水闸设计计算

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。

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

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300m /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100m /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300m /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

3. 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

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ϕ=19，凝聚力C=60.0Kpa；

天然孔隙比e=0.69，天然容重γ=20.3KN/m，比重G=2.74，变形模量E 0

=4⨯10KPa ；建闸

所用回填土为砂壤土，其内摩擦角ϕ=26，凝聚力C=0，天然容重γ=18KN/m；混凝土的弹性模量E h =2.3⨯10KPa 。

4. 闸的设计标准

根据《水闸设计规范》SL265-2001，兴化闸按Ⅲ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

70.0 45.0 137.50 45.0 137.50 45.0 70.0

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L l =10h l 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6.7m ×7.8m 。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10.3m ～10.7m, 而泄水时上游水位为7.44m ～7.83m, 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 h s =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+2×7.33) ×7.33=473.96m

V=300/473.96=0.633m 3s

H 0=H+αV 0/2g=7.33+0.6332/（2×9.8）=7.35m

hS /H0=7.28/7.35=0.99>0.8,故属淹没出流。查SL265-2001表A ·0·1-2，淹没系数σS =0.36

3/2

由宽顶堰淹没出流公式：Q =σS m εB 02g H 0

对无坎宽顶堰，取m=0.385，假设侧收缩系数ε=0.96，则

3/2 B 01=Q /(σS m ε2g H 0)

=0. 36⨯0.385⨯0.96⨯2⨯9.81⨯7.353/2 =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=100m 上游行近流速 V0=Q/A

A=(b+mH)H=(50+2×6.94) ×6.94=443.3m

v 0=Q/A=100/443.3=0.23m/s0.8, 故属淹没出流。查 SL265-2001表A ·0·1-2，得淹没系数σs=0.36 同样取m=0.385，并假定ε=0.96，则得

B 02=

σs m ε2g H 03/2

100

=9. 28m 3/2

0. 36⨯0.385⨯0.96⨯2⨯9. 81⨯6.94

比较1）、2）的计算结果，B 02

拟将闸孔分为5孔，取每孔净宽为5m, 则闸孔实际总净宽为B 0=5×5=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，b 0=5m bs =b0+ε=5+1.1=6.1m b0/bs =5/6.1=0.820

查SL265-2001表A.0.1-1，得εz =0. 971 对于边孔，b 0=5m

b s =41.76m

b0/bs =0.12

查SL265-2001表A ·0·1-1，得εb =0.909。则：

ε=[εz （N-1）+εb ]/N =0.959。

对于无坎平底宽底堰，m=0.385,则

3/2

Q =σS m εB 02g H 0

=0. 36⨯0.. 385⨯0. 957⨯25⨯2⨯9. 81⨯7. 35 =294. 5m /s

3/2

Q 实-Q Q

×100%=

298.5-300

⨯100%=1.83%

300

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300m 为了节省计算工作量, 闸门的开度拟分三级, 流量50m 150m

往是分级开启的。

; 待下游的水位稳定后, 增大开度至

，待下游的水位稳定后, 增大开度至300m 3s 。

当泄流量为50m s 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V 0=

50Q

=718.1=0.069m/s(v 0

假设闸门的开度e=0.44m.

=0.043

表10.7，得垂直收缩系数ε'=0.636，则：

hc =ε'e=0.636×0.44=0.28m

h c =c

⎡⎤8q 2

⎢+3-1⎥

gh c ⎢⎥⎣⎦

⎤0. 28⎡8⨯(50/29. 4) 2

h =-1⎥=1. 32m ⎢+3

2⎢9. 81⨯0. 28⎥⎣⎦

h c

由(t﹣h c )/(H-h c )=0.58,查SL265-2001表A ·0·3-2（采用插值法），得孔流淹没系数σ=0.54，所以有

Q=σ'μ1eB 0gH 0 μ1=0.60－0.176式中 μ1—孔流流量系数。

因此 Q=0.54×0.592×0.44×25×2⨯981⨯10. 2=49.8m 该值与要求的流量50m

=0.592 H

s 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1.32

以同样的步骤可求得泄水量为150m /s 、300m /s 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：

