水闸设计

第一章设计资料和枢纽设计
1、设计资料
1.1工程概况
前进闸建在前进镇以北的团结渠上是一个节制闸。

本工程等别为Ⅲ等，水闸按3级建筑物设计。

该闸有如下的作用：
（1）防洪。

当胜利河水位较高时，关闸挡水，以防止胜利河的高水入侵团结渠下游两岸的底田，保护下游的农田和村镇。

（2）灌溉。

灌溉期引胜利河水北调，以灌溉团结渠两岸的农田。

（3）引水冲淤。

在枯水季节。

引水北上至下游红星港，以冲淤保港。

1.2 规划数据
（1）团结渠为人工渠，其断面尺寸如图1所示。

渠底高程为2194.5m，底宽50m，两岸边坡均为1：2 。

（比例1：100）
图1 团结渠横断面图（单位：m）
（2）灌溉期前进闸自流引胜利河水灌溉，引水流量为300s
m/3。

此时相应水位为：闸上游水位2201.83m，闸下游水位2201.78m；冬春枯水季节，由前进闸自流引水至下游红星港，引水流量为100s
m/3，此时相应水位为：闸上游水位2201.44m，闸下游水位2201.38m。

（3）闸室稳定计算水位组合：设计情况，上游水位2204.3m，下游水位2201.0m；校核情况，上游水位2204.7m,下游水位2201.0m。

消能防冲不利情况是：上游水
m/3
位2204.7m,下游水位2201.78m，引水流量是300s
（4）下游水位流量关系：
（5）地质资料：
① 根据地质钻探报告，闸基土质分布情况见下表：
②根据土工试验资料，闸基持力层坚硬粉质粘土的各项参数指标为：凝聚力C=60.0Kpa ；内摩擦角19=ϕ°；天然孔隙比e=0.69；天然容重3KN/m 3.20=γ 建闸所用回填土为砂壤土，其内摩擦角26o ϕ=，凝聚力0c kPa =，天然容重318kN m γ=。

本地区地震烈度在6度。

（6）本工程等别为III 等，水闸按3级建筑物设计。

（7）闸上有交通要求，闸上交通桥为单车道公路桥，桥面净宽4.5m,总宽5.5m ，采用板梁结构。

每米桥长约种80KN 。

（详见设计书插图）
（8）该地区“三材”供应充足。

闸门采用平面钢闸门，尺寸自定，由工厂加工。

不考虑风浪的作用，胜利河为少泥沙河道（含少量推移质泥沙）
2. 枢纽设计
2.1进水口防沙设施设计
胜利河为少泥沙河流，防沙要求不高，为防止泥沙进入引水渠，防沙设施设拦沙坎即可，《水电站进水口设计规范》DL/T5398-2007中规定其高度为2.5m~3m ，取其高度为2.5m 。

2.2 引水渠的布置
① 取水方式确定: 由于胜利河为少泥沙河道，防沙要求不高，且取水期间河道的水位和流量能够满足取水要求，故取水方式可设计成无坝取水。

② 引水口位置选择: 胜利河在流经灌区时有一个明显的弯道，可利用弯道环流原理，将引水渠的引水口设在胜利河凹岸顶点位置稍偏下游处，该位置距弯道水
流拐点的长度可由公式计算：
1/4+=B R KB L
式中：L ——进水闸至引水口弯道起点的距离
K ——与渠道分沙比有关的系数一般取0.6～1.0（K=0.8）
R ——河道的弯道半径
B ——河道河槽的宽度
由此可确定引水口位置
③ 引水渠的方位确定:为使弯道水流平顺进入引水渠，根据规范，取引水渠中心线与河道水流方向夹角即引水角不超过30度。

（取25度）
第二章 闸孔设计
1. 闸室结构设计
1.1 闸室结构型式的确定
由于闸室地基土质为坚硬粉质粘土,土质均匀,承载力较大,因此选用整体式平底板闸室，且闸前水位最大可达到10.2m ，最低水位可达6.94m ，水位变幅
3.26m ，为减少闸门高度，因此设计成胸墙式闸室。

