水利水電工程水閘畢業(yè)設計

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710米。由于河床下切較深，又無適當控制工程，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，嚴重影響兩岸的農(nóng)業(yè)灌溉和人蓄用水。為解決當?shù)?0萬畝農(nóng)田的灌溉問題，上級批準的規(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。它是渦河梯級開發(fā)中最末一級工程，渦河閘控制流域面積4070Km2。二、攔河閘任

2、務渦河攔河閘所擔負的任務是正常情況下攔河截水，抬高水位，以利灌溉。洪水時開閘泄水，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，大量補給地下水，有利于進灌和人蓄用水，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，同時漁業(yè)、航運業(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，河床平均標高約為30.0m，主槽寬度約為80100m，河灘寬平，至復式河床橫斷面，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)鉆

3、孔了解閘址地層屬河流沖積相，河床部分地層屬第四級蟓更新世Q3與第四紀全新世Q4的層交錯現(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、土的物理力學性質(zhì)指標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細砂比重 g= 27kN

4、/m3細砂干容重 干=15kN/m32內(nèi)摩擦角自然含水量時 =280飽和含水量時 =2503.土基許可承載力： 【】=200kN/m34.混凝土、砌石與土基摩擦系數(shù) 密實細砂層 f=0.365.地基應力不均勻系數(shù)粘土（）=1.52.0砂土（）=2.56.滲透系數(shù)中細砂層 k=5×10-3 平均厚度約5m以下土層 k=5×10-5 作為相對不透水層四、工程材料1、石料：本地區(qū)不產(chǎn)石料，需從外地運進，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，最

5、低氣溫-200C，平均氣溫14.40C。2、風速：最大風速V=20m/s，吹程 0.6km。3、徑流量：非汛期（16月及1012月）9個月份渦河月平均最大流量9.1m3/s汛期（79）三個月，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系曲線經(jīng)批準的規(guī)劃決定：對原河槽將適當調(diào)整，并在兩岸作矮堤，以擴大泄洪能力，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、 材料

6、供應 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劃分及設計標準（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。2、 灌溉用水季節(jié)，攔河閘正常擋水位為39.50m。3、 洪水標準。項目重現(xiàn)（年）洪水流量m3/s閘前水位（m）下游水位（m）設計洪水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?？菟谟靡詳r截河道，抬高水位，以利上游取水或航運要求；洪水期則開閘泄洪，控制下游流量。一、河閘的特點攔河閘既

7、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。1穩(wěn)定方面關門攔水時，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，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被掏空，危及水閘的安全。滲流對閘室和兩岸連接建筑物的穩(wěn)定不利。因此，應妥善進行防滲設計。3能防沖方面水閘開閘泄水時，在上下游水位差作用下，過閘水流往往具有較大的動能，流態(tài)也較復雜，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，會進一步加劇對河床和兩岸的淘刷。

8、因此，設計水閘除應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導致水閘傾斜，甚至斷裂。在水閘設計時，必須合理選擇閘型、構造，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水流平穩(wěn)地進入閘室，同時起防沖、防滲、擋土等作用。一般包括上游翼墻、鋪蓋、護底、兩岸護坡及上游防沖槽等。上游翼

9、墻的作用是引導水流平順地進入閘孔并起側向防滲作用。鋪蓋主要起防滲作用，其表面應滿足抗沖要求。護坡、護底和上游防沖槽（齒墻）是保護兩岸土質(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，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、工作橋等上部結構。閘門的作用是攔水和控制下瀉流量。工作橋供安置起閉機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散水流的作用。一般包括護坦、海漫、下游防沖槽、下游翼墻及護坡等。下游翼墻引導水

