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颜家河水电站冲沙闸初步设计

目 录

第一章 基本资料 ....................................... 6

1.1 工程概况 ........................................................................................................................... 6

1.2 气象 ................................................................................................................................... 6 1.3 水文 ................................................................................................................................... 6 1.4 工程地质 ........................................................................................................................... 7 1.5 交通 ................................................................................................................................... 7 1.6 工程材料 ........................................................................................................................... 8 1.7 正常挡水位的确定 ........................................................................................................... 8

第二章 水力计算 ....................................... 9

2.1 闸室的结构形式及孔口尺寸确定 ................................................................................... 9 2.2 泄流能力计算 ................................................................................................................. 10 2.3 消能防冲设计 ................................................................................................................. 10

第三章 水闸防渗及排水设计 ............................ 13

3.1 闸室底板布置 ................................................................................................................. 13 3.2 渗透压力计算 ................................................................................................................. 13 3.3 排水设计 ......................................................................................................................... 16 3.4 止水设计 ......................................................................................................................... 17

第四章 闸室布置 ...................................... 17

4.1 闸室尺寸的拟定 ............................................................................................................. 17 4.2 闸门和启闭机 ................................................................................................................. 19

第五章 闸室稳定计算 .................................. 20

5.1 荷载及其组合 ................................................................................................................. 20 5.2 闸室抗滑稳定计算 ......................................................................................................... 20

第六章 上下游连接建筑物 .............................. 21

6.1上游连接建筑物 .............................................................................................................. 21 6.2 下游连接建筑物 ............................................................................................................. 21

： ................................................... 21 附录： ............................................... 22

颜家河水电站冲沙闸初步设计

摘 要：颜家河水电站位于宝鸡市陈仓区胡店镇林光村的渭河干流上，距宝鸡市区

46km，是渭河干流进入陕西境内梯级开发规划中的首座水电站。

颜家河水电站为小（2）型Ⅴ等工程，其主要建筑物为5级建筑物，属纯水力发电工程，主要由挡水建筑物、排沙建筑物、引水建筑物和电站厂房等组成。根据《防洪标准》（GB50201—94）和《水利水电工程等级划分及防洪标准》（SL252-2000）的规定，确定颜家河水电站设计洪水标准为10年一遇，相应洪峰流量为2562 m/s；校核洪水标准为20年一遇，相应洪峰流量为2912 m/s。

冲沙闸位于大坝左端，紧靠进水口并与山体相连，长32m，为四孔矩形闸门，均采用平板钢闸门控制，冲沙孔闸底板高程为730.00m，冲沙闸门的操作运行方式主要根据进水室前泥沙淤积情况而定。

本设计对枢纽的主体建筑物进行了认真的方案比选和详细的尺寸设计，并对所设计的建筑物进行了安全校核，保证建筑物的安全运行。

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[关键词] 冲沙闸；颜家河；水电站

The Preliminary Design of Scouring Sluice about the

Hydropower Station of Yanjia River

Abstract： Yanjia River Station is located in Baoji City, another area the village of Hudian

Zhen on Weihe River in the main stream from baoji 46km, the Weihe River in Shanxi Province to enter the territory of the main stream of the cascade development planning in the first station. Yanjia River Station for a small (2)-type Ⅴ and other projects, the main building for the five buildings, is a pure hydro-electric power projects, primarily by retaining structures, sediment structures, water plants, such as buildings and power plant ponents. According determine the Yanjia River Hydropower Station standard design flood for a return period of 10 years, the corresponding peak discharge 2562m3/s, Project, factory calibration standard for 20-year flood return period, the corresponding peak flow for 2912 m3/s.

Flushing sluice dam is located at the extreme left, close to the inlet connected with the mountain, long 32m, for the rectangular hole gate are flat steel gate control, gate hole sand floor elevation is 730.00m, the operation of the gate running sand mainly based on water sedimentation room conditions.

The design of the buildings the main hub of the program carefully selected and detailed than the size of the design, and buildings designed by the security check to ensure the safe operation of buildings

Key words: Scouring sluice；Yanjia River；Hydropower Station

第一章 基本资料

1.1 工程概况

渭河是黄河最大的一级支流，发源于甘肃省渭源县的乌鼠山，经甘肃的陇西、甘谷、天水，自风阁岭进入陕西境内，是关中地区最主要的地表水资源河流。渭河干流长70km，平均比降3.5‰，地处深山峡谷，河道蜿蜒曲折，蕴藏着丰富的水能资源。颜家河水电站位于宝鸡市陈仓区胡店镇林光村的渭河干流上，距宝鸡市区46km，是渭河干流进入陕西境内梯级开发规划中的首座水电站。

颜家河水电站属纯水力发电工程，主要由挡水建筑物、排沙建筑物、引水建筑物和电站厂房等组成。电站设计水头16.00m，设计流量60m3/s，装机容量7500kW，多年平均发电量3860×104kW·h。

颜家河水电站工程南靠310国道，北邻陇海铁路，对外交通便利、快捷。110kV输电线路和10kV供电线路均通过或到达电站区域，电站并网和施工用电方便。河道中工程建设所需的砂石料储量丰富，可就近采用，邻近的山体均为花岗岩，可就地开采使用，地材价格低廉。有线电话及无线通信网络已到达工程附近。陇海铁路复线和310国道施工时建有大量临设，稍加修整即可使用。工程附近有胡店镇，当地的劳动力资源丰富。颜家河水电站开发建设，施工和经营管理所需的基本条件已具备。

本次设计为颜家河水电站坝体冲沙闸部分的水力设计. 1.2 气象

该地域属暖温带半干旱半湿润季风气候区，四季分明。六盘山区、关山及南部山区，垂直差异和小气候明显，气温低，热量条件差，降水多，较湿润；丘陵台原区，热量充足，气温高，降水偏少。流域内气温变化的趋势是西低东高，北低南高，而降雨也是西少东多，北少南多。

影响本流域气候的重要因素是季风环流，其环流形势以季节为转移。 林家村临近工程区，气温降雨差异不大，就以林家村为代表来简要说明流域内的气象条件。多年平均气温12.9℃，最高气温41.6℃（1973.8.8），最低气温-13.9℃（1977.1.30）；多年平均降雨量683.4mm，实测最大降雨量948.6mm（1964），实测最小降雨量434.5mm（1977）；多年平均陆地蒸发量550mm，水面蒸发量800mm。多年平均最大风速17.2m/s，洪水期多年平均最大风速13.3m/s。

