永济一闸水利枢纽设计说明书.doc

永济一闸设计说明书
毕业设计

系部：水利与土木建筑工程系
专业：水利水电建筑工程
班级：
姓名：
学号：
日期：2011年11月

目 录
一、水闸设计基本资料
（一）、前言
（二）、工程概况
（三）、设计标准和设计指标
（四）、地质资料
（五）、水文气象资料
（六）、临河地区地震设防烈度
（七）、回填土（砂土）的设计物理力学指标
（八）、粘土铺盖的设计物理力学指标
（九）、工程材料
（十）、永济一闸渠道流量过程线
二、水力计算
（一）、闸孔设计
（二）、消能防冲设计
三、闸室各部分结构选型和尺寸选择
四、防渗设计
五、上下游连接段设计
六、闸室稳定分析及地基应力计算
七、绘图

永 济 一 闸
一、水闸设计基本资料：
（一）、前言：
巴盟黄灌区永济一闸于1965年修建，运行15年以后，于1980年11月7日塌陷毁坏，1980年内蒙水利厅以（80）内水建字第二8号文件作了关于重修永济一闸有关问题通知书，其要点如下：
1、为了不影响明年的春灌，永济一闸工程必须于1981年5月6号前完工，并交付管理使用。各有关单位要按这一时间要求做好工作。
2、设计指标和有关要求，可参照巴盟水利局（80）巴水字29号文取用。
3、设计中要对防冻、防冲、防渗切实注意。采取合理的工程措施，使这方面的问题较好的解决。
（二）、工程概况：

枢纽工程中包括：1、节制闸 2、永刚分水闸 3、永兰分水闸

（三）、设计标准和设计指标：
1、本枢纽控制灌溉面积为47万亩，属三等水利工程，其主要建筑物按III级建筑物设计。
2、本工程为永济渠第一分水枢纽，各闸的流量与水位指标如下：

上游正常水位
（m）

正常流量
（m³/s）

下游水位
（m）
上游壅高水位
（m）

加大流量
（m³/s）
节制闸
1040.7
80
1039.6
1041.0
96
永刚闸
1040.7
18
1040.3
1041.0
23
永兰闸
1040.7
16
1040.6
1041.0
21
3、各闸底高程
根据永济一闸的运用情况，修改后的各闸底槛高程如下：

闸底槛高程（m）
节制闸
1038.00
永刚闸
1038.20
永兰闸
1038.20
4、上、下渠道资料：

渠道纵坡
渠底高程（m）
渠底宽度（m）
边坡
节制闸
上游渠道
1/7000
1038.00
40
1:2.5

下游渠道
1/7000
1037.00
30
1:2.5
永刚闸
上游渠道

1038.00

1:2.5

下游渠道
1/9000
1038.00
14.5
1:2.0
永兰闸
上游渠道

1038.00

1:2.5

下游渠道
1/9000
1038.00
12
1:2.0
5、永济一闸位于河套平原地区，地势平坦，上、下游地面高程及堤顶高程如下：
上游地面高程 1040.00 上游堤顶高程 1042.00
下游地面高程 1041.00
（四）、地质资料：
1、1980年12月内蒙水设院在永济一闸进行了地质勘探，其闸基的岩层机构自上而下划分为两个工程地质单元，1单元(1032.00米以上)一细砂为主体，次为砂壤土、粉砂、极细砂，厚度为6.0米。1单元（1032.00米以下）仍以细砂为主体，次为中砂等，厚度为14.0米。
2、地质报告推荐，本枢纽第1单元地基允许承载力为[R]≤14～18吨/m²
3、地质报告建议，为安全计，1单元细砂的渗透临界水利坡降采用：i<1.18
4、1单元细砂及极细砂物理力学性质指标
含水量
%
湿容重
T/m³
干容重
T/m³
比重
相对密度
孔隙比
平均粗径
mm
27.5
1.95
1.53
2.68
0.52
0.77
0.154

