水闸毕业设计方案.doc

第一章 总论
第一节 概述
一、工程概况
涡河起源于河南省中牟县境内，经开封、通许、尉氏、太康、鹿邑等县，在安徽省和惠济河汇合后流入淮河。汇合口以上流域面积4200km2，涡河在鹿邑县境内属平原稳定型河流，河面宽约200m，深约7——10米。因为河床下切较深，又无合适控制工程，雨季地表径流自由流走，而雨过天晴常常干旱，加之打井提水浇灌，使地下水位愈来愈低，严重影响两岸农业浇灌和人蓄用水。为处理当地40万亩农田浇灌问题，上级同意计划确定，在鹿邑县涡河上修建挡水枢纽工程。
本工程在河南省鹿邑县城北约1Km，距汇合口18Km。它是涡河梯级开发中最末一级工程，涡河闸控制流域面积4070Km2。
二、拦河闸任务
涡河拦河闸所担负任务是正常情况下拦河截水，抬高水位，以利浇灌。洪水时开闸泄水，以保安全。
本工程建成后，可利用河道一次蓄水800万m3，调蓄河水两岸沟塘，大量补给地下水，有利于进灌和人蓄用水，初步处理40万亩农田浇灌问题，并为工业生产提供足够水源，同时渔业、航运业发展，和改善环境，美化城镇全部是极为有利。
第二节 基础资料
一、地形资料
闸址处系平原型河段，两岸地势平坦，地面高程约为40.00m左右。河床坡降平缓，纵坡约为1/10000，河床平均标高约为30.0m，主槽宽度约为80—100m，河滩宽平，至复式河床横断面，河流比较顺直。
附 闸址地形图一张（1/1000）
二、地质资料
（一）依据钻孔了解闸址地层属河流冲积相，河床部分地层属第四级蟓更新世Q3和第四纪全新世Q4层交错现象，闸址两岸地面高程均在43m左右。
闸址处地层向下分布情况以下：
1、 重粉质壤土：分布在河床表面以下，深约3m。
2、 细砂：分布在重粉质壤土以下（河床部分高程约在28.8m以下。）
3、 中砂：分布在细砂层以下，在河床部分厚度约为5m左右。
4、 重粉质壤土：分布在中砂层以下（深约22m以下）。
5、 中粉质壤土：分布在重粉质壤土以下，厚度5—8m。
附 闸址周围地址剖面图一张
三、土物理力学性质指标
1.物理性质
湿容重 γa=19kN/m3
饱和容重 γ饱=21kN/m3
浮容重 γ浮=11Kn/m3
细砂比重 γg= 27kN/m3
细砂干容重 γ干=15kN/m3
2．内摩擦角
自然含水量时 φ=280
饱和含水量时 φ=250
3.土基许可承载力： 【δ】=200kN/m3
4.混凝土、砌石和土基摩擦系数
密实细砂层 f=0.36
5.地基应力不均匀系数
粘土（η）=1.5—2.0
砂土（η）=2.5
6.渗透系数
中细砂层 k=5×10-3 平均厚度约5m
以下土层 k=5×10-5 作为相对不透水层
四、工程材料
1、石料：当地域不产石料，需从外地运进，距离公路很近，交通方便。
2、粘土：经调查当地域周围有交丰富粘土材料。
3、闸止处有足够中细砂。
五、当地域地震烈度在6度以下。
六、水文气象
1、气温：当地域年最高气温42.20C，最低气温-200C，平均气温14.40C。
2、风速：最大风速V=20m/s，吹程 0.6km。
3、径流量：非汛期（1—6月及10—12月）9个月份涡河月平均最大流量9.1m3/s
汛期（7—9）三个月，涡河月平均最大流量为149m3/s，年平均最大流量Q=26.1m3/s，最大年径流总量为8.25亿m3。
4、冰冻：闸址处河水无冰冻现象。
七、河槽整改断面及水位流量关系曲线
经同意计划决定：对原河槽将合适调整，并在两岸作矮堤，以扩大泄洪能力，提升防洪安全确保率。计划确定上下游河道整改后断面如附图。下游河道水位流量关系曲线见图1—1。

