水工建筑物水闸设计实例

灌区水闸设计

目录：

一、设计基本资料

二、设计说明书

<一>闸址选择

<二>枢纽布置

<三>水力设计：闸孔设计

<四>消能防冲设计

<五>防渗排水设计

<六>闸室结构布置

三、设计感想

一、设计基本资料

前进闸建在前进镇以北的红旗渠上，闸址的地理位置见图1.

该闸的作用是：

1、防洪。当胜利河水位较高时，关闸挡水，以防止胜利河的高水入侵红旗渠下游两岸的低田，保护下游农田和村镇；

2、灌溉。灌溉期引胜利河水北调，以灌溉红旗渠两岸的农田；

3、引水冲淤。在枯水季节，引水北上至下游的红星港，以冲淤保港。（一）、规划数据

红旗渠为人工渠道，其断面尺寸如图2所示。渠底高程为-5.5 m，底宽为50m，两岸边坡均为1:2。

该闸的主要设计水位组合有以下几方面：

红旗渠断面示意图（单位：m）

1、孔口设计水位、流量

根据规划要求，在灌溉期前进闸自流引胜利河水灌溉，引水流量为250/s。此时相应的水位为：闸上游水位为1.80m，闸下游水位为1.74m。

冬春枯水季节，有前进闸自流引水送至下游的红星港冲淤保港，引水流量为100/s。此时相应的水位为：闸上游水位为1.44m，闸下游水位为1.38m。

2、闸身稳定计算水位组合

（1）设计情况：上游水位为4.3m，浪高0.8m，下游水位为1.0m。

（2）校核情况：上游水位为4.7m，浪高0.5m，下游水位为1.0m。

3、消能防冲设计水位组合

根据分析，消能防冲的不利组合是：引水流量250/s，相应的上游水位为4.5m，下游水位为1.74m。

4、下游水位流量关系

下游水位~流量关系见表1。

表1 下游水位流量关系

（二）、地质资料

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2。

2、闸基土工试验资料

根据土工试验资料，闸基持力层坚硬粉质粘土的各项参数指标为：凝聚力c=60.0kpa；内摩擦角；天然空隙比e=0.69；天然容重。

建闸所用的回填土为沙壤土，其内摩擦角，凝聚力c=0kpa，天然容重。

表2 闸基土层分布

（三）、闸的设计标准

根据《水闸设计规范》，前进闸按 III级建筑物设计。

（四）、其他有关资料

1、闸上有交通要求。根据当地交通部门的建议，闸上交通桥为单车道公路桥，按汽车-10设计，履带-50校核。桥面净宽4.5m，总宽5.5m，采用板梁式结构，见图3所示，每米桥长约重80KN。

2、该地区“三材”供应充足。闸门采用平面钢闸门，尺寸自定，由工厂设计、加工制造。

3、该地区地震设计烈度为6度，故可不考虑地震的影响。

（五）、设计任务

（1）闸址选择（定性分析）；

（2）枢纽布置；

（3）水力设计（确定闸孔型式闸底板高程及孔口尺寸）；

（4）消能防冲设计（消能防冲设施包括消力池、海漫及防冲槽三部分）；（5）防渗排水设计（底板和防渗铺盖）

（6）闸室稳定验算。

三、实施时间、地点

2011年5月23日至2011年5月28日，第14周，本班教室。

早8：00——12:00；下午2:30——4:30。

四、主要做法步骤

五、成果要求

设计说明书一份；

剖面设计图纸一张

六、指导老师

张春娟

二、设计说明书

<一>闸址选择

闸址选择关系到工程建设的成败和经济效益的发挥，是水闸设计的一项重要内容。在本次课程设计中。通过对红旗渠周围地质、地形以及施工等因素的考虑，通过技术经济比较，选定最佳方案，即进水闸在前进镇以北的红旗渠上，闸址地理位置如图1所示。

图1

<二>枢纽布置

枢纽布置规范：水闸枢纽布置应根据闸址地形、地质、水流等条件以及枢纽中各建筑物的功能、特点、运用要求等确定，做到紧凑合理、协调美观、组成整体、效益最大的有机联合体。

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-5.5m,顶部高程-4.7m，迎水面直立，背流坡为1:1的斜坡，其断面见图2。

