水利水电建筑工程专业取水枢纽.doc

基本资料
1、基本概况
位置：XXXX
水系：长江系
枢纽特点：综合取水枢纽
引用流量：4.0m3/s
2、流域概况
1）河流概况
本河流全长约29km，河流总体方向由NE流向SW折而由NW流向SE，河流坡降陡，平均坡降约为74‰，河谷阶地不发育，间有漫滩断续分布.
坝（闸）址位于XXXX河与其左岸支沟交汇口之上游约200m处。河道比较顺直，纵坡降约50‰，河床横宽18～24m。
2）气象
气象特性值登记表
数年平均降雨量
mm
945.3
数年平均气温
℃
10.5
数年平均相对湿度
%
62
数年平均风速
m/s
2.4
数年平均蒸发量
mm
1425.0

3）水文、泥沙
（1）径流
数年平均流量53.5m3/s，数年平均年径流深786.5mm，折合年径流量14.5亿m3。径流的年内分派与降雨的年内分派基本一致。年内分派大体为：丰水期5～10月，重要为降雨补给；枯水期11月～次年4月，重要由地下水和融雪水补给。径流在年内的分派不均匀，丰水期（5～10月）数年平均流量为68.2m3/s，占年径流量的82.0%，其中主汛期（6～9月）水量占了年水量的61.0%，枯水期（11～4月）数年平均流量为15.0m3/s，占年径流量的17.3%，最枯的1～3月数年平均流量为11.4m3/s，占年径流的6.5%，其中最枯的2月只占1.9%。径流的年际变化不大，最大年平均流量为53.8m3/s（1961年5月～1962年4月），最小年平均流量为31.7m3/s（1971年5月～1972年4月），相差仅1.7倍。年最小流量一般出现在1、2月份，多数出现于2月，最小月平均流量8.32m3/s。
（2）洪水
年最大流量的年际变化较小，实测年最大洪峰流量的最大值为465m3/s（1967年7月12日），最小值163m3/s（1966年7月14日），两者之比为2.85倍。洪水过程重要为复峰过程。
（3）泥沙
数年平均悬移质输沙量
万t
7.35
6～9月占全年输沙量百分数
%
92.7
6～9月输沙量
万t
6.75
6～9月含沙量
kg/m3
1.12
数年平均悬移质含沙量
kg/m3
0.73
数年平均推移质年输沙量
万t
1.55
数年平均年输沙总量
万t
8.90
4）工程地质
坝址位于XXXX河中游之北部，地形上属于川西高原向四川盆地过渡的斜坡地带。地势总的趋势是西北高东南低，由海拔5000~4000m降至约2023m，沿河两岸山势巍峨，层峦迭嶂，高差悬殊，属典型的高山峡谷、构造剥蚀与侵蚀地貌。
本河流全长约29km，河流总体方向由NE流向SW折而由NW流向SE，河流坡降陡，平均坡降约为74‰，河谷阶地不发育，间有漫滩断续分布。两岸支沟不对称，左岸比较发育。
坝址位于河道与其左岸支沟交汇口之上游约150m处。河道顺直，纵坡降约55‰，河床横宽18～24m。河床表面为砂砾石基础，平均厚度为1.0~3.0m，下部位岩石地基，岩层为三迭系上统侏倭组（T3zh）浅灰色薄～中厚层状变质钙质石英砂岩、千枚岩。左岸漫滩宽约15m，其后为三角形洪积阶地，边坡稳定。右岸坡麓有崩坡积块碎石，基岩大面积出露，边坡稳定；坝线处为崩坡积层边坡，坡角35～40°，边坡稳定。
距坝线下游约100～160m，有倾斜状一级阶地，顺河长约60m，横向宽约30m，适宜布置沉砂池。
坝基为第四系全新统冲洪积砂漂块卵石层，石质以变质砂岩、板岩为主，少量岩浆岩，粒径一般6～30cm，次园～次棱角状，砂砾石含量约占20%，漂石、块石含量约占50%，卵碎石约30%，结构稍～中密，局部具架空现象，均匀性差，透水性强，地下水丰富。该层作为低坝坝基持力层是适宜的，能满足其对承载、抗滑稳定等规定。
左岸为洪积阶地前沿泥砂漂块卵碎石层，结构松散，抗冲刷能力极弱，透水性较强，不宜直接作为坝肩。建议：坝肩嵌入岸坡内2～3m，上游必须护岸，并与枢纽防渗工程连成一体。
岸为坡麓崩坡积块碎石，结构松散，透水性较强，亦不宜直接作为坝肩。建议：坝肩嵌入岸坡内1～2m，坝线上游须护岸，并与防渗工程连成一体。
沉砂池位于右岸一级阶地上，地形地质条件宜于布置建筑物。阶地表层为砂壤土夹砾碎石，厚度1～1.5m，其下为冲洪积砂漂块卵石层，粒度大小悬殊，局部有架空结构，均匀性差。池基持力层为冲洪积砂漂块卵石层，能满足沉砂池对承载、抗滑等稳定性规定。
沉砂池至坝（闸）轴线，前段为崩坡积层边坡坡麓，适宜设立箱型暗渠，并与防洪堤工程结合；后段为基岩边坡，其地形地质条件可以设立暗渠。
首部枢纽地基土石重要地质参数建议值
岩性
重力密度r（kn/m3）
允许承载力c（MPa）
变形模量E。Gpa）
摩擦系数f
粘聚力CMpa
渗透系数
K（cm/s）
允许渗透比降J
砂漂块卵石层
21
0.30～0.40
0.03～0.04
0.50
0
(4～5)10-2
0.15
泥砂漂块卵碎石层
20
0.20～0.25
0.02～0.025
0.33
0.05
(1～2)10-2
0.15
泥砂块碎石
16～18
0.17～0.18
0.01～0.015
0.26
0.1
(0.5～1)10-2
0.20
3、水位及流量
电站设计引用流量：4.0m3/s
坝（闸）正常挡水位：2064.00m
隧洞（渠道）进口水位：2062.50m
洪水资料：P＝0.5％Q=159.0m3/s；
P＝1.0％Q=138.0m3/s；
P＝2.0％Q=126.0m3/s；
P＝3.3％Q=117.0m3/s；
P＝5.0％Q=116.0m3/s；
取水枢纽毕业设计指导书
一、资料分析
