節(jié)制閘課程設(shè)計書

1、一，設(shè)計基本資料1.1，概述本工程位于流過山東省淄博市境內(nèi)的淄河中游，距齊魯石化進(jìn)水閘的下游約2公里處設(shè)置的節(jié)制閘。目的是攔截淄河水流，抬高水位，以確保國家重點企業(yè)齊魯石化和近數(shù)十萬畝農(nóng)田灌溉的供水。淄河由沂蒙山脈為源頭，從南至北，經(jīng)臨朐、青州、淄博、廣饒匯入小清河，再流入渤海。淄河是一條季節(jié)性河流，汛期時來水流量較大，通常約600m3/s；枯水期時河流干涸，河床能行人。每當(dāng)汛期山洪暴發(fā)，水流夾帶大量泥砂，河床沉積著較厚的砂礫，而兩岸的地表土為亞粘土。1.2，規(guī)劃數(shù)據(jù)流域面積：1670平方公里。設(shè)計流量（5年一遇）：Q=560m3/s，相應(yīng)的閘上水位：34.55m，閘下水位：33.75m。校核

2、流量（20年一遇）：Q=1300m3/s，相應(yīng)的閘上水位：36.35m，閘下水位：35.62m。蓄水期水位：1.正常蓄水位：閘上34.55m，閘下29.98m（閘下無水）。2.最高蓄水位（校核水位）閘上35.90m，閘下31.98m。3.惡劣放水水位：閘上35.90m，閘下30.98m。閘下水位與流量關(guān)系：流量Q（m3/s）0501002003004005006007008009001000110012001300水位H（m）29.9830.2630.7831.5032.0032.7133.1233.7534.1834.7134.9935.2435.4435.5635.621.3，地質(zhì)資料根據(jù)

3、鉆探孔（見地形圖）的地質(zhì)資料看出，因受河流沖積影響，土層變化情況較復(fù)雜。具體如下：1# 鉆孔：位于淄河左岸上，自地面高程約36.00m向下至28.50m為亞粘土，土質(zhì)堅實；高程28.50m至26.00m為粉質(zhì)粘土，較堅實；高程26.00m至21.00m為粉土；高程21.00mm至15.00m為粉質(zhì)粘土。2#、3#、4#、5# 鉆孔：同1# 鉆孔地質(zhì)資料。6# 鉆孔：位于淄河主河槽中，自河底高程29.98m至27.40m為沖積的砂礫；高程27.40m 至26.20m為粉質(zhì)粘土；高程26.20m至21.50m為粉土；高程21.50m至15.20m 為粉質(zhì)粘土。7#、8#、9#、10#鉆孔：基本同6

4、#鉆孔地質(zhì)資料。地基土物理力學(xué)指標(biāo)如下表：土質(zhì)容量(g/cm3)飽和容量(g/cm3)滲透參數(shù)k(cm/s)允許滲透坡降J壓縮模量E(KN/cm3)）孔隙比e抗剪指標(biāo)磨擦角(度)凝聚力C(N/cm2)亞粘土1.812.04×10-51.16000.8181.6粉質(zhì)粘土1.681.913×10-41.08000.85161.1粉土1.561.841×10-40.812000.9140.9參照附近水利工程抗沖流速的資料：亞粘土的抗沖流量V0=1.9m/s，粉質(zhì)粘土的抗沖流速V0=1.7m/s，粉土的抗沖流速V0=1.0m/s。1.4，交通要求及其他 ，公路橋面高程為3

5、7.18m，雙車道。橋面凈寬為9m，按汽車-20級荷載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。 ，淄河無通航要求，不設(shè)船閘，也不設(shè)魚道。二,閘址選擇閘址的選擇關(guān)系到工程的成敗和工程效益的發(fā)揮，是水閘設(shè)計的一項重要內(nèi)容，應(yīng)根據(jù)水閘的功能、運用要求和特點，綜合考慮地形、地質(zhì)、泥沙、施工、管理和周圍環(huán)境等因素，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選定最佳方案。閘址宜選在地形開闊、岸坡穩(wěn)定、巖土堅實和地下水位較低的地點，應(yīng)優(yōu)先選用地質(zhì)條件良好的天然地基，壤土、中砂、粗砂和細(xì)砂都適于作為水閘的地基，盡量避開淤泥土和粉、細(xì)砂地基。過閘水流的流態(tài)是是閘址選擇的重要因素，要求做到：過閘水流平順、流量分布均勻、不出現(xiàn)偏流和危害性沖刷或淤積，攔河節(jié)制閘宜選在河

