水閘畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、第一章 總論第一節(jié) 概述一、工程概況渦河發(fā)源于河南省中牟縣境內(nèi)，經(jīng)開封、通許、尉氏、太康、鹿邑等縣，在安徽省與惠濟(jì)河匯合后流入淮河。匯合口以上流域面積4200km2，渦河在鹿邑縣境內(nèi)屬平原穩(wěn)定型河流,河面寬約200m，深約7-10米.由于河床下切較深，又無適當(dāng)控制工程，雨季地表徑流自由流走,而雨過天晴經(jīng)常干旱，加之打井提水灌溉，使地下水位愈來愈低，嚴(yán)重影響兩岸的農(nóng)業(yè)灌溉和人蓄用水.為解決當(dāng)?shù)?0萬畝農(nóng)田的灌溉問題，上級(jí)批準(zhǔn)的規(guī)劃確定，在鹿邑縣渦河上修建擋水樞紐工程。本工程位于河南省鹿邑縣城北約1Km，距匯合口18Km。它是渦河梯級(jí)開發(fā)中最末一級(jí)工程,渦河閘控制流域面積4070Km2。二、攔河閘

2、任務(wù)渦河攔河閘所擔(dān)負(fù)的任務(wù)是正常情況下攔河截水，抬高水位，以利灌溉。洪水時(shí)開閘泄水，以保安全.本工程建成后，可利用河道一次蓄水800萬m3，調(diào)蓄河水兩岸溝塘，大量補(bǔ)給地下水，有利于進(jìn)灌和人蓄用水，初步解決40萬畝農(nóng)田的灌溉問題，并為工業(yè)生產(chǎn)提供足夠的水源，同時(shí)漁業(yè)、航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，以及改善環(huán)境，美化城鄉(xiāng)都是極為有利的。第二節(jié) 基本資料一、地形資料閘址處系平原型河段，兩岸地勢平坦，地面高程約為40.00m左右。河床坡降平緩,縱坡約為1/10000,河床平均標(biāo)高約為30.0m，主槽寬度約為80100m，河灘寬平，至復(fù)式河床橫斷面，河流比較順直。附 閘址地形圖一張（1/1000)二、地質(zhì)資料(一）根據(jù)

3、鉆孔了解閘址地層屬河流沖積相，河床部分地層屬第四級(jí)蟓更新世Q3與第四紀(jì)全新世Q4的層交錯(cuò)現(xiàn)象,閘址兩岸地面高程均在43m左右.閘址處地層向下分布情況如下：1、 重粉質(zhì)壤土:分布在河床表面以下，深約3m。2、 細(xì)砂：分布在重粉質(zhì)壤土以下（河床部分高程約在28.8m以下。）3、 中砂：分布在細(xì)砂層以下，在河床部分的厚度約為5m左右。4、 重粉質(zhì)壤土：分布在中砂層以下（深約22m以下).5、 中粉質(zhì)壤土：分布在重粉質(zhì)壤土以下,厚度58m。附 閘址附近地址剖面圖一張三、土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)1.物理性質(zhì)濕容重 a=19kN/m3飽和容重 飽=21kN/m3浮容重 浮=11Kn/m3細(xì)砂比重 g= 27k

4、N/m3細(xì)砂干容重 干=15kN/m32內(nèi)摩擦角自然含水量時(shí) =280飽和含水量時(shí) =2503。土基許可承載力： 【】=200kN/m34?；炷?、砌石與土基摩擦系數(shù) 密實(shí)細(xì)砂層 f=0。365。地基應(yīng)力不均勻系數(shù)粘土（）=1。5-2。0砂土(）=2.56.滲透系數(shù)中細(xì)砂層 k=5×10-3 平均厚度約5m以下土層 k=5×105 作為相對(duì)不透水層四、工程材料1、石料：本地區(qū)不產(chǎn)石料,需從外地運(yùn)進(jìn)，距離公路很近，交通方便。2、粘土：經(jīng)調(diào)查本地區(qū)附近有交豐富的粘土材料。3、閘止處有足夠的中細(xì)砂。五、本地區(qū)地震烈度在6度以下。六、水文氣象1、氣溫：本地區(qū)年最高氣溫42.20C,

5、最低氣溫-200C，平均氣溫14.40C.2、風(fēng)速：最大風(fēng)速V=20m/s，吹程 0.6km。3、徑流量：非汛期（16月及10-12月）9個(gè)月份渦河月平均最大流量9。1m3/s汛期(7-9)三個(gè)月,渦河月平均最大流量為149m3/s，年平均最大流量Q=26.1m3/s，最大年徑流總量為8.25億m3。4、冰凍：閘址處河水無冰凍現(xiàn)象。七、河槽整治斷面及水位流量關(guān)系曲線經(jīng)批準(zhǔn)的規(guī)劃決定：對(duì)原河槽將適當(dāng)調(diào)整,并在兩岸作矮堤,以擴(kuò)大泄洪能力，提高防洪安全的保證率。規(guī)劃確定的上下游河道整治后斷面如附圖。下游河道水位流量關(guān)系曲線見圖11.圖11 上下游河道橫斷面圖(單位:m）八、施工條件1、 期為兩年2、

6、 材料供應(yīng) 電源：有電網(wǎng)供電，工地距電源線1。0公里。 地下水位 平均28。030.0 m九、批準(zhǔn)的規(guī)劃成果1、 根據(jù)水利電力部水利水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（SDJ 1278)的規(guī)定，本樞紐工程為三等工程，其中永久性主要建筑物為3級(jí).2、 灌溉用水季節(jié)，攔河閘正常擋水位為39.50m。3、 洪水標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目重現(xiàn)(年）洪水流量m3/s閘前水位（m）下游水位（m）設(shè)計(jì)洪水20132040。7740。61校核洪水100166041.9841.97第三節(jié) 工程綜合說明本工程為攔河閘，建造在河道上。枯水期用以攔截河道，抬高水位，以利上游取水或航運(yùn)要求；洪水期則開閘泄洪，控制下游流量。一、河閘的特點(diǎn)攔

