水闸设计教案.docx
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水闸设计教案
水闸设计大纲
水利水电勘测设计标准化信息网
1997年11月
水闸设计大纲
目次
1引言1
2编制依据文件和规范1
2.1有关本工程的要紧文件1
2.2要紧设计规范1
3基本资料1
3.1工程等不与建筑物级不1
3.2洪水标准2
3.4泥沙2
3.5气象2
3.5.1气温2
3.5.2风速与吹程3
3.5.3降雨量3
3.5.4最大冻土深度cm。
3
3.5.5无霜期：
多年平均d。
3
3.6地形资料3
3.7地震烈度3
3.8地质资料3
3.8.1地质概况3
3.8.2工程地质资料3
3.8.3水文地质资料4
3.9交通5
3.9.1闸上交通桥的荷载标准5
3.9.2桥面宽度5
3.10水工模型试验资料5
3.11边墩和翼墙后回填料的物理力学参数（见表5）5
3.12要紧材料特性参数5
3.12.1各部位混凝土的标号5
3.12.2混凝土的设计强度、弹模及热学参数，见表7。
6
3.12.3钢筋的设计强度和弹性模量，见表8。
6
3.12.4浆砌石体特性参数6
4工程布置6
4.1闸的轴线位置6
4.2闸室布置7
4.2.1弧形闸门水闸闸室布置7
4.2.2平面闸门闸室布置7
4.3防渗排水布置7
4.4消能防冲布置8
4.4.1底流式消能防冲布置8
4.5两岸联接布置8
5水力设计8
5.1水闸的过水能力核算8
5.2消能防冲设施设计8
5.3拟定闸的操纵运用方式8
6闸室稳定计算8
6.1荷载计算8
6.1.1差不多荷载9
6.1.2专门荷载9
6.2荷载组合10
6.2.1荷载差不多组合10
6.2.2荷载专门组合10
6.3闸室稳定计算10
6.3.1确定计算单元10
6.3.2稳定计算10
7结构设计11
7.1闸底板结构计算11
7.1.1闸底板的结构型式11
7.1.2闸底板内力计算11
7.1.3闸底板配筋计算13
7.1.4闸底板抗裂计算13
7.2闸墩结构计算13
7.2.1闸墩的结构型式13
7.2.2弧形闸门实体闸墩结构计算13
7.2.3平面闸门实体闸墩结构计算15
7.2.4闸墩抗裂计算15
7.3其它结构设计15
7.3.1上下游翼墙15
7.3.2其它结构15
8地基设计16
8.1天然地基设计计算16
8.1.1验算地基的容许承载力16
8.1.2地基的稳定性计算16
8.1.3地基沉降计算17
8.2闸基处理18
8.2.1垫层法处理水闸浅层基础18
8.2.2钻孔桩基础设计18
9观测设计20
10专题研究（必要时）20
11应提供的设计成果20
1引言
水闸工程位于省市（县）以km处。
在河的游。
本工程是以为主，兼以等综合利用的水利工程。
本工程初步设计已于年月经审查通过。
确定设计流量m3/s，校核流量m3/s。
闸共孔，闸孔宽度m，闸底板高程m。
选用（宽×高）m×m的闸门及型启闭机。
工程共需完成土石方工程万m3，砌石工程万m3，混凝土及钢筋混凝土工程万m3。
共需钢筋t，金属结构钢材t，木材m3，水泥t。
永久占地亩。
需工程投资万元。
工程建成以后，可使防洪标准从提高到，可增加灌溉面积万亩，极大地促进地区的农业进展和国民经济的建设。
2编制依据文件和规范
2.1有关本工程的要紧文件
（1）水闸工程初步设计报告；
（2）水闸工程初步设计报告审批文件；
（3）水闸工程技术设计任务书；
（4）水闸工程文件；
（5）水闸工程纪要。
2.2要紧设计规范
（1）SDJ217-87水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（平原、滨海
部分）（试行）；
（2）SD133-84水闸设计规范；
（3）SDJ214-87水利水电工程水文计算规范；
（4）SL44-93水利水电工程设计洪水计算规范；
