水利水电专业水闸工程毕业设计.doc

1、 目 录第一章总论31.1概述31.2基本资料31.3工程综合说明书5第2章 水力计算72.1 闸室的结构形式及孔口尺寸确定72.2消能防冲设计9第3章 水闸防渗及排水设计153.1 闸底轮廓布置153.2 防渗和排水设计及渗透压力计算163.3防渗排水设备和细部构造19第4章 闸室布置214.1 闸底板、闸墩214.2 工作桥、公路桥、检修桥224.3 闸门和启闭机244.4 闸室的分缝和止水设备25第5章 闸室稳定计算275.1 荷载及其组合275.2地基应力验算285.3 闸室稳定验算31第六章 闸底板结构计算326.1 闸底板不平衡剪力计算286.2 底板板条内力计算326.3 闸底板

2、配筋计算及裂缝校核37第7章 上下游连接建筑物417.1上游连接建筑物417.2 下游连接建筑物417.3 闸室与岸坡连接建筑物41第一章总论1.1 概述XX河闸计划修建于XX境内XX河上，该闸位于XX公路，XX河下公路桥下游一侧，距开封约50km。XX河上的XX河闸控制流域面积1341.4km2，本工程建成后，可拦蓄引黄退水和开封市雨水约300万m3，并为唐寨灌区及沿河8万亩土地惊醒灌溉补源；为该区16.5万人改善城乡用水及工农业发展创造条件。1.2 基本资料1.2.1 闸区地形、地质及水文情况闸区地面平整，海拔绝对高程在59.5861.63m之间，该区地形高差只有0.95m左右，闸区沿河均

3、按61.00m高程设防修建大堤。闸区河底高程54.98m，底宽63m，因为闸区砂壤土地基，两岸边坡设计为1：3，河道坡降约为1/5800，糙率约为0.0225。闸区地层为新生代全新世黄河冲积地层，上层约有0.20.3m的污泥层，其下为重粉质 砂壤土层（高程54.949m），再下为中粉质壤土层（高程4945.50m），在45.5m高程以下是紧密的细砂层。闸址处地层近乎平行，土质特性在水平方向变化不大，而在垂直方向变化较大。闸址土的物理力学特性见表141 第 页 共43页表1 XX河闸基土质的物理力学特性土体单元颗粒组成粒径（mm）含水量w土的干重度土粒比重孔隙比饱和重度液限塑限塑性指数液性指数压

4、缩模量压缩系数年代成因单元序号地层名称地层深埋高程m砂粒粉粒粘粒20.050.050.005L=47.6(m)，满足要求。3.2 防渗和排水设计及渗透压力计算3.2.1 渗流计算的目的计算闸底版各点渗透压力；演算地基土在初步拟定的地下轮廓线下的渗透稳定性。3.2.2 计算方法计算方法有直线比例法、流网法和改进系数法，由于改进阻力系数法计算结果精确，采用此种方法进行渗流计算。3.2.3 计算渗透压力(1) 地基有效深度的计算判断地基有效深度Tc为计算值大于实际的地基透水层深度9.3米所以取小值为9.3米。(2)分段阻力系数的计算通过地下轮廓的各角点和尖端将渗流区域分成9个典型段，如图所示：图3-

5、2 渗流区域分段图（单位：m）其中：1、9段为进出口段，用公式计算阻力系数，3、5、7段为内部垂直段，用公式计算其阻力系数，2、4、6、8段为水平段，用公式计算其阻力系数。各典型段的水头损失用公式计算。 进出口段的阻力系数修正用公式 ， 阻力修正系数 修正后的进、出口段水头损失将减小h，计算结果如表3-1所示：表3-1 各段渗透压力水头损失分段编号分段名称SS1S2TL1hihi进口0.6.0.3970.222水平01.9.1.4271.602垂直1.9.0.1860.186水平00.1.0.0.1270.127垂直1.0.0.1100.110水平1.01.0.0.9310.931垂直1.0.