了解本工程在国民经济中的作用,熟悉各种水位特性及相应的流量等规划成果。研究地形、地质、水文气象，分析这些条件对水闸设计和施工的影响。
二、闸室型式的选定及下游渠道、沉砂池的布置
在给定的轴线上，通过计算设计渠道的纵横断面。根据运用规定选定闸室的型式及沉砂池的形式。
三、水力计算
1、闸孔口尺寸设计
(1)闸底板高程的拟定：根据水闸下游的地质条件及水闸工程量的经济比较，拟定闸底板高程。本次设计建议采用平底板。
(2)闸孔总宽度的计算：根据水闸的上下游水位及闸底高程判断过闸水流的性质。按相应的水力学公式计算闸孔总宽度。
(3)孔数及孔宽的选定：根据计算和遵照《水利水电工程钢闸门的设计规范》（SL282—2023）的规定选定合理的单孔宽及相应的孔数。
(4)水闸泄流能力验算：根据初步拟定的孔数，孔宽及相应的水位验算孔口泄流能力。
（5）进水闸及冲砂闸孔口尺寸拟定，渠道断面尺寸拟定。
2、消能防冲设计
根据水闸闸址区地形、地质条件，建议采用消力池消能。本设计需要拟定消能防冲各设计尺寸及构造。
（1）拟定消能控制情况及消力池尺寸
根据情况分析，在闸门局部启动时多为最不利的消能情况，应采用试算法来拟定消力池的各项尺寸。
（2）护坦的厚度根据公式计算并参考相似的已建工程拟定。
（3）海漫及防冲槽尺寸及构造的拟定：可按教材中所介绍公式及参考已建工程拟定。
3、沉砂池设计
参照允许沉降速度拟定沉砂池过水断面，参照同类工程拟定冲砂闸孔口尺寸。
四、防渗设计
1、闸底轮廓布置：
渗径长度应满足防渗规定，渗径系数应大于5～7。
2、建议采用浆砌石或混凝土铺盖，长度在(3～5)倍水头范围内选取。参考教材及已建工程实例拟定铺盖的各项尺寸及构造。
3、排水及反滤层的布置及构造参见教科书。
4、侧向防渗布置：
两岸防渗布置必须与闸室防渗相配合，两岸各个也许的渗径都不得小于闸室渗径。
5、闸底板渗透水扬压力计算：建议采用改善的阻力系数法计算。
五、闸室布置
1、闸室建议采用整体式平底板，底板顺水流方向不宜过长，重要根据上部结构布置规定及满足闸室稳定的需要。
2、闸门及闸墩型式的选择和尺寸的拟定：建议采用钢筋混凝土平板闸门，可参考教材根据水闸的运用规定拟定闸墩高度。
3、交通桥宽：无交通规定
4、工作桥的型式和尺寸可参考已建工程和运用规定拟定。
5、按比例绘制闸室布置草图并注明尺寸。
六、闸室稳定及地基应力验算
1、地基应力验算：按完建无水及关门挡水，下游无水两种情况计算，规定：
σmaxxmin≤[η]
σxmin≥0
0≤σmax≤1.2[P地基]
2.稳定计算
（1）正常情况按关门挡水时下游无水(可认为地下水位与闸底板齐平)闸室稳定计算。
（2）校核情况，按上游正常洪水位，下游相应水位验算稳定情况。
以上稳定计算均规定满足规范规定的抗滑稳定安全系数，如不能满足时应采用相应的措施解决。
七、闸室与两岸连接建筑物的布置
参考已建工程及教材。
八、细部构造解决
止水构造等
九、重要参考书
1、教材
2、水工建筑物设计手册
3、重力坝设计规范
4、水闸设计规范
5、水利水电工程等级划分及洪水标准
6、其他相关技术规范及标准
十、编写设计说明书参考提纲（以水闸取水枢纽为例）
第一章总论
第一节概述
第二节基本资料
第三节工程综合说明书
第二章水力计算
第一节　闸室的结构型式及孔口寸拟定
第二节　消能防冲设计
第三章水闸防渗及排水设计
第一节　闸底轮廓布置
第二节　防渗和排水设计及渗透压力计算；第三节　防渗排水设施和细部构造
第四章闸室布置
第一节闸底板、闸墩
第二节工作桥、公路桥、检修便桥
第三节闸门和启闭机
第四节闸室的分缝和止水设备
第五章闸室稳定计算
第一节荷载及其组合
第二节地基应力验算
第三节闸室稳定验算
第六章渠道及沉砂池设计
第七章上下游连接建筑物
第一节上游连接建筑物
第二节下游连接建筑物
十一、注意问题
1、根据坝轴线及隧洞进口位置进行首部枢纽总体布；
2、进水口与水渠平顺连接，取水角在15°～30°左右；泄水闸（坝）下泄水流顺畅；
3、枢纽布置紧凑，工程量省，便于管理，为防止推移质进入渠道，在进水闸前设拦砾坎；
4、用弹性地基梁法计算底板内力及配筋；闸墩纵向结构计算及配筋；门槽按构造配筋；交通桥只考虑人行桥；工作桥只拟定尺寸；
5、防渗设计：如何拟定防渗渗径长度；判断是否会发生渗透破坏；选择防渗、排水、反滤层的形式及材料。
6、冲砂闸结构设计同进水闸；底板高程取河床高程；孔口尺寸根据冲砂规定拟定；
7、注意沉砂池进水闸孔口尺寸应根据隧洞过水断面尺寸拟定。
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的成功和经济效益的发挥，是水闸设计中的一项重要内容。应根据水闸的功能、特点和运用规定，以及区域经济条件，综合考地形、地质、建筑材料、交通运送、水流、潮汐、冰情、泥砂、施工、管理、周边环境等因素，经技术经济比较拟定。
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的地点。闸址应选用地质条件良好的天然地基。壤土、中砂、粗砂、砂砾石适与作为水闸的地基。尽量避免淤泥质土和粉砂、细砂地基，必要时，应采用妥善的解决措施。
拦河闸应选择在河道顺直、河势相对稳定和河床断面单一的河段，或选择在弯曲的河段采弯取直的新开河道上。应考虑材料来源、对外交通、施工导流、场地布置、基坑排水、施工水电供应等条件，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。综上这里选取远离隧洞的第一根线作为坝轴线。
　结构型式及孔口寸、断面尺寸的拟定
