羌河口水电站首部闸坝枢纽设计毕业设计.doc

西华大学毕业设计说明书 毕业设计说明书题 目:羌河口水电站首部闸坝枢纽设计 学院(直属系): 能源与环境学院 年级、 专业: 2010级 水利水电工程 学 生 姓 名: 学 号: 指 导 教 师: 完 成 时 间: 2014年5月25日 1目录摘要11前言22基本资料32.1工程概况32.2闸址处地形资料32.3水文资料42.4洪水资料62.5泥沙资料73 确定枢纽等别83.1工程等别和建筑物级别83.2下闸址拦河闸坝等别94首部闸坝枢纽整体布置104.1拦河闸位置的选择104.2首部枢纽布置115水闸的结构布置125.1底板125.2闸墩135.3闸门135.4底板的分缝136水闸的水力计算156.1闸室型式的确定156.2拟定闸孔尺寸166.3验算泄流能力197水闸防渗排水设计217.1水闸的防渗长度及地下轮廓线的布置21567.2渗流计算238水闸消能防冲设计308.1底流消能工的设计308.2消力池长度的计算338.3消力池底板厚度计算348.4 海漫358.5 防冲槽及末端加固369水闸稳定分析379.1荷载及其组合379.2闸室稳定计算409.3验算闸室基底压力4110闸室抗滑稳定分析4411闸室底板的配筋计算4612结论51总结与体会52谢辞53参考文献540摘 要本次设计完成了羌河口水电站首部闸坝枢纽设计。设计重点包括羌河口水电站首部闸坝枢纽平面布置、泄洪闸和冲砂闸结构设计。首先进行整个羌河口水电站首部闸坝枢纽和相关建筑物的等别划分。其次参照工程地质条件和地形地貌等因素，并依据水闸设计规范进行首部闸坝枢纽的平面布置 。最后，进行泄洪闸和冲砂闸结构设计；主要内容包括闸室结构布置、闸室抗滑稳定验算、闸室地基应力计算、闸室底板配筋计算、消能防冲计算等。本次设计需要熟练运用所学的相关专业知识，通过查找收集所需设计参数和资料，并在老师的指导下独立完成全部设计内容。关键词：羌河口水电站；首部闸坝；闸室稳定；底板配筋abstractthis design has completed the design of the first gate dam hydropower station in the estuary. the design focuses on the design of the first dam station layout, xie hongzha and discharge structure of the river hydropower. firstly, the qiang river hydropower station first sluice dam project and related building classification. secondly, according to the engineering geological conditions and topography and other factors, and on the basis of design specification sluice layout first sluice dam project are. finally, to release flood waters gate and discharge structure design; main contents include chamber structure layout, the anti sliding stability calculation, the ground stress calculation, lock floor reinforcement calculation, the energy dissipation calculation etc. the design requires skilled use of relevant expertise learned by looking to collect the required design parameters and data, and under the guidance of teachers to complete all design elements independently.key words: qianghekou hydropower station; department head dam; chamber stability; bottom reinforcement1前言随着经济的不断发展，人们对能源的依靠越来越重。