大环水闸计算书学习版.docx

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大环水闸计算书学习版

1基本设计资料

1.1工程概况

沙堆东堤位于沙堆镇的东南部，虎跳门水道右岸，现状东堤堤围总长21km，其中未达标堤围长16.950km。

沙堆东堤是新会区万亩以上重点堤围，围是当地的政治、经济、文化中心，保护耕地面积3万亩，捍卫人口3.3万人。

本次东堤加固工程围北起白沙冲南堤，南至白沙围尾端，整段堤围形成了一条闭合防线，是沙堆镇抵抗台风暴潮侵袭，阻挡西江洪水和虎跳门水道海潮的重要防洪（潮）屏障，是沙堆镇经济社会可持续稳定发展的前提条件。

加固围现有排水、挡潮闸14座，均为小型水闸。

大环水闸位于沙堆东堤下游，桩号1+780处，主要功能为挡潮、排涝。

原大环水闸建于上世纪五六十年代，由于受当时历史条件限制，水闸建设标准较低，闸室已经向临江侧偏移，虽已经采取纠偏措施改善水闸受力状况，但水闸现状进一步向临江侧偏移趋势明显，同时由于工程运行时间较长，建筑结构破损、钢筋外露、闸门锈蚀、启闭设备不灵活等问题使得该水闸的运行存在较大的安全隐患，由于大环水闸原址10m围已建有多宗民房，给基坑开挖造成很大困难，水闸涌两岸也多为住宅，工程围堰选址较难，且产生较大的征地补偿费用，因此有必要对大环水闸进行移址重建。

选址为原水闸临外江侧约32m（交通桥中心距），重建后大环水闸为1孔净宽4m的开敞式水闸，闸底板高程-2.00m，闸顶板高程3.20m，交通桥宽7m。

1.2水闸设计标准

根据《海堤工程设计规》（SL438-2008）以及《水闸设计规》（SD265-2001），位于防洪（挡潮）堤上的水闸，其级别不得低于防洪（挡潮）堤的级别，确定大环水闸为Ⅲ等工程，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，临时建筑物级别为5级。

水闸的防洪（挡潮）标准为30年一遇，根据水文计算，相应外江虎跳门水道的设计潮水位为2.59m；校核防洪（挡潮）水位取临时最高潮水位2.78m。

水闸排涝标准按10年一遇24小时暴雨所产生的径流量，城镇、鱼塘1天排干，农田3天排干设计，相应设计最大过闸流量取最大洪峰流量为25m3/s。

1.3特征水位

外江设计洪潮水位为2.59m（P=3.33%）；

外江校核洪潮水位为2.78m（历史最高潮水位）；

外江多年平均高潮水位为0.59m；

外江多年平均低潮水位为-0.36m；

河最高限制水位为0.80m；

河正常蓄水位为-0.20m；

河最低水位为-0.70m。

1.4结构数据

大环水闸为钢筋砼整体式结构，共1孔，净宽4m。

闸顶高程3.20m，闸底板高程-2.00m，水闸闸室顺水流方向总长23.85m，前后干砌石护坦长5.00m。

闸顶设交通桥，宽7m，设计荷载等级按公路-Ⅱ级折减设计。

1.5工程地质

根据地质勘察报告，闸址处原始地貌为珠江三角洲淤积、冲积平原地貌。

闸基础底部分布淤泥厚度大，具有高压缩性，承载力小，震动下易发生触变，产生抗滑稳定与沉降变形问题。

中粗砂、残积土和基岩承载力较高，是良好持力层。

闸基础的主体部分建议采用钻孔桩基础或地基加固处理措施。

对其他挡墙等次要部位，因一般荷载较小，可采用天然地基型式，以浅层淤泥层作为建筑物基础的天然地基持力层，但应在上部铺上垫层，必要时可采用地基加固处理措施。

场地的地下水及地表水对混凝土具有碳酸型弱腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性，对钢结构具有弱腐蚀性。

1.6地震设防烈度

根据本阶段勘察结果，结合区域地质资料综合分析，勘察场地及附近未发现有影响场地稳定性的地质构造和不良地质作用，场地是稳定的，但其上部分布的软弱土层，即淤泥层属于震陷敏感的软弱地层。

根据《建筑抗震设计规》（GB50011-2001）及《中国地震动峰值加速度区划图》（GB18306-2001），该地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，地震动反应谱特征周期值为0.40s。

