冲沙闸泄洪闸.docx

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冲沙闸泄洪闸

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冲沙闸泄洪闸

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5.3.2闸孔设计

5.3.2.1冲沙闸的设计

流量计算：

Q1=10%~15%Q设计=（10%~15%）*2720m3/s=272~408m3/s

Q2=2*Q引用=2*46.6m3/s=93.2m3/s

Q设计—设计洪水流量；

Q引用—电站引用流量。

鉴于以上计算结果，选定在设计洪水位的过流量为Q冲沙闸=350m3/s。

流速计算：

v=2gh==QUOTE2*9.8*10.55=QUOTE,-2∗9.80∗（879.05−863）.m/s=25.81m/s

v—设计洪水位下冲沙闸的流速；

g—重力加速度；

h—设计洪水位下冲沙闸的流速水头。

由

得==16.95m2

从而确定冲沙闸的闸孔尺寸为：

闸孔宽为4m，闸孔高为5m。

5.3.2.2泄洪闸的设计

在正常水位为897.00m，泄洪冲沙闸堰顶高程为863.0m，=4610m3/s，=350m3/s。

=-=4610-350m3/s=4260m3/s.

（1）泄洪闸闸孔尺寸的估算由于泄洪闸泄流时为闸孔出流，故按闸孔出流公式计算：

（1）

—通过泄洪闸的总流量（m3/s）；

—闸孔数；

—闸孔净宽（m）；

—流量系数；

—闸孔开度（m）；

—重力加速度；

—堰上水头（m）。

根据上面的公式可求出闸孔总过水面积为：

206.28m2

我国大、中型水闸的宽度一般采用812m。

同时本设计闸孔总面积较小，闸孔数不宜过多。

在闸孔较少时，为便于闸门对称开启，使过闸水流均匀，避免由于偏流造成闸下局部冲刷和使闸室结构受力对称，孔数宜采用单数。

当采用3孔泄洪闸时，单孔闸门面积=68.76m2

当采用5孔泄洪闸时，单孔闸门面积=41.26m2

在坝址选择时已确定泄洪冲沙孔闸坝段长50m，故选用3孔泄洪闸+1孔冲沙闸的布置形式。

（2）泄洪闸闸孔尺寸的必选及确定

由=68.76m2，选取一下4种方案进行比较，选择其中较优方案作为泄洪闸的最终尺寸。

方案一：

闸孔宽8m，闸孔高8m，均为潜孔。

方案二：

闸孔宽8m，闸孔高9m，均为潜孔。

方案三：

闸孔宽8m，闸孔高10m，均为潜孔。

方案四：

闸孔宽8m，闸孔高11m，均为潜孔。

方案比较：

方案一：

按公式

（1）计算泄洪闸的过流能力：

==3965.14m3/s

方案二：

按公式

（1）计算泄洪闸的过流能力：

==4460.78m3/s

方案三：

按公式

（1）计算泄洪闸的过流能力：

==4956.43m3/s

方案四：

按公式

（1）计算泄洪闸的过流能力：

==5452.07m3/s

通过水力学计算，四种方案中除方案一过流能力不满足要求外，其它三种方案都满足泄流能力的要求。

考虑闸门尺寸增大的同时会使钢材的使用量和启闭设备的投入增大，相对投资大，故选择方案二。

5.3.2.3泄流能力的计算

泄水建筑物由3孔泄洪+1孔冲沙闸组成，为3级建筑物，相应洪水标准为：

设计洪水流量（P=1%）Q=2720m3/s

校核洪水流量（P=0.1%）Q=4610m3/s

当洪水来流量小于400m3/s时，泄流量为3孔泄洪+1孔冲沙闸泄流量和进水闸的引用流量。

当洪水来流量大于400m3/s时，电站停止发电，泄流量为3孔泄洪+1孔冲沙闸泄流量。

泄洪闸冲砂闸泄流能力按以下公式计算：

式中：