7、河閘既用以擋水，又用于泄水，且多修建在軟土地基上，因而在穩(wěn)定、防滲、消能防沖及沉降方面都有其自身的特點(diǎn).1穩(wěn)定方面關(guān)門攔水時(shí)，水閘上、下游較大的水頭差造成較大的水平推力，使水閘有可能沿基面產(chǎn)生向下游的滑動(dòng),為此，水閘必須具有足夠的重力，以維持自身的穩(wěn)定。2防滲方面由于上下游水位差的作用，水將通過地基和兩岸的土壤會(huì)被掏空，危及水閘的安全。滲流對(duì)閘室和兩岸連接建筑物的穩(wěn)定不利。因此，應(yīng)妥善進(jìn)行防滲設(shè)計(jì)。3能防沖方面水閘開閘泄水時(shí)，在上下游水位差作用下，過閘水流往往具有較大的動(dòng)能,流態(tài)也較復(fù)雜，而土質(zhì)河床的抗沖能力較低，可能引起沖刷。此外，水閘下游常出現(xiàn)波狀水夭和折沖水流，會(huì)進(jìn)一步加劇對(duì)河床和兩岸的

8、淘刷.因此，設(shè)計(jì)水閘除應(yīng)保證閘室具有足夠的過水能力外，還必須采用有效的消能防沖措施，以防止河道產(chǎn)生有害的沖刷.4沉降方面土基上的建閘，由于土基的壓縮性大,抗剪強(qiáng)度低,在閘室的重力合外部荷載作用下，可能產(chǎn)生較大的沉降影響正常使用，尤其是不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致水閘傾斜,甚至斷裂。在水閘設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理選擇閘型、構(gòu)造，安排好施工程序，采取必要的地基處理等措施，以減少過大的地基沉降和不均勻沉降。二、攔河閘的組成攔河閘通常由上游連接段，閘室段和下游連接段三部分組成。（一）上游連接段上游連接段的主要作用是引導(dǎo)水流平穩(wěn)地進(jìn)入閘室，同時(shí)起防沖、防滲、擋土等作用。一般包括上游翼墻、鋪蓋、護(hù)底、兩岸護(hù)坡及上游防沖槽等。

9、上游翼墻的作用是引導(dǎo)水流平順地進(jìn)入閘孔并起側(cè)向防滲作用。鋪蓋主要起防滲作用，其表面應(yīng)滿足抗沖要求。護(hù)坡、護(hù)底和上游防沖槽(齒墻）是保護(hù)兩岸土質(zhì)、河床及鋪蓋頭部不受沖刷。（二）閘室段閘室是水閘的主體部分,通常包括底板、閘墩、閘門、胸墻、工作橋及交通橋等。底板是閘室的基礎(chǔ),承受閘室的全部荷載，并比較均勻地傳給地基，此外，還有防沖、防滲等作用。閘墩的作用是分割閘孔，并支承閘門、工作橋等上部結(jié)構(gòu)。閘門的作用是攔水和控制下瀉流量.工作橋供安置起閉機(jī)和工作人員操作之用。交通橋的作用是連接兩岸交通.(三）下游連接段下游連接段具有消能和擴(kuò)散水流的作用.一般包括護(hù)坦、海漫、下游防沖槽、下游翼墻及護(hù)坡等。下游翼墻

10、引導(dǎo)水流均勻擴(kuò)散兼有防沖及側(cè)向防滲作用。護(hù)坦具有削能防忡作用.海漫的作用是進(jìn)一步消除護(hù)坦出流的剩余動(dòng)能、擴(kuò)散水流、調(diào)整流速分布、防止河床沖刷。下游防沖槽是海漫末端的防護(hù)設(shè)施，避免沖刷向上游擴(kuò)展。第二章 水力計(jì)算第一節(jié) 閘址及形式選擇一、閘址選擇閘址選擇關(guān)系到工程建設(shè)的成功和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮，是水閘設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容.應(yīng)根據(jù)水閘的功能、特點(diǎn)和運(yùn)用要求，以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)條件，綜合考地形、地質(zhì)、建筑材料、交通運(yùn)輸、水流、潮汐、冰情、泥砂、施工、管理、周圍環(huán)境等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。閘址應(yīng)選擇在地形開闊、岸坡穩(wěn)定、巖土堅(jiān)實(shí)和地下水位較低的地點(diǎn)。閘址應(yīng)選用地質(zhì)條件良好的天然地基。壤土、中砂、粗砂、砂礫石

11、適與作為水閘的地基.盡量避免淤泥質(zhì)土和粉砂、細(xì)砂地基，必要時(shí)，應(yīng)采取妥善的處理措施。攔河閘應(yīng)選擇在河道順直、河勢相對(duì)穩(wěn)定和河床斷面單一的河段，或選擇在彎曲的河段采彎取直的新開河道上。應(yīng)考慮材料來源、對(duì)外交通、施工導(dǎo)流、場地布置、基坑排水、施工水電供應(yīng)等條件,同時(shí)還應(yīng)考慮水閘建成后工程管理維修和防洪搶險(xiǎn)等條件。水閘中心線的布置應(yīng)考閘室與兩岸建筑物均勻，對(duì)稱的要求。攔河閘的中心線一般應(yīng)與河道中泓線相吻合。該攔河閘選在鹿邑縣城北約1km處，閘軸線如地形圖所示。二、閘室型式選擇閘室按結(jié)構(gòu)形式可分為：開敞式水閘和涵洞式水閘。（一）開敞式水閘閘室上面不填土封閉的水閘。一般有泄洪、排水、過木等要求時(shí)，多采用

12、不帶胸墻的開敞式水閘，多用于攔河閘、排冰閘等。當(dāng)上游水位變幅大，而下泄流量又有限制時(shí),為避免閘門過高，常采用帶胸墻的開敞式水閘,如進(jìn)水閘、排水閘、擋潮閘多用這種形式.(二）涵洞式水閘閘身上面填土封閉的水閘，又稱封閉式水閘.常用于穿堤水或排水的水閘。洞內(nèi)水流可以是有壓的或無壓的。綜合考慮該工程特點(diǎn)，上、下游水位差較小，不須控制流量，泄洪時(shí)可能有漂浮物等因素,可采用無胸墻的開敞式水閘。(三)閘孔形式的選擇閘孔形式一般有寬頂堰型、實(shí)用堰低型和胸墻孔口型三種。1寬頂堰型.這是水閘最常用的底板結(jié)構(gòu)形式。主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、泄流能力比較穩(wěn)定，有利于泄洪、沖沙、排淤、通航等；其缺點(diǎn)是自由泄流時(shí)流量