2闸顶高程计算

根据《水闸设计规》SL265-2001第4.2.4条规定，水闸闸顶高程不应低于正常水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应安全超高之和；位于防洪（挡潮）堤上的水闸，其闸顶高程不得低于防洪（挡潮）堤堤顶高程。

故大环水闸闸顶高程计算确定如下：

2.1计算工况

大环水闸挡潮工况下，外江历史最高潮水位为2.78m（珠基，下同），设计风速采用重现期为50年的年平均最大风速25.5m/s。

2.2计算公式

闸顶高程按《水闸设计规》（SL265－2001）中有关规定进行计算，相关公式如下：

《水闸设计规》

式中：

Z—闸顶高程（m）；

h0—计算潮水位（m）；

A—安全超高（m），取A=0.3m；

水文提供基本数据：

计算风速（注意扩大系数）、风区长度、风区内平均水深（注意那种工况）。

1、由三数据（v0DHm（极可能要做相应修改））推出hm，根据hm和Hm及水闸规表E.0.1-2，推出hp

2、由hm、v0推出Tm

3、根据Tm、H经试算推出Lm

4、根据Lm，计算波浪破碎的临界水深及hz（水闸规E.0.2）

5、根据H、Hk、Lm/2之间关系推波浪压力P（浪压力用在闸室稳定计算、工况不同，压力不同）

6、根据浪压力断面型式求浪压力作用点，（形心）。

hm—平均波高（m）；

v0—计算风速（m/s）；

D—风区长度（m）；本工程取500m。

Hm—风区的平均水深（m）；

Tm—平均波周期（s）；

Lm—平均波长（m）；

H—闸前水深（m）；

hp—相应于波列累积频率5%的波高（m）；

hz—波浪中心线超出计算水位的高度（m）。

根据上述，采用Excel表计算，结果如下表2.2-1所示。

表2.2-1水闸闸顶高程计算

1、计算平均波高及hm/Hm

hm/Hm

ghm/v02

gD/v02

gHm/v02

0.323

0.041

0.004

6.256

0.097

28.00

7.78

500.0

2、计算设计波浪波列累计频率波高

水闸级别

波列累计频率P（%）

hm/Hm

hp/hm

0.619

5.000

0.041

1.918

3、计算设计波浪平均周期Tm值

gTm/v0=

13.9（ghm/v02）0.5

2.520

28.000

0.323

4、计算平均波长Lm（试算）

Lm=

（gTm2/2π）*th（2*πH/Lm）

H（闸前水深）

Δ≤10-3

9.872

2.520

4.780

3.142

0.0008

5、计算波浪破碎的临界水深

Hk=

（Lm/4π）*ln[（Lm+2πhp）/（Lm-2πhp）]

0.654

9.872

0.619

3.142

6、计算hz

判别闸前水深H与临界水深Hk及与（Lm/2）关系

关系

Lm/2

4.780

≥

0.654

4.780

＜

4.936

计算波浪中心线超出计算水位的高度

hz=（πhp2/Lm）*cth（2πH/Lm）

0.122

3.142

0.619

9.872

4.780

6、闸顶高程计算

h0+hp+hz+A

3.821

2.780

0.619

0.122

0.300

2.3闸顶高程确定

根据《水闸设计规》SL265-2001第4.2.4条规定，挡水时，水闸闸顶高程不应低于正常蓄水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应安全超高之和；位于防洪（挡潮）堤上的水闸，其闸顶高程不得低于防洪（挡潮）堤堤顶高程。