一、闸室结构型式及底板高程
本工程孔口采用无胸腔的开敞式水闸，闸底板型式采用宽顶堰。一般情况下，拦河闸的底板顶面与河床齐平，即闸底板高程2062.3m。
二、拦河闸下游水位
已知设计洪水标准拟定为2023一遇，即：Q设=116m3/s，校核洪水标准拟定为50年一遇，即：Q校=126m3/s。根据水闸所在的河道断面图,假设水位高度(H)求各水位断面流量，并绘制下游水位—流量关系曲线。
用明渠均匀流公式进行计算：Q=AC，C=，R=A/x（《水力学》教材）
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——河槽的糙率，查水力学教材6—3，取n=0.05；
x——过水断面的湿周，m；
i——渠道底坡，本设计i=0.055。
假设下游水深hs，求得相应的流量Q，可列表计算。
计算结果如下表：
下游水深
hs（m）
过水断面面积A(㎡)
湿周
x(m)
水力半径
R(m)
糙率
n
谢才系数
C
底坡
i
流量
Q（m³/s）
0.5
9.625
22.5
0.4288
0.05
17.36
0.055
25.65
1
20.625
25.5
0.8186
0.05
19.33
0.055
85.64
1.5
32.4
28.75
1.217
0.05
20.39
0.055
170.98
根据下游水深与流量表绘制下游水深与流量关系曲线图H～Q图，见附图水位—流量曲线图
.下游断面H~Q关系曲线图
根据水位—流量关系曲线查出河道下游水位:hs设=1.18m；hs校=1.25m。
三、拦河闸上游水位
规定枢纽通过：Q设=110m3/s(设计洪水流量)；Q校=126m3/s(校核洪水流量)。
闸门总净宽：本工程河床横宽18-24，现拟定b=6m；闸孔数取n=3。故闸孔总净宽BO=nb=18m。
墩形：中墩采用半圆形，边墩采用流线形。
设计洪水位情况：
假设上下游水位差△H=1.8m，Ho=hs设+△H=1.18+1.8=2.98m
σs=0.75。堰流流量系数：m=0.385
《水闸设计规范》中堰流的计算公式为：Q=Boσsεm√2gHo³
根据《水力学》教材查图8-6得流线形边墩的形状系数ζk=0.4，查表8-6得半圆形闸墩形状系数ζ0=0.45。
侧收缩系数：ε=1-0.2[(n-1)ζ0+ζk]H0/nb（《水力学》公式8-16）
=1-0.2×[(3-1)×0.45+0.4]×2。98/18
=0.9586
实际过流能力：
Q=Boσsεm√2gHo³
=18×0.75×0.9586×0.385√2×9.8×2.983
=113.47m3/s≈Q设=116m3/s≤5%（故假设成立）
▽设上=▽底+Ho=2062.3+2.98=2065.28m
校核洪水位情况：
假设上下游水位差△H=1.8m，Ho=hs校+△H=1.25+1.8=3.05m
淹没系数取σs=0.766。堰流流量系数：m=0.385
《水闸设计规范》中堰流的计算公式为：Q=Boσsεm√2gHo³
根据《水力学》教材查图8-6得流线形边墩的形状系数ζk=0.4，查表8-6得半圆形闸墩形状系数ζ0=0.45。
侧收缩系数：ε=1-0.2[(n-1)ζ0+ζk]H0/nb（《水力学》公式8-16）
=1-0.2×[(3-1)×0.45+0.4]×3.01/18
=0.9576
实际过流能力：
Q=Boσsεm√2gHo³
=18×1×0.9576×0.385√2×9.8×3.053
=120m3/s≈Q校=126m3/s≤5%（故假设成立）
▽校上=▽底+Ho=2062.3+3.05=2065.35m
两种情况下过流能力都小于5%，说明孔口尺寸的选择较为合理，所以不再进行调整。闸孔选3孔，单孔净宽为6m。
四、验算过闸单宽流量
根据地质资料，本工程地基属于砂壤土地基，允许单宽流量10-15m3/s.m,取[q]=10m3/s.m。
①通过设计流量时：
q=Q设/B孔=116/18=6.44m3/s.m＜10m3/s.m
②通过校核流量时：
q=Q校/B孔=126/18=7m3/s.m＜10m3/s.m
∴满足规定
第二节　消能防冲设计
水闸泄水时，部分势能转化为动能，流速增大，具有较强的冲刷能力，而土质河床的抗冲能力又较低，因此，必须采用适当的消能防冲措施。
一、过闸水流的特点
1．水流形式复杂
初始泄流时，闸下水深较浅，随着闸门开度的增大而会逐渐加深，闸下出流由孔口到堰流，自由出流到淹没出流都会发生，水流形态比较复杂。因此，消能设施应在任意工作情况下，均能满足消能的规定并与下游很好的衔接。
2、闸下易形成波状水跃
由于水闸上下游水位差较小，出闸水流的拂汝得数较低（1.0<Fr<1.7），容易产生波状水跃，消能效果差。此外，水流处在急流状态，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、闸下容易出现折冲水流
一般水闸的宽度较上下游河道窄，水流过闸时先收缩而后扩散。如工程布置或操作运营不妥，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，冲毁消能防冲设施和下游河道。
二、消能防冲方式选择
底流式衔接消能重要用于中、低水头的闸、坝，可适应较差的地质条件，消能效果较好。能使下泄的高速水流在较短的距离内有效地通过水跃转变为缓流，消除余能，与下游河道的正常流动衔接起来。由于本工程水头低，下游水位变幅大，河床的抗冲刷能力较低，采用底流式消能。
三、《水闸设计规范》中指出，消力池计算简图及重要计算公式如下：

