水闸设计实例.docx
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水闸设计实例
水闸设计实例
本工程位于河南省某县城郊处,它是某河流梯级开发中最末一级工程。
该河属稳定性河流,河面宽约200m,深约7~10m。
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畜用水。
为解决当地40万亩农田的灌溉问题,经上级批准的规划确定,修建挡水枢纽工程。
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。
3,调蓄水至两岸沟塘,大量补给地下水,m800万本工程建成后,可利用河道一次蓄水有利于进灌和人畜用水,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,同时对渔业、航运业的发展,以及改善环境,美化城乡都是极为有利的。
(一)地质条件
3与第四纪全Q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纪蟓更新世4的层交错出现,闸址两岸高程均在41m左右。
新世Q闸址处地层向下分布情况如下表1所示。
表1闸址处地层分布情况
土质名称
重粉质壤土
细砂
中砂
重粉质壤土
中粉质壤土
分布范围由上而下
河床表面以下深3m约
高程28.8m以下
厚度约5m
高程22m以下
厚度5-8m
(二)地形
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30.00m,主河槽宽度约80-100m,河滩宽平,呈复式河床横断面,河流比较顺直。
(三)土的物理力学性质指标
土的物理力学性质指标主要包括物理性质、允许承载力、渗透系数等,具体数字如表2、3所示。
表2土的物理性质指标表
湿重度
饱和重度
浮重度
细砂比重
细砂干重度
319KN/m
321KN/m
311KN/m
327KN/m
315KN/m
土的力学性质指标表表3
内摩擦角
土基允许承载力
摩擦系数
不均匀系数
渗透系数cm/s
自然含水量?
28?
时
?
?
?
200?
2KN/m
混凝土、砌石与土基的摩擦系数当土基为密实细砂层时值为f?
0.36
粘土?
?
?
?
1.5~2.0
中细砂层?
3105?
K?
饱和含水量?
25?
时
砂土?
?
?
?
2.4
以下土层?
510?
?
K5
(四)工程材料
1、石料
本地区不产石料,需从外地运进,距公路很近,交通方便。
2、粘土
经调查本地区附近有较丰富的粘土材料。
.
3、闸址处有足够的中细砂。
(五)水文气象
1、气温
C。
C,平均气温本地区年最高气温42.214.4C,最低气温-20.7
2、风速
V?
20m/s,吹程0.6Km。
最大风速
3、径流量3/s。
个月份月平均最大流量9.1m月及10~12月)9~非汛期(16Q?
26.233/s,最/s,年平均最大流量~汛期(79)三个月,月平均最大流量为149mm3。
亿m大年径流总量为8.254、冰冻
闸址处河水无冰冻现象。
(六)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》(SD112-78)的规定,本枢纽工程为Ⅲ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38.50m。
3、洪水标准见表4所示。
表4洪水标准表
项目
重现年
3/s)洪水流量(m
闸前水位(m)
下游水位(m)
设计洪水
20
937
39.15
39
校核洪水
50
1220
40.35
40.2
(七)施工条件
1、工期为两年。
2、材料供应情况
水泥由某水泥厂运输260Km至某市,再运输80Km至工地仓库;其它他材料由市汽车运至工地;电源由电网供电,工地距电源线1.0Km;地下水位平均为28.0~30.0m。
(一)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。
本次设计中闸轴线的位置已由规划给出。
(二)闸型确定
本工程主要任务是正常情况下拦河截水,以利灌溉,而当洪水来临时,开闸泄水,以保防洪安全。
由于是建于平原河道上的拦河闸,应具有较大的超泄能力,并利于排除漂浮物,因此采用不设胸墙的开敞式水闸。
同时,由于河槽蓄水,闸前淤积对洪水位影响较大,为便于排出淤沙,闸底板高程应尽可能低。
因此,采用无底坎平顶板宽顶堰,堰顶高程与河床同高,即闸底板高程为30.00m。
(三)拟定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1所示:
表1上游水头计算
3流量Q(m/s)
下游水深hs(m)
H上游水深(m)
过水断面积2(m)
行近流速3(m/s)
2v0g2
上游水头H(m)0
设计流量937
9
9.15
995.768
0.941
0.045
9.195
校核流量1220
10.20
10.35
1166.768
1.046
0.056
10.406
注:
考虑壅高15~20cm。
闸门全开泄洪时,为平底板宽顶堰堰流,根据公式1判别是否为淹没出流。
表2淹没出流判别表
计算情况
下游水深hs(m)
上游水头H0(m)
h?
