临淄节制闸说明书正式版

1、合肥工业大学设计题目临淄节制闸初步设计成绩课程设计主要内容指导教师评语 签名： 20 年 月 日3前言课程设计，就是课程工作者从事的一切活动，包括对达成课程目标所需的因素、技术和程序，进行构思、设计和方案比选的过程。对于我们大学生的课程设计，就是对在校期间所学的专业课程进行实际的工程设计，进一步巩固已学到的知识。此次水工建筑物课程设计主要围绕水工建筑物当中的重要环节节制闸的选址和选型以及消能防冲等的设计，从13年2月25日到13年3月10日共为期一周，旨在锻炼同学们的动手能力、思考能力和团结协作能力。此任务书主要从课程设计的题目描述，设计要求、设计内容以及数据试算演算等过程培养同学们的数据操作

2、和分析能力。尤其是最后图纸的绘制更是提高了同学们的CAD应用能力。鉴于本人水工建筑物知识和经验有限，说明书中部分参数和数据是从文献和资料借鉴而来，在此给予感谢的同时望老师提出宝贵的意见和建议。目录（待输入）水工建筑物课程设计1、课程设计目的课程设计对于工科的学生，是个综合性的实践教学环节。通过课程设计，使学生将在课堂所学的知识融会贯通，提高学生提出问题、分析问题并解决问题的能力。通过课程设计，培养学生利用所学知识，独立工作、创造性地工作的能力。通过课程设计，使学生熟悉现行水利水电工程建设项目实施的基本程序、基本规则和项目设计的基本要求与基本内容。通过课程设计培养学生应用技术规范与规程、查阅文献

3、资料、体会协作共事的能力。2、工程总体描述2.1 工程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300m3/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。2.2 闸址处基本条件（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

4、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34.60m，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。表1 闸下水位与流量关系：流量Q（m3/s）0501002003004005006007008009001000110012001300水位H（m）29.9830.2630.7831.5032.0032.7133.1233.7534.1834.7134.993

5、5.2435.4435.5635.62（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

6、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#、5#钻孔：基本同6#钻孔地质资料。表2 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1.812.04×10-51.16000.8181.6粉质粘土1.681.913×10-41.08000.85161.1粉土1.561.84

7、1×10-40.812000.9140.9参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。3、工程设计标准根据该闸的规模及用途为2级建筑物。4、工程的基本布置4.1 选线本设计中共备有三种选线方案（具体位置见选线示意图），下面一一介绍之。方案一：在原河道直线段布线根据建闸选线要求，在水流的流态方面要满足水流平顺流入和流出，选取的直线段如图1所示，方案基本能够满足水流平顺流出。考察开挖条件，根据钻探孔（见地形图）的地质资料看出，方案所挖的直线河道在孔6#、9#、5# 所代表的区域里，其地质条件可

8、以以6# 钻孔地质资料作为代表此河道所在区域的地质情况，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。分析地质资料得出,河床底的地质比较松软，砂砾层的渗透系数较大，需要做好地基土层压实，避免在施工期和运行期的沉降量过大，使水闸功能失效；在地基的防渗工程的建设也需格外注意，以防发生管涌，地基滑移的重大工程问题。在施工条件方面，需要在原河道上进行施工，故而在施工段的两端开挖导流渠道，将流向施工段的水流直接通过导流渠道排向下游，以保证水闸干地

9、施工。在功能上，能够实现水流控制，调节上、下游供水。此方案无须开挖河槽，造价方面比较合理。方案二：避开原河道，在5#孔和3#孔处引河槽。此方案，如图1所示。此方案保证了闸室的上游连接段、下游连接段的水流平顺，但在开挖直线河道与原河道的上游连接处、下游连接处的容易产生折冲、冲刷，需要在连接处做好护岸措施。考察开挖条件，根据钻探孔（见地形图）的地质资料看出，方案所挖的直线河道在1#孔、3#孔、5#孔 所代表的区域里，其地质条件可以以1# 钻孔地质资料作为代表此河道所在区域的地质情况，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26.0

