水闸设计计算教学资料.doc

水闸设计计算精品资料一、初步设计 兴化闸为无坝引水进水闸，该枢纽主要由引水渠、防沙设施和进水闸组成，本次设计主要任务是确定兴化闸的型式、尺寸及枢纽布置方案；并进行水力计算、防渗排水设计、闸室布置与稳定计算、闸室底板结构设计等，绘出枢纽平面布置图及上下游立视图。二、设计基本资料1. 概述兴化闸建在兴化镇以北的兴化渠上，闸址地理位置见图。该闸的主要作用有：防洪：当兴化河水位较高时，关闸挡水，以防止兴化河水入侵兴化渠下游两岸农田，保护下游的农田和村镇。灌溉：灌溉期引兴化河水北调，以灌溉兴化渠两岸的农田。引水冲淤：在枯水季节，引兴化河水北上至下游的大成港，以冲淤保港。 7.0 北 至大成港 9.0 渠 化 11.0 兴 闸管所 兴化闸 兴 化 河 兴 化 镇 闸址位置示意图（单位：m）2. 规划数据兴化渠为人工渠道，其剖面尺寸如图所示。渠底高程为0.5m，底宽50.0m，两岸边坡均为1:2。该闸的主要设计组合有以下几方面： 11.8 0.5 50.0 兴化渠剖面示意图（单位：m） 2.1 孔口设计水位、流量 根据规划要求，在灌溉期由兴化闸自流引兴化河水灌溉，引水流量为300m3/s，此时闸上游水位为7.83m，闸下游水位为7.78m；在冬季枯水季节由兴化闸自流引水送至下游大成港冲淤保港，引水流量为100m3/s，此时相应的闸上游水位为7.44m，下游为7.38m。2.2 闸室稳定计算水位组合 （1）设计情况：上游水位10.3m，浪高0.8m，下游水位7.0m。 （2）校核情况：上游水位10.7m，浪高0.5m，下游水位7.0m。 2.3 消能防冲设计水位组合（1）消能防冲的不利水位组合：引水流量为300m3/s，相应的上游水位10.7m，下游水位为7.78m。（2）下游水位流量关系 下游水位流量关系见表Q（m3/s）0.050.0100.0150.0200.0250.0300.0H下（m）7.07.207.387.547.667.747.783. 地质资料3.1 闸基土质分布情况根据钻探报告，闸基土质分布情况见表 层序高程（m）土质情况标准贯入击数（击）11.752.40重粉质壤土9132.400.7散粉质壤土80.7-16.7坚硬粉质粘土（局部含铁锰结核）1521 3.2 闸基土工试验资料根据土工试验资料，闸基持力层为坚硬粉质粘土，其内摩擦角=190，凝聚力C=60.0Kpa；天然孔隙比e=0.69，天然容重=20.3KN/m3，比重G=2.74，变形模量=KPa；建闸所用回填土为砂壤土，其内摩擦角=260，凝聚力C=0，天然容重=18KN/m3；混凝土的弹性模量Eh=KPa。 4. 闸的设计标准根据水闸设计规范SL265-2001，兴化闸按级建筑物设计。 5. 其它有关资料 5.1 闸上交通根据当地交通部门建议，闸上交通桥为单车道公路桥，按汽-10设计，履带-50校核。桥面净宽为4.5m，总宽 5.5m，采用板梁式结构，见图，每米桥长约重80KN。 10.0 15.0 450.0 15.0 10.0 110.0 2 2 10.0 15.0 55.0 70.0 45.0 137.50 45.0 137.50 45.0 70.0 550.0 交通桥剖面图 （单位：cm） 5.2 该地区“三材”供应充足。闸门采用平面钢闸门，尺寸自定，由于厂设计加工制造。 5.3 该地区地震烈度设计为6度，故可不考虑地震影响。 5.4 该地区风速资料不全，在进行浪压力设计时，建议取计算。三、枢纽布置 兴化闸为无坝引水进水闸。整个枢纽主要由引水渠、防沙设施和进水闸等组成。 1. 防沙设施闸所在河流为少泥沙河道，故防沙要求不高，仅在引水口设拦沙坎一道即可。拦沙坎高0.8m，底部高程0.5m，顶高程1.3m，迎水面直立，背流坡为1:1的斜坡，其断面见图 枢纽布置图 2. 