节制闸初步设计

1景观节制闸初步设计1基本资料1.1工程概况为继续加快城市化进程，完善城市建设，拟建水闸工程作为近年城建重点工程，目的就是抬高流域河流的蓄水位，扩大市区水面，形成水上旅游风光带，利用水上旅游线路，将流域河流两岸文字博物馆、袁林、洹园、殷墟博物苑等景点联系在一起，把流域河流沿岸打造成为具有鲜明地方文化特色、开放性的滨河历史文化景观带，推进安阳市旅游发展步伐。因此，拟建水闸工程为一座景观节制闸。主要任务是通过建设拦蓄工程抬升河道蓄水位，满足流域河道水上旅游要求。1.2水文气象工程所在流域属温带大陆性气候区，冬季受蒙古、西伯利亚高气压控制，天气寒冷干燥且多风沙，夏季由于冷暖气团交接而多暴雨。多年平均最高气温32.2℃（6月）。全年无霜期200天，日照累计时数2388小时，日照率53%。冬春多北风，夏秋多南风，最大风速22m/s，汛期多年平均最大风速9.9m/s。多年平均水面蒸发量约2000mm，陆面蒸发量520mm，年际变化不大。多年平均降雨量600mm，年内分布极不均匀，汛期6～9月降雨量占全年的70%～80%，年际变化大，年最大与年最小相差2～4倍。按设计洪水计算，流域河道50年一遇洪水洪峰流量为2300m3/s，100年一遇洪水洪峰流量为4000m3/s。流域泥沙大部分在汛期产生，水闸汛期敞泄，泥沙随洪水下泄到下游，非汛期闭门蓄水，蓄水水量大部分为水库弃水，含沙量小。流域闸址处淤积很小，可忽略不计。21.3区域地质闸址位于洹河桩号34+720处，该区地处流域冲积平原，地势较为平坦开阔。地面高程一般为69.92m～73.07m。场地地貌单元属冲积平原地貌。本场地内无全新活动断裂，属稳定场地。在勘探深度范围内，地层由第四系全新统（Q4al）、上更新统（Q3al）冲积物组成。根据不同时代、成因类型和工程地质性能，将地层划分为九个工程地质单元，见表1-1和表1-2。表1-1各单元地基土情况及压缩系数和压缩模量建议值单元①②③④⑤⑥⑦⑧⑨平均厚度/m4.92.75.54.95.94.33.23.4最大揭露厚度8.5m层底高程/m62.51～66.5856.45～57.0855.00～63.8860.56～62.3054.70～58.0651.98～57.8049.09～56.8045.49～46.6536.99m以下av0.1-0.2(MPa-1)0.3640.2650.2930.2720.3300.3000.2800.220Es0.1-0.2(MPa)6.4510*6.436.097.985.396.346.008.54压缩性评价中等中等中等中等中等中等中等中等表1-2各层土的承载力特征值及抗剪强度建议值表单元①②③④⑤⑥⑦⑧⑨承载力基本容许值fao（kPa）12013080110120150160170200C（kPa）12.007.612.021.022.03φ(°)20.035.018.024.020.020.0工程所在区域为区域构造稳定性较好地区，根据国家质量技术监督局2001年发布的《中国地震参数区划图》及《建筑物抗震设计规范》（GB50011-2001），该地区地震基本烈度为6度，地震动参数为0.20g，建筑物按6度设防，地震动反映谱特征周期0.35s。勘探期间，在30.0m的勘探深度范围内，各钻孔均见地下水，地下水位埋深在5.0m～11.2m之间，水位高程在61.80m～62.00m之间。地下水类型属潜水，主要由河水下渗、侧渗补给，地下水变化幅度为1m～4m，多年动态变化主要受大气降水控制。1.4地质评价（1）拟建水闸场地地层左右岸差异大，地基土不均匀，总体上来说无明显的不良工程地质现象，适宜于本工程的建筑。（2）根据当地气象局资料，本场地土的标准冻结深度为0.4m。（3）本场地地震动峰值加速度为0.20g，对应的地震基本烈度为6度，地震动反映谱特征周期0.35s。综合构造物地表以下20.0m深度范围内的土层，本场地可综合评定为Ⅱ类场地土。