臨淄節(jié)制閘設(shè)計(jì)(冉)

1、臨淄節(jié)制閘設(shè)計(jì)一、基本資料本工程位于流過山東省淄博市境內(nèi)的淄河中游，距齊魯石化進(jìn)水閘的下游約2公里處設(shè)置的節(jié)制閘。目的是攔截淄河水流，抬高水位，以確保國家重點(diǎn)企業(yè)齊魯石化和近數(shù)十萬畝農(nóng)田灌溉的供水。圖1 臨淄節(jié)制閘樞紐示意圖淄河由沂蒙山脈為源頭，從南至北，經(jīng)臨朐、青州、淄博、廣饒匯入小清河，再流入渤海。淄河是一條季節(jié)性河流，汛期時(shí)來水流量較大，通常約600m3/s；枯水期時(shí)河流干涸，河床能行人。每當(dāng)汛期山洪暴發(fā)，水流夾帶大量泥砂，河床沉積著較厚的砂礫，而兩岸的地表土為亞粘土。（一）規(guī)劃:流域面積：1670平方公里。設(shè)計(jì)流量（5年一遇）：Q=560m3/s，相應(yīng)的閘上水位：34.55m，閘下水位

2、：33.75m。校核流量（20年一遇）：Q=1300m3/s，相應(yīng)的閘上水位：36.35m，閘下水位：35.62m。蓄水期水位：1.正常蓄水位：閘上34.55m，閘下29.98m（閘下無水）。2.最高蓄水位（校核水位）閘上35.90m，閘下31.98m。3.惡劣放水水位：閘上35.90m，閘下30.98m。表1閘下水位與流量關(guān)系：流量Q（m3/s）0501002003004005006007008009001000110012001300水位H（m）29.9830.2630.7831.5032.0032.7133.1233.7534.1834.7134.9935.2435.4435.5635.

3、62（二）閘址的選定:經(jīng)地質(zhì)查勘，選定在淄博市臨淄區(qū)以南，距齊魯石化進(jìn)水閘約2km處淄河的左岸河灣里。該處地勢開闊，地質(zhì)條件較好，便于多方案的比較，以便選出理想的閘址。（三）閘址處的地質(zhì)資料:根據(jù)鉆探孔（見地形圖）的地質(zhì)資料看出，因受河流沖積影響，土層變化情況較復(fù)雜。具體如下：1# 鉆孔：位于淄河左岸上，自地面高程約36.00m向下至28.50m為亞粘土，土質(zhì)堅(jiān)實(shí)；高程28.50m至26.00m為粉質(zhì)粘土，較堅(jiān)實(shí)；高程26.00m至21.00m為粉土；高程21.00mm至15.00m為粉質(zhì)粘土。2#、3#、4#、5# 鉆孔：同1# 鉆孔地質(zhì)資料。6# 鉆孔：位于淄河主河槽中，自河底高程29.9

4、8m至27.40m為沖積的砂礫；高程27.40m 至26.20m為粉質(zhì)粘土；高程26.20m至21.50m為粉土；高程21.50m至15.20m 為粉質(zhì)粘土。7#、8#、9#、10#鉆孔：基本同6#鉆孔地質(zhì)資料。表2地基土物理力學(xué)指標(biāo)如下表：土質(zhì)容量(g/cm3)飽和容量(g/cm3)滲透參數(shù)k(cm/s)允許滲透坡降J壓縮模量E(KN/cm3)）孔隙比e抗剪指標(biāo)磨擦角(度)凝聚力C(N/cm2)亞粘土1.812.0410-51.16000.8181.6粉質(zhì)粘土1.681.91310-41.08000.85161.1粉土1.561.84110-40.812000.9140.9參照附近水利工程抗

5、沖流速的資料：亞粘土的抗沖流量V0=1.9m/s，粉質(zhì)粘土的抗沖流速V0=1.7m/s，粉土的抗沖流速V0=1.0m/s。（四）工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):根據(jù)該閘的規(guī)模及用途為2級建筑物。（五）交通要求及其他:1.公路橋面高程為37.18m，雙車道。橋面凈寬為9m，按公路2級級荷載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。2.淄河無通航要求，不設(shè)船閘，也不設(shè)魚道。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容1. 閘址選擇及樞紐布置臨淄節(jié)制閘屬于平原區(qū)水閘樞紐工程，由水閘設(shè)計(jì)規(guī)范（SL2652001），根據(jù)水閘最大過閘流量及其防護(hù)對象的重要性劃分等別，該閘最大過閘流量為1300m/s，工程等別為級，該閘的功能主要是攔洪、調(diào)節(jié)水位以滿足上游（齊魯石化）引水的需要，控制下泄

6、臨淄市）流量，保證下游河道安全并根據(jù)下游用水需要調(diào)節(jié)放水流量，不考慮通航功能，不設(shè)船閘，也不設(shè)魚道。1.1 方案比選閘址選擇關(guān)系到工程的成敗和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮，是水閘設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，應(yīng)根據(jù)水閘的功能、特點(diǎn)和運(yùn)用要求，綜合考慮地形、地質(zhì)、水流、潮汐、泥沙、凍土、冰情、施工、管理和周圍環(huán)境等因素，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選定最佳方案。閘址宜選擇在地形開闊、岸坡穩(wěn)定、巖土堅(jiān)實(shí)和地下水水位較低的地點(diǎn)。應(yīng)優(yōu)先選用地質(zhì)條件良好的天然地基，避免采用人工處理地基，壤土、中砂、粗砂和砂礫石都適于作為水閘的地基；盡量避開淤泥質(zhì)土和粉、細(xì)砂地基，必要時(shí)，應(yīng)采取妥善的處理措施。閘址的方案選擇要考慮以下幾個因素：水力條件

