水 闸 设 计 与 施 工
专 业: 班 级: 姓 名: 学 号: 组 别: 指导老师:
目录
一、基本资料 ......................................................................................... 1 二、 闸室的布置 ................................................................................... 2 2.1、闸室结构布置 . .......................................................................... 2 2.2、底板 .......................................................................................... 2 2.3、闸墩 .......................................................................................... 3 2.4、闸门 .......................................................................................... 4 2.5、分缝和止水 .............................................................................. 6 三、水闸水力计算 ................................................................................. 7 3.1闸孔尺寸与孔数 . ......................................................................... 7 3.2水闸的消能防冲设计 . ................................................................. 8 四、闸室抗滑稳定分析 . ....................................................................... 11 4.1闸室抗滑稳定验算 . ................................................................... 11 4.2闸室基底压力验算 . ................................................................... 12 五、附录 ............................................................................................... 14
一、基本资料
本工程主要为下游西三干沿线罐区补水，引用水源为黄河水。布置在西三干渠跨北康沟下游，芦墓张村北附近，分进口段、闸室段和出口段。
进口段长20m 为扭曲面，底宽3m ，前10m 采用C20混凝土护底，厚0.2m ，后10m 采用0.4m 厚C20混凝土，扭面采用M7.5浆砌块石护砌。
闸室段长11m ，共1孔，净宽2.0m ，闸底板高程顶面为67.00m ，底板厚1m, 边墩为梯形断面，顶宽0.7m ，底宽1.0m ，设计流量为5.0m 3/s ，上游挡水高程为68.83m ，设检修门和工作门。
出口段长30m ，前15m 为1：5斜坡段，用以连续闸室末端同消力池；下游消力池段10.0m ，“U ”型槽结构，底板采用C25钢筋混凝土，顶高程为64.00m ，厚0.8m ，下设0.1m 厚粗砂垫层，侧墙为梯形断面，顶宽0.5m ，底宽0.6m ；消力池后为5m 过渡段，两岸为扭曲面，护底采用0.2m 厚C20混凝土，扭面采用M7.5浆砌石护砌，下游接引水渠。
