子任务三 闸孔布置

水闸枢纽是以水闸为主的水利枢纽，一般以水闸居中布置，具有通航、发电或抽水灌溉作用的船闸、水电站或泵站等其他建筑物原则上宜靠岸布置。在多泥沙河流上，常在进水闸进水口或其他取水建筑物取水口的相邻位置设置冲沙闸。

当拦河闸下游有生态环境保护或景观用水的要求时，需要在闸墩处或两岸挡水坝中设置生态放水管，或者设置专用的闸孔泄放一定的流量到下游以满足生态景观需要。当水闸有过鱼要求时，可结合岸墙、翼墙的布置设置鱼道。在平原水力资源缺乏区，如水闸上游有余水可利用，且有发电要求时，可结合岸墙、翼墙的布置设置小型水力发电机组或在边闸孔内设置可移动式发电装置。

一、闸孔总净宽确定

闸孔总净宽应根据泄流特点，下游河床地质条件和安全泄流的要求，结合闸孔孔径和孔数的选用，经技术经济比较后确定。计算时分别对不同的水流情况，根据给定的设计流量、上下游水位和初拟的底板高程及堰型来确定。

（一）堰流

具有自由表面、受局部侧向收缩或底坎竖向收缩，形成局部降落急变的水流称为堰流。

对于平底闸，当水流为堰流时，计算示意图如图2-2所示，采用式(2-1)～式(2-6)计算。

对于多孔闸，当闸墩墩头为圆弧形时：

式中 B0——闸孔总净宽，m；

Q——过闸流量，m3/s；

H0——计入行近流速水头的堰上水深，m；

g——重力加速度，可采用9.81m/s2；

m——堰流流量系数，可采用0.385；

ε——堰流侧收缩系数，对于单孔闸可按式(2-2)计算求得或由表2-2查得,对于多孔闸可按式(2-3)计算求得；

b0——闸孔净宽，m；

bs——上游河道一半水深处的宽度，m；

N——闸孔数；

εz——中闸孔侧收缩系数，可按式(2-4)计算求得或由表2-2查得，但表中bs 为b0+dz；

dz——中闸墩厚度，m；

εb——边闸孔侧收缩系数，可按式(2-5)计算求得或由表2-2查得，但表中bs为b0++bb；

bb——边闸墩顺水流向边缘线至上游河道水边线之间的距离，m；

σ——堰流淹没系数，可按式(2-6)计算求得或按表2-3查得；

hs——由堰顶算起的下游水深，m。

自由堰流和淹没堰流的判断标准以下游水深和上游水深的比值来定：当hs/H0<0.8，为自由堰流；当hs/H0≥0.8，为淹没堰流。

对于平底闸，当堰流处于高淹没度(hs/H0≥0.9)时，闸孔总净宽也可按式(2-7)和式(2-8)计算：

式中 μ0——淹没堰流的综合流量系数,可按式(2-8)计算求得或由表2-4查得。

（二）孔流

受闸门（或胸墙）控制，水流经闸门下缘泄出的水流称为孔流，通常用闸门开度he与堰上水头H的比值来进行判定。计算示意图如图2-3所示。

1.闸门控制的孔流

闸孔出流的泄水能力与闸孔出流的水流流态有关。水流流态分为自由出流和淹没出流，如图2-4所示。

孔流分为孔流自由出流和孔流淹没出流。当跃后水深h″c［由公式（3-2）计算得］大于等于下游水深hs时，为自由出流；当h″c小于hs时，为淹没出流。

收缩水深hc根据下式计算：

式中 εc——水流的垂直收缩系数；

e——开启高度，m。

横向侧收缩对闸孔出流的泄流能力影响较小，计算闸孔泄流量时一般不予考虑。

对于平板闸门，收缩系数与闸门的相对开度e/H有关，其值查表2-5。对于弧形闸门，收缩系数主要取决于弧形闸门底缘的切线和水平线的夹角α，见表2-6。

闸孔出流流量计算公式为

式中 e——高启高度，m；

μ0——闸孔自由出流的流量系数；

σs——淹没系数，当闸下为自由出流时为1.0；当闸下为淹没出流时，淹没系数可查相应资料进行计算。

在一般情况下，行近流速水头比较小，计算时常忽略，用H代替H0计算。

对于平底上锐缘平板闸门自由出流情况，流量系数μ0可按下式计算：

对于弧形闸门，自由出流时，流量系数μ0按下式计算:

公式的应用范围为：25°<α<90°，0.1<e/H<0.65。

2.胸墙控制的孔流

对于带胸墙的平底闸孔口出流计算见式(2-13)～式(2-16)。

式中 he——孔口高度，m；

H——堰上水头，m；

μ——孔流流量系数，可按式(2-14)计算求得或由表2-7查得；

φ——孔流流速系数，可采用0.95~1.0；

ε′——孔流垂直收缩系数，可由式(2-15)计算求得；

λ——计算系数，可由式(2-16)计算求得，该公式适用条件为0＜＜0.25；

r——胸墙底圆弧半径，m；

σ′——孔流淹没系数，可由表2-8查得，表中h″c为跃后水深，m。

水闸的过闸水位差应根据上游淹没影响、允许的过闸单宽流量和水闸工程造价等因素综合比较确定。一般情况下，平原地区水闸的过闸水位差可采用0.1~0.3m。

水闸的过水能力与上下游水位、底板高程和闸孔总净宽等是相互关联的，设计时，需通过对不同方案进行技术经济比较后最终确定。

二、确定闸室单孔宽度和闸室总宽度

闸孔孔径应根据闸的地基条件、运用要求、闸门结构形式、启闭机容量，以及闸门的制作、运输、安装等因素，进行综合分析确定。我国大中型水闸的单孔净宽度b0一般采用8~12m，常用10m，小型水闸的单孔净宽度b0一般采用2~3m。

选用的闸孔孔径应符合SL 74—2013《水利水电工程钢闸门设计规范》所规定的闸门孔口尺寸系列标准。

闸孔孔数n=B0/b0，n值应取略大于计算要求值的整数。闸孔孔数少于8孔时，宜采用单数孔，以利于对称开启闸门，改善下游水流条件。

闸室总宽度L=B0+(n-1)d=nb0+(n-1)d，其中，d为闸墩厚度，一般为1.0～1.5m。

闸室总宽度确定应考虑两个问题：一是过闸单宽流量，二是闸室总宽度与河道总宽度的关系。闸室总宽度过小，过闸单宽流量过大，将增加闸下消能布置的困难；闸室总宽度过大，过闸单宽流量变小，但会因工程量加大造成浪费。闸室总宽度大体上与上、下游河道或渠道宽度（通过设计流量时的平均过水宽度）相适应，闸室总宽度与河道宽度的比值一般为0.60～0.85。

孔宽、孔数、闸墩厚度和闸室总宽度拟定后，再考虑闸墩等的影响，进一步验算水闸的过水能力。计算的过水能力与设计流量的差值，一般不得超过±5%。

【例题2-1】 引例资料闸址处两岸地势较平坦，地面高程约41.00m，河型较顺直，河床纵坡为1/5000，河床高程30.00m，横断面为复式梯形断面。闸址处的河道横断面如图2-5所示。拟建拦河闸以拦河截水壅高水位灌溉农田，洪水时开闸泄洪水。本枢纽工程为Ⅲ等工程，其中永久性主要建筑物为3级。拦河闸底板高程为30.00m，正常挡水位为38.50m。试进行闸孔布置。

解：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。在选择过程中应根据地形、地质、水流、施工管理应用及淹没征地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。