6、0.110.11水平00.1.0.0.1270.157垂直1.5.0.380.350合计4.H=3.8H=3.8表3-2进出口段的阻力系数修正表段别STh0hhx进口段0.624.40.3130.2180.4772.517出口段2.522.50.7220.5130.1980.918(3)计算各角点的渗透压力值.用上表计算的各段的水头损失进行计算,总的水头差为正常挡水期的上、下游水头差3.8m。各段后角点渗压水头=该段前角点渗压水头此段的水头损失值，结果列入表表3-3 闸基各角点渗透压力值H1H2H3H4H5H6H7H8H9H103.83.581.981.791.661.550.620.510.

7、350 （4）验算渗流逸出坡降。出口段的逸出坡降: ，小于壤土出口段允许渗流坡降值0.50-0.60（查表得）,满足要求.闸底板的渗透压力分布如下图所示.图3-3 闸底板下渗透压力分布图3.3防渗排水设备和细部构造3.3.1 第三节排水设备的作用采用排水设备，可降低渗透水压力，排除渗水，避免渗透变形，增加下游的稳定。排水的位置直接影响渗透压力的大小和分布，应根据闸基土质情况和水闸的工作条件，做到既减少渗压又避免渗透变形。 3.3.2 排水设备的设计(1) 水平排水。水平排水为加厚反滤层中的大颗粒层，形成平铺式。排水反滤层一般是由2-3层不同粒径的砂和砂砾石组成的。层次排列应尽量与渗流的方向垂直

8、，各层次的粒径则按渗流方向逐层增大。反滤层的材料应该是能抗风化的砂石料，并满足：被保护土壤的颗粒不得穿过反滤层；各层次的粒不得发生移动；相邻两层间，较小一层的颗粒不得穿过较粗一层的空隙；反滤层不能被阻塞，应具有足够的透水性，以保证排水畅通；同时还应保证耐久、稳定，其工作性能和效果应不随时间的推移和环境的改变而变差。 本次设计中的反滤层有碎石、中砂和细砂组成，其中上部为20cm厚的碎石，中间为10cm厚的中砂，下部为10cm厚的细砂。（见图3-4） (2) 铅直排水设计。本工程在护坦的中后部设排水孔，孔距为2m，孔径为10cm，呈梅花形布置，孔下设反滤层。(3) 侧向排水设计。侧向排水布置应根据

9、上、下游水位、墙体材料和墙后土质以及地下水位变化等情况综合考虑，并应与闸基排水布置相适应，在空间上形成防渗整体。在消力池两岸翼墙设2-3层排水孔，呈梅花形布置，孔后设反滤层，排出墙后的侧向绕渗水流。3.3.3 止水设计凡具有防渗要求的缝，都应设止水设备。止水分铅直止水和止水止水两种。前者设在闸墩中间、边墩与翼墙间以及上游翼墙铅直缝中；后者设在黏土铺盖保护层上的温度沉陷缝、消力池与底板温度沉陷缝、翼墙和消力池本身的温度沉陷缝内。在黏土铺盖与闸底板沉陷缝中设置沥青麻袋止水。其构造见图3-5。图3-4 反滤层构造图 图3-5 止水详图第4章 闸室布置 4.1 闸底板、闸墩4.1.1 闸底板的设计(1

10、) 作用。闸底板是闸室的基础，承受闸室及上部结构的全部荷载，并均匀的传给地基，还有防冲，防渗等作用。(2) 形式。常用的有平底板和钻孔灌注桩底板。由于在平原地区软基上修建水闸，采用整体式平底板，沉陷缝设在闸墩中间。(3) 长度。根据前面设计，以知闸底板长度为10m。(4) 厚度。根据前面设计，已知闸底板厚度为1.5m。4.1.2 闸墩设计(1) 作用。分隔闸孔并支撑闸门，工作桥等上部结构，使水流顺利地通过闸室。(2) 外形轮廓。 应能满足过闸水流平顺，侧向收缩小，过流能力大的要求。上游墩头采用半圆形，下游墩头采用流线形。其长度采用与闸底板同长，为60m。(3) 厚度。中墩1.0m缝墩1.2m边

