一、基本资料 (1)

（一）工程概况 (1)

（二）地质资料 (1)

(三)建筑材料 (2)

（四）水文气象 (2)

（五）批准的规划成果 (2)

二、闸孔设计 (3)

（一）拟定闸孔尺寸及闸墩厚度 (3)

（二）校核泄洪能力 (4)

三、消能设计 (5)

（一）消能防冲设计的控制情况 (5)

（二）消力池尺寸及构造 (7)

1、消力池深度计算 (7)

2、消力池池长 (7)

四、防冲槽设计 (10)

五、上下游岸坡防护 (11)

（一）闸底地下轮廓线的布置 (11)

（二）排水设备的细部构造 (12)

（三）防渗计算 (15)

一、基本资料

（一）工程概况

某拦河闸位于京广铁路上游和颍河口下游之间，流域面积

2234km2，流域内耕地面积288万亩。

农作物以种植小麦、棉花等经济作物为主，河流平均纵坡1/6200。

本工程属三级建筑物。

本工程投入使用后，在正常高水位时，可蓄水2230万m3。上游5个县25个乡已建成提灌站42处，有效灌溉面积25万亩。闸上游开南、北两干渠，配支干 23条，修建各种建筑物1230座，可自流灌溉下游三县21万农田，效益巨大，是解决某河流域农田的灌溉动脉，同时，也是解决地区浅层地下贫水区的重要水源。

（二）地质资料

1.根据地质钻探资料，闸址附近地层中粉质壤土，厚度约25m，其下为不透水层，其物理力学性质如下：

土壤湿重度γ湿=20.2kN/m3

土壤干重度γ干=16.0kN／m3

土壤饱和重度γ饱=22.2kN／m3

土壤浮重度γ浮=12.2 kN／m3

土壤自然含水量时，内摩擦角φ=23°

土壤饱和含水量时，内摩擦角φ=20°

土壤的黏聚力C=0.1kN／m2

地基允许承载力[p]=150kPa

混凝土、砌石与土基摩擦系数f=0.36

地基应力的不均匀系数[η]=1.5～2.0

渗透系数K=9.29×10-3cm／s

2.本地区地震烈度为60以下

(三)建筑材料

1.石料。本工程位于平原地区、山丘少，石料需从外地供给，距京广线很近，交通条件较好。

2.黏土经调查本地区附近有较丰富的粘土材料。

3.闸址处有足够多的砂料。

（四）水文气象

1.气温。本地区年最高气温42度，最低气温为-18度。

2.风速。最大风速V=20m/s，吹程D=0.6km。

3.降雨量。非汛期(1～6月及10～12月)9个月最大流量为

130m3/s,年平均最大流量36.1 m3/s，最大年径流总量为9.25亿m3。年平均最小流量15.6 m3/s，最小年径流总量为0.42亿m3。

4.冰冻。颖河流域冰冻时间短，冻土很薄，不影响施工。

5.上、下游河道断面。其边坡1：1.5。

（五）批准的规划成果

1.灌溉用水季节，拦河闸的正常挡水位为58.72m，下游无水。

2.洪水标准。

（1）设计洪水位50年一遇，相应的洪峰流量1144.45m3／s，闸上游的洪水位为59.5m，相应的下游水位59.35m。

（2）校核洪水位200年一遇，相应洪峰流量1642.35 m3／s，闸上游的洪水位6l.00m，闸下游水位60.82m。

二、闸孔设计

本工程主要任务是正常情况下拦河截水，以利灌溉，而当洪水来临时，开闸泄水，以保防洪安全。由于是建于平原河道上的拦河闸，应具有较大的超泄能力，并利于排除漂浮物，因此采用不设胸墙的开敞式水闸。

