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水工课设

设计题目

临淄节制闸设计

成绩

课

程

设

计

主

要

内

容

指

导

教

师

评

语

1.方案比较：

选定节制闸的平面位置，确定节制闸的结构尺寸；

2.确定闸底板高程及闸孔尺寸；

3.防渗设计：

拟出地下轮廓线，确定防渗及排水设施的型式、材料及尺寸；

4.消能防冲设计：

确定消能防冲设施的型式、材料及尺寸；

5.拟出节制闸各主要组成部分的型式、材料及尺寸（包括闸底板、闸墩、岸墩、闸门、工作桥、上下游翼墙、护坦等）；

6.验算节制闸闸室的抗滑稳定。

建议：

从学生的工作态度、工作量、设计（论文）的创造性、学术性、实用性级书面表达能力等方面给予评价。

签名：

20年月日

目录

1、设计目的与内容……………………………………………………3

1.1设计目的及意义………………………………………………3

1.2设计内容和任务………………………………………………3

2、基本资料……………………………………………………………3

3、闸址选择和闸孔设计………………………………………………5

3.1闸址选择………………………………………………………5

3.2闸孔设计………………………………………………………6

4、防渗设计……………………………………………………………11

4.1闸底地下轮廓线的布置………………………………………11

4.2防渗计算………………………………………………………12

附图……………………………………………………………………15

参考文献………………………………………………………………15

1、设计目的与要求

课程设计安排在«水工建筑物»课程内容学习完成之后进行，课程设计作为综合性实践环节，是对平时作业的一个补充，本课程设计主要是水闸设计问题，设计它可以达到综合训练的目的。

本节主要说明本设计的目的、意义、设计内容及任务等。

1.1设计目的及意义

课程设计的目的，是使我们融会贯通«水利工程施工»课程所学专业理论知识，完成施工导流的设计计算过程，以加深对所学理论知识的理解与应用，培养综合运用已学的基础理论知识和专业理论知识来解决基本工程设计问题的初步技能，全面分析考虑问题的方法。

培养设计计算、绘图、编写设计文件、使用规范手册和应用计算机的能力，提高查阅和应用参考文献和资料的能力。

1.2设计内容和任务

1.方案比较：

选定节制闸的平面位置，确定节制闸的结构尺寸；

2.确定闸底板高程及闸孔尺寸；

3.防渗设计：

拟出地下轮廓线，确定防渗及排水设施的型式、材料及尺寸；

4.消能防冲设计：

确定消能防冲设施的型式、材料及尺寸；

5.拟出节制闸各主要组成部分的型式、材料及尺寸（包括闸底板、闸墩、岸墩、闸门、工作桥、上下游翼墙、护坦等）；

6.验算节制闸闸室的抗滑稳定。

2、基本资料

本工程位于流过山东省淄博市境内的淄河中游，距齐鲁石化进水闸的下游约2公里处设置的节制闸。

目的是拦截淄河水流，抬高水位，以确保国家重点企业齐鲁石化和近数十万亩农田灌溉的供水。

淄河由沂蒙山脉为源头，从南至北，经临朐、青州、淄博、广饶汇入小清河，再流入渤海。

淄河是一条季节性河流，汛期时来水流量较大，通常约600m3/s；枯水期时河流干涸，河床能行人。

每当汛期山洪暴发，水流夹带大量泥砂，河床沉积着较厚的砂砾，而两岸的地表土为亚粘土。

（一）规划:

流域面积：

1670平方公里。

设计流量（5年一遇）：

Q=560m3/s，相应的闸上水位：

34.55m，闸下水位：

33.75m。

校核流量（20年一遇）：

Q=1300m3/s，相应的闸上水位：

36.35m，闸下水位：

35.62m。

蓄水期水位：

1.正常蓄水位：

闸上34.55m，闸下29.98m（闸下无水）。

2.最高蓄水位（校核水位）闸上35.90m，闸下31.98m。

3.恶劣放水水位：

闸上35.90m，闸下30.98m。

闸下水位与流量关系：

流量Q（m3/s）

0

50

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

水位H（m）

29.98

30.26

30.78

31.50

32.00

32.71

33.12

33.75

34.18

34.71

34.99

35.24

35.44

35.56

35.62

（二）闸址的选定:

经地质查勘，选定在淄博市临淄区以南，距齐鲁石化进水闸约2km处淄河的左岸河湾里。

该处地势开阔，地质条件较好，便于多方案的比较，以便选出理想的闸址。

（三）闸址处的地质资料:

根据钻探孔（见地形图）的地质资料看出，因受河流冲积影响，土层变化情况较复杂。

具体如下：

1#钻孔：

位于淄河左岸上，自地面高程约36.00m向下至28.50m为亚粘土，土质坚实；高程28.50m至26.00m为粉质粘土，较坚实；高程26.00m至21.00m为粉土；高程21.00mm至15.00m为粉质粘土。

2#、3#、4#、5#钻孔：

同1#钻孔地质资料。

6#钻孔：

位于淄河主河槽中，自河底高程29.98m至27.40m为冲积的砂砾；高程27.40m至26.20m为粉质粘土；高程26.20m至21.50m为粉土；高程21.50m至15.20m为粉质粘土。

7#、8#、9#、10#钻孔：

基本同6#钻孔地质资料。

地基土物理力学指标如下表：

土质

容量

（g/cm3）

饱和容量

（g/cm3）

渗透参数

k（cm/s）

允许渗透

坡降[J]

压缩模量

E（KN/cm3））

孔隙比

e

抗剪指标

磨擦角

（度）

凝聚力

C（N/cm2）

亚粘土

1.81

2.0

4×10-5

1.1

600

0.8

18

1.6

粉质粘土

1.68

1.91

3×10-4

1.0

800

0.85

16

1.1

粉土

1.56

1.84

1×10-4

0.8

1200

0.9

14

0.9

参照附近水利工程抗冲流速的资料：

亚粘土的抗冲流量V0=1.9m/s，粉质粘土的抗冲流速V0=1.7m/s，粉土的抗冲流速V0=1.0m/s。

（四）工程设计标准:

根据该闸的规模及用途为2级建筑物。

（五）交通要求及其他:

1.公路桥面高程为37.18m，双车道。

桥面净宽为9m，按汽车-20级荷载标准设计。

2.淄河无通航要求，不设船闸，也不设鱼道。

3、闸址选择和闸孔设计

3.1闸址选择

闸址选择关系到工程的成败和经济效益的发挥，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，综合考虑地形、地质、水流、潮汐、泥沙、冻土、冰情、施工和周围环境等因素，通过技术经济比较，选定最佳方案。

闸址应选在河床稳定、河岸坚固的河段上，同时应尽量使进、出闸水流平顺均匀，避免发生偏流，防止有害的冲刷和淤积。

节制闸一般均应设置在河道直线段上，闸址上下游河道直线段均不短于5~10倍水面宽度，且不宜小于300米，同时应满足施工和运用管理等要求，例如交通方便、供排水、施工导流等。

现有方案三种：

方案一：

在原河道上游修建节制闸，节制闸的闸底板高程与原河道河床齐平。

此种方案优点是工程量较小，工期相对稍短。

缺点是过闸水流不平顺，流量分布不均匀，易出现偏流和危害性折冲水流、冲刷和淤积。

方案二：

将原河道弯曲段截弯取直，开挖新的直河道，在开挖的新河道上修建节制闸。

在济青公路开挖处修建交通桥，节制闸修建在交通桥下游，交通桥与节制闸分开修建。

此种方案的优点：

①水流流态最好，过闸水流平顺，流量分布均匀，水流过闸后易扩散，具有良好的流态，不易出现偏流和危害性折冲水流、冲刷和淤积；②有利于施工导流；③此处地基的地质条件最好；④对其他建筑物的影响较小，便于管理。

