水利与生态工程学院水工建筑物课程设计——水闸设计班级：学号：姓名：指导老师：目录1基本资料1.1工程概况1.2地质资料1.3水文气象1.4建筑材料1.5批准的规划成果2闸孔设计2.1闸址的选择2.2闸型的确定2.3拟定闸孔尺寸及闸墩厚度2.4校核泄洪能力3消能设计3.1消能防冲设计的控制情况3.2消力池尺寸及构造3.3海漫设计3.4防冲槽设计3.5上下游岸坡防护4防渗排水设计4.1闸底地下轮廓线的布置4.2排水设备的细部构造4.3防渗计算5闸室布置5.1 底板和闸墩5.2 闸门与启闭机5.3 上部结构5.4 闸室的分缝与止水6闸室稳定计算6.1 设计情况及荷载组合6.2 完建无水期地基承载力验算6.3 正常挡水期闸室抗滑稳定验算7上下游连接建筑物7.1 上游连接建筑物7.2 下游连接建筑物水闸设计1 基本资料1.1工程概况及拦河闸的任务某拦河闸闸址以上流域面积2234平方公里，流域内耕地面积288万亩，河流平均纵坡1/6200。
本工程属三级建筑物。
本工程投入使用后，在正常高水位时，可蓄水2230万立米。
上游5个县25个乡已建成提灌站42处，有效灌溉面积25万亩。
闸上游开南、北两干渠，配支干23条，修建各种建筑物1230座，可自流灌溉下游三县21万农田，效益巨大，是解决某河流域农田的灌溉动脉，同时，也是解决地区浅层地下贫水区的重要水源。
1.2地质资料（一）根据地质钻探资料，闸址附近地层中粉质壤土，厚度约25m，其下为不透水层，其物理力学性质如下：1、湿重度r湿=20.2KN/m3土壤干重度r干=16.0KN／m3饱和重度r饱=22.2KN／m3浮重度r浮=12.2KN／m32.自然含水量时，内摩擦角φ=230饱和含水量时，内摩擦角φ=200土壤的凝聚力C=0.1KN／m23.地基允许承载力[P地基]=150KPa4.混凝土、砌石与土基摩擦系数f=0.365.地基应力的不均匀系数[η]=1.5～2.06.渗透系数K=9.29×10-3cm／s(二)本地区地震烈度为60以下1.3文水气象(一)气温：本地区年最高气温42度，最低气温为-18度。
(二)风速：最大风速V=20m／s，吹程D=0.6Km。
(三)降雨量：非汛期(1～6月及10～12月)9个月河流平均最大流量为10m3/s；汛期(7～9月)3个月河流平均最大流量为130m3/s。
年平均最大流量36.1 m3/s，最大年径流总量为9.25亿m3。
年平均最小流量15.6 m3/s，最小年径流总量为0.42亿m3。
(四)冰冻：颖河流域冰冻时间短，冻土很薄，不影响施工。
(五)上下游河道断面1.4建筑材料本工程位于平原地区、山丘少，石料需从外地供给，距京广线很近，交通条件较好。
经调查本地区附近有较丰富的粘土材料。
闸址处有足够多的砂料。
1.5批准的规划成果(一)灌溉用水季节，拦河闸的正常挡水位为58.63m，下游无水。
(二)洪水标准。
1.设计洪水位50年一遇，相应的洪峰流量1113m3／s，闸上游的洪水位为59.5m，相应的下游水位59.35m。
2.校核洪水位200年一遇，相应洪峰流量1642.35 m3／s，闸上游的洪水位6l.00m，闸下游水位60.82m。
2闸孔设计2.1 闸址的选择闸址、闸轴线的选择关系到工程的安全可靠、施工难易、操作运用、工程量及投资大小等方面的问题。
在选择过程中首先应根据地形、地质、水流、施工管理应用及拆迁情况等方面进行分析研究，权衡利弊，经全面分析比较，合理确定。
本次设计中闸轴线的位置已由规划给出。
2.2 闸型确定本工程主要任务是正常情况下拦河截水，以利灌溉，而当洪水来临时，开闸泄水，以保防洪安全。
