(水闸设计)33

1、水闸设计1 总论 1.1 概述.(3) 1.2 基本资料.(3) 1.3 工程综合说明书.(5)2 水力计算 2.1 闸室的结构型式及孔口尺寸的确定.(6) 2.2 消能防冲设计.(7)3 水闸防渗及排水设计 3.1闸底轮廓布置.(10) 3.2 防渗和排水设计及渗透压力计算.(10) 3.3 防身排水设施和细部构造.(12)4 闸室布置 4.1 闸底板、闸墩.(12) 4.2 工作桥、公路桥、检修便桥.(12) 4.3 闸门和启闭机.(12) 4.4 闸室的分缝和止水设备.(13)5 闸室的稳定计算 5.1 荷载及其组合.(13) 5.2 地基应力计算.(16) 5.3 闸室稳定验算.(17

2、)6 上下游连接建筑物 6.1 上游连接建筑物.(17) 6.2 下游连接建筑物.(17)附录公式.(19)1 总论1.1 概述所谓水闸就是主要利用闸门挡水和泄水的中低水头水工建筑物。水闸，按其所承担的主要任务，可分为：节制闸、 进水闸、 冲沙闸、分洪闸、挡潮闸、排水闸等。按闸室的结构形式，可分为：开敞式、胸墙式和涵洞式。开敞式水闸当闸门全开时过闸水流通畅，适用于有泄洪、排冰、过木或排漂浮物等任务要求的水闸，节制闸、分洪闸常用这种形式。胸墙式水闸和涵洞式水闸，适用于闸上水位变幅较大或挡水位高于闸孔设计水位，即闸的孔径按低水位通过设计流量进行设计的情况。胸墙式的闸室结构与开敞式基本相同，为了减少

3、闸门和工作桥的高度或为控制下泄单宽流量而设胸墙代替部分闸门挡水，挡潮闸、进水闸、泄水闸常用这种形式。1.2 基本资料1、 工程概况及拦河闸的任务 某拦河闸闸址以上流域面积2234平方公里，流域内耕地面积288万亩，河流平均纵坡1:6200。本工程属三级建筑物。本工程投入使用后，在正常高水位时，可蓄水2230万立米。上游5个县25个乡已建成提灌站42处，有效灌溉面积25万亩。闸上游开南、北两渠，配支干23条，修建各种建筑物1230座，可自流灌溉下游三县21万农田，效益巨大，是解决某河流域农田的灌溉动脉，同时，也是解决地区浅层地下贫水区的重要水源。2、 地质资料（一）根据地质钻探资料，闸址附近地层

4、中粉质粘土，厚度约25m，其下为不透水层，其物理力学性质如下：1、湿重度r湿=20.0KN/m3土壤干重度r干=16.0KN/m3饱和重度r饱=22.0KN/m3浮重度r浮=10.0KN/m32、 自然含水量时，内摩擦角=23饱和含水时，内摩擦角=20土壤凝聚力C=0.1KN/m23、 地基允许承载力d=150KN/m24、 混凝土，砌石与土基摩擦系数f=0.365、 地基应力的不均匀系数=1.5-2.06、 渗透系数K=9.29103cm/s（2） 本地区地震烈度为6以下三、建筑材料1、石料：本工程位于平原地区、山丘少，石料需从外地供给，距京广线很近，交通条件较好。2、粘土：经调查本地区附近

5、有较丰富的粘土材料。3、闸址处有足够多的沙料四、水文气象（一）气温：本地区年最高气温42，最低气温为-18。（二）风速：最大风速V=20m/s，吹程D=0.6公里（三）降雨量：非汛期（1-6月及10-12月）九个月最大流量为130m3/s年平均最大流量Q=36.1m3/s，最大年径流总量为9.25亿米3年平均最小流量Q=15.6m3/s，最小年径流总量为0.42亿米3（4） 冰冻：颍河流域冰冻时间短，冻土很薄，不影响施工。（5） 上下游河道断面五、批准的规划成果为 （一）灌溉用水季节，拦河闸的正常挡水位为58.72m，下游无水。（二）洪水标准1、设计洪水位50年一遇，相应洪峰流量1145.45

6、m3/s，闸上游的洪水位为59.35m，相应下游水位59.35m。2、校核洪水位为200年一遇，相应洪峰流量1642.35m3,闸上游水位61.00m，闸下游水位60.82m.1.3 工程综合说明书水闸关门挡水时，闸室将承受上下游水位差所产生的水平推力，使闸室有可能向下游滑动。闸室的设计，须保证有足够的抗滑稳定性。同时在上下游水位差的作用下，水将从上游沿闸基和绕过两岸连接建筑物向下游渗透，产生渗透压力，对闸基和两岸连接建筑物的稳定不利，尤其是对建于土基上的水闸，由于土的抗渗稳定性差，有可能产生渗透变形，危及工程安全，故需综合考虑闸址地质条件、上下游水位差、闸室和两岸连接建筑物布置等因素，分别在

