临淄节制闸设计
一、基本资料
本工程位于流过山东省淄博市境内的淄河中游，距齐鲁石化进水闸的下游约2公里处设置的节制闸。目的是拦截淄河水流，抬高水位，以确保国家重点企业齐鲁石化和近数十万亩农田灌溉的供
水。
淄河由沂蒙山脉为源头，从南至
北，经临朐、青州、淄博、广饶汇入
小清河，再流入渤海。淄河是一条季
节性河流，汛期时来水流量较大，通
常约600m3/s；枯水期时河流干涸，河
床能行人。每当汛期山洪暴发，水流
夹带大量泥砂，河床沉积着较厚的砂
砾，而两岸的地表土为亚粘土。
（一）规划:
流域面积：1670平方公里。
设计流量（5年一遇）：Q=560m3/s，相应的闸上水位：34.55m ，闸下水位：33.75m 。
校核流量（20年一遇）：Q=1300m3/s，相应的闸上水位：36.35m ，闸下水位：35.62m 。蓄水期水位：
1. 正常蓄水位：闸上34.55m ，闸下29.98m （闸下无水）。
2. 最高蓄水位（校核水位）闸上35.90m ，闸下31.98m 。
3. 恶劣放水水位：闸上35.90m ，闸下30.98m 。
表1
图1 临淄节制闸枢纽示意图 闸下水位与流量关系：
（二）闸址的选定:
经地质查勘，选定在淄博市临淄区以南，距齐鲁石化进水闸约2km 处淄河的左岸河湾里。该处地势开阔，地质条件较好，便于多方案的比较，以便选出理想的闸址。
（三）闸址处的地质资料:
根据钻探孔（见地形图）的地质资料看出，因受河流冲积影响，土层变化情况较复杂。具体如下：
1# 钻孔：位于淄河左岸上，自地面高程约36.00m 向下至28.50m 为亚粘土，
土质坚实；高程28.50m 至26.00m 为粉质粘土，较坚实；高程26.00m 至21.00m 为粉土；高程21.00mm 至15.00m 为粉质粘土。
2#、3#、4#、5# 钻孔：同1# 钻孔地质资料。
6# 钻孔：位于淄河主河槽中，自河底高程29.98m 至27.40m 为冲积的砂砾；高程27.40m 至26.20m 为粉质粘土；高程26.20m 至21.50m 为粉土；高程21.50m 至15.20m 为粉质粘土。
7#、8#、9#、10#钻孔：基本同6#钻孔地质资料。
参照附近水利工程抗冲流速的资料：亚粘土的抗冲流量V0=1.9m/s，粉质粘土的抗冲流速V0=1.7m/s，粉土的抗冲流速V0=1.0m/s。
（四）工程设计标准:
根据该闸的规模及用途为2级建筑物。
（五）交通要求及其他:
1. 公路桥面高程为37.18m ，双车道。桥面净宽为9m ，按公路2级级荷载标准设计。
2. 淄河无通航要求，不设船闸，也不设鱼道。
二、设计内容
1. 闸址选择及枢纽布置
临淄节制闸属于平原区水闸枢纽工程，由《水闸设计规范》（SL265—2001），根据水闸最大过闸流量及其防护对象的重要性划分等别，该闸最大过闸流量为1300m ³/s，工程等别为Ⅱ级，该闸的功能主要是拦洪、调节水位以满足上游（齐鲁石化）引水的需要，控制下泄临淄市）流量，保证下游河道安全并根据下游用水需要调节放水流量，不考虑通航功能，不设船闸，也不设鱼道。
1.1 方案比选
闸址选择关系到工程的成败和经济效益的发挥，是水闸设计中的一项重要内容，应根据水闸的功能、特点和运用要求，综合考虑地形、地质、水流、潮汐、泥沙、冻土、冰情、施工、管理和周围环境等因素，通过技术经济比较，选定最佳方案。
闸址宜选择在地形开阔、岸坡稳定、岩土坚实和地下水水位较低的地点。应优先选用地质条件良好的天然地基，避免采用人工处理地基，壤土、中砂、粗砂和砂砾石都适于作为水闸的地基；尽量避开淤泥质土和粉、细砂地基，必要时，应采取妥善的处理措施。
闸址的方案选择要考虑以下几个因素：水力条件、地质条件、功能发挥、施工条件以及经济投资。其中过闸水流的形态是选择闸址时需要考虑的重要因素。要求做到：过闸水流平顺，流量分布均匀，不出现偏流和危害性冲刷或淤积。拦河闸宜选在河道顺直、河势相对稳定的河段，闸的轴线宜与河道中心线正交，其上、下游河道直线段长度不宜小于5倍水闸进口处水面宽度。在河道上建造拦河闸，为解决施工导流问题，常将闸址选在弯曲河段的凸岸，利用原河道导流，裁弯取直，新开上、下游引水和泄水渠，新开渠道既要尽量缩短其长度，又要使其进、出口与原河道平顺衔接。
该水闸枢纽工程的建设可能与原有的济青路存在矛盾，设计中需要考虑保证原公路的通航能力，同时使施工尽量方便、简化。在公路附近建闸，选定的闸址不应与其距离太近。选择闸址应考虑材料来源、对外交通、场地布置、基坑排水和施工水电供应等条件。水闸建成后工程管理维修和防汛抢险等条件也需要加以重视。此外，还有一些因素也影响闸址的选择：占用土地及拆迁房屋少；尽量利用周围已有公路、航运、动力、通信等公用设施；有利于绿化、净化、美化环境和生态环境保护；有利于开展综合经营。
下面列出四种方案，分析各方案的优劣，从中选出最佳方案，各方案的示意图见图2和图3。
方案一：闸址设于原河道弯曲段下游，处于地质钻孔6和钻孔7之间的河段。该处河道曲率较大，闸室位于直段处，但上、下游连接段河道均不顺直，水流进入闸室前不能平顺过渡，弯段处水流容易产生漩涡及折冲水流，对上游护底、铺盖以及两岸的翼墙和护坡会产生较为严重的冲刷，流速过大，水力条件非常不利，严重违背了闸址选择中提出的水力条件要良好的要求。上游流态的不合理将直接影响闸室的稳定性，有碍工程功能的发挥，同时出闸后河段也不够顺直，水流扩散不均匀，无法调整流速分布使流速减缓，水流具有的剩余能量会使得原本抗冲刷能力就不强的砂砾石地
基受到损害。此外，水闸
下游常出现波状水跃和折
冲水流，加剧对河床及两
岸的淘刷，这就对消能防
冲设施提出了很高的要
求，进而使工程造价大大
增高。可见，此方案无论
是水力条件、地质条件还
是施工运用和经济投入
都不甚合理。 图2 闸址选择方案一、二示意图
方案二：闸址设于临淄河上济青路上游处，靠近齐鲁石化，闸室部分在地质钻孔9处。该处河道曲率半径仍然较大，和方案一相比，水力条件不理想，上述涉及到的问题未得到解决，由地质钻孔资料知，河床处上部均为砂砾石，下部逐渐以粉土为主，地质条件欠佳。但考虑到过闸水流剩余的能量较多，将闸址建在河道上游可以加长水闸的下游连接段，利于消能防冲设施的布置，从而使出闸水流的形态渐趋理想。从这一角度讲，方案二有优于方案一的因素。此处再考虑水闸的功能发挥，从地形图上看，当水闸枢纽建于河道上游部分时，闸址距齐鲁石化很近，由于河道凸向东面，使得距临淄市则很远，其对临淄市的用水需要及洪水期的安全不能可靠保证。可见，此方案中水闸功能的发挥存在着严重的矛盾，不够合理。
方案三：总结方案一和方案二，两者的水力条件均存在较为严重的不合理之处，过闸水流的形态又是选择闸址的一个重要影响因素，结合地形图知，该范围内河道几乎没有适宜建闸的直段，各处的曲率半径都很小，同时考虑施工导流问题，若将闸址选在弯曲河段的凸岸，即“裁弯取直”，利用原河道导流，新开上、下游引水和泄水渠，由于水闸枢纽的工期一般较长，不可能在一个枯水期内完建，所以导流渠是必须设置的。地质钻孔资料中给出了河岸处的地质情况，自地面高
程起依次为亚粘土、粉质黏土，地质均较坚实，将闸址选在河岸上，良好的地质条件使水闸不至于在自重和外荷载作用下产生不利的沉降或沉降差，避免了闸室倾斜引起的止水破坏、闸底板断裂、发生塑性破坏等一系列问题。为了保证新开河道中合适的水流流速，新开的河道宽度应与原河道相同，约为60m 。本方案拟采用新开河道，上游部分约在地质钻孔5以南，下游部分连接地质钻孔7处，同时注意与原河道要平顺衔接，闸址选在靠近公路的上游处。
方案四：方案三的水力条件和地质条件都比较理想，符合建造水闸的要求。其次考虑经济投资，应
尽量使新开渠道缩短
长度，但考虑到河道短
又会反过来影响到新
开河道的水力条件，过
闸水流不够平顺，本工
程中经济条件并不是
制约因素，因此提出方
案四，将新开河道长度
适当增加，上游连接处图3 闸址选择方案三、四示意图
