水闸设计说明书

水闸设计说明书一、设计基本资料节制闸闸前水位1.7m,闸后水位1.6m。节制闸设计流量16.5m3/s。原有干渠底宽11.0m,渠道比降1：6000,边坡1：1.5，糙率0.025。渠道土质为沙壤土。采用C15混凝土，Ⅰ级钢筋。建筑物为Ⅳ级。进水闸轴线与干渠水流成90度角布置。二、设计任务设计节制闸一座，该建筑物横跨于干渠中，用以节制水位，保证设在节制闸左侧的进水闸顺利引水的要求。进水闸轴线与干渠水流成90度角布置。三、成果要求1、完成说明书约30页。（含各部分结构简图）。2、计算机绘图一张，包括水闸纵剖面图，水闸平面图及细部构造图，配筋图等。第一章节制闸的水力计算1.验算渠道的过水能力根据已知资料，采用公式Q=ωCRi,可算出在现渠道过流能力Q，同时同设计流量Q设比较，如果Q>Q那么渠道能满足过水要求；如果Q<Q,那么就需要扩建渠道设断面，以加设。大底宽处理直到Q=Q时为满足。设计算公式如下：1．(bmh)h2．xb2h1m23．R4．C1R16n5．QCRi已知：m=1.5n=0.025h=1.6m（采用闸后水深）b=11.0mi=1:60001/20图1-1渠道过水断面示意图bmhh=(11+1.5×1.6)×1.6=21.44m解：2b2h1m21121.611.5216.77mR21.441.28m16.7711CR611.2841.671m126n0.025sQ16..51QcRi21.4441.681.2813.05m3m3ss<设6000现扩建渠道断面，以加大底宽处理。见表1-1：表1-1mQ渠道过水断面计算表bmmRmm32m12sCs11.012.013.014.014.1514.221.4423.0424.6426.2426.4826.5616.7717.7718.7719.7719.9219.971.281.301.311.331.331.3341.6741.7941.8441.9341.9441.9513.0514.1715.2416.3816.5316.59经试算b=14.2mh=1.6m时Q=16.59>Q渠道设满足过水要求，即取渠底宽14.2米。2、初拟闸孔宽度闸孔形式采用宽顶堰，堰顶与渠底同高。采用公式Qm'b2gHs320HHV202g0bnb式中：b—闸孔总净宽度；（m）H0—记入行进流速的堰顶水头；（m）m—含侧收缩影响的流量系数，查附表4-1；b—每孔净宽；（m）n—孔数；V0—行进流速，按堰前（3~5）H处的过水断面计算；（m/s）2/20H—堰顶上游水深；（m）hHs—淹没系数，按查附表04-2得到；sh—下游水位超过堰顶的高度。（m）s则：v=Q/w=16.5/26.56=0.621m/s0(Q)2HHV02H1.70.62121.72(m)29.82g2g01.6h0.93查表知0.74sH1.72s0取闸墩厚度为0.5m，八字型翼墙扩散角保持ctgα=3。可假定过水净宽b=6~7m进行试算。0.74①假设过水净宽为6.0m，查表知m0.356,'s215.79ms16.5m33sm0.357，0.74Qm！b2gH3020.740.3566.029.81.723s②假设过水净宽为6.6m，查表知's217.4ms16.5mQm！b2gH3020.740.3576.629.81.72333ss净宽为6.3m，查表知m0.357，0.74's③假设过水20.740.3576.329.81.72svQ设3216.6m3n3，则孔径Qm！b2gH30s为便于管理运用，将水闸分三孔，即b6.3b'2.1mn3初拟闸孔宽度2.1m图1-2八字型翼墙示意图b（包括中墩在内不包括边墩）3、确定闸孔的总宽度'则b'6.320.57.3第二章消能防冲设计3/20一、消力池深度、长度的确定（一）、计算闸门不同开度时的出水量及第一共轭水深Qh及第二共轭水深h。cc采用公式Qbe2gH0.65时）e（当H00hechc2h18q123cghcv02gH0c式中：Q—出流流量(m/s);3—垂直收缩系数；e—闸门开度（m）；h—收缩断面水深(m)；c0.600.18eH—流量系数，此处选择平板闸门，则00v—收缩断面流速；cm3q—单宽流量（sm）b、H—意义同前。