水闸毕业设计

总论概述一、工程概况涡河发源于河南省中牟县境内，经开封、通许、尉氏、太康、鹿邑等县，在安徽省与惠济河汇合后流入淮河。汇合口以上流域面积4200km2，涡河在鹿邑县境内属平原稳定型河流，河面宽约200m，深约7——10米。由于河床下切较深，又无适当控制工程，雨季地表径流自由流走，而雨过天晴经常干旱，加之打井提水灌溉，使地下水位愈来愈低，严重影响两岸的农业灌溉和人蓄用水。为解决当地40万亩农田的灌溉问题，上级批准的规划确定，在鹿邑县涡河上修建挡水枢纽工程。本工程位于河南省鹿邑县城北约1Km，距汇合口18Km。它是涡河梯级开发中最末一级工程，涡河闸控制流域面积4070Km2。二、拦河闸任务涡河拦河闸所担负的任务是正常情况下拦河截水，抬高水位，以利灌溉。洪水时开闸泄水，以保安全。本工程建成后，可利用河道一次蓄水800万m3，调蓄河水两岸沟塘，大量补给地下水，有利于进灌和人蓄用水，初步解决40万亩农田的灌溉问题，并为工业生产提供足够的水源，同时渔业、航运业的发展，以及改善环境，美化城乡都是极为有利的。基本资料一、地形资料闸址处系平原型河段，两岸地势平坦，地面高程约为40.00m左右。河床坡降平缓，纵坡约为1/10000，河床平均标高约为30.0m，主槽宽度约为80—100m，河滩宽平，至复式河床横断面，河流比较顺直。附闸址地形图一张（1/1000）二、地质资料（一）根据钻孔了解闸址地层属河流冲积相，河床部分地层属第四级蟓更新世Q3与第四纪全新世Q4的层交错现象，闸址两岸地面高程均在43m左右。闸址处地层向下分布情况如下：重粉质壤土：分布在河床表面以下，深约3m。细砂：分布在重粉质壤土以下（河床部分高程约在28.8m以下。）中砂：分布在细砂层以下，在河床部分的厚度约为5m左右。重粉质壤土：分布在中砂层以下（深约22m以下）。中粉质壤土：分布在重粉质壤土以下，厚度5—8m。附闸址附近地址剖面图一张三、土的物理力学性质指标1.物理性质湿容重γa=19kN/m3饱和容重γ饱=21kN/m3浮容重γ浮=11Kn/m3细砂比重γg=27kN/m3细砂干容重γ干=15kN/m32．内摩擦角自然含水量时φ=280饱和含水量时φ=2503.土基许可承载力：【δ】=200kN/m34.混凝土、砌石与土基摩擦系数密实细砂层f=0.365.地基应力不均匀系数粘土（η）=1.5—2.0砂土（η）=2.56.渗透系数中细砂层k=5×10-3平均厚度约5m以下土层k=5×10-5作为相对不透水层四、工程材料1、石料：本地区不产石料，需从外地运进，距离公路很近，交通方便。2、粘土：经调查本地区附近有交丰富的粘土材料。3、闸止处有足够的中细砂。五、本地区地震烈度在6度以下。六、水文气象1、气温：本地区年最高气温42.20C，最低气温-200C，平均气温14.40C。2、风速：最大风速V=20m/s，吹程0.6km。3、径流量：非汛期（1—6月及10—12月）9个月份涡河月平均最大流量9.1m3/s汛期（7—9）三个月，涡河月平均最大流量为149m3/s，年平均最大流量Q=26.1m3/s，最大年径流总量为8.25亿m3。4、冰冻：闸址处河水无冰冻现象。七、河槽整治断面及水位流量关系曲线经批准的规划决定：对原河槽将适当调整，并在两岸作矮堤，以扩大泄洪能力，提高防洪安全的保证率。规划确定的上下游河道整治后断面如附图。下游河道水位流量关系曲线见图1—1。图1—1上下游河道横断面图（单位：m）八、施工条件期为两年材料供应电源：有电网供电，工地距电源线1.0公里。地下水位平均28.0～30.0m九、批准的规划成果根据水利电力部《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》（SDJ12—78）的规定，本枢纽工程为三等工程，其中永久性主要建筑物为3级。灌溉用水季节，拦河闸正常挡水位为39.50m。洪水标准。项目重现（年）洪水流量m3/s闸前水位（m）下游水位（m）设计洪水20132040.7740.61校核洪水100166041.9841.97第三节工程综合说明本工程为拦河闸，建造在河道上。枯水期用以拦截河道，抬高水位，以利上游取水或航运要求；洪水期则开闸泄洪，控制下游流量。一、河闸的特点拦河闸既用以挡水，又用于泄水，且多修建在软土地基上，因而在稳定、防渗、消能防冲及沉降方面都有其自身的特点。1．稳定方面关门拦水时，水闸上、下游较大的水头差造成较大的水平推力，使水闸有可能沿基面产生向下游的滑动，为此，水闸必须具有足够的重力，以维持自身的稳定。2．防渗方面由于上下游水位差的作用，水将通过地基和两岸的土壤会被掏空，危及水闸的安全。渗流对闸室和两岸连接建筑物的稳定不利。因此，应妥善进行防渗设计。3．能防冲方面水闸开闸泄水时，在上下游水位差作用下，过闸水流往往具有较大的动能，流态也较复杂，而土质河床的抗冲能力较低，可能引起冲刷。此外，水闸下游常出现波状水夭和折冲水流，会进一步加剧对河床和两岸的淘刷。因此，设计水闸除应保证闸室具有足够的过水能力外，还必须采用有效的消能防冲措施，以防止河道产生有害的冲刷。4．沉降方面土基上的建闸，由于土基的压缩性大，抗剪强度低，在闸室的重力合外部荷载作用下，可能产生较大的沉降影响正常使用，尤其是不均匀沉降会导致水闸倾斜，甚至断裂。在水闸设计时，必须合理选择闸型、构造，安排好施工程序，采取必要的地基处理等措施，以减少过大的地基沉降和不均匀沉降。二、拦河闸的组成拦河闸通常由上游连接段，闸室段和下游连接段三部分组成。（一）上游连接段上游连接段的主要作用是引导水流平稳地进入闸室，同时起防冲、防渗、挡土等作用。一般包括上游翼墙、铺盖、护底、两岸护坡及上游防冲槽等。上游翼墙的作用是引导水流平顺地进入闸孔并起侧向防渗作用。铺盖主要起防渗作用，其表面应满足抗冲要求。护坡、护底和上游防冲槽（齿墙）是保护两岸土质、河床及铺盖头部不受冲刷。（二）闸室段闸室是水闸的主体部分，通常包括底板、闸墩、闸门、胸墙、工作桥及交通桥等。底板是闸室的基础，承受闸室的全部荷载，并比较均匀地传给地基，此外，还有防冲、防渗等作用。闸墩的作用是分割闸孔，并支承闸门、工作桥等上部结构。闸门的作用是拦水和控制下泻流量。工作桥供安置起闭机和工作人员操作之用。交通桥的作用是连接两岸交通。（三）下游连接段下游连接段具有消能和扩散水流的作用。一般包括护坦、海漫、下游防冲槽、下游翼墙及护坡等。下游翼墙引导水流均匀扩散兼有防冲及侧向防渗作用。护坦具有削能防忡作用。海漫的作用是进一步消除护坦出流的剩余动能、扩散水流、调整流速分布、防止河床冲刷。下游防冲槽是海漫末端的防护设施，避免冲刷向上游扩展。水力计算闸址及形式选择一、闸址选择闸址选择关系到工程建设的成功和经济效益的发挥，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，以及区域经济条件，综合考地形、地质、建筑材料、交通运输、水流、潮汐、冰情、泥砂、施工、管理、周围环境等因素，经技术经济比较确定。闸址应选择在地形开阔、岸坡稳定、岩土坚实和地下水位较低的地点。闸址应选用地质条件良好的天然地基。壤土、中砂、粗砂、砂砾石适与作为水闸的地基。尽量避免淤泥质土和粉砂、细砂地基，必要时，应采取妥善的处理措施。拦河闸应选择在河道顺直、河势相对稳定和河床断面单一的河段，或选择在弯曲的河段采弯取直的新开河道上。应考虑材料来源、对外交通、施工导流、场地布置、基坑排水、施工水电供应等条件，同时还应考虑水闸建成后工程管理维修和防洪抢险等条件。水闸中心线的布置应考闸室与两岸建筑物均匀，对称的要求。拦河闸的中心线一般应与河道中泓线相吻合。