（一）拟定闸孔尺寸及闸墩厚度

由于已知上、下游水位，根据断面面积公式h mh)(b A ?+=（b 为河床底宽，m 为边坡系数，h 为水深），可通过计算断面面积。 表2-1 上游水头计算

闸门全开泄洪时，为平底宽顶堰堰流，根据公式08.0H h s ≥判别是否为淹没出流。

表2-2 淹没出流判别表

按照闸门总净宽计算公式

230

02H

g m Q

B σε=

根据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算如下表。其中ε为堰流侧收缩系数，取0.97；m 为堰流流量系数，取0.385。 表2-3 闸孔总净宽计算表

根据《闸门设计规范》中闸孔尺寸和水头系列标准，选定单孔净宽b=8m ，同时为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用7孔，闸孔总宽度为：

4.66)1(0=-+=d n nb L

由于闸基为软基河床，选用整体式底板，缝设在闸墩上，中墩厚1.2m ，缝墩厚1.6m ，边墩厚1.2m 。 （二）校核泄洪能力

根据孔口与闸墩的尺寸可计算侧收缩系数，查《水闸设计规范》，结果如下：

中孔

87.02

.188

=+=

s

b b 得89.0=中ε 缝墩孔

833.06

.188

=+=

s

b b 得97.0=缝ε

边孔

87.02

.188

b 0

=+=

s

b 得996.0=边ε 所以97.0n n n n 2

121=++=

边

中εεε与假定接近，根据选定的孔口尺寸与上下游

水位，进一步换算流量: 利用公式：23

02H g mB Q S εσ=

表2-4 过流能力校核计算表

设计情况超过了规定5%的要求，说明孔口尺寸有些偏大，但根据校核情况满足要求，所以不再进行孔口尺寸的调整。

三、消能设计

（一）消能防冲设计的控制情况

由于本水闸位于平原地区，河床的抗冲刷能力较低，所以采用底流式消能。

设计水位或校核水位时闸门全开泄洪水，为淹没出流无需消能。闸前为正常高水位58.72m ，部分闸门局部开启，只宣泄较小流量时，下流水位不高，闸下射流速度较大，才会出现严重的冲刷河床现象，需设置相应的消能设施。为了保证无论何种开启高度的情况下均能发生淹没式水跃消能，所以采用闸前水深H=8.72m ，闸门局部开启情况，作为消能防冲设计的控制情况。

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，本次设计按1、3孔对称方式开启，分别对不同开启孔数和开启度进行组合计算，找出消力池池深和池长的控制条件。 1.计算下游河床水位s h 与下游流量关系；

由公式Ri AC Q =；61

1R n C =;χ

A R =，（n 取值0.027）得到

3

2

2

1

3

51χi A n Q ?=

表3-1 水位流量关系表

2.通过内差法得出各流量情况下的下游水位。

z h h d s c ?--='0"σ

25

.0213

21812

"?

??

?????????????-+=b b gh aq h h c c

c 022

2

203=+-?

g aq h T h c

c

2

"2

2'2222c

s gh aq h g aq z -=??

表3-2 消力池池深池长估算表

（二）消力池尺寸及构造 1、消力池深度计算

根据所选择的控制条件，估算池深为1.43m ，用公式计算挖池后的收缩水深hc 和相应的出池落差ΔZ 及跃后水深hc ″，验算水跃淹没系数符合在1.05～1.10之间的要求。根据公式验算

验算：056.14.431

.006.347.10=++=''?++=

c s h Z h

d σ 2、消力池池长

根据池深为1.28m ，用公式计算出相应的消力池长度为24ｍ。

L L L

j s sj

β+=

(

)

h h L c j c -=,

,9.6

25=L

SJ

3、消力池的构造

采用挖深式消力池。为了便于施工，消力池的底板做成等厚，为了降低底板下部的渗透压力，在水平底板的后半部设置排水孔，孔下铺设反滤层，排水孔孔径为10cm ，间距为2m ，呈梅花形布置。 根据抗冲要求，按下式计算消力池底板厚度。

