水闸设计步骤.doc

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1、水闸设计步骤一、拟定闸孔形式比较最高水位与地面高程，确定闸孔结构形式。二、选用堰型及堰顶高程根据闸基土质及运行要求，确定堰型 三、利用堰流公式初步拟定闸孔宽度。渠道断面面积： 平均流速： 平底堰：0.65时为堰流，否则为闸孔出流；曲线形堰：0.7时为堰流，否则为闸孔出流。he 闸门开度计入行进流速的上游水深：式中： 上游水深； 流速系数，取1.00；上游行进流速。A 0.9时用下式计算过流能力：0.72时， ； （水闸设计规范公式A.0.1-6)0.72时, =1侧收缩系数.，流量系数m=0.385B=B 0.9时用下式计算过流能力： 闸孔总净宽： B=时所需的闸孔总净宽小于初拟定的闸宽综合以

2、上引水情况和排水情况计算并考虑一定的安全储备确定B=六、验算闸孔过水能力淹没系数为：侧收缩系数为：=计算流量为： 或七、画出闸孔宽度布置图消能防冲设计一、用孔流公式计算闸门初始开度和出闸水流出使流量设闸孔开度e为1.0m根据闸门相对开度： 判别出流形式由水利学表8-7查得平板闸门的垂直收缩系数：收缩断面水深：流量系数：收缩断面流速：收缩断面的共轭水深： 潜孔比：由水力学图8-34查得淹没系数s=比较 与 的大小确定出流形式如闸孔为淹没出流，则流量根据水力学（8-24）计算单孔流量：；总流量： 以相同的方法设一组不同的闸孔开度e值，求得相应的 hcht最大时，相应的下泄水流的能量最大最大流量计算

3、表12345三、计算出闸水流的水跃消力池宽度：单宽流量： 上游河道断面面积： 平均流速： 跃前水深按水闸设计规范公式（B.1.1-3）计算：式中： 水流动能校正系数，取1.0； 过闸单宽流量； 水流动能校正系数，取0.95； 由消力池底板顶面算起的总势能移项得令则， 即故按迭代法计算设式中： 跃后水深：或根据值查表得共轭水深比 ，则；若hs则需设消力池。出池落差 验算淹没安全系数： 应满足 1.01.10 的要求四、计算消力池的长消力池长度按水闸设计规范公式（B.1.2）计算：式中： 消力池坡段水平投影长度； 水跃长度校正系数，取为0.75； 水跃长度，6.9（）五、计算消力池底板的厚度消力池

4、底板厚度 按水闸设计规范（B.1.3-1）计算式中： 消力池底板始端厚度； 闸孔泄流时的上下水位差； 消力池底板计算系数； 过闸单宽流量。考虑到消力池底板的抗浮要求，现取消力池底板厚度为 m。六、确定消力池的构造七、计算海漫长度对于在19之间的情况，可按水闸设计规范（B.2.1）计算：式中： 海谩长度（m）； 消力池末端单宽流量；海漫长度计算系数；闸孔泄流时上下水位差。八、计算冲刷坑的深度，确定防冲槽的尺寸海漫末端的河床冲刷深度 按水闸设计规范公式（B.3.1）计算式中： 海漫末端河床深度； 海漫末端单宽流量；海漫末端河床水深。河流土质允许不冲流速的计算：断面面积：湿周：水力半径：不冲流速：

5、闸基渗流计算一、渗流计算水位组合二、下轮廓线布置，验算防渗长度（一）地下轮廓线的设计步骤 （1）根据水闸的上下游水位差大小和地基土质条件选择地下轮廓的形状和尺寸。初步拟定其不透水层部分的长度（即防渗长度）时，一般均采用渗径系数法。 （2）选用适当的方法对初步拟定的布置方案进行渗流计算，求出闸底所受 的渗透压力以及渗透坡降，特别时渗流出口处的坡降。 （3）验算闸基及地基的稳定性，包括地基土的抗渗稳定性。（4）根据稳定和经济合理的要求，对初拟的底下轮廓线进行修改。在修改底下轮廓线的形状和尺寸时，应结合总体布置和闸室的结构布置与设计进行综合考虑。（二）用渗径系数法初步拟定闸基的防渗长度按水闸设计规范

