井头涌水闸初步设计

课程设计报告课题名称井头涌水闸初步设计报告专业水利水电工程班级姓名学号指导教师时间摘要水闸是一种低水头挡水兼泄水的水工建筑物，依靠可以升降启闭的闸门控制水位、调节流量，在防洪、灌溉、排水、航运、发电等水利工程中应用的十分广泛。本次设计的井头涌水闸工程位于梅州市丰顺县城东南部。本工程的开发主要任务为防御榕江北河干流洪水，宣泄水闸上游集雨范围内的洪水，并且作为丰顺县城防工程的在井头涌这条支流上的一个封口。故当榕江北河干流水位高过支流水位时，下闸防御干流洪水；反之，则开闸。根据设计资料，结合当地水文、地质条件，按照水闸设计相关规范规定，设计该水闸结构型式。根据河道洪水季节行洪要求，确定水闸工程中的堰、泄水闸的型式、尺寸，根据当地灌区灌溉要求，确定水闸工程中进水闸的型式、尺寸。确定水闸工程的整体工程布置之后，对水闸进行泄流、供水能力复核计算，渗流计算，消能工的设计、复核以及闸室的稳定计算。完成水闸设计文本内容并绘制相关工程布置图。通过井头涌工程的整体设计计算，工程图纸绘制以及设计说明书的编写，能过对大学本科所学专业知识加以系统的整合、运用，是一次学以致用的实践过程。同时，通过此次水闸工程设计，认识到水利工程对于国民经济发展、生活水平的提高的巨大重要性，作为一个水利人，要认识到自己的肩头责任。关键词水闸设计泄流洪水防御干流洪水消能防冲目录1总论111设计基本资料112工程综合说明42水力设计521坝址及形式选择522闸孔设计623消能防冲设计10231过闸水流的特点10232消能防冲方式选择11233消能防冲设施的设计113水闸防渗排水设计1631闸底地下轮廓线布置16311底板16312铺盖17313侧向防渗17314排水，止水17315防渗长度验算1932渗流计算19321确定地基的有效深度TE19322渗流区域的分段和阻力系数的计算20323渗透压力计算21324抗渗稳定验算244闸室布置2441底板2542闸墩2543胸墙2644工作桥26441闸门26442启闭机选型28443工作桥的尺寸及构造2945检修便桥3046交通桥3047闸室的分缝止水305闸室稳定计算及地基应力计算3151荷载及计算列表3252设计洪水情况下的荷载。3353校核洪水位情况的荷载3554稳定计算36541闸室基底压力计算36542设计情况闸室基底压力计算37543校核情况闸室基底压力计算396闸室结构设计4061闸墩设计4062底板结构计算40621选定计算情况41622闸基的地基反力计算41623不平衡剪力及剪力分析42624板条上荷载的计算43625弯矩计算44626配筋计算457上下游连接建筑物4671上下游连接建筑物的作用4672上游连接段4673下游连接段461总论11设计基本资料（1）概况本工程根据拟定的防洪堤设计方案，将在井头涌支流汇入口处修建水闸。本次新建的水闸的任务为防御榕江北河干流洪水，宣泄水闸上游集雨范围内的洪水，并且作为丰顺县城防工程的在石湖溪这条支流上的一个封口。故当榕江北河干流水位高过支流水位时，下闸防御干流洪水；反之，则开闸。本工程新建的井头涌水闸的最大过闸流量在100M3/S1000M3/S之间，按水利水电工程等级划分及洪水标准（SL2522000）拦河水闸工程分等指标，水闸为中型规模，3级水工建筑物。依据水闸设计规范（SL2652001），并与围内治涝标准相协调，确定井头涌水闸泄流标准为10年一遇；同时水闸设计规范又规定位于防洪堤上的水闸，其防洪标准不得低于堤防的防洪标准的规定，确定井头涌水闸挡洪设计标准为50年一遇。同时设计上交通应该跟旁边的提防连成整体。（2）水文及气象条件新建水闸10年一遇设计洪水情况流量，50年一遇校核洪水情况流量及其各自的相应上下游水位见表1。此成果将用于确定水闸规模及闸孔尺寸。表1水闸设计洪峰流量及相应内外江水位表水闸名称项目名称单位井头涌水闸洪峰流量M3/S125相应闸下游水位M1710设计P10相应闸上游水位M1730洪峰流量M3/S247相应闸下游水位M1887校核P2相应闸上游水位M1897通过新建水闸的各频率设计洪峰流量，水闸闸外榕江干流的水位与流量关系表（表2）及水闸闸外干流设计水位流量关系曲线图（图1）。此成果将用于确定水闸的消能计算。表2石湖溪水闸的设计洪峰流量成果表各频率设计洪峰流量（M3/S）水闸名称P2P333P5P10P20石湖溪185170158136113计算水闸防渗，稳定及结构时，仍采用50年一遇校核洪水情况的下游水位，即1887M。本工程地处亚热带季风带，气候温和，据丰顺县气象站统计，本地区多年平均气温214，最高气温391，最低气温19。多年平均相对湿度85。丰顺县季风期分明，秋、冬季节以吹北风和西北风为主，春、夏两季以吹南风和东南风为主，多年平均风速20M/S，风区长度为05KM。汛期多发生在49月，雨量特别集中，约占全年雨量的80，其中前汛期46月以锋面雨为主，79月则主要受热带气旋影响，以台风雨为主；非汛期（10月次年3月），雨量稀少，约占全年雨量的20。多年平均日照数在2000H左右。