根据勘探资料和闸室布置情况，闸基位于轻粉质壤土上，其地质参数建议值为：砼与地基摩擦系数f=0.30，C=8kPa，φ=14. 5，承载力标准为100kPa ；墙
o
后回填土料选用中、轻发粉质壤土φ=17~20，C=16~20kPa，饱和容重取
o
2.1t /m 3，浮容重取1.1t /m 3。
二、 闸室的布置
2.1、闸室结构布置
1. 闸室结构
2. 闸顶高程，闸槛高程 3. 闸孔总净宽，闸孔孔径
4. 底板型式、厚度、顺水流向长度、垂直水流方向分段长度 5. 闸墩型式、厚度、长度 6. 闸门型式、启闭机型式 7. 胸墙结构
8. 工作桥、检修便桥、交通桥
2.2、底板
⒈型式
（1）按底板与闸墩的连接方式分
整体式：闸墩和底板浇筑成整体，有分段缝时缝设在闸墩上。
→底板是传力结构，将荷载较均匀地传给地基。闸室整体性较好，适用于松软地基。
分离式：底板与闸墩用沉陷缝分开。
→闸墩传力，底板仅防渗抗冲，一般适用于岩基或压缩性小的土基。 （2）按底板的结构型式分 平底板 反拱底板 空箱式底板 等
整体式平底板用得最广泛。
图9-18 底板型式
⒉布置
（1）整体式平底板
材料：（钢筋）混凝土 高程：考虑运用、经济和地质条件确定
顺水流方向长度：需满足稳定、强度及上部结构布置要求，一般与闸墩长度相同 厚度：根据地基条件、作用荷载和闸孔净宽等因素，满足强度和刚度要求 垂直水流方向分段长度： （2）分离式底板 材料：混凝土或浆砌石 厚度：满足自身稳定要求
2.3、闸墩
⒈材料：混凝土（小型工程常用浆砌块石） ⒉闸顶高程：
闸顶高程通常指闸室胸墙或闸门挡水线上游闸墩和闸墙的顶部高程。应根据挡水和泄水两种运用情况确定。
挡水时闸顶高程不低于水闸正常蓄水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应安全超高值之和；
泄水时闸顶高程不应低于设计洪水位（或校核洪水位）与相应安全超高值之和。 水闸安全超高下限值（m ）：
位于防洪（挡潮）堤上的水闸，其闸顶高程不得低于防洪（挡潮）堤堤顶高程。 ⒊长度：与底板长度相同或比底板长度稍短，取决于上部结构布置和闸门型式。 ⒋厚度：根据闸孔孔径、受力条件、结构构造要求和施工方法等确定，平面闸门闸墩门槽处不宜小于0.4m 。
⒌外形：应使水流平顺、侧向收缩小，过流能力大。
图9-19 闸墩布置示意图
2.4、闸门
⒈宽度：与孔口一致
⒉露顶式闸门顶部在可能出现的最高挡水位以上应有0.3~0.5m的超高。 ⒊型式：最常用的有平面闸门和弧形闸门。
⒋布置：要考虑对闸室稳定、闸墩和地基的应力以及对上部结构布置的影响。
图9-20 平面闸门示意图
图9-21 弧形闸门示意图
2.5、分缝和止水
沉陷缝、伸缩缝：防止闸室因地基不均匀沉陷或温度变化而产生裂缝。每隔15~30m设一道缝。
止水：防渗，有水平止水和垂直止水。
图9-22 闸室沉陷缝布置图
*水闸结构设计应根据结构受力条件及工程地质条件进行，其内容应包括： 1、 荷载及其组合；
2、 闸室和岸、翼墙的稳定计算； 3、 结构应力分析
水闸结构设计时要校核土基所受压力是否超过其承载能力；校核闸室沿地基表面的抗滑稳定性和闸室连同部分地基的深层滑动可能性；计算闸基的沉降并考查其是否影响水闸的正常工作。在这些验算校核得到安全可靠的保证的前提下，再进行闸室各部分的内力计算和应力分析，并进行结构配筋。
三、水闸水力计算
3.1闸孔尺寸与孔数
计算闸孔净宽
B 0=
Q σεm g H
320
； B 0—为闸室净宽（m ）
Q —为设计过闸流量（m 2/s ）;
H 0—为计入行近流速水头的堰上水头（m ）;
g —为重力加速度（m /s 2）取9.8；
m 、ε、σ—分别为堰上的流量系数、侧收缩系数和淹没系数，
分别取0.385；1；1。
进水闸闸孔净宽计算成果表
由于计算流量>设计过闸流量Q =5m ³/s，所以设计合理。
根据以上计算结果，进水闸共建一孔，单孔净宽取2m ，总净宽2m, 过堰流量5. 0m 3/s 。
3.2水闸的消能防冲设计
2.2.1消力池的尺寸确定 （1）消力池的深度
