水利水电水闸毕业设计

第一节 概述

本工程闸址位元于龙坝乡驻地—龙坝河与其左岸支沟交汇口之上游约150m处，拦河闸所担负的任务是正常情况下拦河截水，抬高水位，以利引水。洪水时开闸泄水，以保安全。主要用于电站引水发电。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2000)，本引水式电站首部枢纽工程等别为Ⅴ等，主要建筑物级别为五级；设计洪水标准确定为20年一遇，校核洪水标准确定为50年一遇。

第二节 基本数据

1、基本概况

电站位置：龙坝乡 水 系：岷江水系 开发方式：引水式 引用流量：2.5m3/s 2、流域概况 1）、河流概况

坝（闸）址位于龙坝乡驻地—龙坝河与其左岸支沟交汇口之上游约150m处。河道顺直，纵坡降约55‰，河床横宽15～20m。左岸漫滩宽约15m，其后为河间三角形洪积阶地，阶面高出河水面10～15m，边坡稳定。右岸坡麓有崩坡积块碎石，基岩大面积出露，边坡稳定；坝线处为崩坡积层边坡，坡角30～40°，边坡稳定。坝线下游向约

1

30 m处出露基岩，顺河长约60m，岩层为三迭系上统侏倭组（T3zh）浅灰色薄～中厚层状变质钙质石英砂岩、千枚岩。

沉砂池位于右岸一级阶地上，地形地质条件宜于布置建筑物。阶地表层为砂壤土夹砾碎石，厚度1～1.5 m，其下为冲洪积砂漂块卵石层，粒度大小悬殊，局部有架空结构，均匀性差。池基持力层为冲洪积砂漂块卵石层，能满足沉砂池对承载、抗滑等稳定性要求。 2）、气象 气象特征值统计表 多年平均降雨量 多年平均气温 多年平均相对湿度 多年平均风速 多年平均蒸发量

3）、水文、泥沙 （1）径流

多年平均流量42.3m3/s，多年平均年径流深777.6mm，折合年径流量13.37亿m3。径流的年内分配与降雨的年内分配基本一致。年内分配大致为：丰水期5～10月，主要为降雨补给；枯水期11月～次年4月，主要由地下水和融雪水补给。每年4月以后径流随着降雨的增大而逐渐增大，6、7两月水量最丰，8月份相对较小，9月份次丰，11月起由于降雨量的减少，径流开始以地下水补给为主，稳定退水

2

mm ℃ % m/s mm 835.3 9.0 1.9 1459.4 至翌年3月。径流在年内的分配不均匀，丰水期（5～10月）多年平均流量为69.2m3/s，占年径流量的82.2%，其中主汛期（6～9月）水量占了年水量的61.5%，枯水期（11～4月）多年平均流量为15.2m3/s，占年径流量的17.8%，最枯的1～3月多年平均流量为11.1m3/s，占年径流的6.5%，其中最枯的2月只占1.9%。径流的年际变化不大，最大年平均流量为52.8m3/s（1961年5月～1962年4月），最小年平均流量为30.4m3/s（1971年5月～1972年4月），相差仅1.7倍。年最小流量一般出现在1、2月份，多数出现于2月，最小月平均流量8.48m3/s。 （2）洪水

年最大流量的年际变化较小，实测年最大洪峰流量的最大值为465m3/s（1967年7月12日），最小值163m3/s（1966年7月14日），两者之比为2.85倍。洪水过程主要为复峰过程。 （3）泥沙

多年平均悬移质输沙量 6～9月占全年输沙量百分数 6～9月输沙量 6～9月含沙量 多年平均悬移质含沙量 多年平均推移质年输沙量 多年平均年输沙总量

3

万t % 万t kg/ m3 kg/ m3 万t 万t 7.21 90.7 6.54 1.036 0.669 1.44 8.65 4）、地质

龙坝河位于黑水河中游之北部，地形上属于川西北高原向四川盆地过渡的斜坡地带。地势总的趋势是西北高东南低，由海拔5000~4000m降至约2000m，沿河两岸山势巍峨，层峦迭嶂，高差悬殊，属典型的高山峡谷、构造剥蚀与侵蚀地貌。

本河流全长约26km，河流总体方向由NE流向SW折而由NW流向SE，河流坡降陡，平均坡降约为70‰，河谷阶地不发育，间有漫滩断续分布。两岸支沟不对称，左岸比较发育。按河谷地貌形态的表现特征，从上自下大致可分为三段：王母寨沟以上河段，河谷相对开阔，两岸谷坡坡度大致在40~50º左右，谷宽约40~60m；龙坝乡以上至王母寨沟河段，河谷狭窄，河床深切，左岸陡峭，坡度大致在50~70º左右，右岸稍缓, 坡度大致在40~50º左右，谷宽只有20~50m；龙坝乡及以下河段，谷底相对开阔，宽约70m，两岸谷坡坡度大致为40~75º。

工程区在大地构造上位处秦岭东西向构造带、龙门山北东向构造带与金汤弧形构造带间的三角地块内，构造形迹比较复杂。工程区位元于较场和知木林两个山字型构造之间，属较场山字型构造与西尔北西向构造带的复合地带。区内断裂不发育，以弧形线状褶皱构造为主。 坝址位于龙坝河与其左岸支沟交汇口之上游约150m处。河道顺直，纵坡降约55‰，河床横宽15～20m。左岸漫滩宽约15m，其后为河间三角形洪积阶地，阶面高出河水面10～15m，边坡稳定。右岸坡麓有崩坡积块碎石，基岩大面积出露，边坡稳定；坝线处为崩坡积层

4

边坡，坡角30～40°，边坡稳定。坝线下游向约30 m处出露基岩，顺河长约60m，岩层为三迭系上统侏倭组（T3zh）浅灰色薄～中厚层状变质钙质石英砂岩、千枚岩。

距坝线下游约100～160m ，有倾斜状一级阶地，顺河长约60m，横向宽约30m，适宜布置沉砂池；坝线上游两岸有较宽阔的河。 坝基为第四系全新统冲洪积砂漂块卵石层，石质以变质砂岩、板岩为主，少量岩浆岩，粒径一般6～30cm，次园～次棱角状，砂砾石含量约占20%，漂石、块石含量约占50%，卵碎石约30%，结构稍～中密，局部具架空现象，均匀性差，透水性强，地下水丰富。该层作为低坝坝基持力层是适宜的，能满足其对承载、抗滑稳定等要求。 左岸为洪积阶地前沿泥砂漂块卵碎石层，结构松散，抗冲刷能力极弱，透水性较强，不宜直接作为坝肩。建议：坝肩嵌入岸坡内2～3m， 上游必须护岸，并与枢纽防渗工程连成一体。

右岸为坡麓崩坡积块碎石，结构松散，透水性较强，亦不宜直接作为坝肩。

建议：坝肩嵌入岸坡内1～2m，坝线上游须护岸，并与防渗工程连成一体。

此外，在基坑开挖中，地下水量大，应采取降排水措施；区内有冰冻现象，对建筑物有不良影响，需采取相应工程措施。

沉砂池位于右岸一级阶地上，地形地质条件宜于布置建筑物。阶地表层为砂壤土夹砾碎石，厚度1～1.5m，其下为冲洪积砂漂块卵石层，粒度大小悬殊，局部有架空结构，均匀性差。池基持力层为冲洪

