水闸课程设计

1、目录第一章 总论 - 11、 工程概述 - 12、 基本资料 - 13、 工程综合说明书 - 2第二章 水力计算 - 31、 闸室的结构形式及孔口寸确定 - 32、 消能防冲设计 - 4第三章 水闸防渗及排水设计 - 61、 闸底轮廓布置 - 62、 防渗和排水设计及渗透压力计算 - 63、 防渗排水设施和细部构造 - 9第四章闸室的布置和构造 - 101、 闸底板、闸墩 - 102、 工作桥、公路桥、检修便桥 - 123、 闸门和启闭机 - 144、 闸室的分缝和止水设备 - 16第五章 闸室的稳定计算 - 181、 荷载及其组合 - 182、 地基应力验算 - 20第六章 上下游建筑物 -

2、 21一、连接建筑物的作用 - 21二、两岸建筑物的选用 -21第一章 总论一、工程概述本枢纽位于某河下游，主要任务是壅高水位，以满足河流两岸引水灌溉要求， 并适当照顾到工业给水、陆路交通等。枢纽由泄洪闸、灌区进水闸等组成。枢纽 建成后可灌溉农田 5.5 万亩。要求闸顶公路净宽 4.5m（如图 1）图一枢纽平面布置图1-泄洪闸 2-进水闸 3-闸上公路二、基本资料1、上下游河道底宽20米，边坡1:1.5。泄洪闸设计过闸流量100m3 / s,相应上游水位为6.10米，下游水位6.0米。校核流量为170m3 / s,相应上游水位为6.50米。此水闸（泄洪闸）为 等 3 级建筑物。2、河道上游正常

3、蓄水位为 5.0 米，最高蓄水位为 6.0 米，下游水位2.5米。泄洪闸下游河道水位流量关系如表 1：3，表 1水位（米）3 3 4 4 4 5 5 5 .20 .70 .10 .45 .80 .10 .35 .60流量12345678( m3/ s )00000000水位（米）5 6 6 6 6 6 6 .80 .00 .10 .20 .25 .30 .33 .406流量91111111( m3/ s )0 001020304050703、泄洪闸上下游底高程 1.0 米，闸底板高程与河底齐平。 4、闸址处地形平缓，堤顶高程在 7.5m 左右。5、闸址持力层为中细砂夹粉土，地基承载力为80kn

4、/m36、 闸址附近多年平均最大风速为 12m/s ，沿水面从水闸上游面到对岸的最 大垂直距离为 2km 。7、 回填土料闸底板下砂垫层 c =0 , f=30 ，g干 =15 kn / m 。两岸翼墙后回填土料 c =0 ,f=30，g干=15 kn / m3 g =15 kn / m 3 g =19 kn / m湿 饱3。8、 闸顶公路桥汽车荷载为汽车10 级，行车路面净宽 4.5m，两侧各加 0.75m 宽的人行道。9、 工作闸门可用钢或钢筋混凝土平面闸门，检修闸门可选用叠梁门。启闭 机用螺杆式或卷扬式固定启闭机。三、工程综合说明书1、 闸室的结构型式及孔口尺寸确定2、 消能防冲设计3、

5、 防渗和排水设计及渗透压力计算4、防渗排水设施和细部构造 5、闸底板、闸墩6、工作桥、公路桥、检修便桥 7、闸门和启闭机8、闸室的分缝和止水设备 9、荷载及其组合10、 地基应力计算11、 闸室稳定验算12、 上游连接建筑物13、 下游连接建筑物第二章 水力计算 第一节 闸室的结构形式及孔口寸确定1) 由于已知上下游水位，可推算上游水头及下游水深，如表表 2.1.1 上游水头计算表计算情况流下游水上 游过水断面面行近v 202g上游水量 q设计水位 100深 hs5.0水深 h5.1积140.02流速0.714 0.0头 h05.1326校核水位 170 5.4 5.5 155.38 1.09

