水闸课程设计南工.docx
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水闸课程设计南工
水利与生态工程学院
水工建筑物课程设计
——水闸设计
班级：
学号：
姓名：
指导老师：
1基本资料
1.1工程概况
1.2地质资料
1.3水文气象
1.4建筑材料
1.5批准的规划成果
2闸孔设计
2.1闸址的选择
2.2闸型的确定
2.3拟定闸孔尺寸及闸墩厚度
2.4校核泄洪能力
3消能设计
3.1消能防冲设计的控制情况
3.2消力池尺寸及构造
3.3海漫设计
3.4防冲槽设计
3.5上下游岸坡防护
4防渗排水设计
4.1闸底地下轮廓线的布置
4.2排水设备的细部构造
4.3防渗计算
5闸室布置
5.1底板和闸墩
5.2闸门与启闭机
5.3上部结构
5.4闸室的分缝与止水
6闸室稳定计算
6.1设计情况及荷载组合
6.2完建无水期地基承载力验算
6.3正常挡水期闸室抗滑稳定验算
7上下游连接建筑物
7.1上游连接建筑物
7.2下游连接建筑物
水闸设计
1基本资料
1.1工程概况及拦河闸的任务
某拦河闸闸址以上流域面积2234平方公里，流域内耕地面积288万亩，河流平均纵坡1/6200。
本工程属三级建筑物。
本工程投入使用后，在正常高水位时，可蓄水2230万立米。
上游5个县25个乡已建成提灌站42处，有效灌溉面积25万亩。
闸上游开南、北两干渠，配支干23条，修建各种建筑物1230座，可自流灌溉下游三县21万农田，效益巨大，是解决某河流域农田的灌溉动脉，同时，也是解决地区浅层地下贫水区的重要水源。
1.2地质资料
（一）根据地质钻探资料，闸址附近地层中粉质壤土，厚度约25m，其下为不透水层，其物理力学性质如下：
1、湿重度r湿=20.2KN/m3
土壤干重度r干=16.0KN／m3
饱和重度r饱=22.2KN／m3
浮重度r浮=12.2KN／m3
2.自然含水量时，内摩擦角φ=230
饱和含水量时，内摩擦角φ=200
土壤的凝聚力C=0.1KN／m2
3.地基允许承载力[P地基]=150KPa
4.混凝土、砌石与土基摩擦系数f=0.36
5.地基应力的不均匀系数[η]=1.5～2.0
6.渗透系数K=9.29×10-3cm／s
（二）本地区地震烈度为60以下
1.3文水气象
（一）气温：
本地区年最高气温42度，最低气温为-18度。
（二）风速：
最大风速V=20m／s，吹程D=0.6Km。
（三）降雨量：
非汛期（1～6月及10～12月）9个月河流平均最大流量为10m3/s；汛期（7～9月）3个月河流平均最大流量为130m3/s。
年平均最大流量36.1m3/s，最大年径流总量为9.25亿m3。
年平均最小流量15.6m3/s，最小年径流总量为0.42亿m3。
（四）冰冻：
颖河流域冰冻时间短，冻土很薄，不影响施工。
（五）上下游河道断面
1.4建筑材料
本工程位于平原地区、山丘少，石料需从外地供给，距京广线很近，交通条件较好。
经调查本地区附近有较丰富的粘土材料。
闸址处有足够多的砂料。
1.5批准的规划成果
（一）灌溉用水季节，拦河闸的正常挡水位为58.63m，下游无水。
（二）洪水标准。
1.设计洪水位50年一遇，相应的洪峰流量1113m3／s，闸上游的洪水位为59.5m，相应的下游水位59.35m。
2.校核洪水位200年一遇，相应洪峰流量1642.35m3／s，闸上游的洪水位6l.00m，闸下游水位60.82m。
2闸孔设计
2.1闸址的选择
闸址、闸轴线的选择关系到工程的安全可靠、施工难易、操作运用、工程量及投资大小等方面的问题。
在选择过程中首先应根据地形、地质、水流、施工管理应用及拆迁情况等方面进行分析研究，权衡利弊，经全面分析比较，合理确定。
本次设计中闸轴线的位置已由规划给出。
2.2闸型确定
本工程主要任务是正常情况下拦河截水，以利灌溉，而当洪水来临时，开闸泄水，以保防洪安全。
由于是建于平原河道上的拦河闸，应具有较大的超泄能力，并利于排除漂浮物，因此采用不设胸墙的开敞式水闸。