5

积砂漂块卵石层，能满足沉砂池对承载、抗滑等稳定性要求。主要工程地质问题是：地基不均匀变形，需采取相应工程结构措施；河岸易受洪水冲刷袭击，需沿岸构筑防冲保坎。

沉砂池至坝线，前段为崩坡积层边坡坡麓，适宜设置箱型暗渠，并与防洪堤工程结合；后段为基岩边坡，其地形地质条件可以设置暗渠。

首部枢纽地基土石主要地质参数建议值

重力密度r岩 性 （kn/m） 砂漂块21 卵石层 泥砂漂0.20～块卵碎石层 泥砂块16～18 碎石 0.18 0.015 0.17～0.01～0.26 0.1 1)10 -23允许承载变形模量摩擦系数f 粘聚力CMpa 渗透系数 允许渗透比力c（MPa） E。Gpa） 0.30～0.40 0.03～K（cm/s） 降J 0.50 0.04 0 (4～5)10 -20.15 0.02～0.33 0.05 (1～2)10 -220 0.25 0.025 0.15 (0.5～0.20 3、水位及流量

电站设计引用流量：2.5m3/s 坝（闸）正常挡水位：2063.00m 隧洞进口水位：2061.00m

洪水资料：

P＝0.5％ Q=147.0m3/s； P＝1.0％ Q=137.0m3/s； P＝2.0％ Q=126.0m3/s；

6

P＝3.3％ Q=117.0m3/s； P＝5.0％ Q=110.0m3/s；

第三节 工程综合说明书

本工程闸孔形式采用无胸腔的开敞式水闸，闸底板形式采用宽顶堰。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．消能防冲方面

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

7

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、

8

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。护坦具有消能防冲

0…..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。

9

第二章 水力计算

第一节 结构型式及孔口寸、断面尺寸的确定

一、闸室结构型式及底板高程

本工程孔口采用无胸腔的开敞式水闸，闸底板型式采用宽顶堰。一般情况下，拦河闸的底板顶面与河床齐平，即闸底板高程2061m。

二、拦河闸下游水位

已知设计洪水标准确定为20年一遇，即：Q设=1103/s，校核洪水标准确定为50年一遇，即：Q校=126m3/s。根据水闸所在的河道断面图,假设水位高度(H)求各水位断面流量，并绘制下游水位—流量关系曲线。

用明渠均匀流公式进行计算：Q=ACRi，C=R6，R=A/x （《水力学》教材）

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——河槽的糙率，查水力学教材6—3，取n=0.04； x——过水断面的湿周，m； i——渠道底坡，本设计i=0.055。

假设下游水深hs，求得相应的流量Q，可列表计算。 计算结果如下表：

1n1 10

下游水深 hs（m） 过水断面面湿 周 积 A (㎡) x (m) 水力半径 R (m) 糙 率 n 谢才系数 C 底 坡 i 流 量 Q（m³/s） 1 2 2.5 5.75 20 29.375 11.69 17.57 21.24 0.492 1.138 1.383 0.04 0.04 0.04 22.21 25.54 26.388 0.055 0.055 0.055 21.01 127.79 213.78 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，见附图水位—流量曲线图

H(m)321.911.991050110126100150200250Q(m3/s). 下游断面H~Q关系曲线图

根据水位—流量关系曲线查出河道下游水位:hshs校=1.99m。

三、拦河闸上游水位

设=1.91m；

要求枢纽通过：Q设=110m3/s(设计洪水流量)；Q校=126m3/s(校核洪水流量)。

闸门总净宽：本工程河床横宽15-20m，小型水闸的单孔宽度一般为3-5m，现拟定b=5m；闸孔数取n=3。故闸孔总净宽BO=nb=15m。 墩形：中墩采用半圆形，边墩采用流线形。 设计洪水位情况：

11

假设上下游水位差△H=0.83m，Ho= hs设+△H=1.91+0.83=2.74m hs

设/ Ho=0.697<0.8,属于自由出流，淹没系数取σs=1。堰流

流量系数：m=0.385

《水闸设计规范》中堰流的计算公式为：Q=Boσsεm√2gHo³ 根据《水力学》教材查图8-6得流线形边墩的形状系数ζk=0.4，查表8-6得半圆形闸墩形状系数ζ0=0.45。

侧收缩系数：ε=1-0.2[(n-1) ζ0+ζk]H0/nb（《水力学》公式8-16）

=1-0.2×[(3-1)×0.45+0.4]×2.74/15

=0.9525 实际过流能力： Q=Boσsεm√2gHo³

=15×1×0.9525×0.385√2×9.8×2.743

=110.45m/s≈Q设=110m/s

3

3

‘Q设Q设Q设≤5%（故假设成立）

▽设上=▽底+Ho=2061+2.74=2063.74m 校核洪水位情况：

假设上下游水位差△H=1.02m，Ho= hs设+△H=1.99+1.02=3.01m hs

设/ Ho=0.661<0.8,属于自由出流，淹没系数取σs=1。堰流

流量系数：m=0.385

《水闸设计规范》中堰流的计算公式为：Q=Boσsεm√2gHo³ 根据《水力学》教材查图8-6得流线形边墩的形状系数ζk=0.4，查表8-6得半圆形闸墩形状系数ζ0=0.45。

侧收缩系数：ε=1-0.2[(n-1) ζ0+ζk]H0/nb（《水力学》公式8-16）

12

=1-0.2×[(3-1)×0.45+0.4]×3.01/15

=0.9478 实际过流能力： Q=Boσsεm√2gHo³

=15×1×0.9478×0.385√2×9.8×3.013

=126.54m/s≈Q校=126m/s

3

3

‘Q校Q校Q校≤5% （故假设成立）

▽校上=▽底+Ho=2061+3.01=20.01m

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3孔，单孔净宽为5m。

四、验算过闸单宽流量

根据地质资料，本工程地基属于砂壤土地基，允许单宽流量 10-15 m3/s.m, 取[q]=10m3/s.m。 ①通过设计流量时：

q=Q设/B孔=110/15=7.33m3/s.m＜10m3/s.m ②通过校核流量时：

q= Q校/B孔=126/15=8.4m3/s.m＜10m3/s.m ∴满足要求

第二节 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。

一、过闸水流的特点

13

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（1.03、 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

底流式衔接消能主要用于中、低水头的闸、坝，可适应较差的地质条件，消能效果较好。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。由于本工程水头低，下游水位变

14

幅大，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

水闸在泄流过程中，随着闸门开启度不同，闸下水深、流态和过闸流量也随之变化，设计条件较难确定。一般以上游最高水位、下游始流水位为可能出现的最低水位，闸门部分开启、单宽流量大作为控制条件。设计时应以闸门的开启程序，开启孔数和开启高度进行多种组合计算，通过分析比较确定。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，应先拟定闸门开启孔数，然后由水利计算的跃后水深hc与下游实际水深hs比较，选取hcht最大值

..,,的情况，判别水跃形式，作为闸门最不利的情况，消能防冲设计的控制情况。（下游水深根据下游水位—流量关系曲线查得）

为了确保水闸安全运行，可以规定闸门的操作规程，本设计对闸孔按对称方式开启，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。 孔口出流流量公式：（e/H＜0.65；计算取H0≈H） Q=μσenb√2g（H0-hc）=φε＇σenb√2g（H0-e） 式中：u——宽顶堰上孔流流量系数，μ=φε＇ ε＇——收缩系数；查《水力学》教材表8-1 φ——流速系数，φ=0.9~1.0，取φ=0.95 e——开度.

hc ——挖池前收缩水深；hc=e nb——净宽.

