水闸毕业设计样本.docx
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水闸毕业设计样本
第一章总论
第一节概述
一、工程概况
涡河发源于河南省中牟县境内，经开封、通许、尉氏、太康、鹿邑等县，在安徽省与惠济河汇合后流入淮河。
汇合口以上流域面积4200km2，涡河在鹿邑县境内属平原稳定型河流，河面宽约200m，深约7——10米。
由于河床下切较深，又无恰当控制工程，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，严重影响两岸农业灌溉和人蓄用水。
为解决本地40万亩农田灌溉问题，上级批准规划拟定，在鹿邑县涡河上修建挡水枢纽工程。
本工程位于河南省鹿邑县城北约1Km，距汇合口18Km。
它是涡河梯级开发中最末一级工程，涡河闸控制流域面积4070Km2。
二、拦河闸任务
涡河拦河闸所肩负任务是正常状况下拦河截水，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，可运用河道一次蓄水800万m3，调蓄河水两岸沟塘，大量补给地下水，有助于进灌和人蓄用水，初步解决40万亩农田灌溉问题，并为工业生产提供足够水源，同步渔业、航运业发展，以及改进环境，美化城乡都是极为有利。
第二节基本资料
一、地形资料
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，河床平均标高约为30.0m，主槽宽度约为80—100m，河滩宽平，至复式河床横断面，河流比较顺直。
附闸址地形图一张（1/1000）
二、地质资料
（一）依照钻孔理解闸址地层属河流冲积相，河床某些地层属第四级蟓更新世Q3与第四纪全新世Q4层交错现象，闸址两岸地面高程均在43m左右。
闸址处地层向下分布状况如下：
1、重粉质壤土：
分布在河床表面如下，深约3m。
2、细砂：
分布在重粉质壤土如下（河床某些高程约在28.8m如下。
）
3、中砂：
分布在细砂层如下，在河床某些厚度约为5m左右。
4、重粉质壤土：
分布在中砂层如下（深约22m如下）。
5、中粉质壤土：
分布在重粉质壤土如下，厚度5—8m。
附闸址附近地址剖面图一张
三、土物理力学性质指标
1.物理性质
湿容重γa=19kN/m3
饱和容重γ饱=21kN/m3
浮容重γ浮=11Kn/m3
细砂比重γg=27kN/m3
细砂干容重γ干=15kN/m3
2．内摩擦角
自然含水量时φ=280
饱和含水量时φ=250
3.土基允许承载力：
【δ】=200kN/m3
4.混凝土、砌石与土基摩擦系数
密实细砂层f=0.36
5.地基应力不均匀系数
粘土（η）=1.5—2.0
砂土（η）=2.5
6.渗入系数
中细砂层k=5×10-3平均厚度约5m
如下土层k=5×10-5作为相对不透水层
四、工程材料
1、石料：
本地区不产石料，需从外地运进，距离公路很近，交通以便。
2、粘土：
经调查本地区附近有交丰富粘土材料。
3、闸止处有足够中细砂。
五、本地区地震烈度在6度如下。
六、水文气象
1、气温：
本地区年最高气温42.20C，最低气温-200C，平均气温14.40C。
2、风速：
最大风速V=20m/s，吹程0.6km。
3、径流量：
非汛期（1—6月及10—12月）9个月份涡河月平均最大流量9.1m3/s
汛期（7—9）三个月，涡河月平均最大流量为149m3/s，年平均最大流量Q=26.1m3/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。
七、河槽整治断面及水位流量关系曲线
经批准规划决定：
对原河槽将恰当调节，并在两岸作矮堤，以扩大泄洪能力，提高防洪安全保证率。
