水闸设计与施工
专 业：水利水电建筑工程 班 级： 水工1234班
姓 名： 学 号： 1234563 组 别： 第某组 指导老师： 易进蓉
2015年11月
目录
一、基本资料 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 二、闸室布置 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2. 1闸底板 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. 2闸墩 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. 3闸门 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 三、水闸水力计算 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3. 1闸孔尺寸与孔数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3. 2水闸的消能防冲设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 四、闸室和闸基抗滑稳定分析 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4. 1抗滑稳定验算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4. 2基底压力验算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
一、 基本资料
本工程主要为下游西三干沿线灌区补水，引用水源为黄河水，布置在西干渠跨北康沟下游，芦墓张村北附近，分进水段、闸室段和出口段。
进口段长20m 为扭曲面，底宽3m, 前10m 采用C20混凝土护底，厚0.2m, 采用0.4厚C20混凝土，扭曲面采用M7.5浆砌石护砌
闸室段长11m ，共1孔，净宽2m, 闸底板高程顶面为67m ，底板厚1m, 边墩为梯形断面，顶宽0.7，底宽1.0m, 设计流量为0.5, 上游挡水高程为68.83m ，设检修闸门和工作门。
出口段长30m ，前15为1;5斜坡段，用以连续闸室末端同消力池 ，下游消力池段长10m ，“U ”型槽结构，底板采用C25钢筋混凝土，顶高程为64.00m, 厚0.8m ，下设0.1m 厚粗砂垫层，侧墙为梯形断面，顶宽0.5m ，底宽0.6m ；消力池后为5m 过渡段，两岸为扭曲面，护底采用0.2m 厚C20混凝土，扭曲面采M7.5浆砌石护砌，下游按引水渠。
根据勘探资料和闸室布置情况，闸基位于轻粉质壤土上，其地质参数建议值为：砼与地基摩擦系数f=0.30,C=8kPa, φ=14. 5︒ ,承载力标准值为100kPa; 墙后回填土料选用中、轻粉质壤土φ=17～20︒，C =16～20kPa , 饱和容量取2t/m2, 浮容量重取1.1t/m3。
二、 闸室布置
2.1 闸底板
按底板与闸墩的连接方式分
整体式：闸墩和底板浇筑成整体，有分段缝时缝设在闸墩上。底板是传力结构，将荷载较均匀地传给地基。闸室整体性较好，适用于松软地基。
分离式：底板与闸墩用沉陷缝分开。闸墩传力，底板仅防渗抗冲，一般适用于岩基或压缩性小的土基。
2.2闸墩：
⒈材料：混凝土（小型工程常用浆砌块石） ⒉闸顶高程：
闸顶高程通常指闸室胸墙或闸门挡水线上游闸墩和闸墙的顶部高程。应根据挡水和泄水两种运用情况确定。
挡水时闸顶高程不低于水闸正常蓄水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应安全超高值之和；
泄水时闸顶高程不应低于设计洪水位（或校核洪水位）与相应安全超高值之和。 水闸安全超高下限值（m ）：
位于防洪（挡潮）堤上的水闸，其闸顶高程不得低于防洪（挡潮）堤堤顶高程。