15

H0——堰顶全水头.

hs＜hc″(自由出流) σ=1；hs＞hc″(淹没出流) 跃后水深：

hhc″=c22 8q1-1 3ghc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＂h c＂>hs 为自由出流的远驱式水跃。 计算列表如下：

正常水位情况：（H正=2.0m）

表1 消力池池深池长估算表

开启孔数 n 1 出流形式 闸孔出流 闸孔出流 闸孔出流 开启高度 收缩 系数 挖池前收缩水深 hc 0.248 0.504 0.878 0.248 0.504 0.878 0.248 0.504 0.878 跃后水深 hc″ 泄流量 Q 单宽流量 下游水深hs he  c,,htq 1.135 1.417 1.497 1.135 1.417 1.497 1.135 1.417 1.497 6.9 12.96 19.55 13.81 25.93 39.1 20.71 38. 58.65 1.38 2.59 3.91 1.38 2.59 3.91 1.38 2.59 3.91 0.61 0.81 0.97 0.84 1.08 1.25 0.99 1.25 1.49 流态判别 自由出流 自由出流 自由出流 0.4 0.8 1.3 0.4 0.8 1.3 0.4 0.8 1.3 0.620 0.630 0.675 0.620 0.630 0.675 0.620 0.630 0.675 0.525 0.607 0.527 0.294 0.337 0.247 0.145 0.167 0.007 2 3 根据以上计算结果表，算出在正常水位情况下，开启1孔闸门，开启度为0.8m时，hc”-ht=0.607m，为最不利情况。

16

设计水位情况：（H0设=2.74m）

表2 消力池池深池长估算表 开启孔数 n 1 出流形式 闸孔出流 闸孔出流 闸孔出流 开启高度 收缩 系数 收缩 水深 hc 0.247 0.5 0.834 1.132 0.247 0.5 0.834 1.132 0.247 0.5 0.834 1.132 跃后水深 hc″ 泄流量 Q 单宽流量 下游水深 e  hs 0.65 0.88 1.05 1.13 0.9 1.15 1.37 1.51 1.05 1.35 1.62 1.78 hc,,ht q 1.373 1.776 2.014 2.059 1.373 1.776 2.014 2.059 1.373 1.776 2.014 2.059 8.2 15.73 24.21 30.19 16.41 31.45 48.42 60.38 24.61 47.18 72.63 90.57 1.1 3.145 4.842 6.038 1.1 3.145 4.842 6.038 1.1 3.145 4.842 6.038 流态判别 自由出流 自由出流 自由出流 0.4 0.8 1.3 1.7 0.6177 0.6245 0.14 0.666 0.6177 0.6245 0.14 0.666 0.6177 0.6245 0.14 0.666 0.723 0.6 0.9 0.929 0.473 0.626 0.4 0.549 0.323 0.426 0.394 0.279 2 0.4 0.8 1.3 1.7 3 0.4 0.8 1.3 1.7 开启孔数 n 1 出流形式 闸孔出流 根据以上计算结果表，算出在设计水位情况下，开启1孔闸门，开启度为1.3m时，hc”-ht=0.9m，为最不利情况。

校核水位情况：（H0校=3.01m）

表3 消力池池深池长估算表 开 流 启高度 收缩 系数 e  收缩 水深 hc 0.247 0.498 0.756 1.037 1.271 0.247 0.498 0.756 1.037 1.271 0.247 0.498 0.756 1.037 1.271 跃后水泄流量 Q 单宽流量 深 hc″ 下游水深hs hc,,ht q 1.45 1.1 2.131 2.248 2.26 1.45 1.1 2.131 2.248 2.26 1.45 1.1 2.131 2.248 2.26 8.63 16.61 23.87 30.63 35.25 17.25 33.22 47.74 61.26 70.5 25.88 49.83 71.6 91.88 105.75 1.725 3.322 4.774 6.125 7.05 1.725 3.322 4.774 6.125 7.05 1.725 3.322 4.774 6.125 7.05 态判别 自由出流 0.4 0.8 1.2 1.6 1.9 0.617 0.623 0.63 0.8 0.669 0.617 0.623 0.63 0.8 0.669 0.617 0.623 0.63 0.8 0.669 0.68 0.9 1.05 1.14 1.2 0.93 1.17 1.36 1.52 1.61 1.08 1.39 1.62 1.79 1.88 0.77 0.991 1.081 1.108 1.06 0.52 0.721 0.771 0.728 0.65 0.37 0.501 0.511 0.458 0.38 2 闸孔出流 0.4 0.8 1.2 1.6 1.9 自由出流 3 闸孔出流 0.4 0.8 1.2 1.6 1.9 自由出流 17

根据以上计算结果表，算出在校核水位情况下，开启1孔闸门，开启度为1.6m时，hc”-ht=1.108m，为最不利情况。 （二） 消力池尺寸及构造 1．消力池深度的计算

根据三种情况所选择的控制条件，分别估算正常水位池深为0.4m、设计水位池深为0.3m、校核水位池深为0.1m，用《水力学》教材公式9-5，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：

正常水位： E0=H0+d=2+0.4=2.4（m）

q22g2 E0hc hc =

用迭带法求得hc'=0.4398 hc＂=

hc220.43988q11=32ghc282.5911=1.558（m） 39.80.4398q2q2出池落差：Δz= 2g2hs22 2ghc2.5922.592- = 2229.80.950.8129.81.5582=0.437（m）

验算水跃淹没系数σ，由《水力学》教材公式： d=0hc″－hs－Δz

σ0 =（d+hs+Δz）/hc＂ 得 σ0=（0.4+0.81+0.437）/1.558=1.057 符合在1.05~1.10之间的要求。

18

设计水位：E0=H0+d=2.74+0.3=3.04（m）

q22g2 E0hc hc =

用迭带法求得hc'=0.762 hc＂=

hc2284.8411=2.15（m） 39.80.76222qq

出池落差：Δz=2g2hs22 2ghc20.7628q11=32ghc6.12526.1252- =

29.80.9521.05229.82.3062=0.943（m）

验算水跃淹没系数σ，由《水力学》教材公式： d=0hc″－hs－Δz

σ0=（d+hs+Δz）/hc＂ 得 σ0=（0.3+1.05+0.943）/2.15=1.066 符合在1.05~1.10之间的要求。

校核水位：E0=H0+d=3.01+0.1=3.11（m）

q22g2 E0hc hc =

用迭带法求得hc'=1.003 hc＂=

hc2221.0038q86.12511=11=2.306（m） 332gh9.81.003cq2q2出池落差：Δz= 2g2hs22 2ghc 19

6.12526.1252- = 22229.80.951.1429.82.306=1.27（m）

验算水跃淹没系数σ，由《水力学》教材公式： d=0hc″－hs－Δz

σ0=（d+hs+Δz）/hc＂ 得 σ0=（0.1+1.14+1.27）/2.306=1.088 符合在1.05~1.10之间的要求。 根据以上计算结果，取池深d=0.5m。 2．消力池池长 消力池长度公式：