11、墩0.8m。平面闸门的门槽尺寸应根据闸门的尺寸确定，检修闸门槽深0.20m宽0.20m，主门槽深0.3m宽0.8m。(4) 高度。采用三种计算方法，取最大值。根据计算墩高最大值为5.4m ，根据水闸设计规范中规定，有防洪任务的拦河闸闸墩高程不应低于两岸堤顶高程，两岸堤顶高程为61.00m，经过比较后取闸墩高度为6.4m. H墩=校核洪水位时水深+安全超高=5+0.4=5.4（m）H墩=设计洪水位水深+安全超高=4+0.5=4.5（m）H墩=正常挡水位水深+h=3.8+0.34+0.3=4.44m，取闸门高度为4.5m。式中h为波浪高度。缝墩尺寸见图4-1 图4-1 缝墩尺寸详图（单位：cm）4

12、.2 工作桥、公路桥、检修桥(1) 工作桥：工作桥是为拉安装启闭机和便于工作人员的操作而设的桥。若工作桥较高可在闸墩上部设排架支承。工作桥设置的高程与闸门尺寸及形式有关。由于是平面钢闸门，采用固定式卷扬启闭机，闸门提升后不能影响泻放最大流量，并留有一定的富裕度。根据工作需要和设计规范，设在工作闸门的正上方，用排架支承工作桥，桥上设置启闭机房。工作桥总宽为4m。由于工作桥在排架上，确定排架的高度即可得到工作桥高程。 排架高度=闸门高+安全超高+吊耳高度=5+0.5+0.5=6.0（m）， 工作桥高程=闸墩高程+排架高+T型梁高=61+6+1=68（m）。 工作桥细部构造如图所示。图4-3 工作桥

13、细部构造图（单位：cm） (2) 交通桥：交通桥的作用是连接两岸交通，供车辆和人通行。交通桥的形式可采用板梁式。交通桥的位置应根据闸室稳定及两岸连接条件确定，布置在下游。仅供人畜通行用的交通桥其宽度不小于3m ；行驶汽车等的交通桥，应按交通部门制定的规范进行设计，一般公路单车道净宽为4.5m双车道为7-9m。本次设计仅供人畜通行用3.8m宽，并设计有人行道安全带75cm，具体尺寸如图 图4-4 交通桥的细部构造（单位：cm）(3) 检修桥：检修桥的作用为放置检修闸门，观测上游水流情况，设置在闸墩的上游端，采用预制T型梁式和活盖板形式。尺寸如图4-5所示。图4-5 检修桥细部构造图 （单位：cm

14、）4.3 闸门和启闭机 4.3.1 闸门按工作性质分为工作闸门，事故闸门和检修闸门；按材料分钢闸门，混凝土闸门和钢丝闸门按工作性质可分为工作闸门、事故闸门和检修闸门；按材料分为钢闸门、混凝土闸门和钢丝网水泥闸门；按结构分为平面闸门、弧形闸门等。1、工作闸门基本尺寸为闸门高5m，宽7m，采用平面钢闸门，双吊点，滚轮支承。2、检修闸门采用叠梁式，闸门槽深为20cm，宽为20cm，闸门型式如图4-2所示 图4-2 叠梁式检修闸门示意图网水泥按结构分为平面闸门，弧形闸门等。1) 工作闸门高5m，宽7m，采用钢筋混凝土平板闸门，双吊点，滚轮支承。2) 检修闸门闸门槽深200mm，宽为200mm。3) 启