不平均系数
粘聚力
Kg/cm²
内摩擦角度
渗透系数
cm/s
有机质
%
可溶盐
%
碳酸盐
%
2.29
0
31
3.18×10-3
0.25
0.027
5.43
（五）、水文气象资料：
1、根据临河市气象资料，高温度为36.1℃，绝对最低温度为-28℃，多年平均最高温度为31.4℃，多年平均最低温度为-18.5℃。
2、多年平均冻融循环次数为38次。
3、地冻深度平均为1.0米左右。
4、本区最大风力采用8级，相应相应风速为19.2m/s。
（六）、临河地区地震设防烈度为8度。
（七）、回填土（砂土）的设计物理力学指标：

含水量
%

干容量
T/m³

湿容量
T/m³

比重
包和容重
T/m³

浮容重
T/m³

内摩擦角度

粘聚力
Kg/cm²
27
1.55
1.97
2.68
1.97
0.97
31
0
（八）、粘土铺盖的设计物理力学指标：

干容量
T/m³

比重

孔隙率
%
包和容重
T/m

浮容重
T/m³

内摩擦角度

粘聚力
Kg/cm²
渗透系数
cm/s
1.55
2.7
42.5
1.98
0.98
10
0.1
10-7
（九）、工程材料：
1、材料容重：

钢筋混凝土
混凝土
浆砌块石
砖砌体
容重（T/m³）
2.5
2.4
2.3
1.8
2、钢筋为A3I类钢
3、混凝土标号：
部位
抗压强度标号
抗冻标号
抗渗标号
闸底板、闸墩、消力池挡土墙底板
C15
F100
W4
桥面系、胸墙、轻型挡土墙
C20
F100
W4
（十）、永济一闸渠道流量过程线：
1、节制闸：
水位深度H（m）
过水面积
A（m²）
湿 周
X（m）
水力半径
R（m）
谢才系数
C（m½/s）
流 量
Q（m³/s）
0.5
15.63
32.69
0.48
35.34
4.65
1
32.50
35.39
0.42
39.45
14.70
1.5
50.63
38.01
1.33
41.95
29.28
2
70.00
40.77
1.72
43.78
48.04
2.5
90.63
43.46
2.09
45.21
70.80
3
112.50
46.16
2.44
46.41
97.48
2、永刚闸：
水位深度H（m）
过水面积
A（m²）
湿 周
X（m）
水力半径
R（m）
谢才系数
C（m½/s）
流 量
Q（m³/s）
0.5
7.75
16.74
0.46
35.14
1.95
1
16.50
18.97
0.87
39.08
2.50
1.5
26.25
21.21
1.24
41.46
12.77
2
37.00
23.44
1.58
43.16
21.16
2.5
48.75
25.68
1.90
44.52
31.53
3
61.50
27.92
2.20
45.62
43.86
3、永兰闸：
水位深度H（m）
过水面积
A（m²）
湿 周
X（m）
水力半径
R（m）
谢才系数
C（m½/s）
流 量
Q（m³/s）
0.5
6.50
14.24
0.46
35.14
1.63
1
14.00
16.47
0.85
38.93
5.30
1.5
22.50
18.71
1.20
41.23
10.71
2
32.00
20.94
1.53
42.93
17.91
2.5
42.50
23.18
1.83
44.24
26.81
3
51.00
25.42
2.01
44.92
34.24
二、水力计算：
（一）、闸孔设计：
1、节制闸：
（1）、闸孔型式：因上游水位高、变幅较大，闸孔宽度大，为了避免长时间处于高水位小开度，控制泄水流量，因此选用带胸墙式的宽顶堰闸孔。
（2）、闸底槛高程：根据设计标准和设计指标的要求，节制闸闸底槛高程为1038.00m。
（3）、单宽流量、闸孔总宽度、孔口宽度、孔口数目：根据设计要求节制闸单宽流量为5 m³/s、闸孔总宽度为20m、孔口宽度为每孔4m、孔口数目为5孔。
（4）、节制闸过流能力：
①、正常水位：
闸门
开启
度E
(m)