流域内降雨显著的特征是时空分布不均，降雨量随地形海拔高程垂直变化大，山区高而川道低，二是年内分配不均衡，7、8、9、10四个月降雨量占全年的59.7%；三是年际丰枯变化大，丰枯比为2.26：1。流域冻土深度0.4m。

1.3 水文

颜家河水电站坝址以上控制流域面积29348km2，其下游35km处有林家村水

文站，控制流域面积30661km2，区间流域面积1313 km2，占林家村水文站流域面积的4.3%，以林家村水文站作为参证站，对颜家河水电站进行水文分析。林家村水文站建于1934年至今已有68年的径流、洪水、泥沙系列资料（1934～2001年）。

1、径流

采用水利年（9～10月）对林家村水文站进行径流分析，用皮-Ⅲ曲线适线。再将林家村水文站径流分析成果按面积比拟法折算到颜家河水电站坝址处，颜家河水电站径流成果详见表1.3-1。

表1.3-1 年径流成果表 统计参数 站名 各种频率年径流量（亿m） CS 0.8 0.8 20% 31.1 29.8 30% 27.6 26.4 50% 22.4 21.4 70% 18 17.2 80% 15.6 14.9 90% 12.6 12.1 3W 林家村 颜家河 23.7 22.7 CV 0.4 0.4 2、洪水

根据林家村（1944-2001）58年系列洪水资料，加入1933年历史调查洪水Q=6890 m3/s，进行频率分析采用皮－Ⅲ型频率曲线适线，得出林家村水文站不同频率的洪峰流量，再用面积比拟法换算到颜家河水电站坝址处，其洪水成果详见表1.3-2。

表1.3-2 洪峰流量成果表 各种频率洪峰流量（m/s） 站名 0.1% 林家村 颜家河 9782 9361 0.33% 7995 7651 0.5% 7378 7060 1% 6356 6083 2% 5346 5116 3.3% 4626 4427 10% 3072 2562 33、泥沙

林家村水文站多年平均悬移质输沙量为1.5771亿t，推移质输沙量为0.0287亿t。

1.4 工程地质

电站工程区域无大的地质构造。

坝址处河道为砂卵石覆盖层，基岩埋深17～26.7m，其岩性为花岗岩；两坝肩为花岗岩山体。坝基磨擦系数为0.45～0.5。

工程区抗震设防烈度为6度，建筑场地类别为Ⅱ类。 1.5 交通

颜家河水电站工程南靠310国道，北邻陇海铁路，对外交通便利、快捷。 1.6 工程材料

工程建设所需的砂、石子、块石均采用于河道及附近的山体，储量丰富。 1.7 正常挡水位的确定

本工程为径流式水电站，增加水头对提高发电效率至关重要，提高挡水位又受到上游回水区环境条件的限制。合理的选择正常挡水位是本设计的重点之一。

经勘测，上游回水区陇海铁路线、310国道、以及居民点和耕地的最低点是限制挡水位高程的主要因素。为此对上游回水区控制点作了重点勘测。根据测量成果，上游回水区陇海铁路线最低点在距坝上游500m处，高程为761.08m； 310国道最低点在距大坝1 km的马鬃山沟口桥梁处，桥梁下的高程为746.27m；上游回水区居民及耕地最低点在上游1km北马鬃山村的5户居民点及台阶地处，村民住房集中区的高程为743.38m，阶地低点高程为742.58m。

依据实测资料经分析计算，本阶段拟定的正常挡水位为742.15m。 在此挡水位下，百年重现期的校核洪水位为745.66m。陇海铁路线最低点的高程为761.08m，百年重现期洪水位为745.66m，高出百年重现期洪水位15.42m，陇海铁路线的安全不受影响。

310国道防洪标准为50年重现期，310国道最低点的高程为746.27m，50年重现期的洪水位为743.83m，310国道最低点高出50年重现期的洪水位2.44m，高出百年重现期洪水位0.61m， 310国道的安全不受影响。

马宗山村5户居民点及台阶地的防洪标准在20年重现期以下，20年重现期的设计洪水位为741.20m，低于马宗山村5户居民点2.18m，低于台阶地最低点1.38m，不影响居民点及台阶地的安全。

以上控制点的洪水校核，符合国家防洪标准（GB50201—94），以及水利部《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252一2000）的规定。（见下表国家防洪标准GB50201—94的有关规定）

表1.7-1 国家标准轨距铁路各类建筑物、构筑物的等级和防洪标准

运输能力(t/年）防洪标准［重现期(年)］设计校核技术复杂、修复困难或重涵洞桥梁要的大桥和特大桥50100300等级重要程度骨干铁路和准高速铁路次要骨干铁路和联络铁路地区(包括地方)铁路路基100Ⅰ＞15001500～750＜750ⅡⅢ10050505010050300100

表1.7-2 汽车专用公路各类建筑物、构筑物的等级和防洪标准

防洪标准［重现期（年）］等 级重 要 性路　基政治、经济意义特别重要的，专供汽高 速车分道高速行驶，并全部控制出入的公路连接重要的政治、经济中心，通往重点工矿区、港口、机场等地，专供汽车分道行驶，并部分控制出入的公路连接重要的政治、经济中心或大工矿区、港口、机场等地，专供法国行驶的公路特大桥大、中桥小　桥涵洞及小型排水构筑物100300100100100Ⅰ100300100100100Ⅱ50100505050

