水闸设计与施工

水闸设计

作者：孙佳宝

单位：黄河水利职业技术学院水利系

项目研究：水闸设计与施工 指导老师：丁秀英 吴伟 学 号：2009050937 学 生：孙佳宝

完成日期：2011年8~9月

1项目基本资料 ................................................................................................................................ 3

1.1工程概况 ..................................................................................................................... 3 1.2地质、地形资料 ......................................................................................................... 4 1.3水文气象 ..................................................................................................................... 4 1.4建筑材料 ..................................................................................................................... 5 1.5批准的规划成果 ......................................................................................................... 5 1.6施工条件 ..................................................................................................................... 6

2水闸布置........................................................................................................................................ 7

2.1闸址选择及水闸等级确定 ................................................................................................. 7

2.1.1闸址的选择 .............................................................................................................. 7 2.1.2水闸等级的确定 ...................................................................................................... 7 2.1.3洪水标准的确定 ...................................................................................................... 7 2.2闸孔形式选择及闸底板高程确定 ..................................................................................... 7

2.2.1闸孔形式的选择 ...................................................................................................... 7 2.2.2闸底板本高程的确定 .............................................................................................. 7 2.3闸室布置 ............................................................................................................................. 7

2.3.1闸底板 ...................................................................................................................... 7 2.3.2闸墩 .......................................................................................................................... 7 2.3.3闸门与启闭机 .......................................................................................................... 7 2.3.4上部结构 .................................................................................................................. 7 2.3.5岸墙 .......................................................................................................................... 7 2.4两岸及上下游连接建筑物的布置 ..................................................................................... 7

2.4.1两岸连接建筑物的结构形式 .................................................................................. 7 2.4.2上下游翼墙布置 ...................................................................................................... 7 2.4.3混凝土的强度、抗渗及抗冻性能要求 .................................................................. 8

3水力设计........................................................................................................................................ 8

3.1闸孔尺寸确定 ..................................................................................................................... 8

3.1.1闸孔形式 .................................................................................................................. 8 3.1.2闸孔尺寸 .................................................................................................................. 8 3.2水闸的消能防冲设计 ................................................................................................. 8 3.2.1消力池设计 .............................................................................................................. 8 3.2.2海漫设计 .................................................................................................................. 8 3.2.3防冲槽设计 .............................................................................................................. 8 3.2.4上、下游河岸的防护 .............................................................................................. 8 3.3水闸的防渗排水设计 ......................................................................................................... 8

3.3.1闸室地下轮廓线布置 .............................................................................................. 8 3.3.2渗流计算 .................................................................................................................. 8 3.3.3排水设计 .................................................................................................................. 8

4闸室稳定分析 ................................................................................................................................ 8

4.1荷载计算及荷载组合 ......................................................................................................... 8

4.1.1设计工况 .................................................................................................................. 9

4.1.2荷载计算 .................................................................................................................. 9 4.1.3荷载组合 .................................................................................................................. 9 4.2闸室地基承载力验算 ......................................................................................................... 9

4.3.1计算单元 .................................................................................................................. 9 4.3.2验算单元 .................................................................................................................. 9 4.3.3抗滑措施 .................................................................................................................. 9 4.3.4抗浮稳定验算 .......................................................................................................... 9 4.3.5岸墙、翼墙稳定计算 .............................................................................................. 9

5整体式闸底板结构计算 ................................................................................................................ 9

5.1计算闸底板纵向地基反力 ................................................................................................. 9

5.1.1选择计算方法 .......................................................................................................... 9 5.1.2选择计算工况 .......................................................................................................... 9 5.1.3用弹性地基梁法计算 .............................................................................................. 9 5.1.4计算闸底板纵向地基反力 ...................................................................................... 9 5.2计算板条及墩条上的不平衡剪力 ..................................................................................... 9

5.2.1选取计算单元 .......................................................................................................... 9 5.2.2列表计算 ................................................................................................................ 10 5.3确定不平衡剪力在闸墩和底板上的分配 ....................................................................... 10

5.3.1计算确定中性轴位置 ............................................................................................ 10 5.3.2在闸墩和底板上分配不平衡剪力 ........................................................................ 10 5.4计算基础梁上的荷载 ....................................................................................................... 10

5.4.1计算集中力 ............................................................................................................ 10 5.4.2不平衡剪力的处理 ................................................................................................ 10 5.4.3考虑边荷载的影响 ................................................................................................ 10 5.5计算地基反力及梁的内力 ....................................................................................... 10

6设计依据及参考资料 .................................................................................................................. 10 7总结 ............................................................................................................................................. 10 8水闸施工...................................................................................................................................... 10

