(水闸设计)33解读.doc

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1、水闸设计11总论1.1 概述(3)1.2基本资料(3)1.3工程综合说明书 (5)2水力计算2.1闸室的结构型式及孔口尺寸的确定 (6)2.2消能防冲设计(7)3水闸防渗及排水设计3.1闸底轮廓布置 (10)3.2防渗和排水设计及渗透压力计算 (10)3.3防身排水设施和细部构造 (12)4闸室布置4.1闸底板、闸墩(12)4.2工作桥、公路桥、检修便桥 (12)4.3闸门和启闭机 (12)4.4闸室的分缝和止水设备(13)5闸室的稳定计算5.1荷载及其组合 (13)5.2地基应力计算(16)5.3 闸室稳定验算 (17)6上下游连接建筑物6.1上游连接建筑物 (17)6.2下游连接建筑物 (

2、17)附录公式(19)1总论1.1概述所谓水闸就是主要利用闸门挡水和泄水的中低水头水工建筑物。水 闸，按其所承担的主要任务，可分为：节制闸、进水闸、冲沙闸、分洪闸、挡潮闸、排水闸等。按闸室的结构形式，可分为：开敞式、 胸墙式和涵洞式。开敞式水闸当闸门全开时过闸水流通畅，适用于有 泄洪、排冰、过木或排漂浮物等任务要求的水闸，节制闸、分洪闸常 用这种形式。胸墙式水闸和涵洞式水闸，适用于闸上水位变幅较大或 挡水位高于闸孔设计水位，即闸的孔径按低水位通过设计流量进行设 计的情况。胸墙式的闸室结构与开敞式基本相同，为了减少闸门和工 作桥的高度或为控制下泄单宽流量而设胸墙代替部分闸门挡水，挡潮 闸、进水闸

3、、泄水闸常用这种形式。1.2基本资料一、工程概况及拦河闸的任务某拦河闸闸址以上流域面积 2234平方公里，流域内耕地面积288 万亩，河流平均纵坡1:6200。本工程属三级建筑物。本工程投入使用后，在正常高水位时，可蓄水2230万立米。上游5个县25个乡已建成提灌站42处，有效灌溉面积25万亩。闸上游开 南、北两渠，配支干23条，修建各种建筑物1230座，可自流灌溉下 游三县21万农田，效益巨大，是解决某河流域农田的灌溉动脉，同 时，也是解决地区浅层地下贫水区的重要水源。二、地质资料（一）根据地质钻探资料，闸址附近地层中粉质粘土，厚度约 25m,其下为不透水层，其物理力学性质如下：1、湿重度

4、r 湿=20.0KN/m3土壤干重度r干=16.0KN/m3饱和重度r饱=22.0KN/m3浮重度r浮=10.0KN/m32、自然含水量时，内摩擦角 =23 饱和含水时，内摩擦角 =20土壤凝聚力C=0.1KN/m23、地基允许承载力d=150KN/m24、混凝土，砌石与土基摩擦系数 f=0.365、地基应力的不均匀系数n =1.5-2.06、渗透系数 K=9.29 x 103cm/s（二）本地区地震烈度为6以下三、建筑材料1、石料：本工程位于平原地区、山丘少，石料需从外地供给，距 京广线很近，交通条件较好。2、粘土：经调查本地区附近有较丰富的粘土材料。3、闸址处有足够多的沙料 四、水文气象（

5、一）气温：本地区年最高气温 42,最低气温为-18。（二）风速：最大风速 V=20m/s，吹程D=0.6公里（三）降雨量：非汛期（1-6月及10-12月）九个月最大流量为 130m3/s年平均最大流量Q=36.1m3/s，最大年径流总量为9.25亿米3 年平均最小流量Q=15.6m3/s，最小年径流总量为0.42亿米3（四）冰冻：颍河流域冰冻时间短，冻土很薄，不影响施工。（五）上下游河道断面3糙率：河床0.0225 滩地0.03=阴D / 0.8故为淹没出流宽顶堰淹没出流的公式为：Bo=Q .(2-1-1)Uchsj2g(H。-hs)Uc=0.877+(hs/Ho - 0.65)2=0.877

