陈村镇新栏水闸设计毕业设计.docx
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陈村镇新栏水闸设计毕业设计
本科毕业设计
陈村镇新栏水闸设计
指导教师
学院名称
水利与土木工程学院
专业名称
水利水电工程
论文提交日期
2013年5月10日
论文答辩日期
2013年5月15日
摘要
水闸是一种利用闸门挡水和泄水的低水头水工建筑物，多用于河道,渠系及水库、湖泊岸边。
根据教学安排，在学完全部课程之后，学生要进行综合性毕业设计，以进一步巩固所学知识。
通过毕业设计提高学生解决工程实际问题的能力。
初步掌握水利枢纽工程设计过程的整个思路。
通过设计资料分析，编写设计文件，进行各种计算和绘制图纸，提高学生独立思考，钻研问题的能力。
本设计包括以下内容：
一、设计基本情况、水文气象情况、工程地质和交通运输条件的概述；
二、闸孔、消力池、海漫、防冲槽等的设计；
三、泄洪闸防渗排水设计，其中包括地下轮廓线布置和渗流计算；
四、对闸室结构的布置和闸室分缝及止水设备；
五、上、下连接物的作用及布置情况；
六、闸室稳定计算，包括完建无水期荷载计算和设计洪水位时荷载及验算；
七、闸底板内力计算、配筋情况计算；
八、挡土墙设计情况，边墙设计和翼墙设计情况
九、对设计进行总结。
关键词水闸设计荷载计算结构验算
TheDesignOfaDraningSluice
HeJunYing
（WaterconservancyandCvilengineeringcollege,SouthChinaAriculturalUiversity,Guangzhou,510642,China.）
Abstract:
Waterisakindofusingwateranddischargewaterretainingsluicegateofhydraulicstructuresandlowerheadforriver,lake,reservoirandthecanal.
Teachingarrangements,aftertheschoolcompletethedepartmentofcoursesthestudentstoconductacomprehensiveschooldesign,inordertofurtherconsolidatetheknowledge.Graduationprojecttoimprovetheabilityofstudentstosolvepracticalengineeringproblems.Initialgraspofthewholeideaofthewatercontrolprojectdesignprocess.Throughthedesignofdateanalysis,preparationofdesigndocuments,theabilityofavarietyofcalculationsanddrawings,toimprovestudents’independentthinking,andstudytheproblem.Thisdesignincludesthefollowing:
1、Design,hydro-meteorologyconditions,anoverviewofengineeringgeoglogyandtransportconditions;
2、Thegatehole,plungepool,apron,anti-notchingandotherdesign;
3、Suiceimearmeabledrainagedesign,includingtheundergroundcontourarrangementandseepagecalculations;
4、Thelayoutandthelockchamberofthelockchamberstructurepartingandsealingdevices;
5、Ontheroletoconnectandlayout;
6、Thechamberofthestabilitycalculation,includingthefinishedbuiltanhydrousloadcalculationanddesignoffloodloadsandchecking;
7、Sluicebottom,forcecalculation,calculationofreinforcementandpierstructures;
8、Retainingwalldesign,walldesignandwingwalldesignsituation;
9、Summarizethedesign.
