水闸设计编制书.docx
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水闸设计编制书
第一章总论
第一节概述
一、工程概况
电站位置：
龙坝乡
水系：
岷江水系
开发方式：
引水式
引用流量：
2.5m3/s
坝（闸）址位于龙坝乡驻地—龙坝河与其左岸支沟交汇口之上游约150m处。
河道顺直，纵坡降约55‰，河床横宽15～20m。
左岸漫滩宽约15m，其后为河间三角形洪积阶地，阶面高出河水面10～15m，边坡稳定。
右岸坡麓有崩坡积块碎石，基岩大面积出露，边坡稳定；坝线处为崩坡积层边坡，坡角30～40°，边坡稳定。
坝线下游向约30m处出露基岩，顺河长约60m，岩层为三迭系上统侏倭组（T3zh）浅灰色薄～中厚层状变质钙质石英砂岩、千枚岩。
沉砂池位于右岸一级阶地上，地形地质条件宜于布置建筑物。
阶地表层为砂壤土夹砾碎石，厚度1～1.5m，其下为冲洪积砂漂块卵石层，粒度大小悬殊，局部有架空结构，均匀性差。
池基持力层为冲洪积砂漂块卵石层，能满足沉砂池对承载、抗滑等稳定性要求。
第二节基本资料
1、基本概况
电站位置：
龙坝乡
水系：
岷江水系
开发方式：
引水式
引用流量：
2.5m3/s
2、流域概况
1）、河流概况
坝（闸）址位于龙坝乡驻地—龙坝河与其左岸支沟交汇口之上游约150m处。
河道顺直，纵坡降约55‰，河床横宽15～20m。
左岸漫滩宽约15m，其后为河间三角形洪积阶地，阶面高出河水面10～15m，边坡稳定。
右岸坡麓有崩坡积块碎石，基岩大面积出露，边坡稳定；坝线处为崩坡积层边坡，坡角30～40°，边坡稳定。
坝线下游向约30m处出露基岩，顺河长约60m，岩层为三迭系上统侏倭组（T3zh）浅灰色薄～中厚层状变质钙质石英砂岩、千枚岩。
沉砂池位于右岸一级阶地上，地形地质条件宜于布置建筑物。
阶地表层为砂壤土夹砾碎石，厚度1～1.5m，其下为冲洪积砂漂块卵石层，粒度大小悬殊，局部有架空结构，均匀性差。
池基持力层为冲洪积砂漂块卵石层，能满足沉砂池对承载、抗滑等稳定性要求。
2）、气象
气象特征值统计表
多年平均降雨量
mm
835.3
多年平均气温
℃
9.0
多年平均相对湿度
%
64
多年平均风速
m/s
1.9
多年平均蒸发量
mm
1459.4
3）、水文、泥沙
（1）径流
多年平均流量42.3m3/s，多年平均年径流深777.6mm，折合年径流量13.37亿m3。
径流的年内分配与降雨的年内分配基本一致。
年内分配大致为：
丰水期5～10月，主要为降雨补给；枯水期11月～次年4月，主要由地下水和融雪水补给。
每年4月以后径流随着降雨的增大而逐渐增大，6、7两月水量最丰，8月份相对较小，9月份次丰，11月起由于降雨量的减少，径流开始以地下水补给为主，稳定退水至翌年3月。
径流在年内的分配不均匀，丰水期（5～10月）多年平均流量为69.2m3/s，占年径流量的82.2%，其中主汛期（6～9月）水量占了年水量的61.5%，枯水期（11～4月）多年平均流量为15.2m3/s，占年径流量的17.8%，最枯的1～3月多年平均流量为11.1m3/s，占年径流的6.5%，其中最枯的2月只占1.9%。
径流的年际变化不大，最大年平均流量为52.8m3/s（1961年5月～1962年4月），最小年平均流量为30.4m3/s（1971年5月～1972年4月），相差仅1.7倍。
年最小流量一般出现在1、2月份，多数出现于2月，最小月平均流量8.48m3/s。
（2）洪水
年最大流量的年际变化较小，实测年最大洪峰流量的最大值为465m3/s（1967年7月12日），最小值163m3/s（1966年7月14日），两者之比为2.85倍。
洪水过程主要为复峰过程。
（3）泥沙
多年平均悬移质输沙量
万t
7.21
6～9月占全年输沙量百分数
%
90.7
6～9月输沙量
万t
6.54
6～9月含沙量
kg/m3
1.036
多年平均悬移质含沙量
kg/m3
0.669
多年平均推移质年输沙量
万t
1.44
多年平均年输沙总量
万t
8.65
4）、地质
龙坝河位于黑水河中游之北部，地形上属于川西北高原向四川盆地过渡的斜坡地带。
地势总的趋势是西北高东南低，由海拔5000~4000m降至约2000m，沿河两岸山势巍峨，层峦迭嶂，高差悬殊，属典型的高山峡谷、构造剥蚀与侵蚀地貌。
本河流全长约26km，河流总体方向由NE流向SW折而由NW流向SE，河流坡降陡，平均坡降约为70‰，河谷阶地不发育，间有漫滩断续分布。
两岸支沟不对称，左岸比较发育。
按河谷地貌形态的表现特征，从上自下大致可分为三段：
王母寨沟以上河段，河谷相对开阔，两岸谷坡坡度大致在40~50º左右，谷宽约40~60m；龙坝乡以上至王母寨沟河段，河谷狭窄，河床深切，左岸陡峭，坡度大致在50~70º左右，右岸稍缓,坡度大致在40~50º左右，谷宽只有20~50m；龙坝乡及以下河段，谷底相对开阔，宽约70m，两岸谷坡坡度大致为40~75º。
