一个小型水电站的设计.docx
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一个小型水电站的设计
1、工程概况4
1.1工程概述4
1.2水文气象条件4
1.3工程地质和水文地质条件6
1.4建筑材料及交通运输7
1.5灌溉渠道设计成果8
2、水闸等级划分和洪水标准9
2.1工程等别划分9
2.2建筑物级别划分9
2.3洪水标准10
3、闸址选择11
4、水闸孔口尺寸的确定13
4.1闸孔型式选择13
4.2底板型式13
4.3闸底板顶面高程的确定13
4.4闸门高度的确定13
4.5闸墩布置14
4.6闸孔总净宽的计算15
4.6.1总净宽的试算15
4.6.2泄洪能力的校核17
19
5、总体布置
5.1枢纽布置19
5.2闸室布置19
5.2.1布置原则19
5.2.2闸顶高程确定19
5.2.3底板布置28
5.2.4工作桥布置31
5.2.5交通桥布置31
5.3防渗排水布置31
5.4消能防冲布置32
5.5两岸连接布置32
6、水力设计33
6.1水闸的消能防冲33
6.1.1消力池结构计算33
6.1.2海漫的结构计算36
6.1.3防冲槽38
6.2闸门控制方式的拟定38
7、水闸的防渗设计41
7.1设计任务41
7.2闸基的防渗长度41
7.3渗流计算42
7.4滤层设计47
8、闸室稳定验算51
8.1分析受力情况51
8.2闸室的稳定性及安全指标53
8.3稳定计算54
1.1工程概述
流沙河枢纽是流沙河上拟建的一座闸枢纽工程，位于沙县南部，距离市区
10km°流沙河全长139km，流域面积385km‘°
闸址上游25km处的流沙河上建有综合利用的东林水利枢纽淇总库容为1.4
亿m3,每年下泄水量4.94亿於，其中除工业用水1.8亿代外，其余全部可供灌溉，
为满足两岸灌区取水的要求，拟建流沙河沙县水闸以抬高河道水位。
东林与沙阳闸址之间‘河道宽度一般在150300m之间，闸址处的河道宽250m‘除沿河因洪
水泛滥，地形起伏不平以外，其余大多地势平坦，南北向地面坡降为1/2500-
1/3500‘东西向为1/2000-1/4000。
闸址上游原有堤防，为了适应建闸后上游水位的太高，要求根据建闸后的上游水位加高堤防。
1.2水文气象条件
（1）、经上游的东林水库调节后，沙阳闸址的不同频率洪峰流量见表1-1,
洪水期一般为每年7—10月。
表1-1流流沙河闸址不同频率洪峰流畳
洪水
频率
0.1%
0.33%
0.5%
1%
2%
5%
10%
25%
75%
流量
（m:
/s）
2050
1766
1666
1500
1333
1100
933
666
96
（2）、闸址的水位流量关系如下图所示。
图1・1流流沙河水闸闸址水位流量关系曲线
流量
（3）、经东林水库调蓄后，下泄水流含砂量很小，平均含砂量0.55kg/n?