（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300m 略去行进流速v 0，则：

T0= H+d=10.2+0.5=10.7m

s 作为确定消力池长度的计算依据。

hc =

T0-

α=q 2/2g ϕ2

q =10. 2ϕ=0. 95

α=5.88 hc =0.77m

h c =c

⎡⎤8q 2

　+-1⎥=4.88 m ⎢13

gh ⎢⎥c ⎣⎦

水跃长度 L j =6.9（h c -h c ）=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，L S =dp=0.5×4=2.0m,则消力池长度L SJ 为 L sj =L s +βL j =2.0+0.75×28.36=23.27m β—长度校正系数（0.7～0.8) 取消力池长度为23.3m 3）消力池底板厚度计算： t=k1

q ∆H

式中 K1消力池底板厚度计算系数, 可采用（ 0.15～0.20） K1取0.175 q =300/(25+4. 4) =10. 2m 3/(s ⋅m )

∆H =10. 7-7. 78=2. 92m t=0.73m

由于消力池的池底板厚范围（0.5～1.2）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： LP =K S q ∆H

q=300/〔25+4.4+tan10°×(23.27+1)×2〕=4.79 m /(s ⋅m ) ∆H=10.7－7.78=2.92m

k s 为海漫长度计算系数，取k s 为7.0

LP =7. 0

4. 792. 92=20. 03

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40cm ×60cm 。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 d '=1. 1 海漫末端的平均宽度

B ''=1/2(50+50+2×2×7.04)=64.08m q " =300/64.08=4.68m s ⋅m )

对比较紧密的黏土地基，且水深大于3m ， [v 0]可取为1.1m/s,h s =7.04m,则：

d '=1. 1⨯

q ''"

-h s v 0"

4. 68

-7. 04=-2.36m 1. 1

d '

2）防冲槽的构造。防冲槽为倒梯形断面（见图2-1）。其底宽1.0m ，深1.0m ，边坡1：2，槽中抛以块石。

综上所列其布置图如下图4-2-1：

图2-1 消力池、海漫、防冲槽布置（单位：cm ）

五、防渗排水设计

1. 地下轮廓设计

对于黏土地基，通常不采用垂直板桩防渗。故地下轮廓主要包括底板，防渗铺盖。 1.1 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、工作便桥宽及其之间间隔的总和，即L 约为12.0m 。

从稳定和地基承载力的要求考虑，L 可按经验公式估算 L=（H+2h+a）(1+0.1ΔH)K

因为H=10.2m,2h=0.5m,a=0.5m,ΔH=3.7m,K=1.0,则 L=15. 34m

综上所述，取底板顺水流方向长度L 为16m

2）底板厚度d 。根据经验，底板厚度为（1/5—1/7）单孔净跨，初拟d=1.2m。 3）底板构造。底板采用钢筋混凝土构造，混凝土为150。上下游两端各设0.5m 深的齿墙嵌入地基。底版分缝中设以“V ”型铜止水片。 1.2 铺盖

铺盖采用钢筋混凝土结构，其长度一般为2—4倍闸上水头或3—5倍上下游水位差，拟取20m ，铺盖厚度为0.4m 。铺盖上游端设0.5m 深的小齿墙，其头部不再设防冲槽。为了防止上游河床的冲刷，铺盖上游设块石护底，厚0.3m ，其下设0.2m 厚的砂石垫层。 1.3侧向防渗

侧向防渗主要靠上游翼墙和边墩。上游翼为曲面式反翼墙，收缩角取15，延伸至铺盖头部以半径为6.6m 的圆弧插入岸坡。 1.4 排水、止水

为了减小作用于闸底板上的压力，在整个消力池底板下部设砂砾石排水，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、下游翼墙与边墩之间的永久性分缝，虽然没有

