龙河闸设计说明书.doc

龙河闸设计说明书

水工0016班 臧德善
2023-4-29
第一章：工程概况
§1—1资料分析
一、建龙河节制闸的意义
龙河节制闸位于江苏省龙河入米湖的入口处，为米湖控制线的配套工程之一，重要作用是龙河流域降暴雨时，圩区洪水抽排至龙河经该闸排入米湖；当米湖汛期水位高时，启动该闸使米湖一部分洪水经龙河入江起分洪作用；灌溉时节，关闸蓄水用龙河水灌溉农田，假如龙河水位低于米湖水位则开闸引入湖水灌溉。所以，该闸具有分洪、排涝、灌溉的作用。
二、地形、地质、气象资料
龙河的断面尺寸为底宽25米、河底高程-0.5米，边坡1:2.5,堤顶高程5.0米。
米湖堤顶高程为7.0米，最高蓄洪水位5.5米时吹程1.5Km，风速V=24m/s，平均水深7米，水域宽阔。
土壤内磨擦角Φ=11゜，粘聚力C≈29KN/m2。
三、设计标准
该闸为3级水工建筑物，闸上公路桥为汽—10级标准车。
最大挡水位：米湖5.5米，龙河3.8米，此时相应分洪流量90m3/s。
反向挡水水位：米湖2.17，龙河南3.0。
排涝水位：米湖2.74，龙河南2.85米，相应排涝流量84 m3/s。
回填土设计干密度Rd=15N/m3，控制含水量W=25%。
四、其它资料
设计另建一座6米宽船闸用于通航与该闸配合使用。
规划二期将龙河河底高程降至-1.0米，以利降底龙河流域田间地下水位，同时便利通航。
五、资料分析
根据地形、地质条件，该闸址选在龙河与米湖的入口处，与龙河正交，基础不需要解决，但设计闸底板时应考虑二期将龙河河底高程降至-1.0米的因素。该闸运用为双向挡水，在闸门和上下游消能设计时要考虑。该闸施工时，在闸址上下游填筑土坝围堰，排干积水后即可进行基础施工。
§1—2 工程概况
该闸采用铪开敞式结构，共3孔，每孔净宽5米。闸室部分长11.3米，底板高程为-0.5米，为铪整体结构，平底宽顶堰型式，厚1米（两边齿槽深0.8米），中墩及边墩厚均为1米，为方便交通，闸室下游（龙河侧）设4米宽交通桥。上游连接段长10米，用砼挡土墙从闸连到米湖堤坝后，米湖两侧用浆砌块石护坡。下游连接段消力池部分长19米，铪底板厚0.5米，池深0.8米；护坦长25.2米，其中砼护坦长4.3米，干砌石护坦20.9米。下游闸室两边用砼挡土墙与龙河堤坝连接后，龙河两岸堤用浆砌石护面。闸门采用平板钢闸门，为减小闸门高度，上游采用铪胸墙，胸墙高4米，钢闸门高3.5米。启闭机工作桥采用铪排架T型梁结构，桥面高程12.1米，桥上建机房。

