水闸课程设计

1、第一章总述第一节概述本工程是西通河灌区第一级抽水站的拦河闸，其主要任务是拦蓄西通河的河水，抬高水位满足抽水灌溉的需要；洪水期能够宣泄洪水，保证两岸农田不被洪水淹没。第二节基本资料（一）闸的设计标准根据水闸设计规范.SD133-84（以下简称SD133-84）,该闸按IV级建筑物设计（二）水位流量资料运用情况上游水位（米）下游流量（m3/s）正常蓄水198.000设计洪水198.3661.40校核洪水198.9079.70下游水位流量关系见表H下（m）195.00196.00197.00197.50198.00198.15198.50198.65Q(n3/S)0.008.6327.9641.07

2、55.4061.4073.9879.70（三）地形资料闸址附近，河道顺直，河道横部面接近梯形，底宽18米，边坡1:1.5,河底高程195.00米，两岸地面高程199.20米。（四）闸基土质资料闸基河床地质资料柱状图如图所示层序高程（M土质拇况I195.00-191.8细砂II191.8183.32组砂III183.32粘土闸址附近缺乏粘性土料，但有足够数量的混凝土骨料和砂料。闸基细砂及墙后回填砂料土工试验资料如下表；天然谷重饱和谷重内摩擦角凝聚力不均匀系数相对密实度细砂0.4618.6420.6122012砂土料0.6218.2020.2132015细砂允许承载力为150KN/m其与混凝土底板

3、之间的摩擦系数f=0.35（五）其他资料1. 闸上交通为单车道，按汽-10设计，带-50校核。桥面净宽4.0m，总宽为4.4m2. 闸门采用平面钢闸门，有3米，4米，5米三种规格闸门。3. 该地区地震设计烈度为4度。4. 闸址附近河道有干砌石护坡。5. 多年平均最大风速12米/秒，吹程0.15公里。第三节工程综合说明书本工程为IV级拦河闸。设计采用开敞式水闸。水闸由上游连接段、闸室段、下游连接段三部分组成。闸室段位于上、下游连接段之间。是水闸工程的主体。其作用是控制水位、调节流量。包括闸门、闸墩、边墩、底板、工作桥、检修便桥、交通桥、启闭机等。上游连接段的作用是将上游来水平顺地引进闸室。包括两

4、岸的翼墙、护坡、铺盖、护底和防冲槽。下游连接段的作用是引导过闸水流均匀扩散。通过消能防冲设施。以保证闸后水流不发生有害的冲刷。包括消力池、海漫、防冲槽以及两岸的翼墙和护坡。第二章水力计算第一节闸室的结构型式及孔口尺寸确定（一）闸孔型式的选择该闸建在天然河道上，河道横部面接近梯形，因此采用开敞式闸室结构。该闸建在天然河道上，为了满足泄洪、冲沙、排污的要求，宜采用结构简单，施工方便，自由出流范围较大的无坎宽顶堰，考虑到闸基持力层是粘细砂，土质一般，承载能力不好，并参考该地区已建工程的经验，根据一般情况下，拦河闸的底板顶面可与河底齐平。即闸底板顶面（即堰顶）与西通河河底齐平，所以高程为195.00m

5、。（二）闸孔尺寸的确定初拟孔口尺寸，该闸的尺寸必须满足拦洪灌溉以及泄洪的要求。1.计算闸孔总净宽B0（1）在设计情况下：、上游水H=198.36-195=3.36mhs=198.15-195.00=3.15m、下泄流量Q=61.40m3/s则上游行近流速：V0=Q/A根据和断面尺寸：.一，_2A=(b+mH)H=(18+1.5X3.36)33.36=77.4m其中b为河道宽：b=18mm为边坡比：m=1:1.5V0=Q/A=61.40/77.41=0.793m/sl4=H+aV2/2(取a=1.0)=3.36+0.7932/(2X9.81)=3.39m故属于淹没出流。贝(J2=3.15/3.3

6、9=0.9290.8H。(2)校核情况：、上游水H=198.9-195=3.9mX、下游水深hs=198.65-195=3.65m、下泄流量Q=79.70m3/s则上游行近流速：V0=Q/A根据和断面尺寸：A=(b+mH)H=(18+1.5X3.9)X3.9=93.02m2其中b为河道宽：b=18mm为边坡比：m=1:1.5V0=Q/A=79.7/93.02=0.86m/sH)=H+av2/2g(取a=1.0)=3.9+0.862/(2X9.81)=3.94m故属于淹没出流。贝U星=3.65/3.94=0.930.8,H0(3)确定闸孔宽度由以上结果可得，则按水流成堰流时并且为淹没出流，计算根