缺点是工程量大，工期长。

方案三：

将原河道弯曲段截弯取直，开挖新的直河道，在开挖的新河道上修建节制闸。

在济青公路开挖处修建交通桥，交通桥建于节制闸上，统一修建。

此种方案最大的优点是便于节制闸与交通桥的统一管理。

经过上述综合比较，选择方案三比较合理。

方案三不仅具备了方案二的各项优点，还使交通桥与节制闸统一管理，避免了水利部门与交通部门之间可能发生的纠纷。

3.2闸孔设计

3.2.1堰形选择

本工程泄流能力大，过闸水位深，选用宽顶堰。

3.2.2闸底板高程的确定

本工程为节制闸，闸底板高程与河床齐平，即闸底高程为：

29.81m。

3.2.3闸孔宽度的确定

1、墩头型式

中墩的墩头部及尾部均采用半圆型。

边墩采用矩形墩。

2、闸墩厚度及门槽尺寸

闸墩的外形轮廓设计应满足过闸水流平顺，侧收缩小，过流能力大的要求。

上游墩头采用半圆形（半径0.75m），下游墩头同上游墩头。

墩头的厚度应根据闸孔孔径、受力条件、结构构造要求和施工方法等因素确定。

本设计中中墩取用1.5m，边墩厚度取1.0m；门槽深度取用0.4m。

工作闸门门槽应设在闸墩水流较平顺部位，门槽宽度取用0.6m。

检修闸门槽宽0.3m深0.2m。

根据管理要求需要设置的检修门门槽，其与工作闸门门槽之间的净距离不宜小于1.5m。

本设计取用2m。

具体尺寸如图3-1：

图3-1闸墩尺寸图

3、闸门高度

闸门高度=最高水深+安全超高

最终确定闸门顶部高程为6.6m。

4、计算闸孔总净宽

由给定的设计流量、上下游水位和初拟定的底板高程及堰形计算。

初拟的底板高程为29.81m，

由于校核水位时上游来水量大，故应根据校核水位来计算闸

式中：

B0—闸门总净宽（m）；

Q—过闸流量（m3/s）；

H0—计入行进流速水头的堰上水深（m）；

g—重力加速度，可采用9.81（m/s2）；

m—堰流流量系数，可采用0.385；

ε—堰流侧收缩系数，可由上是计算；

bo—闸孔净宽（m）；

bs—上游河道一半水深处的宽度（m）；

N—闸孔数；

dz—中墩厚度（m）；

εb—边闸孔侧收缩系数，由上式计算；

bb—边闸墩顺水流向边缘线至上游河道水边线之间的距离（m）；

σ—堰流淹没系数，先计算，由规范查得；

hs—由堰顶算起的下游水深（m）。

初算：

设闸门为五孔，每孔净宽12米。

求

：

校核流量下：

Hs/Ho=0.848,查规范得σ=0.93，

由于计算出的流量过大，因此该闸孔设计不满足要求。

同理，经如下试算：

如表3—1：

闸孔净宽试算表

闸孔设计试算表

闸底板高程：

29.81m,

河道边坡:

1:

1.2，

中墩厚度d1:

1.5m,

边墩厚度d2:

1.2m，

校核流量Q=1300m3/s,

相应的闸上水位：

36.35m，

闸下水位：

35.62m。

下游水深hs=5.81m,

上游水深H=6.54m

孔数

n

单孔净宽

b0（m）

闸室总宽度L=n*b0+

（n-1）*d1

过水断面面积A（m2）

行进流速（m/s）

计入行进流速水头在内的堰顶水头

H0（m）

hs/H0

中间闸孔

侧收缩系数

εz

边闸孔侧

收缩系数

εb

5

12

66

525.738

2.473

6.852

0.848

0.98

0.92

5

10

56

460.338

2.824

6.946

0.836

0.98

0.92

5

8

46

394.938

3.292

7.092

0.819

0.97

0.91

6

12

79.5

614.028

2.117

6.768

0.858

0.98

0.92

6

10

67.5

535.548

2.427

6.840

0.849

0.98

0.92

6

8

55.5

457.068

2.844

6.952

0.836

0.97

0.91

7

12

93

702.318

1.851

6.715

0.865

0.98

0.92

7

10

79

610.758

2.129

6.771

0.858

0.98

0.92

7

8

65

519.198

2.504

6.860

0.847

0.97

0.91

6

9

61.5

496.308

2.619

6.890

0.843

0.976

0.91

孔数

n

单孔净宽

b0（m）

闸孔总净宽

B0（m）

淹没系数

σ

侧收缩

系数ε

流量系数

ｍ

计入行进流速水头在内的堰顶水头

H0（m）

流量

Q（m3/s）

5

12

60

0.93

0.968

0.385

6.852

1652.005

5

10

50

0.93

0.968

0.385

6.946

1405.353

5

8

40

0.95

0.961

0.385

7.092

1176.231

6

12

72

0.9

0.968

0.385

6.768

1883.630

6

10

60

0.93

0.968

0.385

6.840

1647.915

6

8

48

0.93

0.961

0.385

6.952

1341.071

7

12

84

0.9

0.968

0.385

6.715

2171.404

7

10

70

0.9

0.968

0.385

6.771

1832.302

7

8

56

0.93

0.961

0.385

6.860

1533.370

6

9

54

0.93

0.965

0.385

6.890

1494.562

4、防渗设计

4.1闸底地下轮廓线的布置

1、防渗设计的目的

防止闸基渗透变形；减小闸基渗透压力；减少水量损失；合理选用地下轮廓尺寸。

2、布置原则

防渗设计一般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，用以延长渗径减小渗透坡降和闸底板下的渗透压力；在低水位侧设置排水设施，如面层排水、排水孔排水或减压井与下游连通，使地下渗水尽快排出，以减小渗透压力，并防止在渗流出口附近发生渗透变形。