。
（4）、非汛期重现期10年和15年的流量见表1-2。
表1-211-6月重现期10年和15年的洪水流量
流量
11月
12月
1月
2月
3月
4月
5月
6月
10年
306
363
170
110
180
286
300
360
（5）、根据沙阳站60多年的观测资料，多年平均气温16.8°C；8月份气温最高，月平均30.2°C，1月份最低，月平均2.2°C；最高气温达41.5°C，最低气温-8°C。
（6）'多年平均风速4.8m/s，汛期多年最大风速平均值为12m/s。
（7）、根据沙阳气象记录，日降雨量大于5imn的降雨天数见表1-3。
表1-3各月日降雨畳大于5mm的夭数
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
平均天数
3
3
4
5
6
6
9
8
8
4
3
2
最多天数
5
7
8
9
10
11
12
11
12
8
6
6
最少天数
0
1
2
2
2
3
5
1
3
2
1
0
1.3工程地质和水文地质条件
（1）、闸址地质情况系属第四纪沉积岩，厚度较大，河床两岸滩地为粉质壤土，厚度15m，河床为砾粗砂，厚度17m，下部为粗砂层，厚度11m，基岩为花岗岩。
沿河一带地下水埋藏深度随地形变化，地下水面一般在地表下3m左右。
因土质透水性较大，地下水位变化受河道水位影响*丰水期河水补给地下水，地下水位增高；枯水期地下水补给河水，地下水位比较低。
（2）、地基土壤设计指标见表1-4。
内摩擦角0
26°
28°
—
18°
渗透系数K（cm/s）
4.5xlO-3
3xlO-3
—
3xlO-5
空隙比e
0.56
0.58
—
0.44
地基承载力
[o]（Mpa）
0.3
0.3
0.25
变形模量E（Mpa）
30
40
—
（3）、回填土可以采用砾质中砂、砾质粗砂、粗砂回填，其重度加=1.75&T5・7kN/m‘%=17.66kN/m3、屜=19.62kN/m‘，内摩擦角"26°,
粘聚力。
=°。
（4）、混凝土与各种土壤的摩擦系数见表1-5。
表1-5混凝土与各种土壤的摩擦系数
摩擦系数/
粘土
中砂
粗砂
砾质粗砂
混凝土
0.28
0.45
0.48
0.49
（5）、本地区地震烈度为6度。
1.4建筑材料及交通运输
（1）、石料闸址位于平原地区，山丘少，石料须从外地运来，离闸址20km的陈相山、高子岗两石料场可供应石料，其抗压强度为30Mpa左右，重度为25.5-27.47kN/m3左右，石料场距离公路约1km。
（2）、混凝土骨料闸址下游2.5-4.0km的河滩砂砾石可作混凝土骨料。
（3）、土料闸址上游1〜2km有壤土，其物理力学性质参数与闸址的粉质壤土大体相当，数量月80万方。
（4）'其他水泥、钢材、木材须由外地购买。
（5）、有公路和铁路从闸址附近经过，交通便利。
（6）、闸上应修交通桥，以供农用车辆通过。
1.5灌溉渠道设计成果
渠道渠底高程32.Om，最大引水流量：
两个灌区引水流量均为8nf/s,灌
溉正常挡水位135.50m°
2♦水闸等级划分和洪水标准
2.1工程等别划分
水闸的等级划分是进行水闸设计的基本前提条件之一，大家可以根据自己条
件查阅水闸设计规范或参考水工建筑物教材进行确定。
流沙河水闸属于平原区的
水闸，也可按表2-1进行确定。
表2-1平原区水闸枢紐工程分算指标
工程等别
I
n
m
IV
V
规模
大
（1）型
大⑵型
中型
小
（1）型
小⑵型
最大过闸流量
（m3/s）
£5000
5000-1000
1000-100
100-20
<20
卩方护对象的重要性
特别重要
重要
中等
一般
根据表1-1可以查的流流沙河闸址的最大过闸流量为2050m3/s，由此数据查表2-1可知流沙河水闸枢纽工程为H等大
