《水工建筑物》课程设计之前进水闸设计

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300m3/s，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300m3/s，上游水位2204.7m，下游水位2201.78m；

上游水位H?2204.7?2194.5?10.2m，下游水位hs?2201.78?2194.5?7.28m 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b1?34m，末端宽度采用河底宽度b2?50m。

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A?(50?2?10.2)?10.2?718.08m2 上游行近流速v0?Q300??0.418m/s A718.082?v01.0?0.4182?10.2??10.21m 行近水头H0?H?2g2?9.81下游水深ht?2201.78?2194.5?7.28m

宽顶堰闸孔出流流量公式Q??1enl02gH0，?1??'?1??'e/H0

?'由相对开启高度e/H查《水力学》354页表9-7可得，?取0.9

hc0??'e，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hc02

hc0b10.258?q2?(1??1)()，根据hc02和ht的关系判别水跃形态 2b2ghc30计算表格如下：

开启孔数n333333333333111111111111开启相对开启垂直收缩闸孔流量高度e高度e/H系数ε系数μ1泄流量Q0.510.050.610.54117.631.020.10.620.54232.241.530.150.620.53343.672.040.20.620.52451.732.550.250.620.51557.053.060.30.930.71919.583.570.350.630.50756.864.080.40.630.49853.034.590.450.640.49946.245.10.50.650.481034.935.610.550.650.471119.756.120.60.660.461201.220.510.050.610.5439.211.020.10.620.5477.411.530.150.620.53114.562.040.20.620.52150.582.550.250.620.51185.683.060.30.930.71306.533.570.350.630.50252.294.080.40.630.49284.344.590.450.640.49315.415.10.50.650.48344.985.610.550.650.47373.256.120.60.660.46400.41单宽流收缩断面跃后水下游水量q水深hco深hco2深ht流态3.920.312.747.28淹没式7.740.633.737.28淹没式11.460.944.427.28淹没式15.061.264.957.28淹没式18.571.595.377.28淹没式30.652.836.297.28淹没式25.232.245.977.28淹没式28.432.586.187.28淹没式31.542.936.347.28淹没式34.503.296.457.28淹没式37.323.666.517.28淹没式40.044.056.537.28淹没式3.920.312.747.28淹没式7.740.633.737.28淹没式11.460.944.427.28淹没式15.061.264.957.28淹没式18.571.595.377.28淹没式30.652.836.297.28淹没式25.232.245.977.28淹没式28.432.586.187.28淹没式31.542.936.347.28淹没式34.503.296.457.28淹没式37.323.666.517.28淹没式40.044.056.537.28淹没式 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hci?1?q?2g(H0?hci)

q?300?8.82m3/(s*m)， ??0.9 令h1?0；代入迭代公式可得： 34h2?0.692m，h3?0.7171m，h4?0.71808m，h5?0.7181m，h6?0.7181m，

由此可得hc?0.7181m?0.718m

假设水跃在最小收缩断面发生，跃后水深hc02hc02?ht，故也发生淹没式水跃

hc0b10.258?q2?(1??1)()?3.95m 2b2ghc301.3.3 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Lj?6.9?3.78?26.08m；按规范取??0.75

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Lsj?Ls??Lj?1?4?0.75?26.08?23.56m，取Lsj?24m

护坦厚度t?k1qH，k1取0.155，q?18.57m3/(s*m)，H为上下游水位差

t?k1qH?0.155?18.57?2.92?0.873m，取t?1m

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hc02?hc?3.95?0.718?3.232m 水跃长度Lj?6.9?3.232?22.30m；按规范取??0.75 护坦长度Lsj?Ls??Lj?1?4?0.75?22.30?20.72m 护坦厚度t?k1qH，k1取0.155，q?

300?10m3/(s*m)，H为上下游水位差 30t?k1qH?0.155?10?2.92?0.641m

1.4.3 综合以上计算情况，可以确定护坦长度LSJ?24m，护坦厚度t?1m

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L?k2qH，H为上下游水位差

k2为渠床土质系数，根据地质资料渠床为粉质粘土取k2?10

q为护坦出口处单宽流量，取最大值q?300?10m3/(s*m) 30 L?k2qH?10?10?2.92?41.34m，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。

q'海漫末端的河床冲刷深度按公式t?1.1??t

?v0?''q'为海漫末端单宽流量，由消能防冲设计水位组合取q'?300?10m3/(s*m) 30?v0?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2201.78?2194.5?7.28m， 海漫10m水平段后有1:10的斜坡段，斜坡水平长度42?10?32m 则斜坡段在垂直向下降3.2m ，即t?7.28?3.2?10.48m

q'10 t?1.1??t?1.1??10.48?2.46m

?v0?0.85''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V?At''?3?2.5?7.5m3（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L?CH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H?2201.7?2201.0?3.7m。于是L?CH?4?3.7?14.8m。

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(2.5?4.0)H 为安全起见取系数为4，H上下游最大水位差为3.7m L底?4.0?3.7?14.8m

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t?(1/6?1/8)l0(l0为闸孔净宽，为10m)

t?(10/6?10/8)m，取t?2m

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。