跨越河道修建节制闸设计毕业论文.doc

河北工程大学毕业设计跨越河道修建节制闸设计毕业论文1 枢纽布置1.1 总体布置 本设计为节制闸，一般跨越河道修建，故又称为拦河闸。用于枯水期蓄水，抬高水位以及供进水闸取水，洪水期开闸泄洪。在渠系中一般位于支、斗渠分水口稍下游，跨越干、支渠修建也称节制闸。用于抬高干、支渠水位，供支、斗渠取水。闸址一般应设置在河道直线段上。闸址处于上下游河道直线段长度均不短于510倍水面宽度，且不宜小于300m。坝址选择是水闸规范设计中的一项重要工作，闸址合适与否，不仅涉及到水闸建设的成败，并且关系到整个地区的经济发展，因此对闸址选择的工作应十分重视。1.1.1确定水闸位置时应考虑的几个因素地基条件 是影响水闸总体布置的主要因素之一应尽可能选择土质密实，均匀。压缩性较小和承载能力较大的良好地基。此外，由于闸基土质的抗冲能力直接影响单宽流量的选择和闸后消能防冲设备的设计，而地下水位的高低及承压水的有无对地基的稳定性和施工期的排水措施也有所影响，故在选择闸址时应考虑这些条件。水流条件 是另一主要因素闸的位置应使进闸和出闸水流平顺，防止上，下游产生有害的冲刷和淤积。施工、管理条件 也是闸址选择时要考虑的一个因素要求有足够宽广的施工场地，并且尽可能使土方工程量最小。当水闸是整个枢纽的一个组成部分时，应就枢纽工程总体布置做方案比较，得出水闸最优位置，以达到技术上先进与经济上合理的要求。12 结构布置 121闸室的结构布置水闸的主体是闸室，其结构型式是多种多样的，主要取决于泄放水流的方式以及闸门的构造和操作方式。按照闸室的泄流特点分类，可以分为以下几种型式：1.堰流式闸室当闸门全开时过闸水流具有自由水面的水闸成为溢流式闸室，也称开敞式闸室。一般堰槛高程较高，挡水高度较小的水闸都采用这种型式，依靠闸门挡水。当闸门全部打开时，水闸的过水面积和泄流量都随水位的太高而增大，对于需要泄放洪水的拦河闸和分洪闸来说，这是一个很大的优点。2.孔流式闸室当闸门全开时，自幼水面仍受阻挡，水流只能通过固定洞孔泄入下游，称为孔流式闸室，也成为封闭式闸室。当闸槛高程较低，扎什高度较大，需要泄放或取用底层水流时，常采用这种型式。一般把闸室顶部封闭。例如设置胸墙挡水，底部设置孔口泄水，这样可以减少闸门尺寸。这种泄流方式最适合于冲沙闸的工作条件，有其突出的优点。3.混合泄流式闸室这是一种既具有面流溢流能力，又具有地孔泄流能力的闸室结构。构造上分为上下两层，分别装设闸门。开启上层闸门，利用面层溢流泄放洪水和漂流物。开启下层闸门，则利用底孔冲刷闸前淤泥的泥沙。这种类型的闸室多用于拦河节制闸或引水系统的进水闸上。有时在特别软弱的淤泥质地基上建闸，为了加强闸室的横向刚度，借以减小地基的不均匀沉降和闸室的结构变形，在闸室的过水断面中假设一层水平横隔板，型式上亦构成了上下两层泄水通道，但常常共用一个闸门，在运用要求上与混合泄流式闸室不尽相同。本水闸设计闸门全开时具有自由水面，挡水高度较小，且依靠闸门挡水，故可采用开敞式闸室。根据已知资料，初步采用开敞式闸室。 底板 是整个闸室结构的基础，承受水闸上部结构的重量及荷载并向地基传递的结构，同时兼有防渗及防冲作用，防止地基由于受渗透水流作用可能产生的渗透变形并保护地基免受水流冲刷。本设计初步采用平底板。 闸墩 是闸门和各种上部结构的支承体，由闸门传来的水压力和上部结构的重量和荷载通过闸墩传布于底板。闸墩通常采用实体式，其外形轮廓设计应能满足过闸水流平顺，侧向收缩小，过流能力大的要求。本设计初步采用上游墩头半圆形，下游墩头流线形的型式。 闸门 其结构的选型布置应根据其受力情况控制运用要求、制作、运输、安装维修条件等，结合闸室结构布置合理选定。本设计初步采用平面钢闸门。 启闭机 其型式可根据门型尺寸及其运用条件等因素选定。本设计初步采用卷扬式平面闸门启闭机。 闸室上部的工作桥、交通桥 根据闸孔孔径，闸门启闭机型式及容量设计荷载标准等分别选用板式、梁板式、板拱式，其与闸墩的连接型式应与底板分缝及胸墙支承型式统一考虑。本设计初步选用梁板式。122 两岸连接布置 水闸两岸连接应能保证岸坡稳定改善水闸进出水流条件提高泄流能力和消能防冲效果，满足侧向防渗需要，减轻闸室底板边荷载影响，且有利于环境绿化等。