图1水闸闸外干流水位流量关系曲线图（3）工程地质和水文地质条件表3水闸稳定计算允许值项目名称单位基本组合特殊组合备注地基承载力标准值KPA300300取自地质报告基底应力比200250中密卵石层抗滑稳定安全系数13115工程地质条件详见地质剖面图根据“丰顺县城汤西河”地质资料，井头涌水闸处河道宽约93M，河床高程123M130M，河床为92M99M厚的卵石层，下界面高程307M；下伏全风化花岗岩。卵石层为中密，天然密度20G/CM3，地基承载力标准值300KPA，渗透系数70102CM/S,临界水力比降050055。闸址所在支流“井头涌”的河道断面图，见图2。图2地震设防烈度根据中国地震动参数区划图（GB183062001），该工程所在地区地震动峰值加速度为01G，相应的地震基本烈度为7度。故根据水闸设计规范（江苏省水利勘察设计研究院，2008）规定，需对水闸进行抗震设计。12工程综合说明本工程为拦河闸，建造在河道上。水闸的任务是防御榕江北河干流洪水。宣泄水闸上游集雨范围内的洪水，作为丰顺县城防工程在石湖溪这条支流上的一个封口。一、拦河闸的特点拦河闸既用以挡水，又用于泄水，且多修建在软土地基上，因而在稳定、防渗、消能防冲及沉降方面都有其自身的特点。1稳定方面关门拦水时，水闸上、下游较大的水头差造成较大的水平推力，使水闸有可能沿基面产生向下游的滑动，为此，水闸必须具有足够的重力，以维持自身的稳定。2防渗方面由于上下游水位差的作用，水将通过地基和两岸的土壤会被掏空，危及水闸的安全。渗流对闸室和两岸连接建筑物的稳定不利。因此，应妥善进行防渗设计。3能防冲方面水闸开闸泄水时，在上下游水位差作用下，过闸水流往往具有较大的动能，流态也较复杂，而土质河床的抗冲能力较低，可能引起冲刷。此外，水闸下游常出现波状水夭和折冲水流，会进一步加剧对河床和两岸的淘刷。因此，设计水闸除应保证闸室具有足够的过水能力外，还必须采用有效的消能防冲措施，以防止河道产生有害的冲刷。4沉降方面土基上的建闸，由于土基的压缩性大，抗剪强度低，在闸室的重力合外部荷载作用下，可能产生较大的沉降影响正常使用，尤其是不均匀沉降会导致水闸倾斜，甚至断裂。在水闸设计时，必须合理选择闸型、构造，安排好施工程序，采取必要的地基处理等措施，以减少过大的地基沉降和不均匀沉降。二、拦河闸的组成拦河闸通常由上游连接段，闸室段和下游连接段三部分组成。1上游连接段上游连接段的主要作用是引导水流平稳地进入闸室，同时起防冲、防渗、挡土等作用。一般包括上游翼墙、铺盖、护底、两岸护坡及上游防冲槽等。上游翼墙的作用是引导水流平顺地进入闸孔并起侧向防渗作用。铺盖主要起防渗作用，其表面应满足抗冲要求。护坡、护底和上游防冲槽（齿墙）是保护两岸土质、河床及铺盖头部不受冲刷。2闸室段闸室是水闸的主体部分，通常包括底板、闸墩、闸门、胸墙、工作桥及交通桥等。底板是闸室的基础，承受闸室的全部荷载，并比较均匀地传给地基，此外，还有防冲、防渗等作用。闸墩的作用是分割闸孔，并支承闸门、工作桥等上部结构。闸门的作用是拦水和控制下泻流量。工作桥供安置起闭机和工作人员操作之用。交通桥的作用是连接两岸交通。左岸水平高程为195米，右岸水平高程为143米，设计下游水位在171米，也就是说右岸边墩要加高。3下游连接段下游连接段具有消能和扩散水流的作用。一般包括护坦、海漫、下游防冲槽、下游翼墙及护坡等。下游翼墙引导水流均匀扩散兼有防冲及侧向防渗作用。护坦具有削能防忡作用。海漫的作用是进一步消除护坦出流的剩余动能、扩散水流、调整流速分布、防止河床冲刷。下游防冲槽是海漫末端的防护设施，避免冲刷向上游扩展。2水力设计21坝址及形式选择一、坝址选择闸址选择关系到工程建设的成功和经济效益的发挥，是水闸设计中的一项重要内容。应根据水闸的功能、特点和运用要求，以及区域经济条件，综合考地形、地质、建筑材料、交通运输、水流、潮汐、冰情、泥砂、施工、管理、周围环境等因素，经技术经济比较确定。闸址应选择在地形开阔、岸坡稳定、岩土坚实和地下水位较低的地点。闸址应选用地质条件良好的天然地基。壤土、中砂、粗砂、砂砾石适与作为水闸的地基。尽量避免淤泥质土和粉砂、细砂地基，必要时，应采取妥善的处理措施。拦河闸应选择在河道顺直、河势相对稳定和河床断面单一的河段，或选择在弯曲的河段采弯取直的新开河道上。应考虑材料来源、对外交通、施工导流、场地布置、基坑排水、施工水电供应等条件，同时还应考虑水闸建成后工程管理维修和防洪抢险等条件。水闸中心线的布置应考闸室与两岸建筑物均匀，对称的要求。拦河闸的中心线一般应与河道中泓线相吻合。二、闸室型式选择闸室按结构形式可分为开敞式水闸和涵洞式水闸。开敞式水闸闸室上面不填土封闭的水闸。一般有泄洪、排水、过木等要求时，多采用不带胸墙的开敞式水闸，多用于拦河闸、排冰闸等。当上游水位变幅大，而下泄流量又有限制时，为避免闸门过高，常采用带胸墙的开敞式水闸，如进水闸、排水闸、挡潮闸多用这种形式。涵洞式水闸闸身上面填土封闭的水闸，又称封闭式水闸。常用于穿堤水或排水的水闸。洞内水流可以是有压的或无压的。综合考虑该工程特点，上、下游水位差较小，不须控制流量，泄洪时可能有漂浮物等因素，可采用无胸墙的开敞式水闸。闸孔形式的选择闸孔形式一般有宽顶堰型和实用堰低型两种。1宽顶堰型。这是水闸最常用的底板结构形式。主要优点是结构简单、施工方便、泄流能力比较稳定，有利于泄洪、冲沙、排淤、通航等；其缺点是自由泄流时流量系数小，容易产生波状水。