13、系數(shù)小，容易產(chǎn)生波狀水。2實(shí)用堰低型.有梯形、曲線型和駝峰型。實(shí)用堰型自由泄流時(shí),流量系數(shù)較大，水流條件較好，選用適宜的堰面形式可以消除波狀水。但泄流能力受尾水位變化的影響較為明顯，不穩(wěn)定.3胸墻孔口型。這種堰可以減小閘門高度和啟門力,也可降低工作橋高和工程造價(jià)。根據(jù)各種形式的適用條件，綜合考慮該工程特點(diǎn)，河槽蓄水，閘前基本沒有淤積，閘底高程應(yīng)盡可能底。因此，采用無底砍平底版寬頂堰，堰頂高程與河床同高,即閘底板高程為30.00m。第二節(jié) 閘孔尺寸確定一、底板高程確定底板高程與水閘承擔(dān)的任務(wù)、泄流或引水流量、上下游水位及河床地質(zhì)條件等因素有關(guān)。閘底板應(yīng)置于較為堅(jiān)實(shí)的土層上，并應(yīng)盡量利用天然地基。

14、在地基強(qiáng)度能夠滿足要求的條件下，底板高程定得高些，閘室寬度大,兩岸連接建筑物相對(duì)較低.對(duì)于小型水閘，由于兩岸建筑物在整個(gè)工程中所占比重較大，因而適當(dāng)降低底板高程，常常是有利的。當(dāng)然,底板高程也不能定的太低，否則，由于單寬流量加大，將會(huì)增加下游消能防沖的工程量,閘門增高，啟閉設(shè)備的容量也隨之增大。另外,基坑開挖也較困難.選擇底板高程前，首先要確定合適的最大過閘單寬流量。它取決于閘下游河渠的允許最大單寬流量。允許最大過閘單寬流量可按下游河床允許最大單寬流量的1。21.5倍確定。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般在細(xì)粉質(zhì)及淤泥河床上,單寬流量取510m3/（sm)；在砂壤土地基上取1015m3/（sm);在壤土

15、地基上取1520m3/（sm）；在黏土地基上取2025m3/(sm）。下游水深較深，上下游水位差較小和閘后出流擴(kuò)散條件較好時(shí)，宜選用較大值。一般情況下，攔河閘的底板頂面與河床齊平，即閘底板高程30。0m。二、擬定閘孔尺寸及閘墩厚度1由已知上、下游水位及閘底板高程，由公式（2-1）、式（2-2)可求得上游水頭及下游水深 。 v0=Q/A （21）H0=H+v02/2g （22）其中 v0行進(jìn)流速，m/s； Q-過流流量,m3/s；A-過水?dāng)嗝婷娣e，m2；H0含有行進(jìn)流速水頭在內(nèi)的閘前水頭，m。推算的上游水頭及下游水深見表21。表21 上游水頭計(jì)算流量Q（m3/s)下游水深hs（m）上游水深H(m

16、）過水?dāng)嗝娣e（m2）行進(jìn)流速v0（m/s）v02/2g上游水頭H0（m）設(shè)計(jì)流量132010.6110.771228。661。070。0610.83校核流量166011.7911.981412.881.170.0712.052判別出流流態(tài)閘門全開泄洪時(shí),一般屬于淹沒條件下的水流，所以采用平底板寬頂堰堰流公式,根據(jù)設(shè)計(jì)，校核情況下的上、下游水位及流量進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于寬頂堰，其淹沒條件為：: hs0。8H0 （23）式中 hs下游水深,m；H0含有行進(jìn)流速水頭在內(nèi)的閘前水頭，m。根據(jù)公式（23）判別是否為淹沒出流，其判別計(jì)算見表22。表2-2 淹沒出流判別計(jì)算計(jì)算情況下游水深hs（m)上游水頭H0(

17、m）hs>0。8H0流態(tài)設(shè)計(jì)水位10.6110。8310.61>8。66淹沒出流校核水位11.7912。0511。799.64淹沒出流3確定閘門總凈寬對(duì)于平底板寬頂堰,閘門設(shè)計(jì)規(guī)范中推薦的堰流公式為： B= （24)其中 B閘孔凈寬，m; Q-流量，m3/s； 側(cè)收縮系數(shù),初擬可按0。95-0.96估計(jì)； m-流量系數(shù)，初擬可按0.385計(jì)算； s-淹沒系數(shù)，可通過查表求得.按閘門總凈寬計(jì)算公式（24），根據(jù)設(shè)計(jì)洪水和校核洪水兩種情況分別計(jì)算，見表23。其中堰流側(cè)收縮系數(shù)取0。96;流量系數(shù)m取0.385；淹沒系數(shù)s根據(jù) hs/H0查水力學(xué)教材。并取兩者的較大值。表23 閘孔總凈寬

18、計(jì)算流量Q（m3/s）下游水深hs（m）上游水頭H0（m）hs/H0淹沒系數(shù)sB0（m)設(shè)計(jì)流量132010.6110.830。9800.4056.56校核流量166011。7912.050.9780。4257.72 4.閘孔尺寸的選擇閘室單孔寬度應(yīng)根據(jù)閘的地基條件、運(yùn)用要求、閘門結(jié)構(gòu)形式、啟閉機(jī)容量以及閘門等因素，進(jìn)行綜合比較確定。根據(jù)閘門設(shè)計(jì)規(guī)范中閘孔尺寸和水頭系列標(biāo)準(zhǔn)，選定單孔凈寬b=8m，同時(shí)為了保證閘門對(duì)稱開啟，防止不良水流形態(tài),選用7孔.5閘墩的厚度及墩頭形狀選用整體式底板，縫設(shè)在閘墩上,中墩厚1.2m，縫墩厚1.6m,邊墩厚1m。墩頭采用圓弧形。閘孔布置如圖21所示：圖21 閘孔