10、流均勻擴散兼有防沖及側向防滲作用。護坦具有削能防忡作用。海漫的作用是進一步消除護坦出流的剩余動能、擴散水流、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設施，避免沖刷向上游擴展。第二章 水力計算第一節(jié) 閘址及形式選擇一、閘址選擇閘址選擇關系到工程建設的成功和經(jīng)濟效益的發(fā)揮，是水閘設計中的一項重要內(nèi)容。應根據(jù)水閘的功能、特點和運用要求，以及區(qū)域經(jīng)濟條件，綜合考地形、地質(zhì)、建筑材料、交通運輸、水流、潮汐、冰情、泥砂、施工、管理、周圍環(huán)境等因素，經(jīng)技術經(jīng)濟比較確定。閘址應選擇在地形開闊、岸坡穩(wěn)定、巖土堅實和地下水位較低的地點。閘址應選用地質(zhì)條件良好的天然地基。壤土、中砂、粗砂、砂礫石適與作

11、為水閘的地基。盡量避免淤泥質(zhì)土和粉砂、細砂地基，必要時，應采取妥善的處理措施。攔河閘應選擇在河道順直、河勢相對穩(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。應考慮材料來源、對外交通、施工導流、場地布置、基坑排水、施工水電供應等條件，同時還應考慮水閘建成后工程管理維修和防洪搶險等條件。水閘中心線的布置應考閘室與兩岸建筑物均勻，對稱的要求。攔河閘的中心線一般應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構形式可分為：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，多采用不帶胸

12、墻的開敞式水閘，多用于攔河閘、排冰閘等。當上游水位變幅大，而下泄流量又有限制時，為避免閘門過高，常采用帶胸墻的開敞式水閘，如進水閘、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，上、下游水位差較小，不須控制流量，泄洪時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構形式。主要優(yōu)點是結構簡單、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；其缺點是自由泄流時流量系數(shù)小

13、，容易產(chǎn)生波狀水。2實用堰低型。有梯形、曲線型和駝峰型。實用堰型自由泄流時，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。根據(jù)各種形式的適用條件，綜合考慮該工程特點，河槽蓄水，閘前基本沒有淤積，閘底高程應盡可能底。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的任務、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。閘底板應置于較為堅實的土層上，并應盡量利用天然地基。在地基

14、強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較低。對于小型水閘，由于兩岸建筑物在整個工程中所占比重較大，因而適當降低底板高程，常常是有利的。當然，底板高程也不能定的太低，否則，由于單寬流量加大，將會增加下游消能防沖的工程量，閘門增高，啟閉設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)工程實踐經(jīng)驗，一般在細粉質(zhì)及淤泥河床上，單寬流量取510m3/（sm）；在砂壤土地基上取1015m3/（sm）；在壤土地基上

15、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散條件較好時，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（21）、式（22）可求得上游水頭及下游水深 。 v0=Q/A （21）H0=H+v02/2g （22）其中 v0行進流速，m/s； Q過流流量，m3/s；A過水斷面面積，m2；H0含有行進流速水頭在內(nèi)的閘前水頭，m。推算的上游水頭及下游水深見表21。表21 上游水頭計算流量Q（m3/s）下游水深hs（m）上游水深H（m）過水斷面積（

16、m2）行進流速v0（m/s）v02/2g上游水頭H0（m）設計流量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，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)設計，校核情況下的上、下游水位及流量進行計算。對于寬頂堰，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，其判別計算見表22。表22 淹沒出流判別計算計算情況下游水深hs（m）上游水頭H0（m）hs>

17、0.8H0流態(tài)設計水位10.6110.8310.61>8.66淹沒出流校核水位11.7912.0511.79>9.64淹沒出流3確定閘門總凈寬對于平底板寬頂堰，閘門設計規(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； 側收縮系數(shù)，初擬可按0.950.96估計； m流量系數(shù)，初擬可按0.385計算； s淹沒系數(shù)，可通過查表求得。按閘門總凈寬計算公式（24），根據(jù)設計洪水和校核洪水兩種情況分別計算，見表23。其中堰流側收縮系數(shù)取0.96；流量系數(shù)m取0.385；淹沒系數(shù)s根據(jù) hs/H0查水力學教材。并取兩者的較大值。表23 閘孔總凈寬計算流量Q（m3