d =σ0h c ' ' -h s ' -∆Z h c ' ' =
3c
h c ⎡
⎢1+32⎢gh c ⎣
8αq 2
⎤⎛b ⎫0. 25
1
-1⎥ b ⎪⎪ ⎥⎦⎝2⎭
αq 2
h -T h +=0 2
2g ϕ
20c
∆Z =
αq 2
2g ϕh
2
' 2
-
αq 2
2gh
' ' 2
s c
式中：
d —消力池深度，m;
σ0—水跃淹没系数，可采用1.50～1.10；
h c ' ' —跃后水跃，m ；
h c —收缩水跃，m ；
α—水流动能校正系数，可采用1.0～1.05；
q —过闸单宽流量，m 3/(s ∙m )；
b 1—消力池首段宽度，m ；
b 2—消力池末段宽度，m ；
h s ' —出池河床水深，m ；
T 0—由消力池底板顶面算起的总势能，m ； ∆Z —出池落差，m 。
工况一：闸门全开，h s ' =1. 83m ； 工况二：闸门半开，h s ' =0. 92m ；
（2）消力池的长度
L sj =L s +βL j
L j =6. 9h c ' ' -h c L sj —消力池长度，m ；
L s —消力池斜坡段水平投影长度，m ； β—水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8；
()
L j —水跃长度，m 。
（3）消力池的护坦厚度 抗冲：t =k 1q ∆H 抗浮：t =k 2
U -W ±P m
γb
t —消力池底板始端厚度，m ；
∆H —为闸孔泄水时上、下游水位差，m ；
k 1—为消力池底板计算系数，可采用0.15～0.20；
k 2—为消力池底板安全系数，可采用1.1～1.3；
U —为作用在消力池底板上的扬压力，kPa ；
W —为作用在消力池底板上的水重，kPa ； P m —为作用在消力池底板上的脉动压力，kPa ； γb —为消力池底板的饱和重度，kN /m 3；
(4)铺盖厚度计算 L ≥C ∆H
； L —为防渗长度（铺盖长度）
∆H —为上下游水位差(m)；
C —为渗径系数；
9
表2.2 C 渗径系数表
（5）海漫长度计算
L =K ∆H
L —海漫长度，m ；
K —河床土质系数，粉、细砂取13～15，中、粗砂及砂壤土取10～12，壤
土取8～9，坚硬粘土取6～7，扩散条件好时K 取小值，反之取大值；
q —消力池末端单宽流量
∆H —为上下游水位差，m 。 适用范围∆H =1～9。
消能防冲计算成果表
根据以上计算结果，消力池长度为23.89m ，取25m ；消力池深度为0.87m ，取1m ；∆H =1.55，在1～9之间，所以设计合理。
10
四、闸室抗滑稳定分析
4.1闸室抗滑稳定验算
K c =
f G
≥[K c ] H
[K ]—为作用在闸室底部所有铅直力的总和，kN ；
c
f —为基础底面与地基之间的摩擦系数，对于大型水闸，应作现场抗滑试验
加以验证；
∑G —为作用在闸室上的全部竖向荷载（包括基底面上的扬压力），kN ； ∑H —为作用在闸室上全部水平向荷载，kN ；
ϕ0—为基础底面与地基土之间的摩擦角，度； C 0—为基础底面与地基土之间的粘结力，kN /m 2；
A —为闸室基础地面的面积，m 2。
4.1.1土压力计算
F a = K a =
1
γt H t 2K a 2
c o 2s (φt -ε)
⎡φt +δs i n φt -β⎤s i n
c o s εc o (s ε+δ)⎢1+⎥
c o s ε+δc o s ε-φ⎢⎥⎣⎦
2
2
式中 F a ---作用在水闸挡土结构上的主动土压力(kN/m),其作用点距墙底为墙高的－处, 作用
３
１
方向与水平面呈(ε+δ) 夹角；
γt ---挡土结构墙后填土重度(kN/m ),地下水位以下取浮重度； H t ---挡土结构高度(m)； K a ---主动土压力系数；
ϕt ---挡土结构墙后填土的内摩擦角(°) ； ε---挡土结构墙背面与铅直面的夹角(°) ；
δ---挡土结构墙后填土对墙背的外摩擦角(°), 可按表D.0.1采用；
11
3
β---挡土结构墙后填土表面坡角(°).
