毕业设计中山市s水闸重建工程设计.docx
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毕业设计中山市s水闸重建工程设计
第一章概述1
第一节水闸概况1
第二节改建原由1
第三节工程设计资料1
第二章水利枢纽布置5
第一节枢纽总体布置概述5
第二节水闸布置5
第三章水闸设计7
第一节闸孔型式和尺寸设计7
第二节消能防冲设计7
第三节防渗排水设计12
第四节闸室布置16
第五节水闸抗滑稳定计算18
第六节闸室结构设计20
第七节细部结构设计24
第八节上下翼墙设计25
第九节基础处理25
第四章参考文献28
0
第一章概述
第一节水闸概况
本次毕业设计选题为中山市S水闸重建工程。
该工程位于中山市某镇境内，是该市中顺大围某堤段上的重要水闸之一，本水闸是以防洪、排污、灌溉为主的综合性水利工程。
该水闸（旧闸）建于50年代，由于旧闸原设计标准低，加上年代已久，经有关部门复核在设计洪水位时，水闸不能安全运行。
现决定拆除旧闸，在原闸上重建新水闸。
第二节改建原由
旧闸建于50年代，设计闸孔为一孔，净宽4.0m，原闸底板高程-1.50m。
该闸建成后经过多年的运行，工程质量已经老化，部分结构破坏严重，各项工程设施已趋落后，存在着很多安全隐患，严重影响水闸的正常运行。
由于旧闸原设计标准低，与前几年的河涌疏浚及环境整治工程不配套，目前整治后的河涌过水断面宽度为15m.为使水闸安全运行，并与周边整治后环境相协调，以适应现代化
水利需要。
经过中山市水利局和市水电设计院论证，决定重建该水闸，以从根本上解决该水闸在防洪、排涝、安全运行方面等问题。
第三节工程设计资料
一、气象及工程地质情况水文
（一）水文气象
1、气象特征
S水闸地处珠江三角洲中心地带，属于亚热带海洋性气候，常年温暖湿润，偶有霜冻，阳光充足，四季常青。
据当地水利及总体规划资料，该区域年平均气
温23℃，最高七月均温29℃左右，最低一月均温10℃左右，无霜期352天。
雨量充沛，雨季多发生在春夏两季，年平均雨量为1626mm，最高降雨量为2444.6mm（1981年），年平均蒸发量为1331mm，年平均相对温度82.5%。
该区域属季风气候，全年风向系数夏季最大为南风、次为东南风、西南风；
冬季最大风为北风；春秋两季有过渡性。
年平均风速为2.2～3.6m/s。
每年4～9月为南海台风季节，年平均4次，以7～9月频率最高，占全年登陆次数的73%，
1
偶有飓风，最大风力12级，并伴有暴雨。
2、水文资料
S水闸地处西江下游三角洲河网区，全市河道交错。
洪水主要是上游来水，其次是台风雨，降雨集中于4至9月汛期，占全年的80％。
根据广东省水利厅2002年6月公布的《西、北江下游及其三角洲网河河道
设计洪潮水面线》，通过内插方法，查得该区域相关水文站提供的闸址各频率洪水位值：
水闸按100年一遇外江水位设计，外江水位5.40米，相应内河水位0.60
米。
水闸按50年一遇外江水位设计，外江水位5.31米，相应内河水位0.60米。
（二）工程地质
1、区域地形地貌、地质
该区域地处珠江三角洲南部边缘地带、西江冲积平原上，地势平坦，河涌交
错，河流（河汊）和阶地地貌发育，阶地高程一般3.5m～4.5m。
横海水闸座落在西江西岸第四系洪冲积的一级阶地的前缘。
场地内第四系沉积环境经历了海陆交互相、河流冲积相等多次沉积，形成多旋回沉积规律。
区内第四系沉积层厚20～30m。
2、闸址地质条件
（1）、地质描述
S水闸位于中山市某镇境内，在中顺大围某堤段上。
根据勘探结果，在钻孔控制深度范围内，场地岩土自上而下可划分为：
1）人工填土：
土黄色，褐灰色，上部松散,下部可塑,主要由粉质土及淤泥质土回填而成,上部含碎石。
层厚3.60～3.80m。
2）淤泥质土：
灰黑色，很湿,软塑，主要由粘土及有机质等组成,含少量