—流量（m3/s）；

—堰流淹没系数；

—侧收缩系数；

—流量系数,取0.360；

—闸孔数；

—闸孔净宽（m）；

—计入行近流速水头的堰上水头（m）。

泄洪闸由于布置为潜孔，当泄流时为堰流时（e/H＞0.75）按照上述的堰流公式进行泄流计算，当泄流时为孔流时（e/H＜0.75），泄流能力按闸孔出流公式计算：

式中：

μ—流量系数；

e—闸孔开度（m）。

其余符号同前。

当洪水流量=4610m3/s时；

1）在校核洪水流量时，3孔泄洪闸+1孔冲沙闸全部开启泄放洪水。

假设校核洪水位为894.00m，则泄洪闸e1/H=9/32=0.28＜0.75，冲沙闸e2/H=5/32=0.16＜0.75。

故这时泄洪闸和冲沙闸均属于孔流。

=4259.44m3/s

=394.39m3/s

=+=4653.83m3/s＞4610m3/s

2）在校核洪水流量时，3孔泄洪闸+1孔冲沙闸全部开启泄放洪水。

假设校核洪水位为893.00m，则泄洪闸e1/H=9/30=0.30＜0.75，冲沙闸e2/H=5/30=0.17＜0.75。

故这时泄洪闸和冲沙闸均属于孔流。

=4190.18m3/s

=387.98m3/s

=+=4578.16m3/s＜4610m3/s

3）在校核洪水流量时，3孔泄洪闸+1孔冲沙闸全部开启泄放洪水。

假设校核洪水位为893.50m，则泄洪闸e1/H=9/30.5=0.30＜0.75，冲沙闸e2/H=5/30.5=0.16＜0.75。

故这时泄洪闸和冲沙闸均属于孔流。

=4224.95m3/s

=391.20m3/s

=+=4616.15m3/s＞4610m3/s

4）在校核洪水流量时，3孔泄洪闸+1孔冲沙闸全部开启泄放洪水。

假设校核洪水位为893.45m，则泄洪闸e1/H=9/30.45=0.30＜0.75，冲沙闸e2/H=5/30.45=0.16＜0.75。

故这时泄洪闸和冲沙闸均属于孔流。

=4221.49m3/s

=390.88m3/s

=+=4612.37m3/s＞4610m3/s

5）在校核洪水流量时，3孔泄洪闸+1孔冲沙闸全部开启泄放洪水。

假设校核洪水位为893.42m，则泄洪闸e1/H=9/30.42=0.30＜0.75，冲沙闸e2/H=5/30.42=0.16＜0.75。

故这时泄洪闸和冲沙闸均属于孔流。

=4219.41m3/s

=390.69m3/s

=+=4610.09m3/s=4610m3/s

故校核洪水位为893.42m。

当洪水流量=2720m3/s时；

1）在此洪水流量时，3孔泄洪闸全部开启泄放洪水。

假设校核洪水位为883.00m，则泄洪闸e1/H=9/20=0.45＜0.75，冲沙闸e2/H=5/20=0.25＜0.75。

故这时泄洪闸属于孔流。

=3421.27m3/s

=0m3/s

=+=3421.27m3/s＞2720m3/s

2）在此洪水流量时，3孔泄洪闸全部开启泄放洪水。

假设校核洪水位为878.00m，则泄洪闸e1/H=9/15=0.6＜0.75。

故这时泄洪闸属于孔流。

=2650.10m3/s

=0m3/s

=+=2962.90m3/s＞2720m3/s

3）在此洪水流量时，3孔泄洪闸全部开启泄放洪水。

假设校核洪水位为876.00m，则泄洪闸e1/H=9/13=0.69＜0.75。

故这时泄洪闸属于孔流。

=2758.31m3/s

=0m3/s

=+=2758.31m3/s＞2720m3/s

4）在此洪水流量时，3孔泄洪闸全部开启泄放洪水。

假设校核洪水位为875.50m，则泄洪闸e1/H=9/12.5=0.72＜0.75。

故这时泄洪闸属于孔流。

=2704.75m3/s

=0m3/s

