水闸设计

水闸设计
设计题目：水闸设计
指导教师：何小梅、陈道英（老师）
班级：12 级水工 4 班
姓名：明智昊
学号：1 2 0 2 0 1 0 4 2 1
成绩：
前言
该闸为建筑在某平原河道上的一节制闸，主要是用来灌溉、防洪、排涝等。

排放水量通过该闸排到下游，所以该闸设计必须满足以上几方面的要求。

首先设计闸孔、闸门、闸底板等基础设施的尺寸，闸门宽为8.0m，高为6.7m，闸室总净宽45.0m。

在对以上建筑进行稳定验算使其满足有关规定的要求。

如不满足在进行修改，校核直到满足为止。

该工程主要设施有闸门、闸底板、消能设施、闸墩、工作桥、交通桥和挡土墙等。

在对闸底板进行配筋计算，选用单孔一联为研究对象，采用弹性地基梁法进行设计计算，求出所需配筋面积，最后进行挡土墙设计。

关键词
水闸：闸底板：地下轮廓线：闸室稳定：钢筋混凝土：浆砌石
目录
前言 (2)
第一章节制闸工程设计资料 (4)
第二章确定闸门、闸孔设计 (7)
第三章消能防冲设计 (11)
第四章防渗排水设计 (15)
第五章闸室布置 (22)
第六章连接建筑物 (24)
相关文献 (25)
课程总结报告 (26)
第一章节制闸工程设计资料
1.1 工程概况
某平原河道上拟建一节制闸，以抬高水位引水灌溉农田。

闸上游控制流积360K㎡，利用该闸控制水位可灌溉20万亩农田。

同时结合河道治理，要求满足除涝标准为5年一遇的排涝任务和20年一遇的排洪任务。

排放水量通过本闸排入下一级排水河道内。

1.2 规划资料
5年一遇规划设计除涝流量，Ｑ设＝230m3/s，水闸建成后相应闸下游水位为39.9ｍ，要求泄洪时闸上、下游允许水面壅高 ｈ≤0.1ｍ。

1.2.120年一遇洪水校核流量Ｑ校＝495m3/s，闸下游相应水位
41.8ｍ，要求建闸后泄洪时上、下游水面允许壅高Δｈ校
≤0.2ｍ。

1.2.2正常灌溉蓄水位为41.0ｍ。

1.2.3该河经治理后的下游河道水位流量关系见表1－1。

表1-1 河道水位流量关系
流量Ｑ（m3/s） 6.22 19.92 39.6 64.5 94.6 129.3 水深（ｍ）0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
1.3 闸址处地形情况
该河原河道过水断面较小，不能满足排涝和排洪要求。

根据规划要求，须奖原河道扩宽加深，经治理后闸址处河底高程
定为36.0ｍ，河道底扩宽为43.0ｍ，边坡1：2.5。

河两岸地面
平坦，河道在闸址上下游顺直。

1.4 闸址处地质资料
闸基为亚黏土，主要物理力学指标如下：
土壤湿重度19 ＫＮ／m3浮重度10ＫＮ／m3；
土壤内摩擦角φ＝16°，粘滞力C＝10ｋＰa；
地基允许承载力[σ]＝120ｋＰa；；
混凝土与地基的滑动摩擦系数ｆ＝0.25；
土壤的压缩模量Ｅ0=10Mpa。

1.5 天然建筑材料
石料：本闸地处平原，缺乏石料，需到距闸下120Kｍ的县办采石厂运料。

砂料：闸址以北的沙河中有丰富的沙源，运距仅5Kｍ，多为中，细砂。

砖：本地烧制有普通砖，但不能用于水下结构。

1.6 施工条件
闸址处对外交通比较方便，距省级公路仅4 Kｍ。

施工用水、电
充足。

在县城即可采购到工程所使用的钢筋、水泥、木材等。

1.7 其它资料
气温：闸址处历年平均气温14.5°C，最高7月份平均气温30°C，最低1月份
均气温－1.0°C风速：计算风速为19m/s，风向垂直闸轴线，吹程0.35Km。