（5）SDJ20-78水工钢筋混凝土结构设计规范（试行）；
（6）SDJ10-78水工建筑物抗震设计规范（试行）；
（7）GBJ9-87建筑结构荷载规范。
3基本资料
3.1工程等不与建筑物级不
按照SDJ217-87确定枢纽工程为等工程，其要紧建筑物
水闸为级建筑物。
3.2洪水标准
（1）设计洪水重现期为a；
（2）校核洪水重现期为a；
（3）施工期导流设计洪水重现期为a。
3.3水位与流量
（1）设计洪水流量Q=m3/s，相应闸上水位m，闸下水位m；
（2）校核洪水流量Q=m3/s，相应闸上水位m，闸下水位m；
（3）施工期导流工程设计洪水流量Q=m3/s，相应闸上水位m，闸下水位m；
（4）操纵运用条件下水闸分水流量Q=m3/s，相应闸上水位m，闸下水位m；
（5）闸前蓄水位：
正常蓄水位m；
最高蓄水位m；
死水位m；
（6）闸下游河（渠）道水位与流量关系（见表1）；
表1下游河（渠）道水位与流量关系表
流量
m3/s
水位
m
（7）潮水位（用于潮汐河道河口建闸）：
正常潮水位（重现期a）m；
最高潮水位（重现期a）m；
最低潮水位（重现期a）m；
3.4泥沙
水闸枢纽工程河段多年平均悬移质沙量万t，多年平均推移质沙量万t，工程建成后的，河段冲淤变化情况是。
为了实现枢纽工程分沙比的目标，设冲（排）沙闸孔，布置于。
3.5气象
3.5.1气温
（1）多年平均气温℃；
（2）绝对最高气温℃；
（3）绝对最低气温℃；
（4）多年月平均气温，见表2。
表2多年月平均气温表单位：
℃
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
多年月平均气温
3.5.2风速与吹程
（1）风向；
（2）风速
多年平均最大风速m/s；
多年实测最大风速m/s；
多年平均风速m/s；
设计采纳风速m/s；
（3）吹程km;
（4）风压kN/m2。
3.5.3降雨量
（1）最大年降雨量mm；
（2）多年平均年降雨量mm；
（3）最小年降雨量mm。
3.5.4最大冻土深度cm。
3.5.5无霜期：
多年平均d。
3.6地形资料
闸址区比例为1：
、1：
地形图及断面图。
3.7地震烈度
依照地震烈度区划（或依照工程的重要性托付地震部门完成的工程地震安全性评价工作报告）确定设计地震烈度为度。
3.8地质资料
提示：
依照技术设计时期工程地质与水文地质勘察成果和勘察试验报告等确定。
3.8.1地质概况
提示：
简述地形地貌、地层岩性、地质构造等概况。
3.8.2工程地质资料
（1）基岩物理力学参数，见表3。
表3基岩物理力学参数表
项目
强风化岩
弱风化岩
微风化岩
容重
kN/m3
干容重
kN/m3
弹性模量E
MPa
变性模量E0
MPa
泊松比μ
—
干抗压强度
MPa
湿抗压强度
MPa
抗剪摩擦系数f'
—
岩石与混凝土间摩擦系数f
—
容许承载力[σ]
MPa
（2）各土层的物理力学参数，见表4（按土类不分列）。
表4各土层的物理力学参数表（按土类不分列）
参数类不与项目
单位
土的物理力学参数
平均值
小值
平均值
大值
平均值
建议值
天然
状态
物理
参数
含水量
%
容重
干
kN/m3
湿
kN/m3
孔隙比
—
饱和度
%
液性指数
—
土粒比重
—
流性限度
%
塑性限度
%
塑性指数
%
压缩模量
MPa
力
学
参
数
压缩系数
a1-2
MPa-1
a1-3
MPa-1
抗
剪
强
度
饱和
快剪
粘聚力
kPa
内摩擦角
度
饱和固
结快剪
粘聚力
kPa
内摩擦角
度
贯入击数
击
土的同意承载力
kPa
钻孔灌注桩桩周极限摩阻力
kPa
3.8.3水文地质资料
（1）地下水的埋藏条件，埋深；
（2）含水层的岩性、厚度、渗透系数；
（3）地下水的补给来源；化学类型；矿化度；PH值；硬度；对混凝土侵蚀性。
3.9交通
提示：