则本次设计的闸顶高程取水闸两侧堤防堤顶高程为4.20m。

本项目可用理正软件计算，

1、设计2、复核（0.1-0.3m高差）

3水力计算

3.1闸孔总净宽计算

3.1.1计算公式

根据《水闸设计规》（SL265-2001），各水闸采用过流计算公式如下：

（1）对于平底闸，当为堰流时，水闸的泄流能力计算根据《水闸设计规》（SL265-2001）附录A.0.1规定的水力计算公式：

；

式中：

—水闸泄流量（m3/s）；

—淹没系数；

—侧收缩系数，按水力学的弗朗西斯公式计算确定；

—流量系数，取0.385；

—水闸过流净宽（m）；

—堰顶算起的下游水深（m）；

—计入行近流速水头的堰上水深（m），近似采用堰上水头

。

（2）对于平底闸，当堰流处于高淹没度时（

），水闸的泄流能力计算根据《水闸设计规》（SL265-2001）附录A.0.2规定的水力计算公式：

；

式中：

—水闸的泄流流量（m3/s）；

—淹没堰流的综合流量系数；

—水闸过流净宽（m）；

—重力加速度，采用9.81m/s2；

—由堰顶算起的下游水深（m）；

—计入行近流速水头的堰上水深（m），近似采用堰上水头

。

（3）当过闸泄流过程为孔口出流时，采用如下公式进行计算：

；

式中：

—孔口高度（m）；

—孔流流速系数，采用0.95m；

—孔流流量系数，按《水闸设计规》表A.0.3-1查得；

—孔流垂直收缩系数；

—计算系数；

—胸墙底圆弧半径（m）；

—孔流淹没系数，按《水闸设计规》表A.0.3-2查得。

3.1.2计算工况

本次水闸规模复核，以排涝流量完全自排设计，各水闸水位按围地面控制高程来确定，闸底高程根据外侧河道底高程综合确定，过闸水头差取0.15m，推求各水闸相应的总净宽。

3.1.3计算成果

根据上述，本次水闸规模复核使用理正岩土5.6—水力学计算软件计算，其计算成果如下：

**********************************************************************

计算项目：

大环闸孔总净宽计算

**********************************************************************

----------------------------------------------------------------------

[水闸型式简图]

----------------------------------------------------------------------

[计算条件]

----------------------------------------------------------------------

[基本参数]

闸坎型式

未设底坎的宽顶堰

闸门型式

平板闸门

计算目标

计算闸门总净宽

判断水流状态的标准he/H

0.650

上游水位（m）

0.700

下游水位（m）

0.550

堰顶高程（m）

-2.000

行进流速水头（m）

0.150

闸门开启高度he（m）

3.500

设计闸孔数

设计流量Q（m3/s）

25.000

判断高淹没度的标准hs/H0

0.900

流量系数

计算

┕流量系数值

0.385

收缩系数

计算

┕上游河道宽度bs（m）

9.000

淹没系数

计算

----------------------------------------------------------------------

[计算过程]

----------------------------------------------------------------------

1、判断水流状态。

水流状态：

因为he/H=1.296>0.650。

所以属于堰流。

根据《水闸设计规》SL265-2001附录A计算。

2、判断是否高淹没度出流。

因为实际淹没度：

0.895<0.900，所以，堰流为非高淹没度出流。

3、淹没系数。

无底坎宽顶堰淹没系数：

σ=0.840。

4、流量系数。

根据《水闸设计规》取流量系数为：

0.385。

5、求解闸孔宽度：

闸孔宽度侧收缩系数计算流量流量差

（m）（m3/s）（m3/s）

19.9631.25421172.453147.45325

11.7961.0568585.86960.86904

7.7130.9764751.87526.87512

5.6710.9436536.86111.86139

4.6510.9299329.7874.78695

4.1400.9239526.3471.34714

3.8850.9212224.6500.35006

4.0120.9225725.4970.49670

3.9490.9218925.0730.07286

3.9170.9215624.8610.13871

3.9330.9217224.9670.03295

3.9410.9218125.0200.01995

经过试算，满足设计流量的闸孔总净宽为：

3.941（m）。

3.1.4确定闸孔总净宽

根据上述计算结果，大环水闸闸门总净宽为3.941m，实取水闸总净宽为4m、单孔。

3.2水闸消能防冲

3.2.1计算工况

1、工况选取，合理制定内外水位

2、水力学，武大版，P210

由于本水闸为原地区感潮河道的河口挡潮闸，当外江水位较高时，水处于关闭挡潮阶段，不进行过流，当需要引水时，外水位一般较低，过闸流量较小，而排涝时水位较高，流量较大，故本次消能防冲计算选择排涝工程进行复核，相应水位为河最高控制水位0.80m，过闸外水位差取0.30m，则外江水位为0.50m。

