水利水电工程课程设计报告井头涌水闸初步设计.doc

浙江同济科技职业学院 课程设计报告课题名称:井头涌水闸初步设计报告专业:水利水电工程班级:13秋水工（本）姓名:吴建飞学号:1333001277920指导教师:时间:摘 要水闸是一种低水头挡水兼泄水的水工建筑物，依靠可以升降启闭的闸门控制水位、调节流量，在防洪、灌溉、排水、航运、发电等水利工程中应用的十分广泛。本次设计的井头涌水闸工程位于梅州市丰顺县城东南部。本工程的开发主要任务为防御榕江北河干流洪水，宣泄水闸上游集雨范围内的洪水，并且作为丰顺县城防工程的在井头涌这条支流上的一个封口。故当榕江北河干流水位高过支流水位时，下闸防御干流洪水；反之，则开闸。根据设计资料，结合当地水文、地质条件，按照水闸设计相关规范规定，设计该水闸结构型式。根据河道洪水季节行洪要求，确定水闸工程中的堰、泄水闸的型式、尺寸，根据当地灌区灌溉要求，确定水闸工程中进水闸的型式、尺寸。确定水闸工程的整体工程布置之后，对水闸进行泄流、供水能力复核计算，渗流计算，消能工的设计、复核以及闸室的稳定计算。完成水闸设计文本内容并绘制相关工程布置图。通过井头涌工程的整体设计计算，工程图纸绘制以及设计说明书的编写，能过对大学本科所学专业知识加以系统的整合、运用，是一次学以致用的实践过程。同时，通过此次水闸工程设计，认识到水利工程对于国民经济发展、生活水平的提高的巨大重要性，作为一个水利人，要认识到自己的肩头责任。 关键词：水闸设计 泄流洪水 防御干流洪水 消能防冲 目 录1总论11.1 设计基本资料11.2 工程综合说明42.水力设计52.1坝址及形式选择52.2闸孔设计62.3 消能防冲设计102.3.1 过闸水流的特点102.3.2消能防冲方式选择112.3.3 消能防冲设施的设计113 水闸防渗排水设计163.1 闸底地下轮廓线布置163.1.1 底板163.1.2 铺盖173.1.3 侧向防渗173.1.4 排水，止水173.1.5 防渗长度验算193.2 渗流计算193.2.1 确定地基的有效深度Te193.2.2 渗流区域的分段和阻力系数的计算203.2.3 渗透压力计算213.2.4抗渗稳定验算244 闸室布置244.1 底板254.2 闸墩254.3 胸墙264.4工作桥264.4.1闸门264.4.2 启闭机选型284.4.3 工作桥的尺寸及构造：294.5 检修便桥304.6 交通桥304.7 闸室的分缝止水305 闸室稳定计算及地基应力计算315.1 荷载及计算列表325.2 设计洪水情况下的荷载。335.3 校核洪水位情况的荷载355.4 稳定计算365.4.1 闸室基底压力计算365.4.2 设计情况：闸室基底压力计算375.4.3 校核情况：闸室基底压力计算396 闸室结构设计406.1 闸墩设计406.2 底板结构计算406.2.1 选定计算情况416.2.2闸基的地基反力计算416.2.3 不平衡剪力及剪力分析426.2.4 板条上荷载的计算436.2.5 弯矩计算446.2.6 配筋计算457 上下游连接建筑物467.1 上下游连接建筑物的作用467.2 上游连接段467.3 下游连接段46III1总论1.1 设计基本资料（1）概况本工程根据拟定的防洪堤设计方案，将在井头涌支流汇入口处修建水闸。本次新建的水闸的任务为防御榕江北河干流洪水，宣泄水闸上游集雨范围内的洪水，并且作为丰顺县城防工程的在石湖溪这条支流上的一个封口。故当榕江北河干流水位高过支流水位时，下闸防御干流洪水；反之，则开闸。本工程新建的井头涌水闸的最大过闸流量在100m3/s1000m3/s之间，按水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）拦河水闸工程分等指标，水闸为中型规模，3级水工建筑物。依据水闸设计规范（SL265-2001），并与围内治涝标准相协调，确定井头涌水闸泄流标准为10年一遇；同时水闸设计规范又规定：位于防洪堤上的水闸，其防洪标准不得低于堤防的防洪标准的规定，确定井头涌水闸挡洪设计标准为50年一遇。同时设计上交通应该跟旁边的提防连成整体。（2）水文及气象条件新建水闸10年一遇设计洪水情况流量，50年一遇校核洪水情况流量及其各自的相应上下游水位见表1。此成果将用于确定水闸规模及闸孔尺寸。