（2）型水利枢纽。
2.2建筑物级别划分
水闸枢纽中的水工建筑物应根据其所属枢纽工程的等别、作用和重要性划分级别，其级别应按表2-2确定。
表2-2水闸枢纽建筑物级别划分
工程等别
永久性建筑物级别
临时性建筑物级别
主要建筑物
次要建筑物
I
1
3
1
n
2
3
1
m
3
4
5
IV
4
5
5
V
5
5
-
由工程等别来确定建筑物的级别，因为流沙河水闸属于II等水利枢纽，所以根据表2-2可知水闸枢纽中永久建筑物为2级建筑物，次要建筑物为3级建筑物，临时性建筑物为4级建筑物。
2.3洪水标准
对于平原区的水闸，可根据水利部批准发布的规范SL-2001进行确定：
平原区水闸的洪水标准应根据所在河流流域防洪规定的防洪任务，以近期防洪目标为主，并考虑远景发展要求，按表2-3所列标准综合分析确定。
表2-3平原区水闸洪水标准
水闸级别
1
2
3
1
5
洪水重现期
设计
100-50
50-30
30-20
20-10
10
（年）
校核
300-200
200-100
100-50
50-30
30-20
平原地区水闸闸下消能防冲的洪水标准应与该水闸的洪水标准一致，并应考虑泄放小于消能防冲设计洪水标准的流量时可能出现的不利情况。
根据水闸级别为2级，所以对应的洪水标准如下，设计情况下取50年一遇，校核情况下取100年一遇，根据表1-1和图1-1资料可以求出设计及校核所对应的洪水频率下相关的流量和上、下游水位，上游水位是在相对应下游水位基础上加上20cm»所得结果如表2-4所示。
表2-4流沙河水闸洪水标准及上、下游水位
计算工况
频率
流量（m3/s）
下游水位（m）
上游水位（m）
设计洪水
2%
1333
136.14
136.24
校核洪水
1%
1500
136.40
136.60
正常蓄水
——
——
0
135.50
（1）、闸址应根据水闸的功能、特点和运用要求，综合考虑地形、地质、水流、潮汐、泥沙、冻土、冰清、施工、管理、周围环境等因素，经技术经济比较后选定。
（2）、闸址宜选在地形开阔、岸坡稳定、岩土坚实和地下水水位较低的特点。
闸址宜优先选用地质条件良好的天然地基，避免采用人工处理地基。
（3）、节制闸或泄洪闸闸址宜选择在河道顺直、河势相对稳定的河段，经技术经济比较后也可选择在弯曲河段裁弯取直的新开河道上。
（4）、若在多支流汇合口下游河道上建闸，选定的闸址与汇合口之间宜有一定的距离。
（5）、若在平原河网地区交叉河口附近建闸，选定的闸址宜在距离交叉河口较远处。
（6）、若在铁路桥或I、II级公路桥附近建闸，选定的闸址与铁路桥或I、11级公路桥的距离不宜太近。
（7）、选择的闸址应考虑材料来源、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。
（8）、选择闸址应考虑水闸建成后工程管理维修和防汛抢险等条件。
（9）、选择闸址还应考虑占用土地及拆迁房屋少；尽量利用周围已有公路、航运、动力、通信等公用设施；有利于绿化、净化、美化环境和生态环境保护；有利于开展综合经营。
本设计中流沙河水闸枢纽就是依据以上的规定选在合适的位置上，这里不再
赘述。
4♦水闸孔口尺寸的确定
4.1闸孔型式选择
水闸设计规范中闸孔型式有开敞式和封闭式，无胸墙的开敞式水闸超载能力比较强，本闸址地处平原地带，正常情况下蓄水和泄洪能力要求较高，所以初拟闸孔型式为无胸墙的开敞式水闸。
4.2底板型式
水闸设计规范中底板型式有宽顶堰和低实用堰两种，宽顶堰是水闸中常见的一种底板型式，它有利于泄洪、冲沙、排冰、通航、双向过水等，结构简单，施工方便，泄流能力比较稳定等优点；由于本设计中水闸采用无胸墙的开敞式闸孔，所以底板型式也应满足泄洪能力的要求，所以流沙河水闸的地板型式初步拟定为宽顶堰式。
