水工建筑物水闸设计实例

1、灌区水闸设计目录：、设计基本资料二、设计说明书 一 闸址选择二 枢纽布置三水力设计：闸孔设计四消能防冲设计五防渗排水设计六 闸室结构布置三、设计感想一、设计基本资料前进闸建在前进镇以北的红旗渠上，闸址的地理位置见图1.该闸的作用是：1、防洪。当胜利河水位较高时，关闸挡水，以防止胜利河的高水入侵红旗 渠下游两岸的低田，保护下游农田和村镇；2、灌溉。灌溉期引胜利河水北调，以灌溉红旗渠两岸的农田；3、弓冰冲淤。在枯水季节，弓冰北上至下游的红星港，以冲淤保港。（一）、规划数据红旗渠为人工渠道，其断面尺寸如图2所示。渠底高程为-5.5 m底宽为50m 两岸边坡均为1:2。该闸的主要设计水位组合有以下几方

2、面：50.0红旗渠断面示意图（单位：m1、孔口设计水位、流量根据规划要求，在灌溉期前进闸自流引胜利河水灌溉，引水流量为250/s。此时相应的水位为：闸上游水位为1.80 m，闸下游水位为1.74m。冬春枯水季节，有前进闸自流引水送至下游的红星港冲淤保港，引水流量为100/s。此时相应的水位为：闸上游水位为 1.44m,闸下游水位为1.38m。2、闸身稳定计算水位组合（1）设计情况：上游水位为4.3m，浪高0.8m，下游水位为1.0m。（2）校核情况：上游水位为4.7m，浪高0.5m，下游水位为1.0m。3、消能防冲设计水位组合根据分析，消能防冲的不利组合是：引水流量250/s，相应的上游水位为

3、4.5m，下游水位为1.74m。4、下游水位流量关系下游水位流量关系见表1。表1下游水位流量关系Q0.050.0100.0150.0200.0250.0300.0H1.01.201.381.541.661.741.78（二）、地质资料1、闸基土质分布情况根据钻探报告，闸基土质分布情况见表2。2、闸基土工试验资料根据土工试验资料，闸基持力层坚硬粉质粘土的各项参数指标为：凝聚力 c=60.0kpa ;内摩擦角；天然空隙比e=0.69 ;天然容重。建闸所用的回填土为沙壤土，其内摩擦角，凝聚力c=0kpa，天然容重,表2闸基土层分布层序高程（m土质概况标准贯入击数（击）I5.75-3.60重粉质壤土9

4、13II-3.60-5.30松散粉质壤土8III-5.30-21.30坚硬粉质壤土1521（局部含铁锰结核）（三）、闸的设计标准根据水闸设计规范，前进闸按III级建筑物设计。（四）、其他有关资料1、闸上有交通要求。根据当地交通部门的建议，闸上交通桥为单车道公路桥，按汽车-10设计，履带-50校核。桥面净宽4.5m，总宽5.5m，采用板梁式结构，见图3所示，每米桥长约重80KN2、该地区“三材”供应充足。闸门采用平面钢闸门，尺寸自定，由工厂设 计、加工制造。3、该地区地震设计烈度为6度，故可不考虑地震的影响。（五）、设计任务（1）闸址选择（定性分析）；（2）枢纽布置；（3）水力设计（确定闸孔型式

5、闸底板高程及孔口尺寸）；（4）消能防冲设计（消能防冲设施包括消力池、海漫及防冲槽三部分）；（5）防渗排水设计（底板和防渗铺盖）（6）闸室稳定验算。三、实施时间、地点2011年5月23日至2011年5月28日，第14周，本班教室。早8: 0012:00 ;下午 2:30 4:30。四、主要做法步骤时间任务结果星期一熟悉、查找资料，枢纽布置超找结果星期二水利设计计算结果星期三消能防冲设计设计结果星期四防渗排水设计设计结果星期五稳定验算，答辩答辩结果五、成果要求设计说明书一份;剖面设计图纸一张六、指导老师张春娟二、设计说明书闸址选择闸址选择关系到工程建设的成败和经济效益的发挥，是水闸设计的 一项重要