7、据水工建筑物宽顶堰淹没出流公式：0根据”H0查SL-265-2001,附录A.01 ,查得淹没系数=0.74,对无坎宽顶堰:m=0.385假设侧收缩系数；=0.90在设计情况下:由公式所以，在设计情况下=8.66m在校核情况下:=9.0m整理上述计算如下表计算情况上游水深H下游水深hs8M:Q行进流速行进水头H0淹没系数6流量系数m侧收缩系数设计情况下3.363.1561.400.7933.390.740.3850.908.66校核情况下3.903.6579.700.863.940.740.3850.909.02.闸孔孔数n及单孔净宽bo单孔宽度bo根据水闸使用要求，闸门型式及启闭机容量等因素

8、，并参照闸门尺寸选定由BoiBo2比较得，取净宽较大的值，则取Bo=9.0m。以上为Bo的第一次近似值，据此可计算名的第二次近似值，按hs/H0=0.93,及闸墩边形状，查水力学，得=0.502,=0.70。侧收缩系数按式计算为：=1-0.2义0.7+(3-1)义0.502X3.9/9=0.85净宽B。的第二次计算近似值为=9.5m再将净宽B。的第二次近似值代入式中，可得”0.86,再次试算后仍得名=0.86,计算得出B02=9.4m,根据所给闸门的型号尺寸，则选择孔数n=3,每孔净宽b0=3.2m,则闸孔总净宽Bo=3.2X3=9.6m,3.闸孔泄流能力校核中墩采用钢筋混凝土结构,根据设计规

9、范SL265-2001,取中墩厚d=1.5m,墩首、墩尾均采用尖圆形。边墩厚度为1.0m,墩首、尾采用半圆形。根据拟定的闸孔尺寸净宽B0=9.6m,用设计情况进行检验。根据堰流公式：0=64.28m3/s贝心=|(64.28-61.40)/61.40|X100%=4.7%5%实际过流能力满足泄水的设计要求由此得该闸的孔口尺寸确定为：选择孔数n=3,每孔净宽b0=3.2m,2个中墩各厚d=1.5m，边墩厚度为1.0m,闸孔总净宽B0=9.6m，闸室总长度B=3X3.2+2X1.5=12.6m。第二节消能防冲型式水闸闸门开启时，下泄水流具有较高能量，为防止高速水流及波状水跃的冲击等不利作用，闸下应

10、采取防冲措施。（一）消能型式水闸上、下游水头一般较低，下游一般为土基，宜采用底流式消能。因此，消能设计的主要任务是确定下游消力池深度与长度，护坦型式与构造、海漫长度与构造一集防冲槽等。（二）消力池设计1 .消力池设计依据当过闸流量不变，上游水位较高时往往是消力池设计的依据，而实际运行中，流量却是变化的。因而，消能设计依据应是上游为较高水位、下游为较低水位时，通过某一流量,下泄水流能量E=YqH最大时，相应的数据即为消力池设计依据。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，本次设中孔开启。分别开启不同高度进行计算，找出消力池池深和池长的控制条件。闸门的开度拟分三级开启。第一级泄

11、流量8.63m3/s；待下游水位稳定后，开度增大至设计流量61.4m3/s;最后待下游水位稳定后，再增大开度至最大下泄流量79.7m3/s消力池尺寸计算表开启高度e垂直收缩系数泄流量Q单宽流量q收缩水深hc跃后水深hc下游水深hs流态池深d消力池长度Lsj水跃长Lj远离0.170.6128.190.650.100.881.00式0.071.130.57.57.3水跃淹没2.420.66698.567.823.800.673.15式水跃淹没3.910.97347.613.783.620.853.65式水跃其中按以下公式计算垂直收缩系数6与闸孔相对开度e/H有关，查水力学表9-8可得泄流量：Q=e

12、B0,2gH流量系数：1i1-&-H消力池深度：d=；小；hs-；：Zcs出池落差:Z =收缩水深：hc=ec2g2hs2gh；2消力池长：Lsj=LsLj其中消力池与闸底板以1:4的斜坡段连接水跃长度：Lj=6.9h；-hchs是出池河床水深To是从消力池底板顶面算起的总势能为水流动能校正系数取1.0。B为水跃长度校正系数取0.75。水跃淹没系数仃0=1.05流速系数中=0.95。2 .消力池深度d及消力池长度的计算结论：通过计算上述计算可知，当闸孔开度为0.17m时满足控制条件，其余两组都不满足条件，根据下列计算：以下泄流量Q=8.63m3/s作为确定消力长度的计算依据(1)消力池力池深依