位于齐鲁石化西的河道转弯处，下游连接处位于地质钻孔8附加（临淄市以东）。此时水闸的水力条件和地质条件都已非常理想。而新开的河道较长，将闸址选择济青路下方或者在道路下游部分各有利弊，下面做进一步的讨论：
将闸址选在济青路下方，此时上游连接段的长度能够满足使如闸水流平顺的要求，为保证施工时满足原来的通航能力，需要在靠近闸址处新建一条与济青路通航能力相同的临时通航道路，待工程完工后可以利用闸上的交通桥以满足道路的通航要求。这就需要增加建造道路的投资，同时还要考虑到车辆通过时的安全问题，转弯半径要合适，由《公路路线设计规范JTJ 011—94》，汽车专用公路二级平原地区一般最小半径为400m ，在该闸址附近建半径为400m 的公路，工程量大，投资多。
由地形图知，公路下游部分河段较长，能够满足水闸三部分总长的要求。为使施工方便，将闸建于下游部分，具体布置见图2。此时只需要建造临时的施工道路，参照《公路路线设计规范JTJ 011—94》，使用一般公路三级标准，平原微丘地区一般最小半径为200m ，极限最小半径为125m 。此处由于施工限制，采用极限最小半径标准，同时也满足了道路曲率小于3%的要求。将闸址尽量靠近公路，以充分满足下游段消能防冲的要求。
综上所述，采用方案四，将闸址选择靠近公路的下游新开河道中。
1.2 水闸枢纽布置
水闸枢纽布置应根据闸址地形、地质、水流等条件以及该枢纽中个建筑物的功能、特点、运用要求等确定，做到紧凑合理、协调美观，组成整体效益最大的有机联合体。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。闸门用来挡水和控制流量。闸墩用以分隔闸孔和支撑闸门、胸墙、工作桥、交通桥、检修便桥。底板是闸室的基础，用以将闸室上部结构的重量及荷载传至地基，并兼有防渗和防冲的作用。工作桥、交通桥和检修便桥用来安装启闭设备、操作闸门和联系两岸交通。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算，调整流速分布和减缓流速，防止水流出闸后对下游的冲刷。
水闸布置采用上述方案四的位置，水闸轴线与新开河道中心线尽量正交，水闸进口处水面宽度约60m ，上、下游河道长度不宜小于5倍水闸进口处水面宽度，由闸址地形图知，这一要求能够满足。初步拟定水闸位于地质钻孔1和孔2之间，见图3。
2. 闸室布置及闸孔设计
闸室布置包括：闸室结构型式的选择、闸底板型式的选择、闸底板厚度以及底板分缝设置。闸孔设计包括：选择堰型、确定堰顶或底板顶面高程、闸墩尺寸、单孔尺寸以及闸室总宽度。
2.1 闸室布置和构造
1. 闸室结构型式
闸室结构可根据泄流特点和运行要求，选用开敞式、胸墙式、涵洞式或双层式等结构型式。整个闸室结构的重心应尽可能与闸室底板中心相接近，且偏高水位一侧。闸槛高程较高、挡水高度较小，对有泄洪、过木、排冰或其他漂浮物要求的水闸，如节制闸、分洪闸，大都采用开敞式。临淄节制闸挡水时闸门全关，放水时基本是闸门全开，选用开敞式结构，无需设胸墙。
2. 闸底板型式
按底板与闸墩的连接方式可分：整体式底板和分离式底板，按底板的结构型式可分为：平底板、反拱底板和空箱式底板。亚粘土地基属于较为坚硬、紧密的地基，应采用分离式底板，在单孔底板上设双缝，将底板与闸墩分开，闸墩能够传力，底板防渗抗冲能力强。一般情况下，闸室底板宜采用平地板。所以临淄节
制闸采用分离式平底板。底板结构尺寸见图4。
3. 闸底板厚度
底板厚度
根据自身稳定
的需要确定，表
面要平整并具
有良好的防冲
性能。底板厚度
必须满足刚度
的要求，大、中
型水闸可取
（1/6—1/8）
l 0(l 0为闸孔净宽) ，一般为图4 闸室底板示意图
1.0—2.0m ，最薄不宜小于0.6m ，底板配筋率不超过
0.3%，本水闸初步拟定采用钢筋混凝土材料，采用C15的混凝土，底板厚度初选为1.25m 。
4. 底板分缝
底板顺水流方向采用搭接式，单孔底板上设双缝。底板垂直水流方向的分缝在土基上不宜超过35m ，具体的分缝长度需根据抗滑稳定和地基承载力的要求计算得到，在初步设计时暂不予考虑。其他部分的分缝在下文中分析确定。
2.2 闸孔设计
1. 堰型选择
常用的堰型有：宽顶堰和低实用堰。宽顶堰是水闸中最常用的一种型式。有利于泄洪、冲沙、排污、排冰，且泄流能力比较稳定，结构简单，施工方便；其缺点是自由泄流时流量系数较小，容易产生波状水跃。低实用堰有梯形的、曲线形的和驼峰形的。自由泄流时流量系数较大，水流条件较好，但泄流能力受尾水位变化的影响较为明显，当上游水位较高，为限制过闸单宽流量，需要抬高堰顶高程时，常选用这种型式。
临淄节制闸位于平原地区，洪水期不长，考虑到施工方便以及经济合理，采用宽顶堰可以满足泄流要求，此处宽顶堰不需要设置坎，因为闸基为亚粘土，若设置了堰坎，闸前水流的长期冲刷会使得堰坎被填平，失去其功能，浪费投资。所以水闸采用无坎的宽顶堰。
2. 闸底板及闸顶高程
节制闸底板高程一般与河床齐平或略高，本水闸属于大（2）型，由于闸室工程量所占比重较大，适当降低底板高程是有利的。根据地形图上的数据，新开
河道上、下游与原河道衔接处的标高分别为30.12m 和29.40m ，经过线性内插，算得水闸轴线处地面开挖高度为29.79m ，故水闸底板高度定位29.79m 。
根据《水闸设计规范》（SL265—2001），水闸闸顶高程应根据挡水和泄水两种运用情况确定。挡水时，闸顶高程不应低于水闸正常蓄水位（或最高当水位）加波浪计算高度与相应安全超高值之和；泄水时，闸顶高程不应低于设计洪水位（或校核洪水位）与相应安全超高之和。下面分别计算两种情况下的闸顶高程：（假定波浪计算高度为0.5m ）。
挡水时，闸顶高程=正常蓄水位+波浪计算高度+安全超高
3. 闸墩设计
闸墩采用混
凝土建造，头部为
圆形，初估闸室单
孔宽度为10m ，考
虑刚度要求，墩厚
为130cm ，门槽宽
50cm ，深30cm ，
闸墩上游部分设
置门槽，下游为工
作桥及交通桥的
支撑，总长度由各分段长度相加得到，为1520cm ，参照《水工设计手册6——泄水与过坝建筑物》。具体的尺寸见图5。
闸墩的高度由闸上公路桥面高程确定，公路桥面高程为37.18m ，桥面净宽为9m ，桥面采用梁结构，厚度约0.4m ，所以闸墩顶部高程为36.78m 。
4. 闸孔尺寸
首先计算闸孔总净宽。由于给定的设计流量和校核流量相差很大，采用校核流量（20年一遇）Q=1300m³/s。考虑到此时流量很大，水流呈堰流，采用公式（2—1）计算。
L 0=Q =34.55+0.5+0.5=35.55m 泄水时，闸顶高程=校核水位+安全超高 =35.90+0.7=36.60m 故闸顶高程为36.60m 。 图5 闸墩结构示意图
σεm 2g H 03/2 （2—1）
式中：L 0为闸孔总净宽，m ；Q 为设计流量，m ³/s； H 0为计入行近流速水头在
内的堰顶水头，m ；σ、ε、m 分别为淹没系数、侧收缩系数和流量系数，由《水力学》中公式及表格得到；g 为重力加速度，m/s2。
下面计算行近流速：
上游水深H=36.35-29.79=6.56m，1.5H=1.5×6.56=9.84m，距水闸上游9.84m 为安全起见，采用梯形断面的面积计算行近流速v 0, 坡比m 取2，故行近流速v 0=Q (B +mH ) H =1300
(60+2⨯6. 56) ⨯6. 56=2. 71m /s 。
由于流量系数m 决定于堰顶的进口形式和堰的相对高度P 1/H，（P 1为堰坎高度，此处P 1=0）。故m 取最大值0.385。
侧收缩系数ε由下面的经验公式计算：
ε=1-
α00. 2+P 1
H ⋅b B (1-b B ) （2—2）
式中：α0为考虑墩头及堰顶入口形状的系数。初选闸墩头部为圆弧形，堰顶无
坎，故此处取α0=0.10；b 为溢流孔净宽，m ；B 为上游引渠宽，m ；H 为上游水深，
m 。
临淄节制闸初步拟定为5孔闸门，中墩厚1.2m ，边墩厚为1.0m ，计算中假定闸孔总净宽L 0。对于多孔宽顶堰，侧收缩系数应取边孔及中孔的加权平均值：
