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最新水闸毕业设计
水闸毕业设计
第一章总论
第一节概述
一、工程概况
涡河发源于河南省中牟县境内，经开封、通许、尉氏、太康、鹿邑等县，在安徽省与惠济河汇合后流入淮河。
汇合口以上流域面积4200km2，涡河在鹿邑县境内属平原稳定型河流，河面宽约200m，深约7——10米。
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蓄用水。
为解决当地40万亩农田的灌溉问题，上级批准的规划确定，在鹿邑县涡河上修建挡水枢纽工程。
本工程位于河南省鹿邑县城北约1Km，距汇合口18Km。
它是涡河梯级开发中最末一级工程，涡河闸控制流域面积4070Km2。
二、拦河闸任务
涡河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。
本工程建成后，可利用河道一次蓄水800万m3，调蓄河水两岸沟塘，大量补给地下水，有利于进灌和人蓄用水，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。
第二节基本资料
一、地形资料
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，河床平均标高约为30.0m，主槽宽度约为80—100m，河滩宽平，至复式河床横断面，河流比较顺直。
附闸址地形图一张（1/1000）
二、地质资料
（一）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级蟓更新世Q3与第四纪全新世Q4的层交错现象，闸址两岸地面高程均在43m左右。
闸址处地层向下分布情况如下：
1、重粉质壤土：
分布在河床表面以下，深约3m。
2、细砂：
分布在重粉质壤土以下（河床部分高程约在28.8m以下。
）
3、中砂：
分布在细砂层以下，在河床部分的厚度约为5m左右。
4、重粉质壤土：
分布在中砂层以下（深约22m以下）。
5、中粉质壤土：
分布在重粉质壤土以下，厚度5—8m。
附闸址附近地址剖面图一张
三、土的物理力学性质指标
1.物理性质
湿容重γa=19kN/m3
饱和容重γ饱=21kN/m3
浮容重γ浮=11Kn/m3
细砂比重γg=27kN/m3
细砂干容重γ干=15kN/m3
2．内摩擦角
自然含水量时φ=280
饱和含水量时φ=250
3.土基许可承载力：
【δ】=200kN/m3
4.混凝土、砌石与土基摩擦系数
密实细砂层f=0.36
5.地基应力不均匀系数
粘土（η）=1.5—2.0
砂土（η）=2.5
6.渗透系数
中细砂层k=5×10-3平均厚度约5m
以下土层k=5×10-5作为相对不透水层
四、工程材料
1、石料：
本地区不产石料，需从外地运进，距离公路很近，交通方便。
2、粘土：
经调查本地区附近有交丰富的粘土材料。
3、闸止处有足够的中细砂。
五、本地区地震烈度在6度以下。
六、水文气象
1、气温：
本地区年最高气温42.20C，最低气温-200C，平均气温14.40C。
2、风速：
最大风速V=20m/s，吹程0.6km。
3、径流量：
非汛期（1—6月及10—12月）9个月份涡河月平均最大流量9.1m3/s
汛期（7—9）三个月，涡河月平均最大流量为149m3/s，年平均最大流量Q=26.1m3/s，最大年径流总量为8.25亿m3。
4、冰冻：
闸址处河水无冰冻现象。
七、河槽整治断面及水位流量关系曲线
经批准的规划决定：
对原河槽将适当调整，并在两岸作矮堤，以扩大泄洪能力，提高防洪安全的保证率。
规划确定的上下游河道整治后断面如附图。
下游河道水位流量关系曲线见图1—1。
图1—1上下游河道横断面图（单位：
m）
八、施工条件
1、期为两年
2、材料供应
电源：
有电网供电，工地距电源线1.0公里。
地下水位平均28.0～30.0m
九、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》（SDJ12—78）的规定，本枢纽工程为三等工程，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39.50m。
3、洪水标准。
项目
重现（年）
洪水流量m3/s
闸前水位（m）
下游水位（m）
设计洪水
20
1320
40.77
40.61
校核洪水
100
1660
41.98
41.97
第三节工程综合说明