随着对煤炭、石油以及天然气的开发及利用，各种环境问题逐步被推向一个热议的焦点。因此清洁能源的开发以及推广成了一种发展趋势。而水能资源作为储存量大、开发技术比较成熟的清洁能源正在被大量利用。在我国大型的水电站开发已经接近尾声。本次羌河口水电站首部闸坝枢纽设计就是一座低水头、小流量的单一发电工程。像这类小型的低水头水电站具有很强的适应性，在许多流量不大的河流上只需要修建一个不大的大坝或者闸坝就能进行拦河发电，适当的地方还能为引水灌溉做出贡献。这对于促进我国的经济发展、解决部分地区灌溉问题有着十分积极的影响。羌河口水电站作为白水江水流域电站规划的一库七级方案中的第三级，上面是黑河水电站，下面连接着黑河塘水电站，是一座典型的专门以发电为主的低闸引水式开发电站。设计的第一个重点便是对闸坝闸址的选择，通过勘测和经济以及运行管理方面的比较我们选择了陵江乡上游的下闸址作为本次设计的闸址。选择闸址后就要对整个首部枢纽进行一个初步的布置，结合地质条件将闸孔布置在主河床上，把进水口布置在右岸便于成洞的地方，靠近进水口的地方设置一道冲砂闸，左岸修建一段土石坝段进行挡水。在首部枢纽布置后就进行闸室的布置以及防渗消能设施的布置，在拟定闸孔尺寸是要注意单宽流量的选择。防渗设计中参照sl265-2001水闸设计规范设置防渗轮廓线，然后进行防渗计算。当整个设计基本完成后需要对闸室进行抗滑稳定计算，这是对整个闸室稳定的一次校核。还有就是闸室底板的配筋计算，通过对所以直接作用或间接作用在闸室底板上了荷载进行叠加计算完成配筋计算。通过这些所有的计算和布置之后再通过综合分析我们就能得出本次毕业设计的成果了。利用这些数据做出整个设计的平面布置图、立视图、闸室的平面图、闸室的剖面图等等。在本次设计中也参考了许多教材、规范以及其他资料，在此向这些文献的作者表示感谢。在设计过程中，张老师一直在旁边兢兢业业的指导，在此向张老师说声衷心地感谢。同时有什么不对或者不完善的地方也希望得到您的斧正！ 2基本资料2.1工程概况 羌河口水电站作为白水江水流域电站规划的一库七级方案中的第三级，是一座典型的专门以发电为主的低闸引水式开发电站。下面连接着黑河塘水电站，上面是黑河水电站。该水闸的闸址处在陵江乡吊坝村，控制集水面积达到2239km2；厂址位于陵江乡河口村、羌河口汇口的上游。水库正常蓄水位为1859.00m，总库容8.92万，装机容量26mw，为单一发电工程。2.2闸址处地形资料 由于受到河谷地形地貌以及地质条件等因素的影响，并考虑到和上一级黑河电站的衔接，本阶段在黑河厂址上、下游河段拟选了两个比较理想闸址进行研究从而进行闸址的选择。上闸址处于黑河厂房的上游大约240m，下闸址位于黑河厂房下游大约260m左右，上、下闸址之间相距约500m。上闸址与下闸址地形、地质等条件十分相似，右岸均为较陡岩石边坡，左岸为较宽的覆盖层坡地。河床覆盖层较深（上闸址最大厚度60m，下闸址最大厚度75.3m）。都存在闸基渗漏、绕坝渗漏和渗透变形稳定、以及抗滑稳定等问题，虽然如此如若采取适当的工程措施，均具备修建水闸条件。表 1-1 坝址区覆盖层物理力学参数建议值表分 类名 称天 然密 度允许承载 力压 缩模 量渗 透系 数抗剪指标允许比降凝聚力摩擦角dfreskcg/cm3kpampacm/smpa度层块碎石土（qcol+dl）2.0520025020301120.15层现代河床含漂砂卵砾石层（qal）2.1030035030401070.1层含漂砂卵砾石层（qal）2.2550060050608.7110-2030320.120.152.2.1 上闸址上闸址地处陵江乡的吊坝村上的游大约2km左右，现代的河床偏右岸，河道弯曲呈典型的“s”型，河流流向由nw折向近西北方向，河谷总体上看与地层走向呈小角度相交，属斜纵向河谷。在枯水期河水位高程约为1857m，水面宽约10m，在取水位1863.05m的高程处，河谷宽130m左右。右岸谷坡平均坡度，山体雄浑且较厚，基岩基本裸露；左岸属于阶地发育，地形比较平缓，在1860m高程处为级阶地，1865m高程以上基本为覆盖层斜坡，坡度为，河谷为不对称的“u”型河谷。区内出露的基岩地层为黑河组上段第二层中部砂岩与板岩互层夹千枚岩，地层产状为n5060w/ne6575。勘探表明，河床覆盖层厚度一般4050m，最深达60m。河谷左岸阶地为冲洪堆积的含漂（块）砂卵砾石层，厚约5060m，结构较密实；右岸大多基岩裸露，仅坡脚分布有崩坡积块碎石土，厚度较小，一般厚约58m，结构较松散；河床覆盖层为含漂（块）砂卵砾石层。