水闸工程毕业设计.docx

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水闸工程毕业设计

水闸工程毕业设计（总73页）

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，又无适当控制工程，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，严重影响两岸的农业灌溉和人蓄用水。

为解决当地40万亩农田的灌溉问题，上级批准的规划确定，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

涡河拦河闸所担负的任务是正常情况下拦河截水，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，可利用河道一次蓄水800万m3，调蓄河水两岸沟塘，大量补给地下水，有利于进灌和人蓄用水，初步解决40万亩农田的灌溉问题，并为工业生产提供足够的水源，同时渔业、航运业的发展，以及改善环境，美化城乡都是极为有利的。

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，地面高程约为左右。

河床坡降平缓，纵坡约为1/10000，河床平均标高约为，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）根据钻孔了解闸址地层属河流冲积相，河床部分地层属第四级蟓更新世Q3与第四纪全新世Q4的层交错现象，闸址两岸地面高程均在43m左右。

闸址处地层向下分布情况如下：

1、重粉质壤土：

分布在河床表面以下，深约3m。

2、细砂：

分布在重粉质壤土以下（河床部分高程约在以下。

）

3、中砂：

分布在细砂层以下，在河床部分的厚度约为5m左右。

4、重粉质壤土：

分布在中砂层以下（深约22m以下）。

5、中粉质壤土：

分布在重粉质壤土以下，厚度5—8m。

附闸址附近地址剖面图一张

三、土的物理力学性质指标

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.土基许可承载力：

【δ】=200kN/m3

4.混凝土、砌石与土基摩擦系数

密实细砂层f=

5.地基应力不均匀系数

粘土（η）=—

砂土（η）=

6.渗透系数

中细砂层k=5×10-3平均厚度约5m

以下土层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，交通方便。

2、粘土：

经调查本地区附近有交丰富的粘土材料。

3、闸止处有足够的中细砂。

五、本地区地震烈度在6度以下。

六、水文气象

1、气温：

本地区年最高气温，最低气温-200C，平均气温。

2、风速：

最大风速V=20m/s，吹程。

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=s，最大年径流总量为亿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

经批准的规划决定：

对原河槽将适当调整，并在两岸作矮堤，以扩大泄洪能力，提高防洪安全的保证率。

规划确定的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，工地距电源线公里。

地下水位平均～m

九、批准的规划成果

1、根据水利电力部《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》（SDJ12—78）的规定，本枢纽工程为三等工程，其中永久性主要建筑物为3级。

2、灌溉用水季节，拦河闸正常挡水位为。

3、洪水标准。

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

校核洪水

100

1660

第三节工程综合说明

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．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、胸墙、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。

护坦具有削能防忡作用。

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

第一节闸址及形式选择

一、闸址选择

闸址选择关系到工程建设的成功和经济效益的发挥，是水闸设计中的一项重要内容。

应根据水闸的功能、特点和运用要求，以及区域经济条件，综合考地形、地质、建筑材料、交通运输、水流、潮汐、冰情、泥砂、施工、管理、周围环境等因素，经技术经济比较确定。

闸址应选择在地形开阔、岸坡稳定、岩土坚实和地下水位较低的地点。

闸址应选用地质条件良好的天然地基。

壤土、中砂、粗砂、砂砾石适与作为水闸的地基。

尽量避免淤泥质土和粉砂、细砂地基，必要时，应采取妥善的处理措施。

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，或选择在弯曲的河段采弯取直的新开河道上。

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，同时还应考虑水闸建成后工程管理维修和防洪抢险等条件。

水闸中心线的布置应考闸室与两岸建筑物均匀，对称的要求。

拦河闸的中心线一般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、闸室型式选择

闸室按结构形式可分为：

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的水闸。

一般有泄洪、排水、过木等要求时，多采用不带胸墙的开敞式水闸，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，常采用带胸墙的开敞式水闸，如进水闸、排水闸、挡潮闸多用这种形式。

（二）涵洞式水闸

闸身上面填土封闭的水闸，又称封闭式水闸。

常用于穿堤水或排水的水闸。

洞内水流可以是有压的或无压的。

综合考虑该工程特点，上、下游水位差较小，不须控制流量，泄洪时可能有漂浮物等因素，可采用无胸墙的开敞式水闸。

（三）闸孔形式的选择

闸孔形式一般有宽顶堰型、实用堰低型和胸墙孔口型三种。

1．宽顶堰型。

这是水闸最常用的底板结构形式。

主要优点是结构简单、施工方便、泄流能力比较稳定，有利于泄洪、冲沙、排淤、通航等；其缺点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，选用适宜的堰面形式可以消除波状水。

