进水闸设计.docx

1、进水闸设计1工程概况1.1基本资料本闸位于某中型灌区干渠渠首，为渠首取水水工建筑物。1.2建筑物级别根据水闸设计过水流量和水闸设计规范( SL-265-2001)的平原区水闸枢纽工程分 等指标知本工程规模属于小( 1)型，水闸级别为 IV 级，其建筑物级别为 1 级。1.3孔口设计水位孔口设计水位组合见表 1-1表 1-1 闸孔设计时水位及流量组合外河水位 (m)干渠水位 (m)引水流量 (m3/s)6.005.60601.4消能防冲设计水位 消能防冲设计水位组合见表 1-2 表 1-2 消能防冲设计水位组合表外河水位 (m)干渠水位 (m)引水流量 (m3/s)7.04.0601.5闸室稳定

2、计算 闸室稳定计算水位组合见表 1-3 表 1-3 闸室稳定计算水位组合表工况外河水位 (m)干渠水位 (m)设计情况8.153.00校核情况8.503.00地震情况7.804.501.6地质资料建筑物底板下土层为粉质粘土，土层物理力学指标为：凝聚力 C 32kPa ，擦角18 ，地基土允许承载力 R 220kPa 。1.7回填土资料回填土采用砂壤土，假设其内摩擦角 28 ， C=0，湿容重 18kN/m3，饱和容重为20 kN/m3，浮容重 10 kN/m3。1.8地震设计烈度地震设计烈度： 7，设计基本地震加速度值为 0.10g。1.9其他上下游河道断面相同均为梯形，河底宽 20.0m，河

3、底高程 3.0m，边坡 1：2.5，外 河堤顶高程 10.5m，干渠渠顶高程 6.0m。两岸路面高程 10.5m。交通桥荷载标准： 公路级，交通桥总宽 8.0m，净宽 7.0m。2孔口宽度设计2.1闸孔形式的确定根据水闸设计规范( SL-265-2001)，当闸槛高程较低，挡水高度较大，挡水水位高 于泄水运用水位或闸上水位变幅较大且有限制过闸单宽流量要求时选用胸墙式水闸。 本 工程河底高程 3.0m， 挡水最高水位为 8.5m，则挡水高度为 5.5m 较大。综上，本工程 选用胸墙式水闸。2.2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外河水位 (m)干渠水位 (m)

4、引水流量 (m3/s)6.005.60602.3堰型及堰顶高程的确定2.3.1堰型的确定本工程的主要任务是拦蓄上游河水，确保灌溉用水，应具有较大的泄水能力，在洪 水时期还应担负着泄洪的任务，对于灌溉水质有一定的要求，便于排砂排淤，所以采用 无底坎宽顶堰孔口。2.3.2堰顶高程的确定本水闸将堰顶高程定的与河底同高，高程为 3.0m。2.4闸孔宽度的确定2.4.1过水断面确定根据资料，上下游河道断面为河底宽 20.0m，边坡 1:2.5，河底高程 3.0m，外河堤 顶高程 10.5m，干渠渠顶高程 6.0m，画出过水断面如图 2-1 所示：3.0206.0 5.6 6.03.020b图 2-1 a

5、、 b 为上、下游河道断面图 （单位： m） 故过水断面面积为：A （ mh L） h （ 2. 5 3 20 ） 3 28m2. 52.4.2闸孔净宽确定（1）、上游行进流速： v0 Q A 6082.5 0.73m/s 计入行进流速的上游水深：v02 0 . 723H0 H v0 3 1.0 3 .0 3 m0 2g 2 9 . 8 式中： H上游水深，为 6.0-3.0=3.0m； 流速系数，取 1.0； （2）、由于水闸闸槛高程较低、挡水高度较大，闸上水位变幅较大，所以闸式结构选 用胸墙式。设置胸墙底高程为 5.80。由于闸孔设计时外河水位 6.00，高于胸墙底 高程，所以为孔流。根据

