节制闸初步设计.docx
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节制闸初步设计
景观节制闸初步设计
1基本资料
1.1工程概况
为继续加快城市化进程，完善城市建设，拟建水闸工程作为近年城建重点工程，目的就是抬高流域河流的蓄水位，扩大市区水面，形成水上旅游风光带，利用水上旅游线路，将流域河流两岸文字博物馆、袁林、沮园、殷墟博物苑等景点联系在一起，把流域河流沿岸打造成为具有鲜明地方文化特色、开放性的滨河历史文化景观带，推进安阳市旅游发展步伐。
因此，拟建水闸工程为一座景观节制闸。
主要任务是通过建设拦蓄工程抬升河道蓄水位，满足流域河道水上旅游要求。
水文气象
工程所在流域届温带大陆性气候区，冬季受蒙古、西伯利业高气压控制，天气寒冷十燥且多风沙，夏季由于冷暖气团交接而多暴雨。
多年平均最高气温c〔6月〕。
全年无霜期200天，日照累计时数2388小时，日照率53%。
冬春多北风，夏秋多南风，最大风速22m/s，汛期多年平均最大风速。
多年平均水面蒸发量约2000mm,陆面蒸发量520mm，年际变化不大。
多年平均降雨量600mm,年内分布极不均匀，汛期6〜9月降雨量占全年的70%〜80%,年际变化大，年最大与年最小相差2〜4倍。
按设计洪水计算，流域河道50年一遇洪水洪峰流量为2300m3/s,100年一遇洪水洪峰流量为4000m3/s。
流域泥沙大部分在汛期产生，水闸汛期敞泄，泥沙随洪水下泄到下游，非汛期闭门蓄水，蓄水水量大部分为水库弃水，含沙量小。
流域闸址处淤积很小，可忽略不计。
区域地质
闸址位丁沮河桩号34+720处，该区地处流域冲积平■原，地势较为平■坦开阔。
地面高程一般为〜。
场地地貌单元届冲积平■原地貌。
本场地内无全新活动断裂，届稳定场地。
在勘探深度范围内，地层由第四系全新统〔Q4al〕、上更新统〔Q3al〕冲积物组成。
根据不同时代、成因类型和工程地质性能，将地层划分为九个工程地质单元，见表1-1和表1-2。
表1-1各单元地基土情况及压缩系数和压缩模量建议值
单元
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧
⑨
平均厚
度/m
取大揭藤厚度
层底局
程/m
〜
〜
〜
〜
〜
〜
〜
〜
以下
a（MP91）
ES0.1-0.2
（MPa）
10*
压缩性
评价
中等
中等
中等
中等
中等
中等
中等
中等
表1-2各层土的承载力特征值及抗剪强度建议值表
单元
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧
⑨
承载力基本
容许值fao
〔kPa〕
120
130
80
110
120
150
160
170
200
C〔kPa〕
0
4（°）
工程所在区域为区域构造稳定性较好地区，根据国家质量技术监督局2001
年发布的《中国地震参数区划图》及《建筑物抗震设计标准》〔GB50011-2001〕，该地区地震基本烈度为6度，地震动参数为，建筑物按6度设防，地震动反映谱特征周期。
勘探期间，在的勘探深度范围内，各钻孔均见地下水，地下水位埋深在〜之问，水位高程在〜之间。
地下水类型届潜水，主要由河水下渗、侧渗补给，地下水变化幅度为1m〜4m,多年动态变化主要受大气降水控制。
地质评价
〔1〕拟建水闸场地地层左右岸差异大，地基土不均匀，总体上来说无明显的不良工程地质现象，适宜丁本工程的建筑。
〔2〕根据当地气象局资料，本场地土的标准冻结深度为。
〔3〕本场地地震动峰值加速度为，对应的地震基本烈度为6度，地震动反映谱特征周期。
综合构造物地表以下深度范围内的土层，本场地可综合评定为n类场地土。
〔4〕闸底板高程，基础位丁〔2〕〜〔5〕单元地基土中，地基承载力特征值80〜120kpa。
根据拟建构筑物及该场地地层岩性结构情况，拟采用复合地基进行加固处理。
〔5〕地质报告中提出第〔2〕、〔3〕单元土不存在地震液化问题。