ε1='"(n -1) ε1+ε1n （2—3）
式中：n 为孔数。但此处忽略中墩和边墩对水流收缩影响的差异，计算时采用总的收缩系数即可。
淹没系数σ取决于h s H 0（h s 为下游水深，h s =35.62-29.79=5.83m）。其中：
H 0=H +v 22g （2—4）
式中，H 为上游水深，m ；H=36.35-29.79=6.56m。 故H 0=6. 56+2. 7122⨯9. 81=6.93m。 由此h s H 0=5.83/6.93=0.84>0.80，查《水力学》表8.2得σ=0.97
闸室单孔宽度b ，在我国大、中型水闸一般为8—12m ，闸孔孔数n ，设计中应取略大于计算要求值的整数，但总净宽不宜超过计算值的3%—5%，当孔数较少时，为便于闸门对称开启，使过闸水流均匀，避免由于偏流造成闸下局部冲刷和使闸室结构受力对称，孔数宜采用单数，但对于临淄节制闸，其放水时流量很
大，基本不存在只开启个别几孔闸门，运行中多为闸门全部开启或全部关闭的情况，不存在折冲水流等问题。所以孔数不受单、双数的限制。拟定闸室总宽度后，尚需考虑闸墩等的影响，根据试算所得结果选取合理的闸孔数、闸门单宽以及闸墩厚度，并且进一步验证水闸的过水能力。从过水能力和消能防冲两方面考虑，闸室总宽度应与河（渠）道宽度相适应，当河（渠）宽为50—100m 时，两者的比值宜大于0.6—0.75。
下面利用表格试算，以求得合理的闸孔总净宽L 0。初步拟定闸室总款与河
经过计算可知，当闸室宽度选用60.0m 时，过流能力较大，会造成浪费，故采取减小闸室宽度的方法，假定闸室总宽B 2=52.0m，试算结果见表4。
从表2中可以看出，当选用5孔闸门时较为合理，但此时过流能力仍然偏大。经最终分析，调整闸孔宽度，选取5孔闸门，单孔净宽b=9.2m，闸孔总净宽L 0=46m，验算过流能力Q=1364.56m³/s。且于3%—5%的要求。
1364. 56-1300
1300
⨯100%=4. 9%
，满足流量差小
3. 水闸的防渗、排水设计
水闸建成后，由于上、下游水位差，在闸基及边墩和翼墙的背水一侧产生渗流。因此需要拟定水闸的地下轮廓，做好防渗、排水设施的构造设计。渗流计算的目的在于求解渗流区域内的渗流压力、渗流坡降、渗流流速及渗流量（通常渗流量可以不计）。
3.1 水闸防渗长度及地下轮廓布置
1. 防渗及排水布置
图6为水闸的防渗布置示意图。不透水的铺盖、短板桩及底板与地基的接触线，即是闸基渗流的第一根流线，为地下轮廓线，其长度是水闸的防渗长度。根据《水闸设计规范》SL265—2001规定，为保证水闸安全，初步拟定所需的防渗长度应满足式（3—1）的要求。
L CH
（3—1）
式中：L 为水闸的防渗长度，m ；H 为上、下游水位差，m ；C 为允许渗径系数，依地基土的性质而定，由《水工设计手册6》查得亚粘土地基在设置反滤层的情况下取C=5，计算时采用恶劣放水水位时上、下游水位差H=4.92m，得到L 最小为24.6m 。显然满足要求。
水闸的地下轮廓可依地基情况并参照条件相近的已建工程的实践经验进行布置，按照防渗与排水相结合的原则，在上游侧采用水平防渗（如铺盖）或垂直防渗（如齿墙、板桩）延长渗径，下游侧设置排水反滤设施（如层面排水、排水
图6 水闸的防渗布置
孔、反滤层等）以防止在渗流出口附近发生渗流变形。临淄节制闸闸址处为亚粘土，主要考虑如何降低作用在底板上的渗流压力，提高闸室的抗滑稳定性，可在闸室上游设置水平防渗，将排水设施布置在消力池底板下。
使用黏土铺盖，其渗流系数应比地基土的渗流系数小100倍以上，初拟铺盖的长度一般为闸上、下游最大水头的3—5倍，选用铺盖长度为20m ，铺盖上游端的最小厚度一般不宜小于0.6m ，铺盖与底板连接处需要加厚，将底板前端做成倾斜面。打板桩可能破坏黏土的天然结构，此处只设置厚为0.1m 、长为2m 的短板桩。采用钢筋混凝土板桩，板桩与闸室底板的连接采用把板桩紧靠底板前缘，顶部嵌入黏土铺盖一定深度。闸底板的上、下游端设深为0.75m 的浅齿墙，用来增强闸室的抗滑稳定，并延长渗径。
2. 分缝方式与止水设备
为了防止和减少由于地基不均匀沉降、温度变化和混凝土干缩引起底板断裂和裂缝，对于多孔水闸需要沿轴线设缝，缝距设为30m ，缝宽为2.0cm 。
为避免相邻结构由于荷重相差悬殊产生不均匀沉降，也要设缝分开，铺盖与底板、消力池与底板，以及铺盖、消力池与翼墙等连接处都要分别设缝；此外消力池本身也设缝分段、分块。
凡具有防渗要求的缝，都应设止水。在闸墩中间、边墩与翼墙间以及上游翼墙本身设铅直止水；在铺盖、消力池与底板和翼墙、底板与闸墩间设置水平止水。 3.2 渗流计算
水闸的渗流计算采用改进的阻力系数法。计算简图见图7。首先验算水闸的
图7 阻力系数法计算简图
防渗长度是否满足要求，与上面求得的所需最小防渗长度相比较。实际防渗长度
L '=0.6+18+1.25+2+0.75+16+0.75+2+3.25=44.6m，满足大于
24.6m 的要求。
各流段水头损失为
h i =ξi
H
n
（3—2）
i
∑ξ
i =1
式中：ξi 为渗流段的阻力系数；H 为上、下游水位差，m 。
单宽流量q=Q/L0=1300/46=28.3m³/(s ⋅m ) 。
上、下游水位差H 采用恶劣放水水位的情况，H=35.9-30.98=4.92m。 当地基不透水层埋藏较深时，计算时透水层地基深度T 采用有效计算深度T e 代替。临淄节制闸地基上部为亚粘土，由于该处属于黄河古道，冲积严重，透水地基为无限深，认为地基不透水层埋藏很深，故需要计算不透水层的等效深度，计算公式为（3—3）。
当L 0/S0≥5时 T e =0.5 L0 当L 0/S0
5L 0
1. 6L 0/S 0+2
（3—3）
式中，L 0、S 0分别为地下轮廓在水平及垂直面上投影的长度。
由水闸防渗计算简图查得，L 0=34m，S 0=3.25m，故L 0/S0=34/3.25=10.5>5，T e =0.5L0=17m。
渗流压力的确定分别按水闸底线轮廓的三种典型流段确定。即进口段和出口段、内部垂直段和内部水平段。每一种典型流段的阻力系数ξ按表5中的公式确定。
表5 典型流段的阻力系数
进、出口水力坡降呈急变曲线形式，由表3中公式算得的进、出口水头损失与实际情况相比，误差较大，需要进行修正。修正后的水头损失h 0为
'
h 0=βh 0 （3—4）
1
⎡⎛T '⎫2⎤⎛S '⎫
+0. 059⎪⎪+2⎥ ⎢12
⎭⎢⎥⎣⎝T ⎭⎦⎝T
'
其中 β=1. 21- （3—5）
式中：h0为按表3中公式计算出的水头损失，m ；β为阻力修正系数；S '为底
板埋深与底面以下的板桩入土深度之和，m ；T '为板桩上游侧底板下的地基透水层深度，m 。
当β>1.0时，取β=1.0。
各分段的阻力系数确定后，可按式（3—2）计算各段的水头损失。假设各分段的水头损失按直线变化，依次叠加，即可绘出闸基渗流压力分布图。
对于进、出口段的水头损失值按照式（3—4）、（3—5）进行修正，修正后的水头损失列于表6中。
各点的渗透压力值列表如下： 下面绘制闸基渗流压力分布图。
图8 闸基渗透压力分布图
为了防止渗流变形保证闸基的抗渗稳定性，要求出口段的溢出坡降必须小于规定的容许值。出口处的溢出坡降J 为
J =
'h 0S '
（3—6）
经计算，J=0.84/4=0.21，小于防止流土破坏的出口段容许坡降值[J]，[J]由《水闸设计规范》（SL265—2001）查得为0.70。满足要求。
4. 水闸的消能、防冲设计
水闸泄水时，部分势能转化为动能，流速增大，而土质河床抗冲能力低。初始泄流时，闸下水深较浅，随着闸门开度的增大而逐渐加深，闸下出流由孔流到堰流，由自由出流到淹没出流都会发生，闸下会产生波状水跃和折冲水流，形态复杂。本设计中按照闸门全开的情况设计。