上下游翼墙宜与闸室及两岸岸坡平顺连接。123 防渗排水布置 当闸基为中壤土，轻壤土或重壤土时闸室上游宜设置钢筋混凝土或黏土铺盖或土工膜防渗铺盖，闸室下游护坦底部应设反滤层。本设计初步采用钢筋混凝土铺盖。124 消能防冲布置 水闸消能防冲布置应根据闸基地质情况，水力条件以及闸门控制运用方式等因素进行综合分析确定。本设计初步采用底流消能方式。 图1.1 水闸整体布置图（单位：） 2 水闸的水力计算水力计算包括：设计水闸的闸孔，出流以满足进流、出流、控制水位要求。 设计水闸的消能防冲设施，使水闸避免冲刷。 设计水闸的防渗排水设施，使水闸避免渗透变形。2.1 闸孔设计 闸孔型式：包括闸底板的型式（堰型）、闸门、闸门顶部胸墙。闸孔尺寸：包括闸底板的顶面高程，闸孔净宽和孔数。2.1.1上下游水位的确定上游水位：在河道上建闸后，上下游将形成一定水头差，上游水位是由规划决定。由设计资料给出，该节制闸的最高设计蓄水位为51.6m。本设计上游应低于最高设计蓄水位，采用50.5 m。下游水位：因水闸上下游为人工开挖渠道，其表面糙率沿程不变，设渠道中无任何阻碍水流运动的建筑物，故下游可按明渠均匀流计算。作出渠道下游h下Q关系曲线 ，以备在不同流量下，直接由该曲线查得下游水位。闸孔净宽的控制情况通常是宣泄设计或校核流量时，此时闸门全部开启，多为淹没流态。由于闸孔宽度一般小于河道宽度，水流过闸时侧向收缩，并使上游水面雍高而形成闸上下游水位差H。该水位差的大小关系到闸室工程量和上游淹没损失。水闸的过闸水位差应根据上游淹没影响，允许的过闸单宽流量和水闸工程造价等因素综合比较选定。根据水闸设计规范，一般情况下，平原水闸的过闸水位差可采用0.1m0.3m。在水闸设计中，如采用较大的过闸水位差，可缩减闸孔总净宽，降低水闸工程造价但抬高了水闸的上游水位，不仅要加高上游堤顶高程而且可能增加上游淹没损失，因此为了减轻上游堤防负担也不允许过分抬高水闸的上游水位，因此采用较小的过闸水位差选用 H=0.2m。下面先假设 ht根据水力学公式 求得流量Q，列表如下表2.1 水头-流量计算表ht（m）（A=(b+mh)hR=A/xC=(1/n)R1/6 1.03032.470.92439.4818.001.546.534.721.3542.0035.762.06436.941.7343.8358.342.582.539.172.1245.3185.853.010241.422.4646.47117.553.1106.0241.872.5246.69125.213.2110.0842.322.6146.91131.653.3114.1842.922.6647.08138.63.5122.5043.642.8247.52154.283.8135.2844.983.0248.06178.344.0144.0045.883.1348.4195.264.2152.8846.773.2648.73213.024.3157.3847.233.3348.88221.964.4161.9247.683.4049.05231.554.5166.5048.133.4549.19240.874.6171.1248.573.5249.33 250.414.8180.4849.48365 49.63 270.51 根据上表，绘制htQ曲线。 图2.1 水头流量曲线图由htQ曲线查的Q设=129.4m3/s时, ht=3.18 m即下= h t=3.18 m。由设计资料可知，渠底高程为46.8m，则下游水位为3.18 m+46.8m=49.98m。上下游水位差为H=0.2m。上游水位上=下+H=49.98 m+0.2m=50.18 m。2.1. 2 闸孔尺寸设计闸孔尺寸的设计条件：最大闸孔要满足泄洪要求，在校核流量237 m3/s，最高设计蓄水位516 m下保证能泄出，即Q孔Q泄。闸孔总净宽的计算：在Q设=129.4 m3/s，闸门全开，按堰流计算。由水闸设计规范SL2652001 (A.0.2-1)、(A.0.2-1)得 （21） 0=0.877+（hs/H0-0.65）2 (22)式中：淹没堰流的综合流量系数。