⒊长度：与底板长度相同或比底板长度稍短，取决于上部结构布置和闸门型式。 ⒋厚度：根据闸孔孔径、受力条件、结构构造要求和施工方法等确定，平面闸门闸墩门槽处不宜小于0.4m 。
⒌外形：应使水流平顺、侧向收缩小，过流能力大。
2.3闸门
⒈宽度：与孔口一致
⒉露顶式闸门顶部在可能出现的最高挡水位以上应有0.3~0.5m的超高。 ⒊型式：最常用的有平面闸门和弧形闸门。
⒋布置：要考虑对闸室稳定、闸墩和地基的应力以及对上部结构布置的影响。
三、 水闸水力计算
3.1闸孔尺寸与孔数
计算闸孔净宽
B 0=
Q σεm 2g H
320
； B 0—为闸室净宽（m ）
Q —为设计过闸流量（m 2/s ）;
H 0—为计入行近流速水头的堰上水头（m ）;
； g —为重力加速度（m /s 2）
m 、ε、σ—分别为堰上的流量系数、侧收缩系数和淹没系数。
进水闸闸孔净宽计算成果表
由于设计过闸流量Q >5，所以合适。
根据以上计算结果，进水闸共建一孔，单孔净宽取2m ，总净宽2m, 过堰流量5. 0m 3/s 。
3.2水闸的消能防冲设计
消力池：创造形成淹没水跃的条件。消力池实质上就是形成水跃、消刹能量的地方。
3.2.1消力池的尺寸确定
（1）消力池的深度
d =σ0h c ' ' -h s ' -∆Z h c ' ' =
3
h c ⎡
⎢1+32⎢gh c ⎣
2
8αq 2
⎤⎛b ⎫0. 25
1
-1⎥ b ⎪⎪ ⎥⎦⎝2⎭
αq 2
h c -T 0h c +=0 2
2g ϕ
∆Z =
αq 2
2g ϕh
2
' 2
-
αq 2
2gh
' ' 2
s c
式中：
d —消力池深度，m;
σ0—水跃淹没系数，可采用1.50～1.10，取1.10；
h c ' ' —跃后水跃，m ； h c —收缩水跃，m ；
α—水流动能校正系数，可采用1.0～1.05，取1.0；
q —过闸单宽流量，m 3/(s ∙m )； b 1—消力池首段宽度，m ；
b 2—消力池末段宽度，m ；
h s ' —出池河床水深，m ；
T 0—由消力池底板顶面算起的总势能，m ；
∆Z —出池落差，m 。
（2）消力池的长度
L sj =L s +βL j
L j =6. 9h c ' ' -h c L sj —消力池长度，m ；
L s —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，取0.8；
L j —水跃长度，m 。
（3）消力池的护坦厚度
护坦：保护水跃范围内的河床不受水流冲刷。
抗冲：护坦在工作时需要满足在水流冲击作用下不会掀起和下移。 抗冲：t =k 1∆H
抗浮：护坦在扬压力和脉动压力的合成作用下不至于浮起。 抗浮：t =k 2
U -W ±P m
γb
t —消力池底板始端厚度，m ；
∆H —为闸孔泄水时上、下游水位差，m ；
k 1—为消力池底板计算系数，可采用0.15～0.20，取0.2； k 2—为消力池底板安全系数，可采用1.1～1.3，取1.1；
U —为作用在消力池底板上的扬压力，kPa ；
W —为作用在消力池底板上的水重，kPa ；
P m —为作用在消力池底板上的脉动压力，kPa ； γb —为消力池底板的饱和重度，kN /m 3；
（4）海漫 1．海漫的作用
海漫的作用就是要消除水流的余能，调整流速分布，均匀地扩散出池水流，使之与天然河道的水流状态接近，以保护河床免受冲刷。
2．对海漫的要求
海漫的结构应该具有一定的柔性的，能够适应地基的不均匀沉陷； 海漫应该是透水的，能够顺利地排出渗水，降低扬压力；
海漫表面应做成粗糙的，以加大与水流的摩擦，有利于消除余能和调整流速分布。
L =K ∆H L —海漫长度，m ；
K —河床土质系数，粉、细砂取13～15，中、粗砂及砂壤土取10～12，壤土取8～9，坚硬粘土取6～7，扩散条件好时K 取小值，反之取大值；
q —消力池末端单宽流量
∆H —为上下游水位差，m 。
适用范围∆H =1～9。
消能防冲计算成果表（单位：m ）
根据以上计算结果，消力池长度为25m; 消力池深度为3m; 海漫长度