同时，由于河槽蓄水，闸前淤积对洪水位影响较大，为便于排出淤沙，闸底板高程应尽可能低。
因此，采用无底坎平顶板宽顶堰，堰顶高程与河床同高，即闸底板高程为51.92m。
2.3拟定闸孔尺寸及闸墩厚度
由于已知上、下游水位，可推算上游水头及下游水深，如表1所示：
表1上游水头计算
流量Q（m3/s）
下游水深hs（m）
上游水深H（m）
过水断面积（m2）
行近流速（m3/s）
上游水头H0（m）
设计流量1113
7.43
7.58
759.71
1.47
0.11
7.69
校核流量1642.35
8.9
9.08
947.69
1.73
0.15
9.23
注：
考虑壅高15~20cm。
闸门全开泄洪时，为平底板宽顶堰堰流，根据公式1判别是否为淹没出流。
表2淹没出流判别表
计算情况
下游水深hs（m）
上游水头H0（m）
流态
设计水位
7.43
7.69
7.43≥6.152
淹没出流
校核水位
8.90
9.23
8.9≥7.384
淹没出流
按照闸门总净宽计算公式
（2），根据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算如下表。
其中
为堰流侧收缩系数，取0.96；
为堰流流量系数，取0.385。
表3闸孔总净宽计算表
流量Q（m3/s）
下游水深hs（m）
上游水头
H0（m）
淹没系数
（m）
设计流量1113
7.43
7.69
0.966
0.574
55.57
校核流量1642.35
8.9
9.23
0.964
0.586
61.08
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=9m，同时为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用7孔，闸孔总宽度为：
L＝nb0+（n－1）d=（7×9）+（2×1.6+4×1.2）=71m
由于闸基为软基河床，选用整体式底板，缝设在闸墩上，中墩厚1.2m，缝墩厚1.6m，边墩厚0.5m。
如图1所示。
图1闸孔尺寸布置图（单位：
m）
2.4校核泄洪能力
根据孔口与闸墩的尺寸可计算侧收缩系数，查《水闸设计规范》（规范表2-2），结果如下：
对于中孔
；
靠缝墩孔
；
对于边孔
；
所以
与假定接近，根据选定的孔口尺寸与上下游水位，进一步换算流量如下表所示：
表4过流能力校核计算表
计算情况
堰上水头H0（m）
校核过流能力
设计流量1113
7.69
0.966
0.574
0.96
1262
13.4%
校核流量1642.35
9.23
0.964
0.586
0.96
1694
3.1%
设计情况超过了规定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。
3消能设计
3.1消能防冲设计的控制情况
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渲泄洪水，为淹没出流无需消能。
闸前为正常高水位58.63m，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。
为了保证无论何种开启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=6.71m，闸门局部开启情况，作为消能防冲设计的控制情况。
为了降低工程造价，确保水闸安全运行，可以规定闸门的操作规程，本次设计按1、3、5、7孔对称方式开启，分别对不同开启孔数和开启度进行组合计算，找出消力池池深和池
长的控制条件。
按公式（7）、（8）、（9）、（11）计算结果列入表1
开启孔数n
开启高度
e/H
收缩系数
泄流量
单宽流量
收缩水深
跃后水深
下游水深
流态判别
消力池尺寸
备注
e
ε
Q
q
hc
h〃
Hs
池深d
池长Lsj
水跃长Lj
1
0.8
0.12
0.6162
50.88
5.65
0.49
3.40
1.09
自由出流
1.4
17.2
20.1
1
0.15
0.6180
63.79
