水闸设计计算.

1一、初步设计兴化闸为无坝引水进水闸，该枢纽主要由引水渠、防沙设施和进水闸组成，本次设计主要任务是确定兴化闸的型式、尺寸及枢纽布置方案；并进行水力计算、防渗排水设计、闸室布置与稳定计算、闸室底板结构设计等，绘出枢纽平面布置图及上下游立视图。二、设计基本资料1.概述兴化闸建在兴化镇以北的兴化渠上，闸址地理位置见图。该闸的主要作用有：防洪：当兴化河水位较高时，关闸挡水，以防止兴化河水入侵兴化渠下游两岸农田，保护下游的农田和村镇。灌溉：灌溉期引兴化河水北调，以灌溉兴化渠两岸的农田。引水冲淤：在枯水季节，引兴化河水北上至下游的大成港，以冲淤保港。7.0北至大成港9.0渠化11.0兴闸管所兴化闸兴化河兴化镇闸址位置示意图（单位：m）2.规划数据兴化渠为人工渠道，其剖面尺寸如图所示。渠底高程为0.5m，底宽50.0m，两岸边坡均为1:2。该闸的主要设计组合有以下几方面：211.80.550.0兴化渠剖面示意图（单位：m）2.1孔口设计水位、流量根据规划要求，在灌溉期由兴化闸自流引兴化河水灌溉，引水流量为300m3/s，此时闸上游水位为7.83m，闸下游水位为7.78m；在冬季枯水季节由兴化闸自流引水送至下游大成港冲淤保港，引水流量为100m3/s，此时相应的闸上游水位为7.44m，下游为7.38m。2.2闸室稳定计算水位组合（1）设计情况：上游水位10.3m，浪高0.8m，下游水位7.0m。（2）校核情况：上游水位10.7m，浪高0.5m，下游水位7.0m。2.3消能防冲设计水位组合（1）消能防冲的不利水位组合：引水流量为300m3/s，相应的上游水位10.7m，下游水位为7.78m。（2）下游水位流量关系下游水位流量关系见表3.地质资料3.1闸基土质分布情况根据钻探报告，闸基土质分布情况见表层序高程（m）土质情况标准贯入击数（击）Ⅰ11.75～2.40重粉质壤土9～13Ⅱ2.40～0.7散粉质壤土8Ⅲ0.7～-16.7坚硬粉质粘土（局部含铁锰结核）15～21Q（m3/s）0.050.0100.0150.0200.0250.0300.0H下（m）7.07.207.387.547.667.747.7833.2闸基土工试验资料根据土工试验资料，闸基持力层为坚硬粉质粘土，其内摩擦角=190，凝聚力C=60.0Kpa；天然孔隙比e=0.69，天然容重γ=20.3KN/m3，比重G=2.74，变形模量0E=4104KPa；建闸所用回填土为砂壤土，其内摩擦角=260，凝聚力C=0，天然容重γ=18KN/m3；混凝土的弹性模量Eh=710.32KPa。4.闸的设计标准根据《水闸设计规范》SL265-2001，兴化闸按Ⅲ级建筑物设计。5.其它有关资料5.1闸上交通根据当地交通部门建议，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5.5m，采用板梁式结构，见图，每米桥长约重80KN。10.015.0450.015.010.0110.02﹪2﹪10.015.055.070.045.0137.5045.0137.5045.070.0550.0交通桥剖面图（单位：cm）5.2该地区“三材”供应充足。闸门采用平面钢闸门，尺寸自定，由于厂设计加工制造。5.3该地区地震烈度设计为6度，故可不考虑地震影响。5.4该地区风速资料不全，在进行浪压力设计时，建议取llh10L计算。三、枢纽布置兴化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组成。1.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0.5m，顶高程1.3m，迎水面直立，背流坡为1:1的斜坡，其断面见图4枢纽布置图2.引水渠的布置兴化河河岸比较坚稳，引水渠可以尽量短（大约65m），使兴化闸靠近兴化河河岸。为了保证有较好的引水效果，引水角取35°，并将引水口布置在兴化河凹岸顶点偏下游水深较大的地方。为了减轻引水口处的回流，使水流平顺的进入引水口，引水口上、下游边角修成圆弧形。引水渠在平面上布置成不对称的向下游收缩的喇叭状，见图3-1。3.进水闸布置进水闸（兴化闸）为带胸墙的开敞式水闸。共5孔，每孔净宽5m。胸墙底部高程为8.1m，闸顶高程为11.8m，闸门顶高程为8.3m。3.1闸室段布置闸底板为倒∏型钢筋混凝土平底板，缝设在底板中央。底板顶面高程为0.5m，厚1.2m，其顺水流方向长16m。闸墩为钢筋混凝土结构，顺水流方向长和底板相等，中墩厚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11.8m。闸墩上设有工作门槽和检修门槽。检修门槽距闸墩上游边缘1.7m，工作门槽距闸墩上游边缘5.49m，胸墙与检修门槽之间净距为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-63卷扬式启闭机。工作桥支承为实体排架，由闸墩缩窄而成。其顺水流长2.3m，厚0.5m,底面高程11.8m，顶面高程16.5m，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8.5m。3.2上游连接段布置铺盖为钢筋混凝土结构，其顺水流方向长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11.0m，其上设0.8m高的混凝土挡浪板。墙后填土高程为10.8m。翼墙底板为0.6m厚的钢筋混凝土板，前趾长1.2m，后趾长0.2m。翼墙上游与铺盖头部齐平。5翼墙上游为干砌块石护坡，每隔12m设一道浆砌石格埂。块石底部设15cm的砂垫层。护坡一直延伸到兴化渠的入口处。3.3下游连接段布置闸室下游采用挖深式消力池。其长为21.5m,深为0.5m。消力池的底板为钢筋混凝土结构，其厚度为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。