水闸课程设计

水闸课程设计报告
系别： 专业： 题目： 班级： 姓名: 学号: 指导教师： 成绩：
水利工程系 水利水电建筑工程 水闸课程设计 10 级水工( 3 )班 施 SS SSSSSSSS
1002010335 胡 天 舒
湖北水利水电职业技术学院水利系水工专业
2012 年 3 月 26 日至 3 月 30 日
目录
第一章 水闸设计基础知识
1. 水闸概念及水闸分类…………………………………………1 2. 水闸等级划分及洪水标准……………………………………2 3. 水闸水利计算的内容……………………………………………3 4. 水闸防渗排水设计内容…………………………………………3 5. 水闸结构设计内容……………………………………………3 6. 水闸荷载组合…………………………………………………3 7. 水闸地基计算内容………………………………………………4 8. 全截面直线分布法………………………………………………4 9. 水闸设计规范用词和用语说明………………………………5
第二章 水闸设计
1. 水 闸 形 式 及 孔 口 尺 寸 拟 定 … … … … … … … … … … … … 6 2. 消能防冲设计………………………………………………11 3. 渗 流 分 析 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 1 3 4. 稳 定 分 析 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 1 3
第三章 设计总结
1． 设计过程总结………………………………………………19 2． 心得体会………………………………………………………20
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第一章 第一章 水闸设计基础知识
水闸概念及水闸分类 1.1 水闸概念及水闸分类 水闸：水闸是一种控制水位和调节流量的低水头水工建筑物，具 有挡水和泄水的双重作用。 水闸的类型: 一、按水闸说承担的任务分类: （1）进水闸（取水闸）: 在河、湖、水库的岸边兴建，常位于引 水渠道首部，引取水流。 （2）节制闸: 拦河兴建，调节水位，控制流量。 （3）冲沙闸: 静水通航，动水冲沙，减少含沙量，防止淤积。 （4） 分洪闸: 在河道的一侧兴建， 分泄洪水、 削减洪峰洪、 滞洪。 （5）排水闸: 在江河沿岸兴建，作用是排水、防止洪水倒灌。 （6）挡水闸: 建于河流入海河口上游地段，防止海潮倒灌。
二、按结构的型式分类: （1）开敞式：闸室露天，又分为有胸墙；无胸墙两种形式 （2）涵洞式：闸室后部有洞身段，洞顶有填土覆盖。 （有压、无 压）
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1.2 水闸等级划分及洪水标准 （1）平原区水闸枢纽工程，其工程等别按水闸最大过流量及其 防护对象的重要性划分成五等，如表 1-1.枢纽中的水工建筑物级别 和洪水标准现行根据 SL252-200 规定。 山区、丘陵区水

利水电枢纽工程，其工程等别、水闸级别及洪水 标准的确定依据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》 。
表 1-1 工程等别 规模 最大过闸流量 （m3/s) 防护对象重要性 平原区水闸枢纽工程分等指标 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 大（1）型 ≥500 特别重要 大（2）型 5000-1000 重要 中型 1000-100 中等
Ⅳ Ⅴ 小（1） 小（2） 型 型 100-20 一般 ＜20 一般
（2）灌排渠系上的水闸，其级别可按现行的 GB50288-99 确定， 见表 1-2，其洪水标准见表 1-3.
表 1-2 建筑物级别 过闸流量（m3/s) 表 1—3 水闸级别 设计洪水重现期（a) 灌排渠系建筑物级别划分 1 2 3 300 300-100 100-20 灌排渠系水闸的设计洪水标准 1 2 3 100-50 50-30 30-20
4 20—5
5 5
4 20—10
5 10
（3）为于防洪（档潮）堤上的水闸，其级别和防洪标准不的低于 防洪（档潮）堤的级别和防洪标准。 （4） 平原区水闸闸下消能防冲的洪水标准与该水闸洪水洪水标准 一致，山区、丘陵区水闸闸下消能防冲的洪水标准见表 1-4.