粉砂及贝壳屑。
分布于全场地，层厚5.10～5.70m。
地基承载力标准
值fk取60KPa。
3）淤泥：
灰黑色，饱水,流塑，主要由粘土及有机质等组成,少量粉砂及贝壳碎屑等组成。
底部为淤质泥土。
分布于全场地，层厚5.50～6.6m。
地基承载力标准值fk取50KPa。
4）粉细砂：
灰黑色，松散，以粉砂为主。
分布于全场地，上部含粘土。
层厚15.0～15.6m。
地基承载力标准值fk取80KPa。
5）粉质粘土：
褐黄色，湿，可塑，主要以粘土、粉砂及少量细砂组成。
分布于全场地，层厚3.40m。
地基承载力标准值fk取100KPa。
6）细中砂：
灰黄色，松散，以细砂、中砂为主。
分布于全场地，含粉砂及少量粘土，局部含5％的石英砾石。
层厚8.30m。
地基承载力标准值fk取120KPa。
7）粉细砂：
褐黄色，松散，以粉砂为主，含少量细砂及砾石，局部含少量粘土。
地基承载力标准值fk取85KPa。
（2）、地下水
勘察期间，各钻孔均遇见地下水，赋存于第四系各地层中的地下水属上层
2
滞水～潜水类型，主要受大气降水及地表水（包括河水）补给，水位变化因气候、
季节及潮位而异，勘察期间测得其混合稳定水位埋深介于4.30m～4.60m之间。
该场地地下水对砼无腐蚀性。
（3）、结论与建议：
根据《中国地震烈度区划图》（1：
400万）（1990），中山市地震基本烈度为Ⅶ度，结合本次勘察结果，按《建筑抗震设计规范》GBJll—89）有关标准判定，场地土的类型为软弱场地土，建筑场地类别为Ⅲ类，场区上部15m深度范围内未发现可液化地层，可不考虑液化问题。
1）S水闸位于Ⅶ度地震烈度区，场地属抗震不利地段，场地土类型属软弱场地土，建筑场地类型属Ⅲ工类；第
（2）至（3）层的承载力低，不宜作拟建建筑物地基基础持力层；建议采用第（4）层粉细砂层为该水闸桩基础持力层。
2）根据工程旧闸情况及地质剖面知，本次设计的闸室及上下游连接段大概
位于第
（2）层淤泥质土层，该土层承载力基本值为64kPa；其下层为第（3）层次为淤泥质土，该土层承载力基本值为88kPa，第（4）层粉细砂层，该土层承载力基本值为248kPa。
若采用桩基础，宜采用摩擦桩，拟采用（4）砾砂层为该水闸桩基础持力层。
3）桩基础设计指标建议值（当桩入土深度
>10米时）
q
sik——桩的极限侧阻力；qpk——桩的极限端阻力
序
土层名称
状态
预制桩
号
q
sik
q（kpa）
pk
（kpa）
①填筑土
②
淤泥质土
软塑
15～20
③
淤泥
流塑
12～18
④
细粉砂
松散
20～25
2500
⑤
粉质粘土
可塑
40～50
3200
⑥
细中砂
松散
25～35
3500
⑦
细粉砂
松散
20～25
二、设计基本数据
（一）、水文气象
1.外江校核洪水位：
5.40米（P=1％），内河相应水位：
0.6米
2.外江设计洪水位：
5.31米（P=2％），内河相应水位：
0.6米
3.外江多年平均枯水位：
—0.4米，内河相应水位：
0.6米
4.围内不涝水位：
1.3米，内河不冲刷流速：
V=0.8m/s
3
5.
3
过闸最大流量Q=30m／s
6.
气象
3
历年平均枯水位情况保证引水冲污的最小流量
Q=12m／s
7.洪水期多年平均最大风速Vmax=18m/s；风向：
按垂直水闸横轴线考虑；吹程1.0km。
设计风压力p风=0.45kN/m2
（二）、设计防洪标准
1.根据《水闸设计规范》（SL265-2001）第2.2.1条及省市确定的堤围防洪
标准：
S水闸设计洪水标准采用1％；
2．上游最高设计水位（校核洪水位）为5.40米（1％），下游相应水位为
0.60米；
3.闸顶高程采用校核洪水位加超高1.5～2.0米（中山市标准为2米），且不低于现有堤顶高程并应留有适当的安全裕度。
（三）、设计引用数据
1.