7.09
0.62
3.78
1.24
1.4
18.4
21.8
1.2
0.18
0.6192
76.69
8.52
0.74
4.11
1.39
1.4
19.3
23.2
1.5
0.22
0.6208
96.11
10.68
0.93
4.56
1.60
1.4
20.4
25.0
2
0.30
0.6250
129.02
14.34
1.25
5.20
1.91
1.3
21.5
27.3
3
0.8
0.12
0.6162
152.64
5.65
0.49
3.40
2.11
自由出流
1.4
17.2
20.1
1
0.15
0.6180
191.36
7.09
0.62
3.78
2.42
1.5
18.5
21.8
1.2
0.18
0.6192
230.07
8.52
0.74
4.11
2.71
1.5
19.6
23.2
1.5
0.22
0.6208
288.33
10.68
0.93
4.56
3.11
1.6
20.9
25.0
池深控制
2
0.30
0.6250
387.05
14.34
1.25
5.20
3.72
1.6
22.4
27.3
限开
5
0.8
0.12
0.6162
254.40
5.65
0.49
3.40
2.88
淹没出流
0.8
15.4
20.1
1
0.15
0.6180
318.93
7.09
0.62
3.78
3.31
0.8
16.5
21.8
1.2
0.18
0.6192
383.45
8.52
0.74
4.11
3.70
0.8
17.3
23.2
1.5
0.22
0.6208
480.56
10.68
0.93
4.56
4.24
0.7
18.3
25.0
2
0.30
0.6250
645.08
14.34
1.25
5.20
5.38
通过计算，为了节省工程造价，防止消力池过深，对开启1孔开启高度为2.0米限开，得出开启1孔开启高度为2米为消力池的池深控制条件。
3.2消力池尺寸及构造
1、消力池深度计算
根据所选择的控制条件，估算池深为1.6m，用（10）、（11）、（12）式计算挖池后的收缩水深hc和相应的出池落差ΔZ及跃后水深hc″，验算水跃淹没系数符合在1.05～1.10之间的要求。
2、消力池池长
根据池深为2m，用公式（13）、（14）计算出相应的消力池长度为22.4ｍ。
3、消力池的构造
采用挖深式消力池。
为了便于施工，消力池的底板做成等厚，为了降低底板下部的渗透压力，在水平底板的后半部设置排水孔，孔下铺设反滤层，排水孔孔径为10cm，间距为2m，呈梅花形布置。
根据抗冲要求，按式16计算消力池底板厚度。
其中
为消力池底板计算系数，取0.18；
为确定池深时的过闸单宽流量；
为相应于单宽流量的上、下游水位差。
取消力池底板的厚度
m。
图1消力池构造尺寸图（单位：
高程m，尺寸cm）
3.3海漫设计
1、海漫长度计算
用公式（18）计算海漫长度结果列入表2。
其中
为海漫长度计算系数，根据闸基土质为中粉质壤土则选12。
取计算表中的大值，确定海漫长度为40m。
表2海漫长度计算表
流量Q
上游水深H
下游水深hs′
qs
△H′
Lp
100
6.71
1.63
1.41
5.08
21.38
200
6.71
2.49
2.82
4.22
28.87
300
6.71
3.19
4.23
3.52
33.79
400
6.71
3.79
5.63
2.92
37.23
500
6.71
4.35
7.04
2.36
39.47
600
6.71
5.16
8.45
1.55
38.92
700
6.71
5.65
9.86
1.06
38.23
2、海漫构造
因为对海漫的要求为有一定的粗糙度以便进一步消除余能，有一定的透水性，有一定的柔性。
所以选择在海漫的起始段为10米长的浆砌石水平段，因为浆砌石的抗冲性能较好，其顶面高程与护坦齐平。
后30米做成坡度为1：
15的干砌石段，以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。
