水闸设计

水闸初步设计
目录
概述 (3)
工程设计资料 (3)
水利枢纽布置 (3)
总体布置概 (3)
水闸布置 (3)
水闸设计 (4)
闸孔型式和尺寸设计 (4)
消能防冲设计 (6)
防渗排水设计 (7)
第四节闸室布置 (10)
第五节水闸抗滑稳定计算 (12)
第六节细部结构设计 (16)
第七节上下翼墙设计 (17)
第四章参考文献 (18)
第一章概述
第一节工程设计资料
一、设计基本资料
设计流量为s/
m3，闸前设计水位为，闸后设计水位为，河床底高程。

多年平均最大风速为5m/s；风向：按垂直水闸横轴线考虑；吹程。

第二章水利枢纽布置
第一节总体布置概述
一、拟定枢纽建筑物等级
根据《水利电力工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000）第条及条确定本工程为五等小（一）型，本水闸级别为五等，所以主要建筑物按五等级别设计。

闸址的选择
枢纽布置选择须考虑以下几点：
1）闸址应选择在顺直河段，且较稳定的河岸；
2）轴线附近地质条件因较好、河床稳定；
3）闸址上游河道有足够的蓄水容积；
4）交通方便、原料最好就近取材。

水闸布置
水闸由闸室、上游连接段和下游连接段三部分组成。

一、闸室布置
闸室是水闸挡水和泄水的主体部分，本设计的闸室包括：底板、闸门、胸墙、边墩（岸墙）、工作桥及交通桥。

底板是闸室的基础，见有防渗和防冲的作用，并保护地基免受泄水水流的冲刷，同时它又是水闸地下轮廓的主要组成部分，限制通过地基的渗透水流，减小地基渗透变形的可能性。

闸门是用来双向挡水和控制过闸流量。

胸墙是用来挡水以减小闸门高度的。

闸墩用以支撑闸门、工作桥、交通桥，把闸门传来的水压力和上部结构的重量以及菏载传布于地板。

工作桥用来安装启闭设备。

交通桥用来联系两岸交通。

二、防渗排水布置
防渗设施主要有水平防渗和竖向防渗，水平防渗主要是指铺盖，竖向防渗有板桩及齿墙，而排水设施则是指铺设在消力池、浆砌石海漫底部或闸底板下游段起导渗作用的沙砾石层。