4.2闸室基底压力验算
σ=
∑G
BL
G 6M =±BL
BL 2
σmax
min
∑G —为作用在闸室底部所有铅直力的总和，kN ；
∑M —为所有外力对闸室底部中心点的力矩总和，以顺时针为正，kNm ；
B —为计算闸室段宽度，m ； L —为底板长度，m ；
工况一：完建期，上下游均无水； 工况二：挡水期，上游有水，下游无水； 工况三：过水期，上下游均有水；
12
闸室抗滑稳定计算结果分析
注：根据相关资料及表格可得[K C ]=1. 25；[σ]=100KPa ；η
13
五、附录
[K C ]值表
f
值表
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水 闸 设 计 与 施 工
专 业: 班 级: 姓 名: 学 号: 组 别: 指导老师:
目录
一、基本资料 ......................................................................................... 1 二、 闸室的布置 ................................................................................... 2 2.1、闸室结构布置 . .......................................................................... 2 2.2、底板 .......................................................................................... 2 2.3、闸墩 .......................................................................................... 3 2.4、闸门 .......................................................................................... 4 2.5、分缝和止水 .............................................................................. 6 三、水闸水力计算 ................................................................................. 7 3.1闸孔尺寸与孔数 . ......................................................................... 7 3.2水闸的消能防冲设计 . ................................................................. 8 四、闸室抗滑稳定分析 . ....................................................................... 11 4.1闸室抗滑稳定验算 . ................................................................... 11 4.2闸室基底压力验算 . ................................................................... 12 五、附录 ............................................................................................... 14
一、基本资料
本工程主要为下游西三干沿线罐区补水，引用水源为黄河水。布置在西三干渠跨北康沟下游，芦墓张村北附近，分进口段、闸室段和出口段。
进口段长20m 为扭曲面，底宽3m ，前10m 采用C20混凝土护底，厚0.2m ，后10m 采用0.4m 厚C20混凝土，扭面采用M7.5浆砌块石护砌。
闸室段长11m ，共1孔，净宽2.0m ，闸底板高程顶面为67.00m ，底板厚1m, 边墩为梯形断面，顶宽0.7m ，底宽1.0m ，设计流量为5.0m 3/s ，上游挡水高程为68.83m ，设检修门和工作门。
出口段长30m ，前15m 为1：5斜坡段，用以连续闸室末端同消力池；下游消力池段10.0m ，“U ”型槽结构，底板采用C25钢筋混凝土，顶高程为64.00m ，厚0.8m ，下设0.1m 厚粗砂垫层，侧墙为梯形断面，顶宽0.5m ，底宽0.6m ；消力池后为5m 过渡段，两岸为扭曲面，护底采用0.2m 厚C20混凝土，扭面采用M7.5浆砌石护砌，下游接引水渠。