规划拟定上下游河道整治后断面如附图。
下游河道水位流量关系曲线见图1—1。
图1—1上下游河道横断面图（单位：
m）
八、施工条件
1、期为两年
2、材料供应
电源：
有电网供电，工地距电源线1.0公里。
地下水位平均28.0～30.0m
九、批准规划成果
1、依照水利电力部《水利水电枢纽工程级别划分及设计原则》（SDJ12—78）规定，本枢纽工程为三等工程，其中永久性重要建筑物为3级。
2、灌溉用水季节，拦河闸正常挡水位为39.50m。
3、洪水原则。
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
20
1320
40.77
40.61
校核洪水
100
1660
41.98
41.97
第三节工程综合阐明
本工程为拦河闸，建造在河道上。
枯水期用以拦截河道，抬高水位，以利上游取水或航运规定；洪水期则开闸泄洪，控制下游流量。
一、河闸特点
拦河闸既用以挡水，又用于泄水，且多修建在软土地基上，因而在稳定、防渗、消能防冲及沉降方面均有其自身特点。
1．稳定方面
关门拦水时，水闸上、下游较大水头差导致较大水平推力，使水闸有也许沿基面产生向下游滑动，为此，水闸必要具备足够重力，以维持自身稳定。
2．防渗方面
由于上下游水位差作用，水将通过地基和两岸土壤会被掏空，危及水闸安全。
渗流对闸室和两岸连接建筑物稳定不利。
因而，应妥善进行防渗设计。
3．能防冲方面
水闸开闸泄水时，在上下游水位差作用下，过闸水流往往具备较大动能，流态也较复杂，而土质河床抗冲能力较低，也许引起冲刷。
此外，水闸下游常浮现波状水夭和折冲水流，会进一步加剧对河床和两岸淘刷。
因而，设计水闸除应保证闸室具备足够过水能力外，还必要采用有效消能防冲办法，以防止河道产生有害冲刷。
4．沉降方面
土基上建闸，由于土基压缩性大，抗剪强度低，在闸室重力合外部荷载作用下，也许产生较大沉降影响正常使用，特别是不均匀沉降会导致水闸倾斜，甚至断裂。
在水闸设计时，必要合理选取闸型、构造，安排好施工程序，采用必要地基解决等办法，以减少过大地基沉降和不均匀沉降。
二、拦河闸构成
拦河闸普通由上游连接段，闸室段和下游连接段三某些构成。
（一）上游连接段
上游连接段重要作用是引导水流平稳地进入闸室，同步起防冲、防渗、挡土等作用。
普通涉及上游翼墙、铺盖、护底、两岸护坡及上游防冲槽等。
上游翼墙作用是引导水流平顺地进入闸孔并起侧向防渗作用。
铺盖重要起防渗作用，其表面应满足抗冲规定。
护坡、护底和上游防冲槽（齿墙）是保护两岸土质、河床及铺盖头部不受冲刷。
（二）闸室段
闸室是水闸主体某些，普通涉及底板、闸墩、闸门、胸墙、工作桥及交通桥等。
底板是闸室基本，承受闸室所有荷载，并比较均匀地传给地基，此外，尚有防冲、防渗等作用。
闸墩作用是分割闸孔，并支承闸门、工作桥等上部构造。
闸门作用是拦水和控制下泻流量。
工作桥供安顿起闭机和工作人员操作之用。
交通桥作用是连接两岸交通。
（三）下游连接段
下游连接段具备消能和扩散水流作用。
普通涉及护坦、海漫、下游防冲槽、下游翼墙及护坡等。
下游翼墙引导水流均匀扩散兼有防冲及侧向防渗作用。
护坦具备削能防忡作用。
海漫作用是进一步消除护坦出流剩余动能、扩散水流、调节流速分布、防止河床冲刷。
下游防冲槽是海漫末端防护设施，避免冲刷向上游扩展。
第二章水力计算
第一节闸址及形式选取
一、闸址选取
闸址选取关系到工程建设成功和经济效益发挥，是水闸设计中一项重要内容。
应依照水闸功能、特点和运用规定，以及区域经济条件，综合考地形、地质、建筑材料、交通运送、水流、潮汐、冰情、泥砂、施工、管理、周边环境等因素，经技术经济比较拟定。
闸址应选取在地形开阔、岸坡稳定、岩土坚实和地下水位较低地点。
