水利水电水闸设计说明书.docx

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水利水电水闸设计说明书

前言

本次课程设计，是根据《水闸课程设计任务书及其指导书》要求编写完成的。

在水闸课程设计过程中，结合教学所学内容，采用了新标准、新规范。

按照突出实用性，突出理论知识的应用和有利于实践能力培养的原则，采用统一命题、统一指导，有学生自主完成的方式。

在设计过程中力求做到：

基本概念准确;设计方法步骤清楚；文字简练，结构清晰。

本次课程设计的主要内容主要有：

根据所给水文、地质、地形等资料及水利经济计算成果，进行闸址及闸底板高程的选择、水利计算、防渗排水设计、闸室布置、闸室稳定验算及两岸连接建筑物布置等内容。

在设计过程中，得到了郑万勇老师的精心指导，和其他老师和同学的热心帮助，在此表示由衷的感谢。

第一章总论

第一节基本资料

1.1工程概况及拦河闸的任务

颖河拦河闸位于郾成城县境内，闸址位于颖河京广铁路上游和吴公渠入颖河下游之间。

流域面积2234平方公里，流域内耕地面积288万亩。

农作物以种植小麦、棉花。

经济作物为主，河流平均纵波1/6200。

本工程属三级建筑物。

本工程投入使用后，在正常高水位时，可蓄水2230万立方米。

上游5个县25个乡已建成提灌站42处，有效灌溉面积25万亩。

闸上游开南，北两干渠，配支干渠，配支干23条，修建各种建筑物1230座，可自流灌溉下游三县21万亩农田，既总灌溉面积45万亩。

总之，该闸拦蓄水源充沛可靠，效益巨大，是解决颖河流域农田的灌溉动脉，同时，也解决颖河地区浅层地下水贫水区的重要水源。

1.2地形资料

闸址附近地形图（1：

500）一张

1.3地质资料

根据地质钻探资料，闸址附近地层为中粉质土壤，厚度约25m其下为不透水层，其物理力学性质如下：

湿容重r湿=20.2KN/m3

土壤干容重r干=16KN/m3

饱和容重r饱=22.2KN/m3

浮容重r浮=10.2KN/m3

自然含水量时，内摩擦角∮=23°

饱和含水量时，内摩擦角∮=20°

土壤的凝聚力c=1KN/m3

地基允许承载力[δ]=150KPa

混凝土、砌石与土基摩擦系数f=0.36

地基应力的不均匀系数[η]=1.5～2.0

渗透系数k=9.29×10-3cm/s

本地区地震烈度为6°以下

1.4建筑材料

1.4.1石料：

本工程位于平原地区、山丘少，石料需从外地供给、距京广线很近，交通条件较好。

1.4.2粘土：

经调查本地区附近有较丰富的粘土材料。

1.4.3闸址处有足够多的沙料。

1.5水文气象

1.5.1气温：

本地区年最高气温42度，最低气温为-18度

1.5.2风速：

最大风速V=20m/s,吹程D=0.6Km

1.5.3降雨量:

非汛期（1~6月及10~12月）九个月份颖河平均最大流量Q=10m3/s；

汛期（7~9月）三个月最大流量Q为130m3/s。

年平均最大流量Q=36.1m3/s,最大年径流总量为9.25亿m3。

年平均最小流量Q=15.6m3/s,最小年径流总量为0.42亿m3。

1.5.4冰冻:

颖河流域冰冻时间短,冻土很薄,不影响施工。

1.5.5上下游河道断面

图1-1河道断面图

1.6批准的规划成果为

1.6.1灌溉用水季节,拦河闸的正常挡水位为58.72m,下游无水.