图1—1 上下游河道横断面图（单位：m）

八、施工条件
1、 期为两年
2、 材料供给

电源：有电网供电，工地距电源线1.0公里。
地下水位 平均28.0～30.0 m
九、同意计划结果
1、 依据水利电力部《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》（SDJ 12—78）要求，本枢纽工程为三等工程，其中永久性关键建筑物为3级。
2、 浇灌用水季节，拦河闸正常挡水位为39.50m。
3、 洪水标准。
项目
重现（年）
洪水流量m3/s
闸前水位（m）
下游水位（m）
设计洪水
20
1320
40.77
40.61
校核洪水
100
1660
41.98
41.97

第三节 工程综合说明

本工程为拦河闸，建造在河道上。枯水期用以拦截河道，抬高水位，以利上游取水或航运要求；洪水期则开闸泄洪，控制下游流量。
一、河闸特点
拦河闸既用以挡水，又用于泄水，且多修建在软土地基上，所以在稳定、防渗、消能防冲及沉降方面全部有其本身特点。
1．稳定方面
关门拦水时，水闸上、下游较大水头差造成较大水平推力，使水闸有可能沿基面产生向下游滑动，为此，水闸必需含有足够重力，以维持本身稳定。
2．防渗方面
因为上下游水位差作用，水将经过地基和两岸土壤会被掏空，危及水闸安全。渗流对闸室和两岸连接建筑物稳定不利。所以，应妥善进行防渗设计。
3．能防冲方面
水闸开闸泄水时，在上下游水位差作用下，过闸水流往往含有较大动能，流态也较复杂，而土质河床抗冲能力较低，可能引发冲刷。另外，水闸下游常出现波状水夭和折冲水流，会深入加剧对河床和两岸淘刷。所以，设计水闸除应确保闸室含有足够过水能力外，还必需采取有效消能防冲方法，以预防河道产生有害冲刷。
4．沉降方面
土基上建闸，因为土基压缩性大，抗剪强度低，在闸室重力合外部荷载作用下，可能产生较大沉降影响正常使用，尤其是不均匀沉降会造成水闸倾斜，甚至断裂。在水闸设计时，必需合理选择闸型、结构，安排好施工程序，采取必需地基处理等方法，以降低过大地基沉降和不均匀沉降。
二、拦河闸组成
拦河闸通常由上游连接段，闸室段和下游连接段三部分组成。
（一）上游连接段
上游连接段关键作用是引导水流平稳地进入闸室，同时起防冲、防渗、挡土等作用。通常包含上游翼墙、铺盖、护底、两岸护坡及上游防冲槽等。上游翼墙作用是引导水流平顺地进入闸孔并起侧向防渗作用。铺盖关键起防渗作用，其表面应满足抗冲要求。护坡、护底和上游防冲槽（齿墙）是保护两岸土质、河床及铺盖头部不受冲刷。
（二）闸室段
闸室是水闸主体部分，通常包含底板、闸墩、闸门、胸墙、工作桥及交通桥等。底板是闸室基础，承受闸室全部荷载，并比较均匀地传给地基，另外，还有防冲、防渗等作用。闸墩作用是分割闸孔，并支承闸门、工作桥等上部结构。闸门作用是拦水和控制下泻流量。工作桥供安置起闭机和工作人员操作之用。交通桥作用是连接两岸交通。
（三）下游连接段
下游连接段含有消能和扩散水流作用。通常包含护坦、海漫、下游防冲槽、下游翼墙及护坡等。下游翼墙引导水流均匀扩散兼有防冲及侧向防渗作用。护坦含有削能防忡作用。海漫作用是深入消除护坦出流剩下动能、扩散水流、调整流速分布、预防河床冲刷。下游防冲槽是海漫末端防护设施，避免冲刷向上游扩展。