19、尺寸布置圖 (單位：m)閘孔總寬度為： L=(7×8）+（2×1.6+4×1.2）=64（m)二 、校核閘孔的泄洪能力水閘設(shè)計(jì)規(guī)范中堰流的計(jì)算公式為:Q= （2-5）式中 B=nb0（n為閘孔數(shù)，b0為單孔凈寬），分別按設(shè)計(jì)、校核兩種情況確定計(jì)算參數(shù)，求出相應(yīng)的實(shí)際過閘流量Q1，校核過流能力.一般其相對(duì)差值不應(yīng)超過5.5 （26）5% （27)根據(jù)孔口與閘墩的尺寸可計(jì)算側(cè)收縮系數(shù),查水閘設(shè)計(jì)規(guī)范(2-2），結(jié)果如下：對(duì)于中孔：b0/bs=8/(8+1。2）=0。870 得1=0。967；靠縫墩孔：b0/bs=8/(8+1。6）=0.833 得2=0.973；對(duì)于邊

20、孔：b0/bs=b0/(b0+bb)=8/（8+11。983+2+（8064）/2）=0。148 得3=0.909所以 E=（n1中1+ n2中2+ n3中3)/（n1+n2+n3）=(10。976+4*0。973+20。909）/（1+4+2) =0。955與假定接近，根據(jù)選定的孔口尺寸與上下游水位，進(jìn)一步換算流量如下表所示：表24 過流能力校核計(jì)算計(jì)算情況（m3/s)堰上水頭H0（m）hs/H0sQ校核過流能力設(shè)計(jì)流量132010。830.9800.400.961306.990。99%校核流量166012.050。9780.420。961610.642。97% 兩種情況下過流能力都小于5，

21、說明孔口尺寸的選擇較為合理,所以不再進(jìn)行調(diào)整.閘孔選7孔，單孔凈寬為8m。三、輔助曲線的繪制根據(jù)水閘所在的河流縱橫斷面圖，繪制下游水位與流量關(guān)系曲線。用明渠均勻流公式進(jìn)行計(jì)算： Q=AC C= R=A/x (28）式中 A過流斷面面積，m2；C謝才系數(shù)，m1/2/s;R-水力半徑，m；n河槽的糙，查水力學(xué)教材63，取n=0.05;x過水?dāng)嗝娴臐裰埽琺；i-渠道底坡，本設(shè)計(jì)i=1/10000.假設(shè)下游水深hs，由公式（28）求得相應(yīng)的流量Q,可列表計(jì)算，如表25所示.hs（m）A（m2）X(m）R（m）C（m0.5/s）Q(m3/s)1.08386。30。9619。916.162.017292。

22、651。8622。252。013。026798.972。7023.60103.544。0368105。303.4924。64169。405。0475111.624。2625.46242.166.0588117。954。9926.14343.357.0711128。275.5426.61445。328.0840134.606。2427。14569.489。0975140.926.9227。61708.15表25 下游水深與流量表根據(jù)下游水深與流量表繪制下游水深與流量關(guān)系曲線圖HQ圖，見附圖.附圖 下游斷面HQ關(guān)系曲線圖第三節(jié) 消能防沖設(shè)計(jì)水閘泄水時(shí)，部分勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,流速增大，具有較強(qiáng)的沖刷能

23、力，而土質(zhì)河床的抗沖能力又較低,因此，必須采取適當(dāng)?shù)南芊罌_措施。那么首先應(yīng)了解過閘水流的特點(diǎn)。一、過閘水流的特點(diǎn)1水流形式復(fù)雜初始泄流時(shí)，閘下水深較淺，隨著閘門開度的增大而會(huì)逐漸加深，閘下出流由孔口到堰流，自由出流到淹沒出流都會(huì)發(fā)生，水流形態(tài)比較復(fù)雜。因此,消能設(shè)施應(yīng)在任意工作情況下,均能滿足消能的要求并與下游很好的銜接.2、 閘下易形成波狀水躍由于水閘上下游水位差較小，出閘水流的拂汝得數(shù)較低（Fs=11.7），容易放生波狀水躍，特別是在平底板的情況下更是如此。此時(shí)，無強(qiáng)烈的水躍旋滾，水面波動(dòng)，消能效果差,具有較大的沖刷能力.另外，水流處于急流狀態(tài),不易向兩側(cè)擴(kuò)散,致使兩側(cè)產(chǎn)生回流，縮小河槽

24、有效過水寬度，局部單寬流量增大，嚴(yán)重地沖刷下游河道。3、 閘下容易出現(xiàn)折沖水流一般水閘的寬度較上下游河道窄，水流過閘時(shí)先收縮而后擴(kuò)散。如工程布置或操作運(yùn)行不當(dāng),出閘水流不能均勻擴(kuò)散，將使主流集中，蜿蜒蛇行,左沖右撞，形成折沖水流，沖毀消能防沖設(shè)施和下游河道。二 、消能防沖方式選擇 泄水建筑物下游水流的消能防沖方式有以下幾種形式.1底流式銜接消能能使下泄的高速水流在較短的距離內(nèi)有效地通過水躍轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚?，消除余能，與下游河道的正常流動(dòng)銜接起來。平原地區(qū)的水閘,由于水頭低,下游水位變幅大，適用底流式消能。2挑能式消能在建筑物出流部位利用挑流鼻坎將水流拋射在較遠(yuǎn)的下游,不致影響建筑物安全。適用山區(qū)灌溉

25、渠道上的泄水閘和退水閘，下游為堅(jiān)硬的巖體，又具有較大的水頭的情況.3面流式消能對(duì)下游水深較大且穩(wěn)的情況，可采用低與下游水位的跌坎，將下泄的高速水流送入下游河道水流表層,在坎后形成底部旋滾,減輕對(duì)河床的沖刷,并消除余能.由于本閘位于平原地區(qū)，河床的抗沖刷能力較低，采用底流式消能。三 、能防沖設(shè)施的設(shè)計(jì)（一）消能控制條件分析設(shè)計(jì)水位或校核水位時(shí)閘門全開，宣泄洪水，為淹沒出流，無須消能,閘前為常高水位39。50m,部分閘門局部開啟，只宣泄較小流量時(shí)，下游水位不高,閘下射流速度較大，才會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的沖刷河床現(xiàn)象，須設(shè)置相應(yīng)的消能設(shè)施.為了保證無論何種開啟高度的情況下均能發(fā)生淹沒式水躍消能，采用閘前水深H