但泄流能力受尾水位变化的影响较为明显，不稳定。

3．胸墙孔口型。

这种堰可以减小闸门高度和启门力，也可降低工作桥高和工程造价。

根据各种形式的适用条件，综合考虑该工程特点，河槽蓄水，闸前基本没有淤积，闸底高程应尽可能底。

因此，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。

第二节闸孔尺寸确定

一、底板高程确定

底板高程与水闸承担的任务、泄流或引水流量、上下游水位及河床地质条件等因素有关。

闸底板应置于较为坚实的土层上，并应尽量利用天然地基。

在地基强度能够满足要求的条件下，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，因而适当降低底板高程，常常是有利的。

当然，底板高程也不能定的太低，否则，由于单宽流量加大，将会增加下游消能防冲的工程量，闸门增高，启闭设备的容量也随之增大。

另外，基坑开挖也较困难。

选择底板高程前，首先要确定合适的最大过闸单宽流量。

它取决于闸下游河渠的允许最大单宽流量。

允许最大过闸单宽流量可按下游河床允许最大单宽流量的~倍确定。

根据工程实践经验，一般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。

一般情况下，拦河闸的底板顶面与河床齐平，即闸底板高程。

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——含有行进流速水头在内的闸前水头，m。

推算的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

校核流量1660

2．判别出流流态

闸门全开泄洪时，一般属于淹没条件下的水流，所以采用平底板宽顶堰堰流公式，根据设计，校核情况下的上、下游水位及流量进行计算。

对于宽顶堰，其淹没条件为：

:

hs≥（2—3）

式中hs——下游水深，m；

H0——含有行进流速水头在内的闸前水头，m。

根据公式（2—3）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>

流态

设计水位

>

淹没出流

校核水位

>

淹没出流

3．确定闸门总净宽

对于平底板宽顶堰，《闸门设计规范》中推荐的堰流公式为：

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—估计；

m——流量系数，初拟可按计算；

s——淹没系数，可通过查表求得。

按闸门总净宽计算公式（2—4），根据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算，见表2—3。

其中堰流侧收缩系数ε取；流量系数m取；淹没系数бs根据hs/H0查《水力学》教材。

并取两者的较大值。

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

淹没系数

бs

B0（m）

设计流量1320

校核流量1660

4.闸孔尺寸的选择

闸室单孔宽度应根据闸的地基条件、运用要求、闸门结构形式、启闭机容量以及闸门等因素，进行综合比较确定。

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=8m，同时为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用7孔。

5．闸墩的厚度及墩头形状

选用整体式底板，缝设在闸墩上，中墩厚，缝墩厚，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×+4×）

=64（m）

二、校核闸孔的泄洪能力

《水闸设计规范》中堰流的计算公式为：

Q=

（2—5）

式中B=nb0（n为闸孔数，b0为单孔净宽），分别按设计、校核两种情况确定计算参数，求出相应的实际过闸流量Q1，校核过流能力。

一般其相对差值不应超过5%。

≤5%（2—6）

≤5%（2—7）

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》（2-2），结果如下：

对于中孔：

b0/bs=8/（8+）=得б1=；

靠缝墩孔：

b0/bs=8/（8+）=得б2=；

对于边孔：

b0/bs=b0/（b0+bb）=8/（8+*3+2+（80-64）/2）=得б3=

所以

E=（n1*б中1+n2*б中2+n3*б中3）/（n1+n2+n3）

=（1*+4*+2*）/（1+4+2）

=

与假定接近，根据选定的孔口尺寸与上下游水位，进一步换算流量如下表所示：

表2—4过流能力校核计算

计算情况

（m3/s）

堰上水头

H0（m）

hs/H0

бs

ε

Q

校核过流能力

设计流量1320

%

校核流量1660

%

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7孔，单孔净宽为8m。

三、辅助曲线的绘制

根据水闸所在的河流纵横断面图，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——河槽的糙，查水力学教材6—3，取n=；

x——过水断面的湿周，m；

i——渠道底坡，本设计i=1/10000。

假设下游水深hs，由公式（2—8）求得相应的流量Q，可列表计算，如表2—5所示。

hs（m）

A（m2）

X（m）

R（m）

C（s）

Q（m3/s）

83

172

267

368

475

588

711

840

975

表2—5下游水深与流量表

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。

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，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。

