水利水电水闸毕业设计 (2).doc

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水利水电水闸毕业设计 (2).doc

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水利水电水闸毕业设计 (2).doc

第一章综合说明

第一节概述

本工程闸址位元于龙坝乡驻地—龙坝河与其左岸支沟交汇口之上游约150m处，拦河闸所担负的任务是正常情况下拦河截水，抬高水位，以利引水。

洪水时开闸泄水，以保安全。

主要用于电站引水发电。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000），本引水式电站首部枢纽工程等别为Ⅴ等，主要建筑物级别为五级；设计洪水标准确定为20年一遇，校核洪水标准确定为50年一遇。

第二节基本数据

1、基本概况

电站位置：

龙坝乡

水系：

岷江水系

开发方式：

引水式

引用流量：

2.5m3/s

2、流域概况

1）、河流概况

坝（闸）址位于龙坝乡驻地—龙坝河与其左岸支沟交汇口之上游约150m处。

河道顺直，纵坡降约55‰，河床横宽15～20m。

左岸漫滩宽约15m，其后为河间三角形洪积阶地，阶面高出河水面10～15m，边坡稳定。

右岸坡麓有崩坡积块碎石，基岩大面积出露，边坡稳定；坝线处为崩坡积层边坡，坡角30～40°，边坡稳定。

坝线下游向约30m处出露基岩，顺河长约60m，岩层为三迭系上统侏倭组（T3zh）浅灰色薄～中厚层状变质钙质石英砂岩、千枚岩。

沉砂池位于右岸一级阶地上，地形地质条件宜于布置建筑物。

阶地表层为砂壤土夹砾碎石，厚度1～1.5m，其下为冲洪积砂漂块卵石层，粒度大小悬殊，局部有架空结构，均匀性差。

池基持力层为冲洪积砂漂块卵石层，能满足沉砂池对承载、抗滑等稳定性要求。

2）、气象

气象特征值统计表

多年平均降雨量

835.3

多年平均气温

℃

9.0

多年平均相对湿度

多年平均风速

m/s

1.9

多年平均蒸发量

1459.4

3）、水文、泥沙

（1）径流

多年平均流量42.3m3/s，多年平均年径流深777.6mm，折合年径流量13.37亿m3。

径流的年内分配与降雨的年内分配基本一致。

年内分配大致为：

丰水期5～10月，主要为降雨补给；枯水期11月～次年4月，主要由地下水和融雪水补给。

每年4月以后径流随着降雨的增大而逐渐增大，6、7两月水量最丰，8月份相对较小，9月份次丰，11月起由于降雨量的减少，径流开始以地下水补给为主，稳定退水至翌年3月。

径流在年内的分配不均匀，丰水期（5～10月）多年平均流量为69.2m3/s，占年径流量的82.2%，其中主汛期（6～9月）水量占了年水量的61.5%，枯水期（11～4月）多年平均流量为15.2m3/s，占年径流量的17.8%，最枯的1～3月多年平均流量为11.1m3/s，占年径流的6.5%，其中最枯的2月只占1.9%。

径流的年际变化不大，最大年平均流量为52.8m3/s（1961年5月～1962年4月），最小年平均流量为30.4m3/s（1971年5月～1972年4月），相差仅1.7倍。

年最小流量一般出现在1、2月份，多数出现于2月，最小月平均流量8.48m3/s。

（2）洪水

年最大流量的年际变化较小，实测年最大洪峰流量的最大值为465m3/s（1967年7月12日），最小值163m3/s（1966年7月14日），两者之比为2.85倍。

洪水过程主要为复峰过程。

（3）泥沙

多年平均悬移质输沙量

万t

7.21

6～9月占全年输沙量百分数

90.7

6～9月输沙量

万t

6.54

6～9月含沙量

kg/m3

1.036

多年平均悬移质含沙量

kg/m3

0.669

多年平均推移质年输沙量

万t

1.44

多年平均年输沙总量

万t

8.65

4）、地质

龙坝河位于黑水河中游之北部，地形上属于川西北高原向四川盆地过渡的斜坡地带。

地势总的趋势是西北高东南低，由海拔5000~4000m降至约2000m，沿河两岸山势巍峨，层峦迭嶂，高差悬殊，属典型的高山峡谷、构造剥蚀与侵蚀地貌。

本河流全长约26km，河流总体方向由NE流向SW折而由NW流向SE，河流坡降陡，平均坡降约为70‰，河谷阶地不发育，间有漫滩断续分布。

两岸支沟不对称，左岸比较发育。

按河谷地貌形态的表现特征，从上自下大致可分为三段：

王母寨沟以上河段，河谷相对开阔，两岸谷坡坡度大致在40~50º左右，谷宽约40~60m；龙坝乡以上至王母寨沟河段，河谷狭窄，河床深切，左岸陡峭，坡度大致在50~70º左右，右岸稍缓,坡度大致在40~50º左右，谷宽只有20~50m；龙坝乡及以下河段，谷底相对开阔，宽约70m，两岸谷坡坡度大致为40~75º。