（4）闸底板高程61.84m，基础位于（2）～（5）单元地基土中，地基承载力特征值80～120kpa。根据拟建构筑物及该场地地层岩性结构情况，拟采用复合地基进行加固处理。（5）地质报告中提出第（2）、（3）单元土不存在地震液化问题。1.5工程规模根据当地防洪标准，节制闸按50年一遇洪水流量设计，流量为2300m3/s，闸址断面相应水位为70.90m。超50年一遇洪水走分洪道，不再按100年一遇洪水流量校核。水闸设计蓄水位69.74m，蓄水高度7.9m。水闸为大（2）型工程，工程等别为Ⅱ等，主要建筑物级别为2级。闸室上部设工作桥一座，考虑设备吊4装及维修启重车辆，设计荷载标准采用公路Ⅱ级。此外，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》上游翼墙等次要建筑物按3级建筑物设计，临时工程按照4级建筑设计。52闸孔设计2.1闸址选择基本资料中已经选定了闸址位置并给出了闸基地质资料、址地形资料和闸址处的渠道断面为梯形，边坡系数m=2，渠道糙率n=0.025，渠道纵比降i=0.0002，渠底高程为61.84m，渠底宽度为152m。2.2堰型及堰顶高程的确定2.2.1闸孔形式的确定本节制闸主要任务是正常情况下拦截河水抬升河道蓄水位，以满足流域河道水上旅游要求，而当洪水来临时，开闸泄水，以保证防洪安全。由于是在平原河道上修建节制闸，应具有较大的超泄能力，并利于排除漂浮物、泥沙，因此采用宽顶堰。2.2.2堰顶高程的确定地板应置于较为坚实的土层上，并应尽量利用天然地基。在地基强调能够满足要求的条件下，底板高程定得高些，闸室稳定得高些，闸室宽度大，两岸连接建筑物相对较低。对于小型水闸，由于两岸连接建筑在整个工程中所占比重较大，因而总的工程造价可能是经济的，在大型水闸中，由于闸室工程量所占比重较大，因而适当降低底板高程，常常是有利的。当然，底板高程也不能定的太低，否则，由于单款流量加大，将会增加下游效能防冲的工程量，闸门增高，启闭设备的容量也随之增大。一般情况下，节制闸的底板顶面可与河床齐平。因此本设计采用堰顶高程与河床同高，即底板高程取61.84m。62.3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计算情况闸上水位（m）闸下水位(m)过水流量(m3/s)设计情况69.7469.442300校核情况同上2.4闸孔宽度的确定2.4.1拟定闸孔宽度（1）计算孔口净宽B0设计情况下计算示意图如下图2-1。图2-1计算示意图过水断面面积A=(B+mh)h=(152+2×7.9)×7.9=1325.62㎡；行进流速v=Q/A=2300/1325.62=1.74(m/s)；行进水头v2/2g=1.742/19.6=0.15m；堰上总水头H0=H+v2/2g=0.15+7.9=8.05m；堰顶算起的下游水深hs=69.44-61.84=7.6m；7hs/H0=7.6/8.05=0.94＞0.8，所以为淹没出流。且hs/H0=0.94＞0.9，查《水闸设计规范》[2]，可采用如下堰流公式计算sshHghQB0002(2-1)式中：20065.0877.0Hhs(2-2)。由hs/H0=7.6/8.08=0.940.8，为淹没出流，查《水闸设计规范》[2]表A.0.2，如下表2-2：表2-2μ0值Hs/H00.900.910.920.930.940.950.960.970.980.990.9950.998μ00.9400.9450.9500.9550.9610.9670.9730.9790.9860.9930.9960.998得μ0=0.961。则闸孔总净宽B0=)(200sshHghQ=）6.7-05.8（×6.19×6.7×961.02300=105.62m校核情况同设计情况，所以闸孔净宽为：B0=105.62m，取整B0=106m。（2）确定孔宽和孔数由《水工建筑物》[1]305页知道，我国大、中型水闸的单孔宽度l0一般取8～12m，且水闸孔总净宽不应大于设计算出总净宽的3%--5%，这里取B0=110m，闸孔单宽l0=10m，闸孔个数n=110÷10=11个，闸墩12个。