该拦河闸选在鹿邑县城北约1km处，闸轴线如地形图所示。二、闸室型式选择闸室按结构形式可分为：开敞式水闸和涵洞式水闸。（一）开敞式水闸闸室上面不填土封闭的水闸。一般有泄洪、排水、过木等要求时，多采用不带胸墙的开敞式水闸，多用于拦河闸、排冰闸等。当上游水位变幅大，而下泄流量又有限制时，为避免闸门过高，常采用带胸墙的开敞式水闸，如进水闸、排水闸、挡潮闸多用这种形式。（二）涵洞式水闸闸身上面填土封闭的水闸，又称封闭式水闸。常用于穿堤水或排水的水闸。洞内水流可以是有压的或无压的。综合考虑该工程特点，上、下游水位差较小，不须控制流量，泄洪时可能有漂浮物等因素，可采用无胸墙的开敞式水闸。（三）闸孔形式的选择闸孔形式一般有宽顶堰型、实用堰低型和胸墙孔口型三种。1．宽顶堰型。这是水闸最常用的底板结构形式。主要优点是结构简单、施工方便、泄流能力比较稳定，有利于泄洪、冲沙、排淤、通航等；其缺点是自由泄流时流量系数小，容易产生波状水。2．实用堰低型。有梯形、曲线型和驼峰型。实用堰型自由泄流时，流量系数较大，水流条件较好，选用适宜的堰面形式可以消除波状水。但泄流能力受尾水位变化的影响较为明显，不稳定。3．胸墙孔口型。这种堰可以减小闸门高度和启门力，也可降低工作桥高和工程造价。根据各种形式的适用条件，综合考虑该工程特点，河槽蓄水，闸前基本没有淤积，闸底高程应尽可能底。因此，采用无底砍平底版宽顶堰，堰顶高程与河床同高，即闸底板高程为30.00m。第二节闸孔尺寸确定一、底板高程确定底板高程与水闸承担的任务、泄流或引水流量、上下游水位及河床地质条件等因素有关。闸底板应置于较为坚实的土层上，并应尽量利用天然地基。在地基强度能够满足要求的条件下，底板高程定得高些，闸室宽度大，两岸连接建筑物相对较低。对于小型水闸，由于两岸建筑物在整个工程中所占比重较大，因而适当降低底板高程，常常是有利的。当然，底板高程也不能定的太低，否则，由于单宽流量加大，将会增加下游消能防冲的工程量，闸门增高，启闭设备的容量也随之增大。另外，基坑开挖也较困难。选择底板高程前，首先要确定合适的最大过闸单宽流量。它取决于闸下游河渠的允许最大单宽流量。允许最大过闸单宽流量可按下游河床允许最大单宽流量的1.2~1.5倍确定。根据工程实践经验，一般在细粉质及淤泥河床上，单宽流量取5~10m3/（sm）；在砂壤土地基上取10~15m3/（sm）；在壤土地基上取15~20m3/（sm）；在黏土地基上取20~25m3/（sm）。下游水深较深，上下游水位差较小和闸后出流扩散条件较好时，宜选用较大值。一般情况下，拦河闸的底板顶面与河床齐平，即闸底板高程30.0m。二、拟定闸孔尺寸及闸墩厚度1．由已知上、下游水位及闸底板高程，由公式（2—1）、式（2—2）可求得上游水头及下游水深。v0=Q/A（2—1）H0=H+v02/2g（2—2）其中v0——行进流速，m/s；Q——过流流量，m3/s；A——过水断面面积，m2；H0——含有行进流速水头在内的闸前水头，m。推算的上游水头及下游水深见表2—1。表2—1上游水头计算流量Q（m3/s）下游水深hs（m）上游水深H（m）过水断面积（m2）行进流速v0（m/s）v02/2g上游水头H0（m）设计流量132010.6110.771228.661.070.0610.83校核流量166011.7911.981412.881.170.0712.052．判别出流流态闸门全开泄洪时，一般属于淹没条件下的水流，所以采用平底板宽顶堰堰流公式，根据设计，校核情况下的上、下游水位及流量进行计算。对于宽顶堰，其淹没条件为：:hs≥0.8H0（2—3）式中hs——下游水深，m；H0——含有行进流速水头在内的闸前水头，m。根据公式（2—3）判别是否为淹没出流，其判别计算见表2—2。表2—2淹没出流判别计算计算情况下游水深hs（m）上游水头H0（m）hs>0.8H0流态设计水位10.6110.8310.61>8.66淹没出流校核水位11.7912.0511.79>9.64淹没出流3．确定闸门总净宽对于平底板宽顶堰，《闸门设计规范》中推荐的堰流公式为：B=（2—4）其中B——闸孔净宽，m；Q——流量，m3/s；ε——侧收缩系数，初拟可按0.95—0.96估计；m——流量系数，初拟可按0.385计算；s——淹没系数，可通过查表求得。按闸门总净宽计算公式（2—4），根据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算，见表2—3。其中堰流侧收缩系数ε取0.96；流量系数m取0.385；淹没系数бs根据hs/H0查《水力学》教材。并取两者的较大值。表2—3闸孔总净宽计算流量Q（m3/s）下游水深hs（m）上游水头H0（m）hs/H0淹没系数бsB0（m）设计流量132010.6110.830.9800.4056.56校核流量166011.7912.050.9780.4257.724.闸孔尺寸的选择闸室单孔宽度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等因素，进行综合比较确定。根据《闸门设计规范》中闸孔尺寸和水头系列标准，选定单孔净宽b=8m，同时为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用7孔。5．闸墩的厚度及墩头形状选用整体式底板，缝设在闸墩上，中墩厚1.2m，缝墩厚1.6m，边墩厚1m。墩头采用圆弧形。闸孔布置如图2—1所示：图2—1闸孔尺寸布置图（单位：m）闸孔总宽度为：L=（7×8）+（2×1.6+4×1.2）=64（m）二、校核闸孔的泄洪能力《水闸设计规范》中堰流的计算公式为：Q=（2—5）式中B=nb0（n为闸孔数，b0为单孔净宽），分别按设计、校核两种情况确定计算参数，求出相应的实际过闸流量Q1，校核过流能力。一般其相对差值不应超过5%。≤5%（2—6）≤5%（2—7）根据孔口与闸墩的尺寸可计算侧收缩系数，查《水闸设计规范》（2-2），结果如下：对于中孔：b0/bs=8/（8+1.2）=0.870得б1=0.967；靠缝墩孔：b0/bs=8/（8+1.6）=0.833得б2=0.973；对于边孔：b0/bs=b0/（b0+bb）=8/（8+11.98*3+2+（80-64）/2）=0.148得б3=0.909所以E=（n1*б中1+n2*б中2+n3*б中3）/（n1+n2+n3）=（1*0.976+4*0.973+2*0.909）/（1+4+2）=0.955与假定接近，根据选定的孔口尺寸与上下游水位，进一步换算流量如下表所示：表2—4过流能力校核计算计算情况（m3/s）堰上水头H0（m）hs/H0бsεQ校核过流能力设计流量132010.830.9800.400.961306.990.99%校核流量166012.050.9780.420.961610.642.97%两种情况下过流能力都小于5%，说明孔口尺寸的选择较为合理，所以不再进行调整。闸孔选7孔，单孔净宽为8m。三、辅助曲线的绘制根据水闸所在的河流纵横断面图，绘制下游水位与流量关系曲线。用明渠均匀流公式进行计算：Q=ACC=R=A/x（2—8）式中A——过流断面面积，m2；C——谢才系数，m1/2/s；R——水力半径，m；n——河槽的糙，查水力学教材6—3，取n=0.05；x——过水断面的湿周，m；i——渠道底坡，本设计i=1/10000。假设下游水深hs，由公式（2—8）求得相应的流量Q，可列表计算，如表2—5所示。