工程区在大地构造上位处秦岭东西向构造带、龙门山北东向构造带与金汤弧形构造带间的三角地块内，构造形迹比较复杂。

工程区位元于较场和知木林两个山字型构造之间，属较场山字型构造与西尔北西向构造带的复合地带。

区内断裂不发育，以弧形线状褶皱构造为主。

坝址位于龙坝河与其左岸支沟交汇口之上游约150m处。

河道顺直，纵坡降约55‰，河床横宽15～20m。

左岸漫滩宽约15m，其后为河间三角形洪积阶地，阶面高出河水面10～15m，边坡稳定。

右岸坡麓有崩坡积块碎石，基岩大面积出露，边坡稳定；坝线处为崩坡积层边坡，坡角30～40°，边坡稳定。

坝线下游向约30m处出露基岩，顺河长约60m，岩层为三迭系上统侏倭组（T3zh）浅灰色薄～中厚层状变质钙质石英砂岩、千枚岩。

距坝线下游约100～160m，有倾斜状一级阶地，顺河长约60m，横向宽约30m，适宜布置沉砂池；坝线上游两岸有较宽阔的河。

坝基为第四系全新统冲洪积砂漂块卵石层，石质以变质砂岩、板岩为主，少量岩浆岩，粒径一般6～30cm，次园～次棱角状，砂砾石含量约占20%，漂石、块石含量约占50%，卵碎石约30%，结构稍～中密，局部具架空现象，均匀性差，透水性强，地下水丰富。