3.2.2消能判别

（1）判断是否需要建消力池

单宽流量：

行近流速水头：

；

河总水头：

临界水深：

由

，

查“矩形断面明渠收缩断面水深及水跃共轭水深求解图”得

，则

。

由共轭水深公式：

，其中

，则

已知下游水深

，即

，水闸泄流发生淹没式水跃，无需建消力池。

（2）结论

根据上述计算可知，本水闸泄流时，跃后水深小于下游水位，为淹没式水跃，无需建消力池，只需加设辅助消能设施即可。

故本工程在水闸进出口底板设分流式消力墩辅助消能，消力墩尺寸500×600×6000mm（高×宽×长），每个消力墩之间间距1m。

水闸进出口设5m长，0.50m厚干砌石护面，防止水流冲刷掏空闸底。

4渗流稳定计算

4.1渗流稳定计算公式

防渗设计按外江设计防洪（潮）水位与堤最低水位（按降低堤田面高程确定）情况组合为最不利工况进行计算，按规推荐的改进阻力系数法进行计算，计算公式如下：

①地基有效深度：

当

时，

式中：

—地基的有效深度，m；

—地下轮廓的水平投影长度，m；

—地下轮廓的垂直投影长度，m；

②进、出口段：

式中：

—进出口段的阻力系数；

—齿墙的入土深度，m；

—地基的透水层深度，m；

③部垂直段：

式中：

—部垂直段的阻力系数；

④水平段：

式中：

—水平段的阻力系数；

—水平段长度，m；

、

—进出口段板桩或齿墙的入土深度，m；

⑤各分段水头损失值：

式中：

—各分段水头损失值，m；

—各分段的阻力系数；

修正部分需格外注意

—总分段数。

⑥进、出口段修正后的水头损失值公式

式中：

—进、出口段修正后的水头损失，m；

—进出口段水头损失值，m；

—阻力修正系数，当计算的

时，采用

；

—底板埋深与板桩入土深度之和，m；

—板桩另一侧地基透水层深度，m；

—修正后水头损失的减小值，m。

⑦进、出口齿墙不规则部位水头损失修正公式

当

，且

时，

，

4.2闸基渗流稳定计算

本工程水闸闸基防渗轮廓主要由闸底板及其齿墙、沉箱组成，防渗轮廓总长34.85m，计算简图如下：

4.2.1计算工况拟定

本工程水闸闸基渗流稳定计算按水闸外水位差最大情况进行计算，即按外江设计防洪（潮）水位与堤最低水位（按降低堤田面高程确定）情况组合为最不利工况进行计算。

水位组合：

外江设计防洪潮水位2.59m，河最低水位-0.70m。

4.2.2计算过程

本次水闸闸基渗流稳定计算采用EXCEL表格计算，其计算过程如下表4.2-1所示。

表4.2-1渗透稳定计算表（水位组合：

外江设计防洪潮水位2.59m，河最低水位-0.70m）

改进阻力系数法

一、确定地基计算深度

Tc=

11.925

地基计算深度

Te=

11.925

地基有效深度

To=

26.15

透水地基实际深度

Lo=

23.85

地下轮廓线的水平投影长度

So=

3.5

地下轮廓线的铅直投影长度

二、分段计算阻力系数

设计外水位

2.59

设计水位

-0.7

水头差h

3.29

总段数

计算公式

进/出口段

部垂直段

水平段

段数

渗流段名称

阻力系数ξi

水头损失hi

修正后渗透水头hi

坡降

进口段

0.4667

0.6939

0.4293

1.5

22.55

0.286

水平段

0.0238

0.0353

0.0706

0.5

21.05

0.141

部垂直段

0.0454

0.0675

0.1350

22.05

0.135

水平段

0.1224

0.1820

0.3438

5.5

22.05

0.063

部垂直段

0.1371

0.2038

22.05

0.068

水平段

0.6220

0.9248

11.85

19.05

0.078

部垂直段

0.1371

0.2038

22.05

0.068

水平段

0.1224

0.1820

0.3438

5.5

22.05

0.063

部垂直段

0.0454

0.0675

0.1350

22.05

0.135

水平段

0.0238

0.0353

0.0706

0.5

21.05

0.141

-1

出口段

0.4667

0.6939

0.4293

1.5

22.55

0.286

∑

2.2129

计算正确

三、进出口水头损失值及渗透压力局部修正

进口段

出口段

h0'=

β'h0=

0.4293

Δh=

h0-h0'=

0.2646

S'=

1.5

22.55

T'=

22.05

β'=

0.6187

h'x=

0.0706

h'y=

0.1350

h'cd=

0.3438

四、出口段渗透坡降（出逸坡降）

出口段

J=h0'/S'=

0.286

水平段

J=h0/s=

0.141

五、渗透压力

节点

上下节点水头差

节点水头

经过修正

间距

长度

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