颜家河水电站冲沙闸初步设计说明

PAGEPAGE27颜家河水电站冲沙闸初步设计目录TOC\o"1-2"\h\z\u第一章基本资料 61.1工程概况 61.2气象 61.3水文 61.4工程地质 71.5交通 71.6工程材料 81.7正常挡水位的确定 8第二章水力计算 92.1闸室的结构形式及孔口尺寸确定 92.2泄流能力计算 102.3消能防冲设计 10第三章水闸防渗及排水设计 133.1闸室底板布置 133.2渗透压力计算 133.3排水设计 163.4止水设计 17第四章闸室布置 174.1闸室尺寸的拟定 174.2闸门和启闭机 19第五章闸室稳定计算 205.1荷载及其组合 205.2闸室抗滑稳定计算 20第六章上下游连接建筑物 216.1上游连接建筑物 216.2下游连接建筑物 21参考文献： 21附录： 22颜家河水电站冲沙闸初步设计摘要：颜家河水电站位于宝鸡市陈仓区胡店镇林光村的渭河干流上，距宝鸡市区46km，是渭河干流进入陕西境内梯级开发规划中的首座水电站。颜家河水电站为小（2）型Ⅴ等工程，其主要建筑物为5级建筑物，属纯水力发电工程，主要由挡水建筑物、排沙建筑物、引水建筑物和电站厂房等组成。根据《防洪标准》（GB50201—94）和《水利水电工程等级划分及防洪标准》（SL252-2000）的规定，确定颜家河水电站设计洪水标准为10年一遇，相应洪峰流量为2562m3/s；校核洪水标准为20冲沙闸位于大坝左端，紧靠进水口并与山体相连，长32m，为四孔矩形闸门，均采用平板钢闸门控制，冲沙孔闸底板高程为730.00m，本设计对枢纽的主体建筑物进行了认真的方案比选和详细的尺寸设计，并对所设计的建筑物进行了安全校核，保证建筑物的安全运行。[关键词]冲沙闸；颜家河；水电站ThePreliminaryDesignofScouringSluiceabouttheHydropowerStationofYanjiaAbstract：YanjiaRiverStationislocatedinBaojiCity,anotherareathevillageofHudianZhenonWeiheRiverinthemainstreamfrombaoji46km,theWeiheRiverinShanxiProvincetoentertheterritoryofthemainstreamofthecascadedevelopmentplanninginthefirststation.

YanjiaRiverStationforasmall(2)-typeⅤandotherprojects,themainbuildingforthefivebuildings,isapurehydro-electricpowerprojects,primarilybyretainingstructures,sedimentstructures,waterplants,suchasbuildingsandpowerplantcomponents.AccordingdeterminetheYanjiaRiverHydropowerStationstandarddesignfloodforareturnperiodof10years,thecorrespondingpeakdischarge2562m3/s,Project,factorycalibrationstandardfor20-yearfloodreturnperiod,thecorrespondingpeakflowfor2912m3/sThedesignofthebuildingsthemainhuboftheprogramcarefullyselectedanddetailedthanthesizeofthedesign,andbuildingsdesignedbythesecuritychecktoensurethesafeoperationofbuildingsKeywords:Scouringsluice；YanjiaRiver；HydropowerStation第一章基本资料1.1工程概况渭河是黄河最大的一级支流，发源于甘肃省渭源县的乌鼠山，经甘肃的陇西、甘谷、天水，自风阁岭进入陕西境内，是关中地区最主要的地表水资源河流。渭河干流长70km，平均比降3.5‰，地处深山峡谷，河道蜿蜒曲折，蕴藏着丰富的水能资源。颜家河水电站位于宝鸡市陈仓区胡店镇林光村的渭河干流上，距宝鸡市区46km，颜家河水电站属纯水力发电工程，主要由挡水建筑物、排沙建筑物、引水建筑物和电站厂房等组成。电站设计水头16.00m，设计流量60/s，装机容量7500kW，多年平均发电量3860×104kW·h。颜家河水电站工程南靠310国道，北邻陇海铁路，对外交通便利、快捷。110kV输电线路和10kV供电线路均通过或到达电站区域，电站并网和施工用电方便。河道中工程建设所需的砂石料储量丰富，可就近采用，邻近的山体均为花岗岩，可就地开采使用，地材价格低廉。有线电话及无线通信网络已到达工程附近。陇海铁路复线和310国道施工时建有大量临设，稍加修整即可使用。工程附近有胡店镇，当地的劳动力资源丰富。颜家河水电站开发建设，施工和经营管理所需的基本条件已具备。本次设计为颜家河水电站坝体冲沙闸部分的水力设计.1.2气象该地域属暖温带半干旱半湿润季风气候区，四季分明。六盘山区、关山及南部山区，垂直差异和小气候明显，气温低，热量条件差，降水多，较湿润；丘陵台原区，热量充足，气温高，降水偏少。流域内气温变化的趋势是西低东高，北低南高，而降雨也是西少东多，北少南多。影响本流域气候的重要因素是季风环流，其环流形势以季节为转移。林家村临近工程区，气温降雨差异不大，就以林家村为代表来简要说明流域内的气象条件。多年平均气温12.9℃，最高气温41.6℃（1973.8.8），最低气温-13.9℃（1977.1.30）；多年平均降雨量683.4mm，实测最大降雨量948.6mm（1964），实测最小降雨量434.5mm（1977）；多年平均陆地蒸发量550mm，水面蒸发量800mm。多年平均最大风速17.2m流域内降雨显著的特征是时空分布不均，降雨量随地形海拔高程垂直变化大，山区高而川道低，二是年内分配不均衡，7、8、9、10四个月降雨量占全年的59.7%；三是年际丰枯变化大，丰枯比为2.26：1。流域冻土深度0.4m。1.3水文颜家河水电站坝址以上控制流域面积29348km2，其下游35km处有林家村水文站，控制流域面积30661km2，区间流域面积1313km2，占林家村水文站流域面积的4.3%，以林家村水文站作为参证站，对颜家河水电站进行水文分析。林家村水文站建于1934年至今已有68年的径流、洪水、泥沙系列资料（1934～2001年）。