工程规模
根据当地防洪标准，节制闸按50年一遇洪水流量设计，流量为2300m3/s,闸址断面相应水位为。
超50年一遇洪水走分洪道，不再按100年一遇洪水流量校核。
水闸设计蓄水位，蓄水高度。
水闸为大〔2〕型工程，工程等别为II等，主要建筑物级别为2级。
闸室上部设工作桥一座，考虑设备吊装及维修启重车辆，设计荷载标准采用公路皿级。
此外，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》
上游翼墙等次要建筑物按3级建筑物设计，临时工程按照4级建筑设计
2闸孔设计
闸址选择
基本资料中已经选定了闸址位置并给出了闸基地质资料、址地形资料和闸址处的渠道断面为梯形，边坡系数m=2,渠道糙率，渠道纵比降，渠底高程为，渠底宽度为152m。
堰型及堰顶高程确实定
2.闸孔形式确实定
本节制闸主要任务是正常情况下拦截河水抬升河道蓄水位，以满足流域河道
水上旅游要求，而当洪水来临时，开闸泄水，以保证防洪安全。
由于是在平原河道上修建节制闸，应具有较大的超泄能力，并利于排除漂浮物、泥沙，因此采用宽顶堰。
堰顶高程确实定
地板应置于较为坚实的土层上，并应尽量利用天然地基。
在地基强调能够满足要求的条件下，底板高程定得高些，闸室稳定得高些，闸室宽度大，两岸连接建筑物相对较低。
对于小型水闸，由于两岸连接建筑在整个工程中所占比重较大，因而总的工程造价可能是经济的，在大型水闸中，由于闸室工程量所占比重较大，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,由于单款流量加大，将会增加下游效能防冲的工程量，闸门增高，启闭设备的容量也随之增大。
一般情况下，节制闸的底板顶面可与河床齐平。
因此本设计采用堰顶高程与河床同高，即底板高程取。
2.3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
计算情况
闸上水位〔m〕
闸卜水位（m）
过水流量（m3/s）
设计情况
2300
校核情况
同上
2.4闸孔宽度确实定
拟定闸孔宽度
〔1〕计算孔口净宽B0
过水断面面积A=（B+mh）h=（152+次7.9）7.9=m2;
行进流速v=Q/A=2300/1325.62=1.74（m/s）;
行进水头v22;
堰上总水头H0=H+v2m；
堰顶算起的下游水深hs=；
hs/Ho,所以为淹没出流。
且hs/Ho，查《水闸设计标准》［2］,可采用如下堰流公式计算
Bo
Q
ohs2gHohs
（2-1）
式中：
00.877炬
Ho
2
0.65（2-2）。
由hs/Ho,为淹没出流，查《水闸设计标准》［2］表，如下表2-2:
表2-2po®
Hs/Ho
4曰_
彳寸2。
则闸孔总净宽
-Q23oo
Bo===
ohs（2g（Hohs）o.961x7.6x或19.6x（8.。
5-7.6）
校核情况同设计情况，所以闸孔净宽为：
Bo=,取整B0=106m。
〔2〕确定孔宽和孔数
由《水工建筑物〉〉［1］305贞知道，我国大、中型水闸的单孔宽度lo一般取8〜12m且水闸孔总净宽不应大丁设计算出总净宽的3%--5%这里取B0=110m闸
孔单宽l0=10m闸孔个数n=110士10=11个，闸墩12个。
由资料知闸基承载力较好，确定采用整体式底板，依据《水闸设计标准》［2］土基上的分段长度不宜超
过35m确定两边采用两孔一联，中间三孔一联，共五联，所以缝墩4个，中墩
6个，边墩2个，它们的厚度依次是、、1m
2.4.2计算闸孔实际过流能力
设计情况下
Q0hsB^f,，2g（Hohs）0.961X7.6X110XJ19.6x（8.05-7.6）=
2395.5m3
100%=2395.5-2300=4.2%<5%,满足设计排洪安全要求。
2300
闸孔布置图
根据上面计算结果可推算出闸室总宽
闸孔总净宽为110m；
缝墩总宽为；
中墩总宽为；
边墩总宽为2X1=2m；