1.2 堰型选择
由于水闸有防洪冲淤的任务，故堰型采用宽顶堰，它有利于泄洪，冲沙，排污，且泄流能力稳定，结构简单，施工方便。

1.3 确定闸顶高程
设计情况下，上游水位2204.3m ，下游水位2201.0m ；校核情况下，上游水位2204.7m,下游水位2201.0m 。

不考虑风浪情况，则课本76页公式3-78
⎩⎨⎧=+=+=⎩⎨⎧++=m
m h h c c c 2.22055.07.22040.22057.03.2204max H 校△△△
所以取m 0.2206H =△
1.4 确定闸底板高程
闸底板应尽可能置于天然坚实的土层上，在满足强度等条件下，高程应尽可能高一些。

一般情况下，闸底板高程定为2194.5m ，和河底齐平。

2. 确定闸门孔口尺寸
2.1 计算闸孔总净宽
①灌溉期：上游水位2201.83m ，下游水位2201.78m ，流量300s m /3 上游水深m H 33.75.219483.2201=-=，下游水深m h s 28.75.219478.2201=-= 过水断面296.47333.7)33.7250(m A =⨯⨯+=
上游行近流速s m A Q v /633.096
.4733000=== 行近水头m g v H H 35.781
.92633.00.133.722
200=⨯⨯+=+=α 8.099.035
.728.70>==H h s 属淹没出流。

由《水闸设计规范》SL265—2001查得当
99.00=H h s 时，36.0=σ 初步设计认为385.0=m ，94.0=ε 由公式m H g m Q
L 10.2635.781.92385.094.036.030022/32
/300=⨯⨯⨯⨯⨯==σε
②枯水季节：上游水位2201.44m ，下游水位2201.38m ，流量100s m /3 上游水深m H 94.65.219444.2201=-=，下游水深m h s 88.65.219438.2201=-= 过水断面233.44394.6)94.6250(m A =⨯⨯+= 上游行近流速s m A Q v /226.033
.4431000=== 行近水头m g v H H 943.681
.92226.00.194.622
200=⨯⨯+=+=α 8.0991.0943
.688.60>==H h s 属淹没出流。

由《水闸设计规范》SL265—2001查得当
99.00=H h s 时，36.0=σ 初步设计认为385.0=m ，94.0=ε 由公式m H g m Q
L 472.9943.681.92385.094.036.010022/32
/300=⨯⨯⨯⨯⨯==σε
由于应选用最大过闸单宽流量，故应选最大闸孔总净宽，因此综合两种情况,闸孔总净宽取值为26.10m 。

此时单宽流量)*/(50.111
.2630030m s m L Q q ===，由地质资料知闸地基处为坚硬粉质粘土，可取20-25)*/(3m s m ，故满足要求
2.2 孔数及单孔宽度的选定
为了保证闸门对称开启，使水流过闸均匀，孔数宜采用单数。

我国大中型水闸单孔宽度一般采用8-12m,故选3=n 孔，选单孔净宽m l 100=。

根据规范上游闸墩头部均采用半圆形，下游闸墩头部采用流线形，厚m d 2=，边墩取1.5m
闸孔总宽度为：m d n nl L 3422103)1(01=⨯+⨯=⨯-+=
渠道宽50.0m ，闸室总宽度应与渠道宽度相适应，两者的比值为34/50=0.68大于0.6~0.75，符合要求。

闸孔尺寸示意图见图2-1（比例1：100）
图2-1闸孔布置图（ 单位：m ）
2.3 水闸泄流能力验算（查阅《水闸设计规范》SL265-2001）
2.3.1 灌溉期过流验算：上游水位2201.83m ，下游水位2201.78m ，流量300s m /3 对于中孔：m l 100=，m d 2=
973.02
1010)210101(171.01)1(171.01440000=+⨯+-⨯-=++--=d l l d l l z ε 对于边孔：m l 100=， m b b 16.21233.72/)3750(=⨯+-=
912.016
.2111010)16.21110101(171.012)21(171.01440000=++⨯++-⨯-=++⨯++--=b b b b d l l b d l l ε
则 953.03912.0)13(973.0)1(=+-⨯=+-=n
n b
z εεε 水闸泄流能力
s
m H g mL Q /75.34935.781.9230385.0953.036.0232/32/300=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯=σε大于300s m /3满足要求 。