由水闸设计规范表A.0.2查得 Q过闸流量。 取Q=129.4 m3/s 下游水深。 =3.18m 计入行进流速水头的堰上水深。 =129.4/(28+23.18)3.18=1.18 m/s =3.38+0.07=3.45m h下/ H0=0.922 查得=0.951得B0=18.60m取B0=21.00m 闸孔孔数尺寸与闸室总宽度的确定：大中型水闸采用平面钢闸门时，每孔净宽b一般为69米，当水闸孔数较少，过去多采用弧形钢闸门，平底板的结构形式，而近年采用了钢筋混凝土闸门和反拱式底板，将闸孔净跨缩为6m，显然，如不缩减闸孔净跨，采用钢筋混凝土闸门是不利的，闸门过重，门上主梁受力过大，易断裂，即使采用预应力结构，根据实践经验，闸孔也不宜超过8m。如底板采用反拱的结构形式，同样闸孔净跨过大，则反拱的矢高过大，给反拱底板的施工带来不利影响，故闸孔净宽以68m为宜。闸孔孔径应根据闸的地基条件，运用要求，闸门结构型式，启闭机容量以及闸门的制作，运输，安装等因素进行综合分析确定，综合本设计实际情况，初定b=7米，n= B0/b 3孔。稍后对之进行验算。2.1.3 堰型选择水闸一般采用宽顶堰或低槛实用堰，本设计初设时已选定不带胸墙，因此胸墙式不予以考虑。平原水闸多采用无槛宽顶堰。比较宽顶堰与实用堰的优缺点，附水工设计手册。本工程中采用宽顶堰形式，堰顶高程与河底相平，取高程46.8m。表2.2 宽顶堰与实用堰的优缺点比较表 堰型比较宽顶堰实用堰优点1.构造简单，施工方便； 2.自由泄流范围较大，泄流能力比较稳定； 3.堰顶高程相同时，地基开挖量小。 4.有利于冲淤，排沙。1.自由泄流时，流量系数较大；2.选用适合的堰面曲线，可以消除波状水跃；3.堰高较大时，可采用较小断面，水流条件较好。4.可以缩短闸孔总宽和减小闸门高度并能阻止泥沙进入渠道。缺点1. 自由泄流时，流量系数较小；2. 下游产生波状水跃的可能性较大。1.结构较复杂，施工较困难； 2.淹没度增加时，泄流能力降低很快。2.1.4 闸墩厚度由水工设计手册P9，表25-2-4，对于中等跨度闸孔，中墩取1.0m，边墩取0.8m，则闸室总宽：B=闸孔数闸孔净宽+2边墩+（n-1）中墩=37.3+20.8+21.0=25.5m2.1.5 水闸泄流能力校核采用闸门全开在最高设计蓄水位51.6m情况下：由资料知，最高蓄水位=51.6m，渠底高程=46.8m，所以上游水位为H=51.6-46.8=4.8m；Q校=237m3/s，查hQ曲线得h=4.46m，=4.46/4.8=0.920.90故处于高淹没度，由水闸设计规范P53 A.0.2-2， 根据公式得：0=0.877+（hs/H0-0.65）2=0.955得 = =221.17 m3/s Q校=237m3/s,满足要求。本设计取单孔净宽b=7.3m，则闸室总净宽： 2.2 消能防冲设计2.2.1 节制闸泄流特点：节制闸一般跨越河道修建，壅高上游水位，用于枯水期蓄水，抬高水位以供水闸取水。利用闸门控制水位，上、下游有较大水位差。其泄流特点为：闸门控制泄流时，流量和水位差多变。流量是随着上游来水量逐渐变化的。特征为流量越小，下游水位越低，落差越大，对下游冲刷越严重。当闸门全开时，上、下游落差则越小，落差越小，水的能量就越小。闸孔出流有多种流态，在闸门控制泄水时，呈孔口自由出流或淹没出流状态；在闸门全开时，则呈淹没堰流状态。对宽顶堰式的平底板水闸：e/H0.65为堰流，可分为自由出流：当ht/H0 0.8时，。e/H 0.65，为孔流，按下游水深ht对泄流有无影响，可分为自由出流：,;淹没出流：,。 e闸门开度；H闸前水深。闸下水流的衔接型式，可在一定范围内用闸门进行调节和控制，有可能避免波状水跃或跃首撞击闸门等不利的衔接流态。由于各个闸孔的闸门不一定同时开启，即使同时开启也难以完全消除回流，因此闸下单宽流量的分布经常是不均匀的。2.2.2 消能设计条件：节制闸在宣泄设计洪水时，闸门全部提出水面，上、下游落差很小，过闸水流呈缓流状态，只要使水流均匀扩散，以安置回流的发展，毋需特别的消能设施。过闸水流因为上下游水位差大，呈急流状态。因此必须采取适当的消能措施，使闸下水流在尽可能短的距离内由急流状态变为缓流状态，减小水流的冲刷能力。