15、闭机选型根据水工设计手册，平面直升钢闸门结构活动部分重量公式，经过计算得5t，考虑其他因素取闸门自重50kN。(1) 闸门自重： 取自重50kN。 (2) 初估闸门的启门力和闭门力：平面闸门的总水压力， 启门力 闭门力： 由于闸门关闭挡水时，水压力P值最大，此时闸前水位为3.8m，中型水闸系数采用0.1，经计算启门力114.9kn,通过闸门自重可关闭闸门，不需要闭门力。查水工设计手册选用电动卷扬式启闭机型号QPQ28。4.4 闸室的分缝和止水设备水闸沿轴线每隔一定距离必须设置沉陷缝，兼作温度缝，以免闸室因不均匀沉陷及温度变化产生裂缝。缝距一般为15-30m，缝宽为2-2.5cm。整体式底板闸室

16、沉陷缝，一般设在闸墩，一孔，两孔或三孔一联为独立单元，其优点是保证在不均匀沉降时闸孔不变形，闸门仍正常工作。 凡是有防渗要求的缝，都应该设止水设备。止水分铅直和水平两种，前者设在闸墩中间，边墩与翼墙以及上游翼墙本身；后者设在铺盖，消力池与底板，和混凝土铺盖，消力池本身的温度沉降缝内。本次设计缝墩宽1.2m缝宽为20mm，取中间三孔为一联，两边各为两孔一联。止水设备：铅直止水设在闸墩中间，边墩与翼墙间采用止水设备。第5章 闸室稳定计算5.1 荷载及其组合5.1.1 设计情况及荷载组合(1) 设计情况选择：水闸在使用过程中，可能出现各种不利情况。完建无水期是水闸建好尚未投入使用之前，竖向荷载最大，

17、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。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，是验算闸室抗滑稳定性设计的情况。泄洪期工作闸门全开，水位差较小，对水闸无大的危害，故不考虑此种情况。本次设计地震裂度6度，不考虑地震情况。 (2) 完建无水期和正常挡水期均为基本荷载组合。取中间三孔一联为单元进行计算，需计算的荷载见表5-1表 5-1荷载组合荷载组合计算情况荷 载自重静水压力扬压力泥沙压力地震力浪压力基本组合完建无水期正常挡水期5.2地基应力验算5.2.1 完建无水期荷载计算及地基承载力验算(1) 荷载计算：荷载计算主要是闸室及上部结构自重。

18、在计算中以三孔一联为一单元，省略一些细部构件重量，如栏杆，屋顶等。力矩为对闸门底板上游端点所取。钢筋砼重度采用25kN/m3，砼重度采用25kN/m3，水重度采用10kN/m3，砖石重度采用18kN/m3，完建无水期的荷载分布图如图5-1所示，荷载计算见表5-2。表5-2 完建无水期荷载计算荷 载自重（kN）力臂（m）力矩（kN .m）闸底板10018.8550094中墩2859.75514298.75缝墩1725.2158626.05工作桥853.425.14352.44交通桥747.57.55606.25检修桥4122.61071.20启闭机55.865.1284.89启闭机房7215.1

19、3677.10排架6245.13182.4闸门1905.1969合计18207.5492162.08图5-1 完建无水期荷载分布图(2) 地基承载力验算 进行地基承载力验算，偏心距代入数值得：根据荷载计算结果，采用地基承载力公式：，地基承载力平均值， 地基承载力不均匀性验算公式： 得结论为：完建无水期的地基承载力满足要求，地基不会发生不均匀沉陷。 5.2.2 正常挡水期验算 (1) 荷载计算 正常挡水期荷载除闸室自重外，还有静水压力、水重，闸底板所受扬压力由渗透计算中得。由于浪压力小于静水压力的5%，忽略不计。其荷载分布图如图所示。荷载计算表见下表。表5-3 正常挡水期荷载计算荷 载名 称垂直