.Keywords：
Sluice GraduationDsignLoadCalculationStructureChecking
目 录
1 总论
1.1 设计基本资料
1.1.１ 概况
新栏水闸位于南顺联安围陈村大桥下游约500m陈村河东端出口处。
陈村河呈东西走向贯穿陈村镇东南部，是陈村镇东南部一条主要的引、排水内涌，陈村河在新栏水闸处汇入外江陈村涌。
新栏水闸是南顺联安围东南部唯一的引排水通道，是南顺联安围的穿堤建筑物，其主要功能是对内涌进行排涝，新栏水闸设计自排流量为30.0m3/s，并防御外江洪水。
南顺联安围的工程等别Ⅲ等，堤防级别为3级，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）第2.1.2条、《堤防工程设计规范》（GB50286-98）第2.1.5条及《水闸设计规范》（SL－265－2001）第2.1.1条的相关规定，穿堤建筑物的级别不低于所在堤防的级别，因此，确定新栏水闸工程等别为Ⅲ等，主要建筑物（水闸闸室、内外连接段）为3级，次要建筑（海漫、护岸挡墙）为4级，临时建筑物（围堰等）为5级。
根据《水利水电枢纽等级划分及设计标准》（SL252-2000）及省、市定的堤围防洪标准，确定本工程防洪标准采用五十年一遇洪水设计，百年一遇洪水校核，相应安全超高为1.5m和1.0m。
1.1.2 水文及气象条件
（1）水闸轴线及底板高程
新栏水闸闸底板面高程-1.5m。
（2）闸孔尺寸设计水位、流量组合
设计情况：
上游水位0.8m，下游水位0.6m，排水流量30m3/s；
校核情况：
上游水位1.2m，下游水位1.0m，排水流量30m3/s。
（3）消能设计水位、流量组合
内涌设计水位1.2m，外江水位0.9m，排水流量30m3/s。
（4）稳定设计水位
水闸50年一遇设计洪水和100年一遇校核洪水情况其各自的相应上下游水位见表1。
此成果将用于水闸防渗，稳定及结构计算。
表１
项目名称
单位
水闸名称
新栏水闸
正常运用
相应外江水位
m
2.60
相应内涌水位
m
0.00
设计
P=2%
相应外江洪水位
m
4.02
相应内涌水位
相应闸下游水位
m
m
0.40
4.20
相应闸上游水位
m
0.80
本工程场地地貌上属珠江三角洲冲淤积平原。
顺德地处西北江下游三角洲河网内，北江洪水主要由流域降雨形成，主要是峰面雨，其次是台风雨，北江多年平均降雨量1750mm，降雨集中在汛期4~9月，占全年降雨量80%以上，在此期间，洪涝是本地区的主要自然灾害。
内河涌径流主要来源于降雨。
顺德属南亚热带季风气候，温暖、潮湿、雨量充沛。
年平均气温22.1℃，最冷月平均13.5℃，最热月平均29.0℃。
多年平均最大风速v=2.0m/s，风区长度：
D=0.5km。
1.1.3 工程地质和水文地质条件
1、工程地质条件：
（详见地质剖面图）
本工程所在区域位于广东省中部的佛山市东部，为珠江下游平原，为第四纪土层覆盖，地势平坦开阔，地貌上属于珠江三角洲冲积平原腹部。
根据钻孔揭露情况，拟建场地由人工填土层、第四纪海陆交互相沉积层及白垩纪风化基岩组成，由上至下可分为13层，现分叙述如下：
人工填土层（QS）：
⑴填筑土：
全场地均有分布，层厚0.7～6.0m，顶板标高为-1.7～4.58m。
标准贯入击数N=11击。
第四系海陆交互相沉积层（Qmc）：
⑵粉土（含砂低液限粘土）、粉质粘土：
层厚1.8～2.2m，顶板标高为0.89～2.98m。
标准贯入击数N=6～8击；土层天然含水量w=28.6%，液限wL=30.5%，液性指数IL=0.75，孔隙比eo=0.843，压缩系数av=0.29MPa-1，压缩模量Es＝6.36MPa，凝聚力C＝21.5kPa，摩擦角Φ＝12.5°，渗透系数k20=7.37E-06cm/s。
承载力特征值经验值fak=147kPa。
地基承载力特征值建议采用fak=110kPa。
渗透系数K20=7.37×10-6cm/s。
⑶淤泥质土（有机质高、低液限粘土）：
层厚2.2～4.6m，顶板高程-0.91～1.67m，ZK3孔处较厚。
标准贯入击数N=2～3击；土层天然含水量w=48.3%，液限wL=41.4%，液性指数IL=1.40，孔隙比eo=1.311，压缩系数av=0.98MPa-1，属高压缩性土层，压缩模量Es＝2.37MPa。
直接快剪的凝聚力C＝6.6kPa、摩擦角Φ＝4.6°，慢剪的凝聚力C＝24.0kPa、摩擦角Φ＝8.1°，渗透系数k20=6.87E-07cm/s。
承载力特征值经验值fak=74kPa。
地基承载力特征值建议采用fak=50kPa。
K20=1.24×10-6～1.34×10-7cm/s.