2、引水渠的布置

依据资料可知，胜利河河岸比较坚稳，引水渠可以尽量短（大约65m），使前进闸靠近胜利河河岸；

（1）为了保证有较好的引水效果，引水角取35°，并将引水口布置在胜利河弯道凹岸顶点偏下游水深较大的地方；

（2）为了减轻引水口出的回流，使水流平顺的进入引水口，引水口的上下游边角修成圆弧形；

（3）引水渠在平面上布置成不对称地向下游收缩的喇叭状。

（4）具体情况见图2

图2 枢纽布置图

3、进水闸

进水闸主要有上游连接段、闸室段和下游连接段组成。

<三>水力设计：闸孔设计

闸孔设计的主要任务是：确定闸室结构类型，选择堰型，确定堰顶高程及孔口尺寸。

1、闸室结构类型

该闸建在人工渠道上，故宜采用开敞式闸室结构；在运行中，该闸的当水位达4.3~4.7m，而泄水时上游水位为1.44~1.80m,挡水时上游最高水位比泄水时上游最高水位高出2.87，故拟设置代胸墙代替闸门挡水，以减小门高，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，从而节省工程费用。

综上所述，该闸采用代胸墙的开敞式闸室结构。

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，故宜采用结构简单、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，拟取闸底板顶面与红旗渠渠底齐平，高程为-5.5m 。

3、 孔口尺寸的确定

(1)初拟闸孔尺寸。该闸的孔口尺寸必须满足引水灌溉和引水冲淤

保港的要求。

a 、引水灌溉：上游水深 H=1.80+5.5=7.30

下游水深 H=1.74+5.5=7.24

Q=250s m /3

上游行近流速 ω/0Q v =

58.47130.7)30.7250()(=??+=+=H mH B ω s m v o /530.058.471/250==

m g v H H o

31.78

.92530.030.722

20=?+=+=α （取α=1.0） 99.031

.724

.70==H h s >0.8，故属淹没出流。 查水力学课本p212页可知，淹没系数36.0=s σ。

由宽顶堰淹没出流公式 3

/202O S H g B M Q εσ=

对无坎宽顶堰，取m=0.385,假设册收缩系数ε=0.96，则

m H g m Q B S 5.2232

.78.9296.0385.036.0250

)2/(2

/32

/301=?????=

=σ

b 、引水冲淤保港：

上游水深 H=1.44+5.5=6.94m

下游水深

H=1.38+5.5=6.88m

s m Q /1003=

2

3.4439

4.6)94.6250()(m H mH B =??+=+=ω

s m v o /23.030.443/100==<0.5s m /,可以忽略不计，则94.60=≈H H

99.094

.688.60==H h s >0.8，也属淹没出流。 查水力学课本p212页得，36.0=s σ，取m=0.385,假设册收缩系数ε=0.96，则得： m H g m Q B S 29.994

.68.9296.0385.036.0100

)2/(2

/32/302=?????=

=σ

比较a 、b 的计算结果，B 2

现拟闸孔分为5孔，取每孔净宽4.5m ，则闸孔实际总净宽22.5m 。

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

小闸孔总宽度，节省工程量，闸底板宜采用整体式平底板。拟将分缝设在哥孔底板的中间位置；中墩采用钢筋混凝土结构，厚1.0m ，墩头采用半圆形（水流条件好，施工方便），墩尾采用流线型（有利于水流扩散）

（2）复核过闸流量

根据初拟的闸孔尺寸，对于中孔：

m b 5.40=，m b b s 5.51.15.40=+=+=ε，8.06.5/5.4/0==s b b

查表得，976.0=z ε

对于边孔：

m b 5.40=，m b s 95.28=，19.0/0=s b b

查表得，909.0=z ε 则有 963.05

909

.0)15(976.0)1(=+-?=

+-=

N

N b

z εεε

查表可得，对于无坎平底宽顶堰，m=0.385，则

s

m H g B m Q O S /30.2332.78.925.22963.0385.036.0232/33

/20=??????==εσ

%2.31%100250

250

30.253%100Q

Q -=?-=

?实Q <5%

实际过流能力满足引水灌溉的设计要求，同样可验证初拟的闸孔尺寸也符合引水冲淤保港的要求。

因此，该闸的孔口尺寸确定为：共分5孔，每孔净宽4.5m ，四个中墩各厚1.0m ；闸孔总净宽为22.5.00m ，闸室总宽度为26.5m 。 <四>消能防冲设计

消能防冲建筑物主要包括消力池、海漫及防冲槽三部分；下面就此三种建筑物的设计进行计算说明：

1、 消力池的设计

(1) 判别上下游水面连接的形态

闸门从关闭状态到泄流量为250s m /3往往是分级开启的，为节省工作量，闸门的开度拟分为三级。第一级泄流量为50s m /3；待下游水位稳定后，增大开度至150s m /3，然后再增大开度至250s m /3。