6、+(7.43/7.72 - 0.65)2=0.9731144.45Bo=69m0.973汉7.43 汇 J19.60.8故为淹没出流Uc=0.877+(8.9/9.26-0.65f=0.9731642.35Bo=:=74.57m0.973 父 8.9 江 U19.6 汇(9.238.9)Bo取大值，故Bo=74.57 m(3) 孔数及孔宽确定：取校核可知：Bo=b n=14.5 5=72.57(4) 复核过闸流量：Q= uh j2g(H -hs)汉Bo=1596.71m?/s(2-1-2)(2-1-3)满足要求 Q实- Q校2.2消能防冲设计沢100 % = 2.8% 5%(1) 消力池的池深

7、由 Q J； be.2g(H。二hc)二 be. 2g(H。二hc).(2-2-1)可得流量：分别计算当开度e=1,e=2,e=3,e=3.2的流量当 e=1 时，H=61-51.92=9.08m,b=72.5, = 0.975,B=79.9m由e/H=1/9.08=0.110.65,故为闸孔出流。查水力学表 8-1得垂直收缩系数=0.616，流量系数 ；=0.975 0.616 =0.601，.(2-2-2)hc= e=0.601 1=0.601(2-2-3) 取 Ho二H,则：Q = fbe 2g(H0二 1%) =0.601 72.5 119.6 (9.08 -0.616) =561.5

8、m3/s根据初步计算的流量，求行进流速V0=Q/BH=561.5/79.9 9.08=0.77m/s则 Ho二H+V2/2g=9.11m,Q=562.49m7s按式 Q = fbe 2gH。，% =0.6-0.181上-0.58，取 Ho=9.08,HQ = %be、2gH。=561.25m3/s,v。二Q/BH=561.25/79.9 9.08=0.77m/s则 Ho二H+Vo2/2g=9.11m,Q=562.18m7s,基本结果相同当不同开度时如下表9.1l = 0.23m,取系数& =0.15,e-/ *:233.2所以有厚度t = kztzr -nn* 、,、r/ r 、 、 、 r.

9、 u1和心也16 015汉 P 20.0镜J0.23=0.4 0.6270.628恢 底A-3.为56m前后等 为o呈梅花型布厚，在0消力池底罟 孔内填砂板的后半部6分设排*水孔703.87扌消力H池与底)板连接为20呈梅花型布三处留宽为仆j置，1丿2填砂的平台 以便更好碎石。1.88匸地促成闸水、流2.01消丿Ji池 J底板连接hc (m)必留3.一宽为1m口，十台，C以便更好丄地促5 79闸水流l在水中产生水跃hs(m)8.99.029.149.17水面连接方 式淹没式水跃淹没式水跃淹没式水跃淹没式水跃由表可知，跃后水深hc 均小于下游水深，出闸水流故均为淹没式水 跃，可不建消力池，但为稳

10、定水跃，需按构造设计消力池，故消力池 深 d=0.5m。(2) 消力池的长度:(2-2-4)以校核洪水泄流量Q = 1642.35(m3/s可知；作为确定消力池长度计 算流量 而 To = H0 d = 9.34 0.5 =9.84( m)2 2q20.56(2-2-6)设22 二 22.69；2g 毋22 7.8 7.952jhLa(应To _To所以hc二=1.79m(2-2-7)8q2ghc3得；水跃长度 Lj =6.9 he - he =6.9 6.12-1.79 匚29.9(22-9)消力池与闸底板以、1：的斜坡段相连，所以有Ls = 0.5X = 2m；则消力池长度 有3消力池底板

11、厚度计算x 29.99 = 25.99m生26m。有；hc晋-1 =6.12m(2-2-8)(2-2-10)210#(2-2-11)#(4)海漫设计(2-2-12)长使度用厚度为40cm的块石材料，前42135m采用浆砌石，后17m采用干 砌石度1浆砌石海漫上设排水孔，干砌石海漫上设浆砌块石埂,断面尺 寸粉质粘0土取假0cm故底部2铺设15cm厚的砂砾垫层。(5) 防冲槽设计海漫末端的可能防冲刷深度d=1.1 y- t 1.1 18.63 -10 一9.仃二 一0.54 :： 0(2-2-12)V。1.1dL满足要求3.2防渗和排水设计及渗透压力计算(1) 地下轮廓线简化(见设计图纸)(2)

12、确定地基有效深度：由地下轮廓线简化图知，地下轮廓的水平投影长度L=27.2+20.4=47.6m地下轮廓线垂直投影长度 S0=51.92- 47.92=4 m L。/ S0=47.6/4=11.9755 m故地基的有效深度Te=0.5 Lo=23.8m(3) 渗流区域的分段和阻力系数的计算，过地下轮廓的角点、尖点将 渗流区域分成八个典型段(I、VIII段为进出口段，II IV V VII四 段为内部垂直段，III VI为内部水平段。)进口段阻力系数为 z I =1.5 (s/t) 3/2+0.441=0.45内部垂直段阻力系数为 内部水平段阻力系数为 内部垂直段阻力系数为 内部垂直段阻力系数为

