拦河闸设计Word格式文档下载.docx
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下游水位
0.1
5000.0
38.35
37.84
1
4020.0
37.74
37.38
5
3320.0
37.26
36.98
10
2800.0
36.84
36.63
25
2015.0
36.10
35.98
75
400.0
33.90
33.75
85
287.0
33.56
33.54
三、气象资料：
推荐渠首距东明气象站较近，该站观测项目较完整。
降雨、风速、地温、气温等均可采用其资料。
1、降雨：
年平均降雨量729mm，大部分集中在7、8月份，占全年降雨量的48.8%。
水稻生长期5～9月上旬，降雨量552.5mm，占全年降雨量的75.5%。
平均月雨量最大者为7、8两个月，均为160mm以上，最小者为12、1、2月，不足10mm。
2、风速：
年平均风速4.1m/s，各月平均风速以3～5月为大，极端最大风速发生于1954年4月22日，达29.7m/s，汛期最大风速21.0m/s，多年平均最大风速8.4m/s。
3、气温：
根据1905～1955年资料统计，年平均气温7.5°
C,7月份最高,月平均气温24.8°
C,1月份气温最低,月平均气温-12.8°
C,月平均最高气温为7月,达30.2°
C,月平均最低气温为1月份,达-18.6°
C。
4、冻层深度：
1.5m。
四、补充资料：
1、进水闸后引水干渠底部高程33.1m，边坡1：
1.75，干渠底宽26.0m，纵坡1:
3500；
2、最大引水流量78m3/s,闸下相应水位35.8m。
两岸引水量相同，引水条件相似；
3、拦河闸上交通桥按二级公路桥设计，桥面宽按双车道考虑（净宽7.0m,总宽9.0m）；
4、本枢纽为二等工程，枢纽中主要建筑物为2级建筑物，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级；
设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1000年一遇；
5、拦河闸闸址下游河道流量——水位关系，见附图：
漠家堡处河道Q——H关系图。
第二章枢纽位置选定与总体布置
第一节枢纽位置的选定
一、主要考虑的问题：
⑴从两岸引水的角度看：
本枢纽的作用是给两个灌区供水（东明、东光灌区），灌溉面积接近，引水流量相等，均为78m3/s，为满足两灌区的用水要求，需两岸引水。
⑵从防洪的角度看：
枢纽位于东明市附近，为市区安全，枢纽建成后壅水不能过高，否则会影响市区防洪安全或加强防洪负担。
⑶从经济性角度看：
永清公路在枢纽附近，跨过清河，为了节省造价，把桥建在闸上。
二、枢纽位置选定的基本原则：
根据河流的河势情况，最大限度满足上面所述的基本要求，综合考虑二者。
㈠从两岸引水角度来看，枢纽应选择在以下地方：
1、河流顺直、稳定；
2、主河槽较窄、两岸陡；
3、水流在两岸靠岸。
㈡从河道地形上看：
把东陵以上、西苏堡垒以下排除，从李官堡与漠家堡之间来考虑，现分析如下：
1、东陵以上属山谷河道，枢纽布置不便，而且距灌区较远，因此引渠较长，所以排除在此修建枢纽。
2、西苏堡以上河道弯曲，不便于两岸引水且河流水位低，可控制的灌溉的面积小，做有坝建筑物或拦河建筑物工程量大，所以排除在此处建枢纽。
据以上分析，枢纽的位置应选在东陵与西苏堡之间的河道上。
在东陵与西苏堡之间有以下三处可选：
1、浑家堡段属弯道段，也不适宜建两岸取水枢纽，所以排除在此建枢纽。
2、枢纽的位置应在李官堡与漠家堡之间选择，因素比较如下：
（1）李官堡：
a、顺直段长1.5km,河道稳定；
b、河宽400～420m；
c、河底高程34.2m。
（2）漠家堡：
a、河道顺直段长2.5km，河道稳定，且从1911年至今尚无变化；
b、主河槽宽270～300m；
c、河底高程32.0m。
比较上述因素：
从两岸引水而言，顺直段越长，越有利，主河槽宽度越小，水流两侧靠岸的程度较好；
