水闸设计及闸室稳定计算

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1.1 设计资料：

根据设计任务书中提供的资料和该枢纽布置段的基本地形资料本工程中的

河流属于山溪性河流天然来水量多集中在洪水季节 ,平时来水量仅占全年来水量

的 10%；河水中泥沙含量较大特别是伴有洪水中的泥沙较多；再根据其地形资料

来看本工程布置段的地形坡度比较合适 , 因此在选择泄洪冲砂闸地板高程

1852.40m.

根据上述本工程中的泄洪冲砂闸为宽顶堰 ,堰顶高程 1852.40m,过闸水流流

态为堰流 . 汛期通过闸室的设计洪水流量 Q =1088m3/s,校核洪水流 Q =1368 设校

m3/s.

因为泄洪冲砂闸为宽顶堰所以尺寸拟定用堰流公式：

δ- 为淹没系数,取为 1.0；

m ---为流量系数, 因为是前面无坎的宽顶堰所以 m=0.385；

ε--为侧收缩系数,先假定为 1.0；

H--- 位总水头,初设阶段不考虑行进流速, 即假设的堰上水头；

b— 闸门净宽；

来洪水时洪水将由溢流堰和泄洪冲砂闸两部份共同承担 ,这样可减去一部份

闸孔的净宽并设置溢流侧堰初步拟定溢流堰为折线形实用堰.

初步拟定溢流堰堰顶高程 =进水闸设计流量的堰顶水头对应的水位 +

〔0.2—0.3m〕=进水闸闸底高程 1853.60m +闸前水位 1.40m +超高 0.2m =1856.4m

采用共同水位法和堰流公式计算两种工作情况下的特征洪水位：

先假设一个水位,用堰流公式分别计算过堰流量和过闸流量 ,二者相加等

于实际流

接近计算工作情况下的洪水流量时,该水位就为所求. 因为泄洪冲砂闸为宽顶

堰

所以尺寸拟定用堰流公式： .

δ- 为淹没系数,取为 1.0

m ---为流量系数, 因为是前面无坎的宽顶堰所以 m=0.385；计算溢流堰时因

为溢流堰为折线形实用堰 m=0.3.

ε--为侧收缩系数,先假定为 1.0；

H--- 位总水头,初设阶段不考虑行进流速, 即假设的堰上水头.

b — 闸门净宽

计算结果如附表 1-1,1-2

〔a〕设计洪水情况下：洪水流量 Q=1018m3/s.

附表 1- 1 设计洪水情况下泄洪冲砂闸水力计算表

〔b〕校核洪水情况下：洪水流量 Q=1368m3/s

附表 1-2 校核洪水情况下泄洪冲砂闸水力计算表

经过计算泄洪冲砂闸净宽 96m,溢流堰长度 95m,设计洪水位 1855.8m 校核洪

水位 1856.30m.

泄洪冲砂闸净宽为 96m,每孔取净宽 8m,边墩宽 0.8m , 中墩宽 1.0m 缝墩 1m.

1.2 泄洪冲砂闸地板渗透稳定计算

1〕地板渗流计算

2 / 9 过堰总流量

〔m3/s〕

1856.3 1251.7 118.6 1370.3 实际总流量

〔m3/s〕过闸总流量

〔m3/s〕〔m〕水位过堰总流量

〔m3/s〕

1018.9 实际总流量

〔m3/s〕过闸总流量

〔m3/s> 水位

1855.8 35.1 1054 3 / 9 .

1、确定地基计算深度

〔1〕计算T

水平投影长度L =10m,铅直投影长度S =1.5m；

0 0

因为L0 =6.67>5；

所以T 0.5 L =0.5 10=5m；

e 0

所以地基不透水层的有效计算深度为 5.0m.

〔2〕计算各段 Aa 阻力系数

1 ：S=1.5m,T=5m；

2：L=0.75m,T=5m, S S 0 ； 1 2

L 0.7S S 1 2 0.15

X T

3 ：S=0.5m,T=5m, 3.1416 ；

4 ：L=8.5m,S1 =0.5m,T=5m, S2 0.5m；

L 0.7S S 1 2 1.36

X T

5 ：S=0.5m,T=5m, 3.1416 ；

6 ：L=0.75m,T=5m, S S 0 ； 1 2

L 0.7S S 1 2 0.15

X T

7 ：S=1.5m,T=5m；

<3>计算各段水头损失hi： S .

