水闸、冲沙闸坝段水力及结构计算书(精)

目 录

1工程概况.................................................................................................. 1 2水力计算.................................................................................................. 1 2.1进水闸坝段过水能力计算 ............................................................... 1 2.2消能防冲设计 ................................................................................... 3 2.3冲砂闸过水能力复核 ....................................................................... 4 2.4消能防冲设计 ................................................................................... 5 3稳定及应力计算 ..................................................................................... 6 3.1基本资料与数据 ............................................................................... 6 3.2结构简化 ........................................................................................... 6 3.3计算公式 ........................................................................................... 6 3.4荷载计算及组合 .............................................................................. 8 3.5计算成果 ........................................................................................... 9 3.6冲沙闸荷载计算 ............................................................................ 12 3.7计算成果 ......................................................................................... 13 3.8计算简图 ........................................................................................ 17

1工程概况

某调水工程由关山低坝引水枢纽和穿越秦岭山区的输水隧洞两大部分组成，按其供水对象及性质，根据《防洪标准》（GB50201—94）和《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000），工程等别为三等中型工程, 主要建筑物按3级建筑物设计。

低坝无调节引水枢纽由拦河坝、冲砂闸、进水闸和输水暗渠四部分组成，前三部分在平面上呈一条直线南北方向并列布置，输水暗渠紧接进水闸并连接进水闸和输水隧洞。两个闸均设在坝的左侧。坝轴线位于两河口下游95m ，关山村上游约1km 处，此处河谷宽度74m ，河床宽度约60m ，高程为1467.2m ，河床漂卵石覆盖层厚5~12m，最大15m ，其下的基岩为黑云片麻岩和斜长片麻岩，岩石强风化层厚约2~3m，岩体分类为Ⅱ～Ⅲ类，岩层倾向上游，对防渗有利。

进水闸位于冲砂闸左侧，设计流量13.5m 3/s，单孔布置，孔口尺寸3.0m ×2.5m ，设潜孔式弧形工作闸门和平面检修闸门。闸室后接4m 长的1:4陡坡，陡坡后接消力池，消力池池长14m ，池深1.0m ，底板厚度1.0m ，为C20钢筋混凝土结构；消力池后与输水暗渠相接。

2水力计算

2.1进水闸坝段过水能力计算 2.1.1引水渠内水深的确定

Q=

3

/22/11R Ai n

式中Q －引水渠流量,13.5m 3/s； n －引水渠糙率,0.015；

A 、χ、R 、b 、h 、m 分别为过水断面面积、湿周、水力半径、渠道底宽、水深及边坡系数，其表达式如下： A=(b+mhh χ=b+2h2m +； R=

χ

A

=

2

2 (m

h b h mh b +++

故 13.5=1/0.015×（3+0 h）h ×(1/10001/2×3

/2 23 . 03((

h

h h ++

经试算求得：h=2.282m 2.1.2过流能力复核

设计流量下的渠内水深为h=2.282m，进口闸底板高程取为1469.00m ，即下游水位为1471.282m ，进口翼墙为圆弧形翼墙。按无坎宽顶堰流计算。 最低引水位为1471.50m ，则H0=1471.50-1469.0+(13.5÷4÷3 2/19.6=2.56m,下游水深为hs=2.282m

0H hs =66

. 2282. 2=0.86<0.9此时，宽顶堰流处于自由出流状态，其流量公式为：

Q=σεmB02

/302H g

式中Q －过闸流量； H0－堰上水头；

σ－堰流淹没系数，σ=0.85； m －堰流流量系数，可取m=0.385； ε－侧收缩系数，取ε=0.909； b0—闸孔净宽，b0=3m。

Q=0.85×0.909×0.385×3.0×6. ×2.662

3=17.14m3/s>13.5 m 3/s故满足引流要求。

考虑到进水闸前根据引水需求需设置拦污栅，故在最低引水位时还需计入拦污栅的局部水头损失，初步估计其水头损失为Δh=0.6v2/2g，则H0=1471.50-1469.0+v2/2g-0.8 v2/2g=2.53m 下游水深为hs=2.282m