该层作为低坝坝基持力层是适宜的，能满足其对承载、抗滑稳定等要求。

左岸为洪积阶地前沿泥砂漂块卵碎石层，结构松散，抗冲刷能力极弱，透水性较强，不宜直接作为坝肩。

建议：

坝肩嵌入岸坡内2～3m，上游必须护岸，并与枢纽防渗工程连成一体。

右岸为坡麓崩坡积块碎石，结构松散，透水性较强，亦不宜直接作为坝肩。

建议：

坝肩嵌入岸坡内1～2m，坝线上游须护岸，并与防渗工程连成一体。

此外，在基坑开挖中，地下水量大，应采取降排水措施；区内有冰冻现象，对建筑物有不良影响，需采取相应工程措施。

沉砂池位于右岸一级阶地上，地形地质条件宜于布置建筑物。

阶地表层为砂壤土夹砾碎石，厚度1～1.5m，其下为冲洪积砂漂块卵石层，粒度大小悬殊，局部有架空结构，均匀性差。

池基持力层为冲洪积砂漂块卵石层，能满足沉砂池对承载、抗滑等稳定性要求。

主要工程地质问题是：

地基不均匀变形，需采取相应工程结构措施；河岸易受洪水冲刷袭击，需沿岸构筑防冲保坎。

沉砂池至坝线，前段为崩坡积层边坡坡麓，适宜设置箱型暗渠，并与防洪堤工程结合；后段为基岩边坡，其地形地质条件可以设置暗渠。

首部枢纽地基土石主要地质参数建议值

岩性

重力密度r（kn/m3）

允许承载力c（MPa）

变形模量E。

Gpa）

摩擦系数f

粘聚力CMpa

渗透系数

K（cm/s）

允许渗透比降J

砂漂块卵石层

0.30～0.40

0.03～0.04

0.50

（4～5）10-2

0.15

泥砂漂块卵碎石层

0.20～0.25

0.02～0.025

0.33

0.05

（1～2）10-2

0.15

泥砂块碎石

16～18

0.17～0.18

0.01～0.015

0.26

0.1

（0.5～1）10-2

0.20

3、水位及流量

电站设计引用流量：

2.5m3/s

坝（闸）正常挡水位：

2063.00m

隧洞进口水位：

2061.00m

洪水资料：

P＝0.5％Q=147.0m3/s；

P＝1.0％Q=137.0m3/s；

P＝2.0％Q=126.0m3/s；

P＝3.3％Q=117.0m3/s；

P＝5.0％Q=110.0m3/s；

第三节工程综合说明书

本工程闸孔形式采用无胸腔的开敞式水闸，闸底板形式采用宽顶堰。

建造在河道上，枯水期用以拦截河道，抬高水位，以利上游取水要求；洪水期则开闸泄洪，控制下游流量。

一、河闸的特点

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都有其自身的特点。

1．稳定方面

关门拦水时，水闸上、下游较大的水头差造成较大的水平推力，使水闸有可能沿基面产生向下游的滑动，为此，水闸必须具有足够的重力，以维持自身的稳定。

2．防渗方面

由于上下游水位差的作用，水将通过地基和两岸的土壤会被掏空，危及水闸的安全。

渗流对闸室和两岸连接建筑物的稳定不利。

因此，应妥善进行防渗设计。

3．消能防冲方面

水闸开闸泄水时，在上下游水位差作用下，过闸水流往往具有较大的动能，流态也较复杂，而土质河床的抗冲能力较低，可能引起冲刷。

此外，水闸下游常出现波状水夭和折冲水流，会进一步加剧对河床和两岸的淘刷。

因此，设计水闸除应保证闸室具有足够的过水能力外，还必须采用有效的消能防冲措施，以防止河道产生有害的冲刷。

4．沉降方面

土基上的建闸，由于土基的压缩性大，抗剪强度低，在闸室的重力合外部荷载作用下，可能产生较大的沉降影响正常使用，尤其是不均匀沉降会导致水闸倾斜，甚至断裂。

在水闸设计时，必须合理选择闸型、构造，安排好施工程序，采取必要的地基处理等措施，以减少过大的地基沉降和不均匀沉降。

二、拦河闸的组成

拦河闸通常由上游连接段，闸室段和下游连接段三部分组成。

（一）上游连接段

上游连接段的主要作用是引导水流平稳地进入闸室，同时起防冲、防渗、挡土等作用。

一般包括上游翼墙、铺盖、护底、两岸护坡及上游防冲槽等。

上游翼墙的作用是引导水流平顺地进入闸孔并起侧向防渗作用。

铺盖主要起防渗作用，其表面应满足抗冲要求。

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

闸室是水闸的主体部分，通常包括底板、闸墩、闸门、工作桥及交通桥等。

底板是闸室的基础，承受闸室的全部荷载，并比较均匀地传给地基，此外，还有防冲、防渗等作用。

闸墩的作用是分割闸孔，并支承闸门、工作桥等上部结构。

闸门的作用是拦水和控制下泻流量。

工作桥供安置起闭机和工作人员操作之用。

交通桥的作用是连接两岸交通。

（三）下游连接段

下游连接段具有消能和扩散水流的作用。

一般包括护坦、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。

护坦具有消能防冲

0…..作用。

海漫的作用是进一步消除护坦出流的剩余动能、扩散水流、调整流速分布、防止河床冲刷。

下游防冲槽是海漫末端的防护设施，避免冲刷向上游扩展。

第二章水力计算

第一节　结构型式及孔口寸、断面尺寸的确定

一、闸室结构型式及底板高程

本工程孔口采用无胸腔的开敞式水闸，闸底板型式采用宽顶堰。

一般情况下，拦河闸的底板顶面与河床齐平，即闸底板高程2061m。

二、拦河闸下游水位

已知设计洪水标准确定为20年一遇，即：

Q设=1103/s，校核洪水标准确定为50年一遇，即：

Q校=126m3/s。

根据水闸所在的河道断面图,假设水位高度（H）求各水位断面流量，并绘制下游水位—流量关系曲线。

用明渠均匀流公式进行计算：

Q=AC，C=，R=A/x（《水力学》教材）

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——河槽的糙率，查水力学教材6—3，取n=0.04；

x——过水断面的湿周，m；

i——渠道底坡，本设计i=0.055。

假设下游水深hs，求得相应的流量Q，可列表计算。

计算结果如下表：

下游水深

hs（m）

过水断面面积A（㎡）

湿周

x（m）

水力半径

R（m）

糙率

谢才系数

底坡

流量

Q（m³/s）

5.75

11.69

0.492

0.04

22.21

0.055

21.01

17.57

1.138

0.04

25.54

0.055

127.79

2.5

29.375

21.24

1.383

0.04

26.388

0.055

213.78

根据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，见附图水位—流量曲线图

.下游断面H~Q关系曲线图

根据水位—流量关系曲线查出河道下游水位:

hs设=1.91m；hs校=1.99m。

三、拦河闸上游水位

要求枢纽通过：

Q设=110m3/s（设计洪水流量）；Q校=126m3/s（校核洪水流量）。

闸门总净宽：

本工程河床横宽15-20m，小型水闸的单孔宽度一般为3-5m，现拟定b=5m；闸孔数取n=3。

故闸孔总净宽BO=nb=15m。

墩形：

中墩采用半圆形，边墩采用流线形。

设计洪水位情况：

假设上下游水位差△H=0.83m，Ho=hs设+△H=1.91+0.83=2.74m

hs设/Ho=0.697<0.8,属于自由出流，淹没系数取σs=1。

堰流流量系数：

m=0.385

《水闸设计规范》中堰流的计算公式为：

Q=Boσsεm√2gHo³

根据《水力学》教材查图8-6得流线形边墩的形状系数ζk=0.4，查表8-6得半圆形闸墩形状系数ζ0=0.45。

侧收缩系数：

ε=1-0.2[（n-1）ζ0+ζk]H0/nb（《水力学》公式8-16）

=1-0.2×[（3-1）×0.45+0.4]×2.74/15

=0.9525

实际过流能力：

Q=Boσsεm√2gHo³

=15×1×0.9525×0.385√2×9.8×2.743

=110.45m3/s≈Q设=110m3/s≤5%（故假设成立）

▽设上=▽底+Ho=2061+2.74=2063.74m

校核洪水位情况：

假设上下游水位差△H=1.02m，Ho=hs设+△H=1.99+1.02=3.01m

hs设/Ho=0.661<0.8,属于自由出流，淹没系数取σs=1。

堰流流量系数：

m=0.385

《水闸设计规范》中堰流的计算公式为：

Q=Boσsεm√2gHo³

根据《水力学》教材查图8-6得流线形边墩的形状系数ζk=0.4，查表8-6得半圆形闸墩形状系数ζ0=0.45。

侧收缩系数：

ε=1-0.2[（n-1）ζ0+ζk]H0/nb（《水力学》公式8-16）

=1-0.2×[（3-1）×0.45+0.4]×3.01/15

=0.9478

实际过流能力：

Q=Boσsεm√2gHo³

=15×1×0.9478×0.385√2×9.8×3.013

=126.54m3/s≈Q校=126m3/s≤5%（故假设成立）

▽校上=▽底+Ho=2061+3.01=2064.01m

两种情况下过流能力都小于5%，说明孔口尺寸的选择较为合理，所以不再进行调整。

闸孔选3孔，单孔净宽为5m。

四、验算过闸单宽流量

根据地质资料，本工程地基属于砂壤土地基，允许单宽流量10-15m3/s.m,取[q]=10m3/s.m。

①通过设计流量时：

q=Q设/B孔=110/15=7.33m3/s.m＜10m3/s.m

②通过校核流量时：

q=Q校/B孔=126/15=8.4m3/s.m＜10m3/s.m

∴满足要求

第二节　消能防冲设计

水闸泄水时，部分势能转化为动能，流速增大，具有较强的冲刷能力，而土质河床的抗冲能力又较低，因此，必须采取适当的消能防冲措施。

一、过闸水流的特点

1．水流形式复杂

初始泄流时，闸下水深较浅，随着闸门开度的增大而会逐渐加深，闸下出流由孔口到堰流，自由出流到淹没出流都会发生，水流形态比较复杂。

因此，消能设施应在任意工作情况下，均能满足消能的要求并与下游很好的衔接。

2、闸下易形成波状水跃

由于水闸上下游水位差较小，出闸水流的拂汝得数较低（1.0

另外，水流处于急流状态，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、闸下容易出现折冲水流

一般水闸的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行不当，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、消能防冲方式选择

底流式衔接消能主要用于中、低水头的闸、坝，可适应较差的地质条件，消能效果较好。

能使下泄的高速水流在较短的距离内有效地通过水跃转变为缓流，消除余能，与下游河道的正常流动衔接起来。

由于本工程水头低，下游水位变幅大，河床的抗冲刷能力较低，采用底流式消能。

三、消能防冲设施的设计

（一）消能控制条件分析

水闸在泄流过程中，随着闸门开启度不同，闸下水深、流态和过闸流量也随之变化，设计条件较难确定。

一般以上游最高水位、下游始流水位为可能出现的最低水位，闸门部分开启、单宽流量大作为控制条件。

设计时应以闸门的开启程序，开启孔数和开启高度进行多种组合计算，通过分析比较确定。

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，应先拟定闸门开启孔数，然后由水利计算的跃后水深与下游实际水深hs比较，选取最大值的情况，判别水跃形式，作为闸门最不利的情况，消能防冲设计的控制情况。