7、、地質(zhì)條件、功能發(fā)揮、施工條件以及經(jīng)濟(jì)投資。其中過閘水流的形態(tài)是選擇閘址時(shí)需要考慮的重要因素。要求做到：過閘水流平順，流量分布均勻，不出現(xiàn)偏流和危害性沖刷或淤積。攔河閘宜選在河道順直、河勢相對穩(wěn)定的河段，閘的軸線宜與河道中心線正交，其上、下游河道直線段長度不宜小于5倍水閘進(jìn)口處水面寬度。在河道上建造攔河閘，為解決施工導(dǎo)流問題，常將閘址選在彎曲河段的凸岸，利用原河道導(dǎo)流，裁彎取直，新開上、下游引水和泄水渠，新開渠道既要盡量縮短其長度，又要使其進(jìn)、出口與原河道平順銜接。該水閘樞紐工程的建設(shè)可能與原有的濟(jì)青路存在矛盾，設(shè)計(jì)中需要考慮保證原公路的通航能力，同時(shí)使施工盡量方便、簡化。在公路附近建閘，選定

8、的閘址不應(yīng)與其距離太近。選擇閘址應(yīng)考慮材料來源、對外交通、場地布置、基坑排水和施工水電供應(yīng)等條件。水閘建成后工程管理維修和防汛搶險(xiǎn)等條件也需要加以重視。此外，還有一些因素也影響閘址的選擇：占用土地及拆遷房屋少；盡量利用周圍已有公路、航運(yùn)、動力、通信等公用設(shè)施；有利于綠化、凈化、美化環(huán)境和生態(tài)環(huán)境保護(hù)；有利于開展綜合經(jīng)營。下面列出四種方案，分析各方案的優(yōu)劣，從中選出最佳方案，各方案的示意圖見圖2和圖3。圖2 閘址選擇方案一、二示意圖方案一：閘址設(shè)于原河道彎曲段下游，處于地質(zhì)鉆孔6和鉆孔7之間的河段。該處河道曲率較大，閘室位于直段處，但上、下游連接段河道均不順直，水流進(jìn)入閘室前不能平順過渡，彎段處

9、水流容易產(chǎn)生漩渦及折沖水流，對上游護(hù)底、鋪蓋以及兩岸的翼墻和護(hù)坡會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的沖刷，流速過大，水力條件非常不利，嚴(yán)重違背了閘址選擇中提出的水力條件要良好的要求。上游流態(tài)的不合理將直接影響閘室的穩(wěn)定性，有礙工程功能的發(fā)揮，同時(shí)出閘后河段也不夠順直，水流擴(kuò)散不均勻，無法調(diào)整流速分布使流速減緩，水流具有的剩余能量會使得原本抗沖刷能力就不強(qiáng)的砂礫石地基受到損害。此外，水閘下游常出現(xiàn)波狀水躍和折沖水流，加劇對河床及兩岸的淘刷，這就對消能防沖設(shè)施提出了很高的要求，進(jìn)而使工程造價(jià)大大增高?？梢?，此方案無論是水力條件、地質(zhì)條件還是施工運(yùn)用和經(jīng)濟(jì)投入都不甚合理。方案二：閘址設(shè)于臨淄河上濟(jì)青路上游處，靠近齊魯石

10、化，閘室部分在地質(zhì)鉆孔9處。該處河道曲率半徑仍然較大，和方案一相比，水力條件不理想，上述涉及到的問題未得到解決，由地質(zhì)鉆孔資料知，河床處上部均為砂礫石，下部逐漸以粉土為主，地質(zhì)條件欠佳。但考慮到過閘水流剩余的能量較多，將閘址建在河道上游可以加長水閘的下游連接段，利于消能防沖設(shè)施的布置，從而使出閘水流的形態(tài)漸趨理想。從這一角度講，方案二有優(yōu)于方案一的因素。此處再考慮水閘的功能發(fā)揮，從地形圖上看，當(dāng)水閘樞紐建于河道上游部分時(shí)，閘址距齊魯石化很近，由于河道凸向東面，使得距臨淄市則很遠(yuǎn)，其對臨淄市的用水需要及洪水期的安全不能可靠保證?？梢?，此方案中水閘功能的發(fā)揮存在著嚴(yán)重的矛盾，不夠合理。方案三：總結(jié)