第二章 水力计算
第一节 闸址及形式选择
一、闸址选择
闸址选择关系到工程建设成功和经济效益发挥，是水闸设计中一项关键内容。应依据水闸功效、特点和利用要求，和区域经济条件，综合考地形、地质、建筑材料、交通运输、水流、潮汐、冰情、泥砂、施工、管理、周围环境等原因，经技术经济比较确定。
闸址应选择在地形开阔、岸坡稳定、岩土坚实和地下水位较低地点。闸址应选择地质条件良好天然地基。壤土、中砂、粗砂、砂砾石适和作为水闸地基。尽可能避免淤泥质土和粉砂、细砂地基，必需时，应采取妥善处理方法。
拦河闸应选择在河道顺直、河势相对稳定和河床断面单一河段，或选择在弯曲河段采弯取直新开河道上。应考虑材料起源、对外交通、施工导流、场地部署、基坑排水、施工水电供给等条件，同时还应考虑水闸建成后工程管理维修和防洪抢险等条件。
水闸中心线部署应考闸室和两岸建筑物均匀，对称要求。拦河闸中心线通常应和河道中泓线相吻合。该拦河闸选在鹿邑县城北约1km处，闸轴线如地形图所表示。
二、闸室型式选择
闸室按结构形式可分为：开敞式水闸和涵洞式水闸。
（一）开敞式水闸
闸室上面不填土封闭水闸。通常有泄洪、排水、过木等要求时，多采取不带胸墙开敞式水闸，多用于拦河闸、排冰闸等。当上游水位变幅大，而下泄流量又有限制时，为避免闸门过高，常采取带胸墙开敞式水闸，如进水闸、排水闸、挡潮闸多用这种形式。
（二）涵洞式水闸
闸身上面填土封闭水闸，又称封闭式水闸。常见于穿堤水或排水水闸。洞内水流能够是有压或无压。
综合考虑该工程特点，上、下游水位差较小，不须控制流量，泄洪时可能有漂浮物等原因，可采取无胸墙开敞式水闸。
（三）闸孔形式选择
闸孔形式通常有宽顶堰型、实用堰低型和胸墙孔口型三种。
1．宽顶堰型。这是水闸最常见底板结构形式。关键优点是结构简单、施工方便、泄流能力比较稳定，有利于泄洪、冲沙、排淤、通航等；其缺点是自由泄流时流量系数小，轻易产生波状水。
2．实用堰低型。有梯形、曲线型和驼峰型。实用堰型自由泄流时，流量系数较大，水流条件很好，选择适宜堰面形式能够消除波状水。但泄流能力受尾水位改变影响较为显著，不稳定。
3．胸墙孔口型。这种堰能够减小闸门高度和启门力，也可降低工作桥高和工程造价。
依据多种形式适用条件，综合考虑该工程特点，河槽蓄水，闸前基础没有淤积，闸底高程应尽可能底。所以，采取无底砍平底版宽顶堰，堰顶高程和河床同高，即闸底板高程为30.00m。

第二节 闸孔尺寸确定
一、底板高程确定
底板高程和水闸负担任务、泄流或引水流量、上下游水位及河床地质条件等原因相关。
闸底板应置于较为坚实土层上，并应尽可能利用天然地基。在地基强度能够满足要求条件下，底板高程定得高些，闸室宽度大，两岸连接建筑物相对较低。对于小型水闸，因为两岸建筑物在整个工程中所占比重较大，所以合适降低底板高程，常常是有利。当然，底板高程也不能定太低，不然，因为单宽流量加大，将会增加下游消能防冲工程量，闸门增高，启闭设备容量也随之增大。另外，基坑开挖也较困难。
选择底板高程前，首先要确定适宜最大过闸单宽流量。它取决于闸下游河渠许可最大单宽流量。许可最大过闸单宽流量可按下游河床许可最大单宽流量1.2~1.5倍确定。依据工程实践经验，通常在细粉质及淤泥河床上，单宽流量取5~10m3/（sm）；在砂壤土地基上取10~15m3/（sm）；在壤土地基上取15~20m3/（sm）；在黏土地基上取20~25m3/（sm）。下游水深较深，上下游水位差较小和闸后出流扩散条件很好时，宜选择较大值。
通常情况下，拦河闸底板顶面和河床齐平，即闸底板高程30.0m。
二、确定闸孔尺寸及闸墩厚度
1．由已知上、下游水位及闸底板高程，由公式（2—1）、式（2—2）可求得上游水头及下游水深 。
v0=Q/A （2—1）
H0=H+v02/2g （2—2）
其中 v0——行进流速，m/s；
Q——过流流量，m3/s；
A——过水断面面积，m2；
H0——含有行进流速水头在内闸前水头，m。
推算上游水头及下游水深见表2—1。