0H hs =53

. 2282

. 2=0.901>0.9 此时，宽顶堰流处于高淹没出流状态，其流量公式为： Q=μhsB02/10 (2hs H g

式中μ－淹没堰流的综合流量系数，可按下式计算 μ=0.877+(hs/H0-0.65 2

μ=0.0877+(0.901-0.652=0.94

Q=0.94×2.282×3×g 2×(2.53-2.2821/2= 14.17m 3/s>13.5 m 3/s故满足引流要求。

由于引水渠道的引水流量最大只能达到13.5，故在1471.5水位及其以上，应压闸运行，以保证流量不大于13.5。 2.2消能防冲设计

消力池深d 可按下式计算 d=σ0hc ＇＇-hs-ΔZ hc ＇＇=

]1 (8[23-+hc

h

hc k hc 3-T0hc 2+αq 2/(2gφ2=0

ΔZ=αq 2/(2gφ2hs 2- αq 2/(2ghc’’2 式中

d----消力池深度（m ）；

σ0----水跃的淹没系数(一般取1.0～1.05 ；

hc ＇＇------以下游原河床高程为基准算出的收缩断面的跃后水深； hc-----收缩水深；

α----水流动能校正系数，可采用1.0～1.05； q----单宽流量（m 2/s）； b1----消力池首端宽度（m ）； b2----消力池末端宽度（m ）；

T0----由消力池底板顶面算起的总势能（m ）； ΔZ----出池落差（m ）； hs----下游河床水深（m ）。 经试算得： d=0.79 ΔZ=0.107

消力池长Lsj 可按下式计算： Lsj=βLj Lj=6.9(hc’’-hc

式中

Lsj----消力池长度（m ）；

Ls----消力池斜坡段水平投影长度（m ）； β----水跃长度校正系数，可采用（0.7～0.8）； Lj----自由水跃长度（m ）。 故Lj=6.9×（3.03-0.396）=18.22 Lsj=βLj=+0.7×29.39=17.66 取池深1.0m, 池长14m 。 2.3冲砂闸过水能力复核

该冲砂闸设计最大过流量Q=42m3/s，在非洪水期可根据冲砂要求适时开闸放水，在洪水期可关闭闸门或压闸运行，保证下泄流量不大于42m 3/s。进口闸底板高程为1467.50m ，设计孔口尺寸为4×3.5（高×宽）。按无坎宽顶堰流计算，进口翼墙为圆弧形翼墙。 1471.50水位时过水能力的计算

出流形态判断

忽略行进水头则H0=1471.50-1467.50=4.0m,下游水深为hs<2.25m(校核洪水位时下游水深hs=1469.75-1467.50=2.25m

0H hs <0

. 425. 2=0.563＜0.9 此时，宽顶堰流处于自由出流状态，其流量公式为：

Q=σεmB02

/302H g

式中Q －过闸流量； B0－闸孔总净宽； H0－堰上水头；

σ－堰流淹没系数，σ=1.0； m －堰流流量系数，可取m=0.385； ε－侧收缩系数，取ε=0.909； b0—闸孔净宽，b0=4m。

Q=1×0.909×0.385×3.5×6. ×4.02

3

=43.38m3/s>42 m3/s故满足要求。

2.4消能防冲设计

采用设计洪水工况作为消能防冲的设计标准。

hc ＇＇=

]1 (8[23-+hc

h

hc k hc 3-T0hc 2+αq 2/(2gφ2=0

ΔZ=αq 2/(2gφ2hs 2- αq 2/(2ghc’’2 式中

σ0----水跃的淹没系数(一般取1.0～1.05 ；

hc ＇＇------以下游原河床高程为基准算出的收缩断面的跃后水深； hc-----收缩水深；

α----水流动能校正系数，可采用1.0～1.05； q----单宽流量（m 3/s）； b1----消力池首端宽度（m ）； b2----消力池末端宽度（m ）；

T0----由消力池底板顶面算起的总势能（m ）； ΔZ----出池落差（m ）； hs----下游河床水深（m ）。 经试算得： d=1.32 ΔZ=1.51

消力池长Lsj 可按下式计算： Lsj=βLj Lj=6.9(hc’’-hc 式中

Lsj----消力池长度（m ）；

Ls----消力池斜坡段水平投影长度（m ）； β----水跃长度校正系数，可采用（0.7～0.8）； Lj----自由水跃长度（m ）。 故Lj=6.9×（4.7-1.08）=24.99 Lsj=Ls+βLj=9+0.75×24.99=18.74