4.3闸底板顶面高程的确定
底板顶面高程与闸承担的任务、泄流或引水流量、上下游水位及河床地质条件等因素有关。
在大、中型水闸中，由于闸室工程量占的比重较大，降低底板高程常常是有利的。
因为流沙河水闸属于2级水利建筑物，所以初步拟定水闸的底板高程与河道底部高程一致。
4.4闸门高度的确定
水闸设计规范中说明闸门结构的选择布置应根据其受力情况、控制运用要求、制作、运输、安装、维修条件等，结合闸室结构布置合理选定。
当永久缝设置在闸室底板上时，宜采用平面闸门，露顶式闸门顶部应在可能出现的最高挡水位以上有0.3-0.5m的超高。
所以根据规范中的说明初步拟定闸门为平板露顶闸门，闸门的高度为正常情况下的最高挡水位加上安全超高，初拟高度为5.5m°
4.5闸墩布置
水闸设计规范中规定闸墩结构型式应根据闸室结构抗滑稳定性和闸墩纵向刚度要求确定，一般宜采用实体式。
闸墩的外轮廓设计应满足过闸水流平顺、侧向收缩小、过流能力大的要求。
上游墩头可采用半圆式，下游墩头宜采用矩形。
闸墩厚度应根据闸孔孔径、受力条件、结构构造要求和施工方法等确定。
平面闸门闸墩门槽处最小厚度不宜小于0.4m，边墩比缝墩的一半要大点，闸墩厚度d可参考表5-4初步拟定。
表5-4闸墩厚度d参考值
闸孔净宽bo（m）
闸墩厚度d（m）
中墩
缝墩
小跨度（3-6）
0.5-1.0
2x0.4〜2x0.6
中跨度（6-12）
0.8-1.4
2x0.6〜2x0.8
大跨度012）
1.2-2.5
2x0.8〜2x1.5
平面闸门闸墩厚度决定于工作门槽颈部的厚度和门槽深度。
门槽颈部厚度的最小值为0.4m。
工作门槽尺寸根据闸门的尺寸决定，一般工作门槽深为0.2〜0.3加,门槽宽度为°.5〜1.0加，其宽深比一般为1.6~1.8。
检修门槽深约为0.15-0.20,77,宽约0.15~0.30加。
检修门槽至工作门槽的净距离不宜小于1.5m，以便检修操作。
综合上述规定，假设bo为10m‘取中墩厚度为1.加，高为6m*因为闸室底
板为分离式，所以不设置缝墩，边墩厚度为1.0m，高为6m°上游墩头采用半圆
式，下游墩头采用流线形。
工作门槽初拟深为0.3m，门槽宽度初拟为0.5m，检修门槽深初拟为0.加*宽初拟为0.15m°
4.6闸孔总净宽的计算
4.6.1总净宽的试算
根据规划的设计流量及相应的上下游水位、初拟的底板高程和闸孔型式，计算闸孔总净宽。
结合本设计中水闸为无胸墙的开敞式，所以采用水闸设计规范中的堰流公式来计算闸孔总净宽，计算公式如下所示：
（4-1）
（4-2）
（4-3）
（4-4）
（4-5）
式中Bo一一闸孔总净宽；
Q设计流量；
计入行进流速水头的堰顶水头；
g重力加速度°m——堰流流量系数，可采用0.385；
£——堰流侧收缩系数；
b。
闸孔净宽（m）；
bs——上游河道一半水深处的宽度；
N闸孔数；
务——边闸孔侧收缩系数；
d:
——中闸墩厚度；
6——中闸孔侧收缩系数；
bh——边闸墩顺水流向边缘线至上游河道水边线之间的距离（皿）；
o——堰流淹没系数；
hs由堰顶算起的下游水深5）。
在计算闸孔总净宽的时候，首先要进行一系列的假设，例如开始时要对闸孔总净宽进行一次假设，最后再由算出的流量进行核对，如果满足设计流量要求，说明假设的总净宽是正确的，否则要进行重新假设计算。
首先假设闸孔净宽为10m-个，分为17孔，这样％可算得为33.加。
人=136.14-131.7=4.44（加），行水头流速为lm/s，这样可得V2F
H。
=」-+136.24-131.7=+136.24-131.7=4.5（加），
02g2x9.81
计算步骤：
1、假设bo为10m‘分为11孔，这样可以初拟出闸孔总净宽为110m。
2、用公式（4-5）通过excel表格求得”；