水闸是一种低水头水工建筑物，具有挡水、泄水的双重作用，在水利工程中应用十分广泛。

其主要作用除了通过闸门的启闭控制闸门流量和调节水位外，还具有防止潮水倒灌以及汛期排泄洪水的功能。

水闸常常与其他水工建筑物组成水利枢纽，共同发挥作用，如与泵毡组成抽水枢纽、与水电站组成发电枢纽，与其他挡水建筑物组成水库枢纽等。

我设计的水闸类型为节制闸。

主要是为了排涝、防洪、灌溉等。

水闸由上游连接段、闸室、下游连接段三部分组成。

上游连接段的作用是将上游开水平顺地引进闸室，并具有防冲和防渗等作用；下游连接段的作用是引导过闸水流均匀扩散，通过消能防冲设施，以保证闸后水流不发生有害冲刷。

闸室段位于上下游连段之间，是水闸工程的主体，其作用是控制水位、调节流量
第二章 确定闸门、闸孔设计
2.1、闸孔型式的选择
本水闸为进水闸，引取流量不大，为简便起见，拟采用自由泄流的平底板结构。

为防止泥沙入渠，底板高程宜高于渠道底高程。

设计采用宽顶堰，堰顶高程为▽堰=36m
2.2、闸孔尺寸确定
2.2.1计算闸孔总净宽B c 闸孔总净宽计算：230
2H
g m Q
B c σε=
Q —设计流量，m3/s ； Bc —闸孔总净宽，m ；
H 0—计入行进流速水头在内的堰顶水头，m ； б—淹没系数， ε—侧收缩系数， m —流量系数
g —重力加速度，m/s 2。

(1)淹没系数σ： 根据 o
s H h 此值判定淹没度，查表得相应σ
当 o s H h ≤0.8时,为自由出流σ=1.0 当
o
s H h >0.8时，为淹没出流，查表求σ值。

上式中， s h H 、0分别为上下游相对于闸底板高程的总水头及下游水
深。

H 0=39.9+0.1-36.0=4.0m H f =39.9-36.0=3.9m
8.0975.00
.49.30≥==H h s 为淹没出流 σ=0.45
（2）侧收缩系数ε：
ε与孔口尺寸等因素有关，计算时先假定ε值。

初步假定
97.0=ε
（3）流量系数m ：
宽顶堰的流量系数m 决定于堰顶进口形式， 直角进口平底板时，
m=0.32+0.01
H
P h P /75.046.0/3+- 可取m=0.385。

式中P ，H 分别为坝高及上游水头。

（4）由堰上总水头 0H
H =H+
g
22
O αν
式中V O ：上游行进流速， 对于节制闸，上游水头0H = H 下+ 壅高水位
m H 0.40.361.09.390=-+=
Q 设=230m 3/s 参数如下：
Q 设 ε m
σ H 0 g
B 0
230 0.97 0.385 0.45 4.0 9.81 38.62
故：闸孔总净宽m H g m Q
B C 62.380
.48.9245.0385.097.0230
22
32
3
=⨯⨯⨯⨯⨯=
=
σε
取整Bc=40m 验算：
ε m σ H 0 g B 0 Q 0.97 0.385 0.45
4
9.8
40
238
根据流量公式
2
302H g m B Q S εσ==238m 3
/s
过水能力与设计和校核流量的差值比：5%%48.3230
230
238≤=- 满足要求
根据给定的设计资料，用20年一遇的洪水校核流量进行计算， 下游水深h s =41.8-36.0=5.8m 上游水深H0=41.8+0.2-36.0=6..0m
8.0967.00
.68.50≥==H h s 属于淹没出流σ=0.50
已知：
ε
m σ H 0 g B 0 Q 0.967 0.385 0.53
6
9.8
40
514
根据流量公式
2
302H g m B Q S εσ==514m 3
/s
过水能力与设计和校核流量的差值比：5%%84.3495
495
514≤=- 满足要求
2.3进行分孔、分缝，拟定墩厚，确定闸室总宽。

