水闸工程毕业设计.docx
《水闸工程毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水闸工程毕业设计.docx（77页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
水闸工程毕业设计
水闸工程毕业设计（总73页）
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，地面高程约为左右。
河床坡降平缓，纵坡约为1/10000，河床平均标高约为，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=
5.地基应力不均匀系数
粘土（η）=—
砂土（η）=
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，最低气温-200C，平均气温。
2、风速：
最大风速V=20m/s，吹程。
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=s，最大年径流总量为亿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，工地距电源线公里。
地下水位平均～m
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。
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
校核洪水
100
1660
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。
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~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。
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
校核流量1660
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≥（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>
流态
设计水位
>
淹没出流
校核水位
>
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—估计；
m——流量系数，初拟可按计算；
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；流量系数m取；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
校核流量1660
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，缝墩厚，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×+4×）
=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+）=得б1=；
靠缝墩孔：
b0/bs=8/（8+）=得б2=；
对于边孔：
b0/bs=b0/（b0+bb）=8/（8+*3+2+（80-64）/2）=得б3=
所以
E=（n1*б中1+n2*б中2+n3*б中3）/（n1+n2+n3）
=（1*+4*+2*）/（1+4+2）
=
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
%
校核流量1660
%
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=；
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（s）
Q（m3/s）
83
172
267
368
475
588
711
840
975
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—），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，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=，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=~，取φ=
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~，取；
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=（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～；
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
63
75
93
122
池深控制
151
限开
3
152
226
淹没出流
280
367
注：
计算式中系数如下：
=，φ=，β=，消力池坡段边坡系数m=4。
通过计算，为了节省工程造价，防止消力池过深，对开启1孔开启高度为限开，开启高度为的消力池池深为控制条件。
（二）消力池尺寸及构造
1．消力池深度的计算
根据所选择的控制条件，估算池深为，用公式（2—12）、（2—13）、式（2—14）计算挖池后的收缩水深hc1和相应的出池落差Δz及跃后水深hc＂。
计算如下：
T0=H0+d=（m）
即=
用迭带法求得
=
hc＂=
=
=（m）
Δz=
=
=（m）
验算水跃淹没系数σ，由《水力学》教材公式求：
σ0=（d+hs+Δz）/hc＂（2—17）
得σ0=（++）/=
符合在~之间的要求。
2．消力池池长
根据池深，用式（2—15）、式（2—16）求得相应的消力池长度为36m。
3．消力池护坦厚度
消力池底板（即护坦）承受水流的冲击力、水流脉动压力和底部扬压力等作用，应具有足够的重量、强度和抗冲耐磨的能力。
护坦一般是等厚的，也可采用不同的厚度，始端厚度大，向下游逐渐减小。
护坦厚度可根据抗冲和抗浮要求，分别计算，并取其最大值。
按抗冲要求计算消力池护坦厚度公式为：
t=k1
（2—18）
按抗浮要求计算消力池护坦厚度公式为：
t=k2
（2—19）
式中t——消力池底板始端厚度，m；
k1——消力池底板计算系数，可采用~；
k2——消力池底板安全系数，可采用～；
py——扬压力，kpa；
ΔH＇——泄水时上、下游水位差，m；
Hd——消力池内平均水深，m；
γ——水的重度，kN/m3；
γ1——消力池底板的饱和重度，kN/m3。
该工程可根据抗冲要求，按式（2—18）计算消力池底板厚度。
其中k1取为，q为确定池深时的过闸单宽流量，此处q=（sm），Δ
升级会员 