1、水工建筑物课设概要1.水闸基本设计资料1.1.基本资料1.1.1工程概况东风渠起自魏县北寨村南卫河北岸，经广平、肥乡，于曲周县城南入滏阳河，是黑龙港流域老沙河系的较大排水渠之一，担负东风渠以西地区排涝任务，排涝控制流域面积765k。东风渠兼有输水任务，主要引蓄黄河水和卫河水，为邯郸市水网、魏县“梨乡水城”及下游黑龙港地区提供灌溉用水和环境用水。东风渠也是引黄入冀补淀输水渠道的重要组成部分。1. .2工程地质工程区位于河北平原南部，地势基本平坦开阔，总体自东南向西北略倾。该段渠道水流方向亦由东南流向西北。两岸地面高程45.7555.10m，渠底高程为43.7846.66m，现状渠道河口宽度为46
2、72m。岸坡存在冲蚀、坍塌现象，渠底多处坑洼不平。渠底浅部多分布有淤泥和杂物，厚度约0.51.0m。1.1.3水文规划资料本水闸合理使用年限为50年,设计排沥流量为83.2/s，引黄设计流量为58/s，上游设计排沥水位为44.82m，下有设计排沥水位为44.72m，上游引黄设计水位为44.08m，下游引黄设计水位44.03m，蓄水位为46.02m，河底高程为40.30m，渠底宽度为17m，边坡顶部高程为48.5m。1.2设计标准本水闸主要建筑物级别为3级，水闸等级为四级，闸室康华稳定安全系数，基本组合时k不小于1.20，特殊组合时k不小于1.05。本水闸本身并无交通要求，考虑到农田耕作及水闸自
3、身施工运行要求设人行便桥。1.3设计任务 1.3.1闸孔设计包括闸孔型式与尺寸，闸底板型式及高程。1.3.2消能防冲设计 包括消力池、海漫、防冲槽型式与尺寸，上下游护坡湖底等。1.3.3 防渗排水 包括地下轮廓线设计，渗流计算，抗渗稳定验算，反滤层设计等。1.3.4闸室结构设计布置，分缝，止水布置，闸室稳定计算。1.3.5两岸建筑物设计包括闸室与上下游连接与两岸岸坡的连接，侧向防渗设计与验算。 2.闸孔设计2.1闸孔型式的确定 此处东风渠上建一排水闸，无通航要求，因此底板采用宽顶堰式水平底板。 考虑到闸底板高程、水闸造价、下游河道地质条件、水闸用途等条件，取底板=渠底=40.3m，要求洪水期能
4、迅速排泄洪水，因此，孔口型式采用开敞无胸墙式闸孔。2.2初步设计 2.2.1由Q设计求出B，再验算Q设计根据设计资料，取设计流量为较大的设计排沥流量，即Q设计=83.2/s， 上游水深H=上游设计排沥-渠底=44.82-40.30=4.52m 下游水深hs=下游设计排沥-渠底=44.72-40.30=4.42m 上游过水断面面积A=（b+mh）h=(17+3*4.52)*4.52=138.13 湿周=b+2h =17+2*4.52* =45.59m 水力半径R=A/=138.13/45.59=3.03m 流速V=C=1/n=1/0.022*=1.35m/s 堰顶水头H。=H+=4.52+=4.
