进水闸设计.docx
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进水闸设计
1工程概况
1.1基本资料
本闸位于某中型灌区干渠渠首，为渠首取水水工建筑物。
1.2建筑物级别
根据水闸设计过水流量和水闸设计规范（SL-265-2001）的平原区水闸枢纽工程分等指标知本工程规模属于小
（1）型，水闸级别为IV级，其建筑物级别为1级。
1.3孔口设计水位
孔口设计水位组合见表1-1
表1-1闸孔设计时水位及流量组合
外河水位（m）
干渠水位（m）
引水流量（m3/s）
6.00
5.60
60
1.4消能防冲设计水位消能防冲设计水位组合见表1-2表1-2消能防冲设计水位组合表
外河水位（m）
干渠水位（m）
引水流量（m3/s）
7.0
4.0
60
1.5闸室稳定计算闸室稳定计算水位组合见表1-3表1-3闸室稳定计算水位组合表
工况
外河水位（m）
干渠水位（m）
设计情况
8.15
3.00
校核情况
8.50
3.00
地震情况
7.80
4.50
1.6地质资料
建筑物底板下土层为粉质粘土，土层物理力学指标为：
凝聚力C32kPa，擦角
18，地基土允许承载力R220kPa。
1.7回填土资料
回填土采用砂壤土，假设其内摩擦角28，C=0，湿容重18kN/m3，饱和容重为
20kN/m3，浮容重10kN/m3。
1.8地震设计烈度
地震设计烈度：
7°，设计基本地震加速度值为0.10g。
1.9其他
上下游河道断面相同均为梯形，河底宽20.0m，河底高程▽3.0m，边坡1：
2.5，外河堤顶高程▽10.5m，干渠渠顶高程▽6.0m。
两岸路面高程▽10.5m。
交通桥荷载标准：
公路－Ⅱ级，交通桥总宽8.0m，净宽7.0m。
2孔口宽度设计
2.1闸孔形式的确定
根据水闸设计规范（SL-265-2001），当闸槛高程较低，挡水高度较大，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时选用胸墙式水闸。
本工程河底高程3.0m，挡水最高水位为8.5m，则挡水高度为5.5m较大。
综上，本工程选用胸墙式水闸。
2.2孔口设计水位组合
孔口设计水位见表2-1
表2-1孔口设计水位组合表
外河水位（m）
干渠水位（m）
引水流量（m3/s）
6.00
5.60
60
2.3堰型及堰顶高程的确定
2.3.1堰型的确定
本工程的主要任务是拦蓄上游河水，确保灌溉用水，应具有较大的泄水能力，在洪水时期还应担负着泄洪的任务，对于灌溉水质有一定的要求，便于排砂排淤，所以采用无底坎宽顶堰孔口。
2.3.2堰顶高程的确定
本水闸将堰顶高程定的与河底同高，高程为3.0m。
2.4闸孔宽度的确定
2.4.1过水断面确定
根据资料，上下游河道断面为河底宽20.0m，边坡1:
2.5，河底高程3.0m，外河堤顶高程▽10.5m，干渠渠顶高程▽6.0m，画出过水断面如图2-1所示：
3.0
20
6.05.66.0
3.0
20
b
图2-1a、b为上、下游河道断面图（单位：
m）故过水断面面积为：
A（mhL）h（2.5320）328m2.5
2.4.2闸孔净宽确定
（1）、上游行进流速：
v0QA6082.50.73m/s计入行进流速的上游水深：
v020.723
H0Hv031.03.03m
02g29.8式中：
H——上游水深，为6.0-3.0=3.0m；
——流速系数，取1.0；
（2）、由于水闸闸槛高程较低、挡水高度较大，闸上水位变幅较大，所以闸式结构选用胸墙式。
设置胸墙底高程为5.80ｍ。
由于闸孔设计时外河水位▽6.00ｍ，高于胸墙底高程，所以为孔流。
根据《水闸设计规范》，采用下列公式计算：
式中：
h——孔口高度，为5.8-3.0=2.8m；
r——胸墙底圆弧半径，取0.2m；
——计算系数，计算得0.128；
——孔流垂直收缩系数，计算得0.886；
——孔流流速系数，可采用0.95—1.0，本设计取0.95；
——孔流流量系数，计算得0.350；
——淹没系数。
由于孔流淹没系数和B0都是未知的，不能直接求得，需要用迭代的方法试算。
先
假设'=0.50，具体计算见表2-2.