上下游水位流量关系表

当泄流量为50s m /3时： 上游水深H=5.5+1.32=6.82m

下游水深可采用前一级开度（Q=0）时的下游水深，m h t 5.60.15.5=+=

202.43482.6)82.6250()(m H mH B =??+=+=ω

上游行近流速s m Q

v /11.002

.43450

0==

=

ω<0.5m/s,可忽略不计。

假设闸门的开度e=0.44m 。066.0=H

e

<0.65,为闸孔出流。

查阅《水力学》课本可知垂直 收缩系数ε=0.612，则有： m e h c 27.034.0612.0'=?==ε

m gh q h h c c

c

98.1121.08.9)5.22/50(81221.01812

3

32''=??????-??+=???

?????-+= ''c h

由934.098

.182.698

.15.6'

'''=--=--c c h H h t ，又因95.0=H h t ,查表的淹没系数65.0'=σ，因此有 001'2gH e B Q μσ=

67.019

.0685.01=-=H

e

μ (式中，u 1为孔流流量系数) 故s m Q /84.1982.68.925.2244.067.065.03=??????=

该值与要求的流量50s m /3十分接近，故所假定的闸门开度e=0.45正确。此时，跃后水深1.23

采用上述方法可判断出不同泄流量时水面的连接情况，见下表：

（2）消力池设计

a 、消力池池深：由上表可知，在消能计算中，月后水深均小于相应的下

游水深，出闸水流已发生了淹没式水跃，故从理论上讲，可以不建消力池，但为了稳定水跃，通常需一建造消力池。取池深d=0.5m 。 b 、消力池长度：L=10m 。

c 、消力池底板厚度：取消力池底板厚度为1.0m ，前后等厚。在消力池底板的后半部设排水孔，孔径10cm ，间距2m ，呈梅花形布置，孔内填以砂、碎石。消力池与闸底板连接处留一宽为1.0m 的平台，以便更好的促成出闸水流在池中产生水跃。消力池在平面上呈扩散状，扩散角取为10°。

2、 海漫的设计 （1） 海漫的长度为：

H q K L s p ?=

[]

)/(23.82)110(10tan 45.22/25030m s m q ?=?+?++=

m H 76.274.15.4=-=?

S K 为海漫长度计算系数，取S K =7.0

m L p 88.2576.223.80.7=??= ，取海漫长度为26m 。

（2） 海漫的布置与构造

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10m 采用浆砌石块，后16m 采用干砌石块。海漫底部铺设15cm 厚的砂砾垫层。 3、防冲槽的设计

（1） 海漫末端河床冲刷深度为

[]

''0'

''

1.1s h v q d -=

海漫末端的平均宽度m B 32.64)16.7225050(2

1''=??++=

)/(87.332.64/2503''m s m q ?==

对比较紧密的粘土地基，且水深大于3m ，〔v 0〕可取为1.1m/s,则有：

m d 17.316.71

.187

.31

.1'-=-= 'd <0，表示海漫出口不形成冲刷坑，理论上可以不建防冲槽。但为了保护海漫头部，故在海漫末端建一构造防冲槽。

（2） 防冲槽的构造：防冲槽为倒梯形断面。其底宽1.0m ，深1.0m ，

边坡1:2，槽中抛以块石。

消力池、海漫、防冲槽布置图（单位：cm ）

<五>防渗排水设计

对于粘性土地基，通常不采用垂直板桩防渗。故地下轮廓主要包括地板和防渗铺盖。

1、底板：考虑底板要满足上部结构布置的要求以及本身的结构强度等要求，底板采用整体式平底板。

（1） 底板顺水流方向的长度L

根据经验公式H L ?=)0.3~0.2(以及△H=3.7m 可有

L=7.4~11.1m

综上所述，取底板顺水流方向长度L 为11m 。

（2） 底板的厚度：根据经验公式d=（1/5~1/8）单孔净跨，一般为

0.5~0.8m，故初拟d=0.8m。

（3）底板的构造：底板采用钢筋混凝土结构，混凝土为c30。上下游两端各设0.5m深的齿墙嵌入地基。底板分缝中设以“V”

型铜片止水。

2、铺盖

铺盖采用钢筋混凝土结构，其长度一般为2~4倍闸上水头，拟取20m。铺盖厚度为0.5m。铺盖上游端设0.6m深的小齿墙，其头部不再设置防冲槽，为了上游河床的冲刷，铺盖上游设块石护底，厚0.3m，其下设0.2m厚的砂石垫层。