1、径流采用水利年（9～10月）对林家村水文站进行径流分析，用皮-Ⅲ曲线适线。再将林家村水文站径流分析成果按面积比拟法折算到颜家河水电站坝址处，颜家河水电站径流成果详见表1.3-1。表1.3-1年径流成果表站名统计参数各种频率年径流量（亿m3）CVCS20%30%50%70%80%90%林家村23.70.40.831.127.622.41815.612.6颜家河22.70.40.829.826.421.417.214.912.12、洪水根据林家村（1944-2001）58年系列洪水资料，加入1933年历史调查洪水Q=6890m3/s，进行频率分析采用皮－Ⅲ型频率曲线适线，得出林家村水文站不同频率的洪峰流量，再用面积比拟法换算到颜家河水电站坝址处，其洪水成果详见表1.3表1.3-2洪峰流量成果表站名各种频率洪峰流量（m3/s）0.1%0.33%0.5%1%2%3.3%10%林家村9782799573786356534646263072颜家河93617651706060835116442725623、泥沙林家村水文站多年平均悬移质输沙量为1.5771亿t，推移质输沙量为0.0287亿t。1.4工程地质电站工程区域无大的地质构造。坝址处河道为砂卵石覆盖层，基岩埋深17～26.7m，其岩性为花岗岩；两坝肩为花岗岩山体。坝基磨擦系数为0.45～0.5。工程区抗震设防烈度为6度，建筑场地类别为Ⅱ类。1.5交通颜家河水电站工程南靠310国道，北邻陇海铁路，对外交通便利、快捷。1.6工程材料工程建设所需的砂、石子、块石均采用于河道及附近的山体，储量丰富。1.7正常挡水位的确定本工程为径流式水电站，增加水头对提高发电效率至关重要，提高挡水位又受到上游回水区环境条件的限制。合理的选择正常挡水位是本设计的重点之一。经勘测，上游回水区陇海铁路线、310国道、以及居民点和耕地的最低点是限制挡水位高程的主要因素。为此对上游回水区控制点作了重点勘测。根据测量成果，上游回水区陇海铁路线最低点在距坝上游500m处，高程为761.08m；310国道最低点在距大坝1km的马鬃山沟口桥梁处，桥梁下的高程为746.27m；上游回水区居民及耕地最低点在上游1km北马鬃山村的5户居民点及台阶地处，村民住房集中区的高程为743.38m，阶地低点高程为依据实测资料经分析计算，本阶段拟定的正常挡水位为742.15m。在此挡水位下，百年重现期的校核洪水位为745.66m。陇海铁路线最低点的高程为761.08m，百年重现期洪水位为745.66m，高出百年重现期洪水位15.42m，陇海铁路线的安全不受影响。310国道防洪标准为50年重现期，310国道最低点的高程为746.27m，50年重现期的洪水位为743.83m，310国道最低点高出50年重现期的洪水位2.44m，高出百年重现期洪水位0.61m，310国道的安全不受影响。马宗山村5户居民点及台阶地的防洪标准在20年重现期以下，20年重现期的设计洪水位为741.20m，低于马宗山村5户居民点2.18m，低于台阶地最低点1.38m，不影响居民点及台阶地的安全。以上控制点的洪水校核，符合国家防洪标准（GB50201—94），以及水利部《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252一2000）的规定。（见下表国家防洪标准GB50201—94的有关规定）表1.7-1国家标准轨距铁路各类建筑物、构筑物的等级和防洪标准表1.7-2汽车专用公路各类建筑物、构筑物的等级和防洪标准第二章水力计算2.1闸室的结构形式及孔口尺寸确定2.1.1闸室的结构型式及高程确定本工程的主要任务是冲沙，也用于泄洪。采用设胸墙的平底闸底板。闸底板高程定在730.00m2.1.2由孔流公式初步拟定闸孔净宽，故，取校核工况来计算。式中：B————闸孔净宽，（m）；Q————闸门泄流量，(m3/s)；由于溢流坝承担主要的泄洪任务，所以经分析比较，校核情况下，冲沙闸承担的最大泄流量为1050m3————闸门开度；————上游水头；（=上游水位—闸底板高程=745.66—730.00=15.66m）————淹没系数；假设校核工况时为自由出流，则=1.0————流量系数；闸门全开时，孔流流量系数取0.62。将已知值代入公式得，，取B=18m。故拟设四孔矩形冲沙闸，单孔净宽，单孔闸孔宽x闸孔高=5.5mx6.5m，选用整体式底板，边墩厚度为2m，中墩厚度为3m。2.2泄流能力计算1.根据选定的孔口尺寸与上、下游水位，分别计算当闸门开度为1/4、2/4、3/4和全开时单孔闸门的泄流流量，如下表2.2-1、表2.2-2所示,表2.2-1设计洪水位上游水深下游水深闸门开启高度流量系数自由出流量Q收缩水深收缩断面流速跃后水深淹没系数流量Q(m)(m)(m)(m3/s)(m)(m/s)(m)(m3/s)12.208.531.630.5865.201.0014.456.050.6542.3812.208.533.250.55125.092.0213.737.870.82101.9512.208.534.880.53179.683.0713.008.871.00179.6812.208.536.500.51228.974.2112.089.291.00228.97表2.2-2校核洪水位上游水深下游水深闸门开启高度流量系数自由出流量Q收缩水深收缩断面流速跃后水深淹没系数流量Q(m)(m)(m)(m3/s)(m)(m/s)(m)(m3/s)15.6611.571.630.5874.531.0016.577.000.5843.2315.6611.573.250.56144.382.0215.859.220.6898.1815.6611.574.880.55209.543.0715.1610.570.79164.4915.6611.576.500.53270.034.1114.6111.480.98264.09由于在单孔运行时，下游收缩水深受相邻闸孔的影响，可能在两边形成漩涡，所以实际的收缩水深要靠模型试验得出，以上仅为理论值。2.闸门在不同运行工况下的泄流量同上，当四孔全开时，闸门的泄流量为：设计情况Q=915.88(m3/s)校核情况Q=1056.38(m3/s)所以闸孔尺寸满足泄流要求。2.3消能防冲设计2.3.1下游水流衔接形式选用校核情况来确定下游水流的衔接形式。1.收缩水深hc收缩水深由迭代公式求出式中hc——收缩水深，(m)；q——单宽流量(m3/s.m)；q=Q/B=1056.48/18=58.69m³——流速系数，取＝0.95；E0——堰顶以上的上游水头（坝前水位+流速水头－堰顶高程），(m)2.跃后水深求得=11.49m，而下游水深为11.57m，故下游水流在自然衔接时将发生淹没式水跃衔接。2.3.2消力池尺寸确定及构造(1)消力池深度计算本工程的特点是流量大、上下游水位落差小，河床覆盖层深，所以采用底流式消能。