hs（m）A（m2）X（m）R（m）C（m0.5/s）Q（m3/s）1.08386.30.9619.916.162.017292.651.8622.252.013.026798.972.7023.60103.544.0368105.303.4924.64169.405.0475111.624.2625.46242.166.0588117.954.9926.14343.357.0711128.275.5426.61445.328.0840134.606.2427.14569.489.0975140.926.9227.61708.15表2—5下游水深与流量表根据下游水深与流量表绘制下游水深与流量关系曲线图H～Q图，见附图。附图下游断面H~Q关系曲线图第三节消能防冲设计水闸泄水时，部分势能转化为动能，流速增大，具有较强的冲刷能力，而土质河床的抗冲能力又较低，因此，必须采取适当的消能防冲措施。那么首先应了解过闸水流的特点。一、过闸水流的特点1．水流形式复杂初始泄流时，闸下水深较浅，随着闸门开度的增大而会逐渐加深，闸下出流由孔口到堰流，自由出流到淹没出流都会发生，水流形态比较复杂。因此，消能设施应在任意工作情况下，均能满足消能的要求并与下游很好的衔接。2、闸下易形成波状水跃由于水闸上下游水位差较小，出闸水流的拂汝得数较低（Fs=1—1.7），容易放生波状水跃，特别是在平底板的情况下更是如此。此时，无强烈的水跃旋滚，水面波动，消能效果差，具有较大的冲刷能力。另外，水流处于急流状态，不易向两侧扩散，致使两侧产生回流，缩小河槽有效过水宽度，局部单宽流量增大，严重地冲刷下游河道。3、闸下容易出现折冲水流一般水闸的宽度较上下游河道窄，水流过闸时先收缩而后扩散。如工程布置或操作运行不当，出闸水流不能均匀扩散，将使主流集中，蜿蜒蛇行，左冲右撞，形成折冲水流，冲毁消能防冲设施和下游河道。二、消能防冲方式选择泄水建筑物下游水流的消能防冲方式有以下几种形式。1．底流式衔接消能能使下泄的高速水流在较短的距离内有效地通过水跃转变为缓流，消除余能，与下游河道的正常流动衔接起来。平原地区的水闸，由于水头低，下游水位变幅大，适用底流式消能。2．挑能式消能在建筑物出流部位利用挑流鼻坎将水流抛射在较远的下游，不致影响建筑物安全。适用山区灌溉渠道上的泄水闸和退水闸，下游为坚硬的岩体，又具有较大的水头的情况。3．面流式消能对下游水深较大且稳的情况，可采用低与下游水位的跌坎，将下泄的高速水流送入下游河道水流表层，在坎后形成底部旋滚，减轻对河床的冲刷，并消除余能。由于本闸位于平原地区，河床的抗冲刷能力较低，采用底流式消能。三、能防冲设施的设计（一）消能控制条件分析设计水位或校核水位时闸门全开，宣泄洪水，为淹没出流，无须消能，闸前为常高水位39.50m，部分闸门局部开启，只宣泄较小流量时，下游水位不高，闸下射流速度较大，才会出现严重的冲刷河床现象，须设置相应的消能设施。为了保证无论何种开启高度的情况下均能发生淹没式水跃消能，采用闸前水深H=9.5m，闸门局部开启情况，作为消能防冲设计的控制情况。为了降低工程造价，确保水闸安全运行，可以规定闸门的操作规程，本设计按1、3、5、7孔对称方式开启，分别对不同开启孔数和开启度进行组合计算，找出消力池池深和池长的控制条件。《水闸设计规范》中指出，消力池计算简图及主要计算公式如下：图2—3消力池计算简图孔口出流流量公式：Q=（2—9）消力池池深：d=hc″－－Δz（2—10）挖池前收缩水深：hc=（2—11）挖池后收缩水深：=0（2—12）跃后水深：hc″=（2—13）出池落差：Δz=（2—14）式中Q——下泄流量，m3/s；μ——宽顶堰上孔流流量系数，μ=ε＇φe——闸门开启高度，m；ε＇——收缩系数；φ——流速系数，φ=0.9~1.0，取φ=0.985b——闸孔单宽，m；H0——堰上水头，m；n——开启孔数；d——消力池深度，m；σ0——水跃淹没系数，可采用1.05~1.10，取1.05；hc〃——跃后水深，m；hc——收缩水深，m；T0——总势能，m；Δz——出池落差，m；hs——出池河床水深，m。对于消力池池深的计算，应先计算出挖池前收缩水深，按《水利学》公式估算出池深，然后求出总势能，再试算出挖池后的收缩水深。其计算式如下：消力池长度：Lsj=Ls+βLj（2—15）水跃长度：Lj=6.9（hc＂-hc）式中Lsj——消力池长度，m；Ls——消力池斜坡段水平投影长度，m；β——水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8；Lj——水跃长度，m。通过跃后水深与下游水深的比较进行流态判别，经过计算，找出最大的池深，池长作为相应的控制条件。同时考虑到经济及其他原因，对池深较大的开启度采用限开措施。关于流态判别如下：hc＂<hs为淹没出流；hc＂=hs为临界状态；hc＂>hs为自由出流的远驱式水跃。按式（2—9）、式（2—10）、式（2—11）、式（2—12）、式（2—13）、式（2—14）、式（2—15）、式（2—16）估算消力池深及池长，其结果如表2—6所示。表2—6消力池池深、池长估算开启孔数n开启高度e收缩系数泄流量Qm3/s单宽流量q(m3/sm）收缩水深hc（m）跃后水深hc(m)下游水深hs（m）流态判别自由出流削力池尺寸池深d(m）池长lsj(m)水跃长lj(m)备注11.00.6637.780.624.212.202.0128.5827.391.20.6759.420.744.592.452.1430.6031.741.50.69311.660.935.012.802.2132.6533.192.00.612215.311.245.623.302.3236.4036.16池深控制2.50.615118.861.566.083.702.3838.9139.19限开30.80.61526.330.493.853.720.3218.8823.461.20.62269.420.744.594.80淹没出流1.50.628011.660.935.015.402.00.636715.311.245.626.25注：计算式中系数如下：=1.05，φ=0.97，β=0.75，消力池坡段边坡系数m=4。通过计算，为了节省工程造价，防止消力池过深，对开启1孔开启高度为2.5m限开，开启高度为2.0m的消力池池深为控制条件。（二）消力池尺寸及构造1．消力池深度的计算根据所选择的控制条件，估算池深为2.3m，用公式（2—12）、（2—13）、式（2—14）计算挖池后的收缩水深hc1和相应的出池落差Δz及跃后水深hc＂。计算如下：T0=H0+d=11.8（m）即11.8=用迭带法求得=1.09hc＂===6.10（m）Δz===0.87（m）验算水跃淹没系数σ，由《水力学》教材公式求：σ0=（d+hs+Δz）/hc＂（2—17）得σ0=（2.3+3.30+0.87）/6.10=1.061符合在1.05~1.10之间的要求。2．消力池池长根据池深2.3m，用式（2—15）、式（2—16）求得相应的消力池长度为36m。3．消力池护坦厚度消力池底板（即护坦）承受水流的冲击力、水流脉动压力和底部扬压力等作用，应具有足够的重量、强度和抗冲耐磨的能力。护坦一般是等厚的，也可采用不同的厚度，始端厚度大，向下游逐渐减小。护坦厚度可根据抗冲和抗浮要求，分别计算，并取其最大值。按抗冲要求计算消力池护坦厚度公式为：t=k1（2—18）按抗浮要求计算消力池护坦厚度公式为：t=k2（2—19）式中t——消力池底板始端厚度，m；k1——消力池底板计算系数，可采用0.175~0.20；k2——消力池底板安全系数，可采用1.1～1.3；py——扬压力，kpa；ΔH＇——泄水时上、下游水位差，m；Hd——消力池内平均水深，m；γ——水的重度，kN/m3；γ1——消力池底板的饱和重度，kN/m3。