6、公式（4.3.2）计算：式中： 闸基防渗长度； 渗径系数，查水闸设计规范表4.3.2； 上下游最大水位差。 （三）初步拟定闸室沿水流方向的长度式中： 闸室沿水流方向的长度； 上下游水位差。则初拟闸底板长度 m；闸底板厚度取闸孔净宽的1/61/8可初拟底板厚度为 m，底板上下游的齿墙宽度为 m，齿墙深度均为 m，上游齿墙的作用是降低闸底板上的渗透压力，下游的齿墙是减小出逸坡降，有助于防止地基产生渗透变形。（四）验算防渗长度（五）地下轮廓线布置 水闸地基防渗长度初基轮廓线形状及尺寸确定，即进行地下轮廓线的布置。布置的总的原则是滞渗步确定以后，可根据设计要求和地基土壤的特性，并参考已有的类似的水闸工

7、程资料进行闸与导渗相结合。通常在闸室底板上游一侧布置防渗设施（如铺盖、板桩及齿墙等），用来延长渗径、减小底板渗透压力、降低闸基渗流坡降等，这叫滞流；在下游侧布置排水设施，使渗透水流尽快地安全排走，以防止发生渗透变形，并减小底板渗透压力，这叫导流。三、 渗流计算采用改进阻力系数法来进行渗流计算。（一）地基有效深度的确定当5时，可按水闸设计规范公式（C.2.1-1）计算，有效深度：当5时，可按水闸设计规范公式（C.2.1-2）计算，有效深度：式中： 土基上水闸的地基有效深度（m）； 地下轮廓的水平投影长度； 地下轮廓的垂直投影长度。（二）计算各典型段的阻力系数表3-1 各渗流区段几何参数和阻力系数

8、表段号段别Si（S1,S2）（m）Ti（m）Li（m）i备注1进口段各渗流区段的阻力系数可根据段别和区段的几何特性（S，T，L）按下列公式计算1、进出口段：2、内部垂直段：3、水平段：2内部水平段3内部垂直段4内部水平段5内部垂直段6内部水平段7内部垂直段8内部水平段9内部垂直段10内部水平段11内部垂直段12内部水平段13内部垂直段14内部水平段15出口段计算得：（三）计算各典型段的渗压水头损失根据式 计算式中：；表32 各典型段渗压水头损失计算表渗压水头损失设计正向设计反向校核正向当底板有倾斜段时，阻力系数为s （四）进、出口水头损失值的修正（1）进口处修正系数：进口段水头损失应修正为：

9、 进口段水头损失减小值为： 按相应公式修正各段的水头损失值为：（2） 出口处修正系数：出口段水头损失应修正为： 表3-3： 渗压水头损失计算汇总于表渗压水头损失（m）设计情况正向挡水修正前修正后反向挡水修正前修正后校核情况正向挡水修正前修正后（五）计算各渗流角点处的渗压水头由上游进口段开始，逐次向下游，从作用水头值相继减去各分段水头损失值，即可求得各角隅点的渗压水头值。表3-4 各角点渗压水头计算汇总表渗压水头(m)设计情况正向挡水反向挡水校核情况正向挡水（六）绘制闸底渗透压力分布图根据以上算得的渗压水头值，并认为沿水平段的水头损失呈线性变化，绘出如图所示的渗压力分布图：1、 计情况正向挡水

10、2、 计情况反向挡水2、 校核情况正向挡水（七）验算渗透坡降表3-5 出口渗透坡降计算表 参数水位情况（m）（m）备 注设计正向各水位组合情况的出口渗透坡降按式（C.2.6）计算： Jh0/s/设计反向校核正向闸室结构布置一、闸室底板的布置二、闸墩的布置拟定闸墩顺水流方向的长度，闸墩厚度，闸墩高度，门槽位置和尺寸。闸墩分中墩和边墩两种。中墩上游部分（以闸门分界）的顶部高程一般高出设计（校核）水位，以使闸上交通桥既不防碍过水，也不受波浪的影响。中墩下游部分的顶部高程可以适当降低。边墩是闸室与两岸连接的闸墩，边墩顶部高程，在泄洪时应高出设计或校核水位加安全超高值，关门时应高出设计或校核洪水位加安全