表2—1 上游水头计算
流量Q（m3/s）
下游水深
hs（m）
上游水深
H（m）
过水断面积（m2）
行进流速
v0（m/s）
v02/2g
上游水头
H0（m）
设计流量1320
10.61
10.77
1228.66
1.07
0.06
10.83
校核流量1660
11.79
11.98
1412.88
1.17
0.07
12.05
2．判别出流流态
闸门全开泄洪时，通常属于淹没条件下水流，所以采取平底板宽顶堰堰流公式，依据设计，校核情况下上、下游水位及流量进行计算。对于宽顶堰，其淹没条件为：:
hs≥0.8H0 （2—3）
式中 hs——下游水深，m；
H0——含有行进流速水头在内闸前水头，m。
依据公式（2—3）判别是否为淹没出流，其判别计算见表2—2。
表2—2 淹没出流判别计算
计算情况
下游水深hs（m）
上游水头H0（m）
hs>0.8H0
流态
设计水位
10.61
10.83
10.61>8.66
淹没出流
校核水位
11.79
12.05
11.79>9.64
淹没出流

3．确定闸门总净宽
对于平底板宽顶堰，《闸门设计规范》中推荐堰流公式为：
B= （2—4）
其中 B——闸孔净宽，m；
Q——流量，m3/s；
ε——侧收缩系数，初拟可按0.95—0.96估量；
m——流量系数，初拟可按0.385计算；
s——淹没系数，可经过查表求得。
按闸门总净宽计算公式（2—4），依据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算，见表2—3。其中堰流侧收缩系数ε取0.96；流量系数m取0.385；淹没系数бs依据 hs/H0查《水力学》教材。并取二者较大值。
表2—3 闸孔总净宽计算
流量Q
（m3/s）
下游水深
hs（m）
上游水头
H0（m）
hs/H0
淹没系数
бs
B0（m）
设计流量1320
10.61
10.83
0.980
0.40
56.56
校核流量1660
11.79
12.05
0.978
0.42
57.72
4.闸孔尺寸选择
闸室单孔宽度应依据闸地基条件、利用要求、闸门结构形式、启闭机容量和闸门等原因，进行综合比较确定。依据《闸门设计规范》中闸孔尺寸和水头系列标准，选定单孔净宽b=8m，同时为了确保闸门对称开启，预防不良水流形态，选择7孔。
5．闸墩厚度及墩头形状
选择整体式底板，缝设在闸墩上，中墩厚1.2m，缝墩厚1.6m，边墩厚1m。墩头采取圆弧形。闸孔部署图2—1所表示：

图2—1 闸孔尺寸部署图 （单位：m）
闸孔总宽度为：
L=（7×8）+（2×1.6+4×1.2）
=64（m）
二 、校核闸孔泄洪能力
《水闸设计规范》中堰流计算公式为：
Q= （2—5）
式中 B=nb0（n为闸孔数，b0为单孔净宽），分别按设计、校核两种情况确定计算参数，求出对应实际过闸流量Q1，校核过流能力。通常其相对差值不应超出5%。
≤5% （2—6）
≤5% （2—7）
依据孔口和闸墩尺寸可计算侧收缩系数，查《水闸设计规范》（2-2），结果以下：
对于中孔：b0/bs=8/（8+1.2）=0.870 得б1=0.967；
靠缝墩孔：b0/bs=8/（8+1.6）=0.833 得б2=0.973；
对于边孔：b0/bs=b0/（b0+bb）=8/（8+11.98*3+2+（80-64）/2）=0.148 得б3=0.909
所以
E=（n1*б中1+ n2*б中2+ n3*б中3）/（n1+n2+n3）
=（1*0.976+4*0.973+2*0.909）/（1+4+2）
=0.955
和假定靠近，依据选定孔口尺寸和上下游水位，深入换算流量以下表所表示：
表2—4 过流能力校核计算
计算情况
（m3/s）
堰上水头
H0（m）
hs/H0
бs
ε
Q
校核过流能力
设计流量1320
10.83
0.980
0.40
0.96
1306.99
0.99%
校核流量1660
12.05
0.978
0.42
0.96
1610.64
2.97%

两种情况下过流能力全部小于5%，说明孔口尺寸选择较为合理，所以不再进行调整。闸孔选7孔，单孔净宽为8m。
三、辅助曲线绘制
依据水闸所在河流纵横断面图，绘制下游水位和流量关系曲线。用明渠均匀流公式进行计算：
Q=AC C= R=A/x （2—8）
式中 A——过流断面面积，m2；
C——谢才系数，m1/2/s；
R——水力半径，m；
n——河槽糙，查水力学教材6—3，取n=0.05；
x——过水断面湿周，m；
i——渠道底坡，本设计i=1/10000。
假设下游水深hs，由公式（2—8）求得对应流量Q，可列表计算，如表2—5所表示。
hs（m）
A（m2）
X（m）
R（m）
C（m0.5/s）
Q（m3/s）
1.0
83
86.3
0.96
19.9
16.16
2.0
172
92.65
1.86
22.2
52.01
3.0
267
98.97
2.70
23.60
103.54
4.0
368
105.30
3.49
24.64
169.40
5.0
475
111.62
4.26
25.46
242.16
6.0
588
117.95
4.99
26.14
343.35
7.0
711
128.27
5.54
26.61
445.32
8.0
840
134.60
6.24
27.14
569.48
9.0
975
140.92
6.92
27.61
708.15
表2—5 下游水深和流量表
依据下游水深和流量表绘制下游水深和流量关系曲线图H～Q图，见附图。