消力池长度：Lsj=Ls+βLj 式中 Lsj——消力池长度，m；

Ls——消力池斜坡段水平投影长度，斜坡段坡率取m=8； β——水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8； Lj——水跃长度，m。

水跃长度：Lj=6.9（h c＂-hc）=6.9(1.558-0.4398)=7.72m Ls=4m；β=0.8

Lsj=4+0.8*7.72=8.676≈10.2m 故消力池长10.2m 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

20

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 按抗浮要求计算消力池护坦厚度公式为： t=k2

UWPm γb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0.15~0.20； k2——消力池底板安全系数，可采用1.1～1.3； ΔH＇——泄水时上、下游水位差，m； U——作用在消力池底板底面的扬压力（kPa）； W——作用在消力池底板底面的水重（kPa）； Pm——作用在消力池底板上的脉动压力（kPa），其值可取跃前收缩断面流速水头值的5%，通常计算消力池底板前半部的脉动压力时取“+”号，计算消力池底板后半部的脉动压力时取“-”号； γ1——消力池底板的饱和重度，kN/m3。

该工程可根据抗冲要求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=2.59m3/（sm），ΔH`为相应于单宽流量的上、下游水位差（上游水

21

深2m，下游水深0.81m），则其底板厚度为：

t=0.22.592-0.81=0.34（m） 可取消力池底板厚度为t=0.4m。 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5cm，间距为1m，呈梅花形布置。消力池末端设置齿墙，深为0.8m，宽为0.6m。

22

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．海漫的布置和构造

海漫一般采用将起始端做成5m水平段，顶面高程在消力池尾坎顶以下0.5m，水平段后作成不陡于1：10的斜坡以使水流均匀扩散，同时沿水流方向在平面上向两侧逐渐扩散，以便使水流均匀扩散，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

23

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。本工程采用干砌石海漫。

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。

3．海漫长度计算

海曼的长度取决于消力池末端的单宽流量、上下游水位差、下游水深、河床土质抗冲能力、闸孔与河道宽度的比值以及海漫结构形式等。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》教材公式4-19算。

Lp=ks qsH =98.43.01-1.99） ≈26.2m

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=9。

故确定海漫长度为26.2m。

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

24

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5m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21.2m作成坡度为1：10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0.4m，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

根据水闸的构造要求采用宽浅式梯形断面防冲槽，槽深取1.5，底宽为槽深的（2～3）倍，此处取为取3.5m，上游坡率为2，下游坡率为3，如图2—6所示。

25

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 水闸防渗及排水设计

第一节 闸底轮廓布置

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

26

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。

四、地下轮廓线布置 1．闸底板长度拟定

本工程采用整体式底板，底板顺水方向的长度根据闸室地基条件、上部结构布置、满足闸室整体稳定和地基允许承载力等要求来确定。初拟时可参考已建工程的经验数据选定，当地基为碎石土和砾（卵）石时，底板长度取（2-4）H（H为水闸上下游最大水位差）；砂土和砂壤土取（2-3.5）H；粉质壤土和壤土取（2-4）H；黏土取（2.5-4.5）H。

本工程取底板长度L

底=3H=3*2=6m

综合考虑，上部结构布置及地基承载力要求，确定闸底

27

板长度为8m。

2．闸底板厚度的拟定

对于小型水闸，底板厚度不小于0.3可取t=1.0m。两端设齿墙。

3、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。该设计深度取0.7m，厚度取1.0m。如图3—1所示。

图3—1 底板尺寸图（单位：cm）

4．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、黏壤土或沥青混凝土等材料，有时也可用钢筋混凝土作为铺盖材料。铺盖的长度采用上、下游最大水头差的3~5倍。根据上述原则，本工程铺盖采用混凝土铺盖，其混凝土强度等级一般不低于C20，其长度确定取L=6m；铺盖的厚度，取0.4m，两端设齿墙深度取0.6m，宽度取0.5m，以便和闸底板连接。

28

5．闸基防渗长度的确定

初步拟定闸基防渗长度应根据《水闸设计规范》公式

L≥C×H

式中 L——闸基防渗长度，即闸基轮廓线防渗部分水平段

和垂直段长度的总和，m；

C——允许渗径系数值，见《水工建筑物》教材表4-6，查表取C=5；

H——上、下游最大水头差，m。 L=C×H=5*2=10（m）

6．校核地下轮廓线的长度

根据以上设计数据，实际的地下轮廓线布置长度应大于理论的地下轮廓线长度。

铺盖长度+闸底板长度=6+8=14m ≥L=10（m）

通过校核，地下轮廓线的长度满足要求。

第二节 防渗和排水设计及渗透压力计算

一、渗流计算的目的

计算闸底板各点的渗透压力；验算地基土在初步拟定的地下轮廓线下的渗透稳定性。 二 、计算方法

计算方法有直线比例法、流网法和改进阻力系数法。 进阻力系数法是一种以流体力学为基础的近似解法。对于比较复杂的地下轮廓，先将实际的地下轮廓进行适当简

29

化，使之成为垂直和水平两个主要部分。再从简化的地下轮廓线上各角点和板桩尖端引出等势线，将整个渗流区域划分为几个简单的典型流段。

由于改进阻力系数法计算结果精确，本设计采用此种方法进行渗流计算。

三、改进阻力系数法计算渗透压力

（一） 计算公式（出自《水闸设计规范》） 1．确定地基的有效计算深度Te

当地基不透水层埋藏较深时，须有一个有效计算深度Te来代替实际深度T，Te可根据《水闸设计规范》公式确定：

当L0/s0≥5时， Te=0.5L0

当L0/s0＜5时， Te=5L0/（1.6L0/s0+2）

式中 Te——土基上水闸的地基有效计算深度，m；

L0——地下轮廓的水平投影长度，m； s0——地下轮廓的垂直投影长度，m。 2．典型段的划分

先将实际的低下轮廓线进行简化，使之成为垂直和水平两个主要部分。再从简化的低下轮廓线上各角点和板桩尖端引出等势线，将整个渗流区域划分为几个典型流段：进、出口段，内部垂直段和水平段。

3．计算各典型段的阻力系数（如图3—4）

30

图3—4 典型流段计算图

① 进、出口段：

ε0=1.5（S/T）3/2+0.441

式中 ε0——进、出口段的阻力系数；

S ——板桩或齿墙的入土深度，m； T ——地基透水层深度，m。 ② 内部垂直段：

εy=2/πln ctg（π/4（1－S/T））

式中 εy——内部垂直段的阻力系数。 ③ 水平段：

εx=（L-0.7（S1+S2））/T 式中 εx ——水平段的阻力系数；

L ——水平段长度，m；

S1、S2——进、出口段板桩或齿墙的入土深度，m。 4．计算各典型段的水头损失

hi=εiΔH/Σεi 5．进出口段水头损失局部修正

进、出口水力坡降呈急变曲线形式，算得的进、出口水

31

头损失与实际情况相差较大，需进行必要的修正。修正后的水头损失h0＇为：

h0＇=β＇h0 （3—8） 式中 h0＇——进、出口段修正后的水头损失值，m；

h0 ——按式ε0=1.5（S/T）3/2+0.441计算出的

水头损失值，m。

——阻力修正系数，按式（3—9）计算：

1.211

T2S1220.059TT式中 S＇ ——底板埋深与板桩入土深度之和，m； T＇ ——板桩另一侧地基透水层深度，m。

修正后的进、出口段修正后的水头损失将减少Δh。

Δh=（1－β＇）h0

有关进、出口段水头损失值的详细计算如下，先用进出口段的前一段水头损失的减少值相比较：

若hx≥Δh，则按hx＇=hx+Δh修正；

若hx〈Δh，则按进出口段的前两段水头损失的和相比较：

若hx+hy≥Δh，则按hx＇=2hx，hy＇=hy+Δh-hx修正 若hx+hy〈Δh，则按hx＇=2hx，hy＇=2hy，hCD=hCD+Δh+（hx+hy）修正。hCD为与进出口相邻的第三个典型流段的水头损失。