闸址应选用地质条件良好天然地基。
壤土、中砂、粗砂、砂砾石适与作为水闸地基。
尽量避免淤泥质土和粉砂、细砂地基，必要时，应采用妥善解决办法。
拦河闸应选取在河道顺直、河势相对稳定和河床断面单一河段，或选取在弯曲河段采弯取直新开河道上。
应考虑材料来源、对外交通、施工导流、场地布置、基坑排水、施工水电供应等条件，同步还应考虑水闸建成后工程管理维修和防洪抢险等条件。
水闸中心线布置应考闸室与两岸建筑物均匀，对称规定。
拦河闸中心线普通应与河道中泓线相吻合。
该拦河闸选在鹿邑县城北约1km处，闸轴线如地形图所示。
二、闸室型式选取
闸室按构造形式可分为：
开敞式水闸和涵洞式水闸。
（一）开敞式水闸
闸室上面不填土封闭水闸。
普通有泄洪、排水、过木等规定期，多采用不带胸墙开敞式水闸，多用于拦河闸、排冰闸等。
当上游水位变幅大，而下泄流量又有限制时，为避免闸门过高，常采用带胸墙开敞式水闸，如进水闸、排水闸、挡潮闸多用这种形式。
（二）涵洞式水闸
闸身上面填土封闭水闸，又称封闭式水闸。
惯用于穿堤水或排水水闸。
洞内水流可以是有压或无压。
综合考虑该工程特点，上、下游水位差较小，不须控制流量，泄洪时也许有漂浮物等因素，可采用无胸墙开敞式水闸。
（三）闸孔形式选取
闸孔形式普通有宽顶堰型、实用堰低型和胸墙孔口型三种。
1．宽顶堰型。
这是水闸最惯用底板构造形式。
重要长处是构造简朴、施工以便、泄流能力比较稳定，有助于泄洪、冲沙、排淤、通航等；其缺陷是自由泄流时流量系数小，容易产生波状水。
2．实用堰低型。
有梯形、曲线型和驼峰型。
实用堰型自由泄流时，流量系数较大，水流条件较好，选用适当堰面形式可以消除波状水。
但泄流能力受尾水位变化影响较为明显，不稳定。
3．胸墙孔口型。
这种堰可以减小闸门高度和启门力，也可减少工作桥高和工程造价。
依照各种形式合用条件，综合考虑该工程特点，河槽蓄水，闸前基本没有淤积，闸底高程应尽量底。
因而，采用无底砍平底版宽顶堰，堰顶高程与河床同高，即闸底板高程为30.00m。
第二节闸孔尺寸拟定
一、底板高程拟定
底板高程与水闸承担任务、泄流或引水流量、上下游水位及河床地质条件等因素关于。
闸底板应置于较为坚实土层上，并应尽量运用天然地基。
在地基强度可以满足规定条件下，底板高程定得高些，闸室宽度大，两岸连接建筑物相对较低。
对于小型水闸，由于两岸建筑物在整个工程中所占比重较大，因而恰当减少底板高程，经常是有利。
固然，底板高程也不能定太低，否则，由于单宽流量加大，将会增长下游消能防冲工程量，闸门增高，启闭设备容量也随之增大。
此外，基坑开挖也较困难。
选取底板高程前，一方面要拟定适当最大过闸单宽流量。
它取决于闸下游河渠容许最大单宽流量。
容许最大过闸单宽流量可按下游河床容许最大单宽流量1.2~1.5倍拟定。
依照工程实践经验，普通在细粉质及淤泥河床上，单宽流量取5~10m3/（sm）；在砂壤土地基上取10~15m3/（sm）；在壤土地基上取15~20m3/（sm）；在黏土地基上取20~25m3/（sm）。
下游水深较深，上下游水位差较小和闸后出流扩散条件较好时，宜选用较大值。
普通状况下，拦河闸底板顶面与河床齐平，即闸底板高程30.0m。
二、拟定闸孔尺寸及闸墩厚度
1．由已知上、下游水位及闸底板高程，由公式（2—1）、式（2—2）可求得上游水头及下游水深。
v0=Q/A（2—1）
H0=H+v02/2g（2—2）
其中v0——行进流速，m/s；
Q——过流流量，m3/s；
A——过水断面面积，m2；
H0——具有行进流速水头在内闸前水头，m。
推算上游水头及下游水深见表2—1。
表2—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）