第二章 水力计算

2.1 闸室的结构形式及孔口尺寸确定 2.1.1 闸室的结构型式及高程确定

本工程的主要任务是冲沙，也用于泄洪。采用设胸墙的平底闸底板。闸底板高程定在730.00m。

2.1.2 拟定闸孔尺寸及闸墩厚度

由孔流公式 QBse2gH0初步拟定闸孔净宽，故B校核工况来计算。

式中：B————闸孔净宽，（m）；

Q————闸门泄流量，(m3/s)；由于溢流坝承担主要的泄洪任务，所以

经分析比较，校核情况下，冲沙闸承担的最大泄流量为1050 m3/s。

he————闸门开度；

Q ，取

se2gH0 H0————上游水头；（H0=上游水位—闸底板高程=745.66—730.00=15.66m）

s————淹没系数；假设校核工况时为自由出流，则s=1.0

————流量系数；闸门全开时，孔流流量系数取0.62。

105010.626.529.815.66 将已知值代入公式得，B17.50m，取B=18m。

故拟设四孔矩形冲沙闸，单孔净宽b0B184.5m，单孔闸孔宽x闸孔高n4=5.5mx6.5m，选用整体式底板，边墩厚度为2m，中墩厚度为3m。

2.2 泄流能力计算

1.根据选定的孔口尺寸与上、下游水位，分别计算当闸门开度为1/4、2/4、3/4和全开时单孔闸门的泄流流量，如下表2.2-1、表2.2-2所示, 表2.2-1 设计洪水位

上游水深 下游闸门开启水深 高度 流量系数 自由出流量Q 收缩水深 收缩断面流速 跃后水深 淹没系数 流量Q (m) (m) (m) 1.63 3.25 4.88 6.50 0.58 0.55 0.53 0.51 (m3/s) 65.20 125.09 179.68 228.97 (m) 1.00 2.02 3.07 4.21 (m/s) 14.45 13.73 13.00 12.08 (m) 6.05 7.87 8.87 9.29 0.65 0.82 1.00 1.00 (m3/s) 42.38 101.95 179.68 228.97 12.20 8.53 12.20 8.53 12.20 8.53 12.20 8.53

表2.2-2 校核洪水位 上游水深 下游水深 闸门开流量系启高度 数 自由出流量Q 收缩水深 收缩断面流速 跃后水深 淹没系数 流量Q (m) (m) (m) 1.63 3.25 4.88 6.50 0.58 0.56 0.55 0.53 (m3/s) 74.53 144.38 209.54 270.03 (m) 1.00 2.02 3.07 4.11 (m/s) 16.57 15.85 15.16 14.61 (m) 7.00 9.22 10.57 11.48 0.58 0.68 0.79 0.98 (m3/s) 43.23 98.18 164.49 264.09 15.66 11.57 15.66 11.57 15.66 11.57 15.66 11.57 由于在单孔运行时，下游收缩水深受相邻闸孔的影响，可能在两边形成漩涡，所以实际的收缩水深要靠模型试验得出，以上仅为理论值。

2.闸门在不同运行工况下的泄流量 同上，当四孔全开时，闸门的泄流量为： 设计情况 Q=915.88(m3/s) 校核情况 Q=1056.38(m3/s) 所以闸孔尺寸满足泄流要求。 2.3 消能防冲设计

2.3.1 下游水流衔接形式

选用校核情况来确定下游水流的衔接形式。 1.收缩水深hc

hc收缩水深由迭代公式

q2g(E0hc) 求出

式中 hc——收缩水深，(m)；

q——单宽流量( m3/s.m)；q=Q/B=1056.48/18=58.69m³/(s.m);

——流速系数，取＝0.95；

E0——堰顶以上的上游水头（坝前水位+流速水头－堰顶高程），(m) 2. 跃后水深hc''

hcq2h(1831)

2ghc''c求得hc''=11.49m，而下游水深为11.57m，故下游水流在自然衔接时将发生淹没式水跃衔接。

2.3.2 消力池尺寸确定及构造 (1) 消力池深度计算

本工程的特点是流量大、上下游水位落差小，河床覆盖层深，所以采用底流式消能。又下游为淹没式水跃。故从理论上可不设消力池，但为了稳定水跃的位置，充分消能及调整消力池的流速分布，仍把池底降低1.0m，即消力池的深度d=1.0m。

校核当消力池深度为d=1.0m时其他水位下游是否发生淹没式水跃。 表2.3-1 流量Q(m/s)) 单宽流量q(m/s .m) 上游水位Z1(m) 下游水位Z2(m) 上游水头ho（m） 下游水深hs(m) 收缩水深hc(m) 跃后水深hc\"(m) 331056.48 58.69 745.66 741．57 17.377 11.57 3.785 11.87 915，472 50.86 742.20 738.53 14.087 8.53 3.764 10.109 出池落差△Z(m) 池末水深(m) 淹没度 0.207 12.78 1.08 0.718 10.25 1.01 计算说明，消力池深度d=1.0m满足要求。 (2) 消力池池长确定 水跃长度：Lj＝6.9(hc''－hc)

消力池与闸底板之间采用斜坡连接，坡度为1：4，所以消力池长度L=4d+0.7Lj,取消力池长度L=34m。确定消力池长为34m。

(3) 消力池的构造

采用挖深式消力池。为降低底板下部渗透压力，在护坦的后半部设排水孔，孔下铺反滤层，排水孔径10cm，间距2m，呈梅花形布置。

按抗冲要求，根据式t1k1qH计算护坦厚度。式中k1为护坦计算系数，取0.19；q为确定池深时的过闸单宽流量；△H为相应于单宽流量的上，下游水位差。

t10.1958.69(745.66741.57)2.07m，取t=2m。

为了将水流挑向水面，减小池后水流的底部流速，使水流均匀扩散，减小对后面海漫的冲刷，在消力池末端设有尾坎，高0.5m。

排水孔1:4

图2-2 消力池构造尺寸图 （单位： cm）

2.3.3 海漫设计 (1) 海漫长度计算

根据水闸运用经验，海漫与护坦的总长度约为上下游最大水位差的6-12倍，故取海漫长度为15m。

(2) 海漫构造

因为对海漫要求有一定的粗糙度，以便进一步消除余能，有一定的透水性和柔性，所以在海漫的起始段设5m长的浆砌石水平段，后10m做成坡度为1：15的干砌石段，以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。海漫厚度

为0.6m,下设0.15m的砂垫层。

2.3.4 防冲槽设计

根据经验取防冲槽的深度为2.0m，槽顶高程与海漫末端齐平，采用宽浅式，底宽取4m，上游坡率为2，下游坡率为3，出槽后做成坡率为5的斜坡与下游河床相连。

2.3.5 上下游岸坡防护

为了保护上下游翼墙以外的河道两岸不受水流的冲刷，需要进行护坡。采用浆砌石护坡，厚0.3m，下设0.1m的砂垫层。保护范围上游自铺盖向上延伸2- 3倍的水头，下游自防冲槽向下延伸4-6倍的水头。