32

6．计算角点的渗压水头

对于简化后的地下轮廓各角点的渗压水头可用下式计算，中间没有计算到的点均用此段的上下游段渗透水头差内插计算。

各段渗压水头=上段渗压水头－此段渗压水头损失值 7．验算渗流逸出坡降

为保证闸基的抗渗稳定性，要求出口段逸出坡降必须小于规定的容许值。出口处的逸出坡降J为：

J=h0＇/S0＇ （二） 计算渗透压力

1、简化地下轮廓。简化后地下轮廓如图，划分10个基本段。

图3—5 渗流区域划分图（单位：m）

2、确定地基的有效深度。

由于L0=0.5+5.5+7+1=14m；s0=1.7m L0/s0=14/1.7=8.23＞5

地基的有效深度Te为Te=0.5L0=0.5×14=7（m） 根据地质资料，河道纵坡降约55%0，坝线下游向约30m

33

处出露岩基，其地基透水层深度约1.65m，由于闸底板齿墙坐落在岩基上，基本上属于不透水层，但实际情况还是有一定的渗透，故假设其实际的地基透水层深度为5m。计算Te大于实际的地基透水层深度Tp=5m，所以取Te =5m,进行渗流计算。

3、计算各典型段阻力系数。按各典型段阻力系数计算公式计算。见下表：

各段渗透压力水头损失表

分段分段s 编号 名称 ① ② ③ ④ ⑤ 6 7 8 9 10 合计 进口 水平 垂直 水平 垂直 垂直 水平 垂直 水平 出口 1 0.6 1.3 0.7 0.7 0.9 0 0.6 0.7 0 0 1.3 0.7 0 5 4 4.6 4.6 4.6 4 4 4 3.3 4.2 0.5 5.5 7 1.0 0.575 0.125 0.131 0.907 0.292 0.177 1.505 0.177 0.303 0.73 4.922 s1 s2 T L ξi 4、计算各段水头损失及进出口段水头修正。 （正常水位） 各段水头损失(H=2m)

分段编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 h 0.234 0.051 0.053 0.368 0.119 0.072 0.611 0.072 0.123 0.297 34

(1)进水段水头损失修正：已知T’=5-1=4m,T=5,S’=1,按公式

计

算

β

’=0.811<1.0,则

进

口

段

修

正

为

h’01=0.234*0.811=0.19m。水头损失减小 △h=0.234-0.19=0.044m

，

因hx2+hy3=0.051+0.053=0.102m>△h，故第②③段分别按公式修正h’x2=2hx=2*0.051=0.102，

h’y3=hy3+△h-hx2=0.053+0.044-0.051=0.046

(2)出口段水头损失修正已知T’=3.3m,T=4.2m,S’=0.9,按公式计算得β’=0.821<1.0,则出口段修正为

h’010=0.297*0.821=0.244m。水头损失减小值 △

h=0.297-0.244=0.053m

，

因

（

hx9+hy8

）

=0.123+0.072=0.195 m>△h，故第⑧⑨段分别按公式修正h’x9=2hx9=2*0.123=0.246,

h’y8=hy8+△h-hx9=0.072+0.053-0.123=0.002m

演算：

H=0.19+0.102+0.046+0.368+0.119+0.072+0.611+0.002 +0.246+0.244=2m

（设计水位） 各段水头损失(H=2.74-1.91=0.83m)

分段编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 h 0.097 0.021 0.022 0.153 0.049 0.03 0.254 0.03 0.051 0.123 (1)进水段水头损失修正：已知T’=5-1=4m,T=5,S’=1,按公式

计

算

β

’=0.811<1.0,则

进

口

段

修

正

为

35

h’01=0.097*0.811=0.0787m△

。水头损失减小 ，

h=0.097-0.0787=0.0183m

因hx2+hy3=0.021+0.022=0.043m>△h，故第②③段分别按公式修正h’x2=2hx=2*0.021=0.042，

h’y3=hy3+△h-hx2=0.022+0.0183-0.021=0.0193

(2)出口段水头损失修正已知T’=3.3m,T=4.2m,S’=0.9,按公式计算得β’=0.821<1.0,则出口段修正为

h’010=0.123*0.821=0.101m。水头损失减小值 △

h=0.123-0.101=0.022m

，

因

（

hx9+hy8

）

=0.051+0.03=0.081m>△h，故第⑧⑨段分别按公式修正h’x9=2hx9=2*0.051=0.102,

h’y8=hy8+△h-hx9=0.03+0.022-0.051=0.001m

演算：

H=0.0787+0.042+0.0193+0.153+0.049+0.03+0.254+0.001+0.102+0.101=0.83m

（校核水位） 各段水头损失(H=3.01-1.99=1.02m)

分段编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.151 h 0.119 0.026 0.027 0.188 0.06 0.037 0.312 0.037 0.063 (1)进水段水头损失修正：已知T’=4m,T=5,S’=1,按公式计算

β

’=0.811<1.0,

则

进

口

段

修

正

为

h’01=0.119*0.811=0.0965 m。水头损失减小值 △

h=0.119-0.0965=0.0225m

,

36

因hx2+hy3=0.026+0.027=0.053m>△h，故第②③段分别按公式修正h’x2=2hx=2*0.026=0.052，

h’y3=hy3+△h-hx2=0.027+0.0225-0.026=0.0235

(2)出口段水头损失修正已知T’=3.3m,T=4.2m,S’=0.9,按公式计算得β’=0.821<1.0,则出口段修正为h’010=0.151*0.821=0.124m。水头损失减小值 △h=0.151-0.124=0.027m，因（hx9+hy8）=0.063+0.037=0.1m>△

h

，

故

第

⑧

⑨

段

分

别

按

公

式

修

正

h’x9=2hx9=2*0.063=0.126,

h’y8=hy8+△h-hx9=0.037+0.027-0.063=0.001m 演算：

H=0.0965+0.052+0.0235+0.188+0.06+0.037+0.312

+0.001+0.126+0.124=1.02m

5、计算各角点或尖端渗压水头。由上游进口段开始，逐次向下游，从总水头H，减去各分段水头损失值，即可求得各角点或尖端渗压水头值：

（1）正常水位：H1=2，H2=2-0.19=1.81；H3=1.708；H4=1.662；H5=1.294；H6=1.175；H7=1.103；H8=0.492；H9=0.49；H10=0.244；H11=0

（2）设计水位：H1=0.83，H2=0.83-0.0787=0.7513；H3=0.7093；H4=0.69；H5=0.537；H6=0.488；H7=0.458；H8=0.204；H9=0.203；H10=0.101；H11=0

37

（3）校核水位：H1=1.02，H2=1.02-0.0965=0.9235；H3=0.8715；H4=0.848；H5=0.66；H6=0.6；H7=0.563；H8=0.251；H9=0.25；H10=0.124；H11=0

