水闸课程设计全解

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)水位流量资料运用情况上游水位（米）下游流量（m3/s）正常蓄水198.000设计洪水198.3661.40校核洪水198.9079.70下游水位流量关系见表H下(m)195.00196.00197.00197.50198.00198.15198.50198.65Q(m3/S)0.008.6327.9641.0755.4061.4073.9879.70(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层序高程（M）土质摡况I195.00-191.8细砂II191.8—183.32组砂III183.32粘土闸址附近缺乏粘性土料，但有足够数量的混凝土骨料和砂料。闸基细砂及墙后回填砂料土工试验资料如下表；天然容重饱和容重内摩擦角凝聚力不均匀系数相对密实度细砂18.6420.61220120.46砂土料18.2020.21320150.62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195.00m。（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=3.36m②、下游水深sh=198.15-195.00=3.15m③、下泄流量Q=61.403/ms则上游行近流速：V0=Q/A根据和断面尺寸：A=﹙b＋mH﹚H=﹙18+1.5×3.36﹚×3.36＝77.4m2其中b为河道宽：b=18mm为边坡比：m=1:1.5V0=Q/A=61.40/77.41=0.793m/sH0=H﹢αv2/2（取α＝1.0﹚=3.36﹢0.7932/﹙2×9.81﹚＝3.39m则0shH=3.15/3.39=0.9290.8故属于淹没出流。(2)校核情况：①、上游水H=198.9-195=3.9m②、下游水深sh=198.65-195=3.65m③、下泄流量Q=79.703/ms则上游行近流速：V0=Q/A根据和断面尺寸：A=﹙b＋mH﹚H=﹙18+1.5×3.9﹚×3.9＝93.02m2其中b为河道宽：b=18mm为边坡比：m=1:1.5V0=Q/A=79.7/93.02=0.86m/sH0=H﹢αv2/2g﹙取α＝1.0﹚=3.9﹢0.862/﹙2×9.81﹚=3.94m则0shH=3.65/3.94=0.930.8,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：0根据0shH，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=0.90gv220HH1sh在设计情况下：由公式0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sh流量Q行进流速行进水头0H淹没系数б流量系数m侧收缩系数ε0B设计情况下3.363.1561.400.7933.390.740.3850.908.66校核情况下3.903.6579.700.863.940.740.3850.909.02.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01B02B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的第二次近似值，按0Hhs=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=0.86，再次试算后仍得=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：03/20.860.740.38529.819.6Q实=64.283/ms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启高度e垂直收缩系数泄流量Q单宽流量q收缩水深ch跃后水深''hc下游水深sh流态1hc''1hc池深d消力池长度sjL水跃长jL0.170.6128.190.650.100.881.00远离式水跃0.071.130.57.57.32.420.66698.567.823.800.673.15淹没式水跃╲╲╲╲╲3.910.97347.613.783.620.853.65淹没式水跃╲╲╲╲╲其中按以下公式计算垂直收缩系数与闸孔相对开度H/e有关，查《水力学》表9-8可得。泄流量：Q=2gHeB0流量系数：He1消力池深度:dZhsc'''0h收缩水深：ech消能计算公式：0001hTTTc222qg25.02132''1812hbbghqhccc出池落差:2''2'2222qcsghqhgZ消力池长：sjL=jLLS其中消力池与闸底板以1:4的斜坡段连接水跃长度：cchhL''j9.6'hs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0=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/ms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''2'2222qcsghqhgZ=222220.710.7129.811129.810.91=-0.006m其中Z为出池落差、'hs为出池河床水深、为水流动能校正系数取1.0。则dZhsc'''0h=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/ms作为确定消力池长度计算的依据。略去行进流速v0，则：d0HT=3.9+0.5=4.4m根据公式其中：222qg=02.081.9268..02则：0001hTTTc=4.402.04.02.04.402.0=0.07m25.02132''1812hbbghqhccc=230.0780.681129.810.07=1.13m水跃长度：cchhL''j9.6=6.9(1.13-0.07)=7.3m消力池与闸底板以1:4的斜坡段连接，sL=dp=0.5×4=2m，则消力池长度：sjL=jLLS=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Hqk1t抗浮12MPWUkt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:Hqk1t消力池底板厚度计算表流量(3m/s)上游水深(m)下游水深'sh(m)q（3m/s·m）H(m)t(m)8.633.901.000.682.900.1927.963.902.002.221.900.3141.073.902.503.261.400.3555.403.903.004.400.900.3761.403.903.154.870.750.3773.983.903.505.870.400.3579.703.903.656.320.250.32计算取最大值t=0.370.5，故取消力池池底厚度取t=0.5m。（2）消力池构造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