水闸设计步骤

（2）选用适当的方法对初步拟定的布置方案进行渗流计算，求出闸底所受 的渗透压力以及渗透坡降，特别时渗流出口处的坡降。
（3）验算闸基及地基的稳定性，包括地基土的抗渗稳定性。
（4）根据稳定和经济合理的要求，对初拟的底下轮廓线进行修改。在修改底下轮廓线的形状和尺寸时，应结合总体布置和闸室的结构布置与设计进行综合考虑。
进口段水头损失应修正为： ；
进口段水头损失减小值为：
按相应公式修正各段的水头损失值为：
（2）出口处修正系数 ：
出口段水头损失应修正为：
表3-3： 渗压水头损失计算汇总于表
渗压水头损失（m）
设计情况
正向挡水
修正前
修正后
反向挡水
修正前
修正后
校核情况
正向挡水
修正前
修正后
（五）计算各渗流角点处的渗压水头
由上游进口段开始，逐次向下游，从作用水头值相继减去各分段水头损失值，即可求得各角隅点的渗压水头值。
自重
上游水压力
P1
P2
P3
下游水压力
P4
P5
P6
浮托力
渗透压力
水重
上游
下游
合计
（二）设计情况反向挡水闸室结构荷载计算汇总
表5-7 设计情况反向挡水闸室结构荷载计算汇总表
荷载名称
垂直力(KN)
水平力(KN)
力臂(m)
力矩
↓
↑
→
←
顺时针
逆时针
闸室机构自重
上游水压力
P1
P2
P3
下游水压力
P4
P5
P6
浮托力
（一）
（二）估算闸门重量
采用直升式平面钢闸门，初拟拟闸门高度为6.5m：
估算闸门重量：
式中：
——闸门工作性质系数，取值；
——孔口高度比修正系数，取值；
——水头修正系数，取值为；
H——孔口高度；
B——孔口宽度。
（三）估算闸门启闭力选定启闭机：
启门力：
闭门力：
表4－3 OPQ-2×型闸门启闭机外形主要尺寸
水闸
一、拟定闸孔形式
比较最高水位与地面高程，确定闸孔结构形式。
二、
根据闸基土质及运行要求，确定堰型
三、利用堰流公式初步拟定闸孔宽度。
渠道断面面积：
平均流速：
平底堰： ＞时为堰流，否则为闸孔出流；
曲线形堰： ＞时为堰流，否则为闸孔出流。
he――闸门开度
计入行进流速的上游水深：
式中：
——上游水深；
——流速系数，取；
淹没系数为：
侧收缩系数为：
ε=
计算流量为： 或
七、画出闸孔宽度布置图
消能防冲设计
一、用孔流公式计算闸门初始开度和出闸水流出使流量
设闸孔开度e为
根据闸门相对开度： 判别出流形式
由《水利学》表8-7查得平板闸门的垂直收缩系数：
收缩断面水深：
流量系数：
收缩断面流速：
收缩断面的共轭水深：
潜孔比：
由《水力学》图8-34查得淹没系数σs=
表4－1 安全超高数值表
安全超高
泄洪时
挡水时
设计洪水位
校核洪水位
泄洪时：设计（校核）洪水位+
关门时：设计（校核）洪水位+ +
表4－2 闸顶高程计算表
水位情况
设计水位（m）
安全超高（m）
闸顶高程（m）
设计正向
泄洪
挡水
设计反向
泄洪
挡水
校核正向
泄洪
挡水
三、闸门结构的布置
拟定闸门高度，闸门形式，估算闸门重量，估算闸门启闭所用的启门力和闭门力
校核情况
正向挡水
上游
止水以上
止水以下
下游
止水以上
止水以下
二、闸室结构荷载汇总
将各种荷载分完建、设计情况和校核情况分别进行汇总，如表所示
（一）设计情况正向挡水闸室结构荷载计算汇总
表5-6： 设计情况正向挡水闸室结构荷载计算汇总表
荷载名称