0.8H0s
流态
设计水位
9
9.195
357.9?
7
淹没出流
校核水位
10.20
10.406
325.20?
810.
淹没出流
,根据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算如下表。
其
(2)按照闸门总净宽计算公式m?
为堰流流量系数,取0.385。
中0.96;为堰流侧收缩系数,取
表3闸孔总净宽计算表
3m)/s流量Q(
下游水深m)(hs
上游水头m)H(0
hsH0
?
淹没系数
B(m)0
设计流量937
9
9.195
0.979
0.45
50.07
校核流量1220
10.20
10.406
0.98
0.56
55.50
b?
8m,同时为了根据《闸门设计规范》中闸孔尺寸和水头系列标准,选定单孔净宽
保证闸门对称开启,防止不良水流形态,选用7孔,闸孔总宽度为:
?
?
?
?
2.1?
4?
?
2?
1.7?
86-==64m
L1)d=nb+(n0由于闸基为软基河床,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。
如图1所示。
图1闸孔尺寸布置图(单位:
m)
(四)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:
b80?
?
0.870
?
?
0.9762?
b81.对于中孔得;1中s
b80?
?
0.833
?
?
0.9736b8?
1.;靠缝墩孔得2中sb80?
?
0.163?
?
0.909058?
41.b;得对于边孔3中s所以?
?
?
n?
?
nn1?
0.976?
4?
0.973?
2?
0.90931232中中1中?
?
0.?
?
956
1nn?
n?
?
4?
2312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4过流能力校核计算表
计算情况
H堰上水头0)m(
hsh0
?
?
Q
校核过流能力
937设计流量
9.195
0.979
0.41
0.96
1048.04
11.8%
校核流量1220
10.406
0.98
0.4
0.96
1230.99
0.8%
设计情况超过了规定5%的要求,说明孔口尺寸有些偏大,但根据校核情况满足要求,所以不再进行孔口尺寸的调整。
(一)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,所以采用底流式消能。
设计水位或校核水位时闸门全开渲泄洪水,为淹没出流无需消能。
闸前为正常高水位38.50m,部分闸门局部开启,只宣泄较小流量时,下流水位不高,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,所以采用闸前水深H=8.5m,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度进行组合计算,找出消力池池深和池长的控制条件。
按公式(7)、(8)、(9)、(11)计算结果列入表1。
表1消力池池深池长估算表
开启孔数n
开启高度e
收缩系数?
?
泄流量Q
单宽流量q
收缩水深hc
跃后水深″hc
下游水深Hs
流态判别
消力池尺寸
备注
池深d
池长Ls
水跃长Lsj
1
0.8
0.554
44
5.44
0.49
3.27
2.40
自由出流
1.03
21.5
19.2
1.0
0.616
60
7.55
0.62
4.03
2.65
1.6
24.5
23.5
1.2
0.617
73
9.08
0.742表
4.41海漫长度计算表
2.95
1.7
25.7
25.3
1.5
0.619
91
11.4
0.93
4.90
3.25
1.9
27.2
27.4
池深控制
2.0
0.621
122
15.3
1.24
5.53
3.62
2.2
31.7
29.6
限开
3
0.8
0.554
131
5.44
0.44
3.27
3.75
淹没出流
1.0
0.616
181
7.55
0.62
4.03
4.25
1.2
0.617
217
9.08
0.74
4.41
4.58
1.5
0.619
273
11.4
0.93
4.90
2.0
0.621
366
15.3
1.24
5.53
米限开,2.01孔开启高度为通过计算,为了节省工程造价,防止消力池过深,对开启米为消力池的池深控制条件。
孔开启高度为2得出开启1
(二)消力池尺寸及构造、消力池深度计算1)式计算挖池后的收缩12、(、(11)根据所选择的控制条件,估算池深为2m,用(10)″hhZ之间的~1.051.10水深,和相应的出池落差Δ验算水跃淹没系数符合在及跃后水深cc要求。
d?
h?
?
Z2?
3.25?
0.01s?
?
?
?
1.05
0?