区内覆盖层按其物质组成、结构和成因，自下而上可分为三层：第层为冲洪积堆积的含漂（块）砂卵砾石层，主要分布于阶地及现代河床中下部，厚4851m，结构密实；第层为现代河床冲积堆积的含漂（块）砂卵砾石层，结构松散，局部有架空现象，厚58m，主要分布于现代河床表浅层。 2.2.2 下闸址下闸址位于陵江乡吊坝村上游约1.5km，现代河床偏右岸，河道弯曲呈“s”型，河流总体流向自n向s，河谷总体上与地层走向呈大角度相交，属斜横向谷。枯水期河水位高程约1854m，水面宽23m，正常蓄水位1859.00m时，谷宽69m。右岸谷坡陡峻，平均坡度6065，山体浑厚，基岩裸露；左岸阶地发育，地形平缓，1856m高程为级阶地，1860m高程以上为覆盖层斜坡，坡度为3040度，河谷呈不对称“u”型谷。河床左岸阶地为冲洪堆积的含漂（块）砂卵砾石层，厚约6070m，结构密实；右岸1880m高程以上基岩裸露，坡脚分布有崩坡积块碎石土，厚度较小，一般厚约58m，结构较松散；河床覆盖层为含漂（块）砂卵砾石层。2.3水文资料径流特征值 多年平均流量， 25.7m3/s ；汛期多年平均流量(510月)，40.2m3/s；枯期多年平均流量(114月)，11.0m3/s ；多年平均气温，12.6；多年平均降水量，567.3mm；多年平均相对湿度 ， 65%； 多年平均风速， 2 .1m/s。 下闸址所在地的流量-水位关系曲线如图 2-1。图 2-1 下闸址所在地的流量-水位关系曲线表 2-2 羌河口电站各月径流分配表 月 份 数 值 567891011121234全年多年平均径流（m3/s）32.141.644.938.943.540.219.712.18.787.036.6711.625.7多年平均月径流分配（%）10.613.314.812.913.913.36.34.02.92.12.23.7100由于羌河口水电站附近的水文站修建的时间比较近，所以将各处的水文资料进行补插延长从而得到所需要的完整的水文数据。所以由羌河口电站闸址1966年5月2006年4月共40年（水文年）径流系列推算，闸址处多年平均流量为25.6m3/s，折合年水量8.10亿m3，多年平均年径流深362.0mm。由于本流域径流主要是降雨补给，因此径流的年内变化与降水的年内分配大致一致。丰水期（5月10月）水量为全年的79.4%，枯水期（11月次年4月）占年径流的20.6%，。径流的年内分配详见表 2-2根据陵江电站1966年5月2006年4月共40年（水文年）径流系列，用皮尔逊3型曲线进行试线，确定各频率设计值以及统计相关的参数，径流成果见表2-3。表 2-3 羌河口电站设计年径流成果见表时 段均值（m3/s）cv cs/cvp=10%p=50%p=90%年（54月）25.70.24233.925.218.2丰水期（510月）40.20.25253.539.428.0枯水期（114月）11.00.26214.810.87.532.4洪水资料1987年洪水为南坪站实测系列中的首大，洪峰流量363 m3/s，在实测系列中量级突出。其余1966、1968、1993年洪水，在鹄衣坝站属于实测洪水流量系列，由该站推算的南坪站相应年份的年最大流量来看，1966、1968年洪水排位于1987年之后，量级均在300m3/s以下，1992年洪水洪峰流量217m3/s，已属一般洪水。根据对白水江干流（九寨沟县段）的洪水调查情况，认为1984年洪水为泥石流阻塞河道形成的非天然洪水，不作为历史洪水处理；对于1948年和1987年洪水的重现期，由于条件所限，不能将其考证期追溯至解放前更久远年代，只能自1948年起考证，即1948年洪水为自1948年以来的首大洪水（无量，排位空缺），1987年洪水次大，重现期分别为59年和30年。1993年洪水在南坪站实测系列中略小于1987年，可提出作为特大值，排于1987年之后，重现期为20年。表 2-4 羌河口水电站闸、厂址设计洪水成果表位 置qp (m3/s)p=0.2%p=0.33%p=0.5%p=1%p=2%p=5%p=10%p=20%p=50%坝 址380359341311281240207174124厂 址397357325293250216181129由于羌河口电站位于多诺、黑河塘水文站之间，故闸、厂址设计洪水由多诺、黑河塘水文站的设计洪水成果按面积比内插推求，见表2-4。2.5泥沙资料2.5.1 汛期排沙运用水位比较的水库泥沙冲淤计算陵江电站推荐正常蓄水位为1859.0m，电站需要日调节库容2.77万m3。