⑷粉砂（粉土质砂）：
全场地均有分布，层厚2.6～5.4m，顶板标高为-3.14～-0.89m。
标准贯入击数N=17～27击，平均值N=20.7击；天然含水量w=22.5%，孔隙比eo=0.713，压缩系数av=0.17MPa-1，压缩模量Es＝10.24MPa，摩擦角Φ＝34.0°，渗透系数k20=2.38E-04cm/s。
地基承载力特征值建议采用fak=160kPa。
K20=1.2×10-3～8.18×10-6cm/s。
⑸淤泥（有机质高、低液限粘土）：
全场地均有分布，层厚2.5～6.2m，顶板高程-8.33～-5.28m。
标准贯入击数N=2～5击，平均值N=3.1击；土层天然含水量w=64.3%，液限wL=41.2%，液性指数IL=2.35，孔隙比eo=1.769，压缩系数av=1.46MPa-1，属高压缩性土层，压缩模量Es＝1.93MPa。
直接快剪的凝聚力C＝8.2kPa、摩擦角Φ＝3.0°，慢剪的凝聚力C＝24.3kPa、摩擦角Φ＝9.2°，渗透系数k20=6.85E-07cm/s。
承载力特征值经验值fak=51kPa。
地基承载力特征值建议采用fak=40kPa。
渗透系数K20=1.01×10-6～2.74×10-7cm/s。
⑹粉土、粘土、粉质粘土（低液限粘土、高液限粘土、含砂低液限粘土）：
全场地均有分布，层厚2.0～6.5m，顶板高程-11.92～8.08m。
标准贯入击数N=6～22击，平均N=13.1击，土层天然含水量w=23.4%，液限wL=34.5%，液性指数IL=0.30，孔隙比eo=0.676，压缩系数av=0.27MPa-1，压缩模量Es＝6.41MPa，凝聚力C＝24.9kPa，摩擦角Φ＝11.9°，渗透系数k20=2.29E-06cm/s。
承载力特征值经验值fak=294kPa。
粘土、粉质粘土地基承载力特征值建议采用fak=180kPa。
粉土地基承载力特征值建议采用fak=200kPa。
渗透系数K20=9.47×10-6～1.83×10-7cm/s。
⑺淤泥质土（有机质高、低液限粘土）：
层厚2.1～2.3m，顶板标高为-15.04～-12.78m。
标准贯入击数N=2～3击，平均值N=2.3击；土层天然含水量w=43.9%，液限wL=41.9%，液性指数IL=1.13，孔隙比eo=1.216，压缩系数av=1.12MPa-1，压缩模量Es＝1.9MPa。
直接快剪的凝聚力C＝7.0kPa、摩擦角Φ＝4.9°，慢剪的凝聚力C＝19.6kPa、摩擦角Φ＝9.0°，渗透系数k20=1.45E-06cm/s。
承载力特征值经验值fak=82.5kPa。
地基承载力特征值建议采用fak=60kPa。
渗透系数K20=2.6×10-6～3.04×10-7cm/s。
⑻粉土、粘土、粉质粘土（低液限粘土、高液限粘土、含砂低液限粘土）：
全场地均有分布，层厚2.3～11.0m，顶板高程-17.8～-11.91m，标准贯入击数N=6～33击，平均值N=15.2击土层天然含水量w=20.8%，液限wL=34.5%，液性指数IL=0.41，孔隙比eo=0.628，压缩系数av=0.24MPa-1，压缩模量Es＝6.92MPa，凝聚力C＝27.2kPa，摩擦角Φ＝12.3°，渗透系数k20=4.07E-06cm/s。
承载力特征值经验值fak=312kPa。
粘土、粉质粘土地基承载力特征值建议采用fak=180kPa。
粉土地基承载力特征值建议采用fak=200kPa。
渗透系数K20=9.47×10-6～2.85×10-7cm/s。
（9）中砂（粉土质砂）、局部粉砂：
层厚1.5～4.3m，顶板高程-22.34～-18.02m。
标准贯入击数N=23～42击，平均值N=27.9击；天然含水量w=14.5%，孔隙比eo=0.543，压缩系数av=0.11MPa-1，压缩模量Es＝15.15MPa，摩擦角Φ＝35.6°，渗透系数k20=8.27E-04cm/s。
中砂地基承载力特征值建议采用fak=200kPa。
粉砂地基承载力特征值建议采用fak=160kPa.中砂渗透系数K20=1.62×10-3，粉砂3.35×10-5cm/s。
（10）残积土：