引水渠的布置兴化河河岸比较坚稳，引水渠可以尽量短（大约65m），使兴化闸靠近兴化河河岸。为了保证有较好的引水效果，引水角取35，并将引水口布置在兴化河凹岸顶点偏下游水深较大的地方。为了减轻引水口处的回流，使水流平顺的进入引水口，引水口上、下游边角修成圆弧形。引水渠在平面上布置成不对称的向下游收缩的喇叭状，见图3-1。3. 进水闸布置进水闸（兴化闸）为带胸墙的开敞式水闸。共5孔，每孔净宽5m。胸墙底部高程为8.1m，闸顶高程为11.8m，闸门顶高程为8.3m。 3.1 闸室段布置闸底板为倒型钢筋混凝土平底板，缝设在底板中央。底板顶面高程为0.5m，厚1.2m，其顺水流方向长16m。闸墩为钢筋混凝土结构，顺水流方向长和底板相等，中墩厚1.1m，边墩与岸墙结合布置，为重力式边墙，既挡水，又挡土，墙后填土高程为11.8m。闸墩上设有工作门槽和检修门槽。检修门槽距闸墩上游边缘1.7m，工作门槽距闸墩上游边缘5.49m，胸墙与检修门槽之间净距为2.79m。闸门采用平面滚轮钢闸门，尺寸为6.7m7.8m。启闭设备选用QPQ-63卷扬式启闭机。工作桥支承为实体排架，由闸墩缩窄而成。其顺水流长2.3m，厚0.5m,底面高程11.8m，顶面高程16.5m，排架上设有活动门槽。公路桥设在下游侧，为板梁式结构，其总宽为5.5m。公路桥支承在排架上，排架底部高程8.5m。 3.2 上游连接段布置铺盖为钢筋混凝土结构，其顺水流方向长20m,厚0.4m。铺盖上游为块石护底，一直护至引水口。上游翼墙为浆砌石重力式反翼墙，迎水面直立，墙背为1:0.5的斜坡，收缩角为15，圆弧半径为6.6m。墙顶高程为11.0m，其上设0.8m高的混凝土挡浪板。墙后填土高程为10.8m。翼墙底板为0.6m厚的钢筋混凝土板，前趾长1.2m，后趾长0.2m。翼墙上游与铺盖头部齐平。翼墙上游为干砌块石护坡，每隔12m设一道浆砌石格埂。块石底部设15cm的砂垫层。护坡一直延伸到兴化渠的入口处。 3.3 下游连接段布置闸室下游采用挖深式消力池。其长为21.5m,深为0.5m。消力池的底板为钢筋混凝土结构，其厚度为0.7m。消力池与闸室连接处有1m宽的小平台，后以1:4的斜坡连接。消力池底板下按过滤的要求铺盖铺设厚0.3m的砂、碎石垫层，既起反滤、过渡作用，又起排水作用。海漫长24m，水平设置。前8m为浆砌块石，后16m为干砌块石，并每隔8m设一道浆砌石格埂。海漫末端设一构造防冲槽。其深为1.0m，边坡为1:2。槽内填以块石。由于土质条件较好，防冲槽下游不再设护底。下游翼墙亦为浆砌石重力式反翼墙。迎水面直立，墙背坡度为1:0.5，其扩散角为10，圆弧半径为4.8m。墙顶高程为8.5m，其上设高0.8m的挡浪板，墙后填土高程为8.0m。下游翼墙底板亦厚0.6m钢筋混凝土板，其前趾长1.2m，后趾长0.2m。翼墙下游端与消力池末端齐平。下游亦采用干砌块石护坡，护坡至9.8m高程处。每隔8m设一道浆砌石格埂。护坡延伸至与防冲槽下游端部齐平。四、水力计算 水力设计主要包括两方面的内容,即闸孔设计和消能设计。 1. 闸孔设计 闸孔设计的主要任务:确定闸室结构形式、选择堰型、确定堰顶高程及孔口尺寸。 1.1 闸室结构形式该闸建在人工渠道上,故宜采用开敞式闸室结构。在运行中，该闸的挡水位达10.3m10.7m,而泄水时上游水位为7.44m7.83m,挡水位时上游最高水位比下游最高水位高出2.87m，故拟设设置胸腔代替闸门挡水，以减小闸门高度，减小作用在闸门上的水压力，减小启门力，并降低工作桥的高度，从而减少工程费用。综上所述：该闸采用带胸墙的开敞式闸室结构。 1.2 堰型选择及堰顶高程的确定该闸建在少泥沙的人工渠道上,宜采用结构简单,施工方便,自由出流范围较大的平底板宽顶堰。