6、绘制渗压水头分布图。

正常水位情况

设计水位情况：

闸底板下渗透压力分布图（单位：m）

校核水位情况：

38

闸底板下渗透压力分布图（单位：m）

7、渗流出口平均坡降：

设计水位情况：J=h’0/S’=0.101/0.9=0.112< [J] 校核水位情况：J=h’0/S’=0.124/0.9=0.138< [J] 小于壤土出口段的允许渗流坡降值〔J〕=0.15（基本资料）满足要求，不会发生渗透变形。

第三节 防渗排水设施和细部构造

一、排水设备的作用

采用排水设备，可降低渗透压力，排除渗水，避免渗透变形，增加下游的稳定性。排水的位置直接影响渗透压力的大小和分布，应根据闸基土质情况和水闸的工作条件，做到既减少渗透压力又避免渗透变形。

二、排水设备的设计

（1）水平排水 水平排水为加厚反滤层中的大颗粒层，形成平铺式。排水反滤层一般由2~3层粒径的砂和砂砾石组成。层次排列应尽量与渗流的方向垂直，各层次的粒径则按渗流方向逐层增大。

反滤层的材料应该是能抗风化的砂石料，并满足：被保

39

护土壤的颗粒不得穿过反滤层；各层次的颗粒不得发生移动；相临两层间，较小一层的颗粒不得穿过较粗一层的空隙；反滤层不能被阻塞，应具有足够的透水性，以保证排水通畅；同时还应保证耐久、稳定。

本设计的反滤层由碎石、中砂和细砂组成，其中上部为20cm厚的碎石，中间为10cm厚的中砂，下部为10cm厚的细砂。见下图3—3：

图3—3 反滤层构造图（单位：cm）

（2）铅直排水设计 本工程在护坦的中后部设排水孔，孔距为2m，孔径为3cm，呈梅花形布置，孔下设反滤层。

（3）侧向排水设计 侧向防渗排水布置（包括刺墙、板桩、排水井等），并应根据上、下游水位、墙体材料和墙后土质以及地下水位变化等综合考虑，并应与闸基的防渗排水布置相适应，在空间上形成防渗整体。

在消力池两岸翼墙设2~3层排水孔，呈梅花形布置，孔后设反滤层，排出墙后的侧向绕渗水流。

40

三．止水设计

凡具有防渗要求的缝，都应设止水设备。止水分铅直止水和水平止水两种，前者设在闸墩中间，边墩与翼墙间以及上游翼墙铅直缝中；后者设在黏土铺盖保护层上的温度沉陷缝、消力池与底板温度沉陷缝、翼墙和消力池本身的温度沉陷缝内。在黏土铺盖与闸底板沉降缝中设置沥青麻袋止水。

第四章 闸室布置

闸室是水闸的主体部分。开敞式水闸闸室由底板、闸墩、闸门、工作桥和交通桥等组成，有的还设有胸墙。

闸室的结构形式、布置和构造，应在保证稳定的前提下，尽量做到轻型化、整体性好、刚性大、布置匀称，并进行合理的分缝、分块，使作用在底基单位面积上的荷载较小，较匀称，并能适应地基可能的沉降变形。

第一节 闸底板、闸墩

一、闸底板的设计 1．作用

闸底板是闸室的基础，承受闸室及上部结构的全部荷载，并较均匀地传给地基，还有防冲、防渗等作用。

2．形式

常用的底板有平底板和钻孔灌注桩底板。在特定的条件下，也可采用低堰底板、箱式底板、斜底板、反拱底板等。平底板按底板与闸墩的联结方式，有整体式和分离式两种。

41

（1）整体式底板

闸墩与底板浇筑成整体即为整体式底板。其顺流向长度可根据闸身稳定和地基应力分布较均匀等条件来确定，同时应满足上层结构布置的需要。水头愈大，地基愈差，底板应愈长。初拟底板长度时，对于砂砾石、砂壤土地基可取（2.0~2.5）H，对于粘壤土地基可取（2.0~3.0）H，对于粘土地基可取（2.58~3.5）H，H为上下游最大水头差。底板厚度必须满足强度和刚度的要求。大中型水闸可取闸孔净宽的1/5~1/8，一般为1~2m，最薄不小于0.6m，底板内配置钢筋。底板混凝土强度等级应满足强度，抗渗及防冲要求，一般选用C15或C20。

根据本工程的地质资料，采用整体式平底板。 3．底板长度

根据前面设计已知闸底板长度为8m。 4．垂直水流方向布置

为了满足闸门的顺利提升及满足地基不均匀沉陷的要求，垂直水流方向一般要进行分段。

5 底板厚度

考虑强度、刚度的要求，一般厚度为1m，并另外设置齿墙，取厚度为0.7。 二、闸墩的设计 1．作用

42

分离闸孔并支撑闸门，工作桥等上部结构，使水流顺利地通过闸室。 2．长度的确定

应能满足过闸水流平顺，侧向收缩小，过流能力大的要求。上游墩头采用半圆形，下游墩头采用流线型。其长度为8m。

3．厚度的确定

应根据闸孔孔径、受力条件、结构构造要求和施工方法确定。中墩1.2m，边墩1.0m。平面闸门的门槽尺寸应根据闸门的尺寸确定，检修门槽深0.20m，，宽0.20m，主门槽深0.3m，宽0.8m。检修门槽于工作桥之间留1.5m的净距，以便于工作人员检修。 4．闸墩高度的确定

闸墩上游部分的顶面高程应满足以下两个要求：①水闸挡水时，不应低于水闸的正常蓄水位（或遭遇地震）加波浪计算高度与相应安全超高之和。②泄洪时，不应低于设计（或校核）洪水位加相应的安全超高。各种运用情况下水闸的安全超高下限值《水闸设计规范》规定如下：

表4—1 水闸安全超高下限值（m）

运用情况 水闸级别 1 0.7 0.5 1.5 2 0.5 0.4 1.0 3 0.4 0.3 0.7 4、5 0.3 0.2 0.5 挡水时 泄洪正常蓄水位 遭遇地震 设计洪水位 43

时 校核洪水位 1.0 0.7 0.5 0.4 采用以下三种方法计算，取较大值。

▽闸墩=校核水位+安全超高=20.01+0.4=20.41（m） ▽闸墩=设计水位+安全超高=2063.74+0.5=20.24（m） ▽闸墩=正常水位+Δh≈2063.5（m）

式中，Δh为波浪高度，其计算查《水闸设计规范》。

Δh=hl+hz+hc

式中， h1——波浪爬高，m；

hz——波浪中心线超过静水位的高度，m；

hc——安全超高，m。 查规范hc=0.3，三级建筑物。

采用三种方法取最大值，即▽闸墩=20.41m，现拟定▽闸墩=20.5m。 闸孔高度=▽闸墩-▽底顶=20.5-2061=3.5m。

闸墩尺寸详图如下：

墩形：中墩上游采用半圆形，下游采用流线形，边墩采用流线形。

第二节 工作桥、检修便桥、公路桥

一、工作桥和检修桥

工作桥是供设置启闭机和管理人员操作时使用。其高度

44

应保证闸门开启后不影响泄放最大流量，并考虑闸门的安装及检修吊出需要。工作桥应尽量靠近上游侧，为了安装、启闭和检修方便，应设置在工作闸门的正上方。其机座尺寸可根据启闭机型号来确定。检修桥的作用为放置检修闸门，观测上游水流情况，设置在闸墩的上游端。工作桥与检修桥的尺寸总宽度为5.1m。