2.3.2 枯水期过流验算：上游水位2201.44m ，下游水位2201.38m ，流量100s m /3 对于中孔：m l 100=，m d 2=
973.02
1010)210101(171.01)1(171.01440000=+⨯+-⨯-=++--=d l l d l l z ε 对于边孔：m l 100=， m b b 38.20294.62/)3750(=⨯+-=
9124.038
.2011010)38.20110101(171.012)21(171.01440000=++⨯++-⨯-=++⨯++--=b b b b d l l b d l l ε
则 953.039124.0)13(973.0)1(=+-⨯=+-=n
n b
z εεε 水闸泄流能力
s
m H g mL Q /90.32094.681.9230385.0953.036.0232/32/300=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯=σε大于100s m /3满足要求 。

第三章 消能防冲设计
1. 消力池设计
1.1确定消能型式
由于本闸所处渠道底部为粉质粘土，抗冲刷能力较低，故采用底流式消能。

1.2确定消能计算工况
由第二章计算已知，灌溉期和枯水期水位时闸门全开引水，均为淹没出流，无须消能。

当引水流量为300s m /3，上游水位2204.7m ，下游水位2201.78m 时，为 最不利的工况，取该工况为计算工况
1.3 计算工况时上下游水面连接形态的判别
引水流量为300s m /3，上游水位2204.7m ，下游水位2201.78m ； 上游水位m H 2.105.21947.2204=-=，下游水位m h s 28.75.219478.2201=-= 该工况情况下，关闸挡水，部分闸门不完全开启，下游水位较低，闸孔射流速度大，最容易造成渠道的冲刷。

消力池设计采用挖深式消力池，消力池首端宽度采 用闸孔总宽134b m =，末端宽度采用河底宽度250b m =。

1.3.1为保证水闸安全运行，可以规定闸门的操作规程，本设计按闸孔对称方式开启运行，分别为开启3孔和中间1孔
当闸门不完全开启，闸孔射流速度较大，比闸门完全开启时更容易引起渠床的冲刷，取闸门相对开启从0.1-0.65（大于0.65属于堰流）
过水断面208.7182.10)2.10250(m A =⨯⨯+= 上游行近流速s m A Q v /418.008
.7183000=== 行近水头m g v H H 21.1081
.92418.00.12.1022
200=⨯⨯+=+=α 下游水深m h t 28.75.219478.2201=-= 宽顶堰闸孔出流流量公式0012gH enl Q μ=，0''1/1H e εϕεμ-= 'ε由相对开启高度H e /查《水力学》354页表9-7可得，ϕ取0.9 e h c '0ε=，假设水跃在最小收缩断面开始发生，由《水闸设计规范》可得： 跃后水深25.021302002
))(181(2b b gh q h h c c c -+=α，根据02c h 和t h 的关系判别水跃形态
计算表格如下：
1.3.2 验算计算工况闸门全开自由堰流状态下水跃形态
由迭代公式求收缩水深)(201ci ci h H g q
h -=+ϕ
)*/(82.834
3003m s m q ==， 9.0=ϕ 01=h 令；代入迭代公式可得： m h 692.02=，m h 7171.03=，m h 71808.04=，m h 7181.05=，m h 7181.06=， 由此可得m m h c 718.07181.0==
假设水跃在最小收缩断面发生，跃后水深m b b gh q h h c c c 95.3))(181(225.02130
2002
=-+=α t c h h <02，故也发生淹没式水跃 1.3.3 结论
由以上计算可知，上下游水位的连接形态为淹没式水跃，这种情况对底部冲刷不太严重，不需要修建消力池,但应按要求设计相应的护坦。