垂直力(KN)
水平力(KN)
力臂(m)
力矩
↓
↑
→
←
顺时针
逆时针
闸室机构
表3-4 各角点渗压水头计算汇总表
渗压水头(m)
设计情况
正向挡水
反向挡水
校核情况
正向挡水
（六）绘制闸底渗透压力分布图
根据以上算得的渗压水头值，并认为沿水平段的水头损失呈线性变化，绘出如图所示的渗压力分布图：
1、
2、
2、
（七）验算渗透坡降
表3-5 出口渗透坡降计算表
参数
水位情况
（m）
（m）
备 注
设计正向
力臂
（m）
力矩（KNm）
设计情况
正向挡水
设计情况
反向挡水
校核情况
正向挡水
（四）水平水压力的计算
表5-5： 水平压力和弯矩计算表（以底板中点为矩心）
计算情况
算式
水平压力（KN）
力臂(m)
力矩(m)
设计情况
正向挡水
上游
止水以上
止水以下
下游
止水以上
止水以下
设计情况
反向挡水
上游
止水以上
止水以下
下游
止水以上
止水以下
式中：
——消力池坡段水平投影长度；
——水跃长度校正系数，取为；
——水跃长度，（ ）
五、计算消力池底板的厚度
消力池底板厚度 按《水闸设计规范》（）计算
式中：
——消力池底板始端厚度；
——闸孔泄流时的上下水位差；
——消力池底板计算系数；
——过闸单宽流量。
考虑到消力池底板的抗浮要求，现取消力池底板厚度为 m。
渗透压力
水重
上游
下游
合计
（三）校核情况正向挡水闸室结构荷载计算汇总
表5-8： 校核情况正向挡水闸室结构荷载计算汇总表
荷载名称
垂直力(KN)
水平力(KN)
力臂(m)
力矩
↓
↑
→
←
顺时针
逆时针
闸室机构自重
上游水压力
P1
P2
P3
下游水压力
P4
P5
P6
浮托力
渗透压力
水重
上游
下游
合计
三、抗滑稳定计算
根据《水闸设计》公式（5-18）计算：
各水位组合情况的出口渗透坡降按式（）计算： J＝h0//s/
设计反向
校核正向
闸室结构布置
一、闸室底板的布置
二、闸墩的布置
拟定闸墩顺水流方向的长度，闸墩厚度，闸墩高度，门槽位置和尺寸。
闸墩分中墩和边墩两种。中墩上游部分（以闸门分界）的顶部高程一般高出设计（校核）水位，以使闸上交通桥既不防碍过水，也不受波浪的影响。中墩下游部分的顶部高程可以适当降低。边墩是闸室与两岸连接的闸墩，边墩顶部高程，在泄洪时应高出设计或校核水位加安全超高值，关门时应高出设计或校核洪水位加安全超高值。该两项安全保证条件应同时得到满足，以便使上游来水不漫过边墩顶部，确保闸室安全。
六、确定消力池的构造
ห้องสมุดไป่ตู้七、计算海漫长度
对于 在1~9之间的情况，可按《水闸设计规范》（）计算：
式中：
——海谩长度（m）；
——消力池末端单宽流量；
——海漫长度计算系数；
——闸孔泄流时上下水位差。
八、计算冲刷坑的深度，确定防冲槽的尺寸
海漫末端的河床冲刷深度 按《水闸设计规范》公式（）计算
式中：
——海漫末端河床深度；
比较 与 的大小确定出流形式
如闸孔为淹没出流，则流量根据《水力学》（8-24）计算
单孔流量： ；总流量：
以相同的方法设一组不同的闸孔开度e值，求得相应的hc’’－ht最大时，相应的下泄水流的能量最大
最大流量计算表
1
2
3
4
5
三、计算出闸水流的水跃
消力池宽度：
单宽流量：
上游河道断面面积：
平均流速：
跃前水深 按《水闸设计规范》公式（）计算：