13、据SL265-2001，附表B1.1,则计算出消力池的相关参数22二0.7210.72129.81121229.810.912=-0.006其中AZ为出池落差、hs为出池河床水深、为水流动能校正系数取1.0=1.05X 0.921-1+0.006d=-0.0385 m ,但为了稳定泄流时的水流，根据规范取池深=-0.0385则计算出消力池池深d=0.5m。(2)消力池长度计算：由前面的计算，以下泄流量8.63m3/s作为确定消力池长度计算的依据。略去行进流速V。，则:T。=Hd=3.9+0.5=4.4m根据公式22其中：=-q=-.=0.022g229.81则：hc1 cT_.T04.4 -0

14、.020.020.02.4 一，：,4.4=0.07m0.072 |18 0.682 3 -19.81 0.07=1.13m水跃长度：Lj=6.9hC-hc=6.9(1.13-0.07)=7.3m消力池与闸底板以1:4的斜坡段连接，Ls=dp=0.5X4=2m,则消力池长度:Lsj=Ls+PLj=2+0.75X7.3=7.5m所以取消力池长度为7.5m。3 .消力池底板厚度t(1)消力池底板厚度，为减少作用于底板扬压力，消力池底板可以做成透水的，始端厚度可按抗冲和抗浮要求确定。抗冲抗浮U-W,Pm其中ki为消力池底板计算系数取0.18,q为消力池进口处的单宽流量，AH为相应于单宽流量的上、下游

15、水位差。此结构按抗冲条件计算得：消力池底板厚度计算表8M:(m3/s)上游水深(m)下游水深,，、hs(m)/3，、q(m/sm)H(m)t(m)8.633.901.000.682.900.1927.963.902.002.221.900.3141.073.902.503.261.40r0.3555.403.903.004.400.900.3761.403.903.154.870.750.3773.983.903.505.870.40r0.35179.703.903.656.320.250.32计算取最大值t=0.37L=35.1m闸基防渗长度满足要求第二节防渗和排水设计及渗透压力计算采用改进

16、阻力系数法进行渗流计算为了便于计算，将复杂的地下轮廓进行简化。由于铺盖头部及底板上下游两端的齿墙均较浅，可以将它们简化成短板的形式如下图：1.确定地基的有效深度根据钻探资料，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L0=12+14=26m地下轮廓的垂直投影长度S=195.00-190.00=5m。L0/S=26/5=5.25时，故地基的有效深度Te=0.5父L0=13m而地基的实际计算深度T=195.0-183.32=11.68m,则TTe,故地基的实际计算深度Te=T=11.68mo2,渗流区域的分段和阻力系数的计算过地下轮

17、廓的角点、尖点，将渗流区域分成八个典型段。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。(1)设计洪水位情况各流段阻力系数为编号名称计算公式进出口段1.011.680.4780.4330.2941.510.980.5170.4680.397内部垂直段0.511.180.0450.0410.0824.511.180.4570.4144.010.680.3790.3431.010.680.0910.0820.155内部水平段S1=0.5S2=4.5T=11.18L=120.7600.6880.786S1=4.0S2=1.0T=10.68L=14.00.9830

18、.890H=198.36-195.00=3.36m。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加=，则得h1=0.433mh2=0.041mh3=0.688mh4=0.414mh5=0.343m%=0.890h7=0.082mh8=0.468m进出口段进行必要的修正：进出口修正系数为,T=11.18mT=11.68mS=1m则得：=0.680.140所以h2=0.0412=0.082mh3=0.688+(0.139-0.041)=0.786m.同样对出口段修正如下T=10.68mT=11.68mS=2m则得：=0.849=1.0故亦需要修正出口段的水头损失修正

19、为.h8=xh8=0.397m进口段水头损失的修正量为：h=h8-h8=0.467-0.397=0.070m将该修正量转移给相邻各段，则_h7=0.085+0.070=0.155计算各角点的修正后的渗压水头：由上游进口段开始，逐次向下游从作用水头值H中相继减去各分段的水头损失值，即可求得各角隅点的渗压水头值：H1=3.36mH2=H1-h1=3.066mH3=H2-h2=2.984mH4=H3-h3=2.198mH5=H4-h4=1.784mH6=H5-h5=1.441mH7=H6-h6=0.551mH8=H7-h7=0.396mH9=H8-h8=0作出渗透压力分布图：根据以上算得渗压水头值，