11、方案一和方案二，兩者的水力條件均存在較為嚴(yán)重的不合理之處，過閘水流的形態(tài)又是選擇閘址的一個重要影響因素，結(jié)合地形圖知，該范圍內(nèi)河道幾乎沒有適宜建閘的直段，各處的曲率半徑都很小，同時(shí)考慮施工導(dǎo)流問題，若將閘址選在彎曲河段的凸岸，即“裁彎取直”，利用原河道導(dǎo)流，新開上、下游引水和泄水渠，由于水閘樞紐的工期一般較長，不可能在一個枯水期內(nèi)完建，所以導(dǎo)流渠是必須設(shè)置的。地質(zhì)鉆孔資料中給出了河岸處的地質(zhì)情況，自地面高程起依次為亞粘土、粉質(zhì)黏土，地質(zhì)均較堅(jiān)實(shí)，將閘址選在河岸上，良好的地質(zhì)條件使水閘不至于在自重和外荷載作用下產(chǎn)生不利的沉降或沉降差，避免了閘室傾斜引起的止水破壞、閘底板斷裂、發(fā)生塑性破壞等一系列

12、問題。為了保證新開河道中合適的水流流速，新開的河道寬度應(yīng)與原河道相同，約為60m。本方案擬采用新開河道，上游部分約在地質(zhì)鉆孔5以南，下游部分連接地質(zhì)鉆孔7處，同時(shí)注意與原河道要平順銜接，閘址選在靠近公路的上游處。圖3 閘址選擇方案三、四示意圖方案四：方案三的水力條件和地質(zhì)條件都比較理想，符合建造水閘的要求。其次考慮經(jīng)濟(jì)投資，應(yīng)盡量使新開渠道縮短長度，但考慮到河道短又會反過來影響到新開河道的水力條件，過閘水流不夠平順，本工程中經(jīng)濟(jì)條件并不是制約因素，因此提出方案四，將新開河道長度適當(dāng)增加，上游連接處位于齊魯石化西的河道轉(zhuǎn)彎處，下游連接處位于地質(zhì)鉆孔8附加（臨淄市以東）。此時(shí)水閘的水力條件和地質(zhì)條

13、件都已非常理想。而新開的河道較長，將閘址選擇濟(jì)青路下方或者在道路下游部分各有利弊，下面做進(jìn)一步的討論：將閘址選在濟(jì)青路下方，此時(shí)上游連接段的長度能夠滿足使如閘水流平順的要求，為保證施工時(shí)滿足原來的通航能力，需要在靠近閘址處新建一條與濟(jì)青路通航能力相同的臨時(shí)通航道路，待工程完工后可以利用閘上的交通橋以滿足道路的通航要求。這就需要增加建造道路的投資，同時(shí)還要考慮到車輛通過時(shí)的安全問題，轉(zhuǎn)彎半徑要合適，由公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范JTJ 01194，汽車專用公路二級平原地區(qū)一般最小半徑為400m，在該閘址附近建半徑為400m的公路，工程量大，投資多。由地形圖知，公路下游部分河段較長，能夠滿足水閘三部分總長的要

14、求。為使施工方便，將閘建于下游部分，具體布置見圖2。此時(shí)只需要建造臨時(shí)的施工道路，參照公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范JTJ 01194，使用一般公路三級標(biāo)準(zhǔn)，平原微丘地區(qū)一般最小半徑為200m，極限最小半徑為125m。此處由于施工限制，采用極限最小半徑標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也滿足了道路曲率小于3%的要求。將閘址盡量靠近公路，以充分滿足下游段消能防沖的要求。綜上所述，采用方案四，將閘址選擇靠近公路的下游新開河道中。1.2 水閘樞紐布置水閘樞紐布置應(yīng)根據(jù)閘址地形、地質(zhì)、水流等條件以及該樞紐中個建筑物的功能、特點(diǎn)、運(yùn)用要求等確定，做到緊湊合理、協(xié)調(diào)美觀，組成整體效益最大的有機(jī)聯(lián)合體。水閘由閘室、上游連接段和下游連接段三部分組

15、成。閘室是水閘的主體，包括閘門、閘墩、邊墩（岸墻）、底板、胸墻、工作橋、檢修便橋、交通橋、啟閉機(jī)等。閘門用來擋水和控制流量。閘墩用以分隔閘孔和支撐閘門、胸墻、工作橋、交通橋、檢修便橋。底板是閘室的基礎(chǔ)，用以將閘室上部結(jié)構(gòu)的重量及荷載傳至地基，并兼有防滲和防沖的作用。工作橋、交通橋和檢修便橋用來安裝啟閉設(shè)備、操作閘門和聯(lián)系兩岸交通。上游連接段包括兩岸的翼墻和護(hù)坡以及河床部分的鋪蓋，有時(shí)為保護(hù)河床免受沖刷，還加做防沖槽護(hù)底。用以引導(dǎo)水流平順地進(jìn)入閘室，保護(hù)兩岸及河床免遭沖刷，并與閘室等共同構(gòu)成防滲地下輪廓，確保在滲透水流作用下兩岸和閘基的抗?jié)B穩(wěn)定性。下游連接段包括護(hù)坦、海漫、防沖槽以及兩岸的翼墻和