1.6.2洪水标准

1.6.2.1设计洪水位50年一遇，相应的洪峰流量1144.4m3/s，闸上游的洪水位为59.5m，相应的下游水位59.35m。

1.6.2.2校核洪水位为200年一遇，相应的洪峰流量Q=1642.89m3/s，闸上游洪水位61m，闸下游水位60.82m。

1.6.2.3施工导流采用20年一遇洪水，相应的洪峰为169m3/s。

1.7施工条件

1.7.1工期：

要求在两年内完成。

1.7.2电源：

由电网供电、工地距电网10Km。

1.7.3材料供应：

三材由省统一安排，本地区无石料及水泥，主要从洛阳、南阳等地用铁路运至漯河共350Km，再用汽车转运到工地，运距40Km。

第二章水力计算

第一节闸室的结构型式及孔口尺寸确定

1.1闸址的选择

闸址、闸轴线的选择关系到工程的安全可靠、施工难易、操作运用、工程量及投资大小等方面的问题。

在选择过程中首先应根据地形、地质、水流、施工管理应用及拆迁情况等方面进行分析研究，权衡利弊，经全面分析比较，合理确定。

闸址宜选择在地形开阔、岸颇稳定、岩土坚实和地下水位较底的地点，优先选用地址条件良好的天然地基，避免采用人工处理地基。

若在交叉河口附近建闸，选定的闸址宜在距离交叉河口较远处。

拦河闸应选择在河道顺直，河势相对稳定和河床断面单一的河段。

本设计闸址、闸轴线选在地形高程61.5m处，规划中已给出

1.2闸型、闸孔形式的选择

本工程主要任务是正常情况下拦截河水，以利灌溉，而当洪水来临时，开闸泄水，以保防洪安全。

由于是建在平原地区河道上的拦河闸，应具有较大超泄能力，并利于排除漂浮物。

因此采用不设胸墙的开敞式水闸。

而不采用穿堤取水或者排水的涵洞式水闸。

也不采用双层式水闸。

闸孔形式一般有宽顶堰型、低实用堰型和胸墙孔口型三种。

由于本工程是拦河闸，若采用低实用堰易淤沙。

若采用胸墙孔口型易对泄洪有影响。

故采用了有结构简单、施工方便、泄流能力比较稳定，有利于泄洪、冲沙、排淤等优点的宽顶堰型。

1.3闸槛高程的选择

闸槛高程的确定，不仅对闸孔的型式、尺寸和闸室的稳定有着决定性的影响。

而且直接关系到整个水闸工程的工程量和造价。

由于河槽蓄水，闸前淤积对洪水位影响较大，为排于排除淤沙。

闸底板高程应尽可能低。

因此，采用无底坎平底板宽顶堰，堰顶高程与河床同高，既闸底板高程为51.92m。

1.4拟订闸孔尺寸及闸墩厚度

由于已知上、下游水位，可推算上游水头及下游水深如表2.1所示

表2.1上游水头计算

流量Q

下游水深

上游水深

过水断面面积

行近流速

上游水头H0

（

）

hs（m）

H（m）

（m2）

v0（m/s）

（m）

设计流量1144.45

7.43

7.58

656.35

1.74

0.15

7.73

校核流量1142.89

8.9

9.08

847.33

1.94

0.19

9.27

注：

考虑雍高15-20cm（

取值在0.1-0.3m之间,H0=hs+

）

闸门全开泄洪时，为平底板宽顶堰，根据公式h≥0.72H判别是否为淹没出流,其判别计算见表2.2

表2.2淹没出流判别计算

计算情况

下游水深hs（m）

上游水头H0（m）

hs>0.72H0

流态

设计水位

7.43

7.73

7.43>5.57

淹没出流

校核水位

8.9

9.27

8.90>6.67

淹没出流

1.4.1确定闸孔净宽

按照闸门总净宽计算公式

根据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算,见表2.3其中侧收缩系数,取0.96;m为堰流流量系数,取0.385。

表2.3闸孔总净宽计算

流量Q

下游水深hs

上游水头H0

淹没系数

（m3/s）

（m）

设计流量1144.45

7.43

7.73

0.96

0.59

54.03

校核流量1642.89

8.9

9.27

0.96

0.59

59.04

根据《闸门设计规范》中闸孔尺寸和水头系列标准，选定单孔净宽b=9m，同时为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用7孔。

