水闸设计实例 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710m。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。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。（一）地质条件 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纪蟓更新世Q3与第四纪全新世Q4的层交错出现，闸址两岸高程均在41m左右。闸址处地层向下分布情况如下表1所示。表1 闸址处地层分布情况土质名称重粉质壤土细砂中砂重粉质壤土中粉质壤土分布范围由上而下河床表面以下深约3m高程28.8m以下厚度约5m高程22m以下厚度5-8m（二）地形 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30.00m，主河槽宽度约80-100m，河滩宽平，呈复式河床横断面，河流比较顺直。（三）土的物理力学性质指标 土的物理力学性质指标主要包括物理性质、允许承载力、渗透系数等，具体数字如表2、3所示。表2 土的物理性质指标表湿重度饱和重度浮重度细砂比重细砂干重度19KN/m321 KN/m311 KN/m327 KN/m315 KN/m3 表3 土的力学性质指标表 内摩擦角土基允许承载力摩擦系数不均匀系数渗透系数 cm/s自然含水量时 KN/m混凝土、砌石与土基的摩擦系数当土基为密实细砂层时值为 粘土 中细砂层 饱和含水量时 砂土 以下土层 （四）工程材料 1、石料本地区不产石料，需从外地运进，距公路很近，交通方便。2、粘土经调查本地区附近有较丰富的粘土材料。 3、闸址处有足够的中细砂。（五）水文气象 1、气温本地区年最高气温42.2 C，最低气温-20.7 C，平均气温14.4 C。 2、风速 最大风速 m/s，吹程0.6Km。 3、径流量非汛期（16月及1012月）9个月份月平均最大流量9.1m3/s。汛期（79）三个月，月平均最大流量为149m3/s，年平均最大流量 m3/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。（六）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（SD112-78）的规定，本枢纽工程为等工程，其中永久性主要建筑物为3级。2、灌溉用水季节，拦河闸正常挡水位为38.50m。3、洪水标准见表4所示。表4 洪水标准表项目 重现年 洪水流量（m3/s） 闸前水位（m） 下游水位（m） 设计洪水 20 937 39.15 39 校核洪水 50 1220 40 .3540.2 （七）施工条件 1、工期为两年。 2、材料供应情况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；电源由电网供电，工地距电源线1.0Km；地下水位平均为28.030.0m。（一）闸址的选择 闸址、闸轴线的选择关系到工程的安全可靠、施工难易、操作运用、工程量及投资大小等方面的问题。在选择过程中首先应根据地形、地质、水流、施工管理应用及拆迁情况等方面进行分析研究，权衡利弊，经全面分析比较，合理确定。 本次设计中闸轴线的位置已由规划给出。（二）闸型确定 本工程主要任务是正常情况下拦河截水，以利灌溉，而当洪水来临时，开闸泄水，以保防洪安全。由于是建于平原河道上的拦河闸，应具有较大的超泄能力，并利于排除漂浮物，因此采用不设胸墙的开敞式水闸。同时，由于河槽蓄水，闸前淤积对洪水位影响较大，为便于排出淤沙，闸底板高程应尽可能低。因此，采用无底坎平顶板宽顶堰，堰顶高程与河床同高，即闸底板高程为30.00m。（三）拟定闸孔尺寸及闸墩厚度 由于已知上、下游水位，可推算上游水头及下游水深，如表1所示： 表1 上游水头计算 流量Q（m3/s）下游水深hs（m） 上游水深H（m） 过水断面积（m2） 行近流速（m3/s） 上游水头H0（m） 设计流量937 9 9.15 995.768 0.941 0.045 9.195 校核流量1220 10.20 10.35 1166.768 1.046 0.056 10.406 注：考虑壅高1520cm。闸门全开泄洪时，为平底板宽顶堰堰流，根据公式1判别是否为淹没出流。 表2 淹没出流判别表计算情况下游水深 hs（m）上游水头H0（m）流态设计水位99.195淹没出流校核水位10.2010.406淹没出流 按照闸门总净宽计算公式(2)，根据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算如下表。其中 为堰流侧收缩系数，取0.96； 为堰流流量系数，取0.385。 表3 闸孔总净宽计算表 流量Q（m3/s）下游水深hs（m） 上游水头 H0（m） 淹没系数 （m） 设计流量937 9 9.195 0.979 0.045 50.07 校核流量1220 10.20 10.406 0.98 0.056 55.50 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 m，同时为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用7孔，闸孔总宽度为：Lnb0+(n1)d= =64m由于闸基为软基河床，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。如图1所示。 图1 闸孔尺寸布置图 (单位：m) （四）校核泄洪能力 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（规范表2-2），结果如下：对于中孔 得 ；靠缝墩孔 得 ；对于边孔 得 ；所以与假定接近，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4 过流能力校核计算表计算情况 堰上水头H0（m） 校核过流能力设计流量937 9.195 0.979 0.41 0.96 1048.04 11.8% 校核流量1220 10.406 0.98 0.4 0.96 1230.99 0.8% 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。（一）消能防冲设计的控制情况 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。设计水位或校核水位时闸门全开渲泄洪水，为淹没出流无需消能。闸前为正常高水位38.50m，部分闸门局部开启，只宣泄较小流量时，下流水位不高，闸下射流速度较大，才会出现严重的冲刷河床现象，需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，所以采用闸前水深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，本次设计按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。按公式（7）、（8）、（9）、（11）计算结果列入表1。表1 消力池池深池长估算表开启孔数n开启高度 收缩系数泄流量Q 单宽流量q 收缩水深hc跃后水深 hc下游水深Hs流态判别消力池尺寸备注池深d池长Ls水跃长Lsj10.80.554445.440.493.272.40自由出流1.0321.519.2 1.00.616607.550.624.032.651.624.523.5 1.20.617739.080.744.412.951.725.725.3 1.50.6199111.40.934.903.251.927.227.4池深控制2.00.62112215.31.245.533.622.231.729.6限开30.80.5541315.440.443.273.75淹没出流 1.00.6161817.550.624.034.25 1.20.6172179.080.744.414.58 1.50.61927311.40.934.90 2.00.62136615.31.245.53 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2.0米限开，得出开启1孔开启高度为2米为消力池的池深控制条件。（二）消力池尺寸及构造 1、消力池深度计算根据所选择的控制条件，估算池深为2m，用（10）、（11）、（12）式计算挖池后的收缩水深hc和相应的出池落差Z及跃后水深hc，验算水跃淹没系数符合在1.051.10之间的要求。2、消力池池长根据池深为2m，用公式（13）、（14）计算出相应的消力池长度为32。3、消力池的构造采用挖深式消力池。为了便于施工，消力池的底板做成等厚，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。根据抗冲要求，按式16计算消力池底板厚度。其中 为消力池底板计算系数，取0.18； 为确定池深时的过闸单宽流量； 为相应于单宽流量的上、下游水位差。m，取消力池底板的厚度 m。 图1 消力池构造尺寸图 (单位：高程m，尺寸cm)（三）海漫设计 1、海漫长度计算用公式（18）计算海漫长度结果列入表2。其中 为海漫长度计算系数，根据闸基土质为中粉质壤土则选12。取计算表中的大值，确定海漫长度为40m。表2 海漫长度计算表流量Q上游水深 下游水深 q 1008.53.351.565.2522.720