6、道順直、河勢相對穩(wěn)定的河段，閘的軸線宜于河道中心線正交，其上、下游河道直線長度不宜小于5倍的水閘進(jìn)口段水面寬度。綜合考慮以上閘址選擇的最佳條件，臨淄節(jié)制閘閘址選在淄博市臨淄區(qū)以南，距齊魯石化進(jìn)水閘約2km處淄河的左岸河灣里，距離公路約100米（圖1），這樣既可攔截淄河水流，抬高水位，保證國家重點企業(yè)齊魯石化的供水，又可確保附近數(shù)十萬畝農(nóng)田的灌溉，達(dá)到了設(shè)計目的。而且該處地勢開闊，地質(zhì)條件較好,截彎取直，施工期間可以利用原河道導(dǎo)流，解決了施工導(dǎo)流問題。新開挖渠道長約1km,濟(jì)青公路處另外建設(shè)橋?？s短原河道可以增加了可利用土地面積，地質(zhì)條件也叫原河道好得多，在新開渠道和原河道之間的濕地是又是良好的

7、游樂開發(fā)地。圖1 閘址布置圖三,閘孔設(shè)計3.1,堰型選擇考慮到淄河每當(dāng)山洪暴發(fā)時，水流夾帶大量泥沙，為滿足泄洪、排沙的要求選用寬頂堰，此種堰型泄流能力比較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，施工方便。3.2,底板高程選定閘底板置于土質(zhì)較堅實的粉質(zhì)粘土上，利用天然地基。底板高程與新開渠道閘址處的河底齊平。在1:5000的地形圖上量得點1=29.40m和點2=30.12m的距離為194mm，閘址處與點1=29.40m距離102mm，故閘址處高程：址=29.40+（31.12-29.40）×102/194=29.78m閘底板高程：底板=址=29.78m3.3,閘孔寬度計算閘孔總凈寬初擬定新開渠道底寬b=61m

8、，邊坡m=2.5，斷面形式如圖流量：Q=1300m3/s閘上水深：H=36.35-29.78=6.57m閘下水深：hs=35.62-29.78=5.84m行近流速：V0=Q/A閘上游連接段大約25m，由于5H=5×6.57=32.85m>25m，行近流速計算斷面為梯形斷面，斷面面積：A=（b+mH）H=（60+6.57×2.5）×6.57=502.11m2V0=1300/502.11=2.59m2/sH=H+V/2g 取=1.0 =6.57+2.592/2×9.81=6.91mhs/ H=5.84/6.91=0.845>0.8,屬于淹沒出流。

9、利用下面公式計算閘孔總凈寬根據(jù)閘門形式、啟閉設(shè)備條件、閘孔的運用要求和工程造價，并結(jié)合實例，先假定每孔凈寬b。=11m，閘孔數(shù)N=5，閘墩墩頭采用圓弧形，側(cè)收縮系數(shù)按SL265-2001規(guī)范式A.0.1-3計算。b0/bs=b0/(b0+dz)=11/(11+1.5)=0.88,查SL265-2001規(guī)范表A.0.1-1知z=0.98。bb=6.57×2.5=16.43mb0/bs=b0/(b0+dz/2+bb)=11/(11+1.5/2+16.43)=0.39, 查SL265-2001規(guī)范表A.0.1-1知b=0.918側(cè)收縮系數(shù)=(0.98×4+0.918)/5=0.9