2.3.1单孔宽度b
根据水闸使用要求，闸门型式及启闭机容量等因素，并参照闸门
尺寸选定，单孔宽度b 大中型常为8--12m ；
取b=8m 2.3.2孔数n ： n=
b
B 0 58
400===
b B n 孔数在闸孔数目较少时（为6--8孔以下），宜取奇数孔，以利对称开启，改善闸下游水流条件。

故：n=5个 2.3.3闸孔总宽B B=nb+(n-1)d+2t 式中：d ：闸墩厚度
t ：边墩厚度
m B 0.455.020.1)15(85=⨯+⨯-+⨯=
(单位：m)
第三章 消能防冲设计
水闸闸孔的闸门开启时，下泄水流具有较高能量，为防止高速水流及波状水跃的冲刷等不利作用，闸下应采取消能防冲措施。

3.1消能型式
水闸上下游水头一般较低，所以宜采用底流式消能。

因此，消能设计的主要任务是确定下游消力池深度、长度，护坦形式与构造、海漫长度与构造以及防冲槽等。

3.2消力池设计
3.2.1消力池深度d 计算
计算第二共轭水深hc 〞及下游水深hS d= 0σhc 〞—h S —△Z
式中 0σ—水跃淹没系数，取 0σ=1.05—1.10 △Z ：出池水面落差
2b b 18125.02132''hc gh q h c c ⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+=
2"2
22222c
s gh q h g q Z αφα-=∆ 式中 α：动能改正系数，取 α=1.0～1.05 φ：流速系数 取 φ=0.95
hs ：出池河床水深，其值根据所给的表1-1 河道水位流量关系数据绘制的图查得 c h ：收缩水深 c h =
ε⨯e
注：经列表计算，当开启孔口数为1，开启度e=1.5m 时 ，所
对应的消力池池身最深，在这种工况下，过闸单宽流量为q=7.6 m 3
/s 垂向收缩系数ε=0.621 h c =1.5x0.621=0.9315m
河道水位流量关系
流量Ｑ（m 3
/s ） 6.22 19.92 39.6 64.5 94.6 129.3 水深（ｍ） 0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
由上图可知当q=7.6m 3/s 、Q=7.6x8=60.8m3/s 时，hs=1.93m 。

计算第二共轭水深h″
σ0
hc
α
q
g b1/b2 h″(m)
1.05 0.9315 1.03 7.6 9.8 1 3.12 计算出池水面落差ΔZ
α q g Φ
hs
h″ ΔZ （m ）
1.03
7.6
9.8
0.95 1.93 3.12 0.59
消力池深度d:
m z h h d s c 756.059.093.112.305.1''0=--⨯=∆--=σ
3.2.2消力池长度计算
闸底板与消力池护坦之间以1：3～1：4坡度相连。

则池长按下列经验公式计算 Lsi=Ls+0.8Li Ls=(3—4)d Li=6.9(hc ″—hc)
m d L s )024.3268.2(756.0)43()43(-=⨯-=-=取Ls=3m
m h h L c c i 10.15)9315.012.3(9.6)(9.6''=-⨯=-=取Li=15m m L L L i s si 15158.038.0=⨯+=+=
3.2.3消力池底板厚度t 消力池构造
消力池在运行过程中，承受高速水流的冲击以及脉动压力、扬压力等的作用，受力比较复杂，必须具有较好的强度、整体性和稳定性。

建筑材料一般采用C20钢筋混凝土。

护坦与闸底板、翼墙及海曼之间均应用缝隔开，以适应沉积和伸缩变形。

护坦不宜设置横缝。

（单位：m ）
3.3防冲加固措施(海漫及防冲槽设计)
3.3.1海漫
为消除消力池后水流剩余能量，池后渠底设置保护措施即海漫。

海漫长度计算：见课本或水闸设计规范。

海漫长度H
q K L s s p ∆=，因河床表面是中细沙，
Ks 取12
s
q 取7.6m3/s ，
H ∆取4.0m
m H q K L s s p 78.460.46.712=⨯⨯=∆=取50m
②海漫构造：海漫应具有一定粗糙性，透水性及率性，宜用干砌石或浆砌石建成，厚0.3～0.6m ，下设0.1～0.15m 砂卵石垫层。