13、 内部水平段阻力系数为 内部垂直段阻力系数为Z II =2/ n In (cot n /4(1-0.5/23.5)=0.176Z III = (L-0.7 (0.5+3.5) /23.5=0.75Z Iv =2/ n In (cot n /4(1-3.5/23.5)=0.18Z v =2/ n In (cot n /4(1-2/2.8)=0.178Z vI = (L-0.7 (2+2) /21.8=1.12Z vII=2/ n In (cot n /4(1-2/21.8)=0.178出口段 Z VIII=1.5 (1.2/22.1) 3/2+0.441=0.46(4) 计算渗透压力1)各段水头

14、损失的计算情况 ii 4nH =6.8 且-=3.49 则i 4hm=1.46m hVi= 2.18mhi=0.87mhii=0.34mhiv=0.35mhv=0.35mhvii =0.35mhviii =0.9m2)进出口段损失的修正进口段修正系数0.5：1,应修正,进口段的水头损失修正量为h= hl =0.5 0.87=0.435修正量应转移到相邻各段，则 hn =0.34+0.34=0.68hm=1.46+ (0.435-0.34)=1.555同样对出口段损失的修正进口段修正系数为:2=1.21-(1/12(T/T+2) S/T+0.059 )=0.721.0应修正，进口段的水头损失修正

15、为 hViii = - 2hViii =0.648 修正量厶h 二 0.9 - 0.648 二 6.8hVii =0.35+ 0.252=0.602验算 H 八 h =0.435 0.68 1.555 0.35 0.35 2.18 0.602 0.648 二 6.8m(3) 计算各角偶点的渗压水头：由上游进口段开始，逐渐向下游从总水头 6.8m相继减去各分段水头损 失值，即可求得各角点的渗压水头值。H1=6.8mH2 =6.365mH3=5.685mH4=4.13mH5= 3.78mH6 =3.43mH7=1.25m=0.648mHg=0(4) 作出渗透压力水头分布图：如图所示(5) 闸底板水

16、平段的平均渗透坡降和出口处的平均出逸坡降: 闸底板水平段的平均渗透坡降 JX=4.13/27.2=0.152【JxJ =0.52不产生 流土，渗流出口处的平均出逸坡 Jo=O.648/1.2=O.54 J0=1.3 0.7=0.91 不产生接触冲刷，所以闸基防渗满足稳定要求3.3防渗排水设施和细部构造（见图纸）4闸室布置4.1闸底板、闸墩（1）闸底板：底板长度为27.2m，厚度为2m。闸墩：长与底版同长，高度10m即闸墩高程为61.92m 闸墩上设门槽（检修门槽、工作门槽），检修门槽设于上游，槽深0.2m，宽0.2m。工作门槽深0.4m，宽0.5m。闸墩上下游头部均为半圆形，中墩 R=0.75

17、m,边墩R=0.5m,缝墩R=0.55m 4.2工作桥、交通桥、检修便桥（1）工作桥：工作桥的宽度不仅满足启闭机布置要求，且两侧应留有足 够的操作宽度。B=启闭机宽度+2操作宽度+2栏杆宽度+2栏杆外宽度=2.178+2 0.8+2 0.15+2 0.05=4.178m取工作桥净宽为 4.2m,工作桥 为板梁式结构，预制装配。两根主梁高 0.8m,宽0.4m,中间活动铺板厚6cm结构如设计图，为了保证启闭机的机脚螺栓安置于主梁上，主梁 间距为1.6m，在启闭机脚螺栓处，设两根横梁，横梁高30cm,高50cm工作桥设在实体排架上，排架的厚度为闸墩门槽处的颈厚 50cm, 排架顺水流方向的宽度为2