从河底高程角度而言，河底高程越低，在河流同样来水的情况下，对上游的水位壅高越小，对市区的防洪越有利。
综合上述因素，选择漠家堡处河段作为枢纽位置。
拦河闸的轴线见地形图。
第二节枢纽的型式选定
一、从运用的要求考虑：
本枢纽为东明、东光两灌区供水，每侧引水流量均为78m3/s，引水保证率P=75%。
根据灌区的水利计算，要求进水闸出水口处水位为35.8m。
二、从河道来水情况考虑：
对应于P=75%的情况来看，河流来水量Q=400m3/s,大于78×
2=156m3/s。
因此，流量上满足要求。
三、从河流的水位上看：
对应于P=75%的情况来看：
河道水位33.9m小于引水水位，不能满足自流引水的要求，需建立拦河建筑物壅高水位。
综上所述，本枢纽应采用有坝引水枢纽。
第三节拦河建筑物的型式
对于有坝取水枢纽，拦河建筑物有两种型式：
（1）壅水坝
（2）拦河坝
下面对这两种型式作技术与经济比较而定。
一、壅水坝：
（一）从技术上来看：
坝位于河中央，两端须设冲沙闸，冲沙闸的作用是为进水闸定期冲沙。
壅水坝易引起以下几方面不利因素：
1、坝前淤沙往往严重，而不易冲走，甚至会淤平坝顶，容易引起河流上游主流摆动，使一侧取水口被堵，不能够正常引水。
2、洪水期不能够通过闸门来调节上游的壅水水位，因此对市区防洪不利。
3、要下泄同样的洪水流量，由于堰顶高于河床，所以泄水时比设泄洪闸需要的过水宽度大，坝长大，工程量大，相应的防渗措施、防冲消能措施也会增加。
（二）从经济（施工）上来看：
坝的施工比闸的施工简单些，但工程量可能会大些，但不需要年运行费用。
二、拦河闸：
（一）从技术性上看：
1、枯水期可以观察闸前壅水及调节水位，满足引水要求。
2、洪水期，可以开闸泄洪，且通过泄洪来冲刷闸前淤沙，也可稳定主河槽。
3、由于闸底板高程低于壅水坝坝顶高程，所以泄洪的单宽流量大，过水宽度可以小些，闸长可以小于坝长。
（二）从经济性上看：
1、过水宽度小，可能会省一些工程量，但建筑物的高度会大一些；
2、对于泄水闸会增加每年的运行管理费用。
综合上述因素，从保证引水、防洪、冲沙、泄洪等方面考虑，拦河建筑物选用拦河闸。
第四节枢纽防沙措施
一、来沙情况：
根据资料，引水时，即P=75%时，河流推移质（dcp=1.0mm）来沙量为16.735万m3/年，洪水期推移质（dcp=5.0mm，dmax=6～10mm）来沙量分别是W10%=85.8万m3，W2%=172.7万m3，所以枢纽需要设防沙措施。
二、防沙设施型式：
根据工程经验，枢纽内防沙设施有两种形式：
①沉沙槽②冲沙廊道
下面对以上两种情况分析如下：
1、对于沉沙槽，它属于定期冲沙，运用于山区及平原河道，应用较广。
2、对于冲沙廊道，它属于连续冲沙，冲沙时用水量大，适用于冲积形河道，不适宜于推移质较多的山谷河道。
由于东陵以前属山谷河道，推移质多，且冲沙廊道结构复杂，所以采用沉沙槽式的防沙设施。
第五节枢纽建筑物组成及基本设计参数与设计条件
一、枢纽建筑物的组成：
综合前面数节内容，主枢纽包含建筑物有：
拦河闸、进水闸（两个）、沉沙槽（两个）、冲沙槽（两个）。
二、建筑工的基本设计参数和设计条件：
1、进水闸
①、引水率：
u=Qs1/Qs2|p=75%=78×
2/400=39%
②、引水角：
即进水口的水流方向与河道主流的夹角α,一般α=30°
～60，α合适，可以减免入口处水流产生的横向环流。
本枢纽的α=30°
。
根据印度的经验，引水口边缘与拦河闸夹角β=105°
～110°
时，防沙入渠效果最好。
本枢纽取β=103°
③、进水闸上、下游水位有以下四种情况：
a、正常引水时，▽下35.8m，引取Q=78m3/s，闸上、下游水位差△H=0.2m，所以上游水位▽上=36.0m。
b、c、当遭遇设计设计洪水和校核洪水时，进水闸关闭不引水，拦河闸开启泄洪，特征水位如下：
ⅰ设计洪水▽上=37.74m, ▽下=▽渠底=33.1m（见下面）
ⅱ校核洪水▽上=38.35m, ▽下=33.1m
④、对于进水闸消能防冲设计不利情况的水位：