本工程为拦河闸，建造在河道上。
枯水期用以拦截河道，抬高水位，以利上游取水或航运要求；洪水期则开闸泄洪，控制下游流量。
一、河闸的特点
拦河闸既用以挡水，又用于泄水，且多修建在软土地基上，因而在稳定、防渗、消能防冲及沉降方面都有其自身的特点。
1．稳定方面
关门拦水时，水闸上、下游较大的水头差造成较大的水平推力，使水闸有可能沿基面产生向下游的滑动，为此，水闸必须具有足够的重力，以维持自身的稳定。
2．防渗方面
由于上下游水位差的作用，水将通过地基和两岸的土壤会被掏空，危及水闸的安全。
渗流对闸室和两岸连接建筑物的稳定不利。
因此，应妥善进行防渗设计。
3．能防冲方面
水闸开闸泄水时，在上下游水位差作用下，过闸水流往往具有较大的动能，流态也较复杂，而土质河床的抗冲能力较低，可能引起冲刷。
此外，水闸下游常出现波状水夭和折冲水流，会进一步加剧对河床和两岸的淘刷。
因此，设计水闸除应保证闸室具有足够的过水能力外，还必须采用有效的消能防冲措施，以防止河道产生有害的冲刷。
4．沉降方面
土基上的建闸，由于土基的压缩性大，抗剪强度低，在闸室的重力合外部荷载作用下，可能产生较大的沉降影响正常使用，尤其是不均匀沉降会导致水闸倾斜，甚至断裂。
在水闸设计时，必须合理选择闸型、构造，安排好施工程序，采取必要的地基处理等措施，以减少过大的地基沉降和不均匀沉降。
二、拦河闸的组成
拦河闸通常由上游连接段，闸室段和下游连接段三部分组成。
（一）上游连接段
上游连接段的主要作用是引导水流平稳地进入闸室，同时起防冲、防渗、挡土等作用。
一般包括上游翼墙、铺盖、护底、两岸护坡及上游防冲槽等。
上游翼墙的作用是引导水流平顺地进入闸孔并起侧向防渗作用。
铺盖主要起防渗作用，其表面应满足抗冲要求。
护坡、护底和上游防冲槽（齿墙）是保护两岸土质、河床及铺盖头部不受冲刷。
（二）闸室段
闸室是水闸的主体部分，通常包括底板、闸墩、闸门、胸墙、工作桥及交通桥等。
底板是闸室的基础，承受闸室的全部荷载，并比较均匀地传给地基，此外，还有防冲、防渗等作用。
闸墩的作用是分割闸孔，并支承闸门、工作桥等上部结构。
闸门的作用是拦水和控制下泻流量。
工作桥供安置起闭机和工作人员操作之用。
交通桥的作用是连接两岸交通。
（三）下游连接段
下游连接段具有消能和扩散水流的作用。
一般包括护坦、海漫、下游防冲槽、下游翼墙及护坡等。
下游翼墙引导水流均匀扩散兼有防冲及侧向防渗作用。
护坦具有削能防忡作用。
海漫的作用是进一步消除护坦出流的剩余动能、扩散水流、调整流速分布、防止河床冲刷。
下游防冲槽是海漫末端的防护设施，避免冲刷向上游扩展。
第二章水力计算
第一节闸址及形式选择
一、闸址选择
闸址选择关系到工程建设的成功和经济效益的发挥，是水闸设计中的一项重要内容。
应根据水闸的功能、特点和运用要求，以及区域经济条件，综合考地形、地质、建筑材料、交通运输、水流、潮汐、冰情、泥砂、施工、管理、周围环境等因素，经技术经济比较确定。
闸址应选择在地形开阔、岸坡稳定、岩土坚实和地下水位较低的地点。
闸址应选用地质条件良好的天然地基。
壤土、中砂、粗砂、砂砾石适与作为水闸的地基。
尽量避免淤泥质土和粉砂、细砂地基，必要时，应采取妥善的处理措施。
拦河闸应选择在河道顺直、河势相对稳定和河床断面单一的河段，或选择在弯曲的河段采弯取直的新开河道上。
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，同时还应考虑水闸建成后工程管理维修和防洪抢险等条件。
水闸中心线的布置应考闸室与两岸建筑物均匀，对称的要求。
拦河闸的中心线一般应与河道中泓线相吻合。
该拦河闸选在鹿邑县城北约1km处，闸轴线如地形图所示。
二、闸室型式选择
闸室按结构形式可分为：
开敞式水闸和涵洞式水闸。
（一）开敞式水闸
闸室上面不填土封闭的水闸。
一般有泄洪、排水、过木等要求时，多采用不带胸墙的开敞式水闸，多用于拦河闸、排冰闸等。
当上游水位变幅大，而下泄流量又有限制时，为避免闸门过高，常采用带胸墙的开敞式水闸，如进水闸、排水闸、挡潮闸多用这种形式。
（二）涵洞式水闸
闸身上面填土封闭的水闸，又称封闭式水闸。
常用于穿堤水或排水的水闸。
洞内水流可以是有压的或无压的。
综合考虑该工程特点，上、下游水位差较小，不须控制流量，泄洪时可能有漂浮物等因素，可采用无胸墙的开敞式水闸。
（三）闸孔形式的选择
闸孔形式一般有宽顶堰型、实用堰低型和胸墙孔口型三种。
1．宽顶堰型。
这是水闸最常用的底板结构形式。