3、用公式（4-4）通过excel表格求得気；
4、用公式（4-3）通过excel表格求得6；
5、用公式（4-2）通过excel表格求得*；
6、用公式（4-1）通过excel表格求得B。
。
7、若&和3。
比较接近，则采用&和3。
的平均值作为闸孔总净宽，若禺和禺相差较大，则跳转到第1步重新假设计算，直到久和禺相差不大为止。
经多次假设计算，结合施工方便确定最后闸孔净宽为12m°闸孔总净宽Bo为204m°
4.6.2泄洪能力的校核
由第4.6.1节计算，闸孔总净宽204m，单宽12m，闸墩中墩厚度1.2m，边墩厚度lm，在校核洪水情况下，上游水位136.60m，下游水位136.40m，经计算，此时水闸泄洪所对应的闸门总净宽120m，小于设计时候过闸的闸门总净宽，所以初拟闸门的总净宽为204m是合适的。
5♦总体布置
5.1枢纽布置
水闸的枢纽布置是闸室选定后一个十分重要的技术环节，关系到枢纽建成后能否安全运行和能否充分发挥预期的工程效益，本次毕业设计时引水渠等均已设计完成，故只需设计布置拦河节制闸，但该节制闸同时兼作泄洪闸。
5.2闸室布置
5.2.1布置原则
水闸闸室布置应根据水闸挡水、泄水条件和运行要求，结合考虑地形、地质等因素，做到结构安全可靠、布置紧凑合理、施工方便、运用灵活、经济美观。
闸室结构可根据泄流特点和运行要求，选用开敞式、胸墙式、涵洞式或双层式等结构型式。
整个闸室结构的重心应尽可能与闸室底板中心相接近，且偏高水位一侧。
闸槛高程较高、挡水高度较小的水闸，可采用开敞式；泄洪闸或分洪闸宜采用开敞式；有排水、过木或通航要求的水闸，应采用开敞式。
闸槛高程较低、挡水高度较大的水闸，可采用胸墙式或涵洞式；挡水水位高于泄水运用水位，或闸上水位变幅较大，且有限制过闸单宽流量要求的水闸，也可采用胸墙式或涵洞式。
要求面层溢流和底层泄流的水闸，可采用双层式；软弱地基上的水闸，也可采用双层式。
5.2.2闸顶离程确定
水闸闸顶高程应根据挡水和泄水两种运用情况确定。
挡水时，闸顶高程不应低于水闸正常蓄水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应安全超高值之和；泄水时，闸顶高程不应低于设计泄洪水位（或校核洪水位）与相应安全超高值之和。
水闸安全超高下限值见表5-1。
表5-1水闸安全超高下限值（n）
水闸级别
运用情况？
1
2
3
4、5
捋水时
正常蓄水位
0.7
0.5
0.4
0.3
最高捋水位
0.5
0.4
0.3
0.2
泄水时
设计洪水位
1.5
1.0
0.7
0.5
校核洪水位
1.0
0.7
0.5
0.4
位于防洪（挡潮）堤上的水闸，其闸顶高程不得低于防洪（挡潮）堤堤顶高
程。
闸顶高程的确定，还应考虑下列因素：
一一软弱地基上闸基沉降的影响；
一一多泥沙河流上、下游河道变化引起水位升高或降低的影响；
一一防洪（挡潮）堤上水闸两侧堤顶可能加高的影响等。
所以根据以上信息，若要求的闸顶高程还需要求的水闸上游水面累积频率为
1%时的波浪高度以及波浪中心线高出水面的高度。
由于流沙河水闸地处平原地带，所以根据平原地区波浪的计算方法，所采用的公式为莆田试验站公式计算。
所需要公式如下所示:
对于Hm>0.5Lm的深水波，式子（5-3）还可简写成：
L=西
271
—也丝
以上式子中所有字符代表意义如下：
hm平均波高，m
v0——计算风速，m/s，在正常运用条件下、采用相应季节50年重现期的最大风速，在非常运用条件下，采用相应洪水期多年平均最大风速；
D一一风区长度（有效吹程）；沿风向两侧水域较宽时，采用计算点至对岸的直线距离，当沿风向有局部缩窄处宽度B小于12倍计算波长时，可采用5B，同时不小于计算点至对岸的直线距离；