迭代
淹没系数
闸孔总净宽
单宽流量
跃前水深
跃后水深
hshc
淹没系数
次数
'
B0（m）
q（m2/s）
hc（m）
hc''（m）
Hhc''
'
1
0.50
17.11
3.51
0.50
2.00
0.60
0.52
2
0.53
16.14
3.72
0.53
2.06
0.57
0.54
3
0.55
15.56
3.86
0.55
2.09
0.56
0.55
表2-2闸空总净宽计算表
，由
hHshhcc''查《水闸设计规范》
表A.0.3-2得'。
跃前水深的迭代公式为hci12g（E0hci），迭代计算见表2-3
表2-3跃前水深hc计算表
q
E
hc1
hc2
迭代1
3.51
3.03
0.50
0.50
迭代2
3.72
3.03
0.50
0.53
3.72
3.03
0.53
0.53
迭代3
3.86
3.03
0.50
0.55
3.86
3.03
0.55
0.55
2.4.3水闸闸孔数确定
为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用3孔闸，取中墩厚1m，边墩厚
0.8m。
则单个闸空净宽为：
b0B015.565.19m，取净宽b0=5m0N30
闸孔实际总净宽为：
B0实=15m
闸孔总宽为：
B151.020.8218.6m
2.4.4水闸实际流量确定
水闸实际流量：
Q实=B0实hs2gH0
150.550.352.629.83.03
3
57.9m3/s
检验Q实是否满足要求：
2.4.5闸孔布置图
闸孔布置如图2-2所示
图2-2闸孔布置图（单位：
cm）
3消能防冲设计
3.1消能防冲水位组合
消能防冲水位组合见表3-1
表3-1消能防冲设计水位组合表
外河水位（m）
干渠水位（m）
引水流量（m3/s）
7.0
4.0
60
3.2消力池设计
3.2.1消力池形式的选定
根据规范4.4.3条规定：
当水闸闸下尾水深度较深、且变化深度较小，河床及岸坡抗冲能力较强时，可采用面流式消能。
本工程跃后水深最高为2.09m,下游水深为2.6m，为淹没式水跃，并且工程中常采用下挖式消力池，因此，本工程采用下挖式消力池。
3.2.2消力池池深的计算
计算方法
a、先假设d=0.5m，计算H0、T0；
20，试算hc。
其中为流速系数，取=0.98；2g
水深；
e、由公式d0hchsZ，计算d；
f、若由e计算出的d0.5m，则取d=0.5m；若d>0.5m，则重新计算d值，直至试算出结果。
具体计算见表3-2
表3-2消力池深度计算表
A
v
H0
d0
T0
q
K
hc
hc''
Z
d
120
0.50
4.013
0.500
4.513
3.53
0.704
0.414
1.944
0.369
0.673
120
0.50
4.013
0.680
4.693
3.53
0.704
0.405
1.972
0.372
0.698
120
0.50
4.013
0.700
4.713
3.53
0.704
0.404
1.975
0.373
0.701
120
0.50
4.013
0.701
4.714
3.53
0.704
0.404
1.975
0.373
0.701
d0hchsZ。
v232q2q2注：
H0H2vg；T0d0H0；hc3T0hc22gq20；K2gq2；
式中：
d0——假设的消力池深度，
m；d——消力池深度，m；σ0——水跃淹没深度
m；hc——收缩水深，m；α——水流动能校正
系数，取1.0；q——过闸单宽流量，m3/s；b1——消力池首端宽度，m；b2——消力池末端宽度，m；T0——由消力池底板顶面算起的总势能，m；ΔZ——出水池落差，m；hs'——出水池河床水深，m；——流速系数，取0.95。
根据表3-2的计算结果，消力池深度取为0.8m。
3.2.3消力池长度的计算
1）水跃计算
根据《水闸设计规范》出闸水流的跃前水深hc、跃后水深hc''，按以下公式计算：
具体计算见表3-3.