本阶段初拟汛期排沙运用水位1858.0m、1859.0m两个方案进行比较。各汛期排沙运用水位水库冲淤计算成果见表2-5。表 2-5 各汛期排沙运用水位方案计算成果汛期排沙运用水位（m）1858.01859.0水库总淤积量(万m3)4.567.42剩余调节库容（万m3）2.751.48年均不定期敞泄冲沙次数（次）32 计算结果表明，随汛期排沙运用水位抬高，库尾泥沙淤积高程随之抬高，库区总的淤积量增加。水库运行20年，汛期排沙运用水位1858m、1859m，水库总淤积量分别为4.56万m3、7.42万m3。年均停机冲沙次数两个方案分别为3次、2次，低方案较高方案多，但各方案皆能满足电站取水防沙要求。就调节库容而言，汛期排沙运用水位越高，调节库容损失就越大。1858m、1859m两个方案调节库容淤积量分别为4.56万m3、7.42万m3，剩余调节库容分别为2.75万m3、1.48万m3，从长期保持电站调节库容2.77万m3的要求来看，1858m方案基本满足要求，1859m方案则不满足要求。2.5.2 悬移质（1）根据实测泥沙资料分析，陵江水电站坝址处悬移质特征值如下：多年平均输沙量，10.89万t；多年平均含沙量，0.134 kg/m3； 多年汛期平均含沙量，0.170kg/m3；多年平均引水含沙量，0.134kg/m3；多年平均过机含沙量，0.134kg/m3；多年汛期平均过机含沙量，0.170kg/m3。多诺水库建成后，陵江入库的悬移质颗粒级配最大粒径1.05mm，中数粒径0.023mm。悬移质矿物成份，采用九寨沟水文站2005年沙样，由红外吸收光谱测试鉴定分析。矿物成份中有长石、石英、基性岩屑、绿泥石、碳酸盐、伊利石、方解石、水晶、角闪石等。莫氏硬度大于5的矿物以石英、长石、基性岩屑为主，其它硬矿物如角闪石、水晶等含量相对较少。3 确定枢纽等别3.1工程等别和建筑物级别羌河口水电站作为白水江水流域电站规划的一库七级方案中的第三级，是一座典型的专门以发电为主的低闸引水式开发电站。下面连接着黑河塘水电站，上面是黑河水电站。水库正常蓄水位1859.00m，总库容8.92万m3(0.000892亿m3)，装机容量26mw(2.6万kw)，为单一发电工程。现在对羌河口水电站的有关建筑物以及电站整体做一个等别的划分。具体分等见表3-2。表3-1 水工建筑物级别划分工程等别永久性建筑级别临时性建筑物级别主要建筑物次要建筑物13423434545555表3-2 水利水电工程分等指标工程水库防洪治涝灌溉供水水电站等别工程规模总库容(108m3)城镇及工矿企业的重要性保护农田(万亩)治涝面积(万亩)灌溉面积(万亩)城镇及工矿企业的重要性装机容量(104kw)大(1)型10特别重要500200150特别重要120大(2)型101.0重要5001002006015050重要12030中 型1.00.1中等100306015505中等305小(1)型0.100.01一般30515350.5一般51小(2)型0.010.001530.51由以上资料和数据可以确定该工程的工程等别为等，规模为小（1）小型，永久性主要水工建筑物级别为4级，次要水工建筑物级别为5级，临时性水工建物级别为5级。关于羌河口水电站有关的临时性建筑物以及永久性建筑物的具体等别划分情况;见表 3-1。3.2下闸址拦河闸坝等别平原区水闸枢纽工程的等别划分,其等别应按表3-3确定。表3-3 平原区水闸枢纽工程分等指标工程等别规模大(1)型大(2)型中型小(1)型小(2)型最大过闸流量(m3 /s)50005000100010001001002020防护对象的重要性特别重要重要中等一般- 水闸枢纽中的水工建筑物的等别划分,其级别应按表3-4确定。表3-4 水闸枢纽建筑物级别划分工程等别永久性建筑物级别临时性建筑物级别主要建筑物次要建筑物13423434545555- 考虑到下闸址位于陵江乡吊坝村上游约1.5km，主要工程处于边远山区，没有大的城市或者人群，下游居民数量不多，所以保护对象的重要性为一般再加上所属枢纽的等别为等，规模为小（1）小型，所以闸坝的工程等别可以确定为等，规模为小（1）小型，永久性主要水工建筑物级别为4级，次要水工建筑物级别为5级，临时性水工建物级别为5级。4首部闸坝枢纽整体布置4.1拦河闸位置的选择拦河闸坝闸址的选择是一件非常重要的事情。他的选择将影响到闸坝工程的直接成败，同时在造价方面他也会直接影响造价的高低，同时他还会对整个闸坝所产生的经济效益产生很大影响。