表1水闸设计洪峰流量及相应内外江水位表项目名称单位水闸名称井头涌水闸设计P=10%洪峰流量m3/s125相应闸下游水位m17.10相应闸上游水位m17.30校核P=2%洪峰流量m3/s247相应闸下游水位m18.87相应闸上游水位m18.97通过新建水闸的各频率设计洪峰流量，水闸闸外榕江干流的水位与流量关系表（表2）及水闸闸外干流设计水位流量关系曲线图（图1）。此成果将用于确定水闸的消能计算。 表2石湖溪水闸的设计洪峰流量成果表水闸名称各频率设计洪峰流量（m3/s）P=2%P=3.33%P=5%P=10%P=20%石湖溪185170158136113计算水闸防渗，稳定及结构时，仍采用50年一遇校核洪水情况的下游水位，即18.87m。本工程地处亚热带季风带，气候温和，据丰顺县气象站统计，本地区多年平均气温21.4，最高气温39.1，最低气温-1.9。多年平均相对湿度85%。丰顺县季风期分明，秋、冬季节以吹北风和西北风为主，春、夏两季以吹南风和东南风为主，多年平均风速2.0m/s，风区长度为0.5KM。汛期多发生在49月，雨量特别集中，约占全年雨量的80%，其中前汛期46月以锋面雨为主，79月则主要受热带气旋影响，以台风雨为主；非汛期（10月次年3月），雨量稀少，约占全年雨量的20%。多年平均日照数在2000h左右。 图1 水闸闸外干流水位流量关系曲线图（3）工程地质和水文地质条件表3 水闸稳定计算允许值项目名称单位基本组合特殊组合备 注地基承载力标准值kPa300300取自地质报告基底应力比2.002.50中密卵石层抗滑稳定安全系数1.31.15工程地质条件：(详见地质剖面图)根据 “丰顺县城汤西河”地质资料，井头涌水闸处河道宽约9.3m，河床高程12.3m13.0m，河床为9.2m9.9m厚的卵石层，下界面高程3.07m；下伏全风化花岗岩。卵石层为中密，天然密度2.0g/cm3，地基承载力标准值300kPa，渗透系数7.010-2cm/s, 临界水力比降0.500.55。闸址所在支流“井头涌”的河道断面图，见图2。 图2地震设防烈度：根据中国地震动参数区划图（GB18306-2001），该工程所在地区地震动峰值加速度为0.1g，相应的地震基本烈度为7度。故根据水闸设计规范（江苏省水利勘察设计研究院，2008）规定，需对水闸进行抗震设计。1.2 工程综合说明本工程为拦河闸，建造在河道上。水闸的任务是防御榕江北河干流洪水。宣泄水闸上游集雨范围内的洪水，作为丰顺县城防工程在石湖溪这条支流上的一个封口。一、拦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。1.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。2.闸室段闸室是水闸的主体部分，通常包括底板、闸墩、闸门、胸墙、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。左岸水平高程为19.5米，右岸水平高程为14.3米，设计下游水位在17.1米，也就是说右岸边墩要加高。3.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。护坦具有削能防忡作用。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。2.水力设计2.1坝址及形式选择一、坝址选择闸址选择关系到工程建设的成功和经济效益的发挥，是水闸设计中的一项重要内容。应根据水闸的功能、特点和运用要求，以及区域经济条件，综合考地形、地质、建筑材料、交通运输、水流、潮汐、冰情、泥砂、施工、管理、周围环境等因素，经技术经济比较确定。闸址应选择在地形开阔、岸坡稳定、岩土坚实和地下水位较低的地点。闸址应选用地质条件良好的天然地基。壤土、中砂、粗砂、砂砾石适与作为水闸的地基。尽量避免淤泥质土和粉砂、细砂地基，必要时，应采取妥善的处理措施。拦河闸应选择在河道顺直、河势相对稳定和河床断面单一的河段，或选择在弯曲的河段采弯取直的新开河道上。应考虑材料来源、对外交通、施工导流、场地布置、基坑排水、施工水电供应等条件，同时还应考虑水闸建成后工程管理维修和防洪抢险等条件。水闸中心线的布置应考闸室与两岸建筑物均匀，对称的要求。拦河闸的中心线一般应与河道中泓线相吻合。二、闸室型式选择闸室按结构形式可分为：开敞式水闸和涵洞式水闸。开敞式水闸闸室上面不填土封闭的水闸。一般有泄洪、排水、过木等要求时，多采用不带胸墙的开敞式水闸，多用于拦河闸、排冰闸等。