水闸设计说明书

第一节设计基本资料前进闸建在前进以北的红旗渠上，闸址地理位置见图一所示。该闸的主要作用是：（1）防洪。当胜利河水位较高时，关闸挡水，以防止胜利河的高水入侵红旗渠下游两岸的低田保护下游的农田和村镇。（2）灌溉。灌溉期引胜利河水北调，以灌溉红旗渠两岸的农田。（3）引水冲淤。在枯水季节，引水北上至下游的红星港，以冲淤保港。图一闸址位置示意图一、规划数据红旗渠为人工渠道，其断面尺寸如图二所示。渠底高程为-5.5m，底宽50m，两岸边坡均为1：2。该闸的主要设计水位组合有以下几方面。图二红旗渠断面示意图（单位：）1、孔口设计水位、流量根据规划要求，在灌溉期前进闸自流引胜利河水灌灌，引水流量为300m3/s，。此时相应的水位为：闸上游水位为1.83m；闸下游水位为1.78m。冬春枯水季节，由前进闸自流引水送至下游的红星港冲淤保港，引水流量为100m3/s此时相应的水位为：闸上游水位为1.44m；闸下游水位为1.38。2、闸身稳定计算水位组合（1）设计情况：上游水位4.3m，浪高0.8m；下游水位1.0m。（2）校核情况：上游水位4.7m，浪高0.5m；下游水位1.0m。3、消能防冲设计水位组合根据分析，消能防冲的不利水位组合是：引水流量为300m3/s，相应的上游水位为4.70m，下游水位为1.78m。4、下游水位流量关系下游水位～流量关系见表(1)表（1）下游水位流量关系二、地质资料Q(m3/s)0.050.0100.0150.0200.0250.0300.0H下（m）1.01.201.381.541.661.741.7850.01:21:2-5.55.81、闸基分布情况根据钻探报告，闸基土质分布情况见表（2）表（2）闸基土层分布层序高程（m）土质概况标准贯入击数（击）Ⅰ5..75～-3.60重粉质壤土9～13Ⅱ-3.60～-5.30松散粉质土8Ⅲ-5.30～-21.30坚硬粉质土（局部含铁锰结核）15～212、闸基土工试验资料根据土工试验资料，闸基持力层坚硬粉质黏土的各项参数指标为：凝聚力c=60.0Kpa;内摩擦角=19°；天然孔隙比е=0.69；天然容重γ=20.3kN/m3.建闸所用回填土为砂壤土，其内摩擦角=26°，凝聚力c=0,天然容重γ=18kN/m3。三、闸的设计标准根据《水闸设计规范》SD133—84（以下简称SD133—84），前进闸按Ⅲ能建筑物设计。四、其它有关资料（1）闸上有交通要求。根据当地交通部门的建议，闸上交通桥为单车道公路桥，按汽-10设计，履带-50校核。桥面净宽为4.5m，总宽为5.5m，采用板梁式结构，见图三每米桥长约重80kN。（2）该专区“三材”供应充足。闸门采用平面钢闸门，尺寸自定，由工厂设计、加工制造。（3）该地区地震设计烈度为6度，故可不考虑地震的影响。（4）该地区风速资料不全，在进行浪压力计算时，建议取消2Li/2hi=10计算。图三交通断面图（单位：cm）第二节枢纽布置前进闸为无坝引水进水闸，整个枢纽主要由引水渠、防沙设施和进水闸等到组成。一、防沙设施闸所在河流为少泥沙河道，故防沙要求不高，仅在引水口设拦沙坎一道即可。拦沙坎高0.8m，底部高程-5.5m，顶高程式-4.7m,迎水面直立，背流坡为1：1的斜坡，其断面图示四图四枢纽布置图二、引水渠的布置胜利河河岸比较坚稳，引水渠可以尽量短（大约65m），使前进闸靠近胜利河河岸。为了保证有较好的引水效果，引水角取得35°，并将引水口布置在胜利河弯道凹岸顶点偏下游水深较大的地方。为了减轻引水口处和回流，使水流平顺地进入引水口，引水口的上下游边角修成圆弧形。引水渠在平面上布置成不对称地向下游收缩的喇叭状，见图四三、水闸进水闸（前进闸）为带胸墙的开敞式水闸。共3孔。每孔净宽阔8.5m。胸墙底部高程为2.1m。闸顶高程为5.8m，闸门高程为2.3m.1、闸室段河底板为倒π型钢筋混凝土平底板，缝设在底板中央。底板顶面高程为-5.5m，厚0.2m。