0解：当e0.2m时，e0.12<0.65H00.600.18eH0.600.180.21.70.578查表得0.616则Qbe2gH0.5786.30.229.81.724.23(m/s)00qQ/b4.23/6.30.67(m3/sm)hc2h18q10.1232180.6729.80.123310.805(m)23cghc同理可列表如2-1：4/20hQ不同开度下的出流量及第一、第二共轭水深、cch表2-10.20.30.40.50.60.70.80.9e（m）e0.120.180.240.290.350.410.470.53H0.5780.5680.5570.5480.5370.5260.5150.5054.236.238.1510.0211.7913.4715.0716.630Q(m3/s)q(msm)0.670.991.291.601.872.142.392.640.6160.6190.6220.6240.6280.6320.6410.6480.1230.1860.2490.3120.3770.4420.5130.5833hc(m)h0.8050.9471.0541.1391.2011.2481.2741.297c(二)、计算并绘制水位—流量曲线计算结果如表2-2表2-2水位—流量计算表ht（m）0.40.60.81.01.21.41.61.8(m2)5.929.0612.3215.7019.222.8226.5630.42(m)15.6416.3617.0817.8118.5319.2519.9720.69R(m)0.3780.5540.7210.8811.0351.1841.3291.469C(m1/2/s)34.0136.2537.8839.1640.2341.1441.9442.65Q(m3/s)1.603.145.107.4010.1013.2316.5920.31将表中的及的对应数值绘在图2-1中，得hQhQhcQ、曲线。从图中可以看出，cthh在所讨论的流量范围内，有>t情况，下游产生远驱式水跃衔接，差值最大处为最不利情c况(表2-1)。故为使下游产生淹没水跃衔接，需要设计降低护坦高程的消力池。5/20hQhQ、曲线图图2-1(三)计算消力池池深dctdh"(hZ)ct1q211可采用公式：Z2ghh122/"tcq2Thc2gh202c式中：σ—淹没系数，采用σ=1.05~1.10Z—消力池出口处的水面落差（m）1φ—流速系数，平底闸孔出流φ=0.95~1.00T—以跃前断面处消力池池底水平面为基准面的水闸上游总水头（m）0q—跃前断面处的单宽流量m3s/—流速系数，一般取0.95求池深d值时，须用试算法。初次试算时，可按dh"h拟定，其中h是未设消力池前的"1ctc跃后水深。求得d值后，可先算出设池以后的T，h"及z值，然后将他们代入下式，如果能101c满足该表达式的条件，则池深是合适的。否则，还应继续进行试算，直到满足时为止。d(hz)1.05~1.101t"c1h这一试算很繁琐，可以用=0.80h=0.73时,参照附表4-3求得消力池水深0.456米<0.5米,hct所以按构造要求,消力池水深0.5米.6/20(四)、消力池长度计算LLL消力池长L由射流水舌长及水跃长两部分组成，自由水跃长度可按下列公式计1jkL6.9(hh)L(0.7~0.8)Lj，射流水舌长度kLk算：。一般消力池的长度按下式估算：jccLLLL1=4d，消力池总长度1k。L6.9h''h')6.90.80.1234.67mjccL(0.7~0.8)L3.27~3.74mkjL4d40.52m1LLL5.27~5.74m1k取消力池总长度为5.5米。（五）、确定消力池底板厚度t护坦厚度t（m）计算的经验公式如下：tKqH1q式中：—闸孔处的单宽流量（m3sm）H—泄水时的上下游水位差（m）K1—经验系数，可采用0.175~0.20t—靠近闸室一端的护坦厚度（m）。则取K0.181则按抗冲要求，非基岩护坦t：16.56.3tKqH0.1811.70.333m取消力池底版厚度t=0.5m碎石20cm中砂10cm细砂10cm护坦底板一般采用混凝土或加筋混凝土，小型水闸有的采用浆砌石。底板上设有排水7/20孔，孔径选20cm，间距2m，呈梅花型排列。护坦在平行水流方向设沉降缝，缝的位置宜与闸墩对齐。护坦底部设反滤层。(碎石20cm中砂10cm细砂10cm)二、海漫设计经过护坦段消能的水流仍具有一定的剩余能量，单宽流量偏大，流速分布不均匀，脉动仍较剧烈，为此，护坦后还有设置海漫和防冲槽，以逐步调整流量和流速分布，使之达到接近天然河道的水流状态。