排水常于防滤层结合使用。

承受双向水头的水闸，其防渗排水布置应以水位差较大的一向为主，合理选择双向布置方式。

三、消能防冲布置 本水闸是双向排水，上下游都均应考虑其消能防冲布置。

但是水闸多为外江往内河泄洪时开启闸门，而内河水位受不涝水位控制，当水位较高时，采用抽排设施降低内河水位。

因此次处不对内河往外江排水情况进行效能防冲计算。

闸下消能防冲设施石用于消能功能与均匀扩散水流的，且应与下游河道有良好的连接；本设计采用底流式消能方式。

四、两岸连接布置 上游连接段
上游连接段包括护底、上游防冲槽以及上游翼墙。

上游护坡及护底布置应根据水流流态、河床土质抗冲能力等因素确定，由上游护底首端再加设防冲墙。

具有双向挡水作用的水闸，其上游护坡、护底应根据水流条件确定。

（二）、下游连接段 下由连接段包括海漫、防冲槽及两岸的翼墙和护坡两大部分，其主要作用是改善出闸水流条件，提高泄流能力和消能防冲效果，以确保下游河床和边坡的稳定。

水闸设计
闸孔型式和尺寸设计
闸孔型式和尺寸设计包括：堰型的选择；单孔尺寸及闸孔总净宽的确定；闸顶高程、闸门高度的确定；闸墩设计和底板设计。

闸室结构型式
本水闸是以防洪、排污、灌溉为主的综合性水利工程，采用开敞式闸室结构。

由于上下游水位变幅不大，故不需要设胸墙代替闸门挡水，本闸采用不带胸墙的开敞式结构。

（上下游水位差为）不设闸门。

堰型的选择及堰顶高程的确定
由于是进水闸，考虑到拦沙要求，故设为有坎宽顶堰，采用整体式平底板。

确定闸底板高程，河床底高程。

闸孔尺寸的确定
1）判别堰的出流情况
已知设计流量为s m /3，相应上游设计水位为12m ，下游设计水位为。

堰上水头
m H 5.050.11120=-=，下游水头m h s 45.050.1195.11=-=
9.050
.110.1250.1195.110=--=H h s >，为淹没出流，查宽顶堰淹没系数表84.0=s σ得
2）求流量系数m
堰上水头m H 5.05.1112=-=，堰高m p 5.00.115.11=-= 1=H P ，因30≤≤H
P
，所以流量系数m 为
367.01
5.12.11
301.036.05
.12.1301.036.0=⨯+-⨯
+=+-
⨯
+=H
P H
P
m
确定闸孔尺寸
初步假定967.0=ε，则 闸孔宽度m H
g m Q
B s 12.05
.08.92367.0976.084.005
.022
32
3
=⨯⨯⨯⨯⨯=
=
εσ
边墩为流线型，形状系数4.0=k ξ，则
967.012
.05.04.02.012.01=⨯⨯-=⋅
-=B H k ξε 此值与原假定的ε值相同，现用967.0=ε再计算B 值
m H
g m Q
B s 12.05
.08.92376.0967.074.005
.022
32
3
=⨯⨯⨯⨯⨯=
=
εσ
2
3/8.9967
.0376.0/s m g m
B m s m Q ，—重力加速度，取——侧收缩系数，取——闸孔总净宽，——流量系数，取——过闸流量，—ε
该B 值和第一次计算值相同，取B=,闸孔为单孔，实际工程中应考虑去闸门的尺寸为整数,所以取闸门孔口为单孔，净宽B=
第二节 消能防冲设计
因为平原水闸水头低，河床土体抗冲能力差，下游水位变幅大，故不用挑流消能和面流消能，而采用底流消能。

底流消能一般由消力池、海漫、防冲槽等组成。

判别底流式衔接形式：
计算下游坝高m P 5.00.1150.111=-= 计算闸前水深0H
m H 0.10.110.12=-= H
q
v =
0==s g v H H 20
20+==+8
.9205.02⨯=
故m H P E 5.15.00.1010=+=+= 采用逐次渐近法计算c h
由
0.11
=H
p <30 则 流速系数=ϕH
p
1=
计算30.198
.08.9205.022
2
2=⨯⨯=ϕg q ，令c
c h E g q h -=02
2
2ϕ 中0=c h 则
第一次 m h c 424.00
22.730
.11=-=
第二次 m h c 425.0424
.022.730
.12=-=
第三次 m h c 437.0425
.022.730
.13=-=
第四次 m h c 437.0437
.022.730
.14=-=
因相同值和43c c h h ，故取m h c 437.0= ，将其代入水跃方程得c h ''得，
m gh q h h c
c c 023.0)1437.08.905.081(2437.0)181(232
3
2'
'=-⨯⨯+⨯=-+= 由上述计算可知c h ''在左右，远小于下游水深m h t 95.00.1195.11=-= 下游产生淹没式水跃，故不需要设消力池。

确定护坦厚度：
'1H q k t ∆==m 047.005.025.02.0=⨯
综合条件护坦取最小厚度为，护坦长度取
防渗排水设计 地下轮廓设计
对于粘性土地基，通常采用水平铺盖，而不用板桩，以免破坏粘土的天然结构，在板桩与地基之间造成集中渗流通道。