临淄闸属于平原地区的水闸，由于水头低，下游水位变幅大，采用底流式消能，在闸下产生一定淹没度的水跃消除余能，保护水跃范围内的河床免遭冲刷。消能工主要包括消力池、海漫和防冲槽三部分。 4.1 消力池设计
消力池采用下挖式，布置在闸室之后，池底与闸室底板之间用斜坡连接，斜面坡度采用1:4。消力池末端设置尾坎，用以调整流速分布，尾坎高度选用0.6m 。
1. 消力池深度计算
消力池的深度是在某一给定的流量和相应的下游水深条件下确定的。本节制闸计算消力池深度时，仅考虑5孔闸门全部开启的情况，要求水跃的起点位于消力池的上游端或斜坡段的坡脚附近。水位使用恶劣放水水位，闸下水位为30.98m ，由表1闸下水位与流量关系插值得到流量Q=127.8m³/s。消力池计算简图见图9。
图9 消力池尺寸计算简图
消力池深度的确定按照《水闸设计规范》SL265—2001给出的公式计算。
''-h s '-∆Z d =σ0h c
（4—1）
2⎫⎛b ⎫h c ⎛8αq 1 ''=⎪h c 1+-1⎪ 3 ⎪2b 2⎪gh c ⎝⎭⎝⎭
0. 25
（4—2）
h -T 0h +
3
c 2c
αq
22
2g ϕ
=0 （4—3）
∆Z =
αq
2
2
2
2g ϕh s '
-
αq
22
''2g h c
（4—4）
式中：d 为消力池深度，m ；σ0为水跃淹没系数，可采用1.05—1.10；h c ''为跃后水深，m ；h c 为收缩水深，m ；α为水流动能校正系数，可采用1.0—1.05；ϕ为流速系数，可取0.95—1.0；q 为过闸单宽流量，m ³/(s ⋅m ) ；b1为消力池首端宽度，m ；b2为消力池末端宽度，m ；T0为由消力池底板顶面算起的总势能，m ；∆Z 为出池落差，m ；h s '为出池河床水深，m 。
下面利用公式（4—1）—（4—4）计算消力池深度。比较d 值相差的多少，从而确定消力池深度。
由表9计算得到的消力池深度为0.85m 。一般地，消力池深度为1.0—3.0m ，为安全起见，采用消力池深度为1.0m 。
2. 消力池长度计算
消力池上游侧设斜坡段，其长度计算公式为：
L sj =L s +βL j （4—5）
式中：L s 为斜坡段水平投影长度，m ；β为水跃长度校正系数，可采用0.7—0.8；L j 为水跃长度，采用欧勒佛托斯公式计算：
L j =6. 9(h ''-h c ) （4—6）
经计算，L sj =4+0.8⨯12.9=14.3m。考虑可能增大的过流强度，取消力池长度为16m 。
3. 消力池底板厚度计算
消力池底板厚度初步由抗冲要求确定，要求不小于0.5m 。
t =k 1q H （4—7）
式中：t 为消力池底板始端厚度，m ；q 为单宽流量，m ³/(s ⋅m ) ；H 为闸孔泄水时的上、下游水位差，m ；k 1为消力池底板计算系数，可采用0.15—0.20。
经计算t =0. 18⨯2. 3⨯6. 11=0.43m，小于0.5m 。最终消力池底板始端厚度采用1.0m ，末端厚度采用0.5m 。 4.2 海漫设计
水流经过消力池，虽然已经消除了大部分多余能量，但仍留有一定的剩余能量，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，消力池后需要设置海漫等防冲加固设施，使水流均匀扩散，并将流速分布逐渐调整到接近天然河道的水流形态。
1. 海漫的布置和构造
海漫起始段做6m 长的水平段，顶面高程在消力池尾坎顶以下约0.5m ，水平段后做成1:10的斜坡，以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。要求海漫表面具有一定的粗糙度，并具有透水性和柔性。海漫前段使用浆砌石，后段使用干砌石。厚度为0.5m 。构造如下：
图10 海漫构造示意图
2. 海漫长度
海漫长度L 应根据可能出现的最大不利水位和流量的情况进行设计，与消力池出口的单宽流量及水流扩散情况、上下游水位差、海漫本身的粗糙程度等因素有关。根据《水闸设计规范》SL265—2001给出的公式计算。
L =k 2
q H （4—8）
式中：q 为消力池出口处的单宽流量，m ³/(s ⋅m ) ；H 为上、下游水位差，m ；k2为河床土质系数，对于较为坚硬的黏土，取8—7。
经计算得，L =8⨯2. 13⨯6. 11=18.4m，为了更好地达到消除余能的效果，选取海漫长度为24m 。 4.3 防冲槽设计
水流经过海漫后，尽管多余能量得到了进一步消除，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。为保证安全和节省工程量，可以在海漫末端设置防冲槽。
在海漫末端预留足够的块径大于30cm 的石块，当水流冲刷河床，冲刷坑向预计的深度逐渐发展时，预留在海漫末端的石块将沿冲刷坑的斜坡陆续滚下，散铺在冲坑的上游斜坡上，自动形成护面，使冲刷不致再向上游侧扩展。参照已建水闸工程的实践经验，防冲槽大多采用宽浅式，其深度t ''一般取1.5—2.5m ，底宽b 取2—3倍的深度，上游坡率m 1=2—3，下游坡率m 2=3,如图11所示。
图11 防冲槽结构示意图
上游坡率m 1为2.5，下游坡率m 2为3，深度t ''为2.0m 底宽b 为5.0m 。 4.4 排水及反滤
排水一般采用粒径1—2cm 的卵石、砾石或碎石平铺在护坦和浆砌石海漫（海漫前部）的底部，或伸入底板下游齿墙稍前方，厚约0.2—0.3m 。在排水与地基接触处容易发生渗流变形，应做好反滤层。
三、总结
1. 设计结论
临淄节制闸初步设计结果如下：
闸室底板采用分离式，闸底板高程为29.79m ，闸孔数为5，采用开敞式，单孔净宽9.2m ，闸室总净宽46.0m 。底板长度为16.0m ，宽51.2m ，厚1.25m 。闸门和底板均采用钢筋混凝土。
闸墩长度与底板相同，为16.0m ，厚度为1.3m ，闸墩头部和尾部采用圆弧形，半径为0.65m 。
底板上游设置黏土铺盖，铺盖上游端厚度为0.6m ，下游端厚度为1.35m ，长18.0m 。铺盖末端设置长2.0m 的木质短板桩，闸室底板上、下游均设有深0.75m 的齿墙。底板下游接消力池（护坦），长16.0m ，深1.0m ，底板厚度为1.0m 。
消力池下游为海漫段，前端水平段使用浆砌石，长度为6.0m ，后段长18m ，使用干砌石，坡比为1:10，海漫总长度24.0m ，厚度选用0.5m 。
海漫后段为防冲槽，底宽5.0m ，深度2.0m ，上游坡率2.5，下游坡率3。 消力池和海漫底部设置排水层和反滤层，消力池中后部设置排水孔。
2. 课设的意义
本次课设结合了《水工建筑物》、《水力学》等课程的内容，要求将其中与设计相关的知识在实践中熟练灵活地应运，达到了培养学生自主设计水闸枢纽的目的，锻炼了独立完成设计工作的能力，提高了创新意识。为今后的学习和工作积累了经验。
四、参考文献
[1] 林继镛. 水工建筑物（第5版）[M]，水利水电出版社，北京 2011,8
[2] 吴持恭. 水力学（第4版）[M], 高等教育出版社，北京 2009，5
[3] 华东水利学院. 水工设计手册第六卷 [M]，水利电力出版社，北京
[4] 彭国之，谢龙汉. AutoCAD2010建筑制图 [M], 清华大学出版社，北京 2011,7
[5] 水闸设计规范（SL265—2001）[S]，中华人民共和国水利行业标准
[6] 公路路线设计规范（JTJ 011—94），中华人民共和国行业标准
[7] 江苏省水利勘察设计研究院有限公司. 中小型水利水电工程典型设计图集水闸分册 [S]，水利水电出版社，北京
五、致谢
感谢在本次课设中，汪哲荪、陈菊香老师的耐心指导，以严谨认真的态度对待教学，帮助我们学以致用。
感谢每一位在一起做课设的同学，大家的互相鼓励与陪伴，对课设的顺利完成有很大帮助。
感谢学校为我们提供这样一个课程设计的机会，使得我能够把课本上的知识运用到实际中来，感受到了实际工作需要的精神与基本功都需要慢慢培养，在大学期间要注重积累。
六、指导教师评语
指导教师签字：
年
日 月