?
h5.00c2、消力池池长根据池深为2m,用公式(32m。
、(14)计算出相应的消力池长度为13)、消力池的构造3为了降低底板下部的渗透消力池的底板做成等厚,采用挖深式消力池。
为了便于施工,,,间距为2m10cm压力,在水平底板的后半部设置排水孔,孔下铺设反滤层,排水孔孔径为呈梅花形布置。
k;0.18根据抗冲要求,按式16计算消力池底板厚度。
其中为消力池底板计算系数,取1q?
H?
为确定池深时的过闸单宽流量;为相应于单宽流量的上、下游水位差。
t?
0.1811.48.5?
3.25?
0.9t?
1.0m。
,取消力池底板的厚度m
cm)
,尺寸(单位:
高程m消力池构造尺寸图图1
(三)海漫设计、海漫长度计算1k为海漫长度计算系数,根据闸基土2。
其中18用公式()计算海漫长度结果列入表s
。
。
取计算表中的大值,确定海漫长度为40m质为中粉质壤土则选12
Q流量
H上游水深
?
h下游水深s
q
?
H?
LP
100
8.5
3.35
1.56
5.25
22.7
200
8.5
4.30
3.13
4.20
30.4
300
8.5
5.25
4.69
3.25
34.9
400
8.5
5.95
6.25
2.55
37.9
500
8.5
6.62
7.81
1.88
39.3
600
8.5
7.20
9.38
1.30
39.2
36.210.90.707008.57.80
2、海漫构造
因为对海漫的要求为有一定的粗糙度以便进一步消除余能,有一定的透水性,有一定的柔性。
所以选择在海漫的起始段为10米长的浆砌石水平段,因为浆砌石的抗冲性能较好,其顶面高程与护坦齐平。
后30米做成坡度为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0.6米,下面铺设15cm的砂垫层。
(四)防冲槽设计
海漫末端河床冲刷坑深度按公式19计算,其中河床土质的不冲流速可按下式计算。
按不同情况计算如表3所示。
111?
?
?
?
~?
vR?
vvR554?
?
000?
?
(20)
?
?
v;—河床土质的不冲流速,m/s式中0v—查《水力学》可知此处取0.8m/s;0A?
R
xR;—水力半径,
?
?
h。
海漫末端河床水深,m—s
表3冲刷坑深度计算表
计算情况
?
?
q
相应过水水A面积1表
x湿周各段渗透压力水头损失
1R5
?
?
v0
?
?
hs
?
d
校核情况
15.25
1422.52
157.16
1.554
1.243
11.80
1.700
设计情况
11.71
1243
149.57
1.527
1.222
10.60
-0.056
根据计算确定防冲槽的深度为1.70m。
采用宽浅式,底宽取3.4m,上游坡率为2,下游坡率为3,出槽后作成坡率为5的斜坡与下游河床相连。
如图2所示。
图2海漫防冲槽构造图(单位:
m)
(五)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0.3米,下设0.1米的砂垫层。
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倍的水头。
(一)闸底地下轮廓线的布置
1、防渗设计的目的
防止闸基渗透变形;减小闸基渗透压力;减少水量损失;合理选用地下轮廓尺寸。
.
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,用以延长渗径减小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,以减小渗透压力,并防止在渗流出口附近发生渗透变形。
3、地下轮廓线布置
C为渗。
其中
(2)计算闸基理论防渗长度为59.5m
(1)闸基防渗长度的确定。
根据公式
径系数,因为地基土质为重粉质壤土,查表取7。
L?
7?
8.5?
59.5m
(2)防渗设备由于闸基土质以粘性土为主,防渗设备采用粘土铺盖,闸底板上、下游侧设置齿墙,为了避免破坏天然的粘土结构,不宜设置板桩。
(3)防渗设备尺寸和构造。
1)闸底板顺水流方向长度根据公式
(1)计算,根据闸基土质为重粉质壤土A取2.0。
底板长度综合考虑上部结构布置及地基承载力等要求,确定为18m。
L?
2?
8.5?
17m
底1?
8?
1.?
t6
5m,实际取为2)闸底板厚度为1.5m。
。
13)齿墙具体尺寸见图
cm闸底板尺寸图(单位:
)1图
。
铺盖厚度确定为:
便于施工)倍的上、下游水位差,确定为40m4)铺盖长度根据(3~5为了防止水流冲刷及施工时破坏粘土铺末端为1.5m以便和闸底板联接。
,上游端取为0.6m厚的砂垫层。
10cm盖,在其上设置30cm厚的浆砌块石保护层,、校核地下轮廓线的长度4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线长度,通过校核,满足要求。
L?