3、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°，延伸至铺盖头部以半径为6.6m的圆弧插入岸坡。

4、排水、止水

为了减小作用于闸底板的渗透压力，在整个消力池地板下布设砂砾石排水，其首部紧抵闸底板下游齿墙。闸底板与铺盖、铺盖与上游翼墙、上游翼墙与边墙之间的永久性缝中，均设以铜片止水。闸底板与消力池、消力池与下游翼墙、下游翼墙，下游翼墙与边墙之间的永久性分缝，虽然没有防渗的要求，但为了防止闸基土与墙后填土被水流带出，缝中铺贴沥青油毛毡。

5、防渗长度验算

（1）闸基防渗长度：必须的防渗长度为L=C△H,其中△H=3.7m。由于反滤情况的不同，C取值不同，C=3或4；因此有

L=11.1~14.8m

实际闸基防渗长度为：

m L 6.333.00.17.097.00.13.1187.05.04.0=++++++++++=

'L >L,满足要求。

（2）绕流防渗长度：必须的防渗长度为L=C △H,其中△H=3.7m ，

C=7(回填土为壤土，且无反滤)。因此L=25.9m 。 实际防渗长度

m L 7.311115

cos 20

'=+=

'L >L,满足防渗要求。

其地下轮廓布置见下图：

地下轮廓布置图（单位：cm ）

<六>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、 底板：前面已经介绍；

2、闸墩

闸墩顺水流方向的长度取与底板相同，为11m。闸墩为钢筋混凝土结构，中墩厚均为1.0m；边墩与岸墙合二为一，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；即：

▽1=4.3+0.8+0.7=5.8m（设计洪水位时）

▽2=4.7+0.5+0.5=5.7m（校核洪水位时）

闸墩上游部分的顶部高程取▽1、▽2中较大者，即为5.8m。

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，而其上设排架搁置公路桥。初拟闸墩下游部分顶部高程为2.5m，其上设3根0.7m×0.67m，高1.8m的柱子，柱顶设0.7m ×0.7m，长4.7m的小横梁，梁顶部高程即为2.5+1.8+0.7=5.0m。梁上搁置公路桥，桥面高程为5.8m，与两岸大堤相平。

闸墩上设两道门槽（检修门槽、工作门门槽）。检修门门槽在上游，槽深0.3m，宽0.2m。刚工作门门槽深0.3m，宽0.6m。下游布设检修门，闸墩上游为半圆形，下游为流线型（有利于水流扩散）。

3、工作桥

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。工作桥的具体尺寸见下图；工作桥为板梁式结构预制装配。工作桥设在实体架上，排架的厚度为闸墩门槽处得颈厚即5.0m，排架顺水流方

向的宽度为2.3m。排架顶部高程为▽=门高+富裕高度=7.8+0.6=8.4m

工作桥结构图

4、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梁，梁高0.4m，宽0.25m。梁中间铺设厚6cm的钢筋混凝土板。

5、交通桥

在工作桥的下游侧布置公路桥，桥身结构为钢筋混凝土板梁式结构，桥面总宽5.5m。其结构构造及尺寸见下图：

交通桥断面（单位：cm）

三、设计感想

时间过得很快，似箭般的一周时间在忙碌、繁琐中就这样悄悄的

结束了。我作为一名中国未来水利建设一线的中坚力量，经过每天从早到晚的计算、讨论以及制图。终于在本周的最后一个中午完成了我的设计任务。

设计的第一天，照着前辈们得设计模板，我开始了我的设计时光。起初感觉对这样一个设计任务莫名其妙，毫无兴趣，但经过一周时间的磨练，我感悟到这次设计对我学习上的帮助，以及对我的心态的影响，意义还是挺大的。

再设计过程中，许多以前自己感觉模糊不清的概念、名词以及计算公式的应用范围，经过自己查阅书籍，询问同学，都得以解决；现如今水闸这一块的知识点已经在我的大脑里根深蒂固了。对此，我很感激学校、老师能够给我们安排这次设计，帮助我把以前所学的知识进一步巩固。

对于这次的设计作业而言，我做完之后感觉难度还是挺大的；时间的紧促，直接决定了设计作业的质量的高低；所学文字知识与现实中建筑物的结构、尺寸及其他情况没能结合的具体，导致了计算与制图之间转换难度的增大。看来自己还得以后加强对现实中建筑物的实地勘察了！

在忙碌中度过的日子，是值得怀念的！

在相信有付出就有收获的日子里，是值得拼搏的！

无论以后自己的成就如何，相信自己的能力，用自己的细心、恒心、耐心去战胜一切！

最后，衷心感谢老师给我这次磨练的机会！