水闸的上下游水位、过闸流量及泄流方式（孔、堰流）取决于水闸的运用要求，往往是复杂多变的，闸门的开启程序，开启孔数和开启高度可有多种组合，均影响闸下的消能设施。因此必须在各种可能出现的各种水力条件下，都能满足消能的要求，合理的确定消能设计条件是非常必要的，也是保证消能工程既安全可靠又经济合理的前提。但若节制闸宣泄设计和校核洪水时，闸门全部提出水面，上下游落差则很小，过闸水流呈缓流，则就不必设消能设施。节制闸消能设计条件是：在保持闸上游最高蓄水位不变的情况下，若宣泄上游多余的来水量，则由闸门控制。此时上下游水位差最大，水的能量亦最大，因此必须设置消能设施。相应的下游水位可根据htQ曲线确定。求出闸门控制的下泄流量Q有曲线查得h下。上游多余来水越小，闸门控制泄量越小，对下游冲刷越严重，因此此时上下游水位差最大。蓄水时期上游的多余来水量是随时间变化的。因此，闸门控制的泄水的泄量也是经常变化的，这样就应对各种泄量进行下游消能计算。既对闸门不同的开启孔数及开启高度所对应的下泄量及不同的上下游水位差均应进行下游消能计算。但其最大的泄量是有限度的，不会超过闸下水位接近闸上最高蓄水位时下游河道所通过的流量，因此时闸已全打开，下游水深大，过闸水流为缓流，则不是消能设计条件。对三孔闸门，应采取中孔单开，两边孔同时开启及三孔同时开启的组合方式。其目的为保持水流对称，不致过大冲刷下游河床。而开启高度一般采用0.5m之倍数。闸门的初始开启高度（0.5m），往往是消力池深度和长度的控制因素。此时泄流量最小，下游水位最低，上下游水位差最大，水的冲刷能力最强。消能设计的目的是：当闸门按规定程序和方式开启时，必须保证闸下水流产生淹没式水跃。（条件）。确定消能设计条件，关键是在不同的泄量Q下，所对应的下游水深ht。显然， 最大时最不利。2.2.3 水闸的消能方式水闸的消能方式大致有下列三种类型：底流式消能、挑流式消能、面流式消能。底流消能 ：是在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水跃发生的位置，通过水跃产生的表面漩滚和强烈的滚动，以达到消能的目的。从而使收缩断面的急流与下游的正常缓流衔接起来。这种衔接方式由于高速流的主流在底部，故称为底流式消能。面流式消能 ：当下游水深较大而且比较稳定时，可采取一定的工程措施，将下泄的高速水流导向下游水流的上层，主流与河床之间由巨大的底部漩滚隔开，可避免高速主流对河床的冲刷，余能主要通过水舌扩散，流速分布调整及底部漩滚与主流的相互作用而消除，由于衔接段中，高速的主流位于表层，故称为面流式消能。 挑流式消能 ：利用下泻水流所夹带的巨大动能，因势利导将水流挑射至远离建筑物的下游，使下落水舌对河床的冲刷不会危及建筑物的安全。下泻水流的余能一部分在空中消散，大部分在水舌落入下游河道后被消除。我国北方为平原地区，平原地区水闸，由于水头较低且河床抗冲能力差，难以采用挑流消能。加上下游水位变幅往往较大，也无法采用面流消能。据刀叉资料统计，我国已建大、中型水闸工程基本均采用底流式水跃消能。底流消能可适应在较大范围内变动的过闸流量和下游水位，同时在平面上也易扩散， 故本设计采用底流式水跃消能。2.2.4消力池设计消力池一般布置在闸室后面，池底与闸底板之间常用1:31:4的斜坡相连，斜坡顶端可紧靠闸底板的下游端。消力池的作用：使闸后水流产生淹没水跃，并保护水跃范围内的河床免受冲刷。消力池深度的确定：池深设计的任务是根据水闸泄流的最不利情况确定相应的池深，一是水流在池内形成稍淹没水跃。消力池池深由水闸设计规范附录B式（B.1.1-1）至(B.1.1-4)计算： (2.3) （2.4） （2.5）式中：消力池深度，（m）； 收缩水深，（m）； 跃后水深，（m）； 水流动能校正系数，可采用1.01.05。本设计=1.0； 水跃淹没系数，可采用1.051.10。本设计=1.05； 过闸单宽流量，（）； 池池落差，（m）；、消力池首、末端宽度，（m）；中空全开时 ， 为自由出流。查水闸设计规范（A.0.1-1）、(A.0.1-3)、(A.0.1-5)得全开时为堰流公式为 : （.6） （2.7） （2.8）式中:闸孔总净宽，（m）过闸流量，（）计入行进流速的堰上水深，（m），本设计取=4.8m。