10、68hs/ H=0.845，查SL265-2001規(guī)范表A.0.1-2得=0.925取用m=0.385閘孔總凈寬:L0=1300/(0.925×0.968×0.385××6.571.5)=45.0m<Nb0=5×11=55m假定的閘孔凈寬滿足泄流量要求。故閘孔總凈寬為55m，5孔，每孔寬11m，由于閘基土質(zhì)條件較好，不僅承載能力較大，而且堅硬、緊密。為了減少閘孔總寬度，節(jié)省工作量，閘底板采用分離式平底板。中墩厚1.5m，邊敦厚1.2m。底板厚1.5m，墩頭上游采用半圓形，半徑0.75m，下游與上游相同。閘墩與底板剖面圖如 圖2：圖2 閘墩

11、與底板剖面圖（單位：m）四，閘室段布置及尺寸擬定常用的閘室底板有水平底板和低實用堰底板兩種形式。同3.3，臨淄節(jié)制閘選用水平底板。對于多孔水閘，為適應(yīng)地基不均勻沉降和減小底板內(nèi)的溫度應(yīng)力，需要沿水閘軸線方向用橫縫（溫度沉降縫）將閘室分成若干段，每個閘孔可為單孔、兩孔或三孔。由于臨淄節(jié)制閘閘基為粉質(zhì)粘土，較堅實，故采用分離式底板，即在單孔底板上設(shè)雙縫，將底板與閘墩分開，這樣閘室上部結(jié)構(gòu)的重量直接由閘墩或連同部分底板傳給地基。具體分縫見圖3。閘底板材料選用鋼筋混凝土。閘底板高程29.78m，順?biāo)鞣较蜷L度取決于地基條件和上部結(jié)構(gòu)布置并滿足抗滑穩(wěn)定和地基允許承載力的要求，根據(jù)粘土地基經(jīng)驗，?。?.5

12、4.0）H，最大水頭差H=4.9m，為安全起見，取H=5.0m（下同），（2.54.0）H=12.520m，初擬閘底板順?biāo)鞣较蜷L17m，底板厚度必須滿足強度和剛度要求，大、中型水閘可?。?/61/8）b0（b0為閘孔凈寬），一般為1.02.0m，初擬閘底板厚度為1.6m。齒墻深度可采用0.11.5m，取1.0m。閘上自上游依次為工作橋、檢修閘門槽、啟閉臺、工作閘門槽、交通橋。工作橋依據(jù)規(guī)范擬定為1.2m，檢修閘門槽深約0.150.20m，寬約0.150.30m，初擬定深0.20m，寬0.30m。工作閘門槽應(yīng)設(shè)在閘墩水流較平順的部位，深度決定于閘門的支撐形式，一般為0.3m，門槽寬深比宜取1.

13、61.8，擬定寬0.5m。檢修門槽與工作門槽之間凈距不宜小于1.5m，以便檢修，擬定2.0m。啟閉臺對稱置于工作閘門槽上，尺寸擬定寬4.0m。交通橋依據(jù)規(guī)劃要求橋面凈寬9m，雙車道、橋面高程37.18m。所以如圖3，閘室段順?biāo)鞣较蚩傞L：L總=1.2+0.3+0.3+1.7+2.2+0.3+1.5+9.0+1.5=17.0m上游與鋪蓋銜接的底板齒墻處增長1m。閘頂高程依據(jù)SL265-2001規(guī)范取以下幾個高程中最大者：擋水時：閘頂=蓄+浪+安 =34.55+0.80+0.50=35.85m 閘頂=擋水+浪+安 =35.90+0.80+0.50=37.10m泄水時：閘頂=設(shè)計+安 =34.55+

14、1.00=35.55m 閘頂=校核+安 =36.35+0.70=37.05m比較閘頂高程取閘頂=37.10m閘門高的確定：閘門頂高程應(yīng)在可能出現(xiàn)的最高檔水位以上有0.30.5m的安全超高，故： 閘門頂=最高+安 =36.35+0.40=36.75m閘門高：H門=36.75-29.78=6.97m 取H門=7.0m 閘門頂=29.78+7.00=36.78m啟閉臺底部高程：臺底=閘門頂+ H門=+H安=36.78+7.00+0.50=44.28m以上設(shè)計尺寸如圖3。圖3 閘室尺寸擬定五，上有連接段及防滲設(shè)計5.1 上游連接段布置鋪蓋主要用來延長滲徑，應(yīng)具有相對的不透水性；為適應(yīng)地基變形，也要有一