20、并认为沿水平段水头损失呈线形变化，则作出设计洪水位是渗透压力分布图设计洪水位时渗透压力分布图单位宽度底板所受渗透压力：P1=0.5X(H6+H7)X14X1=0.5X(1.441+0.551)X14X1=136.91kN单位宽铺盖所受的渗透压力：P2=0.5X(H3+H4)X12X1=0.5X(2.984+2.198)X12X1=304.49kN2 .校核洪水位情况各流段阻力系数为编号名称计算公式进出口段1.011.680.4780.5020.3411.510.980.5170.5430.461内部垂直段0.511.180.0450.0470.0944.511.180.4570.4804.01

21、0.680.3790.3981.010.680.0910.0960.178内部水平段S1=0.5S2=4.5T=11.18L=120.7600.7990.913S1=4.0S2=1.0T=10.68L=14.00.9831.033H=198.90-195.00=3.90m。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%=:匕，则得h1=0.502mh3 =0.799mh5 =0.398mh2=0.047mh4=0.480mh6=1.033h7 =0.096mh8=0.343m进出口段进行必要的修正：进出口修正系数为T=11.18mT=11.68mS=1m则得：=

22、0.680.047所以h2=0.0472=0.094mh3=0.799+(0.161-0.047)=0.913m.同样对出口段修正如下一一_T=10.68mT=11.68mS=2m则得：=0.849=1.0故亦需要修正出口段的水头损失修正为h8=xh8=0.461m进口段水头损失的修正量为：._：h=h8-h8=0.543-0.461=0.082m将该修正量转移给相邻各段，则h7=0.096+0.082=0.178计算各角点的修正后的渗压水头：由上游进口段开始，逐次向下游从作用水头值H中相继减去各分段的水头损失值，即可求得各角隅点的渗压水头值：H1=3.9mH2=H1-h1=3.559mH3=

23、H2-h2=3.465m一一一一,H4=H3-h3=2.552mH5=H4-h4=2.072mH6=H5-h5=1.674mH7=H6-h6=0.641m山=出-h7=0.461m._H9=H8-h8=0.000根据以上计算作出校核洪水位是渗透压力分布图，如图校核洪水位时渗透压力分布图单位宽度底板所受渗透压力：P1=0.5X(H6+H7)X14X1=158.97kN单位宽铺盖所受的渗透压力：P2=0.5X(H3+H4)X12X1=353.87kN3 .抗渗稳定验算闸底板水平段的平均渗透坡降和出口处的平均逸出坡降：(1)闸底板水平段的平均渗透坡降Jx为：设计情况校核情况(2)渗流出口处的平均逸出

24、坡降为设计情况校核情况J0二上二0461=0.307(10=0.30.35,所以闸基的防渗满足抗渗稳定的要求。s1.5第三节排水设施及细部构造为加厚反滤层中的大颗粒层，形成平铺式。排水反滤层一般是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，各层次的粒不得发生移动，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，以保证排水畅通。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有碎石

25、、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。第四章闸室布置第一节闸底板、闸墩(1)闸底板采用整体式平底板。详细叙述见第三章第一节。底板顺水流方向的长度L=14m1底板厚度d=1.0mo(2)闸墩闸墩承受闸门传来的水压力，也是坝顶桥梁的支撑。% =0.0166Vo54D 13闸墩顺水方向的长度取与底板相同，取14.0m。闸墩为钢筋混凝土结构，中墩厚均为1.5m。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相应的安全超高；挡水时应高于设计或校核洪水位加波浪计算高度加安全超高。水位高程安全加高波浪计算高程

26、闸顶图程闸墩高程挡水时设计洪水位198.360.30.2198.863.86校核洪水位198.900.20.2199.304.30泄水时设计洪水位198.360.50.2199.064.06校核洪水位198.900.40.2199.504.50由已知的多年平均最大风速为12m/s,吹程为0.15公里，计算破浪高:根据官厅水库公式：=0.0166M12540.1513=0.2m其安全超高查SL265-2001,表4.2.4得，泄水时：设计洪水位时为0.5m。校核洪水位时为0.4m；挡水时：设计洪水位时为0.3m。校核洪水位时为0.2m。依据表格得，闸墩高度为4.5m。闸墩下游部分的高度只要比下游

