水工建筑物课程设计终稿 2

《水工建筑物》课程设计

一、工程概况及拦河闸的任务

某拦河闸闸址以上流域面积2234平方公里，流域内耕地面积288万亩，河流平均纵坡1/6200。本工程属三级建筑物。

本工程投入使用后，在正常高水位时，可蓄水2230万立米。上游5个县25个乡已建成提灌站42处，有效灌溉面积25万亩。闸上游开南、北两干渠，配支干 23条，修建各种建筑物1230座，可自流灌溉下游三县21万农田，效益巨大，是解决某河流域农田的灌溉动脉，同时，也是解决地区浅层地下贫水区的重要水源。

二、地质资料

（一）根据地质钻探资料，闸址附近地层中粉质壤土，厚度约25m，其下为不透水层，其物理力学性质如下：

1、湿重度r湿=20.2KN/m3       土壤干重度r干=16.0KN／m3 

饱和重度r饱=22.2KN／m3    浮重度r浮=12.2KN／m3

2.自然含水量时，内摩擦角φ=230    饱和含水量时，内摩擦角φ=200

土壤的凝聚力C=0.1KN／m2

3.地基允许承载力[P地基]=150KPa

4.混凝土、砌石与土基摩擦系数f=0.36

5.地基应力的不均匀系数[η]=1.5～2.0

6.渗透系数K=9.29×10-3cm／s

(二)本地区地震烈度为60以下

三、建筑材料

本工程位于平原地区、山丘少，石料需从外地供给，距京广线很近，交通条件较好。经调查本地区附近有较丰富的粘土材料。闸址处有足够多的砂料。

四、文水气象

(一)气温：本地区年最高气温42度，最低气温为-18度。

(二)风速：最大风速V=20m／s，吹程D=0.6Km。

(三)降雨量：非汛期(1～6月及10～12月)9个月河流平均最大流量为10m3/s；汛期(7～9月)3个月河流平均最大流量为130m3/s。年平均最大流量36.1 m3/s，最大年径流总量为9.25亿m3。年平均最小流量15.6 m3/s，最小年径流总量为0.42亿m3。

(四)冰冻：颖河流域冰冻时间短，冻土很薄，不影响施工。

(五)上下游河道断面

五、批准的规划成果

(一)灌溉用水季节，拦河闸的正常挡水位为58.74m，下游无水。

(二)洪水标准。

1.设计洪水位50年一遇，相应的洪峰流量1124m3／s，闸上游的洪水位为59.5m，相应的下游水位59.35m。

2.校核洪水位200年一遇，相应洪峰流量12.35 m3／s，闸上游的洪水位6l.00m，闸下游水位60.82m。

(六)批准的规划成果

（1）根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》的规定，本枢纽工程为Ⅲ等工程，其中永久性主要建筑物为3级。

（2）灌溉用水季节，拦河坝正常挡水位为58.74m

（3）洪水标准，如表5-13所示。

                        如表5-13   洪水标准

项目	重现期（年）	洪水流量（m³/s）	闸前水位（m）	下游水位（m）
设计洪水 校核洪水	50 200	1124 12.35	59.5 61	59.35 60.82

（七）施工条件 

    1、工期为两年。

    2、材料供应情况

水泥由某水泥厂运输260 Km至某市，再运输80 Km至工地仓库；其它他材料由市汽车运至工地；电源由电网供电，工地距电源线1.0Km；地下水位平均为28.0~30.0m。

（一）闸址的选择 

    闸址、闸轴线的选择关系到工程的安全可靠、施工难易、操作运用、工程量及投资大小等方面的问题。在选择过程中首先应根据地形、地质、水流、施工管理应用及拆迁情况等方面进行分析研究，权衡利弊，经全面分析比较，合理确定。

    本次设计中闸轴线的位置已由规划给出。

（二）闸型确定 

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51.92m.

(三)拟定闸孔尺寸及闸墩厚度

由于已知上、下游水位，可推算上游水头及下游水深，如表所示。

上游水头计算

流量Q（m³/s0	下游水深 (m)	上游水深H（m）	过水断面积（㎡）	行近流速（m³/s）		上有水头 （m）
设计流量1124 校核流量12.35	7.43 8.9	7.58 9.08	746.51 943.49	1.51 1.76	0.12 0.16	7.7 9.24

注：考虑雍高15-20cm

设计：=59.35-51.92=7.43 

H=59.5-51.92=7.58   

A=（101.92+80）×5.48×0.5+(113.92+122.32)×2.1×0.5=498.46+248.05=746.51

=12.35/746.51=1.51   

=1.51²/2/9.8=0.12  

 =7.58+0.12=7.7

校核：=60.82-51.92=8.9 

 H=61-51.92=9.08  

 A=（101.92+80）×5.48×0.5+(113.92+128.32)×2.1×0.5=498.46+436.03=943.49    

=12.35/943.49=1.76   

 =1.76²/2/9.8=0.16  

 =9.08+0.16=9.24

闸门全开泄洪时，为平底板宽顶堰堰流，根据公式hs≥0.8Ho判别是否为淹没出流，其判别计算见下表.