6、内容。在本次课程设计中。通过对红旗渠周围地质、地形以及 施工等因素的考虑，通过技术经济比较，选定最佳方案，即进水闸在前 进镇以北的红旗渠上，闸址地理位置如图 1所示。 枢纽布置枢纽布置规范：水闸枢纽布置应根据闸址地形、地质、水流等条件以 及枢纽中各建筑物的功能、特点、运用要求等确定，做到紧凑合理、协调 美观、组成整体、效益最大的有机联合体。1、防沙设施闸所在河流为少泥沙河道，故防沙要求不高，仅在引水口设拦沙 坎一道即可。拦沙坎高0.8m,底部高程-5.5m,顶部高程-4.7m,迎水面直立, 背流坡为1:1的斜坡，其断面见图2。2、引水渠的布置依据资料可知，胜利河河岸比较坚稳，引水渠可以尽量短（

7、大约65m），使前进闸靠近胜利河河岸；（1）为了保证有较好的引水效果，引水角取35，并将引水口布置在胜利 河弯道凹岸顶点偏下游水深较大的地方；（2）为了减轻引水口出的回流，使水流平顺的进入引水口，引水口的上下 游边角修成圆弧形；（3）引水渠在平面上布置成不对称地向下游收缩的喇叭状。（4）具体情况见图2图2枢纽布置图3、进水闸进水闸主要有上游连接段、闸室段和下游连接段组成。 水力设计：闸孔设计闸孔设计的主要任务是：确定闸室结构类型，选择堰型，确定堰顶高 程及孔口尺寸。1、闸室结构类型该闸建在人工渠道上，故宜采用开敞式闸室结构；在运行中，该闸 的当水位达4.34.7m，而泄水时上游水位为1.441

8、.80m,挡水时上游最高水 位比泄水时上游最高水位高出 2.87,故拟设置代胸墙代替闸门挡水，以减 小门高，减小作用在闸门上的水压力，减小启门力，并降低 工作桥的高度, 从而节省工程费用。综上所述，该闸采用代胸墙的开敞式闸室结构。2、堰型选择及堰顶高程的确定该闸建在少泥沙的人工渠道上，故宜采用结构简单、施工方便、自由出流范围较大的平底板宽顶堰。考虑到闸基持力层是坚硬粉质粘土，土 质良好，承载能力大，拟取闸底板顶面与红旗渠渠底齐平，高程为 -5.5m。3、孔口尺寸的确定(1)初拟闸孔尺寸。该闸的孔口尺寸必须满足引水灌溉和引水冲淤 保港的要求。a引水灌溉：上游水深H=1.80+5.5=7.30下游

9、水深H=1.74+5.5=7.24Q=250m3 /s上游行近流速vo Q /(B mH)H (502 7.30) 7.30471.58V。250/471.580.530m/s22H0 H 筈 7.30 詈8 7.31m （取 a 九0）hs7.247.310.990.8,故属淹没出流查水力学课本p212页可知，淹没系数s 0.36。由宽顶堰淹没出流公式QSM B0._2gHO/3对无坎宽顶堰，取 m=0.385假设册收缩系数 =0.96，则B1Q/（ sm、2gH；/2）2500.36 0.385 0.962 9.8 7.323/222.5mb、引水冲淤保港：上游水深 H=1.44+5.5=

10、6.94m下游水深 H=1.38+5.5=6.88m3Q 100m /s2(B mH)H (50 2 6.94) 6.94443.3mv。100/443.300.23m/s0.8，也属淹没出流。6.94查水力学课本p212页得，s 0.36，取m=0.385假设册收缩系数 =0.96 ,则得：B2Q/( smj2gH：/2) 100 3/29.29m0.36 0.385 0.96 V2 9.8 6.94比较a、b的计算结果，B2Bi,可见引水灌溉情况是确定闸孔尺寸的控 制情况，故闸孔净宽宜采用较大值 22.5m。现拟闸孔分为5孔，取每孔净宽4.5m，则闸孔实际总净宽22.5m。由于闸基土质条件

11、较好，不仅承载能力较大，而且坚硬、紧密。为了减 小闸孔总宽度，节省工程量，闸底板宜采用整体式平底板。拟将分缝设在 哥孔底板的中间位置；中墩采用钢筋混凝土结构，厚1.0m，墩头采用半圆形（水流条件好，施工方便），墩尾采用流线型（有利于水流扩散）（2）复核过闸流量根据初拟的闸孔尺寸，对于中孔：b4.5m ,bsb04.5 1.15.5m , b0 /bs4.5/5.6 0.8查表得，z0.976对于边孔:b4.5m ,bs28.95m , b0/bs0.19查表得，z0.909则有z(N1)b 0.976 (51).9090.963N5查表可得，对于无坎平底宽顶堰，m=0.385,则QSmBbj2