简述闸址内外的交通条件及对闸上交通的要求。
3.9.1闸上交通桥的荷载标准
计算荷载汽车—级，验算荷载挂车—。
3.9.2桥面宽度
净宽+2×人行道（安全带）。
3.10水工模型试验资料
提示：
（1）按照初步设计总体布置进行的水工模型试验，应提供经试验确定的工程布置的合理性、闸的泄流能力、闸前后流态及要紧断面的流速分布、可供技术设计选择或修改的消能方案及确定操纵运用的组合方式。
（2）具有分沙排沙要求的水闸，应通过浑水动床模型试验确定分沙排沙工程措施所产生的分沙排沙效果、闸前后的冲淤变化规律。
3.11边墩和翼墙后回填料的物理力学参数（见表5）
表5回填料物理力学参数表
回填料名称
湿容重
kN/m3
饱和容重
kN/m3
内摩擦角
（︒）
凝聚力
kN/m2
回填石碴
回填土
回填沙
3.12要紧材料特性参数
3.12.1各部位混凝土的标号
表6各部位混凝土标号表
结构部位
强度标号
抗渗标号
抗冻标号
闸底板
中墩、缝墩、边墩
铺盖、护坦
翼墙
排架
公路桥桥板
检修桥
人行便桥
栏杆预制件
桥头堡楼板
机架桥
垫层
3.12.2混凝土的设计强度、弹模及热学参数，见表7。
表7混凝土的设计强度、弹模及热学参数表
参数名称
单位
混凝土标号
100#
150#
200#
250#
容重γ
kN/m3
弹性模量E
MPa
泊松比μ
设
计
强
度
轴心抗压Ra
MPa
弯曲抗压Rw
MPa
抗拉RL
MPa
抗裂Rf
MPa
热
学
参
数
线膨胀系数a
℃-1
导热系数
W/（m·k）
比热
散热系数
绝热温升
3.12.3钢筋的设计强度和弹性模量，见表8。
表8钢筋的设计强度和弹性模量表单位：
MPa
钢筋种类
符号
受拉钢筋设计强度
（Rg）
受压钢筋设计强度
（Rg'）
弹性模量
（Eg）
I级钢筋
II级钢筋
III级钢筋
3.12.4浆砌石体特性参数
（1）浆砌石体容重kN/m3；
（2）浆砌石体弹性模量MPa；
（3）浆砌石体抗压强度MPa。
4工程布置
提示：
依照工程初步设计审批意见，结合技术设计时期地质勘察和模型试验成果，应对初步设计确定的工程布置作进一步优化，使之更趋合理。
工程布置不仅在于设计的建筑物能够满足挡水、过流、检修等运行和治理要求，更重要的是在满足稳定安全的条件下，经济合理地使闸室与上、下游之间以及闸室中的工作闸门、检修闸门与相应启闭设施和工作桥、检修桥、交通桥等分部结构布置上，均能达到最佳组合。
4.1闸的轴线位置
闸位于，闸的纵轴线与闸底板前缘交点坐标X=，Y=；与闸底板后缘交点坐标X=，Y=。
提示：
闸的轴线位置应在初设方案的基础上进一步优化：
（1）首先地质条件有利于采纳天然地基，幸免软弱地基和可能产生不均匀沉陷地基及可能产生液化的地基；
（2）水流条件较好，进出水闸的水流顺畅；
（3）具有土石方工程量小、方便施工和治理等特点。
4.2闸室布置
提示：
闸室要紧由闸墩、闸底板、工作闸门、检修闸门、胸墙、工作桥、检修桥、交通桥、启闭机房等部分组成。
闸室布置应具有先进的启闭方案，确保闸门启闭灵活可靠；应使交通和检修、运行治理方便以及优美的整体外观造型，还能适应抗震、过木、排沙、排冰等专门要求。
闸室分缝位置，应依照闸室结构型式，地基情况，通过综合比较论证后确定。
4.2.1弧形闸门水闸闸室布置
水闸的闸室长度m，共孔，闸孔宽度m，选用（宽×高）m×m的钢质弧形闸门。
闸底板高程m，支铰中心高程m，墩顶高程m；工作桥桥面高程m，桥面宽度m；交通桥桥面高程m，桥面宽度m。
提示：
一般弧形闸门的闸室布置均是在闸墩之上设排架和工作桥，利用弧门启闭机启闭弧形闸门。
近年来随着水利水电技术的不断进展，在强地震区的水闸布置有了多种型式的改进，如取消弧形闸门启闭机的排架和机架桥机房，即是一种新型结构。
这种布置是将弧形闸门启闭机改为卷扬式平面闸门启闭机，且布置于支铰牛腿之上，利用滑轮系统传递启门力，以达到降低建筑物高度，提高抗震性能之目的。
