水工建筑物课程设计某水闸门设计.doc
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²目录
l1.前言——————————————————————
（1）
1.1水闸等级划分———————————————————（3）
1.2工程任务———————————————————（4）
1.3基本资料———————————————————（4）
1.4设计内容———————————————————（6）
l2.总体布置————————————————————（6）
2.1闸型选择———————————————————（6）
2.2闸室基本尺寸确定———————————————（7）
2.3泄流能力校核————————————————（15）
2.3.1估算泄洪闸闸孔尺寸—————————————（16）
2.3.2验算闸孔过流能力——————————————（16）
l3.消能防冲设计——————————————————（17）
3.1消力池深度计算————————————————（17）
3.1.1消能计算的控制情况—————————————（17）
3.1.2闸门开启度e与泄流量Q的关系
3.1.3控制消能计算条件——————————————（19）
3.1.4计算消力池深度———————————————（20）
3.2消力池长度的计算——————————————（21）
3.3护坦构造——————————————————（21）
3.4海漫的长度和型式——————————————（22）
3.5防冲槽设计—————————————————（23）
l4.防渗设计———————————————————（24）
4.1选择地下轮廓线长度—————————————（24）
4.2渗透压力计算
l5.闸室抗滑稳定分析
5.1荷载计算
5.2抗滑稳定验算
5.3基地压力计算
1.前言
1.1水闸等级划分
平原区水闸枢纽工程分等指标
工程等别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
规模
大
（1）型
大
（2）型
中型
小
（1）型
小
（2）型
过闸流量
≥5000
5000～1000
1000～100
100～20
<20
防护对象的重要性
特别重要
重要
中等
一般
——
灌排渠系建筑物分级指标
工程级别
1
2
3
4
5
过水流量
≥300
300～100
100～20
20～5
≤5
1.2工程任务
本枢纽位于某河下游，主要任务是壅高水位，以满足河流两岸引水灌溉要求，并适当照顾到工业给水、陆路交通等。
枢纽由泄洪闸、灌区进水闸等组成。
枢纽建成后可灌溉农田5.5万亩。
要求闸顶公路净宽4.5m（图1）
图1枢纽平面布置图
1—泄洪闸；2—进水闸；3—闸上公路
1.3基本资料
1、上下游河道底宽20米，边坡1:
1.5。
泄洪闸设计过闸流量
，相应上游水位为▽6.10米，下游水位▽6.0米。
校核流量为，相应上游水位为▽6.50米。
此水闸（泄洪闸）为Ⅲ等3级建筑物。
2、河道上游正常蓄水位为▽5.0米，最高蓄水位为▽6.0米，下游水位▽2.5米。
泄洪闸下游河道水位流量关系如表1：
表1
水位（米）
3.20
3.70
4.10
4.45
4.80
5.10
5.35
5.60
流量（）
10
20
30
40
50
60
70
80
水位（米）
5.80
6.00
6.10
6.20
6.25
6.30
6.33
6.40
流量（）
90
100
110
120
130
140
150
170
3、泄洪闸上下游底高程▽1.0米，闸底板高程与河底齐平。
4、闸址处地形平缓，堤顶高程在7.5m左右。
5、闸址持力层为中细砂夹粉土，地基承载力为
6、闸址附近多年平均最大风速为，沿水面从水闸上游面到对岸的最大垂直距离为2Km。
7、回填土料
闸底板下砂垫层C=0,，=。
两岸翼墙后回填土料C=0,，=，=，=。
8、闸顶公路桥汽车荷载为汽车—10级，行车路面净宽4.5m，两侧各加0.75m宽的人行道。
9、工作闸门可用钢或钢筋混凝土平面闸门，检修闸门可选用叠梁门。
启闭机用螺杆式或卷扬式固定启闭机。
1.4设计内容
1、水闸型式选择。
2、确定闸孔尺寸，校核过流能力。
3、消能防冲设计。
4、地下轮廓设计及防渗排水布置。
5、闸室稳定校核及基底压力验算（完建及蓄水期）。
6、闸室结构计算：