10、0m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。此处地质情况较好；功能上能够实现水流控制，供水分配；开辟出了一定的土地资源。由于此方案需要开挖与原河道等宽等底的直线河道，开挖河道宽约60米，河底高程29.88米至30.00米，长约300米，开挖工程量相对较小，造价方面相对合理。方案三（最佳方案）：避开原河道，在5#孔和8#孔处引河槽。 从河道上游段水流方向引线，选择一条与下游段出水方向相同的线作为开挖河槽。此方案很好的解决了过闸水流的平顺流入与平顺流出的问题。考察开挖条件，根据钻探孔（见地形图）的地质资料看出，方案所挖的直线河道在孔1#

11、、2#、4#、5# 所代表的区域里，其地质条件可以以1# 钻孔地质资料作为代表此河道所在区域的地质情况，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。分析地质资料得出，此区域地质坚实；孔隙率低，沉降量小；压缩模量E大，承载力较高；渗透系数k比较小，降低防渗工程的造价；摩擦角度大，凝聚力C大，抗滑能力较强。在施工条件方面，因为是以原河道为导流渠道，在新开挖的直线河道里建水闸，所以在施工期内的汛期或非汛期，可以很好地保证水闸

12、在干地的情况下施工。功能上面，能够实现水流控制，调节上、下游供水；因开挖了与原河道等宽等底的直线河道，代替原河道，连接河流曲折两端，所以减少了流域面积，使原河流弯曲段所占的土地，转变为可利用土地，增加土地利用率。由于此方案需要开挖与原河道等宽等底的直线河道，开挖河道宽约60米，河底高程29.40米至30.12米，长约650米，开挖工程浩大，造价较高。图1 方案选择示意图4.2 水闸位置的选择水闸位置方案选择如图1，水闸位置的选择要考虑到下游段的消能防冲因此闸址要偏向上游，闸址选在2#孔（图1）处土质坚实。另外交通桥、水闸分离式布置使水流能够平顺地流入、流出，闸室则另选一处位置，在距离公路段10

13、0米处兴建，这样交通桥和水闸分开管理，有利于分清各部门权责，实现有效管理；交通桥和水闸功能明确，地质条件要求相对较小。该法已在水闸工程中广泛应用，技术可靠成熟。4.3 方案比选综合考虑地形、地质、水流、施工、管理等因素决定方案三为本工程最佳方案。4.4 水闸的选型堰型选择本工程有拦河抬高水位，以供上、下游取水的作用，故属于节制闸。节制闸汛期泄流能力要大且稳定，所以选择有利于泄洪、冲沙、排污、排冰，且泄流能力比较稳定，结构简单，施工方便的无坎宽顶堰。堰底板高程的选定该处的地质情况较好，节制闸的底板选用分离式底板。节制闸的地板顶面可与河底齐平，河底上游连接处高程30.12m，下游连接处29.40m

14、，根据图1中的比例算出上下游的距离大概为130×5000÷1000=650m，节制闸建在距下游连接处350m处，由相似三角形边长成比例得： h30.12-29.4=350650 （4-1）得h=0.39m，节制闸处河底高程为H=0.39+29.40=29.79m，节制闸底板与河床齐平，由此得出堰底板的高程为29.79m。闸墩闸墩的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。上游墩头可采用半圆形，下游墩头宜采用流线形。翼墙翼墙有一字型、八字型和圆弧形，本工程的过流量大，故而选择圆弧形水流条件较好的翼墙。分缝方式与布置 当地地质条件较好，将缝设在单孔底板上设

15、双缝。为避免相邻结构由于荷重相差悬殊产生不均匀沉降，也要设缝分开。如铺盖与底板、消力池与底板，以及铺盖、消力池与翼墙等处都要分别设缝。根据该处地质条件以及经济因素等分缝型式选择分离式。5、孔口设计5.1 闸孔总净宽的计算根据给定的校核流量（20年一遇）：Q=1300m3/s，相应的闸上水位：36.35m，闸下水位：35.62m。汛期遇校核流量时，闸门全开，水流为堰流，有 （51）L0 闸孔总净宽，m；Q 校核流量，m3/s；H0 计入行近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，m2/s其中、m可有SL2652001水闸设计规范查得。所要用到的公式及过