=+=2704.75m3/s＜2720m3/s

5）在此洪水流量时，3孔泄洪闸全部开启泄放洪水。

假设校核洪水位为875.60m，则泄洪闸e1/H=9/12.6=0.71＜0.75。

故这时泄洪闸属于孔流。

=2715.55m3/s

=0m3/s

=+=2715.55m3/s＜2720m3/s

6）在此洪水流量时，3孔泄洪闸全部开启泄放洪水。

假设校核洪水位为875.65m，则泄洪闸e1/H=9/12.65=0.71＜0.75。

故这时泄洪闸属于孔流。

=2720.93m3/s

=0m3/s

=+=2720.93m3/s＞2720m3/s

7）在此洪水流量时，3孔泄洪闸全部开启泄放洪水。

假设校核洪水位为875.64m，则泄洪闸e1/H=9/12.64=0.71＜0.75。

故这时泄洪闸属于孔流。

=2719.85m3/s

=0m3/s

=+=2719.85m3/s=2720m3/s

故设计洪水位为875.64m。

当洪水流量=2370m3/s时；

1）在此洪水流量时，3孔泄洪闸全部开启泄放洪水。

假设此时洪水位为875.00m，则泄洪闸e1/H=9/12=0.75=0.75。

故这时泄洪闸属于孔流。

=2650.10m3/s

=0m3/s

=+=2650.10m3/s＞2370m3/s

2）在此洪水流量时，3孔泄洪闸全部开启泄放洪水。

假设此时洪水位为874.00m，则泄洪闸e1/H=9/11=0.82＞0.75。

故这时泄洪闸属于堰流。

=m3/s

=0m3/s

=+=m3/s＞2370m3/s

当洪水流量=2120m3/s时；

当洪水流量=1920m3/s时；

当洪水流量=1590m3/s时；

当洪水流量=1040m3/s时；

当洪水流量=500m3/s时；

当洪水流量=400m3/s时；

当洪水流量=350m3/s时；

当洪水流量=300m3/s时；

当洪水流量=200m3/s时；

泄流能力计算成果表

5.3.2.4坝顶高程确定

闸坝坝顶高程计算表

5.3.3消能放冲设计

消能防冲采用70m长的混凝土护坦与下游河道衔接，护坦底坡3%，护坦上部设0.6m厚的C40HF耐磨砼，护坦尾部设24m长的钢筋笼装大卵（块）石回填保护。

左岸非溢流坝长48m，最低建基面高程为856.0m，坝顶宽7.0m。

最大坝高43.0m，重力坝上游面为铅直，下游面在高程894.0m以下采用1:

0.7放坡，为C15混凝土重力式结构。

右岸非溢流坝长72.00m，最低建基面高程为856.0m，坝顶宽7.0m。

最大坝高43.0m，为C15混凝土重力式结构。

右岸坝肩砼防渗墙坝段长57.00m，防渗墙平洞长约54m，防渗墙最低高程为878.50m，防渗墙底部采用水泥帷幕灌浆。

右坝肩布置26m长的灌浆平洞。

左坝肩布置42m长的灌浆平洞。

闸坝基础防渗根据基础不同采用两种方式，基岩部分采用水泥帷幕灌浆，伸入相对隔水层5lu以下3m，帷幕灌浆孔距1.5m，最大孔深48m，右岸覆盖层基础部位采用混凝土防渗墙。

5.3.4防渗排水设计

青松水电站工程上坝址处河谷形态为不对称的“V”型谷，在上坝址河段左岸陡右岸缓，左岸多为基岩岸坡，坡度一般45～50°，右岸有阶地分布，呈台阶状地形。

河床地面高程859.92～863.1m，覆盖层厚度为3.4～6.4m，为漂卵砾石夹砂。

下伏岩体为石龙洞组工区第二、三层（∈1～2sl①、∈1～2sl②）的灰岩和白云质灰岩，岩体强、弱风化带铅直厚度为1.4～11.2m、14.1～24.8m。

据地ZK4号钻孔压水试验资料，强风化带岩体渗透系数K=6.3×10-3Lu，属强透水层；弱风化带岩体透水率q=20～30Lu，属弱～中等透水层；新鲜岩体透水率q=3.9～43Lu，属弱～中等透水层。