该工程可根据抗冲要求，按式（2—18）计算消力池底板厚度。其中k1取为1.80，q为确定池深时的过闸单宽流量，此处q=15.31m3/（sm），ΔH`为相应于单宽流量的上、下游水位差（上游水深9.50m，下游水深3.30m），则其底板厚度为：t=0.18=1.11（m）可取消力池底板厚度为t=1.20m。4．消力池的构造底流式消力池设施有三种形式：挖深式、消力槛式和综合式。①当闸下游尾水深度小于跃后水深时，可采用挖深式消力池消能；②闸下游尾水深度略小于跃后水深时，可采用消力槛式消力池消能；③闸下游尾水深度远小于跃后水深，且计算深度应较深时，可采用挖深式与消力槛式相结合的综合式消力池消能。护坦与闸室、岸墙及翼墙之间，以及其本身沿水流方向均应用缝分开，以适应不均匀沉陷和温度变形。护坦自身缝距可取10～20m，靠近翼墙的取小些，缝宽2.0～2.5cm。护坦在垂直水流方向通常不设缝，以保证其稳定性。缝若在闸基防渗范围内，缝中应设止水设置，其他一般铺设沥青油毛毡。为增强护坦的抗滑稳定性，常在消力池末端设置齿墙，深一般为0.8～1.5m，宽为0.6～0.8m。结合本工程的特点，选用挖深式消力池。为了便于施工，消力池的底板作成等厚，为了降低底板下部的渗透压力，在水平底板的后半部设置排水孔，孔下铺设反滤层，排水孔孔径为10cm，间距为2m，呈梅花形布置。消力池构造尺寸如下图2—4。图2—4消力池构造尺寸图（单位：高程m、尺寸cm）四、防冲加固措施（一）海漫设计1．海漫的作用水流经过消力池，虽已消除了大部分多余能量，但仍留有一定的剩余动能，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，护坦后仍需设置海漫等防冲加固设施，以使水流均匀扩散，并将流速分布逐步调整到接近天然河道的水流形态。2．漫的布置和构造一般海漫起始端做成5～10m水平段，顶面高程可与护坦齐平或在消力池尾坎顶以下0.5m左右，水平段后作成不陡于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。对海漫的要求有：①表面有一定的粗糙度，以利进一步消除余能；②具有一定的透水性，以便使渗水自由排除，降低扬压力；③具有一定的柔性，以适应下游河床可能的冲刷变形。常用的有以下几种形式。（如图2—5）（1）干砌石海漫。一般由颗粒粒径大于30cm的块石砌成，厚度为0.4~0.6m，下面铺设碎石、粗砂垫层，层厚10~15cm，如下图（a）。干砌石海漫的抗冲流速为2.5~4.0m/s。为了加大其抗冲能力，可每隔8~10m设一浆砌石埂。干砌石常用在海漫后段。（2）浆砌石海漫。砌石粒径大于30cm，厚度为0.4~0.6m，砌石内设排水孔，下面铺设反滤层或垫层，（如下图（b））。浆砌石海漫的抗冲流速可达3~6m/s，但柔性和透水性较差，一般用于海漫的前部约10cm范围内。（3）混凝土板海漫。整个海漫由板块拼铺而成，每块板长2~5m，厚度为0.1~0.3m，板中有排水孔，下面层，（如图（c）、（d））。混凝土板海漫的抗冲流速可达6~10m/s，但造价高。有时为增加表面糙率，可采用斜面式或城垛式混凝土块体（如图（e）（f））。铺设时应注意顺水流流向不宜有通缝。（4）钢筋混凝土板海漫。当出池水流的剩余能量较大时，可在尾榄下游5~10m范围内采用钢筋混凝土板海漫，板中有排水孔，下面铺设反滤层或垫层，（如图（g））。（5）其他形式海漫。如铅丝石笼海漫，（如图（h））。图2—5海漫构造示意图（单位：cm）3．海漫长度计算根据可能出现的不利条件、流量组合计算。当=1～9，且消能扩散条件良好时，海漫长度可按《水工建筑物》中公式（2—20）计算，并选取最大值。Lp=ks（2—20）式中Lp——海漫长度，m；qs——消力池末端单宽流量，m3/（sm）；ΔH＇——泄水时上、下游水位差，m；ks——海漫长度计算系数，查《水工建筑物》，取ks=12。用式（2—20）计算海漫长度，结果列表如2—7所示。表2—7海漫计算长度流量Q（m3/s）上游水深H（m）下游水深hs（m）qsm3/（sm）ΔH＇（m）Lp（m）1009.52.931.256.5721.52009.54.432.505.0728.13009.55.583.753.9232.74009.56.555.002.9535.25009.57.486.252.0235.86009.58.237.501.2734.97009.58.928.750.5831.0取其中计算表中的最大值，确定海漫长度为36m。4、海漫的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，有一定的柔性，所以选择在海漫的起始段为10m长的浆砌石水平段，因为浆砌石的抗冲性能较好，其顶面高程与护坦齐平。后26m作成坡度为1：13的干砌石段，以便使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。海漫厚度为0.6m，下面铺设15cm的砂垫层。（二）防冲槽设计1．作用防止冲刷坑向上游扩展，保护海漫末端的安全。2．工作原理水流经过海漫后，尽管多余能量得到了进一步的消除，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。为了保证安全和节省工程量，常在海漫末端设置防冲槽或采取其他加固措施。在海漫末端挖槽抛石预留足够的石块，当水流冲刷河床形成冲坑时，预留在槽内的石块沿斜坡继续滚下，铺在冲坑的上游斜坡上，防止冲刷坑向上游扩展，保证海漫的安全。3．尺寸根据《水闸设计规范》由冲刷坑估算防冲槽深度如下：t＂=1.1q＇/［v0］－t（2—21）式中t＂——海漫末端的可能冲刷深度，m；q＇——海漫末端的单宽流量，m3/（sm）；［v0］——河床土质的不冲流速，m/s；t——海漫末端的水深，m。其中河床土质的不冲流速可按《水力学》教材公式（2—22）求出：［v0］=v0R1/4~1/5式中［v0］——河床土质的不冲流速，m/s；v0——查水力学表6-5可知，此处取v0=0.8m/s；R——水力半径，R=A/x；hs＂——海漫末端的河床水深，m。海漫末端河床冲刷坑深度按式（2—21）、式（2—22）计算，按不同的情况计算结果如表2—8所示。表2—8海漫冲刷坑的深度计算计算情况q＂m/（sm）相应过水面积A（m2）湿周x（m）R1/5［v0］（m/s）hs＂（m）d＇（m）校核情况13.681704.85171.221.7701.23913.79-1.64设计情况11.201512.28163.751.7431.39412.61-3.77根据计算结果可不设防冲槽，但根据水闸的构造要求可设置防冲槽的深度为1.6m。采用宽浅式，底宽取（2～3）d，此处取为取4.0m，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。如图2—6所示。图2—7海漫防冲槽构造图（单位：m）（三）上、下游岸坡防护为了保护上、下游翼墙以外的河道两岸岸坡不受水流的冲刷，需要进行护坡。采用浆砌石护坡，厚度为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。第三章防渗与排水设计闸底地下轮廓线的布置一、防渗设计的目的防止闸基渗透变形；减小闸基的渗透压力；减少水量损失；合理选用地下轮廓的尺寸，以延长渗径，防止闸基和两岸产生渗透破坏。