本次设计中闸轴线位置已由规划给出。

2.闸型确定

本水闸枢纽工程的主要任务是在正常情况下拦河截水，以利灌溉，而当洪水来临时，开闸泄水，以保防洪安全。由于是建在平原河道上的拦河水闸，应具有较大的超泄能力，并利于排除漂浮物，因此采用不设胸墙的开敞式水闸。

同时，由于河槽蓄水，闸前淤积对洪水位影响较大，为方便排出淤沙，闸底板高程尽可能低。因此，采用无底坎平顶板宽顶堰，堰顶高程与河床相齐平，即闸底板高程为30.0m。

3.闸孔布置

由闸址下游水位-流量关系曲线查取相应洪水标准下的下游水位。建闸后泄洪时过闸水位差根据该河上游已建水闸的运行经验，设计洪水时取0.13m，校核洪水时采用0.07m。洪水标准及特征水位见表2-9。

(1) 由于已知上、下游水位，可推算上游水头及下游水深，见表2-10。

(2) 按照闸门总净宽计算式(2-1)，根据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算如下。

宽顶堰堰流流量系数m取0.385；淹没系数σ按式（2-6）计算；侧收缩系数ε按试算确定。先假定侧收缩系数ε为1.0，计算总净宽，定孔数n和单孔宽b0、闸墩厚d，再根据式（2-3）～式（2-6）计算侧收缩系数，直到计算出的侧收缩系数与原假设的相等即满足要求。具体计算过程如下：

1）设计情况：hs/H0=0.978，由式（2-6）计算得σ=0.493。将σ、m、ε等值代入，可求出闸孔总净宽B为

2)校核情况：hs/H0=0.983，计算得σ=0.446。将σ、m、ε等值代入，可求出闸孔总净宽B为

拟定闸孔总净宽为56m，共分为7孔，每孔宽度为8.0m。全闸用4个中墩，2个缝墩分隔闸孔，2个边墩。中墩和边墩厚均为1.2m，缝墩厚1.6m，半圆形墩头。

中墩孔侧收缩系数εz1为

缝墩侧收缩系数εz2为

边墩侧收缩系数εb(边墩侧收缩系数与水位有关，计算设计水位和校核水位两种情况)为

所以堰流侧收缩系数ε：

与假设的ε=1.0有差距，调整ε值再计算。取ε=0.968，重复上述计算。设计标准闸孔总净宽B=43.0m，校核标准闸孔总净宽54.7m。拟定闸孔总净宽为56m，分为7孔，每孔8.0m。用4个中墩、2个缝墩分隔闸孔，中墩和边墩厚均为1.2m，缝墩厚1.6m，半圆形墩头。复核侧收缩系数为0.968，与取定的0.968一致，即第二次取的ε=0.968满足要求。闸孔总净宽计算成果见表2-11。

综合考虑：分为7孔，每孔8.0m。设置4个中墩，2个缝墩，2个边墩，中墩和边墩厚均为1.2m，缝墩厚1.6m。闸孔总宽度为

(3)校核泄洪能力。根据选定的孔口尺寸(7孔，每孔8m)与上下游水位，进一步复核过流量，见表2-12。

设计情况超过了规定5%的要求，说明孔口尺寸有些偏大，但根据校核情况满足要求，所以不再进行孔口尺寸的调整。

(4)检验过闸单宽流量。允许最大过闸单宽流量可按下游河(渠)的允许最大单宽流量的1.2～1.5倍确定。下游河道地质条件为壤土，允许最大单宽流量为15～20m3/(s·m)，则允许最大过闸单宽流量为18～30m3/(s·m)；引例中的过闸单宽流量为1379/56=24.6［m3/(s·m)］，满足单宽流量要求。

（5）检验闸室总宽度与河道总宽度关系。根据经验，闸室总宽度与上、下游河道（通过设计流量时的平均过水宽度）宽度的比值一般为0.60～0.85。案例中闸室总宽度与上游河道宽度的比值为64÷（804÷9.15）=0.73，在经验范围之内，满足要求。

综观上述分析过程，闸孔布置如图2-6所示。