18、.3m，排架顶部高程二闸墩高程+门高+富裕 高度=61.9+10+0.6=72.5（2）检修便桥：为方便检修，观测在检修门槽处设置检修便桥，桥宽1.5m,桥身结构仅为两根嵌置于闸墩内的钢筋混凝土简支梁。梁高40cm,宽25cm梁中间铺设厚6cm的钢筋混凝土板。（3） 交通桥：宽6m，其中人行道宽1m，两边设栏杆混凝土路面。4.3闸门和启闭机根据工程可知：选择平面闸门，其尺寸与孔口尺寸加门槽尺寸，顶部 应与最高档水位的0.4m启闭机采用QP-40式启闭机。4.4闸室的分缝和止水 分缝：整体式底板的温度沉降缝设在闸墩中间，2孔或3孔成为一个 独立单元。为避免相邻结构由于荷重相差悬殊产生不均匀沉降，

19、也要 设缝分开，如铺盖与底板、消力池与底板、以及铺盖、消力池与翼墙 等连接处都要分别设缝。此外，混凝土铺盖及消力池本身也需设缝分 段、分块。止水：闸墩中间，边墩与翼墙间及上游翼墙本身设置铅直止水；铺 盖、消力池与底版和翼墙、底板与闸墩间以及混凝土铺盖及消力池本 身设置水平止水。5闸室的稳定计算5.1荷载及其组合取中间一个独立的闸室单元进行分析，闸室结构布置见设计图纸。1荷载(1)完建期的荷载。完建期的荷载主要包括闸底板重力 G1、闸墩重 力G2、闸门重力G3、工作桥重力和启闭机设备重力 G4、公路桥重力 G5和检修桥重力G6。取混凝土、钢筋混凝土的容重为 25KN/m3。 底板重力为G1=27

20、.2X 2X 31.2X 24+ 1/2 (3+1.5)X 2X 31.2X 24X 2=47474KN 闸墩重力：每个闸墩重G2= 1/2X 3.14X 0.82 X 9.78X 24X 2+( 9.2-0.8)x 1.6X 9.78X 24-2X 2 X 0.2X 9.78X 24-2X 0.3X 0.6X 9.78X24 + 3X 0.5X 9.78X 24+14X 1.6X 9.78X 24 + 3X 0.77X 0.82X 24 + 0.82X( 9.2- 0.8)X 24=10458.9KN 每个闸室单元有两个闸墩，则G2=G2X 2=10458.9X 2=20917.8KN 闸门

21、重力G3G3=230X 2=460KN 工作桥及启闭机设备重力工作桥重力 G4=2 X 0.92X 0.35X 30.4X 25+ 1/2X( 0.08+ 0.12)X0.9X 30.4X 2X 25+ 0.15X 0.12X 30.4X 2X 25+ 0.06X 1.3X 30.4X 25=489.44+ 136.8 + 27.36 + 59.28=702.4KN考虑到栏杆及横梁重力等取G5 =750KN QP-40启闭机机身重32.1KN，考虑到机架混凝土及电机重，每台启 闭机重40KN，启闭机重力：G5 =2X 40=80KNG5= G5 + G5 =830KN 公路桥重力：公路桥每米重

22、约 80KN，考虑到栏杆重，则公路桥重为G6=80X 31.2 + 50=2546KN 检修便桥重力G7=250KN完建情况下作用荷载和力矩计算见水闸稳定计算表完建情况下作用荷载和力矩计算表（对底板上游端B点求矩）部位重力（KN力臂（m力矩/底板4747413.6654646.4闸墩(1)471.60.4188.64(2)625.310.465031.2(3)2788.410.729835.28(4)1086.218195519.6(5)471.626.812638.88闸门46010.74922工作桥75010.78025启闭机8010.7856公路桥25461845828检修便桥2502.

23、9725合计72477.8370026.6（2）校核洪水情况下的荷载。在校核洪水位情况时的荷载与设计洪水 位情况下相似，所不同的是浪压力、水压力、扬压力。 闸室内水的重力W1=9.08X 8.903X 28X 9.81 + 8.9X 10.097X 28X 9.81=66445.8KN 水平水压力P1 = 1/2X9.282X 9.81 X31.2=13179.2KN (宀)P2=1/2X( 7.73X 9.81 + 9.05X 9.81)X 3.8X 31.2=9758.2KN ()P3=1/2X102X 9.81X 31.2=15303.6KN ()P4=1/2X( 10+ 12.9)X

24、9.81X 2.9X 31.2=10163.1KN () 浮托力F=10.9X9.81 X27.2X 31.2 + 2X 1/2X( 3+ 1.5)X 2X 9.81X31.2=93498.9KN (f)渗透压力U=0.3X 9.81X 27.2X 31.2 + 1/2X 2X( 3+ 1.5)X 9.81 X 31.2=95739KN(f)校核洪水位情况下的荷载和力矩计算见图3、表3校核洪水位下荷载、力矩计算表校核洪水位下荷载、力矩计算表（对B点求矩）何载名称竖向力（KN水平力（KN力臂（m力矩（kn m备注f/闸室结构 重力72477.85.1370026.6上游水压 力13179.23.