消力池底板下按过滤的要求铺盖铺设厚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。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8.5m，其上设高0.8m的挡浪板，墙后填土高程为8.0m。下游翼墙底板亦厚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。下游亦采用干砌块石护坡，护坡至9.8m高程处。每隔8m设一道浆砌石格埂。护坡延伸至与防冲槽下游端部齐平。四、水力计算水力设计主要包括两方面的内容,即闸孔设计和消能设计。1.闸孔设计闸孔设计的主要任务:确定闸室结构形式、选择堰型、确定堰顶高程及孔口尺寸。1.1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10.3m～10.7m,而泄水时上游水位为7.44m～7.83m,挡水位时上游最高水位比下游最高水位高出2.87m，故拟设设置胸腔代替闸门挡水，以减小闸门高度，减小作用在闸门上的水压力，减小启门力，并降低工作桥的高度，从而减少工程费用。综上所述：该闸采用带胸墙的开敞式闸室结构。1.2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板宽顶堰。考虑到闸基持力层是坚硬粉质粘土,土质良好,承载能力大,并参考该地区已建在工程的经验,拟取闸底板顶面与兴化渠渠底齐平，高程为0.5m。1.3孔口尺寸的确定（1）初拟闸孔尺寸。该闸的孔口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=7.83-0.5=7.33m下游水深sh=7.78-0.5=7.28m引水流量Q=300m3/s6上游行近流速V0=Q/AA=(b+mH)H=(50+2×7.33)×7.33=473.96m2V=300/473.96=0.633sm3H0=H+V02/2g=7.33+0.6332/（2×9.8）=7.35mhS/H0=7.28/7.35=0.990.8,故属淹没出流。查SL265-2001表A·0·1-2，淹没系数σS=0.36由宽顶堰淹没出流公式：2/300g2mHBQS对无坎宽顶堰，取m=0.385，假设侧收缩系数=0.96，则)2/(2/3001HgmQBS=2/35.371.8926.9085.3036.0300=25.54m2）引水冲淤保港上游水深H=7.44-0.5=6.94m下游水深h=7.38-0.5=6.88m引水流量Q=100sm3上游行近流速V0=Q/AA=(b+mH)H=(50+2×6.94)×6.94=443.3sm30v=Q/A=100/443.3=0.23m/s0.5m/s,可以忽略不计，则H0≈H=6.94m。hS/H0=6.88/6.94=0.990.8,故属淹没出流。查SL265-2001表A·0·1-2，得淹没系数σs=0.36同样取m=0.385，并假定6.90，则得比较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，故闸孔净宽B0宜采用较大值25.54m。拟将闸孔分为5孔，取每孔净宽为5m,则闸孔实际总净宽为B0=5×5=25.0m。由于闸基土质条件较好，不仅承载能力较大，而且坚硬、紧密。为了减少闸孔总宽度，节省工作量，闸底板宜采用整体式平底板。拟将分缝设在各孔底板的中间位置，形成倒∏型底板。中墩采用钢筋混凝土结构，厚1.1m，墩头、墩尾均采用半圆形，半径为0.55m。（2）复核过闸流量对于中孔，b0=5mbs=b0+=5+1.1=6.1mb0/bs=5/6.1=0.8202/30s022HgmQBm..28.94.9681926.9085.303601002/37查SL265-2001表A.0.1-1，得971.0z对于边孔，b0=5msb=41.76mb0/bs=0.12查SL265-2001表A·0·1-1，得b=0.909。则：=[εz（N-1）+b]/N=0.959。对于无坎平底宽底堰，m=0.385,则2/3002HgBmQS2/335.781.9225957.0385..036.0sm/5.2943QQQ实×100%=300300-.5298100%1.83%5%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於保港的要求。因此，该闸的孔口尺寸确定为：共分5孔，每孔净宽5m，4个中墩各厚1.1m，闸孔总净宽为25m，闸室总宽度为29.4m。2.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。2.1消力池的设计（1）上下游水位连接形态的判别。闸门从关闭状态到泄流量为300sm3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,流量50sm3;待下游的水位稳定后,增大开度至150sm3，待下游的水位稳定后,增大开度至300sm3。当泄流量为50sm3时:上游水深H=10.7-0.5=10.2m;下游水深可采用前一级开度(即Q=0)时的下游水深t=7.0-0.5=6.5m;上游行进流速0V=AQ=.171850=0.069m/s(smv/5.00),可以忽略不计。假设闸门的开度e=0.44m.He=0.0430.65,为孔流。查《水力学》(河海大学出版社)表10.7，得垂直收缩系数=0.636，则：hc=e=0.636×0.44=0.28mch=181232ccghqh8mhc32.1128.081.9)4.29/50(81228.032cht=6.5m,故为淹没出流。由(t﹣ch)/(H-ch)=0.58,查SL265-2001表A·0·3-2（采用插