16、程如下：根据、m的计算原理我们要先计算出闸前全水头H0，其计算过程如下：H=36.35m-29.79m=6.56m H0=H+0Q022gB0+mHH (52) =6.56m+1×（1300m/s）22×9.8m/s2×60m+2×6.56m×6.56m =6.91m下面计算流量系数m，P=0m，P1/H=0时，对堰顶入口为圆弧形的宽顶堰，流量系数可用下列公式计算： （53）计算淹没系数s需要以下公式hs=ht-P2=35.62-29.79=5.83m （54）0.8H0=0.8×6.91=5.52m因为hs>0.8H0故为淹没

17、出流。根据5.836.91=0.844，从表3可得出。表3 宽顶堰的淹没系数shs/H00.800.810.820.830.840.850.860.870.880.89s1.000.9950.990.980.970.960.950.930.900.87由表中，内插法可得：0.97-0.960.84-0.85=0.97-s0.84-0.844得s=0.966。最后计算侧收缩系数 （55） B=60m，b=L0，进行以下试算（表4）：表4L1L0QBH0mnbd44.0445.354391300606.910.9660.9578990.385411.01255.31333344.0545.3532

18、61300606.910.9660.9579230.38558.813.98544.0645.352121300606.910.9660.9579470.38567.3416673.18844.0745.350981300606.910.9660.9579710.38576.2928572.65666744.0845.349851300606.910.9660.9579950.38585.506252.27714344.0945.348711300606.910.9660.9580190.38594.8944441.9925故而，孔净宽取46.0米。 5.2 孔数和单孔宽度以及闸室总宽度的计算

19、根据表4中的试算结果，确定本水闸的孔数n为5，单孔宽度为9.2m（我国大中型水闸的单孔宽度一般采用812m。），中墩宽1.2米，槽深0.3米，槽口处宽0.6米，边墩宽1.0米。L=L1+（n-1）d=46.0m+(5-1)×1.2m=50.80m (56)合理； （57）（当河道宽为50100m时，） 所以闸室的总宽度为50.80m闸门布置图如图2所示5.3 过水流量的校核由无坎宽顶堰的流量公式得：Q=smL02gH3/2=0.966×0.958×0.385×46.0×19.6×6.913/2=1318.0m3/s （58）误差比分比

20、Q-Q设Q设×100%=1318-13001300×100%=1.4% （59）过流能力满足设计要求。6、闸室的布置和构造6.1 底板常用的闸室底板为水平底板和低实用堰底板两种类型，本次设计选用水平底板；为适应地基不均匀沉降和减小底板内的温度应力，设置横缝将闸室分成几段，采用分离式底板；闸底板厚度一般在1.0m2.0m，选用1.5m；底板顺水流方向的长度，取决于地基条件和上部结构布置并满足抗滑稳定和地基允许承载力的要求。底板长度可根据经验拟定：对于粘土地基，取(2.54.0)H,(H为上、下游水位差)，闸底板长度为（2.54.0）×（35.90- 30.98）=1

21、2.319.68m,闸底板长度取15m。闸室结构沿垂直水流方向的分段长度，在土基上不宜超过35m。6.2 闸墩闸墩顶高程应根据挡水和泄水两种情况确定。挡水时，墩顶高程等于最高挡水位加浪高及相应安全加高；泄水时，闸墩不应低于设计洪水位（或校核洪水位）加相应的安全加高。校核水位对应的上游水头为，安全超高取为0.5m。6.56+0.5=7.06m由于公路桥面高程为37.18m，考虑到交通桥的布置和两岸边坡的影响，最后取闸墩的高程为7.39m，墩头形式采用半圆型，墩尾采用流线型。6.3 闸门闸门型式的选择，应根据运用要求、闸孔跨度、启闭机容量、工程造价等条件比较确定。闸门在闸室的位置与闸室稳定、闸墩以

22、及上部结构的布置有关。平面闸门一般设在靠上游侧，有时为了充分利用水重，也可将闸门向下游侧。闸门顶要高出最高蓄水位，闸门顶应高于最高蓄水位，取20年一遇的校核流量对应的上游水头为6.56m，安全超高0.5m。闸门高度=6.56+0.5=7.06m，取闸门高度为7.2m。6.4 工作桥高程及尺寸由于采用固定式启闭机械，桥高约为门高的2倍加上0.5m的额外高度。工作桥的宽度为启闭机外轮廓尺寸每侧不小于1.2m，一般约为35m。所以，工作桥高程为2×7.2+0.5+29.79=44.7m；6.5 交通桥高程及尺寸交通桥一般为双车道，一个车道的宽度为3.75m，人行道为1.5m，人行道和车道之