                        淹没出流判别计算

计算情况	下游水深（m）	上游水头（m）		流态
设计水位 校核水位	7.43 8.9	7.7 9.24	7.43>6.16 8.9>7.39	淹没出流 淹没出流

设计：0.8=0.8×7.7=6.16  

校核：0.8=0.8×9.24=7.39

按照闸门总净宽计算公式=，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。

    闸孔总净宽计算

流量Q  （m³/s

）	下游水深（m）	上游水头（m）		淹没系数
设计流量1124 校核流量1612.35	7.43 8.9	7.7 9.24	0.965 0.963	0.545 0.565	58.99 63.47

设计： =7.43/7.7=0.965   

 =（0.965-0.96）/（0.97-0.96）×（0.59-0.5）+0.5=0.545   ===58.99

校核： =9.24/7.7=0.963   

 =（0.963-0.96）/（0.97-0.96）×（0.59-0.5）+0.5=0.565   ===63.47

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 m，同时为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，63.47/8=7.9<8，故选8孔。由于闸基为软基河床，选用整体式底板，缝设在河墩上，中墩厚1.2m，缝墩厚1.6m,边墩厚1m.如图所示。闸孔总宽度为

L=（8×8）+（3×1.6+4×1.4）=73.6(m)

    闸孔尺寸布置图

（四）校核泄洪能力 

根据孔口与闸墩的尺寸可计算侧收缩系数，查《水闸设计规范》（规范表2-2），结果如下：

靠缝墩孔：=8/（8+1.6）=0.833   得=0.973

对于边孔：=8/（8+（9.08×2+6+（80-73.6）/2））=8/35.36=0.226得=0.9102

所以=（6×0.973+2×0.9102）/8=0.957

与假定接近，根据选定的孔口尺寸与上下游水位，进一步换算流量如下表所示：

过流能力校核计算表

计算情况（m³/s）	堰上水头H0（m）					校核过流能力
设计流量1124 校核流量12.35	7.7 9.24	0.965 0.963	0.545 0.563	0.96 0.96	1219.47 1655.98	8.5% 0.8%

设计：Q==0.96×0.545×0.385××＝1219.47 m³/s

校核：Q==0.96×0.563×0 .385×m³/s

设计情况超过了规定5%的要求，说明孔口尺寸有些偏大，但根据校核情况满足要求，所以不再进行孔口尺寸的调整。

三、消能设计

（一）消能防冲设计的控制情况 

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58.74m，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=6.82m，闸门局部开启情况，作为消能防冲设计的控制情况。

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、5、7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。

辅助曲线的绘制：根据水闸所在的河流纵横断面图，绘制下游水位与流量关系曲线，用明渠均匀流公式进行计算：Q=AC，C = R^(1/6) / n ，R = A/χ，（A为过流断面面积，c为谢才系数，R为水力半径，n为河槽糙率，χ为断面湿周，i为渠道底坡）

假设下游水深h为0.5m时，

A=(b+mh)h=(80+2×0.5)×0.5=40.5m,

Χ=b+2h==82.236m

R=A/χ=40.5/82.236=0.492m，

n=(n1χ1+n2χ2）/(χ1+χ2)= 0.0227,

 C = / n=  0.492^(1/6) /0.0227=39.14

Q=AC= 40.5×39.14=14.128(m)

…………………

继续假设h为1.0m,1.5m等等系列数值，直到马道到河床的高度5.48m

假设下游水深h为6m时，

A=(101.92＋80）×0.5×5.48＋[4（h-5.48）+101.92+101.92](h-5.48) ×0.5=498.46+[4(6-5.48)+101.92+101.92](6-5.48)=552