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——闸门启动高度，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——启动孔数；
d——消力池深度，m；
σ0——水跃淹没系数，可采用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。
通过反复试算得出hc=1.02mhc”=2.66mz=1.25md=0.4。对于消力池池深的计算，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，再试算出挖池后的收缩水深。其计算式如下：
消力池长度：
Lsj=Ls+βLj（2—15）
水跃长度：
Lj=6.9（hc＂-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，可采用0.7～0.8；
Lj——水跃长度，m。
水跃长度：Lj=6.9（hc＂-hc）=6.9(2.66-1.02)=11.316m
Ls=1.2m；β=0.8
Lsj=1.2+0.8*11.316=10.2
故消力池长10.2m
3．消力池护坦厚度
消力池底板（即护坦）承受水流的冲击力、水流脉动压力和底部扬压力等作用，应具有足够的重量、强度和抗冲耐磨的能力。护坦一般是等厚的，也可采用不同的厚度，始端厚度大，向下游逐渐减小。
护坦厚度可根据抗冲和抗浮规定，分别计算，并取其最大值。
按抗冲规定计算消力池护坦厚度公式为：
t=k1
按抗浮规定计算消力池护坦厚度公式为：
t=k2
式中t——消力池底板始端厚度，m；
k1——消力池底板计算系数，可采用0.15~0.20；
k2——消力池底板安全系数，可采用1.1～1.3；
ΔH＇——泄水时上、下游水位差，m；
U——作用在消力池底板底面的扬压力（kPa）；
W——作用在消力池底板底面的水重（kPa）；
Pm——作用在消力池底板上的脉动压力（kPa），其值可取跃前收缩断面流速水头值的5%，通常计算消力池底板前半部的脉动压力时取“+”号，计算消力池底板后半部的脉动压力时取“-”号；
γ1——消力池底板的饱和重度，kN/m3。
该工程可根据抗冲规定计算消力池底板厚度。其中k1取为0.18，q为拟定池深时的过闸单宽流量，此处q=7m3/（sm），ΔH`为相应于单宽流量的上、下游水位差（上游水深3.05m，下游水深1.25m），则其底板厚度为：
t=0.18=0.55（m）
可取消力池底板厚度为t=0.55m。
4．消力池的构造
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，可采用挖深式消力池消能；②闸下游尾水深度略小于跃后水深时，可采用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，可采用挖深式与消力槛式相结合的综合式消力池消能。
护坦与闸室、岸墙及翼墙之间，以及其自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。护坦自身缝距可取10～20m，靠近翼墙的取小些，缝宽2.0～2.5cm。护坦在垂直水流方向通常不设缝，以保证其稳定性。缝若在闸基防渗范围内，缝中应设止水设立，其他一般铺设沥青油毛毡。为增强护坦的抗滑稳定性，常在消力池末端设立齿墙，深一般为0.8～1.5m，宽为0.6～0.8m。
结合本工程的特点，选用挖深式消力池。为了便于施工，消力池的底板作成等厚，为了减少底板下部的渗透压力，在水平底板的后半部设立排水孔，孔下铺设反滤层，排水孔孔径为5cm，间距为1m，呈梅花形布置。消力池末端设立齿墙，深为0.8m，宽为0.6m。
防冲加固措施
（一）海漫设计
1．海漫的作用
水流通过消力池，虽已消除了大部分多余能量，但仍留有一定的剩余动能，特别是流速分布不均，脉动仍较剧烈，具有一定的冲刷能力。因此，护坦后仍需设立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接近天然河道的水流形态。
2．海漫的布置和构造
海漫一般采用将起始端做成5m水平段，顶面高程在消力池尾坎顶以下0.5m，水平段后作成不陡于1：10的斜坡以使水流均匀扩散，同时沿水流方向在平面上向两侧逐渐扩散，以便使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。对海漫的规定有：①表面有一定的粗糙度，以利进一步消除余能；②具有一定的透水性，以便使渗水自由排除，减少扬压力；③具有一定的柔性，以适应下游河床也许的冲刷变形。本工程采用干砌石海漫。
干砌石海漫，一般由颗粒粒径大于30cm的块石砌成，厚度为0.4~0.6m，下面铺设碎石、粗砂垫层，层厚10~15cm，如下图（a）。干砌石海漫的抗冲流速为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。干砌石常用在海漫后段。
3．海漫长度计算
海曼的长度取决于消力池末端的单宽流量、上下游水位差、下游水深、河床土质抗冲能力、闸孔与河道宽度的比值以及海漫结构形式等。当=1～9，且消能扩散条件良好时，海漫长度可按《水工建筑物》教材公式4-19算。
Lp=ks=9=27.5m
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=9。
故拟定海漫长度为27.5m。
4、海漫的构造
由于对海漫规定有一定的粗糙度，以便进一步消除余能，有一定的透水性，有一定的柔性，所以选择在海漫的起始段为7m长的浆砌石水平段，由于浆砌石的抗冲性能较好，其顶面高程与护坦齐平。后20.5m作成坡度为1：10的干砌石段，以便使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。海漫厚度为0.4m，下面铺设15cm的砂垫层。
（二）防冲槽设计
1．作用防止冲刷坑向上游扩展，保护海漫末端的安全。
2．工作原理水流通过海漫后，尽管多余能量得到了进一步的消除，流速分布接近河床水流的正常状态，但在海漫末端仍有冲刷现象。为了保证安全和节省工程量，常在海漫末端设立防冲槽或采用其他加固措施。
在海漫末端挖槽抛石预留足够的石块，当水流冲刷河床形成冲坑时，预留在槽内的石块沿斜坡继续滚下，铺在冲坑的上游斜坡上，防止冲刷坑向上游扩展，保证海漫的安全。
3．尺寸
根据水闸的构造规定采用宽浅式梯形断面防冲槽，槽深取1.5，底宽为槽深的（2～3）倍，此处取为取3.5m，上游坡率为2，下游坡率为3，如图所示。