表 1-4 山区、丘陵区水闸闸下消能防冲的洪水标准 水闸级别 1 2 3 4 100 50 30 20
5 10
闸下消能防冲的洪水重现期（a)
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1.3 水闸水利计算的内容 (1)闸孔总净宽计算； (2)消能防冲设施的设计计算； (3)闸门控制运用方式的拟定。 水闸防渗排水设计内容 防渗排水设计内 1.4 水闸防渗排水设计内容 （1）渗透压力计算； （2）抗渗稳定性计算； （3）渗层计算； （4）防渗帷幕及排水孔设计； （5）永久缝止水设计。 1.5 水闸结构设计内容 （1）荷载及其组合； （2）闸室和岸墙、翼墙的稳定计算； （3）结构应力分。 水闸荷载组合 1.6 水闸荷载组合 （1）基本荷载主要有下列各项； 1) 水闸结构及其上部填料额永久设备的自重； 2) 相应于正常蓄水位或设计洪水位情况下闸底板上的水重； 3) 相应于正常蓄水位或设计水位情况下的静水压力； 4) 相应于正常蓄水位或设计洪水位情况下的扬压力（即浮托 力与渗透压力之和） ；
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5) 土压力； 6) 淤沙压力； 7) 风压力； 8) 相应于正常蓄水位或设计洪水位情况下的浪压力； 9) 冰压力； 10) 11) 土的冻涨力； 其他出现机会较多的荷载等。
（2）特殊荷载主要有以下各项； 1) 相应于校核洪水位的情况下水闸底板的水重； 2) 相应于校核洪水位的情况下的静水压力； 3) 相应于校核洪水位的情况下的扬压力； 4) 相应于校核洪水位的情况下的浪压力； 5) 地震荷载； 6) 其他出现机会较少的荷载等。 1.7 水闸地基计算内容 （1）地基渗流稳定性的计算； （2）地基整体稳定计算； （3）地基沉降计算。 1.8 全截面直线分布法 假设渗流沿地下轮廓线的坡降是均一的， 即水头损失按直线变 化。

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1.9 水闸设计规范用词和用语说明 为便于执行本规范，对要求严格程度不同的用词说明如下： ——表示很严格，非这样做不可得： 正面词采用“必须” ，反面词采用“严禁” 。 ——表示严格，在正常情况下均应该这样的： 正面词采用“应” ，反面词采用“不应” “不得” 。 ——表示允许稍有选择，在条件许可时首先应这样做： 正面词采用“宜” ，反面词采用“不宜” ；表示有选择，在一定条 件下可以这样做的，采用“可” 用语说明如下：条文的“条”“款”之间承上启下的链接用语常 、 采用“符合下列规定”“遵守下列规定”或“符合下列要求”等。 ， 条文中应用本规范中的其他条文是，采用“符合本规范****条的 规定”或“按本规范***条的规定采用”等典型用语。 条文中引用本规范中的其他表、公式时，分别采用“按本规范表 ***的规定取值”或“按本规范公式（***）计算”等典型用语。 相关标准采用“··，除应符合本规范外，尚应符合国家现行的 ·· 有关标准的规定”典型用语。
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第二章 水闸设计
2.1 水闸形式及孔口尺寸拟定 2.1.1 水闸形式选择 1. 水闸类型 常用的堰型有：宽顶堰和低实用堰。 宽顶堰是水闸中最常用的一种堰型它有利于泄洪、冲沙。排 污、排冰，且泄流能力比较稳定，结构简单，施工方便，但自由泄流 时流量系数较小，容易产生波状水跃。 低实用堰有梯形的、曲线形的和驼峰等型式。 2. 选择 。开 本水闸主要任务是发电（装机容量 5000KW，为Ⅴ等水闸） 敞式及涵洞式两种基本闸孔型式均可以采用， 但若考虑运用和检修方 便，则采用开敞式较好，由于该水闸建在岩基上,采用整体式平底板. 并采用平板闸门。 2.1.2 孔口尺寸拟定 1．计算公式
泄水闸泄流能力按《水闸设计规范》SL265-2001 附录 A 中公式 （A.0.1-1~A.0.1-6）计算，对于平底闸和翻板闸，当为堰流时，流 3 量计算公式为： Q = Bσεm 2 g H 0 2 式中 Q—过闸流量（m3/s） ； B—闸孔总净宽（m） ；
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m—堰流流量系数； ε—堰流侧收缩系数； σ—淹没系数，由 hs/H 值查表得 H0—计入行进流速的堰上水头 g—重力加速度（m/s2） 2．计算条件 校核洪水流量(p=5%)=720(m3/s).平底板（即 p1=0）则 m=0.385 由河道断面图可知：河底板宽大约 40m,河道坡度大约 50 度。 3．计算过程 由河宽为 40m,拟定为 5 孔，每孔净宽 7m，拟定中闸墩为半圆墩宽 1m，边墩 5m。 ①求流量系数 m。平底板（即 p1=0）则 m=0.385 ②求侧收缩系数 ε 。 按 《 水 闸 设 计 规 范 》 SL265-2001 附 录 A 中 公 式 （A.0.1-3~A.0.1-5）计算，多孔闸，闸墩墩头为圆弧形时：
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由于河

道正常蓄水位为 3m,则校核洪水位估计大约有 5m,则校核 水位对应的 bb 估计大约有 3m,即假定 bb=3m。 代入数据，得：
ε z = 1 ? 0.171?1 ?
