进水闸设计

11工程概况1.1基本资料本闸位于某中型灌区干渠渠首，为渠首取水水工建筑物。1.2建筑物级别根据水闸设计过水流量和水闸设计规范（SL-265-2001）的平原区水闸枢纽工程分等指标知本工程规模属于小（1）型，水闸级别为IV级，其建筑物级别为1级。1.3孔口设计水位孔口设计水位组合见表1-1表1-1闸孔设计时水位及流量组合外河水位(m)干渠水位(m)引水流量(m3/s)6.005.60601.4消能防冲设计水位消能防冲设计水位组合见表1-2表1-2消能防冲设计水位组合表外河水位(m)干渠水位(m)引水流量(m3/s)7.04.0601.5闸室稳定计算闸室稳定计算水位组合见表1-3表1-3闸室稳定计算水位组合表工况外河水位(m)干渠水位(m)设计情况8.153.00校核情况8.503.00地震情况7.804.5021.6地质资料建筑物底板下土层为粉质粘土，土层物理力学指标为：凝聚力kPa32C，擦角18，地基土允许承载力kPa220R。1.7回填土资料回填土采用砂壤土，假设其内摩擦角28，C=0，湿容重18kN/m3，饱和容重为20kN/m3，浮容重10kN/m3。1.8地震设计烈度地震设计烈度：7°，设计基本地震加速度值为0.10g。1.9其他上下游河道断面相同均为梯形，河底宽20.0m，河底高程▽3.0m，边坡1：2.5，外河堤顶高程▽10.5m，干渠渠顶高程▽6.0m。两岸路面高程▽10.5m。交通桥荷载标准：公路－Ⅱ级，交通桥总宽8.0m，净宽7.0m。32孔口宽度设计2.1闸孔形式的确定根据水闸设计规范（SL-265-2001），当闸槛高程较低，挡水高度较大，挡水水位高于泄水运用水位或闸上水位变幅较大且有限制过闸单宽流量要求时选用胸墙式水闸。本工程河底高程3.0m，挡水最高水位为8.5m，则挡水高度为5.5m较大。综上，本工程选用胸墙式水闸。2.2孔口设计水位组合孔口设计水位见表2-1表2-1孔口设计水位组合表外河水位(m)干渠水位(m)引水流量(m3/s)6.005.60602.3堰型及堰顶高程的确定2.3.1堰型的确定本工程的主要任务是拦蓄上游河水，确保灌溉用水，应具有较大的泄水能力，在洪水时期还应担负着泄洪的任务，对于灌溉水质有一定的要求，便于排砂排淤，所以采用无底坎宽顶堰孔口。2.3.2堰顶高程的确定本水闸将堰顶高程定的与河底同高，高程为3.0m。2.4闸孔宽度的确定2.4.1过水断面确定根据资料，上下游河道断面为河底宽20.0m，边坡1:2.5，河底高程3.0m，外河堤顶高程▽10.5m，干渠渠顶高程▽6.0m，画出过水断面如图2-1所示：43.06.0201：2.51：2.510.53.05.66.06.020ab10.5图2-1a、b为上、下游河道断面图（单位：m）故过水断面面积为：2()(2.5320)382.5AmhLhm2.4.2闸孔净宽确定（1）、上游行进流速：m/s73.05.82600AQv计入行进流速的上游水深：3.03m9.820.730.1322200gvHH式中：H——上游水深，为6.0-3.0=3.0m；——流速系数，取1.0；（2）、由于水闸闸槛高程较低、挡水高度较大，闸上水位变幅较大，所以闸式结构选用胸墙式。设置胸墙底高程为5.80ｍ。由于闸孔设计时外河水位▽6.00ｍ，高于胸墙底高程，所以为孔流。根据《水闸设计规范》，采用下列公式计算：0'02eQBhgH160.42.718erh'111ehH''1ehH式中：eh——孔口高度，为5.8-3.0=2.8m；5r——胸墙底圆弧半径，取0.2m；——计算系数，计算得0.128；'——孔流垂直收缩系数，计算得0.886；——孔流流速系数，可采用0.95—1.0，本设计取0.95；——孔流流量系数，计算得0.350；'——淹没系数。由于孔流淹没系数和0B都是未知的，不能直接求得，需要用迭代的方法试算。先假设'=0.50，具体计算见表2-2.表2-2闸空总净宽计算表迭代次数淹没系数'闸孔总净宽0B（m）单宽流量q（/sm2）跃前水深ch（m）跃后水深''ch（m）''''scchhHh淹没系数'10.5017.113.510.502.000.600.5220.5316.143.720.532.060.570.5430.5515.563.860.552.090.560.55注：q=Q/B0，2022ccqEhgh，181232cc''c/ghqhh，由''''scchhHh查《水闸设计规范》表A.0.3-2得'。跃前水深的迭代公式为102()ciciqhgEh，迭代计算见表2-3。表2-3跃前水深ch计算表qE1ch2ch迭代13.513.030.500.50迭代23.723.030.500.533.723.030.530.53迭代33.863.030.500.553.863.030.550.552.4.3水闸闸孔数确定为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用3孔闸，取中墩厚1m，边墩厚60.8m。则单个闸空净宽为：0015.565.193BbmN，取净宽0b=5m闸孔实际总净宽为：0=15mB实闸孔总宽为：18.6m28.020.115B2.4.4水闸实际流量确定水闸实际流量：''00=2sQBhgH实实150.550.352.629.83.03/sm9.573检验Q实是否满足要求：57.9603.5%5%60QQQ实，满足要求。