工程区在大地构造上位处秦岭东西向构造带、龙门山北东向构造带与金汤弧形构造带间的三角地块内，构造形迹比较复杂。
工程区位于较场和知木林两个山字型构造之间，属较场山字型构造与西尔北西向构造带的复合地带。
区内断裂不发育，以弧形线状褶皱构造为主。
坝址位于龙坝河与其左岸支沟交汇口之上游约150m处。
河道顺直，纵坡降约55‰，河床横宽15～20m。
左岸漫滩宽约15m，其后为河间三角形洪积阶地，阶面高出河水面10～15m，边坡稳定。
右岸坡麓有崩坡积块碎石，基岩大面积出露，边坡稳定；坝线处为崩坡积层边坡，坡角30～40°，边坡稳定。
坝线下游向约30m处出露基岩，顺河长约60m，岩层为三迭系上统侏倭组（T3zh）浅灰色薄～中厚层状变质钙质石英砂岩、千枚岩。
距坝线下游约100～160m，有倾斜状一级阶地，顺河长约60m，横向宽约30m，适宜布置沉砂池；坝线上游两岸有较宽阔的河。
坝基为第四系全新统冲洪积砂漂块卵石层，石质以变质砂岩、板岩为主，少量岩浆岩，粒径一般6～30cm，次园～次棱角状，砂砾石含量约占20%，漂石、块石含量约占50%，卵碎石约30%，结构稍～中密，局部具架空现象，均匀性差，透水性强，地下水丰富。
该层作为低坝坝基持力层是适宜的，能满足其对承载、抗滑稳定等要求。
左岸为洪积阶地前沿泥砂漂块卵碎石层，结构松散，抗冲刷能力极弱，透水性较强，不宜直接作为坝肩。
建议：
坝肩嵌入岸坡内2～3m，上游必须护岸，并与枢纽防渗工程连成一体。
右岸为坡麓崩坡积块碎石，结构松散，透水性较强，亦不宜直接作为坝肩。
建议：
坝肩嵌入岸坡内1～2m，坝线上游须护岸，并与防渗工程连成一体。
此外，在基坑开挖中，地下水量大，应采取降排水措施；区内有冰冻现象，对建筑物有不良影响，需采取相应工程措施。
沉砂池位于右岸一级阶地上，地形地质条件宜于布置建筑物。
阶地表层为砂壤土夹砾碎石，厚度1～1.5m，其下为冲洪积砂漂块卵石层，粒度大小悬殊，局部有架空结构，均匀性差。
池基持力层为冲洪积砂漂块卵石层，能满足沉砂池对承载、抗滑等稳定性要求。
主要工程地质问题是：
地基不均匀变形，需采取相应工程结构措施；河岸易受洪水冲刷袭击，需沿岸构筑防冲保坎。
沉砂池至坝线，前段为崩坡积层边坡坡麓，适宜设置箱型暗渠，并与防洪堤工程结合；后段为基岩边坡，其地形地质条件可以设置暗渠。
首部枢纽地基土石主要地质参数建议值
岩性
重力密度r（kn/m3）
允许承载力c（MPa）
变形模量E。
Gpa）
摩擦系数f
粘聚力CMpa
渗透系数
K（cm/s）
允许渗透比降J
砂漂块卵石层
21
0.30～0.40
0.03～0.04
0.50
0
（4～5）10-2
0.15
泥砂漂块卵碎石层
20
0.20～0.25
0.02～0.025
0.33
0.05
（1～2）10-2
0.15
泥砂块碎石
16～18
0.17～0.18
0.01～0.015
0.26
0.1
（0.5～1）10-2
0.20
3、水位及流量
电站设计引用流量：
2.5m3/s
坝（闸）正常挡水位：
2063.00m
隧洞进口水位：
2061.00m
洪水资料：
P＝0.5％Q=147.0m3/s；
P＝1.0％Q=137.0m3/s；P＝2.0％Q=126.0m3/s；
P＝3.3％Q=117.0m3/s；P＝5.0％Q=110.0m3/s；
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，以利引水发电要求；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，设计水栅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。
该拦河闸选在推荐坝址处，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2062.2m。
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2062.2m。
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110
1.47
1.49
21.2
5.2
1.5
2.97
校核流量126
1.58
1.62
23.1
5.5
1.6
3.18
绘制水位流量曲线
根据河流纵横断面图，绘制上、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
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，取n=0.04；
x——过水断面的湿周，m；
i——渠道底坡，由横剖面图得。
i=1/30
假设上游水深h0，由公式求得相应的流量Q和水位H，可列表计算，
如表2—1所示。
水闸上游水位流量关系表
水位H
流量Q
谢才系数C
面积A
湿周X
糙率n
水力半径R
2063.6
77.38
25.60
