水闸毕业设计--水闸设计.doc

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水闸设计说明书

SLUICEDESIGNSPECIFICATION

设计题目：

水闸工程

学院名称：

专业名称：

水利水电工程

班级名称：

姓名：

学号：

指导教师：

教师职称：

年月日

目录

一、设计任务 1

二、设计基本资料 1

2.1概述 1

2.1.1防洪 1

2.1.2灌溉 1

2.1.3引水冲淤 2

2.2规划数据 2

2.2.1孔口设计水位、流量 2

2.2.2闸室稳定计算水位组合 2

2.2.3消能防冲设计水位组合 2

2.3地质资料 2

2.3.2闸基土工试验资料 3

2.4闸的设计标准 3

2.5其它有关资料 3

2.5.1闸上交通 3

2.5.2三材 4

2.5.3地震资料 4

2.5.4风速资料 4

三、枢纽布置 4

3.1防沙设施 4

3.2引水渠的布置 4

3.3进水闸布置 4

3.3.1闸室段布置 4

3.3.2上游连接段布置 5

3.3.3下游连接段布置 5

四、水力计算 5

4.1闸孔设计 5

4.1.1闸室结构形式 5

4.1.2堰型选择及堰顶高程的确定 6

4.1.3孔口尺寸的确定 6

4.2消能防冲设计 8

4.2.1消力池的设计 8

4.2.2海漫的设计 10

4.2.3防冲槽的设计 10

五、防渗排水设计 11

5.1地下轮廓设计 11

5.1.1底板 11

5.1.2铺盖 11

5.1.3侧向防渗 11

5.1.4排水、止水 12

5.1.5防渗长度验算 12

5.2渗流计算 12

5.2.1地下轮廓线的简化 12

5.2.2确定地基的有效深度 13

5.2.3渗流区域的分段和阻力系数的计算 13

5.2.4渗透压力计算：

14

5.2.5抗渗稳定验算 16

六、闸室布置与稳定计算 17

6.1闸室结构布置 16

6.1.1底板 17

6.1.2闸墩 17

6.1.3胸墙 17

6.1.4工作桥 17

6.1.5检修便桥 18

6.1.6交通桥 18

6.2闸室稳定计算 19

6.2.1荷载计算 19

6.2.2稳定计算 25

七、闸室结构设计 27

7.1闸墩设计 27

7.2底板结构计算 28

7.2.1闸基的地基反力计算 28

7.2.2不平衡剪力及剪力分配 30

7.2.3板条上荷载的计算 31

7.2.4弯矩计算 32

7.2.5配筋计算 36

7.2.6裂缝校核 37

八、两岸连接建筑物 37

九、水闸细部构造设计 38

十、基础处理 38

十一、总结 38

参考文献 40

36

水闸课程设计计算说明书

1、设计任务

兴化闸为无坝引水进水闸，该枢纽主要由引水渠、防沙设施和进水闸组成，本次设计主要任务是确定兴化闸的型式、尺寸及枢纽布置方案；并进行水力计算、防渗排水设计、闸室布置与稳定计算、闸室底板结构设计等，绘出枢纽平面布置图及上下游立视图。

2、设计基本资料

2.1概述

兴化闸建在兴化镇以北的兴化渠上，闸址地理位置见图2-2-1。

该闸的主要作用有防洪、灌溉和引水冲淤。

7.0

北

至大成港

9.0

渠

化

11.0兴

闸管所

兴化闸

兴化

河

兴化镇

图2-2-1闸址位置示意图（单位：

m）

2.1.1防洪

当兴化河水位较高时，关闸挡水，以防止兴化河水入侵兴化渠下游两岸农田，保护下游的农田和村镇。

2.1.2灌溉

灌溉期引兴化河水北调，以灌溉兴化渠两岸的农田。

2.1.3引水冲淤

在枯水季节，引兴化河水北上至下游的大成港，以冲淤保港。

2.2规划数据

兴化渠为人工渠道，其剖面尺寸如图2-2所示。

渠底高程为0.5m，底宽50.0m，两岸边坡均为1:

2。

该闸的主要设计组合有以下几方面：

11.8

0.5

50.0

图2-2兴化渠剖面示意图（单位：

m）

2.2.1孔口设计水位、流量

根据规划要求，在灌溉期由兴化闸自流引兴化河水灌溉，引水流量为300m3/s，此时闸上游水位为7.83m，闸下游水位为7.78m；在冬季枯水季节由兴化闸自流引水送至下游大成港冲淤保港，引水流量为100m3/s，此时相应的闸上游水位为7.44m，下游为7.38m。