又下游为淹没式水跃。故从理论上可不设消力池，但为了稳定水跃的位置，充分消能及调整消力池的流速分布，仍把池底降低1.0m，即消力池的深度d=1.0m。校核当消力池深度为d=1.0m时其他水位下游是否发生淹没式水跃。表2.3-1流量Q(m3/s))1056.48915，472单宽流量q(m3/s.m)58.6950.86上游水位Z1(m)745.66742.20下游水位Z2(m)741．57738.53上游水头ho（m）17.37714.087下游水深hs(m)11.578.53收缩水深hc(m)3.7853.764跃后水深hc"(m)11.8710.109出池落差△Z(m)0.2070.718池末水深(m)12.7810.25淹没度1.081.01计算说明，消力池深度d=1.0m满足要求。(2)消力池池长确定水跃长度：＝6.9(－hc)消力池与闸底板之间采用斜坡连接，坡度为1：4，所以消力池长度L=4d+0.7,取消力池长度L=34m。确定消力池长为34m。(3)消力池的构造采用挖深式消力池。为降低底板下部渗透压力，在护坦的后半部设排水孔，孔下铺反滤层，排水孔径10cm，间距2m，呈梅花形布置。按抗冲要求，根据式计算护坦厚度。式中为护坦计算系数，取0.19；q为确定池深时的过闸单宽流量；△H为相应于单宽流量的上，下游水位差。，取t=2m。为了将水流挑向水面，减小池后水流的底部流速，使水流均匀扩散，减小对后面海漫的冲刷，在消力池末端设有尾坎，高0.5m。图2-2消力池构造尺寸图（单位：cm）2.3.3海漫设计(1)海漫长度计算根据水闸运用经验，海漫与护坦的总长度约为上下游最大水位差的6-12倍，故取海漫长度为15m。(2)海漫构造因为对海漫要求有一定的粗糙度，以便进一步消除余能，有一定的透水性和柔性，所以在海漫的起始段设5m长的浆砌石水平段，后10m做成坡度为1：15的干砌石段，以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。海漫厚度为0.6m,下设2.3.4防冲槽设计根据经验取防冲槽的深度为2.0m，槽顶高程与海漫末端齐平，采用宽浅式，底宽取4m，上游坡率为2，下游坡率为3，出槽后做成坡率为52.3.5上下游岸坡防护为了保护上下游翼墙以外的河道两岸不受水流的冲刷，需要进行护坡。采用浆砌石护坡，厚0.3m，下设0.1m的砂垫层。保护范围上游自铺盖向上延伸2-3倍的水头，下游自防冲槽向下延伸4-6倍的水头。第三章水闸防渗及排水设计3.1闸室底板布置3.1.1地下轮廓线布置防渗设计的目的是防止闸基渗透变形，减小闸基渗透压力，减少水量损失，需要合理选用底下轮廓尺寸。防渗设计一般都采用防渗和排水相结合的原则，即在高水位侧采用铺盖、板桩、齿墙等防渗设施，如面层排水、排水孔排水或减压井与下游连通，是地下渗水尽快排出以减小渗透压力，并防止在渗流出口附近发生渗透变形。1．闸基防渗长度的确定根据公式，因为地基土为砂卵石，所以C取2.5，则L=10m。2．防渗设备由于闸基土质为砂卵石，闸底板上、下游设置齿墙，并在闸底板上游处设板桩。3．防渗设备尺寸和构造闸底板顺水流方向长度，综合考虑取上部结构布置及地基承载力等要求，确定闸底板长20(1)闸底板厚度为：取t=3.0m(2)铺盖长度取3～5倍的上下游水位差，确定为16m，为方便施工，上游端取0.6m，末端为1.5m，以便和底板连接。为了防止水流冲刷及施工时破坏铺盖，在铺盖上设置30cm厚的浆砌石保护层，10cm(3)校核地下轮廓线的长度。根据以上设计数据，实际的地下轮廓线布置长度应大于理论的地下轮廓线长度，通过校核，铺盖长度+闸底板长度+齿墙长度+板桩长度=49.62(m)>L=10(m)，满足要求。3.2渗透压力计算3.2.1渗流计算的目的计算闸底板各点渗透压力；演算地基土在初步拟定的地下轮廓线下的渗透稳定性。3.2.2计算方法计算方法有直线比例法、流网法和改进系数法，由于改进阻力系数法计算结果精确，采用此种方法进行渗流计算。3.2.3计算渗透压力(1)确定地基计算深度判断：式中:为地下轮廓的水平投影长度，m；为地下轮廓的铅直投影长度，m（地下轮廓为铺盖和底板总长）地基有效度Tc为计算值大于实际的.地基透水层深度17米所以取小值为17米,故。.(2)分段阻力系数及水头值的计算通过地下轮廓的各角点和尖端将渗流区域分成10个典型段，如图所示：图3-2渗流区域分段图（高程：m）其中：1、10段为进出口段，用公式计算阻力系数，3、5、6、8段为内部垂直段，用公式计算其阻力系数，2、4、7、9段为水平段，用公式计算其阻力系数。各典型段的水头损失用公式计算。进出口段的阻力系数修正用公式，阻力修正系数:式中：为进、出口水头损失值；为修正后的进、出口水头损失值；为阻力修正系数，当1时，取=1.0；为底板埋深与板桩入土深度之和，或为齿墙外侧埋深；为板桩另一侧地基透水层深度，或为齿墙底部至计算深度线的铅直距离。修正后的进、出口段水头损失将减小Δh，计算结果如表3.2-1所示：表3.2-1各段渗透压力水头损失（单位：m）分段编号分段名称SS1S2LT1进口1.5---17.00.481.5852水平-001.015.50.0650.2153垂直1.0---16.50.0610.2014水平-1.07.515.7516.50.5941.9615垂直7.5---16.50.4991.6486垂直5.0---14.00.3771.2457水平-5.01.018.2514.01.0043.3158垂直1.0---14.00.0710.2349水平-001.013.00.0770.25410出口0.5---13.50.4521.492合计-----3.6812.15（3）当进、出口处底板埋深及板桩长度的总值较小时，进、出口段的水头损失需修正，才能使计算值接近于实际情况，修正后的水头值见表3.2-2.表3.2-2进出口段的阻力系数修正表（单位：m）段别S＇T＇Β＇h0＇Δh进口段1.516.50.71.1100.475出口段2.013.00.4170.6220.870（4）因渗流区各段h值之和必须等于总水头值，故上述进、出口水头损失的减小值，应按不同情况分别加在附近的几个渗流段内，修正后的各段水头值见表3.2-3.表3.2-3修正后的各段水头损失（单位：m）分段编号123456789101.110.4290.4232.021.6481.2543.6960.4690.5080.622(5)计算各角点的渗透压力值..用上表计算的各段的水头损失进行计算,总的水头差为正常挡水期的上、下游水头差12.15m。各段后角点渗压水头=该段前角点渗压水头－此段的水头损失值，结果列入表表3.2-4各角点渗透水头值（单位：m）12.1511.0410.6110.218.196.545.291.591.120.620渗透水头示意图见图3-3图3-3(6)验算渗流逸出坡降。