16.68
16.28
0.04
1.02
2063.7
88.20
27.12
18.21
16.66
0.04
1.09
2063.8
99.38
28.38
19.74
17.04
0.04
1.16
2063.9
110.91
29.44
21.27
17.42
0.04
1.22
2064
122.74
30.33
22.8
17.8
0.04
1.28
2064.1
137.31
31.25
24.6
18.19
0.04
1.35
2064.2
152.30
32.01
26.4
18.58
0.04
1.42
2064.3
167.65
32.64
28.2
18.97
0.04
1.49
2064.4
183.36
33.17
30
19.36
0.04
1.55
2064.5
199.39
33.61
31.8
19.75
0.04
1.61
表2—1上游水深与流量表
上游何处断面图
假设下游水深hs，由公式求得相应的流量Q和水位H，可列表计算，如表2—2所示。
水闸下游水位流量关系表
水位H
流量Q
谢才系数C
面积A
湿周X
糙率n
水力半径R
2063
43.33
17.42
11.4
15
0.04
0.76
2063.1
53.07
20.51
13
15.37
0.04
0.85
2063.2
63.38
23.05
14.6
15.74
0.04
0.93
2063.3
74.22
25.14
16.2
16.11
0.04
1.01
2063.4
85.53
26.85
17.8
16.48
0.04
1.08
2063.5
97.27
28.26
19.4
16.85
0.04
1.15
2063.6
109.41
29.42
21
17.22
0.04
1.22
2063.7
121.91
30.38
22.6
17.59
0.04
1.28
2063.8
134.75
31.19
24.2
17.96
0.04
1.35
2063.9
147.90
31.87
25.8
18.33
0.04
1.41
2064
162.32
32.50
27.5
18.7
0.04
1.47
表2—2下游水深与流量表
下游何处断面图
根据下游水深与流量表绘制上、下游水深与流量关系曲线图H～Q图，见附图。
附图上、下游断面H~Q关系曲线图
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=
其中B——闸孔净宽，m；
Q——流量，m3/s；
ε——侧收缩系数，初拟可按0.9—1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。
表A.0.1-1 ε值
b0/bs
≤0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
ε
0.909
0.911
0.918
0.928
0.940
0.953
0.968
0.983
1.000
按闸门总净宽计算公式，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—4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110
1.47
2.97
0.5
1
13.58
校核流量126
1.58
3.18
0.5
1
14.04015
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=7m，同时为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用2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，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=（7×2）+（2×1+1×1.2）
=17.2（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=
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%
≤5%
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110
2.97
0.5
0.928
1
113.4021
3%
校核流量126
3.18
0.5
0.928
1
125.6397
1%
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2孔，单孔净宽为7m。
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
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