2.2.2闸室稳定计算水位组合

（1）设计情况：

上游水位10.3m，浪高0.8m，下游水位7.0m。

（2）校核情况：

上游水位10.7m，浪高0.5m，下游水位7.0m。

2.2.3消能防冲设计水位组合

（1）消能防冲的不利水位组合：

引水流量为300m3/s，相应的上游水位10.7m，下游水位为7.78m。

（2）下游水位流量关系

下游水位流量关系见表2-2-1。

表2-2-1下游水位流量关系

Q（m3/s）

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

300.0

H下（m）

7.0

7.20

7.38

7.54

7.66

7.74

7.78

2.3地质资料

2.3.1闸基土质分布情况

根据钻探报告，闸基土质分布情况见表2-3-1。

表2-3-1闸基土层分布

层序

高程（m）

土质情况

标准贯入击数（击）

Ⅰ

11.75～2.40

重粉质壤土

9～13

Ⅱ

2.40～0.7

散粉质壤土

8

Ⅲ

0.7～-16.7

坚硬粉质粘土

（局部含铁锰结核）

15～21

2.3.2闸基土工试验资料

根据土工试验资料，闸基持力层为坚硬粉质粘土，其内摩擦角φ=190，凝聚力C=60.0Kpa；天然孔隙比e=0.69，天然容重γ=20.3KN/m3，比重G=2.74，变形模量E0=4.0×104KPa；建闸所用回填土为砂壤土，其内摩擦角φ=260，凝聚力C=0，天然容重γ=18KN/m3；混凝土的弹性模量Eh=2.3×107KPa。

2.4闸的设计标准

根据《水闸设计规范》SL265-2001，兴化闸按Ⅲ级建筑物设计。

2.5其它有关资料

2.5.1闸上交通

根据当地交通部门建议，闸上交通桥为单车道公路桥，按汽-10设计，履带-50校核。

桥面净宽为4.5m，总宽5.5m，采用板梁式结构，见图2-5-1，每米桥长约重80KN。

10.015.0450.015.010.0

110.0

2﹪2﹪

10.0

15.0

55.0

70.045.0137.5045.0137.5045.070.0

550.0

图2-5-1交通桥剖面图（单位：

cm）

2.5.2该地区“三材”供应充足。

闸门采用平面钢闸门，尺寸自定，由于厂设计加工制造。

2.5.3该地区地震烈度设计为6度，故可不考虑地震影响。

2.5.4该地区风速资料不全，在进行浪压力设计时，建议取Ll=10hl计算。

3、枢纽布置

兴化闸为无坝引水进水闸。

整个枢纽主要由引水渠、防沙设施和进水闸等组成。

3.1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0.5m，顶高程1.3m，迎水面直立，背流坡为1:

1的斜坡，

其断面见图3-1：

图3-1枢纽布置图Ⅰ-Ⅰ剖面

3.2引水渠的布置

兴化河河岸比较坚稳，引水渠可以尽量短（大约65m），使兴化闸靠近兴化河河岸。

为了保证有较好的引水效果，引水角取35°，并将引水口布置在兴化河凹岸顶点偏下游水深较大的地方。

为了减轻引水口处的回流，使水流平顺的进入引水口，引水口上、下游边角修成圆弧形。

引水渠在平面上布置成不对称的向下游收缩的喇叭状，见图3-1。

3.3进水闸布置

进水闸（兴化闸）为带胸墙的开敞式水闸。

共5孔，每孔净宽5.0m。

胸墙底部高程为8.1m，闸顶高程为11.8m，闸门顶高程为8.3m。

3.3.1闸室段布置

闸底板为倒∏型钢筋混凝平底板，缝设在底板中央。

底板顶面高程为0.5m，厚1.0m，其顺水流方向长16m。

闸墩为钢筋混凝土结构，顺水流方向长和底板相等，中墩厚1.1m，边墩与岸墙结合布置，为重力式边墙，既挡水，又挡土，墙后填土高程为11.8m。

闸墩上设有工作门槽和检修门槽。

检修门槽距闸墩上游边缘1.7m，工作门槽距闸墩上游边缘5.29，胸墙与检修门槽之间净距为2.59。

闸门采用平面滚轮钢闸门，尺寸为4.8m×7.8m。

启闭设备选用QPQ-2×25卷扬式启闭机。

工作桥支承为实体排架，由闸墩缩窄而成。

其顺水流长2.3m，厚0.5m,底面高程11.8m，顶面高程16.5m，排架上设有活动门槽。

公路桥设在下游侧，为板梁式结构，其总宽为5.5m。

公路桥支承在排架上，排架底部高程8.5m。

3.3.2上游连接段布置

铺盖为钢筋混凝土结构，其顺水流方向长20m,厚0.4m。

铺盖上游为块石护底，一直护至引水口。

上游翼墙为浆砌石重力式反翼墙，迎水面直立，墙背为1:

0.5的斜坡，收缩角为15°，圆弧半径为6.6m。

墙顶高程为11.0m，其上设0.85m高的混凝土挡浪板。

墙后填土高程为10.8m。

翼墙底板为0.6m厚的钢筋混凝土板，前趾长1.2m，后趾长0.2m。

翼墙上游与铺盖头部齐平。

翼墙上游为干砌块石护坡，每隔12m设一道浆砌石格埂。

块石底部设15cm的砂垫层。

护坡一直延伸到兴化渠的入口处。

3.3.3下游连接段布置

闸室下游采用挖深式消力池。

其长为23m,深为0.5m。

消力池的底板为钢筋混凝土结构，其厚度为0.7m。

消力池与闸室连接处有1m宽的小平台，后以1:

4的斜坡连接。

消力池底板下按过滤的要求铺盖铺设厚0.3m的砂、碎石垫层，既起反滤、过渡作用，又起排水作用。

海漫长26m，水平设置。

前10m为浆砌块石，后16m为干砌块石，并每隔8m设一道浆砌石格埂。

海漫末端设一构造防冲槽。

其深为1.0m，边坡为1:

2。

槽内填以块石。

由于土质条件较好，防冲槽下游不再设护底。

下游翼墙亦为浆砌石重力式反翼墙。

迎水面直立，墙背坡度为1:

0.5，其扩散角为10°，圆弧半径为4.8m。

墙顶高程为8.5m，其上设高0.8m的挡浪板，墙后填土高程为8.0m。

下游翼墙底板亦厚0.6m钢筋混凝土板，其前趾长1.2m，后趾长0.2m。

翼墙下游端与消力池末端齐平。

下游亦采用干砌块石护坡，护坡至9.8m高程处。

每隔8m设一道浆砌石格埂。

护坡延伸至与防冲槽下游端部齐平。

4、水力计算

水力设计主要包括两方面的内容,即闸孔设计和消能设计。

4.1闸孔设计

闸孔设计的主要任务:

确定闸室结构形式、选择堰型、确定堰顶高程及孔口尺寸。

4.1.1闸室结构形式

该闸建在人工渠道上,故宜采用开敞式闸室结构。

在运行中，该闸的挡水位达10.3m～10.7m,而泄水时上游水位为7.44m～7.83m,挡水位时上游最高水位比下游最高水位高出2.87m，故拟设设置胸腔代替闸门挡水，以减小闸门高度，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，从而减少工程费用。

综上所述：

该闸采用带胸墙的开敞式闸室结构。

4.1.2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,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,并参考该地区已建在工程的经验,拟取闸底板顶面与兴化渠渠底齐平，高程为0.5m。

