水闸设计大纲范本.docx
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水闸设计大纲范本
FJD31140FJD
水利水电工程技术设计阶段
水闸设计大纲范本
水利水电勘测设计标准化信息网
1997年11月
水电站技术设计阶段
水闸设计大纲
主编单位:
主编单位总工程师:
参编单位:
主要编写人员:
软件开发单位:
软件编写人员:
勘测设计研究院
年月
目次
1.引言4
2.设计依据文件和规范4
3.基本资料5
4.工程布置10
5.水力设计11
6.闸室稳定计算12
7.结构设计14
8.地基设计20
9.观测设计24
10.专题研究24
11.应提供的设计成果24
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发展和国民经济的建设。
2编制依据文件和规范
2.1有关本工程的主要文件
（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主要设计规范
（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工程等别与建筑物级别
按照SDJ217-87确定枢纽工程为等工程，其主要建筑物
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）控制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；
设计采用风速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
根据地震烈度区划（或根据工程的重要性委托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：
根据技术设计阶段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
—
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[]
MPa
（2）各土层的物理力学参数，见表4（按土类别分列）。
表4各土层的物理力学参数表（按土类别分列）
参数类别与项目
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
土的允许承载力
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、闸前后流态及主要断面的流速分布、可供技术设计选择或修改的消能方案及确定控制运用的组合方式。
（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主要材料特性参数
3.12.1各部位混凝土的标号，见表6。
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
kN/m3
弹性模量E
MPa
泊松比
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：
根据工程初步设计审批意见，结合技术设计阶段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、检修等运行和管理要求，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用天然地基，避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、方便施工和管理等特点。
4.2闸室布置
提示：
闸室主要由闸墩、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、运行管理方便以及优美的整体外观造型，还能适应抗震、过木、排沙、排冰等特殊要求。
闸室分缝位置，应根据闸室结构型式，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发展，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：
防渗排水布置应根据水闸上、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用适当的工程措施，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允许坡降要求，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：
消能防冲布置应根据初步计算，主要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，采用辅助消能工。
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
分别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影响。
5.2消能防冲设施设计
提示：
根据水闸的水流条件、单宽流量、地质条件、闸的控制运用方式，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拟定闸的控制运用方式
提示：
（1）分别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，供工程管理部门使用。
（2）闸门控制应尽量同步开启，但由于实际条件限制很难达到同步开启。
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，以避免闸下形成偏流造成集中冲刷。
（3）控制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基本荷载和特殊荷载分别计算。
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基本荷载
（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。
回填土水上部分采用湿容重，水下部分采用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
分别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、控制运用要求等需关闭闸门时运用的挡水位。
（5）扬压力
分别计算正常挡水位、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：
在土基上可采用改进阻力系数法；在复杂地基上的大型工程可采用电拟试验法；中型工程和简单地基情况下可采用直线比例法。
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：
根据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特殊荷载
（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别分别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：
对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说，荷载基本组合考虑施工完建情况和正常挡水情况；荷载特殊组合考虑最高挡水情况、检修情况、地震情况。
6.2.1荷载基本组合
（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荷载特殊组合
（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：
计算单元应根据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别计算；分离式底板水闸取单个中墩和边墩分别计算。
6.3.2稳定计算
提示：
闸室稳定计算主要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
允许值[KC]
基底
压应力
kPa
平均值
最大值max
最小值min
允许值[]
不均匀系数
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）对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）对于岩基上水闸的抗滑稳定计算，可参照SDJ21-78的规定。
（5）对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根据闸室布置的要求，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，通常采用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用反拱底板；若地基为承载力较小且闸室沉降量较大的软弱地基，多采用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根据底板结构型式结合闸基条件来确定。
平底板的计算方法主要有：
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）、假定底板和地基都是弹性体的弹性地基梁法等。
弹性地基梁法主要有三种不同的假定，即按文克尔假定的基床系数法、按半无限深的弹性地基梁法和按有限深的弹性地基梁法。
弹性地基梁的计算方法很多，由于篇幅所限，此处只介绍按基床系数法计算弹性地基梁水闸底板内力，其它如链杆法（日莫契金法）、郭尔布诺夫—波萨多夫法等可参阅有关专著。
（2）基床系数法计算弹性地基梁底板内力，主要适用于岩基上的水闸底板或可压缩土层厚度与地基梁半长之比较小的土基上的水闸底板（通常比值在0.25以下时适用）。
基床系数法是将闸底板受力的空间问题化为平面问题，在闸底板的垂直水流方向截取具有代表性的若干条带，分别计算荷载基本组合和荷载特殊组合下的各种计算情况的荷载作用下的底板内力。
闸底板内力计算，采用弹性地基梁基床系数法进行。
（1）确定基床系数K
提示：
基床系数K是使单位面积的地基上产生单位变形所需的力，K值反映了地基特性，即地基坚硬或软弱的程度，合理选择K值对于计算成果的精确性和可靠性具有重要意义。
K值的确定通常有三种途径：
（1）按理论公式或经验公式确定；
（2）工程实践积累数据；
（3）试验确定。
如采用中国船舶工业总公司第九设计院编《弹性地基梁及矩形板》介绍的魏锡克建议的计算方法。
该方法是利用地基弹模、地基泊桑比、基础梁的弹模、惯性矩和基础梁宽度来计算基床系数。
也可直接根据上海市政工程设计院等七设计院编著《给水排水工程结构设计手册》中提供的基床系数表来确定。
根据确定基床系数K=。
（2）判定基础梁的属性
提示：
基础梁的属性有刚性梁、短梁、长梁三类，是由基础梁的折算长度确定的。
而基础梁的折算长度又与基础梁的弹性特征长度有关。
基础梁的弹性特征长度可由基床系数、弹模计算求得。
经计算，基础梁的弹性特征长度S=m，基础梁的折算长度=m。
根据判别，水闸底板基础梁的属性为。
提示：
若判定水闸底板基础梁的属性为长梁，尚需根据基础梁的折算距离确定是按半无限长梁或无限长梁计算。
（3）确定基础梁内力计算简图
提示：
确定基础梁内力计算简图的步骤是：
（1）首先计算闸室上部荷载，并把上部荷载化为集中荷载作用于闸墩位置；
（2）底板自重、水重、浮托力、渗透压力及地基反力化为均布荷载；
（3）门前与门后荷载分别计算，并将产生的不平衡剪力按其截面特性进行分配，分配后化为均布荷载；
（4）除均布荷载和集中力
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