6、4 0.0612) 闸门全开泄洪时，为平底板宽顶堰堰流，判别是否为淹没出流。表 2.1.2 淹没出流判别表5.56计算情况下游水深上游水头0.8h0h 0.8hs0流态hsh0设计水位校核水位5.064.14.455淹没出流淹没出流3) 按照闸孔净宽计算公式，根据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算，m 为堰流流量系数，取 0.385.表 2.1.3 闸孔总净宽计算表计算情况流量q下游水深 hs上游水头 h0hhs0淹没系数侧收缩系数b0设计1005.05.13 0.0.5460.90910.水位校核水位170 5.4 5.569750.9710.549

7、0.9091715.22根据水利水电工程闸门规范中闸孔尺寸和水头系数标准，选定单孔 净宽 b =5m，同时为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用 3 孔，0由 于 闸 基 为 软 基 河 床 ， 选 用 整 体 式 底 板 ， 中 墩 、 边 墩 均 为 1m 。中b +b =bl =nb +（n-1） d =3 5 +2 1 =1704) 校核泄洪能力。根据孔口与闸墩的尺寸计算侧收缩系数，查水闸设计 规范，结果如下：b 5对于中墩孔 0 = =0.833，得eb +d 5 +1zb 5对于边墩孔 0 =d 5 +10.15 +0.5 z2=0.973=0.319，得e =0.912边e

8、=n e +n e 1 中 2n +n1 2边=2 0.993 +0.9121 +2=0.953根据选定的孔口尺寸（3 孔，每孔 5 米）与上下游水位，进一步计算流 量如表：表 2.1.4 过流能力校核计算表计算流量堰上水m q校核过流情况q头 h0能力设计1005.13 0.385 0.546 0.951555.5%流量校核流量170 5.56 0.385 0.54950.955175 2.9%设计情况超过规定 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闸孔尺寸布置如图第二节 消能防冲设计由于本闸位于平原地区，河床的抗冲刷能力较低，所以采用底流式消

9、能。 设计水位或校核水位时，闸门全开泄洪水，为淹没出流，无须消能。闸前为正常高水位 6m，部分闸门局部开启，只宣泄较小流量时，下流水位不高， 闸下射流速度较大，才会出现严重的冲刷河床现象，需设置相应的消能设施， 为了保证无论何种高度的情况下均能发生淹没式水跃消能，所以采用闸前水 深 h=5.0m，闸门局部开启情况，作为消能防冲设计的控制情况。按消力池计算公式计算，结果列如下表：开开过h 单h hz流 池ll启启闸 s宽 cc”(m态 深 jk孔高流 (流 ( ( )数度量 m)量 m)m)10121202-2.05.88.308.2.01淹12315020.没 0118.0.0

10、2.000.02出5.732.581 4318030.流 011.5 0.6 .45 .05 .12 .938 .35 01 .05 6.64 3.3130 431202-6.05.88.308.2.051 941502-0.0.111 151803-0.521.8 .2.05.12.938.35.16表 2.2.1 消力池计算表消力池的深度与长度由计算表可知水流流态皆为淹没出流，所以消力池池深为 0.5m，尺长由表可得为 13.5m，消力池的构造采用下挖式消力池，为了方便施工，消力池的底板采用做成等厚，为了降低底板下的渗透压

11、力，在水平底板的后半部分设置排水孔，孔下铺设 反滤层，排水孔直径 10cm ，间距为 2m ，成梅花形布置，消力池底板t =0.2 8.12 5 - 3.35 =0.65，故取 0.7m。其构造尺寸见下图。海漫长度：海漫的长度可按下列经验公式计算：l =ksqsh取k =11s，则l =ksqs=11 8.12 1.65 =35.5 m海漫纵断面示意图如下：由于水流速度沿海漫全长逐渐减小，故将海漫分成两段。紧接消力池的一段 呈水平状，后面呈斜坡状，坡度 1:10。海漫所用的材料，水平段采用浆砌石材 料，余下的采用干砌石结构。块石直径大于 30cm，厚度为 60cm。海漫段设计排 水孔，下设反滤