这是水闸组织设计当中一个十分重要的环节。他应该从水闸的运用要求以及功能特点着手，然后还要综合考虑所处闸址的地形地貌、地质条件、水流情况、周围的环境因素、施工管理以及后期的运行管理等因素等，最后做出合理的经济与技术分析，选出最理想的闸址。闸址的选择对地形有着苛刻的要求，最好选在地基岩土坚实、两岸边坡稳定、周围的地下水位相对较低以及周围要有开阔的地形便于施工筑坝。在地基条件方面要优先选择天然地基土比较好的地方，地基土的土质要尽量适合筑坝，像细沙、粉砂这类地基容易出现液化现象要尽量避开。实在是不能避开的情况下要采用适当的地基处理方法进行妥善的处理。还有就是过闸水利的形态，如果没有处理好将会对闸室和下游河床以及边坡产生很大的冲刷，时间长了有可能直接产生闸坝倾覆的可能。所以要让过闸水流尽量保持平顺，在闸室后面尽量不要产生波状水跃或者是折冲水流。流量要均匀分布不能出现偏流的情况。拦河闸要选在河道水流平顺且河道顺直的地方。而且尽量离,公路远一些。 由于受河谷地形地貌及地质条件的影响，并考虑到和上一级黑河电站的衔接，本阶段在黑河厂址上、下游河段拟选了两个闸址进行研究比较。 上、下闸址地形、地质条件相似，右岸均为较陡岩石边坡，左岸为较宽的覆盖层坡地，均属软基建闸。河床覆盖层深厚（上闸址最大厚度60m，下闸址最大厚度75.3m）。都存在坝基渗漏、绕坝渗漏和渗透变形稳定等问题，若采取适当的工程措施，均具备建闸条件。以下分别从地形地质条件、地层岩性、地质构造、施工条件等方面进行综合比较，上、下闸址综合比较见表4-1。从以上综合比较可以看出，上、下闸址水头、工程地质条件接近，均无制约性因素；工程泥沙在通过一定工程措施后都可满足规范要求。上闸址存在工程运行管理复杂，在运行管理中需要根据河流来水来沙条件以及黑河电站、羌河口电站的运行情况调整各道控制闸，运行不当可能造成渠道的淤堵、黑河电站尾水管淤积。并且上闸址对黑河电站和陵江电站运行相互干扰较大，要求两个电站基本同步运行，对梯级电站的调度要求较高。下闸址运行简洁，引水防沙的经验成熟，两个梯级电站可单独运行，梯级电站水位衔接关系较好。综上所述，本阶段初拟下闸址作为推荐方案。表4-1 上、下闸址综合比较项 目上 闸 址下 闸 址地 形地 貌左岸级阶地，地形平缓，右岸为基岩陡坡，河谷为不对称的“u”型斜横向谷。枯水期河水面宽10m，取水位1861.34m时，谷宽103m，现代河床偏右岸。河谷与岩层走向交角较小，属斜纵向谷。左岸上部为基岩斜坡，下部为覆盖层斜坡，右岸为基岩陡坡，河谷为不对称的“u”型谷。枯水期河水面宽23m，正常蓄水位高程时谷宽67m，现代河床偏右岸。河谷与岩层走向交角较大，属斜横向谷。地层岩性地质构造基岩地层砂岩与板岩互层夹千枚岩。小断层、构造破碎带不甚发育。薄板状板岩与中厚层砂质灰岩互层，夹少量千枚岩及砂岩、板岩互层夹千枚岩.河 床 覆盖层条件河床覆盖层厚度一般4050m，最厚60m。河谷左岸阶地为冲洪堆积的含漂（块）砂卵砾石层（qal+pl），厚约5060m。河床覆盖层厚度一般在6070m，最深约75.3m。河谷左岸阶地为冲洪堆积的含漂（块）砂卵砾石层（qal+pl），厚约6070m。物理地质现 象区内不良地质现象不发育，谷坡整体稳定性好。基本同上闸址。闸 肩条 件右岸为基岩陡坡，边坡整体稳定，左岸为级阶地含漂卵砾石层。基本同上闸址。进 水 口条 件右岸为凹岸，河道主流线偏右岸，有利于进水口布置。基本同上闸址。4.2首部枢纽布置首部枢纽为一拦河闸坝，在上面的论证中我们已经确定了下闸址作为这次拦河闸坝的闸址选择。接下来我们将对整个拦河闸坝的首部枢纽做一个简单基本的平面布置。下闸址位于陵江乡吊坝村上游约1.5km，右岸谷坡陡峻，；左岸阶地发育，地形平缓，1854m高程为级阶地，1860m高程以上为覆盖层斜坡，河谷呈不对称“u”型谷。区内出露的基岩地层为黑河组上段第二层灰色薄板状板岩与中厚层砂质灰岩互层，夹少量千枚岩及为砂岩与板岩互层夹千枚岩。首先从地形上看右岸谷坡陡峻，平均坡度6065，左岸阶地发育，地形平缓，1856m高程为级阶地，河谷呈不对称“u”型谷。所以只有右岸具备成洞条件，因此将进水口设置在右岸。考虑到泥沙的问题所以必须在靠近进水口那一岸设置一道冲沙闸，在必要的时候冲沙闸兼做泄洪之用。同时在主河床中间设置泄洪闸，泄洪闸位于冲沙闸左恻。拦河闸闸基位于覆盖层上，因此必须考虑防渗问题，初步拟定采用水平铺盖防渗在上下游设置一定长度的水平铺盖。