12、gHO/30.360.3850.96322529.87.323/22330m3/s100%253.30 250250100%1.32% 5%实际过流能力满足引水灌溉的设计要求，同样可验证初拟的闸孔尺寸也 符合引水冲淤保港的要求。因此，该闸的孔口尺寸确定为：共分 5孔，每孔净宽4.5m，四个中墩各厚1.0m;闸孔总净宽为22.5.00m,闸室总宽度为26.5m。 消能防冲设计消能防冲建筑物主要包括消力池、海漫及防冲槽三部分；下面就此三种建筑物的设计进行计算说明：1、消力池的设计（1）判别上下游水面连接的形态闸门从关闭状态到泄流量为250m3/s往往是分级开启的，为节省工作 量，闸门的开度拟分为三

13、级。第一级泄流量为50m3/s ;待下游水位稳定后, 增大开度至150m3/s，然后再增大开度至250m3/s。上下游水位流量关系表Q(m3/ s)0.050.0100. 0150.0200.0250.0H 下（m）1.01.21.381.541.661.74H 上 （ m）1.321.441.561.681.8当泄流量为50m3/s时：上游水深 H=5.5+1.32=6.82m下游水深可采用前一级开度（Q=0）时的下游水深，ht 5.5 1.0 6.5m2(B mH)H (502 6.82) 6.82434.02m上游行近流速V0 Q 500.11m/s0.5m/s,可忽略不计。434.02

14、假设闸门的开度e=0.44m。- 0.0660.65,为闸孔出流。H查阅水力学课本可知垂直收缩系数 =0.612,则有:hce 0.612 0.340.27m2.-hc I 8q .hc -1312 gh-3竺、18 (50/2235)11.98m2,9.8 0.213h；t=6.5m,故为淹没出流t hC 6.5 1.98由Hhc6.82 1.980.934，又因詈0.95,查表的淹没系数。码因此有Q iBe 2gH0.19空H故 Q 0.65 0.6710.6850.67(式中，U1为孔流流量系数)0.44 22.52 9.8 6.8219.84m3/s该值与要求的流量50m3/s十分接近

15、，故所假定的闸门开度e=0.45正确。此时，跃后水深1.23ht 6.5m,故发生淹没式水跃。Qe1h-nh-ht连接情况150.00.440.6120.271.806.5淹没式水跃2100.01.050.6180.622.166.7淹没式水跃3150.03.00.6351.9052.0456.88淹没式水跃4200.04.00.6543.0841.977.04淹没式水跃采用上述方法可判断出不同泄流量时水面的连接情况，见下表:(2)消力池设计a、消力池池深：由上表可知，在消能计算中，月后水深均小于相应的下游水深，出闸水流已发生了淹没式水跃，故从理论上讲，可以不建消力池， 但为了稳定水跃，通常需

16、一建造消力池。取池深d=0.5m。b、消力池长度：L=10m。c、 消力池底板厚度：取消力池底板厚度为 1.0m，前后等厚。在消力池 底板的后半部设排水孔，孔径 10cm，间距2m,呈梅花形布置，孔内填以 砂、碎石。消力池与闸底板连接处留一宽为 1.0m的平台，以便更好的促成 出闸水流在池中产生水跃。消力池在平面上呈扩散状，扩散角取为10。2、海漫的设计(1) 海漫的长度为：Lp Ks.q H03q 250/ 22.5 4 tan 10(101) 28.23m3/(s?m)H 4.5 1.74 2.76 mKs为海漫长度计算系数，取Ks=7.0Lp 7.08.23 .2.7625.88m，取海