透水带（q≥5Lu）厚度48～69m。

闸坝基础防渗根据基础不同采用两种方式，基岩部分采用水泥帷幕灌浆，伸入相对隔水层5lu以下3m，帷幕灌浆孔距1.5m，最大孔深48m，右岸覆盖层基础部位采用混凝土防渗墙。

左坝肩基岩的防渗采用帷幕灌浆，灌浆平洞长42m，河床泄洪冲沙闸坝段和非溢流坝段基础采用帷幕灌浆，按单排帷幕设计，孔距1.5m，帷幕底线深及相对不透水层以下3m，右坝肩沿坝轴线方向向山体打防渗墙平洞54m，往里布置灌浆平洞26m，覆盖层打砼防渗墙，以下采用帷幕灌浆。

闸坝基础建在强风化基岩上，对该部位基础底部进行固结灌浆，间、排距为3.0m，梅花型布置，深约8m。

5.3.5闸室布置

（1）底板

（2）闸墩

（3）闸门

首部枢纽建筑物基础泄洪冲沙潜孔坝段放在强风化基岩上。

泄洪冲沙潜孔坝段沿坝轴线长50.00m，顺水流向长55.00m。

设3孔宽8m、高11m的泄洪冲沙闸，采用平底坎堰型，堰顶高程863.00m，建基面高程为856.00m；3孔闸共布置3扇工作弧门和1扇平板检修门，检修门采用单向门机启闭，工作弧门采用设在排架平台上的固定式卷扬机启闭。