第三章 水闸防渗及排水设计

3.1 闸室底板布置 3.1.1 地下轮廓线布置

防渗设计的目的是防止闸基渗透变形，减小闸基渗透压力，减少水量损失，需要合理选用底下轮廓尺寸。防渗设计一般都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，如面层排水、排水孔排水或减压井与下游连通，是地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。

1．闸基防渗长度的确定

根据公式LCH，因为地基土为砂卵石，所以C取2.5，则L=10m。 2．防渗设备

由于闸基土质为砂卵石，闸底板上、下游设置齿墙，并在闸底板上游处设板桩。

3．防渗设备尺寸和构造

闸底板顺水流方向长度，综合考虑取上部结构布置及地基承载力等要求，确定闸底板长20m。

(1) 闸底板厚度为：取t=3.0m。

(2) 铺盖长度取3～5倍的上下游水位差，确定为16m，为方便施工，上游端取0.6m，末端为1.5m，以便和底板连接。为了防止水流冲刷及施工时破坏铺盖，在铺盖上设置30cm厚的浆砌石保护层，10cm厚的砂垫层。

(3) 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，通过校核，

铺盖长度+闸底板长度+齿墙长度+板桩长度=49.62(m)>L=10(m)，满足要求。 3.2 渗透压力计算 3.2.1 渗流计算的目的

计算闸底板各点渗透压力；演算地基土在初步拟定的地下轮廓线下的渗透稳定性。

3.2.2 计算方法

计算方法有直线比例法、流网法和改进系数法，由于改进阻力系数法计算结果精确，采用此种方法进行渗流计算。

3.2.3 计算渗透压力 (1) 确定地基计算深度 判断：

L0364.55 S08式中:L0为地下轮廓的水平投影长度，m；S0为地下轮廓的铅直投影长度，m

（地下轮廓为铺盖和底板总长）

地基有效度Tc为

Te5L053619.57m S081.621.6236L0计算值大于实际的地基透水层深度17米所以取小值为17米,故TC17m。

.

(2) 分段阻力系数及水头值的计算

通过地下轮廓的各角点和尖端将渗流区域分成10个典型段，如图所示：

图3-2 渗流区域分段图（高程： m）

S1.5)0.441计算阻力系数， 其中：1、10段为进出口段，用公式01.5(T3、5、6、8段为内部垂直段，用公式y数，

2、4、7、9段为水平段，用公式xSln{cot[(1)]}计算其阻力系4T2L0.7(S1S2)计算其阻力系数。

T各典型段的水头损失用公式hiiH1i计算。

i进出口段的阻力系数修正用公式 h0''h0， 阻力修正系数:

'1.211T'2S'[12()2](0.059)TT

式中：h0为进、出口水头损失值；h0'为修正后的进、出口水头损失值；'为阻力修正系数，当1' 时，取'=1.0；S'为底板埋深与板桩入土深度之和，或为齿墙外侧埋深；T'为板桩另一侧地基透水层深度，或为齿墙底部至计算深度线的铅直距离。

修正后的进、出口段水头损失将减小Δh，

' h(1)h0

计算结果如表3.2-1所示：

表3.2-1 各段渗透压力水头损失（单位：m）

分段编号 分段名称 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 合计 进口 水平 垂直 水平 垂直 垂直 水平 垂直 水平 出口 - S 1.5 - 1.0 - 7.5 5.0 - 1.0 - 0.5 - S1 - 0 - 1.0 - 5.0 0 - S2 - 0 - 7.5 - 1.0 0 - - L - 1.0 - 15.75 - - 18.25 - 1.0 - - T 17.0 15.5 16.5 16.5 16.5 14.0 14.0 14.0 13.0 13.5 - i 0.48 hi 1.585 0.065 0.215 0.061 0.201 0.594 1.961 0.499 1.648 0.377 1.245 1.004 3.315 0.071 0.234 0.077 0.254 0.452 1.492 3.68 12.15 - - - - （3） 当进、出口处底板埋深及板桩长度的总值较小时，进、出口段的水头损失需修正，才能使计算值接近于实际情况，修正后的水头值见表3.2-2.

表3.2-2 进出口段的阻力系数修正表（单位：m）

段别 进口段 出口段 S＇ 1.5 2.0 T＇ 16.5 13.0 Β＇ 0.7 0.417 h0＇ 1.110 0.622 Δh 0.475 0.870 （4） 因渗流区各段h值之和必须等于总水头值，故上述进、出口水头损失

的减小值，应按不同情况分别加在附近的几个渗流段内，修正后的各段水头值见表3.2-3.

表3.2-3 修正后的各段水头损失（单位：m） 分段编号 hi 1 1.11 2 0.429 3 0.423 4 2.02 5 1.648 6 1.254 7 3.696 8 0.469 9 0.508 10 0.622 (5) 计算各角点的渗透压力值..用上表计算的各段的水头损失进行计算,总的水头差为正常挡水期的上、下游水头差12.15m。各段后角点渗压水头=该段前角点渗压水头－此段的水头损失值，结果列入表3.2-4。 表3.2-4 各角点渗透水头值（单位：m）

H11 H12 H13 H14 H15 H16 H17 H18 H19 H20 H21 12.15 11.04 10.61 10.21 8.19 6.54 5.29 1.59 1.12 0.62 0 渗透水头示意图见图3-3

0.621.121.595.296.548.19

图3-3

(6) 验算渗流逸出坡降。出口段的逸出坡降: Jh0.620.31，小于出s2口段允许渗流坡降值［Ｊ］＝0.50-0.60（查表得）,满足要求。

3.3 排水设计

3.3.1 排水设备的作用

采用排水设备，可降低渗透水压力，排除渗水，避免渗透变形，增加下游的稳定。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，做到既减少渗压又避免渗透变形。

3.3.2 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。排水反滤层一般是由2-3层不同粒径的砂和砂砾石组成的。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。

反滤层的材料应该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；相邻两层间，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，应具有足够的透水性，以保证排水畅通；同时还应保证耐久、稳定，其工作性能和效果应不随时间的推移和环境的改变而变差。

