水閘畢業(yè)設(shè)計(jì)

總論概述一、工程概況渦河發(fā)源于河南省中牟縣境內(nèi)，經(jīng)開封、通許、尉氏、太康、鹿邑等縣，在安徽省與惠濟(jì)河匯合后流入淮河。匯合口以上流域面積4200km2，渦河在鹿邑縣境內(nèi)屬平原穩(wěn)定型河流，河面寬約200m，深約7——10米。由于河床下切較深，又無(wú)適當(dāng)控制工程，雨季地表徑流自由流走，而雨過(guò)天晴經(jīng)常干旱，加之打井提水灌溉，使地下水位愈來(lái)愈低，嚴(yán)重影響兩岸的農(nóng)業(yè)灌溉和人蓄用水。為解決當(dāng)?shù)?0萬(wàn)畝農(nóng)田的灌溉問題，上級(jí)批準(zhǔn)的規(guī)劃確定，在鹿邑縣渦河上修建擋水樞紐工程。本工程位于河南省鹿邑縣城北約1Km，距匯合口18Km。它是渦河梯級(jí)開發(fā)中最末一級(jí)工程，渦河閘控制流域面積4070Km2。二、攔河閘任務(wù)渦河攔河閘所擔(dān)負(fù)的任務(wù)是正常情況下攔河截水，抬高水位，以利灌溉。洪水時(shí)開閘泄水，以保安全。本工程建成后，可利用河道一次蓄水800萬(wàn)m3，調(diào)蓄河水兩岸溝塘，大量補(bǔ)給地下水，有利于進(jìn)灌和人蓄用水，初步解決40萬(wàn)畝農(nóng)田的灌溉問題，并為工業(yè)生產(chǎn)提供足夠的水源，同時(shí)漁業(yè)、航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，以及改善環(huán)境，美化城鄉(xiāng)都是極為有利的。基本資料一、地形資料閘址處系平原型河段，兩岸地勢(shì)平坦，地面高程約為40.00m左右。河床坡降平緩，縱坡約為1/10000，河床平均標(biāo)高約為30.0m，主槽寬度約為80—100m，河灘寬平，至復(fù)式河床橫斷面，河流比較順直。附閘址地形圖一張（1/1000）二、地質(zhì)資料（一）根據(jù)鉆孔了解閘址地層屬河流沖積相，河床部分地層屬第四級(jí)蟓更新世Q3與第四紀(jì)全新世Q4的層交錯(cuò)現(xiàn)象，閘址兩岸地面高程均在43m左右。閘址處地層向下分布情況如下：重粉質(zhì)壤土：分布在河床表面以下，深約3m。細(xì)砂：分布在重粉質(zhì)壤土以下（河床部分高程約在28.8m以下。）中砂：分布在細(xì)砂層以下，在河床部分的厚度約為5m左右。重粉質(zhì)壤土：分布在中砂層以下（深約22m以下）。中粉質(zhì)壤土：分布在重粉質(zhì)壤土以下，厚度5—8m。附閘址附近地址剖面圖一張三、土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)1.物理性質(zhì)濕容重γa=19kN/m3飽和容重γ飽=21kN/m3浮容重γ浮=11Kn/m3細(xì)砂比重γg=27kN/m3細(xì)砂干容重γ干=15kN/m32．內(nèi)摩擦角自然含水量時(shí)φ=280飽和含水量時(shí)φ=2503.土基許可承載力：【δ】=200kN/m34.混凝土、砌石與土基摩擦系數(shù)密實(shí)細(xì)砂層f=0.365.地基應(yīng)力不均勻系數(shù)粘土（η）=1.5—2.0砂土（η）=2.56.滲透系數(shù)中細(xì)砂層k=5×10-3平均厚度約5m以下土層k=5×10-5作為相對(duì)不透水層四、工程材料1、石料：本地區(qū)不產(chǎn)石料，需從外地運(yùn)進(jìn)，距離公路很近，交通方便。2、粘土：經(jīng)調(diào)查本地區(qū)附近有交豐富的粘土材料。3、閘止處有足夠的中細(xì)砂。五、本地區(qū)地震烈度在6度以下。六、水文氣象1、氣溫：本地區(qū)年最高氣溫42.20C，最低氣溫-200C，平均氣溫14.40C。2、風(fēng)速：最大風(fēng)速V=20m/s，吹程0.6km。3、徑流量：非汛期（1—6月及10—12月）9個(gè)月份渦河月平均最大流量9.1m3/s汛期（7—9）三個(gè)月，渦河月平均最大流量為149m3/s，年平均最大流量Q=26.1m3/s，最大年徑流總量為8.25億m3。4、冰凍：閘址處河水無(wú)冰凍現(xiàn)象。七、河槽整治斷面及水位流量關(guān)系曲線經(jīng)批準(zhǔn)的規(guī)劃決定：對(duì)原河槽將適當(dāng)調(diào)整，并在兩岸作矮堤，以擴(kuò)大泄洪能力，提高防洪安全的保證率。規(guī)劃確定的上下游河道整治后斷面如附圖。下游河道水位流量關(guān)系曲線見圖1—1。圖1—1上下游河道橫斷面圖（單位：m）八、施工條件期為兩年材料供應(yīng)電源：有電網(wǎng)供電，工地距電源線1.0公里。地下水位平均28.0～30.0m九、批準(zhǔn)的規(guī)劃成果根據(jù)水利電力部《水利水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（SDJ12—78）的規(guī)定，本樞紐工程為三等工程，其中永久性主要建筑物為3級(jí)。灌溉用水季節(jié)，攔河閘正常擋水位為39.50m。洪水標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目重現(xiàn)（年）洪水流量m3/s閘前水位（m）下游水位（m）設(shè)計(jì)洪水20132040.7740.61校核洪水100166041.9841.97第三節(jié)工程綜合說(shuō)明本工程為攔河閘，建造在河道上?？菟谟靡詳r截河道，抬高水位，以利上游取水或航運(yùn)要求；洪水期則開閘泄洪，控制下游流量。一、河閘的特點(diǎn)攔河閘既用以擋水，又用于泄水，且多修建在軟土地基上，因而在穩(wěn)定、防滲、消能防沖及沉降方面都有其自身的特點(diǎn)。1．穩(wěn)定方面關(guān)門攔水時(shí)，水閘上、下游較大的水頭差造成較大的水平推力，使水閘有可能沿基面產(chǎn)生向下游的滑動(dòng)，為此，水閘必須具有足夠的重力，以維持自身的穩(wěn)定。2．防滲方面由于上下游水位差的作用，水將通過(guò)地基和兩岸的土壤會(huì)被掏空，危及水閘的安全。滲流對(duì)閘室和兩岸連接建筑物的穩(wěn)定不利。因此，應(yīng)妥善進(jìn)行防滲設(shè)計(jì)。3．能防沖方面水閘開閘泄水時(shí)，在上下游水位差作用下，過(guò)閘水流往往具有較大的動(dòng)能，流態(tài)也較復(fù)雜，而土質(zhì)河床的抗沖能力較低，可能引起沖刷。此外，水閘下游常出現(xiàn)波狀水夭和折沖水流，會(huì)進(jìn)一步加劇對(duì)河床和兩岸的淘刷。因此，設(shè)計(jì)水閘除應(yīng)保證閘室具有足夠的過(guò)水能力外，還必須采用有效的消能防沖措施，以防止河道產(chǎn)生有害的沖刷。4．沉降方面土基上的建閘，由于土基的壓縮性大，抗剪強(qiáng)度低，在閘室的重力合外部荷載作用下，可能產(chǎn)生較大的沉降影響正常使用，尤其是不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致水閘傾斜，甚至斷裂。在水閘設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理選擇閘型、構(gòu)造，安排好施工程序，采取必要的地基處理等措施，以減少過(guò)大的地基沉降和不均勻沉降。二、攔河閘的組成攔河閘通常由上游連接段，閘室段和下游連接段三部分組成。（一）上游連接段上游連接段的主要作用是引導(dǎo)水流平穩(wěn)地進(jìn)入閘室，同時(shí)起防沖、防滲、擋土等作用。一般包括上游翼墻、鋪蓋、護(hù)底、兩岸護(hù)坡及上游防沖槽等。上游翼墻的作用是引導(dǎo)水流平順地進(jìn)入閘孔并起側(cè)向防滲作用。鋪蓋主要起防滲作用，其表面應(yīng)滿足抗沖要求。護(hù)坡、護(hù)底和上游防沖槽（齒墻）是保護(hù)兩岸土質(zhì)、河床及鋪蓋頭部不受沖刷。（二）閘室段閘室是水閘的主體部分，通常包括底板、閘墩、閘門、胸墻、工作橋及交通橋等。底板是閘室的基礎(chǔ)，承受閘室的全部荷載，并比較均勻地傳給地基，此外，還有防沖、防滲等作用。閘墩的作用是分割閘孔，并支承閘門、工作橋等上部結(jié)構(gòu)。閘門的作用是攔水和控制下瀉流量。工作橋供安置起閉機(jī)和工作人員操作之用。交通橋的作用是連接兩岸交通。（三）下游連接段下游連接段具有消能和擴(kuò)散水流的作用。一般包括護(hù)坦、海漫、下游防沖槽、下游翼墻及護(hù)坡等。下游翼墻引導(dǎo)水流均勻擴(kuò)散兼有防沖及側(cè)向防滲作用。護(hù)坦具有削能防忡作用。海漫的作用是進(jìn)一步消除護(hù)坦出流的剩余動(dòng)能、擴(kuò)散水流、調(diào)整流速分布、防止河床沖刷。下游防沖槽是海漫末端的防護(hù)設(shè)施，避免沖刷向上游擴(kuò)展。水力計(jì)算閘址及形式選擇一、閘址選擇閘址選擇關(guān)系到工程建設(shè)的成功和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮，是水閘設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。應(yīng)根據(jù)水閘的功能、特點(diǎn)和運(yùn)用要求，以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)條件，綜合考地形、地質(zhì)、建筑材料、交通運(yùn)輸、水流、潮汐、冰情、泥砂、施工、管理、周圍環(huán)境等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。閘址應(yīng)選擇在地形開闊、岸坡穩(wěn)定、巖土堅(jiān)實(shí)和地下水位較低的地點(diǎn)。閘址應(yīng)選用地質(zhì)條件良好的天然地基。壤土、中砂、粗砂、砂礫石適與作為水閘的地基。盡量避免淤泥質(zhì)土和粉砂、細(xì)砂地基，必要時(shí)，應(yīng)采取妥善的處理措施。