海漫防冲槽构造图（单位：m）
（三）上、下游岸坡防护
为了保护上、下游翼墙以外的河道两岸岸坡不受水流的冲刷，需要进行护坡。采用浆砌石护坡，厚度为0.3m，下设0.1m的砂垫层。
水闸防渗及排水设计
第一节　闸底轮廓布置
一、防渗设计的目的
防止闸基渗透变形；减小闸基的渗透压力；减少水量损失；合理选用地下轮廓的尺寸，以延长渗径，防止闸基和两岸产生渗透破坏。
二、防渗排水的布置原则
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；在低水位侧设立排水设施，如面层排水、排水孔排水或减压井与下游连通，使低下渗水尽快排出，以减小渗透压力，并防止在渗流出口附近发生渗透变形。
三、防渗设施
根据闸址附近的地质情况来拟定相应的措施，防渗措施常采用水平铺盖，而不用板桩，以免破坏黏土的天然结构，在板桩与地基间导致渗流通道。砂性土易产生管涌，规定防止渗透变形是其考虑的重要因素，可采用铺盖与板桩相结合的形式。
1．铺盖为水平防渗措施，合用于粘性和砂性土基。
2．板桩为垂直防渗措施，合用于砂性土基，一般设在闸底板上游或铺盖前端，用于减少渗透压力。
3．齿墙一般设在底板上、下游端，利于抗滑稳定，延长渗径。
四、地下轮廓线布置
1．闸底板长度拟定
本工程采用整体式底板，底板顺水方向的长度根据闸室地基条件、上部结构布置、满足闸室整体稳定和地基允许承载力等规定来拟定。初拟时可参考已建工程的经验数据选定，本地基为碎石土和砾（卵）石时，底板长度取（2-4）H（H为水闸上下游最大水位差）；砂土和砂壤土取（2-3.5）H；粉质壤土和壤土取（2-4）H；黏土取（2.5-4.5）H。
本工程取底板长度L底=3H=3*1.8=5.4m
综合考虑，上部结构布置及地基承载力规定，拟定闸底板长度为8m。
2．闸底板厚度的拟定
对于小型水闸，底板厚度不小于0.3可取t=1.0m。两端设齿墙。
3、齿墙尺寸的拟定
一般深度为0.5~1.5m，厚度为闸孔净宽的1/5~1/8。该设计深度取0.7m，厚度取1.0m。如图所示。