23、间有个安全距离为0.5m。交通桥宽度=3.75×2+1.5×2+1=11.5m，交通桥宽度取为12m，交通桥的高程为37.18m。7、水闸的消能、防冲设计7.1 底流消能工设计7.1.1 底流消能工的布置由于该地区地势比较平缓，在平原地区修建水闸，由于水头低，下游水位变幅大，一般都采用底流式消能。底流消能的作用是通过在闸下产生一定淹没度的水跃消除余能，保护水跃范围内的河床免遭冲刷。淹没度过小，水跃不稳定，表面漩涡前后摆动；淹没度过大，较高流速的水舌潜入底层，由于表面漩滚的剪切，掺混作用减弱，消能效果反而减小。淹没度取1.051.10较为适宜。根据本闸规划要求，虽然过闸设计流

24、量和校核流量很大，但此时全部闸门均开启，上下游水位差很小，且下游水深较大，故将产生淹没式水跃，不是消能计算的控制情况。由于恶劣在放水情况下，上游水深为6.11m，上、下游水位差较大，部分闸门局部开启，此时流量虽小，但下游水位较低，因此会出现消能计算的控制情况。为此，应先拟定闸门开启孔数及闸门局部开启时的流量Q，然后由水利计算的跃后水深hc与下游实际水深ht比较，判别水跃形式，选取最不利的情况作为消能计算的控制情况。消力池布置在闸室之后，池底与闸室底板之间用斜坡连接，斜坡面的坡度不宜陡于1:4，本次设计选用1:6的坡度。为防止产生波状水跃，可在闸室之后留一道小坎。消力池的型式主要受跃后水深与实际

25、尾水位相对关系的制约：一般当尾水位约等于跃后水深时，宜采用辅助消能工或消力坎；当尾水位小于跃后水深1.01.5m时，宜采用降低护坦高程形成消力池；当尾水位小于跃后水深3.0m以上时，应做一级消能和多级消能的方案比较，从中找到技术上可靠、经济上合理的方案。7.1.2 消力池的深度、长度及底板厚度的确定1、消力池的深度消力池的深度是在给定的流量和相应的下游水深条件下确定的。设计时采用恶劣放水情况下，闸上水位为35.90m，闸下水位为30.98m，此时对应的流量即为本次设计所选用最恶劣情况下的设计流量。有消力池的试算表（附表一）得：当闸门开启3孔时，闸下水位为30.82m，此时的流量为115.35m

26、3/s, 消力池深度的水力计算有SL265-2001水闸设计规范得：(消力池计算示意图见图3)图3 消力池计算示意图 （7-1） （7-2） (7-3) (7-4)式中d-消力池深度(m)；0-水跃淹没系数,可采用1.051.10；Hc"-跃后水深(m)；hc-收缩水深(m)；-水流动能校正系数,可采用1.01.05；q-过闸单宽流量(m2/s)；b1-消力池首端宽度(m)；b2-消力池末端宽度(m)；T0-由消力池底板顶面算起的总势能(m)；Z-出池落差(m)；hs'-出池河床水深(m)。根据公式可得到消力池的深度取1.8m。2、消力池的长度过闸水流大部分的能量都要通过消力

27、池消耗掉，水跃长度越大，消力池的长度相对越大，故消力池的长度与水跃长度有关。平底消力池即水平护坦上无尾坎是的水跃，称为自由水跃，它需要的消力池较长，而不宜适应各种泄流量，很少用于实际工程。该水闸设计消力池采用挖深式，池内形成的强迫水跃比自由水跃短，也比较稳定。消力池分为水平段和斜坡段，闸室与消力池之间用坡度为1:6的坡连接，斜坡在水平方向上的投影为1.8×6=10.8m，取为11m水平段长为，取为13.5m消力池的总长度为L=13.5+11=24.5m与试算表相符，取消力池总长度为25m。3、消力池的底板厚度由SL265-2001水闸设计规范得：消力池底板厚度从抗冲和抗浮两方面进行考