其顺水流方向长16m。闸墩为钢筋混凝土结构，顺水流方向长与底板相等，中墩厚取1.1m,边墩与岸墙结合布置，为重力式边墙，既挡水，又挡土，墙后填土高程为5.8m。闸墩上设有工作门槽和检修门槽。检修闸门槽距闸墩上游边缘1.7m,工作门槽距闸墩上游边缘5.49，胸墙与检修门槽之间的净距离为2.79m。闸门采用平面滚轮钢闸门，尺寸为6.7m×7.8m。启闭设备选用QPQ-2×25卷扬机启闭机。工作桥支承为实体排架，由闸墩缩窄而成。其顺水流方向长2.3m，厚0.5m，顶面高和5.8m,顶面高程10.5m,排架上设有活动门槽。公路桥设在下游侧，为板梁式结构，其总宽为5.5m,公路桥支承在排架上，排架底部高程为2。5m。2、上游段铺盖为钢筋混凝土结构，其顺水方向长20m,厚0.4m。铺盖上游为块石护底，一直护至引水口。上游翼墙为浆砌石重力式反翼墙，迎水面直立，墙背为1：0.5的斜坡，收缩角为15°，圆弧半径为6.6m。墙顶高程为5.0m，其上设有0.8m高的混凝土挡浪板。墙后填土高程为4.8m。翼墙底板为0.6m厚的钢筋混凝土板，前趾长0.2m，翼墙上游与铺盖头部齐平。Ⅰ-Ⅰ剖面1：1.0-5.5-4.7155胜利河α=35°ⅠⅠ红旗渠前进闸引水渠拦沙坎翼墙壁上面为干砌块石护坡，每隔壁12m设一道浆砌石格埂。块石底部设防15㎝的砂垫层。护坡一直延伸到红旗渠的入口处。3、下游段闸室下游采用挖渠式消力池。其长为21.5m,深为0.5m。消力池的底板为钢筋混凝土结构，其厚为0.7m。消力池与闸室连接处有1m宽的小平台，后以1：4的斜坡连接。消力池底板下按反滤的要求铺设厚0.3m的砂、碎石垫层、既起反滤、过渡作用，又起排水作用。海漫长期24m水平设置。前8m为浆砌块石，后16m为干砌块石，并每隔8m设一道浆砌石格埂，海漫末端设一构造防冲槽。其深为1.0m，边坡为1：2。槽内填以块石。由于土质条件较好，防冲槽下游不再设护底。下游翼墙亦为浆砌石重力式反翼墙。其迎水面直立，墙背坡度为1：0.5，其扩散角为10°，圆弧半径为4.8m。墙顶高程为2.5m，其上设高0.8m的挡浪板，墙后填土高程为2.0m。下游翼墙底板亦为厚0.6m钢筋混凝土板，其前趾长1.2m，后趾长0.2m。翼墙下游端与消力池末端齐平。下游亦采用干砌石护坡，护坡至少3.8m高程处。每隔8m设一道浆砌石略埂。护坡延伸至与防冲槽下游端部齐平。前进闸总体布置见大图。第三节水力设计水力设计主要包括两方面的内容,既闸孔设计和消能防冲设计.一、闸孔设计闸孔设计的主要任务是:确定闸室结构形式,选择堰型,确定堰顶高程及孔口尺寸.1、闸室结构形式该闸建在人工渠道上，故宜采用开敞式闸室结构。在运行中,该闸的挡水位达4.3~4.7m，而泄水时上游水位1.44~1.83m，挡水时上游最高水位比泄水时上游最高水位高出2.87m，故拟设置胸墙代替闸门挡水，以减少门高。减少作用在闸门上的水压力，减少启门力，并降低工作桥的高度，从而节省工程费用。综上所述，该闸采用带胸墙的开敞式闸室结构。2、堰型选择及堰顶高程的确定该闸建在少泥沙的人工渠道上，宜采用结构简单，施工方便，自由出流范围较大的平底宽顶堰。考虑到闸基持力层是坚硬粉质粘土（局部含铁锰结核），土质良好，承载能力大，并参考该地区已建工程的经验，高程可以拟定为-5.5m。3、孔口尺寸的确定（1）初拟闸孔尺寸，该闸的孔口尺寸必须满足引水灌溉和引水冲淤保港的要求。1）引水灌溉：上游水深H=1.83＋5.5=7.33m下游水深h=1.78＋5.5=7.28m引水流量Q=300m3/s上游行近流速V0=Q/AA=(b+mH)H=(50＋2×7.33)×7.33=473.96m3/sH0=H＋αv2/2g(取α=1.0)=7.33＋0.6332/2×9.8=7.35mhs/H0=7.28/7.35=0.990.8，故属淹没出流。