水利水电工程毕业论文

水利水电工程毕业论文

大型水闸设计

摘要

本毕业设计的题目是大型水闸设计，本工程位于河南省某县城郊处，该河属稳定性河流，河面宽约200 m，深约7~10 m。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，调蓄水至两岸沟塘，大量补给地下水，有利于进灌和人畜用水，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，同时对渔业、航运业的发展，以及改善环境，美化城乡都是极为有利的。

本设计的内容包括水闸等级划分、闸址选择、总体布置、闸型确定、拟定闸孔尺寸及闸墩厚度、防渗排水设计、闸墩、闸底板设计、闸室的稳定计算。其中通过设计流量

《闸门设计规范》与校核流量确定闸孔总净宽，再根据选定单孔净宽。根据闸基地质条件

决定出闸底板形式以及闸墩厚度。由于本闸位于平原地区，河床的抗冲刷能力较低，所以采用底流式消能。闸门局部开启情况，作为消能防冲设计的控制情况。防渗设计中采用改进阻力系数法进行渗流计算。闸室的稳定计算中考虑到了完建无水期和正常挡水期两种情况下的荷载组合进行验算。

关键词：闸门 、闸墩 、消力池 、 渗流 、地基承载力 、稳定计算

Abstract

The school design on the topic of major flood gate design. This project is located in Henan Province a county and city outskirts. The River is stability River. river width of about 200m, about 7 to 10m. The River Gate the tasks are: Under normal circumstances the river damming water to raise water for irrigation, flood, open the gate sluicing to ensure safety. This project is completed, and you can use river a water 8 million m 3, to water and the two sides of Tong, a large supply underground water, and conducive to irrigation and irrigation water, has initially solved 400,000 mu of farmland irrigation and industrial production to provide sufficient water for fishing, shipping industry, and improve the environment and beautify urban and rural areas are extremely beneficial.

The design of the sluice gates hierarchy, site selection, overall arrangements, gates, established in gate Hole size and design gate Tun thickness, impermeable drainage design, Gates Tun, Gates plate design, lock the stable basis. The adoption of the design of the flow of traffic nuclear school gates hole the total net width, selected in accordance with single hole net wide. In accordance with the base gate conditions on board the gates and gate Tun thickness. The gate is located in the plains, River Plate of resistance against soil erosion is comparatively low, so the bottom streaming consumer. Gates partially open, as a consumer can prevent Chong design of the situation under control. impermeable design of the adoption of improved resistance coefficient of seepage. lock the stable basis, taking into account the end up without water and normal and water for two of the load combination residue.

Keywords ：Gates, Gates Tun， stilling basin， transfusion， Foundation capacity， stable basis

目 录

第一章 总论 ······································································································ 1

第一节 闸位概述 ························································································ 1

第二节 基本资料 ························································································ 1

第三节 工程综合说明 ················································································ 4

第二章 水力计算 ······························································································ 6

第一节 闸址及形式选择 ············································································ 6

第二节 闸孔尺寸确定 ················································································ 7

第三节 消能防冲设计 ·············································································· 12

第三章 防渗与排水设计 ················································································ 25

第一节 闸底地下轮廓线的布置 ····························································· 25

第二节 渗流计算 ······················································································ 29

第四章 闸室布置 ···························································································· 37

第一节 底板和闸墩 ·················································································· 37

第二节 闸门与启闭机 ·············································································· 40

第三节 上部结构 ······················································································ 43

第四节 闸室的分缝与止水 ······································································ 44

第五章 闸室稳定计算及地基应力计算 ······················································· 46

第一节 设计情况及相应荷载组合 ························································· 46

第二节 完建无水期荷载计算及地基应力计算 ····································· 46

第三节 正常挡水期验算及地基应力计算 ············································· 48

第六章 闸底板结构计算 ················································································ 51

第一节 闸室计算方法和情况选择 ························································· 51

第二节 设计水位的计算 ·········································································· 52

第三节 完建无水期的荷载计算 ····························································· 63

第四节 底板配筋计算 ·············································································· 71

第七章 下游连接建筑物 ················································································ 74

第一节 上、下游连接建筑物的作用 ····················································· 74

第二节 上游连接建筑物 ·········································································· 74

第三节 下游连接建筑物 ·········································································· 75

第四节 闸室与岸坡连接建筑物 ····························································· 76 总 结 ················································································································ 77 致谢信 ·············································································································· 78 参考文献 ·········································································································· 79