攔河閘應(yīng)選擇在河道順直、河勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定和河床斷面單一的河段，或選擇在彎曲的河段采彎取直的新開河道上。應(yīng)考慮材料來(lái)源、對(duì)外交通、施工導(dǎo)流、場(chǎng)地布置、基坑排水、施工水電供應(yīng)等條件，同時(shí)還應(yīng)考慮水閘建成后工程管理維修和防洪搶險(xiǎn)等條件。水閘中心線的布置應(yīng)考閘室與兩岸建筑物均勻，對(duì)稱的要求。攔河閘的中心線一般應(yīng)與河道中泓線相吻合。該攔河閘選在鹿邑縣城北約1km處，閘軸線如地形圖所示。二、閘室型式選擇閘室按結(jié)構(gòu)形式可分為：開敞式水閘和涵洞式水閘。（一）開敞式水閘閘室上面不填土封閉的水閘。一般有泄洪、排水、過(guò)木等要求時(shí)，多采用不帶胸墻的開敞式水閘，多用于攔河閘、排冰閘等。當(dāng)上游水位變幅大，而下泄流量又有限制時(shí)，為避免閘門過(guò)高，常采用帶胸墻的開敞式水閘，如進(jìn)水閘、排水閘、擋潮閘多用這種形式。（二）涵洞式水閘閘身上面填土封閉的水閘，又稱封閉式水閘。常用于穿堤水或排水的水閘。洞內(nèi)水流可以是有壓的或無(wú)壓的。綜合考慮該工程特點(diǎn)，上、下游水位差較小，不須控制流量，泄洪時(shí)可能有漂浮物等因素，可采用無(wú)胸墻的開敞式水閘。（三）閘孔形式的選擇閘孔形式一般有寬頂堰型、實(shí)用堰低型和胸墻孔口型三種。1．寬頂堰型。這是水閘最常用的底板結(jié)構(gòu)形式。主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、泄流能力比較穩(wěn)定，有利于泄洪、沖沙、排淤、通航等；其缺點(diǎn)是自由泄流時(shí)流量系數(shù)小，容易產(chǎn)生波狀水。2．實(shí)用堰低型。有梯形、曲線型和駝峰型。實(shí)用堰型自由泄流時(shí)，流量系數(shù)較大，水流條件較好，選用適宜的堰面形式可以消除波狀水。但泄流能力受尾水位變化的影響較為明顯，不穩(wěn)定。3．胸墻孔口型。這種堰可以減小閘門高度和啟門力，也可降低工作橋高和工程造價(jià)。根據(jù)各種形式的適用條件，綜合考慮該工程特點(diǎn)，河槽蓄水，閘前基本沒有淤積，閘底高程應(yīng)盡可能底。因此，采用無(wú)底砍平底版寬頂堰，堰頂高程與河床同高，即閘底板高程為30.00m。第二節(jié)閘孔尺寸確定一、底板高程確定底板高程與水閘承擔(dān)的任務(wù)、泄流或引水流量、上下游水位及河床地質(zhì)條件等因素有關(guān)。閘底板應(yīng)置于較為堅(jiān)實(shí)的土層上，并應(yīng)盡量利用天然地基。在地基強(qiáng)度能夠滿足要求的條件下，底板高程定得高些，閘室寬度大，兩岸連接建筑物相對(duì)較低。對(duì)于小型水閘，由于兩岸建筑物在整個(gè)工程中所占比重較大，因而適當(dāng)降低底板高程，常常是有利的。當(dāng)然，底板高程也不能定的太低，否則，由于單寬流量加大，將會(huì)增加下游消能防沖的工程量，閘門增高，啟閉設(shè)備的容量也隨之增大。另外，基坑開挖也較困難。選擇底板高程前，首先要確定合適的最大過(guò)閘單寬流量。它取決于閘下游河渠的允許最大單寬流量。允許最大過(guò)閘單寬流量可按下游河床允許最大單寬流量的1.2~1.5倍確定。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般在細(xì)粉質(zhì)及淤泥河床上，單寬流量取5~10m3/（sm）；在砂壤土地基上取10~15m3/（sm）；在壤土地基上取15~20m3/（sm）；在黏土地基上取20~25m3/（sm）。下游水深較深，上下游水位差較小和閘后出流擴(kuò)散條件較好時(shí)，宜選用較大值。一般情況下，攔河閘的底板頂面與河床齊平，即閘底板高程30.0m。二、擬定閘孔尺寸及閘墩厚度1．由已知上、下游水位及閘底板高程，由公式（2—1）、式（2—2）可求得上游水頭及下游水深。v0=Q/A（2—1）H0=H+v02/2g（2—2）其中v0——行進(jìn)流速，m/s；Q——過(guò)流流量，m3/s；A——過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；H0——含有行進(jìn)流速水頭在內(nèi)的閘前水頭，m。推算的上游水頭及下游水深見表2—1。表2—1上游水頭計(jì)算流量Q（m3/s）下游水深hs（m）上游水深H（m）過(guò)水?dāng)嗝娣e（m2）行進(jìn)流速v0（m/s）v02/2g上游水頭H0（m）設(shè)計(jì)流量132010.6110.771228.661.070.0610.83校核流量166011.7911.981412.881.170.0712.052．判別出流流態(tài)閘門全開泄洪時(shí)，一般屬于淹沒條件下的水流，所以采用平底板寬頂堰堰流公式，根據(jù)設(shè)計(jì)，校核情況下的上、下游水位及流量進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于寬頂堰，其淹沒條件為：:hs≥0.8H0（2—3）式中hs——下游水深，m；H0——含有行進(jìn)流速水頭在內(nèi)的閘前水頭，m。根據(jù)公式（2—3）判別是否為淹沒出流，其判別計(jì)算見表2—2。表2—2淹沒出流判別計(jì)算計(jì)算情況下游水深hs（m）上游水頭H0（m）hs>0.8H0流態(tài)設(shè)計(jì)水位10.6110.8310.61>8.66淹沒出流校核水位11.7912.0511.79>9.64淹沒出流3．確定閘門總凈寬對(duì)于平底板寬頂堰，《閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦的堰流公式為：B=（2—4）其中B——閘孔凈寬，m；Q——流量，m3/s；ε——側(cè)收縮系數(shù)，初擬可按0.95—0.96估計(jì)；m——流量系數(shù)，初擬可按0.385計(jì)算；s——淹沒系數(shù)，可通過(guò)查表求得。按閘門總凈寬計(jì)算公式（2—4），根據(jù)設(shè)計(jì)洪水和校核洪水兩種情況分別計(jì)算，見表2—3。其中堰流側(cè)收縮系數(shù)ε取0.96；流量系數(shù)m取0.385；淹沒系數(shù)бs根據(jù)hs/H0查《水力學(xué)》教材。并取兩者的較大值。表2—3閘孔總凈寬計(jì)算流量Q（m3/s）下游水深hs（m）上游水頭H0（m）hs/H0淹沒系數(shù)бsB0（m）設(shè)計(jì)流量132010.6110.830.9800.4056.56校核流量166011.7912.050.9780.4257.724.閘孔尺寸的選擇閘室單孔寬度應(yīng)根據(jù)閘的地基條件、運(yùn)用要求、閘門結(jié)構(gòu)形式、啟閉機(jī)容量以及閘門等因素，進(jìn)行綜合比較確定。根據(jù)《閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》中閘孔尺寸和水頭系列標(biāo)準(zhǔn)，選定單孔凈寬b=8m，同時(shí)為了保證閘門對(duì)稱開啟，防止不良水流形態(tài)，選用7孔。5．閘墩的厚度及墩頭形狀選用整體式底板，縫設(shè)在閘墩上，中墩厚1.2m，縫墩厚1.6m，邊墩厚1m。墩頭采用圓弧形。閘孔布置如圖2—1所示：圖2—1閘孔尺寸布置圖（單位：m）閘孔總寬度為：L=（7×8）+（2×1.6+4×1.2）=64（m）二、校核閘孔的泄洪能力《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中堰流的計(jì)算公式為：Q=（2—5）式中B=nb0（n為閘孔數(shù)，b0為單孔凈寬），分別按設(shè)計(jì)、校核兩種情況確定計(jì)算參數(shù)，求出相應(yīng)的實(shí)際過(guò)閘流量Q1，校核過(guò)流能力。一般其相對(duì)差值不應(yīng)超過(guò)5%。≤5%（2—6）≤5%（2—7）根據(jù)孔口與閘墩的尺寸可計(jì)算側(cè)收縮系數(shù)，查《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（2-2），結(jié)果如下：對(duì)于中孔：b0/bs=8/（8+1.2）=0.870得б1=0.967；靠縫墩孔：b0/bs=8/（8+1.6）=0.833得б2=0.973；對(duì)于邊孔：b0/bs=b0/（b0+bb）=8/（8+11.98*3+2+（80-64）/2）=0.148得б3=0.909所以E=（n1*б中1+n2*б中2+n3*б中3）/（n1+n2+n3）=（1*0.976+4*0.973+2*0.909）/（1+4+2）=0.955與假定接近，根據(jù)選定的孔口尺寸與上下游水位，進(jìn)一步換算流量如下表所示：表2—4過(guò)流能力校核計(jì)算計(jì)算情況（m3/s）堰上水頭H0（m）hs/H0бsεQ校核過(guò)流能力設(shè)計(jì)流量132010.830.9800.400.961306.990.99%校核流量166012.050.9780.420.961610.642.97%兩種情況下過(guò)流能力都小于5%，說(shuō)明孔口尺寸的選擇較為合理，所以不再進(jìn)行調(diào)整。閘孔選7孔，單孔凈寬為8m。三、輔助曲線的繪制根據(jù)水閘所在的河流縱橫斷面圖，繪制下游水位與流量關(guān)系曲線。用明渠均勻流公式進(jìn)行計(jì)算：Q=ACC=R=A/x（2—8）式中A——過(guò)流斷面面積，m2；C——謝才系數(shù)，m1/2/s；R——水力半徑，m；n——河槽的糙，查水力學(xué)教材6—3，取n=0.05；x——過(guò)水?dāng)嗝娴臐裰?，m；i——渠道底坡，本設(shè)計(jì)i=1/10000。假設(shè)下游水深hs，由公式（2—8）求得相應(yīng)的流量Q，可列表計(jì)算，如表2—5所示。