表3-3水跃计算表
A
Q
v
H0
d0
T0
q
K
b1
b2
hc
hc''
120
60
0.5
4.013
0.8
4.813
3.53
0.704
17
20
0.40
2.24
（2）水跃长度计算
Lj6.9（hc''hc）6.9（2.240.40）12.70m
（3）消力池长度计算斜坡段采用1：
4的坡度，平台宽度为1.0m，LsjLjLj1.04d0.8Lj1.014.36m式中：
Ls——消力池斜坡段水平投影长度（m）；——水跃长度校正系数，取0.8故取Lsj=15m。
3.2.4消力池地板厚度的计算消力池底板又称护坦，确定它的厚度要从抗冲和抗浮方面考虑，因为在消力池末端设置冒水孔，所以只要满足抗冲要求就行了。
根据抗冲要求，按《水闸设计规范》公式（B.1.3-1）计算，即
tk1qH'
式中：
t——消力池底板始端厚度（m）；
H'——闸孔泄流时的上、下游水位差（m），H=7.0-4.0=3.0m；
k1——消力池底板计算系数，可采用0.15～0.20取0.20；
过闸单宽流量（m2/s）。
表3-4消力池底板厚度计算表
q（m2/s）
k1
H（m）
t（m）
3.53
0.20
3.0
0.494
根据以上计算结果，现确定消力池底板的厚度为0.5m，末端设尾坎高度为0.8m。
3.2.5消力池构造的确定本次工程采用下挖式消力池，为了便于施工，消力池底板做成等厚，为了降低护坦底部的渗透压力，可在护坦下设铅直排水孔，并在护坦底部铺设反滤层，排水孔设在水平底板的后半部，排水孔直径为6cm，间距为1.5m，按梅花形排列，反滤层厚为30cm，分三层，从上到下依次为10cm碎石子，10cm中砂，10cm细砂。
消力池构造如图3-1所示。
1500
图3-1消力池尺寸构造图（单位：
高程m；尺寸cm）
3.3海漫设计
3.3.1海漫长度的计算
海漫长度，按《水闸设计规范》，对于qsH'=1～9，且消能扩散良好时，海漫长度可按公式LpKsqsH'计算。
式中Lp——海漫长度（m）；
qs——消力池末端单宽流量（m3/s.m）；
H'——闸孔泄水时上下游水位差（m）；
Ks——海漫长度计算系数，按下表查得取为10；
河床土质
粉砂、细沙
中砂、粗砂粉质壤土
粉质粘土
坚硬粘土
Ks
14～13
12～11
10～9
8～7
具体计算见表3-5
表3-5海漫长度计算表
Q（m3/s）
b2（m）
qs（m2/s）
H'（m）
Ks
qsH'
Lp（m）
60
20
3.0
3.0
10
2.28
22.8
根据表3-5的计算结果，取海漫长度为23m
3.3.2海漫构造
对于海漫要求表面有一定的粗糙度，以利于进一步消能，具有一定的透水性，以便使渗透水自由排出，降低扬压力，具有一定的柔性，以适应下游河床可能的冲刷变形，所以在海漫的起始段为8m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15m为干砌石段，保护河床不受冲刷，海漫厚度取为0.4m，下铺设10cm的碎石，10cm的黄砂。
3.4防冲槽设计
3.4.1
河床冲刷深度计算
式中：
dm——海漫末端河床冲刷深度（m）；qm——海漫末端单宽流量（m2/s）；
v0——河床土质允许不冲流速（m/s）由高教版《水力学》上册表5.3查得；
hm——海漫末端河床水深（m）；
具体计算见表3-6，
表3-6冲刷坑深度的计算表
Q（m3/s）
b（m）
qm（m2/s）
v0（m/s）
hm（m）
dm（m）
60
22.5
2.67
0.9
1
2.26
3.4.2防冲槽尺寸的确定
由计算结果可知冲刷深度为2.26m,如按此值作为防冲槽深度不经济，施工非常困
难。
一般取防冲槽深度为1.5—2.0m，本设计取1.5m。
槽底宽约为1—2倍槽深，取1.5m。
上游坡度系数1：
2，下游坡度系数1:
2。
防冲槽的构造图见图3-2。
图3-2防冲槽的构造图（单位：
高程m；尺寸cm）
4闸基渗流计算
4.1渗流计算水位组合
