水闸设计

2. 拟定闸孔尺寸及闸墩厚度：
表3-1上游水头计算
流量Q（m3/s）
下游水深hs（m）
上游水深H（m）
过水断面积（m2）
行近流速（m3/s）
上游水头H0（m）
设计流量100
6.0
6.10
102
0.65
0.023
5.12
校核流量170
0
6.50
102
1.1
0.063
5.56
按照闸门总净宽计算公式(3-2)，根据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算如下表。其中 为堰流侧收缩系数，取0.96； 为堰流流量系数，取0.385。
表3-2闸孔总净宽计算表
流量Q（m3/s）
下游水深hs（m）
上游水头
H0（m）
淹没系数
（m）
设计流量100
5.0
5.12
0.98
0.47
11.212
校核流量170
5.0
5.56
0.90
0.83
9.54
根据《闸门设计规范》中闸孔尺寸和水头系列标准，选定单孔净宽b=4m.同时为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用3孔，闸孔总宽度为：
（4）厚度 根据前边设计已知闸底板厚度为1.2m
2、闸墩设计
（1）作用 分隔闸孔并支承闸门、工作桥等上部结构，使水流顺利的通过闸室。
（2）外形轮廓 应能满足过闸水流平顺、侧向收缩小的，过流能力大的要求。上游墩头采用半圆形，下游墩头采用矩形墩。其长度采用与底板同长，为30m。
（3）厚度 为中墩1.2m，边墩1.0m。平面闸门的门槽尺寸应根据闸门的尺寸确定，检修门槽深0.2m,宽0.3m,主门槽深2.5m,宽0.8m。检修门槽与工作门槽之间留2.0m的净距，以便于工作人员检修。
=6.1+0.7=6.8m；
3） =正常挡水位时水深+
=5+0.68+0.4=6.08m。
4)H墩=最高挡水位+Δh
=6+0.68+0.4=7.08
闸门高度=最高水深+安全超高=5.5+0.5=6m。闸门顶部高为7m。
3.工作桥高程及尺寸：
1+6x2+2=15m,宽取3.6m。
4.交通桥高程：宽取6m，其中人行道宽1m，高程与堤坝高程齐平7.5m。
5
2.2
7.02
2.5
40
2、海漫构造
因为对海漫的要求为有一定的粗糙度以便进一步消除余能，有一定的透水性，有一定的柔性。所以选择在海漫的起始段为10米长的浆砌石水平段，因为浆砌石的抗冲性能较好，其顶面高程与护坦齐平。后30米做成坡度为1：15的干砌石段，以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。海漫厚度为0.6米，下面铺设15cm的砂垫层。
水利工程系
水闸课程设计
一．
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。枢纽建成后可灌溉农田5.5万亩。要求闸顶公路净宽4.5米。
（1）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100m3/s,相应上游水位为6.10米。校核流量为170m3/s,相应上游水位为6.50米。此水闸为3等3级建筑物。
5.闸室布置图：
六．闸室稳定计算：
(1):
1.闸墩自重：（2x12+2)x15x7.5x25=12375KN
2.闸底自重：（15+1.2x0.5)x20x25=7800KN
3.左边水平水压力：1/2x10x5x5x15=1875KN
4.右边水平水压力：1/2x10x1.2x1.2x15=108KN
5.左边垂直水压力：3.8x15x5x10=2850KN
湖 南 水 利 水 电 职 业 技 术 学 院
Hunan Technical College of Water Resources and Hydro Power
课程设计成果书
课题名称水闸设计
适用专业：水建专业
**Fra Baidu bibliotek****
专业班级：水建二班
******
设计开始日期：2014 年 6月 14 日
设计结束日期：2014 年 6 月 18 日
2、消力池池长
根据池深为0.5m，计算出相应的消力池长度为15.23ｍ。
3、消力池的构造
采用挖深式消力池。为了便于施工，消力池的底板做成等厚，为了降低底板下部的渗透压力，在水平底板的后半部设置排水孔，孔下铺设反滤层，排水孔孔径为10cm，间距为2m，呈梅花形布置。