行进流速
v0（m/s）
v02/2g
上游水头
H0（m）
设计流量1320
10.61
10.77
1228.66
1.07
0.06
10.83
校核流量1660
11.79
11.98
1412.88
1.17
0.07
12.05
2．鉴别出流流态
闸门全开泄洪时，普通属于沉没条件下水流，因此采用平底板宽顶堰堰流公式，依照设计，校核状况下上、下游水位及流量进行计算。
对于宽顶堰，其沉没条件为：
:
hs≥0.8H0（2—3）
式中hs——下游水深，m；
H0——具有行进流速水头在内闸前水头，m。
依照公式（2—3）鉴别与否为沉没出流，其鉴别计算见表2—2。
表2—2沉没出流鉴别计算
计算状况
下游水深hs（m）
上游水头H0（m）
hs>0.8H0
流态
设计水位
10.61
10.83
10.61>8.66
沉没出流
校核水位
11.79
12.05
11.79>9.64
沉没出流
3．拟定闸门总净宽
对于平底板宽顶堰，《闸门设计规范》中推荐堰流公式为：
B=
（2—4）
其中B——闸孔净宽，m；
Q——流量，m3/s；
ε——侧收缩系数，初拟可按0.95—0.96预计；
m——流量系数，初拟可按0.385计算；
s——沉没系数，可通过查表求得。
按闸门总净宽计算公式（2—4），依照设计洪水和校核洪水两种状况分别计算，见表2—3。
其中堰流侧收缩系数ε取0.96；流量系数m取0.385；沉没系数бs依照hs/H0查《水力学》教材。
并取两者较大值。
表2—3闸孔总净宽计算
流量Q
（m3/s）
下游水深
hs（m）
上游水头
H0（m）
hs/H0
沉没系数
бs
B0（m）
设计流量1320
10.61
10.83
0.980
0.40
56.56
校核流量1660
11.79
12.05
0.978
0.42
57.72
4.闸孔尺寸选取
闸室单孔宽度应依照闸地基条件、运用规定、闸门构造形式、启闭机容量以及闸门等因素，进行综合比较拟定。
依照《闸门设计规范》中闸孔尺寸和水头系列原则，选定单孔净宽b=8m，同步为了保证闸门对称启动，防止不良水流形态，选用7孔。
5．闸墩厚度及墩头形状
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。
墩头采用圆弧形。
闸孔布置如图2—1所示：
图2—1闸孔尺寸布置图（单位：
m）
闸孔总宽度为：
L=（7×8）+（2×1.6+4×1.2）
=64（m）
二、校核闸孔泄洪能力
《水闸设计规范》中堰流计算公式为：
Q=
（2—5）
式中B=nb0（n为闸孔数，b0为单孔净宽），分别按设计、校核两种状况拟定计算参数，求出相应实际过闸流量Q1，校核过流能力。
普通其相对差值不应超过5%。
≤5%（2—6）
≤5%（2—7）
依照孔口与闸墩尺寸可计算侧收缩系数，查《水闸设计规范》（2-2），成果如下：
对于中孔：
b0/bs=8/（8+1.2）=0.870得б1=0.967；
靠缝墩孔：
b0/bs=8/（8+1.6）=0.833得б2=0.973；
对于边孔：
b0/bs=b0/（b0+bb）=8/（8+11.98*3+2+（80-64）/2）=0.148得б3=0.909
因此
E=（n1*б中1+n2*б中2+n3*б中3）/（n1+n2+n3）
=（1*0.976+4*0.973+2*0.909）/（1+4+2）
=0.955
与假定接近，依照选定孔口尺寸与上下游水位，进一步换算流量如下表所示：
表2—4过流能力校核计算
计算状况
（m3/s）
堰上水头
H0（m）
hs/H0
бs
ε
Q
校核过流能力
设计流量1320
10.83
0.980
0.40
0.96
1306.99