1.4 护坦尺寸设计
1.4.1 闸孔按1孔和三孔对称开启时时
跃前水深和跃后水深最大差值为3.78m 。

以此为计算控制工况
水跃长度m L j 08.2678.39.6=⨯=；按规范取75.0=β
考虑到闸底板的厚度，按规范取2m ，护坦与闸底板用斜坡连接，坡度1：4 护坦长度m L L L j s sj 56.2308.2675.041=⨯+⨯=+=β，取m L sj 24= 护坦厚度H q k t 1=，1k 取0.155，)*/(57.183m s m q =，H 为上下游水位差 m H q k t 873.092.257.18155.01=⨯⨯==，取m t 1=
1.4.2 闸门全开自由堰流状态时
跃前水深和跃后水深差值为m h h c c 232.3718.095.302=-=-
水跃长度m L j 30.22232.39.6=⨯=；按规范取75.0=β
护坦长度m L L L j s sj 72.2030.2275.041=⨯+⨯=+=β 护坦厚度H q k t 1=，1k 取0.155，)*/(10303003m s m q ==
，H 为上下游水位差 m H q k t 641.092.210155.01=⨯⨯==
1.4.3 综合以上计算情况，可以确定护坦长度m L SJ 24=，护坦厚度m t 1=
2. 海漫的设计
水流经过护坦淹没式消能，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，并将流速分布逐渐调整到接近天然河道的水流形态。

根据实际工程经验，海漫的起始段采用长为10米的水平段,其顶面高程与护坦齐平, 水平段后采用1:10的斜坡,以使水流均匀扩散；为保护河床不受冲刷，海漫结构采用干砌石海漫结构 按公式H q k L 2=，H 为上下游水位差
2k 为渠床土质系数，根据地质资料渠床为粉质粘土取102=k
q 为护坦出口处单宽流量，取最大值)*/(1030
3003m s m q == m H q k L 34.4192.210102=⨯⨯==，取为42m
根据实际工程经验，海漫的起始段采用长为10米的水平段,其顶面高程与护坦齐平, 水平段后采用1:10的斜坡,以使水流均匀扩散；为保护河床不受冲刷，海漫结构采用干砌石海漫结构
3.防冲槽设计
水流经过海漫后，尽管多余能量得到了进一步消除，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。

为保证安全和节省工程量，在海漫末端设置防冲槽。

海漫末端的河床冲刷深度按公式[]t v q t -⨯=0'
'
'1.1 'q 为海漫末端单宽流量，由消能防冲设计水位组合取)*/(1030
3003'm s m q == []0v 为土质的不冲流速，查《农田水利学》112页表4-12，取为0.85m/s ； t 为海漫末端河床水深，海漫前端水深为m 28.75.219478.2201=-， 海漫10m 水平段后有1:10的斜坡段，斜坡水平长度m 321042=-
则斜坡段在垂直向下降3.2m ，即m t 48.102.328.7=+=
[]m t v q t 46.248.1085.0101.11.10''
'=-⨯=-⨯= 故取防冲槽深度为2.5m ，槽顶高程与海漫末端齐平，底宽取5m ，上游边坡系数为2，下游边坡系数为3。

并在海漫末端预留足够块径大于30cm 的石块，单宽抛石量3''5.75.23m At V =⨯==（A 值按经验取2-4）
第四章 地下轮廓设计
1. 地下轮廓布置形式
1.1 综合说明
按照防渗和排水相结合的原则，在上游侧采用铺盖、板桩、齿墙等防渗设施，延长渗径，以减小作用在底板上的渗流压力，降低闸基渗流的平均坡降；在下游侧设置排水反滤设施，如面层排水、排水孔排水或减压井与下游连通，使地基渗水尽快排出，防止在渗流出口附近发生渗透变形。