15、定的柔性。鋪蓋常用黏土、黏壤土或瀝青混凝土制成，有時也可選用鋼筋混凝土作為鋪蓋的材料。根據(jù)該處的地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)考慮，臨淄節(jié)制閘選用黏土鋪蓋。鋪蓋長度應(yīng)由地下輪廓線設(shè)計方案比較確定，一般為閘上、下游最大水頭的35倍，（35）H=（1520）m，初擬定20m長。鋪蓋上游端最小厚度由施工條件確定，一般不宜小于0.6m，擬定1.0m，并向閘室段加厚至1.6m。鋪蓋上依次有0.1m厚墊層和0.3m厚漿砌塊石保護(hù)層。鋪蓋與底板銜接處為一薄弱部位，通常是：在該處將鋪蓋加厚；底板前端做成斜面，使黏土能借自重及其上的荷載與底板緊貼；在該處鋪設(shè)油毛氈等止水材料。臨淄節(jié)制閘在鋪蓋與閘底板銜接處加厚鋪蓋并設(shè)置止水。綜

16、合布置如圖4。圖4 上有連接段布置5.2地下輪廓線設(shè)計上有連接段、閘底板擬定尺寸如上，由于臨淄節(jié)制閘閘基為粘土，不適于打樁防滲。地下輪廓線布置如圖4。圖4 地下輪廓線布置圖必須防滲長度LCHmax允許滲徑系數(shù)C以地基土的性質(zhì)而定，本工程地基土為黏土，考慮無反濾情況，取C=4，必須防滲長度：L=4×5.0=20.0m實際閘基防滲長度L0=20.0+1.0+1.0×4+17.0=42m>L 滿足防滲要求5.3滲流計算采用改進(jìn)阻力系數(shù)法進(jìn)行滲流計算計算簡化地下輪廓線簡化如圖5，粘土鋪蓋取平均深度，閘底板的齒墻簡化為板樁。圖5 計算簡圖由計算簡圖知：水平投影長度：L0=20+

17、17=37m豎直投影長度：s0=1.6+1.0=2.6mL0/S0=37/2.6=14.2>5 有效計算深度Te=0.5L0=0.5×37=18.5m又由于地質(zhì)資料所知深度T=29.78-15=14.78m<Te取有效計算深度Te=14.78m5.3.2 滲流壓力確定通過地下輪廓線的角點、尖點將滲流區(qū)域分成7個典型段（如圖5），、段分別為進(jìn)口段和出口段，、段為內(nèi)部垂直段，、為內(nèi)部水平段。各典型段阻力系數(shù)的計算如表1：表1 各流段阻力系數(shù)為流段阻力系數(shù)為段號ST進(jìn)口段和出口段=1.5（）+0.4411.3013.480.4861.6013.780.500內(nèi)部垂直段=lnct

18、g(1-) 1.3013.480.0971.0013.180.0761.0013.180.076內(nèi)部水平段=S1=0.00S1=1.30T=13.48L=20.01.224S1=1.00S2=1.00T=13.18L=17.001.458惡劣放水時水閘的上下游水位差最大：H=35.90-30.98=4.92m，近似取H=5.00m。各段的水頭損失按下式計算：計算得各段水頭損失值為：h1 =0.620m h2 =1.562m h3 =0.124m h4 =0.097m h5 =1.861m h6 =0.097m h7 =0.639m 進(jìn)、出口段水力坡降呈急變形式，由上式算得的水頭損失值與實際情況

19、相比，誤差較大，需要進(jìn)行必要的修正。修正后的水頭損失值為為阻力修正系數(shù)，按下式計算其中S為底板埋深與底面以下的板樁入土深度之和，m；T為板樁上游側(cè)底板下的地基透水層深度，m。當(dāng)>1.0時，取=1.0。修正后的進(jìn)、出口段水頭損失減小h進(jìn)、出口段的修正計算如表2表2段號T'TS'h0'h0h進(jìn)口段13.4813.481.30.750 0.466 0.620 0.154 出口段13.1813.782.60.899 0.574 0.639 0.065 修正的減小水頭損失分配給相鄰各段，所以修正后各段水頭損失值為：h1 =0.466m h2 =1.562+0.154=1.7