第一章 总论

第一节 闸位概述

一、工程概况

本工程位于河南省某县城郊处，它是某河流梯级开发中最末一级工程。该河属稳定性河流，河面宽约200m，深约7~10m。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畜用水。为解决当地40万亩农田的灌溉问题，经上级批准的规划确定，修建挡水枢纽工程。

二、拦河闸任务

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。

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41m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。

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、闸址处有足够的中细砂。

五、地震烈度

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-20.7C，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=26.2m3/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、工期：两年

2、材料供应：

水泥由某水泥厂运输260 Km至某市，再运输80 Km至工地仓库；其它他材料由市汽车运至工地。

3、电源：有电网供电，工地距电源线1.0公里。

4、地下水位： 平均28.0～30.0 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》（SDJ 12—78）的规定，本枢纽工程为三等工程，其中永久性

2、主要建筑物为3级。

3、灌溉用水季节，拦河闸正常挡水位为38.50m。

4

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。护坦具有削能防冲作用。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

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

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=

Q

sm2gH0

（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

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）

三 、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=smB2gH0 （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%。

‘

Q设Q设

Q设

‘Q校Q校

≤5% （2—6）

Q校

≤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б

1=0.967；

靠缝墩孔：b0/bs=8/（8+1.6）=0.833

得б

2=0.973；

对于边孔：b0/bs=b0/（b0+bb）=8/（8+11.98*3+2+（80-64）/2）=0.148 得

б

所以

E=（n1*б

中

3=0.909

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

设计情况超过了规定5%的要求，说明孔口尺寸有些偏大，但根据校核情况满足要

求，所以不再进行孔口尺寸的调整。闸孔选7孔，单孔净宽为8m。

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 、消能防冲设施的设计

（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38.50m，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=8.5m，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=eb2gH0hc （2—9）

消力池池深：

d=0hc″－hs－Δz （2—10）

挖池前收缩水深：

hc=e 挖池后收缩水深：

h

'2q2

cT0hc

2g

2

=0 跃后水深：

hh

c″=c

22

8q1 gh3 c



出池落差：

q2q2

Δz= 2g2h2 gh2s2c

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；

（2—11）

（2—12）2—13） （2—14）

（

ζ0——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《水力学》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（h c＂-hc） （2—16） 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：

h c＂

为淹没出流； 为临界状态；

h c＂>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

注：计算式中系数如下：0 =1.05，φ=0.97，β=0.75，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2.0m限开，开启高度为1.5m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2.0m，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=8.5+2=10.5（m）

T0h

'c

q22g2hc



2

即10.5=hc



11.402

19.60.97hc

2

'2

用迭带法求得hc'=0.855 hc＂=

hc2

q2

22

8q1=0.8551811.401=5.16（m）

332gh9.80.855c

11.40211.402

Δz== 2222

19.60.973.252g2hs219.60.8555.16

2ghc

q2

=0.33（m）

验算水跃淹没系数ζ，由《水力学》教材公式求： ζ

=（d+hs+Δz）/hc＂ （2—17）

得 ζ0=（2.0+3.25+0.33）/5.16=1.08 符合在1.05~1.10之间的要求。 2．消力池池长

根据池深2.0m，用式（2—15）、式（2—16）求得相应的消力池长度为32m。

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=k1qH （2—18）

按抗浮要求计算消力池护坦厚度公式为：

t=k2

UWPm

b

（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0.175~0.20； k2——消力池底板安全系数，可采用1.1～1.3； U——扬压力，kpa；

ΔH＇——泄水时上、下游水位差，m；

Pm——消力池底板上的脉冲压力，KN，其值可取跃前收缩断面流速

水头值的5%；

W——消力池底板顶面的水重，KN； γ——水的重度，kN/m3； γ

b——消力池底板的饱和重度，kN/m

3

。

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0.18，q为确定池深时的过闸单宽流量，此处q=11.40m3/（sm），ΔH`为相应于单宽流量的上、下游水位差（上游水深8.50m，下游水深3.25m），则其底板厚度为：

t=0.18.40.503.25=0.9（m） 可取消力池底板厚度为t=1.0m。 4．消力池的构造

底流式消力池设施有三种形式：挖深式、消力槛式和综合式。①当闸下游尾水深度小于跃后水深时，可采用挖深式消力池消能；②闸下游尾水深度略小于跃后水深时，可采用消力槛式消力池消能；③闸下游尾水深度远小于跃后水深，且计算深度应较深时，可采用挖深式与消力槛式相结合的综合式消力池消能。