在中间闸墩分缝，边墩宽5m，中墩宽8m，分缝后两边各4m。

消消能防冲采用70m长的混凝土护坦与下游河道衔接，护坦上部设0.6m厚的C40HF耐磨砼，护坦尾部设24m长的钢筋笼装大卵（块）石回填保护。

5.3.6闸室稳定计算

5.3.7闸室底板设计

由于西溪河为山区性河流，推移质较多，加上库区不定期泄洪排沙，汛期大量推移质过闸，泄洪建筑物需采用抗冲耐磨保护措施。

在泄洪冲沙闸室底板设C40HF钢筋混凝土保护。

5.3.8非溢流坝段设计及稳定计算

（1）非溢流坝段的设计

1）非溢流坝段坝型的选择

非溢流坝段建于稳定的岩基之上，为了与泄洪坝段更好的连接，故选择重力坝作为非溢流坝段。

2）重力坝的剖面选择

剖面选择比较常用的形态，即上游坝面铅直

（2）非溢流坝段稳定计算

1）闸坝抗剪强度计算公式：

式中：

—抗滑稳定安全系数；

—接触面以上的总铅直力；

—接触面以上的总水平力；

—作用在接触面上的扬压力；

—接触面间的摩擦系数，取0.4。

2）闸坝抗剪断计算公式：

式中：

—抗滑稳定安全系数；

—接触面以上的总铅直力；

—接触面以上的总水平力；

—作用在接触面上的扬压力；

—抗剪断摩擦系数；

—凝聚力。

5.3.9进水闸的设计

左岸进水闸布置在挡水建筑物的上游，靠岸布置。

进水闸采用“正向泄洪冲沙、侧向取水”的布置方式，与闸坝轴线平行。

水库正常蓄水位897.00m，死水位896.00m，水库消落深1.0m。

在其前沿设置一拦沙坎，拦沙坎高3m，进水口设置一道拦污栅和一孔事故闸门。

拦污栅闸底板高程884.00m，比泄洪冲沙闸底板高21.0m，拦污栅高16.50m、宽8.00m，闸顶高程899.00m。

一孔进水闸，宽4.4m、高4.4m，底板高程884.00m，建基高程882..50m。

进水闸后通过一长8.00m的方圆渐变段与引水隧洞相接

方案一：

2孔泄洪冲沙闸+非溢流坝；闸孔宽10.5m，孔高14m，均为潜孔。

方案二：

3孔泄洪冲沙闸+非溢流坝；闸孔宽8m，孔高11m，均为潜孔。

方案比较：

方案一：

校核洪水下的单宽流量Q单=（Q校核-Q冲沙闸）/d1

=（4610-350）/（2*10.5）m3/s=202.9m3/s

设计洪水下的单宽流量Q单=（Q设计-Q冲沙闸）/d1

=（2720-350）/（2*10.5）m3/s=112.9m3/s

方案二：

校核洪水下的单宽流量Q单=（Q校核-Q冲沙闸）/d2

=（4610-350）/（3*8）m3/s=177.5m3/s

设计洪水下的单宽流量Q单=（Q设计-Q冲沙闸）/d2

=（2720-350）/（3*8）m3/s=98.8m3/s

通过水力学计算，两方案的泄流能力相当，方案一闸坝总长度为41.00m，校核和设计洪水的单宽流量分别为202.9m3/s和112.9m3/s。

方案二闸坝总长为50.00m，校核和设计洪水的单宽流量分别192.1m3/s和113.3m3/s。

方案二闸坝的基础处理、开挖、混凝土、钢筋和金结的工程量均比方案一稍大，相对投资大；但方案一在各级洪水下的单宽流量均较大，而下游河床抗冲刷能力较差，较大的单宽流量消能困难，在不宜建消力池的情况下，枢纽应控制单宽流量，以减小下游的边坡防护难度，方案一运行调度灵活性较差，经综合分析比较，推荐方案二。

（2）计算闸孔总净宽

1）计算流速：

==m/s=17.74m/s

==m/s=25.74m/s

2）水流呈孔流，计算跃后水深:

由《水力学》书中167页公式（8-40）

==（8-40）

其中==，==11m，

求得=

=

=21.64m

3）水流呈孔流，计算总净宽：

=

（1）

=

（2）

=（3）

=（4）

式中—孔口高度（m）；

—孔流流量系数，可按公式

（2）计算求得或由《水闸设计规范》中55页表A.0.3-1查的；

—孔流流速系数，可采用0.95~1.0；

—孔流垂直收缩系数，可由公式（3）计算求得；

—计算系数，可由公式（4）计算求得，该公式适用于0

r—胸墙底圆弧半径（m）,初选r=0.5m；

—孔流淹没系数，可由《水闸设计规范》中55页表A.0.3-2查得，表中为跃后水深（m）。

4）由以上公式求得闸门总净宽：

=

5）方案比较：

2孔

3孔

4孔

6）方案选择：

根据《水工建筑物》书306页中：

根据治理海河工程的经验，当河（渠）道宽m时，两者的比值；当m时，。

查青松水电站上坝址坝下100m水位流量关系曲线得：

=2720m3/s时，=869.08-863.00m=6.08m；

=4610m3/s时，=871.55-863.00m=8.55m。

5.4.4.1首部枢纽设计计算

（1）泄流能力计算

泄水建筑物由三孔泄洪冲沙闸组成，为3级建筑物，相应洪水标准为：

设计洪水流量（P=1%）Q=2720m3/s

校核洪水流量（P=0.1%）Q=4610m3/s

当洪水来流量小于400m3/s时，泄流量为3孔泄洪冲沙闸泄流量和进水闸的引用流量。

当洪水来流量大于400m3/s时，电站停止发电，泄流量为3孔泄洪冲沙闸泄流量。

冲砂闸泄流能力按以下公式计算：

式中：

—流量（m3/s）；

—堰流淹没系数；

—侧收缩系数；

—流量系数；

—闸孔数；

—闸孔净宽（m）；

—计入行近流速水头的堰上水头（m）。

泄洪闸由于布置为潜孔，当泄流时为堰流时（e/H＞0.65）按照上述的堰流公式进行泄流计算，当泄流时为孔流时（e/H＜0.65），泄流能力按闸孔出流公式计算：

式中：

μ—流量系数；

e—闸孔开度（m）。

其余符号同前。

泄洪冲沙闸泄流计算成果见表5-4-1。

泄流能力计算成果表

表5-4-1

（2）坝顶高程计算

闸坝坝顶高程计算表

表5-4-2