故地下轮廓主要包括底板、防渗铺盖。

地下轮廓线就是底板、防渗铺盖组成的第一根流线。

底板
底板既是闸室的基础，又兼有防渗、防冲刷的作用。

它既要满足上部结构布置的要求，又要满足稳定及本身的结构强度等要求。

底板顺水流方向的长度L
为了满足上部结构布置的要求，L 必须大于交通桥宽、工作桥宽及其之间间隔的总和，则取L =
从稳定的要求考虑，采用整体式平底板。

取底板顺水流方向长度L 为。

底板厚度d
根据经验，底板厚度为（8
1
~51）单孔净跨，初拟d 为
底板构造
底板采用钢筋混凝土结构，混凝土强度为C20，上、下游两端各设深，底宽为的齿墙嵌入地基。

底板的齿墙既能起防渗作用，又能抗滑。

上游端齿墙的作用是降低作用在闸底板上的渗透压力，下游端齿墙是减小出逸坡降，有助于防止地基土产生渗透变形。

闸室底板分段长度的确定应根据闸室地基条件和结构构造特点，结合考虑采用的施工方法和措施确定。

闸室结构垂直水流方向分段长度根据《水闸设计规范》第条说明：土基上分段长度不宜超过35m 。

故本水闸底板不设分缝。

底板与防渗铺盖之间的连接缝用“V ”型铜片止水。

2、铺盖
铺盖设在紧靠闸室的上游河底上，其主要作用是延长渗径，以降低渗透压力和渗流坡降；同时具有上游防冲的作用。

铺盖采用混凝土结构，其长度根据闸基防渗需要确定，一般为4~2倍闸上水头或5~3倍上、下游水位差（上、下游水位差为），即铺盖长度：4×=，拟取2m ，铺盖厚为 m 。

3、齿墙
齿墙有延长渗径，增加闸身抗滑稳定性和防止地基被冲刷作用，闸室段齿墙取深，长；铺盖段齿墙取深，长。

4、侧向防渗
侧向防渗主要靠上游翼墙和边墩。

上游翼墙为反翼墙，收缩角取为15度，延伸至铺盖头部以半径为的圆弧插入岸坡。

5、排水、止水
为了减少作用于闸底板上的渗透压力，在整个消力池底板下布设砂砾石排水，铺盖与上游翼墙、上游翼墙与边墙之间的永久性分缝，为了防止闸基土与墙后土被水流带出，缝中铺贴沥青油毡。

闸底板与铺盖间的分缝采用“V ”型铜片止水。

渗流计算
根据《水闸设计规范》要求，对于地下轮廓线比较简单，地基又不复杂的中小工程，可采用直线比例法。

拟定地下轮廓线见下图
铺盖、底板尺寸图（m ）
河床土层为粘土，从稳定的要求考虑，采用整体式平底板，对粘性性土可取（2~3） ，初步拟定的闸基防渗长度应满足下式的要求， 闸基防渗长度CH L ≥ 查表C 取3 ，上下游水位差H= 故 m CH 15.005.03=⨯= 用勃莱法求L
渗径长度水平铅直L L L +=
其中闸底铅直轮廓线（当轮廓线与水平线夹角大于或等于45°时，按铅直轮廓计算）长度
其中 =铅直L 121110987654321------+++++l l l l l l
=m 93.28.03.03.03.03.03.02.02.07.0222222=++++++++ 111098765432-----++++=l l l l l L 水平 =m 2.33.08.03.05.13.0=++++
水平铅直L L L +==+=>m CH 15.0=，闸底轮廓线长度满足防渗要求
渗透压力：
由直线比例法求得地下轮廓各点的渗透压力,闸基渗透压力计算示意图如下：
求地下轮廓各点的渗透压力 闸底板上游点的渗透压力为：x L H h s =
=m 03.034.313
.605.0=⨯ 故单位宽度闸底板总渗透压力为：KN U 05.034.303.02
1=⨯⨯=
抗渗性分析
验算闸基抗渗稳定性，主要是为了防止底下渗流冲刷地基土并造成渗透变形。