? ? 7 ?4 7 = 0.9793 7 + 1? 7 + 1 ?
? ? ? ? 7 7 ε b = 1 ? 0.171?1 ? = 0.9485 ?4 ? 7 + 1 + 3? 7 + 1 + 3 ? ? 2 2 ? ?
ε=
ε Z ( N ? 1) + ε B
N
= 0.9731
③确定眼淹没系数 δ s 。 在不知上游水头的情况下无法确定，暂假定为 δ s =0.9。
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④校核水位时：将各系数带入式计算：
H0 = （
（ =
Q 2 ）/ 3 ε ? m ? δs ? n ? d 2g
720
2 ）/ 3
0.9731 ? 0.385 ? 0.9 ? 5 ? 7 ? 2 ? 9.81
= 5.75m
则 hs / H 0 = 3.06 / 5.75 = 0.53 ≤ 0.72 ,查表(《水闸设计规范》SL265-2001 附 录 A 中表 A.0.1-2)得 δ s =1.00，与假定的 0.9 不符合。再假定为
δ s =1.00。
校核水位时：将各系数带入式计算：
H0 = （ Q
ε ? m ? δ s ? n ? d 2g
2 ）/ 3
= （
720 0.9731 ? 0.385 ? 1 ? 5 ? 7 ? 2 ? 9.81
2 ）/ 3
=5.356m 则 hs / H 0 = 3.06 / 5.36 = 0.57 ≤ 0.72 ,查表得 δ s =1.00，与假定的符合。 且此水位所对应的 bb 与假定的 3m 接近，即 Ho=5.36m 为所求。 由河道截面图可知坡角约为 50 度，则有：A=H*(39+H) 考虑行进水头， HO =H+V2/2g 现用试算法试算，见下表：
H 4.70 4.71 4.72 4.73 4.74 4.75 A 205.39 205.87 206.36 206.84 207.33 207.81 V 3.505526 3.497283 3.489075 3.480903 3.472765 3.464662 V2/2g 0.626336 0.623394 0.620471 0.617568 0.614684 0.611819 H+V2/2g 5.326336 5.333394 5.340471 5.347568 5.354684 5.361819
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4.76 4.77 4.78
208.3 208.78 209.27
3.456593 0.608972 5.368972 3.448558 0.606144 5.376144 3.440558 0.603335 5.383335
由表可知 H=4.74m H 校核=227.14+4.74=231.88m 同样设计水位时可求得 HO=4.70m,试算过程见下表：
2 2
H 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16
A 177.1821 177.6544 178.1269 178.5996 179.0725 179.5456
V 3.335551 3.326684 3.317859 3.309078 3.300339 3.291643
V /2g 0.567069 0.564058 0.56107 0.558104 0.55516 0.552238
H+V /2g 4.677069 4.684058 4.69107 4.698104 4.70516 4.712238
由表可知 H=4.14m ,则 H 设计 =231.24m 4．计算结果 H 校核=231.88m 5.方案选定 选用 5 孔闸，净宽：7m,圆形中闸墩 1m,边闸墩 5 米。 铺盖 8 米,闸底板 8 米，厚 1.7 米。 2.1.3 闸顶高程确定 1．设计依据 莆田试验站公式，同土石坝 2．闸顶高程计算 由于正常水位为 3.00m,校核水位为 5.36m,而风雍高度不可能 大于 2m,则闸高只需在正常蓄水位加 0.3m（查《水闸设计规范》 SL265-2001 表 4.2.4 得）,即正常挡水为时闸高 3.3m。 3．闸顶高程确定 该水闸库容很小， 因此没有很大的防洪能力。 且主要任务是发电， 没有防洪任务。故闸顶高程为：3+0.3=3.3m