防渗要求，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。 1.5 防渗长度验算

（1）闸基防渗长度。必须的防渗长度为

︒

L =C ∆H

∆H=3.7m。当反滤有效时，C=3；当反滤失效时，C=4。因此

L=11.1—14.8m

实际闸基防渗长度

L '=0.4+0.5+0.7+19+1.3+1.0+0.7+13+0.7+1.0+0.6=38.9m L '>L ，满足要求。

（2）绕流防渗长度。必须的防渗长度为

L=C∆H

∆H=3.7m,C=7（回填土为砂壤土，且无反滤），因此L=25.9m 实际防渗长度 L '=

+16=36.7m

cos 15︒

L '>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L 0=16+20=36m;地下轮廓的垂直投影长度S 0=1.7-0.4=1.3m。L 0/ S0=36/1.3=27.7>5,故地基的有效深度T e =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。

则ξ=∑ξ

i ＝1

=2.988

2.4 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 i =

∆H

, 则

h 1 =0.49m h 2 =0.03m h 3 =1.15m h 4 =0.08m h 5 =0.03m h 6 =0.99m h 7 =0.03m h 8 =0.50m

2）进出口段进行必要的修正：进出口修正系数β1为

β1=1.21-

⎡T '2⎤S

⎢12() +2⎥(+0. 059)

'⎢⎥⎣T ⎦T

T ´=18m T=17.9m S=0.4m

则β1=0.34

h 1´=β1 h=0.17m

进口段水头损失的修正量为

Δh=0.49－0.17=0.32m

修正量应转移给相邻各段

h 2´=0.03+0.03=0.06m

h 3´=1.17+（0.33－0.03）=1.44m

同样对出口段修正如下

β2=1.21-

⎡T '2⎤S 12() +2⎢⎥(+0. 059) ⎢T ⎥T '⎣⎦

T´=17.2m T=17.3m S=0.6m 则β

=0.440

出口段的水头损失修正为

h 8´=β

h8=0.22m

修正量Δh=0.50－0.22=0.28m

h 7´=0.03+0.03=0.06m h 6=0.99+(0.28－0.03)=1.24m

3）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Δh 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

H 1 = 3.3m

H 2 = 3.3-h1´=3.3-0.17=3.13m

H 3 = H2- h2´m =3.13-0.06=3.07m H 4 = H3- h3´m =3.07-1.44=1.63m H 5 = H4- h4´m =1.63-0.08=1.55m H 6 = H5- h5´m =1.55-0.03=1.52m

H 7 = H6- h6´m =1.52-1.24=0.28m H 8 = H7- h7´m =0.28-0.06=0.22m H 9 = H8- h8´m =0.22-0.22=0.00m

4）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 1=

( H6+ H7) ×16×1=14.4t=141.12KN 单位宽铺盖所受的渗透压力：

P 1

( H3+ H4) ×20×1=47.0t=460.6KN 2）同样的步骤可计算出校核情况下的渗透压力分布，即

ΔH=4.7-1.0=3.7m H 1 =3.70m H 2 =3.51m H 3 =3.45m H 4 =1.83m H 5 =1.74m H 6 =1.70m H 7 =0.33m H 8 =0.25m

H 9 =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 1=

( H6+ H7) ×16×1=×(1.70+0.33)×16×1=16.24t=159.15KN 2211

( H3+ H4) ×20×1=×(3.45+1.83)×20×1=52.8t=517.44KN 22

单位宽铺盖所受的渗透压力：

P 2=

‘

2.5 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

’

h 61. 37J X ===0.086＜[JX ]=0.4～0.5

L X 16

渗流出口处的平均逸出坡降J 0为

h 7' 0. 26J 0=' ==0.417＜[J0]=0.70～0.80

S 0. 6

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： 1=10.3+0.8+0.7=11.8m

校核洪水位的超高计算：∇2=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0.7m ×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。∆ZB =堰顶高程+堰顶下游水深+δ=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0.3m ×0.5m, 下梁尺寸为0.4m ×0.8m ，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+2⨯0.2=5.4m。根据经验公式：G=0.073K1K 2K 3A