式中：
——水流动能校正系数，取；
——过闸单宽流量；
——水流动能校正系数，取；
——由消力池底板顶面算起的总势能
移项得
令
则 ， 即
故
按迭代法计算
设
式中：
跃后水深：
或根据 值查表得共轭水深比 ，则 ＝ ；若 ＞hs则需设消力池。
出池落差
验算淹没安全系数： 应满足 ＝～的要求
四、计算消力池的长
消力池长度 按《水闸设计规范》公式（）计算：
式中：
——闸室基底应力的最大值或最小值；
——作用在闸室上的全部竖向荷载（包括闸室基础底面上的扬压力在内）；
——作用在闸室上的全部竖向和水平向的荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩；
胸墙
合计
注：1、采用钢筋砼容重取为24KN/m3;
2、所有弯矩以逆时针为正，顺时针为负
（二）计算水重及其弯矩
表5-2： 水重和弯矩计算表（以底板中点为矩心）
计算情况
算式
水重（KN）
力臂（m）
力矩（KNm）
设计情况
正向挡水
上游水重
下游水重
反向挡水
上游水重
下游水重
校核情况
正向挡水
上游水重
下游水重
（三）扬压力的计算
型 号
外形主要尺寸（mm）
悬挂点（mm）
A
B
E
F
I
J
H
h1
h2
d
D
C
e
表4－4 OPQ-2×型闸门启闭机外形主要尺寸
型号
基础主要尺寸（mm）
作用荷载
A
B
C
E
F
G
I
J
M
N
Q1
Q2
Q3
Q4
四、工作桥尺寸拟定
为了安置闸门的启闭设备及工作人员操作的需要，通常要设置工作桥，并在闸墩上修建支墩或排架来支承工作桥。
（二）用渗径系数法初步拟定闸基的防渗长度
按《水闸设计规范》公式（）计算：
式中：
——闸基防渗长度；
——渗径系数，查《水闸设计规范》表4.3.2；
——上下游最大水位差。
（三）初步拟定闸室沿水流方向的长度
式中：
——闸室沿水流方向的长度；
——上下游水位差。
则初拟闸底板长度 m；闸底板厚度取闸孔净宽的1/6~1/8可初拟底板厚度为 m，底板上下游的齿墙宽度为m，齿墙深度均为m，上游齿墙的作用是降低闸底板上的渗透压力，下游的齿墙是减小出逸坡降，有助于防止地基产生渗透变形。
式中：
φ0＝ =
——所有作用在闸室上垂直力的总和；
——作用在闸室上所有水平力的总和；
C0＝0.3C＝
——底板与地基的接触面积，A=BL=。
现列表5－9计算抗稳定安全系数如下：
表5-9：闸室抗滑稳定分析
计算参数
设计正向
设计反向
校核正向
C（kPa）
φ0（°）
Tgφ0
（kN）
（kN）
Kc
四、基底压力计算
基底压力的分布与底板刚度、尺寸、砌置深度及地基性质等因素有关，呈曲线分布。由于闸墩在顺水流方向刚度很大，可近似地把基底压力作为直线分布，这与实际情况较接近，其压强 按《水闸设计规范》公式（）计算：
——上游行进流速。
A． ＜时用下式计算过流能力：
＞时，σ＝ ；（《水闸设计规范》公式 时,σ=1
侧收缩系数ε＝１.０，流量系数m=
B= ＝
B． ≥时用下式计算过流能力：
闸孔总净宽： B= ==
时所需的闸孔总净宽小于初拟定的闸宽
综合以上引水情况和排水情况计算并考虑一定的安全储备确定B=
六、验算闸孔过水能力
1、浮托力的计算
表5-3： 浮托力和弯矩计算表（以底板中点为矩心）
计算情况
算式
浮托力（KN）