5、61m根据堰流公式 式中B。-闸孔总净宽(m) Q-过闸流量(m3 /s)，即Q设计=83.2/s； H。-计入行近流速水头的堰上水深(m)，即；H。=4.61m； g-重力加速度,可采用9.80(m/s2 )； m-堰流流量系数,可采用0.385； -堰流侧收缩系数，取0.95； -堰流淹没系数, =1时为自由出流； 计算得 B。=5.19m2.3分孔 根据本水闸等级、水位高工程等条件选择平板钢闸门。 孔数n在7孔以下选为奇数，以使水闸对称开启，避免下游出现折冲水流，顾本闸取孔数n=3，单孔净宽。=3*3=9m5.19m，即b。=3m，分隔闸孔时，按设计规范，取中墩宽=1m，取边墩宽=1m,
6、中墩头部为流线型，边墩头部为矩形。 闸孔总宽B= n+(n-1) =3*3+2*1=11m 闸底板总宽=B+2 =11+2*1 =13m 取=17m，=11m所以，/=11/17=0.64,介于0.60.85之间，符合规范要求。2.4验算对于多孔宽顶堰（有边墩及闸墩）侧收缩系数应取边孔及中孔的加权平均值， (2-1)N为闸孔数， ，分别为中闸孔及边闸孔的侧收缩系数 =1-(1 - ) (2-2)式中为考虑墩头及堰顶入口形状系数。矩形=0.19，圆弧形=0.10，且当=0时，即为无堰坎宽顶堰。闸门单孔净宽=3m， 闸孔总宽B=11m。将已知条件代入公式(2-2)求得： =0.829=0.910再
7、将上面两个数字代入（2-1）式求得： =0.856 = 故满足要求。2.3 闸顶高程闸顶确定 闸顶高程是指闸室胸墙或闸门挡水线上游闸墩和岸墙的顶部高程。闸顶高程应保证在最高水位以上有足够起高，以防漫溢闸顶，超高值等于波浪中心线超过静水位的高度，波浪高度以及安全加高的总和。由本闸地址处于平原地区海河流域，取计算风速v=19m/s，风向垂直于水闸轴线，正常蓄水位时，闸前水域风区长度为0.25km，河床不冲流速v=1.0m/s，由基本资料知埋深在0.313m左右，取埋深10m，由级建筑物取最小安全超高0.4m。 顶1=上游+A正常=44.82+0.4=45.22 顶2=上游+d波浪设计 波浪高度2h
8、B=0.073kv10 得2hB=0.0136=0.0136m按重力坝公式计算波长LB=0.389 (2-3)可得LB=4.656m查资料得，当闸前水深H大于半个波长LB时，h0的计算可简化为h 0 (2-4)求得h0=0.428m查资料得超高d=h0+2hB+ (2-5)为安全超高 =0.3代入公式得d=1.291m顶2=44.82+d=46.11m又提顶高程为48.11m根据规范要求 取闸顶高程48.50m2.4闸门顶高程的确定取闸门顶高程与闸顶高程齐平，即闸门顶=闸顶=48.50m2.5闸门高H门的确定 H门=闸门顶-底板=48.50-40.30=8.20m3水闸消能防冲设计3.1水闸消
9、能防冲设计计算任务 水闸的修建，改变了原河道天然水流原有状态，使闸上下游形成一定水位差，过闸水流具有较大功能从而有可能是下游河床产生严重冲刷，以致危害水闸的安全。平原区多用底流式消能措施，因此设计计算的主要任务是确定消能的型式，深度、长度、护坦宽度、海漫的型式及尺寸，防冲槽的深度。3.2控制情况的确定3.2.1水跃位置与形式对消能的影响 （1）水跃位置与形式水跃位置决定于坝址收缩断面水深hc的共轭水深hc与下游水深ht的相对大小。可能出现下列三种情况：第一种情况，ht=hc这种情况下，水跃直接发生在收缩断面处，为临界式水跃。第二种情况，hthc这种情况下，hc与ht不满足水跃的共轭条件，这种衔
10、接形式水跃发生在收缩断面下游，为远驱式水跃。第三种情况，hthc这种情况下，将发生淹没式水跃。（2）对消能的影响建筑物下游可能出现的三种衔接形式,虽然都是通过水跃来消能,但由于水跃位置和形式的不同，消能效果和所需的消能建筑物尺寸是各不相同的。从消能和水工观点看，远驱式水跃最不利，因为在此情况下，建筑物与跃前端面之间还存在着相当长的急流段，在这一段内，流速很高，对河床冲刷能力很大。当建筑物下游产生远驱式或临界式水跃衔接时，为了改变这种衔接方式，必须设法加大建筑物下游水深，使水跃控制在紧靠建筑物之处，并形成淹没程度不大水跃。3.2.2控制情况此处水闸工程采用底流式水跃效能，它是通过工程措施，促使闸
11、水流在闸后规定范围内稍淹没水跃，利用水跃的漩涡，撞击、掺气消除大部分能量。其消能防冲设施一般包括：消力池、海漫、防冲槽。根据水跃理论，消力池控制情况发生hc-ht最大时，池上的控制情况发生于hc-ht差值最大时，护坦厚度不利情况发生于qmax (q为入池单宽流量)海漫长度最不利情况发生于qmax (q为出池单宽流量)，防冲槽深度不利情况发生于qmax时。本处选定最不利运用情况为上游正常蓄水位。下游初始水深为零，中间单孔闸门开启，均匀分档开启。在开启过程寻找上述控制情况。3.3消力池的设计3.3.1消力池的确定（1）不利工程的确定 根据水跃与下游水面的衔接规律，池深控制情况应发生在跃后水深hc与
12、下游水深ht差值最大，即hc-ht最大时。实际运用中，hc-ht最大可能发生在水闸某种情况下的闸门开启过程中的某一开度ei下，计算中考虑到下游水位升高相对出闸流量增加有一段时间差，即hci-ht-1，当下游无水时，初始开度ht可取本开度的一半。（2）列表确定最不利情况垂直收缩系数2由水力学第四版表8-8查得流量系数=0.60-0.17e/H (3-1)流量Q=be (3-2)其中H0=上设排-河底=44.82-40.30=4.52m (3-3)单宽流量q=Q/B (3-4)由于中间开一孔，故B=b+2=4m (3-5)hc= e2 (3-6)vc= (3-7)hc= （3-8）htAnRCQ0