3.3.2防冲槽
海漫与下游渠道相交处，应设防冲槽，以保护海漫免受冲刷。

防冲槽在工程上多采用宽浅式梯形断面防冲槽，槽深约为1.5-2.0m ，槽底宽一般为槽深的2-3倍，上游坡率m=2-3，下游坡率m=3.
槽深为1.5m ，槽宽3m ，上游坡率m=2，下游坡率m=3。

第四章防渗排水设计
4.1底板
底板既是闸室基础，又有防渗及防冲作用，由于地基是土地地基易产生不均匀沉陷,因此适应满足上部结构布置及闸室稳定及强度要求。

故采用钢筋砼平板结构,它可以把闸室荷载比较均匀的传布于地基。

采用等厚度的平板。

4.1.1底板长度L
应根据地基应力要求，并应满足上部结构布置即工作桥及交通总宽度要求。

初选根据地基土的类型确定。

由已知资料可知：闸基为亚黏土，所以该闸基为粘性土地基。

4.1.2底板厚度
应根据强度及刚度条件计算确定，设计时可按（1/6—1/8）单孔净宽度拟取。

取1/8单孔净宽度d=1/8*8=1m
4.2铺盖：
4.2.1型式：
常用有粘土铺盖，混凝土或钢筋混凝土铺盖，应根据上下游水大小，地基条件及当地材料情况选择相应型式。

该铺盖设计为粘土铺盖。

4.2.2长度：
根据防渗要求确定，通常可取上下游水头差的（3—5）倍，即（3—5）倍△H，△H为铺盖顶底部水头差，取正常蓄水位时水位差5m
铺盖长度L：
=
⨯
3(-
-
=
=取15m
-
∆
)5
)5
L)
H
m
25
15
5
(
3(
4.2.3厚度及构造
为了保证防渗效果和施工质量，混凝土铺盖厚度选为0.5m，首末端各设0.5m深齿墙。

4.3防渗段长度
为防止地基渗透变形，水闸防渗长度L应满足下面关系，即L ≥C*H
式中L：闸基防渗段长度，即水闸不透水部分与地基交界长度C：地基渗径系数，可查表
H：上下游最大水头差
4.4闸底板扬压力计算
按采用改进阻力系数法。

计算闸基渗透动水压力。

该水闸亚粘土透水层深度约为15m
具体计算如表
以上计算具体公式参考《水工建筑物》p145表5-7。

由表格计算可得水头总损失∑i ξ=3.811m 。

根据公式∑==m
i i
i
i H
h 1
ξ
ξi
h 可得各典型段
水头损失值。

只有把上表所得的各个i ξ代人上式便可获得各水头损失值。

具体结果如以下表格。

各段渗透压力水头损失表
编号
名称 垂直投影长S
垂直投影长S 1 垂直投影长S 2 透水层深度T 渗流段长度L ξi （m ）
①
进口段 1.0
—
—
15.0
—
0.467
② 水平段 — 0 0 14.0 0.5 0.036 ③ 铅直段 0.5 — — 14.5
—
0.035
④ 水平段
—
0 0 14.5 15.0 1.034 ⑤ 铅直段 1.0 — — 14.5 —
0.070
⑥ 水平段
—
0 0 13.5 1.0 0.074 ⑦ 铅直段 0.5 — — 14.0
—
0.036
⑧ 水平段
—
0 0 14.0 15.0 1.071 ⑨ 铅直段 0.5 — — 14.0 —
0.036
⑩ 水平段
—
0 0 13.5 1.0 0.074 ⑪ 出口段 1.5 — — 15.0 — 0.488 Σ
3.422
各水头损失表（m ）
分段
①
②
③ ④ ⑤
⑥
ξi （m ） 0.467 0.036 0.035 1.034 0.070 0.074 h i (m) 0.682 0.052
0.051
1.512
0.102 0.108
续表
分段
⑦
⑧
⑨ ⑩ ⑪
Σ
ξi （m ） 0.036 1.071 0.036 0.074 0.488 3.422
h i (m) 0.053 1.566 0.053
0.108
0.714 5.000
检验进口段水头损失是否需要修正。