5水闸的结构布置5.1底板底板是闸室的基础即承受闸室上部结构的重量及荷载，又向地基传递这部分力以及荷载的结构，同时兼有防渗、防冲、防止地基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。因此闸室底板必须具有足够的整体性、坚固性、抗渗性和耐久性。闸室的底板通常采用钢筋混凝土结构。5.1.1底板的结构形式 水闸的底板的结构型式根据地基、泄流条件可选用平底板、低堰底板、折线底板、反拱底板结构。5.1.2使用条件 平底板结构：是工程中最常用的的一种形式。其就跟简单、施工反方便，对于不同的地基都要一定的适应性，所以一般情况下都采用这种形式的底板。当地基土质较差而且上部的荷载较大的情况下可采用箱式平底板结构，其整体性以及对地基的不均匀沉降和抗震性都很好，只是施工比较复杂、工程量较大，但是采用箱式平底板结构时可不进行地基处理。5.1.3低堰型底板和折线型底板在实际工程中应用远远不如平底板那么的普及，而且其受力条件十分复杂。目前并没有系统精确的计算分析方法，因此质疑在特定的条件下才会采用这两种形式的底板。5.1.4反拱底板结构过去为了充分利用混凝土材料的抗压性能，从而减薄底板的厚度，减少钢筋的用量，节省工程投资而在坚实或中等密实的地基上采用这种底板形式，但是其缺点很突出：其结构受力不明确，计算比较复杂困难，之前采用了此种形式底板的工程失事的比较多所以目前已经很少采用了。本工程粗砾卵石地基上，相对来说工程地质条件还比较好，再加上闸室的高度不大、上下游水位差较小、过闸单宽流量也不大，所以在此选择开敞式平底板结构式底板。底板的具体尺寸详见水闸防渗设计中的布置。5.2闸墩闸墩用以分隔闸孔支承闸门上部所以桥梁及设备的重量以及闸门的重量，并将闸门传来的水压力和上部结构的重量和荷载传递个底板。闸墩的长度应满足布置工作桥、公路桥、检修桥等的需要。在闸墩的上游端为了减小孔口水流测收缩和使水流平顺不至于在下游产生波状水跃或者折冲水流等情况，在闸墩的前端采用半圆形相接，圆的半径采用r=d/2。其中d为闸墩的宽度，所以r=3/2=1.5m。下游端为了减小水流的水冠和冲击波，下游端采用流线型，其中r=1.71d，其中d为闸墩的宽度，所以r=1.713=5.13m。闸墩的长度与底板长度一样采用10m。闸墩的高程与闸顶高程齐平，所以闸墩高为7.5m。5.3闸门提及闸门，首先要考虑的事闸门形式的选择，闸门的选择要考虑很多因素，首先要考虑的便是下泄流量和闸孔的跨度，这是直接影响闸门选型的关键因素，因为流量的大小会直接影响闸门的选材以及闸门强度刚度的确定，再加上闸孔的大小尺寸也是决定这些因素的决定性条件之一。同时造价的高低、启闭机的容量也是会对闸门的选择提供一定的参考价值。闸门在闸室中位置的确定也是一个很关键的步骤，因为闸门位置的确定会对地基应力的分布产生直接的影响，比如说在后面闸室稳定计算中对于底板形心的选择就和闸门位置的选择有直接关系，也就是说它还会对闸室的抗滑稳定也要产生重要影响。再者闸门位置的选择还会影响上部工作桥以及启闭机的位置的确定。因此闸门位置的选择是闸门布置中十分关键的一步。闸门型式的选择，本工程属于低水头、小流量的闸坝。考虑到平面闸门制造简单，而且安装管理方面也十分方便，再者就是维护上也很方便。所以在此选择平面式钢闸门。并且在工作闸门前预留一道检修闸门的位置，方便在检修时运用，本工程采用一台检修闸门启闭机，两孔泄洪闸共用一道检修闸门，由于冲砂闸宽度与泄洪闸不一样所以各自单独用一道检修闸门。5.4底板的分缝为了减少和防止由于温度变化、地基的不均匀沉降以及混凝土干缩引起的裂缝，对于闸室底板必须沿垂直水流方向进行分段，即设置若干道顺水流方向的永久缝。参照sl265-2001水闸设计规范将顺水流方向的分缝设置在闸墩上，在靠近岸墙处，为了减小岸墙以及墙后填土的不利影响，采用两闸孔一联。这样分缝的好处在于我们可以很好的控制闸门的整体性不被破坏，再者这样的分缝对于地基的不均匀沉降也可以起到十分积极的作用可以增强他在这番方面的适应性。同时还可以大大提高闸室的抗震性能。止水设备：因为本工程的底板要具有防渗的作用，因此必须对这些分缝进行止水设计。参照水工建筑物第5版、张世儒水闸以及sl265-2001水闸设计规范在闸墩中间设置铅直止水，边墩与翼墙间以及上游翼墙本身采用水平止水。在止水交叉处采用铅直交叉以防止形成渗水通道。在交叉处的止水片运用柔性连接。6水闸的水力计算水闸的水利设计内容包括：闸孔总净宽的计算及闸孔尺寸的确定；水闸的防渗排水设计；水闸的消能防冲设施的设计。6.1闸室型式的确定6.1.1堰型的选择常用的堰型有：宽顶堰和低实用堰。