由于闸基为软基河床，选用整体五宽度为：

L=（7×9）+（2×1.6+4×1.2）=71（m）

图2-1闸孔尺寸布置图（单位：

m）

1.5校核泄洪能力

根据孔口与闸墩的尺寸可计算侧收缩系数，查《水闸设计规范》（规范表2-2），结果如下：

对于中孔：

得

靠缝墩孔：

得

对于边孔：

得

所以与假定接近，根据选定的孔口尺寸与上下游水位，进一步换算流量如表2.4所示。

表2.4过流能力校核计算

计算情况

堰上水头H0

hs/H0

校核过流能力

（

）

（

）

设计流量1144.45

7.73

0.96

0.59

0.96

1294.34

13.1%

校核流量1642.89

9.27

0.96

0.59

0.96

1647.82

0.3%

设计情况和校核情况都没有超过了规定5%的要求，符合要求，孔口尺寸选择

的比较合理。

1.6辅助曲线的绘制

根据水闸所在的河流纵横面图，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：

表2.5下游水位与相应流量关系表

下游水位

过水面积W

（m2）

湿周X

（m）

水力半径R1

（m）

谢才系数C

流量Q

（m3）

下游水深h

52.42

34.5

70.24

0.49

39.46

12.1

0.5

52.92

72.47

0.97

44.22

38.72

1.0

53.92

144

76.94

1.87

49.33

123.37

2.0

54.92

222

81.42

2.73

52.53

244.56

3.0

55.92

304

85.89

3.54

54.87

398.56

4.0

56.92

390

90.36

4.32

56.71

583.55

5.0

57.92

480

94.83

5.06

58.23

798.54

6.0

58.92

584.9

125.30

4.67

57.46

922.1

7.0

58.92

708.92

129.78

6.48

60.68

1318.38

8.0

59.92

836.89

134.25

6.23

60.29

1600.03

9.0

图2-2下游水位与流量关系曲线

第二节消能防冲设计

2.1消能防冲设计的控制情况

由于本闸位于平原地区，河床的抗冲刷能力较低，所以采用底流消能。

设计水位或校核水位时闸门全开宣泄洪水，为淹没出流，无须消能。

闸前为正常高水位58.72m，部分闸门局部开启，只宣泄较小流量时，下游水位不高，闸下射流速度较大，才会出现严重的冲刷河床现象，需设置相应的消能设施。

为了保证无论何种开启高度的情况下均能发生淹没式水跃消能，采用闸前水深H=6.8m，闸门局部开启情况，作为消能防冲的控制情况。

为了降低工程造价，确保水闸安全运行，可以规定闸门的操作规程，本次设

计按1、3、5、7孔对称方式开启，分别对不同开启孔数和开启高度进行组合计算，找出消力池池深和池长的控制条件。

按式

、式

计算，结果列入表2.6

表2.6消力池池深、池长估算

开启

孔数

开启

高度

收缩

系数

泄流量

单宽

流量

收缩

水深

跃后

水深

下游

水深

流态

判别

消力池尺寸

备注

池深

池长

水跃长

ε′

（m3/s）

（m）

hc″

（m）

Lsj

（m）

1.0

0.618

58.19

6.47

0.62

3.42

1.23

0.98

19.38

19.3

1.2

0.619

69.80

7.76

0.74

3.72

1.37

自由出流

0.95

20.25

25.6

1.5

0.621

85.72

9.52

0.93

4.02

1.56

0.84

20.41

21.3

池深控制

2.0

0.624

112.20

12.47

1.25

4.45

1.87

0.69

20.42

22.1

限开

1.0

0618

87.3

3.23

0.62

1.57

1.58

1.2

0.619

104.7

3.88

0.74

1.7

1.78

自由出流

1.5

0.621

128.15

4.75

0.93

1.81

2.04

2.0

0.625

167.25

6.19

1.25

1.95

2.36

通过计算，为了节省工程造价，防止消力池过深，对开启1孔开启高度为2.0m限开为1.5m的消力池池深为控制条件。

2.2消力池尺寸及构造

2.2.1消力池深度计算

根据所选择的控制条件，估算池深为1.0米，用式

、式

、计算挖池后的收缩水深

和相应的出池落差

及跃后水深

，验算水深淹没系数符号在1.05~1.10之后的要求。

2.2.2消力池池长

根据池深为1.0m，计算出相应的消力池为22m

2.2.3消力池的构造

采用挖深式消力池。

为了便于施工，消力池的底板做成等厚，为了降低板下部的渗透压力，在水平底板的后半部设置排水孔，孔下铺设反滤层，排水孔孔径为10cm，间距为2m，呈梅花形布置。

根据抗冲要求，按式

计算计算消力池底板厚度。

其中为消力池底板计算系数，取0.18；为确定池身时的过闸单宽流量；为相应于单宽流量的上下游水位差。

取消力池底板的厚度=1.0

消力池构造尺

寸见图2-3

消力池构造尺寸图2-3（单位：

高程m,尺寸cm）

2.3海漫设计

2.3.1海漫长度计算

用式

计算海漫长度，结果列如表中，其中，为海漫长度计算系数，根据闸基土质为中粉质壤土12。

最计算表中的最大值40m。

表2.7海漫长度计算

流量Q

上游水深H

下游水深hsˊ

（

）

（m）

[

]