∆H =1.5，在1～9之间，所以适用；消力池底板厚度符合抗冲抗浮的要求。
四、 闸室和闸基抗滑稳定分析
4.1抗滑稳定验算
根据水闸运用过程中可能出现的所有情况进行分析，寻找最不利的情况进行闸室稳定及地基承载力验算。
1．完建无水期
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。
2．正常挡水期
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，且闸底板下扬压力最大，最容易发生闸室滑动失稳破坏，是验算闸室抗滑稳定性设计情况。
3．正常放水期
泄洪期工作闸门全开，水位差较小，对水闸无大的伤害。本设计不考虑地震情况。
闸室抗滑稳定验算
K c =
f ∑G
≥[K c ] H
[K ]—为作用在闸室底部所有铅直力的总和，kN ；
c
f —为基础底面与地基之间的摩擦系数，对于大型水闸，应作现场抗滑试验加以验证；
∑G —为作用在闸室上的全部竖向荷载（包括基底面上的扬压力），kN ； ∑H —为作用在闸室上全部水平向荷载，kN ；
ϕ0—为基础底面与地基土之间的摩擦角，度； C 0—为基础底面与地基土之间的粘结力，kN /m 2；
A —为闸室基础地面的面积，m 2。
4.2基底压力验算
σ=
G
BL
σmax =
min
∑G
BL
±
6∑M
BL
2
∑G —为作用在闸室底部所有铅直力的总和，kN ；
∑M —为所有外力对闸室底部中心点的力矩总和，以顺时针为正，kNm ；
B —为计算闸室段宽度，m ；
L —为底板长度，m ；
[K ]值表
c
f 值表
11
抗滑稳定分析成果表
根据以上计算结果，完建期，因为η=
σmax
=1. 40
求；挡水期，K c =2. 56≥[K c ]=1. 25符合规范要求，η=
σmax
=2. 0=2. 0σmin
所以满足规范要求；正常放水期，K c =13. 28≥[K c ]=1. 25符合规范要求，
η=
σmax
=1. 98
12
水闸设计与施工
专 业：水利水电建筑工程 班 级： 水工1234班
姓 名： 学 号： 1234563 组 别： 第某组 指导老师： 易进蓉
2015年11月
目录
一、基本资料 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 二、闸室布置 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2. 1闸底板 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. 2闸墩 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. 3闸门 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 三、水闸水力计算 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3. 1闸孔尺寸与孔数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3. 2水闸的消能防冲设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 四、闸室和闸基抗滑稳定分析 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4. 1抗滑稳定验算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4. 2基底压力验算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
一、 基本资料
本工程主要为下游西三干沿线灌区补水，引用水源为黄河水，布置在西干渠跨北康沟下游，芦墓张村北附近，分进水段、闸室段和出口段。