16、護(hù)坡等。用以消除過閘水流的剩余能量，引導(dǎo)出閘水流均勻擴(kuò)算，調(diào)整流速分布和減緩流速，防止水流出閘后對下游的沖刷。水閘布置采用上述方案四的位置，水閘軸線與新開河道中心線盡量正交，水閘進(jìn)口處水面寬度約60m，上、下游河道長度不宜小于5倍水閘進(jìn)口處水面寬度，由閘址地形圖知，這一要求能夠滿足。初步擬定水閘位于地質(zhì)鉆孔1和孔2之間，見圖3。2. 閘室布置及閘孔設(shè)計(jì)閘室布置包括：閘室結(jié)構(gòu)型式的選擇、閘底板型式的選擇、閘底板厚度以及底板分縫設(shè)置。閘孔設(shè)計(jì)包括：選擇堰型、確定堰頂或底板頂面高程、閘墩尺寸、單孔尺寸以及閘室總寬度。2.1 閘室布置和構(gòu)造1. 閘室結(jié)構(gòu)型式閘室結(jié)構(gòu)可根據(jù)泄流特點(diǎn)和運(yùn)行要求，選用開敞式

17、、胸墻式、涵洞式或雙層式等結(jié)構(gòu)型式。整個閘室結(jié)構(gòu)的重心應(yīng)盡可能與閘室底板中心相接近，且偏高水位一側(cè)。閘檻高程較高、擋水高度較小，對有泄洪、過木、排冰或其他漂浮物要求的水閘，如節(jié)制閘、分洪閘，大都采用開敞式。臨淄節(jié)制閘擋水時(shí)閘門全關(guān)，放水時(shí)基本是閘門全開，選用開敞式結(jié)構(gòu)，無需設(shè)胸墻。2. 閘底板型式按底板與閘墩的連接方式可分：整體式底板和分離式底板，按底板的結(jié)構(gòu)型式可分為：平底板、反拱底板和空箱式底板。亞粘土地基屬于較為堅(jiān)硬、緊密的地基，應(yīng)采用分離式底板，在單孔底板上設(shè)雙縫，將底板與閘墩分開，閘墩能夠傳力，底板防滲抗沖能力強(qiáng)。一般情況下，閘室底板宜采用平地板。所以臨淄節(jié)制閘采用分離式平底板。底板

18、結(jié)構(gòu)尺寸見圖4。3. 閘底板厚度圖4 閘室底板示意圖底板厚度根據(jù)自身穩(wěn)定的需要確定，表面要平整并具有良好的防沖性能。底板厚度必須滿足剛度的要求，大、中型水閘可取（1/61/8）(為閘孔凈寬)，一般為1.02.0m，最薄不宜小于0.6m，底板配筋率不超過0.3%，本水閘初步擬定采用鋼筋混凝土材料，采用C15的混凝土，底板厚度初選為1.25m。4. 底板分縫底板順?biāo)鞣较虿捎么罱邮?，單孔底板上設(shè)雙縫。底板垂直水流方向的分縫在土基上不宜超過35m，具體的分縫長度需根據(jù)抗滑穩(wěn)定和地基承載力的要求計(jì)算得到，在初步設(shè)計(jì)時(shí)暫不予考慮。其他部分的分縫在下文中分析確定。2.2 閘孔設(shè)計(jì)1. 堰型選擇常用的堰型有

19、：寬頂堰和低實(shí)用堰。寬頂堰是水閘中最常用的一種型式。有利于泄洪、沖沙、排污、排冰，且泄流能力比較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，施工方便；其缺點(diǎn)是自由泄流時(shí)流量系數(shù)較小，容易產(chǎn)生波狀水躍。低實(shí)用堰有梯形的、曲線形的和駝峰形的。自由泄流時(shí)流量系數(shù)較大，水流條件較好，但泄流能力受尾水位變化的影響較為明顯，當(dāng)上游水位較高，為限制過閘單寬流量，需要抬高堰頂高程時(shí)，常選用這種型式。臨淄節(jié)制閘位于平原地區(qū)，洪水期不長，考慮到施工方便以及經(jīng)濟(jì)合理，采用寬頂堰可以滿足泄流要求，此處寬頂堰不需要設(shè)置坎，因?yàn)殚l基為亞粘土，若設(shè)置了堰坎，閘前水流的長期沖刷會使得堰坎被填平，失去其功能，浪費(fèi)投資。所以水閘采用無坎的寬頂堰。2. 閘底

20、板及閘頂高程節(jié)制閘底板高程一般與河床齊平或略高，本水閘屬于大（2）型，由于閘室工程量所占比重較大，適當(dāng)降低底板高程是有利的。根據(jù)地形圖上的數(shù)據(jù)，新開河道上、下游與原河道銜接處的標(biāo)高分別為30.12m和29.40m，經(jīng)過線性內(nèi)插，算得水閘軸線處地面開挖高度為29.79m，故水閘底板高度定位29.79m。根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范（SL2652001），水閘閘頂高程應(yīng)根據(jù)擋水和泄水兩種運(yùn)用情況確定。擋水時(shí)，閘頂高程不應(yīng)低于水閘正常蓄水位（或最高當(dāng)水位）加波浪計(jì)算高度與相應(yīng)安全超高值之和；泄水時(shí)，閘頂高程不應(yīng)低于設(shè)計(jì)洪水位（或校核洪水位）與相應(yīng)安全超高之和。下面分別計(jì)算兩種情況下的閘頂高程：（假定波浪計(jì)算高度