渗流计算水位组合见表4-1
表4-1渗流计算水位组合表
工况
外河水位（m）
干渠水位（m）
设计情况
8.15
3.00
校核情况
8.50
3.00
地震情况
7.80
4.50
4.2地下轮廓线布置，验算防渗长度
4.2.1防渗长度的拟定
防渗长度初拟值按下式计算
L=CH式中：
L——闸基防渗长度，包括水平段、铅直段及倾斜段
H——上、下游最大水位差（m）
C——允许渗径系数，按表4-2，即为《水闸设计规范》SL265-2001表4.3.2选用。
表4-2允许渗径系数
地基
类别排水
条件
粉砂
细砂
中砂
粗砂
中砾细砾
粗砾夹卵石
轻粉质砂壤土
轻砂壤土
壤土
粘土
有滤层
13～9
9～7
7～5
5～4
4～3
3～2.5
11～7
9～5
5～3
3～2
无滤层
7～4
4～3
设计与校核情况下的最大水位差发生在校核情况时。
H=8.5-3.0=5.5m
本水闸持力层为粉质粘土。
由表4-2查得允许渗径系数C=3。
则
L拟=CH=3×5.5=16.5m
4.2.2地下轮廓线布置
（1）本设计中的土是粉质粘土，上游采用混凝土铺盖，铺盖长度取为15m。
铺盖的最
小厚度不宜小于0.4m，这里取0.5m。
铺盖在顺水流方向设置永久缝，减少地基不均匀
沉降和温度变化的影响。
（2）底板长度的初拟a、满足闸室上部结构布置的要求：
LB交通桥+B工作桥+B工作便桥
交通桥宽度取8m，工作桥宽度取3.5m，工作便桥宽度1.5m,则L=13m
b、闸底板顺水流方向的长度应满足闸室整体稳定性和地基允许承载力的要求，
L=（1.5～4.5）H，H为上下游最大水位差，所以L为（8.25—24.75）m。
综上，底板长度取16m。
11
（3）闸底板厚度t（11）b0，b0为闸孔净宽，所以t=（0.63-0.83）m，取1.0m。
68
（4）齿墙深度取0.5m，齿墙底宽取1.0m，斜坡比取1:
1。
（5）地下轮廓线布置图：
3.0
图4-1地下轮廓线布置图（单位：
尺寸cm；高程m）由布置图计算防渗长度：
L0.80.80.5213.71.01.00.5210.7=34.12m>L拟=16.5m
4.3闸基渗流计算
4.3.1简化地下轮廓线根据《水闸设计规范》（SL265-2001）,采用改进阻力系数法，将原地下轮廓线简化如下：
4.3.2
图4-2地下轮廓线简化图（单位：
尺寸cm；高程m）
4.3.3确定地基计算深度
地下轮廓线水平投影：
L0=20+16=36m；地下轮廓线垂直投影：
S0=1.5m；因为L036245，故地基有效深度Te0.5L00.53618m，
S01.5e0取Tc18m。
4.3.4计算各段阻力系数
各段阻力系数的具体计算见表4-3。
表4-3各渗流区段阻力系数计算表
段
段别
S（m）
T（m
L（m
系数
注
（1）
进口段
1.0
1）8.）0
）
0.461
各典型段阻力系数计算公式：
（1）进出口段
01.5（S）320.441
（2）内部铅直段
y2lncot1S
y4T
（3）水平段
L0.7S1S2
x
xT
（2）
内部铅直段
0.5
17.5
0.029
（3）
水平段
0.5
1.0
17.5
20
1.080
（4）
内部铅直段
1.0
17.5
0.057
（5）
内部铅直段
0.5
17.0
0.029
（6）
水平段
0.5
0.5
17.0
16
0.900
（7）
内部铅直段
0.5
17.0
0.029
（8）
出口段
0.5
17.0
0.449
共
3.022
4.3.5计算各典型段的渗压水头损失
（1）各典型段的渗压水头损失计算对于不同的典型段，值是不同的，而根据水流连续条件，各段的单宽流量相同，所以，各段的q/K值相等，而总水头H应为各段水头损失的总和。
nn
Hhiqi
1K1
式中：
n
i——各段阻力系数的总和；1
n——典型渗流段的段数；
K——渗透系数。
由上式便可得各段水头损失为hiiH
各典型段的渗压水头损失的具体计算见表4-4.