有些大型工程还将卷扬启闭机改为液压启闭机，不仅取消了工作桥，还取消了启闭机房，收到了较好的抗震效果和经济效果。
4.2.2平面闸门闸室布置
水闸的闸室长度m，共孔，闸孔宽度m，选用（宽×高）m×m的平面闸门。
闸底板高程m，墩顶高程m；工作桥桥面高程m，桥面宽度m；交通桥桥面高程m，桥面宽度m。
提示：
闸室布置应结合闸室稳定分析最终确定闸门在闸室中的位置：
闸前挡水水头相对较高时，闸门位置偏向闸室上游；闸前挡水水头相对较低时，闸门位置偏向闸室下游。
4.3防渗排水布置
闸室前铺盖长m，闸室下游设排水孔排，排水孔下设反滤层。
提示：
防渗排水布置应依照水闸上、下游的水位差和工程地质条件等因素，结合水闸布置综合考虑采纳适当的工程措施，构成完整的防渗排水体系：
软基上的水闸防渗长度必须满足地基土壤的同意坡降要求，否则应采取加设齿墙或板桩等工程措施；在岩基上的水闸则在底板上游端设灌浆帷幕；闸室岸墙两侧则加设刺墙来增加绕渗的渗径长度。
4.4消能防冲布置
提示：
消能防冲布置应依照初步计算，要紧依据水工模型试验确定，应具有改善水闸进出水流条件，降低下游河（渠）道流速、减少工程数量、方便施工等特点。
4.4.1底流式消能防冲布置
消力池长m，池深m，两岸扩散角，采纳辅助消能工。
海漫段长m，底高程m。
4.4.2挑流式消能防冲布置
挑坎高程m，长度m，挑射角，反弧半径m，挑射距离m，冲坑深度m。
4.5两岸联接布置
闸室上游翼墙型式，墙顶高程m，墙体高度m，长度m。
下游翼墙型式，墙顶高程m，翼墙扩散角度，墙体高度m，长度m。
5水力设计
5.1水闸的过水能力核算
分不核算水闸在设计水位、校核水位等各种特征水位下的过水能力。
提示：
平原地区河道大中型水闸和水库溢洪闸，多为平底或带低堰的开敞式水闸，核算其过水能力时，应注意闸前引渠与其它建筑物及拦鱼、拦污设施等对过水能力的阻碍。
5.2消能防冲设施设计
提示：
依照水闸的水流条件、单宽流量、地质条件、闸的操纵运用方式，通过消能防冲计算初步成果，经水工模型试验，确定最终方案。
5.3拟定闸的操纵运用方式
提示：
（1）分不确定闸前各种水位时闸门开度与过闸流量的关系，并绘出曲线；还要结合工程具体情况确定闸门操作的开启顺序，供工程治理部门使用。
（2）闸门操纵应尽量同步开启，但由于实际条件限制专门难达到同步开启。
可由中间孔向两侧分段分级开启或隔孔对称开启，关闸时则与上述顺序相反，以幸免闸下形成偏流造成集中冲刷。
（3）操纵运用方式可通过模型试验确定各种特征水位、各种流量、与各种闸门开启度的组合方式。
6闸室稳定计算
6.1荷载计算
提示：
作用在水闸上的荷载按差不多荷载和专门荷载分不计算。
计算范围应与闸室稳定计算中选定的计算单元相适应。
6.1.1差不多荷载
（1）水闸结构自重及其设备自重
提示：
包括闸室底板、闸墩、胸墙、排架、工作桥、交通桥、检修桥、启闭机房、工作闸门和启闭机等的自重。
（2）土压力
提示：
作用于边墩背后的填土压力，土基上一般按主动土压力计算，岩基上一般按静止土压力计算。
回填土水上部分采纳湿容重，水下部分采纳浮容重另加静水压力计算。
（3）泥沙压力
提示：
在多泥沙或感潮淤沙河段建闸时，应考虑泥沙淤积对闸室的作用力。
（4）静水压力
分不计算正常挡水位和其他挡水位时的静水压力。
提示：
其他挡水位系指某些水闸在水闸枢纽中为达到分洪、分流、挡湖、操纵运用要求等需关闭闸门时运用的挡水位。
（5）扬压力
分不计算正常挡水位、其他挡水位作用下包括渗透压力和浮托力的扬压力。
提示：
渗透压力计算：
在土基上可采纳改进阻力系数法；在复杂地基上的大型工程可采纳电拟试验法；中型工程和简单地基情况下可采纳直线比例法。
岩基上的渗透压力可参照SDJ21-78计算。
（6）波浪压力
波浪压力按SDJ133-84附录四公式计算。
（7）风压力