根据勘探资料和闸室布置情况，闸基位于轻粉质壤土上，其地质参数建议值为：砼与地基摩擦系数f=0.30，C=8kPa，φ=14. 5，承载力标准为100kPa ；墙
o
后回填土料选用中、轻发粉质壤土φ=17~20，C=16~20kPa，饱和容重取
o
2.1t /m 3，浮容重取1.1t /m 3。
二、 闸室的布置
2.1、闸室结构布置
1. 闸室结构
2. 闸顶高程，闸槛高程 3. 闸孔总净宽，闸孔孔径
4. 底板型式、厚度、顺水流向长度、垂直水流方向分段长度 5. 闸墩型式、厚度、长度 6. 闸门型式、启闭机型式 7. 胸墙结构
8. 工作桥、检修便桥、交通桥
2.2、底板
⒈型式
（1）按底板与闸墩的连接方式分
整体式：闸墩和底板浇筑成整体，有分段缝时缝设在闸墩上。
→底板是传力结构，将荷载较均匀地传给地基。闸室整体性较好，适用于松软地基。
分离式：底板与闸墩用沉陷缝分开。
→闸墩传力，底板仅防渗抗冲，一般适用于岩基或压缩性小的土基。 （2）按底板的结构型式分 平底板 反拱底板 空箱式底板 等
整体式平底板用得最广泛。
图9-18 底板型式
⒉布置
（1）整体式平底板
材料：（钢筋）混凝土 高程：考虑运用、经济和地质条件确定
顺水流方向长度：需满足稳定、强度及上部结构布置要求，一般与闸墩长度相同 厚度：根据地基条件、作用荷载和闸孔净宽等因素，满足强度和刚度要求 垂直水流方向分段长度： （2）分离式底板 材料：混凝土或浆砌石 厚度：满足自身稳定要求
2.3、闸墩
⒈材料：混凝土（小型工程常用浆砌块石） ⒉闸顶高程：
闸顶高程通常指闸室胸墙或闸门挡水线上游闸墩和闸墙的顶部高程。应根据挡水和泄水两种运用情况确定。
挡水时闸顶高程不低于水闸正常蓄水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应安全超高值之和；
泄水时闸顶高程不应低于设计洪水位（或校核洪水位）与相应安全超高值之和。 水闸安全超高下限值（m ）：
位于防洪（挡潮）堤上的水闸，其闸顶高程不得低于防洪（挡潮）堤堤顶高程。 ⒊长度：与底板长度相同或比底板长度稍短，取决于上部结构布置和闸门型式。 ⒋厚度：根据闸孔孔径、受力条件、结构构造要求和施工方法等确定，平面闸门闸墩门槽处不宜小于0.4m 。
⒌外形：应使水流平顺、侧向收缩小，过流能力大。
图9-19 闸墩布置示意图
2.4、闸门
⒈宽度：与孔口一致
⒉露顶式闸门顶部在可能出现的最高挡水位以上应有0.3~0.5m的超高。 ⒊型式：最常用的有平面闸门和弧形闸门。
⒋布置：要考虑对闸室稳定、闸墩和地基的应力以及对上部结构布置的影响。
图9-20 平面闸门示意图
图9-21 弧形闸门示意图
2.5、分缝和止水
沉陷缝、伸缩缝：防止闸室因地基不均匀沉陷或温度变化而产生裂缝。每隔15~30m设一道缝。
止水：防渗，有水平止水和垂直止水。
图9-22 闸室沉陷缝布置图
*水闸结构设计应根据结构受力条件及工程地质条件进行，其内容应包括： 1、 荷载及其组合；
2、 闸室和岸、翼墙的稳定计算； 3、 结构应力分析
水闸结构设计时要校核土基所受压力是否超过其承载能力；校核闸室沿地基表面的抗滑稳定性和闸室连同部分地基的深层滑动可能性；计算闸基的沉降并考查其是否影响水闸的正常工作。在这些验算校核得到安全可靠的保证的前提下，再进行闸室各部分的内力计算和应力分析，并进行结构配筋。
三、水闸水力计算
3.1闸孔尺寸与孔数
计算闸孔净宽
B 0=
Q σεm g H
320
； B 0—为闸室净宽（m ）
Q —为设计过闸流量（m 2/s ）;
H 0—为计入行近流速水头的堰上水头（m ）;
g —为重力加速度（m /s 2）取9.8；
m 、ε、σ—分别为堰上的流量系数、侧收缩系数和淹没系数，
分别取0.385；1；1。
进水闸闸孔净宽计算成果表
由于计算流量>设计过闸流量Q =5m ³/s，所以设计合理。
根据以上计算结果，进水闸共建一孔，单孔净宽取2m ，总净宽2m, 过堰流量5. 0m 3/s 。
3.2水闸的消能防冲设计
2.2.1消力池的尺寸确定 （1）消力池的深度
d =σ0h c ' ' -h s ' -∆Z h c ' ' =
3c
h c ⎡
⎢1+32⎢gh c ⎣
8αq 2
⎤⎛b ⎫0. 25
1
-1⎥ b ⎪⎪ ⎥⎦⎝2⎭
αq 2
h -T h +=0 2
2g ϕ
20c
∆Z =
αq 2
2g ϕh
2
' 2
-
αq 2
2gh
' ' 2
s c
式中：
d —消力池深度，m;
σ0—水跃淹没系数，可采用1.50～1.10；
h c ' ' —跃后水跃，m ；
h c —收缩水跃，m ；