包括闸底板、闸墩、上下游翼墙、工作桥、公路桥等。
本次设计只计算闸底板。
7、两岸连接建筑物布置。
2.闸室布置
2.1闸型选择
根据流量大小、上下游水位，地形地质等因素，本设计闸底板采用开敞式平底板。
2.2闸室基本尺寸的确定
1.闸底板高程与河床齐平▽1.0米；
2.闸底板顺水流方向长度L=12m；
底板顺水流方向的长度应根据闸室地基条件和上部结构布置要求，以满足闸室整体稳定和地基允许承载力为原则来分析确定。
初拟时可参考以建工程的经验数据选定，当地基为碎石土和砾（卵）石时，底板长度可取（1.5～2.5）H（H为水闸上、下游最大水位差）;砂土和砂壤土则取（2.0～3.5）H；粉质壤土和壤土可取（2.0～4.0）H；粘土取（2.5～4.5）H。
本设计的闸基土质为中细砂夹粉土，所以闸底板顺水流方向的长度取（2.0～4.0）H，最终定为L=12m。
3.闸底板厚度d=1.0m；
底板厚必须满足强度和刚度的要求，通常采用等厚度的，也可采用变厚度的（后者在坚实地基情况下有利于改善底板的受力条件），应根据闸室地基条件、作用荷载及闸孔净宽等因素，经计算并结合构造要求确定。
大中型水闸平底板厚度可取闸孔净宽的，一般为1.0～2.0m，最薄不小于0.7m。
取闸底板厚度d=1.0m；
4.闸门的选择：
闸门的结构选型应根据其受力情况、控制运用要求、制作、运输、安装、维修条件等，结合闸室结构布置等合理选定。
当永久缝设置在闸室底板上时，宜采用平面闸门。
露顶式闸门顶部在可能出现的最高挡水位以上有0.3～0.5m的超高。
由基本资料可知，可能出现的最高水位为▽6.5m，则闸门的高度取6.5-1.0+0.5=6m。
5.闸墩
（1）闸墩顶部高程
闸墩顶部高程一般是指闸室胸墙或闸门挡水线上游闸墩和岸墙的顶部高程，应满足挡水和泄水两种运用情况的要求。
挡水时，闸顶高程不应低于水闸正常蓄水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应的安全超高值之和；泄水时，不应低于设计洪水位（或校核洪水位）与相应安全超高值之和。
水闸安全超高下限值见表4-16。
表4-16水闸安全超高下限值（单位：
米）
运用情况
水闸级别
1
2
3
4/5
挡水时
正常蓄水位
最高挡水位
0.7
0.5
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
0.2
泄水时
设计洪水位
校核洪水位
1.5
1.0
1.0
0.7
0.7
0.5
0.5
0.4
闸墩顶部高程计算：
波浪计算高度
式中——当=20～250时，为累计频率5%波高的波高，当时，为累计频率10%的波高；
由资料可知：
闸址附近多年平均风速为，有效吹程为2Km，则：
挡水时闸墩顶部高程为：
正常蓄水位+波浪计算高度+安全超高=5.0+0.58+0.4=5.98m
最高蓄水位+波浪计算高度+安全超高=6.0+0.58+0.3=6.88m
泄水时闸墩顶部高程为：
设计洪水位+安全超高=6.1+0.7=6.8m
校核洪水位+安全超高=6.5+0.5=7.0m
所以闸墩的顶部高程为▽7.0m。
（2）墩头型式
闸墩的结构型式应根据闸室结构抗滑稳定性和闸墩纵向要求确定，一般采用实体式，常用混凝土、少筋混凝土或浆砌石。
闸墩的外形轮廓设计应满足过闸水流平顺、侧向收缩小、过流能力大的要求。
上游墩头采用半圆形，以减小水流的进口损失；下游墩头宜采用流线型，以利于水流的扩散。
（3）闸墩长度和厚度
闸墩的长度取决于上部结构布置和闸门的形式，一般与底板等长或稍短于底板。
闸墩上下游面为铅直面。
闸墩的厚度应满足稳定和强度要求，根据闸孔孔径、受力条件、结构构造要求、闸门型式和施工方法等确定。
根据经验，取闸墩厚度为1.6m，混凝土材料。
（3）闸门槽尺寸
平板闸门槽的尺寸取决于闸门尺寸和支撑型式。
工作闸门槽一般不小于0.3m，宽0.5～1.0m，最优宽深比宜取1.6～1.8，这里取槽深0.5m，槽宽0.8m；检修门槽一般为0.15～0.25，宽0.15～0.30m，这里取槽深0.3m，槽宽0.5m。
为了满足闸门安装与维修的要求，方便启闭机的布置和运行，检修闸门槽与工作闸门槽之间的净距不宜小于1.5m，这里取2.0m。
（4）工作桥底部高程
为了安装启闭设备和便于工作人员的需要，通常在闸墩上设置工作桥。
工作桥的高程与闸门和启闭设备的型式、闸门高度有关，一般应使闸门开启后，门底高于上游最高水位，以免阻碍过闸水流。