12、层。e第三章 水闸防渗及排水设计第一节 闸底轮廓布置1、防渗设计的目的防止闸基渗透变形 ; 减小闸基渗透压力 ; 减少水量损失 ; 合理选用地下轮廓尺 寸。2、布置原则防渗设计一般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，用以延长渗径减小渗透坡降和闸底板下的渗透压力 ; 在低水位 侧设置排水设施，如面层排水、排水孔排水或减压井与下游连通，使地下渗水尽 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。3、地下轮廓布置对于粘性土地基，通常不采用垂直板桩防渗。故地下轮廓主要包括底板和防 渗铺盖。第二节 防渗和排水设计及渗透压力计算闸底板地下轮廓线（单位；mm

13、）地基有效深度的计算。l 240 = =9.6 5，地基有效深度t 为s 2.50t =0.5 l =0.5 24 =12( m)e 03渗流区域分段图（单位；mm）进口段和出口段x0s 2=1.5 +0.441 t 内部垂直段x =y2pp s ln cot 1- 4 t 内部水平段xx=l -0.7(s+s1 2t)分段编号分 s(m段名称)s (1m)s (m2)t(mm)l(阻力系数 ihhii(m) (m)进120.454口水11.140.060. 0 212 0.922平52836垂 2.85直水5880.880.009.510.1平0303垂110.

14、2.79 0.0.直58686水10.0.0. 1 1100.82平52525垂 2.79直水5860.860. 0 09.5 1 0.1平0306出 11 0.517计合口1611.34 3.35133.5各段渗透压力水头损失段别进口段出口段s0.52.5t470.817h 00.060.13h0.080.03h x0.360.06进出口段的阻力系数修正表计算各角点的渗透压力值。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h1h2h3h4h5h6h7h8h9h103.43.02.204 87 1

15、 6 9 3 闸基各角点渗透压力值验算渗流溢出坡降。h 0.13j = 9 = =0.087出口段的溢出坡降为； s 1.5 ，小于中砂出口段允许渗流坡降值j=0.350.40，满足要求，不会发生渗透变形。闸底板下渗透压力分布图第三节 防渗排水设施和细部构造1、铺盖铺盖主要用来延长渗径，应具有相对的不透水性；为适应地基变形，也要有 一定的柔性。这里采用混凝土结构，其长度一般为 35 倍上、下游水位差，拟取 10m。铺盖厚为 0.5m 。铺盖上、下游端设 0.5m 深的小齿墙，其头部不再设防冲 槽。铺盖上游设块石护底，厚 0.3m ，其下设 0.2m 厚的砂石垫层。2、齿墙闸底板的上、下游端一般

16、都设有齿墙，它有利于抗滑稳定，并可延长渗径。 去齿墙深度为 1.5m 。3、侧向防渗侧向防渗主要靠上游翼墙和边墩。上游翼墙为反翼墙，收缩角取为 15 ，延伸至铺盖头部以半径为 6.6m 圆弧插入岸坡。4、排水设施为了减少作用于闸底板上的渗透压力，在整个消力池底板下布设砂砾石排水， 其首部紧抵闸底板下游齿墙。闸底板与铺盖、铺盖与上游翼墙、上游翼墙与边墙 之间的永久性分缝，虽然没有防渗的要求，但为了防止闸基土与墙后填土被水流 带出，缝中铺贴沥青油毛毡。为防止渗透变形，在排水与地基接触处做好反滤层。第四章4.1 闸底板的设计 4.1.1 作用闸室的布置和构造闸底板是闸室的基础，承受闸室及上部结构的全

17、部荷载，并较均匀地传给地 基，还有防冲、防渗等作用。4.1.2 型式根据流量大小、上下游水位，地形地质等因素，本设计闸底板采用开敞式平 底板。4.1.3 长度底板顺水流方向的长度应根据闸室地基条件和上部结构布置要求，以满足闸 室整体稳定和地基允许承载力为原则来分析确定。初拟时可参考以建工程的经验 数据选定，当地基为碎石土和砾（卵）石时，底板长度可取（1.52.5）h（h 为水闸上、下游最大水位差）;砂土和砂壤土则取（2.03.5）h；粉质壤土和壤 土可取（2.04.0）h；粘土取（2.54.5）h。本设计的闸基土质为中细砂夹粉 土，所以闸底板顺水流方向的长度取（2.04.0）h，最终定为 l=