26、=9。5m，閘門局部開啟情況,作為消能防沖設(shè)計(jì)的控制情況。為了降低工程造價(jià)，確保水閘安全運(yùn)行,可以規(guī)定閘門的操作規(guī)程，本設(shè)計(jì)按1、3、5、7孔對(duì)稱方式開啟,分別對(duì)不同開啟孔數(shù)和開啟度進(jìn)行組合計(jì)算，找出消力池池深和池長的控制條件。水閘設(shè)計(jì)規(guī)范中指出，消力池計(jì)算簡圖及主要計(jì)算公式如下：圖23 消力池計(jì)算簡圖孔口出流流量公式：Q= (29) 消力池池深:d=hcz （210) 挖池前收縮水深：hc= （211） 挖池后收縮水深： =0 （212） 躍后水深:hc= （2-13） 出池落差：z= （214） 式中 Q-下泄流量，m3/s；-寬頂堰上孔流流量系數(shù)，=e閘門開啟高度，m；收縮系數(shù)； -流速

27、系數(shù)，=0。91.0，取=0。985b閘孔單寬,m；H0堰上水頭，m；n開啟孔數(shù)；d消力池深度，m;0-水躍淹沒系數(shù)，可采用1.051。10，取1。05;hc躍后水深，m;hc-收縮水深，m；T0總勢能，m；z出池落差，m；hs出池河床水深，m。對(duì)于消力池池深的計(jì)算,應(yīng)先計(jì)算出挖池前收縮水深,按水利學(xué)公式估算出池深，然后求出總勢能，再試算出挖池后的收縮水深.其計(jì)算式如下：消力池長度： Lsj=Ls+Lj （215）水躍長度: Lj=6.9（h chc） 式中 Lsj消力池長度，m；Ls-消力池斜坡段水平投影長度，m；水躍長度校正系數(shù)，可采用0。70。8；Lj水躍長度，m。通過躍后水深與下游水深

28、的比較進(jìn)行流態(tài)判別，經(jīng)過計(jì)算,找出最大的池深,池長作為相應(yīng)的控制條件。同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)及其他原因，對(duì)池深較大的開啟度采用限開措施.關(guān)于流態(tài)判別如下:h c<hs 為淹沒出流；h c=hs 為臨界狀態(tài);h c>hs 為自由出流的遠(yuǎn)驅(qū)式水躍.按式（29）、式（210）、式(2-11）、式(212）、式（213）、式（214）、式（215）、式（216)估算消力池深及池長，其結(jié)果如表26所示.表26 消力池池深、池長估算開啟孔數(shù)n開啟高度e收縮系數(shù)泄流量Qm3/s單寬流量q(m3/sm）收縮水深hc（m）躍后水深hc(m)下游水深hs（m)流態(tài)判別自由出流削力池尺寸池深d（m）池長lsj(

29、m)水躍長lj(m）備注11.00。6637.780.624.212.202。0128.5827.391。20。6759.420.744.592。452。1430.6031。741.50.69311.660。935。012.802.2132.6533.192。00.612215。311.245.623。302。3236。4036.16池深控制2.50。615118.861.566.083。702.3838。9139.19限開30。80.61526。330.493.853.720。3218。8823。461。20。62269.420。744。594.80淹沒出流1。50.628011。660。9

30、35。015。402.00.636715.311。245。626.25注：計(jì)算式中系數(shù)如下： =1.05，=0.97，=0。75，消力池坡段邊坡系數(shù)m=4。通過計(jì)算，為了節(jié)省工程造價(jià)，防止消力池過深，對(duì)開啟1孔開啟高度為2。5m限開,開啟高度為2.0m的消力池池深為控制條件.（二） 消力池尺寸及構(gòu)造1消力池深度的計(jì)算根據(jù)所選擇的控制條件,估算池深為2。3m,用公式（212）、（2-13）、式（214）計(jì)算挖池后的收縮水深hc1和相應(yīng)的出池落差z及躍后水深hc.計(jì)算如下： T0=H0+d=11。8(m） 即11.8= 用迭帶法求得=1.09hc=6。10（m)z= =0。87（m）驗(yàn)算水躍淹沒系

31、數(shù)，由水力學(xué)教材公式求： 0 =（d+hs+z)/hc （2-17）得 0=(2.3+3。30+0.87）/6.10=1。061符合在1.051.10之間的要求。2消力池池長根據(jù)池深2。3m,用式（215)、式（216)求得相應(yīng)的消力池長度為36m.3消力池護(hù)坦厚度消力池底板（即護(hù)坦）承受水流的沖擊力、水流脈動(dòng)壓力和底部揚(yáng)壓力等作用,應(yīng)具有足夠的重量、強(qiáng)度和抗沖耐磨的能力.護(hù)坦一般是等厚的，也可采用不同的厚度,始端厚度大，向下游逐漸減小。護(hù)坦厚度可根據(jù)抗沖和抗浮要求,分別計(jì)算，并取其最大值。按抗沖要求計(jì)算消力池護(hù)坦厚度公式為：t=k1 （218)按抗浮要求計(jì)算消力池護(hù)坦厚度公式為：t=k2 (

32、219）式中 t-消力池底板始端厚度，m；k1消力池底板計(jì)算系數(shù)，可采用0。1750.20；k2消力池底板安全系數(shù),可采用1.11。3；py揚(yáng)壓力，kpa;H泄水時(shí)上、下游水位差，m；Hd消力池內(nèi)平均水深，m；-水的重度，kN/m3；1-消力池底板的飽和重度，kN/m3。該工程可根據(jù)抗沖要求，按式（218）計(jì)算消力池底板厚度。其中k1取為1。80,q為確定池深時(shí)的過閘單寬流量,此處q=15.31m3/（sm），H為相應(yīng)于單寬流量的上、下游水位差（上游水深9.50m,下游水深3.30m)，則其底板厚度為：t=0.18=1.11(m）可取消力池底板厚度為t=1。20m。4消力池的構(gòu)造底流式消力池設(shè)