（m）

200

6.8

2.63

6.82

4.17

28.80

300

6.8

3.36

4.23

3.44

33.61

400

6.8

4.01

5.63

2.79

36.80

500

6.8

4.55

7.04

2.25

39.00

600

6.8

5.08

8.45

1.72

39.95

700

6.8

5.54

9.86

1.26

39.92

2.3.2海漫构造

因为对海漫要求有一定的粗糙度，以便进一步消除余能，有一定的柔性，所以选择

在海漫的起始段为10m长的浆砌石水平段，因为浆砌石的抗冲性能较好，其顶面高程与护坦齐平。

后30m做成坡度为1：

15的干砌石段，以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。

海漫厚度为0.6m，下面铺设15cm的砂垫层。

2.4防冲槽设计

海漫末段河床冲刷坑深按式

计算，其中河床土质的不冲流速可按式计算。

按不同情况计算如2.8所示。

[v0]=v0R1/4~1/5

式中[v0]——河床土质的不冲流速，m/s

v0——查《水利学》可知此处取0.8m/s

R—水利半径,R=A/x

Hs〞——海漫末端河床水深，m.

表2.8海漫冲刷坑深度计算

计算情况

q”

相应过水水

湿周

[v0]

hs”

d′

[

]

面积A（

）

（m）

（m/s）

（m）

设计情况

11.90

637.72

127.23

1.38

1.104

7.43

4.43

校核情况

16.42

823.91

133.81

1.438

1.150

8.9

6.81

根据计算确定防冲槽的深度为2.5m。

采用宽浅式，底宽取7.5m，上游坡率为2,下

游坡率为3，出槽后做成坡率为5的斜坡与下游河床相连。

如图2-4所示

图2-4海漫防冲槽构造图（单位：

m）

2.5上、下游岸坡防护

为了保护上下游翼墙以外的河道两岸岸坡不受水流的冲刷，需要进行护坡采用浆砌石护坡，厚0.3m，下设0.1m的砂垫层。

保护范围上游自铺盖向上延伸2-3倍的水头，下游自防冲槽向下延伸4-6倍

第三章水闸防渗及排水设计

第一节闸底地下轮廓线的布置

1.1防渗设计的目的

防止闸基渗透变形；减少闸基渗透压力；减少水量损失；合理选用地下轮廓尺寸。

1.2布置原则

防渗设计一般采用防渗和排水相结合的原则，即在高水位侧采用铺盖、板桩、齿墙等防渗设施，用以延长渗径，减少渗透坡降和闸底板下的渗透压力；在低水位侧设置排水设施，如面层排水，排水孔排水或减压井与下游连通，使地下渗水尽快排出，以减少渗透压力，并防止在渗流出口附近发生渗透变形。

1.3地下轮廓线布置

1.3.1闸基防渗长度的确定

根据式计算闸基理论防渗长度为47.6m。

其中C为渗径系数，因为地基土质为重粉质壤土，查表取7。

L=7×6.8=47.6（m）

1.3.2防渗设备

由于闸基土质以黏土为主，防渗设备采用黏土铺盖，闸底板上下游侧设齿墙，为了避免破坏天然的黏土结构，不宜设置板桩。

1.3.3防渗设备尺寸和构造

1.3.3.1闸底板顺水流方向长度，据闸基土质为重粉质壤土，A取2.0，按式

L底=A×H=2×6.8=13.6（m）

综合考虑上部结构布置及地基承载力等要求，确定闸基长度为18m.

1.3.3.2闸底板厚度为：

t=1/5×9=1.8（m）,实际取1.5m.

1.3.3.3齿墙具体尺寸见图3-1.

图3-1闸底板尺寸图（单位：

cm）

1.3.3.4铺盖长度根据3~5倍的上下游水为差，确定为34m。

铺盖厚度确定：

便于施工，上游端取为0.6m，末端为1.5m，以便和闸底板连接。

为了防止水流冲刷及施工时破坏黏土铺盖，再其上设置30cm厚的浆砌石保护层，10cm厚的砂垫层。

1.4地下轮廓线的长度

根据以上设计数据，实际的地下轮廓线布置长度应大于理论的地下轮廓长度，通过校核，满足要求。

铺盖长度+闸底板长度+齿墙长度=34+15+6.8=55.8（m）＞L理=47.6m

第二节防渗和排水设计、渗透压力计算

2.1渗流计算的目的

计算闸底板各点渗透压力；验算地基图在初步拟定的地下轮廓线下的渗透性。

2.2计算方法

计算方法有直线比例法、流网法和改进阻力系数法，由于改进阻力系数法结果精确，采用此种方法进行渗流计算。

2.3计算渗透压力

2.3.1地基有效深度的计算。

根据公式判断L0/S0=23.2>5地基有效深度为：

Te=0.5×L0=0.5×52=26（m）

计算Te大于实际的地基透水层深度25m，所以取最小值Te=25m.