（一）、确定海漫长度采用公式LKqHps式中：q—海漫起端的单宽流量H—泄流时的上下游水位差（m）K—河床土质系数，是一经个验系数，当河床为粉砂、细砂时，取14~13；当河床为中s砂、粗砂及粉壤土时用12~11；当河床为粉质土时，取10~9；当河床为坚硬土时，取8~7.本设计中，取K11，消力池下倾角度取值为80~120，则s则'取8b5.52tan807.38.85m0则b'取125.52tan1207.39.64m取b'9则q'=16.5/9=1.83m3sm0所以LKq'H111.830.18.4mps(二)、海漫的布置为了使水流始端做成水平段，后部接以倾斜段，左右海漫长度的范围内，通常采用浆砌石块，余大于30㎝，其实厚度为40㎝。海漫段设计排水孔，及构造更好地扩散，海漫在平面上采取向两侧逐渐扩散的布置方式；在立面上，坡度不应陡于1：10。海漫所用的材料，前段约1/4常采用干砌石结构。块石直径海漫下的后段，下设反滤层。2.1m6.3m反滤层三、防冲槽设计8/20t1.1qtv0采用公式：式中：t—海漫末端的可能冲刷深度（m）q—海漫末端的单宽流量(m3/s-m)；v0—河床土质的不冲速，查表得0.70m/s[v140.651.330.70(m/s)]0t—海漫末端的水深（m）则计算如下：16.5t''1.1q't1.11.60.2m14.2v00.7参照已建水闸工程的实践经验，防冲槽大多采用宽浅式，其深度t一般取1.5~2.5m，底宽b取2~3倍的深度，上游坡率m1=2~3，下游坡率m2=1.5~2。mm2本工程取t''1.5m,底宽b2t''3m，上游坡率=2，下游坡率=1.5。1m2=1.5m1=24.0mm0.2=t第三章防渗及闸基渗流验算一、验算地基轮廓长度（一）、采用勃莱公式：LCH其中：L—水闸的防渗长度（m）C—渗径系数，有反滤层砂壤土，C=5～7H—上、下游水位差（m）计算取C6，则LCH61.710.2m（二）、地下轮廓线的布置L(3~5)H11、铺盖长度，其中，H是上下游最大水位差。L4H41.76.8m1铺盖厚度0.25～0.5m，采用混凝土结构，取0.4m。前端设0.5～1.0m深齿墙，取0.8m。9/202L3H31.75.1m2厚度0.5～1.0m，采用钢筋混凝土结构，取0.8m。底板上下游端设齿墙，取0.5m。如图3-1图3-1地下轮廓线布置图（三）、验算实际地下轮廓线长度：将地下轮廓线按实际尺寸展开，一定要L实L，否则应加大实际地下轮廓线长度。经验算，LLL6.85.111.9m10.2m，满足要求。实12二、渗流验算按改进阻力系数法及直线比例法进行验算，计算得到各角点的渗透压力值，列成表格。并计算底版承受的单宽渗透压力值及总压力值。改进阻力系数法计算步骤如下：（一）、确定地基有效深度L0当时,5T0.5LSe005LTe01.6L0S2L0S当0<5时,0LS式中：，0—分别为地下轮廓线不透水部分的水平投影长度和垂直投影长度（m）。0Te值从地下轮廓的最高点铅直向下起算，若不透水层的埋深TTe，则用有效深度Te进；若TTe，应按实际透水层深度T进行计算。行计算经计算LL11.9m0实S0.50.81.3m011.9LS01.39.250则T0.5L0.511.95.956me0T即用有效深度计算。e（二）、地基分段和阻力系数计算先将实际的地下轮廓进行适当简化，使之成为垂直的和水平的两个主要部分。简化时，出口处的齿墙或板桩的入土深度应予保留，以便得出实有的出口坡降。用通过已经简化了的地下轮廓不透水部分各角点和板桩尖端的等势线，将地基分段，一般分为内部水平段、内部垂直段、进口、出口段。个基本分段的阻力系数按以下公式计0算。（1）进口、出口段阻力系数按以下公式计算01.（5S）0.4432T0式中S—齿墙或板桩的入土深度（m）T—地基有效深度或实际深度（m）（2）内部垂直段的阻力系数的计算公式为y2lctg(1S)4Tyn（3）水平段的阻力系数的计算公式为xL0.7(SS)12Tx式中L—水平段的长度（m）；S—两端板桩或齿墙的入土深度（m）6.8m5.1mm3.1⑤③①②⑥④⑦表3-1各典型段阻力系数计算表分段编号i分段名称hiSSSTL12ABc进口段0.8——内部水平段—铅直段0.8——6.0—0.510.270.540.80.85.65.6——0.100.055.10.85铅直段0.5——5.2—0.100.056.81.01内部0.140.07d内部铅直段0.5——5.2e内部水平段—0.50.55.20.45f内部g出口段0.5——5.2—0.490.2611/203.2i图3-1（三）、求各分段的水头损失采用公式：hHiiiH其中：—总水头损失，亦即水闸的上下游水位差。