H刑水域平均水深>m；
Tm一一平均波周期，s；
g重力加速度»9.81m/s2°
—平均波长*m；
仏一一累积频率P%的波高5；
H——挡水建筑物迎水面前的水深，m；
hz——波浪中心线至计算水位的高度，m。
根据水闸设计规范累计频率p%需根据水闸的级别加以确定，规范中根除确定的表格如5-2所示：
表5-2P值
水闸级别
1
2
3
1
5
P（%）
1
2
5
10
20
计算出的平均要进一步换算成实际的波高，这样才有实际参考价值，水闸设
计规范中给出了平均波高相对应的实际波高的表格，先摘录如表格5-3
表5-3累积频率为P%的波高与平均波高的比值
K,
P%
1
2
5
10
20
0.0
2.42
2.23
1.95
1.71
1.43
0.1
2.26
2.09
1.87
1.65
1.41
0.2
2.09
1.96
1.76
1.59
1.37
0.3
1.93
1.82
1.66
1.52
1.34
0.4
1.78
1.68
1.56
1.44
1.30
0.5
1.63
1.56
1.46
1.37
1.25
由于流沙河水闸是用来蓄水灌溉，所以在确定闸顶高程的时候只需要利用水闸规范《水闸设计规范SL265-2001）里面的莆田公式分别计算出正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位时所对应的闸顶高程，最后在三者中取大值作为闸顶的有效高程。
下面就要开始对三者所对应的闸顶高程进行计算。
（1）、正常蓄水位时：
根据规范水闸的正常蓄水位时候的计算风速取汛期多年最大平均风速的1.5倍，也就是％=”5叫^,资料中给定的最大平均风速为12m/s，所以正常蓄水位时的计算风速为18m/s。
风区长度为闸址河宽的5倍，/）=5x250=1250（皿），水域平均水深等于正常蓄水位与河底高程的差值及H>n=13〉・50-131.7=3.8（皿）根据莆田公式计算如下：
泄=0.13x0.1“竺二容:
3242.72047+2.72~°47
hm=0.23m
Tm=2.35$
平均波长需要进行试算，所以这里过程免去结果如下：
Lm=&56加
由于流沙河水闸属于2级建筑物，所以对应的累计频率由表4-2查的为2。
根据表5-3由内插法可以求得波高与平均波高的比值为2.13，所以累计频率下
波浪中心线至计算水位的高度需根据公式5-5进行计算求得，求得结果如下所示：
3.14x0.6-x^2x3.14x3.8
8.568.56
=0.13xcr/?
2.79
由表5-1查的水闸正常蓄水位时的安全超高为0.5m，由以上所求的的人力和九可以确定出闸顶高程为135.5+0.5+0.6+0.13=136.73m。
（2）、设计洪水位时：
（3）
根据规范水闸的设计洪水位时候的计算风速取汛期多年最大平均风速的1.5倍，也就是％=1•'叫-,资料中给定的最大平均风速为12m/s，所以设计洪水位时的计算风速为18m/s。
风区长度为闸址河宽的5倍，/）=5x250=1250（皿），平均水深等于设计洪水位与河底高程的差值及Hin=136.24-131.7=4.54（m）根据莆田公式计算如下：
泄=0.13x0.IS/%：
：
-%：
：
：
3242.72039+2.72_°39
hm=0.29m
弘=13.9
vo
0.5
—2.39s
平均波长需要进行试算，所以这里过程免去结果如下：
厶”=&9加
由于流沙河水闸属于2级建筑物‘所以对应的累计频率由表5-2查的为2。
根据表5-3由内插法可以求得波高与平均波高的比值为2.15，所以累计频率下
波浪中心线至计算水位的高度需根据公式5-
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