2实用堰低型。有梯形、曲线型和驼峰型。实用堰型自由泄流时，流量系数较大，水流条件较好，选用适宜的堰面形式可以消除波状水。但泄流能力受尾水位变化的影响较为明显，不稳定。根据各种形式的适用条件，综合考虑该工程特点，河槽蓄水，闸前基本没有淤积，闸底高程应尽可能底。因此，采用无底砍平底版宽顶堰，堰顶高程与河床同高，即闸底板高程为132米。22闸孔设计一、闸底板高程的选定底板高程与水闸承担的任务、泄流或引水流量、上下游水位及河床地质条件等因素有关。闸底板应置于较为坚实的土层上，并应尽量利用天然地基。在地基强度能够满足要求的条件下，底板高程定得高些，闸室宽度大，两岸连接建筑物相对较低。对于小型水闸，由于两岸建筑物在整个工程中所占比重较大，因而适当降低底板高程，常常是有利的。当然，底板高程也不能定的太低，否则，由于单宽流量加大，将会增加下游消能防冲的工程量，闸门增高，启闭设备的容量也随之增大。另外，基坑开挖也较困难。一般情况下，闸底板高程应该与河床持平，丰顺县城汤西河的地质资料显示，河床高程在123130米，这里取较大值132米。二、计算闸孔总净宽首先要确定合适的最大过闸单宽流量。闸孔总净宽的增大或缩小，意味着过闸单OL宽流量Q的减少或加大。它取决于闸下游河渠的允许最大单宽流量。允许最大过闸单宽流量可按下游河床允许最大单宽流量的1215倍确定。根据工程实践经验，一般在细粉质及淤泥河床上，单宽流量取510M3/（SM）；在砂壤土地基上取1015M3/（SM）；在壤土地基上取1520M3/（SM）；在黏土地基上取2025M3/（SM）。下游水深较深，上下游水位差较小和闸后出流扩散条件较好时，宜选用较大值。（1）由已知上、下游水位及闸底板高程，由公式（21）、式（22）可求得上游水头及下游水深。表4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）行进流速V0（M/S）V02/2G上游水头H0（M）设计流量12539414045309049459校核流量2475675775693434096673V0Q/A（21）H0HV02/2G（22）其中V0行进流速，M/S；Q过流流量，M3/S；A过水断面面积，M2；H0含有行进流速水头在内的闸前水头，M。推算的上游水头及下游水深见表4。过水断面面积计算，断面宽度取9867米作平均值求近似值。详情见表4。（2）判别出流流态闸门全开泄洪时，一般属于淹没条件下的水流，所以采用平底板宽顶堰堰流公式，根据设计，校核情况下的上、下游水位及流量进行计算。对于宽顶堰，其淹没条件为HS08H0（23）式中HS下游水深，M；H0含有行进流速水头在内的闸前水头，M。根据公式（23）判别是否为淹没出流，其判别计算见表5表5淹没出流判别计算计算情况下游水深HS（M）上游水头H0（M）HS08H0流态设计水位3945939367淹没出流校核水位567673567538淹没出流（3）确定闸门总净宽对于平底板宽顶堰，闸门设计规范DLT501395中推荐的堰流公式为（2OL230HGMQS4）其中闸孔总净宽，M；OQ流量，M3/S；侧收缩系数，初拟可按095096估计；M流量系数，初拟可按0385计算；S淹没系数，可通过查表求得。表6闸孔总净宽计算流量Q（M3/S）下游水深HS（M）上游水头H0（M）HS/H0淹没系数S（M）OL设计流量39459085096809校核流量567673084097891按闸门总净宽计算公式（24），根据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算，见表23。其中堰流侧收缩系数取095；流量系数M取0385；淹没系数S根据HS/H0查水力学（吴持恭，2008年）教材。并取两者的较大值。（4）闸孔尺寸的选择该水闸是中小型水闸，闸室单孔宽度应根据闸的地基条件、运用要求、闸门结构形式、启闭机容量以及闸门等因素，进行综合比较确定。根据闸门设计规范DLT501395中闸孔尺寸和水头系列标准，选定单孔净宽B,9米，同时为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用1孔。总净宽值9米不超过计算值得35，同时孔数为单数，便于闸门对称开启，使过闸水流均匀。（5）闸墩的厚度及墩头形状井头涌水闸的河床为卵石层，下伏分全风化花岗岩。不仅承载能力大而且坚硬紧密。可以在单孔底板上设双缝，将底板与闸墩分开，采用分离式底板，边墩采用12M闸孔总宽度为L91212114M三、校核闸孔的泄洪能力水闸设计规范（江苏省水利勘察设计研究院，2001）中A011堰流的计算公式为Q（25）230HGMLOS为闸孔总净宽OLQ为过闸流量M为堰流流量系数，多采用0385为堰流侧收缩系数，根据水闸设计规范（AO12求得4170SOB计入行进流速水头的堰上水深0H式中LNB0（N为闸孔数，B0为单孔净宽），分别按设计、校核两种情况确定计算参数，求出相应的实际过闸流量Q1，校核过流能力。一般其相对差值不应超过5。