（m）计算结果见下表所示（H1.7（m））HHH81．71.430.890.810.760.310.260HHHHH5123467(四)、渗压水头分布图或渗流坡降线各分段的水头损失求出以后，以渗流出口处开始，逐段向上游累加其水头损失值，即个得出相邻各计算角点的渗压水头值。最后用直线连接各水头代表线段的端点，就能绘出渗压分布图或渗流坡降线。（五）、进出口水头损失的修正当进出口板桩较短时，进出口处的渗流坡降线将呈急变曲线的形式。为精确计，应进行修正。修正计算式为：hh00式中：0h—按以上诸式算出的进出口水头损失值；（m）h—修正后的水头损失值；（m）01—修正系数，按1.21计算S0.059T2122TT其中：S—底板（包括齿墙）的埋深与板桩入土深度之和；（m）地基透水层深度；（m）透水层深度。（m）—板桩另一侧的T—板桩出口侧地基的T当计算的1.0时，采用1.0。1.0时，应修正，修正后其水头损失减小值为h(1)h。0解：11进口段1.211.210.7921S5.660.8222'T'122120.059TT应修正则修正后其水头损失减小值为：H1h10.7920.270.056m0出口板桩的前水力坡降也随之变化：12/20111.211.210.9791S'5.221.325.25.20.0592T'212120.059TT应修正，修正后其水头损失减小值为：H1h10.9790.260.055m0S/T/β/△hh/0进口出口0.81.36.05.20.7920.9790.0560.0550.2140.205出口板桩前的水力坡降变化范围a可按下式计算haHT'0.0555.20.5381.73.2i修正时按原水力坡降线，根据h及a值，分别定出N点及点，连接MN，即为修正后M的水力坡降线。如下图原水力坡降线0.538NN'修正后水力坡降线修正后各段水头损失如下表①②③④⑤⑥⑦∑h0.2140.5960.070.050.450.1150.2051.7/iHHHHHHHH71．71．4860.890.820.770.320.20501234568修正后的渗压分布图00.2050.320.770.820.891.4861.7（六）、根据修正后各段水头损失值，计算底板上承受的单宽渗透压力及总压力值。fA9.80.320.775.10.527.24KNF总27.247.3198.85KNm13/20hJnS式中：h—出口段水头损失（m）n—出口段铅直长度(m)S0.205hnS解：'J1.30.158第四章结构布置一、闸敦厚0.5m，高度2.20m，长度4.0m。闸门位置放在距闸底板前缘2.5m左右。闸门槽深0.1m，宽0.15m。二、工作桥放在立柱牛腿上，宽0.5m，厚0.25m，长为8.6m，布置连续梁式结构。在高程上同启闭梁高差0.7m左右。启闭机梁立柱横断面尺寸，顺水流方向用0.7m，垂直水流方向0.3m，高2.0m左右。启闭机梁采用矩形梁，同时采用两根，顺水流方向0.7m，厚0.25m，以连续梁形式布置。三、采用手摇式启闭机，螺杆式。每台启闭机重0.5t，即为5KN。四、不设交通桥。五、闸门采用纲筋混凝土结构。闸底板、闸墩、边墩、立柱、工作桥、启闭机梁等都用钢筋混凝土材料制成。如图4-1图4-1水闸结构布置示意图第五章底板的结构计算一、计算各部分自重（1）启闭机重：每台为5KN，总重G5315KN（3个启闭机）1（2）启闭机梁：总重G0.250.78.32536.313KN，每根重G/2=18.156（KN），每米2218.1568.3梁重q2.19KN/mG0.720.342542（3）起闭机柱总重：（KN）3（4）中墩重：每个重G0.2520.53.50.150.22.22.5105.40KN4共重G2105.40210.79KN中（5）边墩重：每个重G5.12.20.525140.23KN5共重G2140.23280.5KN边（6）闸底板重G8.35.10.80.50.58.32950.35KN6（7）工作桥重G0.50.258.62526.88KN7（8）闸前底板上水重G1.72.56.39.8262.4KN8（9）闸门重G2.12.20.15253=17.325352KN9二、求地基反力：主要有水闸总重，上游水压力（闸门关闭），浮托力，渗透力（闸门关闭）。