进口段m T m S 14,0.1,,==，
T=15m 。

由式子⎪⎪⎭⎫
⎝⎛+⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-
=059.02121
21.1,2,'T S T T β=0.571<1.0 所以进口水头损失需要修正。

根据 《水工建筑物》，修正后的
进口段水头损失为'
h =1'h β=0.571⨯0.682=0.389m ，水头损失减小值△
1h =0.682-'h =0.293m ，因h ②+h ③=0.052+0.051=0.103m ＜Δh 1
,故用h i ’=2h i 进行修正。

检验进口段水头损失是否需要修正。

进口段m T m S 5.13,5.1,,==，T=15m 。

由式子⎪⎪⎭⎫
⎝⎛+⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-
=059.02121
21.1,2,'T S T T β=0.673＜1.0 所以进口水头损失需要修正。

根据 《水工建筑物》，修正后的
进口段水头损失为'
h =1'h β=0.673⨯0.714=0.481m ，水头损失减小值△
1h =0.714-'h =0.233m ，因h ⑩+h ⑪=0.108+0.053=0.161m ＜Δh 1
,故用h i ’=2h i 进行修正。

进口段附近的内部典型的水头损失值及出口段水头损失修正
修正后各水头损失表（m）
分段①②③④⑤⑥
hi(m) 0.682 0.052 0.051 1.512 0.102 0.108 hi'(m) 0.389 0.104 0.102 1.701 0.309 0.256 续表
分段⑦⑧⑨⑩⑪Σ
hi（m）0.053 1.566 0.053 0.108 0.714 5.000 hi'(m) 0.156 1.171 0.106 0.216 0.489 5.000 根据上述结果，求出实际地下轮廓各角点的渗透水头
各角点及间断渗压水头值（m）
分段①②③④⑤
hi'(m) 0.389 0.104 0.102 1.701 0.309 H(m) 5.000 4.611 4.507 4.404 2.703 2.394 续表
分段⑥⑦⑧⑨⑩⑪
hi'(m) 0.256 0.156 1.171 0.106 0.216 0.489 H(m) 2.138 1.982 0.811 0.705 0.489 0.000
出口平均坡降:321.05.1/481.0/''0===S h J ＜0.6
满足要求
第五章 闸室布置
5.1底板结构：
为结构简单，便于施工，工作可靠，同时考虑某水闸流量与水头
较大，拟用整体式平底板结构。

上下游各设齿墙。

5.2 闸墩、边墩形状与尺寸
由于本闸可灌溉20万亩农田，故工程等别为三等，工程规模为
中型，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。

5.2.1尺寸的确定
根据闸孔尺寸及上部结构布置，拟定闸边墩形状与尺寸，闸墩上
游头部宜为曲线形，以改善水流条件；闸墩厚度一般不小于 1.0m ，并应保证门槽处闸墩最小厚度不小于0.5m 。

2个边墩厚0.5米，4个中墩厚1.0米。

5.2.2闸墩厚度选定
在考虑到闸门槽深度需设置30~50cm 的情况下，闸孔个数为5个孔、每孔孔宽8米，垂直水流方向设定4个中墩为1.0m ，2个边墩为0.5m 。

5.2.3闸墩的长度拟定
本设计选取同底板同长为15.0米。

5.2.4闸门高度拟定
闸门高
m m h b 1.50.361.00.417.62
.18=-+≥== 符合要求
5.2.5闸墩的高度
闸墩高度=闸门高度+安全超高
=6.7+0.7
=7.4m
本设计选取为8m ，高程为36.0m 。