临淄节制闸设计
一、基本资料
本工程位于流过山东省淄博市境内的淄河中游，距齐鲁石化进水闸的下游约2公里处设置的节制闸。目的是拦截淄河水流，抬高水位，以确保国家重点企业齐鲁石化和近数十万亩农田灌溉的供
水。
淄河由沂蒙山脉为源头，从南至
北，经临朐、青州、淄博、广饶汇入
小清河，再流入渤海。淄河是一条季
节性河流，汛期时来水流量较大，通
常约600m3/s；枯水期时河流干涸，河
床能行人。每当汛期山洪暴发，水流
夹带大量泥砂，河床沉积着较厚的砂
砾，而两岸的地表土为亚粘土。
（一）规划:
流域面积：1670平方公里。
设计流量（5年一遇）：Q=560m3/s，相应的闸上水位：34.55m ，闸下水位：33.75m 。
校核流量（20年一遇）：Q=1300m3/s，相应的闸上水位：36.35m ，闸下水位：35.62m 。蓄水期水位：
1. 正常蓄水位：闸上34.55m ，闸下29.98m （闸下无水）。
2. 最高蓄水位（校核水位）闸上35.90m ，闸下31.98m 。
3. 恶劣放水水位：闸上35.90m ，闸下30.98m 。
表1
图1 临淄节制闸枢纽示意图 闸下水位与流量关系：
（二）闸址的选定:
经地质查勘，选定在淄博市临淄区以南，距齐鲁石化进水闸约2km 处淄河的左岸河湾里。该处地势开阔，地质条件较好，便于多方案的比较，以便选出理想的闸址。
（三）闸址处的地质资料:
根据钻探孔（见地形图）的地质资料看出，因受河流冲积影响，土层变化情况较复杂。具体如下：
1# 钻孔：位于淄河左岸上，自地面高程约36.00m 向下至28.50m 为亚粘土，
土质坚实；高程28.50m 至26.00m 为粉质粘土，较坚实；高程26.00m 至21.00m 为粉土；高程21.00mm 至15.00m 为粉质粘土。
2#、3#、4#、5# 钻孔：同1# 钻孔地质资料。
6# 钻孔：位于淄河主河槽中，自河底高程29.98m 至27.40m 为冲积的砂砾；高程27.40m 至26.20m 为粉质粘土；高程26.20m 至21.50m 为粉土；高程21.50m 至15.20m 为粉质粘土。
7#、8#、9#、10#钻孔：基本同6#钻孔地质资料。
参照附近水利工程抗冲流速的资料：亚粘土的抗冲流量V0=1.9m/s，粉质粘土的抗冲流速V0=1.7m/s，粉土的抗冲流速V0=1.0m/s。
（四）工程设计标准:
根据该闸的规模及用途为2级建筑物。
（五）交通要求及其他:
1. 公路桥面高程为37.18m ，双车道。桥面净宽为9m ，按公路2级级荷载标准设计。
2. 淄河无通航要求，不设船闸，也不设鱼道。
二、设计内容
1. 闸址选择及枢纽布置
临淄节制闸属于平原区水闸枢纽工程，由《水闸设计规范》（SL265—2001），根据水闸最大过闸流量及其防护对象的重要性划分等别，该闸最大过闸流量为1300m ³/s，工程等别为Ⅱ级，该闸的功能主要是拦洪、调节水位以满足上游（齐鲁石化）引水的需要，控制下泄临淄市）流量，保证下游河道安全并根据下游用水需要调节放水流量，不考虑通航功能，不设船闸，也不设鱼道。
1.1 方案比选
闸址选择关系到工程的成败和经济效益的发挥，是水闸设计中的一项重要内容，应根据水闸的功能、特点和运用要求，综合考虑地形、地质、水流、潮汐、泥沙、冻土、冰情、施工、管理和周围环境等因素，通过技术经济比较，选定最佳方案。
闸址宜选择在地形开阔、岸坡稳定、岩土坚实和地下水水位较低的地点。应优先选用地质条件良好的天然地基，避免采用人工处理地基，壤土、中砂、粗砂和砂砾石都适于作为水闸的地基；尽量避开淤泥质土和粉、细砂地基，必要时，应采取妥善的处理措施。
闸址的方案选择要考虑以下几个因素：水力条件、地质条件、功能发挥、施工条件以及经济投资。其中过闸水流的形态是选择闸址时需要考虑的重要因素。要求做到：过闸水流平顺，流量分布均匀，不出现偏流和危害性冲刷或淤积。拦河闸宜选在河道顺直、河势相对稳定的河段，闸的轴线宜与河道中心线正交，其上、下游河道直线段长度不宜小于5倍水闸进口处水面宽度。在河道上建造拦河闸，为解决施工导流问题，常将闸址选在弯曲河段的凸岸，利用原河道导流，裁弯取直，新开上、下游引水和泄水渠，新开渠道既要尽量缩短其长度，又要使其进、出口与原河道平顺衔接。
该水闸枢纽工程的建设可能与原有的济青路存在矛盾，设计中需要考虑保证原公路的通航能力，同时使施工尽量方便、简化。在公路附近建闸，选定的闸址不应与其距离太近。选择闸址应考虑材料来源、对外交通、场地布置、基坑排水和施工水电供应等条件。水闸建成后工程管理维修和防汛抢险等条件也需要加以重视。此外，还有一些因素也影响闸址的选择：占用土地及拆迁房屋少；尽量利用周围已有公路、航运、动力、通信等公用设施；有利于绿化、净化、美化环境和生态环境保护；有利于开展综合经营。
下面列出四种方案，分析各方案的优劣，从中选出最佳方案，各方案的示意图见图2和图3。
方案一：闸址设于原河道弯曲段下游，处于地质钻孔6和钻孔7之间的河段。该处河道曲率较大，闸室位于直段处，但上、下游连接段河道均不顺直，水流进入闸室前不能平顺过渡，弯段处水流容易产生漩涡及折冲水流，对上游护底、铺盖以及两岸的翼墙和护坡会产生较为严重的冲刷，流速过大，水力条件非常不利，严重违背了闸址选择中提出的水力条件要良好的要求。上游流态的不合理将直接影响闸室的稳定性，有碍工程功能的发挥，同时出闸后河段也不够顺直，水流扩散不均匀，无法调整流速分布使流速减缓，水流具有的剩余能量会使得原本抗冲刷能力就不强的砂砾石地
基受到损害。此外，水闸
下游常出现波状水跃和折
冲水流，加剧对河床及两
岸的淘刷，这就对消能防
冲设施提出了很高的要
求，进而使工程造价大大
增高。可见，此方案无论
是水力条件、地质条件还
是施工运用和经济投入
都不甚合理。 图2 闸址选择方案一、二示意图
方案二：闸址设于临淄河上济青路上游处，靠近齐鲁石化，闸室部分在地质钻孔9处。该处河道曲率半径仍然较大，和方案一相比，水力条件不理想，上述涉及到的问题未得到解决，由地质钻孔资料知，河床处上部均为砂砾石，下部逐渐以粉土为主，地质条件欠佳。但考虑到过闸水流剩余的能量较多，将闸址建在河道上游可以加长水闸的下游连接段，利于消能防冲设施的布置，从而使出闸水流的形态渐趋理想。从这一角度讲，方案二有优于方案一的因素。此处再考虑水闸的功能发挥，从地形图上看，当水闸枢纽建于河道上游部分时，闸址距齐鲁石化很近，由于河道凸向东面，使得距临淄市则很远，其对临淄市的用水需要及洪水期的安全不能可靠保证。可见，此方案中水闸功能的发挥存在着严重的矛盾，不够合理。
方案三：总结方案一和方案二，两者的水力条件均存在较为严重的不合理之处，过闸水流的形态又是选择闸址的一个重要影响因素，结合地形图知，该范围内河道几乎没有适宜建闸的直段，各处的曲率半径都很小，同时考虑施工导流问题，若将闸址选在弯曲河段的凸岸，即“裁弯取直”，利用原河道导流，新开上、下游引水和泄水渠，由于水闸枢纽的工期一般较长，不可能在一个枯水期内完建，所以导流渠是必须设置的。地质钻孔资料中给出了河岸处的地质情况，自地面高
程起依次为亚粘土、粉质黏土，地质均较坚实，将闸址选在河岸上，良好的地质条件使水闸不至于在自重和外荷载作用下产生不利的沉降或沉降差，避免了闸室倾斜引起的止水破坏、闸底板断裂、发生塑性破坏等一系列问题。为了保证新开河道中合适的水流流速，新开的河道宽度应与原河道相同，约为60m 。本方案拟采用新开河道，上游部分约在地质钻孔5以南，下游部分连接地质钻孔7处，同时注意与原河道要平顺衔接，闸址选在靠近公路的上游处。
方案四：方案三的水力条件和地质条件都比较理想，符合建造水闸的要求。其次考虑经济投资，应
尽量使新开渠道缩短
长度，但考虑到河道短
又会反过来影响到新
开河道的水力条件，过
闸水流不够平顺，本工
程中经济条件并不是
制约因素，因此提出方
案四，将新开河道长度
适当增加，上游连接处图3 闸址选择方案三、四示意图