Χ=b+2h=80+2×6×+2×6=106.833m

R=A/χ=552/106.833=5.169

n=(n1χ1+n2χ2）/(χ1+χ2)=(0.0225×80+0.03×38.83)/106.833=0.024

C = / n=/0.024=52.697

Q=AC=552×52.697×=839.74

……………………

照此方法可以继续算出6m—9.5m的相关所有数值

计算可得下表

H	n	A	X	R	C	Q
0.5	0.022704	40.5	82.23607	0.492485	39.14092	14.12819
1	0.0227	82	84.47214	0.970734	43.45805	44.5901
1.5	0.02308	124.5	86.7082	1.43585	46.01978	87.1912
2	0.023254	168	88.94427	1.888823	47.81129	140.1973
2.5	0.02342	212.5	91.18034	2.330546	49.16577	202.5605
3	0.023577	258	93.411	2.761827	50.23906	273.567
3.5	0.023727	304.5	95.65248	3.183399	51.11719	352.6988
4	0.023871	352	97.88854	3.595926	51.85279	439.5663
4.5	0.024007	400.5	100.1246	4.000016	52.48042	533.8691
5	0.024138	450	102.3607	4.396219	53.02393	635.3722
5.48	0.024259	498.4608	104.5073	4.769626	53.48252	739.4166
6	0.024951	552	106.8328	5.166952	52.69706	839.7438
6.5	0.025044	604.5	109.06	5.542369	53.11816	960.0442
7	0.025134	658	111.305	5.911687	53.50036	1087.032
7.5	0.025221	712.5	113.541	6.275265	53.84951	1220.638
8	0.025304	768	115.7771	6.633437	54.17036	1360.807
8.5	0.025385	824.5	118.0132	6.986509	54.46675	1507.497
9	0.025463	882	120.2492	7.334767	54.74186	1660.678
9.5	0.025539	940.5	122.4853	7.678473	54.99835	1820.33

曲线关系如下

：

B.1消力池计算

B.1.1　消力池深度可按公式(B. 1)～(B. 4)计算：(计算示意图见图B.1.1)

图B.1.1

                   (B. 1)

       (B. 2)

                 (B. 3)

                (B. 4)

式中　d---消力池深度(m)；

σ0---水跃淹没系数,可采用1.051.10；

H″C---跃后水深(m)；

H C ---收缩水深(m)；

　α---水流动能校正系数,可采用1.0～1.05；

　q---过闸单宽流量(m2/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)；

h's---出池河床水深(m).

b.1.2　消力池长度可按公式(b.1.2-1)和公式(b.1.2-2)计算(计算示意图见图b.1.1)：

L sJ＝Ls +βLJ                       (b.1.2-1)

L J ＝6.9(h"C-hC )                   (b.1.2-2)

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---水跃长度(m).

取开启高度分别为0.8m,1.0m,1.2m,1.5m,2m进行计算，算出e、H的比值，查水力学书可以得到平底堰的收缩系数，出闸后的收缩水深hc=εe流量计算使用孔口计算出流公式：Q=

当n=1，e=0.8m时，

e/H=0.8/6.82=0.12

ε=（0.12-0.1）（0.618-0.615）/（0.15-0.1）+0.615=0.616

Q===43.32

q=Q/8=43.32/8=5.41

hc=0.616×0.8＝0.49

==3.25

查图可知Hs=0.98

=0.168

==0.84

L J ＝6.9(h"C-hC )＝6.9×(3.25-0.49)＝19

L sJ＝Ls +βLJ=6.4+0.8×19＝21.22

…………………

继续假设，算法与上述一致

当n=3，e=0.8m时

e/H=0.8/6.82=0.12

ε=（0.12-0.1）（0.618-0.615）/（0.15-0.1）+0.615=0.616

Q===129.95

q=Q/8/3=129.95/8/3=5.41

hc=0.616×0.8＝0.49

==3.25

查图可知Hs=1.9

=0.045

==1.19

L J ＝6.9(h"C-hC )＝6.9×(3.25-0.49)＝19

L sJ＝Ls +βLJ=6.4+0.8×19＝21.22

…………………

继续假设，算法与上述一致

以此类推n=5，n=7，最后得出下表

在下表中可以发现池深先增大后减小，取最大值为限开水深，上一水深为池深控制，标注于下表，对应的高于此深度的为淹没出流，其他为自由出流

按公式计算结果列入表1。

表1  消力池池深池长估算表

开启孔数n	开启高度e	e/H	ζ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	消力池尺寸			备注
										池深d	池长Ls	水跃长Lsj
1	0.8	0.12	0.616	43.32	5.41	0.49	3.25	0.98	自由出流	0.84	21.22	19
	1	0.15	0.618	54.3	6.79	0.62	3.6	1.11		0.75	22.47	20.6
	1.2	0.18	0.619	65.29	8.16	0.74	3.92	1.24		0.66	23.51	21.93
	1.5	0.22	0.621	81.82	10.23	0.93	4.35	1.44		0.54	24.77	23.56
	2	0.29	0.624	109.73	13.72	1.25	4.96	1.71		0.26	26.35	25.58
3	0.8	0.12	0.616	129.95	5.41	0.49	3.25	1.9		1.19	21.22	19
	1	0.15	0.618	162.91	6.79	0.62	3.6	2.18		1.24	22.47	20.6
	1.2	0.18	0.619	195.87	8.16	0.74	3.92	2.45		1.26	23.51	21.93
	1.5	0.22	0.621	245.47	10.23	0.93	4.35	2.8		1.29	24.77	23.56	池深控制
	2	0.29	0.624	329.19	13.72	1.25	4.96	3.35		1.3	26.35	25.58	限开
5	0.8	0.12	0.616	216.58	5.41	0.49	3.25	2.6		0.71	21.22	19
	1	0.15	0.618	271.51	6.79	0.62	3.6	2.99		0.69	22.47	20.6
	1.2	0.18	0.619	326.45	8.16	0.74	3.92	3.33		0.67	23.51	21.93
	1.5	0.22	0.621	409.12	10.23	0.93	4.35	3.82		0.62	24.77	23.56
	2	0.29	0.624	548.65	13.72	1.25	4.96	4.57		0.51	26.35	25.58
7	0.8	0.12	0.616	303.21	5.41	0.49	3.25	3.19		0.2	21.22	19
	1	0.15	0.618	380.12	6.79	0.62	3.6	3.66	淹没出流
	1.2	0.18	0.619	457.03	8.16	0.74	3.92	4.05
	1.5	0.22	0.621	572.76	10.23	0.93	4.35	4.66
	2	0.29	0.624	768.11	13.72	1.25	4.96	5.