闸室总宽=闸孔总净宽+缝墩总宽+中墩总宽+边墩总宽
综上所述，闸孔11个，两边采用两孔一联，中间采用三孔一联，共5联闸孔布置如图2-2。
必6/2
图2-2闸室布置图〔单位：
m
3消能防冲设计
3.1消能防冲设计的控制情况
由丁本闸位丁平原地区，一般水头低下游水位变幅大，乂因为河床抗冲刷能力较低，所以采用底流式消能。
之前通过计算可知当设计洪水位和校核洪水时，闸门全开宣泄洪水为淹没出流，此时无须消能。
闸前为设计水位7.9m,部分闸门局部开启，只宣泄较小流量时，下流水位不高，闸下射流速较大，才会出现严重的冲刷河床现象，必须设置相应的消能设施。
这里用设计水位7.9m闸门局部开启情况，作为消能防冲的设计控制情况。
为了确保水闸安全运行，可以规定闸门按1、3、5、7、9、11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，找出消力池深度和池长的控制条件。
闸门不同开度下出闸水流情况
闸门不同开度e下出闸流虽Q
闸孔出闸流量计算
当为闸孔出流，计算采用公式
Qnbej2gH〔3-1〕式中：
b为闸孔宽度,m；
H为闸前水深，m；
n为开闸孔数；e为闸孔开度;
为流量系数，0.600.176eo
H
以开孔数N=1时为例，具体计算结果如表3-1。
表3-1闸门不同开度e下出闸流量Q
参数
N
e〔mJ
H〔mi
e/H
11
Q
〔m3/s〕
设计情况
1
1
1
1
1
1
3.2.2闸后水跃
闸后跃后水深hc''计算按如下公式
2
he''电（J1虹1）〔3-2〕
c2（ghc）
式中：
hc——收缩水深,m,hc2e；
2——垂直收缩系数，取值查《水力学》［3］表7-12〔P252〕;
vc收缩断面流速，m/s,Vc—v'2gH
2
以开孔数N=1时为例，如表3-2〔接表3-1〕。
表3-2出闸流量Q对应闸后跃后水深hc
Q〔m3/s〕
e〔m〕
hc〔m〕
vc〔m/s〕
hc''〔m〕
下游渠道水深及出流情况
〔1〕泄水时下游水深hs确实定
下游渠道按均匀流流量公式计算，通过试算法计算出下游水位hs。
计算按如下流量公式
QACRT〔3-3〕
R16
式中：
C——，m1/2/s；
n
R为水力半径，m；
i为渠道纵比降，i=;
n为渠道糙率，。
〔2〕水闸出流情况
当hshc''时，为淹没出流。
以开孔数N=1时为例，如表3-3〔接表3-2〕。
表3-3流量Q下渠道下游水深hs及出流情况
Q（m3/s）
hs
（m）
A（m2）
C（m1/2/s）
R
（m）
Q
（m3/s）〕
X
（m）
hc''-h0
（m）
状态
自由出流
自由出流
自由出流
自由出流
自由出流
自由出流
多种开启方式下开启高度对出流状态影响
闸门按1、3、5、7、9、11孔对称方式开启。
对丁闸门不同开启孔数，以及不同开启度进行组合计算，得到表3-4,方法同前。
表3-4多种开启方式下的出流状态
参
数
N
e
（m）
H
（m）
Q（m3/s）
hc''
（m）
h0
（m）
hc''-hs
（m）
状态
设计情况
1
自由出流
自由出流
自由出流
自由出流
4
自由出流
自由出流
3
自由出流
自由出流
自由出流
自由出流
4
自由出流
自由出流
5
自由出流
自由出流
自由出流
自由出流
4
自由出流
自由出流
7
自由出流
自由出流
自由出流
自由出流
4
自由出流
淹没出流
9
自由出流
自由出流
自由出流
淹没出流
4
淹没出流
一
一
一
11
自由出流
淹没出流
淹没出流
——
——
--
4
一
一
一:
一
一
一
3.3消力池设计
消力池形式的选定
消力池有三种类型：
1、挖深式消力池，适用丁闸下尾水深度小丁跃后水深的情况。
2、突槛式消力池，适用丁闸下尾水深度略小丁跃后水深的情况。
3、综
合式消力池，适用丁闸下尾水深度小丁跃后水深的情况。
本工程采用挖深式消力池。
消力池池深的计算
〔1〕水位组合
由计算表3-4分析知：