底板尺寸图（单位：cm）
4．铺盖
重要用来延长渗径，具有相对不透水性和一定的柔性。铺盖常用黏土、黏壤土或沥青混凝土等材料，有时也可用钢筋混凝土作为铺盖材料。铺盖的长度采用上、下游最大水头差的3~5倍。根据上述原则，本工程铺盖采用混凝土铺盖，其混凝土强度等级一般不低于C20，其长度拟定取L=12m；铺盖的厚度，取0.4m，两端设齿墙深度取0.6m，宽度取0.5m，以便和闸底板连接。
5．闸基防渗长度的拟定
初步拟定闸基防渗长度应根据《水闸设计规范》公式L≥C×H
式中L——闸基防渗长度，即闸基轮廓线防渗部分水平段和垂直段长度的总和，m；
C——允许渗径系数值，见《水工建筑物》教材表4-6，查表取C=5；
H——上、下游最大水头差，m。
L=C×H=5*1.8=9（m）
6．校核地下轮廓线的长度
根据以上设计数据，实际的地下轮廓线布置长度应大于理论的地下轮廓线长度。
铺盖长度+闸底板长度=12+8=20m≥L=9（m）
通过校核，地下轮廓线的长度满足规定。
防渗和排水设计及渗透压力计算
一、渗流计算的目的
计算闸底板各点的渗透压力；验算地基土在初步拟定的地下轮廓线下的渗透稳定性。
二、计算方法
计算方法有直线比例法、流网法和改善阻力系数法。
进阻力系数法是一种以流体力学为基础的近似解法。对于比较复杂的地下轮廓，先将实际的地下轮廓进行适当简化，使之成为垂直和水平两个重要部分。再从简化的地下轮廓线上各角点和板桩尖端引出等势线，将整个渗流区域划分为几个简朴的典型流段。
由于改善阻力系数法计算结果精确，本设计采用此种方法进行渗流计算。
三、改善阻力系数法计算渗透压力
（一） 计算公式（出自《水闸设计规范》）
1．拟定地基的有效计算深度Te
本地基不透水层埋藏较深时，须有一个有效计算深度Te来代替实际深度T，Te可根据《水闸设计规范》公式拟定：
当L0/s0≥5时，Te=0.5L0
当L0/s0＜5时，Te=5L0/（1.6L0/s0+2）
式中Te——土基上水闸的地基有效计算深度，m；
L0——地下轮廓的水平投影长度，m；
s0——地下轮廓的垂直投影长度，m。
2．典型段的划分
先将实际的低下轮廓线进行简化，使之成为垂直和水平两个重要部分。再从简化的低下轮廓线上各角点和板桩尖端引出等势线，将整个渗流区域划分为几个典型流段：进、出口段，内部垂直段和水平段。3．计算各典型段的阻力系数（如图）