25、0940723.79758.21.918540.6下游水压 力15303.63.335096110163.11.4514736.5浮托力93498.913.61271585渗透压力2497.513.63396.67076.49.0764182.9水重力22204.94.55101032.3:44240.917.85789702.1合计138923.6103072.822937.425466.71320022.211435431.435850.8 (；)2529.3 ()115408.8 ( )195.2地基应力计算（1）完建期 闸室基底压力计算由表 1 可知，艺G=72477.8KN, 艺 M

26、=370026.6KN m,另外,B=27.2m, A=27.2 X 31.2=848.64m2,则B M 27.2 370026.6e495m2 G 272477.3P max =二6旦）=22（! 8495） =245.44kpa （下游端）min ab 848.6427.2-74.63kpa （上游端）地基承载力验算P=85.4KN/m2vK地基承载力满足要求。不均匀系数为闸室基底应力最大值与最小值之比应小于允许值。n =Pmax/Pmin=-3.29n =2.5满足要求（2）校核洪水位情况。闸室基底压力计算。由表可知，艺G=35850.8kN,艺M=115408KN m,艺 H=252

27、9.3KN，贝卩27.2 115408.8 “e10.38m （偏上游）235850.8P max 二 35850.8（1 6 1038）=138.97kpa （下游端）min848.64 （ -27.2-54.48kpa （上游端）地基承载力验算P=1/2138.97+ （-54.48） =84.49kpak地基承载力满足要求不均匀系数为闸室基底应力最大值与最小值之比应小于允许值。n 二Pmax/Pmin=138.97/-54.486=-2.559! t* 1*5 C t n：K下片管域22附录：公式(一)消力池计算h消力池深度计算(1)收缩水採可按下式计算*2（附 23）2卿式中h3收缩水

28、操* m：Ta总第能，m；q过闸单宽流量，m2/(s - m)；d水流动陡校正系数，可采用1,0-1.05；0流速系数一般采用0.95,2)麻后水深可按下式计算：23#（附 Z4）#2. 消力池长度计算：(1) 水跃长度可按下式计算：（附 2.7）Lj =6*9(朋一耳) 式中 Lj水跌长度nu(2) 消力池长度可按下式计算：屯=Av +叫 式屮5_消力池长度，厶消力池斜坡段投彩长度，m：0水跃长度校正系数，可采用M0&3. 消力池底板厚度计算： 棍据抗冲要求，消力池底板始端厚度可按下式计算：1 =知 Jg J A/T式中t消力池底板厚度，gW泄水时的上、下游水位差* m；斯一消力池底板计算系

29、数可采用0J75-O.20,t消力池末端厚度，可采用亍。（二）海漫长度计算（附 241）lp =忍（适用范围为Jb似更=19）式中 LP晦漫长度，m；消力池末端单宽SlU;- * m）；海漫长度计算系数，可杳附表2.九2”分段阻力系数的计算：进、出口段附图3何）的阻力系数可按下式计算:（附:M）25#式中进、出口段的阻力系数：S板桩或齿墙的入十深度,m；T地基透水层深度，m,（2）内部垂直段附图3JW）的阻力系数可按下式计算：#（附工3）26#式中内部垂直段的阴力系数n#0）水平段附图3.1（e）的阻力系数可按下式计算:27#（附 3.4）#式中 水平段的祖力系数；g 旳进口段和出口段板桩或齿墙的入土深度，m.3.各分段水头损央值的计算和渗透压力图形的绘制； 各分段的水头损失值可按下式计算：*】二 6 #2 = 2 山九 一 千附和i=li=li=l以宜线连接各分段计算点的水头直，即得渗透压力图。式中耐,s如一各分段的水头损失值，m：41,自.乩各分段的阻力系数；一第f段的阻力系数比进、出口段水头损失值和渗透压力图形的局部修正： 进、出口段水头损失值可按下式修正：附 M6）附=0如式中h0按公式（附3+5）计算的水头损失值，tn；甸一正后的水头损失值，m；优阻力修正系数附图3.2）,可按下式计算：5.出口段燼流坡降值的计算*（附 3.1$）$式中J出口段灌流坡降值。28