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H 设计 =231.24m
2.2 消能防冲设计 1．计算方法及公式 按 《水闸设计规范》 SL265-2001 附录 B 中公式 （B.1.1-3~B.1.1-4） 计算，
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2．计算条件 上游水头 EO=5.36m, Q 校核=720m3/s,(q=20.571m3/s), 下游水深 ht=3.06m 3．计算过程 ①求 hc
EO = hc + q2 2 g? 2 hc2
,取 ? = 1
代如数据得,一元三次方程：
(5.36 ? hc )hc2
现进行试算，并列表如下：
= 21.5690
3 3.01 3.02 3.03 3.04 3.05 3.06 3.07 3.08
21.24 21.29124 21.34174 21.3915 21.44051 21.48878 21.53628 21.58302 21.62899
由表可得 hc=3.07m, ②求临界水深 hk
hk = 3
αq 2
g
=3
1 ? 20.5712 = 3.51m 9.81
4．计算结果 由于 h t p hc p hk 收缩断面为急流，下游为急流，不会产生水跃。 不必建消力池。
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5．方案选定 可不设消力池，但选定方案：建个小消力池，且上下游建护 坦，见图纸。 2.3 渗流分析 1．方法选择 选用：直线法 2．渗流计算 由于该水闸无防洪任务，即洪水来是为自由泄流，几乎无上 下游水位差，故自需计算正常水位时渗流分析。 又由于该地基为岩基不需计算渗流量（同重力坝） 。
u = 1 γ 2
(H
? h
s
)LB
=
1 ?3 ? ? 9.81? ? 0 ?8 ? 39 2 ?2 ?
=2295.5KN 3．渗压分布图
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2.4 稳定分析 2.4.1 抗滑稳定分析 1．计算依据及公式 按《水闸设计规范》SL265-2001 中 7.3.8 公式计算：
2．荷载组合及荷载计算 荷载组合：基本荷载组合，正常蓄水位 取闸底板的形心为基准点,现进行荷载计算如下： 1) 自重 w
W=8*1.7*39*25+（3.14*0.52+7*1*3.3）*4*25 =15648.5KN 力臂=0 力矩=15648.5*0=0
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2) 平板闸重 w1
W1=kz*kc*kg*H1.43*B0.08*N （摘至《水闸》 ） =1*1*0.156*3.31.43*(7+0.5)0.08*5 =5.22(10KN)=52.2KN 力臂=0 力矩=0 3) 板上水重 ww
ww=4*3*(7*5)*9.81 =4120.2KN 力臂=2m 力矩=+4120.2*2=+8240.4(KN．m)(逆+，顺-，下同)
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4) 水平向水推力 p
为方便计算，现将水平推力当 4.7m 的水深进行计算，同时使计算 的偏小，使结构偏安全。
p= 1 γH 2 B 2
=1/2*9.81*4.72*39 =4225.7KN 力臂=0.717m 力矩=-4225.7*0.717=-3029.83kN·m 5) 扬压力 u
u =
1 υ 2
(H
? h
s
)LB
=
1 ?3 ? 9.81? ? 0 ?8 ? 39 2 ?2 ?