17、漫长度为 26m。(2) 海漫的布置与构造由于下游水深较大，为了节省开挖量，海漫布置成水平的。海漫使用厚度 40cm的块石材料，前10m采用浆砌石块，后16m采用干砌石块。海漫底 部铺设15cm厚的砂砾垫层。3、防冲槽的设计(1)海漫末端河床冲刷深度为IIqd 1.1hsv。海漫末端的平均宽度 B1(50 50 2 2 7.16)64.32 m23q 250/64.323.87(m /s?m)对比较紧密的粘土地基，且水深大于3m,V。可取为1.1m/s,则有:3.87d 1.17.163.17m1.1d0，表示海漫出口不形成冲刷坑，理论上可以不建防冲槽。但为了保护海漫头部，故在海漫末端建一构造

18、防冲槽。（2）防冲槽的构造：防冲槽为倒梯形断面。其底宽1.0m，深1.0m，边坡1:2,槽中抛以块石。祈 an mMft “Mfl15消力池、海漫、防冲槽布置图（单位：cm） 防渗排水设计对于粘性土地基，通常不采用垂直板桩防渗。故地下轮廓主要包括地板和 防渗铺盖。1、底板：考虑底板要满足上部结构布置的要求以及本身的结构强度等要求, 底板采用整体式平底板。（1）底板顺水流方向的长度L根据经验公式L （2.0 3.0） H以及 H=3.7m可有L=7.411.1m综上所述，取底板顺水流方向长度 L为11m。（2）底板的厚度：根据经验公式d=（ 1/51/8）单孔净跨，一般为 0.50.8m，故初拟

19、 d=0.8m。（3）底板的构造：底板采用钢筋混凝土结构，混凝土为C30。上下 游两端各设0.5m深的齿墙嵌入地基。底板分缝中设以“ V” 型铜片止水。2、铺盖铺盖采用钢筋混凝土结构，其长度一般为 24倍闸上水头，拟取20m。 铺盖厚度为0.5m。铺盖上游端设0.6m深的小齿墙，其头部不再设置防冲槽， 为了上游河床的冲刷，铺盖上游设块石护底，厚0.3m，其下设0.2m厚的砂 石垫层。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的圆弧插入岸坡。4、排水、止水为了减小作用于闸底板的渗透压力，在整个消力池地板下布设砂砾 石排水，其首部

20、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，下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。5、防渗长度验算（1）闸基防渗长度：必须的防渗长度为L=C H,其中 H=3.7m。由于反滤情况的不同，C取值不同，C=3或4;因此有L=11.114.8m实际闸基防渗长度为：L 0.4 0.5 0.7 18 1.3 1.0 0.7 9 0.7 1.0 0.3 33.6mLL,满足要求。（2）绕流防渗长度：必须的防渗长度为L=C H,其中

21、 H=3.7m，C=7（回填土为壤土，且无反滤）。因此L=25.9m。实际防渗长度20 L01131.7mcos15LL,满足防渗要求。其地下轮廓布置见下图: 闸室结构布置闸室结构布置主要包括底板、闸墩、闸门、工作桥和交通桥等部分结 构的布置和尺寸的拟定。1、底板：前面已经介绍；2、闸墩闸墩顺水流方向的长度取与底板相同，为11m。闸墩为钢筋混凝土结构，中墩厚均为1.0m;边墩与岸墙合二为一，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；即： 1=4.3+0.8+0.7=5.8m （设计洪水位时） 2=4.

22、7+0.5+0.5=5.7m （校核洪水位时）闸墩上游部分的顶部高程取 、 2中较大者，即为5.8m。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，而其上设排架搁置公路桥。初拟闸墩下游部 分顶部高程为2.5m,其上设3根O.7mx 0.67m,高1.8m的柱子，柱顶设0.7m X 0.7m,长4.7m的小横梁，梁顶部高程即为 2.5+1.8+0.7=5.0m。梁上搁置 公路桥，桥面高程为5.8m，与两岸大堤相平。闸墩上设两道门槽（检修门槽、工作门门槽）。检修门门槽在上游，槽 深0.3m，宽0.2m。刚工作门门槽深0.3m，宽0.6m。下游布设检修门，闸 墩上游为半圆形，下游为流线型（有利于水流扩散）。3、工作桥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。工作桥的具体尺寸见下图；工作桥为板梁式结构预制装配。工作 桥设在实体架上，排架的厚度为闸墩门槽处得颈厚即5.0m，排架顺水流方向的宽度为2.3m。排架顶部高程为二门高+富裕高度=7.8+0.6=8.4m:I130丁L1北JjUZ)- 工作桥