位于齐鲁石化西的河道转弯处，下游连接处位于地质钻孔8附加（临淄市以东）。此时水闸的水力条件和地质条件都已非常理想。而新开的河道较长，将闸址选择济青路下方或者在道路下游部分各有利弊，下面做进一步的讨论：
将闸址选在济青路下方，此时上游连接段的长度能够满足使如闸水流平顺的要求，为保证施工时满足原来的通航能力，需要在靠近闸址处新建一条与济青路通航能力相同的临时通航道路，待工程完工后可以利用闸上的交通桥以满足道路的通航要求。这就需要增加建造道路的投资，同时还要考虑到车辆通过时的安全问题，转弯半径要合适，由《公路路线设计规范JTJ 011—94》，汽车专用公路二级平原地区一般最小半径为400m ，在该闸址附近建半径为400m 的公路，工程量大，投资多。
由地形图知，公路下游部分河段较长，能够满足水闸三部分总长的要求。为使施工方便，将闸建于下游部分，具体布置见图2。此时只需要建造临时的施工道路，参照《公路路线设计规范JTJ 011—94》，使用一般公路三级标准，平原微丘地区一般最小半径为200m ，极限最小半径为125m 。此处由于施工限制，采用极限最小半径标准，同时也满足了道路曲率小于3%的要求。将闸址尽量靠近公路，以充分满足下游段消能防冲的要求。
综上所述，采用方案四，将闸址选择靠近公路的下游新开河道中。
1.2 水闸枢纽布置
水闸枢纽布置应根据闸址地形、地质、水流等条件以及该枢纽中个建筑物的功能、特点、运用要求等确定，做到紧凑合理、协调美观，组成整体效益最大的有机联合体。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。闸门用来挡水和控制流量。闸墩用以分隔闸孔和支撑闸门、胸墙、工作桥、交通桥、检修便桥。底板是闸室的基础，用以将闸室上部结构的重量及荷载传至地基，并兼有防渗和防冲的作用。工作桥、交通桥和检修便桥用来安装启闭设备、操作闸门和联系两岸交通。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算，调整流速分布和减缓流速，防止水流出闸后对下游的冲刷。
水闸布置采用上述方案四的位置，水闸轴线与新开河道中心线尽量正交，水闸进口处水面宽度约60m ，上、下游河道长度不宜小于5倍水闸进口处水面宽度，由闸址地形图知，这一要求能够满足。初步拟定水闸位于地质钻孔1和孔2之间，见图3。
2. 闸室布置及闸孔设计
闸室布置包括：闸室结构型式的选择、闸底板型式的选择、闸底板厚度以及底板分缝设置。闸孔设计包括：选择堰型、确定堰顶或底板顶面高程、闸墩尺寸、单孔尺寸以及闸室总宽度。
2.1 闸室布置和构造
1. 闸室结构型式
闸室结构可根据泄流特点和运行要求，选用开敞式、胸墙式、涵洞式或双层式等结构型式。整个闸室结构的重心应尽可能与闸室底板中心相接近，且偏高水位一侧。闸槛高程较高、挡水高度较小，对有泄洪、过木、排冰或其他漂浮物要求的水闸，如节制闸、分洪闸，大都采用开敞式。临淄节制闸挡水时闸门全关，放水时基本是闸门全开，选用开敞式结构，无需设胸墙。
2. 闸底板型式
按底板与闸墩的连接方式可分：整体式底板和分离式底板，按底板的结构型式可分为：平底板、反拱底板和空箱式底板。亚粘土地基属于较为坚硬、紧密的地基，应采用分离式底板，在单孔底板上设双缝，将底板与闸墩分开，闸墩能够传力，底板防渗抗冲能力强。一般情况下，闸室底板宜采用平地板。所以临淄节
制闸采用分离式平底板。底板结构尺寸见图4。
3. 闸底板厚度
底板厚度
根据自身稳定
的需要确定，表
面要平整并具
有良好的防冲
性能。底板厚度
必须满足刚度
的要求，大、中
型水闸可取
（1/6—1/8）
l 0(l 0为闸孔净宽) ，一般为图4 闸室底板示意图
1.0—2.0m ，最薄不宜小于0.6m ，底板配筋率不超过
0.3%，本水闸初步拟定采用钢筋混凝土材料，采用C15的混凝土，底板厚度初选为1.25m 。
4. 底板分缝
底板顺水流方向采用搭接式，单孔底板上设双缝。底板垂直水流方向的分缝在土基上不宜超过35m ，具体的分缝长度需根据抗滑稳定和地基承载力的要求计算得到，在初步设计时暂不予考虑。其他部分的分缝在下文中分析确定。
2.2 闸孔设计
1. 堰型选择
常用的堰型有：宽顶堰和低实用堰。宽顶堰是水闸中最常用的一种型式。有利于泄洪、冲沙、排污、排冰，且泄流能力比较稳定，结构简单，施工方便；其缺点是自由泄流时流量系数较小，容易产生波状水跃。低实用堰有梯形的、曲线形的和驼峰形的。自由泄流时流量系数较大，水流条件较好，但泄流能力受尾水位变化的影响较为明显，当上游水位较高，为限制过闸单宽流量，需要抬高堰顶高程时，常选用这种型式。
临淄节制闸位于平原地区，洪水期不长，考虑到施工方便以及经济合理，采用宽顶堰可以满足泄流要求，此处宽顶堰不需要设置坎，因为闸基为亚粘土，若设置了堰坎，闸前水流的长期冲刷会使得堰坎被填平，失去其功能，浪费投资。所以水闸采用无坎的宽顶堰。
2. 闸底板及闸顶高程
节制闸底板高程一般与河床齐平或略高，本水闸属于大（2）型，由于闸室工程量所占比重较大，适当降低底板高程是有利的。根据地形图上的数据，新开
河道上、下游与原河道衔接处的标高分别为30.12m 和29.40m ，经过线性内插，算得水闸轴线处地面开挖高度为29.79m ，故水闸底板高度定位29.79m 。
根据《水闸设计规范》（SL265—2001），水闸闸顶高程应根据挡水和泄水两种运用情况确定。挡水时，闸顶高程不应低于水闸正常蓄水位（或最高当水位）加波浪计算高度与相应安全超高值之和；泄水时，闸顶高程不应低于设计洪水位（或校核洪水位）与相应安全超高之和。下面分别计算两种情况下的闸顶高程：（假定波浪计算高度为0.5m ）。
挡水时，闸顶高程=正常蓄水位+波浪计算高度+安全超高
3. 闸墩设计
闸墩采用混
凝土建造，头部为
圆形，初估闸室单
孔宽度为10m ，考
虑刚度要求，墩厚
为130cm ，门槽宽
50cm ，深30cm ，
闸墩上游部分设
置门槽，下游为工
作桥及交通桥的
支撑，总长度由各分段长度相加得到，为1520cm ，参照《水工设计手册6——泄水与过坝建筑物》。具体的尺寸见图5。
闸墩的高度由闸上公路桥面高程确定，公路桥面高程为37.18m ，桥面净宽为9m ，桥面采用梁结构，厚度约0.4m ，所以闸墩顶部高程为36.78m 。
4. 闸孔尺寸
首先计算闸孔总净宽。由于给定的设计流量和校核流量相差很大，采用校核流量（20年一遇）Q=1300m³/s。考虑到此时流量很大，水流呈堰流，采用公式（2—1）计算。
L 0=Q =34.55+0.5+0.5=35.55m 泄水时，闸顶高程=校核水位+安全超高 =35.90+0.7=36.60m 故闸顶高程为36.60m 。 图5 闸墩结构示意图
σεm 2g H 03/2 （2—1）
式中：L 0为闸孔总净宽，m ；Q 为设计流量，m ³/s； H 0为计入行近流速水头在
内的堰顶水头，m ；σ、ε、m 分别为淹没系数、侧收缩系数和流量系数，由《水力学》中公式及表格得到；g 为重力加速度，m/s2。
下面计算行近流速：
上游水深H=36.35-29.79=6.56m，1.5H=1.5×6.56=9.84m，距水闸上游9.84m 为安全起见，采用梯形断面的面积计算行近流速v 0, 坡比m 取2，故行近流速v 0=Q (B +mH ) H =1300
(60+2⨯6. 56) ⨯6. 56=2. 71m /s 。
由于流量系数m 决定于堰顶的进口形式和堰的相对高度P 1/H，（P 1为堰坎高度，此处P 1=0）。故m 取最大值0.385。
侧收缩系数ε由下面的经验公式计算：
ε=1-
α00. 2+P 1
H ⋅b B (1-b B ) （2—2）
式中：α0为考虑墩头及堰顶入口形状的系数。初选闸墩头部为圆弧形，堰顶无
坎，故此处取α0=0.10；b 为溢流孔净宽，m ；B 为上游引渠宽，m ；H 为上游水深，
m 。
临淄节制闸初步拟定为5孔闸门，中墩厚1.2m ，边墩厚为1.0m ，计算中假定闸孔总净宽L 0。对于多孔宽顶堰，侧收缩系数应取边孔及中孔的加权平均值：