护坦与闸室、岸墙及翼墙之间，以及其本身沿水流方向均应用缝分开，以适应不均匀沉陷和温度变形。护坦自身缝距可取10～20m，靠近翼墙的取小些，缝宽2.0～2.5cm。护坦在垂直水流方向通常不设缝，以保证其稳定性。缝若在闸基防渗范围内，缝中应设止水设置，其他一般铺设沥青油毛毡。为增强护坦的抗滑稳定性，常在消力池末端设置齿墙，深一般为0.8～1.5m，宽为0.6～0.8m。

结合本工程的特点，选用挖深式消力池。为了便于施工，消力池的底板作成等厚，为了降低底板下部的渗透压力，在水平底板的后半部设置排水孔，孔下铺设反滤层，排水孔孔径为10cm，间距为2m，呈梅花形布置。 消力池构造尺寸如下图2—4。

图2—4消力池构造尺寸图 （单位：高程m、尺寸cm）

四、防冲加固措施

（一）海漫设计 1．海漫的作用

水流经过消力池，虽已消除了大部分多余能量，但仍留有一定的剩余动能，特别是

流速分布不均，脉动仍较剧烈，具有一定的冲刷能力。因此，护坦后仍需设置海漫等防

冲加固设施，以使水流均匀扩散，并将流速分布逐步调整到接近天然河道的水流形态。

2．漫的布置和构造

一般海漫起始端做成5～10m水平段，顶面高程可与护坦齐平或在消力池尾坎顶以下0.5m左右，水平段后作成不陡于1：10的斜坡以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。对海漫的要求有：①表面有一定的粗糙度，以利进一步消除余能；②具有一定的透水性，以便使渗水自由排除，降低扬压力；③具有一定的柔性，以适应下游河床可能的冲刷变形。常用的有以下几种形式。（如图2—5）

（1）干砌石海漫。一般由颗粒粒径大于30cm的块石砌成，厚度为0.4~0.6m，下面铺设碎石、粗砂垫层，层厚10~15cm，如下图（a）。干砌石海漫的抗冲流速为2.5~4.0m/s。为了加大其抗冲能力，可每隔8~10m设一浆砌石埂。干砌石常用在海漫后段。 （2）浆砌石海漫。砌石粒径大于30cm，厚度为0.4~0.6m，砌石内设排水孔，下面铺设反滤层或垫层，（如下图（b））。浆砌石海漫的抗冲流速可达3~6m/s，但柔性和透水性较差，一般用于海漫的前部约10cm范围内。

（3）混凝土板海漫。整个海漫由板块拼铺而成，每块板长2~5m，厚度为0.1~0.3m，板中有排水孔，下面层，（如图（c）、（d））。混凝土板海漫的抗冲流速可达6~10m/s，但造价高。有时为增加表面糙率，可采用斜面式或城垛式混凝土块体（如图（e）（f））。铺设时应注意顺水流流向不宜有通缝。

（4）钢筋混凝土板海漫。当出池水流的剩余能量较大时，可在尾榄下游5~10m范围内采用钢筋混凝土板海漫，板中有排水孔，下面铺设反滤层或垫层，（如图（g））。 （5）其他形式海漫。如铅丝石笼海漫，（如图（h））。

图2—5 海漫构造示意图（单位：cm）

3．海漫长度计算

根据可能出现的不利条件、流量组合计算。当

qsH=1～9，且消能

扩散条件良好时，海漫长度可按《水工建筑物》中公式（2—20）计算，并选取最大值。

Lp=ks

qsH （2—20）

式中 Lp——海漫长度，m；

qs ——消力池末端单宽流量，m3/（sm）； ΔH＇——泄水时上、下游水位差，m；

ks ——海漫长度计算系数，查《水工建筑物》，取ks=12。

用式（2—20）计算海漫长度，结果列表如2—7所示。

表2—7 海漫计算长度

取其中计算表中的最大值，确定海漫长度为40m。

4、海漫的构造

因为对海漫要求有一定的粗糙度，以便进一步消除余能，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30m作成坡度为1：15的干砌石段，以便使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。海漫厚度为0.6m，下面铺设15cm的砂垫层。 （二）防冲槽设计

1．作用 防止冲刷坑向上游扩展，保护海漫末端的安全。

2．工作原理 水流经过海漫后，尽管多余能量得到了进一步的消除，流速分布接近河床水流的正常状态，但在海漫末端仍有冲刷现象。为了保证安全和节省工程量，常在海漫末端设置防冲槽或采取其他加固措施。