8648640?
.?
18?
.=59.5m
齿墙长度=++铺盖长度闸底板长度理
(二)排水设备的细部构造
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。
排做到即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,减少渗压又避免渗透变形。
、排水设备的设计2水平排水为加厚反滤层中的大颗粒层,形成平铺式。
反滤层一般是由1()水平排水各层次的粒径则层次排列应尽量与渗流的方向垂直,2~3层不同粒径的砂和砂砾石组成的。
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,并满足:
被保护土壤的颗粒不得穿过反滤层;反滤层较小一层的颗粒不得穿过较粗一层的空隙;相邻两层间,各层的颗粒不得发生移动;
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,中砂和细砂组成,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。
cm)
单位:
(反滤层构造图2图
,呈,孔径为10cm)铅直排水设计本工程在护坦的中后部设排水孔,孔距为2m(2梅花形布置,孔下设反滤层。
侧向防渗排水布置(包括刺墙、板桩、排水井等)应根据上、下(3)侧向排水设计并应与闸基的防渗排水布游水位,墙体材料和墙后土质以及地下水位变化等情况综合考虑,置相适应,在空间上形成防渗整体。
排出墙后的侧向绕呈梅花形布置,孔后设反滤层,在消力池两岸翼墙设2~3层排水孔,
渗水流。
3、止水设计前者设在闸墩中止水分铅直和水平止水两种。
凡具有防渗要求的缝,都应设止水设备。
消力后者设在粘土铺盖保护层上的温度沉陷缝、间,边墩与翼墙间以及上游翼墙铅直缝中;在粘土铺盖与闸底板沉陷缝中设消力池本身的温度沉降缝内。
池与底板温度沉陷缝、翼墙、置沥青麻袋止水。
cm)
单位:
(图3止水详图
(三)防渗计算
、渗流计算的目的:
计算闸底板各点渗透压力;验算地基土在初步拟定的地下轮廓线1下的渗透稳定性。
、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计算结果2精确,采用此种方法进行渗流计算。
、计算渗透压力3)地基有效深度的计算。
(1L052?
23?
.
TS,地基有效深度3)根据公式(判断为e0
T?
0.5?
l?
0.5?
58?
29m,大于实际的地基透水层深度8m,所以取小值0e
T?
8m。
e
(2)分段阻力系数的计算。
通过地下轮廓的各角点和尖端将渗流区域分成9个典型段,如图4所示。
其中1、9段为进出口段,用式(4)计算阻力系数;3、5、7段为内部垂直段,用式(5)计算相应的阻力系数;2、4、6、8段为水平段,用式6计算相应的阻力系数。
各典型段的水头损失用式(7)计算。
结果列入(表1)中。
对于进出口段的阻力系数修正,按公式(8)、(9)、(10)计算,结果如表2所示。
m)渗流区域分段图(单位:
图4
分段编号
分段名称
S
S1
S2
T
L
?
i
hi
?
hi
①
进口
0.6
—
—
8.0
—
0.47
0.408
0.245
②
水平
—
0
1.9
7.4
40.0
5.25
4.553
4.716
③
垂直
1.9
—
—
7.4
—
0.26
0.226
0.226
④
水平
—
0
0
5.5
1.0
0.18
0.156
0.156
⑤
垂直
1.0
—
—
6.5
—
0.16
0.139
0.136
⑥
水平
1.0
1.0
6.5
18.0
2.55
2.211
2.211
⑦
垂直
1.0
—
—
6.5
—
0.16
0.139
0.139
⑧
水平
—
0
0
5.5
1.0
0.18
0.156
0.182
⑨
出口
2.5
—
—
7.0
—
0.59
0.512
0.486
合计
9.8
H=8.5
H=8.5
表2进出口段的阻力系数修正表
别段?
?
?
′′′TΔhShhox进口段4.7160.60.2457.40.1630.60
出口段0.182
0.486
2.5
0.95
5.5
0.026
(3)计算各角点的渗透压力值。
用表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8.5m。
各段后角点渗压水头=该段前角点渗压水头—此段的水头损失值,结果列入表3。
闸基各角点渗透压力值3表.
H1
H2
H3
H4
H5
H6
H7
H8
H9
H10
8.50
8.26
3.54
3.31
3.16
3.02
0.81
0.67
0.49
0
(4)验算渗流逸出坡降。
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0.h486iJ?
?
?
0.324
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