α—水流动能校正系数，可采用1.0～1.05；
q —过闸单宽流量，m 3/(s ∙m )；
b 1—消力池首段宽度，m ；
b 2—消力池末段宽度，m ；
h s ' —出池河床水深，m ；
T 0—由消力池底板顶面算起的总势能，m ； ∆Z —出池落差，m 。
工况一：闸门全开，h s ' =1. 83m ； 工况二：闸门半开，h s ' =0. 92m ；
（2）消力池的长度
L sj =L s +βL j
L j =6. 9h c ' ' -h c L sj —消力池长度，m ；
L s —消力池斜坡段水平投影长度，m ； β—水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8；
()
L j —水跃长度，m 。
（3）消力池的护坦厚度 抗冲：t =k 1q ∆H 抗浮：t =k 2
U -W ±P m
γb
t —消力池底板始端厚度，m ；
∆H —为闸孔泄水时上、下游水位差，m ；
k 1—为消力池底板计算系数，可采用0.15～0.20；
k 2—为消力池底板安全系数，可采用1.1～1.3；
U —为作用在消力池底板上的扬压力，kPa ；
W —为作用在消力池底板上的水重，kPa ； P m —为作用在消力池底板上的脉动压力，kPa ； γb —为消力池底板的饱和重度，kN /m 3；
(4)铺盖厚度计算 L ≥C ∆H
； L —为防渗长度（铺盖长度）
∆H —为上下游水位差(m)；
C —为渗径系数；
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表2.2 C 渗径系数表
（5）海漫长度计算
L =K ∆H
L —海漫长度，m ；
K —河床土质系数，粉、细砂取13～15，中、粗砂及砂壤土取10～12，壤
土取8～9，坚硬粘土取6～7，扩散条件好时K 取小值，反之取大值；
q —消力池末端单宽流量
∆H —为上下游水位差，m 。 适用范围∆H =1～9。
消能防冲计算成果表
根据以上计算结果，消力池长度为23.89m ，取25m ；消力池深度为0.87m ，取1m ；∆H =1.55，在1～9之间，所以设计合理。
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四、闸室抗滑稳定分析
4.1闸室抗滑稳定验算
K c =
f G
≥[K c ] H
[K ]—为作用在闸室底部所有铅直力的总和，kN ；
c
f —为基础底面与地基之间的摩擦系数，对于大型水闸，应作现场抗滑试验
加以验证；
∑G —为作用在闸室上的全部竖向荷载（包括基底面上的扬压力），kN ； ∑H —为作用在闸室上全部水平向荷载，kN ；
ϕ0—为基础底面与地基土之间的摩擦角，度； C 0—为基础底面与地基土之间的粘结力，kN /m 2；
A —为闸室基础地面的面积，m 2。
4.1.1土压力计算
F a = K a =
1
γt H t 2K a 2
c o 2s (φt -ε)
⎡φt +δs i n φt -β⎤s i n
c o s εc o (s ε+δ)⎢1+⎥
c o s ε+δc o s ε-φ⎢⎥⎣⎦
2
2
式中 F a ---作用在水闸挡土结构上的主动土压力(kN/m),其作用点距墙底为墙高的－处, 作用
３
１
方向与水平面呈(ε+δ) 夹角；
γt ---挡土结构墙后填土重度(kN/m ),地下水位以下取浮重度； H t ---挡土结构高度(m)； K a ---主动土压力系数；
ϕt ---挡土结构墙后填土的内摩擦角(°) ； ε---挡土结构墙背面与铅直面的夹角(°) ；
δ---挡土结构墙后填土对墙背的外摩擦角(°), 可按表D.0.1采用；
11
3
β---挡土结构墙后填土表面坡角(°).
4.2闸室基底压力验算
σ=
∑G
BL
G 6M =±BL
BL 2
σmax
min
∑G —为作用在闸室底部所有铅直力的总和，kN ；
∑M —为所有外力对闸室底部中心点的力矩总和，以顺时针为正，kNm ；
B —为计算闸室段宽度，m ； L —为底板长度，m ；
工况一：完建期，上下游均无水； 工况二：挡水期，上游有水，下游无水； 工况三：过水期，上下游均有水；
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闸室抗滑稳定计算结果分析
注：根据相关资料及表格可得[K C ]=1. 25；[σ]=100KPa ；η
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五、附录
[K C ]值表
f
值表
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