0.99%
校核流量1660
12.05
0.978
0.42
0.96
1610.64
2.97%
两种状况下过流能力都不大于5%，阐明孔口尺寸选取较为合理，因此不再进行调节。
闸孔选7孔，单孔净宽为8m。
三、辅助曲线绘制
依照水闸所在河流纵横断面图，绘制下游水位与流量关系曲线。
用明渠均匀流公式进行计算：
Q=AC
C=
R=A/x（2—8）
式中A——过流断面面积，m2；
C——谢才系数，m1/2/s；
R——水力半径，m；
n——河槽糙，查水力学教材6—3，取n=0.05；
x——过水断面湿周，m；
i——渠道底坡，本设计i=1/10000。
假设下游水深hs，由公式（2—8）求得相应流量Q，可列表计算，如表2—5所示。
hs（m）
A（m2）
X（m）
R（m）
C（m0.5/s）
Q（m3/s）
1.0
83
86.3
0.96
19.9
16.16
2.0
172
92.65
1.86
22.2
52.01
3.0
267
98.97
2.70
23.60
103.54
4.0
368
105.30
3.49
24.64
169.40
5.0
475
111.62
4.26
25.46
242.16
6.0
588
117.95
4.99
26.14
343.35
7.0
711
128.27
5.54
26.61
445.32
8.0
840
134.60
6.24
27.14
569.48
9.0
975
140.92
6.92
27.61
708.15
表2—5下游水深与流量表
依照下游水深与流量表绘制下游水深与流量关系曲线图H～Q图，见附图。
附图下游断面H~Q关系曲线图
第三节消能防冲设计
水闸泄水时，某些势能转化为动能，流速增大，具备较强冲刷能力，而土质河床抗冲能力又较低，因而，必要采用恰当消能防冲办法。
那么一方面应理解过闸水流特点。
一、过闸水流特点
1．水流形式复杂
初始泄流时，闸下水深较浅，随着闸门开度增大而会逐渐加深，闸下出流由孔口到堰流，自由出流到沉没出流都会发生，水流形态比较复杂。
因而，消能设施应在任意工作状况下，均能满足消能规定并与下游较好衔接。
2、闸下易形成波状水跃
由于水闸上下游水位差较小，出闸水流拂汝得数较低（Fs=1—1.7），容易放生波状水跃，特别是在平底板状况下更是如此。
此时，无强烈水跃旋滚，水面波动，消能效果差，具备较大冲刷能力。
此外，水流处在急流状态，不易向两侧扩散，致使两侧产生回流，缩小河槽有效过水宽度，局部单宽流量增大，严重地冲刷下游河道。
3、闸下容易浮现折冲水流
普通水闸宽度较上下游河道窄，水流过闸时先收缩而后扩散。
如工程布置或操作运营不当，出闸水流不能均匀扩散，将使主流集中，蜿蜒蛇行，左冲右撞，形成折冲水流，冲毁消能防冲设施和下游河道。
二、消能防冲方式选取
泄水建筑物下游水流消能防冲方式有如下几种形式。
1．底流式衔接消能
能使下泄高速水流在较短距离内有效地通过水跃转变为缓流，消除余能，与下游河道正常流动衔接起来。
平原地区水闸，由于水头低，下游水位变幅大，合用底流式消能。
2．挑能式消能
在建筑物出流部位运用挑流鼻坎将水流抛射在较远下游，不致影响建筑物安全。
合用山区灌溉渠道上泄水闸和退水闸，下游为坚硬岩体，又具备较大水头状况。
3．面流式消能
对下游水深较大且稳状况，可采用低与下游水位跌坎，将下泄高速水流送入下游河道水流表层，在坎后形成底部旋滚，减轻对河床冲刷，并消除余能。
由于本闸位于平原地区，河床抗冲刷能力较低，采用底流式消能。
三、能防冲设施设计
（一）消能控制条件分析
设计水位或校核水位时闸门全开，宣泄洪水，为沉没出流，不必消能，闸前为常高水位39.50m，某些闸门局部启动，只宣泄较小流量时，下游水位不高，闸下射流速度较大，才会浮现严重冲刷河床现象，须设立相应消能设施。