1项目基本资料

1.1工程概况

中原拦河闸位于河南省某县境内，闸址位于淮河某支流上。流域面积2234km，流域内耕地面积288万亩。农作物以种植小麦、棉花和其他经济作物为主，河流平均纵坡降

216200。

该地区为浅层地下水贫水区，要解决流域内农田的灌溉问题，需要拦蓄地面径流，故在河流适当位置修建拦河闸。

本工程投入使用后，在正常高水位时可蓄水2230万m，灌溉45万亩农田；即上游5

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个县25个乡已建成提灌站42处，有效灌溉面积25万亩；在拦河闸上游分出南干渠、北干渠，配支干渠23条，修建各类渠系建筑物1230座，可自流灌溉下游3县20万亩农田，说明拦蓄水源充沛可靠，效益较大。

1.2地质、地形资料

（1） 根据地质钻探资料，闸址附近地层为中粉质壤土，厚度约25m，其下为不透水层。

此壤土的物理力学性质如下： 土壤湿重度γ土壤干重度γ湿20.2kNm3； 16.0kNm3；

饱干土壤饱和重度γ土壤浮重度γ浮22.2kNm3

12.2kNm3；

自然含水量状态下土壤内摩擦角φ自23； 饱和含水量状态下土壤内摩擦角φ饱20； 土壤凝聚力C0.1kNm。 地基允许承载力[P地基]150kPa； 混凝土、砌石与土基摩擦系数f0.36； 地基应力的不均匀系数[η]1.5~2.0； 渗透系数K9.291032cms。