18、/s）下游水深hs（m）上游水頭H0（m）hs/H0淹沒系數(shù)sB0（m）設計流量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根據(jù)閘的地基條件、運用要求、閘門結構形式、啟閉機容量以及閘門等因素，進行綜合比較確定。根據(jù)閘門設計規(guī)范中閘孔尺寸和水頭系列標準，選定單孔凈寬b=8m，同時為了保證閘門對稱開啟，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 閘孔尺寸布置圖 （單

19、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計規(guī)范中堰流的計算公式為：Q= （25）式中 B=nb0（n為閘孔數(shù)，b0為單孔凈寬），分別按設計、校核兩種情況確定計算參數(shù)，求出相應的實際過閘流量Q1，校核過流能力。一般其相對差值不應超過5%。5% （26）5% （27）根據(jù)孔口與閘墩的尺寸可計算側收縮系數(shù)，查水閘設計規(guī)范（2-2），結果如下：對于中孔：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；對于邊孔：b0/bs

20、=b0/（b0+bb）=8/（8+11.98*3+2+（80-64）/2）=0.148 得3=0.909所以 E=（n1*中1+ n2*中2+ n3*中3）/（n1+n2+n3）=（1*0.976+4*0.973+2*0.909）/（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，進一步換算流量如下表所示：表24 過流能力校核計算計算情況（m3/s）堰上水頭H0（m）hs/H0sQ校核過流能力設計流量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系曲線。用明渠均勻流公式進行計算： 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，查水力學教材63，取n=0.05；x過水斷面的濕周，m；i渠道底坡，本設計i=1/10000。假設下游水深hs，由公式（28）求得相應的流量Q，可列表計算，如表25所示。hs（m）A（m2）X（m）R（m）C（m0.5/s）Q（m3/s）1.08386.30.9619.916.162.017292.65

22、1.8622.252.013.026798.972.7023.60103.544.0368105.303.4924.64169.405.0475111.624.2625.46242.166.0588117.954.9926.14343.357.0711128.275.5426.61445.328.0840134.606.2427.14569.489.0975140.926.9227.61708.15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系曲線圖HQ圖，見附圖。附圖 下游斷面HQ關系曲線圖第三節(jié) 消能防沖設計水閘泄水時，部分勢能轉(zhuǎn)化為動能，流速增大，具有較強的沖刷能力，

23、而土質(zhì)河床的抗沖能力又較低，因此，必須采取適當?shù)南芊罌_措施。那么首先應了解過閘水流的特點。一、過閘水流的特點1水流形式復雜初始泄流時，閘下水深較淺，隨著閘門開度的增大而會逐漸加深，閘下出流由孔口到堰流，自由出流到淹沒出流都會發(fā)生，水流形態(tài)比較復雜。因此，消能設施應在任意工作情況下，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，無強烈的水躍旋滾，水面波動，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)，不易向兩側擴散，致使兩側產(chǎn)生回流，縮小河槽有效

24、過水寬度，局部單寬流量增大，嚴重地沖刷下游河道。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，水流過閘時先收縮而后擴散。如工程布置或操作運行不當，出閘水流不能均勻擴散，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)榫徚鳎嗄?，與下游河道的正常流動銜接起來。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的下游，不致影響建筑物安全。適用山區(qū)灌溉渠道

25、上的泄水閘和退水閘，下游為堅硬的巖體，又具有較大的水頭的情況。3面流式消能對下游水深較大且穩(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 、能防沖設施的設計（一）消能控制條件分析設計水位或校核水位時閘門全開，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，下游水位不高，閘下射流速度較大，才會出現(xiàn)嚴重的沖刷河床現(xiàn)象，須設置相應的消能設施。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=9

26、.5m，閘門局部開啟情況，作為消能防沖設計的控制情況。為了降低工程造價，確保水閘安全運行，可以規(guī)定閘門的操作規(guī)程，本設計按1、3、5、7孔對稱方式開啟，分別對不同開啟孔數(shù)和開啟度進行組合計算，找出消力池池深和池長的控制條件。水閘設計規(guī)范中指出，消力池計算簡圖及主要計算公式如下：圖23 消力池計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= （213） 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)； 流速系數(shù)，=0.