本次设计中的反滤层有碎石、中砂和细砂组成，其中上部为20cm厚的碎石，中间为10cm厚的中砂，下部为10cm厚的细砂。

(2) 铅直排水设计。本工程在护坦的中后部设排水孔，孔距为2m，孔径为10cm，呈梅花形布置，孔下设反滤层。

(3) 侧向排水设计。侧向排水布置应根据上、下游水位、墙体材料和墙后土质以及地下水位变化等情况综合考虑，并应与闸基排水布置相适应，在空间上形成防渗整体。

在消力池两岸翼墙设2-3层排水孔，呈梅花形布置，孔后设反滤层，排出墙后的侧向绕渗水流。

3.4 止水设计

凡具有防渗要求的缝，都应设止水设备。止水分铅直止水和水平止水两种。前者设在闸墩中间、边墩与翼墙间以及上游翼墙铅直缝中；后者设在黏土铺盖保护层上的温度沉陷缝、消力池与底板温度沉陷缝、翼墙和消力池本身的温度沉陷缝内。在黏土铺盖与闸底板沉陷缝中设置沥青麻袋止水。

第四章 闸室布置

4.1 闸室尺寸的拟定 4.1.1 闸底板的设计

(1) 作用：闸底板是闸室的基础，承受闸室及上部结构的全部荷载，并均匀的传给地基，还有防冲，防渗等作用。

(2) 形式：常用的有平底板和钻孔灌注桩底板。由于在平原地区软基上修建水闸，采用整体式平底板。

(3) 长度：根据前面设计，已知闸底板长度为20m。 (4) 厚度：根据前面设计，已知闸底板厚度为3.0m。

闸底板具体尺寸见图4-1。

图4-1 闸底板尺寸图（单位：cm）

4.1.2 闸墩设计

(1) 作用：分隔闸孔并支撑闸门、工作桥等上部结构，使水流顺利地通过闸室。

(2) 外形轮廓： 应能满足过闸水流平顺，侧向收缩小，过流能力大的要求。上游墩头采用半圆形，下游墩头采用流线形。其长度采用与闸底板同长，为20m。

(3) 厚度：中墩3.0m，边墩2.0m。工作闸门的门槽尺寸应根据闸门的尺寸确定，门槽深0.5m，宽0.8m。 检修闸门与工作闸门间距为2m。如图4-2所示

0.83.00.52.0

图4-2（单位：m）

(4) 高度：采用三种计算方法，取最大值。经过比较后取闸墩高度为12.30m. H墩=校核洪水位时水深+安全超高=15.66+0.3=15.96（m）

H墩=设计洪水位水深+安全超高=12.20+0.4=12.64（m） H墩=正常挡水位水深+Δh=12.15+0.27+0.4=12.82（m） 式中Δh为波浪高度。 4.1.3 胸墙设计

（1）作用：当水闸挡水高度较大时，可代替一部分闸门高度。

(2) 高度：顶部高程与边墩顶部高程相同，底部高程以不影响闸孔过水为准。所以顶部高程为742.50m，底部高程为736.50m，高度为6.0m。

（3）底部迎水面为圆弧形，设在闸门下游，所以止水设在闸门后面，这样可以利用水压力把闸门压紧在胸墙上，止水效果较好。如图4-3所示。

742.5736.5

图4-3（高程：m）

4.1.4 工作桥尺寸拟订

(1) 工作桥：工作桥是为拉安装启闭机和便于工作人员的操作而设的桥。若工作桥较高可在闸墩上部设排架支承。工作桥设置的高程与闸门尺寸及形式有关。由于是平面钢闸门，采用固定式卷扬启闭机，闸门提升后不能影响泄放最大流量，并留有一定的富裕度。根据工作需要和设计规范，设在工作闸门的正上方，用排架支承工作桥，桥上设置启闭机房。工作桥总宽为8m。

工作桥底部高程与闸室底板高程的差值约等于闸门高度的2倍再加1.01～1.5m的富余高度，所以工作桥底部高程为747.00m。

4.2 闸门和启闭机

闸门按工作性质分为工作闸门，事故闸门和检修闸门；按材料分钢闸门，混凝土闸门和钢丝网水泥闸门；按结构分为平面闸门，弧形闸门等。

4.2.1 工作闸门

高6.5m，宽5.5m，采用钢筋混凝土平板闸门，双吊点，滚轮支承。 4.2.2 启闭机选型

闸门是控制水流、调节流量的泄水设备，因而闸门的启闭是设计中的关键之一。启闭力的计算，关系到启闭机械的选择是否安全可靠和经济合理。影响闸门启闭的因素很多，主要有闸门自重、摩擦力、动水作用力以及因启闭加速度引起的惯性力，在此只对闸门的启门力进行计算，作为选用启闭机的依据。

对露顶式平面闸门，当5米H8米时，GkzkckgH1.43B0.88 式中：H——孔口高度（米）； B——孔口宽度（米）；

kz——闸门行走支撑系数：对于滚轮式支承kz=1.0； kc——材料系数：用普通碳素结构钢制成的闸门，kc=1.0； kg——孔口高度系数：5米H8米，kg=0.13

G1.01.00.136.51.434.50.887.1t

初估闸门的启门力和闭门力：平面闸门的总水压力，

1Ph2b0.59.812.224.5334.89t

2启门力：

FQ(0.1~0.12)P1.2G0.1334.891.27.142.009t

由于闸门关闭挡水时，水压力P值最大，此时闸前水位为12.2m，中型水闸系数采用0.1，经计算启门力42.009t，查《水工设计手册》,选用双吊点卷扬式启闭机，型号为QPO-240，启门力240t。

第五章 闸室稳定计算

5.1 荷载及其组合

(1) 设计情况选择：水闸在使用过程中，可能出现各种不利情况。完建无水期是水闸建好尚未投入使用之前，竖向荷载最大，容易发生沉陷或不均匀沉陷，这是验算地基承载力的设计情况。正常挡水期时下游无水，上游为正常挡水位，上下游水头差最大，闸室承受较大的水平推力，是验算闸室抗滑稳定性设计的情况。泄洪期工作闸门全开，水位差较小，对水闸无大的危害，故不考虑此种情况。