宽顶堰对于不同的地形地质条件以及不同的运行要求都有着很强的适应能力，因此宽顶堰成为了很多水闸都采用的一种较为普通也较为简单的形式。他的优点在于它十分的有利于洪水的排泄、淤积的冲砂、排污排水也是很厉害的，并且他的结构简单十分的反方便于施工与设计，并且他的泄流能力相对于其他的堰型来讲十分的稳定，这也是很多工程都选择宽顶堰的一个重要原因。他的缺点在于自由泄流时他的流量系数比较小，在下游出可能会产生波状水跃，但是平底板式的宽顶堰这种结构形式就可以很好的避免一些问题，而且很适用与本次工程的设计。考虑到本次工程设计的闸址位于覆盖层上，地质条件不好，再加上施工的复杂性，在此我们选择平底板结构的宽顶堰作为下闸坝的堰型。6.1.2按结构型式选择 开敞式水闸：开敞式水闸是一种目前普遍采用的结构型式，在他的上面没有填土。可运用的范围非常的广，它不仅试用于上、下游水位变幅不大的水闸。对于那种上下游水位变幅大，并且过闸流量很大的的工程 ，只需在闸室设置一道胸墙就可以了。本工程位于凌江上，闸前水位不高，过闸流量不大，山区河流陡涨陡落，所以采用开敞式水闸。6.1.3闸底板高程的选择闸底板应置于较为坚实的土层上，并应尽量利用天然地基。在地基强度满足要求的条件下，底板高程定的高些，但是考虑到本工程处于覆盖层上闸底板高程不宜过高取为1853m，冲沙闸兼有泄洪冲沙的作用所以其高程应略低于河床高程取为1853m。6.1.4闸上下游水位的确定第一章基本资料可知水位流量关系曲线表可查下游水深，而上游水深由资料可知： h上=h下+壅高壅高水位值见资料。具体计算数值见下表6-1。 表6-1 雍高水位值洪水标准上游水位(m)下游水位(m)流量()壅高(m)设计洪水18581855.782582.22校核洪水1858.651856.183592.476.2拟定闸孔尺寸6.2.1在设计洪水工况时由设计洪水工况位得：h= 1858 - 1853= 5mh= 1855.78-1853 = 2.78m判断流态时，参考李家星主编水力学一书中的公式： 当上式成立时，为淹没出流，否则为自由出流。上游渠道当水深为4m时端面面积可由上下游河道横断面图初步估算出式中：下游水深，m；计入行进流速的堰上水头，m；上游过水断面面积；上游水深，m。 =1.0 h= 2.780.8 h= 4.096m故水流为自由出流。6.2.2在校核洪水工况时 h=1858.651853= 5.65mh = 1856.18- 1853=3.18m上游水位当水深为5.65m时的断面面积可由上游河道横断面图得出过水断面a：,判断流态时, 参考李家星主编水力学一书中的公式： 当上式成立时，为淹没出流，否则为自由出流。式中：h下游水深，m；h计入行进流速的堰上水头，m；a上游过水断面面积；h上游水深，m。 m m故水流为自由出流。6.2.1堰流与孔流的确定根据实验，宽顶堰形成堰流或孔流的界限可以参考李家星主编水力学一书中的公式：e/h0.65为堰流；e/h0.65为孔流。在设计洪水工况时：e/h=6.5/4=1.6250.65，所以为堰流。在校核洪水工况时：e/h=6.5/4.65=1.3970.65，所以为堰流。6.2.2计算闸孔总净宽 单宽流量的选择过闸单宽流量的选择,主要根据闸后河床的地质条件,但也应考虑上、下游水深和等因素，单宽流量的经验取值见表6-2。表6-2 我国的经验对各种地质的地基单宽流量的经验取值河床地基土质细砂、粉砂砂壤土壤土坚硬粘土q(.m)510101515201525 注:根据工程经验,拟取q=20 .m闸室总净宽的估算:按下式计算: = q/q ( m )式中:q为设计或者校核流量；q为单宽流量。 = q设/q =258/20=12.9 m = q校/q =359/20=17.95 m 故闸室总净宽12.9m b0 17.95m。6.2.3拟定闸室总净宽 在水流成堰流的情况下，参照林继镛主编的水工建筑物闸室总净宽计算时： = 式中：闸孔总净宽，m；q设计流量； 计入行进流速水头在内的堰顶水头，m； 淹没系数； 侧收缩系数； m流量系数； g重力加速度，。 在设计洪水工况时宽顶堰淹没系数计算： = 同理在校核水位时宽顶堰淹没系数=0.923， 由于堰顶高程与河床高程基本相同，故为无坎宽顶堰=1.0，流量系数m=0.385。在设计工况洪水时 =m在校核工况洪水时 =m故取为16.5m，初设2孔，每孔净宽(16.5-2.5)/2= 7m，中墩3，边墩1.5m。剩余2.5m设为冲砂闸，在需要的时候冲砂闸兼做泄洪闸。6.3验算泄流能力6.3.1确定测收缩系数参照水闸设计规范测收缩系数： 其中： 式中：b边闸孔侧收缩系数，可按公式计算求得或由表4-3查得，但表中为bo+bo/2+。 