20、力（kN）水平力（kN）力臂（m）力矩kN.m闸 室自 重18207.5492162.08上游水压力P11714.041.272176.83P24944.242400.731.283061.50浮 托 力524721.20渗 透压 力2939.084.0511903.27水 重3992.472.359382.30合 计22200.017883.32106782.7136624.2714316.694114.7770158.24 图5-2 正常当水期荷载分布图 (2)地基承载力验算进行地基承载力验算，偏心距代入数值得：e=0.1根据荷载计算结果，采用地基承载力公式：， 地基承载力平均值地基承载力

21、不均匀性验算公式：得结论为：完建无水期的地基承载力满足要求，地基不会发生不均匀沉陷。5.3 闸室稳定验算 5.3.1闸室抗滑稳定计算 闸底板上、下游端设置的齿墙深度为1.0m，按浅齿墙考虑，闸基下没有软弱夹层。滑动面沿闸底板与地基的接角面，采用公式进行计算，其中闸底板与地基之间的摩擦系数，根据闸址处地层分布可知为中粉质壤土，查闸室基础底面与地基之间的摩擦系数表得0.35抗滑稳定安全系数根据本工程主要建筑物为4级，查表得1.15，经计算闸室抗滑稳定满足要求。 抗滑稳定安全系数代入数值，进行计算得： 第六章 闸底板结构计算6.1 闸底板不平衡剪力计算6.1.1 闸底板内力计算水闸闸室在顺水流方向受

22、力很小，不用配受力筋就可满足要求。而垂直水流方向受力很大，应配置受力筋。因此，在垂直水流方向取单宽板条（截板为梁）作为梁计算，以其结果配置受力筋，而顺水流方向只配置构造筋。1) 计算方法选择弹性地基梁法认为地板和地基都是弹性体，考虑了底板变形和地基沉降相协调，又计入边荷载的影响，与实际情况相符，该水闸地基为相对紧密度Dr0.5的砂土地基,因此采用弹性地基梁法进行计算较合适.弹性地基梁法的基本假定是:(1) 地基反力在顺水流方向成直线分布(2) 对土层较薄的地基,单位面积上所受的压力和沉陷成比例.(3) 地基为半无限的连续弹性体.2) 计算情况选择完建无水期的水闸不受上下游的水压力和扬压力的影响

23、,只受自身重力和地基反力的影响,但自重较大,是计算情况之一;正常挡水期的水闸既受上下游水压力和扬压力的影响,又受自身重力和地基反力的影响,且上,下游水位差最大,也是计算情况之一.3) 弹性地基梁法计算底板内力4）闸底板的地基反力地基反力分完建无水期和正常挡水期两种情况，其数值与地基承载力大小相等，方向相反。故直接采用前边的计算结果可知：完建无水期为正常挡水期为 5）不平衡剪力计算（1）计算单元的选取。由于底板上的荷载在顺水流方向是有突变的，而地基反力是连续变化的，所以作用在单宽板条及墩条上的力是不平衡的，维持板条及墩条上力的平衡的差值Q=Q1-Q2，称为不平衡剪力。选取中间三孔一联为计算单元，

24、以工作闸门的前缘为分界线分别取两个脱离体，上游段长4.7m，下游段长5.3m。计算出相应的不平衡剪力。（2）根据已知条件列表计算见表6-1，不平衡剪力见图6-1图6-1不平衡剪力荷载分布图表6-1 不平衡剪力计算荷载名称完建无水期正常挡水期上游段下游段上游段下游段中墩1344.081515.67缝墩810.85914.36交通桥747.5启闭机27.9327.93检修桥412启闭机房360.5360.5闸门190工作桥426.71426.71排架312312底板4708.845309.96合计8402.919804.638402.919804.63水重3992.47渗透压力1381.371157.71浮托力2323.792620.45地基反力8394.0111354.087826.258737.80不平衡力8.91549.45863.973111.32不平衡