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1、课 程 设 计设计题目：前进二闸枢纽新华闸初步设计（2-13）学 院： 水利与土木工程学院 专业年级： 农业水利工程 指导教师： 苏艳平 职 称： 讲师 （2012年07月）中国农业大学教务处制第一章 基本资料1.1 工程概况原前进二闸枢纽位于临河城北前进干渠上，该枢纽建于1966年，枢纽设计流量77.6m3/s，主要任务是引水灌溉，灌溉面积128万亩。建筑物包括前进第二节制闸、西乐进水闸、新华进水闸、甜菜支渠进水闸及林场支渠进水闸五座建筑物，其中西乐进水闸、新华进水闸的分水角均为30，甜菜支渠进水闸及林场支渠进水闸的分水角均为16。枢纽上游以扭曲面与两岸连接，各闸室之间采用圆形裹头连接方式；
2、下游均以隔墙型式与两岸渠堤连接。前进二闸枢纽中的节制闸、西乐及新华进水闸的设计流量分别为28m3/s、22m3/s及23m3/s，闸室结构型式均为开敞式，闸下游设交通桥，桥面净宽4.5m，汽8级标准。闸门为钢筋混凝土平板门，起闭机为螺杆式起闭机。该枢纽建成至今已有42年，在工程运用过程中发现了许多问题：一是建筑物长期受冻胀破坏，致使各闸的翼墙、闸前铺盖及闸下消力池护坦等部位存在破损问题，漏水现象十分严重，直接威胁建筑物自身的安全；二是工程管理设施落后，不能满足工程管理现代化的要求；三是组成枢纽的各建筑物均以超过经济使用年限，隐患严重。根据该枢纽工程现状及上级的要求，决定将原前进二闸枢纽拆除后重
3、建。1.2 水文气象前进二闸枢纽工程处于干旱半干旱地带，大陆性气候特征明显，冬季严寒少雪，夏季高温干热。年降水量139222mm，且70%的降雨集中在79月份，年蒸发量20002300mm，47月份蒸发量最大，约占全年的40%以上，根据当地的气象站多年资料，多年平均气温68，最低气温在一月份为-33.1，最高气温在七月份达到37.4，每年11月下旬开始封冻，直到翌年5月中旬冻层全部消退，封冻期长达180天左右，冻土最大深度1.11.3m，无霜期为135150天。一般冬春两季为多风季节，风向多以西北风和西风为主，冬季风力强，春季持续时间长，多年最大月平均风速19.6m/s。1.3 工程地质1.3
4、.1 地层岩性分布闸址区属黄河冲积洪积平原，第四纪沉积较厚，根据钻孔揭露，地层主要以灰色粉质壤土、粉质粘土和浅灰色细砂层为主。现分述如下：粉质壤土呈饱和状态，可塑，沉积厚度0.54.0m，属中等压缩性土，内摩擦角31.2，渗透系数4.0110-5cm/s；粉质粘土呈饱和状态，可塑，沉积厚度0.22.0m，属中等压缩性土，渗透系数1.0910-6 cm/s；中砂、细砂层均呈饱和状态，主要成分石英、长石、云母、中密，渗透系数2.6510-31.2210-3 cm/s。1.3.2 工程地质前进二闸枢纽地层较为复杂，主要为中粉质土、重粉质土、粉质粘土、中砂、细砂，呈饱和状态，粘性土多由可塑至软塑，属中
5、等压缩性土；砂土由松散密实，颗粒级配较为均匀，属中等压缩性土；比较适合建筑物的持力层。1.3.3 工程地质评价（1） 地基承载力的确定根据土的孔隙比、塑性指数、液性指数等指标确定粉质壤土的允许地基承载力为140Kpa，粘土的允许地基承载力为150Kpa。根据标准贯入锤击数和密实度，中细砂的允许承载力为180Kpa。（2） 砂土的液化评价前进二闸枢纽位于临河地区，该区地震烈度为6，根据标准贯入锤击数判别法和砂土相对密度判别法，确定在地震力作用下可能发生液化。由于闸室上、下游存在一定的水力坡降，所以存在渗透破坏的可能，当水力坡降超过0.22时，饱和细砂将发生流土破坏。1.3.4 结论（1）建议地基