海漫厚度为0.6米，下面铺设15cm的砂垫层。
3.4防冲槽设计
海漫末端河床冲刷坑深度按公式19计算，其中河床土质的不冲流速可按下式计算。
按不同情况计算如表3所示。
（20）
式中
—河床土质的不冲流速，m/s；
—查《水力学》可知此处取0.8m/s；
—水力半径，
；
—海漫末端河床水深，m。
表3冲刷坑深度计算表
计算情况
相应过水水面积
湿周
校核情况
20.53
1109.62
128.75
1.478
1.183
10.90
8.195
设计情况
13.91
932.25
122.17
1.442
1.536
9.43
3.843
根据计算确定防冲槽的深度为1.70m。
采用宽浅式，底宽取3.4m，上游坡率为2，下游坡率为3，出槽后作成坡率为5的斜坡与下游河床相连。
如图2所示。
图2海漫防冲槽构造图（单位：
m）
3.5上、下游岸坡防护
为了保护上、下游翼墙以外的河道两岸岸坡不受水流的冲刷，需要进行护坡。
采用浆砌石护坡，厚0.3米，下设0.1米的砂垫层。
保护范围上游自铺盖向上延伸2～3倍的水头，下游自防冲槽向下延伸4～6倍的水头。
4防渗排水设计
4.1闸底地下轮廓线的布置
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、地下轮廓线布置
（1）闸基防渗长度的确定。
根据公式
（2）计算闸基理论防渗长度为46.97m。
其中
为渗径系数，因为地基土质为重粉质壤土，查表取7。
（2）防渗设备由于闸基土质以粘性土为主，防渗设备采用粘土铺盖，闸底板上、下游侧设置齿墙，为了避免破坏天然的粘土结构，不宜设置板桩。
（3）防渗设备尺寸和构造。
1）闸底板顺水流方向长度根据公式
（1）计算，根据闸基土质为重粉质壤土A取2.0。
底板长度综合考虑上部结构布置及地基承载力等要求，确定为18m。
2）闸底板厚度为
实际取为1.5m。
3）齿墙具体尺寸见图1。
4）铺盖长度根据（3~5）倍的上、下游水位差，确定为30m。
铺盖厚度确定为：
便于施工上游端取为0.6m，末端为1.5m以便和闸底板联接。
为了防止水流冲刷及施工时破坏粘土铺盖，在其上设置30cm厚的浆砌块石保护层，10cm厚的砂垫层。
4、校核地下轮廓线的长度
根据以上设计数据，实际的地下轮廓线布置长度应大于理论的地下轮廓线长度，通过校核，满足要求。
铺盖长度+闸底板长度+齿墙长度=30+14+6.8=50.8>
L理=46.97m
4.2排水设备的细部构造
1、排水设备的作用
采用排水设备，可降低渗透水压力，排除渗水，避免渗透变形，增加下游的稳定性。
排水的位置直接影响渗透压力的大小和分布，应根据闸基土质情况和水闸的工作条件，做到即减少渗压又避免渗透变形。
2、排水设备的设计
（1）水平排水水平排水为加厚反滤层中的大颗粒层，形成平铺式。
反滤层一般是由2~3层不同粒径的砂和砂砾石组成的。
层次排列应尽量与渗流的方向垂直，各层次的粒径则按渗流方向逐层增大。
反滤层的材料应该是能抗风化的砂石料，并满足：
被保护土壤的颗粒不得穿过反滤层；各层的颗粒不得发生移动；相邻两层间，较小一层的颗粒不得穿过较粗一层的空隙；反滤层不能被阻塞，应具有足够的透水性，以保证排水通畅；同时还应保证耐久、稳定，其工作性能和效果应不随时间的推移和环境的改变而变差。
本次设计中的反滤层由碎石，中砂和细砂组成，其中上部为20cm厚的碎石，中间为10cm厚的中砂，下部为10cm厚的细砂。
图2反滤层构造图（单位：
cm）
（2）铅直排水设计本工程在护坦的中后部设排水孔，孔距为2m，孔径为10cm，呈梅花形布置，孔下设反滤层。
（3）侧向排水设计侧向防渗排水布置（包括刺墙、板桩、排水井等）应根据上、下游水位，墙体材料和墙后土质以及地下水位变化等情况综合考虑，并应与闸基的防渗排水布置相适应，在空间上形成防渗整体。
在消力池两岸翼墙设2~3层排水孔，呈梅花形布置，孔后设反滤层，排出墙后的侧向绕渗水流。
3、止水设计
凡具有防渗要求的缝，都应设止水设备。
止水分铅直和水平止水两种。