工作桥与检修桥的高程，桥的高度约为门高的两倍加上1.0-1.5m的富裕高度，h=7m则高程为2068m

二、交通桥

交通桥的作用是连接两岸交通，供车辆和人通行。位置应根据闸室稳定及两岸连接等条件确定，本工程布置在闸室下游侧。仅供人蓄通行用的桥，其宽度为3m。

第三节 闸门和启闭机水利水电工程启闭机设计规范

闸门按其工作性质的不同，可分为工作闸门，事故闸门和检修闸门等。工作闸门又称主闸门，是水工建筑物正常运行情况下使用的闸门。事故闸门是在水工建筑物或机械设备出现事故时，在动水中快速关闭孔口的闸门，又称快速闸门。事故排除后充水平压，在静水中开启。检修闸门用以临时挡水，一般在静水中启闭。一般水闸多采用工作闸门和检修闸门。

一、工作闸门 （一）作用

45

又称主闸门，是水工建筑物正常运行情况下使用的闸门。用以抬高水位，泄洪时开启，控制流量。

（二）类型

1．按构造形式分类 可分为平面闸门、弧形闸门等。弧形闸门与平面闸门比较，其主要优点是启闭力小，可以封闭大面积的孔口；无影响水流态的门槽，闸墩厚度较薄，机架桥的高度较低，埋件少。它的缺点是需要的闸墩较长；不能提出孔口以外进行检修维护，也不能在孔口之间互换；总水压力集中于支铰处，闸墩受力复杂。

2．按制作材料分 可分为钢闸门，混凝土闸门或钢丝网水泥闸门，木闸门及铸铁闸门等。钢闸门门体轻，一般用于大、中型水闸，混凝土或钢丝网水泥闸门可以节省钢材，不需要除锈。铸铁闸门抗锈蚀、耐磨性较好，止水效果也好，但由于材料抗弯强度低，性能又脆，仅在低水头小孔径水闸中使用。木闸门耐久性差，已日趋不用。

根据设计要求，本设计采用钢筋混凝土平板闸门。 （三）闸门的基本尺寸

由于闸门作用是在枯水期壅高水位供进水闸取水，所以▽顶应不低于正常蓄水位2063m，为了防止水流漫过闸顶，锈蚀闸门结构，门顶高程应该高于2063m。

所以：▽门顶=正常挡水位+安全超高 =2063+0.5

46

=2063.5m

闸门高度=▽门顶-▽底顶=2063.5-2061=2.5m.

闸门形式：因闸孔宽5m，尺寸较小，采用平面闸门。

工作闸门基本尺寸取为高3m，宽度取5.6m。采用平面铸铁闸门。

二、检修闸门

作用用以临时挡水，检修工作闸门时用。多采用叠梁式。平时不用时放置一旁。闸门槽深为20cm，宽为20cm，闸门形式如图4—2。

图4—2 叠梁式检修闸门

三、启闭机类型选择

启闭机可分为固定式和移动式两种，常用固定式启闭机有卷扬式，螺杆式和油压式。卷扬式启闭机启闭能力较大，操作灵活，启闭速度快，但造价高。螺杆式启闭机简便、廉价，适用于小型工程、水压力较大、门重不足情况等。油压式启闭机是利用油泵产生的液压传动，可用较小的动力获得较大的启闭力，但造价高。在有防洪要求的水闸重，一般要求启闭了迅速可靠，能够多孔同步开启，这里采用卷扬式启

47

闭机，一门一机。

第四节 闸室的分缝和止水设备

1、分缝方式与布置

除闸室本身分缝以外，凡是相邻结构荷重相差悬殊或结构较长，面积较大的地方也要设缝分开，如铺盖与闸室底板、翼墙的连接处以及消力池与闸室底板、翼墙的连接处要分别设缝。另外，翼墙本身较长，混凝土铺盖、消力池护坦在面积较大时也需要设缝，以防产生不均匀沉降。 2、止水设备

凡是具有防渗要求的缝中都应设置止水设备。对止水设备的要求是：①应防渗可靠；②应能适应混凝土收缩及地基不均匀沉降的变形③应结构简单，施工方便。按止水所设置的位置不同可分为水平止水和铅直止水两种，两种止水交叉处的构造必须妥善处理，以便形成一个完整的止水体系。

第五章 闸室稳定计算

第一节 荷载及其组合

一、设计情况选择

根据水闸运用过程中可能出现的所有情况进行分析，寻找最不利的情况进行闸室稳定及地基承载力验算。 1．完建无水期

完建无水期是水闸建好尚未投入使用之前，竖向荷载最大，容易发生沉陷或不均匀沉陷，这是验算地基承载力的设

48

计情况。

2．正常挡水期

正常挡水期时下游无水，上游为正常挡水位，上下游水头差最大，闸室承受较大的水平推力，且闸底板下扬压力最大，最容易发生闸室滑动失稳破坏，是验算闸室抗滑稳定性设计情况。

泄洪期工作闸门全开，水位差较小，对水闸无大的伤害。本设计不考虑地震情况。

二、荷载组合

完建无水期和正常挡水期均为基本荷载组合，校核洪水位情况为特殊荷载组合。需计算的荷载见下表5—1。

表 5—1 荷载组合

荷载 组合 自 重 基本 组合 完建情况 正常蓄水位 情况 特殊组合 校核洪水位 情况 √ √ √ √ √ √ √ √ 一 √ √ 水 重 一 √ 静水压力 一 √ 扬压力 一 √ 土压力 √ √ 淤沙压力 一 √ 风压力 一 √ 浪压力 一 √ 其 他 √ √ 计算情况 荷 载 1、自重：

49

V2V3V4V5V1100500120500120500100W=rC（V1+V2+V3+V4+V5） =25×(155.2+2×28+2×33.6) =25×278.4 =6960KN 2、水重：

①正常水位情况：G1=3r水Hbl=3×10×2×5×3.7=1110KN ②校核水位情况：G上=3×10×3.01×5×3.7=1670.55KN

G下=3×10×1.99×5×3.5=1044.75KN

3、静水压力：

①正常水位情况：

P1=rBH²/2=10×19.4×2²/2=388KN

0500300150

P2=rB(h1+h2)b/2=10×19.4×(1.294+1.175)×1.7/2=407.14 KN ②校核水位情况：

上游：P1=rBH²/2=10×19.4×3.01²/2=878.83KN

P2=rB(h1+h2)b/2=10×19.4×(0.66+0.6+3.98)×1.7/2=8.08KN 下游：P3=rBH²/2=10×19.4×1.99²/2=384.13KN 4、扬压力： 正常水位： ①浮托力：U1=0

②渗透压力：U2=10×0.244×8×19.4=378.7 U3=10×0.248×7×19.4=336.79 U4=10×0.246×1×19.4/2=23.86 U5=10×0.611×7×19.4/2=414.87 校核水位：

①浮托力：U1=10×1.99×8×19.4=3088.48 ②渗透压力：U2=10×0.124×8×19.4=192.45 U3=10×0.127×7×19.4=172.47 U4=10×0.126×1×19.4/2=12.22 U5=10×0.312×7×19.4/2=212.85