材料容重：
3
3
土料：
回填土的湿容重
3
18kN／m，浮容重9.0kN
／m；饱和容重19kN
；
／m
3
3
砼料：
钢筋混凝土25kN／m，混凝土24kN／m；
2．地基有关数据：
回填土的换算内摩擦角φ=320；基础抗滑摩擦系数：
fk=0.25；
淤泥质土及粉细沙：
渗径系数：
C=9；
允许坡降：
水平段［J］=0.065～0.091；
垂直段及出口处［J］=0.325～0.390。
淤泥土层承载力标准值：
fk=60KPa
3．地下水位：
4.30m～4.60m
4.闸室公路桥按汽—20设计，挂—100验算。
5.工作桥（室）人群、检修设备活荷载：
q活=3.0kN/m2
6.公路桥栏杆（防撞墩）重：
6kN/m；工作桥栏杆重：
1.0kN/m
7.河涌控制断面宽度:
15米
8.防洪堤现有堤面宽6米，设计外坡为1：
3，内坡为1：
2.5
（四）、工程等别
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）第2.1.3条及第2.2.1条确定本工程为四等小
（一）型，但水闸位于中顺大围上，而中顺大围是全省十大联围之一，属二级堤防，即相应的水闸等别也应为二等。
因此主要建筑物
按二级建筑物设计，次要建筑物按三级建筑物设计。
（五）、闸门（运行）开启条件（按水利部门提供的引水冲污水位确定）
1.根据本水闸用途，确定本水闸设计的运行条件为：
开闸进洪时闸外水位不高于3.50米，闸内水位不低于—0.5米。
2.水闸的闸门运行条件应满足在各种运行水位情况下均保证下游河道不
4
受冲刷。
（六）、附图纸：
1：
500地形图；闸址1-1＇、2-2＇地质剖面图
第二章水利枢纽布置
第一节枢纽总体布置概述
一、拟定枢纽建筑物等级
根据《水利电力工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000）第2.1.3条及2.2.1条确定本工程为四等小
（一）型，主要建筑物按二级建筑物设计，次要建筑物按
三级建筑物设计。
二、闸址的选择
枢纽布置选择须考虑以下几点：
a）闸址应选择在顺直河段，且较稳定的河岸；
b）轴线附近地质条件因较好、河床稳定；
c）闸址上游河道有足够的蓄水容积；
d）交通方便、原料最好就近取材。
第二节水闸布置
水闸由闸室、上游连接段和下游连接段三部分组成。
一、闸室布置
闸室是水闸挡水和泄水的主体部分，本设计的闸室包括：
底板、闸门、胸墙、边墩（岸墙）、工作桥及交通桥。
底板是闸室的基础，见有防渗和防冲的作用，并保护地基免受泄水水流的冲刷，同时它又是水闸地下轮廓的主要组成部分，限制通过地基的渗透水流，减小地基渗透变形的可能性。
闸门是用来双向挡水和控制过闸流量。
5
胸墙是用来挡水以减小闸门高度的。
闸墩用以支撑闸门、工作桥、交通桥，把闸门传来的水压力和上部结构的重量以及菏载传布于地板。
工作桥用来安装启闭设备。
交通桥用来联系两岸交通。
二、防渗排水布置
防渗设施主要有水平防渗和竖向防渗，水平防渗主要是指铺盖，竖向防渗有板桩及齿墙，而排水设施则是指铺设在消力池、浆砌石海漫底部或闸底板下游段起导渗作用的沙砾石层。
排水常于防滤层结合使用。
承受双向水头的水闸，其防渗排水布置应以水位差较大的一向为主，合理选择双向布置方式。
三、消能防冲布置
本水闸是双向排水，上下游都均应考虑其消能防冲布置。
但是水闸多为外江往内河泄洪时开启闸门，而内河水位受不涝水位1.3m控制，当水位较高时，采用抽排设施降低内河水位。
因此次处不对内河往外江排水情况进行效能防冲计
算。
闸下消能防冲设施石用于消能功能与均匀扩散水流的，且应与下游河道有良好的连接；本设计采用底流式消能方式。
四、两岸连接布置
（一）上游连接段
上游连接段包括护底、上游防冲槽以及上游翼墙。
上游护坡及护底布置应根据水流流态、河床土质抗冲能力等因素确定，由上游护底首端再加设防冲墙。