二、防渗排水的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，使低下渗水尽快排出，以减小渗透压力，并防止在渗流出口附近发生渗透变形。三、防渗设施根据闸址附近的地质情况来确定相应的措施，防渗措施常采用水平铺盖，而不用板桩，以免破坏黏土的天然结构，在板桩与地基间造成渗流通道。砂性土易产生管涌，要求防止渗透变形是其考虑的主要因素，可采用铺盖与板桩相结合的形式。1．铺盖为水平防渗措施，适用于粘性和砂性土基。2．板桩为垂直防渗措施，适用于砂性土基，一般设在闸底板上游或铺盖前端，用于降低渗透压力。3．齿墙一般设在底板上、下游端，利于抗滑稳定，延长渗径。由于闸基土质以黏性土为主，防渗设备采用黏土铺盖，闸底板上、下游侧设置齿墙，为了避免破坏天然的黏土结构，不宜设置板桩。四、地下轮廓线布置1．闸底板长度拟定根据闸底板的形式，用经验公式（3—1）计算，并综合考虑闸上结构布置及地基承载力两方面因素，拟定闸底板顺水流方向长度。L底=A×H（3—1）式中A——系数，对于砂砾石地基可取1.5~2.0，对于砂壤土可取2.0~2.5，对于黏壤土地基可取2.0~3.0，对于黏土地基可取2.5~3.5；该工程闸基为重粉质壤土，取A=2.0；H——上、下游最大水头差。L底=A×H=2.0×9.5=19（m）综合考虑，上部结构布置及地基承载力要求，确定闸底板长度为20m。2．闸底板厚度的拟定可取t=（1/5~1/8）×8=1.0~1.6m。实际取为1.5m。3．齿墙尺寸的确定一般深度为0.5~1.5m，厚度为闸孔净宽的1/5~1/8。该设计取1.0m，厚度取1.0m。如图3—1所示。图3—1底板尺寸图（单位：cm）4．铺盖主要用来延长渗径，具有相对不透水性和一定的柔性。铺盖常用黏土、黏壤土或沥青混凝土等材料，有时也可用钢筋混凝土作为铺盖材料。铺盖的长度采用上、下游最大水头差的3~5倍。铺盖的厚度应根据铺盖土料的允许水力坡降值计算确定，即=H/J，其中，H为铺盖顶、底面的水头差，J为材料允许坡降，黏土为4~8，壤土为3~5。铺盖上游端的最小厚度一般为0.6~0.8m，逐渐向闸室方向加厚至1.0~1.5m。根据上述原则，铺盖的长度确定为为（3~5）9.5=45（m）；铺盖的厚度，上端取0.6m，末端取1.5m，以便和闸底板连接。为了防止水流冲刷及施工时破坏黏土铺盖，在其上设置30cm厚浆砌块石保护层，10cm厚的砂垫层。如图3—2。图3—2黏土铺盖的结构图（单位：cm）5．闸基防渗长度的确定初步拟定闸基防渗长度应根据《水闸设计规范》公式（3—2）：L≥C×H（3—2）式中L——闸基防渗长度，即闸基轮廓线防渗部分水平段和垂直段长度的总和，m；C——允许渗径系数值，见表5-3，因为地基土质为中粉质壤土，查表取C=7；H——上、下游最大水头差，m。由于闸基土质以粘性土为主，防渗设备采用黏土铺盖，底板上下游设置齿墙，由式（3—2）计算闸基理论防渗长度。其中C值因地基土质为重粉质壤土取为7。L=C×L=7×9.5=66.5（m）6．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。铺盖长度+闸底板长度+齿墙长度=45+2+2×20.5+16+1+2.5=69.33（m）≥L=66.5（m）通过校核，地下轮廓线的长度满足要求。五、排水设备的细部构造1、排水设备的作用采用排水设备，可降低渗透压力，排除渗水，避免渗透变形，增加下游的稳定性。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，做到既减少渗透压力又避免渗透变形。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。排水反滤层一般由2~3层粒径的砂和砂砾石组成。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；相临两层间，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，以保证排水通畅；同时还应保证耐久、稳定。本设计的反滤层由碎石、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。见下图3—3：图3—3反滤层构造图（单位：cm）（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）侧向排水设计侧向防渗排水布置（包括刺墙、板桩、排水井等），并应根据上、下游水位、墙体材料和墙后土质以及地下水位变化等综合考虑，并应与闸基的防渗排水布置相适应，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．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降缝中设置沥青麻袋止水。其构造如图3—2。第二节渗流计算一、渗流计算的目的计算闸底板各点的渗透压力；验算地基土在初步拟定的地下轮廓线下的渗透稳定性。二、计算方法的选择计算方法有直线比例法、流网法和改进阻力系数法。1．直线比例法对于地下轮廓线比较简单，地基又不复杂的中、小型工程，可采用直线比例法；直线比例法是假定渗流沿地下轮廓流动时，水头损失沿程按直线变化，求地下轮廓各点的渗透压力。直线比例法有勃莱法和莱因法两种。（1）勃莱法将地下轮廓予以展开，按比例绘一直线，在渗流开始点作一长度为Hx的垂线，并由垂线顶点用直线和渗流溢出点相连，即得地下轮廓展开成直线后的渗透压力分布图。任一点的渗透压力hx，可按比例求得：hx=Hx/L（2）莱因法根据工程实现，莱因法认为水流在水平方向和垂直方向流动，削能的效果是不一样的，后者为前者的三倍。在防渗长度展开为一直线时，应将水平渗径除以3，再与垂直渗径相加，即得折算后的防渗长度，然后按直线比例法求得各点渗透压力。2、流网法对于边界条件复杂的渗流场，很难求得精确的渗流理论解，工程上往往利用流网法解决任一点渗流要素。流网的绘制可以通过实验或图解来完成。前者运用于大型水闸复杂的地下轮廓线和土基，后者运用于均质地基上的水闸，即简便，又有足够的精度。3、进阻力系数法这是一种以流体力学为基础的近似解法。对于比较复杂的地下轮廓，先将实际的地下轮廓进行适当简化，使之成为垂直和水平两个主要部分。再从简化的地下轮廓线上各角点和板桩尖端引出等势线，将整个渗流区域划分为几个简单的典型流段。由于改进阻力系数法计算结果精确，本设计采用此种方法进行渗流计算。三、改进阻力系数法计算渗透压力基本原理如上所述。计算公式（出自《水闸设计规范》）1．确定地基的有效计算深度Te当地基不透水层埋藏较深时，须有一个有效计算深度Te来代替实际深度T，Te可根据《水闸设计规范》公式（3—3）确定：当l0/s0≥5时，Te=0.5l0当l0/s0＜5时，Te=5l0/（1.6l0/s0+2）（3—3）式中Te——土基上水闸的地基有效计算深度，m；l0——地下轮廓的水平投影长度，m；s0——地下轮廓的垂直投影长度，m。l0/s0=（45+20）/2.5=26＞5地基的有效深度Te为Te=0.5l0=0.5×（45+20）=32.5（m）计算Te大于实际的地基透水层深度8m，所以取最小值Te=8m。2．典型段的划分先将实际的低下轮廓线进行简化，使之成为垂直和水平两个主要部分。再从简化的低下轮廓线上各角点和板桩尖端引出等势线，将整个渗流区域划分为几个典型流段：进、出口段，内部垂直段和水平段。3．