(2)正常挡水期均为基本荷载组合。需计算的荷载见表5.1-1 表 5.1-1 荷载组合 荷 载 计算情况 荷载组合 自重 水平水压力 水重 扬压力 103kN 正常挡水期 204.22 103kN 23.34 103kN 103kN 17.99 56.85 5.2 闸室抗滑稳定计算

闸底板上、下游端设置的齿墙深度为1.0m，按浅齿墙考虑，闸基下没有软弱夹层。滑动面沿闸底板与地基的接角面，采用公式KKfGP进行计算，

其中f为闸底板与地基之间的摩擦系数，根据闸址处地层分布，查表得闸室基础底面与地基之间的摩擦系数为0. 5，根据本工程主要建筑物为5级，查表得抗滑稳定安全系数[K]=1.2，经计算闸室抗滑稳定满足要求。

抗滑稳定安全系数KKfGP代入数值，进行计算得：

K0.51653653.54>K1.2

23338第六章 上下游连接建筑物

6.1上游连接建筑物

6.1.1 上、下游连接建筑物的作用

1) 挡住两侧填土，维持土坝及两岸的稳定。

2) 当水闸泄水或引水时，上游翼墙主要用于引导水流平顺进闸，下游翼墙使出闸水流均匀扩散，减少冲刷。

3) 保持两岸或土坝边坡不受过闸水流的冲刷。

4) 控制通过闸身两侧的渗流，防止与其相连的岸坡或土坝产生渗透变形。 5) 在软弱地基上设有独立的岸墙时，可以减少地基沉降对闸身应力的影响。 6.1.2上游连接建筑物

采用圆弧式翼墙，从边墩开始，向上游用圆弧形的铅直翼墙与河岸连接，上游圆弧半径为9m，从闸室向上游岸坡连接时先采用扶壁式，当翼墙插入岸体一定深度时，再采用重力式挡土墙。

6.2 下游连接建筑物

下游连接建筑物采用铅直的八字形翼墙，其扩散角采用70，直到消力池末端，当进入海漫后采用扭曲面与下游两岸连接，采用悬臂式挡土墙来挡土。闸室边墩后采用空箱式挡土墙，上边建有桥头堡，桥头堡的墙尽量坐落在空箱式挡土墙的竖墙上，用其来承载一定的重量。 ：

1. 陈德亮 水工建筑物（供农业水利工程专业用） 第四版 中国水利水电出版社 20XX 2. SL252-2000 水利水电工程等级划分及洪水标准 中国水利水电出版社 2000 3. DL5077-1997 水工建筑物荷载设计规范 中国电力出版社 1998 4. 闸门与启闭机（TV66/2） 水电版 5. 水工设计手册 水电版 6. 泄水与过坝建筑物 水电版 7. 小型水利水电工程设计图集 水电版 8. 小型水闸桥涵定型设计图集 水电版

9. 武永新、吴正桥、于玉森等主编 水工建筑物设计与加固 黄河水利出版社 20XX.9 10. 吕宏兴等主编 水力学 中国农业出版社 20XX

11. 刘焕芳等主编 各种水位流量关系曲线的成因分析 西北水资源与水工程 1994 12. 袁银忠 水工建筑物专题（泄水建筑物的水力学问题） 中国水利水电出版社 1996

13．孟秦倩 水工建筑物习题及课程设计 西北农林科技大学水利与建筑工程学院水工系 20XX

14. 张绍芳 堰闸水力设计 水利水电出版社 1987

15. 安徽省水利局勘测设计院 水工钢闸门设计 水利出版社 1979 16. 武汉水利电力学院水力学教研室 水力计算手册 水利出版社 1980 17．冬俊瑞 水力学试验 清华大学出版社 1991

18. 刘细龙 闸门与启闭设备 中国水利水电出版社 20XX 19. 陈宝华、张世儒 水闸 中国水利水电出版社 20XX 20. SL265-2001 水闸设计规范 中国水利水电出版社 2001

21. 任德林 计算闸坝底面渗透压力的加权直线法 水利水电技术 1981

附录：

Design for Lianbo beach sediment area of experimental warping project of

low north main-stem of Yellow river

1. Project general situation

Sediment load problem is a big plicated problem which is difficult to be treated. The recently keystone treatment and developing plan of Yellow River which was approved by Central Government obviously points that the basic principle to treat and use sediment is using

prehensive treatment way that including “blocking,excluding,discharging,borrowing,excavating ”. The main work of “discharging” are utilizing advantage ground in midstream and downstream of Yellow river for flood diversion and warping, treating and using a part of sediment. The low north main-stem of Yellow river is the reach between YuMenkou in midstream and downstream of Yellow River to TongGuan reach, this reach has many bottomlands which have natural conditions for large scale warping.The experimental warping project of low north main-stem of Yellow river provides new concept and technical supports for large scale warping and solving sediment load problem by test,observation and studying on actual projects.

The experimental warping project of low north main-stem of Yellow river includes warping sluice,sedimental transporting channels,sedimental area,and escape sluice . the length of sedimental area is 8.6km, average width is 0.64 km and the area is approximately 5.5 km2.this area is surrounded by Fenhe outlet project and new box embankment, and the horizontal and vertical case bank in the middle divide the sedimental area into 3 desilting channels. Selecting suitable time in the flood period to lead water containing high sediment from Yellow River by warping sluice, and transport the water to sediment area via sediment transport channel. At last the water flows to the Yellow river through escape sluice. Two bending reach should be setup along the sediment transport channel. According to the hydraulics theory, some relatively clean water on the surface can overflow through overflow weir on the concave bank of bending reach, this can increase the coarse sand content in the water which entering into the sediment area; Then by controlling and utilizing the horizontal and vertical bank in the sedimental area, and by controlling the water level and silting type in the sedimental area through escape sluice, the aim of detaining the coarse and discharging the fine can be achieved.

2. Sediment area layout 2.1 plan layout

The design flow rate of Lianbo beach sediment area is 108m3/s,according to the empirical formula in the hydrotechnics design manual, the width of desilting channel is 110m～430m.Desilting channels should be designed in the following shape: gradually widen in upside, quite straight in middle section, shrinking slowly but can not too narrow in downside to avoid affecting following sediment.