力臂（m）
力矩（KNm）
设计情况
正向挡水
反向挡水
校核情况
正向挡水
2、渗透压力的计算
计算简图如图所示
参照前表数据及图，列表计算如下：
表5-4： 渗透压力和弯矩计算表（以底板中点为矩心）
计算情况
算式
渗透压力
（KN）
（一）上下游翼墙的布置
闸室稳定计算
一、闸室结构荷载计算
取相邻顺水流向永久缝之间的闸段作为计算单元。闸室所受荷载如图5－1所示：
（一）闸室自重及弯矩计算
表5-1： 闸室自重及弯矩计算表（以底板中点为矩心）
构件
名称
算式
重力（KN）
力臂（m）
力矩（KNm）
闸墩
底板
工作桥
交通桥
检修便桥
排架
活动门槽
启闭机
闸门
表3-1 各渗流区段几何参数和阻力系数表
段号
段别
Si（S1,S2）（m）
Ti（m）
Li（m）
ξi
备注
1
进口段
各渗流区段的阻力系数可根据段别和区段的几何特性（S，T，L）按下列公式计算
1、进出口段：
2、内部垂直段：
3、水平段：
2
内部水平段
3
内部垂直段
4
内部水平段
5
内部垂直段
6
内部水平段
7
内部垂直段
8
内部水平段
——海漫末端单宽流量
；
——海漫末端河床水深。
——河流土质允许不冲流速
的计算：
断面面积：
湿周：
水力半径：
不冲流速：
闸基渗流计算
一、渗流计算水位组合
二、下轮廓线布置，验算防渗长度
（一）地下轮廓线的设计步骤
（1）根据水闸的上下游水位差大小和地基土质条件选择地下轮廓的形状和尺寸。初步拟定其不透水层部分的长度（即防渗长度）时，一般均采用渗径系数法。
9
内部垂直段
10
内部水平段
11
内部垂直段
12
内部水平段
13
内部垂直段
14
内部水平段
15
出口段
计算得：
（三）计算各典型段的渗压水头损失
根据式 计算
式中： ；
表3－2 各典型段渗压水头损失计算表
渗压水头损失
设计正向
设计反向
校核正向
当底板有倾斜段时，阻力系数为
（四）进、出口水头损失值的修正
（1）进口处修正系数 ：
三、
采用改进阻力系数法来进行渗流计算。
（一）地基有效深度的确定
当 ≥5时，可按《水闸设计规范》公式（）计算，有效深度：
当 ＜5时，可按《水闸设计规范》公式（）计算，有效深度：
式中：
——土基上水闸的地基有效深度（m）；
——地下轮廓的水平投影长度；
——地下轮廓的垂直投影长度。
（二）计算各典型段的阻力系数
（四）验算防渗长度
（五）地下轮廓线布置
水闸地基防渗长度初基轮廓线形状及尺寸确定，即进行地下轮廓线的布置。布置的总的原则是滞渗步确定以后，可根据设计要求和地基土壤的特性，并参考已有的类似的水闸工程资料进行闸与导渗相结合。通常在闸室底板上游一侧布置防渗设施（如铺盖、板桩及齿墙等），用来延长渗径、减小底板渗透压力、降低闸基渗流坡降等，这叫滞流；在下游侧布置排水设施，使渗透水流尽快地安全排走，以防止发生渗透变形，并减小底板渗透压力，这叫导流。
（一）工作桥的总宽度确定
总宽度=基座宽度+2×(操作宽度)+2×(栏杆柱尺寸)
（二）工作桥高程及排架尺寸的确定
堰顶以上至工作桥底梁之间的净高为：
式中： 为相应于最大过闸流量的堰顶水深； 为闸门高度，； 为富裕高度。
五、交通桥、工作便桥形式的拟定
六、分缝和止水的布置
七、两岸连接建筑物的布置
水闸两端与河岸连接时，需设置连接建筑物，其组成部分有岸墙，上下游翼墙。