6、土的容许承载力采用150Kpa。（2）闸基地层细砂属容易产生液化的地层，为避免动水压力造成的渗透液化，建议实际水力坡降最好控制在允许水力坡降范围之内。闸基存在振动液化的可能，需采取防振动液化的措施。（3）闸基地下水位埋深较浅，建筑物基础埋置地下水位以下，建议施工时应采取排水措施。1.4 设计依据1.4.1 工程等别按照水利部水规总院的审查意见，前进干渠主要建筑物为3级建筑物，所以前进二闸枢纽按3级建筑物设计。1.4.2 设计指标（1）枢纽各闸上下游断面前进干渠：渠底宽50m，边坡m=2，纵坡i=1/12000，糙率n=0.015，渠底高程1035.5m。新华闸：下游渠底宽15m，边坡m=2，纵
7、坡i=1/8500，糙率n=0.015，吹程0.8km。（2）枢纽各闸设计指标前进二闸枢纽建筑物设计指标表名称设计情况加大情况流量（m3/s）上游水位（m）下游水位（m）流量（m3/s）上游水位（m）下游水位（m）节制闸281037.41035.5301037.51035.70新华闸231035.7251035.9西乐闸221037.10241037.2甜菜闸41037.25.51037.3林场闸0.60.8（3）闸基土物理性质地基允许承载力：150Kpa地基土内摩擦角31.2 、土层凝聚力15KN/m2 。土壤湿容重18 KN/m3 、饱和容重20 KN/m3、土的浮容重10 KN/m3。砼
8、与地基土的摩擦系数： 0.3（4）边墩后回填土部分内摩擦角14 、土层凝聚力5KN/m2 。土壤湿容重18 KN/m3 、饱和容重20 KN/m3、土的浮容重10 KN/m3。（5）其他指标地震设计烈度：6 第二章 枢纽布置2.1 枢纽任务及组成 前进二闸枢纽进水闸的作用是从河道、水库或湖泊岸边引水。水闸由闸室、上游连接段和下游连接段三部分组成。闸室是水闸的主体，包括闸门、闸墩、边墩（岸墙）、底板、胸墙、工作桥、检修便桥、交通桥、启闭机等。上游连接段包括两岸的翼墙和护坡以及河床部分的铺盖，有时为保护河床免受冲刷，还加做防冲槽和护底。用以引导水流平顺地进入闸室，保护两岸及河床免遭冲刷，并与闸室等
9、共同构成防渗地下轮廓，确保在渗透水流作用下两岸和闸基的抗渗稳定性。下游连接段包括护坦、海漫、防冲槽以及两岸的翼墙和护坡等。用以消除过闸水流的剩余能量，引导出闸水流均匀扩散，调整流速分布和减缓流速，防止水流出闸后对下游的冲刷。2.2 枢纽建筑物选型 当从天然河道直接取水（即无坝取水）时，为保证能引进需要的流量和尽量减少泥沙进入引水渠道，进水闸宜建于河流弯道凹岸的顶点稍偏下游处；并需慎重研究选定引水渠轴线与河道轴线的交角（即引水角），该角的大小视引水流量与河道来水流量的比值及泥沙来量而定。为防止推移质泥沙被挟带入渠，在满足正常引水要求的前提下，进水闸底槛高程应比河底高程高一些。水利枢纽中的进水闸，
10、是整个枢纽的一个组成部分，应根据枢纽工程的性质、任务及综合利用要求，统一考虑进水闸与枢纽其他工程的合理布置。为减少泥沙入渠，进水闸前常设冲沙闸和导沙坎，进水闸闸底槛高程要比冲沙闸底槛高程高一些。进水闸一般采用开敞式，当上游水位变幅较大，挡水位高于取水位，为减少闸门高度，也可采用胸墙式或涵洞式。为便于管理运用和当引取较小流量时能对称开启闸门而不致产生偏流，进水闸闸孔宜布置成三孔或三孔以上的单数孔。第三章 设计详细计算书3.1 闸址选择和闸孔设计3.1.1 闸址的选择闸址、闸轴线的选择关系到工程的安全可靠、施工难易、操作运用、工程量及投资大小等方面的问题。在选择过程中首先应根据地形、地质、水流、施