33、施有三種形式：挖深式、消力檻式和綜合式。當(dāng)閘下游尾水深度小于躍后水深時(shí),可采用挖深式消力池消能;閘下游尾水深度略小于躍后水深時(shí)，可采用消力檻式消力池消能；閘下游尾水深度遠(yuǎn)小于躍后水深，且計(jì)算深度應(yīng)較深時(shí)，可采用挖深式與消力檻式相結(jié)合的綜合式消力池消能。護(hù)坦與閘室、岸墻及翼墻之間,以及其本身沿水流方向均應(yīng)用縫分開，以適應(yīng)不均勻沉陷和溫度變形。護(hù)坦自身縫距可取1020m，靠近翼墻的取小些，縫寬2.02。5cm。護(hù)坦在垂直水流方向通常不設(shè)縫，以保證其穩(wěn)定性?？p若在閘基防滲范圍內(nèi)，縫中應(yīng)設(shè)止水設(shè)置，其他一般鋪設(shè)瀝青油毛氈。為增強(qiáng)護(hù)坦的抗滑穩(wěn)定性，常在消力池末端設(shè)置齒墻，深一般為0。81。5m，寬為0.

34、60.8m.結(jié)合本工程的特點(diǎn)，選用挖深式消力池。為了便于施工,消力池的底板作成等厚，為了降低底板下部的滲透壓力，在水平底板的后半部設(shè)置排水孔，孔下鋪設(shè)反濾層，排水孔孔徑為10cm，間距為2m，呈梅花形布置。消力池構(gòu)造尺寸如下圖24。圖24消力池構(gòu)造尺寸圖 （單位：高程m、尺寸cm）四、防沖加固措施（一）海漫設(shè)計(jì)1海漫的作用水流經(jīng)過消力池，雖已消除了大部分多余能量，但仍留有一定的剩余動(dòng)能，特別是流速分布不均，脈動(dòng)仍較劇烈，具有一定的沖刷能力。因此，護(hù)坦后仍需設(shè)置海漫等防沖加固設(shè)施，以使水流均勻擴(kuò)散，并將流速分布逐步調(diào)整到接近天然河道的水流形態(tài)。2漫的布置和構(gòu)造一般海漫起始端做成510m水平段,頂

35、面高程可與護(hù)坦齊平或在消力池尾坎頂以下0.5m左右,水平段后作成不陡于1：10的斜坡以使水流均勻擴(kuò)散，調(diào)整流速分布,保護(hù)河床不受沖刷。對(duì)海漫的要求有：表面有一定的粗糙度，以利進(jìn)一步消除余能;具有一定的透水性，以便使?jié)B水自由排除，降低揚(yáng)壓力;具有一定的柔性，以適應(yīng)下游河床可能的沖刷變形.常用的有以下幾種形式。（如圖25）（1)干砌石海漫。一般由顆粒粒徑大于30cm的塊石砌成，厚度為0。40。6m，下面鋪設(shè)碎石、粗砂墊層，層厚1015cm，如下圖（a）。干砌石海漫的抗沖流速為2.54。0m/s.為了加大其抗沖能力，可每隔810m設(shè)一漿砌石埂。干砌石常用在海漫后段.（2）漿砌石海漫.砌石粒徑大于30

36、cm,厚度為0.40.6m，砌石內(nèi)設(shè)排水孔,下面鋪設(shè)反濾層或墊層,（如下圖（b）。漿砌石海漫的抗沖流速可達(dá)36m/s，但柔性和透水性較差，一般用于海漫的前部約10cm范圍內(nèi)。（3）混凝土板海漫。整個(gè)海漫由板塊拼鋪而成，每塊板長25m，厚度為0。10。3m,板中有排水孔，下面層，(如圖（c)、（d）?；炷涟搴Ｂ目箾_流速可達(dá)610m/s,但造價(jià)高。有時(shí)為增加表面糙率,可采用斜面式或城垛式混凝土塊體（如圖(e）(f）)。鋪設(shè)時(shí)應(yīng)注意順?biāo)髁飨虿灰擞型p.（4）鋼筋混凝土板海漫.當(dāng)出池水流的剩余能量較大時(shí)，可在尾欖下游510m范圍內(nèi)采用鋼筋混凝土板海漫,板中有排水孔，下面鋪設(shè)反濾層或墊層，(如圖(

37、g）。（5）其他形式海漫.如鉛絲石籠海漫，（如圖(h）。圖25 海漫構(gòu)造示意圖(單位：cm）3海漫長度計(jì)算根據(jù)可能出現(xiàn)的不利條件、流量組合計(jì)算.當(dāng)=19，且消能擴(kuò)散條件良好時(shí),海漫長度可按水工建筑物中公式（220）計(jì)算，并選取最大值。Lp=ks （220)式中 Lp海漫長度，m;qs 消力池末端單寬流量,m3/（sm);H泄水時(shí)上、下游水位差，m；ks 海漫長度計(jì)算系數(shù)，查水工建筑物,取ks=12。用式（220）計(jì)算海漫長度，結(jié)果列表如27所示。表27 海漫計(jì)算長度流量Q(m3/s)上游水深H(m）下游水深hs（m）qsm3/（sm)H（m）Lp(m）1009.52。931。256。5721.