由于粘性土地基不易发生管涌破坏，底板与地基间的摩擦系数较小，在布置地下轮廓时，主要考虑降低作用在底板上的渗流压力。

为此，在闸室上游设置水平防渗，而将排水设施布置在护坦底板下。

由于打桩可能破坏粘土天然结构，故粘性土地基不设板桩。

（具体图样见CAD 大图）
1.2 最小防渗长度的确定
防渗长度应满足式CH L ≥的要求。

根据地基为坚硬粉质粘土，渗径系数C 为 4~3，取大值4，取校核情况上游水位2204.7m 下游水位2201.0m 。

则上下游水位差m H 7.30.22017.2201=-=。

于是m CH L 8.147.34=⨯==。

2. 闸底板设计
2.1 闸底板长度计算
闸底板顺水流方向长度，据闸基土为坚硬粉质粘土，闸室底板取H )0.45.2(- 为安全起见取系数为4，H 上下游最大水位差为3.7m
m L 8.147.30.4=⨯=底
综合考滤取上部结构布置及地基承载力等要求，确定闸底板长15m ，齿墙深取1m ，在轮廓线上长度取2m ，与底板联成一体
2.2 闸底板厚度计算
闸底板厚度0)8/16/1(l t -=(0l 为闸孔净宽，为10m)
m t )8/106/10(-=，取m t 2=
2.3 闸底板结构
底板结构在垂直水流的长度上按经验每25m 分段，每隔3m 分横缝，防止温度变形和不均匀沉降。

3. 铺盖设计
3.1 铺盖材料选择
为充分利用灌区资源，减少投资，铺盖采用粘土铺盖；为防止铺盖被水流冲刷，应在其表面铺砂层，然后再砂层上在铺设单层或双层块石护面。

3.2 铺盖尺寸确定
铺盖长度H L ）（铺53-=
,H 为上下游最大水位差取3.7m m L 8.147.34=⨯=铺，取m L 15=铺
为方便施工，铺盖上游端取1m ，末端为2m ，以便和底板连接。

校核地下轮廓线的长度：根据以上设计数据，实际地下轮廓线长度m m L 8.14301515>=+=，满足要求。

4.侧向防渗
4.1 上游翼墙设计
上游翼墙除挡土外，最主要的作用是将上游来水平顺导入闸室，其次配合铺盖其防渗的作用。

其平面布置要与上游进水条件和防渗设施相协调。

顺水流流向的长度应满足水流要求，上游段插入岸坡，墙顶要超出最高水位0.5-1.0m ，则上游翼墙顶部高程m H 7.22050.17.2204=+=上
4.2下游翼墙设计
下游翼墙除挡土外，最主要的作用是引导出闸水流均匀扩散，避免出现回流漩涡等不利流态。

翼墙平均扩散角采用7°-12°,顺水流流向的投影长度应大于或等于护坦长度24m ，下游插入岸坡，墙顶一般高出最高泄洪水位。

则下游翼墙墙顶高程m H 28.22025.078.2201=+=下
4.3 翼墙布置形式
根据地基条件，翼墙采用曲线式，从边墩开始向上游延伸铺盖的长度15m ，向下游延伸护坦的长度24m 后，上下游翼墙以圆弧的形式转弯90°后与岸边连接，使水流条件和防渗效果好
5.排水止水设计
5.1 排水设计
5.1.1 水平排水： 水平排水采用反滤层排水，形成平铺式。

排水反滤层一般是由2-3层不同粒径的砂和砂砾石组成的。

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。

该水闸中的反滤层设计由碎石、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。

如下图所示：
反滤层布置图（单位 cm）
5.1.2 铅直排水：本水闸在护坦底板上设置三排排水孔，排距1.5m采用梅花形布置，孔径取10cm,孔距为3m。

5.1.3侧向排水：侧向排水布置应根据上、下游水位、墙体材料和墙后土质以及地下水位变化等情况综合考虑，并应与闸基排水布置相适应，在空间上形成防渗整体。

5.2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、护坦与底板温度沉陷缝、翼墙和护坦本身的温度沉陷缝内。

在黏土铺盖与闸底板沉陷缝中设置沥青油毛毡止水。

典型的缝间止水如下图
横缝止水片
沥青油毛毡典型的缝间止水示意图。