考虑到闸基持力层是坚硬粉质粘土,土质良好,承载能力大,并参考该地区已建在工程的经验,拟取闸底板顶面与兴化渠渠底齐平，高程为0.5m。 1.3 孔口尺寸的确定（1）初拟闸孔尺寸。该闸的孔口必须满足引水灌溉和引水冲淤保港的要求。 1）引水灌溉： 上游水深 H=7.83-0.5=7.33m 下游水深 =7.78-0.5=7.28m 引水流量 Q=300m/s 上游行近流速 V0=Q/A A=(b+mH)H=(50+27.33)7.33=473.96m2 V=300/473.96=0.633 H0=H+V0/2g=7.33+0.6332/（29.8）=7.35m hS /H0=7.28/7.35=0.990.8,故属淹没出流。查SL265-2001表A01-2，淹没系数S=0.36由宽顶堰淹没出流公式 ： 对无坎宽顶堰，取m=0.385，假设侧收缩系数=0.96，则 = =25.54m 2）引水冲淤保港 上游水深 H=7.44-0.5=6.94m 下游水深 h=7.38-0.5=6.88m 引水流量 Q=100 上游行近流速 V0=Q/A A=(b+mH)H=(50+26.94)6.94=443.3 =Q/A=100/443.3=0.23m/s0.8, 故属淹没出流。 查 SL265-2001表A01-2，得淹没系数s=0.36 同样取m=0.385，并假定，则得 比较1）、2）的计算结果，B02 B01，可见引水灌溉情况是确定闸孔尺寸的控制情况，故闸孔净宽B0宜采用较大值25.54m。拟将闸孔分为5孔，取每孔净宽为5m,则闸孔实际总净宽为B0=55=25.0m。由于闸基土质条件较好，不仅承载能力较大，而且坚硬、紧密。为了减少闸孔总宽度，节省工作量，闸底板宜采用整体式平底板。拟将分缝设在各孔底板的中间位置，形成倒型底板。中墩采用钢筋混凝土结构，厚1.1m，墩头、墩尾均采用半圆形，半径为0.55m。（2）复核过闸流量对于中孔，b0=5m bs=b0+=5+1.1=6.1m b0/bs=5/6.1=0.820查SL265-2001表A.0.1-1，得对于边孔，b0=5m=41.76m b0/bs=0.12查SL265-2001表A01-1，得eb=0.909。则：=z（N-1）+eb/N =0.959。 对于无坎平底宽底堰，m=0.385,则 100%=100% 5%实际过流能力满足引水灌溉的设计要求。同样，可以验证初拟的闸孔尺寸亦符合引水冲於保港的要求。因此，该闸的孔口尺寸确定为：共分5孔，每孔净宽5m，4个中墩各厚1.1m，闸孔总净宽为25m，闸室总宽度为29.4m。2. 消能防冲设计消能防冲设计包括消力池、海漫及防冲槽等三部分。2.1 消力池的设计 （1）上下游水位连接形态的判别。闸门从关闭状态到泄流量为300往是分级开启的。为了节省计算工作量,闸门的开度拟分三级,流量50;待下游的水位稳定后,增大开度至150，待下游的水位稳定后,增大开度至300。 当泄流量为50时:上游水深H=10.7-0.5=10.2m; 下游水深可采用前一级开度(即Q=0)时的下游水深t=7.0-0.5=6.5m; 上游行进流速=0.069m/s(),可以忽略不计。 假设闸门的开度e=0.44m. =0.043 0.65,为孔流。查水力学(河海大学出版社)表10.7，得垂直收缩系数=0.636，则： h=e=0.6360.44=0.28m = t=6.5m,故为淹没出流。 由(t)/(H-)=0.58,查SL265-2001表A03-2（采用插值法），得孔流淹没系数=0.54，所以有 Q=1eB0 1=0.600.176=0.592式中 1孔流流量系数。因此 Q=0.540.5920.4425=49.8该值与要求的流量50十分的接近，才所假定的闸门开度e=0.44正确。