根据抗冲要求，按式3-16计算消力池底板厚度。其中 为消力池底板计算系数，取0.2； 为确定池深时的过闸单宽流量； 为相应于单宽流量的上、下游水位差。
（3）.防冲槽设计
防冲槽先用宽浅式的深度t”=2，底宽b=4m,上游坡率m1=2,下游坡率m2=3。
四．防渗排水
（1）.闸底地下轮廓线的布置
1、防渗设计的目的
防止闸基渗透变形；减小闸基渗透压力；减少水量损失；合理选用地下轮廓尺寸。
2、布置原则
防渗设计一般采用防渗和排水相结合的原则，即在高水位侧采用铺盖、板桩、齿墙等防渗设施，用以延长渗径减小渗透坡降和闸底板下的渗透压力；在低水位侧设置排水设施，如面层排水、排水孔排水或减压井与下游连通，使地下渗水尽快排出，以减小渗透压力，并防止在渗流出口附近发生渗透变形。
2.76
4.55
1.5
0.615
88.86
0.94
3.01
5.11
通过计算，为了节省工程造价，防止消力池过深，对开启1孔开启高度为1.0米限开，得出开启1孔开启高度为1米为消力池的池深控制条件。
（1）.消力池尺寸及构造：
1、消力池深度计算
根据所选择的控制条件，估算池深为0.5m，式计算挖池后的收缩水深hc和相应的出池落差ΔZ及跃后水深hc″，验算水跃淹没系数符合在1.05～1.10之间的要求。
6.右边垂直水压力：7.4x15x1.2x10=1332KN
7.浮托力：（25x15+2.5x0.5)x20=7581KN
8.土重：20x10x0.5x(15-5)x20=500KN
4、校核地下轮廓线的长度
根据以上设计数据，实际的地下轮廓线布置长度应大于理论的地下轮廓线长度，通过校核，满足要求。
铺盖长度+闸底板长度=15+15=30m>25
(2).防渗计算
1.地基有效深度的计算:So=5+1.2=6.2m Lo=30+15=45m
Lo/So=45/6.2=7.26>5 Te=0.5Lo=0.5×45=22.5
设计情况符合规定小于5%的要求，所以过流能力满足引水灌溉的设计要求。
三.消能防冲
由于本闸位于平原地区，河床的抗冲刷能力较低，所以采用底流式消能。
设计水位或校核水位时闸门全开渲泄洪水，为淹没出流无需消能。闸前为正常高水位5.0m，部分闸门局部开启，只宣泄较小流量时，下流水位不高，闸下射流速度较大，才会出现严重的冲刷河床现象，需设置相应的消能设施。为了保证无论何种开启高度的情况下均能发生淹没式水跃消能，所以采用闸前水深H=5m，闸门局部开启情况，作为消能防冲设计的控制情况。
表3-6各段渗透压力水头损失
分段编号
分段名称
①
进口
—
1.5
0.5
22.5
—
0.51
0.99
0.99
②
水平
—
0.5
5
—
20
0.98
1.48
1.48
③
垂直
—
5
4.8
17
—
0.62
0.94
0.94
④
水平
—
4.8
0.5
16.3
14
0.63
0.95
0.95
⑤
水平
—
0
0
15.8
1
0.06
0.09
0.09
⑥
垂直
—
L=3×4+2×1.2=14.4m
由于闸基为软基河床，选用整体式底板，缝设在闸墩上，中墩厚1.2m
3.校核泄洪能力：
表3-3过流能力校核计算表
计算情况
堰上水头H0（m）
校核过流能力
设计流量100
5.12
0.98
0.47
0.95
119.73
0.3％
校核流量170
5.56
0.90
0.47
0.95
170
0.3％
消力池尺寸
备注
池深d
池长Ls
水跃长Lsj
1.0
0.615
21.27
0.62
2.76
2.7
0.5
15.23
17.664
1.5
0.615
29.62
0.94
3.01
3.1
0.5
0.615
11
0.3075
2.1
2.2
3
0.5
0.615
33
0.3075
2.1
3.695
淹没出流
1.0
0.615
63.81
0.62
（4）高度
hz=1.24h5％ gh/Vo2=0.0776Vo1/12(SD/Vo2）1/3 GD/Vo2=9.8x2000/112=136 h5％=0.476 hz=1.43h5％=1.43x0.476=0.68
1） =校核洪水位时水深+安全超高
=6.5+0.5=7m。
2） =设计洪水位时水深+安全超高