附图 下游断面H~Q关系曲线图
第三节 消能防冲设计
水闸泄水时，部分势能转化为动能，流速增大，含有较强冲刷能力，而土质河床抗冲能力又较低，所以，必需采取合适消能防冲方法。那么首先应了解过闸水流特点。
一、过闸水流特点
1．水流形式复杂
初始泄流时，闸下水深较浅，伴随闸门开度增大而会逐步加深，闸下出流由孔口到堰流，自由出流到淹没出流全部会发生，水流形态比较复杂。所以，消能设施应在任意工作情况下，均能满足消能要求并和下游很好衔接。
2、 闸下易形成波状水跃
因为水闸上下游水位差较小，出闸水流拂汝得数较低（Fs=1—1.7），轻易放生波状水跃，尤其是在平底板情况下更是如此。此时，无强烈水跃旋滚，水面波动，消能效果差，含有较大冲刷能力。另外，水流处于急流状态，不易向两侧扩散，致使两侧产生回流，缩小河槽有效过水宽度，局部单宽流量增大，严重地冲刷下游河道。
3、 闸下轻易出现折冲水流
通常水闸宽度较上下游河道窄，水流过闸时先收缩以后扩散。如工程部署或操作运行不妥，出闸水流不能均匀扩散，将使主流集中，蜿蜒蛇行，左冲右撞，形成折冲水流，冲垮消能防冲设施和下游河道。
二 、消能防冲方法选择
泄水建筑物下游水流消能防冲方法有以下多个形式。
1．底流式衔接消能
能使下泄高速水流在较短距离内有效地经过水跃转变为缓流，消除余能，和下游河道正常流动衔接起来。平原地域水闸，因为水头低，下游水位变幅大，适用底流式消能。
2．挑能式消能
在建筑物出流部位利用挑流鼻坎将水流抛射在较远下游，不致影响建筑物安全。适用山区浇灌渠道上泄水闸和退水闸，下游为坚硬岩体，又含有较大水头情况。
3．面流式消能
对下游水深较大且稳情况，可采取低和下游水位跌坎，将下泄高速水流送入下游河道水流表层，在坎后形成底部旋滚，减轻对河床冲刷，并消除余能。
因为本闸在平原地域，河床抗冲刷能力较低，采取底流式消能。
三 、能防冲设施设计
（一）消能控制条件分析
设计水位或校核水位时闸门全开，宣泄洪水，为淹没出流，无须消能，闸前为常高水位39.50m，部分闸门局部开启，只宣泄较小流量时，下游水位不高，闸下射流速度较大，才会出现严重冲刷河床现象，须设置对应消能设施。为了确保不管何种开启高度情况下均能发生淹没式水跃消能，采取闸前水深H=9.5m，闸门局部开启情况，作为消能防冲设计控制情况。
为了降低工程造价，确保水闸安全运行，能够要求闸门操作规程，本设计按1、3、5、7孔对称方法开启，分别对不一样开启孔数和开启度进行组累计算，找出消力池池深和池长控制条件。
《水闸设计规范》中指出，消力池计算简图及关键计算公式以下：