hs（m）A（m2）X（m）R（m）C（m0.5/s）Q（m3/s）1.08386.30.9619.916.162.017292.651.8622.252.013.026798.972.7023.60103.544.0368105.303.4924.64169.405.0475111.624.2625.46242.166.0588117.954.9926.14343.357.0711128.275.5426.61445.328.0840134.606.2427.14569.489.0975140.926.9227.61708.15表2—5下游水深與流量表根據(jù)下游水深與流量表繪制下游水深與流量關(guān)系曲線圖H～Q圖，見附圖。附圖下游斷面H~Q關(guān)系曲線圖第三節(jié)消能防沖設(shè)計(jì)水閘泄水時(shí)，部分勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，流速增大，具有較強(qiáng)的沖刷能力，而土質(zhì)河床的抗沖能力又較低，因此，必須采取適當(dāng)?shù)南芊罌_措施。那么首先應(yīng)了解過(guò)閘水流的特點(diǎn)。一、過(guò)閘水流的特點(diǎn)1．水流形式復(fù)雜初始泄流時(shí)，閘下水深較淺，隨著閘門開度的增大而會(huì)逐漸加深，閘下出流由孔口到堰流，自由出流到淹沒出流都會(huì)發(fā)生，水流形態(tài)比較復(fù)雜。因此，消能設(shè)施應(yīng)在任意工作情況下，均能滿足消能的要求并與下游很好的銜接。2、閘下易形成波狀水躍由于水閘上下游水位差較小，出閘水流的拂汝得數(shù)較低（Fs=1—1.7），容易放生波狀水躍，特別是在平底板的情況下更是如此。此時(shí)，無(wú)強(qiáng)烈的水躍旋滾，水面波動(dòng)，消能效果差，具有較大的沖刷能力。另外，水流處于急流狀態(tài)，不易向兩側(cè)擴(kuò)散，致使兩側(cè)產(chǎn)生回流，縮小河槽有效過(guò)水寬度，局部單寬流量增大，嚴(yán)重地沖刷下游河道。3、閘下容易出現(xiàn)折沖水流一般水閘的寬度較上下游河道窄，水流過(guò)閘時(shí)先收縮而后擴(kuò)散。如工程布置或操作運(yùn)行不當(dāng)，出閘水流不能均勻擴(kuò)散，將使主流集中，蜿蜒蛇行，左沖右撞，形成折沖水流，沖毀消能防沖設(shè)施和下游河道。二、消能防沖方式選擇泄水建筑物下游水流的消能防沖方式有以下幾種形式。1．底流式銜接消能能使下泄的高速水流在較短的距離內(nèi)有效地通過(guò)水躍轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚?，消除余能，與下游河道的正常流動(dòng)銜接起來(lái)。平原地區(qū)的水閘，由于水頭低，下游水位變幅大，適用底流式消能。2．挑能式消能在建筑物出流部位利用挑流鼻坎將水流拋射在較遠(yuǎn)的下游，不致影響建筑物安全。適用山區(qū)灌溉渠道上的泄水閘和退水閘，下游為堅(jiān)硬的巖體，又具有較大的水頭的情況。3．面流式消能對(duì)下游水深較大且穩(wěn)的情況，可采用低與下游水位的跌坎，將下泄的高速水流送入下游河道水流表層，在坎后形成底部旋滾，減輕對(duì)河床的沖刷，并消除余能。由于本閘位于平原地區(qū)，河床的抗沖刷能力較低，采用底流式消能。三、能防沖設(shè)施的設(shè)計(jì)（一）消能控制條件分析設(shè)計(jì)水位或校核水位時(shí)閘門全開，宣泄洪水，為淹沒出流，無(wú)須消能，閘前為常高水位39.50m，部分閘門局部開啟，只宣泄較小流量時(shí)，下游水位不高，閘下射流速度較大，才會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的沖刷河床現(xiàn)象，須設(shè)置相應(yīng)的消能設(shè)施。為了保證無(wú)論何種開啟高度的情況下均能發(fā)生淹沒式水躍消能，采用閘前水深H=9.5m，閘門局部開啟情況，作為消能防沖設(shè)計(jì)的控制情況。為了降低工程造價(jià)，確保水閘安全運(yùn)行，可以規(guī)定閘門的操作規(guī)程，本設(shè)計(jì)按1、3、5、7孔對(duì)稱方式開啟，分別對(duì)不同開啟孔數(shù)和開啟度進(jìn)行組合計(jì)算，找出消力池池深和池長(zhǎng)的控制條件?！端l設(shè)計(jì)規(guī)范》中指出，消力池計(jì)算簡(jiǎn)圖及主要計(jì)算公式如下：圖2—3消力池計(jì)算簡(jiǎn)圖孔口出流流量公式：Q=（2—9）消力池池深：d=hc″－－Δz（2—10）挖池前收縮水深：hc=（2—11）挖池后收縮水深：=0（2—12）躍后水深：hc″=（2—13）出池落差：Δz=（2—14）式中Q——下泄流量，m3/s；μ——寬頂堰上孔流流量系數(shù)，μ=ε＇φe——閘門開啟高度，m；ε＇——收縮系數(shù)；φ——流速系數(shù)，φ=0.9~1.0，取φ=0.985b——閘孔單寬，m；H0——堰上水頭，m；n——開啟孔數(shù)；d——消力池深度，m；σ0——水躍淹沒系數(shù)，可采用1.05~1.10，取1.05；hc〃——躍后水深，m；hc——收縮水深，m；T0——總勢(shì)能，m；Δz——出池落差，m；hs——出池河床水深，m。對(duì)于消力池池深的計(jì)算，應(yīng)先計(jì)算出挖池前收縮水深，按《水利學(xué)》公式估算出池深，然后求出總勢(shì)能，再試算出挖池后的收縮水深。其計(jì)算式如下：消力池長(zhǎng)度：Lsj=Ls+βLj（2—15）水躍長(zhǎng)度：Lj=6.9（hc＂-hc）式中Lsj——消力池長(zhǎng)度，m；Ls——消力池斜坡段水平投影長(zhǎng)度，m；β——水躍長(zhǎng)度校正系數(shù)，可采用0.7～0.8；Lj——水躍長(zhǎng)度，m。通過(guò)躍后水深與下游水深的比較進(jìn)行流態(tài)判別，經(jīng)過(guò)計(jì)算，找出最大的池深，池長(zhǎng)作為相應(yīng)的控制條件。同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)及其他原因，對(duì)池深較大的開啟度采用限開措施。關(guān)于流態(tài)判別如下：hc＂<hs為淹沒出流；hc＂=hs為臨界狀態(tài)；hc＂>hs為自由出流的遠(yuǎn)驅(qū)式水躍。按式（2—9）、式（2—10）、式（2—11）、式（2—12）、式（2—13）、式（2—14）、式（2—15）、式（2—16）估算消力池深及池長(zhǎng)，其結(jié)果如表2—6所示。表2—6消力池池深、池長(zhǎng)估算開啟孔數(shù)n開啟高度e收縮系數(shù)泄流量Qm3/s單寬流量q(m3/sm）收縮水深hc（m）躍后水深hc(m)下游水深hs（m）流態(tài)判別自由出流削力池尺寸池深d(m）池長(zhǎng)lsj(m)水躍長(zhǎng)lj(m)備注11.00.6637.780.624.212.202.0128.5827.391.20.6759.420.744.592.452.1430.6031.741.50.69311.660.935.012.802.2132.6533.192.00.612215.311.245.623.302.3236.4036.16池深控制2.50.615118.861.566.083.702.3838.9139.19限開30.80.61526.330.493.853.720.3218.8823.461.20.62269.420.744.594.80淹沒出流1.50.628011.660.935.015.402.00.636715.311.245.626.25注：計(jì)算式中系數(shù)如下：=1.05，φ=0.97，β=0.75，消力池坡段邊坡系數(shù)m=4。通過(guò)計(jì)算，為了節(jié)省工程造價(jià)，防止消力池過(guò)深，對(duì)開啟1孔開啟高度為2.5m限開，開啟高度為2.0m的消力池池深為控制條件。（二）消力池尺寸及構(gòu)造1．消力池深度的計(jì)算根據(jù)所選擇的控制條件，估算池深為2.3m，用公式（2—12）、（2—13）、式（2—14）計(jì)算挖池后的收縮水深hc1和相應(yīng)的出池落差Δz及躍后水深hc＂。計(jì)算如下：T0=H0+d=11.8（m）即11.8=用迭帶法求得=1.09hc＂===6.10（m）Δz===0.87（m）驗(yàn)算水躍淹沒系數(shù)σ，由《水力學(xué)》教材公式求：σ0=（d+hs+Δz）/hc＂（2—17）得σ0=（2.3+3.30+0.87）/6.10=1.061符合在1.05~1.10之間的要求。2．消力池池長(zhǎng)根據(jù)池深2.3m，用式（2—15）、式（2—16）求得相應(yīng)的消力池長(zhǎng)度為36m。3．消力池護(hù)坦厚度消力池底板（即護(hù)坦）承受水流的沖擊力、水流脈動(dòng)壓力和底部揚(yáng)壓力等作用，應(yīng)具有足夠的重量、強(qiáng)度和抗沖耐磨的能力。護(hù)坦一般是等厚的，也可采用不同的厚度，始端厚度大，向下游逐漸減小。護(hù)坦厚度可根據(jù)抗沖和抗浮要求，分別計(jì)算，并取其最大值。按抗沖要求計(jì)算消力池護(hù)坦厚度公式為：t=k1（2—18）按抗浮要求計(jì)算消力池護(hù)坦厚度公式為：t=k2（2—19）式中t——消力池底板始端厚度，m；k1——消力池底板計(jì)算系數(shù)，可采用0.175~0.20；k2——消力池底板安全系數(shù)，可采用1.1～1.3；py——揚(yáng)壓力，kpa；ΔH＇——泄水時(shí)上、下游水位差，m；Hd——消力池內(nèi)平均水深，m；γ——水的重度，kN/m3；γ1——消力池底板的飽和重度，kN/m3。該工程可根據(jù)抗沖要求，按式（2—18）計(jì)算消力池底板厚度。其中k1取為1.80，q為確定池深時(shí)的過(guò)閘單寬流量，此處q=15.31m3/（sm），ΔH`為相應(yīng)于單寬流量的上、下游水位差（上游水深9.50m，下游水深3.30m），則其底板厚度為：t=0.18=1.11（m）可取消力池底板厚度為t=1.20m。4．