6、水闸设计规范 ，采用下列公式计算：式中： h 孔口高度，为 5.8-3.0=2.8m；r 胸墙底圆弧半径，取 0.2m； 计算系数，计算得 0.128； 孔流垂直收缩系数，计算得 0.886； 孔流流速系数，可采用 0.951.0，本设计取 0.95； 孔流流量系数，计算得 0.350；淹没系数。由于孔流淹没系数 和B0 都是未知的，不能直接求得，需要用迭代的方法试算。先假设 =0.50，具体计算见表 2-2.迭代淹没系数闸孔总净宽单宽流量跃前水深跃后水深hs hc淹没系数次数B0 （m）q（ m 2/s ）hc （m）hc （m）H hc10.5017.113.510.502.000.600

7、.5220.5316.143.720.532.060.570.5430.5515.563.860.552.090.560.55表 2-2 闸空总净宽计算表，由hHs hhcc 查水闸设计规范表A.0.3-2得 。跃前水深的迭代公式为 hci1 2g（E0 hci） ，迭代计算见表 2-3表 2-3 跃前水深 hc 计算表qEhc1hc2迭代 13.513.030.500.50迭代 23.723.030.500.533.723.030.530.53迭代 33.863.030.500.553.863.030.550.552.4.3水闸闸孔数确定为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用 3 孔闸

8、，取中墩厚 1m，边墩厚0.8m。则单个闸空净宽为： b0 B0 15.56 5.19m ，取净宽 b0 =5m 0 N 3 0闸孔实际总净宽为： B0实 =15m闸孔总宽为： B 15 1.0 2 0.8 2 18.6m2.4.4水闸实际流量确定水闸实际流量：Q实 =B0 实 hs 2gH01 5 0. 55 0. 35 2. 6 2 9. 8 3. 0 3357.9m3/s检验 Q实 是否满足要求：2.4.5闸孔布置图闸孔布置如图 2-2 所示图 2-2 闸孔布置图 （单位： cm）3消能防冲设计3.1消能防冲水位组合消能防冲水位组合见表 3-1表 3-1 消能防冲设计水位组合表外河水位

9、(m)干渠水位 (m)引水流量 (m3/s)7.04.0603.2消力池设计3.2.1消力池形式的选定根据规范 4.4.3 条规定：当水闸闸下尾水深度较深、且变化深度较小，河床及岸坡 抗冲能力较强时，可采用面流式消能。本工程跃后水深最高为 2.09m,下游水深为 2.6m， 为淹没式水跃，并且工程中常采用下挖式消力池，因此，本工程采用下挖式消力池。3.2.2消力池池深的计算计算方法a、先假设 d=0.5m，计算 H0、T0 ；2 0，试算 hc 。其中为 流速系数，取 =0.98； 2g水深；e、由公式 d 0hc hs Z ，计算 d ；f、若由 e计算出的 d 0.5m，则取 d=0.5m

10、；若 d0.5m，则重新计算 d 值，直至试算出 结果。具体计算见表 3-2表 3-2 消力池深度计算表AvH0d0T0qKhchcZd1200.504.0130.5004.5133.530.7040.4141.9440.3690.6731200.504.0130.6804.6933.530.7040.4051.9720.3720.6981200.504.0130.7004.7133.530.7040.4041.9750.3730.7011200.504.0130.7014.7143.530.7040.4041.9750.3730.701d 0hc hs Z 。v2 3 2 q2 q2 注：H

11、0 H 2vg ；T0 d0 H0；hc3 T0hc2 2gq2 0；K 2gq2；式中： d0 假设的消力池深度，m；d消力池深度， m；0 水跃淹没深度m； hc 收缩水深， m； 水流动能校正系数，取 1.0；q过闸单宽流量， m3/s ； b1 消力池首端宽度， m；b2 消力池 末端宽度， m； T0 由消力池底板顶面算起的总势能， m； Z出水池落差， m； hs 出水池河床水深， m； 流速系数，取 0.95。根据表 3-2 的计算结果，消力池深度取为 0.8m。3.2.3消力池长度的计算1）水跃计算根据水闸设计规范出闸水流的跃前水深 hc 、跃后水深 hc ，按以下公式计算：具