7、闸室上下游设置完整的防渗和排水系统，确保闸基和两岸的抗渗稳定性。开门泄水时，闸室的总净宽度须保证能通过设计流量。闸的孔径，需按使用要求、闸门形式及考虑工程投资等因素选定。由于过闸水流形态复杂，流速较大，两岸及河床易遭水流冲刷，需采取有效的消能防冲措施。对两岸连接建筑物的布置需使水流进出闸孔有良好的收缩与扩散条件。建于平原地区的水闸地基多为较松软的土基，承载力小，压缩性大，在水闸自重与外荷载作用下将会产，生沉陷或不均匀沉陷，导致闸室或翼墙等下沉、倾斜，甚至引起结构断裂而不能正常工作。为此，对闸室和翼墙等的结构形式、布置和基础尺寸的设计，需与地基条件相适应，尽量使地基受力均匀，并控制地基承载力在允

8、许范围以内，必要时应对地基进行妥善处理。对结构的强度和刚度需考虑地基不均匀沉陷的影响，并尽量减少相邻建筑物的不均匀沉陷。此外，对水闸的设计还要求做到结构简单、经济合理、造形美观、便于施工、管理，以及有利于环境绿化等。2 水力计算2.1 闸室的结构型式及孔口尺寸的确定(1)闸底板高程的确定：根据地质条件可知，选择平底板，底板高程与河床相连接，取高程为51.92m。(2)闸孔总净宽B0。 50年一遇： 上游水深： H=59.5 - 51.92 =7.58 m 面积分为两个梯形计算： A1=(b+mh)h=(80+0.56.58) =612.99 m2 A2=【（13.162 + 132 +80）+

9、21】1=134.32 m2 A = A1+A2=612.99+134.32 =747.31 m2 上游行近流速:Vo = Q/A =1144.45 /747.31 =1.53 m/s Ho=H +Vo2 /2g =7.58+1.53 /29.8=7.7 m hs / Ho =7.43 /7.7 =0.962 0.8 故为淹没出流 宽顶堰淹没出流的公式为：Bo=.(2-1-1) Uc=0.877+(hs/Ho 0.65)2=0.877+(7.43/7.720.65)2=0.973Bo=69m 200年一遇：(同理) H =61-51.92=9.08 m hs=60.82 -51.92 =8.9

10、 m 面积：A =A1+A2=956.29 m2 Vo=Q/A=1642.35/956.29 = 1.72 m/s Ho=H + Vo2/2g =9.08 + 1.72/(29.8)=9.23mhs/Ho=8.9/9.23=0.960.8 故为淹没出流Uc=0.877+(8.9/9.26-0.65)2 =0.973Bo=74.57m B0取大值，故B0=74.57 m(3)孔数及孔宽确定：取校核可知：B0=bn=14.55=72.5(4)复核过闸流量： Q=B0=1596.71m3/s.(2-1-2) .(2-1-3)满足要求2.2 消能防冲设计(1) 消力池的池深由.(2-2-1)可得流量：

11、分别计算当开度e=1,e=2,e=3,e=3.2的流量当e=1时，H=61-51.92=9.08m,b=72.5,B0=79.9m由e/H=1/9.08=0.110.65,故为闸孔出流。查水力学表8-1得垂直收缩系数=0.616，流量系数，.(2-2-2)hc=e=0.6011=0.601 (2-2-3) 取H0=H,则：=561.5m3/s根据初步计算的流量，求行进流速v0=Q/BH=561.5/79.99.08=0.77m/s则H0=H+V02/2g=9.11m,Q=562.49m3/s按式，,取H0=9.08,=561.25m3/s,v0=Q/BH=561.25/79.99.08=0.7

12、7m/s则H0=H+V02/2g=9.11m,Q=562.18m3/s,基本结果相同当不同开度时如下表：e1233.20.6160.620.6270.628Q（m3/s）562.491096.31065.61703.87Hc（m）0.6161.241.882.01hc（m）3.785.025.795.91hs（m）8.99.029.149.17水面连接方式淹没式水跃淹没式水跃淹没式水跃淹没式水跃由表可知，跃后水深hc均小于下游水深，出闸水流故均为淹没式水跃，可不建消力池，但为稳定水跃，需按构造设计消力池，故消力池深d=0.5m。（2）消力池的长度： .(2-2-4) .(2-2-5) .(2-