典型流段计算图
①进、出口段：
ε0=1.5（S/T）3/2+0.441
式中ε0——进、出口段的阻力系数；
S——板桩或齿墙的入土深度，m；
T——地基透水层深度，m。
②内部垂直段：
εy=2/πlnctg（π/4（1－S/T））
式中εy——内部垂直段的阻力系数。
③水平段：
εx=（L-0.7（S1+S2））/T
式中εx——水平段的阻力系数；
L——水平段长度，m；
S1、S2——进、出口段板桩或齿墙的入土深度，m。
4．计算各典型段的水头损失
hi=εiΔH/Σεi
5．进出口段水头损失局部修正
进、出口水力坡降呈急变曲线形式，算得的进、出口水头损失与实际情况相差较大，需进行必要的修正。修正后的水头损失h0＇为：
h0＇=β＇h0（3—8）
式中h0＇——进、出口段修正后的水头损失值，m；
h0——按式ε0=1.5（S/T）3/2+0.441计算出的水头损失值，m。
——阻力修正系数，按式（3—9）计算：

式中S＇——底板埋深与板桩入土深度之和，m；
T＇——板桩另一侧地基透水层深度，m。
修正后的进、出口段修正后的水头损失将减少Δh。
Δh=（1－β＇）h0
有关进、出口段水头损失值的具体计算如下，先用进出口段的前一段水头损失的减少值相比较：
若hx≥Δh，则按hx＇=hx+Δh修正；
若hx〈Δh，则按进出口段的前两段水头损失的和相比较：
若hx+hy≥Δh，则按hx＇=2hx，hy＇=hy+Δh-hx修正
若hx+hy〈Δh，则按hx＇=2hx，hy＇=2hy，hCD=hCD+Δh+（hx+hy）修正。hCD为与进出口相邻的第三个典型流段的水头损失。
6．计算角点的渗压水头
对于简化后的地下轮廓各角点的渗压水头可用下式计算，中间没有计算到的点均用此段的上下游段渗透水头差内插计算。
各段渗压水头=上段渗压水头－此段渗压水头损失值
7．验算渗流逸出坡降
为保证闸基的抗渗稳定性，规定出口段逸出坡降必须小于规定的允许值。出口处的逸出坡降J为：
J=h0＇/S0＇
拟定地基的有效深度。
由于L0=0.5+11.5+7+1=20m；s0=1.7m
L0/s0=20/1.7=10.75＞5
地基的有效深度Te为Te=0.5L0=0.5×20=10（m）
根据地质资料，河道顺直，纵坡降约55‰，河床横宽18～24m。河床表面为砂砾石基础，平均厚度为1.0~3.0m，下部位岩石地基，由于闸底板齿墙坐落在岩基上，基本上属于不透水层，但实际情况还是有一定的渗透，故假设其实际的地基透水层深度为5m。计算Te大于实际的地基透水层深度Tp=5m，所以取Te=5m,进行渗流计算。
3、计算各典型段阻力系数。按各典型段阻力系数计算公式计算。见下表：
各段渗透压力水头损失表
分段编号
分段名称
s
s1
s2
T
L
ξi
①
进口
1