具有双向挡水作用的水闸，其上游护坡、护底应根据水流条件确定。
（二）、下游连接段
下由连接段包括海漫、防冲槽及两岸的翼墙和护坡两大部分，其主要作用是改善出闸水流条件，提高泄流能力和消能防冲效果，以确保下游河床和边坡的稳定。
6
第三章水闸设计
第一节闸孔型式和尺寸设计
闸孔型式和尺寸设计包括：
堰型的选择；单孔尺寸及闸孔总净宽的确定；闸顶高程、闸门高度的确定；闸墩设计和底板设计。
一、闸室结构型式
本水闸是以防洪、排污、灌溉为主的综合性水利工程，由于闸址地势平坦，无拦沙任务，故采用开敞式闸室结构。
由于上游水位变幅较大，（在运行中，本闸的挡水位达5.31~5.40m，而泄水时上游水位最低为-0.4~3.5m）故拟设置胸墙代替闸门挡水，以降低闸门和工作桥的高度并减少作用在闸门上的水动力和启闭力，还用启到减少闸门调节流量。
从而节省工程费用。
综上所述，本闸采用带胸墙的开敞式结构。
二、堰型的选择及堰顶高程的确定
由于无拦沙任务，底板选择结构简单，施工方便自由出流范围较大的平底板宽顶堰；根据本闸地基为淤泥地基，地基承载力不大且压缩性较大的地基条件及受力情况，现确定采用整体式平底板。
闸底板高程以原来的河床高程为宜（-1.5m），因为考虑到旧水闸的冲刷流量原因，在地基强度能够满足要求的情况下，尽量利用现成的地基，避免开挖量过大。
闸门可采用垂直升降式的平板闸门。
三、胸墙的布置
考虑闸门高度问题，胸墙底部高程可设在2.50m。
四、闸孔总宽及孔数的确定
单孔尺寸及闸孔总宽经计算得：
闸孔单孔尺寸为8.0m，总净宽为8.0m，采用单孔。
第二节消能防冲设计
过闸水流受到闸孔的约束，部分势能转化为动能，流速大，挟沙能力强，若不采取适当的消能措施，会严重冲刷下游河道，甚至冲毁消力池，掏空闸基，威胁闸身的安全，故必需做好消能设施。
因为平原水闸水头低，河床土体抗冲能力差，下游水位变幅大，故不用挑流消能和面流消能，而采用底流消能。
底流消能一般由消力池、海漫、防冲槽等组成。
7
一、过闸流量验算及闸门控制运用
分别在固定的下游水位及相应的允许最大过闸流量情况下假定闸门开度e和相应的上游水深H，求出相应的流量，若所求出的流量与相应的允许最大过闸流量相近，则说明所拟定的e和H正确，可做为曲线的一点。
利用闸门开度与闸前水位的关系，绘成曲线（见下图表）供闸门控制运用时使用。
计算公式：
3
2q2
0
hc
Tohc
2g2
hc
To
To
To
18q2
0.25
hc
hc
1
b1
2
ghc3
b2
Q
e2gHo
式中：
——取
=1
——=0.6-0.18e/H
e——闸门开度
Ho——计入行近流速的上游水深，（m）
根据以知条件得出下游河床在不同水位的允许最大流量，见下表：
下游水位（m）
-0.5
0
0.5
1
相应允许最大流量（m^3/s）
12
18
24
30
推算闸门开度的上游水位范围（m）
-0.4~3.5
0.0~3.5
0.5~3.5
1.0~3.5
注：
表中的上游水位范围是根据允许开闸最高外水位为+3.5m，闸内多年平均枯水位为-0.5m定出的。
Q=12m^3
Q=18m^3
点号
e
H
点号
e
H
1
0.515
1.5
1
0.665
2
2
0.425
2
2
0.575
2.5
3
0.374
2.5
3
0.515
3
4
0.337
3
4
0.472
3.5
5
0.31
3.5
5
0.438
4
6
0.288
4
6
0.41
4.5
7
0.271
4.5
7
0.388
5
8
0.256
5
8
Q=24m^3/s
Q=30m^/s
点号
e
H
点号
e
H
1
0.789
2.5
1
0.895
3
2
0.701
3
2
0.811
3.5
3
0.638
3.5
3
0.747
4
4
0.591
4
4
0.698
4.5
5
0.552
4.5
5
0.657
5
6
0.521
5