11、超高值。该两项安全保证条件应同时得到满足，以便使上游来水不漫过边墩顶部，确保闸室安全。表41 安全超高数值表安全超高泄洪时挡水时设计洪水位校核洪水位 泄洪时：设计（校核）洪水位+ 关门时：设计（校核）洪水位+ 表42 闸顶高程计算表水位情况设计水位（m）安全超高（m）闸顶高程（m）设计正向泄洪挡水设计反向泄洪挡水校核正向泄洪挡水三、闸门结构的布置拟定闸门高度，闸门形式，估算闸门重量，估算闸门启闭所用的启门力和闭门力（一） 计算胸墙底缘高程（二）估算闸门重量采用直升式平面钢闸门，初拟拟闸门高度为6.5m：估算闸门重量：式中：闸门工作性质系数，取值1.0；孔口高度比修正系数，取值1.0；水头修正系

12、数，取值为1.0；H孔口高度；B孔口宽度。（三）估算闸门启闭力选定启闭机：启门力：闭门力：表43 OPQ-212.5t型闸门启闭机外形主要尺寸型 号外形主要尺寸（mm）悬挂点（mm）ABEFIJHh1h2dDCe表44 OPQ-212.5t型闸门启闭机外形主要尺寸型号基础主要尺寸（mm）作用荷载ABCEFGIJMNQ1Q2Q3Q4四、工作桥尺寸拟定 为了安置闸门的启闭设备及工作人员操作的需要，通常要设置工作桥，并在闸墩上修建支墩或排架来支承工作桥。（一）工作桥的总宽度确定总宽度=基座宽度+2(操作宽度)+2(栏杆柱尺寸)（二）工作桥高程及排架尺寸的确定堰顶以上至工作桥底梁之间的净高为：式中：为

13、相应于最大过闸流量的堰顶水深；为闸门高度，；为富裕高度。五、交通桥、工作便桥形式的拟定六、分缝和止水的布置七、两岸连接建筑物的布置水闸两端与河岸连接时，需设置连接建筑物，其组成部分有岸墙，上下游翼墙。（一）上下游翼墙的布置（二）岸墙的布置闸室稳定计算一、闸室结构荷载计算取相邻顺水流向永久缝之间的闸段作为计算单元。闸室所受荷载如图51所示：（一）闸室自重及弯矩计算表5-1： 闸室自重及弯矩计算表（以底板中点为矩心）构件名称算式重力（KN）力臂（m）力矩（KNm）闸墩底板工作桥交通桥检修便桥排架活动门槽启闭机闸门胸墙合计注：1、采用钢筋砼容重取为24KN/m3; 2、所有弯矩以逆时针为正，顺时针为

14、负（二）计算水重及其弯矩表5-2： 水重和弯矩计算表（以底板中点为矩心）计算情况算式水重（KN）力臂（m）力矩（KNm）设计情况正向挡水上游水重下游水重反向挡水上游水重下游水重校核情况正向挡水上游水重下游水重（三）扬压力的计算1、浮托力的计算表5-3： 浮托力和弯矩计算表（以底板中点为矩心）计算情况算式浮托力（KN）力臂（m）力矩（KNm）设计情况正向挡水反向挡水校核情况正向挡水2、渗透压力的计算计算简图如图所示参照前表数据及图，列表计算如下： 表5-4： 渗透压力和弯矩计算表（以底板中点为矩心）计算情况算式渗透压力（KN）力臂（m）力矩（KNm）设计情况正向挡水设计情况反向挡水校核情况正向挡

15、水（四）水平水压力的计算表5-5： 水平压力和弯矩计算表（以底板中点为矩心）计算情况算式水平压力（KN）力臂(m)力矩(m)设计情况正向挡水上游止水以上止水以下下游止水以上止水以下设计情况反向挡水上游止水以上止水以下下游止水以上止水以下校核情况正向挡水上游止水以上止水以下下游止水以上止水以下二、闸室结构荷载汇总将各种荷载分完建、设计情况和校核情况分别进行汇总，如表所示（一）设计情况正向挡水闸室结构荷载计算汇总表5-6： 设计情况正向挡水闸室结构荷载计算汇总表荷载名称垂直力(KN)水平力(KN)力臂(m)力矩(KN.m)顺时针逆时针闸室机构自重上游水压力P1P2P3下游水压力P4P5P6浮托力渗