5.3闸门及启闭设备
5.3.1闸门形式
本设计采用平面闸门。

5.3.2闸门尺寸
闸门高6.7m。

厚0.3m，宽8.6m。

启闭机采用一机一门的固定卷扬启闭机。

5.4工作桥
工作桥供安置启门机和管理人员操纵之用。

工作桥的梁底至闸室底板的净空高度h按下式计算：
h=h1+h2+e
式中：h1—最高泄洪水位的水深（m）；
h2—直开平板门的高度（m）；
e—为安全加高，可取0.5～1.0m，本设计取0.5m。

则：h=6.0+6.7+0.5=13.2m
其高程为48m。

工作桥宽度取3.5m，
5.5检修闸门
检修闸门工作桥采用叠梁门，平时不放在闸门槽内，需要运用时，在临时运到检修闸门孔处，宽度采用8.6m。

5.6交通桥
本设计交通桥按四级公路桥设计，桥面净宽为 4.5m，两侧人行道各宽0.75m。

交通桥面高程为45m，用0.5m厚钢筋混凝土浇筑而成，其中两侧步道比桥面高0.3m，高程为45.3m，两侧设有高1.1m的栏杆。

第六章连接建筑物
水闸与河岸连接时，需设置岸墙和翼墙
其作用：1、挡两侧填土，保证岸土的稳定及免遭过闸水流的冲刷。

2、当水闸过水时，引导水流平顺入闸，并使出闸水流均-=匀扩散。

3、控制闸身两侧的渗流，防止土壤产生渗透变形。

4、在软弱地基上设岸墙以减少两岸地基沉降对闸室结构的不利影响。

6.1上下游设反翼墙，
顺水六方向翼墙长度，上游与铺盖同长为15m,下游长达消力池末端，长为15m，然后分别垂直插入岸堤内，插入长度取0.5m，两段墙体相连的转角处，用半径R为5m的圆弧段连接，为改善水流条件，上游翼墙的收缩角Ψ取180，下游扩散角β为120。

6.2边墙
采用重力式墙，上顶宽0.5m，底宽4.5m，高与闸墩齐平为8.0m。

6.3两岸护坡
采用0.1m厚现浇混凝土,坡比为1:2.5,堤顶设有挡土墙高0.5m,宽0.3, 浆砌石结构.
相关文献
1、《水力学》
2、《水工建筑物》
3、《工程地质与土力学》
4、《工程水文》
5、《工程力学》
课程总结报告
为期一周的课程设计终于在紧张的节奏中接近尾声，一周的时间，同学们都受益匪浅，它是繁忙的，但更是充实的。

课程设计，是《水闸设计》课程，主要是复习相关知识点。

它牵涉到了两年来所学的有关水工建筑物方面课程如《工程制图》、《工程力学》、《工程地质与土力学》特别是《水工建筑物》的内容，还牵涉到了未曾学习的《材料力学》等课程内容，可以说它是对两年来前面所学各课程的一个很好总结，更是一个前所未有的实践性挑战！
一周的时间，是漫长的。

可以看出，一天天，同学们大都是一步步熬过来的，因为同学们在设计时对太多东西都不是很确定，像对闸底板的选材及对闸室的校核等部分内容我们未曾做过，这要花费我们一部分时间去一点一点儿的查找资料学习，在加上校核的反复性，说是熬过来的一点儿也不为过。

但一周的时间，也是短暂的。

超负荷的工作量，让我们从早上9点到晚上将近10点除了吃饭把所有的时间都泡在了水闸设计教室中，但仍然感觉时间是那么的不够用。

无论如何，没有人放弃，大家都坚强的挺了过来。

水闸设计共分为五个阶段：
第一阶段：闸孔设计；
第二阶段：消能防冲设计；
第三阶段：防渗排水设；
第四阶段：闸室布置；
第四阶段：设计图纸。

总结：一周的课程设计，要谈感受，没有人说自己认识不深刻的，它不但花去了我们大量的劳力精力，但相应的，我们得到的也很多。

通过这次水闸设计，使我们学到了很多仅靠课本不能学到的知识，还学到了些以前没有讲过的知识；另外，加深了对以前学过的相关水工设计方面的知识，对今后的社会实践及就业无疑起到重要作用。

一周的时间，大家是繁忙的，但更是充实的。