上游
水深
H(m)

水闸
总宽
B(m)

流量
系数
U

流量
Q
(m³/s)
流
速
系
数

闸门
垂直
收缩
系数

第一共轭水深HC(m)
水位流速VC
(m/s)
第二共轭水深HC、、(m)
下游水深HT
(m)
1.3
2.7
20
0.502
94.95
0.98
0.64
0.84
5.92
2.07
1.07
②、壅高水位：
闸门
开启
度E
(m)

上游
水深
H(m)

水闸
总宽
B(m)

流量
系数
U

流量
Q
(m³/s)
流
速
系
数

闸门
垂直
收缩
系数

第一共轭水深HC(m)
水位流速VC
(m/s)
第二共轭水深HC、、(m)
下游水深HT
(m)
1.3
3.0
24
0.510
101.68
0.98
0.635
0.83
6.39
2.00
1.07
2、永刚闸：
（1）、闸孔型式：因上游水位高、变幅较大，闸孔宽度大，为了避免长时间处于高水位小开度，控制泄水流量，因此选用带胸墙式的宽顶堰闸孔。
（2）、闸底槛高程：根据设计标准和设计指标的要求，永刚闸闸底槛高程为1038.20m。
（3）、单宽流量、闸孔总宽度、孔口宽度、孔口数目：根据设计要求永刚闸单宽流量为5 m³/s、闸孔总宽度为6m、孔口宽度为每孔3m、孔口数目为2孔。
（4）、永刚闸过流能力：
①、正常水位：
闸门
开启
度E
(m)
上游
水深
H(m)

水闸
总宽
B(m)

流量
系数
U

流量
Q
(m³/s)
流
速
系
数

闸门
垂直
收缩
系数

第一共轭水深HC(m)
水位流速VC
(m/s)
第二共轭水深HC、、(m)
下游水深HT
(m)
1.07
2.7
4.5
0.516
21.58
0.98
0.637
0.682
6.16
1.98
1.8
②、壅高水位：
闸门
开启
度E
(m)
上游
水深
H(m)

水闸
总宽
B(m)

流量
系数
U

流量
Q
(m³/s)
流
速
系
数

闸门
垂直
收缩
系数

第一共轭水深HC(m)
水位流速VC
(m/s)
第二共轭水深HC、、(m)
下游水深HT
(m)
1.07
3.0
5.75
0.523
24.67
0.98
0.637
0.673
6.61
2.15
2.14
3、永兰闸：
（1）、闸孔型式：因上游水位高、变幅较大，闸孔宽度大，为了避免长时间处于高水位小开度，控制泄水流量，因此选用带胸墙式的宽顶堰闸孔。
（2）、闸底槛高程：根据设计标准和设计指标的要求，永兰闸闸底槛高程为1038.20m。
（3）、单宽流量、闸孔总宽度、孔口宽度、孔口数目：根据设计要求永兰闸单宽流量为5 m³/s、闸孔总宽度为6m、孔口宽度为每孔3m、孔口数目为2孔。
（4）、永兰闸过流能力：
①、正常水位：
闸门
开启
度E
(m)

上游
水深
H(m)

水闸
总宽
B(m)

流量
系数
U
流量
Q
(m³/s)
流
速
系
数

闸门
垂直
收缩
系数

第一共轭水深HC(m)
水位流速VC
(m/s)
第二共轭水深HC、、(m)
下游水深HT
(m)
1.0
2.7
3.2
0.52
18.9
0.97
0.629
0.629
6.18
1.92
1.91
②、壅高水位：
闸门
开启
度E
(m)

上游
水深
H(m)

水闸
总宽
B(m)