当上游水位变幅大，而下泄流量又有限制时，为避免闸门过高，常采用带胸墙的开敞式水闸，如进水闸、排水闸、挡潮闸多用这种形式。涵洞式水闸闸身上面填土封闭的水闸，又称封闭式水闸。常用于穿堤水或排水的水闸。洞内水流可以是有压的或无压的。综合考虑该工程特点，上、下游水位差较小，不须控制流量，泄洪时可能有漂浮物等因素，可采用无胸墙的开敞式水闸。闸孔形式的选择闸孔形式一般有宽顶堰型和实用堰低型两种。1宽顶堰型。这是水闸最常用的底板结构形式。主要优点是结构简单、施工方便、泄流能力比较稳定，有利于泄洪、冲沙、排淤、通航等；其缺点是自由泄流时流量系数小，容易产生波状水。2实用堰低型。有梯形、曲线型和驼峰型。实用堰型自由泄流时，流量系数较大，水流条件较好，选用适宜的堰面形式可以消除波状水。但泄流能力受尾水位变化的影响较为明显，不稳定。根据各种形式的适用条件，综合考虑该工程特点，河槽蓄水，闸前基本没有淤积，闸底高程应尽可能底。因此，采用无底砍平底版宽顶堰，堰顶高程与河床同高，即闸底板高程为13.2米。2.2闸孔设计一、闸底板高程的选定底板高程与水闸承担的任务、泄流或引水流量、上下游水位及河床地质条件等因素有关。闸底板应置于较为坚实的土层上，并应尽量利用天然地基。在地基强度能够满足要求的条件下，底板高程定得高些，闸室宽度大，两岸连接建筑物相对较低。对于小型水闸，由于两岸建筑物在整个工程中所占比重较大，因而适当降低底板高程，常常是有利的。当然，底板高程也不能定的太低，否则，由于单宽流量加大，将会增加下游消能防冲的工程量，闸门增高，启闭设备的容量也随之增大。另外，基坑开挖也较困难。 一般情况下，闸底板高程应该与河床持平，丰顺县城汤西河的地质资料显示，河床高程在12.313.0米，这里取较大值13.2米。二、计算闸孔总净宽首先要确定合适的最大过闸单宽流量。闸孔总净宽的增大或缩小，意味着过闸单宽流量q的减少或加大。它取决于闸下游河渠的允许最大单宽流量。允许最大过闸单宽流量可按下游河床允许最大单宽流量的1.21.5倍确定。根据工程实践经验，一般在细粉质及淤泥河床上，单宽流量取510m3/（sm）；在砂壤土地基上取1015m3/（sm）；在壤土地基上取1520m3/（sm）；在黏土地基上取2025m3/（sm）。下游水深较深，上下游水位差较小和闸后出流扩散条件较好时，宜选用较大值。（1）由已知上、下游水位及闸底板高程，由公式（21）、式（22）可求得上游水头及下游水深 。 表4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）行进流速v0（m/s）v02/2g上游水头H0（m）设计流量1253.94.140.453.090.494.59校核流量2475.675.7756.934.340.966.73 v0=Q/A （21） H0=H+v02/2g （22）其中 v0行进流速，m/s； Q过流流量，m3/s；A过水断面面积，m2；H0含有行进流速水头在内的闸前水头，m。推算的上游水头及下游水深见表4。过水断面面积计算，断面宽度取9.867米作平均值求近似值。详情见表4。（2）判别出流流态闸门全开泄洪时，一般属于淹没条件下的水流，所以采用平底板宽顶堰堰流公式，根据设计，校核情况下的上、下游水位及流量进行计算。对于宽顶堰，其淹没条件为：: hs0.8H0 （23）式中 hs下游水深，m； H0含有行进流速水头在内的闸前水头，m。根据公式（23）判别是否为淹没出流，其判别计算见表5 表5 淹没出流判别计算计算情况下游水深hs（m）上游水头H0（m）hs0.8H0流态设计水位3.94.593.93.67淹没出流校核水位5.676.735.675.38淹没出流（3）确定闸门总净宽对于平底板宽顶堰，闸门设计规范(DLT 5013-95) 中推荐的堰流公式为： = （24）其中 闸孔总净宽，m； Q流量，m3/s； 侧收缩系数，初拟可按0.950.96估计； m流量系数，初拟可按0.385计算； s淹没系数，可通过查表求得。 表6闸孔总净宽计算流量Q（m3/s）下游水深hs（m）上游水头H0（m）hs/H0淹没系数s（m）设计流量3.94.590.850.968.09校核流量5.676.730.840.978.91 按闸门总净宽计算公式（24），根据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算，见表23。