18、12m。4.1.4 厚度底板厚必须满足强度和刚度的要求，通常采用等厚度的，也可采用变厚度的 （后者在坚实地基情况下有利于改善底板的受力条件），应根据闸室地基条件、 作用荷载及闸孔净宽等因素，经计算并结合构造要求确定。大中型水闸平底板厚度可取闸孔净宽的1 168，一般为 1.02.0m，最薄不小于 0.7m。取闸底板厚度 d=1.0m；4.2 闸墩设计4.2.1 作用分隔闸孔并支承闸门、工作桥等上部结构，使水流顺利的通过闸室。4.2.2 外形轮廓应能满足过闸水流平顺、侧向收缩小的，过流能力大的要求。闸墩的外形轮廓设计应满足过闸水流平顺、侧向收缩小、过流能力大的要求。上游墩头采用半圆形， 以减小水

19、流的进口损失；下游墩头宜采用流线型，以利于水流的扩散。4.2.3 厚度闸墩的长度取决于上部结构布置和闸门的形式，一般与底板等长或稍短于底 板。闸墩上下游面为铅直面。闸墩的厚度应满足稳定和强度要求，根据闸孔孔径、受力条件、结构构造要 求、闸门型式和施工方法等确定。根据经验，取闸墩厚度为 1.6m，混凝土材料4.2.4 高度（1） 闸墩顶部高程闸墩顶部高程一般是指闸室胸墙或闸门挡水线上游闸墩和岸墙的顶 部高程，应满足挡水和泄水两种运用情况的要求。挡水时，闸顶高程不应 低于水闸正常蓄水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应的安全超高 值之和；泄水时，不应低于设计洪水位（或校核洪水位）与相应安全超高

20、值之和。水闸安全超高下限值见表 4-16。表 4-1 水闸安全超高下限值水闸级别（单位：米）运用情况12 3 4/5正常蓄挡水时水位最高挡0.30.2水位2 2202 2 2设计洪泄水时水位校核洪1.51.01.00.50.4水位闸墩顶部高程计算：波浪计算高度hz=1.24h5%ghv0=0.0076v-0112gd v 0 13gd式中h当v20=20 250 时，为累计频率 5% 波高的波高h5%，当gdv=250100时，为累计频率 10%的波高h10%；由资料可知：闸址附近多年平均风速为12 m / s，有效吹程为 2km，则：gd

21、v0=9.8 200012=136h5%=0.0076v-0112gd v 0 g13v20=0.0076v-0112gd v 0 g13v20=0.467hz=1.24 h5%=1.24 0.467 =0.58挡水时闸墩顶部高程为：正常蓄水位+波浪计算高度+安全超高=5.0+0.58+0.4=5.98m 最高蓄水位+波浪计算高度+安全超高=6.0+0.58+0.3=6.88m 泄水时闸墩顶部高程为：设计洪水位+安全超高=6.1+0.7=6.8m校核洪水位+安全超高=6.5+0.5=7.0m所以闸墩的顶部高程为7.0m。4.3 闸门与启闭机闸平板闸门槽的尺寸取决于闸门尺寸和支撑型式。工作闸门槽

22、一般不小于 0.3m，宽 0.51.0m，最优宽深比宜取 1.61.8，这里取槽深 0.5m，槽宽 0.8m； 检修门槽一般为 0.150.25，宽 0.150.30m，这里取槽深 0.3m，槽宽 0.5m。 为了满足闸门安装与维修的要求，方便启闭机的布置和运行，检修闸门槽与工作 闸门槽之间的净距不宜小于 1.5m，这里取 2.0m。采用叠梁式闸门槽深为 20cm，宽为 20cm，闸门型式如图 2 所示。图 4.2叠梁式检修闸门示意图4.3.1 启闭机可分为固定式和移动式两种常用固定式启闭机有卷扬式、螺杆式和油压式。 卷扬式启闭机启闭能力较大，操作灵便，启闭速度快，但造价高。螺杆式启闭机 简便

