水闸设计

水闸初步设计目录第一章概述………………………………………………………3第一节工程设计资料……………………………………………3第二章水利枢纽布置……………………………………………3第一节总体布置概………………………………………………3第二节水闸布置…………………………………………………3第三章水闸设计…………………………………………………4第一节闸孔型式和尺寸设计……………………………………4第二节消能防冲设计……………………………………………6第三节防渗排水设计……………………………………………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0.05s/m3，闸前设计水位为12.0m，闸后设计水位为11.95m，河床底高程11.0m。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0.2km。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2.1.3条及2.2.1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。二、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。第二节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1.3m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（一）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。第三章水闸设计第一节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。一、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0.05m）不设闸门。二、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11.50m，河床底高程11.0m。三、闸孔尺寸的确定1）判别堰的出流情况已知设计流量为0.05sm/3，相应上游设计水位为12m，下游设计水位为11.95m。堰上水头mH5.050.11120，下游水头mhs45.050.1195.119.050.110.1250.1195.110Hhs0.80，为淹没出流，查宽顶堰淹没系数表84.0s得2）求流量系数m堰上水头mH5.05.1112，堰高mp5.00.115.111HP，因30HP，所以流量系数m为367.015.12.11301.036.05.12.1301.036.0HPHPm3）确定闸孔尺寸初步假定967.0，则闸孔宽度mHgmQBs12.05.08.92367.0976.084.005.022323边墩为流线型，形状系数4.0k，则967.012.05.04.02.012.01BHk此值与原假定的值相同，现用967.0再计算B值mHgmQBs12.05.08.92376.0967.074.005.02232323/8.9967.0376.0/smgmBmsmQ，—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，—该B值和第一次计算值相同，取B=0.12m,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=0.2m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mP5.00.1150.111计算闸前水深0HmH0.10.110.12Hqv0=0.05/1.0=0.05m/sgvHH2020=1.0+8.9205.02=1.0m故mHPE5.15.00.1010采用逐次渐近法计算ch由0.11Hp30则流速系数1-0.0155Hp1=0.98计算30.198.08.9205.02222gq，令cchEgqh0222中0ch则第一次mhc424.0022.730.11第二次mhc425.0424.022.730.12第三次mhc437.0425.022.730.13第四次mhc437.0437.022.730.14因相同值和43cchh，故取mhc437.0，将其代入水跃方程得ch''得，mghqhhccc023.0)1437.08.905.081(2437.0)181(23232''由上述计算可知ch''在0.023m左右，远小于下游水深mht95.00.1195.11下游产生淹没式水跃，故不需要设消力池。确定护坦厚度：'1Hqkt=m047.005.025.02.0综合条件护坦取最小厚度为0.5m，护坦长度取2.0m第三节防渗排水设计一、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。1、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。1）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=2.0m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2.0m。2）底板厚度d根据经验，底板厚度为（81~51）单孔净跨，初拟d为0.5m3）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0.3m深，底宽为0.3m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4.2.11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0.05m），即铺盖长度：4×0.05=0.2m，拟取2m，铺盖厚为0.5m。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0.30m深，0.30m长；铺盖段齿墙取深0.2m，0.3m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2.0m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。二、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CHL查表C取3，上下游水位差H=0.05m故mCH15.005.03用勃莱法求L渗径长度水平铅直LLL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L121110987654321llllll=m93.28.03.03.03.03.03.02.02.07.0222222111098765432lllllL水平=m2.33.08.03.05.13.0水平铅直LLL=2.93+3.2=6.13mmCH15.0，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：xLHhs=m03.034.313.605.0故单位宽度闸底板总渗透压力为：KNU05.034.303.021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JLHJ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0.2~0.3m。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。三、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0.1m；间距..为1.0~3.