（下游水深根据下游水位—流量关系曲线查得）

为了确保水闸安全运行，可以规定闸门的操作规程，本设计对闸孔按对称方式开启，分别对不同开启孔数和开启度进行组合计算，找出消力池池深和池长的控制条件。

孔口出流流量公式：

（e/H＜0.65；计算取H0≈H）

Q=μσenb√2g（H0-hc）=φε＇σenb√2g（H0-）

式中：

u——宽顶堰上孔流流量系数，μ=φε＇

ε＇——收缩系数；查《水力学》教材表8-1

φ——流速系数，φ=0.9~1.0，取φ=0.95

e——开度.

hc——挖池前收缩水深；hc=

nb——净宽.

H0——堰顶全水头.

hs＜hc″（自由出流）σ=1；hs＞hc″（淹没出流）

跃后水深：

hc″=

通过跃后水深与下游水深的比较进行流态判别，经过计算，找出最大的池深，池长作为相应的控制条件。

同时考虑到经济及其他原因，对池深较大的开启度采用限开措施。

关于流态判别如下：

hc＂

hc＂=hs为临界状态；

hc＂>hs为自由出流的远驱式水跃。

计算列表如下：

正常水位情况：

（H正=2.0m）

表1消力池池深池长估算表

开启孔数

出流形式

开启高度

收缩

系数

挖池前收缩水深

跃后水深hc″

泄流量

单宽流量

下游水深hs

流态判别

闸孔出流

0.4

0.620

0.248

1.135

6.9

1.38

0.61

0.525

自由出流

0.8

0.630

0.504

1.417

12.96

2.59

0.81

0.607

1.3

0.675

0.878

1.497

19.55

3.91

0.97

0.527

闸孔出流

0.4

0.620

0.248

1.135

13.81

1.38

0.84

0.294

自由出流

0.8

0.630

0.504

1.417

25.93

2.59

1.08

0.337

1.3

0.675

0.878

1.497

39.1

3.91

1.25

0.247

闸孔出流

0.4

0.620

0.248

1.135

20.71

1.38

0.99

0.145

自由出流

0.8

0.630

0.504

1.417

38.89

2.59

1.25

0.167

1.3

0.675

0.878

1.497

58.65

3.91

1.49

0.007

根据以上计算结果表，算出在正常水位情况下，开启1孔闸门，开启度为0.8m时，hc”-ht=0.607m，为最不利情况。

设计水位情况：

（H0设=2.74m）

表2消力池池深池长估算表

开启孔数

出流形式

开启高度

收缩

系数

收缩

水深

跃后水深hc″

泄流量

单宽流量

下游水深hs

流态判别

闸孔出流

0.4

0.6177

0.247

1.373

8.2

1.641

0.65

0.723

自由出流

0.8

0.6245

0.5

1.776

15.73

3.145

0.88

0.896

1.3

0.6414

0.834

2.014

24.21

4.842

1.05

0.964

1.7

0.666

1.132

2.059

30.19

6.038

1.13

0.929

闸孔出流

0.4

0.6177

0.247

1.373

16.41

1.641

0.9

0.473

自由出流

0.8

0.6245

0.5

1.776

31.45

3.145

1.15

0.626

1.3

0.6414

0.834

2.014

48.42

4.842

1.37

0.644

1.7

0.666

1.132

2.059

60.38

6.038

1.51

0.549

闸孔出流

0.4

0.6177

0.247

1.373

24.61

1.641

1.05

0.323

自由出流

0.8

0.6245

0.5

1.776

47.18

3.145

1.35

0.426

1.3

0.6414

0.834

2.014

72.63

4.842

1.62

0.394

1.7

0.666

1.132

2.059

90.57

6.038

1.78

0.279

根据以上计算结果表，算出在设计水位情况下，开启1孔闸门，开启度为1.3m时，hc”-ht=0.964m，为最不利情况。

校核水位情况：

（H0校=3.01m）

表3消力池池深池长估算表

开启孔数

出流形式

开启高度

收缩

系数

收缩

水深

跃后水深hc″

泄流量

单宽流量

下游水深hs

流态判别

闸孔出流

0.4

0.617

0.247

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