其中堰流侧收缩系数取0.95；流量系数m取0.385；淹没系数s根据 hs/H0查水力学（吴持恭，2008年）教材。并取两者的较大值。 （4）闸孔尺寸的选择该水闸是中小型水闸，闸室单孔宽度应根据闸的地基条件、运用要求、闸门结构形式、启闭机容量以及闸门等因素，进行综合比较确定。根据闸门设计规范(DLT 5013-95)中闸孔尺寸和水头系列标准，选定单孔净宽b=,9米，同时为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用1孔。 总净宽值9米不超过计算值得3%5%，同时孔数为单数，便于闸门对称开启，使过闸水流均匀。（5）闸墩的厚度及墩头形状 井头涌水闸的河床为卵石层，下伏分全风化花岗岩。不仅承载能力大而且坚硬紧密。可以在单孔底板上设双缝，将底板与闸墩分开，采用分离式底板，边墩采用1.2m.闸孔总宽度为：L=9+1.2+1.2=11.4m三、校核闸孔的泄洪能力水闸设计规范（江苏省水利勘察设计研究院，2001）中(A.0.1-1)堰流的计算公式为：Q= （25）为闸孔总净宽 Q为过闸流量m为堰流流量系数，多采用0.385为堰流侧收缩系数，根据水闸设计规范 （A.O.1.2)求得计入行进流速水头的堰上水深 式中 L=nb0（n为闸孔数，b0为单孔净宽），分别按设计、校核两种情况确定计算参数，求出相应的实际过闸流量Q1，校核过流能力。一般其相对差值不应超过5%。5% （26）5% （27） 表7过流能力校核计算计算情况（m3/s）堰上水头H0（m）hs/H0sQ校核过流能力设计流量1254.590.850.960.95139.0211% 校核流量2476.730.840.970.952490.81%其中设计情况过流能力大于5%，校核情况流量小于5%。一般情况应两者小于5%，但是本水闸是小型水闸，设计和校核情况流量相差比较大，为满足校核情况下的流量，所以本水闸取稍大的值也行。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（江苏省水利勘察设计研究院，2001）（2-2），结果如下：对于中孔：b0/bs=3/（3+1）=0.75 得1=0.961对于边墩： b0/bs= b0/（b0+bb）=3/（3+1.2+36.73+（12.2-9）/2）=0.115得1=0.909=（0.961+0.9092）/3=0.932.3 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。那么首先应了解过闸水流的特点。2.3.1 过闸水流的特点（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（Fs=11.7），容易放生波状水跃，特别是在平底板的情况下更是如此。此时，无强烈的水跃旋滚，水面波动，消能效果差，具有较大的冲刷能力。另外，水流处于急流状态，不易向两侧扩散，致使两侧产生回流，缩小河槽有效过水宽度，局部单宽流量增大，严重地冲刷下游河道。（3）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。2.3.2消能防冲方式选择泄水建筑物下游水流的消能防冲方式有以下几种形式。1底流式衔接消能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。平原地区的水闸，由于水头低，下游水位变幅大，适用底流式消能。2挑能式消能在建筑物出流部位利用挑流鼻坎将水流抛射在较远的下游，不致影响建筑物安全。适用山区灌溉渠道上的泄水闸和退水闸，下游为坚硬的岩体，又具有较大的水头的情况。3面流式消能对下游水深较大且稳的情况，可采用低与下游水位的跌坎，将下泄的高速水流送入下游河道水流表层，在坎后形成底部旋滚，减轻对河床的冲刷，并消除余能。由于本闸位于地势平坦的地区，河床的抗冲刷能力较低，采用底流式消能。2.3.3 消能防冲设施的设计 消能防冲设计包括消力池，海漫设计及防冲槽等三部分1.消力池的设计（1）上下游水面连接形态的判别，当闸门从关闭状态到校核的下泄流量为Q=247，往往是分级开启的。为了节省计算工作量，闸门的开度拟分三级开启。第一级泄流量25；待下游水位稳定后，开度增大至设计流量216；最后待下游水位稳定后，再增大开度至最大下泄流量247。