0.93

H S

0.79

, 初估闸门自重。

A=42.12m;H S =10.2m；对于工作闸门，K 1=1.0，H/B=7.8/9.1=0.86, H/B＜1，K 2=1.1;HS =10.2＜60m ，K 3=1.0。则门重G=14.82t=145.2KN，取门自重G=150KN。初拟启门力F Q =（0.1—0.2）P+1.2G，闭门力F W （0.1—0.2）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=1/2×9.8×(2.6+10.2) ×7.6=476.7kN; P下=1/2×6.5×6.5 ×9.8=207.0kN， P=（P 上-P 下）×

5=1348.5kN

FQ =0.10×1348.5+1.2×150=314.85kN FW =0.10×1348.5-0.9×150=-0.15kN

F W

（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+2×

0.8+2

0.15+2

0.05=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

在工作桥的下游侧布置公路桥，桥身结构为钢筋混凝土板梁结构，桥面总宽5.5m 。其结构构造及尺寸见本章第一节。

2. 闸室稳定计算

取中间的一个独立的闸室单元分析，闸室结构布置见图6-2-1：

图6-2-1 闸室结构布置图（单位：

m）

2.1 荷载计算

（1）完建期的荷载. 完建期的荷载主要包括闸地板重力G 1、闸墩重力G 2、闸门重力G 3、胸墙壁重力G 4、工作桥及启闭机设备重力G 5、公路桥重力G 6和检修便桥重力G 7、取混凝土、钢筋混凝土的容重为25KN/m 。底板重力为：

G 1=16×1.2×12.2×25+0.5×（1+1.5）×0.5×12.2×25×2=6237.25KN 闸墩重力：每个中墩重

G 2=（0.5×3.14×0.55×11.3×25）+（0.5×3.14×0.55×8.0×25）+（4.2×1.1×

11.3×25-0.2×0.3×2×11.3×25）+（2.3×1.1×11.3×25-2×0.3×0.5×11.3×25）+（2.3×0.5×4.7×25）+（8.4×1.1×8×25）+（3×0.67×0.7×1.8×25）+（4.7×0.7×0.7×25））=4217.6KN

每个闸室单元有两个中墩，则：G 2=2 G2=8435.2KN 闸门重力为：G 3=150×2=300N

胸墙重力为：G 4=0.5×0.3×10×25+0.8×0.4 10×25+0.2×(3.7-0.4-0.3)×10× 25=267.5KN 工作桥及启闭机设备重力如下:

工作桥重力：G 5=2×0.92×0.35×12.2×25+0.5×(0.08+0.12)×0.9×12.2×2×25+0.15

×0.12×12.2×2×25+0.06×1.3×12.2×25=286.09KN

考虑到栏杆及横梁重力等，取: G5=330KN

QPQ-63启闭机机身重40.7KN ，考虑到机架混凝土及电机重，每台启闭机重48KN, 启闭机重力

G5=2×48.0KN=96.0KN G5= G5+ G5=330+96.0=426KN

公路桥重力:公路桥每米重约80KN, 考虑到栏杆重, 则公路桥重为:

G 6=80×12.2+50=1026.0KN

检修便桥重力：G 7=0.25×0.4×10.0×25×2+0.06×1.5×10×25=72.5KN 考虑到栏杆及横梁重力等，取: G7=130.0KN 完建情况下作用荷载和力矩计算见下表6-2-1：

' '

‘22

‘

（2）设计洪水情况下的荷载。在设计洪水情况下, 闸室的荷载除此之外, 还有闸室内水的重力、水压力、扬压力等。

闸室内水重:

W 1=4.69×9.8×10×9.8+7.6×0.8×10×9.8+6.5×10×10.01×9.8 =4504.3+595.8+6312.67

=11412.8KN

设计洪水情况下的荷载图见（图5-2-2）, 设计洪水情况下的荷载计算表见 (表5-2-2，设计洪水情况下荷载和力矩计算对B 点取矩)

水平水压力:

首先计算波浪要素。有设计资料知：h 浪线壅高为：

=0.8m，L

=10，上游H =9.8m，则上游波

πh l 22πH

h 0=cth

L l L l

π⨯0. 822π⨯9. 85

⨯cth h 0==0.25m 88

波浪破碎的临界水深： H lj = H lj =

L l L +2πh l ln l 4πL l -2πh l

88. 0+2π⨯0. 8⨯ln =0. 94m 4π8. 0-2π⨯0. 8

可见，上游平均水深大于L l /2,且大于H lj ，故为深水波。因此： P 1=0.5×4×9.8×(4+0.25+0.8) ×12.2+0.5×6×9.8×(4+10) ×12.2 =1208+5421.1=6629.1KN（→）

P2=0.5×9.8×(8.33+9.75) ×1.5×12.2=1621KN（→） P3=0.5×7.6×74.48×12.2=3362.6KN（←）

P4=0.5×9.8×(7.5+8.42) ×0.6×12.2=667KN（←）

浮托力：F=7.7×9.8×16×12.2+0.5×(1.0+1.5) ×0.5×9.8×12.2=14879KN(↑) 渗透压力:U=0.28×9.8×16×12.2+0.5×1.24×16×9.8×12.2 =1740.8KN(↑)

设计洪水情况下的荷载图见（图6-2-2）, 设计洪水情况下的荷载计算表见 (表6-2-2，设计洪水情况下荷载和力矩计算对B 点取矩)

图6-2-2 设计洪水位时荷载图

表6-2-2 设计洪水情况下荷载和力矩计算（对B 点取矩）

(3）校核洪水位情况的荷载。校核洪水位情况时的荷载与设计洪水位情况的荷载计算方法相似。所不同的是水压力、扬压力是相应校核水位以下的水压力、扬压力。

闸室内水重: Pv=4.69×10.2×10×9.8+7.6×0.8×10×9.8+6.5×10×9.91×9.8

=4688.1+595.8+6312.67 =13669.2KN

水平水压力: 首先计算波浪要素。

在校核水位下：h l =0.5m，L l =5.0m，h 0=0.16m,Hlj =0.59m上游H =10.2m，故为深水波。因此：

P 1=0.5×2.5×9.8×(2.5+0.16+0.5) ×12.2+0.5×(2.5+10.4) ×7.9×9.8×12.2 =472.3+6092.2=6564.5KN（→）

P2=0.5×9.8×(8.53+9.94) ×1.5×12.2=1656.2KN（→） P3=0.5×7.6×7.6 ×9.8×12.2=3362.6KN（←） P4=0.5×9.8×(7.6+8.45) ×0.6×12.2=668.3KN（←）

浮托力：F=7.7×9.8×16×12.2+0.5×(1.0+1.5) ×0.5×9.8×12.2 2=214879.2KN(↑) 渗透压力:U=0.33×9.8×16×12.2+0.5×1.37×16×9.8×12.2

=650.4+1300.8=1951.2KN(↑)

校核洪水情况下的荷载图见（图6-2-3）, 校核洪水情况下的荷载计算见 (表6-2-3，校核洪水情况下荷载和力矩计算对B 点取矩)

图6-2-3 校核洪水位时荷载图

表6-2-3 校核洪水情况下荷载和力矩计算（对B 点取矩）

2.2 稳定计算

(1）完建期

闸室基底压力计算

由表6-2-1可知，∑G=16822N，∑M=131165.3KN.m，另外，B=16m，A=16×12.2=195.2m , 则

max P min =

B ∑M ∑G e

e =-(1±6⨯)

2∑G A B

16131165.3

-=0.203m（偏上游）

168222

上游端) max 168220.20392.74kPa(± P = (16×)= min

195.21679.62kPa(下游端)

е=

地基承载力验算。由上可知

P =（P max +P min ）=（92.74+79.62）=86.18kPa

持力层为坚硬粉质粘土，N63.5=15～21击，查表得地基允许承载力[R ]=350kPa。因为基础的宽度远大于3m ，故地基允许承载力应修正。

[R ]=[R ]+m B γS (B -3) +m D γP (D -1. 5) 其中：B=8m;D=1.5m; 为安全起见，取m B =0.2,mD =1.0;