出口段的逸出坡降:，小于出口段允许渗流坡降值［Ｊ］＝0.50-0.60（查表得）,满足要求。3.3排水设计3.3.1排水设备的作用采用排水设备，可降低渗透水压力，排除渗水，避免渗透变形，增加下游的稳定。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，做到既减少渗压又避免渗透变形。3.3.2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。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；相邻两层间，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，以保证排水畅通；同时还应保证耐久、稳定，其工作性能和效果应不随时间的推移和环境的改变而变差。本次设计中的反滤层有碎石、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。(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(3)侧向排水设计。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。在消力池两岸翼墙设2-3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。3.4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。在黏土铺盖与闸底板沉陷缝中设置沥青麻袋止水。第四章闸室布置4.1闸室尺寸的拟定4.1.1闸底板的设计(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，并均匀的传给地基，还有防冲，防渗等作用。(2)形式：常用的有平底板和钻孔灌注桩底板。由于在平原地区软基上修建水闸，采用整体式平底板。(3)长度：根据前面设计，已知闸底板长度为20m(4)厚度：根据前面设计，已知闸底板厚度为3.0m闸底板具体尺寸见图4-1。图4-1闸底板尺寸图（单位：cm）4.1.2闸墩设计(1)作用：分隔闸孔并支撑闸门、工作桥等上部结构，使水流顺利地通过闸室。(2)外形轮廓：应能满足过闸水流平顺，侧向收缩小，过流能力大的要求。上游墩头采用半圆形，下游墩头采用流线形。其长度采用与闸底板同长，为20m(3)厚度：中墩3.0m，边墩2.0m。工作闸门的门槽尺寸应根据闸门的尺寸确定，门槽深0.5m，宽图4-2（单位：m）(4)高度：采用三种计算方法，取最大值。经过比较后取闸墩高度为12.30mH墩=校核洪水位时水深+安全超高=15.66+0.3=15.96（m）H墩=设计洪水位水深+安全超高=12.20+0.4=12.64（m）H墩=正常挡水位水深+Δh=12.15+0.27+0.4=12.82（m）式中Δh为波浪高度。4.1.3胸墙设计（1）作用：当水闸挡水高度较大时，可代替一部分闸门高度。(2)高度：顶部高程与边墩顶部高程相同，底部高程以不影响闸孔过水为准。所以顶部高程为742.50m，底部高程为736.50m，高度为6.0m（3）底部迎水面为圆弧形，设在闸门下游，所以止水设在闸门后面，这样可以利用水压力把闸门压紧在胸墙上，止水效果较好。如图4-3所示。图4-3（高程：m）4.1.4工作桥尺寸拟订(1)工作桥：工作桥是为拉安装启闭机和便于工作人员的操作而设的桥。若工作桥较高可在闸墩上部设排架支承。工作桥设置的高程与闸门尺寸及形式有关。由于是平面钢闸门，采用固定式卷扬启闭机，闸门提升后不能影响泄放最大流量，并留有一定的富裕度。根据工作需要和设计规范，设在工作闸门的正上方，用排架支承工作桥，桥上设置启闭机房。工作桥总宽为8m。工作桥底部高程与闸室底板高程的差值约等于闸门高度的2倍再加1.01～1.5m的富余高度，所以工作桥底部高程为747.00m。4.2闸门和启闭机闸门按工作性质分为工作闸门，事故闸门和检修闸门；按材料分钢闸门，混凝土闸门和钢丝网水泥闸门；按结构分为平面闸门，弧形闸门等。4.2.1工作闸门高6.5m，宽5.54.2.2启闭机选型闸门是控制水流、调节流量的泄水设备，因而闸门的启闭是设计中的关键之一。启闭力的计算，关系到启闭机械的选择是否安全可靠和经济合理。影响闸门启闭的因素很多，主要有闸门自重、摩擦力、动水作用力以及因启闭加速度引起的惯性力，在此只对闸门的启门力进行计算，作为选用启闭机的依据。对露顶式平面闸门，当5米8米时，式中：H——孔口高度（米）；B——孔口宽度（米）；——闸门行走支撑系数：对于滚轮式支承=1.0；——材料系数：用普通碳素结构钢制成的闸门，=1.0；——孔口高度系数：5米8米，=0.13初估闸门的启门力和闭门力：平面闸门的总水压力，启门力：由于闸门关闭挡水时，水压力P值最大，此时闸前水位为12.2m，中型水闸系数采用0.1，经计算启门力42.009t，查《水工设计手册》,选用双吊点卷扬式启闭机，型号为QPO-240，启门力240t。第五章闸室稳定计算5.1荷载及其组合(1)设计情况选择：水闸在使用过程中，可能出现各种不利情况。完建无水期是水闸建好尚未投入使用之前，竖向荷载最大，容易发生沉陷或不均匀沉陷，这是验算地基承载力的设计情况。正常挡水期时下游无水，上游为正常挡水位，上下游水头差最大，闸室承受较大的水平推力，是验算闸室抗滑稳定性设计的情况。泄洪期工作闸门全开，水位差较小，对水闸无大的危害，故不考虑此种情况。(2)正常挡水期均为基本荷载组合。需计算的荷载见表5.1-1表5.1-1荷载组合荷载组合计算情况荷载自重kN水平水压力kN水重kN扬压力kN正常挡水期204.2223.3417.9956.855.2闸室抗滑稳定计算闸底板上、下游端设置的齿墙深度为1.0m，按浅齿墙考虑，闸基下没有软弱夹层。滑动面沿闸底板与地基的接角面，采用公式进行计算，其中f为闸底板与地基之间的摩擦系数，根据闸址处地层分布，查表得闸室基础底面与地基之间的摩擦系数为0.5，根据本工程主要建筑物为5级，查表得抗滑稳定安全系数[K]=1.2，经计算闸室抗滑稳定满足要求。抗滑稳定安全系数代入数值，进行计算得：>第六章上下游连接建筑物6.1上游连接建筑物6.1.1上、下游连接建筑物的作用1)挡住两侧填土，维持土坝及两岸的稳定。2)当水闸泄水或引水时，上游翼墙主要用于引导水流平顺进闸，下游翼墙使出闸水流均匀扩散，减少冲刷。3)保持两岸或土坝边坡不受过闸水流的冲刷。4)控制通过闸身两侧的渗流，防止与其相连的岸坡或土坝产生渗透变形。5)在软弱地基上设有独立的岸墙时，可以减少地基沉降对闸身应力的影响。6.1.2上游连接建筑物采用圆弧式翼墙，从边墩开始，向上游用圆弧形的铅直翼墙与河岸连接，上游圆弧半径为9m，从闸室向上游岸坡连接时先采用扶壁式，当翼墙插入岸体一定深度时，再采用重力式挡土墙。6.2下游连接建筑物下游连接建筑物采用铅直的八字形翼墙，其扩散角采用70，直到消力池末端，当进入海漫后采用扭曲面与下游两岸连接，采用悬臂式挡土墙来挡土。闸室边墩后采用空箱式挡土墙，上边建有桥头堡，桥头堡的墙尽量坐落在空箱式挡土墙的竖墙上，用其来承载一定的重量。参考文献：1.陈德亮水工建筑物（供农业水利工程专业用）第四版中国水利水电出版社20072.SL252-2000水利水电工程等级划分及洪水标准中国水利水电出版社20003.DL5077-1997水工建筑物荷载设计规范中国电力出版社19984.闸门与启闭机（TV66/2）