主要优点是结构简单、施工方便、泄流能力比较稳定，有利于泄洪、冲沙、排淤、通航等；其缺点是自由泄流时流量系数小，容易产生波状水。
2．实用堰低型。
有梯形、曲线型和驼峰型。
实用堰型自由泄流时，流量系数较大，水流条件较好，选用适宜的堰面形式可以消除波状水。
但泄流能力受尾水位变化的影响较为明显，不稳定。
3．胸墙孔口型。
这种堰可以减小闸门高度和启门力，也可降低工作桥高和工程造价。
根据各种形式的适用条件，综合考虑该工程特点，河槽蓄水，闸前基本没有淤积，闸底高程应尽可能底。
因此，采用无底砍平底版宽顶堰，堰顶高程与河床同高，即闸底板高程为30.00m。
第二节闸孔尺寸确定
一、底板高程确定
底板高程与水闸承担的任务、泄流或引水流量、上下游水位及河床地质条件等因素有关。
闸底板应置于较为坚实的土层上，并应尽量利用天然地基。
在地基强度能够满足要求的条件下，底板高程定得高些，闸室宽度大，两岸连接建筑物相对较低。
对于小型水闸，由于两岸建筑物在整个工程中所占比重较大，因而适当降低底板高程，常常是有利的。
当然，底板高程也不能定的太低，否则，由于单宽流量加大，将会增加下游消能防冲的工程量，闸门增高，启闭设备的容量也随之增大。
另外，基坑开挖也较困难。
选择底板高程前，首先要确定合适的最大过闸单宽流量。
它取决于闸下游河渠的允许最大单宽流量。
允许最大过闸单宽流量可按下游河床允许最大单宽流量的1.2~1.5倍确定。
根据工程实践经验，一般在细粉质及淤泥河床上，单宽流量取5~10m3/（sm）；在砂壤土地基上取10~15m3/（sm）；在壤土地基上取15~20m3/（sm）；在黏土地基上取20~25m3/（sm）。
下游水深较深，上下游水位差较小和闸后出流扩散条件较好时，宜选用较大值。
一般情况下，拦河闸的底板顶面与河床齐平，即闸底板高程30.0m。
二、拟定闸孔尺寸及闸墩厚度
1．由已知上、下游水位及闸底板高程，由公式（2—1）、式（2—2）可求得上游水头及下游水深。
v0=Q/A（2—1）
H0=H+v02/2g（2—2）
其中v0——行进流速，m/s；
Q——过流流量，m3/s；
A——过水断面面积，m2；
H0——含有行进流速水头在内的闸前水头，m。
推算的上游水头及下游水深见表2—1。
表2—1上游水头计算
流量Q（m3/s）
下游水深
hs（m）
上游水深
H（m）
过水断面积（m2）
行进流速
v0（m/s）
v02/2g
上游水头
H0（m）
设计流量1320
10.61
10.77
1228.66
1.07
0.06
10.83
校核流量1660
11.79
11.98
1412.88
1.17
0.07
12.05
2．判别出流流态
闸门全开泄洪时，一般属于淹没条件下的水流，所以采用平底板宽顶堰堰流公式，根据设计，校核情况下的上、下游水位及流量进行计算。
对于宽顶堰，其淹没条件为：
:
hs≥0.8H0（2—3）
式中hs——下游水深，m；
H0——含有行进流速水头在内的闸前水头，m。
根据公式（2—3）判别是否为淹没出流，其判别计算见表2—2。
表2—2淹没出流判别计算
计算情况
下游水深hs（m）
上游水头H0（m）
hs>0.8H0
流态
设计水位
10.61
10.83
10.61>8.66
淹没出流
校核水位
11.79
12.05
11.79>9.64
淹没出流
3．确定闸门总净宽
对于平底板宽顶堰，《闸门设计规范》中推荐的堰流公式为：
B=
（2—4）
其中B——闸孔净宽，m；
Q——流量，m3/s；
ε——侧收缩系数，初拟可按0.95—0.96估计；
m——流量系数，初拟可按0.385计算；
s——淹没系数，可通过查表求得。
按闸门总净宽计算公式（2—4），根据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算，见表2—3。
其中堰流侧收缩系数ε取0.96；流量系数m取0.385；淹没系数бs根据hs/H0查《水力学》教材。
并取两者的较大值。
表2—3闸孔总净宽计算
流量Q
（m3/s）
下游水深
hs（m）
上游水头
H0（m）
hs/H0
淹没系数
бs
B0（m）
设计流量1320
10.61
10.83
0.980
0.40
56.56
校核流量1660
11.79
12.05
0.978
0.42
57.72
4.闸孔尺寸的选择
闸室单孔宽度应根据闸的地基条件、运用要求、闸门结构形式、启闭机容量以及闸门等因素，进行综合比较确定。
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b=8m，同时为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用7孔。