综合考虑斜坡式护坦长取18m 。

3稳定及应力计算

3.1基本资料与数据

（1）工程等别：Ⅲ等 建筑物级别：3级 （2）水位：

溢流堰顶高程： 1471.50 m

设计洪水位： 1475.55 m 相应下游水位1469.10m 校核洪水位： 1476.66 m 相应下游水位1469.75m

（3）闸基与基岩抗剪摩擦系数f=0.6，抗剪断摩擦系数f ＇=0.7，抗剪断凝聚力c ＇=200kN/m2，地基承载力f=500 kN/m2。

（4）砼容重γ=24kN/m3，

（5）扬压力按无帷幕，无排水计算。 （6）地震设计烈度：7度 （7）水容重γ=10KN/m3

根据已成工程经验和可研成果，拟定进水闸坝段体型及尺寸如计算简图。 3.2结构简化

进水闸坝段的稳定及基底应力计算时，取整个进水闸坝段作为研究对象，即坝0-006.5~坝0-012.5，基底面取至1467.50m 高程。 3.3计算公式 3.3.1稳定计算公式

分别采用剪摩公式K=f∑G/∑H 和

抗剪断公式K ＇=（f ＇∑G+C＇A ）/∑H 计算。 式中：K —沿闸基面的抗滑稳定安全系数； f —闸基面与地基之间的摩擦系数，取0.6； ∑G —作用在闸上的全部竖向荷载（包括扬压力）； ∑H —作用在冲砂闸坝段上的全部水平荷载； K ＇—沿闸基面的抗剪断稳定安全系数； f ＇—坝闸基面与地基之间的抗剪断摩擦系数； C ＇—闸基与基底面之间的抗剪断粘结力；

A —闸基地面的面积。 3.3.2基地应力计算公式

P=W

M A

G ∑∑±

式中

∑M —作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对基础底面形心轴的力矩； W —闸室基底面对于该底面形心轴的截面矩。 3.3.3荷载计算公式 3.3.3.1自重