对于这次设计的平面直升门，采用固定式卷扬机启闭设备，桥的高度（即横梁底部高程与底板高程的差值）为闸门高的两倍加上1.0～1.5m的富余高度，闸门的高度为6m，则工作桥底部高程为▽14.5m。
工作桥的路面净宽取为3.6m。
（5）交通桥
交通桥的底部高程与堤顶高程齐平，即为▽7.5m；工作桥路面宽度为6m（加两侧的人行道宽度）。
6.边墩和岸墙
边墩是闸室靠近两岸的闸墩，而岸墙则是设在边墩后面的一种挡土结构。
其布置型式与闸室结构情况及地基条件等因素有关，通常有一下三种：
（1）边墩与岸墙结合；
（2）边墩与岸墙分开；（3）护坡连接型式。
这里取第一种边墩与岸墙结合的布置型式,具体结构见下图:
7.两岸连接建筑物：
（1）布置型式：
水闸两端与河岸或堤、坝等建筑物的连接处，需设置连接建筑物，它们包括上下游翼墙，边墩或岸墙、刺墙和导流墙等。
本设计上游采用反翼墙，下游采用扭面翼墙转角处的半径为3米。
（2）结构选型：
两岸连接建筑物的受力状态和结构型式与一般挡土墙基本相同，常用的结构型式有重力式、悬臂式、扶臂式、和空箱式等。
因为本设计中的闸墩顶部高程为▽7.0m，闸底板高程为▽1.0m，即翼墙的高度为6m，选用重力式挡土墙，混凝土材料。
闸室剖面图见下页：
图2闸室剖面图
——检修桥重420KN
——工作桥及小闸墩重60KN
——公路桥重540KN
——闸门重180KN
——启闭机重90KN
2.3泄流能力校核
2.3.1估算闸孔宽度、泄洪闸的闸孔尺寸，先按设计过闸流量确定，同时要满足校核流量的要求。
水闸过流时为宽顶堰式，首先应判别其流态是属于淹没出流或者是自由出流。
判别方法是：
当时，为淹没出流；
当时，为自由出流；
过闸流量公式为：
Q=…………………
（1）
式中：
——淹没系数，可按的大小由表查得；
——侧向收缩系数，初算时可取0.9；
——流量系数，初算时可暂选用0.365；
——过水断面净宽，待求；
——堰上总水头。
①计算行进流速：
河床的过水断面如下图所示:
则：
②判别流态：
为淹没出流；查表得
2.3.1估算闸孔尺寸
一般情况下闸室应等于或大于0.6～0.85倍的河床底宽，即闸室的净宽度在12～17m之间。
由公式得
①
则取n=2b=6.5
2.3.2验算设计水位的过流能力：
在
（1）范围之内且小于校核流量，所以闸孔净宽符合要求。
3.0消能防冲设计
由于水闸水头较低，河床又是土基，故采用底流式消能。
因此消能防冲的任务是确定消力池深度、长度、护坦厚度、海曼长度、防冲槽尺寸等。
3.1消力池深度计算
3.1.1消能计算的控制情况
根据本闸规划要求，虽然过闸流量和校核流量恒大，但此时全部闸门均开启，上下游水位差很小，且下游水深较大，故将产生淹没式水跃，不是消能计算的控制情况。
而当上游为河道正常蓄水位▽6.0m时，部分闸门局部开启，此时流量虽小，但下游水位较低，因此会出现消能计算的控制情况。
为此，应先拟定闸门开启孔口数及闸门局部开启时的泄流量Q，然后由水力计算求得跃后水深，与下游水深比较，判别水跃型式，选取最不利的情况作为消能计算的控制情况。
3.1.2闸门局部开启时，开启度e与泄流量Q的关系：
因闸下出流为淹没出流时，闸后发生淹没水跃，对消能计算不起控制作用，故闸门局部开启时应按闸下自由出流公式计算：
式中：
——流速系数，可取0.95；
——平板闸门垂直收缩系数；=,为相对开启度，
可查表得；
e——闸门开启度；
——开启闸门孔数；
——闸前水头；
——闸前总水头。
一般若选用固定卷扬式启闭机，单孔闸门开启高度不得超过一米，如需继续加大流量，必须开启多孔。
在计算单孔闸门开启时，开启度e与泄流量Q的关系，为安全起见最大开启度计算到1.5m，计算成果如下表：
开启孔数（n）
开启度e
（m）
泄流量Q
（）
计算选用流量
1
0.5
0.1
0.615
0.3075
4.6925
12.69
12.7
1
1
0.2
0.62
0.62
4.38
23.93
24.0
1
1.5
0.3
0.625
0.9375
4.0625
33.63
33.6
3.1.3控制消能计算条件
根据单孔闸门局部开启，泄流量、、时，计算跃后水深，与其相应的下游水深进行比较，选取（）最大值的情况作为消力池的计算条件。
在选用下游水深时，为安全起见，可选用上一次闸门开度时与下泄流量相应的下游水位。
计算跃后水深时，按照《水力学》中的矩形槽水跃公式计算。
（）
式中——动能修正系数，取1.0