（2） 本区域地震设防烈度为Ⅵ度。

1.3水文气象

1、 水文气象

（1） 气温。本地区年最高气温42℃，最低气温为-18℃。 （2） 风速。最大风速v20ms，吹程D0.6km。

（3） 降水量。非汛期（1~6月及10~12月）9个月河流平均最大流量Q10ms；汛期

（7~9月）3个月最大流量Q为130m33s。年平均最大流量Q36.1m3s，最大

3年径流总量为9.25亿m。年平均最小流量Q15.6ms，最小年径流总量0.42

3亿m。

（4） 冰冻。流域内冰冻时间短，冻土很薄，不影响施工。

31.4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黏土材料；闸址处有足够多的砂料。

1.5批准的规划成果

（1） 灌溉用水季节，拦河闸的正常挡水位为58.72m，下游无水。 （2） 洪水标准。

1） 设计洪水位50年一遇，相应的洪峰流量1144.45m相应的下游水位59.35m。

2） 校核洪水位为200年一遇，相应的洪峰流量1643.35m33s，闸上游的洪水位为59.50m，

s，闸上游的洪水位为61.00m，

相应的下游水位60.82m。闸后交通桥净宽取4.50m或7.00m，两边各设宽0.25m或

0.50m得人行道。

3） 施工导流采用20年一遇洪水，相应的洪峰为169m3s。

（3） 河道断面。河道横断面为梯形，边坡为1:2，马道宽取6.00m。横断面形状如图所

示。

糙率河床滩地河道断面图

1.6施工条件

（1） 工期。要求在2年内完成。

（2） 电源。由电网供电、工地局电网10km。

（3） 材料供应：三材统一安排，本地区无石料及水泥，主要从外地用铁路运至本工程所

属城市，共350km，再用汽车转运至工地，运距40km。

2水闸布置

2.1闸址选择及水闸等级确定

2.1.1闸址的选择 2.1.2水闸等级的确定 2.1.3洪水标准的确定

2.2闸孔形式选择及闸底板高程确定

2.2.1闸孔形式的选择 2.2.2闸底板本高程的确定

2.3闸室布置

2.3.1闸底板 2.3.2闸墩

2.3.3闸门与启闭机 2.3.4上部结构 2.3.5岸墙

2.4两岸及上下游连接建筑物的布置

2.4.1两岸连接建筑物的结构形式 2.4.2上下游翼墙布置

2.4.3混凝土的强度、抗渗及抗冻性能要求

3水力设计

3.1闸孔尺寸确定

3.1.1闸孔形式 3.1.2闸孔尺寸

3.2水闸的消能防冲设计 3.2.1消力池设计 3.2.2海漫设计 3.2.3防冲槽设计

3.2.4上、下游河岸的防护

3.3水闸的防渗排水设计

3.3.1闸室地下轮廓线布置 3.3.2渗流计算 3.3.3排水设计

4闸室稳定分析

4.1荷载计算及荷载组合

4.1.1设计工况 4.1.2荷载计算 4.1.3荷载组合

4.2闸室地基承载力验算

4.3.1计算单元 4.3.2验算单元 4.3.3抗滑措施 4.3.4抗浮稳定验算 4.3.5岸墙、翼墙稳定计算

5整体式闸底板结构计算

5.1计算闸底板纵向地基反力

5.1.1选择计算方法 5.1.2选择计算工况 5.1.3用弹性地基梁法计算 5.1.4计算闸底板纵向地基反力

5.2计算板条及墩条上的不平衡剪力

5.2.1选取计算单元

5.2.2列表计算

5.3确定不平衡剪力在闸墩和底板上的分配

5.3.1计算确定中性轴位置

5.3.2在闸墩和底板上分配不平衡剪力

5.4计算基础梁上的荷载

5.4.1计算集中力 5.4.2不平衡剪力的处理 5.4.3考虑边荷载的影响 5.5计算地基反力及梁的内力

6设计依据及参考资料

7总结

8水闸施工

水闸施工组织设计 设计者：孙佳宝

基本资料

本工程位于河南省某县境内，它是淮海某支流上的二等建筑物。

该河床位于平原地区，河床宽65m，该地区为浅层地下水贫水区，要解决流域内农田的灌溉问题，需要拦蓄地面径流，故在河流适当位置修建拦河闸。

拦河闸所担负的任务是：正常情况下拦河截水，抬高水位，以利灌溉；洪水时开闸泄水，以保安全。

本工程建成后，可利用河道一次蓄水2230万m，初步解决45万亩农田灌溉问题，同时具有较大的经济效益。 1、 地质条件

2、 根据钻孔了解闸址地层属河流冲击相，闸址两岸地面高程均在61.5m左右。闸址附近地

层为中粉质壤土，厚度约25m，其下为不透水层。 3、 地形

闸址处系平原型河段，两岸地势平坦，地面高程为61.5m左右，河床坡降平缓，纵坡约为

316200，主河槽宽度65m，河滩宽平，呈复式河床横断面，河流比较顺直。

4、 土的物理力学性质指标

土的物理力学性质指标主要包括物理性质、允许承载力、渗透系数等，具体数据见下表。

土的物理性质指标 单位：kNm 湿重度 20.2 土的力学性质指标 内摩擦角 土基允许承载力[] 摩擦系数f 不均匀系数[] 渗透系数K 饱和重度 22.2 浮重度 12.2 干重度 16.0 35、 工程资料 （1） 石料。本地区不产石料，需从外地运进，距铁路很近，交通方便。 （2） 黏土。经调查，本地区附近有较丰富的黏土材料。 （3） 闸址处有足够多的砂料。 6、 水文气象

（1） 气象。本地区年最高气温42℃，最低气温为-18℃。 （2） 风速。最大风速20ms，吹程06km.

（3） 降水量。非汛期（1~6月及10~12月）9个月河流平均最大流量Q10ms；汛期

（7~9）三个月最大流量Q为130m径流总量为0.42亿m。

（4） 冰冻。流域内冰冻时间短，冻土很薄，不影响施工。 7、 批准的规划成果

8、 （1）根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》（SDJ21787）的规定，本枢

纽工程为二等工程，其中永久性主要建筑物为2级。 （2）灌溉用水季节，拦河闸正常挡水位58.72m。 （3）洪水标准，见下表。 洪水标准

333s。年平均最大流量Q36.1m3s，最小年

项目 设计洪水 校核洪水 重现期（a） 50 200 洪水流量m1144.45 1642.35 3s 闸前水位m 59.50 61.00 下游水位m 59.35 60.82 7、施工条件

（1）工期为两年。

（2）材料供应情况。本地区无石料及水泥，主要从外地用铁路运至本工程所属城市，共350km，再用汽车转运至工地，运距40km。电源由电网供电、工地距电网10km。 （一）施工条件分析 1、自然条件

（1）地形条件。闸址处系平原型河段，两岸地势平坦，地面高程约为61.50m，河底坡降平缓，纵坡约为16200，主河槽宽度65m，河滩宽平，呈复式河床横断面，河流比较顺直。

由此地形条件可知，在进行导流时，不需设隧洞导流，应采用明渠导流，施工总布置比较容

易。

（2）地质和水文条件。由地质和水文地质条件可知，闸基础为砂性土壤，属软基，但承载力较高，为150KNmm，故基础可不做处理。该地区地下水位在25m以下，由于开挖较深，大约在2~7mm以下会出现流沙现象，为保证干地施工条件，施工应采用人工降低地下水位的措施。基坑开挖的边坡也不宜太陡，以免引起塌方现象。由于属砂性土，在施工方案选择时，不需进行爆破施工，选用机械开挖或人工开挖即可。

（3）工程材料。本地区不产石料，需从外地运进，故施工时应尽量少用石料。经调查，本地区附近有较丰富的黏土材料，可用于黏土铺盖的施工。闸址处有足够的中砂应尽可能地使用砂料。

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