验算闸基抗渗稳定性时水平段和出口段的渗流坡降必须分别小于《水闸设计规范》表中规定值，以保证地基不会发生渗透破坏。

渗透坡降J 的验算: 渗透坡降[]2.0073.013
.645.0010=<===
J L H J 说明本水闸的地基轮廓线满足闸基抗渗稳定要求
滤层设计
滤层的作用是防止渗流出口处土体由于渗透变形或水土流失而引起的破坏，滤层的设计，最基本的要求是不允许基土流失或穿过滤层造成堵塞，从而影响滤料的透水性和被保护的土体的稳定性。

滤层一般由1~3层级配均匀耐风化的沙、砾、卵石或碎石构成每层粒径随渗流方向而增大，级配应能满足被保护土的稳定性和滤层的透水性要求，一般情况下，粘性土地基上的滤层为两层。

滤层的厚度可采用~。

滤层的铺设长度应使其末端的渗流坡降值小于地基土在滤层保护时的允许渗流坡降值。

排水设施
排水一般都布置在闸室下游消力池的下面，消力池上设排水孔。

对于粘性土地基，水闸底板下一般不设置排水。

因为排水滤层一旦发生淤堵事故，将难以检修和更换。

在下游翼墙、上游护底和下游海漫水平分段分别设置排水孔，排水孔孔径取 m ；间距..为~ m 。

翼墙上的取3 m 、护底和海漫上的取 m ；按照梅花形排列。

闸室布置
闸室结构布置主要包括底板、闸墩、胸墙、闸门、工作桥和交通桥等结构的布置和尺寸的拟定。

底板
底板采用整体式平底板，长度为2m ，厚度为 m ，上下游均设齿墙。

闸墩设计
闸墩是闸门和各种上部结构的支承体，由闸门传来的水压力和上部结构的重量和荷载通过闸墩传布于底板。

闸墩结构型式根据闸室结构抗滑稳定性和闸墩纵向刚度要求确定，本设计采用实体式（其刚度很大，可以保证在纵向不会产生变形）。

边墩厚度为，边墩头部采用圆弧形，下游墩头部采用流线型边墩长度与闸室底板顺水流方向长度相等，为2m 。

闸顶高程的确定
根据《水闸设计规范》第条阐述：
挡水时闸顶高程≥最高挡水位+波浪计算高度+安全超高
A h h Z ++=z 0
}])(7.0[13.0)(
0018.0{
])(
7.0[13.07
.02
45
.02
7.02
2
v gH th v gD
th v gH th v gh m m m =
5
.0200)(9.13v gh v gT m m = m m m L H
th
gT L ππ222
= m
m
p z L H
cth
L h h ππ22
=
Z —闸顶高程
0h —最高挡水位（m ）。

A —安全超高（m ）。

m h —平均波高（m ）。

0v —计算风速（s m /）。

D —风区长度（m ）。

m H —风区内的平均水深（m ）。

m T —平均波周期（s ）。

m L —平均波周长（m ）。

H —闸深水深（m ）。

p h —相应于波列累积频率p 的波高（m ）。

z h —波浪中心线超出计算水位的高度（m ）。

最高挡水位为m h 120=（P=20%），相应设计最大风速为s m v /50=；风区长度为200m ；风区内的平均水深m H 为1m ；相应求得平均波高m h =，平均波周期m T =，平均波长m L =；则设计风浪波高m h p 045.0=；求得m H k 047.0=，z h = 水闸的设计安全超高值按水闸级别为5级由规范取A=， 则水闸的闸顶高程m Z 207.122.0007.012=++= 该设计水闸属于小型水闸，综合取闸室顶高程为. 交通桥设计
在闸室的下游侧布置交通桥，桥身结构为钢筋混凝土板梁结构构，不考虑汽车通过，只考虑人行过，定桥宽为，跨度为，桥面板厚取为10cm ，其中两侧各设高的栏杆。