堰流侧收缩系数,b0为闸孔净宽(m)； 中闸孔侧收缩系数, dz为中闸墩厚度(m)； b边闸孔侧收缩系数； 边闸墩顺水流向边缘线至上游河道水边线之间的距离(m)； n闸孔数； z中闸孔侧收缩系数,可按公式计算求得或由表4-3查得,但表中bs 为b0 +dz ；表6-3 值b0/0.20.30.40.50.60.70.80.91.00.9090.9110.9180.9280.9400.9530.9680.9831.000由计算查表得：=0.983，b=0.918，所以 =0.961由公式： =，反算q。表6-4 校核过流能力计算表h0(m)mq()设计洪水0.917 0.9615.120.385287.57校核洪水0.9230.9615.780.385363.91校核出的流量均比相应的设计流量稍大，所以满足要求。7水闸防渗排水设计7.1水闸的防渗长度及地下轮廓线的布置7.1.1防渗长度的确定初步拟定的水闸的防渗长度需要满足下公式的要求： lch 式中：l水闸的防渗长度，及基本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，依地基土的性质而定，当闸基设有板桩时，可采用表7-1中所列规定值的小值。表7-1中出了壤土、粘土以外的地基，只列出了有反滤层时的允许渗径系数，因为在这些地基上建闸，必须设置反滤层。表7-1 允许渗径系数值排水条件地基类别粉砂细砂中砂粗砂中砾细砂粗砾夹卵石轻粉质砂壤土轻粉质砂壤土壤土粘土有反滤层13-99-77-55-44-33-2.511-79-55-33-2无反滤层7-44-37.1.2地下轮廓线的布置地下轮廓线的布置方案与地基土的性质密切相关。下闸址位于陵江乡吊坝村上游约1.5km，地基土主要表现为粗砾夹卵石。总的来说，地下轮廓线的布置型式主要有以下四种：1：铺盖与板桩结合布置的型式；2：平底式，主要水平防渗设施为铺盖、浅齿墙等；3：双向水头水闸的防渗布置型式；4：平底式结合排水减压孔。因为本工程施工区属于沙性土，所以此次设计用第二种型式，即在上游侧布置铺盖，齿墙等水平和垂直防渗措施，必要时可设置悬挂式防渗墙，在下游侧消力池底板中后部设置排水孔以达到上防下排的设计目的。现将水平防渗与垂直防渗的具体设备详细说明如下：铺盖铺盖作为水闸主要的防渗设施，在水闸的设计中有着十分重要的作用，他一般设置在水闸的上游，主要的作用是延长渗径的距离，提高水闸的防渗强度。铺盖厚度不小于0.4m，取1m计算。混凝土、钢筋混凝土铺盖当缺乏作铺盖的土料时或水闸必须利用铺盖协助抗滑时，才采用混凝土、钢筋混凝土铺盖。混凝土的强度为c15，c20，板厚约为3050cm。为了增加铺盖的不透水性，可在混凝土表面涂一层沥青。为了适应地基的沉陷，铺盖面积大的应该用纵、横缝分开。铺盖与翼墙、底板之间设沉陷缝，铺盖在靠近底板与翼墙的部分，一般都应加厚，做成齿墙。所以参见水闸设计规范铺盖长度为（35）h = 7.41 12.35 m ,取最大值稍大15m。齿墙作为抗滑稳定和防渗的一个重要设施，它一般布设在水闸的上游和下游，深度一般不少于0.5m。深齿墙宜布置在底板或铺盖的上游侧。深齿墙与底板或铺盖连接处均用接缝分开，接缝中设止水，以保证其不透水性。设置齿墙的优点主要有：1、延长渗径；2、如同重力坝的浅齿墙一样增加闸室的抗滑稳定性；3、在垂直水流的方向起到钢筋混凝土梁的作用以增加整体刚度；4、增强防冻的功能。此次设计取齿墙为深1m，宽2m，与上下游链接的坡度为1:1。7.1.3闸底轮廓线长度的确定底板顺水流方向的长度，取决于上部结构布置并满足结构要求强度和抗滑稳定要求。底板长度可根据经验拟定：对于砂土和砂壤土，可取（2.02.5）h（h为上、下游最大水位差）。底板厚度必须满足强度和刚度的要求，大、中型水闸可取（1/51/8）(为闸孔径宽)，一般为1.02.0m，最薄不小于0.6m。水闸底板长度取（2.02.5）h = 5.87.25 m，为方便布置可适当加长底板长度，取其为10.0m。底板厚度取,2.0m。防渗长度的复核：由l=15+10=25ch =32.47=7.41m，所以满足要求。7.2渗流计算直线比例法直线比例法包括勃来法和莱因法两种。最常用的直线比例法是勃来法，该法认为渗透水头沿着地下轮廓不透水部分（不论是垂直渗径，还是水平渗径）成线形减少，并逐渐消失。勃莱法用于平展式地下轮廓的渗压计算。其成果虽为近似值，但还是比较接近实际的。利用直线比例法能够近似地算出作用在