21、為0.5m）。擋水時(shí)，閘頂高程=正常蓄水位+波浪計(jì)算高度+安全超高=34.55+0.5+0.5=35.55m泄水時(shí)，閘頂高程=校核水位+安全超高=35.90+0.7=36.60m故閘頂高程為36.60m。3. 閘墩設(shè)計(jì)圖5 閘墩結(jié)構(gòu)示意圖閘墩采用混凝土建造，頭部為圓形，初估閘室單孔寬度為10m，考慮剛度要求，墩厚為130cm，門槽寬50cm，深30cm，閘墩上游部分設(shè)置門槽，下游為工作橋及交通橋的支撐，總長度由各分段長度相加得到，為1520cm，參照水工設(shè)計(jì)手冊6泄水與過壩建筑物。具體的尺寸見圖5。閘墩的高度由閘上公路橋面高程確定，公路橋面高程為37.18m，橋面凈寬為9m，橋面采用梁結(jié)構(gòu)，厚

22、度約0.4m，所以閘墩頂部高程為36.78m。4. 閘孔尺寸首先計(jì)算閘孔總凈寬。由于給定的設(shè)計(jì)流量和校核流量相差很大，采用校核流量（20年一遇）Q=1300m/s?？紤]到此時(shí)流量很大，水流呈堰流，采用公式（21）計(jì)算。 （21）式中：為閘孔總凈寬，m；為設(shè)計(jì)流量，m/s； 為計(jì)入行近流速水頭在內(nèi)的堰頂水頭，m；分別為淹沒系數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)和流量系數(shù)，由水力學(xué)中公式及表格得到；g為重力加速度，m/s2。下面計(jì)算行近流速：上游水深H=36.35-29.79=6.56m，1.5H=1.56.56=9.84m，距水閘上游9.84m為安全起見，采用梯形斷面的面積計(jì)算行近流速v0,坡比m取2，故行近流速。由

23、于流量系數(shù)m決定于堰頂?shù)倪M(jìn)口形式和堰的相對高度P1/H，（P1為堰坎高度，此處P1=0）。故m取最大值0.385。側(cè)收縮系數(shù)由下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： （22）式中：為考慮墩頭及堰頂入口形狀的系數(shù)。初選閘墩頭部為圓弧形，堰頂無坎，故此處取=0.10；b為溢流孔凈寬，m；B為上游引渠寬，m；H為上游水深，m。臨淄節(jié)制閘初步擬定為5孔閘門，中墩厚1.2m，邊墩厚為1.0m，計(jì)算中假定閘孔總凈寬L0。對于多孔寬頂堰，側(cè)收縮系數(shù)應(yīng)取邊孔及中孔的加權(quán)平均值： （23）式中：n為孔數(shù)。但此處忽略中墩和邊墩對水流收縮影響的差異，計(jì)算時(shí)采用總的收縮系數(shù)即可。淹沒系數(shù)取決于（為下游水深，=35.62-29.79=5

24、.83m）。其中： （24）式中，H為上游水深，m；H=36.35-29.79=6.56m。故=6.93m。由此=5.83/6.93=0.840.80，查水力學(xué)表8.2得=0.97閘室單孔寬度b，在我國大、中型水閘一般為812m，閘孔孔數(shù)n，設(shè)計(jì)中應(yīng)取略大于計(jì)算要求值的整數(shù)，但總凈寬不宜超過計(jì)算值的3%5%，當(dāng)孔數(shù)較少時(shí)，為便于閘門對稱開啟，使過閘水流均勻，避免由于偏流造成閘下局部沖刷和使閘室結(jié)構(gòu)受力對稱，孔數(shù)宜采用單數(shù)，但對于臨淄節(jié)制閘，其放水時(shí)流量很大，基本不存在只開啟個別幾孔閘門，運(yùn)行中多為閘門全部開啟或全部關(guān)閉的情況，不存在折沖水流等問題。所以孔數(shù)不受單、雙數(shù)的限制。擬定閘室總寬度后，

25、尚需考慮閘墩等的影響，根據(jù)試算所得結(jié)果選取合理的閘孔數(shù)、閘門單寬以及閘墩厚度，并且進(jìn)一步驗(yàn)證水閘的過水能力。從過水能力和消能防沖兩方面考慮，閘室總寬度應(yīng)與河（渠）道寬度相適應(yīng)，當(dāng)河（渠）寬為50100m時(shí)，兩者的比值宜大于0.60.75。下面利用表格試算，以求得合理的閘孔總凈寬。初步擬定閘室總款與河道寬度相等，計(jì)算結(jié)果見表3。表3閘孔尺寸試算用表流量 Q（m/s)流量系數(shù) m淹沒系數(shù)堰頂水頭H0（m）閘室總寬B2（m）孔 數(shù)n閘孔總凈寬L0（m）單孔凈寬b（m）側(cè)收縮系數(shù)通過流量Q（m/s)13000.3850.976.93 60.0 3 57.4 19.1 0.993 1719.49 130

26、00.3850.976.93 60.0 4 56.1 14.0 0.989 1674.45 13000.3850.976.93 60.0 5 54.8 11.0 0.986 1629.76 13000.3850.976.93 60.0 6 53.5 8.9 0.982 1585.43 13000.3850.976.93 60.0 7 52.2 7.5 0.979 1541.44 13000.3850.976.93 60.0 8 50.9 6.4 0.975 1497.80 13000.3850.976.93 60.0 9 49.6 5.5 0.972 1454.50 13000.3850.97