前者设在闸墩中间，边墩与翼墙间以及上游翼墙铅直缝中；后者设在粘土铺盖保护层上的温度沉陷缝、消力池与底板温度沉陷缝、翼墙、消力池本身的温度沉降缝内。
在粘土铺盖与闸底板沉陷缝中设置沥青麻袋止水。
图3止水详图（单位：
cm）
4.3防渗计算
1、渗流计算的目的：
计算闸底板各点渗透压力；验算地基土在初步拟定的地下轮廓线下的渗透稳定性。
2、计算方法有直线比例法、流网法和改进阻力系数法，由于改进阻力系数法计算结果精确，采用此种方法进行渗流计算。
3、计算渗透压力
（1）地基有效深度的计算。
根据公式（3）判断
地基有效深度
大于实际的地基透水层深度25m，所以取小值
m。
（2）分段阻力系数的计算。
通过地下轮廓的各角点和尖端将渗流区域分成9个典型段，如图4所示。
其中1、9段为进出口段，用式（4）计算阻力系数；3、5、7段为内部垂直段，用式（5）计算相应的阻力系数；2、4、6、8段为水平段，用式6计算相应的阻力系数。
各典型段的水头损失用式（7）计算。
结果列入（表1）中。
对于进出口段的阻力系数修正，按公式（8）、（9）、（10）计算，结果如表2所示。
图4渗流区域分段图（单位：
m）
5闸室设计
5.1底板和闸墩
1、闸底板的设计
（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。
（2）型式常用的闸底板有平底板和钻孔灌注桩底板。
由于在平原地区软基上修建水闸，采用整体式平底板，沉陷缝设在闸墩中间。
（3）长度 根据前边设计已知闸底板长度为14m。
（4）厚度 根据前边设计已知闸底板厚度为1.5m。
2、闸墩设计
（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。
（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。
上游墩头采用半圆形，下游墩头采用流线型。
其长度采用与底板同长，为14m。
（3）厚度 为中墩1.2m，缝墩1.6m，边墩1.0m。
平面闸门的门槽尺寸应根据闸门的尺寸确定，检修门槽深0.20m,宽0.20m,主门槽深0.3m,宽0.8m。
检修门槽与工作门槽之间留3.0m的净距，以便于工作人员检修。
（4）高度 采用以下三种方法计算取较大值，根据计算墩高最大值为9.13m，另根据《水闸设计规范》中规定有防洪任务的拦河闸闸墩高程不应低于两岸堤顶高程，两岸堤顶高程为61.50m，经比较后取闸墩高度为10.00m。
1）
=校核洪水位时水深+安全超高
=9.08+0.5=9.13（m）。
2）
=设计洪水位时水深+安全超高
=8.9+0.7=9.6（m）；
3）
=正常挡水位时水深+
=6.71+0.59+0.4=7.7（m）（式中波浪高度的计算请查阅相关书籍）
图1缝墩尺寸详图（单位：
cm）
5.2闸门与启闭机
闸门按工作性质可分为工作闸门、事故闸门和检修闸门；按材料分为钢闸门、混凝土闸门和钢丝网水泥闸门；按结构分为平面闸门、弧形闸门等。
1、工作闸门基本尺寸为闸门高8m，宽9m，采用平面钢闸门，双吊点，滚轮支承。
2、检修闸门采用叠梁式，闸门槽深为20cm，宽为20cm，闸门型式如图2所示。
图2叠梁式检修闸门示意图
3、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、启闭机的选型
（1）根据《水工设计手册》平面直升钢闸门结构活动部分重量公式1，经过计算得16.9t，考虑其它因素取闸门自重174KN。
（1）
式中
—闸门结构活动部分重量，单位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8m；
—孔口宽度，取9m。
（2）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；
—启门力，KN；
—闭门力，KN；
由于闸门关闭挡水时，水压力
值最大。
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