此时，跃后水深1.32t=6.5m,故发生淹没水跃。以同样的步骤可求得泄水量为150、300时的闸门开度、跃后水深，并可判别不同泄水量时水面的连接情况，见表4-1.将结果列如下表：表4-1 水面连接计算序号Q（）E(m) (m)t (m)水面连接情况150.00.440.6360.281.326.50淹没水跃2150.01.300.6170.802.366.70淹没水跃3300.02.730.6231.703.007.04淹没水跃 （2）消力池的设计1）消力池池深：由表4-1可见，在消能计算中，跃后水深均小于相应的下游水深，出闸水流已发生了淹没水跃，故从理论上讲可以不必建消力池。但是为了稳定水跃，通常需建一构造消力池。取池深d=0.5m。2）消力池长度：根据前面的计算 ，以泄流量300作为确定消力池长度的计算依据。略去行进流速，则： T= H+d=10.2+0.5=10.7m h= =5.88 h=0.77m =4.88 m水跃长度 =6.9（-）=6.9（4.88-0.77）=28.36m消力池与闸底板以1：4的斜坡段相连接，LS=dp=0.54=2.0m,则消力池长度LSJ为 =2.0+0.7528.36=23.27m 长度校正系数（0.70.8)取消力池长度为23.3m3）消力池底板厚度计算： t=k式中 K消力池底板厚度计算系数,可采用（ 0.150.20） K取0.175 t=0.73m 由于消力池的池底板厚范围（0.51.2）所以取消力池的池底板厚为0.75m,前后等厚。在消力池底板的后半部设排水孔,孔径10 cm,间距2 m，呈梅花行布置,孔内填以砂，碎石。消力池与闸底板连接处留有1米的平台,以便更好地促成出闸水流在池中产生水跃。消力池在平面上呈扩散状，扩散角度10。 2.2 海漫的设计1）海漫的长度为： L= q=300/25+4.4+tan10(23.27+1)2=4.79 H=10.77.78=2.92m 为海漫长度计算系数，取为7.0 L=取海漫的长度为21.0m。2）海漫的布置和结构。由于下游水深较大,为了节省开挖量,海漫布置成水平的.海漫使用厚度40cm的块石材料,前7m用浆砌块石,后14m采用干砌块石。浆砌块石海漫上设排水孔,干砌块石上设浆砌块石格梗,格梗断面尺寸为40cm60cm。海漫底部铺设15cm厚的砂粒垫层。 2.3 防冲槽的设计1）海漫末端河床冲刷深度为 海漫末端的平均宽度 =1/2(50+50+227.04)=64.08m =300/64.08=4.68 对比较紧密的黏土地基，且水深大于3m， 可取为1.1m/s,=7.04m,则： =-2.36m L,满足防渗要求其地下轮廓布置见下图5-1-1：图5-1-1 地下轮廓布置 （单位： m）2. 渗流计算采用改进阻力系数法进行渗流计算。2.1 地下轮廓线的简化为了便于计算，将复杂的地下轮廓进行简化。由于铺盖头部及底板上下游两端的齿墙均浅，简化后的形式如下图5-2-1：图5-2-1 地下轮廓简化图 （单位： m）2.2 确定地基的有效深度根据钻探资料，闸基透水层深度很大。故在渗流计算中必须取一有效深度，代替实际深度。由地下轮廓线简化图知：地下轮廓的水平投影长度=16+20=36m;地下轮廓的垂直投影长度S0=1.7-0.4=1.3m。L0/ S0=36/1.3=27.75,故地基的有效深度Te=0.5 L0=18 m(图5-2-1)。2.3 渗流区域的分段和阻力系数的计算过地下轮廓的角点、尖点，将渗流区域分成十个典型段。1、8段为进出口段，3、6、二段为内部水平段，2、4、5、7则为内部垂直段。