27、6.93 60.0 10 48.3 4.8 0.968 1411.53 經(jīng)過計(jì)算可知，當(dāng)閘室寬度選用60.0m時(shí)，過流能力較大，會造成浪費(fèi)，故采取減小閘室寬度的方法，假定閘室總寬B2=52.0m，試算結(jié)果見表4。表4閘孔尺寸調(diào)整試算用表 流量 Q（m/s)流量系數(shù) m淹沒系數(shù)堰頂水頭H0（m）閘室總寬B2（m）孔 數(shù)n閘孔總凈寬L0（m）單孔凈寬b（m）側(cè)收縮系數(shù)通過流量Q（m/s)13000.3850.976.9352.0 349.4 16.5 0.992 1478.18 13000.3850.976.9352.0 448.1 12.0 0.987 1433.28 13000.3850.97

28、6.9352.0 546.8 9.4 0.983 1388.78 13000.3850.976.9352.0 645.5 7.6 0.979 1344.69 13000.3850.976.9352.0 744.2 6.3 0.975 1300.99 13000.3850.976.9352.0 842.9 5.4 0.971 1257.69 13000.3850.976.9352.0 941.6 4.6 0.968 1214.78 13000.3850.976.9352.0 1040.3 4.0 0.964 1172.25 從表2中可以看出，當(dāng)選用5孔閘門時(shí)較為合理，但此時(shí)過流能力仍然偏大。經(jīng)最

29、終分析，調(diào)整閘孔寬度，選取5孔閘門，單孔凈寬b=9.2m，閘孔總凈寬L0=46m，驗(yàn)算過流能力Q=1364.56m/s。且，滿足流量差小于3%5%的要求。3. 水閘的防滲、排水設(shè)計(jì)水閘建成后，由于上、下游水位差，在閘基及邊墩和翼墻的背水一側(cè)產(chǎn)生滲流。因此需要擬定水閘的地下輪廓，做好防滲、排水設(shè)施的構(gòu)造設(shè)計(jì)。滲流計(jì)算的目的在于求解滲流區(qū)域內(nèi)的滲流壓力、滲流坡降、滲流流速及滲流量（通常滲流量可以不計(jì)）。3.1 水閘防滲長度及地下輪廓布置1. 防滲及排水布置圖6為水閘的防滲布置示意圖。不透水的鋪蓋、短板樁及底板與地基的接觸線，即是閘基滲流的第一根流線，為地下輪廓線，其長度是水閘的防滲長度。根據(jù)水閘設(shè)

30、計(jì)規(guī)范SL2652001規(guī)定，為保證水閘安全，初步擬定所需的防滲長度應(yīng)滿足式（31）的要求。 （31）式中：L為水閘的防滲長度，m；H為上、下游水位差，m；C為允許滲徑系數(shù)，依地基土的性質(zhì)而定，由水工設(shè)計(jì)手冊6查得亞粘土地基在設(shè)置反濾層的情況下取C=5，計(jì)算時(shí)采用惡劣放水水位時(shí)上、下游水位差H=4.92m，得到L最小為24.6m。顯然滿足要求。圖6 水閘的防滲布置 水閘的地下輪廓可依地基情況并參照條件相近的已建工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行布置，按照防滲與排水相結(jié)合的原則，在上游側(cè)采用水平防滲（如鋪蓋）或垂直防滲（如齒墻、板樁）延長滲徑，下游側(cè)設(shè)置排水反濾設(shè)施（如層面排水、排水孔、反濾層等）以防止在滲流出

31、口附近發(fā)生滲流變形。臨淄節(jié)制閘閘址處為亞粘土，主要考慮如何降低作用在底板上的滲流壓力，提高閘室的抗滑穩(wěn)定性，可在閘室上游設(shè)置水平防滲，將排水設(shè)施布置在消力池底板下。使用黏土鋪蓋，其滲流系數(shù)應(yīng)比地基土的滲流系數(shù)小100倍以上，初擬鋪蓋的長度一般為閘上、下游最大水頭的35倍，選用鋪蓋長度為20m，鋪蓋上游端的最小厚度一般不宜小于0.6m，鋪蓋與底板連接處需要加厚，將底板前端做成傾斜面。打板樁可能破壞黏土的天然結(jié)構(gòu)，此處只設(shè)置厚為0.1m、長為2m的短板樁。采用鋼筋混凝土板樁，板樁與閘室底板的連接采用把板樁緊靠底板前緣，頂部嵌入黏土鋪蓋一定深度。閘底板的上、下游端設(shè)深為0.75m的淺齒墻，用來增強(qiáng)閘

32、室的抗滑穩(wěn)定，并延長滲徑。2. 分縫方式與止水設(shè)備為了防止和減少由于地基不均勻沉降、溫度變化和混凝土干縮引起底板斷裂和裂縫，對于多孔水閘需要沿軸線設(shè)縫，縫距設(shè)為30m，縫寬為2.0cm。為避免相鄰結(jié)構(gòu)由于荷重相差懸殊產(chǎn)生不均勻沉降，也要設(shè)縫分開，鋪蓋與底板、消力池與底板，以及鋪蓋、消力池與翼墻等連接處都要分別設(shè)縫；此外消力池本身也設(shè)縫分段、分塊。凡具有防滲要求的縫，都應(yīng)設(shè)止水。在閘墩中間、邊墩與翼墻間以及上游翼墻本身設(shè)鉛直止水；在鋪蓋、消力池與底板和翼墻、底板與閘墩間設(shè)置水平止水。3.2 滲流計(jì)算圖7 阻力系數(shù)法計(jì)算簡圖水閘的滲流計(jì)算采用改進(jìn)的阻力系數(shù)法。計(jì)算簡圖見圖7。首先驗(yàn)算水閘的防滲長度

