1、1水 闸 设 计 说 明 书SLUICE DESIGN SPECIFICATION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2目 录一、设计任务 -1二、 设计基本资料 -12.1 概述 -12.1.1 防洪 -12.1.2 灌溉 -12.1.3 引水冲淤 -22.2 规划数据 -22.2.1 孔口设计水位、流量 -22.2.2 闸室稳定计算水位组合 -22.2.3 消能防冲设计水位组合 -22.3 地质资料 -22.3.2 闸基土工试验资料 -32.4 闸的设计标准 -332.5 其它有关资料 -32.5.1
2、 闸上交通 -32.5.2 三材 -42.5.3 地震资料 -42.5.4 风速资料 -4三、 枢纽布置 -43.1 防沙设施 -43.2 引水渠的布置 -43.3 进水闸布置 -43.3.1 闸室段布置 -43.3.2 上游连接段布置 -53.3.3 下游连接段布置 -5四、水力计算 -54.1 闸孔设计 -54.1.1 闸室结构形式 -54.1.2 堰型选择及堰顶高程的确定 -64.1.3 孔口尺寸的确定 -64.2 消能防冲设计 -84.2.1 消力池的设计 -84.2.2 海漫的设计 -104.2.3 防冲槽的设计 -104五、防渗排水设计 -115.1 地下轮廓设计 -115.1.1
3、 底板 -115.1.2 铺盖 -115.1.3 侧向防渗 -115.1.4 排水、止水 -125.1.5 防渗长度验算 -125.2 渗流计算 -125.2.1 地下轮廓线的简化 -125.2.2 确定地基的有效深度 -135.2.3 渗流区域的分段和阻力系数的计算 -135.2.4 渗透压力计算： -145.2.5 抗渗稳定验算 -16六、 闸室布置与稳定计算 -176.1 闸室结构布置 -166.1.1 底板 -176.1.2 闸墩 -176.1.3 胸墙 -176.1.4 工作桥 -176.1.5 检修便桥 -186.1.6 交通桥 -186.2 闸室稳定计算 -1956.2.1 荷载
4、计算 -196.2.2 稳定计算 -25七、 闸室结构设计 -277.1 闸墩设计 -277.2 底板结构计算 -287.2.1 闸基的地基反力计算 -287.2.2 不平衡剪力及剪力分配 -307.2.3 板条上荷载的计算 -317.2.4 弯矩计算 -327.2.5 配筋计算 -367.2.6 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 -401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
5、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2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
6、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 0.5 350.0 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，
7、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（m 3/s）0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0H 下（m）7.0 7.20 7.38 7.54 7.66 7.74 7.7842.3 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
8、-1 闸基土层分布层序 高程（m） 土质情况标准贯入击数（击） 11.752.40 重粉质壤土 913 2.400.7 散粉质壤土 8 0.7-16.7坚硬粉质粘土（局部含铁锰结核）15212.3.2 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 =190，凝聚力C=60.0Kpa；天然孔隙比 e=0.69，天然容重 =20.3KN/m3，比重 G=2.74，变形模量 E0=4.0104KPa；建闸所用回填土为砂壤土，其内摩擦角 =260，凝聚力 C=0，天然容重 =18KN/m3；混凝土的弹性模量 Eh=2.3107KPa。 2.4 闸的设计标准根据水闸设计规范SL
9、265-2001，兴化闸按级建筑物设计。 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。510.0 15.0 450.0 15.0 10.0 110.0 2 2 10.0 15.0 55.0 70.0 45.0 137.50 45.0 137.50 45.0 70.0 550.0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
10、 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。63.1 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 - 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
11、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
12、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75.29，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 4.8m7.8m。启闭设备选用 QPQ-225 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
13、。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:
14、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
15、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。84、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 10.3m10.7m,而泄水时上游水位为 7.44m7.83m,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
16、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 /s3上游行近流速 V0=Q/AA=(b+mH)H=(50+27.