2.3.2分段阻力系数得计算。

通过地下轮廓的各角点和尖端将渗流区分成9个典

型段，如图3-2所示。

其中1、9段为进出口段，用相应的公式计算相应的阻力系数；3、5、7段为内部垂直段，用相应的公式计算相应的阻力系数；2、4、6、8段为水平段，用相应的公式计算相应的阻力系数。

各典型段的水头损失公式计算。

结果列入表中。

对

于进出口段的阻力系数修正，按相应公式计算，结果如表3.1和3.2所示。

渗流区域分段图如图3-2。

图3-2渗流区域分段图（单位：

m）

表3.1各段渗透压力水头损失

分段编号

分段名称

ξi

hi′

①

进口

0.6

—

0.45

0.984

0.310

②

水平

—

1.9

24.4

34.0

1.34

2.930

3.6

③

垂直

1.9

—

24.4

—

0.08

0.175

④

水平

—

22.5

1.0

0.04

0.087

⑤

垂直

1.0

—

23.5

—

0.04

0.087

⑥

水平

—

1.0

23.5

16.0

0.62

1.356

1.458

⑦

垂直

1.0

—

23.5

—

0.04

0.087

0.174

⑧

水平

—

22.5

1.0

0.04

0.087

0.174

⑨

出口

1.5

—

24.0

—

0.46

1.006

0.73

合计

3.11

H=6.8

表3.2进出口段的阻力系数修正表

断别

S′

T′

β′

h0′

Δh

h′

进口段

0.6

24.4

0.31

0.674

3.6

出口段

2.5

0.72

0.73

0.45

0.174

2.3.3计算各角点的渗透压力值。

用表3.1计算的各段的水头损失进行计算，总的水头差为正常挡水期的上、下游水头差6.8m。

各段后角点渗压水头=该段前角点渗压水头—此段的水头损失失值，结果列入表3.3。

表3.3闸基各角点渗透压力值

H10

6.8

6.49

2.89

2.72

2.63

2.54

1.08

0.91

0.73

2.3.4验算渗流逸出坡降。

出口段的逸出坡降为：

J=hi′/S′=0.73/1.5=0.48，小于壤土出口段允许渗流坡降值[J]=0.50～0.60，满足要求，不会发生渗透变形。

闸底板的渗透压力分布如图3-3所示。

图3-3闸底板下渗透压力分布图（单位：

m）

第三节防渗排水设施和细部构造

3.1.排水设备的作用

采用排水设备，可降低渗透水压力，排除渗水，避免渗透变形，增加下游的稳定性。

排水的位置直接影响渗透压力的大小和分布，应根据闸基土质情况和水闸的工作条件，作到既减少渗压又避免渗透变形。

3.2排水设备的设计

3.2.1水平排水

水平排水为加厚反滤层中的大颗粒层，形成平铺式。

排水反滤层一般是由2~3层不同粒径的砂和沙砾石组成的.层次排列应尽量与渗流的方向垂直,各层次的粒径则按渗流方向逐层增大。

反滤层的材料应该是能抗风化的砂石料，并保护土壤的颗粒不得穿过反滤层；各层的颗粒不得发生移动；相邻两层间，较小一层的颗粒不得穿过较粗一层得空隙；反滤层不能被阻塞，应具有足够的透水性，以保证排水通畅；同时还应保证耐久、稳定，其工作性能和效果应不随时间的推移和环境的改变而变差。

本次设计中的反滤层由碎石、中砂和细纱组成，其中上部为20cm厚的碎石，中间为10cm厚的中砂，下部为10cm厚的细砂。

（见反滤层构造图3-5）

3.2.2铅直排水设计。

本工程在护坦的中后部设排水孔，孔距为2m，孔径为10cm，呈梅花形布置，孔下设反滤层。

3.2.3侧向排水设计。

侧向防渗排水布置（包括齿墙、板桩、排水井等）应根据上、下

游水位、墙体材料和墙后土质以及地下水位变化等情况综合考虑，并应与闸基的防渗排

水布置相适应，在空间上形成防渗整体。

在消力池两岸翼墙设2~3层排水孔，呈梅花行布置，孔后设反滤层，排出墙后的侧向绕渗水流。

3.3止水设计

凡具有防渗要求的缝，都应

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