33、是否滿足要求，與上面求得的所需最小防滲長度相比較。實(shí)際防滲長度=0.6+18+1.25+2+0.75+16+0.75+2+3.25=44.6m，滿足大于24.6m的要求。各流段水頭損失為 （32）式中：為滲流段的阻力系數(shù)；H為上、下游水位差，m。單寬流量q=Q/L0=1300/46=28.3m/()。上、下游水位差H采用惡劣放水水位的情況，H=35.9-30.98=4.92m。當(dāng)?shù)鼗煌杆畬勇癫剌^深時(shí)，計(jì)算時(shí)透水層地基深度T采用有效計(jì)算深度Te代替。臨淄節(jié)制閘地基上部為亞粘土，由于該處屬于黃河古道，沖積嚴(yán)重，透水地基為無限深，認(rèn)為地基不透水層埋藏很深，故需要計(jì)算不透水層的等效深度，計(jì)算公式為（

34、33）。 當(dāng)L0/S05時(shí) Te=0.5 L0當(dāng)L0/S05，Te=0.5L0=17m。滲流壓力的確定分別按水閘底線輪廓的三種典型流段確定。即進(jìn)口段和出口段、內(nèi)部垂直段和內(nèi)部水平段。每一種典型流段的阻力系數(shù)按表5中的公式確定。表5 典型流段的阻力系數(shù) 進(jìn)、出口水力坡降呈急變曲線形式，由表3中公式算得的進(jìn)、出口水頭損失與實(shí)際情況相比，誤差較大，需要進(jìn)行修正。修正后的水頭損失為 （34）其中 （35）式中：h0為按表3中公式計(jì)算出的水頭損失，m；為阻力修正系數(shù)；為底板埋深與底面以下的板樁入土深度之和，m；為板樁上游側(cè)底板下的地基透水層深度，m。當(dāng)1.0時(shí)，取=1.0。各分段的阻力系數(shù)確定后，可按式

35、（32）計(jì)算各段的水頭損失。假設(shè)各分段的水頭損失按直線變化，依次疊加，即可繪出閘基滲流壓力分布圖。各分段阻力系數(shù)計(jì)算見表6。表6阻力系數(shù)計(jì)算表編號區(qū)段劃分垂直長度S1（m)垂直長度S2（m)深 度T(m)水平長度 L（m)阻力系數(shù)水頭損失hi(m）修正損失hj（m）進(jìn)口段0.60 -17.0 -0.451 0.69 0.64 鋪蓋水平段0.60 3.25 17.0 18.0 0.900 1.39 1.44 板樁垂直段1.25 -17.0 -0.074 0.11 0.11 板樁垂直段1.25 -17.0 -0.074 0.11 0.11 齒墻水平段0.00 0.75 17.0 0.6 0.004

36、 0.01 0.01 齒墻垂直段0.75 -17.0 -0.044 0.07 0.07 底板水平段0.00 0.00 17.0 14.8 0.871 1.34 1.34 齒墻垂直段0.75 -17.0 -0.044 0.07 0.07 齒墻水平段0.75 0.00 17.0 0.6 0.004 0.01 0.01 板樁垂直段2.75 -17.0 -0.164 0.25 0.28 出口段3.25 -17.0 -0.566 0.87 0.84 4.92 4.92 對于進(jìn)、出口段的水頭損失值按照式（34）、（35）進(jìn)行修正，修正后的水頭損失列于表6中。各點(diǎn)的滲透壓力值列表如下：表7 各角點(diǎn)滲透壓力值

37、 單位：mH1H2H3H4H5H6H7H8H9H10H11H124.92 4.28 2.84 2.73 2.62 2.61 2.54 1.20 1.13 1.12 0.84 0.00 下面繪制閘基滲流壓力分布圖。圖8 閘基滲透壓力分布圖為了防止?jié)B流變形保證閘基的抗?jié)B穩(wěn)定性，要求出口段的溢出坡降必須小于規(guī)定的容許值。出口處的溢出坡降J為 （36）經(jīng)計(jì)算，J=0.84/4=0.21，小于防止流土破壞的出口段容許坡降值J，J由水閘設(shè)計(jì)規(guī)范（SL2652001）查得為0.70。滿足要求。4. 水閘的消能、防沖設(shè)計(jì)水閘泄水時(shí)，部分勢能轉(zhuǎn)化為動能，流速增大，而土質(zhì)河床抗沖能力低。初始泄流時(shí)，閘下水深較淺，