第五节 水闸抗滑稳定计算
荷载分类及其组合：作用于水闸上的荷载分两类。

基本荷载 主要有：
水闸结构及其上部填料和永久设备自重；
相应于正常畜水位或设计洪水位下水闸底板上的水重； 相应于正常畜水位或设计洪水位情况下的静水压力； 相应于正常畜水位或设计洪水位情况下的扬压力； 土压力； 淤泥压力； 风压力；
相应于正常畜水位或设计洪水位情况下的浪压力。

特殊荷载 主要有：
相应于校核洪水水位情况下水闸地板上的水重； 相应于校核洪水水位情况下的静水压力； 相应于校核洪水水位情况下的扬压力； 相应于校核洪水水位情况下的浪压力；
地震荷载；
其他出现机会较少的荷载等。

在本设计中，分两种情况（完建情况、设计情况）进行荷载计算及组合。

1）完建情况（基本组合），荷载计算仅考虑闸室及其上部结构自重，主要包括闸地板重力G 1、闸墩重力G 2、交通桥重力G 3、取混凝土、钢筋混凝土的容重为25KN/3m 。

完建情况荷载图和荷载计算表见下图
底板自重：KN Ab G 5.632213.08.04.18.02251=⨯⎥⎦⎤⎢⎣
⎡
⨯⨯+-
⨯⨯==）（γ 交通桥自重：KN G 5.75.121.0253=⨯⨯⨯= 考虑到栏杆等重量，故取3G 为10KN 闸墩自重：KN G 5025125.022=⨯⨯⨯⨯=
2）设计洪水情况下的荷载。

在设计洪水情况下,闸室的荷载除此之外,还有闸室内水的重力、水压力、扬压力等。

闸室水重：84.245.03.12)45.05.1(8.9=⨯⨯⨯+⨯=水G KN
水闸设计水位情况下的荷载图见下图, 设计水位情况下的荷载计算表见下表，设计水位情况下荷载和力矩计算对B 点取矩
水平水压力：KN P 88.22.1)2.05.08.95.02
1=⨯+⨯
⨯=（
KN P 35.122.16.03.12.2(8.95.02=⨯⨯+⨯⨯=） KN P 19.92.125.18.95.023=⨯⨯⨯=
浪压力：KN h h L P z p m 125.0)(4
1
=+=γ浪 浮托力：
KN U 288.152.1]5.03.08.02.10.28.0[8.9=⨯⨯⨯+-⨯⨯=）（
渗透压力：KN F 59.02.134.303.08.95.0=⨯⨯⨯⨯=渗
完建情况下作用荷载和力矩计算表 (对底板上端B 点求力矩)
部位
重力 (KN) 力臂
(m)
力矩(KN ·m)
顺
逆
底板 闸墩 50 125 交通桥 10 25 合计
设计水位情况下荷载和力矩计算（对B 点取矩）
基底反力与抗滑稳定计算
1、土基上的闸室稳定计算应满足下列要求： 在各种计算荷载情况下，闸室平均基底应力不大于地基允许承载力，最大基底应力不大于地基允许承载力的倍。

闸室基底应力的最大值与最小值之比不大于《水闸设计规范》P137表7-3-5（松土 ：基本组合 ； 特殊组合 ）规定的允许值。

沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数不小于《水闸设计规范》P153表7-3-13（水闸五级： 基本荷载 ；特殊组合 ）规定的允许值。

