水闸课程设计(南工)

水闸设计1水利与生态工程学院水工建筑物课程设计——水闸设计班级：学号：姓名：指导老师：水闸设计2目录1基本资料1.1工程概况1.2地质资料1.3水文气象1.4建筑材料1.5批准的规划成果2闸孔设计2.1闸址的选择2.2闸型的确定2.3拟定闸孔尺寸及闸墩厚度2.4校核泄洪能力3消能设计3.1消能防冲设计的控制情况3.2消力池尺寸及构造3.3海漫设计3.4防冲槽设计3.5上下游岸坡防护4防渗排水设计4.1闸底地下轮廓线的布置4.2排水设备的细部构造4.3防渗计算5闸室布置5.1底板和闸墩5.2闸门与启闭机5.3上部结构5.4闸室的分缝与止水水闸设计36闸室稳定计算6.1设计情况及荷载组合6.2完建无水期地基承载力验算6.3正常挡水期闸室抗滑稳定验算7上下游连接建筑物7.1上游连接建筑物7.2下游连接建筑物水闸设计4水闸设计1基本资料1.1工程概况及拦河闸的任务某拦河闸闸址以上流域面积2234平方公里，流域内耕地面积288万亩，河流平均纵坡1/6200。本工程属三级建筑物。本工程投入使用后，在正常高水位时，可蓄水2230万立米。上游5个县25个乡已建成提灌站42处，有效灌溉面积25万亩。闸上游开南、北两干渠，配支干23条，修建各种建筑物1230座，可自流灌溉下游三县21万农田，效益巨大，是解决某河流域农田的灌溉动脉，同时，也是解决地区浅层地下贫水区的重要水源。1.2地质资料（一）根据地质钻探资料，闸址附近地层中粉质壤土，厚度约25m，其下为不透水层，其物理力学性质如下：1、湿重度r湿=20.2KN/m3土壤干重度r干=16.0KN／m3饱和重度r饱=22.2KN／m3浮重度r浮=12.2KN／m32.自然含水量时，内摩擦角φ=230饱和含水量时，内摩擦角φ=200土壤的凝聚力C=0.1KN／m23.地基允许承载力[P地基]=150KPa4.混凝土、砌石与土基摩擦系数f=0.365.地基应力的不均匀系数[η]=1.5～2.06.渗透系数K=9.29×10-3cm／s(二)本地区地震烈度为60以下1.3文水气象(一)气温：本地区年最高气温42度，最低气温为-18度。(二)风速：最大风速V=20m／s，吹程D=0.6Km。水闸设计5(三)降雨量：非汛期(1～6月及10～12月)9个月河流平均最大流量为10m3/s；汛期(7～9月)3个月河流平均最大流量为130m3/s。年平均最大流量36.1m3/s，最大年径流总量为9.25亿m3。年平均最小流量15.6m3/s，最小年径流总量为0.42亿m3。(四)冰冻：颖河流域冰冻时间短，冻土很薄，不影响施工。(五)上下游河道断面1.4建筑材料本工程位于平原地区、山丘少，石料需从外地供给，距京广线很近，交通条件较好。经调查本地区附近有较丰富的粘土材料。闸址处有足够多的砂料。1.5批准的规划成果(一)灌溉用水季节，拦河闸的正常挡水位为58.63m，下游无水。(二)洪水标准。1.设计洪水位50年一遇，相应的洪峰流量1113m3／s，闸上游的洪水位为59.5m，相应的下游水位59.35m。2.校核洪水位200年一遇，相应洪峰流量1642.35m3／s，闸上游的洪水位6l.00m，闸下游水位60.82m。2闸孔设计2.1闸址的选择闸址、闸轴线的选择关系到工程的安全可靠、施工难易、操作运用、工程量及投资大小等方面的问题。在选择过程中首先应根据地形、地质、水流、施工管理应用及拆迁情况等方面进行分析研究，权衡利弊，经全面分析比较，合理确定。本次设计中闸轴线的位置已由规划给出。水闸设计62.2闸型确定本工程主要任务是正常情况下拦河截水，以利灌溉，而当洪水来临时，开闸泄水，以保防洪安全。由于是建于平原河道上的拦河闸，应具有较大的超泄能力，并利于排除漂浮物，因此采用不设胸墙的开敞式水闸。同时，由于河槽蓄水，闸前淤积对洪水位影响较大，为便于排出淤沙，闸底板高程应尽可能低。因此，采用无底坎平顶板宽顶堰，堰顶高程与河床同高，即闸底板高程为51.92m。2.3拟定闸孔尺寸及闸墩厚度由于已知上、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）gv220上游水头H0（m）设计流量11137.437.58759.711.470.117.69校核流量1642.358.99.08947.691.730.159.23注：考虑壅高15~20cm。闸门全开泄洪时，为平底板宽顶堰堰流，根据公式1判别是否为淹没出流。表2淹没出流判别表计算情况下游水深hs（m）上游水头H0（m）08.0Hhs流态设计水位7.437.697.43≥6.152淹没出流校核水位8.909.238.9≥7.384淹没出流按照闸门总净宽计算公式(2)，根据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算如下表。其中为堰流侧收缩系数，取0.96；m为堰流流量系数，取0.385。表3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）0Hhs淹没系数0B（m）设计流量11137.437.690.9660.57455.57校核流量1642.358.99.230.9640.58661.08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=9m，同时为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用7孔，闸孔总宽度为：L＝nb0+(n－1)d=（7×9）+（2×1.6+4×1.2）=71m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1.2m，缝墩厚1.6m，边墩厚0.5m。如图1所示。