全场地均有分布，层厚0.7～5.3m，顶板高程-24.54～-17.18m，标准贯入击数N=8～28击，平均值N=18击；土层天然含水量w=23.1%，液限wL=33.5%，液性指数IL=0.4，孔隙比eo=0.666，压缩系数av=0.25MPa-1，压缩模量Es＝6.82MPa，凝聚力C＝26.1kPa，摩擦角Φ＝15.9°，渗透系数k20=4.26E-06cm/s。
承载力特征值经验值fak=250kPa。
粘土、粉质粘土地基承载力特征值建议采用fak=170kPa。
粉土地基承载力特征值建议采用fak=200kPa。
渗透系数K20=9.98×10-6～2.98×10-7cm/s。
白垩系风化基岩（K）：
（11）全风化岩：
层厚、揭露厚度为0.7～13.8m，顶板标高-27.34～-19.78m。
岩石呈全风化凝灰质泥岩,标准贯入击数实测锤击数N=30～53击。
平均N=41.9击。
土层压缩系数av=0.28MPa-1，压缩模量Es＝6.14MPa，摩擦角Φ＝15.4°，渗透系数k20=5.03E-07cm/s。
岩石地基承载力特征值建议采用fa=300kPa。
（12）强风化岩：
层厚、揭露厚度为1.5～8.4m，顶板标高-35.9～-23.22m。
抗压强度试验值fr=1000～2200kPa。
平均值fr=1620kPa。
岩质属极软岩，岩体破碎，岩体基本质量等级属Ⅴ类。
岩石地基承载力特征值建议采用fa=500kPa。
（13）中风化岩：
揭露厚为1.5～2.3m，顶板标高-35.03～-32.59m。
岩石呈中风化泥岩,抗压强度试验值fr=3200kPa。
岩石地基承载力特征值建议采用fa=1200kPa。
表２ 水闸稳定计算允许值
抗滑稳定安全系数
抗浮安全系数
基底应力（kPa）
基底应力比
1.25
1.1
粉砂层fak＝160
中等坚实＜1.5
3、地震设防烈度：
根据《建筑抗震设计规范》（CB50011—2001），拟建工程位于抗震设防烈度7度区，工程地震设防烈度采用7度。
1.1.4 建筑材料
本工程不需要单独设置料场，本工程所需主要建筑材料砼粗、细骨料、块石料、土料等均可在当地市场就近购买。
其它建材：
水泥、钢材、木材等由外地购买。
1.1.5 交通运输及其它
（1）交通运输方便。
（2）施工用电及生活资料可由当地供应。
（3）施工队伍及施工设备均无问题。
2 水力计算
（1）闸型选择：
开敞式水闸。
（2）堰型的选择：
宽顶堰。
（3）闸底板面高程：
根据地质条件可知，选择平地板，高程为-1.5m。
（4）闸顶高程：
闸顶高程不应低于设计洪水水位的高程与安全超高之和为4.02+1.5=5.52m。
（5）则由图可测得过水面积为A=22.5m２。
2.1 闸孔设计
2.1.1 水闸闸孔总净宽等因素计算确定
水闸的过闸水流流态一般分为两种:
一种是泄流时水流不受任何阻挡,呈堰流状态;另一种是泄流时水流受到闸门或胸墙的阻挡呈孔流状态。
在水闸的整个运用过程中这两种流态均有可能出现且在一定的边界条件下又是可以相互转化的。
闸孔出流的闸门开度增大到一定值时，闸前水位下降而不和闸门底缘接触，则水流性质由闸孔出流过渡为堰流；反之，如原为堰流，当闸门开度减小到能对水流起控制作用时，水流即过渡为闸孔出流。
2.1.2 判别流态
设计情况：
设计流量Q=30
，闸上设计水位0.8m,相应的闸下游水位0.6m,内涌则为1.2m,上游河道一半水深处的宽度bs为9.8m。
上游水深：
H=0.8m-（-）1.5m=2.3m
坎前行进流速：
=
/A=30
÷22.5m
=1.33m/s
坎上总水头：
=2.30+1.33
÷19.6=2.39m
淹没出流条件：
hs/H0=2.1÷2.39=0.89
表3 堰流淹没系数
Hs/H0
≤0.72
0.75
0.78
0.80
0.82
0.84
0.86
0.88
0.90
0.91
σ
Hs/H0
1.00
0.92
0.99
0.93
0.98
0.94
0.97
0.95
0.95
0.96
0.93
0.97
0.90
0.98
0.87
0.99
0.83
0.995
0.80
0.998
σ
0.77
0.74
0.70
0.66
0.61
0.55
0.47
0.36
0.28
0.19
查表得淹没系数：
用内插法得σs=0.85
表４ 堰流淹没系数
Bo/bs