由资料知闸基承载力较好，确定采用整体式底板，依据《水闸设计规范》[2]土基上的分段长度不宜超过35m，确定两边采用两孔一联，中间三孔一联，共五联，所以缝墩4个，中墩6个，边墩2个，它们的厚度依次是1.6m、1.2m、1m。2.4.2计算闸孔实际过流能力设计情况下8）6.7-05.8（×6.19×110×6.7×961.0)(2000实sshHgBhQ=2395.5m35﹪4.2﹪=23002300-5.2395=100﹪设设实QQQ，满足设计排洪安全要求。2.4.3闸孔布置图根据上面计算结果可推算出闸室总宽闸孔总净宽为110m；缝墩总宽为4×1.6=6.4m；中墩总宽为6×1.2=7.2m；边墩总宽为2×1=2m；闸室总宽=闸孔总净宽+缝墩总宽+中墩总宽+边墩总宽=110+6.4+7.2+2=125.6m综上所述，闸孔11个，两边采用两孔一联，中间采用三孔一联，共5联。闸孔布置如图2-2。图2-2闸室布置图（单位：m）93消能防冲设计3.1消能防冲设计的控制情况由于本闸位于平原地区，一般水头低下游水位变幅大，又因为河床抗冲刷能力较低，所以采用底流式消能。之前通过计算可知当设计洪水位和校核洪水时，闸门全开宣泄洪水为淹没出流，此时无须消能。闸前为设计水位7.9m，部分闸门局部开启，只宣泄较小流量时，下流水位不高，闸下射流速较大，才会出现严重的冲刷河床现象，必须设置相应的消能设施。这里用设计水位7.9m闸门局部开启情况，作为消能防冲的设计控制情况。为了确保水闸安全运行，可以规定闸门按1、3、5、7、9、11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，找出消力池深度和池长的控制条件。3.2闸门不同开度下出闸水流情况3.2.1闸门不同开度e下出闸流量Q闸孔出闸流量计算当eH≤0.65为闸孔出流，计算采用公式gHbeQ2n（3-1）式中：b为闸孔宽度，m；H为闸前水深，m；n为开闸孔数；e为闸孔开度；10为流量系数，He176.060.0。以开孔数N=1时为例，具体计算结果如表3-1。表3-1闸门不同开度e下出闸流量Q参数Ne（m）H（m）e/Hε2μQ（m3/s）设计情况10.87.90.1010.6150.58257.95411.67.90.2030.6200.564112.36012.47.90.3040.6250.547163.21813.27.90.4050.6310.529210.52714.07.90.5060.6460.511254.28814.87.90.6080.6630.493294.5003.2.2闸后水跃闸后跃后水深''ch计算按如下公式)181(2''2ccccghvhh（3-2）式中：ch——收缩水深，m，ehc2；2——垂直收缩系数，取值查《水力学》[3]表7-12（P252）；cv——收缩断面流速，m/s，gHvc22。以开孔数N=1时为例，如表3-2（接表3-1）。表3-2出闸流量Q对应闸后跃后水深hc''Q（m3/s）e（m）ε2hc（m）vc（m/s）hc''（m）57.9540.80.6150.49211.7793.495112.3601.60.6200.99211.3274.624163.2182.40.6251.50010.8815.317210.5273.20.6312.01910.4265.75911254.2884.00.6462.5849.8415.970294.5004.80.6633.1829.2546.0343.2.3下游渠道水深及出流情况（1）泄水时下游水深hs的确定下游渠道按均匀流流量公式计算，通过试算法计算出下游水位hs。计算按如下流量公式iRACQ（3-3）式中：n61RC，m1/2/s；R为水力半径，m；i为渠道纵比降，i=0.0002；n为渠道糙率，n=0.02