20、16m h3 =0.124m h4 =0.097m h5 =1.861+0.060=1.921m h6 =0.097+0.005=0.102m h7 =0.574m 假設(shè)各分段的水頭損失值按直線變化，依次疊加，疊加后各段水頭值為：H=5.000mH1=5.000mH2=4.534mH3=2.818mH4=2.694mH5=2.597mH6=0.676mH7=0.574m繪出閘基滲流壓力分布圖如圖6：5.4 逸出坡降計算為防止?jié)B流變形的保證閘基的抗?jié)B穩(wěn)定性，要求出口的逸出坡降必須小于規(guī)定的容許值。出口處的逸出坡降J為根據(jù)地基土的物理力學(xué)指標(biāo)，防止流土破壞的出口段容許坡降J=0.8J<J所以

21、出口段的逸出坡降滿足容許值。六,消能、防沖設(shè)計 水閘泄水時，部分是能轉(zhuǎn)化為動能，流速增大，而土質(zhì)河床的抗沖能力低，所以，閘下沖刷是一個普遍的現(xiàn)象。不危害建筑物安全的沖刷，一般說來是允許的，但對于有害的沖刷，則必須采取妥善的防范措施。閘下消能、防沖是水閘設(shè)計的一項重要內(nèi)容。6.1,消力池設(shè)計由于該閘閘底為粉質(zhì)粘土，抗沖刷能力較低，故采用底流式消能。消力池的首段和尾端均采用閘孔總寬，即：b1=b2=61m。當(dāng)惡劣放水時，水流對下游的沖刷最為厲害，此時閘上水位35.90m，閘下水位30.98m。取此時的工況為下游消能計算工況。閘門開度e按每級開啟0.2m。水流流態(tài)判定流量：Q=1300m3/s閘上水

22、深：H=35.90-29.78=6.12m閘下水深：hs=30.98-29.78=1.20m過水?dāng)嗝妫篈=（b+mH）H=（60+2.5×6.12）×6.12=467m2行近流速：閘孔全水頭：H°=H+v°2g=6.12+1.0×2.7822×9.81=6.51m 寬頂堰閘孔出流流量：流量系數(shù)可按南京水利科學(xué)研究所的經(jīng)驗公式計算：=0.60-0.176eH收縮斷面水深：hc=e垂直收縮系數(shù)由相對開度eH查表得到。由水閘設(shè)計規(guī)范知躍后水深：hc“=hc21+8q2ghc3-1b1b20.25對于5孔全開狀態(tài)下各級開度的水流狀態(tài)計算如表3

23、對于對稱開啟3孔和1孔的各級開度計算同5孔全開狀態(tài)。由表可以看出水流狀態(tài)所開各級均為遠(yuǎn)趨水躍。該種水流狀態(tài)對河床的沖刷比較大，需要修建消力池，并按規(guī)范要求修建相應(yīng)的護(hù)坦。6.1.2消力池的尺寸根據(jù)水閘設(shè)計規(guī)范附錄B，消力池的深度按下式計算：d=°hc“-hs'-Z取水躍淹沒系數(shù)°=1.05出池落差Z按下式計算：Z=q22g2hs'2-q22ghc"2水流動能校正系數(shù)=1.05各級開啟度所需的消力池的深度計算結(jié)果如表3。從計算結(jié)果中可以看出所需最大深度為1.20m，所以消力池深度取為1.20m。消力池的長度按下式計算：Lsj=Ls+Lj取水躍前后水深差最大時計算消力池長度。水躍長度：Lj=6.9h"-hc=6.9×3.17=21.87m斜坡段坡度取1:4，斜坡段水平投影長度Ls=1.2×4=4.8m水躍長度校正系數(shù)取0.7消力池長度：Lsj=4.8+0.7×21.87=20m取消力池長度為21m（包括尾坎）。消力池底板厚度按抗沖要求確定：t=k1qH取消力池底板計算系數(shù)k1=0.175t