表5-2-1 各流段阻力系数为流段阻力系数为段号ST进口段和出口段=1.5（）+0.44110417.9044680717.40.453内部垂直段=lnctg(1-)20518.0002841.318007251.317.2002970.517.20029内部水平段=3S1=0.5S2=1.3T=18.0L=20.01.0416S1=0.5S2=0.5T=17.2L=16.00.890则=2.9882.4 渗透压力计算： （1）设计洪水位时：H=10.3-7.0=3.3m。根据水流的连续条件，经过各流段的单宽渗流流量均应相等。1）任一流段的水头损失h=,则h1 =0.49m h2 =0.03m h3 =1.15m h4 =0.08m h5 =0.03m h6 =0.99m h7 =0.03m h8 =0.50m 2）进出口段进行必要的修正：进出口修正系数为 =1.21- T=18m T=17.9m S=0.4m则=0.341.0 应予修正。进口段的水头损失修正为h= h=0.17m进口段水头损失的修正量为h=0.490.17=0.32m修正量应转移给相邻各段h=0.03+0.03=0.06mh=1.17+（0.330.03）=1.44m同样对出口段修正如下=1.21- T=17.2m T=17.3m S=0.6m 则=0.4401.0,故亦需修正。出口段的水头损失修正为h= h=0.22m修正量h=0.500.22=0.28mh=0.03+0.03=0.06mh=0.99+(0.280.03)=1.24m3）计算各角隅点的渗压水头：由上游出口段开始，逐次向下游从作用水头值h中相继减去各分段的水头损失值，即可求得各角隅点的渗压水头值H1 = 3.3m H2 = 3.3-h1=3.3-0.17=3.13m H3 = H2- h2m =3.13-0.06=3.07m H4 = H3- h3m =3.07-1.44=1.63mH5 = H4- h4m =1.63-0.08=1.55mH6 = H5- h5m =1.55-0.03=1.52mH7 = H6- h6m =1.52-1.24=0.28mH8 = H7- h7m =0.28-0.06=0.22mH9 = H8- h8m =0.22-0.22=0.00m4）作出渗透压力分布图：根据以上算得渗压水头值，并认为沿水平段水头损失呈线形变化，则其渗透压力分布图，如图5-2-2:图5-2-2 设计洪水位是渗透压力分布图 （单位： m）单位宽度底板所受渗透压力：P=( H6+ H7)161=14.4t=141.12KN单位宽铺盖所受的渗透压力：P=( H+ H)201=47.0t=460.6KN2）同样的步骤可计算出校核情况下的渗透压力分布，即 H=4.7-1.0=3.7mH1 =3.70m H2 =3.51m H3 =3.45m H4 =1.83m H5 =1.74m H6 =1.70m H7 =0.33m H8 =0.25m H9 =0.00m 根据以上计算作出渗透压力分布图,如图5-2-3：图5-2-3 校核洪水位是渗透压力分布图 （单位： m）单位宽度底板所受渗透压力：P=( H6+ H7)161=(1.70+0.33)161=16.24t=159.15单位宽铺盖所受的渗透压力：P=( H3+ H4)201=(3.45+1.83)201=52.8t=517.442.5 抗渗稳定验算闸底板水平段的平均渗透坡降和出口处的平均逸出坡降闸底板水平段的平均渗透坡降为J=0.086J=0.40.5渗流出口处的平均逸出坡降J为J=0.417J=0.700.80闸基的防渗满足抗渗稳定的要求。六、闸室布置与稳定计算 1. 闸室结构布置闸室结构布置主要包括底板、闸墩、闸门、工作桥和交通桥等部分结构的布置和尺寸的拟定。 1.1 底板底板的结构、布置、构造与上面的相同。 1.2 闸墩顺水方向的长度取与底板相同，取16m。闸墩为钢筋混凝土结构，中墩厚均为1.1m。边缘与岸墙合二为一，采用重力式结构。