由于是建于平原河道上的拦河闸，应具有较大的超泄能力，并利于排除漂浮物，因此采用不设胸墙的开敞式水闸。
同时，由于河槽蓄水，闸前淤积对洪水位影响较大，为便于排出淤沙，闸底板高程应尽可能低。
因此，采用无底坎平顶板宽顶堰，堰顶高程与河床同高，即闸底板高程为51.92m。
2.3 拟定闸孔尺寸及闸墩厚度由于已知上、下游水位，可推算上游水头及下游水深，如表1所示：闸门全开泄洪时，为平底板宽顶堰堰流，根据公式1判别是否为淹没出流。
按照闸门总净宽计算公式(2)，根据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算如下表。
其中 ε为堰流侧收缩系数，取0.96；m 为堰流流量系数，取0.385。
表3 闸孔总净宽计算表流量Q （m 3/s ）下游水深hs （m ） 上游水头 H 0（m ）0H h s淹没系数 σ0B （m ）设计流量1113 7.43 7.69 0.966 0.574 55.57 校核流量1642.358.99.230.9640.58661.08根据《闸门设计规范》中闸孔尺寸和水头系列标准，选定单孔净宽 b=9m ，同时为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用7孔，闸孔总宽度为：L ＝nb 0+(n －1)d =（7×9）+（2×1.6+4×1.2）=71m由于闸基为软基河床，选用整体式底板，缝设在闸墩上，中墩厚1.2m ，缝墩厚1.6m ，边墩厚0.5m 。
如图1所示。
图1 闸孔尺寸布置图 (单位：m)2.4 校核泄洪能力根据孔口与闸墩的尺寸可计算侧收缩系数，查《水闸设计规范》（规范表2-2），结果如下：对于中孔；靠缝墩孔；对于边孔；所以956.0241909.02973.04976.01321332211=++⨯+⨯+⨯=++++=n n n n n n 中中中εεεε870，得. 0 2 . 1 9 9 0 = + = sb b 980. 01 =中 ε 975. 0 2 =中 ε 849， 得 . 0 6 . 1 9 9 0 = + = sb b 239， 得 . 0 66 . 28 9 90 = + = s b b 910 . 0 3 = 中 ε与假定接近，根据选定的孔口尺寸与上下游水位，进一步换算流量如下表所示：设计情况超过了规定5%的要求，说明孔口尺寸有些偏大，但根据校核情况满足要求，所以不再进行孔口尺寸的调整。
3 消能设计3.1 消能防冲设计的控制情况由于本闸位于平原地区，河床的抗冲刷能力较低，所以采用底流式消能。
设计水位或校核水位时闸门全开渲泄洪水，为淹没出流无需消能。
闸前为正常高水位58.63m，部分闸门局部开启，只宣泄较小流量时，下流水位不高，闸下射流速度较大，才会出现严重的冲刷河床现象，需设置相应的消能设施。
为了保证无论何种开启高度的情况下均能发生淹没式水跃消能，所以采用闸前水深H=6.71m，闸门局部开启情况，作为消能防冲设计的控制情况。
为了降低工程造价，确保水闸安全运行，可以规定闸门的操作规程，本次设计按1、3、5、7孔对称方式开启，分别对不同开启孔数和开启度进行组合计算，找出消力池池深和池长的控制条件。
按公式（7）、（8）、（9）、（11）计算结果列入表1通过计算，为了节省工程造价，防止消力池过深，对开启1孔开启高度为2.0米限开，得出开启1孔开启高度为2米为消力池的池深控制条件。