水闸设计7图1闸孔尺寸布置图(单位：m)2.4校核泄洪能力根据孔口与闸墩的尺寸可计算侧收缩系数，查《水闸设计规范》（规范表2-2），结果如下：对于中孔；靠缝墩孔；对于边孔；所以956.0241909.02973.04976.01321332211nnnnnn中中中与假定接近，根据选定的孔口尺寸与上下游水位，进一步换算流量如下表所示：表4过流能力校核计算表计算情况堰上水头H0（m）0hhsQ校核过流能力设计流量11137.690.9660.5740.96126213.4%校核流量1642.359.230.9640.5860.9616943.1%设计情况超过了规定5%的要求，说明孔口尺寸有些偏大，但根据校核情况满足要求，所以不再进行孔口尺寸的调整。3消能设计3.1消能防冲设计的控制情况由于本闸位于平原地区，河床的抗冲刷能力较低，所以采用底流式消能。设计水位或校核水位时闸门全开渲泄洪水，为淹没出流无需消能。闸前为正常高水位870，得.02.1990sbb980.01中975.02中849，得.06.1990sbb239，得.066.28990sbb910.03中水闸设计858.63m，部分闸门局部开启，只宣泄较小流量时，下流水位不高，闸下射流速度较大，才会出现严重的冲刷河床现象，需设置相应的消能设施。为了保证无论何种开启高度的情况下均能发生淹没式水跃消能，所以采用闸前水深H=6.71m，闸门局部开启情况，作为消能防冲设计的控制情况。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，本次设计按1、3、5、7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，找出消力池池深和池长的控制条件。按公式（7）、（8）、（9）、（11）计算结果列入表1通过计算，为了节省工程造价，防止消力池过深，对开启1孔开启高度为2.0米限开，得出开启1孔开启高度为2米为消力池的池深控制条件。3.2消力池尺寸及构造1、消力池深度计算根据所选择的控制条件，估算池深为1.6m，用（10）、（11）、（12）式计算挖池后的收缩水深hc和相应的出池落差ΔZ及跃后水深hc″，验算水跃淹没系数符合在1.05～1.10之间的要求。开启孔数n开启高度e/H收缩系数泄流量单宽流量收缩水深跃后水深下游水深流态判别消力池尺寸备注eεQqhch〃Hs池深d池长Lsj水跃长Lj10.80.120.616250.885.650.493.401.09自由出流1.417.220.110.150.618063.797.090.623.781.241.418.421.81.20.180.619276.698.520.744.111.391.419.323.21.50.220.620896.1110.680.934.561.601.420.425.020.300.6250129.0214.341.255.201.911.321.527.330.80.120.6162152.645.650.493.402.11自由出流1.417.220.110.150.6180191.367.090.623.782.421.518.521.81.20.180.6192230.078.520.744.112.711.519.623.21.50.220.6208288.3310.680.934.563.111.620.925.0池深控制20.300.6250387.0514.341.255.203.721.622.427.3限开50.80.120.6162254.405.650.493.402.88淹没出流0.815.420.110.150.6180318.937.090.623.783.310.816.521.81.20.180.6192383.458.520.744.113.700.817.323.21.50.220.6208480.5610.680.934.564.240.718.325.020.300.6250645.0814.341.255.205.38水闸设计92、消力池池长根据池深为2m，用公式（13）、（14）计算出相应的消力池长度为22.4ｍ。3、消力池的构造采用挖深式消力池。为了便于施工，消力池的底板做成等厚，为了降低底板下部的渗透压力，在水平底板的后半部设置排水孔，孔下铺设反滤层，排水孔孔径为10cm，间距为2m，呈梅花形布置。根据抗冲要求，按式16计算消力池底板厚度。其中1k为消力池底板计算系数，取0.18；q为确定池深时的过闸单宽流量；H为相应于单宽流量的上、下游水位差。取消力池底板的厚度0.1tm。图1消力池构造尺寸图(单位：高程m，尺寸cm)3.3海漫设计1、海漫长度计算用公式（18）计算海漫长度结果列入表2。其中sk为海漫长度计算系数，根据闸基土质为中粉质壤土则选12。取计算表中的大值，确定海漫长度为40m。表2海漫长度计算表流量Q上游水深H下游水深hs′qs△H′Lp1006.711.631.415.0821.382006.712.492.824.2228.873006.713.194.233.5233.794006.713.795.632.9237.235006.714.357.042.3639.476006.715.168.451.5538.927006.715.659.861.0638.23006.101.532.011.320cshZhd81m.011.37.669.1018.0t水闸设计102、海漫构造因为对海漫的要求为有一定的粗糙度以便进一步消除余能，有一定的透水性，有一定的柔性。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30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0.6米，下面铺设15cm的砂垫层。3.4防冲槽设计海漫末端河床冲刷坑深度按公式19计算，其中河床土质的不冲流速可按下式计算。按不同情况计算如表3所示。51051~4100RvRvv（20）式中0v—河床土质的不冲流速，m/s；0v—查《水力学》可知此处取0.8m/s；R—水力半径，xAR；sh—海漫末端河床水深，m。表3冲刷坑深度计算表计算情况q相应过水水面积A湿周x51R0vsh