23、、廉价，适用于小型工程，水压力较大，门重不足的情况等。油压式启闭机 是利用油泵产生的液压传动，可用较小的动力获得很大的启闭力，但造价较高。 在有防洪要求的水闸中，一般要求启闭机迅速可靠，能够多孔同步开启，这里采 用卷扬式启闭机，一门一机。4.3.2 启闭机的选型gp 2p根据水工设计手册平面直升钢闸门结构活动部分重量 计算见公式为：g =0.012k k h 支 材1.65b1.85（1）式中 闸门结构活动部分重量，t ；k支闸门的支承结构特征系数，对于滑动式支承取 0.8；对于滚轮式支承取1.0，对于台车式支承取 1.3。k材闸门材料系数，普通碳素结构钢制成的闸门为 1.0 ；低合金结构钢制

24、成的闸门取 0.8。hb孔口高度，取 9m；孔口宽度，取 9m。经过计算得 21 ，考虑其它因素取闸门自重 22t 。 初估闸门启闭机的启门力和闭门力根据水工设计手册中的近似公式：f =（0.10 0.12）p +1.2g q（2）=0.1 0.5 9.81 8.52 =346 kn9 +22 1.2f =（0.10 0.12）p -1.2g w（3）=0.1 0.5 9.81 8.52 9 -22 1.2=293 kn1p = gh2b式中 平面闸门的总水压力， ，kn；b 是单孔宽。fqfw启门力，kn；闭门力，kn；由于闸门关闭挡水时，水压力 值最大。此时闸门前水位为 8.5m ，本次设

25、计的水闸为中型水闸，系数采用 0.10 ，经计算启闭力fq为 346kn ，闭门力fw为293kn 。查水工设计手册选用电动卷扬式启闭机型号 qpq-2 40。4.4 工作桥工作桥是为了安装启闭机和便于工作人员操作而设的桥。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，工作桥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。由启闭机的型号决定基座宽度为 2m，启闭机旁的 过道设为 1m，栏杆柱宽 0.2m 。因此，工作桥的总宽度为 4.4

26、m 。由于工作桥在 排架上，确定排架的高度即可得到工作桥高程。排架高度=闸门高+安全超高+吊耳高度=6+0.5+0.5 =7m工作桥高程=闸墩高程+排架高+t 型梁高=7m+7m+1m=15m 。图 5.3工作桥细部构造图 (单位：cm)4.4.1 交通桥交通桥的作用是连接两岸交通，供车辆和人通行。交通桥的型式可采用板梁 式。交通桥的位置应根据闸室稳定及两岸连接等条件确定，布置在下游。仅供人 畜通行用的交通桥，其宽度不小于 3m；行驶汽车等的交通桥，应按交通部门制 定的规范进行设计，一般公路单车道净宽为 4.5m，双车道为 79m 。本次设计采 用双车道 8m 宽，并设有人行道安全带为 75c

27、m ，具体尺寸如图 4 所示。图 5.4交通桥细部构造图 (单位：cm)4.4.2 检修桥检修桥的作用为放置检修闸门，观测上游水流情况，设置在闸墩的上游端。采用预制 t 型梁和活盖板型式。尺寸如图 5 所示。图 5.5 检修桥细部构造图 (单位：cm)4.5 闸室的分缝与止水水闸沿轴线每隔一定距离必须设置沉陷缝，兼作温度缝，以免闸室因不均匀 沉陷及温度变化产生裂缝。缝距一般为 1530m ，缝宽为 22.5cm。整体式底板 闸室沉陷缝，一般设在闸墩中间，一孔、二孔或三孔一联为独立单元，其优点是保证在不均匀沉降时闸孔不变形，闸门仍然正常工作。凡是有防渗要求的缝，都应设止水设备。止水分铅直和水平两

