水闸孔口尺寸设计步骤
讲座-6-2 闸址的选择和闸孔尺寸学习文档
闸址的选择
• 闸址的选择的原则： • （1）尽可能选择壤土、中砂、粗砂和砂砾石
作为水闸的地基，避开淤泥、粉砂和细砂地基， 必要时应采取相应的处理措施。 • （2）拦河闸闸址应尽量选在河流的顺直段； 从河道中取水的进水闸的轴线方向与主河道的 夹角应在300以内。
闸孔尺寸设计
• 低实用堰：
• 低实用堰有梯形、曲线形和驼峰形，设计、施 工复杂。
• 自由泄流范围小，泄流受尾水位变化的影响 大。
• 自由泄流时，流量系数较大，反之，流量系 数小，过流不稳定。
• 可挡砂。
（3）底板高程
• 底板高程低，闸室宽度可减小，施工排水困难、 开挖量大，两岸连接建筑物高度增加，对小型 工程造价是不经济的。
（4）闸墩及边墩的形式
（5）闸室单孔宽度和闸室总宽
• 闸室的单孔宽度一般为b=5～12m。 • 闸室的孔数n：宜采用单数，有利于对称开启
闸门。 • 闸室总宽：L=nb+(n-1)d ，d为闸墩的厚度。
（1）设计上下游水位及流量
• 无坝取水的引水闸 • 设计上游水位：在灌溉临界期外河平均水位的
系列中选择相应与灌溉保证率的水位。 • 设计流量：在历年灌溉临界期最大取水流量系
列中选择相应与灌溉保证率的流量。
• 有坝取水的引水闸
• 设计上游水位：即为闸后渠道的设计水位加过 闸的水头。
• 节制闸（拦河闸）
• 闸孔尺寸的设计包括：闸室、堰型等形式的选 择，闸底板高程、孔口总净宽、单孔尺寸和孔 数等参数的确定。
• 闸孔尺寸确定的步骤： • 选择水闸的类型→ • 选择闸底板堰型及高程（m）→ • 确定设计上下游水位及流量→ • 计算水闸闸室的总净宽（ • 选择闸孔的孔数及单孔尺寸→ • 校核过水流量。
水闸设计
流量 Q（m3 / s) 下游水深H 上游水深 hs 1490 1650 1806 1.76 2.07 2.38 3.25 3.47 3.67
单宽流量 12.41 13.75 15.05
qs
上、下游 海漫长度L p 水位差 H ' 1.49 1.4 1.29 46.7 48.4 49.6
则为淹没出流，列表计算
表 2 流态判别
流量Q（m3/s） 下游水深hs(m)
H 0 (m)
Hs 0.8H 0
流态
设计流量2010
校核流量2265
2.76
3.21
4.11
4.43
否
否
非淹没出流
非淹没出流
（3）、闸孔总净宽计算 计算结果列入下表 表 3 闸孔总净宽计算
流量Q （m3/s） 下游水深 hs(m) 总净宽
1.05 消力池出口流速系数： ' 0.95 水跃淹没系数：
消力池长度：L 4m 0
P 1 0.25H 0 H 0
" Lj 6.9 hc hc
L L0 L j
其中：
m 0.385 ， H0 1.61m ，由于本水闸为无坎宽顶堰，P1 d 。
冲刷变形;具有一定的透水性，以便使渗水自由流出，降低扬压力；表面具有一 定的粗糙度，以利进一步消除余能。 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45米做成坡度为1：15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0.5米，下面铺设 15cm的砂垫层。如下图所示
由于
L0 / S0 5时：Te 0.5L0
水闸的孔口设计
闸孔形式
n实用堰：0.67H＜堰顶厚度δ＜2.5H，常用于上 游水位允许较大雍高的山区，自由泄流时流量系 数较大，但流量受下游水位影响较大。
n胸墙式：用于上游水位变幅较大时；可减小闸门 及工作桥高度，增加闸室刚度；不利于排冰排污 和通航。
堰顶高程
二、堰顶高程