闸门开1孔，开度e=4m时，下游出流状态最不好。
因此取闸门开1孑L,初始开度e=4m,初始流量Q=254（m3/s）时，为消力池的设
计情况。
消力池池深计算水位组合见表3-5
表3-5消力池池深计算水位组合表
计算情况
闸上水位〔m〕
闸卜水位（m）
初始流量
设计情况
254
校核情况
同上
〔2〕消力池池深计算
消力池池深计算步骤如下
首先假设d0;
1）闸前流速=Q〔3-4〕，m/s；
2）闸前总水头Ho=H+——〔3-5〕，m；
2g
3）由消力池底板顶面算起的总势能To=Ho+d〔3-6〕，m；
4）过闸单宽流量q=Q/B〔3-7〕，m2/s；
5）由公式hc3T0hc2q2/2g20〔3-8〕迭代计算收缩断面水深hc，
hci1=q〔3-9〕，m,〔流速系数由《水学力〉〉［3］查得取〕；
、2g（T。
hci）
6）跃后水深h"c也、—8^1竺〔3-10〕，m,〔功近似为1〕;
2\ghc3b2b2
22
7）出池落差Z2g%'2为*〔3-11〕，m；
8）池深d
.、,一、I一,一、I
0儿Z〔3-12〕，m,（假设d0.5m取d0.5m,假设
d0.5m带入此时的d值重新计算）
式中：
-'
hs为出池河床水珠，m；
0为水跃淹没系数，可采用1.05-1.10，取;
灯为消力池首段宽度，m；烷为消力池末段宽度，m；
为水流动能矫正系数，可采用，取1计算结果列表如表3-6。
表3-6消力池池深计算
参
数
A（m2）
Q
（m3）
V
（m/s）
Ho
（m）
Q（m3/ms）
do
（m）
To
（m）
hc
（m）
h"c
（m）
AZ
（m）
D
（m）
设计
情况
1326
设计情况是指：
先假设消力池池深do为带入计算最后求得dv。
所以取。
消力池长度的计算
〔1〕按设计情况计算
1〕水跃长度Lj的计算
Lj=6.9（h"c-hc）〔3-13〕
由表3-6可知hc''-hc最大为h"bhc,则Lj=x
2〕消力池长度1司的计算
Lsj=Ls+6Lj〔3-14〕
式中：
6为水跃长度校正系数，可采用〜，取6；
Ls为消力池斜坡段长度。
本设计斜坡段采用1:
4的坡度，则Ls为2m；
则Lsj=Ls+6Ljx。
〔2〕校核情况同设计情况。
消力池底板厚度的计算
根据抗冲要求，计算消力池底板厚度，计算按如下公式
tkn：
q/-H'〔3-15〕
式中：
t为消力池底板始端厚度，m
△H为闸孔泄水时的上，下游水位差,m；
ki为消力池底板计算系数，可采用〜，取。
q、△H,设计情况同计算消力池池深情况，可知m3/s,△;
贝Utki=0.2x<25.4j5.51，取1.6m。
为了便丁施工，消力池的底板作成等厚。
为了增强护坦板的抗滑稳定，在消力池末端设置齿墙，齿墙深度取为，齿墙底宽取，斜坡比取1:
1。
3.4海漫设计
海漫长度的计算
当（qsJ〒=1〜9,且消能扩散良好时，海漫长度计算可按公式
Lp小］〒〔3-16〕
式中：
Lp为海漫长度，m；p
qs为消力池末端单宽流量，m2/s；
H'为闸孔泄水时上下游水位差，m；
Ks为海漫长度计算系数，按下表3-7查得，取Ks=10。
表3-7海漫长度计算系数
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
设计情况下时，Q=2300ms，对应下游水深为hs,水面宽度为，则qs3,△
分设计与校核两种情况计算取大值，计算结果如表3-8所示。
表3-8海漫长度计算表
参数
Q（m3/s）
hs（m）
b（m）
qs（m3/s.m）
'-、
H（m）
Ks
Lp（m）
JqsJH'
设计情况
2300
10
36
校核情况
同上
所以确定海漫长度为Lp=36m
海漫构造确实定
因为对海漫要求有一定的粗糙度，以便进一步消除余能，并有一定的透水性、有一定的柔性，所以选择在海漫的起始段为10m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26m做成坡度为1:
10的干砌石
段，以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。
海漫厚度为，下设反滤层，其中上部为30cm厚的大砾石层，中间为20cm厚的小砾石层，下部为10cm厚的砂层。
冲刷坑及防冲糟设计
.1冲刷坑深度的计算
海漫末端的河床冲刷深度计算可按公式
dm1.1也hm〔3-17〕
V0
式中：
dm为海漫末端河床冲刷深度，m；
qm为海漫末端单宽流量，m2/s；
V0为河床土质允许不冲流速，m/s,由《水力学〉〉［3］表6-5查得该渠道V0;
hm为海漫末端河床水深，m。
设计情况下，海漫末端河床水深hmm，其他数据同表3-8。
海漫末端的河床冲刷深度计算如表3-9
表3-9冲刷坑深度的计算
参数
Q（m3/s）
b（m）
qm（m2/s）
Vo（m/s）
hm（m）
dm（m）
设计情况
2300
校核情况
同上
.2防冲糟尺寸确实定
一般dm〜m,即当dm〜，取dm〜。
由丁计算出的dm>2m,取dm=2m。
底
宽b=（2〜3）dm，取b=3Xdm=6m,上游坡率mi=2~3,取mi=2,下游坡率m2=3。
防冲槽的断面面积，根据下游河床冲至最深时，石块坍塌在冲刷坑上游坡面所需
要的面积A确定，应满足A=dm』n2〔为堆石自然形成的护面厚度，取用
；n为上游边坡系数〕，A的最小值应为A=dmJ厂、2=0.5X2XJi222。
初定防冲槽深度为dm=2m,底宽b=6m。
上游边坡mi=2,下游边坡m2=3,则其断面面积为A=22m2,满足要求。
4防渗排水设计
4.1地下轮廓线布置
4防渗设计目的
防止闸基渗透变形，减小闸基渗透压力，减小水量损失，合理选用地下轮廓尺寸。
4布置原则
防渗设计一般采用防渗和排水相结合的原则，即在高水位侧采用铺盖、板桩、齿墙等防渗设备，用以延长渗径、减小渗透坡降和闸底板下的渗透压力；在低水位侧设置排水设施，如面层排水、排水孔排水或减压井与下游连通，使地下渗水尽快排出，以减小渗透压力，并防止在渗流出口附近发生渗透变形。
4地下轮廓线确实定
〔1〕防渗长度的拟定
防渗长度初拟值按如下公式计算
L=C・H〔4-1〕
式中：
L为闸基防渗长度，包括水平段、铅直段及倾斜段；
H为上、下游最大水位差，m；
C为允许渗径系数，按《水闸设计标准》［2］表选用，如下表4-1。
表4-1允许渗径系数
\思基类别排水条卜\
粉砂
细砂
中砂
粗砂
中砾
细砾
粗砾
火卵
石
轻粉
质砂
壤土
轻砂
壤土
壤土
粘土
有虑层
13〜9
9〜7
7〜5
5〜4
4〜3
3〜
11〜7
9〜5
5〜3
3〜2
无虑层
7〜4
4〜3
设计情况下的最大水位差H=，本水闸持力层为粘土。
由表4-1查得允许渗径系数C=3。
则L拟=C・H=3x。
〔2〕防渗设备
由丁闸基土质以黏性土为主，防渗设备采用黏土铺盖，闸底板上、下游侧设置齿墙，为了防止破坏天然的黏土结构，不宜设置板桩。
（3〕防渗设备尺寸及构造
1〕闸底板顺水流方向长度L=H-A,据闸基土质为粉质黏土，从《水利水电工程专业毕业设计指南》［8］，知道A取〜，取；H为上下游最大水头差，取。
闸底板顺水流方向长度X,经综合考虑上部结构布置及地基承载力等要求，确定
闸底板长度为20m
2〕底板厚度必须满足强度和刚度的要求，大、中型水闸可取〔1/6〜1/8〕
lo（l°为闸孔净宽），一般为〜2.0m，最薄不宜小丁，贝U闸底板厚度取m
3〕闸室底板的上、下游端均宜设置齿墙，齿墙深度可采用〜，齿墙深度取为，齿墙底宽取m,斜坡比取1:
1。
4〕铺盖长度3〜5倍上下游最大水头差，取24m为便丁施工，上游端厚取为，末端取为1.5m,铺盖下游齿墙深度采用，以便和闸底板连接。
〔4〕校核地下轮廓线的长度
实际的地下轮廓线布置长度应大丁理论的地下轮廓线长度。
根据以上设计数
据，贝U,闸基防
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