（2）当泄流量为Q=25时，上游水深6.72米，下游水深则采用前一级开度（即Q=0）时的下游水深1.0米，这个水深是榕江外干流的2%校核年水深；则上游行近流速：则可以忽略不计。假设闸门的开度e=0.410，e/H=0.410/6.73=0.061 h =1m,为自由出流式水跃，需要设立消力池。由，查SL265-2001表A.3-2得孔流淹没系数，因此有, 得式中孔流流量系数。因此该值与要求的流量25m/s十分接近，故所假定的闸门开度e=0.410是正确的。 表8水面连接计算序号Q(m3/S)e（m）hc(m)hC”（m）h（m）水面连接情况125.10.4100.6130.2511.8521远离式水跃22163.410.6452.194.85.4淹没式水跃32473.820.6512.495.085.7淹没式水跃 以同样的方法，则分级开启时216、247时的闸门开度，并计算相应的参数，并判别不同下泄流量时，上下游水面的连接形式，则可以判别是需要设消力池，其水面连接计算见表8所示根据表2.1的计算，以下泄流量25作为消力池长度的计算依据。图3 图3依据SL265-2001,附表B1.1,则计算出消力池的相关参数:其中为出池落差、h“s为出池河床水深、为水流动能校正系数取1.0。则计算出消力池池深d=0.8642m，但为了稳定泄流时的水流，根据规范取池深d=1.0m。消力池长度计算:由前面的计算，以下泄流量25.0作为确定消力池长度计算的依据。略去行进流速v0，则：T=H+d=6.72+1.0=7.72 根据水闸设计规范SL 265-2001（江苏省水利勘察设计研究院，2001）（B.1.1-3) (29 ) a水流动能校正系数，取1.0到1.05q过闸单宽流量孔流流速系数 取为1由消力池底板顶面算起的总势能得到 ， ， 即 则得到 =0.1815由此：由此水跃长度：消力池与闸地板以1:4的斜坡段连接，则则消力池长度： 注：为水跃长度校正系数取消力池长度为 消力池底板厚度计算： 根据抗冲要求据水闸设计规范SL 265-2001（江苏省水利勘察设计研究院，2001）（B.1.3-1) （210）t为消力池底板始端厚度H闸孔泄水时上下游水位差q单宽流量式中q为单宽流量q=2.19 H为闸孔泄水是的上下游最大水位差，通过资料比较，设计状况时上下游水位差H=0.2m，k1为消力池底板厚度计算系数，取k1=0.180则：计算的t=0.178m0.5m 故取消力池池底厚度取t=0.5m由此得到，取消力池底板厚为0.5m，前后等厚。为减小作用在护坦底板上的扬压力，在消力池底板的后半部分设置排水孔，并在该部位的地面铺设反滤层，排水孔径取d=0.2m，间距L=2m，呈梅花形排列，为使出闸水流在池中产生水跃，在消力池与闸底板连接处留一宽为1.0m的平台，厚以1:4的斜坡连接，底板下设0.2m厚砂，碎石垫层，反滤，排水。2.海漫的设计海漫的长度计算由水闸设计规范SL 265-2001（江苏省水利勘察设计研究院，2001）（B.2.1)： （211)其中为海漫长度 消力池末端单宽流量 海漫长度计算系数，由水闸设计规范SL 265-2001（江苏省水利勘察设计研究院，2001）表（B.2.1)查得式中q为单宽流量q=2.19 H为闸孔泄水是的上下游最大水位差H=0.2m，kS为海漫长度计算系数，由于河床为中砂 取k1=12.0则因此取海漫的长度为LP=12.0m采用浆砌石作为海漫的材料，其厚度为0.5m，浆砌石内设排水孔，下面铺设反滤层，在海漫起始段做5.0m长的水平段，其顶面高程与护坦齐平，在海漫后半段做成1:15的斜坡，以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不收冲刷。3.防冲槽的设计取防冲槽深度为2.0m，底宽b为4.0m，取顶端与海漫末端齐平，则上游坡率取m=2，下游坡率取m=3。由此得到消能防冲设计的相关尺寸 。见图4 图43 水闸防渗排水设计3.1 闸底地下轮廓线布置地下轮廓的设计主要包括底板，防渗铺盖，板桩等的设计3.1.1 底板底板既是闸室的基础，又兼有防渗、防冲刷的作用。它既要满足上部结构布置的要求，又要满足稳定及本身的结构强度等要求。（1） 底板顺水流方向的长度L0：（用校核年的上流水深减去榕江干流的下游校核年水深求水位差）根据闸底板的形式，用经验公式（31）计算，并综合考虑闸上结构布置及地基承载力两方面因素，拟定闸底板顺水流方向长度。