消力池的構(gòu)造底流式消力池設(shè)施有三種形式：挖深式、消力檻式和綜合式。①當(dāng)閘下游尾水深度小于躍后水深時(shí)，可采用挖深式消力池消能；②閘下游尾水深度略小于躍后水深時(shí)，可采用消力檻式消力池消能；③閘下游尾水深度遠(yuǎn)小于躍后水深，且計(jì)算深度應(yīng)較深時(shí)，可采用挖深式與消力檻式相結(jié)合的綜合式消力池消能。護(hù)坦與閘室、岸墻及翼墻之間，以及其本身沿水流方向均應(yīng)用縫分開，以適應(yīng)不均勻沉陷和溫度變形。護(hù)坦自身縫距可取10～20m，靠近翼墻的取小些，縫寬2.0～2.5cm。護(hù)坦在垂直水流方向通常不設(shè)縫，以保證其穩(wěn)定性?？p若在閘基防滲范圍內(nèi)，縫中應(yīng)設(shè)止水設(shè)置，其他一般鋪設(shè)瀝青油毛氈。為增強(qiáng)護(hù)坦的抗滑穩(wěn)定性，常在消力池末端設(shè)置齒墻，深一般為0.8～1.5m，寬為0.6～0.8m。結(jié)合本工程的特點(diǎn)，選用挖深式消力池。為了便于施工，消力池的底板作成等厚，為了降低底板下部的滲透壓力，在水平底板的后半部設(shè)置排水孔，孔下鋪設(shè)反濾層，排水孔孔徑為10cm，間距為2m，呈梅花形布置。消力池構(gòu)造尺寸如下圖2—4。圖2—4消力池構(gòu)造尺寸圖（單位：高程m、尺寸cm）四、防沖加固措施（一）海漫設(shè)計(jì)1．海漫的作用水流經(jīng)過(guò)消力池，雖已消除了大部分多余能量，但仍留有一定的剩余動(dòng)能，特別是流速分布不均，脈動(dòng)仍較劇烈，具有一定的沖刷能力。因此，護(hù)坦后仍需設(shè)置海漫等防沖加固設(shè)施，以使水流均勻擴(kuò)散，并將流速分布逐步調(diào)整到接近天然河道的水流形態(tài)。2．漫的布置和構(gòu)造一般海漫起始端做成5～10m水平段，頂面高程可與護(hù)坦齊平或在消力池尾坎頂以下0.5m左右，水平段后作成不陡于1：10的斜坡以使水流均勻擴(kuò)散，調(diào)整流速分布，保護(hù)河床不受沖刷。對(duì)海漫的要求有：①表面有一定的粗糙度，以利進(jìn)一步消除余能；②具有一定的透水性，以便使?jié)B水自由排除，降低揚(yáng)壓力；③具有一定的柔性，以適應(yīng)下游河床可能的沖刷變形。常用的有以下幾種形式。（如圖2—5）（1）干砌石海漫。一般由顆粒粒徑大于30cm的塊石砌成，厚度為0.4~0.6m，下面鋪設(shè)碎石、粗砂墊層，層厚10~15cm，如下圖（a）。干砌石海漫的抗沖流速為2.5~4.0m/s。為了加大其抗沖能力，可每隔8~10m設(shè)一漿砌石埂。干砌石常用在海漫后段。（2）漿砌石海漫。砌石粒徑大于30cm，厚度為0.4~0.6m，砌石內(nèi)設(shè)排水孔，下面鋪設(shè)反濾層或墊層，（如下圖（b））。漿砌石海漫的抗沖流速可達(dá)3~6m/s，但柔性和透水性較差，一般用于海漫的前部約10cm范圍內(nèi)。（3）混凝土板海漫。整個(gè)海漫由板塊拼鋪而成，每塊板長(zhǎng)2~5m，厚度為0.1~0.3m，板中有排水孔，下面層，（如圖（c）、（d））。混凝土板海漫的抗沖流速可達(dá)6~10m/s，但造價(jià)高。有時(shí)為增加表面糙率，可采用斜面式或城垛式混凝土塊體（如圖（e）（f））。鋪設(shè)時(shí)應(yīng)注意順?biāo)髁飨虿灰擞型p。（4）鋼筋混凝土板海漫。當(dāng)出池水流的剩余能量較大時(shí)，可在尾欖下游5~10m范圍內(nèi)采用鋼筋混凝土板海漫，板中有排水孔，下面鋪設(shè)反濾層或墊層，（如圖（g））。（5）其他形式海漫。如鉛絲石籠海漫，（如圖（h））。圖2—5海漫構(gòu)造示意圖（單位：cm）3．海漫長(zhǎng)度計(jì)算根據(jù)可能出現(xiàn)的不利條件、流量組合計(jì)算。當(dāng)=1～9，且消能擴(kuò)散條件良好時(shí)，海漫長(zhǎng)度可按《水工建筑物》中公式（2—20）計(jì)算，并選取最大值。Lp=ks（2—20）式中Lp——海漫長(zhǎng)度，m；qs——消力池末端單寬流量，m3/（sm）；ΔH＇——泄水時(shí)上、下游水位差，m；ks——海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)，查《水工建筑物》，取ks=12。用式（2—20）計(jì)算海漫長(zhǎng)度，結(jié)果列表如2—7所示。表2—7海漫計(jì)算長(zhǎng)度流量Q（m3/s）上游水深H（m）下游水深hs（m）qsm3/（sm）ΔH＇（m）Lp（m）1009.52.931.256.5721.52009.54.432.505.0728.13009.55.583.753.9232.74009.56.555.002.9535.25009.57.486.252.0235.86009.58.237.501.2734.97009.58.928.750.5831.0取其中計(jì)算表中的最大值，確定海漫長(zhǎng)度為36m。4、海漫的構(gòu)造因?yàn)閷?duì)海漫要求有一定的粗糙度，以便進(jìn)一步消除余能，有一定的透水性，有一定的柔性，所以選擇在海漫的起始段為10m長(zhǎng)的漿砌石水平段，因?yàn)闈{砌石的抗沖性能較好，其頂面高程與護(hù)坦齊平。后26m作成坡度為1：13的干砌石段，以便使水流均勻擴(kuò)散，調(diào)整流速分布，保護(hù)河床不受沖刷。海漫厚度為0.6m，下面鋪設(shè)15cm的砂墊層。（二）防沖槽設(shè)計(jì)1．作用防止沖刷坑向上游擴(kuò)展，保護(hù)海漫末端的安全。2．工作原理水流經(jīng)過(guò)海漫后，盡管多余能量得到了進(jìn)一步的消除，流速分布接近河床水流的正常狀態(tài)，但在海漫末端仍有沖刷現(xiàn)象。為了保證安全和節(jié)省工程量，常在海漫末端設(shè)置防沖槽或采取其他加固措施。在海漫末端挖槽拋石預(yù)留足夠的石塊，當(dāng)水流沖刷河床形成沖坑時(shí)，預(yù)留在槽內(nèi)的石塊沿斜坡繼續(xù)滾下，鋪在沖坑的上游斜坡上，防止沖刷坑向上游擴(kuò)展，保證海漫的安全。3．尺寸根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》由沖刷坑估算防沖槽深度如下：t＂=1.1q＇/［v0］－t（2—21）式中t＂——海漫末端的可能沖刷深度，m；q＇——海漫末端的單寬流量，m3/（sm）；［v0］——河床土質(zhì)的不沖流速，m/s；t——海漫末端的水深，m。其中河床土質(zhì)的不沖流速可按《水力學(xué)》教材公式（2—22）求出：［v0］=v0R1/4~1/5式中［v0］——河床土質(zhì)的不沖流速，m/s；v0——查水力學(xué)表6-5可知，此處取v0=0.8m/s；R——水力半徑，R=A/x；hs＂——海漫末端的河床水深，m。海漫末端河床沖刷坑深度按式（2—21）、式（2—22）計(jì)算，按不同的情況計(jì)算結(jié)果如表2—8所示。表2—8海漫沖刷坑的深度計(jì)算計(jì)算情況q＂m/（sm）相應(yīng)過(guò)水面積A（m2）濕周x（m）R1/5［v0］（m/s）hs＂（m）d＇（m）校核情況13.681704.85171.221.7701.23913.79-1.64設(shè)計(jì)情況11.201512.28163.751.7431.39412.61-3.77根據(jù)計(jì)算結(jié)果可不設(shè)防沖槽，但根據(jù)水閘的構(gòu)造要求可設(shè)置防沖槽的深度為1.6m。采用寬淺式，底寬取（2～3）d，此處取為取4.0m，上游坡率為2，下游坡率為3，出槽后做成坡率為5的斜坡與下游河床相連。如圖2—6所示。圖2—7海漫防沖槽構(gòu)造圖（單位：m）（三）上、下游岸坡防護(hù)為了保護(hù)上、下游翼墻以外的河道兩岸岸坡不受水流的沖刷，需要進(jìn)行護(hù)坡。采用漿砌石護(hù)坡，厚度為0.3m，下設(shè)0.1m的砂墊層。保護(hù)范圍：上游自鋪蓋向上延伸2~3倍的水頭，下游自防沖槽向下延伸4~6倍的水頭。第三章防滲與排水設(shè)計(jì)閘底地下輪廓線的布置一、防滲設(shè)計(jì)的目的防止閘基滲透變形；減小閘基的滲透壓力；減少水量損失；合理選用地下輪廓的尺寸，以延長(zhǎng)滲徑，防止閘基和兩岸產(chǎn)生滲透破壞。二、防滲排水的布置原則防滲設(shè)計(jì)一般采用防滲和排水相結(jié)合的原則，即在高水位側(cè)采用鋪蓋、板樁、齒墻等防滲設(shè)施，用以延長(zhǎng)滲徑、減小滲透坡降和閘底板下的滲透壓力；在低水位側(cè)設(shè)置排水設(shè)施，如面層排水、排水孔排水或減壓井與下游連通，使低下滲水盡快排出，以減小滲透壓力，并防止在滲流出口附近發(fā)生滲透變形。三、防滲設(shè)施根據(jù)閘址附近的地質(zhì)情況來(lái)確定相應(yīng)的措施，防滲措施常采用水平鋪蓋，而不用板樁，以免破壞黏土的天然結(jié)構(gòu)，在板樁與地基間造成滲流通道。砂性土易產(chǎn)生管涌，要求防止?jié)B透變形是其考慮的主要因素，可采用鋪蓋與板樁相結(jié)合的形式。1．鋪蓋為水平防滲措施，適用于粘性和砂性土基。2．板樁為垂直防滲措施，適用于砂性土基，一般設(shè)在閘底板上游或鋪蓋前端，用于降低滲透壓力。3．齒墻一般設(shè)在底板上、下游端，利于抗滑穩(wěn)定，延長(zhǎng)滲徑。由于閘基土質(zhì)以黏性土為主，防滲設(shè)備采用黏土鋪蓋，閘底板上、下游側(cè)設(shè)置齒墻，為了避免破壞天然的黏土結(jié)構(gòu)，不宜設(shè)置板樁。四、地下輪廓線布置1．閘底板長(zhǎng)度擬定根據(jù)閘底板的形式，用經(jīng)驗(yàn)公式（3—1）計(jì)算，并綜合考慮閘上結(jié)構(gòu)布置及地基承載力兩方面因素，擬定閘底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度。