闸墩上游部分的顶部高程在泄洪时应高于设计或校核洪水位加安全超高；关门时应高于设计或校核洪水位加波浪计算高度加安全超高。设计洪水位的超高计算：=10.3+0.8+0.7=11.8m校核洪水位的超高计算：=10.7+0.5+0.5=11.7m取上述二者中的较大者，取为11.8m。闸墩下游部分的高度只要比下游最高水位适当高些，不影响泄流即可。可大大低于上游部分的高度，而其上设有排架搁置公路桥。初拟定闸墩下游部分顶部高程为8.5m，其上设3根0.7m0.67m，高1.8m的柱子，柱顶设0.7m0.7m，长4.7m的小横梁，梁顶高程即为8.5+1.8+0.7=11.0。下游闸墩上搁置公路桥，桥面高程为11.8m，与两岸大堤齐平。闸墩上设检修门槽和工作门槽，检修门槽在上游，槽深为0.3m，宽0.2m，工作槽槽深为0.3m，宽0.5m。具体位置见图。闸墩上下游均为半圆形，其半径为0.55m。 1.3 胸墙为了保证启吊闸门的钢丝绳不浸在水中，胸墙设在工作闸门的上游侧。胸墙顶与闸墩上游部分顶部同高取11.8m。胸墙底部高程应以不影响引水为准。=堰顶高程+堰顶下游水深+=0.5+7.28+0.3=8.08 m，取胸墙底部高程为8.1m。则胸墙高度为3.7m。胸墙采用钢筋混凝土板梁式结构，简支于闸墩上。上梁尺寸为0.3m0.5m,下梁尺寸为0.4m0.8m，板厚20cm。下梁下端的上游面做成圆弧形，以利过水。 1.4 工作桥（1）启闭机选型。闸门采用平面滚轮钢闸门，为滑动式，门顶高程应高出胸墙0.2m，即其高程为8.3m，门高7.8m，门宽5+20.2=5.4m。根据经验公式：G=0.073K1K2K3A0.93HS0.79,初估闸门自重。A=42.12m2;HS=10.2m；对于工作闸门，K1=1.0，H/B=7.8/9.1=0.86, H/B1，K2=1.1;HS=10.260m，K3=1.0。则门重G=14.82t=145.2KN，取门自重G=150KN。初拟启门力FQ=（0.10.2）P+1.2G，闭门力FW（0.10.2）P-0.9G。其中G为闸门自重，P为作用在门上的总水压力，不计浪压力的影响，作用在每米宽门上游面的水压力，作用在每米宽门下游面的水压力和门上总的水压力为： P上=1/29.8(2.6+10.2) 7.6=476.7kN; P下=1/26.56.5 9.8=207.0kN， P=（P上-P下）5=1348.5kN FQ=0.101348.5+1.2150=314.85kN FW=0.101348.5-0.9150=-0.15kNFW0，表示闸门能靠自重关闭，不需加压重块帮助关闭。根据计算所需的启门力FQ=314.85kN，初选单吊点手摇电动两用卷扬式启闭机（上海重型机械厂产品）QPQ-63。其机架外轮廓宽J=1962mm。（2）工作桥的尺寸及构造。（见图6-1-2）工作桥的宽度不仅要满足启闭机布置的要求，且两侧应留有足够的操作宽度。B=启闭机宽度+2栏杆柱宽+2栏杆外富裕宽度1.962+20.8+20.15+20.05=3.962m。故取工作桥净宽4.0m。工作桥为板梁式结构。预制装配。两根主梁高0.8m，宽0.35m，中间活动铺板厚6cm。为了保证启闭机的机脚螺栓安置在主梁上，主梁间的净距为1.5m。在启闭机机脚处螺栓处设两根横梁。其宽30cm，高50cm。工作桥设在实体排架上，排架的厚度即闸墩门槽处的颈厚为50cm，排架顺水方向的宽度为2.3m。排架的高程为：胸墙壁底缘高程+门高+富裕高度=8.1+7.8+0.6=16.5m。 1.5 检修便桥为了便于检修、观测、在检修门槽处设置有检修便桥。桥宽1.5m。桥身结构仅为两根嵌置于闸墩内的钢筋混凝土简支辆。梁高40cm，宽25cm。梁中间铺设厚6cm的钢筋混凝土板。 1.6 交通桥在工作桥的