L底=AH （31）式中 A系数，对于砂砾石地基可取1.52.0，对于砂壤土可取2.02.5，对于黏壤土地基可取2.03.0，对于黏土地基可取2.53.5；该工程闸基为重粉质壤土，取A=2.0； H上、下游最大水头差。为了满足上部结构布置的要求，L必须大于交通桥宽、工作桥、工作便桥及其之间间隔的总和，即取L0约为17米 .（2）底板厚度d:根据经验，初拟底板厚度d=1.0m（3）底板构造：底板采用钢筋混凝土结构，上下游两端各设1.0m深的齿墙嵌入地基，底板分缝设以“v”型铜片止水，由于地基为砂性土的细砂地基，抵抗渗流变形的能力较差，渗流系数也较大，由此得在底板两端分别设置不同深度的板桩，由于一般为水头的（0.61.0）倍，有水头大小可知，上游端设板桩深为3m，下游端不设板桩。3.1.2 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35倍。铺盖的厚度应根据铺盖土料的允许水力坡降值计算确定，即=H/J，其中，H为铺盖顶、底面的水头差，J为材料允许坡降，黏土为48，壤土为35。铺盖上游端的最小厚度一般为0.60.8m，逐渐向闸室方向加厚至1.01.5m。 铺盖采用钢筋混凝土结构，其长度一般为24倍闸上水头或35倍上下游水位差，5.77拟取20m，铺盖厚度为0.4m。铺盖上游端设0.5m深的小齿墙，其头部不再设防冲槽。为了防止上游河床的冲刷，铺盖上游设块石护底，厚0.3m，其下设0.2m厚的砂石垫层。3.1.3 侧向防渗侧向防渗主要靠上游翼墙和边墩，则上游翼墙为曲线形式，从边墩开始向上游延伸一定距离后，以半径为7.0米的圆弧插入岸墙。3.1.4 排水，止水1、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。2、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23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。 综合考虑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5： 图5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10cm，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23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。3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。为了减小作用于闸底板上的压力，在整个消力池底板下部设砂砾石排水，其首部紧抵闸底板下游齿墙。闸底板与铺盖、铺盖与上游翼墙、上游翼墙与边墙之间的永久性缝中，均设以铜片止水。闸底板与消力池、消力池与下游翼墙、下游翼墙与边墩之间的永久性分缝，虽然没有防渗要求，但为了防止闸基土与墙后填土被水流带出，缝中铺贴沥青油毛毡。3.1.5 防渗长度验算 算闸基防渗的计算必须的防渗长度满足: L=CH H为上下游最大水位差，则H=4.77,C为允许渗径系数值，由于为中砾取C=4。得最小允许防渗长度L=CH=44.77=19m。实际闸基防渗长度L见图6 图6L=17+1+13.3+0.4=31.7m19m, 闸基防渗长度满足要求3.2 渗流计算3.2.1 确定地基的有效深度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（江苏省水利勘察设计研究院，2001）公式（32）确定：当5时， =0.5l0当5时， =5/（1.6/+2） （32） 式中 土基上水闸的地基有效计算深度，m； 地下轮廓的水平投影长度，m； 地下轮廓的垂直投影长度，m。根据钻探资料，闸基透水层深度很大。故在渗流计算中必须取一有效深度代替实际深度。由地下轮廓线简化图知：地下轮廓的水平投影长度=13.3+17=30.3m;地下轮廓的垂直投影长度S= 5m。 / =30.3/5=6.065,故地基的有效深度=0.5 =0.530.3=15.15m。又资料显示河床下界面高程3.07米，则T=13.2-3.07=10.13则T，故地基的实际计算深度T=10.13m。 