27、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。對于消力池池深的計算，應先計算出挖池前收縮水深，按水利學公式估算出池深，然后求出總勢能，再試算出挖池后的收縮水深。其計算式如下：消力池長度： Lsj=Ls+Lj （215）水躍長度： Lj=6.9（h c-hc） 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的比較進行流態(tài)判

28、別，經(jīng)過計算，找出最大的池深，池長作為相應的控制條件。同時考慮到經(jīng)濟及其他原因，對池深較大的開啟度采用限開措施。關于流態(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 為自由出流的遠驅(qū)式水躍。按式（29）、式（210）、式（211）、式（212）、式（213）、式（214）、式（215）、式（216）估算消力池深及池長，其結果如表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(m)水躍長lj(m

29、)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1.50.628011.660.935.015.40

30、2.00.636715.311.245.626.25注：計算式中系數(shù)如下： =1.05，=0.97，=0.75，消力池坡段邊坡系數(shù)m=4。通過計算，為了節(jié)省工程造價，防止消力池過深，對開啟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） 消力池尺寸及構造1消力池深度的計算根據(jù)所選擇的控制條件，估算池深為2.3m，用公式（212）、（213）、式（214）計算挖池后的收縮水深hc1和相應的出池落差z及躍后水深hc。計算如下： T0=H0+d=11.8（m） 即11.8= 用迭帶法求得=1.09hc=6.10（m）z= =0.87（m）驗算水躍淹沒系數(shù)，由水力學教材公式

31、求： 0 =（d+hs+z）/hc （217）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）求得相應的消力池長度為36m。3消力池護坦厚度消力池底板（即護坦）承受水流的沖擊力、水流脈動壓力和底部揚壓力等作用，應具有足夠的重量、強度和抗沖耐磨的能力。護坦一般是等厚的，也可采用不同的厚度，始端厚度大，向下游逐漸減小。護坦厚度可根據(jù)抗沖和抗浮要求，分別計算，并取其最大值。按抗沖要求計算消力池護坦厚度公式為：t=k1 （218）按抗浮要求計算消力池護坦厚度公式為：t=k2 （219）式中 t消力池

32、底板始端厚度，m；k1消力池底板計算系數(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揚壓力，kpa；H泄水時上、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）計算消力池底板厚度。其中k1取為1.80，q為確定池深時的過閘單寬流量，此處q=15.31m3/（sm），H為相應于單寬流量的上、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消力池的構造底流式消力池設施有三種形式：挖深式、消力檻

33、式和綜合式。當閘下游尾水深度小于躍后水深時，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，可采用消力檻式消力池消能；閘下游尾水深度遠小于躍后水深，且計算深度應較深時，可采用挖深式與消力檻式相結合的綜合式消力池消能。護坦與閘室、岸墻及翼墻之間，以及其本身沿水流方向均應用縫分開，以適應不均勻沉陷和溫度變形。護坦自身縫距可取1020m，靠近翼墻的取小些，縫寬2.02.5cm。護坦在垂直水流方向通常不設縫，以保證其穩(wěn)定性?？p若在閘基防滲范圍內(nèi)，縫中應設止水設置，其他一般鋪設瀝青油毛氈。為增強護坦的抗滑穩(wěn)定性，常在消力池末端設置齒墻，深一般為0.81.5m，寬為0.60.8m。結合本工程的特點

34、，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置排水孔，孔下鋪設反濾層，排水孔孔徑為10cm，間距為2m，呈梅花形布置。消力池構造尺寸如下圖24。圖24消力池構造尺寸圖 （單位：高程m、尺寸cm）四、防沖加固措施（一）海漫設計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能，特別是流速分布不均，脈動仍較劇烈，具有一定的沖刷能力。因此，護坦后仍需設置海漫等防沖加固設施，以使水流均勻擴散，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漫的布置和構造一般海漫起始端做成510m水平段，頂面高程可與護坦齊平或在消力池