进口段长20m 为扭曲面，底宽3m, 前10m 采用C20混凝土护底，厚0.2m, 采用0.4厚C20混凝土，扭曲面采用M7.5浆砌石护砌
闸室段长11m ，共1孔，净宽2m, 闸底板高程顶面为67m ，底板厚1m, 边墩为梯形断面，顶宽0.7，底宽1.0m, 设计流量为0.5, 上游挡水高程为68.83m ，设检修闸门和工作门。
出口段长30m ，前15为1;5斜坡段，用以连续闸室末端同消力池 ，下游消力池段长10m ，“U ”型槽结构，底板采用C25钢筋混凝土，顶高程为64.00m, 厚0.8m ，下设0.1m 厚粗砂垫层，侧墙为梯形断面，顶宽0.5m ，底宽0.6m ；消力池后为5m 过渡段，两岸为扭曲面，护底采用0.2m 厚C20混凝土，扭曲面采M7.5浆砌石护砌，下游按引水渠。
根据勘探资料和闸室布置情况，闸基位于轻粉质壤土上，其地质参数建议值为：砼与地基摩擦系数f=0.30,C=8kPa, φ=14. 5︒ ,承载力标准值为100kPa; 墙后回填土料选用中、轻粉质壤土φ=17～20︒，C =16～20kPa , 饱和容量取2t/m2, 浮容量重取1.1t/m3。
二、 闸室布置
2.1 闸底板
按底板与闸墩的连接方式分
整体式：闸墩和底板浇筑成整体，有分段缝时缝设在闸墩上。底板是传力结构，将荷载较均匀地传给地基。闸室整体性较好，适用于松软地基。
分离式：底板与闸墩用沉陷缝分开。闸墩传力，底板仅防渗抗冲，一般适用于岩基或压缩性小的土基。
2.2闸墩：
⒈材料：混凝土（小型工程常用浆砌块石） ⒉闸顶高程：
闸顶高程通常指闸室胸墙或闸门挡水线上游闸墩和闸墙的顶部高程。应根据挡水和泄水两种运用情况确定。
挡水时闸顶高程不低于水闸正常蓄水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应安全超高值之和；
泄水时闸顶高程不应低于设计洪水位（或校核洪水位）与相应安全超高值之和。 水闸安全超高下限值（m ）：
位于防洪（挡潮）堤上的水闸，其闸顶高程不得低于防洪（挡潮）堤堤顶高程。
⒊长度：与底板长度相同或比底板长度稍短，取决于上部结构布置和闸门型式。 ⒋厚度：根据闸孔孔径、受力条件、结构构造要求和施工方法等确定，平面闸门闸墩门槽处不宜小于0.4m 。
⒌外形：应使水流平顺、侧向收缩小，过流能力大。
2.3闸门
⒈宽度：与孔口一致
⒉露顶式闸门顶部在可能出现的最高挡水位以上应有0.3~0.5m的超高。 ⒊型式：最常用的有平面闸门和弧形闸门。
⒋布置：要考虑对闸室稳定、闸墩和地基的应力以及对上部结构布置的影响。
三、 水闸水力计算
3.1闸孔尺寸与孔数
计算闸孔净宽
B 0=
Q σεm 2g H
320
； B 0—为闸室净宽（m ）
Q —为设计过闸流量（m 2/s ）;
H 0—为计入行近流速水头的堰上水头（m ）;
； g —为重力加速度（m /s 2）
m 、ε、σ—分别为堰上的流量系数、侧收缩系数和淹没系数。
进水闸闸孔净宽计算成果表
由于设计过闸流量Q >5，所以合适。
根据以上计算结果，进水闸共建一孔，单孔净宽取2m ，总净宽2m, 过堰流量5. 0m 3/s 。
3.2水闸的消能防冲设计
消力池：创造形成淹没水跃的条件。消力池实质上就是形成水跃、消刹能量的地方。
3.2.1消力池的尺寸确定
（1）消力池的深度
d =σ0h c ' ' -h s ' -∆Z h c ' ' =
3
h c ⎡
⎢1+32⎢gh c ⎣
2
8αq 2
⎤⎛b ⎫0. 25
1
-1⎥ b ⎪⎪ ⎥⎦⎝2⎭
αq 2
h c -T 0h c +=0 2
2g ϕ
∆Z =
αq 2
2g ϕh
2
' 2
-
αq 2
2gh
' ' 2
s c
式中：
d —消力池深度，m;
σ0—水跃淹没系数，可采用1.50～1.10，取1.10；
h c ' ' —跃后水跃，m ； h c —收缩水跃，m ；
α—水流动能校正系数，可采用1.0～1.05，取1.0；
q —过闸单宽流量，m 3/(s ∙m )； b 1—消力池首段宽度，m ；
b 2—消力池末段宽度，m ；
h s ' —出池河床水深，m ；