=2295.5K
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力臂=1.33m 力矩=-2295.5*1.33=-3053.02KN·m
闸室稳定计算表 符 号 自重 平板闸重量 底板上水重 水平向水推力 水平向水推力 扬压力 泥沙压力 合计 W W1 WW P1 P2 U PO ↑ ↓ 方向 大小 ↓ ↓ ↓ → ← 15648.5 52.2 4120.2 4225.7 0 2295.5 0 1.33 3053.02 力劈 0 0 2 0.717 8240.4 3029.83 力矩
8240.4 6082.84 2157.56
3．稳定安全系数计算 为安全和计算简便考虑不计 C′A(闸基底面与岩基之间的抗剪断 粘结力 kPa)。则带入数据可得，
k= f ∑G = 0.8(15648.5 + 52.2 + 4120.2 ? 2295.5) = 4.15 4225.7
∑H
查《水闸设计规范》SL265-2001 中表 7.3.14 岩基上沿闸室基底 面抗滑稳定安全系数的允许值得： 【k】=1.05 4．成果分析 K=4.15＞【k】=1.05，则抗滑稳定安全 由于该地基为岩基

，只需考虑抗滑稳定即可，即此水闸经过稳定 分析，为稳定的结构。 2.4.2 基底压力计算
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1．计算依据及公式 对于结构布置及受力情况对称的闸孔,按下式计算:
max p min =
∑G ± ∑M
A W
式中 pmax、 pmin ---- 闸室基底应力的最大值和最小值，kPa； ∑G---作用在闸室上的所有竖向荷载，kN； A---闸室基底面的面积，m2； ∑M---作用在闸室上的所有竖向和水平向荷载对基础 底面垂直水流方向的形心轴的力矩和，KN·M; W---闸室基底面对该基底面垂直水流方向的形心轴 的面积矩，m3。 2．基底压力计算
max p min =
∑G ± ∑M
A W
17525 .4 2157 .56 ± 39 * 8 39 * 8 2 6 = 56 .17 ± 5.19 KN =
Pmax=61.72KN,Pmin=50.98KN
3．成果分析 由资料表可知坝址岩基饱和抗压强度 60～100MPa,查查《水
? pmax ? 闸设计规范》SL265-2001 中表 7.3.5 得: ? p ? = 2.00 ? min ?
Pmax<60 MPa,且 Pmin=50.98KN﹥0,
pmax 61.72 = = 1.2 p 2.00 min 50.98
则闸室基底应力经计算满足要求。
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第三章 设计总结
1．设计过程总结 本次水闸课程设计过程大致如下： 1) 水闸的基础知识回顾； 回顾了有关水闸的概念、水闸的分类、等级划分、水力计算的内 容、荷载组合及地基计算内容。 2) 水闸的等级划分； 本水闸按其最大过闸流量（720m3/s）应分为Ⅲ等（中型） ，但此 水闸无防洪任务，主要任务是发电 ，装机容量为 5000kw,为Ⅴ等水 闸。 3) 确定水闸形式和孔口尺寸拟定，校核泄流能力； 水闸形式和孔口尺寸拟定为本次设计之重点，水闸形式的选定要 中和考虑，孔口尺寸拟定需确定很多系数，而每一个系数都需要经过 反复的试算，反复的验证才可以确定，计算量很大。 4) 水闸消能防冲设计； 虽然本次水闸设计经过计算判别为不需设消力池，因此没有消力 池长度的计算，但其计算与判别的过程很重要。 5) 水闸渗流设计； 由于此水闸建在岩基上，所以渗流计算相对土基上的简单不少。 只需计算扬压力。 6) 水闸稳定计算（抗滑稳定与基底压力计算） 。 稳定计算首先要确定作用及其组合，并进行荷载组合计算，而计 算荷载组合的计算要计算很多作用的荷载并绘图算力矩。 最终带入公 max 式求 k 与 p min 。
2．心得体会 经过此次水闸课程设计让我感悟到不少也学会了不少东西：让我 没有我当初想 感悟最深的是水闸设计以及设计是一件很不好搞的事，
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的那么简单，想要从事设计工作不容易；搞设计要有兴趣，熟话说兴 趣是最好的老师，要有想搞的冲动与想发，从心底想搞；搞设计是一 个慢长的过程，同时也是考验一个人毅力的时候，虽然此次水闸设计 有 5 天，但并不足以把一个水闸设计吃透，搞的明明白

白，因此要有 足够强的毅力；搞设计是一个连续的过程，中间最好不要有停顿，要 有一口气从头到尾的耐心与意志力，每一次停顿之后，下一次再开始 要有不少的适应时间； 要有刻苦专研的作风， 搞设计会遇到很多难题， 要善于思考，并要有足够的专研精神才能完成;精神问题要善于同同 学讨论向老师请教，对于一个菜鸟级的人，要开始搞一个设计，有很 多难点， 要善于同同学讨论， 要向有经验的老师请教， 不能一个人搞， 一个人也搞不出来，即要有团队精神。要学会利用网络，善于上网收 集相关资料，从中获取有用的信息，和其他相关设计；要善于积累， 对于一些尺寸和数据要有一定的积累，要心中有数，以及施工过程的 要求，要有一定的了解;综合性很强，设计需要用到结构力学、土力 学、水力学、材料力学、水工建筑物、等学课目的知识，以及要用 word、excel、cad 等软件，是锻炼综合能力的时候。
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