2.4.5闸孔布置图闸孔布置如图2-2所示80500100500100500801:2.51:2.518602000图2-2闸孔布置图（单位：cm）73消能防冲设计3.1消能防冲水位组合消能防冲水位组合见表3-1表3-1消能防冲设计水位组合表外河水位(m)干渠水位(m)引水流量(m3/s)7.04.0603.2消力池设计3.2.1消力池形式的选定根据规范4.4.3条规定：当水闸闸下尾水深度较深、且变化深度较小，河床及岸坡抗冲能力较强时，可采用面流式消能。本工程跃后水深最高为2.09m,下游水深为2.6m，为淹没式水跃，并且工程中常采用下挖式消力池，因此，本工程采用下挖式消力池。3.2.2消力池池深的计算计算方法a、先假设d=0.5m，计算0H、0T；b、由公式2320202ccqhThg，试算ch。其中为流速系数，取=0.98；c、由公式0.252''1328112ccchbqhghb，计算''ch；d、由公式222'2''222scqqZghgh，计算Z。其中：Z——出池落差；'sh——出池河床水深；e、由公式'''0csdhhZ，计算d；f、若由e计算出的d0.5m，则取d=0.5m；若d0.5m，则重新计算d值，直至试算出结果。具体计算见表3-28表3-2消力池深度计算表Av0H0d0TqKch''chZd1200.504.0130.5004.5133.530.7040.4141.9440.3690.6731200.504.0130.6804.6933.530.7040.4051.9720.3720.6981200.504.0130.7004.7133.530.7040.4041.9750.3730.7011200.504.0130.7014.7143.530.7040.4041.9750.3730.701注：202vHHg；000TdH；2320202ccqhThg；222qKg；000cKhKTKTT；0.252''1328112ccchbqhghb；222'2''222scqqZghgh'''0csdhhZ。式中：0d——假设的消力池深度，m；d——消力池深度，m；0σ——水跃淹没深度系数，取1.050σ；''ch——跃后水深，m；ch——收缩水深，m；α——水流动能校正系数，取1.0；q——过闸单宽流量，/sm3；1b——消力池首端宽度，m；2b——消力池末端宽度，m；0T——由消力池底板顶面算起的总势能，m；ΔZ——出水池落差，m；'sh——出水池河床水深，m；——流速系数，取0.95。根据表3-2的计算结果，消力池深度取为0.8m。3.2.3消力池长度的计算（1）水跃计算根据《水闸设计规范》出闸水流的跃前水深ch、跃后水深''ch，按以下公式计算：2320202ccqhThg：0.252''1328112ccchbqhghb具体计算见表3-3.表3-3水跃计算表AQv0H0d0TqK1b2bch''ch120600.54.0130.84.8133.530.70417200.402.249（2）水跃长度计算''6.9()6.9(2.240.40)12.70mjccLhh（3）消力池长度计算斜坡段采用1：4的坡度，平台宽度为1.0m，m36.140.18.040.1jjjsjLdLLL式中：sL——消力池斜坡段水平投影长度（m）；——水跃长度校正系数，取0.8。故取sjL=15m。3.2.4消力池地板厚度的计算消力池底板又称护坦，确定它的厚度要从抗冲和抗浮方面考虑，因为在消力池末端设置冒水孔，所以只要满足抗冲要求就行了。根据抗冲要求，按《水闸设计规范》公式（B.1.3-1）计算，即'1Hqkt式中：t——消力池底板始端厚度（m）；'H——闸孔泄流时的上、下游水位差（m），H=7.0-4.0=3.0m；1k——消力池底板计算系数，可采用0.15～0.20取0.20；q——过闸单宽流量（m2/s）。表3-4消力池底板厚度计算表q(m2/s)k1H（m）t(m)3.530.203.00.494根据以上计算结果，现确定消力池底板的厚度为0.5m，末端设尾坎高度为0.8m。3.2.5消力池构造的确定本次工程采用下挖式消力池，为了便于施工，消力池底板做成等厚，为了降低护坦底部的渗透压力，可在护坦下设铅直排水孔，并在护坦底部铺设反滤层，排水孔设在水平底板的后半部，排水孔直径为6cm，间距为1.5m，按梅花形排列，反滤层厚为30cm，分三层，从上到下依次为10cm碎石子，10cm中砂，10cm细砂。消力池构造如图3-1所示。103.02.23.02.51.4排水孔6@150细砂10cm中砂10cm碎石10cm10032098050501500图3-1消力池尺寸构造图（单位：高程m；尺寸cm）3.3海漫设计3.3.1海漫长度的计算海漫长度，按《水闸设计规范》，对于'Hqs=1～9，且消能扩散良好时，海漫长度可按公式'HqKLssp计算。式中pL——海漫长度（m）；sq——消力池末端单宽流量（m3/s.m）；'H——闸孔泄水时上下游水位差(m)；sK——海漫长度计算系数，按下表查得取为10；河床土质粉砂、细沙中砂、粗砂粉质壤土粉质粘土坚硬粘土sK14～1312～1110～98～7具体计算见表3-5表3-5海漫长度计算表Q(/sm3)2b(m)sq(m2/s)'H(m)sK'HqspL（m）60203.03.0102.2822.8根据表3-5的计算结果，取海漫长度为23m。3.3.2海漫构造对于海漫要求表面有一定的粗糙度，以利于进一步消能，具有一定的透水性，以便使渗透水自由排出，降低扬压力，具有一定的柔性，以适应下游河床可能的冲刷变形，所以在海漫的起始段为8m长的浆砌石水平段，因为浆砌石的抗冲性能较好，其顶面高11程与护坦齐平，后15m为干砌石段，保护河床不受冲刷，海漫厚度取为0.4m，下铺设10cm的碎石，10cm的黄砂。3.4防冲槽设计3.4.1河床冲刷深度计算海漫末端的河床冲刷深度可按公式mmmhvq