L底=A×H（3—1）式中A——系數(shù)，對(duì)于砂礫石地基可取1.5~2.0，對(duì)于砂壤土可取2.0~2.5，對(duì)于黏壤土地基可取2.0~3.0，對(duì)于黏土地基可取2.5~3.5；該工程閘基為重粉質(zhì)壤土，取A=2.0；H——上、下游最大水頭差。L底=A×H=2.0×9.5=19（m）綜合考慮，上部結(jié)構(gòu)布置及地基承載力要求，確定閘底板長(zhǎng)度為20m。2．閘底板厚度的擬定可取t=（1/5~1/8）×8=1.0~1.6m。實(shí)際取為1.5m。3．齒墻尺寸的確定一般深度為0.5~1.5m，厚度為閘孔凈寬的1/5~1/8。該設(shè)計(jì)取1.0m，厚度取1.0m。如圖3—1所示。圖3—1底板尺寸圖（單位：cm）4．鋪蓋主要用來(lái)延長(zhǎng)滲徑，具有相對(duì)不透水性和一定的柔性。鋪蓋常用黏土、黏壤土或?yàn)r青混凝土等材料，有時(shí)也可用鋼筋混凝土作為鋪蓋材料。鋪蓋的長(zhǎng)度采用上、下游最大水頭差的3~5倍。鋪蓋的厚度應(yīng)根據(jù)鋪蓋土料的允許水力坡降值計(jì)算確定，即=H/J，其中，H為鋪蓋頂、底面的水頭差，J為材料允許坡降，黏土為4~8，壤土為3~5。鋪蓋上游端的最小厚度一般為0.6~0.8m，逐漸向閘室方向加厚至1.0~1.5m。根據(jù)上述原則，鋪蓋的長(zhǎng)度確定為為（3~5）9.5=45（m）；鋪蓋的厚度，上端取0.6m，末端取1.5m，以便和閘底板連接。為了防止水流沖刷及施工時(shí)破壞黏土鋪蓋，在其上設(shè)置30cm厚漿砌塊石保護(hù)層，10cm厚的砂墊層。如圖3—2。圖3—2黏土鋪蓋的結(jié)構(gòu)圖（單位：cm）5．閘基防滲長(zhǎng)度的確定初步擬定閘基防滲長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》公式（3—2）：L≥C×H（3—2）式中L——閘基防滲長(zhǎng)度，即閘基輪廓線防滲部分水平段和垂直段長(zhǎng)度的總和，m；C——允許滲徑系數(shù)值，見表5-3，因?yàn)榈鼗临|(zhì)為中粉質(zhì)壤土，查表取C=7；H——上、下游最大水頭差，m。由于閘基土質(zhì)以粘性土為主，防滲設(shè)備采用黏土鋪蓋，底板上下游設(shè)置齒墻，由式（3—2）計(jì)算閘基理論防滲長(zhǎng)度。其中C值因地基土質(zhì)為重粉質(zhì)壤土取為7。L=C×L=7×9.5=66.5（m）6．校核地下輪廓線的長(zhǎng)度根據(jù)以上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)際的地下輪廓線布置長(zhǎng)度應(yīng)大于理論的地下輪廓線長(zhǎng)度。鋪蓋長(zhǎng)度+閘底板長(zhǎng)度+齒墻長(zhǎng)度=45+2+2×20.5+16+1+2.5=69.33（m）≥L=66.5（m）通過(guò)校核，地下輪廓線的長(zhǎng)度滿足要求。五、排水設(shè)備的細(xì)部構(gòu)造1、排水設(shè)備的作用采用排水設(shè)備，可降低滲透壓力，排除滲水，避免滲透變形，增加下游的穩(wěn)定性。排水的位置直接影響滲透壓力的大小和分布，應(yīng)根據(jù)閘基土質(zhì)情況和水閘的工作條件，做到既減少滲透壓力又避免滲透變形。2、排水設(shè)備的設(shè)計(jì)（1）水平排水水平排水為加厚反濾層中的大顆粒層，形成平鋪式。排水反濾層一般由2~3層粒徑的砂和砂礫石組成。層次排列應(yīng)盡量與滲流的方向垂直，各層次的粒徑則按滲流方向逐層增大。反濾層的材料應(yīng)該是能抗風(fēng)化的砂石料，并滿足：被保護(hù)土壤的顆粒不得穿過(guò)反濾層；各層次的顆粒不得發(fā)生移動(dòng)；相臨兩層間，較小一層的顆粒不得穿過(guò)較粗一層的空隙；反濾層不能被阻塞，應(yīng)具有足夠的透水性，以保證排水通暢；同時(shí)還應(yīng)保證耐久、穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)的反濾層由碎石、中砂和細(xì)砂組成，其中上部為20cm厚的碎石，中間為10cm厚的中砂，下部為10cm厚的細(xì)砂。見下圖3—3：圖3—3反濾層構(gòu)造圖（單位：cm）（2）鉛直排水設(shè)計(jì)本工程在護(hù)坦的中后部設(shè)排水孔，孔距為2m，孔徑為10cm，呈梅花形布置，孔下設(shè)反濾層。（3）側(cè)向排水設(shè)計(jì)側(cè)向防滲排水布置（包括刺墻、板樁、排水井等），并應(yīng)根據(jù)上、下游水位、墻體材料和墻后土質(zhì)以及地下水位變化等綜合考慮，并應(yīng)與閘基的防滲排水布置相適應(yīng)，在空間上形成防滲整體。在消力池兩岸翼墻設(shè)2~3層排水孔，呈梅花形布置，孔后設(shè)反濾層，排出墻后的側(cè)向繞滲水流。3．止水設(shè)計(jì)凡具有防滲要求的縫，都應(yīng)設(shè)止水設(shè)備。止水分鉛直止水和水平止水兩種，前者設(shè)在閘墩中間，邊墩與翼墻間以及上游翼墻鉛直縫中；后者設(shè)在黏土鋪蓋保護(hù)層上的溫度沉陷縫、消力池與底板溫度沉陷縫、翼墻和消力池本身的溫度沉陷縫內(nèi)。在黏土鋪蓋與閘底板沉降縫中設(shè)置瀝青麻袋止水。其構(gòu)造如圖3—2。第二節(jié)滲流計(jì)算一、滲流計(jì)算的目的計(jì)算閘底板各點(diǎn)的滲透壓力；驗(yàn)算地基土在初步擬定的地下輪廓線下的滲透穩(wěn)定性。二、計(jì)算方法的選擇計(jì)算方法有直線比例法、流網(wǎng)法和改進(jìn)阻力系數(shù)法。1．直線比例法對(duì)于地下輪廓線比較簡(jiǎn)單，地基又不復(fù)雜的中、小型工程，可采用直線比例法；直線比例法是假定滲流沿地下輪廓流動(dòng)時(shí)，水頭損失沿程按直線變化，求地下輪廓各點(diǎn)的滲透壓力。直線比例法有勃萊法和萊因法兩種。（1）勃萊法將地下輪廓予以展開，按比例繪一直線，在滲流開始點(diǎn)作一長(zhǎng)度為Hx的垂線，并由垂線頂點(diǎn)用直線和滲流溢出點(diǎn)相連，即得地下輪廓展開成直線后的滲透壓力分布圖。任一點(diǎn)的滲透壓力hx，可按比例求得：hx=Hx/L（2）萊因法根據(jù)工程實(shí)現(xiàn)，萊因法認(rèn)為水流在水平方向和垂直方向流動(dòng)，削能的效果是不一樣的，后者為前者的三倍。在防滲長(zhǎng)度展開為一直線時(shí)，應(yīng)將水平滲徑除以3，再與垂直滲徑相加，即得折算后的防滲長(zhǎng)度，然后按直線比例法求得各點(diǎn)滲透壓力。2、流網(wǎng)法對(duì)于邊界條件復(fù)雜的滲流場(chǎng)，很難求得精確的滲流理論解，工程上往往利用流網(wǎng)法解決任一點(diǎn)滲流要素。流網(wǎng)的繪制可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)或圖解來(lái)完成。前者運(yùn)用于大型水閘復(fù)雜的地下輪廓線和土基，后者運(yùn)用于均質(zhì)地基上的水閘，即簡(jiǎn)便，又有足夠的精度。3、進(jìn)阻力系數(shù)法這是一種以流體力學(xué)為基礎(chǔ)的近似解法。對(duì)于比較復(fù)雜的地下輪廓，先將實(shí)際的地下輪廓進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，使之成為垂直和水平兩個(gè)主要部分。再?gòu)暮?jiǎn)化的地下輪廓線上各角點(diǎn)和板樁尖端引出等勢(shì)線，將整個(gè)滲流區(qū)域劃分為幾個(gè)簡(jiǎn)單的典型流段。由于改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算結(jié)果精確，本設(shè)計(jì)采用此種方法進(jìn)行滲流計(jì)算。三、改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算滲透壓力基本原理如上所述。計(jì)算公式（出自《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》）1．確定地基的有效計(jì)算深度Te當(dāng)?shù)鼗煌杆畬勇癫剌^深時(shí)，須有一個(gè)有效計(jì)算深度Te來(lái)代替實(shí)際深度T，Te可根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》公式（3—3）確定：當(dāng)l0/s0≥5時(shí)，Te=0.5l0當(dāng)l0/s0＜5時(shí)，Te=5l0/（1.6l0/s0+2）（3—3）式中Te——土基上水閘的地基有效計(jì)算深度，m；l0——地下輪廓的水平投影長(zhǎng)度，m；s0——地下輪廓的垂直投影長(zhǎng)度，m。l0/s0=（45+20）/2.5=26＞5地基的有效深度Te為Te=0.5l0=0.5×（45+20）=32.5（m）計(jì)算Te大于實(shí)際的地基透水層深度8m，所以取最小值Te=8m。2．典型段的劃分先將實(shí)際的低下輪廓線進(jìn)行簡(jiǎn)化，使之成為垂直和水平兩個(gè)主要部分。再?gòu)暮?jiǎn)化的低下輪廓線上各角點(diǎn)和板樁尖端引出等勢(shì)線，將整個(gè)滲流區(qū)域劃分為幾個(gè)典型流段：進(jìn)、出口段，內(nèi)部垂直段和水平段。3．計(jì)算各典型段的阻力系數(shù)（如圖3—4）圖3—4典型流段計(jì)算圖①進(jìn)、出口段：ε0=1.5（S/T）3/2+0.441（3—4）式中ε0——進(jìn)、出口段的阻力系數(shù)；S——板樁或齒墻的入土深度，m；T——地基透水層深度，m。②內(nèi)部垂直段：εy=2/πl(wèi)nctg（π/4（1－S/T））（3—5）式中εy——內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)。③水平段：εx=（L-0.7（S1+S2））/T（3—6）式中εx——水平段的阻力系數(shù)；L——水平段長(zhǎng)度，m；S1、S2——進(jìn)、出口段板樁或齒墻的入土深度，m。