13、.59.250.02220.162280.45877839.918823.5370031200.02223.324560.85746544.3043911.60381.532.250.02226.486831.21758646.9707323.63862460.02229.649111.5514848.906739.62912.561.250.02232.811391.8667350.4379759.692453780.02235.973672.16825351.7125183.996313.596.250.02239.135942.45937652.80983112.730941160.02
14、242.298222.74243253.77742146.09694.5137.250.02245.46053.01910554.64583184.299251600.02248.622783.29063955.43585227.54425.5184.250.02251.785053.55797656.16225276.037862100.02254.947333.82184256.8359329.98446.5237.250.02258.109614.08280157.46504389.586672660.02261.271894.34130658.05604455.0449htQ关系计算表
15、开孔数n开孔高度上游水深e/h流量系数收缩系数流速流量闸孔净宽1ehe/hu2VcQB104.5200000410.54.520.1106190.5805310.6168.8700618.1959364114.520.2212390.5610620.6218.50356715.84215411.54.520.3318580.5415930.6268.14292722.938634124.520.4424780.5221240.6367.72677729.48538412.54.520.5530970.5026550.657.27844235.482414134.520.6637170.4831
16、860.6766.72743440.92971413.54.520.7743360.4637170.7076.17327145.82728430.54.520.1106190.5805310.6168.87006124.5878113314.520.2212390.5610620.6218.50356747.526441331.54.520.3318580.5415930.6268.14292768.8158813324.520.4424780.5221240.6367.72677788.456141332.54.520.5530970.5026550.657.278442106.447213
17、334.520.6637170.4831860.6766.727434122.78911333.54.520.7743360.4637170.7076.173271137.481813单宽流量收缩水深跃后水深Hc1-Hc下游水深Hc1-Ht-1闸室总宽池落差消力池水深qHcHc1Hc1-HcHtHc1-Ht-1B0zd00000013002.0489840.3081.5209761.2129760.8254411.108255130.2557460.5158383.9605360.6211.9810741.3600741.1826981.155633130.4300370.4673925.73
18、46570.9392.244891.305891.4474291.062192130.5544540.3552527.3713451.2722.3843251.1123251.6599690.936897130.6271350.2164388.8706021.6252.434410.809411.8364440.774442130.6415810.07810610.232432.0282.3866790.3586791.9852950.550236130.563966-0.0432511.456822.47452.277889-0.196612.1115960.292595130.373545
19、-0.093361.891370.3081.3932661.0852661.50332-0.7183313-0.00454-0.035853.655880.6211.8081671.1871672.1539670.30484813-0.04571-0.209685.2935290.9392.042591.103592.636102-0.1113813-0.1147-0.376686.8043191.2722.1627030.8907033.023187-0.473413-0.21866-0.533698.1882481.6252.2008950.5758953.344589-0.8222913