13、2-6) .(2-2-7) .(2-2-8) .(2-2-9)(3)消力池底板厚度计算 .(2-2-10) .(2-2-11)（4）海漫设计 .(2-2-12) 使用厚度为40cm的块石材料，前10m采用浆砌石，后17m采用干砌石，浆砌石海漫上设排水孔，干砌石海漫上设浆砌块石埂，断面尺寸为40cm60cm，底部铺设15cm厚的砂砾垫层。（5）防冲槽设计海漫末端的可能防冲刷深度d=.(2-2-12)dL满足要求3.2 防渗和排水设计及渗透压力计算（1） 地下轮廓线简化（见设计图纸）（2） 确定地基有效深度：由地下轮廓线简化图知，地下轮廓的水平投影长度L0=27.2+20.4=47.6m 地下轮廓

14、线垂直投影长度S0=51.9247.92=4 m L0/ S0=47.6/4=11.9755 m 故地基的有效深度Te=0.5 L0=23.8m （3） 渗流区域的分段和阻力系数的计算，过地下轮廓的角点、尖点将渗流区域分成八个典型段（I、VIII段为进出口段，II IV V VII四段为内部垂直段，III VI 为内部水平段。）进口段阻力系数为I =1.5（s/t）3/2+0.441=0.45 内部垂直段阻力系数为II =2/ ln(cot/4(1-0.5/23.5)=0.176内部水平段阻力系数为III =（L-0.7（0.5+3.5）/23.5=0.75内部垂直段阻力系数为Iv =2/ l

15、n(cot/4(1-3.5/23.5)=0.18内部垂直段阻力系数为v =2/ ln(cot/4(1-2/2.8)=0.178内部水平段阻力系数为vI =（L-0.7（2+2）/21.8=1.12内部垂直段阻力系数为vII=2/ ln(cot/4(1-2/21.8)=0.178出口段VIII=1.5（1.2/22.1）3/2+0.441=0.46（4） 计算渗透压力1)各段水头损失的计算情况hi=i =6.8且=3.49则hI=0.87m hII=0.34m hIII=1.46m hIV=0.35m hV=0.35m hVI= 2.18m hVII =0.35m hVIII=0.9m2)进出口

16、段损失的修正 进口段修正系数, 应修正,进口段的水头损失修正量为h=0.50.87=0.435修正量应转移到相邻各段，则 hII =0.34+0.34=0.68 hIII=1.46+ (0.435-0.34)=1.555 同样对出口段损失的修正 进口段修正系数为2=1.21-(1/12(T/T+2) S/T+0.059 )=0.721.0 应修正,进口段的水头损失修正为hVIII=2hVIII=0.648修正量hVII =0.35+ 0.252=0.602验算(3) 计算各角偶点的渗压水头：由上游进口段开始，逐渐向下游从总水头6.8m相继减去各分段水头损失值，即可求得各角点的渗压水头值。H1=

17、6.8mH2 =6.365m H3=5.685m H4=4.13m H5= 3.78mH6 =3.43m H7=1.25m H8 =0.648m H9=0(4)作出渗透压力水头分布图 ： 如图所示(5)闸底板水平段的平均渗透坡降和出口处的平均出逸坡降：闸底板水平段的平均渗透坡降Jx=4.13/27.2=0.152【Jx】=0.52不产生流土，渗流出口处的平均出逸坡J0=0.648/1.2=0.54 J0=1.30.7=0.91不产生接触冲刷，所以闸基防渗满足稳定要求3.3 防渗排水设施和细部构造(见图纸)4 闸室布置4.1 闸底板、闸墩(1)闸底板：底板长度为27.2m，厚度为2m。(2)闸墩

18、：长与底版同长，高度10m即闸墩高程为61.92m 闸墩上设门槽（检修门槽、工作门槽），检修门槽设于上游，槽深0.2m，宽0.2m。工作门槽深0.4m，宽0.5m。闸墩上下游头部均为半圆形，中墩R=0.75m，边墩R=0.5m,缝墩R=0.55m4.2 工作桥、交通桥、检修便桥(1) 工作桥：工作桥的宽度不仅满足启闭机布置要求，且两侧应留有足够的操作宽度。B=启闭机宽度+2操作宽度+2栏杆宽度+2栏杆外宽度=2.178+20.8+20.15+20.05=4.178m,取工作桥净宽为4.2m,工作桥为板梁式结构，预制装配。两根主梁高0.8m,宽0.4m,中间活动铺板厚6cm,结构如设计图，为了保