表4-4各区段渗压水头损失计算表
渗压水头损失
h1
h2
h3
h4
h5
h6
h7
h8
H
设计
0.863
0.054
1.492
0.107
0.054
1.685
0.054
0.841
5.150
校核
0.922
0.058
1.593
0.114
0.058
1.799
0.058
0.898
5.500
地震
0.553
0.035
0.956
0.068
0.035
1.080
0.035
0.538
3.300
（2）进、出口段修正
按下式：
h0''h0
其中：
'1.21'1'
T'2S'
[12（TT）22][ST0.059]
Δh（1β'）h0
其中：
h——进、出口水头损失（m）；
h0'——修正后的进出后损失值（m）；
'——阻力修正系数，当'1时，取'=1.0；
S'——底板埋深与板桩入土深度之和，或为齿墙外侧埋深（m）；
T'——板桩另一侧地基透水层深度,或为齿墙底部至计算深度线的垂直距离（m）；T——地基透水层深度（m）；
h——修正后水头损失的减小值（m）；3）各区段渗压水头损失调整对进出口进行修正，具体修正见表4-5。
表4-5进出口修正计算表
计算情况
S'
T'
T
'
h0
h0'
h
设计情况
进口段
1.0
17.0
18.0
0.523
0.863
0.451
0.412
出口段
0.5
16.7
17.2
0.357
0.841
0.300
0.541
校核情况
进口段
1.0
17.0
18.0
0.523
0.922
0.439
0.400
出口段
0.5
16.7
17.2
0.357
0.898
0.321
0.577
地震情况
进口段
1.0
17.0
18.0
0.523
0.553
0.289
0.264
出口段
0.5
16.7
17.2
0.357
0.538
0.192
0.346
4）各区段渗压水头损失调整各区段渗压水头损失调整具体计算见表4-6。
表4-6各区段渗压水头损失调整计算表
渗压水头损失（m）
h1
h2
h3
h4
h5
h6
h7
h8
H
设计情况
修正前
0.863
0.054
1.492
0.107
0.054
1.685
0.054
0.841
5.15
修正后
0.451
0.466
1.492
0.107
0.054
1.685
0.595
0.300
5.15
校核情况
修正前
0.922
0.058
1.593
0.114
0.058
1.799
0.058
0.898
5.50
修正后
0.482
0.498
1.593
0.114
0.058
1.799
0.635
0.321
5.50
地震情况
修正前
0.553
0.035
0.956
0.068
0.035
1.080
0.035
0.538
3.30
修正后
0.289
0.299
0.956
0.068
0.035
1.080
0.381
0.192
3.30
4.3.6计算各渗流角点处的渗压水头，并画出闸底渗透压力分布图
（1）各渗流角点处的渗压水头计算见表4-7。
表4-7各角点渗压水头计算汇总表
渗压水头（m）
H1
H2
H3
H4
H5
H6
H7
H8
H9
设计情况
5.150
4.699
4.233
2.741
2.634
2.580
0.895
0.300
0.000
校核情况
5.500
5.018
4.520
2.927
2.813
2.755
0.956
0.321
0.000
地震情况
3.300
3.011
2.712
1.756
1.688
1.653
0.573
0.192
0.000
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