38、52009.54。432。505。0728.13009。55。583.753。9232。74009。56。555。002.9535.25009。57.486。252。0235.86009。58.237.501.2734.97009。58。928。750。5831.0取其中計(jì)算表中的最大值，確定海漫長度為36m。4、海漫的構(gòu)造因?yàn)閷?duì)海漫要求有一定的粗糙度,以便進(jìn)一步消除余能，有一定的透水性，有一定的柔性，所以選擇在海漫的起始段為10m長的漿砌石水平段，因?yàn)闈{砌石的抗沖性能較好，其頂面高程與護(hù)坦齊平。后26m作成坡度為1：13的干砌石段，以便使水流均勻擴(kuò)散，調(diào)整流速分布,保護(hù)河床不受沖刷。海漫厚度

39、為0.6m，下面鋪設(shè)15cm的砂墊層。（二)防沖槽設(shè)計(jì)1作用 防止沖刷坑向上游擴(kuò)展,保護(hù)海漫末端的安全。2工作原理 水流經(jīng)過海漫后，盡管多余能量得到了進(jìn)一步的消除，流速分布接近河床水流的正常狀態(tài)，但在海漫末端仍有沖刷現(xiàn)象.為了保證安全和節(jié)省工程量,常在海漫末端設(shè)置防沖槽或采取其他加固措施。在海漫末端挖槽拋石預(yù)留足夠的石塊，當(dāng)水流沖刷河床形成沖坑時(shí)，預(yù)留在槽內(nèi)的石塊沿斜坡繼續(xù)滾下，鋪在沖坑的上游斜坡上,防止沖刷坑向上游擴(kuò)展,保證海漫的安全.3尺寸 根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范由沖刷坑估算防沖槽深度如下：t=1。1q/v0t (221）式中 t-海漫末端的可能沖刷深度，m；q海漫末端的單寬流量，m3/（sm）

40、；v0-河床土質(zhì)的不沖流速,m/s；t -海漫末端的水深，m。其中河床土質(zhì)的不沖流速可按水力學(xué)教材公式(222）求出:v0= v0R1/41/5 式中 v0河床土質(zhì)的不沖流速，m/s；v0查水力學(xué)表6-5可知,此處取v0=0.8m/s；R水力半徑，R=A/x;hs海漫末端的河床水深，m。海漫末端河床沖刷坑深度按式(221）、式（222）計(jì)算，按不同的情況計(jì)算結(jié)果如表28所示。表28 海漫沖刷坑的深度計(jì)算計(jì)算情況qm/（sm）相應(yīng)過水面積A（m2)濕周x（m)R1/5v0（m/s)hs(m）d（m）校核情況13.681704。85171。221。7701。23913。791.64設(shè)計(jì)情況11。2

41、01512.28163。751。7431.39412。61-3.77根據(jù)計(jì)算結(jié)果可不設(shè)防沖槽,但根據(jù)水閘的構(gòu)造要求可設(shè)置防沖槽的深度為1。6m。采用寬淺式，底寬取（23）d，此處取為取4。0m，上游坡率為2，下游坡率為3，出槽后做成坡率為5的斜坡與下游河床相連.如圖26所示。圖27 海漫防沖槽構(gòu)造圖（單位：m)（三)上、下游岸坡防護(hù)為了保護(hù)上、下游翼墻以外的河道兩岸岸坡不受水流的沖刷，需要進(jìn)行護(hù)坡.采用漿砌石護(hù)坡，厚度為0。3m，下設(shè)0。1m的砂墊層。保護(hù)范圍:上游自鋪蓋向上延伸23倍的水頭，下游自防沖槽向下延伸46倍的水頭。第三章 防滲與排水設(shè)計(jì)第一節(jié) 閘底地下輪廓線的布置一、防滲設(shè)計(jì)的目的

42、防止閘基滲透變形；減小閘基的滲透壓力；減少水量損失；合理選用地下輪廓的尺寸，以延長滲徑,防止閘基和兩岸產(chǎn)生滲透破壞.二、防滲排水的布置原則防滲設(shè)計(jì)一般采用防滲和排水相結(jié)合的原則，即在高水位側(cè)采用鋪蓋、板樁、齒墻等防滲設(shè)施，用以延長滲徑、減小滲透坡降和閘底板下的滲透壓力；在低水位側(cè)設(shè)置排水設(shè)施，如面層排水、排水孔排水或減壓井與下游連通，使低下滲水盡快排出，以減小滲透壓力，并防止在滲流出口附近發(fā)生滲透變形。三、防滲設(shè)施根據(jù)閘址附近的地質(zhì)情況來確定相應(yīng)的措施，防滲措施常采用水平鋪蓋,而不用板樁，以免破壞黏土的天然結(jié)構(gòu)，在板樁與地基間造成滲流通道。砂性土易產(chǎn)生管涌,要求防止?jié)B透變形是其考慮的主要因素，

43、可采用鋪蓋與板樁相結(jié)合的形式。1鋪蓋 為水平防滲措施,適用于粘性和砂性土基。2板樁 為垂直防滲措施,適用于砂性土基,一般設(shè)在閘底板上游或鋪蓋前端，用于降低滲透壓力。3齒墻 一般設(shè)在底板上、下游端,利于抗滑穩(wěn)定，延長滲徑。由于閘基土質(zhì)以黏性土為主，防滲設(shè)備采用黏土鋪蓋,閘底板上、下游側(cè)設(shè)置齒墻，為了避免破壞天然的黏土結(jié)構(gòu)，不宜設(shè)置板樁。四、地下輪廓線布置1閘底板長度擬定根據(jù)閘底板的形式,用經(jīng)驗(yàn)公式（3-1）計(jì)算,并綜合考慮閘上結(jié)構(gòu)布置及地基承載力兩方面因素,擬定閘底板順?biāo)鞣较蜷L度。L底=A×H （31)式中 A系數(shù)，對(duì)于砂礫石地基可取1。52。0，對(duì)于砂壤土可取2。02。5，對(duì)于黏壤

44、土地基可取2。03。0，對(duì)于黏土地基可取2。53.5；該工程閘基為重粉質(zhì)壤土，取A=2.0； H-上、下游最大水頭差。L底=A×H =2.0×9.5=19（m)綜合考慮,上部結(jié)構(gòu)布置及地基承載力要求，確定閘底板長度為20m。2閘底板厚度的擬定可取t=（1/51/8)×8=1。01.6m。實(shí)際取為1.5m。3齒墻尺寸的確定一般深度為0。51.5m，厚度為閘孔凈寬的1/51/8。該設(shè)計(jì)取1。0m，厚度取1.0m。如圖3-1所示。 圖3-1 底板尺寸圖（單位：cm）4鋪蓋主要用來延長滲徑，具有相對(duì)不透水性和一定的柔性。鋪蓋常用黏土、黏壤土或?yàn)r青混凝土等材料，有時(shí)也可用鋼