计算各典型段的阻力系数（如图3—4）图3—4典型流段计算图①进、出口段：ε0=1.5（S/T）3/2+0.441（3—4）式中ε0——进、出口段的阻力系数；S——板桩或齿墙的入土深度，m；T——地基透水层深度，m。②内部垂直段：εy=2/πlnctg（π/4（1－S/T））（3—5）式中εy——内部垂直段的阻力系数。③水平段：εx=（L-0.7（S1+S2））/T（3—6）式中εx——水平段的阻力系数；L——水平段长度，m；S1、S2——进、出口段板桩或齿墙的入土深度，m。4．计算各典型段的水头损失hi=εiΔH/Σεi（3—7）5．进出口段水头损失局部修正进、出口水力坡降呈急变曲线形式，算得的进、出口水头损失与实际情况相差较大，需进行必要的修正。修正后的水头损失h0＇为：h0＇=β＇h0（3—8）式中h0＇——进、出口段修正后的水头损失值，m；h0——按式ε0=1.5（S/T）3/2+0.441计算出的水头损失值，m。——阻力修正系数，按式（3—9）计算：（3—9）式中S＇——底板埋深与板桩入土深度之和，m；T＇——板桩另一侧地基透水层深度，m。修正后的进、出口段修正后的水头损失将减少Δh。Δh=（1－β＇）h0（3—10）有关进、出口段水头损失值的详细计算如下，先用进出口段的前一段水头损失的减少值相比较：若hx≥Δh，则按hx＇=hx+Δh修正；若hx〈Δh，则按进出口段的前两段水头损失的和相比较：若hx+hy≥Δh，则按hx＇=2hx，hy＇=hy+Δh-hx修正若hx+hy〈Δh，则按hx＇=2hx，hy＇=2hy，hCD=hCD+Δh+（hx+hy）修正。hCD为与进出口相邻的第三个典型流段的水头损失。6．计算角点的渗压水头对于简化后的地下轮廓各角点的渗压水头可用下式计算，中间没有计算到的点均用此段的上下游段渗透水头差内插计算。各段渗压水头=上段渗压水头－此段渗压水头损失值7．验算渗流逸出坡降为保证闸基的抗渗稳定性，要求出口段逸出坡降必须小于规定的容许值。出口处的逸出坡降J为：J=h0＇/S0＇（3—11）计算渗透压力1．地基有效深度计算由公式（3—3）判断L0/S0=（45+20）/2.5=26〉5，地基有效深度Te为：Te=0.5L0=0.5×65=32.5（m）计算的Te大于实际透水层深8m，所以取Te=8m。2．分段阻力系数的计算通过简化地下轮廓的各角点和尖端将渗流区域分为如下9个典型段，如图3—5示。图3—5渗流区域划分图（单位：m）其中1、9段为进、出口段，用式（3—4）计算阻力系数；3、5、7段为内部垂直段，用式（3—5）计算阻力系数，2、4、6、8段为水平段，用式（3—6）计算阻力系数。各典型段的水头损失用式（3—7）计算，结果如表3—2所示。表3—2各段渗透压力水头损失表分段编号分段名称ss1s2TLεIhihi＇①进口0.6————8.0——0.470.4280.257②水平——01.97.445.05.905.3735.544③垂直1.9————7.4——0.260.2370.237④水平——005.51.00.180.1640.164⑤垂直1.0————6.5——0.160.1460.146⑥水平——1.01.06.518.02.552.3232.323⑦垂直1.0————6.5——0.160.1460.146⑧水平——005.51.00.180.1640.190⑨出口1.3————6.8——0.570.5190.493合计10.43H=9.5H=9.50对于进、出口段的阻力系数校正，按式（3—8）、式（3—9）、式（3—10）计算，结果见表3—3。表3—3进、出口段的阻力系数修正表段别S＇T＇β＇h0＇Δhhx＇进口段0.67.40.600.2570.1715.544出口段1.35.50.950.4930.0260.1903．计算各角点的渗透压力值用表3—2计算的各段水头损失进行计算，总的水头差为正常挡水期的上、下游水头差9.5m，各段的角点渗压水头结果见表3—4。表3—4闸基各角点的渗透压力值H1H2H3H4H5H6H7H8H9H109.509.243.703.463.303.150.830.680.4904．渗流逸出坡降计算出口段的逸出坡降为：J=hi＇/S＇=0.493/1.3=0.379小于壤土出口段的允许渗流坡降值〔J〕=0.50~0.60（查《水闸设计规范》附表3—1得），满足要求，不会发生渗透变形。闸底板的渗透压力分布如图3—7。图3—7闸底板下渗透压力分布图（单位：m）第四章闸室布置闸室是水闸的主体部分。开敞式水闸闸室由底板、闸墩、闸门、工作桥和交通桥等组成，有的还设有胸墙。闸室的结构形式、布置和构造，应在保证稳定的前提下，尽量做到轻型化、整体性好、刚性大、布置匀称，并进行合理的分缝、分块，使作用在底基单位面积上的荷载较小，较匀称，并能适应地基可能的沉降变形。第一节底板和闸墩一、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，并较均匀地传给地基，还有防冲、防渗等作用。2．形式常用的底板有平底板和钻孔灌注桩底板。在特定的条件下，也可采用低堰底板、箱式底板、斜底板、反拱底板等。平底板按底板与闸墩的联结方式，有整体式和分离式两种。（1）整体式底板闸墩与底板浇筑成整体即为整体式底板。其顺流向长度可根据闸身稳定和地基应力分布较均匀等条件来确定，同时应满足上层结构布置的需要。水头愈大，地基愈差，底板应愈长。初拟底板长度时，对于砂砾石、砂壤土地基可取（2.0~2.5）H，对于粘壤土地基可取（2.0~3.0）H，对于粘土地基可取（2.58~3.5）H，H为上下游最大水头差。底板厚度必须满足强度和刚度的要求。大中型水闸可取闸孔净宽的1/5~1/8，一般为1~2m，最薄不小于0.6m，底板内配置钢筋。底板混凝土强度等级应满足强度，抗渗及防冲要求，一般选用C15或C20。（2）分离式底板在闸室底板两侧分缝，使底板与闸墩分离，成为分离式底板，一般适用于孔径大于8m和密实的地基或岩基。中间底板仅有防冲、防渗的要求，其厚度按自身抗滑稳定确定。一般用混凝土或浆砌石建成，必要时加少量钢筋。综上所述，由于在平原地区软基上建水闸，采用整体式平底板，沉陷缝设在闸墩中间。3．底板长度根据前面设计已知闸底板长度为20m。4．垂直水流方向布置为了满足闸门的顺利提升及满足地基不均匀沉陷的要求，垂直水流方向一般要进行分段。5底板厚度考虑强度、刚度的要求，一般厚度为1.5~2.0m，并另外设置齿墙，取厚度为1.5m。二、闸墩的设计1．作用分离闸孔并支撑闸门，工作桥等上部结构，使水流顺利地通过闸室。2．长度的确定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，下游墩头采用流线型。其长度为20m。3．厚度的确定应根据闸孔孔径、受力条件、结构构造要求和施工方法确定。中墩1.2m，缝墩1.6m，边墩1.0m。平面闸门的门槽尺寸应根据闸门的尺寸确定，检修门槽深0.20m，，宽0.20m，主门槽深0.3m，宽0.8m。检修门槽于工作桥之间留3.5m的净距，以便于工作人员检修。4．闸墩高度的确定闸墩上游部分的顶面高程应满足以下两个要求：①水闸挡水时，不应低于水闸的正常蓄水位（或遭遇地震）加波浪计算高度与相应安全超高之和。②泄洪时，不应低于设计（或校核）洪水位加相应的安全超高。各种运用情况下水闸的安全超高下限值《水闸设计规范》规定如下：表4—1水闸安全超高下限值（m）运用情况水闸级别1234、5挡水时正常蓄水位0.70.50.40.3遭遇地震0.50.40.30.2泄洪时设计洪水位1.51.00.70.5校核洪水位1.00.70.50.4采用以下三种方法计算，取较大值。