考虑到水闸可能在来水量较大的丰水年引水，来水的频率1%＜P＜75%，但为不常遇到情况，对灌区引水。
此时，上游水位较高，下游水位可能较低或水位与渠底齐平，对于进水闸的消能防冲是不利的。
本设计取P=10%作为消能防冲的设计条件。
此时，▽上=▽河|P=10%=36.1m，▽下取最不利情况，即下游无水时，▽下=▽渠底=33.1m。
综合上述四种特征水位：
⑴a作为闸孔尺寸设计的条件；
⑵bc作为闸顶高程设计条件；
⑶▽下=▽渠底=33.1m作为进水闸消能防冲设计条件。
⑤、闸底板的形式与高程：
a、底板形式：
采用平底板（宽顶堰），它的优点是洪水泄水稳定，构造简单，施工方便。
b、底板高程：
取与进水口拦河坝齐平，对于多泥沙的大、中河流，▽坝顶应比设计水位下的河底平均高程高出1m至2m（或取沉沙槽水深的1/3），本枢纽取1.1m,所以：
▽坝顶=▽进闸底=32.0+1.1=33.1m
⑥、闸孔形式：
因为闸前水位变化幅度较大，▽引水=36.0m，▽最高=▽校核=38.35m。
为了降低闸门高度及启闭设备容量，孔口设胸墙，墙底高程应高出引水水位（36.0m），取36.2m，墙顶高程与闸顶高程齐平，取39.5m。
（见后）
2、拦河闸:
①、底板形式与底板高程:
a、底板形式:
因为河道纵坡较小,宜采用平底板,且有利于加快排沙与泄洪。
取与河床平均高程齐平，即▽拦底=32.0m。
c、孔口形式：
为了加快泄洪，减少洪水期对上游水位的壅高，采用开敞式（不设胸墙）。
②、对拦河闸有以下六种特征水位：
A、正常引水时：
▽上=36.0m,▽下=▽|Q=78×
2=33.6m
B、通过设计流量Q=4020m3/s,▽下=37.74m,▽下=37.78m,
C、通过校核流量Q=5000m3/s,▽下=38.35m,▽下=37.78m,
D、进水闸全部检修，P=75%相应Q=400m3/s,全部由拦河闸下泄，相应上、下游水位为：
▽上=36.0m,▽下始=|Q=2440m3/s=33.6m。
E、在引水期遇到校核洪水，进水闸关闭，拦河闸泄洪，上、下游水位为：
▽上=38.35m,▽下=33.6m.
F、在引水期遇到设计洪水时，进水闸关闭，拦河闸泄洪，上、下游水位为：
▽上=37.74m,▽下=33.6m。
综合上述六种特征水位：
（1）A作为门高设计条件；
（2）B、C作为闸孔宽度和闸顶高程设计条件；
（3）D、E、F作为防冲消能设计条件。
③、拦河闸适宜宽度：
根据水闸设计规范（SD133-84）编制说明，拦河闸闸孔宽度B闸与河道宽度B河适宜的比值B闸/B河=0.85。
（当B河＞200m时）所以拦河闸适宜宽度B闸=0.85×
（270～300）=230m～255m。
④、容许过闸的单宽流量[q]：
[q]根据河床地质情况确定，河床面以下4.7～11.9m属砾沙含卵石，11.9m以下属于砾质粗砂含砾石及土，厚18m，根据以上地质情况，[q]=20～30m3/s.m。
⑤、交通桥：
按二级公路的标准设计，净宽不小于7.0m，设计验算荷载汽车-20。
验算荷载挂车-100。
3．冲沙闸：
①、闸孔宽度取1/3～1/10或1/5～1/20的宽，与冲沙槽末端宽度相同。
②、冲沙闸的特征水位：
取冲沙时的水位，冲沙方式采用拦河闸进水闸及另一侧的冲沙闸全部关闭，对应P=75%的流量Q=400m3/s全由一个冲沙槽下泄。
▽上=36.0m,▽下=▽|Q=244m3/s=33.6m,以上述的条件作为冲沙闸消能防冲的设计条件。
4．防洪墙：
上游防洪墙：
为100～1000年一遇洪水时，枢纽不被淹没，进水闸上游胸墙与永清公路基构上游防洪堤，堤顶高程应满足以下两点要求：
与堤顶防洪高程协调一致；
枢纽不被洪水淹没。
所以堤顶高程取为39.5m.。
下游防洪堤：
由进水闸背水一侧及冲沙槽下游胸墙构成，堤顶高程应使枢纽不被淹没的条件是：
▽堤顶=38.5m比▽校下=37.87m高出0.63m。
第三章拦河闸设计
主要内容：
闸孔设计、消能防冲设计、防渗排水设计、闸室布置、闸室稳定计算、两岸连接建筑物计算。
第一节闸孔设计