风压力按GBJ9-87计算。
（8）水重力
提示：
水重力作用于闸底板上。
（9）淤沙压力
提示：
依照淤沙高度及淤沙容重计算。
（10）冰压力
静冰压力和动冰压力，参考水工设计手册计算。
6.1.2专门荷载
（1）最高挡水位（校核条件）时作用于闸室的静水压力、扬压力、波浪压力。
（2）地震力
按照工程设计地震烈度和建筑物级不分不计算水平向地震惯性力、竖向地震惯性力、地震动水压力、地震动土压力。
（3）侧向静水压力
提示：
某些孔检修时检修门与工作门之间的侧向静水压力作用于闸墩上。
6.2荷载组合
提示：
关于平原地区兼有蓄水和排洪作用的水闸以及大中型水库的泄洪闸来讲，荷载差不多组合考虑施工完建情况和正常挡水情况；荷载专门组合考虑最高挡水情况、检修情况、地震情况。
6.2.1荷载差不多组合
（1）施工建成情况
水闸上、下游均无水。
设计荷载为水闸结构自重及其设备自重，边孔计算时还应考虑边墩后土压力。
（2）正常挡水情况
水闸上游为正常挡水位，下游无水或最低水位。
设计荷载为：
水闸结构自重及其设备自重，正常挡水位的静水压力、扬压力、波浪压力、风压力、土压力，泥沙压力。
6.2.2荷载专门组合
（1）最高挡水情况
水闸上游为最高挡水位（校核水位），下游无水或最低水位。
设计荷载为：
水闸结构自重及其设备自重，最高挡水位的静水压力、扬压力、波浪压力、土压力，泥沙压力。
（2）检修情况
水闸上游为正常挡水位或检修水位。
闸孔一孔检修，相邻闸孔正常挡水，设计荷载除考虑水闸结构自重及其设备自重、静水压力、扬压力、波浪压力、土压力之外，还要考虑作用在闸墩上的侧向静水压力。
（3）地震情况
水闸上游为正常挡水位，下游无水或最低水位。
设计荷载为正常挡水情况的荷载加地震力。
6.3闸室稳定计算
6.3.1确定计算单元
提示：
计算单元应依照闸室布置情况来确定。
大底板水闸应取中联闸室和边联闸室分不计算；分离式底板水闸取单个中墩和边墩分不计算。
6.3.2稳定计算
提示：
闸室稳定计算要紧确定基底压力的最大值、最小值、平均值和基底压力不均匀系数、坑滑稳定安全系数，并满足规范规定和地质勘察成果确定的容许值。
若不能满足其相应的容许值，则需对闸室布置进行适当调整，直到满足为止。
计算成果见表9
表9闸室稳定计算成果表
计算内容
荷载基本组合
荷载特殊组合
施工完建
情况
正常挡水
情况
最高挡水
情况
检修情况
地震情况
计算
水位
闸上，m
闸下，m
抗滑稳定
安全系数
计算值KC
同意值[KC]
基底
压应力
kPa
平均值σ
最大值σmax
最小值σmin
同意值[σ]
不均匀系数η
计算要点如下：
（1）闸室结构布置和受力情况对称的闸孔，其基底压力按偏心受压公式计算。
（2）闸室结构布置和受力情况不对称的闸孔，其基底压力按双向偏心受压公式计算。
（3）关于受双向水平力作用的闸室，应验算水平力的合力方向的抗滑稳定性。
（4）关于岩基上水闸的抗滑稳定计算，可参照SDJ21-78的规定。
（5）关于土基上的闸室抗滑稳定计算，可参照SDJ133-84的规定。
7结构设计
7.1闸底板结构计算
7.1.1闸底板的结构型式
提示：
闸底板的结构型式应依照闸室布置的要求，结合地基特性和闸室稳定计算综合考虑确定。
若地基为坚硬的土质或岩基，通常采纳平底板或平底板加低堰（如驼峰堰）结构；跨度较小的水闸也可考虑采纳反拱底板；若地基为承载力较小且闸室沉降量较大的软弱地基，多采纳桩基加小底板的型式。
7.1.2闸底板内力计算
提示：
（1）闸底板内力计算方法应依照底板结构型式结合闸基条件来确定。
平底板的计算方法要紧有：
假定地基反力均匀分布的截面法、不考虑不平衡剪力分配的倒置梁法（只适用于小型水闸）、假定底板和地基差不多上弹性体的弹性地基梁法等。
弹性地基梁法要
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