T 0—由消力池底板顶面算起的总势能，m ；
∆Z —出池落差，m 。
（2）消力池的长度
L sj =L s +βL j
L j =6. 9h c ' ' -h c L sj —消力池长度，m ；
L s —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，取0.8；
L j —水跃长度，m 。
（3）消力池的护坦厚度
护坦：保护水跃范围内的河床不受水流冲刷。
抗冲：护坦在工作时需要满足在水流冲击作用下不会掀起和下移。 抗冲：t =k 1∆H
抗浮：护坦在扬压力和脉动压力的合成作用下不至于浮起。 抗浮：t =k 2
U -W ±P m
γb
t —消力池底板始端厚度，m ；
∆H —为闸孔泄水时上、下游水位差，m ；
k 1—为消力池底板计算系数，可采用0.15～0.20，取0.2； k 2—为消力池底板安全系数，可采用1.1～1.3，取1.1；
U —为作用在消力池底板上的扬压力，kPa ；
W —为作用在消力池底板上的水重，kPa ；
P m —为作用在消力池底板上的脉动压力，kPa ； γb —为消力池底板的饱和重度，kN /m 3；
（4）海漫 1．海漫的作用
海漫的作用就是要消除水流的余能，调整流速分布，均匀地扩散出池水流，使之与天然河道的水流状态接近，以保护河床免受冲刷。
2．对海漫的要求
海漫的结构应该具有一定的柔性的，能够适应地基的不均匀沉陷； 海漫应该是透水的，能够顺利地排出渗水，降低扬压力；
海漫表面应做成粗糙的，以加大与水流的摩擦，有利于消除余能和调整流速分布。
L =K ∆H L —海漫长度，m ；
K —河床土质系数，粉、细砂取13～15，中、粗砂及砂壤土取10～12，壤土取8～9，坚硬粘土取6～7，扩散条件好时K 取小值，反之取大值；
q —消力池末端单宽流量
∆H —为上下游水位差，m 。
适用范围∆H =1～9。
消能防冲计算成果表（单位：m ）
根据以上计算结果，消力池长度为25m; 消力池深度为3m; 海漫长度
∆H =1.5，在1～9之间，所以适用；消力池底板厚度符合抗冲抗浮的要求。
四、 闸室和闸基抗滑稳定分析
4.1抗滑稳定验算
根据水闸运用过程中可能出现的所有情况进行分析，寻找最不利的情况进行闸室稳定及地基承载力验算。
1．完建无水期
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。
2．正常挡水期
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，且闸底板下扬压力最大，最容易发生闸室滑动失稳破坏，是验算闸室抗滑稳定性设计情况。
3．正常放水期
泄洪期工作闸门全开，水位差较小，对水闸无大的伤害。本设计不考虑地震情况。
闸室抗滑稳定验算
K c =
f ∑G
≥[K c ] H
[K ]—为作用在闸室底部所有铅直力的总和，kN ；
c
f —为基础底面与地基之间的摩擦系数，对于大型水闸，应作现场抗滑试验加以验证；
∑G —为作用在闸室上的全部竖向荷载（包括基底面上的扬压力），kN ； ∑H —为作用在闸室上全部水平向荷载，kN ；
ϕ0—为基础底面与地基土之间的摩擦角，度； C 0—为基础底面与地基土之间的粘结力，kN /m 2；
A —为闸室基础地面的面积，m 2。
4.2基底压力验算
σ=
G
BL
σmax =
min
∑G
BL
±
6∑M
BL
2
∑G —为作用在闸室底部所有铅直力的总和，kN ；
∑M —为所有外力对闸室底部中心点的力矩总和，以顺时针为正，kNm ；
B —为计算闸室段宽度，m ；
L —为底板长度，m ；
[K ]值表
c
f 值表
11
抗滑稳定分析成果表
根据以上计算结果，完建期，因为η=
σmax
=1. 40
求；挡水期，K c =2. 56≥[K c ]=1. 25符合规范要求，η=
σmax
=2. 0=2. 0σmin
所以满足规范要求；正常放水期，K c =13. 28≥[K c ]=1. 25符合规范要求，
η=
σmax
=1. 98
12