28、种。前者设在 闸墩中间，边墩与翼墙间以及上游翼墙本身；后者设在铺盖、消力池与底板，和 混凝土铺盖、消力池本身的温度沉降缝内。本次设计缝墩宽 1.6m，缝宽为 2cm，取取中间三孔为一联，取中间三孔为 一联。4.6.两岸连接建筑物：（1）布置型式：水闸两端与河岸或堤、坝等建筑物的连接处，需设置连接 建筑物，它们包括上下游翼墙，边墩或岸墙、刺墙和导流墙等。本设计上游采用 反翼墙，下游采用扭面翼墙转角处的半径为 3 米。(2)结构选型：两岸连接建筑物的受力状态和结构型式与一般挡土墙基本相 同，常用的结构型式有重力式、悬臂式、扶臂式、和空箱式等。因为本设计中的 闸墩顶部高程为 7.0m，闸底板高程为1

29、.0m，即翼墙的高度为 6m，选用重力 式挡土墙，混凝土材料。闸室剖面图见下页：图 2闸室剖面图wwwww12345检修桥重 420kn工作桥及小闸墩重 60kn公路桥重 540kn 闸门重 180kn启闭机重 90kn第五章闸室稳定验算某水闸正常挡水位为 7m，地基为坚实土基，允许承载力为 80kpa，不均匀 系数为 2.5，水闸的其他尺寸见前面例 6-1-6-5，试分析其稳定性。解：（1）设计情况和荷载组合：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，容易发生沉降或者不均匀沉 降，这是验算地基承载力的设计情况。正常挡水位时

30、下游无水，上游为正常挡水 位，上下游水头差最大，闸室受较大的水平推力，是验算闸室抗滑稳定性的设计 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。本次设计地震烈度为 6 度，不考虑地震情况。2 完建无水期和正常挡水期均为基本荷载组合。取中间三孔一联（ 19m） 为单元计算，需计算荷载如表所示。荷载计算情组合况自重压力静水力扬压压力泥沙力地震力浪压基本 水期完建无-组合水期正常挡 - - （2）完建无水期荷载计算及地震承载力验算。1 荷载计算主要是闸室及上部结构自重。在计算中三孔一联为单元，省略 一些细部构件重量，如栏杆，屋顶等。力矩为对闸底板上游端点所取。混凝土重

31、度取 24kn/m，水采用 10kn/m。完建无水期荷载分布图。完建无水期荷载计算 见表。完建无水期荷载计算表力矩荷载闸底板闸墩工作桥上部结构交通桥自重偏心距2030.44651.72204.21.8656.6 3+3967.56-01969.8闸门 887.0410429.合计941.81596.6725564.2321969.82 完建无水期地基承载力为p max =ming m =a w5140地基承载力平均值为p +pp平均 = max min =46( kpa) ( p) =80 kpa2地基不均匀系数为hp= max =1.275 (h) =2.50pmin根据荷载计算结果，可知：

32、完建无水期的地基承载力能够满足要求，地基也不会发生不均匀沉降。（3）正常挡水位荷载计算及地基承载力验算。1 正常挡水期荷载。正常挡水期计算除闸室自重外，还有静水压力，水重， 闸底板所受扬压力，有渗透计算可得。由于浪压力小于静水压力的 5%，忽略不 计。正常挡水期荷载分布图分布表见下。g1g2g3g4hw1g5p1p2gf正常挡水位荷载计算表垂直压力水平压力力矩荷载名称偏心距+-闸室自重10430p1p2625751.670.251043.7518.75力下游水压2250.5112.5浮托力渗透压力312.51202625水重16904.16929合计12120432.570022557041.1687.511687.547553542 正常挡水期地基承载力验算。根据荷载计算结果，采用公式验算，可知正 常挡水期的地基承载力及地基不均匀系数均满足要求。地基承载力为cp maxmin=g m 59 = ( kpa)a w 44地基承载力平均值为p -pp = max min =52(kpa) （p）=80( kpa)2地地基不均匀系数ph= max =1.34 (