流量
系数
U
流量
Q
(m³/s)
流
速
系
数

闸门
垂直
收缩
系数

第一共轭水深HC(m)
水位流速VC
(m/s)
第二共轭水深HC、、(m)
下游水深HT
(m)
1.0
3.0
4.2
0.53
20.3
0.97
0.627
0.627
6.18
1.92
1.96
（二）、消能防冲设计：
1、计算情况：
（1）、计算资料：

正常流量
（m³/s）
加大流量
（m³/s）
节制闸
80
96
永刚闸
18
23
永兰闸
16
21
①、节制闸：

流量Q
(m³/s)

流速VO(m/s)

上游能量
EO(m)
第一共轭水深HC(m)
第二共轭水深
HC、、(m)

下游水深
HS(m)

单宽流量
q(m³/s)
96
0.67
2.72
0.6
2.05
3.0
4.00
90
0.71
2.73
0.6
1.91
2.9
3.75
70
0.43
2.71
0.4
1.90
2.5
2.92
50
0.31
2.70
0.3
1.57
2.1
2.08
30
0.18
2.70
0.2
1.17
1.5
1.25
10
0.06
2.70
0.06
0.75
0.8
0.42
5
0.03
2.70
0.03
0.53
0.5
0.21
②、永刚闸：

流量Q
(m³/s)

流速VO(m/s)

上游能量
EO(m)
第一共轭水深HC(m)
第二共轭水深
HC、、(m)

下游水深
HS(m)

单宽流量
q(m³/s)
23
0
2.7
0.62
1.909
2.05
3.83
20
0
2.7
0.53
1.818
1.9
3.33
18
0
2.7
0.47
1.756
1.8
3.00
15
0
2.7
0.37
1.681
1.6
2.50
10
0
2.7
0.25
1.389
1.4
1.67
5
0
2.7
0.12
1.025
1.1
0.83
③、永兰闸：

流量Q
(m³/s)

流速VO(m/s)

上游能量
EO(m)
第一共轭水深HC(m)
第二共轭水深
HC、、(m)

下游水深
HS(m)