通过计算，为了节省工程造价，防止消力池过深，对开启3孔开启高度为1.3米限开，得出开启3孔开启高度为1.3米为消力池的池深控制条件。

（二）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1.3m，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。

=13.7*13.7/(2*9.8*0.95*0.95*3.35*3.35)-13.7*13.7/(2*9.8*4.95*4.95)=0.556

σ0==1.05

2、消力池池长

根据池深为2m，用公式（13）、（14）计算出相应的消力池长度为30ｍ。

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16计算消力池底板厚度。其中 为消力池底板计算系数，取0.18； 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。

  =

取消力池底板的厚度 m。

图1   消力池构造尺寸图  (单位：高程m，尺寸cm)

（三）海漫设计 

1、海漫长度计算

用，q=Q/B(B取河谷宽度80m)，上下游水位差计算海漫长度结果列入表2。其中 为海漫长度计算系数，根据闸基土质为中粉质壤土则选12。取计算表中的大值，确定海漫长度为48m。

表2   海漫长度计算表

流量Q	上游水深	下游水深	q
100	6.82	1.62	1.25	5.20	30.6
200	6.82	2.48	2.5	4.34	39.5
300	6.82	3.17	3.75	3.65	44.4
400	6.82	3.78	5	3.04	46.8
500	6.82	4.32	6.25	2.50	47.4
600	6.82	4.83	7.5	1.99	46.4
700	6.82	5.30	8.75	1.52	43.8

下游水深 可以查Q—h曲线，

q=Q/L=100/73.6=1.25

=H- =6.82-1.62=5.2

=

……………………

按照以上算法可以得出上表所有数值，我组数据时在Q在100—700之间的任何值水深都不会超出马道至河床的高度，故上表所有数据都是按以上算法。

2、海漫构造

    因为对海漫要求有一定的粗糙度，以便进一步消除余能，有一定的透水性，有一定的柔性，所以选择在海漫的其实段为18m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30m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。放慢厚度为0.6m，下面设15cm的砂垫层。

（四）防冲槽设计

     海漫末端河床冲刷坑深度按公式t″=1.1-t计算，其中河床土质的不冲流速可按公式

                        海漫冲刷坑深度计算

计算情况	q″[m3/(s·m)]	相应过水水面积A（m2）	湿周χ（m）	R1/5	[v0](m/s)	h″(m)	d(m)
								校核情况	20.53	1109.62	128.75	1.54	1.231	10.9	7.445
设计情况	14.05	932.25	122.17	1.501	1.201	9.43	3.438

校核：q″=Q/80=12.35/80=20.25   

χ＝2×10.9＋80＝128.75

A=(80＋80＋2×21.8)×10.9×0.5＝1109.62   

h″＝60.82－51.92＝10.9  

[v0]＝0.8×R1/5 ＝1.231       

d＝1.1-t ＝1.1×＝7.445

设计：q″= Q/80=1124/80=14.5   

χ＝2×9.43＋80＝122.17

A=(80＋18.86)×9.43＝932.25 

h″＝59.35－49.92＝9.43

[v0]＝0.8×R1/5 ＝1.201    

d＝1.1-t ＝1.1×＝3.438

根据计算确定防冲槽的深度为2m。采用宽浅式，底宽取4m，上游坡率为2，下游坡率为3，出槽后做成坡率为5的斜率与下游河床相连。如图所示

    

海漫防冲槽构造图

（五）上、下游岸坡防护

为了保护上、下游翼墙以外的河道两岸岸坡不受水流的冲刷，需要进行护坡。采用浆砌石护坡，厚0.3米，下设0.1米的砂垫层。保护范围上游自铺盖向上延伸2～3倍的水头，下游自防冲槽向下延伸4～6倍的水头。