ε1='"(n -1) ε1+ε1n （2—3）
式中：n 为孔数。但此处忽略中墩和边墩对水流收缩影响的差异，计算时采用总的收缩系数即可。
淹没系数σ取决于h s H 0（h s 为下游水深，h s =35.62-29.79=5.83m）。其中：
H 0=H +v 22g （2—4）
式中，H 为上游水深，m ；H=36.35-29.79=6.56m。 故H 0=6. 56+2. 7122⨯9. 81=6.93m。 由此h s H 0=5.83/6.93=0.84>0.80，查《水力学》表8.2得σ=0.97
闸室单孔宽度b ，在我国大、中型水闸一般为8—12m ，闸孔孔数n ，设计中应取略大于计算要求值的整数，但总净宽不宜超过计算值的3%—5%，当孔数较少时，为便于闸门对称开启，使过闸水流均匀，避免由于偏流造成闸下局部冲刷和使闸室结构受力对称，孔数宜采用单数，但对于临淄节制闸，其放水时流量很
大，基本不存在只开启个别几孔闸门，运行中多为闸门全部开启或全部关闭的情况，不存在折冲水流等问题。所以孔数不受单、双数的限制。拟定闸室总宽度后，尚需考虑闸墩等的影响，根据试算所得结果选取合理的闸孔数、闸门单宽以及闸墩厚度，并且进一步验证水闸的过水能力。从过水能力和消能防冲两方面考虑，闸室总宽度应与河（渠）道宽度相适应，当河（渠）宽为50—100m 时，两者的比值宜大于0.6—0.75。
下面利用表格试算，以求得合理的闸孔总净宽L 0。初步拟定闸室总款与河
经过计算可知，当闸室宽度选用60.0m 时，过流能力较大，会造成浪费，故采取减小闸室宽度的方法，假定闸室总宽B 2=52.0m，试算结果见表4。
从表2中可以看出，当选用5孔闸门时较为合理，但此时过流能力仍然偏大。经最终分析，调整闸孔宽度，选取5孔闸门，单孔净宽b=9.2m，闸孔总净宽L 0=46m，验算过流能力Q=1364.56m³/s。且于3%—5%的要求。
1364. 56-1300
1300
⨯100%=4. 9%
，满足流量差小
3. 水闸的防渗、排水设计
水闸建成后，由于上、下游水位差，在闸基及边墩和翼墙的背水一侧产生渗流。因此需要拟定水闸的地下轮廓，做好防渗、排水设施的构造设计。渗流计算的目的在于求解渗流区域内的渗流压力、渗流坡降、渗流流速及渗流量（通常渗流量可以不计）。
3.1 水闸防渗长度及地下轮廓布置
1. 防渗及排水布置
图6为水闸的防渗布置示意图。不透水的铺盖、短板桩及底板与地基的接触线，即是闸基渗流的第一根流线，为地下轮廓线，其长度是水闸的防渗长度。根据《水闸设计规范》SL265—2001规定，为保证水闸安全，初步拟定所需的防渗长度应满足式（3—1）的要求。
L CH
（3—1）
式中：L 为水闸的防渗长度，m ；H 为上、下游水位差，m ；C 为允许渗径系数，依地基土的性质而定，由《水工设计手册6》查得亚粘土地基在设置反滤层的情况下取C=5，计算时采用恶劣放水水位时上、下游水位差H=4.92m，得到L 最小为24.6m 。显然满足要求。
水闸的地下轮廓可依地基情况并参照条件相近的已建工程的实践经验进行布置，按照防渗与排水相结合的原则，在上游侧采用水平防渗（如铺盖）或垂直防渗（如齿墙、板桩）延长渗径，下游侧设置排水反滤设施（如层面排水、排水
图6 水闸的防渗布置
孔、反滤层等）以防止在渗流出口附近发生渗流变形。临淄节制闸闸址处为亚粘土，主要考虑如何降低作用在底板上的渗流压力，提高闸室的抗滑稳定性，可在闸室上游设置水平防渗，将排水设施布置在消力池底板下。
使用黏土铺盖，其渗流系数应比地基土的渗流系数小100倍以上，初拟铺盖的长度一般为闸上、下游最大水头的3—5倍，选用铺盖长度为20m ，铺盖上游端的最小厚度一般不宜小于0.6m ，铺盖与底板连接处需要加厚，将底板前端做成倾斜面。打板桩可能破坏黏土的天然结构，此处只设置厚为0.1m 、长为2m 的短板桩。采用钢筋混凝土板桩，板桩与闸室底板的连接采用把板桩紧靠底板前缘，顶部嵌入黏土铺盖一定深度。闸底板的上、下游端设深为0.75m 的浅齿墙，用来增强闸室的抗滑稳定，并延长渗径。
2. 分缝方式与止水设备
为了防止和减少由于地基不均匀沉降、温度变化和混凝土干缩引起底板断裂和裂缝，对于多孔水闸需要沿轴线设缝，缝距设为30m ，缝宽为2.0cm 。
为避免相邻结构由于荷重相差悬殊产生不均匀沉降，也要设缝分开，铺盖与底板、消力池与底板，以及铺盖、消力池与翼墙等连接处都要分别设缝；此外消力池本身也设缝分段、分块。
凡具有防渗要求的缝，都应设止水。在闸墩中间、边墩与翼墙间以及上游翼墙本身设铅直止水；在铺盖、消力池与底板和翼墙、底板与闸墩间设置水平止水。 3.2 渗流计算
水闸的渗流计算采用改进的阻力系数法。计算简图见图7。首先验算水闸的
图7 阻力系数法计算简图
防渗长度是否满足要求，与上面求得的所需最小防渗长度相比较。实际防渗长度
L '=0.6+18+1.25+2+0.75+16+0.75+2+3.25=44.6m，满足大于
24.6m 的要求。
各流段水头损失为
h i =ξi
H
n
（3—2）
i
∑ξ
i =1
式中：ξi 为渗流段的阻力系数；H 为上、下游水位差，m 。
单宽流量q=Q/L0=1300/46=28.3m³/(s ⋅m ) 。
上、下游水位差H 采用恶劣放水水位的情况，H=35.9-30.98=4.92m。 当地基不透水层埋藏较深时，计算时透水层地基深度T 采用有效计算深度T e 代替。临淄节制闸地基上部为亚粘土，由于该处属于黄河古道，冲积严重，透水地基为无限深，认为地基不透水层埋藏很深，故需要计算不透水层的等效深度，计算公式为（3—3）。
当L 0/S0≥5时 T e =0.5 L0 当L 0/S0
5L 0
1. 6L 0/S 0+2
（3—3）
式中，L 0、S 0分别为地下轮廓在水平及垂直面上投影的长度。
由水闸防渗计算简图查得，L 0=34m，S 0=3.25m，故L 0/S0=34/3.25=10.5>5，T e =0.5L0=17m。
渗流压力的确定分别按水闸底线轮廓的三种典型流段确定。即进口段和出口段、内部垂直段和内部水平段。每一种典型流段的阻力系数ξ按表5中的公式确定。
表5 典型流段的阻力系数
进、出口水力坡降呈急变曲线形式，由表3中公式算得的进、出口水头损失与实际情况相比，误差较大，需要进行修正。修正后的水头损失h 0为
'
h 0=βh 0 （3—4）
1
⎡⎛T '⎫2⎤⎛S '⎫
+0. 059⎪⎪+2⎥ ⎢12
⎭⎢⎥⎣⎝T ⎭⎦⎝T
'
其中 β=1. 21- （3—5）
式中：h0为按表3中公式计算出的水头损失，m ；β为阻力修正系数；S '为底
板埋深与底面以下的板桩入土深度之和，m ；T '为板桩上游侧底板下的地基透水层深度，m 。
当β>1.0时，取β=1.0。
各分段的阻力系数确定后，可按式（3—2）计算各段的水头损失。假设各分段的水头损失按直线变化，依次叠加，即可绘出闸基渗流压力分布图。
对于进、出口段的水头损失值按照式（3—4）、（3—5）进行修正，修正后的水头损失列于表6中。
各点的渗透压力值列表如下： 下面绘制闸基渗流压力分布图。
图8 闸基渗透压力分布图
为了防止渗流变形保证闸基的抗渗稳定性，要求出口段的溢出坡降必须小于规定的容许值。出口处的溢出坡降J 为
J =
'h 0S '
（3—6）
经计算，J=0.84/4=0.21，小于防止流土破坏的出口段容许坡降值[J]，[J]由《水闸设计规范》（SL265—2001）查得为0.70。满足要求。
4. 水闸的消能、防冲设计
水闸泄水时，部分势能转化为动能，流速增大，而土质河床抗冲能力低。初始泄流时，闸下水深较浅，随着闸门开度的增大而逐渐加深，闸下出流由孔流到堰流，由自由出流到淹没出流都会发生，闸下会产生波状水跃和折冲水流，形态复杂。本设计中按照闸门全开的情况设计。