单宽流量
q(m³/s)
21
0
2.7
0.55
1.875
2.20
3.50
20
0
2.7
0.52
1.842
2.10
3.33
16
0
2.7
0.41
1.690
1.90
2.67
10
0
2.7
0.25
1.389
1.40
1.67
5
0
2.7
0.12
1.252
0.95
0.83
2、消力池设计：
因闸基的岩层机构自上而下划分为两个工程地质单元，1单元(1032.00 m以上)一细砂为主体，次为砂壤土、粉砂、极细砂，厚度为6.0 m，1单元（1032.00 m以下）仍以细砂为主体，次为中砂等，厚度为14.0 m，所以消力池选用底流下挖式消力池。根据设计要求，各闸消力池的尺寸分别为：
节制闸：消力池深为0.5 m，消力池长为10 m，消力池底板厚度为0.5m，消力池坡比为1:3；消力池末端设高为0.5m的尾槛。
永刚闸：消力池深为0.5 m，消力池长为8 m，消力池底板厚度为0.5m，消力池坡比为1:3。
永兰闸：消力池深为0.5 m，消力池长为8 m，消力池底板厚度为0.5m，消力池坡比为1:3。
3、海漫设计：
海漫是进一步消除水流剩余能量，保证消力池安全，保护消力池后面的一段河床不受冲刷，具有一定的柔性、透水性、表面粗糙性和与水流流速相适应的抗冲能力，以适应下游河床的冲刷变形，自由排水降低压力，消除余能，以保证海漫本身不被水流冲动，达到保护河床的目的，所以海漫采用整体向下游倾斜式混凝土海漫。根据设计要求，各闸海漫的尺寸为：
节制闸：海漫计算长度为26.3米，取海漫长为26m，上游10m浆砌石,与下游渠底同坡。下游16m干砌石，倾斜坡度为1:10。下设0.2m沙叠层。
永刚闸：海漫长度为22米，上游浆砌石10m，与下游渠底同坡下游12m干砌石，倾斜坡度为1:10。下设0.2m沙叠层。
永兰闸：海漫长度为22米，上游10m浆砌石，与下游渠底同坡。下游12m干砌石，倾斜坡度为1:10。下设0.2m沙叠层。
4、防沖槽设计：
为保护海漫的安全，在海漫末端挖槽抛填足够的粒径大于30cm的块石已形成防冲槽其尺寸取决于抛石量，抛石体积根据下游冲至最深时石块坍塌铺满冲刷坑上游斜坡所需要的方量决定。根据设计要求：
节制闸：防冲槽开挖成宽浅式的梯形断面，防冲槽槽深为3m，防冲槽底宽为3m，防冲槽上下游边坡坡度为1:1两侧边坡坡度与两岸河坡相同。
永刚闸：防冲槽开挖成宽浅式的梯形断面，防冲槽槽深为2m，防冲槽底宽为2m，防冲槽上下游边坡坡度为1:1两侧边坡坡度与两岸河坡相同、
永兰闸：防冲槽开挖成宽浅式的梯形断面，防冲槽槽深为2m，防冲槽底宽为2m，防冲槽上下游边坡坡度为1:1两侧边坡坡度与两岸河坡相同。
三、闸室各部分结构型式和尺寸的选择：
（一）、闸段型式、底板、闸墩、胸墙的型式和尺寸：
（1）、节制闸：底板 不分缝，为整体式，顺水流方向的长度为10m，底板厚度为1m，采用C20混凝土，材料为钢筋混凝土材料。具体数据详见闸室布置图。 闸墩:头部上下游均设为半圆型，半径为0.5m。高度为不同高度，工作桥下高程为1042.00m，，交通桥下高程为1041.00m。边墩：上部宽0.6m，坡度为4:1，墩顶高程与中墩相同。闸门槽深0.3m，宽0.5m，高4m。胸墙采用板式，墙板为上薄下厚的楔形板，顶部厚度为0.3m，底部厚度为0.5m，胸墙底部高程为1039.2m，胸墙底部上游面做成流线型，顶部高程为1042.00m。
（2）、永刚闸：底板 不分缝，为整体式，顺水流方向的长度为9m，底板厚度为1m，采用C20混凝土，为钢筋混凝土材料。闸墩头部上下游均设为半圆型，半径0.5m，厚度为1m。工作桥下高程为：1042.00m，交通桥下高程为1041.00。 边墩 上部宽0.6m，坡度为4:1，与中墩同高。闸门槽深0.3m，宽0.5m，高3.8m。胸墙采用板式，墙板为上薄下厚的楔形板，顶部厚度为0.3m，底部厚度为0.5m，胸墙底部高程为1039.20m，胸墙底部上游面做成流线型，顶部高程为1042.00m。