4．計(jì)算各典型段的水頭損失hi=εiΔH/Σεi（3—7）5．進(jìn)出口段水頭損失局部修正進(jìn)、出口水力坡降呈急變曲線形式，算得的進(jìn)、出口水頭損失與實(shí)際情況相差較大，需進(jìn)行必要的修正。修正后的水頭損失h0＇為：h0＇=β＇h0（3—8）式中h0＇——進(jìn)、出口段修正后的水頭損失值，m；h0——按式ε0=1.5（S/T）3/2+0.441計(jì)算出的水頭損失值，m?！枇π拚禂?shù)，按式（3—9）計(jì)算：（3—9）式中S＇——底板埋深與板樁入土深度之和，m；T＇——板樁另一側(cè)地基透水層深度，m。修正后的進(jìn)、出口段修正后的水頭損失將減少Δh。Δh=（1－β＇）h0（3—10）有關(guān)進(jìn)、出口段水頭損失值的詳細(xì)計(jì)算如下，先用進(jìn)出口段的前一段水頭損失的減少值相比較：若hx≥Δh，則按hx＇=hx+Δh修正；若hx〈Δh，則按進(jìn)出口段的前兩段水頭損失的和相比較：若hx+hy≥Δh，則按hx＇=2hx，hy＇=hy+Δh-hx修正若hx+hy〈Δh，則按hx＇=2hx，hy＇=2hy，hCD=hCD+Δh+（hx+hy）修正。hCD為與進(jìn)出口相鄰的第三個(gè)典型流段的水頭損失。6．計(jì)算角點(diǎn)的滲壓水頭對(duì)于簡(jiǎn)化后的地下輪廓各角點(diǎn)的滲壓水頭可用下式計(jì)算，中間沒有計(jì)算到的點(diǎn)均用此段的上下游段滲透水頭差內(nèi)插計(jì)算。各段滲壓水頭=上段滲壓水頭－此段滲壓水頭損失值7．驗(yàn)算滲流逸出坡降為保證閘基的抗?jié)B穩(wěn)定性，要求出口段逸出坡降必須小于規(guī)定的容許值。出口處的逸出坡降J為：J=h0＇/S0＇（3—11）計(jì)算滲透壓力1．地基有效深度計(jì)算由公式（3—3）判斷L0/S0=（45+20）/2.5=26〉5，地基有效深度Te為：Te=0.5L0=0.5×65=32.5（m）計(jì)算的Te大于實(shí)際透水層深8m，所以取Te=8m。2．分段阻力系數(shù)的計(jì)算通過(guò)簡(jiǎn)化地下輪廓的各角點(diǎn)和尖端將滲流區(qū)域分為如下9個(gè)典型段，如圖3—5示。圖3—5滲流區(qū)域劃分圖（單位：m）其中1、9段為進(jìn)、出口段，用式（3—4）計(jì)算阻力系數(shù)；3、5、7段為內(nèi)部垂直段，用式（3—5）計(jì)算阻力系數(shù)，2、4、6、8段為水平段，用式（3—6）計(jì)算阻力系數(shù)。各典型段的水頭損失用式（3—7）計(jì)算，結(jié)果如表3—2所示。表3—2各段滲透壓力水頭損失表分段編號(hào)分段名稱ss1s2TLεIhihi＇①進(jìn)口0.6————8.0——0.470.4280.257②水平——01.97.445.05.905.3735.544③垂直1.9————7.4——0.260.2370.237④水平——005.51.00.180.1640.164⑤垂直1.0————6.5——0.160.1460.146⑥水平——1.01.06.518.02.552.3232.323⑦垂直1.0————6.5——0.160.1460.146⑧水平——005.51.00.180.1640.190⑨出口1.3————6.8——0.570.5190.493合計(jì)10.43H=9.5H=9.50對(duì)于進(jìn)、出口段的阻力系數(shù)校正，按式（3—8）、式（3—9）、式（3—10）計(jì)算，結(jié)果見表3—3。表3—3進(jìn)、出口段的阻力系數(shù)修正表段別S＇T＇β＇h0＇Δhhx＇進(jìn)口段0.67.40.600.2570.1715.544出口段1.35.50.950.4930.0260.1903．計(jì)算各角點(diǎn)的滲透壓力值用表3—2計(jì)算的各段水頭損失進(jìn)行計(jì)算，總的水頭差為正常擋水期的上、下游水頭差9.5m，各段的角點(diǎn)滲壓水頭結(jié)果見表3—4。表3—4閘基各角點(diǎn)的滲透壓力值H1H2H3H4H5H6H7H8H9H109.509.243.703.463.303.150.830.680.4904．滲流逸出坡降計(jì)算出口段的逸出坡降為：J=hi＇/S＇=0.493/1.3=0.379小于壤土出口段的允許滲流坡降值〔J〕=0.50~0.60（查《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》附表3—1得），滿足要求，不會(huì)發(fā)生滲透變形。閘底板的滲透壓力分布如圖3—7。圖3—7閘底板下滲透壓力分布圖（單位：m）第四章閘室布置閘室是水閘的主體部分。開敞式水閘閘室由底板、閘墩、閘門、工作橋和交通橋等組成，有的還設(shè)有胸墻。閘室的結(jié)構(gòu)形式、布置和構(gòu)造，應(yīng)在保證穩(wěn)定的前提下，盡量做到輕型化、整體性好、剛性大、布置勻稱，并進(jìn)行合理的分縫、分塊，使作用在底基單位面積上的荷載較小，較勻稱，并能適應(yīng)地基可能的沉降變形。第一節(jié)底板和閘墩一、閘底板的設(shè)計(jì)1．作用閘底板是閘室的基礎(chǔ)，承受閘室及上部結(jié)構(gòu)的全部荷載，并較均勻地傳給地基，還有防沖、防滲等作用。2．形式常用的底板有平底板和鉆孔灌注樁底板。在特定的條件下，也可采用低堰底板、箱式底板、斜底板、反拱底板等。平底板按底板與閘墩的聯(lián)結(jié)方式，有整體式和分離式兩種。（1）整體式底板閘墩與底板澆筑成整體即為整體式底板。其順流向長(zhǎng)度可根據(jù)閘身穩(wěn)定和地基應(yīng)力分布較均勻等條件來(lái)確定，同時(shí)應(yīng)滿足上層結(jié)構(gòu)布置的需要。水頭愈大，地基愈差，底板應(yīng)愈長(zhǎng)。初擬底板長(zhǎng)度時(shí)，對(duì)于砂礫石、砂壤土地基可?。?.0~2.5）H，對(duì)于粘壤土地基可?。?.0~3.0）H，對(duì)于粘土地基可取（2.58~3.5）H，H為上下游最大水頭差。底板厚度必須滿足強(qiáng)度和剛度的要求。大中型水閘可取閘孔凈寬的1/5~1/8，一般為1~2m，最薄不小于0.6m，底板內(nèi)配置鋼筋。底板混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)滿足強(qiáng)度，抗?jié)B及防沖要求，一般選用C15或C20。（2）分離式底板在閘室底板兩側(cè)分縫，使底板與閘墩分離，成為分離式底板，一般適用于孔徑大于8m和密實(shí)的地基或巖基。中間底板僅有防沖、防滲的要求，其厚度按自身抗滑穩(wěn)定確定。一般用混凝土或漿砌石建成，必要時(shí)加少量鋼筋。綜上所述，由于在平原地區(qū)軟基上建水閘，采用整體式平底板，沉陷縫設(shè)在閘墩中間。3．底板長(zhǎng)度根據(jù)前面設(shè)計(jì)已知閘底板長(zhǎng)度為20m。4．垂直水流方向布置為了滿足閘門的順利提升及滿足地基不均勻沉陷的要求，垂直水流方向一般要進(jìn)行分段。5底板厚度考慮強(qiáng)度、剛度的要求，一般厚度為1.5~2.0m，并另外設(shè)置齒墻，取厚度為1.5m。二、閘墩的設(shè)計(jì)1．作用分離閘孔并支撐閘門，工作橋等上部結(jié)構(gòu)，使水流順利地通過(guò)閘室。2．長(zhǎng)度的確定應(yīng)能滿足過(guò)閘水流平順，側(cè)向收縮小，過(guò)流能力大的要求。上游墩頭采用半圓形，下游墩頭采用流線型。其長(zhǎng)度為20m。3．厚度的確定應(yīng)根據(jù)閘孔孔徑、受力條件、結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求和施工方法確定。中墩1.2m，縫墩1.6m，邊墩1.0m。平面閘門的門槽尺寸應(yīng)根據(jù)閘門的尺寸確定，檢修門槽深0.20m，，寬0.20m，主門槽深0.3m，寬0.8m。檢修門槽于工作橋之間留3.5m的凈距，以便于工作人員檢修。4．閘墩高度的確定閘墩上游部分的頂面高程應(yīng)滿足以下兩個(gè)要求：①水閘擋水時(shí)，不應(yīng)低于水閘的正常蓄水位（或遭遇地震）加波浪計(jì)算高度與相應(yīng)安全超高之和。②泄洪時(shí)，不應(yīng)低于設(shè)計(jì)（或校核）洪水位加相應(yīng)的安全超高。各種運(yùn)用情況下水閘的安全超高下限值《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定如下：表4—1水閘安全超高下限值（m）運(yùn)用情況水閘級(jí)別1234、5擋水時(shí)正常蓄水位0.70.50.40.3遭遇地震0.50.40.30.2泄洪時(shí)設(shè)計(jì)洪水位1.51.00.70.5校核洪水位1.00.70.50.4采用以下三種方法計(jì)算，取較大值。H墩=校核洪水位時(shí)水深+安全超高=11.98+0.5=12.48（m）H墩=設(shè)計(jì)洪水位時(shí)水深+安全超高=10.77+0.7=11.47（m）H墩=正常擋水位時(shí)水深+Δh=9.50+0.595+0.4≈10.50（m）式中，Δh為波浪高度，其計(jì)算查《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》。Δh=hl+hz+hc式中，h1——波浪爬高，m；hz——波浪中心線超過(guò)靜水位的高度，m；hc——安全超高，m。查規(guī)范hc=0.4，三級(jí)建筑物。采用三種方法取最大值，計(jì)算墩高最大值為12.48m，另根據(jù)規(guī)范《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，有防洪任務(wù)的攔河閘閘墩高程不應(yīng)低于兩岸堤頂高程。兩岸堤頂高程41m，經(jīng)比較后取閘墩高度為12.5m。閘墩尺寸詳圖如下：圖4—1縫墩尺寸詳圖（單位：cm）閘門與啟閉機(jī)閘門按其工作性質(zhì)的不同，可分為工作閘門，事故閘門和檢修閘門等。