计算公式： G=γV

式中：γ——浆砌石或混凝土容重； V——体积； 3.3.3.2静水压力

计算公式： F=1/2γh2B

式中 γ——水容重（KN /m3）； h——水深（m ）； B——计算宽度（m ）； 3.3.3.3波浪压力

当H ≥Hk H≥Lm/2时 计算公式：PL=1/4γLm （h5%+hZ）B

式中：PL ——迎水面上的浪压力标准值（KN /m）； γ——水的重度（KN /m3）； Lm——平均波长（m ）；

H5%——累计频率为5%的波高（m ）； hZ ——波浪中心线至计算水位的高度（m ），

按下式计算：

hz=（πh5% 2/Lm）cth （2πH/ Lm） H——挡水建筑物迎水面前的水深（m ） 3.3.3.4扬压力U

计算公式： U=(γhL+1/2γh0LB

式中： h、 h0——下游水深、上下游水位差；

L 、B ——计算长度、计算宽度；

3.3.3.5地震荷载 （查自《水工建筑物抗震设计规范》） 3.3.3.5.1水平向地震惯性力：

计算公式： Fi=ａh ξGEi αi/g

式中： Fi ——作用在质点i 的水平向地震惯性力代表值 αi ——质点i 的动态分布系数，按下式计算：

n ——坝体计算质点总数；

H ——坝高，溢流坝的H 应算至闸墩顶；

hi ——质点i 的高度； hj ——质点j 的高度；

GE ——产生地震惯性力的建筑物总重力作用的标准值；

GEi —— 集中在质点i 的重力作用标准值； GEj —— 集中在质点j 的重力作用标准值；

ξ ——地震作用的效应折减系数，取0.25； ａh ——水平向设计地震加速度代表值，取0.1g ；

g —— 重力加速度；

3.3.3.5.2地震动水压力：

单位宽度坝面的总地震动水压力作用在水面以下0.54H0处，其代表值F0按下式计算：

式中：ρω ——水体质量密度标准值；

H0 —— 水深； ξ ——地震作用的效应折减系数，取0.25；

ａh ——水平向设计地震加速度代表值，取0.1g ； 3.4荷载计算及组合 3.4.1进水闸荷载计算 3.4.1.1重力

2

065. 0H a F w h ξρ=∑=++=n j j E

j

i i H h G H h 14

4

/(41 /(414. 1α

总重：G=145.4 kN 3.4.1.2水压力

水的重力Pv=RV=0 水的水平力：上游PH 上=2

1

γH 上2 下游：PH 下=

2

1

γH 下2 3.4.1.3扬压力 U=（

2

1

γH2+γH ×1×12.38 3.4.1.4地震荷载

水平向地震总惯性力F=αh ξG αi/g 地震动水压力P0=0.65αh ξρωH 2×6 3.4.2荷载组合

选择最不利荷载组合进行稳定计算，即

3.5计算成果

3.5.1抗滑稳定计算成果表

抗滑稳定计算表（挡水）

抗滑稳定计算表（过水）

3.5.2应力计算成果表

底板纵向地基反力(1471.50水位）

底板纵向地基反力(1475.55水位）

底板纵向地基反力(1476.66水位）

底板纵向地基反力(1471.50水位+地震）

由计算结果可知地基最大压应力为139.66kN/m2，小于地基承载力500 kN/m2，且无拉应力出现，故满足要求。 3.6冲沙闸荷载计算 3.6.1重力

总重：G= 18582.5 kN 3.6.2水压力

水的重力Pv=RV=0 水的水平力：上游PH 上=2

1

γH 上2 下游：PH 下=

21

γH 下2 3.6.3扬压力 U=（2

1

γH 2+γH ×1×12.38

3.6.4地震荷载

水平向地震总惯性力F=αh ξG αi/g 地震动水压力P0=0.65αh ξρωH 2×6.5 3.6.2荷载组合

选择最不利荷载组合进行稳定计算，即

3.7计算成果

3.7.1抗滑稳定计算成果表

抗滑稳定计算表（挡水）

抗滑稳定计算表（过水）

3.7.2应力计算成果表

底板纵向地基反力(1471.50水位）

底板纵向地基反力(1475.55 水位） 部位 闸墩 底板 胸墙 检修平台 梁板 1 梁板 2 梁板 3 梁板 4 梁板 5 门槽 1 门槽 2 闸门重力 启闭机 闸房（房顶） 侧墙 梁 水重 水压力 扬压力 合计 应力 铅直力 4242 12930.96 -409.848 420 36.96 115.08 20.16 16.128 224. 20.16 -159.36 -73.44 30 234 481.65 71.424 1698.865 0 -2744.00 17155.379 90.059463 水平力 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3192.1 0 216.2866 力臂 0.744 0 2.383 -0.5 7.155 5.3 4.601 0.869 -1.3 3.7 0.702 0.7 0.7 2.05 2.05 2.05 4.908 1.63 -3.183 2.67 力矩(Mx 3156.048 0 -976.668 -210 2.4488 609.924 92.75616 14.01523 -292.032 74.592 -111.871 -51.408 21 479.7 987.3825 146.4192 8338.029 0 -10160.4 -21231.8 -18849.9 底板纵向地基反力(1476.66 水位） 部位 闸墩 底板 胸墙 检修平台 梁板 1 梁板 2 梁板 3 梁板 4 梁板 5 门槽 1 门槽 2 闸门重力 启闭机 闸房（房顶） 侧墙 梁 水重 铅直力 4242 12930.96 -409.848 420 36.96 115.08 20.16 16.128 224. 20.16 -159.36 -73.44 30 234 481.65 71.424 14.9 水平力 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 15 力臂 0.744 0 2.383 -0.5 7.155 5.3 4.601 0.869 -1.3 3.7 0.702 0.7 0.7 2.05 2.05 2.05 4.967 力矩(Mx 3156.048 0 -976.668 -210 2.4488 609.924 92.75616 14.01523 -292.032 74.592 -111.871 -51.408 21 479.7 987.3825 146.4192 9411.968 

水压力 扬压力 合计 应力 0 -2990.40 17155.379 166.0775 0 -3977.2 0 0 140.2686 1.78 -3.553 2.67 0 0 0 14131.16 -233.3 3854.135 底板纵向地基反力(1471.50 水位+地震） 部位 闸墩 底板 胸墙 检修平台 梁板 1 梁板 2 梁板 3 梁板 4 梁板 5 门槽 1 门槽 2 闸门重力 启闭机 闸房（房顶） 侧墙 梁 水重 水压力 扬压力 地震力 地震动水 合计 应力 铅直力 4242 12930.96 -409.848 420 36.96 115.08 20.16 16.128 224. 20.16 -159.36 -73.44 30 234 481.65 71.424 980.0 0.0 -3080.0 水平力 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0 1058.8 0.0 696.8443 313.4448 0 166.7543 力臂 0.744 0 2.383 -0.5 7.155 5.3 4.601 0.869 -1.3 3.7 0.702 0.7 0.7 2.05 2.05 2.05 4.5 -1.8 2.67 -6.5 -2.53 0 0 力矩(Mx 3156.048 0 -976.668 -210 2.4488 609.924 92.75616 14.01523 -292.032 74.592 -111.871 -51.408 21 479.7 987.3825 146.4192 4410.2 -1937.5 -8223.6 -4529.49 -793.015 -6869.15 16100.549 120.755513 由计算结果可知地基最大压应力为 166.75kN/m2，小于地基承载力 500 kN/m2， 且无拉应力出现，故满足要求。 16 

3.8 计算简图 17