4.1.3孔口尺寸的确定

（1）初拟闸孔尺寸。

该闸的孔口必须满足引水灌溉和引水冲淤保港的要求。

1）引水灌溉

上游水深H=7.83-0.5=7.33m

下游水深hs=7.78-0.5=7.28m

引水流量Q=300m/s

上游行近流速V0=Q/A

A=（b+mH）H=（50+2×7.33）×7.33=473.96m2

V=300/473.96=0.633

H0=H+αV0/2g（取α=1.0）

=7.33+0.6332/2×9.8=7.35m

hS/h0=7.28/7.4=0.99>0.8,故属淹没出流。

查SL265-2001表A·0·1-2，淹没系数σS=0.36

由宽顶堰淹没出流公式

对无坎宽顶堰，取m=0.385，假设侧收缩系数=0.96，则

=

=25.54m

2）引水冲淤保港

上游水深H=7.44-0.5=6.94m

下游水深h=7.38-0.5=6.88m

引水流量Q=100

上游行近流速V0=Q/A

A=（b+mH）H=（50+2×6.94）×6.94=443.3

V=Q/A=100/443.3=0.23m/s<0.5m/s,可以忽略不计，则H0≈H=6.94m。

hS/H0=6.88/6.94=0.99>0.8,故属淹没出流。

查SL265-2001表A·0·1-2，得淹没系数σs=0.36

同样取m=0.385，假设侧收缩系数=0.96，则得

B02=

=

=9.24m

比较1）、2）的计算结果，B02

拟将闸孔分为5孔，取每孔净宽为5.0m,则闸孔实际总净宽为B0=5×5.0=25.0m。

由于闸基土质条件较好，不仅承载能力较大，而且坚硬、紧密。

为了减少闸孔总宽度，节省工作量，闸底板宜采用整体式平底板。

拟将分缝设在各孔底板的中间位置，形成倒∏型底板。

中墩采用钢筋混凝土结构，厚1.1m，墩头、墩尾均采用半圆形，半径为0.55m。

（2）复核过闸流量。

根据初拟的闸孔尺寸，对于中孔，b0=5.0m，bs=b0+=5.0+1.1=6.1m，b0/bs=5.0/6.1=0.820，查SL265-2001表，得

对于边孔，b0=5.0m，bs=40.26m，bo/bs=1.12,查SL265-2001表，得,则

=（0.971×（5-1）+0.909）/5

=0.960

根据SL265-2001表，对无坎宽顶堰，取m=0.385，则

=0.36×0.385×0.959×25×

=293.3

×100%=2.24%<5%

实际过流能力满足引水灌溉的设计要求。

因此，该闸的孔口尺寸确定为：

共分5孔，每孔净宽5.0m，2个中墩各厚1.1m，闸孔总净宽为25.0m，闸室总宽度为29.4m。

4.2消能防冲设计

消能防冲设计包括消力池、海漫及防冲槽等三部分。

4.2.1消力池的设计

1）上下游水位连接形态的判别,闸门从关闭状态到泄流量为300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,流量50;待下游的水位稳定后,增大开度至150，待下游的水位稳定后,增大开度至300。

Ø当泄流量为50时:

上游水深H=10.7-0.5=10.2m;

下游水深可采用前一级开度（即Q=0）时的下游水深t=7.0-0.5=6.5m;

上游行进流速==50/718.1=0.069m/s（<0.5m/s）,可以忽略不计。

假设闸门的开度e=0.45m.=0.45/10.2=0.044<0.65,为孔流。

查《水力学》（河海大学出版社），由表10.7（采用插值法）：

得=0.612，则：

hc=e=0.612×0.45=0.2754m

==1.332m

由（t﹣）/（H-）=0.583,查SL265-2001表A·0·3-2（采用插值法），得孔流淹没系数=0.53，所以有

μ1=0.6-0.176=0.592

式中μ1—孔流流量系数。

因此Q=0.53×0.592×0.45×25×=49.95

该值与要求的流量50十分的接近，才所假定的闸门开度e=0.45正确。

此时，跃后水深1.332

以同样的步骤可求得泄水量150、300时的闸门开度、跃后水深，并可判别不同泄水量时的水面连接情况，结果列如下表：

表4-2水面连接计算

序号

Q

（）

E

（m）

（m）

t

（m）

水面连接情况

1

50.0

0.45

0.612

0.275

1.332

6.50

淹没水跃

2

150.0

1.35

0.617

0.833

2.142

6.70

淹没水跃

3

300.0

3.00

0.625

1.875

2.555

7.04

淹没水跃

2）消力池的设计

a）、消力池池深：

由表4-2可见，在消能计算中，跃后水深均小于相应的下游水深，出闸水流已发生了淹没水跃，故从理论上讲可以不必建消力池。

但是为了稳定水跃，通常需建一构造消力池。

取池深d=0.5m。

b）、消力池长度：

根据前面的计算，以泄流量300作为确定消力池长度的计算依据。

略去行进流速V0，则：

T0=H+d=10.2+0.5=10.7m

h=

=q²/2g，q=10.20，=0.95

=5.88

h=0.77

==4.88m

水跃长度L=6.9（-）=6.9×（4.88-0.77）=28.4m

消力池与闸底板以1：

4的斜坡段相连接，LS=dp=0.5×4=2.0m,则消力池长度LSJ为

L=L+βL=2.0+0.75×28.4=23.3m

β—长度校正系数