考虑河（渠）底高程、水流、泥沙、闸址地形、 地质、闸的施工及运行等条件，结合选用的堰型、门 型及闸孔总净宽等，经比较确定。
u 试确定孔数和单孔净宽。
设计条件
四、水闸闸孔设计条件
孔口设计时，首先要分析水闸在进流期间可能 出现的最不利情况，并以此作为设计条件，该设计 条件因水闸类型不同而异。
Ø 设计流量Q Ø 闸上设计水位， (△H=0.1~0.3m) Ø 闸下设计水位
水闸的孔口设计
§6-2 水闸的孔口设计
闸孔设计的任务： 根据已知的设计条件，确定闸孔的形式、孔
口尺寸、堰顶高程。
主要内容：
Ø 闸孔形式及其使用场合 Ø 堰顶高程的确定 Ø 闸孔总宽度及孔数的确定方法 Ø 闸孔设计条件的确定
闸孔形式
一、闸孔形式
u 宽顶堰孔口、低堰孔口、胸墙孔口
n宽顶堰：自由泄流范围大而且稳定；施工简单； 流量系数m较小；易产生波状水跃。
闸孔总宽度及孔数
开敞式水闸的过水能力（孔径）计算一般 有三种情况：
u已知设计流量，确定闸孔净宽及孔数； u已知闸孔净宽及孔数，计算过水流量； u已知设计流量及孔径，确定闸上游水深。
闸孔总宽度及孔数
作业一：（水闸孔口设计） √
u 已知： 平底开敞式节制闸，堰顶高程与河床底
同高，规划设计流量为128m3/s，相应的闸上 游水深3.5m，闸下游水深3.3m；上游河道底 宽30m，两岸边坡均为1:2.5。
水闸设计方案
目录第No table of contents entries found.水闸设计第一、水力设计一、闸孔设计1、闸室结构型式：开敞式水闸2、孔口尺寸的肯定 （1）拟定闸孔尺寸 1）设计洪水情形：上游水深：m H 93.330.2223.26=-= 下游水深：m h s 76.230.2206.25=-= 过水断面面积：21.106193.3270m H b =⨯=⋅=ω 上游行近流速：s m Qv /89.11.106120100===ω有效水头：m g v H H 11.48.9289.193.322200=⨯+=+=α（其中0.1取α） 8.067.011.476.20<==H h s ，属于自由出流。
宽顶堰自由出流公式：2302H g Bm Q ε=，对于无坎宽顶堰385.0=m ，假设95.0=ε 即m Hg m QB 00.14911.48.92385.095.0201022323001=⨯⨯⨯⨯==ε2）校核洪水情形上游水深：m H 23.430.2253.26=-= 下游水深：m h s 21.330.2251.25=-=过水断面面积：21.114223.4270m H b =⨯=⋅=ω 上游行近流速：s m Qv /98.11.114222650===ω有效水头：m g v H H 33.48.9298.123.422200=⨯+=+=α（其中0.1取α）8.074.033.421.30<==H h s ，属于自由出流。
宽顶堰自由出流公式：2302H g Bm Q ε=，对于无坎宽顶堰385.0=m ，假设95.0=ε 即m Hg m QB 24.15533.48.92385.095.0226422323002=⨯⨯⨯⨯==ε比较1），2）的结果，0201B B <，可见引水浇灌是肯定孔口尺寸的控制尺寸，故闸孔净宽0B 宜采用较大值。
拟将闸孔分为11孔，取每孔净宽为，则闸孔实际总净宽m B 21.15511.14110=⨯=，为了减小闸孔总净宽，节省工程量，闸底板谊采用整体式平底板。
水闸设计步骤
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H ——上下游最大水位差。
（三）初步拟定闸室沿水流方向的长度
L (2.5 ~ 4.5)H