那么首先应了解过闸水流的特点。

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（Fs=1—），容易放生波状水跃，特别是在平底板的情况下更是如此。

此时，无强烈的水跃旋滚，水面波动，消能效果差，具有较大的冲刷能力。

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

泄水建筑物下游水流的消能防冲方式有以下几种形式。

1．底流式衔接消能

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。

平原地区的水闸，由于水头低，下游水位变幅大，适用底流式消能。

2．挑能式消能

在建筑物出流部位利用挑流鼻坎将水流抛射在较远的下游，不致影响建筑物安全。

适用山区灌溉渠道上的泄水闸和退水闸，下游为坚硬的岩体，又具有较大的水头的情况。

3．面流式消能

对下游水深较大且稳的情况，可采用低与下游水位的跌坎，将下泄的高速水流送入下游河道水流表层，在坎后形成底部旋滚，减轻对河床的冲刷，并消除余能。

由于本闸位于平原地区，河床的抗冲刷能力较低，采用底流式消能。

三、能防冲设施的设计

（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，为淹没出流，无须消能，闸前为常高水位，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，须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=，闸门局部开启情况，作为消能防冲设计的控制情况。

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度进行组合计算，找出消力池池深和池长的控制条件。

《水闸设计规范》中指出，消力池计算简图及主要计算公式如下：

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——闸门开启高度，m；

ε＇——收缩系数；

φ——流速系数，φ=~，取φ=

b——闸孔单宽，m；

H0——堰上水头，m；

n——开启孔数；

d——消力池深度，m；

σ0——水跃淹没系数，可采用~，取；

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。

对于消力池池深的计算，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，再试算出挖池后的收缩水深。

其计算式如下：

消力池长度：

Lsj=Ls+βLj（2—15）

水跃长度：

Lj=（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～；

Lj——水跃长度，m。

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。

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，其结果如表2—6所示。

表2—6消力池池深、池长估算

开启孔数

n

开启高度

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

判别

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

63

75

93

122

池深控制

151

限开

3

152

226

淹没出流

280

367

注：

计算式中系数如下：

=，φ=，β=，消力池坡段边坡系数m=4。

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

（二）消力池尺寸及构造

1．消力池深度的计算

根据所选择的控制条件，估算池深为，用公式（2—12）、（2—13）、式（2—14）计算挖池后的收缩水深hc1和相应的出池落差Δz及跃后水深hc＂。

计算如下：

T0=H0+d=（m）

即=

用迭带法求得

=

hc＂=

=

=（m）

Δz=

=

=（m）

验算水跃淹没系数σ，由《水力学》教材公式求：

σ0=（d+hs+Δz）/hc＂（2—17）

得σ0=（++）/=

符合在~之间的要求。

2．消力池池长

根据池深，用式（2—15）、式（2—16）求得相应的消力池长度为36m。

3．消力池护坦厚度

消力池底板（即护坦）承受水流的冲击力、水流脉动压力和底部扬压力等作用，应具有足够的重量、强度和抗冲耐磨的能力。

护坦一般是等厚的，也可采用不同的厚度，始端厚度大，向下游逐渐减小。

护坦厚度可根据抗冲和抗浮要求，分别计算，并取其最大值。

按抗冲要求计算消力池护坦厚度公式为：

t=k1

（2—18）

按抗浮要求计算消力池护坦厚度公式为：

t=k2

（2—19）

式中t——消力池底板始端厚度，m；

k1——消力池底板计算系数，可采用~；

k2——消力池底板安全系数，可采用～；

py——扬压力，kpa；

ΔH＇——泄水时上、下游水位差，m；

Hd——消力池内平均水深，m；

γ——水的重度，kN/m3；

γ1——消力池底板的饱和重度，kN/m3。

该工程可根据抗冲要求，按式（2—18）计算消力池底板厚度。

其中k1取为，q为确定池深时的过闸单宽流量，此处q=（sm），Δ