图2—3 消力池计算简图
孔口出流流量公式：
Q= （2—9）
消力池池深：
d=hc″－－Δz （2—10）
挖池前收缩水深：
hc= （2—11）

挖池后收缩水深：
=0 （2—12）

跃后水深：
hc″= （2—13）
出池落差：
Δz= （2—14）
式中 Q——下泄流量，m3/s；
μ——宽顶堰上孔流流量系数，μ=ε＇φ
e——闸门开启高度，m；
ε＇——收缩系数；
φ——流速系数，φ=0.9~1.0，取φ=0.985
b——闸孔单宽，m；
H0——堰上水头，m；
n——开启孔数；
d——消力池深度，m；
σ0——水跃淹没系数，可采取1.05~1.10，取1.05；
hc〃——跃后水深，m；
hc——收缩水深，m；
T0——总势能，m；
Δz——出池落差，m；
hs——出池河床水深，m。
对于消力池池深计算，应先计算出挖池前收缩水深，按《水利学》公式估算出池深，然后求出总势能，再试算出挖池后收缩水深。其计算式以下：
消力池长度：
Lsj=Ls+βLj （2—15）
水跃长度：
Lj=6.9（h c＂-hc）
式中 Lsj——消力池长度，m；
Ls——消力池斜坡段水平投影长度，m；
β——水跃长度校正系数，可采取0.7～0.8；
Lj——水跃长度，m。
经过跃后水深和下游水深比较进行流态判别，经过计算，找出最大池深，池长作为对应控制条件。同时考虑到经济及其它原因，对池深较大开启度采取限开方法。相关流态判别以下：
h c＂<hs 为淹没出流；
h c＂=hs 为临界状态；
h c＂>hs 为自由出流远驱式水跃。
按式（2—9）、式（2—10）、式（2—11）、式（2—12）、式（2—13）、式（2—14）、式（2—15）、式（2—16）估算消力池深及池长，其结果如表2—6所表示。表2—6 消力池池深、池长估算
开启孔数
n
开启高度
e
收缩系数
泄流量
Q
m3/s
单宽
流量
q
(m3/
sm）
收缩
水深
hc
（m）
跃后
水深
hc
(m)
下游
水深
hs
（m）
流态
判别

自由出流
削力池尺寸
池深d
(m）
池长
lsj
(m)
水跃长
lj
(m)
备注
1
1.0
0.6
63
7.78
0.62
4.21
2.20
2.01
28.58
27.39

1.2
0.6
75
9.42
0.74
4.59
2.45
2.14
30.60
31.74

1.5
0.6
93
11.66
0.93
5.01
2.80
2.21
32.65
33.19

2.0
0.6
122
15.31
1.24
5.62
3.30
2.32
36.40
36.16
池深控制
2.5
0.6
151
18.86
1.56
6.08
3.70
2.38
38.91
39.19
限开
3
0.8
0.6
152
6.33
0.49
3.85
3.72
0.32
18.88
23.46

1.2
0.6
226
9.42
0.74
4.59
4.80
淹没出流

1.5
0.6
280
11.66
0.93
5.01
5.40

2.0
0.6
367
15.31
1.24
5.62
6.25

注：计算式中系数以下： =1.05，φ=0.97，β=0.75，消力池坡段边坡系数m=4。
经过计算，为了节省工程造价，预防消力池过深，对开启1孔开启高度为2.5m限开，开启高度为2.0m消力池池深为控制条件。
（二） 消力池尺寸及结构
1．消力池深度计算
依据所选择控制条件，估算池深为2.3m，用公式（2—12）、（2—13）、式（2—14）计算挖池后收缩水深hc1和对应出池落差Δz及跃后水深hc＂。计算以下：
T0=H0+d=11.8（m）
即11.8=
用迭带法求得=1.09
hc＂===6.10（m）
Δz==
=0.87（m）
验算水跃淹没系数σ，由《水力学》教材公式求：
σ0 =（d+hs+Δz）/hc＂ （2—17）
得 σ0=（2.3+3.30+0.87）/6.10=1.061
符合在1.05~1.10之间要求。
2．消力池池长
依据池深2.3m，用式（2—15）、式（2—16）求得对应消力池长度为36m。
3．消力池护坦厚度
消力池底板（即护坦）承受水流冲击力、水流脉动压力和底部扬压力等作用，应含有足够重量、强度和抗冲耐磨能力。护坦通常是等厚，也可采取不一样厚度，始端厚度大，向下游逐步减小。
护坦厚度可依据抗冲和抗浮要求，分别计算，并取其最大值。
按抗冲要求计算消力池护坦厚度公式为：
t=k1 （2—18）
按抗浮要求计算消力池护坦厚度公式为：
t=k2 （2—19）
式中 t——消力池底板始端厚度，m；
k1——消力池底板计算系数，可采取0.175~0.20；
k2——消力池底板安全系数，可采取1.1～1.3；
py——扬压力，kpa；
ΔH＇——泄水时上、下游水位差，m；
Hd——消力池内平均水深，m；
γ——水重度，kN/m3；
γ1——消力池底板饱和重度，kN/m3。
该工程可依据抗冲要求，按式（2—18）计算消力池底板厚度。其中k1取为1.80，q为确定池深时过闸单宽流量，此处q=15.31m3/（sm），ΔH`为对应于单宽流量上、下游水位差（上游水深9.50m，下游水深3.30m），则其底板厚度为：
t=0.18=1.11（m）
可取消力池底板厚度为t=1.20m。
4．消力池结构
底流式消力池设施有三种形式：挖深式、消力槛式和综合式。①当闸下游尾水深度小于跃后水深时，可采取挖深式消力池消能；②闸下游尾水深度略小于跃后水深时，可采取消力槛式消力池消能；③闸下游尾水深度远小于跃后水深，且计算深度应较深时，可采取挖深式和消力槛式相结合综合式消力池消能。
护坦和闸室、岸墙及翼墙之间，和其本身沿水流方向均应用缝分开，以适应不均匀沉陷和温度变形。护坦本身缝距可取10～20m，靠近翼墙取小些，缝宽2.0～2.5cm。护坦在垂直水流方向通常不设缝，以确保其稳定性。缝若在闸基防渗范围内，缝中应设止水设置，其它通常铺设沥青油毛毡。为增强护坦抗滑稳定性，常在消力池末端设置齿墙，深通常为0.8～1.5m，宽为0.6～0.8m。
结合本工程特点，选择挖深式消力池。为了便于施工，消力池底板作成等厚，为了降低底板下部渗透压力，在水平底板后半部设置排水孔，孔下铺设反滤层，排水孔孔径为10cm，间距为2m，呈梅花形部署。
消力池结构尺寸以下图2—4。