17、33)7.33=473.96m2V=300/473.96=0.633 sm3H0=H+V0 /2g (取 =1.0)2=7.33+0.6332/29.8=7.35m hS /h0=7.28/7.4=0.990.8,故属淹没出流。查 SL265-2001 表 A01-2，淹没系数 S=0.369由宽顶堰淹没出流公式 2300HgBmQs对无坎宽顶堰，取 m=0.385，假设侧收缩系数 =0.96，则)(23001s= =25.54m2）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 sm3上游行近流速 V0=Q/AA=(b+m
18、H)H=(50+26.94)6.94=443.3 sm3V =Q/A=100/443.3=0.23m/s0.8, 故属淹没出流。查 SL265-2001 表 A01-2，得淹没系数 s=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，B02L，满足要求。2）绕流防渗长度。必须的防渗长度为L=C H 16H=3.7m,C=7（回填土为砂土，且无反滤） ，因此 L=25.9m实际防渗长度= +16=36.7mL15cos20L,满足防渗要求L其地下轮廓布置见下图 5-1-1：图 5-1-1 地下轮廓布置 （单位：m）5.2 渗流计算采
19、用改进阻力系数法进行渗流计算。5.2.1 地下轮廓线的简化为了便于计算，将复杂的地下轮廓进行简化。由于铺盖头部及底板上下游两端的齿墙均浅，简化后的形式如下图 5-2-1：图 5-2-1 地下轮廓简化图 （单位：m）5.2.2 确定地基的有效深度根据钻探资料，闸基透水层深度很大。故在渗流计算中必须取一有效深度，代替实际深度。17由地下轮廓线简化图知：地下轮廓的水平投影长度 L=16+20=36m;地下轮廓的垂直投影长度 S0=1.3m。 L0/ S0=36/1.3=27.75,故地基的有效深度 Te=0.5 L0=18 m(图 5-2-1)。5.2.3 渗流区域的分段和阻力系数的计算过地下轮廓的
20、角点、尖点，将渗流区域分成十个典型段。1、8 段为进出口段，3、6 、二段为内部水平段， 2、4、5、7 则为内部垂直段。表 5-2-1 各流段阻力系数为 流段 阻力系数为 段号 S T 1 0.4 17.9 0446进口段和出口段=1.5（ ） +0.441TS2/38 0.5 17.4 0.4482 0.5 18.0 00284 1.1 18.0 00615 0.5 17.4 0029内部垂直段 = lnctg (1- )24 TS7 0.5 17.4 00293 S1=0.5S2=1.1T=18.0L=20.01.049内部水平段 = TSL)(7.0216S1=0.5S2=0.5T=1
21、7.4L=16.00.879则 = =2.96981i i5.2.4 渗透压力计算：1）设计洪水位时：H=10.3-7.0=3.3m。根据水流的连续条件，经过各流段的单宽渗流流量均应相等。18a）任一流段的水头损失 h = ,则iHih1 =0.50m h2 =0.03m h3 =1.16m h4 =0.07m h5 =0.03m h6 =0.98m h7 =0.03m h8 =0.50m b）进出口段进行必要的修正：进出口修正系数 为1=1.21- 1)059.(2)(1TST=18.0m T=17.9m S=0.4m则 =0.340，表示闸门不能靠自重关闭，需加压 10kN 重块帮助关闭。
22、则闸门自重为 G=200+10=210KN 根据计算所需的启门力 FQ=376.4kN，初选双调点手摇电动两用卷扬式启闭机（上海重型机械厂产品）QPQ-225。其机架外轮廓宽J=1962mm。232）工作桥的尺寸及构造。 （见图 6-1-2）工作桥的宽度不仅要满足启闭机布置的要求，且两侧应留有足够的操作宽度。B=启闭机宽度+2栏杆柱宽+2 栏杆外富裕宽度1.962+20.8+20.15+20.05=3.962m。故取工作桥净宽 4.0m。工作桥为板梁式结构。预制装配。两根主梁高0.8m，宽 0.35m，中间活动铺板厚 6cm。为了保证启闭机的机脚螺栓安置在主梁上，主梁间的净距为 1.5m。在启
23、闭机机脚处螺栓处设两根横梁。其宽 30cm，高50cm。工作桥设在实体排架上，排架的厚度即闸墩门槽处的颈厚为 50cm，排架顺水方向的宽度为 2.3m。排架的高程为：胸墙壁底缘高程+门高+富裕高度=8.1+7.8+0.6=16.5m。在工作桥的下游侧布置公路桥，桥身结构为钢筋混凝土板梁结构，桥面总宽为 4.0m。6.1.5 检修便桥为了便于检修、观测、在检修门槽处设置有检修便桥。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辆。梁高 40cm，宽 25cm。梁中间铺设厚 6cm 的钢筋混凝土板。6.1.6 交通桥在工作桥饿下游侧布置公路桥，桥身结构为钢筋混凝土板梁结构，桥面总宽
24、5.5m。其结构构造及尺寸见本章第一节。6.2 闸室稳定计算 取中间的一个独立的闸室单元分析，闸室结构布置见图 6-2-1：24图 6-2-1 闸室结构布置图 （单位：m）6.2.1 荷载计算1）完建期的荷载.完建期的荷载主要包括闸地板重力 G1、闸墩重力 G2、闸门重力 G3、胸墙壁重力 G4、工作桥及启闭机设备重力 G5、公路桥重力 G6 和检修便桥重力 G7、取混凝土、钢筋混凝土的容重为 25KN/m3。底板重力为：G1=161.012.225+1/2（1+1.5 ）0.512.2252=5261.3KN闸墩重力：每个中墩重G2=（0.53.140.55211.325）+（0.53.14
25、0.5528.025 ）+(4.21.111.325)+(2.31.111.325)+（2.34.725）25+（8.41.1825）+（30.670.71.825）+（4.70.70.725）-(20.30.211.325)-(20.30.611.325)=4217.6KN每个闸室单元有两个中墩，则：G 2=2G2=8435.2KN闸门重力为：G 3=2002=400.0KN胸墙重力为：G 4=0.30.51025+0.40.81025+0.2(3.7-0.4-0.3)1025=267.5KN 工作桥及启闭机设备重力如下工作桥重力：G 5=20.920.3512.225+0.5(0.08+0.12)0.912.2225+0.150.1212.2225+0.061.312.225=286.1KN考虑到栏杆及横梁重力等，取: G5=350.0KNQPQ 启闭机机身重 40.7KN 混凝土及电机重，每台启闭机重 48.0KN,启闭机重力G 5=248.0KN=96.0KNG5= G 5+ G 5=350.0+96.0=446KN公路桥重力:公路桥每米重约 80KN,考虑到栏杆重,则公路桥重为:G6=8012.2+50=1026.0KN检修便桥重力：G 7=0.250.410.0252+0.061.51025=72.5KN考虑到栏杆及横梁重力等，取: G7=135.0KN