5．闸墩的厚度及墩头形状
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。
墩头采用圆弧形。
闸孔布置如图2—1所示：
图2—1闸孔尺寸布置图（单位：
m）
闸孔总宽度为：
L=（7×8）+（2×1.6+4×1.2）
=64（m）
二、校核闸孔的泄洪能力
《水闸设计规范》中堰流的计算公式为：
Q=
（2—5）
式中B=nb0（n为闸孔数，b0为单孔净宽），分别按设计、校核两种情况确定计算参数，求出相应的实际过闸流量Q1，校核过流能力。
一般其相对差值不应超过5%。
≤5%（2—6）
≤5%（2—7）
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》（2-2），结果如下：
对于中孔：
b0/bs=8/（8+1.2）=0.870得б1=0.967；
靠缝墩孔：
b0/bs=8/（8+1.6）=0.833得б2=0.973；
对于边孔：
b0/bs=b0/（b0+bb）=8/（8+11.98*3+2+（80-64）/2）=0.148得б3=0.909
所以
E=（n1*б中1+n2*б中2+n3*б中3）/（n1+n2+n3）
=（1*0.976+4*0.973+2*0.909）/（1+4+2）
=0.955
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2—4过流能力校核计算
计算情况
（m3/s）
堰上水头
H0（m）
hs/H0
бs
ε
Q
校核过流能力
设计流量1320
10.83
0.980
0.40
0.96
1306.99
0.99%
校核流量1660
12.05
0.978
0.42
0.96
1610.64
2.97%
两种情况下过流能力都小于5%，说明孔口尺寸的选择较为合理，所以不再进行调整。
闸孔选7孔，单孔净宽为8m。
三、辅助曲线的绘制
根据水闸所在的河流纵横断面图，绘制下游水位与流量关系曲线。
用明渠均匀流公式进行计算：
Q=AC
C=
R=A/x（2—8）
式中A——过流断面面积，m2；
C——谢才系数，m1/2/s；
R——水力半径，m；
n——河槽的糙，查水力学教材6—3，取n=0.05；
x——过水断面的湿周，m；
i——渠道底坡，本设计i=1/10000。
假设下游水深hs，由公式（2—8）求得相应的流量Q，可列表计算，如表2—5所示。
hs（m）
A（m2）
X（m）
R（m）
C（m0.5/s）
Q（m3/s）
1.0
83
86.3
0.96
19.9
16.16
2.0
172
92.65
1.86
22.2
52.01
3.0
267
98.97
2.70
23.60
103.54
4.0
368
105.30
3.49
24.64
169.40
5.0
475
111.62
4.26
25.46
242.16
6.0
588
117.95
4.99
26.14
343.35
7.0
711
128.27
5.54
26.61
445.32
8.0
840
134.60
6.24
27.14
569.48
9.0
975
140.92
6.92
27.61
708.15
表2—5下游水深与流量表
根据下游水深与流量表绘制下游水深与流量关系曲线图H～Q图，见附图。
附图下游断面H~Q关系曲线图
第三节消能防冲设计
水闸泄水时，部分势能转化为动能，流速增大，具有较强的冲刷能力，而土质河床的抗冲能力又较低，因此，必须采取适当的消能防冲措施。
那么首先应了解过闸水流的特点。
一、过闸水流的特点
1．水流形式复杂
初始泄流时，闸下水深较浅，随着闸门开度的增大而会逐渐加深，闸下出流由孔口到堰流，自由出流到淹没出流都会发生，水流形态比较复杂。
因此，消能设施应在任意工作情况下，均能满足消能的要求并与下游很好的衔接。
2、闸下易形成波状水跃
由于水闸上下游水位差较小，出闸水流的拂汝得数较低（Fs=1—1.7），容易放生波状水跃，特别是在平底板的情况下更是如此。
此时，无强烈的水跃旋滚，水面波动，消能效果差，具有较大的冲刷能力。
另外，水流处于急流状态，不易向两侧扩散，致使两侧产生回流，缩小河槽有效过水宽度，局部单宽流量增大，严重地冲刷下游河道。
3、闸下容易出现折冲水流
一般水闸的宽度较上下游河道窄，水流过闸时先收缩而后扩散。