35、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散，調(diào)整流速分布，保護河床不受沖刷。對海漫的要求有：表面有一定的粗糙度，以利進一步消除余能；具有一定的透水性，以便使?jié)B水自由排除，降低揚壓力；具有一定的柔性，以適應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30cm，厚度為0.40.6m，

36、砌石內(nèi)設排水孔，下面鋪設反濾層或墊層，（如下圖（b）。漿砌石海漫的抗沖流速可達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）。混凝土板海漫的抗沖流速可達610m/s，但造價高。有時為增加表面糙率，可采用斜面式或城垛式混凝土塊體（如圖（e）（f）。鋪設時應注意順水流流向不宜有通縫。（4）鋼筋混凝土板海漫。當出池水流的剩余能量較大時，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，下面鋪設反濾層或墊層，（如圖（g）。（5）其他形式海漫。如鉛

37、絲石籠海漫，（如圖（h）。圖25 海漫構造示意圖（單位：cm）3海漫長度計算根據(jù)可能出現(xiàn)的不利條件、流量組合計算。當=19，且消能擴散條件良好時，海漫長度可按水工建筑物中公式（220）計算，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泄水時上、下游水位差，m；ks 海漫長度計算系數(shù)，查水工建筑物，取ks=12。用式（220）計算海漫長度，結果列表如27所示。表27 海漫計算長度流量Q（m3/s）上游水深H（m）下游水深hs（m）qsm3/（sm）H（m）Lp（m）1009.52.931.256.5721.52009.54.432.50

38、5.0728.13009.55.583.753.9232.74009.56.555.002.9535.25009.57.486.252.0235.86009.58.237.501.2734.97009.58.928.750.5831.0取其中計算表中的最大值，確定海漫長度為36m。4、海漫的構造因為對海漫要求有一定的粗糙度，以便進一步消除余能，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，因為漿砌石的抗沖性能較好，其頂面高程與護坦齊平。后26m作成坡度為1：13的干砌石段，以便使水流均勻擴散，調(diào)整流速分布，保護河床不受沖刷。海漫厚度為0.6m，下面鋪設15cm的

39、砂墊層。（二）防沖槽設計1作用 防止沖刷坑向上游擴展，保護海漫末端的安全。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，常在海漫末端設置防沖槽或采取其他加固措施。在海漫末端挖槽拋石預留足夠的石塊，當水流沖刷河床形成沖坑時，預留在槽內(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展，保證海漫的安全。3尺寸 根據(jù)水閘設計規(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）；v0河床土質(zhì)的不沖流速，m/s

40、；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）計算，按不同的情況計算結果如表28所示。表28 海漫沖刷坑的深度計算計算情況qm/（sm）相應過水面積A（m2）濕周x（m）R1/5v0（m/s）hs（m）d（m）校核情況13.681704.85171.221.7701.23913.79-1.64設計情況11.201512.28163.751.7

41、431.39412.61-3.77根據(jù)計算結果可不設防沖槽，但根據(jù)水閘的構造要求可設置防沖槽的深度為1.6m。采用寬淺式，底寬?。?3）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 海漫防沖槽構造圖（單位：m）（三）上、下游岸坡防護為了保護上、下游翼墻以外的河道兩岸岸坡不受水流的沖刷，需要進行護坡。采用漿砌石護坡，厚度為0.3m，下設0.1m的砂墊層。保護范圍：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 防滲與排水設計第一節(jié) 閘底地下輪廓線的布置一、防滲設計的目的防止閘基滲透變形；減小閘基的滲透壓

42、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計一般采用防滲和排水相結合的原則，即在高水位側采用鋪蓋、板樁、齒墻等防滲設施，用以延長滲徑、減小滲透坡降和閘底板下的滲透壓力；在低水位側設置排水設施，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、防滲設施根據(jù)閘址附近的地質(zhì)情況來確定相應的措施，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構，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，可采用鋪蓋與板樁相結合的形式。1鋪