γP =γs =

(G -1) γ(2. 74-1) ⨯9. 8

==10. 09kN /m 3 (浮容重)

1+e 11+0. 69

[R ]=350+0.2×10.09（8-3）+1.0×10.09（1.5-1.5） =360.1kPa [R ]>P , 地基承载力满足要求。

不均匀系数计算。由上可知 η=

P max

P min

=1.16

基地压力不均匀系数满足要求。 (2) 设计洪水情况，

闸室地基压力计算。由表6-2-2可知：∑G=11615KN，∑M=108044.8KN.m，则

16108044.8-=-1.30m（偏下游）

211615

88.51kPa(上游端) 116151. 30max

(1±6⨯) = P min = 195. 21630.50kPa(下游端)

е=

地基承载力验算。由上可知

P =

（P max +Pmin ）=59.5kPa

地基承载力满足要求。不均匀系数计算。由上可知 η=

P max P min

=2. 9

但根据SD133-84附录五的规定，对于地基良好，结构简单的中型水闸， η的采用直可以适当的增大。本闸闸基土质良好；在设计洪水位情况下， η可采用3.0。

闸室抗滑稳定分析：临界压应力

[]

P kp =A γBtg ϕ+2c (1+tg ϕ)

其中A=1.75；γ=10. 09kN/m; B=16m, ϕ=19 ;c=60kPa。

P kp =258. 5kPa >P max =88. 51kPa , 故闸室不会发生深层滑动，仅需作表层抗滑稳定分析。

tg ϕ0∑G +c 0A K c =

∑H

1 2

其中：ϕ0取0.9，ϕ=17.1；c 0取c=20.0kPa。由于本闸齿墙较浅，可取A=195.2m，则

tg17.1⨯11615+12.0⨯195.2

=1.77>[K c ]=1.25 K c =

4220.5

闸室抗滑稳定性满足要求。（3) 校核洪水情况

闸室基底压力计算。由表6-2-3可知，∑G=11588.2KN，∑M=107224.4KN.m， ∑H =4189. 8KN 则

16144091.6-=-1.25（偏下游）

215018.1

上游端) 1.2587.19kPa(11588.2max

P min = (1±6×)=

16195.231.54kPa(下游端)

е=

地基承载力验算。由上可知 P =

（P max +Pmin ）=59.37kPa

地基承载力满足要求。不均匀系数计算。由上可知 η

P m ax m in

=2. 76

基地压力不均匀系数不满足。但根据SD-133-84附录5的规定，对于地基良好，结构简单的中型水闸，在校核洪水位情况下， η可以采用4. 故基地压力不均匀系数满足要求。闸室抗滑稳定分析：

显然P max

tg ϕ0∑G +c 0A tg17.1⨯11588. 2+20.0⨯195. 2K c ===1.78>[K c ]=1.10

∑H 4189.8

[]

闸室抗滑稳定性满足要求。

七、闸室结构设计

1. 底板结构计算

采用弹性地基梁法对底板进行结构计算。 1.1 选定计算情况

完建期竖向力最大，故地基反力亦较大，底板内力较大，是底板强度的控制情况之一。由第五节的计算知，在运用期，由于水的作用，不仅增加了闸室内的水重，而且产生了扬压力，地基反力的分布也与完建期有了很大的变化。显然，运用期上游水位高，下游水位低的情况也是底板结构计算的控制情况。故运用期选校核洪水位情况（此时上游水位最高）进行计算。 1.2 闸基的地基反力计算

在上一节中计算地基应力P max 、P min 时，求的是齿墙底部基底的应力，而不是底板底部基底应力，故尚应重新计算地基反力。

(1）完建期。完建期内无水平荷载，故在上一节中相应的地基应力就等于地基反力，可以直接运用，即

σm an =92. 74kPa （上游端） σmin =79. 62kPa （下游端）

(2)校核洪水情况。此时有水平力作用，需要重新计算地基反力，见表7-1-1.

e =

1610045.15-=-0. 67m ( 偏下游) 211588.2

max σmin =

11588. 2⎛6⨯0. 67⎫

1±⎪

16⨯12. 2⎝16⎭

=59. 4⨯(1±0. 25) =

74.25kPa (上游端) 44.55kPa (下游端)