（一）、列表计算15/20垂直力（KN）水平力（KN）力矩（KN·m）↓启闭机重15启闭机梁重36.31启闭机柱重42中墩重210.79边墩重280.5闸底板重950.35工作桥重26.88↑→←↘↙2.52.537.590.781052.52.5526.98715.282423.3951.072.552.551.9闸前底板水262.4重1.252.5328130闸门重52上游水压力103.380.5758.93浮托力583.77198.852.551488.6渗透压力2.55507.071093.612471.26表5-1荷载计算表（二）、求偏心距eMA5.12471.260.29（m）21093.61Be2G(三)求地基反力G60.29)5.134.6517.02(16e)8.35.11093.61(1（KN/m）2maxminABmax34.652.04[]2~317.02min三、底板内力计算—弹性地基梁法（一）、求不平衡剪力：以闸门为界，将闸室分为上、下游段，美工分别在其中央截取单宽板条进行计算。不平衡剪力列表计算如下表：上游段（KN）下游段（KN）结构名称↑↓7．5↑↓7．5启闭机启闭机梁18．1562118．15621启闭机柱中墩105.4140．2522.4526.88105.4140．2522.45边墩闸底板（单宽）工作桥闸门水重（单宽）16．6616/20浮托力（单宽）15.6815.6810.81渗透压力（单16.43宽）地基反力（单17.0234.65宽）不平衡剪力∑309.17253.62（二）不平衡剪力分配确定截面重心轴位置，如下图Ay40.52.21.90.88.30.41my==iAi40.52.20.88.3ibha21Abh22a22A122J=x111222.230.94.48.30.830.66.648.083m41221212用积分法确定闸墩与底板剪力分配系数:△Q=△Q/6J×(2d+2d)(h+h)2(2h－h)1x121212=(309.17/6×8.083)×(2×0.5+2×0.5)(0.2+2)2(2×2－0.2)=234.49△Q=△Q.L/6J×(h－h)2(2h+h)2x3232=(309.17×8.3/6×8.083)×(1－0.2)2(2×1+0.2)=74.50闸墩剪力分配系数:上游α=△Q/(△Q+△Q)=0.76112β=△Q/(△2Q+△Q)=0.2412则闸墩和底板所受的不平衡剪力按以上分配系数进行分配得:上游闸墩△Q=234.97KN底板△Q=74.50KN1下游同理可得α=0.76β=0.242匀布荷载q=q+q－q－q+△Q/L16.43+74.2/8.3=15.94KN/m每个中墩上的集中荷载P为PG1Q(d)22d21B11d1105.40.52.5234.97(20.520.5)100.9KN每个边墩上的集中荷载P为2Gd22P2Q(1)12=B1dd21140.250.52.5234.97(20.520.5)114.84KN(四)底板内力计算梁的柔性指数tt=10()3101.45105(8.03.8/2)31.160125El0Eh因梁上荷载左右对称,只计算左半梁弯矩（1）均布荷载的产生弯矩q=15.94kn/m2M=Mql2=15.94×(8.3/2)2M=274.53M由均布荷载引起的梁内各截面弯矩值ε00．1030．1010．0890．0660．0360．006028.2827.7324.4318.129.881.650．10．30．50．70．91．0MM0（2）由集中力P=100.9KN产生的的弯矩1M=MPL=M100.9×8.3/2=418.74M1P相对位置α=±1.3/(8.3/2)=0.31ε0.0－0.1－0.3－0.5－0.7－0.9－1.00.140.110.070.040.010.000左边PMM158.6246.0629.3116.754.1900右边P0.140.170.060.01058.6271.18104.6858.6225.124.190(3)由集中力P=114.84KN产生的弯矩0.250.14M1M2M=MPL=M114.84×8.3/2=476.59M2P相对位置α=±(4.15－0.25)/4.15=0.92ε－0.0－0.1－0.3－0.5－0.7－0.9－1.0左边P－0.13－0.12－0.07－0.06－0.03－0.0002MM-61.96-57.1