工作閘門又稱主閘門，是水工建筑物正常運(yùn)行情況下使用的閘門。事故閘門是在水工建筑物或機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)事故時(shí)，在動(dòng)水中快速關(guān)閉孔口的閘門，又稱快速閘門。事故排除后充水平壓，在靜水中開啟。檢修閘門用以臨時(shí)擋水，一般在靜水中啟閉。一般水閘多采用工作閘門和檢修閘門。一、工作閘門（一）作用又稱主閘門，時(shí)水工建筑物正常運(yùn)行情況下使用的閘門。用以抬高水位，泄洪時(shí)開啟，控制流量。（二）類型1．按構(gòu)造形式分類可分為平面閘門、弧形閘門等?；⌒伍l門與平面閘門比較，其主要優(yōu)點(diǎn)是啟閉力小，可以封閉大面積的孔口；無(wú)影響水流態(tài)的門槽，閘墩厚度較薄，機(jī)架橋的高度較低，埋件少。它的缺點(diǎn)是需要的閘墩較長(zhǎng)；不能提出孔口以外進(jìn)行檢修維護(hù)，也不能在孔口之間互換；總水壓力集中于支鉸處，閘墩受力復(fù)雜。2．按制作材料分可分為鋼閘門，混凝土閘門或鋼絲網(wǎng)水泥閘門，木閘門及鑄鐵閘門等。鋼閘門門體輕，一般用于大、中型水閘，混凝土或鋼絲網(wǎng)水泥閘門可以節(jié)省鋼材，不需要除銹。鑄鐵閘門抗銹蝕、耐磨性較好，止水效果也好，但由于材料抗彎強(qiáng)度低，性能又脆，僅在低水頭小孔徑水閘中使用。木閘門耐久性差，已日趨不用。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)采用平面鋼閘門。（三）閘門的基本尺寸根據(jù)閘門的類型及工作性質(zhì)不同，高度的確定有所區(qū)別，對(duì)于攔河閘可用：閘門頂高程=正常擋水位+安全超高=39.5+0.4=39.9（m）閘門高度=閘門頂高程－閘底板高程=39.9－30.0=9.9（m）工作閘門基本尺寸取為高10m，寬度取8m。采用平面鋼閘門，雙吊點(diǎn)，滾輪支承。（四）閘門的重量根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》，平面直升鋼閘門結(jié)構(gòu)活動(dòng)部分重量公式：G=0.012k支k材H1.65B1.85（4—5）式中G——閘門結(jié)構(gòu)活動(dòng)部分重量，t；k支——閘門的支承結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，對(duì)于滑動(dòng)式支承取0.8，對(duì)于滾輪式支承取1.0，對(duì)于臺(tái)車式支承取1.3；k材——閘門材料系數(shù)，普通碳素結(jié)構(gòu)鋼制成的閘門為1.0，低合金結(jié)構(gòu)制成的閘門取0.8；H——孔口高度，取10m；B——孔口寬度，取8m。G=0.012×1.0×0.8×101.65×81.85=20.09（t）考慮其他因素取閘門自重為200kN。二、檢修閘門作用用以臨時(shí)擋水，檢修工作閘門時(shí)用。多采用疊梁式。平時(shí)不用時(shí)放置一旁。閘門槽深為20cm，寬為20cm，閘門形式如圖4—2。圖4—2疊梁式檢修閘門三、啟閉機(jī)的選擇1．啟閉機(jī)的類型啟閉機(jī)可分為固定式和移動(dòng)式兩種，常用固定式啟閉機(jī)有卷?yè)P(yáng)式，螺桿式和油壓式。卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)啟閉能力較大，操作靈活，啟閉速度快，但造價(jià)高。螺桿式啟閉機(jī)簡(jiǎn)便、廉價(jià)，適用于小型工程、水壓力較大、門重不足情況等。油壓式啟閉機(jī)是利用油泵產(chǎn)生的液壓傳動(dòng)，可用較小的動(dòng)力獲得較大的啟閉力，但造價(jià)高。在有防洪要求的水閘重，一般要求啟閉了迅速可靠，能夠多孔同步開啟，這里采用卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，一門一機(jī)。2．閉門力的計(jì)算根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的近似公式（4—6）、式（4—7）計(jì)算：FQ=（0.10~0.12）P+1.2G（4—6）式中P——平面閘門的總水壓力，kN，P=γh2b/2（4—7）P=γh2b/2=9.81×9.52×8/2=3541（kN）得FQ=0.1×3541+1.2×200=594.1（kN）3．閉門力的計(jì)算根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的近似公式（4—8）計(jì)算：Fw=（0.1~0.12）P－1.2G（4—8）可求得FW==0.10×3541-1.2×200=114.1（kN）由于閘門關(guān)閉擋水時(shí)，水壓力P值最大。此時(shí)閘門前水位為9.5m，本設(shè)計(jì)的水閘為中型水閘，系數(shù)采用0.10。經(jīng)計(jì)算FQ=594.1kN，F(xiàn)W=114.1kN。查《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選用電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)型號(hào)QPQ—2×63。上部結(jié)構(gòu)一、工作橋工作橋是供設(shè)置啟閉機(jī)和管理人員操作時(shí)使用。其高度應(yīng)保證閘門開啟后不影響泄放最大流量，并考慮閘門的安裝及檢修吊出需要。工作橋應(yīng)盡量靠近上游側(cè)，為了安裝、啟閉和檢修方便，應(yīng)設(shè)置在工作閘門的正上方。其機(jī)座尺寸可根據(jù)啟閉機(jī)型號(hào)來(lái)確定。1．工作橋的總寬度：工作橋的總寬度=基坐寬度+兩倍操作寬度+兩倍墻厚+兩倍富余寬度；如外設(shè)陽(yáng)臺(tái)，應(yīng)加上相應(yīng)的寬度。該工程由啟閉機(jī)型號(hào)確定機(jī)座寬度為2m，啟閉機(jī)旁過(guò)道設(shè)為1m，啟閉機(jī)房用24cm厚磚砌墻，外設(shè)66cm過(guò)道和10cm富余寬度。因此，工作橋的總寬度為6m。2．工作橋的高程工作橋設(shè)置在排架上，確定排架的高度即可求得工作橋的高程。排架高度=閘門高+安全超高+吊耳高度=10+0.5+0.5=11（m）工作橋高程=閘墩高程+排架高度+T型梁高=42.6+11+1=54.6（m）工作橋的細(xì)部構(gòu)造見圖4—2。圖4—2工作橋細(xì)部構(gòu)造圖（單位：cm）二、檢修橋檢修橋的作用為放置檢修閘門，觀測(cè)上游水流情況，設(shè)置在閘墩的上游端。采用預(yù)制T形梁和活蓋板形式。尺寸如圖4—3所示。圖4—3檢修橋細(xì)部構(gòu)造（單位：cm）三、公路橋（交通橋）交通橋的作用是連接兩岸交通，供車輛和人通行。交通橋的形式常采用預(yù)制空心板式、預(yù)制T形梁式，預(yù)制工字梁式、現(xiàn)澆整體板式等。本工程采用梁板式結(jié)構(gòu)。位置應(yīng)根據(jù)閘室穩(wěn)定及兩岸連接等條件確定，本工程布置在閘室下游側(cè)。僅供人蓄通行用的橋，其寬度不小于3m；行駛汽車的交通橋，應(yīng)按交通部門制定的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般公路單車道凈寬為4.5m，雙車道為7~9m。本次設(shè)計(jì)采用雙車道8m寬，并在兩側(cè)設(shè)有人行道安全帶為75cm，具體尺寸見圖4—4。圖4—4交通橋細(xì)部構(gòu)造圖（單位：cm）閘室的分縫于止水水閘沿軸線每隔一定距離設(shè)置沉陷縫，兼有溫度縫，以免閘室因不均勻沉陷及溫度變化產(chǎn)生裂縫?？p距一般為15~30m，縫寬為2~2.5cm。整體式低板閘室沉陷縫，一般設(shè)在閘墩中間，一孔、兩孔或三孔一聯(lián)為獨(dú)立單元，其優(yōu)點(diǎn)是保證在不均勻沉降時(shí)閘孔不變形，閘門仍然正常工作。凡是有防滲要求的縫，都應(yīng)設(shè)止水設(shè)備。止水分鉛直和水平兩種，前者設(shè)在閘墩中間，邊墩及翼墻間以及上游翼墻本身；后者設(shè)在鋪蓋、消力池與低板，和混凝土鋪蓋、消力池本身的溫度沉降縫內(nèi)。本次設(shè)計(jì)縫墩寬1.6m，縫寬為2cm，取中間三孔為一聯(lián)，兩邊各為兩孔一聯(lián)。第五章閘室穩(wěn)定計(jì)算及地基應(yīng)力計(jì)算第一節(jié)設(shè)計(jì)情況及相應(yīng)荷載組合一、設(shè)計(jì)情況選擇根據(jù)水閘運(yùn)用過(guò)程中可能出現(xiàn)的所有情況進(jìn)行分析，尋找最不利的情況進(jìn)行閘室穩(wěn)定及地基承載力驗(yàn)算。1．完建無(wú)水期完建無(wú)水期是水閘建好尚未投入使用之前，豎向荷載最大，容易發(fā)生沉陷或不均勻沉陷，這是驗(yàn)算地基承載力的設(shè)計(jì)情況。2．正常擋水期正常擋水期時(shí)下游無(wú)水，上游為正常擋水位，上下游水頭差最大，閘室承受較大的水平推力，且閘底板下?lián)P壓力最大，最容易發(fā)生閘室滑動(dòng)失穩(wěn)破壞，是驗(yàn)算閘室抗滑穩(wěn)定性設(shè)計(jì)情況。泄洪期工作閘門全開，水位差較小，對(duì)水閘無(wú)大的傷害。本設(shè)計(jì)地震烈度為6度不考慮地震情況。二、荷載組合完建無(wú)水期和正常擋水期均為基本荷載組合。取中間三孔一聯(lián)為單元進(jìn)行計(jì)算，需計(jì)算的荷載見下表5—1。表5—1荷載組合荷載組合計(jì)算情況荷載自重靜水壓力揚(yáng)壓力泥沙壓力地震力浪壓力基本組合完建無(wú)水期√—————正常擋水期√√√———第二節(jié)完建無(wú)水期荷載計(jì)算及地基應(yīng)力計(jì)算一、荷載計(jì)算1．計(jì)算單元荷載計(jì)算主要是閘室及上部結(jié)構(gòu)自重。