总水头损失编H=3.90m；h

= 飞；在x飞 = 3.234

列表计算各段水头损失 hi；

附表 1-3 水头损失计算表：

〔4〕进出口水头损失值的修正

1 进口处修正系数B1 ；

1 B = 1.21-

12 (|( TT' ))|2 + 2 TS + 0.059

；

式中 S=1.5m,T=5m,T' =5m;

代入得B1 =1.01；

B1 >1 所以不用进行修正；

2 出口处修正系数 B 2

T' =3.5m, T=5m, S=1.5m；

B =0.857〈1.0,所以出口处要修正. 2

出口段水头损失减小值为： H =0.828 根 0.857=0.710m；

编h=0.828-0.710=0.118m；

H6=0.181+0.118=0.299

〔5〕计算各角隅点的渗压水头并列表： 4

1.360

1.64 3

0.100

0.121 5

0.100

0.121 1

0.687

0.828 2

0.150

0.181 6

0.150

0.181 7

0.687

0.828 序

号

飞 i

h i 编H

7 i x飞 i 5 / 9 .

附表 1-5 各角隅点渗压水头

3.07 2 h2

2.8 91 h3

2.77 0 h4

1.13 0 h5

1.00 9 h6

0.71 0 h7

〔6〕绘制渗压水头分布图

〔7〕闸底板水平段渗透坡降和渗流坡降的计算：

1 闸底板水平段平均渗透坡降J ： x

闸底板的轮廓线由 6 点至 11 点,水平投影L 8.50m.

J H H6 11 1.64 0. 193 0.22 ~ 0.28；

x L 8.5

2 出口处得出逸坡降J ： 0

出口处既 11 点至 12 点,渗透距离为S' 1.50m .

J H H11 12 0.71 0.47 0.50 ~ 0.55；

0 S' 1.5

J J 0 、 x 参见 SL265—2001 《水闸设计规 X》

所以满足允许渗透比降.

1.3 泄洪冲砂闸地板抗滑稳定计算

计算单元的确定

根据《水闸设计规 X》SL265——2001 闸室稳定计算宜取相邻顺水流向永久

缝之间的闸段为计算单元,选取中间两孔闸室作为计算单元.

附图 1-4 计算单元选取示意图： .

承载力计算

自重荷载：

根据《水工钢筋混凝土结构学》中钢筋混凝土按线性分布荷载为25KN/m3.

根据水闸的基本尺寸设计对其进行荷载计算.

作用在水闸上的自重荷载有：

底板： G = [10 根1.0 + 2 根 (0.5 根1.5 根 0.5)]根 25 = 268.75KN

闸墩： G = [(0.5 根 5.4)+(0.5 根 4.5)]根10 根 25 = 1237.5KN

闸门：根据《水闸》闸门为弧形露顶式 B共 10m,所以G = K K B0.33H H0.42

c b s

Hs——设计水头；

Kc——材料系数,本工程取 1；

Kb——孔门宽度系数,本工程 Kb=0.472；

H——孔口高度；

闸门： G = K K B0.33H H0.42 = 1.0 根 0.472 根 80.33 根 2.9 根 4. 10.42 = 4. 16(吨) c b s

G=4.16×10=41.6KN

工作桥,交通桥与其梁： G = 19 根 4 根 0.3根 25 + 5 根19 根 0.3根 0.5 根 25 = 926.25KN

根据算出的闸门的数据参考《闸门与启闭设备》采用双吊点卷扬式

6 根 37 +1 - 0 24 - 160 型启闭机,该启闭机的自重为 2.55 吨.

启闭机： G=2.55*10=25.5KN

根据 SL265—2001 《水闸设计规 X》中应该选取不同的荷载组合作为不同的

工况对闸室的稳定进行验算看闸室是否安全.

第一种工况选为完建无水的状况

附表 1-6 泄洪闸荷载计算成果表〔完建无水期〕力矩 M

0 荷载名

称垂直力 M 力臂

水闸、冲沙闸坝段水力及结构计算书

计算书名称：进水闸、冲沙闸坝段水力及结构计算书

1工程概况................................................................................................... 1

2水力计算................................................................................................... 1

2.1进水闸坝段过水能力计算 ................................................................ 1

2.2消能防冲设计 .................................................................................... 3

2.3冲砂闸过水能力复核 ........................................................................ 4

2.4消能防冲设计 .................................................................................... 5

3稳定及应力计算 ...................................................................................... 6

3.1基本资料与数据 ................................................................................ 6

3.2结构简化 ............................................................................................ 6