5、浪压力：对于中小型水闸，浪压力对水闸影响不大，可忽略不计，因此不做计算。

第二节 地基应力验算

一、完建无水期荷载计算及地基应力计算

51

荷载计算如下表:

荷 载 工作桥 交通桥 工作闸门 检修闸门 启闭机 闸室自重 合 计 总 计 符 号 W1 W2 W3 W4 W5 W6 W ↓ 440 280 270 70 180 6960 8200 8200 垂直力 ↑ ← 水平力 → 力 臂 1.75 2.5 0.1 1.9 0.9 0 ↙+ 770 342 162 0 1274 547 力矩 -↘ 700 27 727 地基应力计算：

《水闸设计规范》中地基承载力计算公式为：

max=

min

GM=55.48KPa

AW50.19①

max=55.48/50.19≤ [η]=2 min② min≥0 ③ 0≤max≤1.2[P

地基

]=0.36MPa

以上三点均满足要求。

综上，完建无水期的地基承载力能够满足要求，地基不会发生不均匀沉陷。

二、正常挡水期荷载计算及地基应力计算 荷载计算如下表：

荷 载 符 号 ↓ 垂直力 ↑ ← 水平力 → 力 臂 ↙ 力矩 ↘ 52

自重 上游水重 上游 水压 浮托力 渗透压力 W Q1 P1 P2 U1 U2 U3 8200 1110 0 378.7 336.79 23.86 414.87 1154.22 388 407.14 2.15 1 0 0 0.5 547 2386.5 0 0 388 66.62 168.4 合 计 总 计 U4 U5 9310 0 795.14 -795.14 3.333 1.667 79.53 3013.03 691.59 1314.61 8155.78 1698.42 地基应力计算：

《水闸设计规范》中地基承载力计算公式为：

max=

min

GM=60.76KPa

AW44.34④

max=60.76/44.34≤ [η]=2 min⑤ min≥0 ⑥ 0≤max≤1.2[P

地基

]=0.36MPa

以上三点均满足要求。

综上，正常挡水期的地基承载力能够满足要求，地基不会发生不均匀沉陷。

第三节 闸室稳定验算

根据设计的闸室底板及闸基是否有软弱夹层来确定滑动面，由于该工程闸底板上下游设置的齿墙深度为0.7m，按

53

浅齿墙考虑，闸基下没有软弱夹层。滑动面沿闸底板与地基的接触面，采用《水闸设计规范》中K=算。

式中 f——闸室与地基的摩擦系数；

∑G——作用在闸室上的全部竖向荷载，kN； ∑P——作用在闸室上的全部水平荷载，kN； ［K］——允许抗滑稳定安全系数。

其中的闸底板与地基之间的摩擦系数，根据闸址处地

层分布可知查《水闸设计规范》得闸室地基底面与地基之间的摩擦系数为0.45，允许得抗滑稳定安全系数，根据本工程主要建筑物为5级，查表得〔K〕=1.20 1、正常挡水期下游无水闸室稳定计算

KcfGfG≥〔K〕公式计PH =0.45×8155.78/795.14=4.61＞[K土]

经计算得闸室抗滑稳定满足要求。 2、校核水位情况荷载计算及闸室稳定计算 荷载计算如下表：

荷 载 自重 上游水重 下游水重 上游 符 号 W Q1 Q2 P1 ↓ 8200 1670.55 1044.75 垂直力 ↑ ← 水平力 → 878.83 力 臂 2.15 2.25 1.34 ↙ 547 3591.68 力矩 ↘ 2350.69 1177.63 54

水压 下游水压 浮托力 渗透压力 合 计 总 计 P2 P3 U1 U2 U3 U4 U5 10915.3 3088.48 192.45 172.47 12.22 212.85 3678.47 384.3 384.3 8.08 1742.91 0.663 0 0 0.5 3.333 1.667 254.92 0 0 40.73 4434.33 132.41 86.23 354.82 4101.78 7236.83 -1358.61 332.55 KcfGH =0.45×7236.83/1358.61=2.4＞[K土]

经计算得闸室抗滑稳定满足要求。

第六章 渠道及沉砂池设计

本工程电站设计引用流量Q=2.5m³/s，采用非自动调节渠道，渠道堤顶高程沿渠长降低，与渠底坡度一致，在渠道进水口前设拦砾砍，渠道末端沉砂池设有退水冲砂闸。渠道前设工作闸门和检修闸门，闸门槽深、槽宽尺寸与拦河闸相同，进水口与水渠平顺连接，取水角15°。引水渠断面为矩形，现拟定尺寸b=2m，h=1m，坡降i=1/750。

水力计算：A=b*h=2，x=2h+b=4，R=A/x=1/2，n=0.018，C=1/n*R1/6=49.49。Q=ACRi=2.56m³/s≈Q引。

为了保证渠道的行水安全，渠道顶部需超出水面一定高度。渠道的设计高度应等于过水断面的水深h再加上渠道的超高。根据《水力学》表6-7查的堤顶超高取0.5m。

进水闸底板顶面高程为2061.5m，渠道长150m，渠道末端高程2061.3m，渠道末端接渐变段，α=11°，沉砂池水平段宽3.4m，沉

55

砂池底部高程2059.5，沉砂池斜坡段投影3.6m，坡率m=2，水平段长4m。沉砂池末端坎高1m，在进口闸门前设置拦污栅防止漂流物或人畜落入渠内被吸入隧道内，栅条用扁钢做成，其间距20cm，拦污栅设70°的倾角。隧道进口前面的进水室高程2060.5，进水室前段长4m，斜坡段水平投影2m，坡率m=2，末端水平段底板高程2059.5，长2m，后面接隧道。在沉砂池左端30°设退水冲砂闸。

进口闸门高2m，闸门槽深0.2 m，槽宽0.4m。冲砂闸底板高程2059.5m，闸门高3m，闸门槽深0.2m，槽宽0.4m。

如图所示：

2065.1便桥20632061.5拦污栅进口闸门2062.8i=1/7501:22059.52060.51:22059.515000360400400200200

第七章 上下游连接建筑物

水闸与河岸或堤、坝等连接时，必需设置连接建筑物，包括上、下游翼墙河边墩（或边墩和岸墙），有时还设有防渗刺墙。

上、下游连接建筑物的作用

1．挡住两侧填土，维持土坝及两岸的稳定；

56

1:0.52002061.32．当水闸泄水或引水时，上游翼墙主要用引导水流平顺进闸，下游翼墙使出闸水流均匀扩散，减少冲刷；

3．保持两岸或土坝边坡不受过闸水流的冲刷； 4．控制通过闸身遭两侧的渗流，防止与其相连的岩坡或土坝产生渗透变形；

5．在软弱土基上没有岩墙时，可以减少地基沉降对闸身应力的影响。

一、上、下游翼墙

本设计闸室上、下游翼墙均采用扭曲面翼墙，翼墙的迎水面自闸室连接处开始，由垂直面逐渐变化为倾斜面，值至与河底相接其水流条件好，工程量小，但施工较麻烦。具体构造如图。

二、边墩和岸墙

本设计挡土墙形式采用边墩与岸墙结合的形式。此时，边墩除起支撑闸门及上部结构、防冲、防渗、导水作用外，还起挡土作用。具体构造如图

57