四、防渗排水设计

（一）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

3、地下轮廓线布置

1）闸基防渗长度的确定

根据公式L≥C×H计算闸基理论防渗长度为47.74m。其中C为渗径系数，因为地基土质为中粉质壤土，查表取7。

L=7×6.82=47.74

2）防渗设备

      由于闸基土质以黏性土为主，防渗设备采用黏土铺盖，闸底板上下游侧设置齿墙，为了避免破坏天然的黏土结构，不宜设置板桩。

3）防渗设备尺寸的构造

（1）闸底板顺水流方向长度，据闸基土质为中粉质壤土，A取2.0，按式L底=AH

L底=A×H=2×6.82=13.（m）

综合考虑上部结构布置及地基承载力等要求，确定砸闸底板长度为15m。

（2）闸底板厚度为：t=（m），实际取为1.5。

齿墙具体尺寸如图

闸底板尺寸图（单位：cm）

（4）铺盖长度根据3~5倍的上下游水位差，确定为30m。铺盖厚度确定：为便于施工，上游端取为0.6m，末端为1.5m，以便和闸底板连接。为了防止水流冲刷及施工时破坏铺盖，在其上设置30cm厚的浆砌块石保护层，10cm厚的砂垫层。

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+齿墙长度=30+15+6.8=57.8>47.74

（二）排水设备的细部构造 

1、排水设备的作用

采用排水设备，可降低渗透水压力，排除渗水，避免渗透变形，增加下游的稳定性。排水的位置直接影响渗透压力的大小和分布，应根据闸基土质情况和水闸的工作条件，做到即减少渗压又避免渗透变形。

2、排水设备的设计

（1）水平排水  水平排水为加厚反滤层中的大颗粒层，形成平铺式。反滤层一般是由2~3层不同粒径的砂和砂砾石组成的。层次排列应尽量与渗流的方向垂直，各层次的粒径则按渗流方向逐层增大。

反滤层的材料应该是能抗风化的砂石料，并满足：被保护土壤的颗粒不得穿过反滤层；各层的颗粒不得发生移动；相邻两层间，较小一层的颗粒不得穿过较粗一层的空隙；反滤层不能被阻塞，应具有足够的透水性，以保证排水通畅；同时还应保证耐久、稳定，其工作性能和效果应不随时间的推移和环境的改变而变差。

本次设计中的反滤层由碎石，中砂和细砂组成，其中上部为20cm厚的碎石，中间为10cm厚的中砂，下部为10cm厚的细砂。

  

  

  

  

  

  

  

  

  

图2    反滤层构造图   (单位：cm)

  

（2）铅直排水设计  本工程在护坦的中后部设排水孔，孔距为2m，孔径为10cm，呈梅花形布置，孔下设反滤层。

（3）侧向排水设计  侧向防渗排水布置（包括刺墙、板桩、排水井等）应根据上、下游水位，墙体材料和墙后土质以及地下水位变化等情况综合考虑，并应与闸基的防渗排水布置相适应，在空间上形成防渗整体。

  在消力池两岸翼墙设2~3层排水孔，呈梅花形布置，孔后设反滤层，排出墙后的侧向绕渗水流。

3、止水设计

凡具有防渗要求的缝，都应设止水设备。止水分铅直和水平止水两种。前者设在闸墩中间，边墩与翼墙间以及上游翼墙铅直缝中；后者设在粘土铺盖保护层上的温度沉陷缝、消力池与底板温度沉陷缝、翼墙、消力池本身的温度沉降缝内。在粘土铺盖与闸底板沉陷缝中设置沥青麻袋止水。

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

图3   止水详图   (单位：cm)

  

（三）防渗计算 

1、渗流计算的目的：计算闸底板各点渗透压力；验算地基土在初步拟定的地下轮廓线下的渗透稳定性。

2、计算方法有直线比例法、流网法和改进阻力系数法，由于改进阻力系数法计算结果精确，采用此种方法进行渗流计算。 

3、计算渗透压力    

（1）地基有效深度的计算。根据公式

当        当

判断=45/2.5=18>5,地基有效深度为：

=0.5×45＝22.5(m)

小于实际的地基透水层深度22.5m，所以取小值=22.5m。

（2）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、9段为进出口段，用式ζ0=1.5（）+0.441计算阻力系数；3、5、7段为内部垂直段，用式ζy=计算相应的阻力系数；2、4、6、8段为水平段，用式ζx=计算相应的阻力系数。各典型段的水头损失用式计算。结果列入（表1）中。 对于进出口段的阻力系数修正，按公式h0'=β'h0、