5（2设设设Q6）5（2校校校7）表7过流能力校核计算计算情况（M3/S）堰上水头H0（M）HS/H0SQ校核过流能力设计流量1254590850960951390211校核流量247673084097095249081其中设计情况过流能力大于5，校核情况流量小于5。一般情况应两者小于5，但是本水闸是小型水闸，设计和校核情况流量相差比较大，为满足校核情况下的流量，所以本水闸取稍大的值也行。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（江苏省水利勘察设计研究院，2001）（22），结果如下对于中孔B0/BS3/（31）075得10961对于边墩B0/BSB0/（B0BB）3/（3123673（1229）/2）0115得10909（096109092）/309323消能防冲设计水闸泄水时，部分势能转化为动能，流速增大，具有较强的冲刷能力，而土质河床的抗冲能力又较低，因此，必须采取适当的消能防冲措施。那么首先应了解过闸水流的特点。231过闸水流的特点（1）水流形式复杂初始泄流时，闸下水深较浅，随着闸门开度的增大而会逐渐加深，闸下出流由孔口到堰流，自由出流到淹没出流都会发生，水流形态比较复杂。因此，消能设施应在任意工作情况下，均能满足消能的要求并与下游很好的衔接。（2）闸下易形成波状水跃由于水闸上下游水位差较小，出闸水流的拂汝得数较低（FS117），容易放生波状水跃，特别是在平底板的情况下更是如此。此时，无强烈的水跃旋滚，水面波动，消能效果差，具有较大的冲刷能力。另外，水流处于急流状态，不易向两侧扩散，致使两侧产生回流，缩小河槽有效过水宽度，局部单宽流量增大，严重地冲刷下游河道。（3）闸下容易出现折冲水流一般水闸的宽度较上下游河道窄，水流过闸时先收缩而后扩散。如工程布置或操作运行不当，出闸水流不能均匀扩散，将使主流集中，蜿蜒蛇行，左冲右撞，形成折冲水流，冲毁消能防冲设施和下游河道。232消能防冲方式选择泄水建筑物下游水流的消能防冲方式有以下几种形式。1底流式衔接消能能使下泄的高速水流在较短的距离内有效地通过水跃转变为缓流，消除余能，与下游河道的正常流动衔接起来。平原地区的水闸，由于水头低，下游水位变幅大，适用底流式消能。2挑能式消能在建筑物出流部位利用挑流鼻坎将水流抛射在较远的下游，不致影响建筑物安全。适用山区灌溉渠道上的泄水闸和退水闸，下游为坚硬的岩体，又具有较大的水头的情况。3面流式消能对下游水深较大且稳的情况，可采用低与下游水位的跌坎，将下泄的高速水流送入下游河道水流表层，在坎后形成底部旋滚，减轻对河床的冲刷，并消除余能。由于本闸位于地势平坦的地区，河床的抗冲刷能力较低，采用底流式消能。233消能防冲设施的设计消能防冲设计包括消力池，海漫设计及防冲槽等三部分1消力池的设计（1）上下游水面连接形态的判别，当闸门从关闭状态到校核的下泄流量为Q247，往往是分级开启的。为了节省计算工作量，闸门的开度拟分三级开启。3/MS第一级泄流量25；待下游水位稳定后，开度增大至设计流量216；最后待下3/S3/MS游水位稳定后，再增大开度至最大下泄流量247。3/MS（2）当泄流量为Q25时，上游水深672米，下游水深则采用前一级开度（即3/SQ0）时的下游水深10米，这个水深是榕江外干流的2校核年水深；则上游行近流速05/S/456932AQV0则可以忽略不计。假设闸门的开度E0410，E/H0410/6730061H1M,为自由出流式水跃，需要设立消力池。C“T由，查SL2652001表A32得孔流淹没系数，175082761“CTH1因此有,得GHEBQ1592076101HE式中孔流流量系数。1因此SM3289240592该值与要求的流量25M/S十分接近，故所假定的闸门开度E0410是正确的。3表8水面连接计算序号QM3/SE（M）HCMHC”（M）H（MT）水面连接情况125104100613025118521远离式水跃221634106452194854淹没式水跃3247382065124950857淹没式水跃以同样的方法，则分级开启时216、247时的闸门开度，并计算相应的3/MS3/S参数，并判别不同下泄流量时，上下游水面的连接形式，则可以判别是需要设消力池，其水面连接计算见表8所示根据表21的计算，以下泄流量25作为消力池长度的计算依据。图3S/3图3依据SL2652001,附表B11,则计算出消力池的相关参数MGHAQZCS1730852192189222其中为出池落差、H“S为出池河床水深、为水流动能校正系数取10。ZDSC647305010则计算出消力池池深D08642M，但为了稳定泄流时的水流，根据规范取池深D10M。消力池长度计算由前面的计算，以下泄流量250作为确定消力池长度计算的依据。