式中：
L ——闸室沿水流方向的长度； H ——上下游水位差。
则初拟闸底板长度 m；闸底板厚度取闸孔净宽的 1/6~1/8 可初拟底板厚度为 m，底板上 下游的齿墙宽度为 m，齿墙深度均为 m，上游齿墙的作用是降低闸底板上的渗透压力，下游 的齿墙是减小出逸坡降，有助于防止地基产生渗透变形。 （四）验算防渗长度 （五）地下轮廓线布置
五、计算消力池底板的厚度 消力池底板厚度 按《水闸设计规范》（B.1.3-1）计算
式中：
t k1 q H '
t ——消力池底板始端厚度；
H ' ——闸孔泄流时的上下水位差；
k1 ——消力池底板计算系数； q ——过闸单宽流量。
考虑到消力池底板的抗浮要求，现取消力池底板厚度为 m。 六、确定消力池的构造 七、计算海漫长度
按迭代法计算 hc''
设 hc0 1.0m
式中：
hcn1
q 2 / 2g 2 T0 hcn
a T0 hcn
T0 H 0 d V02 / 2g
Fr2 q 2 ghc3
跃后水深：
0.25
hc"
hc 2
1 8Fr2
1
b1 b2
或根据 Fr2 值查表得共轭水深比1 ，则 hc" ＝1hc ；若 hc// ＞hs 则需设消力池。
采用改进阻力系数法来进行渗流计算。 （一）地基有效深度的确定
当
L0 S0
≥5 时，可按《水闸设计规范》公式（C.2.1-1）计算，有效深度：Te
小型水闸—设计小型水闸闸孔
底板高程选择的一般原则
水闸类型
主要功能
底板高程
进水闸、分洪闸
引水或泄洪 ，防大量推移 质沙进入渠道或分洪区
∇底板 ∇闸前河床
拦河闸、冲沙闸
以利泄洪、排沙
∇底板 ∇闸前河床
排水闸、挡潮闸
低洼处排水 、排涝
∇底板 ∇闸前河床
03
小结
知识点小结：
1、水闸闸底板高程的确定需要综合考虑闸址条件、水闸的类型 与作用、过闸流量大小、水闸规模及工程投资等来确定。 2、对于不同规模的水闸，闸底板高程直接影响闸孔尺寸及工程 投资，因此闸底板高程的确定也需几种方案论证比较。
03
小结
知识点小结： 闸孔宽度设计步骤： 1.闸孔总净宽度； 2.单孔净宽和孔数； 3.考虑闸墩总厚度，拟定闸室总宽度； 4.过流能力校核，闸孔尺寸调整。
孔流式闸孔在上游水位较低时也会出现堰流状态。
孔流与堰流判断条件：
e 0.65为孔流 H
e 0.65为堰流 H
e为闸门开启高度，H为堰上水头
02
闸孔的特点
堰流式闸孔 堰流式闸孔依靠闸门挡水，闸门全开时，过闸水流具有自由水面。 适用条件：平原地区，开敞式水闸用的多 优 点：水闸的过水面积和泄流量都随着水位的抬高而增大，
宽顶堰 低实用堰 其他类型
梯形堰 驼峰堰 WES低堰
低实用堰
梯形堰
驼峰堰
WES低堰
宽顶堰型（采用较多）
优点：结构简单，施工方便， 泄流稳定，利于泄洪排沙，平原 区采用较多。 缺点：流量系数较小，易产生波 状水跃。出闸水跃无强烈旋滚， 水面呈波状 ，主流在底部。
草街航电枢纽减小闸门高度 •消除波状水跃
闸孔宽度设计
目 录
1 闸孔总净宽 2 闸室总宽度 3 小结
水闸孔口尺寸设计步骤
例：5.1 确定建筑物级别及洪水标准基本资料：本工程位于河南省某县城郊处，它是某河流梯级开发中最末一级工程。
该河属稳定性河流，河面宽约200m ，深约7~10m 。
由于河床下切较深又无适当控制工程，雨季地表径流自由流走，而雨过天晴经常干旱，加之打井提水灌溉，使地下水位愈来愈低，严重影响两岸的农业灌溉和人畜用水。
为解决当地40万亩农田的灌溉问题，坝址已经上级批准的规划确定，修建挡水枢纽工程。
拦河闸所担负的任务是：正常情况下拦河截水，抬高水位，以利灌溉，洪水时开闸泄水，以保安全。