4.000)1(31.2HhHhsss=0.356由宽顶堰没出流公式对无坎宽顶堰，取m=0.385，假设收缩系数ε=0.96，则=2/335.781.9296.0385.0356.0300=25.83m2）引水冲淤保港上游水位H=1.44＋5.5=6.94m下游水位hs=1.38＋5.5=6.88m引水流量Q=100m3/sA=(b＋mH)H=(50＋2×6.94)×6.94=443.3m2v0=Q/A=100/443.3=0.23m/s0.5m/s，可以忽略不计，则H0H=6.94。hs/H0=6.88/6.94=0.990.8，亦属淹没出流。4.000)1(31.2HhHhsss=0.342同样得m=0.385，并假定ε=0.96，则得B02=3202HgmQs=3294.681.9296.0385.0342.0100=9.769m.比较1）、2）的计算结果，B02B01，可见引水灌溉情况是确定闸孔尺寸的控制情况，故闸孔宽净B0宜采用较大值25.83m。拟将闸孔分为3孔，去每孔净宽为8.5m，则闸孔实际总净宽为B0=8.5×3=25.5m，由于闸基土质条件较好，不仅承载能力较大，而且坚硬.紧密。为了减小闸孔总宽度，节省工程量，闸底板宜采用整体式平板，拟将分缝设在各孔底版的中间位置，形成倒π型底版。中墩采用钢筋混泥土结构，厚1.1m。墩头、墩尾均采用半圆形，半径为0.55m。（2）复核过闸流量。根据初拟的闸孔尺寸，对于中孔，b0=8.5m，bs=b0＋ε=8.5+1.1=9.6m，b0/bs=8.5/9.6=0.885,查SD133-842-2,981.0z。对于边孔，b0=8.5m，bs=34.31m，b0/bs=0.19，查SD133—84附表2—2，得εb=0.909，则NNbb1=957.03909.0)13(981.0根据SD133—84附表2—1，对于无坎平底宽顶堰，m=0.385，则=300.19m3/s实际过流能力满足引水灌溉的设计要求。同样，可以验证初拟的闸孔尺寸亦符合引水冲淤保港的要求。因此，该闸的孔口尺寸确定为：共分3孔，每孔净宽8.5m，4个中墩各厚1.1m,闸空总净宽为25.5m,闸室总宽度为27.7m。二、消能防冲设计消能防冲设计包括消力池、海漫及防冲槽等三部分1、消力池的设计（1）上下游水面连接形态的判别，闸门从关闭状态到泄流量为300m3/s往往是分级开启的。为了节省计算工作量，闸门的开度拟分三级。化一级泄流量50m3/s；待下游水位稳定后，增大开度到期150m3/s；待下游水位稳定后，再增大开度至少300m3/s。当泄流量为50m3/s时：上游水深H=5.5+4.7=10.2m；下游水深可采用前一级开度（即Q=0）时的下游水深t=5.5＋1.0=6.5m；上游行进流速v0=AQ=1.71850=0.069m/s(v00.5m/s),可以忽略不计。假设闸门的开度e=0.45m。65.0033.0He,为孔流。查《水力学》（华东水利学院编）表3-17得垂直收缩系数ε`=0.0619hc=ε`e=0.619×0.45=0.279m=1.41mch6.5m,故为淹没出流。由579.041.12.1041.15.6''''cchHht查SD133-84附表2-6得孔流淹没系数53.0'，因此有：式中1---孔流流量系数。因此smQ/89.512.1081.925.2545.0592.054.03该值与要求的流量50m3/s十分的接近，才所假定的闸门开度e=0.45正确。此时，跃后水深1.23t=6.5m，故发生淹没水跃。以同样的步骤可求得泄水量为150m3/s、300m3/s时水面的连接情况，见表（3）。表（3）水面连接计算序号Q(m)e(m)ε’(m)hc(m)hc”(m)T(m)水面连接情况150.00.450.6190.281.416.50淹没水跃2150.01.30.6170.8022.366.70淹没水跃3300.02.50.622