其中 1k 为消力池底板计算系数，取0.18； q 为确定池深时的过闸单宽流量； H '?为相应于单宽流量的上、下游水位差。

85.016.372.821.1118.0=-=t ，取消力池底板的厚度t=1.0m 。

消力池构造尺寸见下图：

（三）海漫设计 1、海漫长度计算 用公式计算海漫长度。

其中s k 为海漫长度计算系数，根据闸基土质为中粉质壤土则选12 ,上游水深为6.77m ，下游水深可由Q 与Hs 关系图用差值法得出，也可在excel 里面通过试算得出，单宽流量qs=Q/L,L=71m ，△H=H-hs'，通过计算将结果列入表3-3。取计算表中的大值，确定海漫长度为

P s L k =其中s k 为海漫长度计算系数，根据闸基土质为中粉质壤土则选12 ,上游水深为8.72m ，下游水深可由Q 与Hs 关系图用差值法得出，也可在excel 里面通过试算得出，单宽流量s Q q L =,L=71m ，△H=H-hs'，通过计算将结果列入表4-1。取计算表中的大值，确定海漫长度为48m 。

表3-3 海漫长度计算表

2、海漫构造

因为对海漫的要求为有一定的粗糙度以便进一步消除余能，有一定的透水性，有一定的柔性。所以选择在海漫的起始段为10米长的浆砌石水平段，因为浆砌石的抗冲性能较好，其顶面高程与护坦齐平。后32米做成坡度为1：16的干砌石段，以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。海漫厚度为0.6米，下面铺设15cm 的砂

四、防冲槽设计

海漫末端河床冲刷坑深度按公式计算，m m

m h v q d -?=]

[1.10 其中河床土质的不冲流速可按下式计算。按不同情况计算如表5-1所示。

(

)

111

~45

5000[]v v R

v R ==

式中 0[]v —河床土质的不冲流速，m/s ；

v —查《水力学》可知此处取0.8m/s ；

R —水力半径；

s h '

'—海漫末端河床水深，m 。

表5-1 冲刷坑深度计算表

深度的2~3倍。所以确定防冲槽的深度为1.5m 。采用宽浅式，底宽取3m ，上游坡率为2，下游坡率为3，出槽后作成坡率为5的斜坡与下游河床相连。如下图所示。

图2海漫防冲槽构造图

五、上下游岸坡防护

为了保护上、下游翼墙以外的河道两岸岸坡不受水流的冲刷，需要进行护坡。采用浆砌石护坡，厚0.4米，下设0.1米的砂垫层。保护范围上游自铺盖向上延伸2～3倍的水头，下游自防冲槽向下延伸4～6倍的水头。

（一）闸底地下轮廓线的布置

1.防渗设计的目的

防止闸基渗透变形；减小闸基渗透压力；减少水量损失；合理选用地下轮廓尺寸。

2.布置原则

防渗设计一般采用防渗和排水相结合的原则，即在高水位侧采用铺盖、板桩、齿墙等防渗设施，用以延长渗径减小渗透坡降和闸底板下的渗透压力；在低水位侧设置排水设施，如面层排水、排水孔排水或减压井与下游连通，使地下渗水尽快排出，以减小渗透压力，并防止在渗流出口附近发生渗透变形。