The sediment area is surrounded by Fenhe outlet project and new border embankment, the average width is 640m, maximum width is 750m and length is 8.6km.Sediment-containing water flows through 20m wide sediment transport channel into hundreds meters wide sediment area, in order to avoid silting in the leading section of sediment area and to avoid unevenness cross section of silting type , The plan layout design should according to sediment moving rule, at the same time it should be considered that the flux in the sediment area can possibly form right streams or skew streams which will scour embankments, adding a vertical case bank can diffuse scouring and can benefit the sediment transporting and silting. Add a horizontal case bank in the place where 4.4 m away from the middle of sediment area. So the sediment area was divided into 3 parts, every part can operate separately.

2.2 Structural design

① Elevation of border embankment and case bank

According to Embankment Project Design Manual (GB 50286-98）, top elevation of embankment should be confirmed by pulsing the design water level and freeboard .The border embankment considered as level 5 building, the freeboard on bank top adopts 1.0m. Case bank can permit wave overtopping, considering the characteristic of this project the designed freeboard of case bank should be 0.3m.

② Top width of border embankment and case bank, and slope

The design of top width and slope of border embankment and case bank mainly refer to Embankment project Design Manual and design experiences learning from some projects in Downstream of Yellow River.

In the upside of sediment area (before 4.3 km) ,the water depth is 2.3m～3.7m, average depth is 3.0m; In the downside (behind 4.3Km) the water depth is 3.7m～6.1m,average depth is 4.9m. Soils in the Lianbo beach are mainly sand which graded from fine sand to medium sand, and some mixed coarse sand which posited by long time reed root. According to the specification, the top width of border embankment in upside area is 2.5 m and in downside area is 3.5 m because of properly widen. The inside and outside slope are 1:2.5. Putting a geomembrane layer below the design water level, near the geomembrane to the water side is 1m wide protection soil layer (use long distance borrowing soil, cohesive soil content between 5.3%～13.2%）. The top and bottom anchor length of geomembrane are 0.5m for consolidation and anti-seepage of embankment.

As to the case bank that have low requirements and bined with the characters of this experimental project, the top width use 2m , the slope of both side use 1:2 and geomembrane is cancelled.

During the operation period, colored bar fabrics should be putted on the upstream face of bank for scouring protection.

3. Sediment area operation way

The premised operation time of this warping test is 2 years. It operates in flood time of Yellow River between 20XX and 20XX. when flow rate of Yellow River es to 500m3/s～4000m3/s (sediment content appropriately is 50kg/m3 ) the warping sluice will start water diversion.

Referring to moving characters of sediment load, some study on silting type and use formula for the flow channel gradient ratio and also refer to the balance formula which was get by solution result of system of equations about fluvial dynamics to calculate gradient ratio of flow channel, the last sediment gradient ratio is confirmed as follow: the first half of beach area use 1.7%00, and the second half use 1.0%00 referring to the observer data from the existed desilting channels.

Considering horizontal unevenness of the ultimate silting type, inequality factors on silting and leaving tolerances of flow channel, the allowable warping quantity is 12,580,000m3.

The operation procedure of sediment area can be divided into detaining the coarse and discharging the fine and covering sediment two steps, detaining the coarse and discharging the fine progress in turns follow the sequence channel ①,③,② and three channels carry out covering sediment procedure at the same time.

Desilting channel ① by the operation of water outlet door which near the horizontal case bank to achieve the aim of detaining the coarse and discharging the fine, escape channel of

channel ② directly let the water which es from channel ① flow to the Yellow River via escape sluice instead of silting in it. In the early period, knit bag should not use near the escape sluice, knit bag should be used to raise the water level with the raise sediment surface. When the water level e to the design level, keep this level for some time to silt pletely. When the sediment ejection ratio es to some degree stop operating.

Number ②,③ desilting channel by operating escape sluice to achieve the aim of detaining the coarse and discharging the fine. Opening escape sluice in the early days, the water level in outlet place was controlled by the flow capacity of escape sluice. Adding some overlap beams to raise the water level gradually acpany with the sediment surface raising. When the overlap beam e to the design water level, keep this level for some time for silting pletely. When the sediment ejection ratio es to some degree stop operating. If channel ③ silt fully before channel ② , the overlap beams should be demolished.

Considering the utilizing of covering sediment, when the sediment surface e to the level 0.9 m lower than design level, the operating principal and the operation way of detaining coarse and discharging the fine will have great difference. Because of the decreasing flow ability of escape sluice which is caused by the change of hydraulic head, flow ratio of warping sluice should be decreased gradually until the water silting finished and almost make the flow channel leveling. Stopping the silting test when sediment beach es to designed elevation. According to the forecast in the sediment period, we should try our best to control the warping sluice to use fine sediment load whose median sediment size is smaller than 0.02mm to meet the farming demand.

It is necessary to point out that above operation way is a preliminary way which is es from the operation experience of desilting basins in the downstream of Yellow river and some knowledge about the flow sediment movement rules. This operation way can be adjusted during the test period on the basis of real condition reflect from prototype observation to silt more coarse and less fine, and to accumulate more operation experiences to provide technical support for the large scale warping.

4. Tag

The material of embankment in sediment area is cohesionless soil, using geomembrane as anti-seepage material can decrease the cross section dimension to get great economic effect. Using colored bar fabric as anti-scouring material has great effect because of the poor anti-scouring ability of cohesionless soil.

The lay out of sediment area is confirmed according to old experiences and prototype testing. During operation period hydrographic observation work should be emphasized in order to use flood period Yellow River and the inspection work of selected section is also need to be well done at the same time. In the later design, discussions and studies on sediment channel with different width will be carried out to provide technical support for the execution of large scale warping.