7.回填土料：闸底板下砂垫层C=0，ф=30°,r干=15KN/m3。两岸翼墙后回填土料C=0,ф=30°，r干=15KN/m3,r湿=15KN/m3,r饱=19KN/m3。
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，检修闸门可选叠梁门。启闭机用螺杆式或卷扬式固定启闭机。
为了降低工程造价，确保水闸安全运行，可以规定闸门的操作规程，本次设计按1、3孔对称方式开启，分别对不同开启孔数和开启度进行组合计算，找出消力池池深和池长的控制条件。计算结果列入表3-4。
表3-4消力池池深池长估算表
开启孔数n
开启高度
收缩系数
泄流量
Q
单宽流量
q
收缩水深hc
跃后水深 hc″
下游水深Hs
流态判别
分段阻力系数的计算。通过地下轮廓的各角点和尖端将渗流区域分成9个典型段，如图所示。其中1段为进出口段，计算阻力系数；3、6段为内部垂直段，用式(5)计算相应的阻力系数；2、4、5段为水平段，用式3-6计算相应的阻力系数。各典型段的水头损失用式(7)计算。结果列入（表3-11）中。 对于进出口段的阻力系数修正，计算结果如表3-6所示。
（3）防渗设备尺寸和构造。
1）闸底板顺水流方向长度根据公式(1)计算，根据闸基土质为中细砂夹粉土质壤土A取3.0。底板长度综合考虑上部结构布置及地基承载力等要求，确定为15m。
L底=3×5=15m
2）闸底板厚度为 m，实际取为1.5m。
3）铺盖长度根据（3 ~5）倍的上、下游水位差，确定为15m。铺盖厚度确定为：便于施工上游端取为0.7m，末端为1.0m以便和闸底板联接。为了防止水流冲刷及施工时破坏混凝土铺盖，在其上设置0.3cm厚的浆砌块石保护层，0.2cm厚的砂垫层。
二.闸孔设计
1.本工程主要任务是正常情况下拦河截水，以利灌溉，而当洪水来临时，开闸泄水，以保防洪安全。由于是建于平原河道上的拦河闸，应具有较大的超泄能力，并利于排除漂浮物，因此采用不设胸墙的开敞式水闸。
同时，由于河槽蓄水，闸前淤积对洪水位影响较大，为便于排出淤沙，闸底板高程应尽可能低。因此，采用无底坎平顶板宽顶堰，堰顶高程与河床同高，即闸底板高程为1.0m。
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。
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7.5米左右。
5.闸址持力层为中细砂夹粉土，地基承载力为80kN/m3
6.闸址附近多年平均最大风速为12m/s,沿水面从水闸上游面到对岸的最大垂直距离为2Km。
t=0.2√170√2.5=0.81m，取消力池底板的厚度 m。
(2).海漫设计
1、海漫长度计算
用公式（3-18）计算海漫长度结果列入表3-5。其中 为海漫长度计算系数，根据闸基土质为中细砂夹粉土质土则选12。取计算表中的大值，确定海漫长度为40m。
表3-5 海漫长度计算表
流量Q
上游水深
下游水深
q
170
0.5
—
16.3
—
0.03
0.05
2.05
⑦
出口
—
—
—
—
—
0.48
0.92
0.92
合计
3.31
H=5.42
H=5.42
2.计算各角点的渗透压力值。
用表3-1计算的各段的水头损失进行计算，总的水头差为正常挡水期的上、下游水头差5.42m。各段后角点渗压水头=该段前角点渗压水头—此段的水头损失值，结果：H1=5，H2=4.23，H3=2.75，H4=1.18，H5=0.86，H6=0.81，H7=0.72，H8=0。
（2）地下轮廓线布置
（1）闸基防渗长度的确定。根据公式(2)计算闸基理论防渗长度为25m。其中 为渗径系数，因为地基土质为中细砂夹粉土质壤土，查表取5。
L=5×5=25m
（2）防渗设备 由于闸基土质以砂性土为主，防渗设备采用钢筋混凝土铺盖，闸底板上、下游侧设置齿墙，为了避免破坏天然的砂土结构，宜设置板桩。
五．闸室布置
（1）底板和闸墩
1、闸底板的设计
（1）作用 闸底板是闸室的基础，承受闸室及上部结构的全部荷载，并较均匀地传给地基，还有防冲、防渗等作用。
（2）型式 常用的闸底板有平底板和钻孔灌注桩底板。由于在平原地区软基上修建水闸，采用整体式平底板，沉陷缝设在闸墩中间。
（3）长度 根据前边设计已知闸底板长度为30m。