水电版5.水工设计手册

水电版6.泄水与过坝建筑物

水电版7.小型水利水电工程设计图集

水电版8.小型水闸桥涵定型设计图集

水电版9.武永新、吴正桥、于玉森等主编水工建筑物设计与加固黄河水利出版社2004.910.吕宏兴等主编水力学中国农业出版社200211.刘焕芳等主编各种水位流量关系曲线的成因分析西北水资源与水工程199412.袁银忠水工建筑物专题（泄水建筑物的水力学问题）中国水利水电出版社199613．孟秦倩水工建筑物习题及课程设计西北农林科技大学水利与建筑工程学院水工系200714.张绍芳堰闸水力设计水利水电出版社198715.安徽省水利局勘测设计院水工钢闸门设计水利出版社197916.武汉水利电力学院水力学教研室水力计算手册水利出版社198017．冬俊瑞水力学试验清华大学出版社199118.刘细龙闸门与启闭设备中国水利水电出版社200319.陈宝华、张世儒水闸中国水利水电出版社200320.SL265-2001水闸设计规范中国水利水电出版社200121.任德林计算闸坝底面渗透压力的加权直线法水利水电技术1981附录：DesignforLianbobeachsedimentareaofexperimentalwarpingprojectoflownorthmain-stemofYellowriver1.ProjectgeneralsituationSedimentloadproblemisabigcomplicatedproblemwhichisdifficulttobetreated.TherecentlykeystonetreatmentanddevelopingplanofYellowRiverwhichwasapprovedbyCentralGovernmentobviouslypointsthatthebasicprincipletotreatandusesedimentisusingcomprehensivetreatmentwaythatincluding“blocking,excluding,discharging,borrowing,excavating”.Themainworkof“discharging”areutilizingadvantagegroundinmidstreamanddownstreamofYellowriverforflooddiversionandwarping,treatingandusingapartofsediment.Thelownorthmain-stemofYellowriveristhereachbetweenYuMenkouinmidstreamanddownstreamofYellowRivertoTongGuanreach,thisreachhasmanybottomlandswhichhavenaturalconditionsforlargescalewarping.Theexperimentalwarpingprojectoflownorthmain-stemofYellowriverprovidesnewconceptandtechnicalsupportsforlargescalewarpingandsolvingsedimentloadproblembytest,observationandstudyingonactualprojects.Theexperimentalwarpingprojectoflownorthmain-stemofYellowriverincludeswarpingsluice,sedimentaltransportingchannels,sedimentalarea,andescapesluice.thelengthofsedimentalareais8.6km,averagewidthis0.64kmandtheareaisapproximately5.5km2.thisareaissurroundedbyFenheoutletprojectandnewboxembankment,andthehorizontalandverticalcasebankinthemiddledividethesedimentalareainto3desiltingchannels.SelectingsuitabletimeinthefloodperiodtoleadwatercontaininghighsedimentfromYellowRiverbywarpingsluice,andtransportthewatertosedimentareaviasedimenttransportchannel.AtlastthewaterflowstotheYellowriverthroughescapesluice.Twobendingreachshouldbesetupalongthesedimenttransportchannel.Accordingtothehydraulicstheory,somerelativelycleanwateronthesurfacecanoverflowthroughoverflowweirontheconcavebankofbendingreach,thiscanincreasethecoarsesandcontentinthewaterwhichenteringintothesedimentarea;Thenbycontrollingandutilizingthehorizontalandverticalbankinthesedimentalarea,andbycontrollingthewaterlevelandsiltingtypeinthesedimentalareathroughescapesluice,theaimofdetainingthecoarseanddischargingthefinecanbeachieved.2.Sedimentarealayout2.1planlayoutThedesignflowrateofLianbobeachsedimentareais108m3/s,accordingtotheempiricalformulainthehydrotechnicsdesignmanual,thewidthofdesiltingchannelis110m～430mThesedimentareaissurroundedbyFenheoutletprojectandnewborderembankment,theaveragewidthis640m,maximumwidthis750mandlengthis8.6km.Sediment-containingwaterflowsthrough20mwidesedimenttransportchannelintohundredsmeterswidesedimentarea,inordertoavoidsiltingintheleadingsectionofsedimentareaandtoavoidunevennesscrosssectionofsiltingtype,Theplanlayoutdesignshouldaccordingtosedimentmovingrule,atthesametimeitshouldbeconsideredthatthefluxinthesedimentareacanpossiblyformrightstreamsorskewstreamswhichwillscourembankments,addingaverticalcasebankcandiffusescouringandcanbenefitthesedimenttransportingandsilting.Addahorizontalcasebankintheplacewhere4.4mawayfromthemiddleofsedimentarea.Sothesedimentareawasdividedinto3parts,everypartcanoperateseparately.2.2Structuraldesign①ElevationofborderembankmentandcasebankAccordingtoEmbankmentProjectDesignManual(GB50286-98）,topelevationofembankmentshouldbeconfirmedbypulsingthedesignwaterlevelandfreeboard.Theborderembankmentconsideredaslevel5building,thefreeboardonbanktopadopts1.0m.Casebankcanpermitwaveovertopping,consideringthecharacteristicofthisprojectthedesignedfreeboardofcasebankshouldbe0.3m.②Topwidthofborderembankmentandcasebank,andslopeThedesignoftopwidthandslopeofborderembankmentandcasebankmainlyrefertoEmbankmentprojectDesignManualanddesignexperienceslearningfromsomeprojectsinDownstreamofYellowRiver.Intheupsideofsedimentarea(before4.3km),thewaterdepthis2.3m～3.7m,averagedepthis3.0m;Inthedownside(behind4.3Km)thewaterdepthis3.7m～6.1m,averagedepthis4.9m.SoilsintheLianbobeacharemainlysandwhichgradedfromfinesandtomediumsand,andsomemixedcoarsesandwhichcompositedbylongtimereedroot.Accordingtothespecification,thetopwidthofborderembankmentinupsideareais2.5mandindownsideareais3.5mbecauseofproperlywiden.Theinsideandoutsideslopeare1:2.5.Puttingageomembranelayerbelowthedesignwaterlevel,nearthegeomembranetothewatersideis1mwideprotectionsoillayer(uselongdistanceborrowingsoil,cohesivesoilcontentbetween5.3%～13.2%）.Thetopandbottomanchorlengthofgeomembraneare0.5mforconsolidationandanti-seepageofembankment.Astothecasebankthathavelowrequirementsandcombinedwiththecharactersofthisexperimentalproject,thetopwidthuse2m,theslopeofbothsideuse1:2andgeomembraneiscancelled.Duringtheoperationperiod,coloredbarfabricsshouldbeputtedontheupstreamfaceofbankforscouringprotection.3.SedimentareaoperationwayThepremisedoperationtimeofthiswarpingtestis2years.ItoperatesinfloodtimeofYellowRiverbetween2004and2005.whenflowrateofYellowRivercomesto500m3/s～4000m3/s(sedimentcontentappropriatelyis50kg/mReferringtomovingcharactersofsedimentload,somestudyonsiltingtypeanduseformulafortheflowchannelgradientratioandalsorefertothebalanceformulawhichwasgetbysolutionresultofsystemofequationsaboutfluvialdynamicstocalculategradientratioofflowchannel,thelastsedimentgradientratioisconfirmedasfollow:thefirsthalfofbeachareause1.7%00,andthesecondhalfuse1.0%00referringtotheobserverdatafromtheexisteddesiltingchannels.Consideringhorizontalunevennessoftheultimatesiltingtype,inequalityfactorsonsiltingandleavingtolerancesofflowchannel,theallowablewarpingquantityis12,580,000m3Theoperationprocedureofsedimentareacanbedividedintodetainingthecoarseanddischargingthefineandcoveringsedimenttwosteps,detainingthecoarseanddischargingthefineprogressinturnsfollowthesequencechannel①,③,②andthreechannelscarryoutcoveringsedimentprocedureatthesametime.Desiltingchannel①bytheoperationofwateroutletdoorwhichnearthehorizontalcasebanktoachievetheaimofdetainingthecoarseanddischargingthefine,escapechannelofchannel②directlyletthewaterwhichcomesfromchannel①flowtotheYellowRiverviaescapesluiceinsteadofsiltinginit.Intheearlyperiod,knitbagshouldnotuseneartheescapesluice,knitbagshouldbeusedtoraisethewaterlevelwiththeraisesedimentsurface.Whenthewaterlevelcometothedesignlevel,keepthislevelforsometimetosiltcompletely.Whenthesedimentejectionratiocomestosomedegreestopoperating.Number②,③desiltingchannelbyoperatingescapesluicetoachievetheaimofdetainingthecoarseanddischargingthefine.Openingescapesluiceintheearlydays,thewaterlevelinoutletplacewascontrolledbytheflowcapacityofescapesluice.Addingsomeoverlapbeamstoraisethewaterlevelgraduallyaccompanywiththesedimentsurfaceraising.Whentheoverlapbeamcometothedesignwaterlevel,keepthislevelforsometimeforsiltingcompletely.Whenthesedimentejectionratiocomestosomedegreestopoperating.Ifchannel③siltfullybeforechannel②,theoverlapbeamsshouldbedemolished.Consideringtheutilizingofcoveringsediment,whenthesedimentsurfacecometothelevel0.9mlowerthandesignlevel,theoperatingprincipalandtheoperationwayofdetainingcoarseanddischargingthefinewillhavegreatdifference.Becauseofthedecreasingflowabilityofescapesluicewhichiscausedbythechangeofhydraulichead,flowratioofwarpingsluiceshouldbedecreasedgraduallyuntilthewatersiltingfinishedandalmostmaketheflowchannelleveling.Stoppingthesiltingtestwhensedimentbeachcomestodesignedelevation.Accordingtotheforecastinthesedimentperiod,weshouldtryourbesttocontrolthewarpingsluicetousefinesedimentloadwhosemediansedimentsizeissmallerthan0.02mmtomeetthefarmingdemand.ItisnecessarytopointoutthataboveoperationwayisapreliminarywaywhichiscomesfromtheoperationexperienceofdesiltingbasinsinthedownstreamofYellowriverandsomeknowledgeabouttheflowsedimentmovementrules.Thisoperationwaycanbeadjustedduringthetestperiodonthebasisofrealconditionreflectfromprototypeobservationtosiltmorecoarseandlessfine,andtoaccumulatemoreoperationexperiencestoprovidetechnicalsupportforthelargescalewarping.4.TagThematerialofembankmentinsedimentareaiscohesionlesssoil,usinggeomembraneasanti-seepagematerialcandecreasethecrosssectiondimensiontogetgreateconomiceffect.Usingcoloredbarfabricasanti-scouringmaterialhasgreateffectbecauseofthepooranti-scouringabilityofcohesionlesssoil.Thelayoutofsedimentareaisconfirmedaccordingtooldexperiencesandprototypetesting.DuringoperationperiodhydrographicobservationworkshouldbeemphasizedinordertousefloodperiodYellowRiverandtheinspectionworkofselectedsectionisalsoneedtobewelldoneatthesametime.Inthelaterdesign,discussionsandstudiesonsedimentchannelwithdifferentwidthwillbecarriedouttoprovidetechnicalsupportfortheexecutionoflargescalewarping.黄河小北干流放淤试验工程连伯滩淤区设计1．工程概况泥沙问题是黄河难以治理的重大难题，在国务院批准的《黄河近期重点治理开发规划》中，明确提出处理和利用泥沙的基本思路是“拦、排、放、调、挖”综合治理。其中“放”主要是在黄河中下游两岸利用有利地形引洪放淤，处理和利用一部分泥沙。黄河小北干流系指黄河中游禹门口至潼关河段，该河段很多滩地具备大规模放淤的自然条件。小北干流放淤试验工程就是通过实际工程的试验、观测、研究，为大规模放淤、解决泥沙问题提供新思路和技术支持。小北干流放淤试验工程主要包括放淤闸、输沙渠、淤区、退水闸四部分。淤区长8.6km，平均宽为0.64km，淤区面积约5.5km2，由汾河口工程及新建围堤围成，中间建纵、横格堤将整个淤区分成三条沉沙条池。在黄河汛期选择适宜时机，放淤闸从黄河引进高含沙水流，通过输沙渠将水输送到淤区，在淤区经沉淀后，由淤区末端退水闸将来水退入黄河。输沙渠沿线设置两个弯道，根据弯道水力学原理，运行时通过弯道凹岸上的溢流堰将部分表层相对较清的水溢出，以增大进入淤区水流的粗沙含量；再通过淤区内纵、横格堤的控制运用以及退水闸对淤区水位、淤积形态的调控，达到淤粗排细的目的。2．淤区布置2.1平面布置连伯滩淤区设计过流量为53m3/s～108m3/s，根据《水工设计手册》中沉沙计算经验公式，沉沙条渠宽度为110m～430m。条渠宜布置成逐渐展宽的上段和比较顺直的中段，下段应徐缓收缩，但不宜过于淤区由汾河口工程及新建围堤围成，平均宽640m，最宽处约750m，长8.6km。水沙从20m宽的输沙渠进入几百m宽的淤区，为了避免淤区前端淤积，淤积形态的横向不平坦等情况，淤区的平面布置应遵照泥沙的运行规律，并考虑到水流在淤区内可能形成横河、斜河顶冲围堤，增设一道纵格堤使之逐渐扩散，有利于泥沙向下游输送及淤积。淤区中部4.4km2.2结构设计①围、格堤堤顶高程按《堤防工程设计规范》（GB50286-98）要求，堤顶高程应按设计水位加超高确定，围堤按5级建筑物考虑，堤顶设计超高取1.0m。格堤允许越浪，考虑本次试验工程的特点，设计超高取0.3m。②围、格堤顶宽与边坡围堤顶宽与边坡设计主要参照《堤防工程设计规范》及黄河下游引黄淤背等工程设计经验。淤区上段（4.3km以上）水深2.3m～3.7m，平均3.0m，淤区下段（4.3km以下）水深3.7m～6.1m，平均4.9m。连伯滩料场土质多为泥沙沉积后形成的细到中砂，以及含有一定数量的由多年生芦苇根等组成的混合粗砂。根据规范要求，围堤上段顶宽取2.5m，下段适当加宽取3.5m，内外边坡坡比均取1：2.5。在设计水位以下，加土工膜一道，土工膜临水侧为水平宽1m的保护土层（用远调土，粘粒含量5.3%～13.2%），为了固定和堤基防渗，土工膜上、下锚固长均为0.5m。由于格堤标准要求较低，并考虑本次试验工程的特点，顶宽取2m，两侧边坡均取1：2，不衬砌土工膜。运行期间，围、格堤迎水面均需铺设一层彩条布防冲。3．淤区运用方式本次放淤试验工程运行期拟定为2年，于2004年、2005年黄河汛期运行。放淤闸引水时机拟定为黄河流量500m3/s～4000m3/s（含沙量大于50kg/m3根据对淤区水流泥沙运动及淤积形态的研究，并根据联解河流动力学方程组得出的平衡河槽比降公式计算，设计淤区最终淤积比降，滩地前半段比降采用1.7%00，后半段参考黄河下游已建沉沙池的观测资料采用1.0%00。考虑最终淤积形态的横向不平坦及河槽淤积不平等因素的影响，并适当留有余地，连伯滩放淤试验工程的可放淤量为1258万m3。淤区的运行可分为淤粗排细和盖淤两个时期，淤粗排细按①、③、②条渠依次进行，盖淤三块条渠统一进行。①号沉沙条渠淤粗排细效果主要靠横格堤处退水口门的操作来实现，②号沉沙条渠退水渠则直接把①号池块退出的水流经退水闸退入黄河，而不在②号条渠淤积。运行初期，退水口门处不加编织袋，随着淤积面抬高，加高编织袋以抬高淤区水位。当淤区水位达到设计水位时，保持该水位一段时间，使淤区得到充分淤积。待淤区排沙比增大到一定程度，结束运行。②、③号沉沙条渠淤粗排细效果主要靠退水闸的操作来实现，运行初期，退水闸敞泄，出口水位受退水闸的泄流能力控制，随着淤积面抬高，增加叠梁逐步抬高淤区水位。当退水闸叠梁加高到淤区水位达到设计水位时，保持该水位一段时间，使淤区得到充分淤积。待淤区排沙比增大到一定程度，结束运行。③号条渠淤满号②条渠淤积前，退水闸叠梁应拆除。当淤区运用到后期淤积面距设计淤积面还差0.9m时，考虑盖淤运用，这时期的运用原则和淤粗排细运用时期有较大的差别。根据水头变化引起的退水闸退水能力的减小，逐渐减小放淤闸的引水流量，直至蓄水落淤，基本淤平河槽，使淤积滩面达到设计高程，完成放淤试验。在整个盖淤时期，根据预报，放淤闸尽量引泥沙中值粒径小于0.02mm的较细颗粒泥沙，以满足耕种的要求。需要指出的是，上述运用方式是根据黄河下游引黄沉沙池运行经验和对水流泥沙运动规律的认识初步拟定的，试验工程运行实践中可根据原型观测反映的具体情况适当调整以充分多淤粗沙少淤细沙，积累拦粗排细的运行经验，为实施大放淤提供技术支持。4．结束语淤区围堤筑堤材料为砂性土，采用土工膜作为防渗材料，减小了断面尺寸，经济效益显著。砂性土抗冲能力小，采用彩条布作为防冲材料，效果显著。淤区布置是根据以往经验和原型试验确定的，运行时应做好水文观测，抓住黄河来水有利时机，同时做好选取断面的监测工作。在今后的设计中，将对不同宽度的沉沙条渠进行探讨与研究，为大放淤的实施提供有力