12、体计算见表 3-3.表 3-3 水跃计算表AQvH0d0T0qKb1b2hchc120600.54.0130.84.8133.530.70417200.402.24（2）水跃长度计算Lj 6.9（hc hc ） 6.9 （2.24 0.40） 12.70m（3）消力池长度计算 斜坡段采用 1：4 的坡度，平台宽度为 1.0m， Lsj L j Lj 1.0 4d 0.8Lj 1.0 14.36m 式中： Ls 消力池斜坡段水平投影长度 （m）； 水跃长度校正系数， 取 0.8 故取 Lsj =15m。3.2.4消力池地板厚度的计算 消力池底板又称护坦，确定它的厚度要从抗冲和抗浮方面考虑，因为在

13、消力池末端 设置冒水孔，所以只要满足抗冲要求就行了。根据抗冲要求，按水闸设计规范公式（ B.1.3-1）计算，即t k1 q H 式中： t 消力池底板始端厚度（ m）；H 闸孔泄流时的上、下游水位差（ m）， H =7.0-4.0=3.0m；k1消力池底板计算系数，可采用 0.150.20取 0.20；过闸单宽流量（ m2/s）。表 3-4 消力池底板厚度计算表q(m2/s)k1H （ m）t (m)3.530.203.00.494根据以上计算结果，现确定消力池底板的厚度为 0.5m，末端设尾坎高度为 0.8m。3.2.5消力池构造的确定 本次工程采用下挖式消力池，为了便于施工，消力池底板做

14、成等厚，为了降低护坦 底部的渗透压力，可在护坦下设铅直排水孔，并在护坦底部铺设反滤层，排水孔设在水 平底板的后半部，排水孔直径为 6cm，间距为 1.5m，按梅花形排列，反滤层厚为 30cm， 分三层，从上到下依次为 10cm碎石子， 10cm中砂， 10cm细砂。消力池构造如图 3-1 所示。1500图 3-1 消力池尺寸构造图 （单位：高程 m ；尺寸 cm ）3.3 海漫设计3.3.1海漫长度的计算海漫长度，按水闸设计规范 ，对于 qs H =19，且消能扩散良好时， 海漫长度可按公式 Lp Ks qs H 计算。式中 Lp海漫长度（ m）；qs 消力池末端单宽流量（ m3/s.m）；H

15、 闸孔泄水时上下游水位差 （m） ；Ks 海漫长度计算系数，按下表查得取为 10；河床土质粉砂、细沙中砂、粗砂粉质壤土粉质粘土坚硬粘土Ks1413121110987具体计算见表 3-5表 3-5 海漫长度计算表Q(m 3/s )b2(m)qs( m2/s)H (m)Ksqs H Lp （m）60203.03.0102.2822.8根据表 3-5 的计算结果，取海漫长度为 23m3.3.2海漫构造对于海漫要求表面有一定的粗糙度，以利于进一步消能，具有一定的透水性，以便 使渗透水自由排出，降低扬压力，具有一定的柔性，以适应下游河床可能的冲刷变形， 所以在海漫的起始段为 8m 长的浆砌石水平段，因为