略去行进流速3/MSV0，则THD672107720根据水闸设计规范SL2652001（江苏省水利勘察设计研究院，2001）（B1132923GAQHCOA水流动能校正系数，取10到105Q过闸单宽流量孔流流速系数取为1由消力池底板顶面算起的总势能0T得到00THC，2GQSM2191即240则得到01815724072CH由此MGHQHCC318509128501823232由此水跃长度HLCJ1466消力池与闸地板以14的斜坡段连接，则20PDLS则消力池长度M3414802LJSSJ注为水跃长度校正系数取消力池长度为M31SJ消力池底板厚度计算根据抗冲要求据水闸设计规范SL2652001（江苏省水利勘察设计研究院，2001）（B131（2HQKT110）T为消力池底板始端厚度H闸孔泄水时上下游水位差Q单宽流量式中Q为单宽流量Q219H为闸孔泄水是的上下游最大水位差，通过资料3/MS比较，设计状况时上下游水位差H02M，K1为消力池底板厚度计算系数，取K10180则MQKT178029801计算的T0178M05M故取消力池池底厚度取T05M由此得到，取消力池底板厚为05M，前后等厚。为减小作用在护坦底板上的扬压力，在消力池底板的后半部分设置排水孔，并在该部位的地面铺设反滤层，排水孔径取D02M，间距L2M，呈梅花形排列，为使出闸水流在池中产生水跃，在消力池与闸底板连接处留一宽为10M的平台，厚以14的斜坡连接，底板下设02M厚砂，碎石垫层，反滤，排水。2海漫的设计海漫的长度计算由水闸设计规范SL2652001（江苏省水利勘察设计研究院，2001）（B21（211HQKSPL其中为海漫长度消力池末端单宽流量S海漫长度计算系数，由水闸设计规范SL2652001（江苏省水利勘察设SK计研究院，2001）表（B21查得式中Q为单宽流量Q219H为闸孔泄水是的上下游最大水位差H02M，KS为3/MS海漫长度计算系数，由于河床为中砂取K1120则MQKLP8120921因此取海漫的长度为LP120M采用浆砌石作为海漫的材料，其厚度为05M，浆砌石内设排水孔，下面铺设反滤层，在海漫起始段做50M长的水平段，其顶面高程与护坦齐平，在海漫后半段做成115的斜坡，以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不收冲刷。3防冲槽的设计取防冲槽深度为20M，底宽B为40M，取顶端与海漫末端齐平，则上游坡率取M2，下游坡率取M3。由此得到消能防冲设计的相关尺寸。见图4图43水闸防渗排水设计31闸底地下轮廓线布置地下轮廓的设计主要包括底板，防渗铺盖，板桩等的设计311底板底板既是闸室的基础，又兼有防渗、防冲刷的作用。它既要满足上部结构布置的要求，又要满足稳定及本身的结构强度等要求。（1）底板顺水流方向的长度L0（用校核年的上流水深减去榕江干流的下游校核年水深求水位差）根据闸底板的形式，用经验公式（31）计算，并综合考虑闸上结构布置及地基承载力两方面因素，拟定闸底板顺水流方向长度。L底AH（31）式中A系数，对于砂砾石地基可取1520，对于砂壤土可取2025，对于黏壤土地基可取2030，对于黏土地基可取2535；该工程闸基为重粉质壤土，取A20；H上、下游最大水头差。ML716421897530为了满足上部结构布置的要求，L必须大于交通桥宽、工作桥、工作便桥及其之间间隔的总和，即取L0约为17米（2）底板厚度D根据经验，初拟底板厚度D10M（3）底板构造底板采用钢筋混凝土结构，上下游两端各设10M深的齿墙嵌入地基，底板分缝设以“V”型铜片止水，由于地基为砂性土的细砂地基，抵抗渗流变形的能力较差，渗流系数也较大，由此得在底板两端分别设置不同深度的板桩，由于一般为水头的（0610）倍，有水头大小可知，上游端设板桩深为3M，下游端不设板桩。312铺盖主要用来延长渗径，具有相对不透水性和一定的柔性。铺盖常用黏土、黏壤土或沥青混凝土等材料，有时也可用钢筋混凝土作为铺盖材料。铺盖的长度采用上、下游最大水头差的35倍。铺盖的厚度应根据铺盖土料的允许水力坡降值计算确定，即H/J，其中，H为铺盖顶、底面的水头差，J为材料允许坡降，黏土为48，壤土为35。铺盖上游端的最小厚度一般为0608M，逐渐向闸室方向加厚至1015M。铺盖采用钢筋混凝土结构，其长度一般为24倍闸上水头或35倍上下游水位差，577拟取20M，铺盖厚度为04M。铺盖上游端设05M深的小齿墙，其头部53不再设防冲槽。为了防止上游河床的冲刷，铺盖上游设块石护底，厚03M，其下设02M厚的砂石垫层。313侧向防渗侧向防渗主要靠上游翼墙和边墩，则上游翼墙为曲线形式，从边墩开始向上游延伸一定距离后，以半径为70米的圆弧插入岸墙。314排水，止水1、排水设备的作用采用排水设备，可降低渗透压力，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，做到既减少渗透压力又避免渗透变形。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。排水反滤层一般由23层粒径的砂和砂砾石组成。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；各层次的颗粒不得发生移动；相临两层间，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。综合考虑本设计的反滤层由碎石、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。