H墩=校核洪水位时水深+安全超高=11.98+0.5=12.48（m）H墩=设计洪水位时水深+安全超高=10.77+0.7=11.47（m）H墩=正常挡水位时水深+Δh=9.50+0.595+0.4≈10.50（m）式中，Δh为波浪高度，其计算查《水闸设计规范》。Δh=hl+hz+hc式中，h1——波浪爬高，m；hz——波浪中心线超过静水位的高度，m；hc——安全超高，m。查规范hc=0.4，三级建筑物。采用三种方法取最大值，计算墩高最大值为12.48m，另根据规范《水闸设计规范》中规定，有防洪任务的拦河闸闸墩高程不应低于两岸堤顶高程。两岸堤顶高程41m，经比较后取闸墩高度为12.5m。闸墩尺寸详图如下：图4—1缝墩尺寸详图（单位：cm）闸门与启闭机闸门按其工作性质的不同，可分为工作闸门，事故闸门和检修闸门等。工作闸门又称主闸门，是水工建筑物正常运行情况下使用的闸门。事故闸门是在水工建筑物或机械设备出现事故时，在动水中快速关闭孔口的闸门，又称快速闸门。事故排除后充水平压，在静水中开启。检修闸门用以临时挡水，一般在静水中启闭。一般水闸多采用工作闸门和检修闸门。一、工作闸门（一）作用又称主闸门，时水工建筑物正常运行情况下使用的闸门。用以抬高水位，泄洪时开启，控制流量。（二）类型1．按构造形式分类可分为平面闸门、弧形闸门等。弧形闸门与平面闸门比较，其主要优点是启闭力小，可以封闭大面积的孔口；无影响水流态的门槽，闸墩厚度较薄，机架桥的高度较低，埋件少。它的缺点是需要的闸墩较长；不能提出孔口以外进行检修维护，也不能在孔口之间互换；总水压力集中于支铰处，闸墩受力复杂。2．按制作材料分可分为钢闸门，混凝土闸门或钢丝网水泥闸门，木闸门及铸铁闸门等。钢闸门门体轻，一般用于大、中型水闸，混凝土或钢丝网水泥闸门可以节省钢材，不需要除锈。铸铁闸门抗锈蚀、耐磨性较好，止水效果也好，但由于材料抗弯强度低，性能又脆，仅在低水头小孔径水闸中使用。木闸门耐久性差，已日趋不用。根据设计要求，本设计采用平面钢闸门。（三）闸门的基本尺寸根据闸门的类型及工作性质不同，高度的确定有所区别，对于拦河闸可用：闸门顶高程=正常挡水位+安全超高=39.5+0.4=39.9（m）闸门高度=闸门顶高程－闸底板高程=39.9－30.0=9.9（m）工作闸门基本尺寸取为高10m，宽度取8m。采用平面钢闸门，双吊点，滚轮支承。（四）闸门的重量根据《水工设计手册》，平面直升钢闸门结构活动部分重量公式：G=0.012k支k材H1.65B1.85（4—5）式中G——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，低合金结构制成的闸门取0.8；H——孔口高度，取10m；B——孔口宽度，取8m。G=0.012×1.0×0.8×101.65×81.85=20.09（t）考虑其他因素取闸门自重为200kN。二、检修闸门作用用以临时挡水，检修工作闸门时用。多采用叠梁式。平时不用时放置一旁。闸门槽深为20cm，宽为20cm，闸门形式如图4—2。图4—2叠梁式检修闸门三、启闭机的选择1．启闭机的类型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，操作灵活，启闭速度快，但造价高。螺杆式启闭机简便、廉价，适用于小型工程、水压力较大、门重不足情况等。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较大的启闭力，但造价高。在有防洪要求的水闸重，一般要求启闭了迅速可靠，能够多孔同步开启，这里采用卷扬式启闭机，一门一机。2．闭门力的计算根据《水工设计手册》中的近似公式（4—6）、式（4—7）计算：FQ=（0.10~0.12）P+1.2G（4—6）式中P——平面闸门的总水压力，kN，P=γh2b/2（4—7）P=γh2b/2=9.81×9.52×8/2=3541（kN）得FQ=0.1×3541+1.2×200=594.1（kN）3．闭门力的计算根据《水工设计手册》中的近似公式（4—8）计算：Fw=（0.1~0.12）P－1.2G（4—8）可求得FW==0.10×3541-1.2×200=114.1（kN）由于闸门关闭挡水时，水压力P值最大。此时闸门前水位为9.5m，本设计的水闸为中型水闸，系数采用0.10。经计算FQ=594.1kN，FW=114.1kN。查《水工设计手册》，选用电动卷扬机型号QPQ—2×63。上部结构一、工作桥工作桥是供设置启闭机和管理人员操作时使用。其高度应保证闸门开启后不影响泄放最大流量，并考虑闸门的安装及检修吊出需要。工作桥应尽量靠近上游侧，为了安装、启闭和检修方便，应设置在工作闸门的正上方。其机座尺寸可根据启闭机型号来确定。1．工作桥的总宽度：工作桥的总宽度=基坐宽度+两倍操作宽度+两倍墙厚+两倍富余宽度；如外设阳台，应加上相应的宽度。该工程由启闭机型号确定机座宽度为2m，启闭机旁过道设为1m，启闭机房用24cm厚砖砌墙，外设66cm过道和10cm富余宽度。因此，工作桥的总宽度为6m。2．工作桥的高程工作桥设置在排架上，确定排架的高度即可求得工作桥的高程。排架高度=闸门高+安全超高+吊耳高度=10+0.5+0.5=11（m）工作桥高程=闸墩高程+排架高度+T型梁高=42.6+11+1=54.6（m）工作桥的细部构造见图4—2。图4—2工作桥细部构造图（单位：cm）二、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形梁和活盖板形式。尺寸如图4—3所示。图4—3检修桥细部构造（单位：cm）三、公路桥（交通桥）交通桥的作用是连接两岸交通，供车辆和人通行。交通桥的形式常采用预制空心板式、预制T形梁式，预制工字梁式、现浇整体板式等。本工程采用梁板式结构。位置应根据闸室稳定及两岸连接等条件确定，本工程布置在闸室下游侧。仅供人蓄通行用的桥，其宽度不小于3m；行驶汽车的交通桥，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7~9m。本次设计采用双车道8m宽，并在两侧设有人行道安全带为75cm，具体尺寸见图4—4。图4—4交通桥细部构造图（单位：cm）闸室的分缝于止水水闸沿轴线每隔一定距离设置沉陷缝，兼有温度缝，以免闸室因不均匀沉陷及温度变化产生裂缝。缝距一般为15~30m，缝宽为2~2.5cm。整体式低板闸室沉陷缝，一般设在闸墩中间，一孔、两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种，前者设在闸墩中间，边墩及翼墙间以及上游翼墙本身；后者设在铺盖、消力池与低板，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，取中间三孔为一联，两边各为两孔一联。第五章闸室稳定计算及地基应力计算第一节设计情况及相应荷载组合一、设计情况选择根据水闸运用过程中可能出现的所有情况进行分析，寻找最不利的情况进行闸室稳定及地基承载力验算。1．完建无水期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。2．正常挡水期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，且闸底板下扬压力最大，最容易发生闸室滑动失稳破坏，是验算闸室抗滑稳定性设计情况。泄洪期工作闸门全开，水位差较小，对水闸无大的伤害。本设计地震烈度为6度不考虑地震情况。二、荷载组合完建无水期和正常挡水期均为基本荷载组合。取中间三孔一联为单元进行计算，需计算的荷载见下表5—1。