水闸闸室的稳定分析和地基处理

闸室在运用、检修或施工期都应该是稳定的。在运用期，闸室受到水平推力等荷载作用，有可能沿着地基面滑动（通常称为表层滑动），还可能连同一部分地基土体滑动（通常称为深层滑动）。闸室竣工时，一般地，闸室地基表面所受的应力很大，或者应力分布很不均匀，这不但使闸室高程降低，而且会使闸基倾斜甚至断裂，地基也有可能失去稳定性。因此，必须验算闸室的稳定性，以保证在各种情况下闸室均能安全可靠地运用。

1荷载计算及组合

1.1荷载计算

闸室荷载主要有以下7种（图7-44）。

1. 自重

自重指闸室自身重力，包括底板、闸墩、胸墙、工作桥及桥墩、交通桥、便桥、闸门及启闭设备等的重力。

2. 水重

水重指闸室范围内作用在底板上面的水体重力。

3. 水平水压力

水平水压力指胸墙、闸门及闸墩侧面所受到的水平水压力。当有钢筋混凝土铺盖时（图7-45），止水片以上的水平水压力按静水压力分布考虑；止水片以下缝内的水平水压力按下述方法计算：由于渗流区内任一点的水压力强度等于该点的静水压强（相对于下游水位）与渗透压强之和，在止水片以下的缝内水流状态可以认为是静止的，所以，缝内渗透压强处处相等，其数值即为缝底这一点（图7-45中的第7点）的渗透压强，而缝内静水压强按一般方法计算。

图 7-44 闸室荷载（第5版图7-41 图名相同）

1p、2p、3p—水平水压力；zlp—波浪压力；G—底板重；1G—启闭机重；2G—工作桥及桥墩重；3G—胸墙重；4G—闸墩重；5G—闸门重；6G—交通桥重；1wG、2wG—水重；bp—扬压力；fbp—浮托力；sbp—渗透压力；fF—地基反力；ph—波浪高度；zh—波浪中心线超出计算水位的高度；mL—波浪长度

图 7-45 闸室上游水平水压力计算图（单位：m）

图7-45所示，已知第7点渗透压强为31.9kPa，第8点渗透压强为30.5kPa，通过上述计算即可获得闸室上游面各点水平水压强及其分布情况。

水闸闸室结构计算

在闸室布置和稳定分析之后，还需对闸室各部分构件进行计算，验算其强度，以便最后确定各构件的形式、尺寸及构造。

闸室是一个空间结构，受力比较复杂，可用三维弹性力学有限元法计算。为了简化计算，一般分成胸墙、闸墩、底板、工作桥及交通桥等单独构件分别计算，同时又考虑相互之间的连接作用。以下仅简要介绍闸墩、底板和胸墙的结构计算。

1闸墩

闸墩结构计算的内容主要包括闸墩应力计算及平面闸门槽（或弧形闸门支座）的应力计算。

1. 平面闸门闸墩应力计算

平面闸门闸墩的受力条件主要是偏心受压，可假定闸墩为固定于底板上的悬臂梁，其应力状况可采用材料力学的方法进行分析。

闸墩应力主要有纵向应力（顺水流方向）和横向应力（垂直水流方向）。闸墩每个高程的应力都不同，最危险的断面是闸墩与底板的结合面，因此，应以该结合面作为计算面，并把闸墩视为固支于底板的悬臂梁，近似地用偏心受压公式计算应力。

当闸门关闭时，纵向计算的最不利条件是闸墩承受最大的上下游水位差时所产生的水压力（设计水位或校核水位）、闸墩自重以及上部结构等荷载（图7-48）。在此情况下，可用式（7-40）验算闸墩底部上、下游处的铅直正应力，即

2xGMLAI上下（7-40）

式中：G为铅直方向作用力的总和；xM为全部荷载对墩底截面中心轴xx的力矩总和；A为墩底截面面积；xI为墩底截面对xx轴的惯性矩，可近似取用30.9812xIdL，d为闸墩厚度；L为墩底长度。

图 7-48 闸墩结构计算示意图（第5版图7-45 图名相同）

1p、2p—上、下游水平水压力；1G—闸墩自重；3p、4p—闸墩两侧水平水压力；

2G—工作桥重及闸门重；zF—交通桥上车辆刹车制动力；3G—交通桥重

在水闸检修期间，当一孔检修（即上、下游检修闸门关闭而相邻闸孔过水）时，闸墩承受侧向水压力、闸墩自重及其上部结构重等荷载（图7-48），这是横向计算最不利的情况。此时，闸墩底部两侧铅直正应力可按式（7-41）计算，即