图2—4消力池结构尺寸图 （单位：高程m、尺寸cm）
四、防冲加固方法
（一）海漫设计
1．海漫作用
水流经过消力池，虽已消除了大部分多出能量，但仍留有一定剩下动能，尤其是流速分布不均，脉动仍较猛烈，含有一定冲刷能力。所以，护坦后仍需设置海漫等防冲加固设施，以使水流均匀扩散，并将流速分布逐步调整到靠近天然河道水流形态。
2．漫部署和结构
通常海漫起始端做成5～10m水平段，顶面高程可和护坦齐平或在消力池尾坎顶以下0.5m左右，水平段后作成不陡于1：10斜坡以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。对海漫要求有：①表面有一定粗糙度，以利深入消除余能；②含有一定透水性，方便使渗水自由排除，降低扬压力；③含有一定柔性，以适应下游河床可能冲刷变形。常见有以下多个形式。（图2—5）
（1）干砌石海漫。通常由颗粒粒径大于30cm块石砌成，厚度为0.4~0.6m，下面铺设碎石、粗砂垫层，层厚10~15cm，以下图（a）。干砌石海漫抗冲流速为2.5~4.0m/s。为了加大其抗冲能力，可每隔8~10m设一浆砌石埂。干砌石常见在海漫后段。
（2）浆砌石海漫。砌石粒径大于30cm，厚度为0.4~0.6m，砌石内设排水孔，下面铺设反滤层或垫层，（以下图（b））。浆砌石海漫抗冲流速可达3~6m/s，但柔性和透水性较差，通常见于海漫前部约10cm范围内。
（3）混凝土板海漫。整个海漫由板块拼铺而成，每块板长2~5m，厚度为0.1~0.3m，板中有排水孔，下面层，（图（c）、（d））。混凝土板海漫抗冲流速可达6~10m/s，但造价高。有时为增加表面糙率，可采取斜面式或城垛式混凝土块体（图（e）（f））。铺设时应注意顺水流流向不宜有通缝。
（4）钢筋混凝土板海漫。当出池水流剩下能量较大时，可在尾榄下游5~10m范围内采取钢筋混凝土板海漫，板中有排水孔，下面铺设反滤层或垫层，（图（g））。
（5）其它形式海漫。如铅丝石笼海漫，（图（h））。