16、浆砌石的抗冲性能较好，其顶面高程与护坦齐平，后 15m 为干砌石段，保护河床不受冲刷，海漫厚度取为 0.4m，下铺设 10cm 的碎石， 10cm 的黄砂。3.4防冲槽设计3.4.1河床冲刷深度计算式中： dm 海漫末端河床冲刷深度 （m）； qm 海漫末端单宽流量 （m2/s）；v0 河床土质允许不冲流速 （m/s）由高教版水力学上册表 5.3查得 ；hm 海漫末端河床水深（ m）；具体计算见表 3-6，表 3-6 冲刷坑深度的计算表Q(m3 / s)b(m)qm( m2/s)v0 ( m/s)hm (m)dm (m)6022.52.670.912.263.4.2防冲槽尺寸的确定由计算结果可

17、知冲刷深度为 2.26m,如按此值作为防冲槽深度不经济，施工非常困难。一般取防冲槽深度为 1.52.0m，本设计取 1.5m。槽底宽约为 12 倍槽深，取 1.5m。 上游坡度系数 1：2，下游坡度系数 1:2。防冲槽的构造图见图 3-2。图 3-2 防冲槽的构造图 （单位：高程 m ；尺寸 cm）4闸基渗流计算4.1渗流计算水位组合渗流计算水位组合见表 4-1表 4-1 渗流计算水位组合表工况外河水位 (m)干渠水位 (m)设计情况8.153.00校核情况8.503.00地震情况7.804.504.2地下轮廓线布置，验算防渗长度4.2.1防渗长度的拟定防渗长度初拟值按下式计算L=C H 式中

18、： L闸基防渗长度，包括水平段、铅直段及倾斜段H 上、下游最大水位差 (m)C允许渗径系数，按表 4-2，即为水闸设计规范 SL 265-2001表 4.3.2 选用。表 4-2 允许渗径系数地基类别 排水条件粉砂细砂中砂粗砂中砾 细砾粗砾 夹卵石轻粉 质砂 壤土轻砂 壤土壤土粘土有滤层1399775544332.5117955332无滤层7443设计与校核情况下的最大水位差发生在校核情况时。H =8.5-3.0=5.5m本水闸持力层为粉质粘土。由表 4-2 查得允许渗径系数 C=3。则L拟 =C H =35.5=16.5m4.2.2地下轮廓线布置(1)本设计中的土是粉质粘土，上游采用混凝土铺

19、盖，铺盖长度取为 15m。铺盖的最小厚度不宜小于 0.4m，这里取 0.5m。铺盖在顺水流方向设置永久缝，减少地基不均匀沉降和温度变化的影响。（2）底板长度的初拟 a、满足闸室上部结构布置的要求：L B交通桥 +B工作桥 +B工作便桥交通桥宽度取 8m，工作桥宽度取 3.5m，工作便桥宽度 1.5m,则 L=13mb、闸底板顺水流方向的长度应满足闸室整体稳定性和地基允许承载力的要求，L=（1.54.5） H ， H为上下游最大水位差，所以 L 为（8.2524.75）m。 综上，底板长度取 16m。11（3）闸底板厚度 t （1 1 ）b0 ，b0为闸孔净宽，所以 t=（0.63-0.83）m

20、，取 1.0m。 68（4） 齿墙深度取 0.5m，齿墙底宽取 1.0m，斜坡比取 1:1。（5）地下轮廓线布置图：3.0图 4-1 地下轮廓线布置图 （单位：尺寸 cm；高程 m ） 由布置图计算防渗长度：L 0.8 0.8 0.5 2 13.7 1.0 1.0 0.5 2 1 0.7 =34.12m L 拟 =16.5m4.3闸基渗流计算4.3.1简化地下轮廓线 根据水闸设计规范（SL265-2001）,采用改进阻力系数法，将原地下轮廓线简 化如下：4.3.2图 4-2 地下轮廓线简化图 （单位：尺寸 cm；高程 m ）4.3.3确定地基计算深度地下轮廓线水平投影： L0 =20+16=3

21、6m； 地下轮廓线垂直投影： S0 =1.5m； 因为 L0 36 24 5 ，故地基有效深度 Te 0.5L0 0.5 36 18m ，S0 1.5 e 0 取 Tc 18m 。4.3.4计算各段阻力系数各段阻力系数的具体计算见表 4-3。表 4-3 各渗流区段阻力系数计算表段段别S(m)T(mL(m系数注（1）进口段1.01)8.)0)0.461各典型段阻力系数计算公式：（ 1）进出口段0 1.5（S）3 2 0.441（2）内部铅直段y 2ln cot 1 Sy 4 T（3）水平段L 0.7 S1 S2xxT（2）内部铅直段0.517.50.029（3）水平段0.51.017.5201.