闸孔宽度、闸孔高度、闸门计算
一、闸孔的形式
1、孔口采用开敞式，不设胸墙。
2、底板采用平底板（无坎宽顶堰），▽底板=32.0m。
二、闸孔宽度
（一）净宽nb：
1、设计条件：
要求枢纽通过：
Q设=4020m3/s（设计洪水流量）；
Q校=5000m3/s（校核洪水流量）。
2、计算公式：
采用淹没宽顶堰公式：
Q=mεσb√2gH03/2
3、计算孔宽nb:
R=A/X=（285+2×
5.74）×
5.74/（285+2×
5.74×
√1+22）=5.48
C=1/nR1/6=1/0.0225×
5.481/6=59
V=C√RJ=59×
√5.48×
1/2000=3.04m3/s
ht=37.38-32.0=5.38m
H=37.74-32.0=5.74m
所以H0=0.87查得σ=0.93
则：
nb=Q/mεσ√2gH03/2
=4020/0.93×
0.385×
0.9×
√2×
9.8×
6.213/2
=4020/22.08=182.06m
式中：
m：
无侧面收缩的流量系数，取0.385。
ε：
侧收缩系数。
取0.9
σ：
淹没系数。
取0.93
即nb取190m。
因为n=20，所以b=190/20=9.5m
4、分缝分孔确定闸墩的形状与厚度：
①分孔：
取20孔，每孔宽9.5m。
②墩厚：
两边墩取1.0m，缝墩取1.6m，中墩取1.2m。
③墩形：
中墩采用半圆形，边墩采用方形。
④因孔宽9.5m，且平面闸门的水压力较大，会相应增加启闭机容量，所以采用弧形闸门。
⑤采用两孔一联为拦河闸的形式，两孔一联和一单孔为冲沙闸的形式，因两孔一联，其结构布置匀称，基底压力偏心距小，整体性、抗震性均较好，可以有效减少不均匀沉降，且砼铺盖长度为20～30m，如果用三孔一联，砼铺盖长度已接近30m，铺盖过长会降低单位长度的防渗效果，所以综合上述因素，采用两孔一联。
5、求ε：
ε实=1-0.2[（n-1）δ0+δk]H0/nb
=1-0.2×
[（20-1）×
0.66+0.7]×
6.21/182.06
13.24×
0.034
=0.91
6、验算实际过流能力：
Q=ε实mσnb√2gH03/2
=0.91×
0.93×
190/√2×
=4241m3/s
∵4241m3/s＞4020m3/s∴满足要求
7、验算校核情况下过流能力：
ht=37.87-32=5.87m
H=38.35-32=6.35m
K=A/x=（285+2×
6.38）×
6.38/（285+2×
6.38×
√1+22）=6.06
C=1/nR1/6=1/0.0225×
6.061/6=60
V=C√RJ=60×
√6.06×
（1/2000）=3.3m3/s
H0=H+V2/2g=6.35+3.32/2×
9.8=6.91m
由ht/H0=5.87/6.91=0.85查出σ=0.96
0.96×
190√2×
6.913/2
=5138m3/s
∵5138m3/s＞5000m3/s
∴满足要求
（二）、每孔宽度：
B孔=nb+10×
1.6+9×
1.2
=190+16+10.8
=216.8m
（三）、验算闸孔宽及河宽比：
据《水闸》设计规范SD133-84知：
B河＞200m
B孔/B河=216.8/285=0.76＜0.85
B孔=216.8＜285×
0.85
∵0.85为经验值
∴验算结果接近它就认为满足要求。
（四）、验算过闸单宽流量q：
据《水利计算手册》查得[q]=25m3/s.m
①通过设计流量时：
q=Q设/B孔=4020/216.8=18.54m3/s.m＜25m3/s.m
②通过校核流量时：
q=Q校/B孔=5000/216.8=23.06m3/s.m＜25m3/s.m
三、闸顶高程：
根据规范，闸顶高程应满足下列两种情况：
泄水时：
▽顶=▽设计洪水+A设
=37.74+1.0
=38.74m
▽顶=▽校核洪水+A校
=38.37+0.7
=39.08m
所以，应取▽顶=39.08m考虑，枢纽防洪应该和两岸顶一致，也可取为39.5m。
闸孔高度=39.5-32=7.5m.