3.2 消力池尺寸及构造1、消力池深度计算根据所选择的控制条件，估算池深为1.6m，用（10）、（11）、（12）式计算挖池后的收缩水深h c和相应的出池落差ΔZ及跃后水深h c″，验算水跃淹没系数符合在1.05～1.10之间的要求。
2、消力池池长根据池深为2m ，用公式（13）、（14）计算出相应的消力池长度为22.4ｍ。
3、消力池的构造采用挖深式消力池。
为了便于施工，消力池的底板做成等厚，为了降低底板下部的渗透压力，在水平底板的后半部设置排水孔，孔下铺设反滤层，排水孔孔径为10cm ，间距为2m ，呈梅花形布置。
根据抗冲要求，按式16计算消力池底板厚度。
其中 1k 为消力池底板计算系数，取0.18；q 为确定池深时的过闸单宽流量； H '∆为相应于单宽流量的上、下游水位差。
取消力池底板的厚度 0.1=t m 。
图1 消力池构造尺寸图 (单位：高程m ，尺寸cm)3.3 海漫设计1、海漫长度计算用公式（18）计算海漫长度结果列入表2。
其中 s k 为海漫长度计算系数，根据闸基土质为中粉质壤土则选12。
取计算表中的大值，确定海漫长度为40m 。
流量Q上游水深H下游水深hs ′qs △H ′Lp 100 6.71 1.63 1.41 5.08 21.38 2006.712.492.824.2228.87006 . 1 01. 5 32 . 0 11 . 3 2 0 = + + = ' ' ∆ + + =cs h Z h d σ 81 m. 0 11 . 3 7 . 6 69 . 10 18 . 0 = - = t2、海漫构造因为对海漫的要求为有一定的粗糙度以便进一步消除余能，有一定的透水性，有一定的柔性。
所以选择在海漫的起始段为10米长的浆砌石水平段，因为浆砌石的抗冲性能较好，其顶面高程与护坦齐平。
后30米做成坡度为1：15的干砌石段，以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。
海漫厚度为0.6米，下面铺设15cm 的砂垫层。
3.4 防冲槽设计海漫末端河床冲刷坑深度按公式19计算，其中河床土质的不冲流速可按下式计算。
按不同情况计算如表3所示。
[]51051~4100R v Rv v =⎪⎭⎫ ⎝⎛= （20）式中 []0v —河床土质的不冲流速，m/s ；0v —查《水力学》可知此处取0.8m/s ； R —水力半径，x AR =；s h ''—海漫末端河床水深，m 。
根据计算确定防冲槽的深度为1.70m 。
采用宽浅式，底宽取3.4m ，上游坡率为2，下游坡率为3，出槽后作成坡率为5的斜坡与下游河床相连。
如图2所示。
图2 海漫防冲槽构造图 (单位：m)3.5 上、下游岸坡防护为了保护上、下游翼墙以外的河道两岸岸坡不受水流的冲刷，需要进行护坡。
采用浆砌石护坡，厚0.3米，下设0.1米的砂垫层。
保护范围上游自铺盖向上延伸2～3倍的水头，下游自防冲槽向下延伸4～6倍的水头。
4 防渗排水设计4.1 闸底地下轮廓线的布置1、防渗设计的目的防止闸基渗透变形；减小闸基渗透压力；减少水量损失；合理选用地下轮廓尺寸。
2、布置原则防渗设计一般采用防渗和排水相结合的原则，即在高水位侧采用铺盖、板桩、齿墙等防渗设施，用以延长渗径减小渗透坡降和闸底板下的渗透压力；在低水位侧设置排水设施，如面层排水、排水孔排水或减压井与下游连通，使地下渗水尽快排出，以减小渗透压力，并防止在渗流出口附近发生渗透变形。
3、地下轮廓线布置 （1）闸基防渗长度的确定。
根据公式(2)计算闸基理论防渗长度为46.97m 。
其中 C 为渗径系数，因为地基土质为重粉质壤土，查表取7。