22、080（4）内部铅直段1.017.50.057（5）内部铅直段0.517.00.029（6）水平段0.50.517.0160.900（7）内部铅直段0.517.00.029（8）出口段0.517.00.449共3.0224.3.5计算各典型段的渗压水头损失(1)各典型段的渗压水头损失计算 对于不同的典型段， 值是不同的，而根据水流连续条件，各段的单宽流量相同， 所以，各段的 q/K值相等，而总水头 H 应为各段水头损失的总和。nnH hi q i1 K 1式中：ni 各段阻力系数的总和 ； 1n 典型渗流段的段数 ；K 渗透系数 。由上式便可得各段水头损失为 hi i H各典型段的渗压水头损失

23、的具体计算见表 4-4.表 4-4 各区段渗压水头损失计算表渗压水 头损失h1h2h3h4h5h6h7h8H设计0.8630.0541.4920.1070.0541.6850.0540.8415.150校核0.9220.0581.5930.1140.0581.7990.0580.8985.500地震0.5530.0350.9560.0680.0351.0800.0350.5383.300(2)进、出口段修正按下式： h0 h0其中： 1.21 1 T 2 S12(TT )2 2 ST 0.059h (1 )h0其中： h 进、出口水头损失 (m)；h0 修正后的进出后损失值 (m)； 阻力修正

24、系数，当 1 时，取 =1.0；S 底板埋深与板桩入土深度之和，或为齿墙外侧埋深( m)；T 板桩另一侧地基透水层深度 ,或为齿墙底部至计算深度线的垂直距离 (m)； T 地基透水层深度 (m) ；h 修正后水头损失的减小值（ m）； 3）各区段渗压水头损失调整 对进出口进行修正，具体修正见表 4-5。表 4-5 进出口修正计算表计算情况STTh0h0h设计情况进口段1.017.018.00.5230.8630.4510.412出口段0.516.717.20.3570.8410.3000.541校核情况进口段1.017.018.00.5230.9220.4390.400出口段0.516.717

25、.20.3570.8980.3210.577地震情况进口段1.017.018.00.5230.5530.2890.264出口段0.516.717.20.3570.5380.1920.3464）各区段渗压水头损失调整 各区段渗压水头损失调整具体计算见表 4-6。表 4-6 各区段渗压水头损失调整计算表渗压水头损失（ m）h1h2h3h4h5h6h7h8H设计情况修正前0.8630.0541.4920.1070.0541.6850.0540.8415.15修正后0.4510.4661.4920.1070.0541.6850.5950.3005.15校核情况修正前0.9220.0581.5930.1

26、140.0581.7990.0580.8985.50修正后0.4820.4981.5930.1140.0581.7990.6350.3215.50地震情况修正前0.5530.0350.9560.0680.0351.0800.0350.5383.30修正后0.2890.2990.9560.0680.0351.0800.3810.1923.304.3.6计算各渗流角点处的渗压水头，并画出闸底渗透压力分布图（1）各渗流角点处的渗压水头计算见表 4-7。表 4-7 各角点渗压水头计算汇总表渗压水头（ m）H1H2H3H4H5H6H7H8H9设计情况5.1504.6994.2332.7412.6342.5800.8950.3000.000校核情况5.5005.0184.5202.9272.8132.7550.9560.3210.000地震情况3.3003.0112.7121.7561.6881.6530.5730.1920.000