临淄闸属于平原地区的水闸，由于水头低，下游水位变幅大，采用底流式消能，在闸下产生一定淹没度的水跃消除余能，保护水跃范围内的河床免遭冲刷。消能工主要包括消力池、海漫和防冲槽三部分。 4.1 消力池设计
消力池采用下挖式，布置在闸室之后，池底与闸室底板之间用斜坡连接，斜面坡度采用1:4。消力池末端设置尾坎，用以调整流速分布，尾坎高度选用0.6m 。
1. 消力池深度计算
消力池的深度是在某一给定的流量和相应的下游水深条件下确定的。本节制闸计算消力池深度时，仅考虑5孔闸门全部开启的情况，要求水跃的起点位于消力池的上游端或斜坡段的坡脚附近。水位使用恶劣放水水位，闸下水位为30.98m ，由表1闸下水位与流量关系插值得到流量Q=127.8m³/s。消力池计算简图见图9。
图9 消力池尺寸计算简图
消力池深度的确定按照《水闸设计规范》SL265—2001给出的公式计算。
''-h s '-∆Z d =σ0h c
（4—1）
2⎫⎛b ⎫h c ⎛8αq 1 ''=⎪h c 1+-1⎪ 3 ⎪2b 2⎪gh c ⎝⎭⎝⎭
0. 25
（4—2）
h -T 0h +
3
c 2c
αq
22
2g ϕ
=0 （4—3）
∆Z =
αq
2
2
2
2g ϕh s '
-
αq
22
''2g h c
（4—4）
式中：d 为消力池深度，m ；σ0为水跃淹没系数，可采用1.05—1.10；h c ''为跃后水深，m ；h c 为收缩水深，m ；α为水流动能校正系数，可采用1.0—1.05；ϕ为流速系数，可取0.95—1.0；q 为过闸单宽流量，m ³/(s ⋅m ) ；b1为消力池首端宽度，m ；b2为消力池末端宽度，m ；T0为由消力池底板顶面算起的总势能，m ；∆Z 为出池落差，m ；h s '为出池河床水深，m 。
下面利用公式（4—1）—（4—4）计算消力池深度。比较d 值相差的多少，从而确定消力池深度。
由表9计算得到的消力池深度为0.85m 。一般地，消力池深度为1.0—3.0m ，为安全起见，采用消力池深度为1.0m 。
2. 消力池长度计算
消力池上游侧设斜坡段，其长度计算公式为：
L sj =L s +βL j （4—5）
式中：L s 为斜坡段水平投影长度，m ；β为水跃长度校正系数，可采用0.7—0.8；L j 为水跃长度，采用欧勒佛托斯公式计算：
L j =6. 9(h ''-h c ) （4—6）
经计算，L sj =4+0.8⨯12.9=14.3m。考虑可能增大的过流强度，取消力池长度为16m 。
3. 消力池底板厚度计算
消力池底板厚度初步由抗冲要求确定，要求不小于0.5m 。
t =k 1q H （4—7）
式中：t 为消力池底板始端厚度，m ；q 为单宽流量，m ³/(s ⋅m ) ；H 为闸孔泄水时的上、下游水位差，m ；k 1为消力池底板计算系数，可采用0.15—0.20。
经计算t =0. 18⨯2. 3⨯6. 11=0.43m，小于0.5m 。最终消力池底板始端厚度采用1.0m ，末端厚度采用0.5m 。 4.2 海漫设计
水流经过消力池，虽然已经消除了大部分多余能量，但仍留有一定的剩余能量，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，消力池后需要设置海漫等防冲加固设施，使水流均匀扩散，并将流速分布逐渐调整到接近天然河道的水流形态。
1. 海漫的布置和构造
海漫起始段做6m 长的水平段，顶面高程在消力池尾坎顶以下约0.5m ，水平段后做成1:10的斜坡，以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。要求海漫表面具有一定的粗糙度，并具有透水性和柔性。海漫前段使用浆砌石，后段使用干砌石。厚度为0.5m 。构造如下：
图10 海漫构造示意图
2. 海漫长度
海漫长度L 应根据可能出现的最大不利水位和流量的情况进行设计，与消力池出口的单宽流量及水流扩散情况、上下游水位差、海漫本身的粗糙程度等因素有关。根据《水闸设计规范》SL265—2001给出的公式计算。
L =k 2
q H （4—8）
式中：q 为消力池出口处的单宽流量，m ³/(s ⋅m ) ；H 为上、下游水位差，m ；k2为河床土质系数，对于较为坚硬的黏土，取8—7。
经计算得，L =8⨯2. 13⨯6. 11=18.4m，为了更好地达到消除余能的效果，选取海漫长度为24m 。 4.3 防冲槽设计
水流经过海漫后，尽管多余能量得到了进一步消除，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。为保证安全和节省工程量，可以在海漫末端设置防冲槽。
在海漫末端预留足够的块径大于30cm 的石块，当水流冲刷河床，冲刷坑向预计的深度逐渐发展时，预留在海漫末端的石块将沿冲刷坑的斜坡陆续滚下，散铺在冲坑的上游斜坡上，自动形成护面，使冲刷不致再向上游侧扩展。参照已建水闸工程的实践经验，防冲槽大多采用宽浅式，其深度t ''一般取1.5—2.5m ，底宽b 取2—3倍的深度，上游坡率m 1=2—3，下游坡率m 2=3,如图11所示。
图11 防冲槽结构示意图
上游坡率m 1为2.5，下游坡率m 2为3，深度t ''为2.0m 底宽b 为5.0m 。 4.4 排水及反滤
排水一般采用粒径1—2cm 的卵石、砾石或碎石平铺在护坦和浆砌石海漫（海漫前部）的底部，或伸入底板下游齿墙稍前方，厚约0.2—0.3m 。在排水与地基接触处容易发生渗流变形，应做好反滤层。
三、总结
1. 设计结论
临淄节制闸初步设计结果如下：
闸室底板采用分离式，闸底板高程为29.79m ，闸孔数为5，采用开敞式，单孔净宽9.2m ，闸室总净宽46.0m 。底板长度为16.0m ，宽51.2m ，厚1.25m 。闸门和底板均采用钢筋混凝土。
闸墩长度与底板相同，为16.0m ，厚度为1.3m ，闸墩头部和尾部采用圆弧形，半径为0.65m 。
底板上游设置黏土铺盖，铺盖上游端厚度为0.6m ，下游端厚度为1.35m ，长18.0m 。铺盖末端设置长2.0m 的木质短板桩，闸室底板上、下游均设有深0.75m 的齿墙。底板下游接消力池（护坦），长16.0m ，深1.0m ，底板厚度为1.0m 。
消力池下游为海漫段，前端水平段使用浆砌石，长度为6.0m ，后段长18m ，使用干砌石，坡比为1:10，海漫总长度24.0m ，厚度选用0.5m 。
海漫后段为防冲槽，底宽5.0m ，深度2.0m ，上游坡率2.5，下游坡率3。 消力池和海漫底部设置排水层和反滤层，消力池中后部设置排水孔。
2. 课设的意义
本次课设结合了《水工建筑物》、《水力学》等课程的内容，要求将其中与设计相关的知识在实践中熟练灵活地应运，达到了培养学生自主设计水闸枢纽的目的，锻炼了独立完成设计工作的能力，提高了创新意识。为今后的学习和工作积累了经验。
四、参考文献
[1] 林继镛. 水工建筑物（第5版）[M]，水利水电出版社，北京 2011,8
[2] 吴持恭. 水力学（第4版）[M], 高等教育出版社，北京 2009，5
[3] 华东水利学院. 水工设计手册第六卷 [M]，水利电力出版社，北京
[4] 彭国之，谢龙汉. AutoCAD2010建筑制图 [M], 清华大学出版社，北京 2011,7
[5] 水闸设计规范（SL265—2001）[S]，中华人民共和国水利行业标准
[6] 公路路线设计规范（JTJ 011—94），中华人民共和国行业标准
[7] 江苏省水利勘察设计研究院有限公司. 中小型水利水电工程典型设计图集水闸分册 [S]，水利水电出版社，北京
五、致谢
感谢在本次课设中，汪哲荪、陈菊香老师的耐心指导，以严谨认真的态度对待教学，帮助我们学以致用。
感谢每一位在一起做课设的同学，大家的互相鼓励与陪伴，对课设的顺利完成有很大帮助。
感谢学校为我们提供这样一个课程设计的机会，使得我能够把课本上的知识运用到实际中来，感受到了实际工作需要的精神与基本功都需要慢慢培养，在大学期间要注重积累。
六、指导教师评语
指导教师签字：
年
日 月