45、筋混凝土作為鋪蓋材料。鋪蓋的長度采用上、下游最大水頭差的35倍。鋪蓋的厚度應(yīng)根據(jù)鋪蓋土料的允許水力坡降值計(jì)算確定,即=H/J，其中,H為鋪蓋頂、底面的水頭差，J為材料允許坡降,黏土為48，壤土為35.鋪蓋上游端的最小厚度一般為0.60.8m,逐漸向閘室方向加厚至1。01.5m。根據(jù)上述原則，鋪蓋的長度確定為為（35)9。5=45（m)；鋪蓋的厚度，上端取0.6m，末端取1.5m，以便和閘底板連接。為了防止水流沖刷及施工時(shí)破壞黏土鋪蓋，在其上設(shè)置30cm厚漿砌塊石保護(hù)層，10cm厚的砂墊層。如圖32。圖32 黏土鋪蓋的結(jié)構(gòu)圖(單位：cm）5閘基防滲長度的確定初步擬定閘基防滲長度應(yīng)根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范

46、公式（3-2） ：LC×H （32）式中 L閘基防滲長度，即閘基輪廓線防滲部分水平段和垂直段長度的總和,m; C允許滲徑系數(shù)值，見表53,因?yàn)榈鼗临|(zhì)為中粉質(zhì)壤土,查表取C=7； H上、下游最大水頭差，m。由于閘基土質(zhì)以粘性土為主,防滲設(shè)備采用黏土鋪蓋，底板上下游設(shè)置齒墻，由式（32）計(jì)算閘基理論防滲長度。其中C值因地基土質(zhì)為重粉質(zhì)壤土取為7。 L=C×L=7×9.5=66.5（m）6校核地下輪廓線的長度根據(jù)以上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)際的地下輪廓線布置長度應(yīng)大于理論的地下輪廓線長度.鋪蓋長度+閘底板長度+齒墻長度=45+2+2×20。5+16+1+2.5 =69。

47、33 （m）L=66.5 (m）通過校核,地下輪廓線的長度滿足要求.五、排水設(shè)備的細(xì)部構(gòu)造1、排水設(shè)備的作用采用排水設(shè)備，可降低滲透壓力，排除滲水，避免滲透變形,增加下游的穩(wěn)定性。排水的位置直接影響滲透壓力的大小和分布,應(yīng)根據(jù)閘基土質(zhì)情況和水閘的工作條件,做到既減少滲透壓力又避免滲透變形。2、排水設(shè)備的設(shè)計(jì)(1)水平排水 水平排水為加厚反濾層中的大顆粒層,形成平鋪式。排水反濾層一般由23層粒徑的砂和砂礫石組成。層次排列應(yīng)盡量與滲流的方向垂直，各層次的粒徑則按滲流方向逐層增大。反濾層的材料應(yīng)該是能抗風(fēng)化的砂石料，并滿足：被保護(hù)土壤的顆粒不得穿過反濾層；各層次的顆粒不得發(fā)生移動(dòng);相臨兩層間,較小一

48、層的顆粒不得穿過較粗一層的空隙；反濾層不能被阻塞，應(yīng)具有足夠的透水性，以保證排水通暢;同時(shí)還應(yīng)保證耐久、穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)的反濾層由碎石、中砂和細(xì)砂組成，其中上部為20cm厚的碎石，中間為10cm厚的中砂，下部為10cm厚的細(xì)砂。見下圖33： 圖33 反濾層構(gòu)造圖（單位：cm）（2）鉛直排水設(shè)計(jì) 本工程在護(hù)坦的中后部設(shè)排水孔，孔距為2m，孔徑為10cm，呈梅花形布置，孔下設(shè)反濾層.（3）側(cè)向排水設(shè)計(jì) 側(cè)向防滲排水布置(包括刺墻、板樁、排水井等），并應(yīng)根據(jù)上、下游水位、墻體材料和墻后土質(zhì)以及地下水位變化等綜合考慮，并應(yīng)與閘基的防滲排水布置相適應(yīng)，在空間上形成防滲整體.在消力池兩岸翼墻設(shè)23層排水孔，呈

49、梅花形布置，孔后設(shè)反濾層,排出墻后的側(cè)向繞滲水流。3止水設(shè)計(jì)凡具有防滲要求的縫，都應(yīng)設(shè)止水設(shè)備。止水分鉛直止水和水平止水兩種，前者設(shè)在閘墩中間，邊墩與翼墻間以及上游翼墻鉛直縫中；后者設(shè)在黏土鋪蓋保護(hù)層上的溫度沉陷縫、消力池與底板溫度沉陷縫、翼墻和消力池本身的溫度沉陷縫內(nèi)。在黏土鋪蓋與閘底板沉降縫中設(shè)置瀝青麻袋止水.其構(gòu)造如圖32。第二節(jié) 滲流計(jì)算一、滲流計(jì)算的目的計(jì)算閘底板各點(diǎn)的滲透壓力;驗(yàn)算地基土在初步擬定的地下輪廓線下的滲透穩(wěn)定性。二 、計(jì)算方法的選擇計(jì)算方法有直線比例法、流網(wǎng)法和改進(jìn)阻力系數(shù)法。1直線比例法對(duì)于地下輪廓線比較簡單,地基又不復(fù)雜的中、小型工程，可采用直線比例法;直線比例法是假定滲流沿地下輪廓流動(dòng)時(shí)，水頭損失沿程按直線變化，求地下輪廓各點(diǎn)的滲透壓力.直線比例法有勃萊法和萊因法兩種。（1)勃萊法將地下輪廓予以展開，按比例繪一直線，在滲流開始點(diǎn)作一長度為Hx的垂線，并由垂線頂點(diǎn)用直線和滲流溢出點(diǎn)相連,即得地下輪廓展開成直線后的滲透壓力分布圖。任一點(diǎn)的滲透壓力hx，可按比例求得：hx=Hx/L（2)萊因法 根據(jù)工程實(shí)現(xiàn)，萊因法認(rèn)為水流在水平方向和垂直方向流動(dòng),削能的效果是不一樣的，后者為前者的三倍。在防滲長度展開為一直線時(shí),應(yīng)將水平滲徑除以3，再與垂直滲徑相加,即得折算