计算成果列如下表：
开启孔数
水跃型式
1
12.7
2.0
0.74
0.3075
1.48
1.0
0.48
远驱式式式水跃
1
24.0
3.7
1.11
0.62
1.8
1.0
0.8
远驱式水跃
1
33.6
5.2
1.40
0.9375
2.0
1.0
1.0
远驱式水跃
3.1.4计算消力池深：
（1）估算池深S=1.05×2-1=1.1m
（2）计算建池后的
根据试算，设，代入算得>重设，试算结果入下表：
1.00
1.2
1.5
1.6
1.7
1.65
1.00
1.44
2.25
2.56
2.89
2.72
13.38/
13.38
9.29
5.95
5.23
4.63
4.92
13.38
10.49
7.45
6.83
6.33
6.57
试算结果说明，当时，
取。
（3）计算△
△=
（4）计算
在1.05～1.10范围内，所以池深满足要求，为方便施工，池深取
3.2消力池长度的计算：
闸室与消力池之间用一个1:
3的斜坡连接。
消力池水平段的长度由最大泄流量下的水跃长度控制。
池长
取池长
3.3护坦构造
由于消力池内水流高度紊流状态，脉动压力情况复杂，目前尚且无精确的方法计算，初步计算按下列经验公式计算护坦厚度：
（米）
——单孔开启1.5米时相应的单宽流量;
—与相应的上下游水位差。
按冲刷要求，非基岩护坦
取消力池底板厚度
消力池纵断面示意图如下：
护坦底板采用钢筋混凝土，底板上设有排水孔，孔径20cm，间距2m，呈梅花型排列。
护坦在平行水流方向设有沉降缝，缝的位置与闸墩对齐。
护坦底部设反滤层。
（碎石20cm、砂10cm、细砂10cm）
3.4海漫的长度和型式
海漫的长度可按下列经验公式计算：
（米）
式中——海漫起点处的单宽流量，取单孔闸门开启1.5米时相应的单宽流量。
△H——与相应的上下游水位差。
——海漫长度计算系数
取，则
海漫纵断面示意图如下：
由于水流速度沿海漫全长逐渐减小，故将海漫分成两段。
紧接消力池的一段呈水平状，后面呈斜坡状，坡度1:
10。
海漫所用的材料，水平段采用浆砌石材料，余下的采用干砌石结构。
块石直径大于30cm，厚度为60cm。
海漫段设计排水孔，下设反滤层。
3.5防冲槽设计
已建成工程多将防冲槽开挖成宽浅式的梯形断面，槽深一般取1.5～２.5m，宽度b取2～3倍的槽深，防冲槽上下游边坡m按河床上土质的安全坡度确定，一般取1：
（2～4），两侧边坡坡度可与两岸河坡相同。
本次设计上游坡度=2，下游坡度=3，底宽
槽深为。
纵断面图如下：
防冲槽纵断面图
4.防渗设计
4.1选择地下轮廓线长度
4.1.1计算轮廓线的最小长度。
布置地下轮廓线，即：
确定上游铺盖长度，闸底板下轮廓型式，板状的深度等。
式中——闸基防渗长度，即闸基轮廓线防渗部分水平段和垂直段的总和，m；
——允许渗径系数值，见表4-10；
——上下游水位差，m。
4.1.2布置地下轮廓线
（1）上游铺盖
铺盖应有可靠的不透水性及一定的柔性，以适应地基变形，保证防渗作用。
铺盖长度可根据闸基的防渗需要确定，一般取上下游最大水位差的3～５倍，这里取14m厚度为0.6m。
纵断面图如下：
（2）闸底板长度为12m，厚度为1m，采用钢筋混凝土结构。
底板上下游设齿墙，高度为0.5m。
（3板桩的长度为3.5m
因为闸基处的土质为中细砂夹粉土，故由表4-10可知C=8，
所以闸基防渗长度满足防渗要求
地下轮廓线布置示意图如下:
地下轮廓线布置图
表4-10允许渗径系数值C
排水条件
地基类别
粉砂
细砂
中砂
粗砂
中砾
细砾
粗砾
夹卵石
轻粉质
砂壤土
轻砂
壤土
壤土
粘土
有滤层
13～９
９～７
７～５
５～４
４～３
３～２.5
11～7
9～5
5～3
3～2
无滤层
＿＿
＿＿
＿＿
＿＿
＿＿
＿＿
＿＿
＿＿
7～4
4～3
4.2渗透压力计算
用直线比例法计算闸底板下的渗透压力
5.0闸室抗滑稳定分析
5.1荷载计算
闸身自重
附言（参考文献）
1、工作桥及排架的设计参见灌区水工建筑物丛书；《水闸》第五章第五节。
2、交通桥的设计参见课本第八章第四节《桥梁》；
3、目前使用的《水工建筑物》教科书；
4、灌区水工建筑物丛书《水闸》，我校书号;
5、灌区水工建筑物丛书《闸门与启闭机》，我校书号
6、水力学教科书；
7、谈松溪《水闸设计》。
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