如工程布置或操作运行不当，出闸水流不能均匀扩散，将使主流集中，蜿蜒蛇行，左冲右撞，形成折冲水流，冲毁消能防冲设施和下游河道。
二、消能防冲方式选择
泄水建筑物下游水流的消能防冲方式有以下几种形式。
1．底流式衔接消能
能使下泄的高速水流在较短的距离内有效地通过水跃转变为缓流，消除余能，与下游河道的正常流动衔接起来。
平原地区的水闸，由于水头低，下游水位变幅大，适用底流式消能。
2．挑能式消能
在建筑物出流部位利用挑流鼻坎将水流抛射在较远的下游，不致影响建筑物安全。
适用山区灌溉渠道上的泄水闸和退水闸，下游为坚硬的岩体，又具有较大的水头的情况。
3．面流式消能
对下游水深较大且稳的情况，可采用低与下游水位的跌坎，将下泄的高速水流送入下游河道水流表层，在坎后形成底部旋滚，减轻对河床的冲刷，并消除余能。
由于本闸位于平原地区，河床的抗冲刷能力较低，采用底流式消能。
三、能防冲设施的设计
（一）消能控制条件分析
设计水位或校核水位时闸门全开，宣泄洪水，为淹没出流，无须消能，闸前为常高水位39.50m，部分闸门局部开启，只宣泄较小流量时，下游水位不高，闸下射流速度较大，才会出现严重的冲刷河床现象，须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，采用闸前水深H=9.5m，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。
《水闸设计规范》中指出，消力池计算简图及主要计算公式如下：
图2—3消力池计算简图
孔口出流流量公式：
Q=
（2—9）
消力池池深：
d=
hc″－
－Δz（2—10）
挖池前收缩水深：
hc=
（2—11）
挖池后收缩水深：
=0（2—12）
跃后水深：
hc″=
（2—13）
出池落差：
Δz=
（2—14）
式中Q——下泄流量，m3/s；
μ——宽顶堰上孔流流量系数，μ=ε＇φ
e——闸门开启高度，m；
ε＇——收缩系数；
φ——流速系数，φ=0.9~1.0，取φ=0.985
b——闸孔单宽，m；
H0——堰上水头，m；
n——开启孔数；
d——消力池深度，m；
σ0——水跃淹没系数，可采用1.05~1.10，取1.05；
hc〃——跃后水深，m；
hc——收缩水深，m；
T0——总势能，m；
Δz——出池落差，m；
hs——出池河床水深，m。
对于消力池池深的计算，应先计算出挖池前收缩水深，按《水利学》公式估算出池深，然后求出总势能，再试算出挖池后的收缩水深。
其计算式如下：
消力池长度：
Lsj=Ls+βLj（2—15）
水跃长度：
Lj=6.9（hc＂-hc）
式中Lsj——消力池长度，m；
Ls——消力池斜坡段水平投影长度，m；
β——水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8；
Lj——水跃长度，m。
通过跃后水深与下游水深的比较进行流态判别，经过计算，找出最大的池深，池长作为相应的控制条件。
同时考虑到经济及其他原因，对池深较大的开启度采用限开措施。
关于流态判别如下：
hc＂hc＂=hs为临界状态；
hc＂>hs为自由出流的远驱式水跃。
按式（2—9）、式（2—10）、式（2—11）、式（2—12）、式（2—13）、式（2—14）、式（2—15）、式（2—16）估算消力池深及池长，其结果如表2—6所示。
表2—6消力池池深、池长估算
开启孔数
n
开启高度
e
收缩系数
泄流量
Q
m3/s
单宽
流量
q
（m3/
sm）
收缩
水深
hc
（m）
跃后
水深
hc
（m）
下游
水深
hs
（m）
流态
判别
自由出流
削力池尺寸
池深d
（m）
池长
lsj
（m）
水跃长
lj
（m）
备注
1
1.0
0.6
63
7.78
0.62
4.21
2.20
2.01
28.58
27.39
1.2
0.6
75
9.42
0.74
4.59
2.45
2.14
30.60
31.74
1.5
0.6
93
11.66
0.93
5.01
2.80
2.21
32.65
33.19
2.0
0.6
122
15.31
1.24
5.62
3.30
2.32
36.40
36.16
池深控制
2.5
0.6
151
18.86
1.56
6.08
3.70
2.38
38.91
39.19
限开
3
0.8
0.6
152
6.33
0.49
3.85
3.72
0.32
18.88
23.46
1.2
0.6
226
9.42
0.
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