在計(jì)算中以三孔一聯(lián)為單元，省略一些細(xì)部構(gòu)件重量，如欄桿等。2．荷載及力矩列表力矩為對(duì)閘底板上游端點(diǎn)所取。荷載分布如圖5—1示。其中鋼筋混凝土重度采用25kN/m3；混凝土重度采用23kN/m3；水重度采用10kN/m3；磚石重度采用19kN/m3。荷載計(jì)算見表5—2。圖5—1完建期荷載分布圖表5—2完建無(wú)水期荷載計(jì)算荷載自重（kN）力臂（m）力矩－↘↙＋閘底板23100.0010.0231000.00－中墩13406.1510.0134061.50－縫墩8951.9210.089519.20－工作橋1470.008.612642.00－交通橋1757.0016.028112.00－檢修橋840.004.63846.00－啟閉機(jī)364.938.63138.40－啟閉機(jī)房1450.008.612470.00－排架1004.758.68640.85―閘門600.008.65160.00－合計(jì)52944.75－528589.95－二、地基應(yīng)力計(jì)算《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中地基承載力計(jì)算公式為：=（5—1）式中__完建無(wú)水期基底壓力的最大值和最小值，kpa；e——偏心距，e=，m；∑G——作用在閘室上的全部豎向荷載，kN；∑M——作用在閘室上的豎向和水平荷載對(duì)閘底板底不上游角點(diǎn)處的力矩和，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù)，kN·m；A——閘室基礎(chǔ)底面的面積，m2；W——閘室基礎(chǔ)底面對(duì)于底面垂直水流方向的形心軸的載面矩，m3。地基承載力不均勻性驗(yàn)算公式（5—2），判斷是否滿足要求。η=Pmax/Pmin≤〔η〕（5—2）由表5—2計(jì)算結(jié)果，用公式（5—1）、式（5—2）進(jìn)行地基承載力驗(yàn)算：偏心距e=B/2－∑M/∑G=20/2－528589.95/52944.75=0.016（m）（kpa）地基承載力平均值：==94.55（kpa）=200（kpa）地基不均勻系數(shù)：=1.01=2.0由上述結(jié)果可知，完建無(wú)水期的地基承載力能夠滿足要求，地基不會(huì)發(fā)生不均勻沉陷。第三節(jié)正常擋水期荷載計(jì)算及地基應(yīng)力計(jì)算一、荷載計(jì)算正常擋水期荷載除閘室自重外，還有水壓力、水重，閘底板所受揚(yáng)壓力由滲流計(jì)算中可得。由于浪壓力小于靜水壓力的5%，忽略不計(jì)。其荷載分布如圖5—2所示。計(jì)算結(jié)果見表5—3。表5—3正常擋水期荷載計(jì)算荷載名稱垂直力（kN）水平力（kN）力臂（m）力矩（kN·m）↓↑→←–↘↙+閘室自重52944.75－－－－528589.95－上游水壓力P1－－13190.13－4.4758959.88－P2－－4761.85－0.19904.75－浮托力－9064.44－－10.00－90644.40滲透壓力－10928.14－－7.76－84802.37水重18340.78－－－4.1075197.20－合計(jì)71285.5319992.5817951.980－663651.78175446.751292.95↓17951.98→－－488205.01圖5—2正常擋水期荷載分布圖二、基承載力驗(yàn)算根據(jù)表5—3計(jì)算結(jié)果，采用式（5—1）、式（5—2）進(jìn)行地基應(yīng)力驗(yàn)算。偏心距：e=20/2－488205.01/51292.95=0.48（m）地基應(yīng)力：=（kpa）地基承載力平均值：=（104.78+78.40）/2=91.59（kpa）地基不均勻系數(shù)：η=104.78/78.40=1.34〈[η]=2.0三、閘室抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算根據(jù)設(shè)計(jì)的閘室底板及閘基是否有軟弱夾層來(lái)確定滑動(dòng)面，如果是淺齒墻，則沿閘底板與地基的接觸面滑動(dòng)。采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式（5—3）計(jì)算，若為深齒墻，則沿上下游齒墻的邊線滑動(dòng)公，按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中式（5—4）計(jì)算：K=≥〔K〕（5—3）K=≥〔K〕（5—4）式中f——閘室與地基的摩擦系數(shù)；∑G——作用在閘室上的全部豎向荷載，kN；∑P——作用在閘室上的全部水平荷載，kN；——閘室基礎(chǔ)底面與土質(zhì)地基之間的摩擦角，（0）；A——閘室基礎(chǔ)底面與土質(zhì)地基之間的接觸面積，m2；C0——閘室基礎(chǔ)底面與土質(zhì)地基之間的黏結(jié)力，kpa；［K］——允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。由于該工程閘底板上下游設(shè)置的齒墻深度為1.0m，按淺齒墻考慮，閘基下沒有軟弱夾層。滑動(dòng)面沿閘底板與地基的接觸面，采用式（5—3）計(jì)算。其中的閘底板與地基之間的摩擦系數(shù)，根據(jù)閘址處地層分布可知為重粉質(zhì)壤土和細(xì)沙，查《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》得閘室地基底面與地基之間的摩擦系數(shù)為0.45，允許得抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，根據(jù)本工程主要建筑物為3級(jí)，查表得1.2。K===1.29〉〔K〕=1.20經(jīng)計(jì)算得閘室抗滑穩(wěn)定滿足要求。四、深層抗滑穩(wěn)定分析對(duì)于土基上的水閘由于基底壓力較小，一般很少發(fā)生深層滑動(dòng)，但深層軟土地基在施工期或檢修期，應(yīng)考慮深層滑動(dòng)可能性，計(jì)算方法一般采用圓弧滑動(dòng)法，此處不再計(jì)算。閘室結(jié)構(gòu)的計(jì)算閘室為一受力比較復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。一般都降它分解為若干部件（如閘墩、底板、胸墻、工作橋、交通橋等）分別進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)又考慮相互之間的連接作用。通過(guò)對(duì)各個(gè)部件的內(nèi)力的計(jì)算，從而進(jìn)行配筋及裂縫驗(yàn)算。水閘閘室在順?biāo)鞣较蚴芰苄?，不用配受力筋就可滿足要求，而垂直水流方向受力很大，應(yīng)配置受力筋。因此，在垂直水流方向取單寬板條（截板為梁）作為梁計(jì)算，以其結(jié)果配置受力筋，而順?biāo)鞣较蛑慌渲脴?gòu)造筋。整體平底板的平面尺寸遠(yuǎn)較厚度為大，可視為地基上的受力復(fù)雜的一塊板。目前工程實(shí)際仍用近似簡(jiǎn)化計(jì)算方法進(jìn)行強(qiáng)度分析。一般認(rèn)為閘墩剛度較大，底板順?biāo)鞣较驈澢冃芜h(yuǎn)較垂直水流方向小，假定順?biāo)鞣较虻鼗戳Τ芍本€分布，故在垂直水流方向截取單寬板條進(jìn)行計(jì)算。在此以閘底板的結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行介紹。一、計(jì)算方法選擇底板是空間結(jié)構(gòu)，受力情況很復(fù)雜，通常分析底板應(yīng)力的方法都是將閘室簡(jiǎn)化為平面問題來(lái)處理。常用的方法有以下幾種。1．截面法此法假定在垂直于水流方向底板下的地基反力均勻分布。先求出底板在順?biāo)鞣较虻牡鼗戳Ψ植记闆r，然后在閘門槽的上、下游垂直于水流方向各截取單位寬度的板條進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。它的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，適用于中小型水閘，尤其是地基較好的水閘。缺點(diǎn)是未考慮底板和地基的變形。2．倒置梁法該法將單寬板帶看作支撐在閘墩上的倒置梁，假定垂直于水流方向的地基反力均勻分布，由閘墩承受全部不平衡剪力。它的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便，單只適用于小型水閘。3．彈性地基梁法彈性地基梁法的基本假定是：①地基反力在順?biāo)鞣较虺手本€分布；②對(duì)土層較薄的地基，單位面積上所受的壓力和沉陷成比例；③地基為半無(wú)限的連續(xù)彈性體。該法假定底板和地基都是彈性體，底板下的地基反力是未知量，計(jì)算比較復(fù)雜。但該法在計(jì)算中考慮了底板變形和地基沉陷的一致性，又計(jì)入了邊菏載的影響，與實(shí)際情況相符，比較合理，適用于較大和較重要的水閘設(shè)計(jì)。按照不同的地基情況采用不同的底板應(yīng)力計(jì)算方法。相對(duì)緊密度Dr＞0.5的砂土地基或黏土地基，可采用彈性地基梁法。相對(duì)緊密度Dr≤0.5的砂土地基，因地基松軟，底板剛度相對(duì)較大，變形容易得到調(diào)整，可采用地基反力沿水流流向呈直線分布，垂直水流流向?yàn)榫鶆蚍植嫉姆戳χ本€分布法。對(duì)小型水閘，則長(zhǎng)采用倒置梁法。該水閘地基為相對(duì)緊密度Dr＞0.5的砂性地基，因此采用彈性地基梁法進(jìn)行計(jì)算較符合。二、計(jì)算情況選擇1．完建無(wú)水期完建無(wú)水期時(shí)的水閘不受上、下游水壓力和揚(yáng)壓力的影響，只受自身重力和地基反力的影響，但自重較大，是計(jì)算情況之一。2．正常擋水期正常擋水期時(shí)的水閘既受上下游水壓力和揚(yáng)壓力的影響，又受自身重力和地基反力的影響，且上下游水位差