闸址处系平原型河段、两岸地势平坦，闸址两岸高程均在41m 左右，河床坡降平缓，纵坡约为1/10000，河床平均标高约30.00m ，主河槽宽度约80-100m ，河滩宽平，呈复式河床横断面，河流比较顺直。
最大风速V=20m/s ，吹程0.6Km 。
非汛期（1～6月及10～12月）9个月份月平均最大流量9.1m3/s 。
汛期（7～9）三个月，月平均最大流量为149m3/s ，年平均最大流量 m3/s ，最大年径流总量为8.25亿m3。
灌溉用水季节，拦河闸正常挡水位为38.50m 。
例5-2拟定孔口尺寸项目重现年洪水流量（m 3/s ）上游水深H （m ） 下游水深hs （m ）设计洪水 20 1133 7.58 7.43校核洪水 50 1642.35 9.08 8.90堰流流量系数，m 取0.385例5-2 计算步骤1、计算堰上水头H0由于已知上、下游水位，可推算上游水头及下游水深，如表1所示：表1 上游水头计算流量Q（m3/s）下游水深hs（m）上游水深H（m）过水断面积（m2）行近流速（m3/s）gv22上游水头H0（m）设计流量11337.43 7.58校核流量1642.358.90 9.08注：考虑壅高15~20cm。
2、计算闸孔总净宽表2 闸孔总净宽计算表流量Q（m3/s）下游水深hs（m）上游水头H0（m）Hhs淹没系数σ0B（m）设计流量11337.43 7.70校核流量1642.358.90 9.243、孔口尺寸拟定根据《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= m，同时为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用孔，闸孔总宽度为：L＝nb0+(n－1)d=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m，边墩厚m。
水闸设计
△H′ 1.92 1.75 1.63 1.50 1.40 1.29 1.17 1.10 1.02 1.01 0.93
Lp 36.65 38.55 40.37 41.86 43.29 44.38 45.69 46.32 46.86 48.00 47.63
二、消能防冲设计
主要内容：1.消力池、2.海幔、3.防冲槽 3.防冲槽 设在海漫末端，采用宽浅式梯形断面防冲，槽深为2，底宽为5m， 上游坡率为3，下游坡率为3。
三、防渗排水设计
2.排水设计 ①水平排水：反滤层由碎石，中砂，细砂组成，其中上部为25cm厚的碎 石，中部为10cm厚的中砂，下部为10cm厚的细砂。
②铅直排水：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：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。
闸墩坝顶高程取▽1、▽2中较大者，取28.00m。
闸墩上设两道门槽（检修门槽、工作门门槽）。检修门槽在上游，槽深0.3m，宽0.2m。工作门门槽深0.3m，宽0.6m。 下游不设检修门。闸墩上、下游头部均为半圆形，R=0.5m。
四、闸室设计──闸室布置
四、闸室设计──闸室布置
4.检修便桥：检修桥的作用为放置检修闸门，
上游水深 2.55 2.79 3.03 3.25 3.47 3.67 3.93 4.07 4.23 4.26 4.45
下游水深 0.63 1.04 1.40 1.75 2.07 2.38 2.76 2.97 3.21 3.25 3.52
q 6.73 7.80 8.87 9.93 11.00 12.04 13.40 14.20 15.10 15.27 16.33