表5—1荷载组合荷载组合计算情况荷载自重静水压力扬压力泥沙压力地震力浪压力基本组合完建无水期√—————正常挡水期√√√———第二节完建无水期荷载计算及地基应力计算一、荷载计算1．计算单元荷载计算主要是闸室及上部结构自重。在计算中以三孔一联为单元，省略一些细部构件重量，如栏杆等。2．荷载及力矩列表力矩为对闸底板上游端点所取。荷载分布如图5—1示。其中钢筋混凝土重度采用25kN/m3；混凝土重度采用23kN/m3；水重度采用10kN/m3；砖石重度采用19kN/m3。荷载计算见表5—2。图5—1完建期荷载分布图表5—2完建无水期荷载计算荷载自重（kN）力臂（m）力矩－↘↙＋闸底板23100.0010.0231000.00－中墩13406.1510.0134061.50－缝墩8951.9210.089519.20－工作桥1470.008.612642.00－交通桥1757.0016.028112.00－检修桥840.004.63846.00－启闭机364.938.63138.40－启闭机房1450.008.612470.00－排架1004.758.68640.85―闸门600.008.65160.00－合计52944.75－528589.95－二、地基应力计算《水闸设计规范》中地基承载力计算公式为：=（5—1）式中__完建无水期基底压力的最大值和最小值，kpa；e——偏心距，e=，m；∑G——作用在闸室上的全部竖向荷载，kN；∑M——作用在闸室上的竖向和水平荷载对闸底板底不上游角点处的力矩和，逆时针旋转为正，顺时针旋转为负，kN·m；A——闸室基础底面的面积，m2；W——闸室基础底面对于底面垂直水流方向的形心轴的载面矩，m3。地基承载力不均匀性验算公式（5—2），判断是否满足要求。η=Pmax/Pmin≤〔η〕（5—2）由表5—2计算结果，用公式（5—1）、式（5—2）进行地基承载力验算：偏心距e=B/2－∑M/∑G=20/2－528589.95/52944.75=0.016（m）（kpa）地基承载力平均值：==94.55（kpa）=200（kpa）地基不均匀系数：=1.01=2.0由上述结果可知，完建无水期的地基承载力能够满足要求，地基不会发生不均匀沉陷。第三节正常挡水期荷载计算及地基应力计算一、荷载计算正常挡水期荷载除闸室自重外，还有水压力、水重，闸底板所受扬压力由渗流计算中可得。由于浪压力小于静水压力的5%，忽略不计。其荷载分布如图5—2所示。计算结果见表5—3。表5—3正常挡水期荷载计算荷载名称垂直力（kN）水平力（kN）力臂（m）力矩（kN·m）↓↑→←–↘↙+闸室自重52944.75－－－－528589.95－上游水压力P1－－13190.13－4.4758959.88－P2－－4761.85－0.19904.75－浮托力－9064.44－－10.00－90644.40渗透压力－10928.14－－7.76－84802.37水重18340.78－－－4.1075197.20－合计71285.5319992.5817951.980－663651.78175446.751292.95↓17951.98→－－488205.01图5—2正常挡水期荷载分布图二、基承载力验算根据表5—3计算结果，采用式（5—1）、式（5—2）进行地基应力验算。偏心距：e=20/2－488205.01/51292.95=0.48（m）地基应力：=（kpa）地基承载力平均值：=（104.78+78.40）/2=91.59（kpa）地基不均匀系数：η=104.78/78.40=1.34〈[η]=2.0三、闸室抗滑稳定验算根据设计的闸室底板及闸基是否有软弱夹层来确定滑动面，如果是浅齿墙，则沿闸底板与地基的接触面滑动。采用《水闸设计规范》中公式（5—3）计算，若为深齿墙，则沿上下游齿墙的边线滑动公，按《水闸设计规范》中式（5—4）计算：K=≥〔K〕（5—3）K=≥〔K〕（5—4）式中f——闸室与地基的摩擦系数；∑G——作用在闸室上的全部竖向荷载，kN；∑P——作用在闸室上的全部水平荷载，kN；——闸室基础底面与土质地基之间的摩擦角，（0）；A——闸室基础底面与土质地基之间的接触面积，m2；C0——闸室基础底面与土质地基之间的黏结力，kpa；［K］——允许抗滑稳定安全系数。由于该工程闸底板上下游设置的齿墙深度为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触面，采用式（5—3）计算。其中的闸底板与地基之间的摩擦系数，根据闸址处地层分布可知为重粉质壤土和细沙，查《水闸设计规范》得闸室地基底面与地基之间的摩擦系数为0.45，允许得抗滑稳定安全系数，根据本工程主要建筑物为3级，查表得1.2。K===1.29〉〔K〕=1.20经计算得闸室抗滑稳定满足要求。四、深层抗滑稳定分析对于土基上的水闸由于基底压力较小，一般很少发生深层滑动，但深层软土地基在施工期或检修期，应考虑深层滑动可能性，计算方法一般采用圆弧滑动法，此处不再计算。闸室结构的计算闸室为一受力比较复杂的空间结构。一般都降它分解为若干部件（如闸墩、底板、胸墙、工作桥、交通桥等）分别进行计算，同时又考虑相互之间的连接作用。通过对各个部件的内力的计算，从而进行配筋及裂缝验算。水闸闸室在顺水流方向受力很小，不用配受力筋就可满足要求，而垂直水流方向受力很大，应配置受力筋。因此，在垂直水流方向取单宽板条（截板为梁）作为梁计算，以其结果配置受力筋，而顺水流方向只配置构造筋。整体平底板的平面尺寸远较厚度为大，可视为地基上的受力复杂的一块板。目前工程实际仍用近似简化计算方法进行强度分析。一般认为闸墩刚度较大，底板顺水流方向弯曲变形远较垂直水流方向小，假定顺水流方向地基反力成直线分布，故在垂直水流方向截取单宽板条进行计算。在此以闸底板的结构计算进行介绍。一、计算方法选择底板是空间结构，受力情况很复杂，通常分析底板应力的方法都是将闸室简化为平面问题来处理。常用的方法有以下几种。1．截面法此法假定在垂直于水流方向底板下的地基反力均匀分布。先求出底板在顺水流方向的地基反力分布情况，然后在闸门槽的上、下游垂直于水流方向各截取单位宽度的板条进行内力计算。它的优点是计算简单，适用于中小型水闸，尤其是地基较好的水闸。缺点是未考虑底板和地基的变形。2．倒置梁法该法将单宽板带看作支撑在闸墩上的倒置梁，假定垂直于水流方向的地基反力均匀分布，由闸墩承受全部不平衡剪力。它的优点是简便，单只适用于小型水闸。3．弹性地基梁法弹性地基梁法的基本假定是：①地基反力在顺水流方向呈直线分布；②对土层较薄的地基，单位面积上所受的压力和沉陷成比例；③地基为半无限的连续弹性体。该法假定底板和地基都是弹性体，底板下的地基反力是未知量，计算比较复杂。但该法在计算中考虑了底板变形和地基沉陷的一致性，又计入了边菏载的影响，与实际情况相符，比较合理，适用于较大和较重要的水闸设计。按照不同的地基情况采用不同的底板应力计算方法。相对紧密度Dr＞0.5的砂土地基或黏土地基，可采用弹性地基梁法。相对紧密度Dr≤0.5的砂土地基，因地基松软，底板刚度相对较大，变形容易得到调整，可采用地基反力沿水流流向呈直线分布，垂直水流流向为均匀分布的反力直线分布法。对小型水闸，则长采用倒置梁法。该水闸地基为相对紧密度Dr＞0.5的砂性地基，因此采用弹性地基梁法进行计算较符合。二、计算情况选择1．完建无水期完建无水期时的水闸不受上、下游水压力和扬压力的影响，只受自身重力和地基反力的影响，但自重较大，是计算情况之一。2．正常挡水期正常挡水期时的水闸既受上下游水压力和扬压力的影响，又受自身重力和地基反力的影响，且上下游水位差