图2—5 海漫结构示意图（单位：cm）
3．海漫长度计算
依据可能出现不利条件、流量组累计算。当=1～9，且消能扩散条件良好时，海漫长度可按《水工建筑物》中公式（2—20）计算，并选择最大值。
Lp=ks （2—20）
式中 Lp——海漫长度，m；
qs ——消力池末端单宽流量，m3/（sm）；
ΔH＇——泄水时上、下游水位差，m；
ks ——海漫长度计算系数，查《水工建筑物》，取ks=12。
用式（2—20）计算海漫长度，结果列表如2—7所表示。
表2—7 海漫计算长度
流量Q
（m3/s）
上游水深
H（m）
下游水深
hs（m）
qs
m3/（sm）
ΔH＇
（m）
Lp
（m）
100
9.5
2.93
1.25
6.57
21.5
200
9.5
4.43
2.50
5.07
28.1
300
9.5
5.58
3.75
3.92
32.7
400
9.5
6.55
5.00
2.95
35.2
500
9.5
7.48
6.25
2.02
35.8
600
9.5
8.23
7.50
1.27
34.9
700
9.5
8.92
8.75
0.58
31.0

取其中计算表中最大值，确定海漫长度为36m。
4、海漫结构
因为对海漫要求有一定粗糙度，方便深入消除余能，有一定透水性，有一定柔性，所以选择在海漫起始段为10m长浆砌石水平段，因为浆砌石抗冲性能很好，其顶面高程和护坦齐平。后26m作成坡度为1：13干砌石段，方便使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。海漫厚度为0.6m，下面铺设15cm砂垫层。
（二）防冲槽设计
1．作用 预防冲刷坑向上游扩展，保护海漫末端安全。
2．工作原理 水流经过海漫后，尽管多出能量得到了深入消除，流速分布靠近河床水流正常状态，但在海漫末端仍有冲刷现象。为了确保安全和节省工程量，常在海漫末端设置防冲槽或采取其它加固方法。
在海漫末端挖槽抛石预留足够石块，当水流冲刷河床形成冲坑时，预留在槽内石块沿斜坡继续滚下，铺在冲坑上游斜坡上，预防冲刷坑向上游扩展，确保海漫安全。
3．尺寸 依据《水闸设计规范》由冲刷坑估算防冲槽深度以下：
t＂=1.1q＇/［v0］－t （2—21）
式中 t＂——海漫末端可能冲刷深度，m；
q＇——海漫末端单宽流量，m3/（sm）；
［v0］——河床土质不冲流速，m/s；
t ——海漫末端水深，m。
其中河床土质不冲流速可按《水力学》教材公式（2—22）求出：
［v0］= v0R1/4~1/5
式中 ［v0］——河床土质不冲流速，m/s；
v0——查水力学表6-5可知，此处取v0=0.8m/s；
R——水力半径，R=A/x；
hs＂——海漫末端河床水深，m。
海漫末端河床冲刷坑深度按式（2—21）、式（2—22）计算，按不一样情况计算结果如表2—8所表示。
表2—8 海漫冲刷坑深度计算
计算
情况
q＂
m/（sm）
对应过水面积
A（m2）
湿周
x
（m）

R1/5
［v0］
（m/s）
hs＂
（m）
d＇
（m）
校核情况
13.68
1704.85
171.22
1.770
1.239
13.79
-1.64
设计情况
11.20
1512.28
163.75
1.743
1.394
12.61
-3.77

依据计算结果可不设防冲槽，但依据水闸结构要求可设置防冲槽深度为1.6m。采取宽浅式，底宽取（2～3）d，此处取为取4.0m，上游坡率为2，下游坡率为3，出槽后做成坡率为5斜坡和下游河床相连。图2—6所表示。

图2—7 海漫防冲槽结构图（单位：m）
（三）上、下游岸坡防护
为了保护上、下游翼墙以外河道两岸岸坡不受水流冲刷，需要进行护坡。采取浆砌石护坡，厚度为0.3m，下设0.1m砂垫层。保护范围：上游自铺盖向上延伸2~3倍水头，下游自防冲槽向下延伸4~6倍水头。

第三章 防渗和排水设计
第一节 闸底地下轮廓线部署
一、防渗设计目标
预防闸基渗透变形；减小闸基渗透压力；降低水量损失；合理选择地下轮廓尺寸，以延长渗径，预防闸基和两岸产生渗透破坏。
二、防渗排水部署标准
防渗设计通常采取防渗和排水相结合标准，即在高水位侧采取铺盖、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和下游连通，使低下渗水立即排出，以减小渗透压力，并预防在渗流出口周围发生渗透变形。
三、防渗设施
依据闸址周围地质情况来确定对应方法，防渗方法常采取水平铺盖，而不用板桩，以免破坏黏土天然结构，在板桩和地基间造成渗流通道。砂性