β'=1.21-、△h＝(1-β') h0计算，结果如表所示。

    渗流区域分段图（单位：m）

分段编号	分段名称	S	S1	S2	T	L	ζi	hi	hi'
①	进口	0.6	-	-	22.5	-	0.45	0.997	0.336
②	水平	-	0	1.9	21.9	30	1.31	2.918	3.579
③	垂直	1.9	-	-	21.9	-	0.09	0.914	0.194
④	水平	-	0	0	20	1	0.05	0.111	0.111
⑤	垂直	1	-	-	21	-	0.05	0.106	0.106
⑥	水平	-	1	1	21	13	0.55	1.231	1.231
⑦	垂直	1	-	-	21	-	0.05	0.106	0.106
⑧	水平	-	0	0	20	1	0.05	0.111	0.373
⑨	出口	1.5	-	-	21.5	-	0.47	1.044	0.783
合计	-	-	-	-	-	-	3.06	6.82	6.82

各段渗透压力水头损失表

段别	S'	T'	β'	h0'	△h	hi'
进口段	0.6	21.9	0.34	0.334	0.661	3.579
出口段	2.5	20	0.75	0.783	0.262	0.373

进出口段的阻力系数修正表

①进口：ζ0=1.5（）+0.441= 1.5（）+0.441=0.45

hi==0.45×

②水平：ζx==

hi==1.31×

③垂直：ζy==

hi==009×

④水平：ζx==

hi==0.05×

⑤垂直：ζy==

hi==0.05×

⑥水平：ζx==

hi==0.55×

⑦垂直：ζy==

hi==0.05×

⑧水平：ζx==

hi==0.05×

⑨出口：ζ0=1.5（）+0.441= 1.5（）+0.441=0.47

hi==0.47×

进口段：T'=22.5-0.6=21.9

β'=1.21-=1.21-

h0'=β'h0=0.34×0.997＝0.334        △h＝(1-β') h0=(1-0.34) ×0.997=0.661

进口段：：T'=22.5-2.5=20

β'=1.21-=1.21-

h0'=β'h0=0.75×1.044=0.783   

△h＝(1-β') h0=（1-0.783）×1.044=0.262

②水平：hx>△h  即2.918>0.661   故hx'= hx+△h=2.918+0.661=3.579

⑧水平段类似上述解法hx'= hx+△h0.111+0.262=0.373

其他段不变

（3）计算各角点的渗透压力值。 

用表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6.82m。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，结果列入表3

H1	H2	H3	H4	H5	H6	H7	H8	H9	H10
6.82	6.48	2.9	2.71	2.6	2.49	1.26	1.16	0.78	0

闸基各角点渗透压力值

H1=H=6.82

H2=H1- hi'=6.82-0.336=6.48

H3=H2- h2=6.48-3.579=2.9

………

H10=H9-h9=0.78-0.78=0

（4）验算渗流逸出坡降。 

出口段的逸出坡降为：，小于壤土出口段允许渗流坡降值 （查表得），满足要求，不会发生渗透变形。绘制闸底板的渗透压力分布如图所示

五、闸室布置

（一）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15m。

（4）厚度　根据前边设计已知闸底板厚度为1.5m。

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，下游墩头采用流线型。其长度采用与底板同长，为15m。

（3）厚度　为中墩1.2m，缝墩1.6m，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0.20m,宽0.20m,主门槽深0.3m,宽0.8m。检修门槽与工作门槽之间留3.0m的净距，以便于工作人员检修。 

（4）高度　采用以下三种方法计算取较大值，根据计算墩高最大值为9.58m，另根据《水闸设计规范》中规定有防洪任务的拦河闸闸墩高程不应低于两岸堤顶高程，两岸堤顶高程为61.50m，经比较后取闸墩高度为10.00m。

1） =校核洪水位时水深+安全超高=9.08+0.5=9.58m。

2） =设计洪水位时水深+安全超高=7.58+0.7=8.28m；

3） =正常挡水位时水深+ =6.820.59+0.4=7.81m。

墩缝尺寸见图

    缝墩尺寸详图（单位：cm）

（二） 闸门与启闭机 

闸门按工作性质可分为工作闸门、事故闸门和检修闸门；按材料分为钢闸门、混凝土闸门和钢丝网水泥闸门；按结构分为平面闸门、弧形闸门等

1.工作闸门

工作闸门基本尺寸为闸门高8m,宽8m,采用平面钢闸门，双吊门，滚轮支承。

2、检修闸门

检修闸门采用叠梁式，闸门槽深为20cm，宽为20cm，闸门型式如图2所示。                                     叠梁式检修闸门示意图

3、启闭机类型

启闭机可分为固定式和移动式两种　常用固定式启闭机有卷扬式、螺杆式和油压式。卷扬式启闭机启闭能力较大，操作灵便，启闭速度快，但造价高。螺杆式启闭机简便、廉价，适用于小型工程，水压力较大，门重不足的情况等。油压式启闭机是利用油泵产生的液压传动，可用较小的动力获得很大的启闭力，但造价较高。在有防洪要求的水闸中，一般要求启闭机迅速可靠，能够多孔同步开启，这里采用卷扬式启闭机，一门一机。