28、虑。由于消力池底板布置排水孔和反滤层，所以不需考虑抗浮情况。根据抗冲要求， 护坦厚度t（m）计算的经验公式如下：t=K1qH式中：q闸孔处的单宽流量（）；H泄水时的上下游水位差（m）；K1经验系数，可采用0.1750.20，取为0.2；t靠近闸室一端的护坦厚度（m）；按抗冲要求，非基岩护坦t：t=K1qH=0.2×4.05×5.08=0.60m （7-5）结果与试算表相符，消力池厚度均匀，取消力池底板厚度取0.8m。7.1.3 消力池的构造护坦底板一般采用混凝土或加筋混凝土，水闸有的采用浆砌石。底板上设有排水孔，取孔径为10cm，消力池与闸底板、翼墙及海漫间均用缝相互分开，

29、以适应不均匀沉陷和伸缩。缝宽0.02m，缝内填沥青油毛毡。护坦下设纵横向无砂混凝土管排水，排水管外径为0.4m，内径0.15m。护坦在平行水流方向设沉降缝，缝的位置宜与闸墩对齐，护坦底部设反滤层。7.2 海漫参考资料1水利水电工程可行性研究报告编制规程（DL5020-93）；2水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000)；3水利水电工程施工组织设计规范(2004年)；4防洪标准（GB50201-94)；5水工混凝土结构设计规范(SL/T191-961)；6浆砌石坝设计规范（SL25-91）；7水资源规划与利用 中国水利水电出版社；8水工隧洞设计规范（SL279-2002）；9工程水文

30、学（第四版）；10水利工程施工（第五版）武汉大学 袁光裕 胡志根 中国水利水电出版社。附表序号系列值频率18.032.22 24.464.44 34.366.67 44.368.89 54.1111.11 64.0113.33 73.5715.56 83.1517.78 92.920.00 102.0922.22 112.0224.44 122.0126.67 131.5928.89 141.5631.11 151.5133.33 161.4735.56 171.4337.78 181.3940.00 191.3642.22 201.344.44 211.1246.67 220.8948.89

31、 230.8651.11 240.7953.33 250.6555.56 260.6457.78 270.6460.00 280.6462.22 290.6364.44 300.6266.67 310.668.89 320.5171.11 330.573.33 340.575.56 350.4777.78 360.4780.00 370.4682.22 380.4184.44 390.3586.67 400.3588.89 410.3191.11 420.3193.33 430.3195.56 440.397.78 表1 表2序号系列值频率13.852.22 23.824.44 33.036.

32、67 43.028.89 52.5811.11 62.0413.33 71.8115.56 81.4717.78 91.4420.00 101.4222.22 111.4124.44 121.3726.67 131.3428.89 141.3031.11 151.2833.33 161.0935.56 171.0737.78 181.0640.00 191.0342.22 201.0044.44 211.0046.67 220.9748.89 230.9351.11 240.8753.33 250.8455.56 260.6957.78 270.6660.00 280.5862.22 290.

33、5264.44 300.5166.67 310.4968.89 320.4871.11 330.4773.33 340.4275.56 350.4277.78 360.4080.00 370.4082.22 380.4084.44 390.3986.67 400.3888.89 410.3891.11 420.3393.33 430.3195.56 440.2897.78 表3序号系列值频率18.252.22 24.174.44 33.826.67 43.318.89 52.9911.11 62.8413.33 72.8215.56 82.6617.78 92.5320.00 102.5122

34、.22 112.1624.44 121.9626.67 131.7028.89 141.6231.11 151.5433.33 161.4335.56 171.4137.78 181.4140.00 191.4042.22 201.3144.44 211.2546.67 220.8348.89 230.8351.11 240.8253.33 250.7655.56 260.7557.78 270.7460.00 280.7062.22 290.7064.44 300.6766.67 310.6368.89 320.6171.11 330.5773.33 340.5775.56 350.5677.78 360.5480.00 370.5282.22 380.5184.44 390.4386.67 400.3888.89 410.3591.11 420.3293.33 430.3195.56 440.2997.78 表4序号系列值频率113.092.22 210.194.44 37.