≤0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
ε
0.909
0.911
0.918
0.928
0.94
0.953
0.968
0.983
1.00
假设侧收缩系数:
ε=0.945
堰流系数：
M=0.385
所以闸孔净宽：
选用每孔宽b=6.5m，孔数N=1孔，总净宽B0=6.5m。
式中:
为闸孔总净宽（m）；
Q为过闸流量（m
/s）；
为计入行近流速水头的堰上水深（m）；
g为重力加速度,可采用9.81（m/s
）；
m为堰流流量系数,可采用0.385；
ε为堰流侧收缩系数,对于单孔闸可按公式（A.0.1-2）计算求得或由表A.0.1-1查得
为闸孔净宽（m）；
为上游河道一半水深处的宽度（m）；
N为闸孔数；
为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为堰流淹没系数,可按公式（A.0.1-6）计算求得或按表A.0.1-2查得；
Hs为由堰顶算起的下游水深（m）.
校核洪水位：
校核流量
，闸上校核水位Ｈ上=1.2m
相应闸下校核水位:
Ｈ下=1.0m。
闸上水深：
H=1.2m-（-）1.5m=2.70m
坎前行进流速：
坎上总水头：
淹没出流条件：
表５ 堰流淹没系数
Hs/H0
≤0.72
0.75
0.78
0.80
0.82
0.84
0.86
0.88
0.90
0.91
σ
1.00
0.99
0.98
0.97
0.95
0.93
0.90
0.87
0.83
0.80
Hs/H0
0.92
0.93
0.94
0.95
0.96
0.97
0.98
0.99
0.995
0.998
σ
0.77
0.74
0.70
0.66
0.61
0.55
0.47
0.36
0.28
0.19
查表得淹没系数：
用内插法得σs=0.8
表６ 堰流淹没系数
Bo/bs
≤0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
ε
0.909
0.911
0.918
0.928
0.940
0.953
0.968
0.983
1.0
假设侧收缩系数:
ε=0.938
堰流系数：
M=0.385
则闸孔净宽：
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=5m，所以孔数N=1孔，总净宽B0=5m
式中：
为闸孔总净宽（m）；
Q为过闸流量（m
/s）；
为计入行近流速水头的堰上水深（m）；
g为重力加速度,可采用9.81（m/s
）；
m为堰流流量系数,可采用0.385；
ε为堰流侧收缩系数,对于单孔闸可按《闸门设计规范》中公式（A.0.1-2）计算求得或由表A.0.1-1查得；
为闸孔净宽（m）；
为上游河道一半水深处的宽度（m）；
N为闸孔数；
为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为堰流淹没系数,可按公式（A.0.1-6）计算求得或按表A.0.1-2查得；
Hs为由堰顶算起的下游水深（m）。
表7上游水头计算
流量Q（m3/s）
设计30
上游水深H（m）
下游水深hs（m）
过水断面积（m2）
行近流速V0（m3/s）
坎上总水头H0
2.39
2.3
2.1
22.5
1.33
校核30
2.7
2.5
27.54
1.09
2.76
表８ 闸孔总净宽计算
流量Q（m3/s）
上游水头H0（m）
下游水深hs（m）
淹没系数бs
B0（m）
设计30
2.3
2.1
0.89
0.85
6.2
校核30
2.7
2.5
0.91
0.8
5.0
2.1.3 闸墩的厚度及墩头形状
选用整体式底板，缝设在闸墩上边墩厚0.5m。
闸孔总宽度为：
L=6.5+1=7.5（m）
闸墩的外部形状：
为减小侧缩系数的影响，提高闸孔的过水能力，但也要考虑到施工简便、不易损坏等因素，闸墩的头部和尾部都采用圆头型。
2.2 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。
2.2.1 过闸水流的特
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