16、透压力水重上游下游合计（二）设计情况反向挡水闸室结构荷载计算汇总表5-7 设计情况反向挡水闸室结构荷载计算汇总表荷载名称垂直力(KN)水平力(KN)力臂(m)力矩(KN.m)顺时针逆时针闸室机构自重23.64.15上游水压力P1P2P3下游水压力P4P5P6浮托力渗透压力水重上游下游合计（三）校核情况正向挡水闸室结构荷载计算汇总表5-8： 校核情况正向挡水闸室结构荷载计算汇总表荷载名称垂直力(KN)水平力(KN)力臂(m)力矩(KN.m)顺时针逆时针闸室机构自重上游水压力P1P2P3下游水压力P4P5P6浮托力渗透压力水重上游下游合计三、抗滑稳定计算 根据水闸设计公式（5-18）计算：式中：

17、00.9= 所有作用在闸室上垂直力的总和； 作用在闸室上所有水平力的总和； C00.3C 底板与地基的接触面积，A=BL=。 现列表59计算抗稳定安全系数如下：表5-9：闸室抗滑稳定分析计算参数设计正向设计反向校核正向C（kPa）0（）Tg0（kN）（kN）Kc四、基底压力计算 基底压力的分布与底板刚度、尺寸、砌置深度及地基性质等因素有关，呈曲线分布。由于闸墩在顺水流方向刚度很大，可近似地把基底压力作为直线分布，这与实际情况较接近，其压强按水闸设计规范公式（7.3.4-1）计算：式中： 闸室基底应力的最大值或最小值； 作用在闸室上的全部竖向荷载（包括闸室基础底面上的扬压力在内）； 作用在闸室上

18、的全部竖向和水平向的荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩； 闸室基底面的面积A=BL=；闸室基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩 现根据上式列表5-10计算基底压力如下：表5-10 基底压力计算表计算参数完建期设计正向设计反向校核正向 （KN） （kNm） （kPa） （kPa） （kPa） 五、地基允许承载力计算（一）完建期完建期采用太沙基极限承载力公式计算极限承载力式中： 地基所能承受的竖向极限荷载； 地基土的重度；基础埋深范围内土的重度；基础埋深,取为；地基承载力安全系数；承载力系数；承载力系数与的关系表得：（二）运行期对均质地基、基础底面完全光滑，在中心荷载作用下，利用汉

19、森极限承载力公式计算竖向地基承载力式中： 按汉森公式计算的土质地基允许承载力； 土的容重，水下用浮容重；地基承载力安全系数，取为2.0；、基础的形状系数；、荷倾斜系数；、深度系数；、基础的形状系数；当为设计情况正向档水时计算地基承载力如下：作用在基底上的竖向荷载 ：作用在基底上的水平荷载 ：查水闸设计规范表H.0.7-2，表H.0.7-3，表H.0.7-4，得倾斜系数： 查水闸设计规范表H.0.7-1，得承载力系数： 形状系数为： ； 基底面以上的有效边荷载：深度系数：地基允许承载力为：列表计算地基极限承载力和容许承载力：表5-11：地基容许承载力计算计算参数设计正向设计反向校核正向(Kpa)

20、Kpa)(Kpa)(Kpa)第六章 闸室底板结构计算一、计算闸底板顺水流方向的地基反力表61 地基反力汇总表地基反力完建期设计正向设计反向校核正向二、计算不平衡剪力以胸墙与闸门之间的连接为界（闸门的侧止水布置在上游侧）分闸室为上、下游段，各自承担其分段内的上部结构重力和其他荷载，计算不平衡剪力如表表62 不平衡剪力计算表荷载名称完建期设计正向上游段下游段小计上游段下游段小计结构重力闸墩底板胸墙交通桥工作桥便桥启闭机闸门排架合计水重力浮托力渗透压力地基反力不平衡力不平衡剪力 表62： 不平衡剪力计算表荷载名称设计反向校核正向上游段下游段小计上游段下游段小计结构重力闸墩底板胸墙交通桥工作桥便桥启

21、闭机闸门排架合计水重力浮托力渗透压力地基反力不平衡力不平衡剪力三、不平衡剪力分配值的计算设，分别为剪力分配图中分配给闸墩和底板的相对剪力面积，则不平衡剪力按下式计算：为了计算方便，求时取坐标向下为正则得闸墩：底板：表63 不平衡剪力分配计算表上游侧下游侧完建期设计正向设计反向校核正向四、弹性地基梁的荷载计算分配给闸墩的不平衡剪力可近似地按集中力考虑，此时通过中墩传给地基梁的荷载1和通过缝墩传给地基梁的荷载N2 为式中： 中墩重（包括上部结构） 缝墩重 (包括上部结构)分配给底板的不平衡剪力按均匀分布考虑并与底板自重，水重，浮托力，和渗透压力等相加，则可得到地基梁上的均布荷载。式中： 底板自重水