e
1
0.8
Q=12m^3/s
0.6
Q=18m^3/s
0.4
Q=24m^3/s
0.2
Q=30m^3/s
0
H
0
1
2
3
4
5
6
e~H关系曲线（单位：
m）
二、消力池设计
3
由于时间的关系，现只计当在最大过闸流量（Q=30m／s）时的情况。
按规
范公式T0
hC
q2
或则采用hc
进行计算，
2g2hc
To
To
To
式中：
0.95
；
To—用未设消力池时的5m代入计算；
18q21
0.25
hc
hc
b1
2
ghc3
b2
式中：
—水流动能校正系数，可采用
1.0~1.05，现取
1；
q—过闸单宽流量，
Q=30/8=3.75m3／s。
v
得出跃后水深hc>出池河床水深hs，故需要建消力池。
经计算，在不能忽
略
o
时用公式
Z
q2
q2
和o
dhs
Z现拟设挖深
2g2hs
2
v
2ghc
hc
9
式消力池，池深d=0.7m。
三、消力池池长
消力池池长根据：
Lsj
Ls
LJ
《水闸设计规范》P236
B.1.2-1
式中：
Ls——消力池斜坡段水平投影长度（m）
——水跃长度校正系数，可采用
0.7~0.8；取
=0.75
Lj——水跃长度，由《水闸》欧氏公式Lj6.9
hchc
得
经计算得：
Lsj=2.8+0.75*12.275=12.006m
取池长为12m。
（注：
因为本水闸只在上游水位不超过3.5米时才开闸，所以不必计算其他水位情况。
）
四、消力池底版厚度
根据《水闸设计规范》，满足抗冲要求得池底板厚度公式：
t
k1qH
《水闸设计规范》P236B.1.3-1
式中：
k1——消力池计算系数，可取0.15~0.20；取0.175
H—相应泄流量时的上、下游水位差，
m;
由计算得t=0.479m，取消力池底板厚度为
0.5m，前后等厚。
在消力池的后
半段设排水孔，孔径为
0.1m，间距1.5m，呈梅花形布置，孔内填砂、碎石。
消
力池与闸底板连接处留一宽为1.0m的平台，以便更好地促成出闸水流在池中产生水跃，消力池平面上呈扩散状，扩散角为15度。
五、海漫的设计
（1）海漫长度的确定按以下公式计算
海漫长度LpKsqsH（当qsH=1~9，且消能扩散良好时）
《水闸设计规范》P237B.2.1
式中：
Lp——为海漫长度（m）
2
qs——为其中消力池末端单宽流量，（ms）
Ks——为海漫长度计算系数，取10
H——为闸孔泄水时的上、下游水位差（m）经计算得：
Lp=20m，则海漫的长度取20m。
10
（2）、海漫的布置和构造
海漫应有一定的柔性、透水性和表面粗糙性，其结构和抗冲能力应与水流流速相适应。
由于下游河床局部冲刷过大，应采用倾斜海漫，倾斜段坡度为1：
10，海漫使用厚度为30cm的块石材料，前7m采用浆砌石，后13m采用干砌石块。
浆砌块石漫上设排水孔，底部铺设0.15m厚的砂砾垫层。
（护坡下的垫层应根据
不同的土质情况确定，对于粘土土质渠岸，只铺筑厚度不小于10厘米的碎石垫层即可。
）
六、抛石防冲槽的设计
计算海漫末端的河床冲刷深度dm。
dm1.1qmhm《水闸设计规范》P237B.3.1
vo
式中：
dm——为海漫末端的河床冲刷深度（m）；
2
qm——为海漫末端单宽流量（ms）；
vo——为河床土质允许不冲流速（m/s）；
hm——为海漫末端河床水深（m）
`经计算得：
dm=0.423m<1，理论上可以不建深防冲槽。
但为了保护海漫
末端头部，故在海漫末端建构造防冲槽。
其深度一般采用1.0~2.5m，现取1.0m，底宽为深度的2~3倍，所以底宽取2m。
防冲槽的上、下游边坡坡度采用1：
2~1：
4，现取1：
2。
防冲槽采用宽浅式梯形断面，堆石结构，槽顶与海漫齐平。
两侧
边坡坡度可与两岸河岸坡相同。
为了防止水流冲刷，
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