见下图5图5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），并应根据上、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23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。止水分铅直止水和水平止水两种，前者设在闸墩中间，边墩与翼墙间以及上游翼墙铅直缝中；后者设在黏土铺盖保护层上的温度沉陷缝、消力池与底板温度沉陷缝、翼墙和消力池本身的温度沉陷缝内。为了减小作用于闸底板上的压力，在整个消力池底板下部设砂砾石排水，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缝中，均设以铜片止水。闸底板与消力池、消力池与下游翼墙、下游翼墙与边墩之间的永久性分缝，虽然没有防渗要求，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。315防渗长度验算算闸基防渗的计算必须的防渗长度满足LCHH为上下游最大水位差，则H477,C为允许渗径系数值，由于为中砾取C4。得最小允许防渗长度LCH447719M。实际闸基防渗长度L见图6图619M,闸基防渗长度满足要求32渗流计算321确定地基的有效深度TE当地基不透水层埋藏较深时，须有一个有效计算深度TE来代替实际深度T，TE可根据水闸设计规范（江苏省水利勘察设计研究院，2001）公式（32）确定当5时，05L00/SLET当5时，5/（16/2）（30L0LS2）式中土基上水闸的地基有效计算深度，M；ET地下轮廓的水平投影长度，M；0L地下轮廓的垂直投影长度，M。S根据钻探资料，闸基透水层深度很大。故在渗流计算中必须取一有效深度代替实际深度。由地下轮廓线简化图知地下轮廓的水平投影长度13317303M地下轮廓的垂直投影长度S5M。/0L0L303/56065,故地基的有效深度05053031515M。又资料显示河床下界0SET0L面高程307米，则T1323071013则T，故地基的实际计算深度T1013M。E图7地下轮廓线简化图322渗流区域的分段和阻力系数的计算过地下轮廓的角点、尖点，将渗流区域分成8个典型段。如上图1、8段为进出口段，2、4、5、7则为内部垂直段，3、6、二段为内部水平段。则相关计算的数据见下表9则315402173104705160257348081I323渗透压力计算1设计洪水情况下H173013241M。根据水流的连续条件，经过各流段的单宽渗流流量均应相等各流段的水头损失的计算,则得H0488/533141038H0052/53314100412H1713/533141132H0516/53314104034H0477/533141037H1402/53314110856H0110/5331410085H0573/53314104478进出口段进行必要的修正进出口修正系数据水闸设计规范SL2652001（江苏省水利勘察设计研究院，2001）（C24330592121TS3）T913T1013S1M,，得0670，表示闸门不能靠自重关闭，则需加压重块帮助关闭，加压重块选50KN。根据计算所需的启门力FQ4535KN，初选单吊点卷扬式启闭机QPQ2，其机架外轮25廓宽J1962MM。443工作桥的尺寸及构造工作桥是供设置启闭机和管理人员操作时使用。其高度应保证闸门开启后不影响泄放最大流量，并考虑闸门的安装及检修吊出需要。工作桥应尽量靠近上游侧，为了安装、启闭和检修方便，应设置在工作闸门的正上方。其机座尺寸可根据启闭机型号来确定。1工作桥的总宽度工作桥的宽度不仅要满足启闭机布置的要求，且两侧应留有足够的操作宽度。其宽度B启闭机宽度2栏杆柱宽2栏杆外富裕宽度2操作宽度19622102022014562M，故取工作桥净宽46M工作桥为板梁式结构，预制装配，两根主梁高08M，宽04M，中间活动铺板厚60MM。其结构见图12。图122工作桥的高程为了保证启闭机的机脚螺栓安置在主梁上，主梁间的净距为12M。在启闭机机脚处螺栓处设两根横梁,其宽03M，高为05M，工作桥设在实体排架上，排架的厚度即闸墩门槽处的颈厚为04M，排架顺水流方向的长度为22M，则排架高门高富裕高度630669M，其顶部高程为2642M。在工作桥的下游侧布置公路桥，桥身结构为钢筋混凝土板梁结构，桥面总宽为46M。45检修便桥为了便于检修、观测、在检修门槽处设置有检修便桥。桥宽15M。桥身结构仅为两根嵌置于闸墩内的钢筋混凝土简支梁，梁高04M，宽025M。梁中间铺设厚008M的钢筋混凝土板。46交通桥在闸墩下游侧布置公路桥，桥身结构为钢筋混凝土板梁结构，桥面总宽44M。其结构构造及尺寸见上节。47闸室的分缝止水水闸沿轴线每隔一定距离设置沉陷缝，兼有温度缝，以免闸室因不均匀沉陷及温度变化产生裂缝。缝距一般为1530M，缝宽为225CM。整体式低板闸室沉陷缝，一般设在闸墩中间，一孔、两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，边墩及翼墙间以及上游翼墙本身；后者设在铺盖、消力池与低板，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16M，缝宽为2CM。