20、-0.36736-0.666299.4453172.0282.1492230.1212233.61568-1.1953713-0.59961-0.7593810.575532.47452.042203-0.43233.845705-1.5734813-0.94069-0.7607其中最不利情况Q=15.84m3（3）消力池深度的确定：池深设计的任务是根据水闸泄流最不利情况确定相应水深，消力池深由水闸设计规范计算： 式(3-9) 式(3-10) 式(3-11) 式中：消力池深度，（m）； 收缩水深，（m）； 跃后水深，（m）； 水流动能校正系数，可采用1.01.05。本设计=1.0； 水跃淹没系
21、数，可采用1.051.10。本设计=1.05； 过闸单宽流量，（）； 池池落差，（m）；、消力池首、末端宽度，（m）；由前面表格求得d=0.5m(4)消力池长度的确定 根据水闸设计规范（B.1.2-1）和（B.1.2-2）计算=+ 式（3.12） =6.9（-） 式（3.13） 式中 ：消力池长度（m）； 消力池斜坡段水平投影长度(m)； 水跃长度校正系数，可采用0.70.8，取0.70； 水跃长度(m)。闸底板与挖深后的消力池之间常用1:31:4的斜坡连接，本设计取1:4 所以：=4d=40.5=2.0m确定消力池长度的条件：hc”- hC最大时。由上表知发生在中孔单开e=1.0m时， (-
22、)max=1.36m 所以： =6.91.36=9.38m= + =2.0+0.709.38=8.57m偏安全的选消力池长度为9米。(5)消力池底板厚度t的确定水闸泄水时池内水流强烈紊动，护坦承受水流冲击力，脉动压力和底部扬压力等作用，因此要求护坦应有足够的强度，整体性和稳定性。护坦厚度应按照抗冲和抗浮稳定要求确定，并取最大值。 抗冲 式（3-14） 式中：k1消力池底板计算系数，可采用0.150.20，本设计取0.20； H 闸孔泄水时的上、下游水位差，m。抗浮 t=k2(U-WPm)/b 式（3-15） 护坦上设有闸基渗水排出孔，可只按抗冲要求确定护坦厚度。三孔全开时计算表消力池底板厚三孔
23、全开计算表QBqhth=4.52-htqht25112.2727271.517023.002983.9384340.3969150114.5454552.2144382.3055626.9018540.52542875116.8181822.7628441.7571569.0380280.601266100119.0909093.2324771.28752310.315370.6423511251111.363643.6510630.86893710.592820.6509321501113.636364.0330030.4869979.5161640.6169661751115.909094
24、.3869370.1330635.8032950.481801由以上表格可得tmax=0.65m,偏安全取t=0.70m采用等厚布置。（6）护坦材料及细部由于护坦表面受有高速水流的作用，因此护坦材料必须具有抗冲耐磨的性能，今采用钢筋混凝土结构。混凝土标号为C15,根据已建水闸实例，在护坦内配置构造钢筋。为降低护坦下面的渗透压力，在护坦上设置垂直的排水孔，并在护坦下面铺筑反滤层，使地基中的渗水经反滤层流出排水孔的孔径一般为525cm,间距为1.03.0m,布置成梅花状。本设计排水孔的孔径取为20cm，间距为2.0m。但斜坡上或水流收缩断面处不宜设排水孔，以免排水孔下土料被急流形成的局部真空吸出。
25、消力池与闸底板、海漫、两岸翼墙之间均应设置沉降缝，位于防渗范围内的缝应设止水。插图3.3.2海漫设计 海漫的作用：消除水流余能，调整流速分布，使水流均匀扩散，增大水深，减小流速，并保护河床免受冲刷。 经过消力池后，水流能量一般可被消除40%70%，剩余能量还较大，同时出池水流的单宽流量和底部流速还较大，由于流速沿水深的分布规律，同下游河道不冲不淤正常状态的分布规律相比，还相差较大，因此出池水流还需要进一步扩散，消能和行进流速的调整。为此，一般是紧接消力池设置海漫，海漫末端设防冲槽。海漫的作用是消除水流余能，调整流速分布，使水流均匀扩散，增大水深减小流速，并保护河床免受冲刷，而防冲槽是海漫末端的
26、加固措施。1 漫长度的确定 由水闸设计规范P58当=19，经计算为2.618满足，且消能扩散良好时海漫的长度可按 Lp=Ks 式 （3-16） 式中：消力池末端的单宽流量；海漫长度计算系数，（可由水闸设计规范表B.2.1查得=12-11，选取=11）。海漫长度的最不利情况是乘积最大时，计算时应在水闸泄流量范围内，计算多个水位差与单宽流量的组合情况来确定最大值，列表如下：海漫长度计算表QBqhth=4.52-htqshLpLp/Ks25171.4705881.517023.002982.54839817.560071.5963750172.9411762.2144382.3055624.46590623.245962.11326975174.4117652.7628441.7571565.84813626.601212.418292100175.8823533.2324771.2875236.6746528.418882.583534125177.3529413.6510630.8689376.85417728.798532.618048150178.8235294.0330030.4869976.15751827.295782.4814351751710.294124.3869370.1330633.75507321.315811.937801经计算取海
