水闸课程设计.docx
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水闸课程设计
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
米，边坡
。
泄洪闸设计过闸流量
相应上游水位为
米，下游水位
米。
校核流量为
相应上游水位为
米。
此水闸（泄洪闸）为
等3级建筑物。
2、河道上游正常蓄水位为
米，最高蓄水位为
米，下游水位
米。
泄洪闸下游河道水位流量关系如表1：
表1
水位（米）
3.20
3.70
4.10
4.45
4.80
5.10
5.35
5.60
流量
10
20
30
40
50
60
70
80
水位（米）
5.80
6.00
6.10
6.20
6.25
6.30
6.33
6.40
流量
90
100
110
120
130
140
150
170
3、泄洪闸上下游底高程
米，闸底板高程与河底齐平。
4、闸址处地形平缓，堤顶高程在
左右。
5、闸址持力层为中细砂夹粉土，地基承载力为
6、闸址附近多年平均最大风速为
，沿水面从水闸上游面到对岸的最大垂直距离为
。
7、回填土料
闸底板下砂垫层
，
。
两岸翼墙后回填土料
，
，
，
。
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。
3、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、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2章水力计算
第1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
流量Q
下游水深hs
上游水深H
过水断面面积
行近流速
上游水头H0
设计水位
100
5.0
5.1
140.02
0.714
0.026
5.13
校核水位
170
5.4
5.5
155.38
1.094
0.061
5.56
2）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
计算情况
下游水深hs
上游水头H0
0.8H0
hs>0.8H0
流态
设计水位
5.0
5.13
4.1
5>4.1
淹没出流
校核水位
5.4
5.56
4.45
5.4>4.45
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H0
淹没系数σ
侧收缩系数ε
B0
设计水位
100
5.0
5.13
0.975
0.546
0.909
10.17
校核水位
170
5.4
5.56
0.971
0.549
0.909
15.22
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b0=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，由于闸基为软基河床，选用整体式底板，中墩、边墩均为1m。
4）
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：
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
计算情况
流量Q
堰上水头H0
m
σ
ε
Q
校核过流能力
设计流量
100
5.13
0.385
0.546
0.955
155
5.5%
校核流量
170
5.56
0.385
0.549
0.955
175
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：
开启
孔数
开启
高度
过
闸
流
量
hs
（m）
σ
单
宽
流
量
hc
（m）
hc”
（m）
∆Z
（m）
流态
池深
Lj
Lk
1
0.5
14.4
2.42
1.05
2.88
0.308
2.2
-0.01
淹
没
出
流
1
28.0
3.02
1.05
5.59
0.62
2.9
0.00
0.02
15.73
12.58
1.5
40.6
3.45
1.05
8.12
0.938
3.35
0.01
0.05
16.64
13.31
3
0.5
43.2
3.56
1.05
2.88
0.308
2.2
-0.05
1.0
93.9
4.68
1.05
5.59
0.62
2.9
-0.11
1.5
121.8
5.2
1.05
8.12
0.938
3.35
-0.16
表2.2.1消力池计算表
1 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，
2 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
，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：
取
，则
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，下设反滤层。
第3章水闸防渗及排水设计
第1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2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）
地基有效深度的计算。
渗流区域分段图（单位；mm）
进口段和出口段
内部垂直段
内部水平段
分段编号
分段名称
S（m）
S1（m）
S2（m）
T（m）
L（m）
阻力系数ξi
hi（m）
hi'（m）
①
进口
0.5
—
—
12
—
0.454
0.14
0.06
②
水平
—
0
2
11.5
12
0.922
0.28
0.36
③
垂直
2
—
—
11.5
—
2.85
0.88
0.88
④
水平
—
0
0
9.5
1
0.1
0.03
0.03
⑤
垂直
1
—
—
10.5
—
2.79
0.86
0.86
⑥
水平
—
1
1
10.5
10
0.82
0.25
0.25
⑦
垂直
1
—
—
10.5
—
2.79
0.86
0.86
⑧
水平
—
0
0
9.5
1
0.1
0.03
0.06
⑨
出口
1.5
—
—
11
—
0.517
0.16
0.13
合计
11.343
3.5
3.5
各段渗透压力水头损失
段别
S'
T'
β'
h0'
△h
hx'
进口段
0.5
11.5
0.447
0.06
0.08
0.36
出口段
2.5
9.5
0.817
0.13
0.03
0.06
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
H1
H2
H3
H4
H5
H6
H7
H8
H9
H10
3.5
3.44
3.08
2.2
2.17
1.31
1.06
0.19
0.13
0
闸基各角点渗透压力值
验算渗流溢出坡降。
出口段的溢出坡降为；
，小于中砂出口段允许渗流坡降值
，满足要求，不会发生渗透变形。
闸底板下渗透压力分布图
第3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3~5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。
第四章闸室的布置和构造
4.1闸底板的设计
4.1.1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。
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（1.5～2.5）H（H为水闸上、下游最大水位差）;砂土和砂壤土则取（2.0～3.5）H；粉质壤土和壤土可取（2.0～4.0）H；粘土取（2.5～4.5）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（2.0～4.0）H，最终定为L=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
，一般为1.0～2.0m，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（单位：
米）
运用情况
水闸级别
1
2
3
4/5
挡水时
正常蓄水位
最高挡水位
0.7
0.5
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
0.2
泄水时
设计洪水位
校核洪水位
1.5
1.0
1.0
0.7
0.7
0.5
0.5
0.4
闸墩顶部高程计算：
波浪计算高度
式中
——当
=20～250时，为累计频率5%波高的波高
，当
时，为累计频率10%的波高
；
由资料可知：
闸址附近多年平均风速为
，有效吹程为2Km，则：
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。
工作闸门槽一般不小于0.3m，宽0.5～1.0m，最优宽深比宜取1.6～1.8，这里取槽深0.5m，槽宽0.8m；检修门槽一般为0.15～0.25，宽0.15～0.30m，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、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
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：
（1）
式中
—闸门结构活动部分重量，t；
—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。
—闸门材料系数，普通碳素结构钢制成的闸门为1.0；低合金结构钢制成的闸门取0.8。
—孔口高度，取9m；
—孔口宽度，取9m。
经过计算得21ｔ，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：
（2）
（3）
式中
—平面闸门的总水压力，
，KN；b是单孔宽。
—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，本次设计的水闸为中型水闸，系数采用0.10，经计算启闭力
为346KN，闭门力
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4.4m。
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7~9m。
本次设计采用双车道8m宽，并设有人行道安全带为75cm，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15~30m，缝宽为2~2.5cm。
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▽1.0m，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
——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。
荷载组合
计算情况
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
√
√
√
-
-
√
（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。
混凝土重度取24KN/m³，水采用10KN/m³。
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
荷载
自重
偏心距
力矩
+
-
闸底板
2030.4
闸墩
4651.7
0
工作桥上部结构
2204.2
1.8
3967.56
交通桥
656.6
3
1969.8
闸门
887.04
1.8
1596.672
合计
10429.94
5564.232
1969.8
2完建无水期地基承载力为
地基承载力平均值为
地基不均匀系数为
根据荷载计算结果，可知：
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。
正常挡水位荷载计算表
荷载名称
垂直压力
水平压力
偏心距
力矩
↓
↑
→
←
+
-
闸室自重
10430
p1
625
1.67
1043.75
p2
75
0.25
18.75
下游水压力
225
0.5
112.5
浮托力
312.5
渗透压力
120
2
625
水重
1690
4.1
6929
合计
12120
432.5
700
225
7041.5
1687.5
11687.5↓
475→
5354
2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
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