混凝土铺盖和消力池选用水平止水，闸墩翼墙和上游翼墙选用铅直止水，止水设施均采用铜片止水。施工简便，可靠，用途广。图135闸室稳定计算及地基应力计算一、设计情况选择根据水闸运用过程中可能出现的所有情况进行分析，寻找最不利的情况进行闸室稳定及地基承载力验算。1完建无水期完建无水期是水闸建好尚未投入使用之前，竖向荷载最大，容易发生沉陷或不均匀沉陷，这是验算地基承载力的设计情况。2正常挡水期正常挡水期时下游无水，上游为正常挡水位，上下游水头差最大，闸室承受较大的水平推力，且闸底板下扬压力最大，最容易发生闸室滑动失稳破坏，是验算闸室抗滑稳定性设计情况。泄洪期工作闸门全开，水位差较小，对水闸无大的伤害。本设计地震烈度为6度不考虑地震情况。二、荷载组合完建无水期和正常挡水期均为基本荷载组合。需计算的荷载见下表10。表10荷载组合荷载组合计算情况荷载自重静水压力扬压力泥沙压力地震力浪压力完建无水期基本组合正常挡水期51荷载及计算列表由于本水闸设计是单孔设计，取水闸及其边墩作为一个计算单元。各种情况下的荷载和力矩计算见下表完建期的荷载完建期的荷载主要包括闸地板重力G1，闸墩重力G2，闸门重力G3、工作桥及启闭机设备重力G3、公路桥重力G5和检修便桥重力G6、取钢筋混凝土的容重为25KN/M3。底板重力G1为KN570241250471闸墩重力G2则每个边墩重3195KN,2251369163026一个闸室单元有两个边墩，则3195319563895KNG表11完建情况下作用荷载和力矩计算表对底板上端B点求力矩力矩KNM部位重力KN力臂M底板5700754275018426041755423863237882938闸墩36403211554204570178616762993336闸门1337931工作桥93176517启闭机967672公路桥85011810030检修便桥8540534425合计141845115188206闸门重G3133KN工作桥重力G4G65225203052250626324120490210652066522589349KN考虑到栏杆及横梁重力等，取KNG34QPQ2启闭机机身重96KN,所以251027963G44交通桥重力G5752K虑到栏杆重,则公路桥重为G6850KN检修便桥重力G6KN967254102541026考虑到栏杆及横梁重力等去检修桥重G685KN完建情况下作用荷载和力矩计算见表1152设计洪水情况下的荷载。在设计洪水情况下,闸室的荷载除此之外,还有闸室内水的重力、浪压力、水压力、扬压力等。图14闸室内水重KN53280913641W水平水压力首先计算波浪要素。有设计资料可知多年平均最大风速为20M/S，吹程为05公里，计算破浪高MDVH05502160163/4/3/459L8811LHHZ031542COTH502COT可以忽略不计表12设计洪水情况下荷载和力矩计算对B点取矩竖向力（KN）水平力（KN）力臂力矩（KNM）荷载名称（M）闸室结构重14184511518820618255771053078452319250262上游水压力719260815826026982637096下游水压力3463105218008浮托力212485851806123124651851059534渗透压力113376567642842水重力2280532746248651646503450512152203373291246273763533603合计1195991（）114874（）8929135（）波浪破碎的临界水深H41L/2095/2048故为深水波则相关荷载计算值如下P105048981020000304811405410304898128511480277KN（）P2056779811141971926KN（）P05071149812698KN3P05073905619811141234631KN4浮托力F051221981114112114981221114981212485KN渗透压力27380417892150417896520KNU设计洪水情况下的荷载图见（图52）,校核洪水情况下的荷载计算见表12，设计洪水情况下荷载和力矩计算对B点取矩53校核洪水位情况的荷载校核洪水位情况时的荷载与设计洪水位情况的荷载计算方法相似。所不同的是水压力、浪压力、扬压力是相应校核水位以下的水压力、浪压力、扬压力。闸室内水重KN971863567W1校核洪水情况下的荷载图见（图55）,校核洪水情况下的荷载计算见表13，设计洪水情况下荷载和力矩计算对B点取矩54稳定计算541闸室基底压力计算完建期闸室基底压力计算，据基础工程（第二版，华南理工大学，浙江大写，湖南大学，1991）（741）（5161MAXINBEAGPGM2式中完建无水期基底压力的最大值和最小值，KPA；MAXINPE偏心距，M；GME2G作用在闸室上的全部竖向荷载，KN；M作用在闸室上的竖向和水平荷载对闸底板底不上游角点处的力矩和，逆时针旋转为正，顺时针旋转为负，KNM；A闸室基础底面的面积，M2；W闸室基础底面对于底面垂直水流方向的形心轴的载面矩，M3。地基承载力不均匀性验算公式，判断是否满足要求。