图7地下轮廓线简化图3.2.2 渗流区域的分段和阻力系数的计算过地下轮廓的角点、尖点，将渗流区域分成8个典型段。如上图1、8段为进出口段，2、4、5、7则为内部垂直段，3、6、二段为内部水平段。则相关计算的数据见下表9：则 3.2.3 渗透压力计算(1) 设计洪水情况下：H=17.30-13.2=4.1 m。根据水流的连续条件，经过各流段的单宽渗流流量均应相等各流段的水头损失的计算,则得h=(0.488/5.331)4.1=0.38 h=(0.052/5.331)4.1=0.04h=(1.713/5.331)4.1=1.32 h=(0.516/5.331)4.1=0.40h=(0.477/5.331)4.1=0.37 h=(1.402/5.331)4.1=1.08h=(0.110/5.331)4.1=0.085 h=(0.573/5.331)4.1=0.44 进出口段进行必要的修正：进出口修正系数据水闸设计规范SL 265-2001（江苏省水利勘察设计研究院，2001）（C.2.4-3) (33）T=9.13 T=10.13 S=1m得=0.67=1.0 故应该修正 表9各流段阻力系数为 流段阻力系数为段号ST或L进口段和出口段1110.130.4888210.130.573内部垂直段20.59.630.05244.59.630.51654.09.130.47771.09.130.110内部水平段3S1=0.5S2=4.5T=9.63L=201.7136S1=4.0S2=1.0T=9.63L=171.402进水口段水头损失的修正为：h1=h1=0.670.38=0.255m进口段水头损失的修正量为：h= h1h1=0.38-0.255=0.125m修正量应转移给相邻各段h=0.04+0.04=0.08h=1.32+（0.125-0.04）=1.405同样对出口段修正如下T=9.13 T=10.13 S=2m则得:=0.88=1.0 故亦需要修正出口段的水头损失修正为h8= h=0.880.44 =0.39m进口段水头损失的修正量为：h= h8h8=0.44-0.39=0.05m计算各角点的修正后的渗压水头：由上游进口段开始，逐次向下游从作用水头值H中相继减去各分段的水头损失值，即可求得各角隅点的渗压水头值：H1 = 4.1mH2= H1-h1=4.1 -0.255=3.845m H3= H2-h2 =3.845-0.08=3.765m H4= H3-h3=3.765-1.405=2.36mH5= H4-h4 =2.36-0.04=2.32mH6= H5-h5 =2.32-0.37=1.95m H7= H6-h6 =1.95-1.08=0.87m H8= H7-h7=0.87-0.135=0.735 m H9= H8-h8=735-0.735=0.000m 图8作出渗透压力分布图：根据以上算得渗压水头值，并认为沿水平段水头损失呈线形变化，则作出设计洪水位是渗透压力分布图，如图8所示:单位宽度底板所受渗透压力：单位宽铺盖所受的渗透压力：（2）同样的步骤可计算出校核情况下的渗透压力分布，即 H=5.77m H1 =5.77mH2 =5.412m H3 =4.286m H4 =2.305m H5 =1.742mH6 =1.221m H7 =0.62m H8 =0.14m H9 =0.00m 图93.2.4抗渗稳定验算闸底板水平段的平均渗透坡降和出口处的平均逸出坡降：闸底板水平段的平均渗透坡降为：设计情况下： （34）则=0.06=0.070.10 (查水闸设计规范得)校核情况下： （35）则=0.035=0.070.10 (查水闸设计规范得)渗流出口处的平均逸出坡降J为:设计情况下：则=0.22=0.300.35 (查水闸设计规范得)校核情况下：则=0.07=0.300.35 (查水闸设计规范得)闸基的防渗满足抗渗稳定的要求。 4 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。闸室结构布置主要包括底板、闸墩、闸门、工作桥和交通桥等部分结构的布置和尺寸的拟定。4.1 底板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。底板长度17米，底板的结构、布置、构造已经在上一节计算布置，在此不用多说明。4.2 闸墩1作用 分离闸孔并支撑闸门，工作桥等上部结构，使水流顺利地