4、启闭机的选型

（1）根据《水工设计手册》平面直升钢闸门结构活动部分重量公式，经过计算得13.9t，考虑其他因素取闸门自重140KN。

                                        （1）

式中  —闸门结构活动部分重量，t；

—闸门的支承结构特征系数，对于滑动式支承取0.8；

      —闸门材料系数，普通碳素结构钢制成的闸门为1.0；

      —孔口高度，取8m；

—孔口宽度，取8m。

（2）初估闸门启闭机的启门力和闭门力，根据《水工设计手册》中的近似公式：

=0.1×1860+1.2×140=354KN

=0.1×1860-1.2×140=18KN

式中  —平面闸门的总水压力 ,KN, 

—启门力，KN；

      —闭门力，KN；

P==0.5×10×6.822×8=1860KM

由于闸门关闭挡水时，水压力P值最大此时闸门前水位为6.82m本次设计的水闸为中型水闸，系数采用0.10，经计算启门力为354kN,闭门力为为18Kn.查《水工设计手册》，选用电动卷扬式启闭机型号QPQ-2×40。

（三）上部结构 

1、工作桥是为了安装启闭机和便于工作人员操作而设的桥。若工作桥较高可在闸墩上部设排架支承。工作桥设置高程与闸门尺寸及形式有关。由于是平面钢闸门，采用固定式卷扬启闭机，闸门提升后不能影响泄放最大流量，并留有一定的富裕度。根据工作需要和设计规范，工作桥设在工作闸门的正上方，用排架支承工作桥，桥上设置启闭机房。由启闭机的型号决定基座宽度为2m，启闭机旁的过道设为1m，启闭机房采用24砖砌墙，墙外设0.66m的阳台（过人用）。因此，工作桥的总宽度为1+1+0.24+0.24+0.66+0.66=6m。由于工作桥在排架上，确定排架的高度即可得到工作桥高程。

排架高度=闸门高+安全超高+吊耳高度 

=8+0.5+0.5=9m

工作桥高程=闸墩高程+排架高+T型梁高

=61.92+9+1=71.92m

工作桥细部构造图（单位：cm）

（2）交通桥宽6m，其中人行道宽1m，两边设栏杆混凝土路面

交通桥细部构造图（单位：cm）

（3）、检修桥的作用为放置检修闸门，观测上游水流情况，设置在闸墩的上游端。

（四）  闸室的分缝与止水 

水闸沿轴线每隔一定距离必须设置沉陷缝，兼作温度缝，以免闸室因不均匀沉陷及温度变化产生裂缝。缝距一般为15~30m，缝宽为2~2.5cm。整体式底板闸室沉陷缝，一般设在闸墩中间，一孔、二孔或三孔一联为单元，其优点是保证在不均匀沉降时闸孔不变形，闸门仍然正常工作。

凡是有防渗要求的缝，都应设止水设备。止水分铅直和水平两种。前者设在闸墩中间，边墩与翼墙间以及上游翼墙本身；后者设在铺盖、消力池与底板，和混凝土铺盖、消力池本身的温度沉降缝内。

本次设计缝墩宽1.6m，缝宽为2cm，取中间两孔一联。

六、闸室稳定计算

（一）设计情况及荷载组合 

1、设计情况选择

水闸在使用过程中，可能出现各种不利情况。完建无水期是水闸建好尚未投入使用之前，竖向荷载最大，容易发生沉陷或不均匀沉陷，这是验算地基承载力的设计情况。正常挡水期时下游无水，上游为正常挡水位，上下游水头差最大，闸室承受较大的水平推力，是验算闸室抗滑稳定性设计情况。泄洪期工作闸门全开，水位差较小，对水闸无大的危害，故不考虑此种情况。本次设计地震烈度为6°，不考虑地震情况。

2、完建无水期和正常挡水期均为基本荷载组合。取中间两孔一联为单元进行计算，需计算的荷载见表1所示。

表1     荷载组合表

荷载组合	计算情况	荷    载
		自重	静水压力	扬压力	泥沙压力	地震力	浪压力
基本组合	完建无水期	√	—	—	—	—	—
	正常挡水期	√	√	√	—	—	√

（二）完建元无水期荷载计算及地基承载力验算 

1、荷载计算

荷载计算主要是闸室及上部结构自重。在计算中以三孔一联为单元，省略一些细部构件重量，如栏杆、屋顶等。力矩为对闸底板上游端点所取。钢筋混凝土重度采用25KN/m3；混凝土重度采用23 KN/m3；水重度采用10 KN/m3；砖石重度采用19 KN/m3.完建无水期的荷载分布图如下，荷载计算见下表。