PMAX/PMIN表13校核洪水情况下荷载和力矩计算对B点取矩竖向力（KN）水平力（KN）力臂力矩（KNM）荷载名称（M）闸室结构重141845115188206182571613067109247407444635上游水压力814740725866126982637096下游水压力3463105218008浮托力212485851806123153997851308975渗透压力131722567746864水重力181698319579617160014849820419254637329126148013887066合计1101944（）155217（）8727735（）由表51可知，G141845KN，M115188206KNM，B170M，A171938M2,则41偏下游）3801485267ME793MAXIN下游端上游端KPAP地基承载力验算。由上可知19521MINAX则P150KPA73195KPA，地基承载力满足要求。不均匀系数计算（52）123MINAXP基底压力不均匀系数满足要求。542设计情况闸室基底压力计算由表52可知，G1195991KN，M8727735KNM,P114874KN则偏下游）219587321ME583712681935MAXIN下游端上游端KPAP地基承载力验算。由上可知（57162MINAX3）则P150KPA6171KPA，地基承载力满足要求。不均匀系数计算1246MINAXP基底压力不均匀系数满足要求。闸室抗滑稳定分析临界压应力TAN12TAN0CBAKP由所给资料，和查SL2652001得其中A4，B17M,290，C0,F050，30M/896KN水饱和KPAPOKP472TAN1784则40708KPA8785KPA，故室不会发生深层滑动，仅需作表层抗滑稳定分析。根据设计的闸室底板及闸基是否有软弱夹层来确定滑动面，如果是浅齿墙，则沿闸底板与地基的接触面滑动。采用水闸设计规范（江苏省水利勘察设计研究院，2008）中公式（54）计算，若为深齿墙，则沿上下游齿墙的边线滑动公，按式（55）计算KK（5PGF4）KK（5ACTG005）式中F闸室与地基的摩擦系数；G作用在闸室上的全部竖向荷载，KN；P作用在闸室上的全部水平荷载，KN；闸室基础底面与土质地基之间的摩擦角，（0）；0A闸室基础底面与土质地基之间的接触面积，M2；C0闸室基础底面与土质地基之间的黏结力，KPA；K允许抗滑稳定安全系数。由于该工程闸底板上下游设置的齿墙深度为10M，按浅齿墙考虑，闸基下没有软弱夹层。滑动面沿闸底板与地基的接触面，采用式（1）计算。其中的闸底板与地基之间的摩擦系数，根据闸址处地层分布可知为重粉质壤土和细沙，查水闸设计规范（江苏省水利勘察设计研究院，2008）得闸室地基底面与地基之间的摩擦系数为05025157418950CKPWFK闸室稳定性满足要求。543校核情况闸室基底压力计算由表53可知，G1101944KN，M8727735KNM,偏下游）5801948723ME650819340MAXIN下游端上游端KPAP地基承载力验算。由上可知KPA86521MINAX则P150KPA5686KPA，地基承载力满足要求。不均匀系数计算125MINAXP基底压力不均匀系数满足要求。由于则40708KPA685KPA，故室不会发生深层滑动，仅需作表层抗滑稳定分析。25153CKPWFK闸室稳定性同样满足要求。由此得，闸室的稳定计算都满足所给条件的，故以上闸室的布置满足设计的要求。6闸室结构设计61闸墩设计顺水方向的长度取与底板相同，取17M。闸墩为钢筋混凝土结构，采用重力式结构。闸墩上游部分的顶部高程在泄洪时应高于设计或校核洪水位加安全超高；关门时应高于设计或校核洪水位加波浪计算高度加安全超高。设计洪水位的超高计校核洪水位的超高计算257700505632M取上述二者中的较大者，取为632M。闸墩下游部分的高度只要比下游最高水位适当高些，不影响泄流即可。可大大低于上游部分的高度，而其上设有排架搁置公路桥。初拟定闸墩下游部分顶部高程为1932M，其上设3根07M067M，高18M的柱子，柱顶设07M07M，长47M的小横梁，梁顶高程即为193218072182。下游闸墩上搁置公路桥，桥面高程为2032M，与两岸大堤齐平。闸墩上设检修门槽和工作门槽，检修门槽在上游，槽深为02M，宽04M，工作槽槽深为04M，宽05M。具体位置见图。闸墩上下游均为半圆形，其半径为055M。62底板结构计算采用弹性地基梁法对底板进行结构计算。表14校核洪水情况下荷载和力矩计算对A点取矩竖向力（KN）水平力（KN）力臂力矩（KNM）荷载名称（M）闸室结构重141845115188206182561611242109247307335388上游水压力814740231873926981634398下游水压力3463104816623浮托力212485851806123153997851308975渗透压力131722567746864水重力181698319579617160014849820419254637329124638073882983合计1101944（）155217（）8580824621选定计算情况完