3、地下轮廓线布置

（1）闸基防渗长度的确定。

SL265—2001《水闸设计规范》规定，为保证水闸安全，初步拟定所需的防渗长度满足：

L≥CH

L：

水闸的防渗长度，即闸基轮廓线水平段和垂直段长度的总和，m;

H：

上下游水位差，m；

C：

允许渗径系数。

上下游水位差H=35.90-30.98=4.92m，

闸址处，自地面高程约36.00m向下至28.50m为亚粘土，查表取C=3。

则L≥3*4.92=14.76m

（2）防渗设备由于闸基土质以粘性土为主，防渗设备采用粘土铺盖，闸底板上、下游侧设置齿墙，为了避免破坏天然的粘土结构，不宜设置板桩。

（3）闸底板厚度：

闸室长度：

铺盖长度：

齿墙具体尺寸见图1。

 图4—1闸底板尺寸图（单位：

mm,高程单位：

m）

4.2防渗计算

（1）绘制简化的地下轮廓线，如图4—2所示

图4—2：

地下轮廓线简化图

（2）确定有效计算深度Te

已知L0=18+18=36m，S0=1.5+1=2.5m，

则L0/S0=36/2.5=14.4>5Te=0.5Lo=0.5*36=18.0m.

由于实际的不透明水层较深，因此取深度T为有效深度Te=18.0m。

（3）计算各渗流段的阻力系数

进、出口段阻力系数计算公式：

水平段段阻力系数计算公式：

垂直段阻力系数计算公式：

表4-1各渗流区段几何参数和阻力系数表

段号

段别

1

进口段

1.4

18.0

/

0.474

2

水平段

0

1.1

16.6

18.0

1.038

3

内部铅直段

1.1

16.6

/

0.707

4

水平段

0

0

15.5

1.0

0.065

5

内部铅直段

1

16.5

/

0.700

6

水平段

1

1

16.5

18.0

1.006

7

内部铅直段

1

16.5

/

0.700

8

水平段

0

0

15.5

1.0

0.065

9

出口段

1.3

16.8

/

0.473

5.228

根据公式：

得到，各段水头损失表：

表4-2各段水头损失表

分段编号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

设计

0.446

0.977

0.665

0.061

0.659

0.947

0.659

0.061

0.445

计算渗透压力：

H12=H-h1=4.92-0.446=4.474m,

H23=H12-h2=4.474-0.977=3.497m

H34=H23-h3=3.497-0.065=2.832m

H45=H34-h4=2.832-0.061=2.771m

H56=H45-h5=2.771-0.659=2.112m

H67=H56-h6=2.112-0.947=1.165m

H78=H67-h7=1.165-0.659=0.506m

H89=H78-h8=0.506-0.061=0.445m

H9=H89-h9=0.445-0.445=0.000m

表4-3各角点渗压水头汇总表

水头渗透压力

6.96

6.486

6.384

6.282

2.989

2.938

2.887

2.836

0.283

（4）根据以上表4-2绘制闸底渗透压力分布图，如图4-3:

图4-3渗透压力分布图

附图：

附图一：

临淄节制闸闸址布置图；

附图二：

临淄节制闸上下游立面图和纵剖面图；

附图三：

临淄节制闸平面图。

参考文献：

1.《水闸设计规范》SL265-2001

2.《水闸设计规范》SL265-2001实施指南

3.《水闸技术管理规程》SL75-94

4.《水闸施工规范》SL27-091

5.《闸门与启闭机》葛洲坝工程丛书

6.《水工建筑物》天津大学，祁庆和编

7.《水闸》水利出版社，张世儒编

8.《水闸设计》上海科技出版社，华东水利学院编

9.《小型水利水电工程设计图集》涵闸分册水利电力出版社

10.其他参考资料