验算闸室基底压力
kpa W M A G p u
d 339.015.1075.3084.05.123max
=+=∑+∑=，方向竖直向下 kpa W M A G p u
d 278.015
.1075.3084.05.123min
=-=∑-∑=，方向竖直向下 u d u
dman
p
p
m in
,均小于地基允许承载力100kpa ，且[]00.222.1min
max =<==ηηu d u d
p p ，故土
基上的闸室稳定满足要求。

u d p ——闸室基底上下游压力值，kpa
G ∑——作用在闸室上的全部竖向荷载，KN
M ∑——作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩，m KN ⋅
A ——闸室基础底面的面积，2m
W ——闸室基础底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩，3m η——闸室基底应力的最大值与最小值之比，[]η为允许值，
地基土质松软，[]η值为
验算闸室的抗滑稳定
[]05.1016.8163
.65.1234.0=>=⨯=∑∑⋅=C C K H G f K ，故水闸抗滑状态满足要求。

C K ——沿闸室基础底面的抗滑稳定安全系数
f ——闸室基础底面与地基之间的摩擦系数，因地基为粘土地质，f 值为
H ∑——作用在闸室上的全部水平向荷载，KN
第六节 细 部 结 构 设 计
分缝设计
为了适应地基不均匀沉降和伸缩变形，水下各构件和构件本身均留有接缝。

凡不允许透水的缝中均必须设置止水设备。

按照止水设备的走向，缝有垂直分缝和水平缝之分。

属于垂直缝的有：设于边墩与翼墙间的接缝等。

属于水平缝的有，消力池和底板之间，护底与两则翼墙底板之间，还有闸后消力池与闸底板之间的分缝（视排水起点的不同，这种缝可能是透水的，也可能是不透水的），以及消力池与翼墙之间的接缝。

各种接缝应尽可能做成平面形状，宽度和间距应根据相对沉降量，伸缩变形和水闸总体布置等要求拟定。

缝宽一般取～。

取。

二、止水设计
位于防渗范围内的永久缝应设一道止水。

大型水闸的永久缝应设两道止水。

止水的型式应能适应不均匀沉降和温度变化的要求，止水材料应耐久。

垂直止水与水平止水相交处必须构成密封系统。

止水有垂直止水和水平止水。

接缝交叉有“垂直交叉”（垂直缝与水平缝的交叉）和“水平交叉”（水平缝和水平缝的交叉）。

交叉处的连接方法大致可以分为两类：一类是柔性连接（即将金属止水片的接头部分埋在沥青块里），一类是刚性连接（即将金属止水片剪裁厚焊接成整体）。

工程中多根据交叉类型及施工条件来决定止水片的连接方法：对于“垂直交叉”，一般多用柔性连接：而对于“水平交叉”，则多用刚性连接。

分缝和止水设备的工作量虽小，但对水闸正常工作的影响很大。

如果设计和施工不当，止水一旦破坏以后，严重的将会影响整个水闸的安全，因此应引起足够重
视
第七节上下翼墙设计
上下游两岸采用喇叭形翼墙，连接闸室段的墙顶高程为，底板高程为。

上游翼墙除挡土外，还有的作用是将上游来水平顺地导入闸室，其次是配合铺盖起防渗作用，因此，其平面布置与上游进水条件和防渗设施相协调。

上游段翼墙的每侧扩散角度分别不大于12度～18度，取8度。

闸室上游翼墙连同上游段挡土墙总长为5m，在外江与挡土墙头接触处两岸分别设半径为的圆弧插入岸坡。

下游翼墙除挡土外还有导引出闸的水流沿翼墙均匀地扩散的作用，避免在墙前出现回流旋涡等不利流态。

翼墙的平均扩散角每侧宜采用7度～12度，取8度。

与内河连接处以半径为的圆弧插入岸坡。

第四章参考文献
《水闸设计》
《水闸设计规范（sl265-2001）》
《水工钢筋混凝土结构》（教材）
《水工建筑物设计示例与习题》杨树宽主编
《水工挡土墙设计》管枫年等三人编
《混凝土结构构造》（中国建筑出版社）
《建筑结构静力计算手册》（中国建筑工业出版社）
《水工建筑物》（教材）
《水力学》（教材）
《建筑力学》（教材）
《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》。