19、证启闭机的机脚螺栓安置于主梁上，主梁间距为1.6m，在启闭机脚螺栓处，设两根横梁，横梁高30cm,高50cm工作桥设在实体排架上，排架的厚度为闸墩门槽处的颈厚50cm，排架顺水流方向的宽度为2.3m，排架顶部高程=闸墩高程+门高+富裕高度=61.9+10+0.6=72.5（2） 检修便桥：为方便检修，观测在检修门槽处设置检修便桥，桥宽1.5m,桥身结构仅为两根嵌置于闸墩内的钢筋混凝土简支梁。梁高40cm,宽25cm,梁中间铺设厚6cm的钢筋混凝土板。（3） 交通桥：宽6m，其中人行道宽1m，两边设栏杆混凝土路面。4.3 闸门和启闭机根据工程可知：选择平面闸门，其尺寸与孔口尺寸加门槽尺寸，顶部应

20、与最高档水位的0.4m.启闭机采用QP-40式启闭机。4.4 闸室的分缝和止水分缝： 整体式底板的温度沉降缝设在闸墩中间，2孔或3孔成为一个独立单元。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，如铺盖与底板、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，混凝土铺盖及消力池本身也需设缝分段、分块。止水：闸墩中间，边墩与翼墙间及上游翼墙本身设置铅直止水；铺盖、消力池与底版和翼墙、底板与闸墩间以及混凝土铺盖及消力池本身设置水平止水。5 闸室的稳定计算5.1 荷载及其组合取中间一个独立的闸室单元进行分析，闸室结构布置见设计图纸。1.荷载（1）完建期的荷载。完建期的荷载

21、主要包括闸底板重力G1、闸墩重力G2、闸门重力G3、工作桥重力和启闭机设备重力G4、公路桥重力G5和检修桥重力G6。取混凝土、钢筋混凝土的容重为25KN/m3。底板重力为G1=27.2231.2241/2（3+1.5）231.2242=47474KN闸墩重力：每个闸墩重G2= 1/23.140.829.78242（9.2-0.8）1.69.7824-220.29.7824-20.30.69.782430.59.7824+141.69.782430.770.82240.82（9.20.8）24=10458.9KN每个闸室单元有两个闸墩，则G2=G22=10458.92=20917.8KN闸门重力

22、G3G3=2302=460KN工作桥及启闭机设备重力工作桥重力 G4 =20.920.3530.4251/2（0.080.12）0.930.42250.150.1230.42250.061.330.425=489.44136.827.3659.28=702.4KN考虑到栏杆及横梁重力等取G5=750KNQP-40启闭机机身重32.1KN，考虑到机架混凝土及电机重，每台启闭机重40KN，启闭机重力：G5=240=80KNG5= G5 G5=830KN公路桥重力：公路桥每米重约80KN，考虑到栏杆重，则公路桥重为G6=8031.250=2546KN检修便桥重力G7=250KN完建情况下作用荷载和力

23、矩计算见水闸稳定计算表完建情况下作用荷载和力矩计算表（对底板上游端B点求矩）部位重力（KN）力臂（m）力矩底板4747413.6654646.4闸墩（1）471.60.4188.64（2）625.310.465031.2（3）2788.410.729835.28（4）1086.218195519.6（5）471.626.812638.88闸门46010.74922工作桥75010.78025启闭机8010.7856公路桥25461845828检修便桥2502.9725合计72477.8370026.6（2）校核洪水情况下的荷载。在校核洪水位情况时的荷载与设计洪水位情况下相似，所不同的是浪压力、

24、水压力、扬压力。闸室内水的重力W1=9.088.903289.818.910.097289.81=66445.8KN水平水压力P1=1/29.2829.8131.2=13179.2KN（）P2=1/2（7.739.819.059.81）3.831.2=9758.2KN（）P3=1/21029.8131.2=15303.6KN（）P4=1/2（1012.9）9.812.931.2=10163.1KN（）浮托力F=10.99.8127.231.221/2（31.5）29.8131.2=93498.9KN（）渗透压力U=0.39.8127.231.21/22（31.5）9.8131.2=95739K

25、N（）校核洪水位情况下的荷载和力矩计算见图3、表3校核洪水位下荷载、力矩计算表校核洪水位下荷载、力矩计算表（对B点求矩）荷载名称竖向力（KN）水平力（KN）力臂（m）力矩（knm）备注闸室结构重力72477.85.1370026.6上游水压力13179.23.0940723.79758.21.918540.6下游水压力15303.63.335096110163.11.4514736.5浮托力93498.913.61271585渗透压力2497.513.63396.67076.49.0764182.9水重力22204.94.55101032.344240.917.85789702.1合计138923.6103072.822937.425466.71320022.211435431.435850.8（）2529.3（）115408.8（）5.2 地基应力计算（1）完建期闸室基底压力计算由表1可知，G=72477.8KN， M=370026.6KNm，另外，B=27.2m，A=27.23