重力加速度，（）闸孔数，本设计堰流流量系数，本设计堰流侧收缩系数，中闸孔侧收缩系数，由表（A.0.1-1）查得边闸孔侧收缩系数，闸孔净宽， 边闸墩顺水向边远线至上有河道水边线之间的距离，（m） 堰流淹没系数， 查表（A.0.1-2）得=7.31.00.9760.385=127.71。计算表中各参数说明如下：孔流公式由水闸设计手册6表25-2-10得： (2.9)式中：计入行进流速的堰上水深，（m），本设计取=4.8m；孔流自由出流的收缩系数，由查水工设计手册6式（25-2-11）得；孔流流量系数，由水闸设计规范表(A.0.3-1)查得；孔流流速系数，可采用0.951.0。本设计取=0.95闸门开度，为0.5m的倍数；闸孔总净宽，本设计取=25.5m；重力加速度，（）堰流淹没系数， 查表（A.0.1-2）得收缩水深，（m）孔流时；表2.3 中孔单开时计算表ee/HQq-Zd0.50.100.61490.30750.611320.942.8682.1881.8811.081.1080.3110.911.00.210.61980.61980.613140.515.5492.8892.2691.611.2790.4930.931.50.310.62580.93870.614558.548.0193.2992.3632.001.2990.6070.862.00.420.63541.27080.617574.9810.2713.5292.2582.351.1790.6480.71全开1.000.9092.620.385125.0017.123.6401.0213.140.5010.3880.29 表2.4 中孔单开全开时hc试算表hcht(根据htQ查得）ZdT0= d+H1.505.3072.7161.5541.3006.1002.004.3002.7161.3020.4975.2972.503.5702.7160.9720.0604.8612.653.3872.7160.854-0.0144.7862.703.3292.7160.812-0.0334.767表2.5 双孔对称开时计算表ee/HQq-Zd0.50.1040.61490.30750.611341.562.8472.1711.9631.6240.5370.0830.561.00.2080.61980.61980.613181.025.5492.8602.2402.4100.4510.1080.491.50.3130.62580.93870.6145117.078.0183.2992.3602.9900.3090.1050.372.00.4170.63541.27080.6175149.9610.2713.5292.2583.4210.1090.0780.21表2.6 三孔全开时计算表ee/HQq-Zd0.50.1040.61490.30750.611362.812.8682.1871.8812.0910.0970.0190.1901.00.2080.61980.61980.6131121.545.5002.8612.2403.0600001.50.3130.62580.93870.6145175.618.0193.2992.3603.7700002.00.4170.63541.27080.6175 224.9510.2713.5292.2584.371000全开1.0000.96005.25000.3850361.54517.2161.664.-3.5855.54400 ，满足要求。2.3.2闸基防渗长度校核图2.6 防渗铺盖尺寸图（单位：）L0=12+18=30 m，S0=2.5 m，L0/ S0=125，查水闸设计规范第61页（c.2.1-1），当L0/ S05时,按下式计算有效深度:=0.5 （2.17）式中: 土基上水闸的地基有效深度（m）； 地下轮廓的水平投影长度（m）；地下轮廓线的垂直投影长度（m）。所以:=0.532=16.0m，因为不透水层为无限深所以有效深度为闸基透水层的计算深度。地下轮廓线的简化，计算各段阻