3.地下轮廓线布置

（1)闸基防渗长度的确定

根据公式计算闸基理论防渗长度：

L

?H

≥C

其中C为渗径系数，因为地基土质为中粉质壤土，查表取7，H 为上下游最大水头差，为8.72m。

L=7×8.72=61.04m

（2)防渗设备

由于闸基土质以粘性土为主，防渗设备采用粘土铺盖，闸底板上、下游侧设置齿墙，为了避免破坏天然的粘土结构，不宜设置板桩。

（3)防渗设备尺寸和构造。

1）、闸底板顺水流方向长度根据公式计算：

L底=AH

根据闸基土质为中粉质壤土A取2.0，代入数据得

L底=A×H=2×8.72=17.44m。

底板长度综合考虑上部结构布置及地基承载力等要求，确定为18m。

2）、闸底板厚度为t=9×1/5=1.8m，实际取为1.5m。

3）、齿墙具体尺寸见下图。

图6-1 闸底板尺寸图（单位：cm）

（4)铺盖长度根据3--5倍的上、下游水位差，确定为40m。铺盖厚度确定为：便于施工上游端取为0.6m，末端为1.5m以便和闸底板联接。为了防止水流冲刷及施工时破坏粘土铺盖，在其上设置30cm 厚的浆砌块石保护层，10cm厚的砂垫层。

4.校核地下轮廓线的长度

根据以上设计数据，实际的地下轮廓线布置长度应大于理论的地下轮廓线长度，通过校核，满足要求。

铺盖长度+闸底板长度+齿墙长度=40+18+6.8=68.8m＞61.07m （二）排水设备的细部构造

1.排水设备的作用

采用排水设备，可降低渗透水压力，排除渗水，避免渗透变形，增加下游的稳定性。排水的位置直接影响渗透压力的大小和分布，应根据闸基土质情况和水闸的工作条件，做到既减少渗压又避免渗透变形。

2.排水设备的设计

1）、水平排水水平排水为加厚反滤层中的大颗粒层，形成平铺式。反滤层一般是由2~3层不同粒径的砂和砂砾石组成的。层次排列应尽量与渗流的方向垂直，各层次的粒径则按渗流方向逐层增大。

反滤层的材料应该是能抗风化的砂石料，并满足：被保护土壤的颗粒不得穿过反滤层；各层的颗粒不得发生移动；相邻两层间，较小一层的颗粒不得穿过较粗一层的空隙；反滤层不能被阻塞，应具有足够的透水性，以保证排水通畅；同时还应保证耐久、稳定，其工作性能和效果应不随时间的推移和环境的改变而变差。

本次设计中的反滤层由碎石，中砂和细砂组成，其中上部为20cm 厚的碎石，中间为10cm厚的中砂，下部为10cm厚的细砂(见下图)。

图2 反滤层构造图(单位：cm)

2）、铅直排水设计本工程在护坦的中后部设排水孔，孔距为2m，孔径为10cm，呈梅花形布置，孔下设反滤层。

3）、侧向排水设计侧向防渗排水布置(包括刺墙、板桩、排水井等)应根据上、下游水位，墙体材料和墙后土质以及地下水位变化等情况综合考虑，并应与闸基的防渗排水布置相适应，在空间上形成防渗整体。

在消力池两岸翼墙设2~3层排水孔，呈梅花形布置，孔后设反滤层，排出墙后的侧向绕渗水流。

3.止水设计

凡具有防渗要求的缝，都应设止水设备。止水分铅直和水平止水两种。前者设在闸墩中间，边墩与翼墙间以及上游翼墙铅直缝中；后者设在粘土铺盖保护层上的温度沉陷缝、消力池与底板温度沉陷缝、翼墙、消力池本身的温度沉降缝内。在粘土铺盖与闸底板沉陷缝中设置沥青麻袋止水。其构造详图见下图。

止水详图（单位cm ）

（三）防渗计算

1.渗流计算的目的：计算闸底板各点渗透压力；验算地基土在初步拟定的地下轮廓线下的渗透稳定性。

2.计算方法有直线比例法、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，采用此种方法进行渗流计算。

3.直线比例法计算渗流

将地下轮廓线予以展开，按比例绘一直线，在渗流开始点1作一长度为H ?的垂线，并由垂线顶点用直线和渗流溢出点8相连，即得地下轮廓展开成直线后的渗透压力分布图。任一点的渗透压力x h 由下面公式

x L

H

h x ?=

绘制闸底板的渗透压力分布图，

图1渗透压力分布图