22、重浮托力渗透压力表64 弹性地基梁荷载计算表荷载时期均布荷载（KN/m）集中荷载(KN)上游段完建情况设计正向设计反向校核情况下游段完建情况设计正向设计反向校核情况五、边荷载的计算边荷载计算简图如图62所示：（一）完建期（二）设计情况正向挡水（三）设计情况反向挡水（四）校核情况正向挡水六、弯矩计算先计算梁的柔性指数，查表610和611得 KN/m2；取KN/m2，所以梁的柔性指数为： 式中：基土的变形模量； 混凝土的变形模量；地基梁的半梁长度；底板厚度按短梁查郭氏表，荷载参见图。根据板条上荷载情况和数值，查附录及，得各有关断面的弯矩系数，并计算各个时期的弯矩值。查表计算的成果汇于表6-5。表6

23、5 弯矩计算汇总表段别弯距系数M板带上荷载边荷载均布集中荷载PP荷载qP1（a=0.3）P2（a=1.0）上游段00.10.20.30.40.50.60.70.80.91下游段00.10.20.30.40.50.60.70.80.91表65续表：板带上荷载产生的弯距值完建时期q上= P1上= P2上=q下=P1下= P2下=*q*7.60*7.60=或Pl=表65续表：板带上荷载产生的弯距值设计情况正向挡水q上=P1上=P2上=q下=P1下=P2下=ql2=或Pl=+表65续表：板带上荷载产生的弯距值设计情况反向挡水q上=P1上=P2上=q下=P1下= P2下=ql2=或Pl=+表65续表：板

24、带上荷载产生的弯距值校核情况正向挡水q上=P1上=P2上=q下=P1下=P2下=ql2=或Pl=+表65续表：边荷载产生的弯距值MB完建时期设计情况正向挡水P1=P2=P10= (上)P11=P12=P15= (上)P1=P2=P10= (上)P11=P12=P15= (上)P1=P2=P10= (下)P11=P12=P15= (下)P1=P2=P10= (下)P11=P12=P15= (下)(18)=0.01Pl(19)=0.01Pl(20)=0.01Pl(21)=0.01Pl表65续表：边荷载产生的弯距值MB设计情况反向挡水校核洪水情况P1=P2=P10= (上)P11=P12=P15=

25、上)P1=P2=P10= (上)P11=P12;=P15= (上)P1=P2=P10= (下)P11=P12=P15= (下)P1=P2=P10= (下)P11=P12=P15= (下)(22)=0.01Pl(23)=0.01Pl(24)=0.01Pl(25)=0.01Pl表65续表：弯距总和(kn.m)完建设计情况设计情况校核-洪水时期正向挡水反向挡水情况(26)=(8)+1.0(18)+(19)(27)=(11)+1.0(20)+(21)(28)=(11)+1.0(22)+(23)(29)=(14)+1.0(19)+(20)七、底板配筋计算（一）底板底层钢筋配筋（二）底板面层钢筋配筋八、

26、闸底板抗裂验算由 水工钢筋混凝土结构学附录二表2、表5、表6查得混凝土弹性模量：N/mm2钢筋弹性模量：N/mm2混凝土轴心抗拉强度标准值： N/mm2；由附录五表4查得矩形截面矩的塑性系数：则弹性模量比：混凝土拉应力限制系数，对荷载效应的短期组合取为0.85，对长期组合取为0.70；（一）闸底板底面钢筋抗裂验算 按水工钢筋混凝土结构学公式（8-12）、公式（8-13）计算及： 考虑截面高度影响对值进行修正，得 闸底板的抗裂计算按照长期荷载组合计算，首先按水工钢筋混凝土结构学公式（8-8）进行抗裂验算： 如水闸底板跨中截面不满足抗裂要求，则需进行裂缝开展深度的验算式中： 按荷载效应的长期组合计算的纵向受拉钢筋应力；构件受力特征系数，受弯构件取1.0； 钢筋表面形状系数，变形钢筋为1.0； 荷载长期作用影响系数，荷载效应的长期组合为1.6； 最外排纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离，20mm； 受拉钢筋直径，28mm； 纵向受拉钢筋的有效配筋率，