38、隨著閘門開度的增大而逐漸加深，閘下出流由孔流到堰流，由自由出流到淹沒出流都會發(fā)生，閘下會產(chǎn)生波狀水躍和折沖水流，形態(tài)復(fù)雜。本設(shè)計(jì)中按照閘門全開的情況設(shè)計(jì)。臨淄閘屬于平原地區(qū)的水閘，由于水頭低，下游水位變幅大，采用底流式消能，在閘下產(chǎn)生一定淹沒度的水躍消除余能，保護(hù)水躍范圍內(nèi)的河床免遭沖刷。消能工主要包括消力池、海漫和防沖槽三部分。4.1 消力池設(shè)計(jì)消力池采用下挖式，布置在閘室之后，池底與閘室底板之間用斜坡連接，斜面坡度采用1:4。消力池末端設(shè)置尾坎，用以調(diào)整流速分布，尾坎高度選用0.6m。1. 消力池深度計(jì)算圖9 消力池尺寸計(jì)算簡圖消力池的深度是在某一給定的流量和相應(yīng)的下游水深條件下確定的。本

39、節(jié)制閘計(jì)算消力池深度時(shí)，僅考慮5孔閘門全部開啟的情況，要求水躍的起點(diǎn)位于消力池的上游端或斜坡段的坡腳附近。水位使用惡劣放水水位，閘下水位為30.98m，由表1閘下水位與流量關(guān)系插值得到流量Q=127.8m/s。消力池計(jì)算簡圖見圖9。消力池深度的確定按照水閘設(shè)計(jì)規(guī)范SL2652001給出的公式計(jì)算。 （41） （42） （43） （44）式中：d為消力池深度，m；為水躍淹沒系數(shù)，可采用1.051.10；為躍后水深，m；為收縮水深，m；為水流動能校正系數(shù)，可采用1.01.05；為流速系數(shù)，可取0.951.0；q為過閘單寬流量，m/；b1為消力池首端寬度，m；b2為消力池末端寬度，m；T0為由消力池

40、底板頂面算起的總勢能，m；為出池落差，m；為出池河床水深，m。計(jì)算消力池深度所用到的已知常量計(jì)算如表8。表8已知常量qHv02/2gH0hsb1b202.36.110.016.121.1951.2 60.0 1.0 1.050.95 下面利用公式（41）（44）計(jì)算消力池深度。比較d值相差的多少，從而確定消力池深度。表9消力池深度計(jì)算收縮水深hc(m)躍后水深 hc(m)總勢能T0(m)出池落差Z(m)消力池深d(m)消力池深 d(m)0.50 1.19 1.68 0.02 -4.44 0.04 1.00 0.63 1.30 -0.47 -4.82 -0.06 1.50 0.37 1.63 -

41、1.77 -4.49 0.97 2.00 0.23 2.07 -4.78 -4.05 3.83 0.40 1.40 2.25 0.07 -3.87 0.21 0.30 1.68 3.59 0.11 -2.53 0.46 0.20 2.14 7.59 0.15 1.47 0.90 0.21 2.08 6.92 0.15 0.80 0.85 由表9計(jì)算得到的消力池深度為0.85m。一般地，消力池深度為1.03.0m，為安全起見，采用消力池深度為1.0m。2. 消力池長度計(jì)算消力池上游側(cè)設(shè)斜坡段，其長度計(jì)算公式為： （45）式中：Ls為斜坡段水平投影長度，m；為水躍長度校正系數(shù)，可采用0.70.8；

42、Lj為水躍長度，采用歐勒佛托斯公式計(jì)算： （46）經(jīng)計(jì)算，Lsj=4+0.812.9=14.3m?？紤]可能增大的過流強(qiáng)度，取消力池長度為16m。3. 消力池底板厚度計(jì)算消力池底板厚度初步由抗沖要求確定，要求不小于0.5m。 （47） 式中：t為消力池底板始端厚度，m；q為單寬流量，m/；H為閘孔泄水時(shí)的上、下游水位差，m；k1為消力池底板計(jì)算系數(shù)，可采用0.150.20。經(jīng)計(jì)算=0.43m，小于0.5m。最終消力池底板始端厚度采用1.0m，末端厚度采用0.5m。4.2 海漫設(shè)計(jì)水流經(jīng)過消力池，雖然已經(jīng)消除了大部分多余能量，但仍留有一定的剩余能量，特別是流速分布不均，脈動仍較劇烈，具有一定的沖刷

43、能力。因此，消力池后需要設(shè)置海漫等防沖加固設(shè)施，使水流均勻擴(kuò)散，并將流速分布逐漸調(diào)整到接近天然河道的水流形態(tài)。1. 海漫的布置和構(gòu)造圖10 海漫構(gòu)造示意圖海漫起始段做6m長的水平段，頂面高程在消力池尾坎頂以下約0.5m，水平段后做成1:10的斜坡，以使水流均勻擴(kuò)散，調(diào)整流速分布，保護(hù)河床不受沖刷。要求海漫表面具有一定的粗糙度，并具有透水性和柔性。海漫前段使用漿砌石，后段使用干砌石。厚度為0.5m。構(gòu)造如下：2. 海漫長度海漫長度L應(yīng)根據(jù)可能出現(xiàn)的最大不利水位和流量的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，與消力池出口的單寬流量及水流擴(kuò)散情況、上下游水位差、海漫本身的粗糙程度等因素有關(guān)。根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范SL2652001給出的公式計(jì)算。 （48）式中：q為消力池出口處的單寬流量，m/；H為上、下游水位差，m；k2為河床土質(zhì)系數(shù)，對于較為堅(jiān)硬的黏土，取87。經(jīng)計(jì)算得，=18