荷载	自重（KN）	力臂（m）	力矩（KN.m）
			-	+
闸底板	11985	7.5	887.5	-
中墩	4500	7.5	33750	-
缝墩	6000	7.5	45000	-
工作桥	13.38	6.6	9004.908	-
交通桥	1203.2	12	14438.4	-
检修桥	385.4	3.5	1348.9	-
启闭机	235.44	6.6	1553.904	-
启闭机房	1209.6	6.6	7983.36	-
排架	1011	6.6	6672.6	-
闸门	621.15	6.6	4099.59	-
合计	28515.17	-	213739.2	-

    

完建无水期荷载分布图

    完建无水期荷载计算

闸底板：F=(S1+S2)γ=(15×1.5+3×1)×18.8×25＝11985    L=15/2=7.5

FL=11985×7.5=887.5(下面同样此方法计算)

中墩：F=Sγ=1.2×15×10×25＝4500       L=15/2=7.5

缝墩：F=Sγ=1.6×10×15×10×25＝6000   L=15/2=7.5

工作桥：F=Sγ＝2.95×18.8×25＝13.38  L=3.4＋0.2＋2.6＋0.4＝6.6

交通桥：F=Sγ＝2.56×18.8×25＝1203.2   L=15－3＝12

检修桥：F=Sγ＝0.82×18.8×25＝385.4    L=3.4＋0.1＝3.5

启闭机：L=3.4＋0.2＋2.6＋0.4＝6.6

启闭机房：L=3.4＋0.2＋2.6＋0.4＝6.6

排架：L=3.4＋0.2＋2.6＋0.4＝6.6

闸门：L=3.4＋0.2＋2.6＋0.4＝6.6

2、地基承载力验算

根据荷载计算结果，采用公式（1）、（2）进行地基承载力的验算，可得结论完建无水期的地基承载力能够满足要求，地基也不会发生不均匀沉陷。

地基承载力公式为：

偏心距e=，代入数值得：

e=

P=

代入数值得：

P=Kpa

地基承载力平均值代入数值得：

地基不均匀系数代入数值得：

（三）正常挡水期验算 

1、荷载计算

正常挡水期荷载计算除闸室自重外，还有静水压力，水重，闸底板所受扬压力由渗透计算中可得。由于浪压力小于静水压力的5%，忽略不计。

正常挡水期期间荷载计算

荷载计算	垂直力（KN）		水平力（KN）		力臂（m）	力矩（KN.m）
	↓	↑	→	←		-	+
闸室自重	28515.17	-	-	-	6.6	188200.1	-
p1	-	-	4284.72	-	4.77	20438.11	-
p2	-	-	2171.73	-	3.887362	8442.3	-
浮托力	-	1934.54	-	-	7.5	-	14509.05
渗透压力	-	5163.98	-	-	5.02	-	25923.18
水重	6629.83	-	-	-	3.1	20552.47	-
合计	35145	7098.52	-	-	-	237633	40432.23
	28046.48		56.45		-	-197200.7798

P1=(0.5×9.8×6.82×6.82×18.8)＝4284.72   L=6.82/3+2.5=4.77  PL=4284.72×4.77=20438.11(下面同样此方法计算)

P2＝(41.3＋66.9)×2.5÷2×18.8＝2171.73    

L=(0.5×25.6×2.5×2÷3＋41.3×2.5÷2) ×2.5/(0.5×25.6×2.5+41.3×2.5)=3.

浮托力：F=[]×18.8×9.81＝1936.49  L=15/2=7.5

渗透压：F=28×18.8×9.81＝5163.98        L=15/3=5.02

水重：F=9.81×16×6.82×6.2＝6629.83     L=(3.4+0.2+2.6)/2=3.1

2、地基承载力验算

根据荷载计算结果，采用公式（1）、（2）进行地基承载力的验算，可知正常挡水期的地基承载力及地基不均匀系数均满足要求。

偏心距：e=

地基承载力：P=Kpa

地基承载力平均值： 

地基不均匀系数： 

3、闸室抗滑稳定计算

闸底板上、下游端设置的齿墙深度为1.0m，按浅齿墙考虑，闸基下没有软弱夹层。滑动面沿闸底板与地基的接触面，采用公式（3）进行计算，其中的闸底板与地基之间的摩擦系数，根据闸址处地层分布可知为重粉质壤土和细砂，查闸室基础底面与地基之间的摩擦系数表得0.45，允许的抗滑稳定安全系数根据本工程主要建筑物为3级，查表得1.20。经计算闸室抗滑稳定满足要求。

抗滑稳定安全系数：，代入数值计算的：

六、上下游连接建筑物

（一）上下游连接建筑物的作用