1.3 不平衡剪力及剪力分配

以胸墙与闸门之间的连线为界，将闸室分为上、下游段，各自承受其分段内的上部结构重力和其他荷载。

(1)不平衡剪力。对完建期、校核洪进行计算。不平衡剪力值见表7-2-2

(2）不平衡剪力的分配，截面的形心轴至底板底面的距离如图7-1-1所示，即

11. 3

1. 2⨯12. 2⨯0. 6+2⨯1. 1⨯11. 3⨯(+1. 2)

f ==4. 5m

12. 2⨯1. 2+2⨯1. 1⨯11. 3

∆Q 231

L (f -f 2n +n 3) J 33

n =f -d =4. 5-1. 2=3. 3m

12. 2

=6. 1m L =211

J =⨯12. 2⨯1. 23+1. 2⨯12. 2⨯(3. 8-0. 6) 2+⨯1. 1⨯11. 33

1212

11. 3

⨯2+11. 3⨯1. 1⨯(-3. 3) ⨯2=626. 25m 4

∆Q 231

L (f -f 2n +n 3) =0.06∆Q ∆Q 底=J 33

则 ∆Q 墩=（1-0.06∆Q ）=0.94∆Q 每个闸墩分配不平衡剪力为∆Q 墩=0.47∆Q

∆Q 底=

图7-1-1 不平衡剪力分配计算图

1.4 板条上荷载的计算

（1）完建期板条荷载见图7-1-2（a ）

1）上游段：

均布荷载

q =

22000. 06⨯187. 7

-=32. 7kN /m (↓)

5. 49⨯12. 25. 49⨯12. 2

闸墩处的集中荷载 P = 2）下游段：均布荷载 q =

3357. 8+347. 7+165+130+480. 94⨯187. 7

-=365. 6kN (↓)

2⨯5. 492⨯5. 49

4037. 30. 06⨯187. 7+=31. 6kN /m (↓)

10. 51⨯12. 210. 51⨯12. 2

闸墩处的集中荷载 P =

5077. 4+1026+165+300+480. 94⨯187. 7

+=323. 2kN (↓)

10. 51⨯210. 51⨯2

图7-1-2 板条荷载图（a ）完建期 (b)校核洪水情况

（2）校核水位情况的板条荷载见图7-1-2（b ） 1）上游段：均布荷载

q =

22005283. 96091. 60. 06⨯1026. 2

+--=37. 2KN /m (↓)

5. 49⨯12. 25. 49⨯105. 49⨯12. 25. 49⨯12. 2

闸墩处的集中荷载

P=闸墩及其上部结构的重力-均布荷载中多计算的闸墩处的水重力-不平衡剪力的分配值，即

P =

3357. 8+347. 7+165+130+485283. 90. 94⨯1026. 2

-⨯1. 1-=175KN (↓)

2⨯5. 495. 49⨯102⨯5. 49

下游段：均布荷载 q =

4037. 3-10738. 71026. 2⨯0. 066312. 67

++=11. 9KN /m (↓)

12. 2⨯10. 5112. 2⨯10. 519. 01⨯10

闸墩处的集中荷载 P =

5077. 4+1026+165+300+486312. 671026. 2⨯0. 94

-⨯1. 1+=297KN (↓)

2⨯10. 5110⨯9. 012⨯10. 51

表7-1-3 底板弯矩计算表

八、两岸连接建筑物

水闸的岸墙和翼墙统称两岸连接建筑物，由上下游翼墙构成。上游翼墙为浆砌石重力式反翼墙，迎水面直立，墙背面为1﹕0.5是斜坡，收缩角为15°，圆弧半径为6.6m 的圆墙顶高程为11.0m 其上顶设置0.8m 的防浪墙板。墙后填土高程为10.8m ，翼墙底板为0.6m 厚的混凝土板，前趾长1.2m ，后趾长0.2m ，翼墙上游端与铺盖平齐，翼墙上游为干砌石块护坡，每隔12m 设一道浆砌石石格埂块石底部设15cm 的砂垫层。护坡底部一直延伸到兴华渠的出口处。