为了保证无论何种启动高度状况下均能发生沉没式水跃消能，采用闸前水深H=9.5m，闸门局部启动状况，作为消能防冲设计控制状况。
为了减少工程造价，保证水闸安全运营，可以规定闸门操作规程，本设计按1、3、5、7孔对称方式启动，分别对不同启动孔数和启动度进行组共计算，找出消力池池深和池长控制条件。
《水闸设计规范》中指出，消力池计算简图及重要计算公式如下：
图2—3消力池计算简图
孔口出流流量公式：
Q=
（2—9）
消力池池深：
d=
hc″－
－Δz（2—10）
挖池前收缩水深：
hc=
（2—11）
挖池后收缩水深：
=0（2—12）
跃后水深：
hc″=
（2—13）
出池落差：
Δz=
（2—14）
式中Q——下泄流量，m3/s；
μ——宽顶堰上孔流流量系数，μ=ε＇φ
e——闸门启动高度，m；
ε＇——收缩系数；
φ——流速系数，φ=0.9~1.0，取φ=0.985
b——闸孔单宽，m；
H0——堰上水头，m；
n——启动孔数；
d——消力池深度，m；
σ0——水跃沉没系数，可采用1.05~1.10，取1.05；
hc〃——跃后水深，m；
hc——收缩水深，m；
T0——总势能，m；
Δz——出池落差，m；
hs——出池河床水深，m。
对于消力池池深计算，应先计算出挖池前收缩水深，按《水利学》公式估算出池深，然后求出总势能，再试算出挖池后收缩水深。
其计算式如下：
消力池长度：
Lsj=Ls+βLj（2—15）
水跃长度：
Lj=6.9（hc＂-hc）
式中Lsj——消力池长度，m；
Ls——消力池斜坡段水平投影长度，m；
β——水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8；
Lj——水跃长度，m。
通过跃后水深与下游水深比较进行流态鉴别，通过计算，找出最大池深，池长作为相应控制条件。
同步考虑到经济及其她因素，对池深较大启动度采用限开办法。
关于流态鉴别如下：
hc＂hc＂=hs为临界状态；
hc＂>hs为自由出流远驱式水跃。
按式（2—9）、式（2—10）、式（2—11）、式（2—12）、式（2—13）、式（2—14）、式（2—15）、式（2—16）估算消力池深及池长，其成果如表2—6所示。
表2—6消力池池深、池长估算
启动孔数
n
启动高度
e
收缩系数
泄流量
Q
m3/s
单宽
流量
q
（m3/
sm）
收缩
水深
hc
（m）
跃后
水深
hc
（m）
下游
水深
hs
（m）
流态
鉴别
自由出流
削力池尺寸
池深d
（m）
池长
lsj
（m）
水跃长
lj
（m）
备注
1
1.0
0.6
63
7.78
0.62
4.21
2.20
2.01
28.58
27.39
1.2
0.6
75
9.42
0.74
4.59
2.45
2.14
30.60
31.74
1.5
0.6
93
11.66
0.93
5.01
2.80
2.21
32.65
33.19
2.0
0.6
122
15.31
1.24
5.62
3.30
2.32
36.40
36.16
池深控制
2.5
0.6
151
18.86
1.56
6.08
3.70
2.38
38.91
39.19
限开
3
0.8
0.6
152
6.33
0.49
3.85
3.72
0.32
18.88
23.46
1.2
0.6
226
9.42
0.74
4.59
4.80
沉没出流
1.5
0.6
280
11.66
0.93
5.01
5.40
2.0
0.6
367
15.31
1.24
5.62
6.25
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