11、工管理应用及拆迁情况等方面进行分析研究，权衡利弊，经全面分析比较，合理确定。本次设计是将原前进二闸枢纽拆除后重建，故新华闸的闸址不变。3.1.2 闸型确定本工程主要任务是引水灌溉，工程位于冻胀剧烈区，应具有较强的抗冻胀能力，故采用不设胸墙的开敞式水闸。各闸室之间采用圆形裹头连接方式，上游以扭曲面与两岸连接，下游以隔墙型式与两岸渠堤连接。同时，河床表面覆盖粉质壤土、粉质粘土和中砂，它们都处于饱和状态。其中，粉质壤土和粉质粘土是中等压缩性土，其冰冻期冻胀破坏作用大，故闸基清基时应将其挖除。参照闸址地质剖面图，闸基高程应低于1027.0m。由于河槽蓄水，闸前淤积对洪水位影响较大，为便于排出淤沙，闸底
12、板高程应尽可能低。因此，采用无底坎平顶板宽顶堰，堰顶高程略比河床高一点，闸底板高程取1035.75m。3.1.3 闸孔尺寸和闸墩厚度3.1.3.1 计算闸孔总净宽B0根据规范，堰流式闸孔总净宽计算公式为：闸孔总净宽，（m）；设计过闸流量，（m3/s）；计入行进流速水头的堰上水头，（m）；重力加速度，可采用9.81（m/s3）；、分别为堰流的流量系数、侧收缩系数和淹没系数。（1）淹没系数。根据值判定淹没度，查表得相应：当hs/H00.8时，为自由出流=1；当hs/H00.8时，为淹没出流，查表求值。其中，H0、hs分别为上、下游相对于闸底板高程的总水头及下游水深。本次设计淹没系数取=1 。 （2
13、） 侧收缩系数。与孔口尺寸等因素有关，计算时须先假定。根据经验现假定取1 。（3） 流量系数m 。对于直角宽顶堰(此式用于)当3时，m可视为常数，即m=0.32，取P1=0.15m，H=上游水位渠底高程堰顶超高=1.90.15=1.75m，带入上式计算得m=0.376。流速 ,，表3流量Q（m3/s）上游水深H（m） 下游水深（m）过水断面积（m2） 行近流速（m3/s） 上游水头H0（m） 设计流量23 1.750.5538.000.605 0.0187 1.769 校核流量25 1.851.0040.320.6200.01961.870计算情况上游水头（m）下游水深 （m）流态设计水位1.
14、7690.550.5501.495自由出流校核水位1.9691.001.0001.576自由出流按照闸门总净宽计算公式，根据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算如下表：表4流量Q（m3/s）上游水头 （m） 下游水深（m） 淹没系数 B0（m） 设计流量231.7690.5515.86校核流量25 1.8691.0015.87 闸孔孔数n及单孔净宽b0(1)单孔宽度b0根据水闸使用要求、闸门型式及启闭机内容等因素，并参照闸门尺寸选定。(2)孔数。孔数在数目少时，宜取奇数孔，以利于对称开启，改善闸下游水流条件。根据闸门设计规范中闸孔尺寸和水头系列标准，闸总净宽选取6m，同时为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用3孔（各2.0m），闸孔总宽度为：L= 0.82126=9.6m由于闸基为软基河床，选用整体式底板，中墩厚1m，边墩厚0.8m。闸门及闸孔布置图如CAD图所示：3.1.3.2 校核泄洪能力 根据孔口与闸墩的尺寸可计算侧收缩系数： , =0.1，P=0.15，H=1.769对于中孔 ， 对于边孔 ，