（3）、永兰闸：底板不分缝，为整体式，顺水流方向的长度为9m，底板厚度为1m，采用C20混凝土，为钢筋混凝土材料。闸墩 头部上下游均为半圆型，半径0.5m。边墩 上部宽0.6m，坡度为4:1，与中墩同高。闸门槽深0.3m，宽0.5m，高3.8m，胸墙采用板式，墙板为上薄下厚的楔形板，顶部厚度为0.3m，底部厚度为0.5m，胸墙底部高程为1039.20m，胸墙底部上游面做成流线型，顶部高程为1042.00m。
（二）、闸门选择和布置：
（1）、节制闸：闸门选用平面钢闸门，位于距闸底板头部3m处。
（2）、永刚闸：闸门选用平面钢闸门，位于距闸底板头部2.5m处。
（3）、永兰闸：闸门选用平面钢闸门，位于距闸底板头部2.5m处。
（三）、工作桥及启闭机室设计：
（1）、节制闸：工作桥选用25cm厚的钢筋混凝土预制空心板，高程为1042.25m。启闭机室采用整体式长廊，宽4m，高3m，长25.2m。墙体厚度为24cm。
（2）、永刚闸：工作桥选用25cm厚的钢筋混凝土预制空心板，高程为1042.25m。启闭机室采用整体式长廊，宽4m，高3m，长8.2m。墙体厚度为24cm。
（3）、永兰闸：工作桥选用25cm厚的钢筋混凝土空心板，高程为1042.25m。启闭机室采用整体式长廊，宽4m，高3m，长8.2，墙体厚度为24cm。
（四）、公路桥设计：
（1）、节制闸：选用25cm厚的钢筋混凝土预制空心板，高程为1041.25m。
（2）、永刚闸：选用25cm厚的钢筋混凝土预制空心板，高程为1041.25m。
（3）、永兰闸：选用25cm厚的钢筋混凝土预制空心板，高程为1041.25m。
（五）、启闭力的计算及启闭机的选择：
（1）、节制闸：闭门力为2.8 KN，约等于0.29 T。启门力为21.06 KN，约等于2.15t；采用螺杆式启闭机。双调点式。建议采用巴彦镇水利机械厂生产的自重为25 KN。约等于2.5 T。长宽高均为2m。的启闭机。
（2）、永刚闸：闭门力为2.41 KN, 约等于0.25 T。启门力为13.91 KN ,约等于1.42 T。采用螺杆式启闭机。建议采用巴彦镇水利机械厂生产的自重为15 KN ,约等于1.5 T 。长宽高均为1.5m的启闭机。
（3）、永兰闸：闭门力为2.41 KN 。约等于0.25 T 。采用螺杆式启闭机。建议采用巴彦镇水利机械厂生产的自重为15 KN ,约等于1.5 T 。长宽高均为1.5m的启闭机。
四、防渗设计
1、选择计算情况： 上游水位1040.7m ，下游水位1037.5m。
2、布置地下轮廓线：见计算书。
3、铺盖设计：采用粘土铺盖。具体尺寸如下：
节制闸 长15m，首端厚1m，末端厚2m。上部为0.3m厚浆砌石。中间为0.2m厚沙叠层。首端设0.5m宽浆砌石保护桩。
永刚闸 长12m，首端厚1m，末端厚1.5m。上部为0.3m厚浆砌石，中间0.2m厚沙叠层。首端设0.5m宽浆砌石保护桩。
永兰闸 长12m，首端厚1m，末端厚1.5m。上部为0.5m厚浆砌石，中间为0.2m厚沙叠层。首端设0.5m宽浆砌石保护桩。
4、排水设备设计
在消力池底板上设冒水孔，孔径 0.1m，设两排冒水孔，第一排距消力池末端2m，间距为0.5m，成梅花型布置。为防止两岸绕渗，在冒水孔相对应的水平位置翼墙上竖直高度为2m的范围内也设冒水孔。孔径相同。梅花型布置。在冒水孔下方和厚放设反滤层。反滤层 0.1m细沙 0.1m中砂 0.1m粗沙 0.1m碎石。干滤层超出冒水孔1m。具体尺寸见各闸剖面图。
5、渗透压力计算
见计算书
6、绘制闸室扬压力分布图
见计算书附图
7、定护坦厚度
根据扬压力，水压力，和自重的关系以及构造要求，定护坦厚度为：节制闸 0.5m。永刚闸 0.,5m。永兰闸 0.5m。
五 上下游连接段设计
1、上下游翼墙一角度为7°向上下游扩散。具体尺寸和材料见枢纽布置图和各闸剖面图。
六 闸室稳定分析及地基应力计算
1、选择计算情况：
①完建期~校核K及地基应力
②上游设计水位关门下游无水 校核K及地基应力
2、荷载计算
见计算书。
3、水平滑动稳定性的校核
见设计计算书。
七 绘图
1、闸室结构布置
见图
2、枢纽平面布置
见图
3、纵横剖面图
见图