下游翼墙亦为浆砌石重力式反翼墙。其迎水面直立，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 ，下游翼墙底板为0.6m 厚的混凝土板，前趾长1.2m ，后趾长0.2m ，翼墙下游端与消力池平齐。下游亦采用干砌石块护坡，每隔8米设一道浆砌石格埂。

九、水闸细部构造设计

闸门采用平面轮钢闸门，尺寸为7.6m×7.8m 。选用电动卷扬式启闭设备选用QPQ-2×25卷扬式启闭机。闸门顶附加一个永久混凝土重块（自重在15KN 以上）。水闸闸室上游的护底每隔12m 分缝，中间设置浆砌块石埂砌筑成，闸室底板均分两个缝，缝内设置止水片，在消力池设置20个冒水孔。

十、基础处理

为了保证闸室建在安全稳定的土基上，需要对地基进行必要的地基处理，已满足上部结构的稳定要求。选用沉井基础法加固地基。沉井采用不封底沉井。底部既是闸室的基础又兼有防渗和防充刷的作用，底板厚1.2m ，底板采用钢筋混凝土结构，混凝土的材料是150#。上下游各设0.5m 的齿墙嵌入地基，底板分缝处设置V 型止水片。闸室上游端设铺盖护底，铺盖厚度为0.4m 铺盖上游端设0.5m 的小齿墙，头部不再需要设置防充槽，铺盖材料设块石护底，亦可以达到上游河床的防充要求了。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15°，延伸至铺盖头部以半径为6.6m 的圆弧插入岸坡。。为了减小作用于闸底板的渗透压力，在整个消力池底板下布设沙砾石排水，其首部紧抵闸底板下游齿墙。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，均设铜片止水。底板与消力池，消力池与下游翼墙，下游翼墙与边墙之间的永久性分缝，虽然没有防渗要求，但是为了防止闸室土基与墙后填土被水流带出，缝中铺贴沥青油毛毡。

十一、总结

通过为期两个星期的课程设计，巩固、扩大和加深了我们从课堂上所学的理论知识，掌握了水闸设计的设计内容，并有了一定的理解。运用CAD 绘图时也积累自己的绘图经验和提高自己的绘图速度。不仅从此次专业实习中获得了课程设计的初步经验和基本技能，还着重培养了我们的独立工作能力，培养我们在设计阶段发现问题、解决问题的能力，而且进一步提高了数据计算能力和对数据的敏感程度，这些知识往往是我在学校很少接触、注意的。

我们初步掌握到了水闸设计的基本方法及其流程、对基本知识有了一个系统的联系，学到了跟多实际的操作原理。更是学到了解决实际问题的方法，对以后的学习工作有很大的指导意义，在日常生活中更是有着现实意义；也对自己的动手能力是个很大的锻炼。我觉得自己在以下几个方面与有收获：

1、对水闸的设计有了进一步的系统了解。我们了解到了水闸的基本结构，设计人员的基本简化方法及其计算方法。这些知识不仅在课堂上有效，对以后的知识体系的连接有很大的指导意义，在日常生活中更是有着现实意义。

2、对自己的动手动脑能力都是个很大的锻炼。在设计的工程中提出很多问题，得到老师的极大帮助并一一解决，所以我锻炼了自己动手技巧及解决问题的思维方式，提高了自己解决问题的能力。，我想在以后的理论学习中我就能够明白自己的学习方向，增进专业知识的强化。

课程设计是学生对所学专业理论的应用，为今后工作解决实际问题的基本途径，对学生自身的能力的提高有极大的帮助。也是对现有所学知识的系统的联系。因此非常必要的。

参考文献：

（1）水工建筑物教材水利电力出版社（2）水力学教材高教出版社（3）《水工钢筋混凝土结构设计规范》水利电力出版社（4）《水闸设计规范》SL-265-2001 实施指南中国水利电力出版社（5）《水闸》水利电力出版社

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