四、闸门高度
由于闸门作用是在枯水期壅高水位供进水闸取水，所以▽顶应不低于36.0m，为了防止水流漫过闸顶，锈蚀闸门结构，门顶高程应该高于36.0m。
所以：
▽门顶=36.0+d浪
=36.0+0.5
=36.5m
第二节拦河闸消能防冲设计
消能的方式与简单的设计内容：
方式：
根据资料，河床抗冲能力较差，所以采用底流消能，消能工的形式采用挖深式消力池。
设计内容：
池深d、池长LK、护坦厚t、海漫长L漫、防冲槽W、两岸护坡护底及构造设计。
二、闸门的开启运用方式及操作规程
1、运用方式：
对于20孔水闸有多种运用方式。
如：
各孔同步均匀分级开启，隔孔对称均匀分级开启等。
2、规程应遵守：
对称性（指孔数、开度、对称性）、均匀性、分级开启（指每级开度一般不超过半米，与流量等因素有关）。
三、消能防冲设计条件：
（d、LK、t、L漫、tp等不利情况的确定）。
（一）池深d:
1、不利情况:
按照水利学水跃理论，闸下泄Q产生远驱水跃，需设d，当hc-ht差最大时，d最大，最不利，所以d的设计条件指hc-ht最大时。
2、设计要求：
对于最不利情况设计d，使下泄水流过池内发生稍淹淹没没水跃，使初始水面衔接满足：
σhc'
'
=（d+ht+△z）/hc'
=1.05～1.1
△z与池内水量有关系。
hc'
——跃后水深。
hc——下游水深。
d——池深。
σ——淹没安全系数。
△z——消力池出口处水面落差。
（二）池长LK：
1、不利利情况：
挖池深d以后，按1:
3～1:
4边坡与底板连接，据实验结果，池内水跃始断面在斜坡末端，池内水跃长度是自由水跃长度的0.7～0.8倍。
LK=（3～4）d+（0.7～0.8）Lj
所以，最不利的情况是自由水跃Lj最大时。
Lj=6.9（hc＂-hc）
Lj——自由水跃
hc——收缩水深
根据经验，当通过最大流量时，Lj最大。
（三）护坦厚t：
1．计算公式：
按抗冲要求t=k√q′√△H
k—经验系数，取0.175—0.2
q′—入消力池单宽流量
△H—上、下游水位差
2．不利情况：
q′√△H最大时是最不利的情况。
（四）海漫长L漫
按抗冲要求：
L漫=K√q′√△H
式中：
k——海漫长度计算的经验系数，取12。
q′——出池的单宽流量。
△H——上、下游水位差。
2．不利情况：
（五）冲刷坑深：
tp=1.1q′/[V]
[V]——下游河床流量，取0.8m/s---1.0m/s.
2.不利情况:
q′最大时是最不利的情况.
四、d、Lk、L漫、t等不利情况与水闸计算工况及闸门开启方式之间的关系.
（一）关系：
1．d、Lk、L漫、t等不利情况可能发生在某一种工况下，某一种闸门的开启方式下的某一个开度下。
2．d、Lk、L漫、t等不利情况没有同步性，d最不利不一定就是Lk、L漫、t等的最不利情况。
（二）计算内容：
应该是对于每一种的闸门开启方式下的每一个开度进行计算，对最不利情况进行计算。
五．本设计采用计算工况及闸门开启方式：
本设计只对于一种工况及一种闸门开启方式来计算。
1．计算工况：
选校核洪水
对应的上游水位▽上=38.38m.▽下始=33.6m.
闸门的初始开度:
e0=0.3m
Q=uenb√2gH0
2.闸门的开启方式:
各孔闸门是同步分级均匀开启,每级开度可以取
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