5

0.575
②
水平

0
0
4
0.5
0.125
③
垂直
0.6

4.6

0.131
④
水平

0.6
1.3
4.6
11.5
2.21
⑤
垂直
1.3

4.6

0.292
6
垂直
0.7

4

0.177
7
水平

0.7
0.7
4
7
1.505
8
垂直
0.7

4

0.177
9
水平

0
0
3.3
1.0
0.303
10
出口
0.9

4.2

0.73
合计

6.225
4、计算各段水头损失及进出口段水头修正。
（校核水位）各段水头损失(H=1.8m)
分段编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
h
0.166
0.036
0.038
0.639
0.084
0.051
0.435
0.051
0.088
0.212
(1)进水段水头损失修正：已知T’=5-1=4m,T=5,S’=1,按公式计算β’=0.811<1.0,则进口段修正为h’01=0.166*0.811=0.1346m。水头损失减小h=0.166-0.1346=0.0314m，因hx2+hy3=0.036+0.038=0.074m>△h，故第②③段分别按公式修正h’x2=2hx=0.072，
h’y3=hy3+△h-hx2=0.038+0.0314-0.036=0.0334
(2)出口段水头损失修正已知T’=3.3m,T=4.2m,S’=0.9,按公式计算得β’=0.821<1.0,则出口段修正为h’010=0.212*0.821=0.0998m。水头损失减小值△h=0.212-0.174=0.1122,因（hx9+hy8）=0.051+0.088=0.139m>△h，故第⑧⑨段分别按公式修正h’x9=2hx9=0.176,
h’y8=hy8+h-hx9=0.051+0.1122-0.088=0.0752m
演算：
H=0.1346+0.074+0.0334+0.639+0.084+0.051+0.435+0.001+0.176+0.174=1.8m
（3）、计算各角点或尖端渗压水头。由上游进口段开始，逐次向下游，从总水头H，减去各分段水头损失值，即可求得各角点或尖端渗压水头值：
（3）校核水位：H1=1.8，H2=1.8-0.1346=1.6654；H3=1.5934；H4=1.56；H5=0.921；H6=0.837；H7=0.786；H8=0.351；H9=0.2758；H10=0.0998；H11=0
6、绘制渗压水头分布图。
闸底板下渗透压力分布图（单位：m）
校核水位情况：

闸底板下渗透压力分布图（单位：m）
7、渗流出口平均坡降：
校核水位情况：J=h’0/S’=0.0998/0.9=0.11<[J]
小于壤土出口段的允许渗流坡降值〔J〕=0.15（基本资料）满足规定，不会发生渗透变形。
　防渗排水设施和细部构造
一、排水设备的作用
采用排水设备，可减少渗透压力，排除渗水，避免渗透变形，增长下游的稳定性。排水的位置直接影响渗透压力的大小和分布，应根据闸基土质情况和水闸的工作条件，做到既减少渗透压力又避免渗透变形。
二、排水设备的设计
（1）水平排水水平排水为加厚反滤层中的大颗粒层，形成平铺式。排水反滤层一般由2~3层粒径的砂和砂砾石组成。层次排列应尽量与渗流的方向垂直，各层次的粒径则按渗流方向逐层增大。
反滤层的材料应当是能抗风化的砂石料，并满足：被保护土壤的颗粒不得穿过反滤层；各层次的颗粒不得发生移动；相临两层间，较小一层的颗粒不得穿过较粗一层的空隙；反滤层不能被阻塞，应具有足够的透