水闸设计实例1

水闸设计实例本工程位于河南省某县城郊处，它是某河流梯级开发中最末一级工程。该河属稳定性河流，河面宽约200m，深约7~10m。由于河床下切较深又无适当控制工程，雨季地表径流自由流走，而雨过天晴经常干旱，加之打井提水灌溉，使地下水位愈来愈低，严重影响两岸的农业灌溉和人畜用水。为解决当地40万亩农田的灌溉问题，经上级批准的规划确定，修建挡水枢纽工程。拦河闸所担负的任务是：正常情况下拦河截水，抬高水位，以利灌溉，洪水时开闸泄水，以保安全。本工程建成后，可利用河道一次蓄水800万m3，调蓄水至两岸沟塘，大量补给地下水，有利于进灌和人畜用水，初步解决40万亩农田的灌溉问题并为工业生产提供足够的水源，同时对渔业、航运业的发展，以及改善环境，美化城乡都是极为有利的。（一）地质条件根据钻孔了解闸址地层属河流冲积相，河床部分地层属第四纪蟓更新世Q3与第四纪全新世Q4的层交错出现，闸址两岸高程均在41m左右。闸址处地层向下分布情况如下表1所示。表1闸址处地层分布情况土质名称重粉质壤土细砂中砂重粉质壤土中粉质壤土分布范围由上而下河床表面以下深约3m高程28.8m以下厚度约5m高程22m以下厚度5-8m（二）地形闸址处系平原型河段、两岸地势平坦，地面高程约为40.00m左右，河床坡降平缓，纵坡约为1/10000，河床平均标高约30.00m，主河槽宽度约80-100m，河滩宽平，呈复式河床横断面，河流比较顺直。（三）土的物理力学性质指标土的物理力学性质指标主要包括物理性质、允许承载力、渗透系数等，具体数字如表2、3所示。表2土的物理性质指标表湿重度饱和重度浮重度细砂比重细砂干重度19KN/m321KN/m311KN/m327KN/m315KN/m3表3土的力学性质指标表内摩擦角土基允许承载力摩擦系数不均匀系数渗透系数cm/s自然含水量时28200KN/m２混凝土、砌石与土基的摩擦系数当土基为密实细砂层时值为36.0f粘土0.2~5.1中细砂层3105K饱和含水量时25砂土4.2以下土层5105K（四）工程材料1、石料本地区不产石料，需从外地运进，距公路很近，交通方便。2、粘土经调查本地区附近有较丰富的粘土材料。3、闸址处有足够的中细砂。（五）水文气象1、气温本地区年最高气温42.2C，最低气温-20.7C，平均气温14.4C。2、风速最大风速20Vm/s，吹程0.6Km。3、径流量非汛期（1～6月及10～12月）9个月份月平均最大流量9.1m3/s。汛期（7～9）三个月，月平均最大流量为149m3/s，年平均最大流量2.26Qm3/s，最大年径流总量为8.25亿m3。4、冰冻闸址处河水无冰冻现象。（六）批准的规划成果1、根据水利电力部《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》（SD112-78）的规定，本枢纽工程为Ⅲ等工程，其中永久性主要建筑物为3级。2、灌溉用水季节，拦河闸正常挡水位为38.50m。3、洪水标准见表4所示。表4洪水标准表项目重现年洪水流量（m3/s）闸前水位（m）下游水位（m）设计洪水2093739.1539校核洪水50122040.3540.2（七）施工条件1、工期为两年。2、材料供应情况水泥由某水泥厂运输260Km至某市，再运输80Km至工地仓库；其它他材料由市汽车运至工地；电源由电网供电，工地距电源线1.0Km；地下水位平均为28.0~30.0m。（一）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。（二）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30.00m。（三）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93799.15995.7680.9410.0459.195校核流量122010.2010.351166.7681.0460.05610.406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99.195357.79淹没出流校核水位10.2010.406325.820.10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93799.1950.9790.04550.07校核流量122010.2010.4060.980.05655.50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8bm，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=2.146.1287=64m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1m。如图1所示。图1闸孔尺寸布置图(单位：m)（四）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870.02.1880sbb得976.01中；靠缝墩孔833.06.1880sbb得973.02中；对于边孔163.005.41880sbb得909.03中；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9379.1950.9790.410.961048.0411.8%校核流量122010.4060.980.40.961230.990.8%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。（一）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38.50m，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=8.5m，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。表1消力池池深池长估算表开启孔数n开启高度e收缩系数泄流量Q单宽流量q收缩水深hc跃后水深hc″下游水深Hs流态判别消力池尺寸备注池深d池长Ls水跃长Lsj10.80.554445.440.493.272.40自由出流1.0321.519.21.00.616607.550.624.032.651.624.523.51.20.617739.080.744.412.951.725.725.31.50.6199111.40.934.903.251.927.227.4池深控制2.00.62112215.31.245.533.622.231.729.6限开30.80.5541315.440.443.273.75淹没出流1.00.6161817.550.624.034.251.20.6172179.080.744.414.581.50.61927311.40.934.902.00.62136615.31.245.53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。（二）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2m，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。05.100.501.025.320cshZhd2、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32ｍ。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。9.025.35.84.1118.0tm，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)（三）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shqHPL1008.53.351.565.2522.72008.54.303.134.2030.43008.55.254.693.2534.94008.55.956.252.5537.95008.56.627.811.8839.36008.57.209.381.3039.27008.57.8010.90.7036.22、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。（四）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d校核情况15.251422.52157.161.5541.24311.801.700设计情况11.711243149.571.5271.22210.60-0.056根据计算确定防冲槽的深度为1.70m。采用宽浅式，底宽取3.4m，上游坡率为2，下游坡率为3，出槽后作成坡率为5的斜坡与下游河床相连。如图2所示。图2海漫防冲槽构造图(单位：m)（五）上、下游岸坡防护为了保护上、下游翼墙以外的河道两岸岸坡不受水流的冲刷，需要进行护坡。采用浆砌石护坡，厚0.3米，下设0.1米的砂垫层。保护范围上游自铺盖向上延伸2～3倍的水头，下游自防冲槽向下延伸4～6倍的水头。（一）闸底地下轮廓线的布置1、防渗设计的目的防止闸基渗透变形；减