43、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，防滲設備采用黏土鋪蓋，閘底板上、下游側設置齒墻，為了避免破壞天然的黏土結構，不宜設置板樁。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)驗公式（31）計算，并綜合考慮閘上結構布置及地基承載力兩方面因素，擬定閘底板順水流方向長度。L底=A×H （31）式中 A系數(shù)，對于砂礫石地基可取1.52.0，對于砂壤土可取2.02.5，對于黏壤土地基可取2.03.0，對于黏土地基

44、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，上部結構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。該設計取1.0m，厚度取1.0m。如圖31所示。圖31 底板尺寸圖（單位：cm）4鋪蓋主要用來延長滲徑，具有相對不透水性和一定的柔性。鋪蓋常用黏土、黏壤土或瀝青混凝土等材料，有時也可用鋼筋混凝土作為鋪蓋材料。鋪蓋的長度采用上、下游

45、最大水頭差的35倍。鋪蓋的厚度應根據(jù)鋪蓋土料的允許水力坡降值計算確定，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破壞黏土鋪蓋，在其上設置30cm厚漿砌塊石保護層，10cm厚的砂墊層。如圖32。圖32 黏土鋪蓋的結構圖（單位：cm）5閘基防滲長度的確定初步擬定閘基防滲長度應根據(jù)水閘設計規(guī)范公式（32） ：LC×H （32）

46、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5-3，因為地基土質(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，防滲設備采用黏土鋪蓋，底板上下游設置齒墻，由式（32）計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)以上設計數(shù)據(jù)，實際的地下輪廓線布置長度應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 =69.33 （m）L=66.5 （m）通過校核，地

47、下輪廓線的長度滿足要求。五、排水設備的細部構造1、排水設備的作用采用排水設備，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、排水設備的設計（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。反濾層的材料應該是能抗風化的砂石料，并滿足：被保護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；相臨兩層間，較小一層的顆粒不得穿過較粗一層的空隙；反濾層不能被

48、阻塞，應具有足夠的透水性，以保證排水通暢；同時還應保證耐久、穩(wěn)定。本設計的反濾層由碎石、中砂和細砂組成，其中上部為20cm厚的碎石，中間為10cm厚的中砂，下部為10cm厚的細砂。見下圖33： 圖33 反濾層構造圖（單位：cm）（2）鉛直排水設計 本工程在護坦的中后部設排水孔，孔距為2m，孔徑為10cm，呈梅花形布置，孔下設反濾層。（3）側向排水設計 側向防滲排水布置（包括刺墻、板樁、排水井等），并應根據(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，并應與閘基的防滲排水布置相適應，在空間上形成防滲整體。在消力池兩岸翼墻設23層排水孔，呈梅花形布置，孔后設反濾層，排出墻后的側向繞滲

49、水流。3止水設計凡具有防滲要求的縫，都應設止水設備。止水分鉛直止水和水平止水兩種，前者設在閘墩中間，邊墩與翼墻間以及上游翼墻鉛直縫中；后者設在黏土鋪蓋保護層上的溫度沉陷縫、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置瀝青麻袋止水。其構造如圖32。第二節(jié) 滲流計算一、滲流計算的目的計算閘底板各點的滲透壓力；驗算地基土在初步擬定的地下輪廓線下的滲透穩(wěn)定性。二 、計算方法的選擇計算方法有直線比例法、流網(wǎng)法和改進阻力系數(shù)法。1直線比例法對于地下輪廓線比較簡單，地基又不復雜的中、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時，水頭損失沿程按直線

50、變化，求地下輪廓各點的滲透壓力。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，在滲流開始點作一長度為Hx的垂線，并由垂線頂點用直線和滲流溢出點相連，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)工程實現(xiàn)，萊因法認為水流在水平方向和垂直方向流動，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，應將水平滲徑除以3，再與垂直滲徑相加，即得折算后的防滲長度，然后按直線比例法求得各點滲透壓力。2、流網(wǎng)法對于邊界條件復雜的滲流場，很難求得精確的滲流理論解，工程上往往利用流網(wǎng)法解決任一點滲流要素。流網(wǎng)的繪制可以通過實驗或圖解來完成。前者運用于大型水閘復雜的地下輪廓線和土基，后者運用于均質(zhì)地基上的