在海漫末端挖槽抛石预留足够的石块，当水流冲刷河床形成冲坑时，预留在槽内的石块沿斜坡继续滚下，铺在冲坑的上游斜坡上，防止冲刷坑向上游扩展，保证海漫的安全。

3．尺寸 根据《水闸设计规范》由冲刷坑估算防冲槽深度如下：

t＂=1.1q＇/［v0］－t （2—21）

式中 t＂——海漫末端的可能冲刷深度，m；

q＇——海漫末端的单宽流量，m3/（sm）； ［v0］——河床土质的不冲流速，m/s； t ——海漫末端的水深，m。

其中河床土质的不冲流速可按《水力学》教材公式（2—22）求出：

［v0］= v0R1/4~1/5

（2—22）

式中 ［v0］——河床土质的不冲流速，m/s；

v0——查水力学表6-5可知，此处取v0=0.8m/s； R——水力半径，R=A/x；

hs＂——海漫末端的河床水深，m。

海漫末端河床冲刷坑深度按式（2—21）、式（2—22）计算，按不同的情况计算结果如表2—8所示。

表2—8 海漫冲刷坑的深度计算

根据计算结果可不设防冲槽，但根据水闸的构造要求可设置防冲槽的深度为1.7m。采用宽浅式，底宽取（2～3）d，此处取为取3.4m，上游坡率为2，下游坡率为3，出槽后做成坡率为5的斜坡与下游河床相连。如图2—6所示。

图2—7 海漫防冲槽构造图（单位：m）

（三）上、下游岸坡防护

为了保护上、下游翼墙以外的河道两岸岸坡不受水流的冲刷，需要进行护坡。采用浆砌石护坡，厚度为0.3m，下设0.1m的砂垫层。保护范围：上游自铺盖向上延伸2~3倍的水头，下游自防冲槽向下延伸4~6倍的水头。

第三章 防渗与排水设计

第一节 闸底地下轮廓线的布置

一、防渗设计的目的

防止闸基渗透变形；减小闸基的渗透压力；减少水量损失；合理选用地下轮廓的尺寸，以延长渗径，防止闸基和两岸产生渗透破坏。

二、防渗排水的布置原则

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、齿墙等防渗设施，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，使低下渗水尽快排出，以减小渗透压力，并防止在渗流出口附近发生渗透变形。

三、防渗设施

根据闸址附近的地质情况来确定相应的措施，防渗措施常采用水平铺盖，而不用板桩，以免破坏黏土的天然结构，在板桩与地基间造成渗流通道。砂性土易产生管涌，要求防止渗透变形是其考虑的主要因素，可采用铺盖与板桩相结合的形式。

1．铺盖 为水平防渗措施，适用于粘性和砂性土基。

2．板桩 为垂直防渗措施，适用于砂性土基，一般设在闸底板上游或铺盖前端，

用于降低渗透压力。

3．齿墙 一般设在底板上、下游端，利于抗滑稳定，延长渗径。

由于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，为了避免破坏天然的黏土结构，不宜设置板桩。

四、地下轮廓线布置

1．防渗设备尺寸和构造

根据闸底板的形式，用经验公式（3—1）计算，并综合考虑闸上结构布置及地基承载力两方面因素，拟定闸底板顺水流方向长度。

L

底

=A×H （3—1）

式中 A——系数，对于砂砾石地基可取1.5~2.0，对于砂壤土可取

2.0~2.5，对于黏壤土地基可取2.0~3.0，对于黏土地基可取2.5~3.5；该工程闸基为重粉质壤土，取A=2.0；

H——上、下游最大水头差。

L底=A×H =2.0×8.5=17（m）

综合考虑，上部结构布置及地基承载力要求，确定闸底板长度为18m。 2．防渗设备

由于闸基土质以粘性土为主，防渗设备采用粘土铺盖，闸底板

上、下游侧设置齿墙，为了避免破坏天然的粘土结构，不宜设置板桩。 （1）闸底板厚度的拟定

可取t=（1/5~1/8）×8=1.0~1.6m。实际取为1.5m。 （2）齿墙尺寸的确定

一般深度为0.5~1.5m，厚度为闸孔净宽的1/5~1/8。该设计取

1.0m，厚度取1.0m。如图3—1所示。

图3—1 底板尺寸图（单位：cm）

3．铺盖

主要用来延长渗径，具有相对不透水性和一定的柔性。铺盖常用黏土、黏壤土或沥