27、最高水位适当高些，不影响泄流即可。由于校核洪水位时下游最高水位=198.65m,由此取闸墩下游部分的顶部高程为=199.2m,闸墩上设两道门槽(检修门槽和工作门槽)，检修门槽在上游，槽深为0.2m,宽0.4m,工作槽槽深为0.40m,宽0.5m。两者相距2.0m。具体位置见下图。下游不设检修门，闸墩下游头部均为流线形。第二节闸门和启闭机闸门采用露顶式平面钢闸门，则闸门顶高程为199.40m,闸门高4.4m,门宽为4.0m。查SL265-2001和水闸，根据经验公式：G=KzKckgH1.43B008初估闸门自重.G为门重，10KNB墩高度4.5m,B为孔口宽度为3.2m,采用滚轮式支承Kz=1

28、.0,Kc采用普通低合金钢结构Kc=0.8,由于H5.0m,取Kg=0.156,则得门自重G=1.0父0.8父0.156父4.51.43父3.2O08=11.77kN,为满足要求则取门G=12.0kN。根据经验公式，初估计启门力Fq=（0.1-0.2）P+1.2G,闭门力Fw=（0.1-0.2P-0.96G。则P为作用在门上的总水压力（见图）,不计浪压力的影响，作用在每米宽门上游面的水压力：电=1/2X9.81X3.9X3.9=74.60kN作用在每米宽门上游面的水压力：Pr=1/2X3.65X3.65X9.81=65.35kN则门上总的水压力为：当处于开启状态时：P=PX3.2=238.72

29、kNFq=0.2X74.6+1.2X12.0=62.41kN当处于关闭状态时：P=（P上-）X3.2=（74.6-65.35）33.2=29.6kNFw=0.2X29.6-0.9X15.0=-7.58kNFwL/2=2.9/2=1.45故为深水波：则相关荷载计算值如下:水位时荷载图设计洪P1=0.5X1.45X9.81X(0.2+0.04+1.45)X9.4+0.5X(1.45+3.36+0.3)X9.81X2.21X9.4=647.16kN(一)P2=0.5X(2.496+3.804)X9.81X9.4X1.7=504.3kN(一)R=0.5X0.72X9.4X9.81=23.1kN(一)P

30、4=0.5X(0.7+2+0.552)X9.81X9.4X1.3=199.1kN浮托力：F=0.5X(1+2)X2X1X9.81X9.4+1X10X9.4X9.81+2X2X1X9.4X9.81=1601kN(T)渗透压力：U=0.5X(2.496+0.2X2.496)X0.5X9.4X9.81X13.5+0.5X(0.2X2.496+0.396)X13.5X9.4X9.81=639.6kN(T)设计洪水情况下的荷载图见上图，设计洪水情况下的荷载计算见表,设计洪水情况下荷载和力矩计算对B点取矩荷载名称竖向力（kN）水平力（kN）力臂(mj)力矩（kNm）一/闸室结构重力90422.986628

31、0.7上游水压力115.39531.77504.304.472.650.91505.791409.19458.91下游水压力23.1199.11.530.5235.34103.53浮托力16017.011207渗透压力522.1165.651.877.04.50.173654.77393.68.82水重力1212.992.883493.41合计10635.972249.581151.46222.27215815403.068386.39(；)929.26(f)56754.94()3.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

32、相应校核水位以下的水压力、浪压力、扬压力闸室内水重：W1=3.9X6.4X5.75X9.81=1407.93kN水平水压力：首先计算波浪要素。在校核水位下与设计下的波浪相同，故其波浪要素与设计情况下的下同因此:P1=0.5X1.45X9.81X(0.2+0.04+1.45)X9.4+0.5X(1.45+3.9+0.3)X9.81X2.75X9.4=847.02kN(f)P2=0.5X(2.849+4.093)X9.81X9.4X1.7=555.7kN(一)P3=0.5X0.72X9.4X9.81=23.1kN(一)P4=0.5X(0.7+2+0.641)X9.81X9.4X1.3=204.52

33、kN(一)浮托力：F=0.5X(1+2)X2X1X9.81X9.4+1X10X9.4X9.81+2X2X1X9.4X9.81=1601kN(T)渗透压力：U=(0.46X14+0.5X(0.0252+1.9408)X0.5+0.0252X13.5)X9.4X9.81=668.8kN(T)校核洪水情况下的荷载图见设计洪水位似的荷载图，校核洪水情况下的荷载计算见下表。校核洪水情况下荷载和力矩计算对B点取矩荷载名称竖向力（kN）水平力（kN）力臂（项力矩（kNm）一/闸室结构重力9422.9866280.7上游水压力115.39731.63555.752.850.8576.952085.15444.56