黄河小北干流放淤试验工程连伯滩淤区设计

1．工程概况

泥沙问题是黄河难以治理的重大难题，在国务院批准的《黄河近期重点治理开发规划》中，明确提出处理和利用泥沙的基本思路是“拦、排、放、调、挖”综合治理。其中“放”主要是在黄河中下游两岸利用有利地形引洪放淤，处理和利用一部分泥沙。黄河小北干流系指黄河中游禹门口至潼关河段，该河段很多滩地具备大规模放淤的自然条件。小北干流放淤试验工程就是通过实际工程的试验、观测、研究，为大规模放淤、解决泥沙问题提供新思路和技术支持。

小北干流放淤试验工程主要包括放淤闸、输沙渠、淤区、退水闸四部分。淤区长8.6km，平均宽为0.64km，淤区面积约5.5km，由汾河口工程及新建围堤围成，中间建纵、横格堤将整个淤区分成三条沉沙条池。在黄河汛期选择适宜时机，放淤闸从黄河引进高含沙水流，通过输沙渠将水输送到淤区，在淤区经沉淀后，由淤区末端退水闸将来水退入黄河。输沙渠沿线设置两个弯道，根据弯道水力学原理，运行时通过弯道凹岸上的溢流堰将部分表层相对较清的水溢出，以增大进入淤区水流的粗沙含量；再通过淤区内纵、横格堤的控制运用以及退水闸对淤区水位、淤积形态的调控，达到淤粗排细的目的。

2．淤区布置 2.1 平面布置

连伯滩淤区设计过流量为53m/s～108m/s，根据《水工设计手册》中沉沙计算经验公式，沉沙条渠宽度为110m～430m。条渠宜布置成逐渐展宽的上段和比较顺直的中段，下段应徐缓收缩，但不宜过于缩窄，以利于后期沉沙。

淤区由汾河口工程及新建围堤围成，平均宽640m，最宽处约750m，长8.6km。水沙从20m宽的输沙渠进入几百m宽的淤区，为了避免淤区前端淤积，淤积形态的横向不平坦等情况，淤区的平面布置应遵照泥沙的运行规律，并考虑到水流在淤区内可能形成横河、斜河顶冲围堤，增设一道纵格堤使之逐渐扩散，有利于泥沙向下游输送及淤积。淤区中部4.4km处增设一道横格堤，将淤区分三块分别运行。

2.2 结构设计 ① 围、格堤堤顶高程

按《堤防工程设计规范》（GB 50286-98）要求，堤顶高程应按设计水位加超高确定，围堤按5级建筑物考虑，堤顶设计超高取1.0m。格堤允许越浪，考虑本次试验工程的特点，设计超高取0.3m。

② 围、格堤顶宽与边坡

围堤顶宽与边坡设计主要参照《堤防工程设计规范》及黄河下游引黄淤背等工程设计经验。

淤区上段（4.3km以上）水深2.3m～3.7m，平均3.0m，淤区下段（4.3km以下）水深3.7m～6.1m，平均4.9m。连伯滩料场土质多为泥沙沉积后形成的细到中砂，以及含有一定数量的由多年生芦苇根等组成的混合粗砂。根据规范要求，围堤上段顶宽取2.5m，下段适当加宽取3.5m，内外边坡坡比均取1：2.5。在设计水位以下，加土工膜一道，土工膜临水侧为水平宽1m的保护土层（用远调土，粘粒含量5.3%～13.2%），为了固定和堤基防渗，土工膜上、下锚固长均为0.5m。

由于格堤标准要求较低，并考虑本次试验工程的特点，顶宽取2m，两侧边坡均取1：2，

3

3

2

不衬砌土工膜。

运行期间，围、格堤迎水面均需铺设一层彩条布防冲。 3．淤区运用方式

本次放淤试验工程运行期拟定为2年，于20XX年、20XX年黄河汛期运行。放淤闸引水时机拟定为黄河流量500m/s～4000m/s（含沙量大于50kg/m）时引水。

根据对淤区水流泥沙运动及淤积形态的研究，并根据联解河流动力学方程组得出的平衡河槽比降公式计算，设计淤区最终淤积比降，滩地前半段比降采用1.7%00，后半段参考黄河下游已建沉沙池的观测资料采用1.0%00。考虑最终淤积形态的横向不平坦及河槽淤积不平等因素的影响，并适当留有余地，连伯滩放淤试验工程的可放淤量为1258万m。

淤区的运行可分为淤粗排细和盖淤两个时期，淤粗排细按①、③、②条渠依次进行，盖淤三块条渠统一进行。

①号沉沙条渠淤粗排细效果主要靠横格堤处退水口门的操作来实现，②号沉沙条渠退水渠则直接把①号池块退出的水流经退水闸退入黄河，而不在②号条渠淤积。运行初期，退水口门处不加编织袋，随着淤积面抬高，加高编织袋以抬高淤区水位。当淤区水位达到设计水位时，保持该水位一段时间，使淤区得到充分淤积。待淤区排沙比增大到一定程度，结束运行。

②、③号沉沙条渠淤粗排细效果主要靠退水闸的操作来实现，运行初期，退水闸敞泄，出口水位受退水闸的泄流能力控制，随着淤积面抬高，增加叠梁逐步抬高淤区水位。当退水闸叠梁加高到淤区水位达到设计水位时，保持该水位一段时间，使淤区得到充分淤积。待淤区排沙比增大到一定程度，结束运行。③号条渠淤满号②条渠淤积前，退水闸叠梁应拆除。

当淤区运用到后期淤积面距设计淤积面还差0.9m时，考虑盖淤运用，这时期的运用原则和淤粗排细运用时期有较大的差别。根据水头变化引起的退水闸退水能力的减小，逐渐减小放淤闸的引水流量，直至蓄水落淤，基本淤平河槽，使淤积滩面达到设计高程，完成放淤试验。在整个盖淤时期，根据预报，放淤闸尽量引泥沙中值粒径小于0.02mm的较细颗粒泥沙，以满足耕种的要求。

需要指出的是，上述运用方式是根据黄河下游引黄沉沙池运行经验和对水流泥沙运动规律的认识初步拟定的，试验工程运行实践中可根据原型观测反映的具体情况适当调整以充分多淤粗沙少淤细沙，积累拦粗排细的运行经验，为实施大放淤提供技术支持。

4．结束语

淤区围堤筑堤材料为砂性土，采用土工膜作为防渗材料，减小了断面尺寸，经济效益显著。砂性土抗冲能力小，采用彩条布作为防冲材料，效果显著。

淤区布置是根据以往经验和原型试验确定的，运行时应做好水文观测，抓住黄河来水有利时机，同时做好选取断面的监测工作。在今后的设计中，将对不同宽度的沉沙条渠进行探讨与研究，为大放淤的实施提供有力的技术支持。

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