第二章：水闸的水力计算
§2-1孔口设计计算
由于该闸即要渲泄米湖洪水，又要排除龙河流域的内涝，所以拟规划为平底宽顶堰型式。
计算条件：
以排涝流量设计孔径，以泄洪流量校核孔径。
一、 闸孔净宽的拟定
（一） 设计状况（排涝）
设计龙河水位为2.85m，米湖水位为2.74m。水深H为3.35m。
（1）流态的判别：
hs=3.24 H=3.35 hs/H=3.24/3.35=0.97>0.85
故出口水流为淹没流,查水闸设计规范（SD133-84）得淹没系数为0.50。
（2）侧收缩系数（ε）的拟定
边墩及中墩拟采用园弧型墩头，边墩计算厚度采用bb=13.60m，中墩厚度采用1.0m。P/H=0.5/3.35=0.15
中孔b0/bs=5/6=0.833
查得εz=0.978
边也b0/bs=5/13.60=0.368
查得εb=0.933
为了控制运用的方便，初步拟定闸孔数为3孔，
因此侧收缩系数
ε=(εz(N-1)+ εb)/N=0.963
（3）流量系数：
由P/H=0.5/3.35=0.15查规范(SD133-84)得流量系数m=0.434
因此闸孔总净宽
B0=Q/σεm(2g)1/2H03/2=84/(0.5×0.963×0.434×(19.6)1/2×3.353/2)=14.8m
取净宽B0=15m，故采用3孔，每孔净宽5.0m。
（二） 校核状况（泄洪）
米湖水位为5.50m，龙河水位为3.80m，
闸门全开时水流型式判断：
3．5/6=0.58＜0.65
故属于孔流。
过流量计算：
根据规范（SD133-84）可知：
Q=B0σ’μhe(2gH0)1/2
B0=15m
he/H=0.58
r/he=0.3/3.5=0.09
查表知流量系数：
μ=0.555
收缩断面水深hc可按下式试算:
hc3-T0hc2+αq2/(2gψ2)=0
hc——收缩断面水深（m）
T0——总势能（m），等于7.1m
αc—水流动能校正系数，取1.00
q——单宽流量（m3/s.m），等于6 m3/s.m
ψ——流速系数，采用0.95
经试算得hc=0.57m
其共厄水深hc”=3.36m
(he- hc”)/(H- hc”)=(3.5-3.36)/(6-3.36)=0.05
查表得孔流淹没系数σ’=0.99
上游作用水头H0=6.0m
因此校核过流能力Q=15×0.99×0.555×3×(19.6×6)1/2=268.1m3/s
满足泄洪过流规定。
§2-2 消能防冲计算
一、设计资料
根据任务书，分洪消能水位：米湖5.5m，龙河3.8m，泄洪流量90m3/s。
二、消能方式的选择
根据地质、水力、施工条件，拟采用底流式消能方式。
三、消力池设计
（1） 消力池深度及长度计算
根据规范（SD133-84）可知，
hc3-T0hc2+αq2/(2gψ2)=0（hc为收缩断面水深，T0为总作用水头，q为过闸单宽流量，α为水流动能校正系数，采用1.0,
ψ为流速系数,（取0.95)
通过试算得收缩断面水深为0.48m
跃后水深：
hc”=hc/2((1+8α× q3/(ghc3))1/2-1)=2.17m
水跃长度的计算：
根据规范（SD133-84）可知，水跃长度Lj=6.9(hc”-hc’)
=11.63m,
消力池长度计算:
消力池长度Lsj=Ls+βLj(Ls为消力池斜坡段投影长度这里Ls=3m, β为水跃长度校正系数,可采用0.75)
所以Lsj=11.72m，所以取消力池长度为13.0m.
（2） 消力池底板厚根据度
根据规范（SD133-84）之规定：消力池底板厚度t =k1(q(△H)1/2)1/2(k1计算系数，取0.2；△H泄水时的上、下游水位差，取1.7m；t为消力池底板厚度)
经计算得t=0.43m
因0.43小于0.5m，故取0.5m厚。
四、海漫设计
海漫长度计算：Lp=ks(q’(△H)1/2)1/2(Lp为海漫长度；q’为消力池末端单宽流量；ks为海漫长度计算系数，取9；)
消力池末端单宽流量q’=90/25=3.6m3/s.m。
经计算得海漫长度Lp=21.5m。故取22m。
海漫分两段：前段长4.3m，材料采用0.3m厚C20砼，下铺0.6m反滤层；后部分采用0.3m厚浆砌块石。
五、防冲槽设计
海漫末端河床冲刷深度计算：d’=1.1×q”/v0-hs”(d’河床冲刷深度；q”为海漫末端单宽流量，q”=90/25=3.6m3/s.m；
v0为河床土质的不冲流速，取0.7/s；hs”为海漫末端河床水深，hs”=4.8m）
经计算得海漫末端河床冲刷深度d’=0.86m。
故防冲槽的深度为0.9m。
防冲槽采用干抛块石，长3m。

§2-3 闸门控制运用方式
该闸共有3孔，为了在开、关闸门时有助于闸室稳定和下游防冲，在运用时应先开中孔，再分别开两边孔。

第三章 水闸防渗排水设计

§3-1概述
根据水闸规范，水闸的防渗排水设计内容涉及：
1． 地下轮廓线的拟定
2． 闸下渗透压力的计算
3． 闸渗流抗渗稳定性验算
4． 反滤设计
5． 选定水闸垂直和水平缝的止水设施构
6． 基本资料
水位：正向挡水：米湖5.5m 龙河3.0m
反向挡水: 米湖2.17m 龙河3.0m
§3-2 地下轮廓线拟定
一、初拟地下轮廓线
初步选定工作桥宽3.5m，交通桥宽5.0m，检修桥宽0.4m，闸墩墩头各1.1m，底板厚1.0m，两头齿槽深0.8m。这样，闸室地下轮廓线长L实=3.5+5+0.4+1.1×2+0.2+1+0.8×2
=13.9 m
二、 地下轮廓线校核
闸基防渗长度的计算：
L=c.△H（L为拟定渗径长度，c为渗径系数，△H为上、下游水位差）
由于闸基为壤土，所以c值根据规范(SD133-84)采用4
所以L需=4×2.5=10.0m。
L需＜L实，满足规定。
§3-3 水闸的渗透计算
地基渗流计算采用改善阻力系数法进行计算。
1、地基有效深度的计算：
根据规范（SD133-84）之公式：
L0=30.3m
S0=2.2m
L0/SO=9.2>5,故Te=0.5L0=15.15m
2、 各段阻力系数的计算
（1）、进出口段的阻力系数的计算按下式进行计算：
ξ0=1.5×(S/T)3/2+0.441
T——透水地基深度
按有效深度计算：
T=0.5L0或T=1.5S0，两者取其大者
故取15.15m
S——板桩或齿墙的入土深度（m）
S=1.6m
因此ξ0=0.492
(2)、内部底坎段的阻力系数
ξy=2/π×lnctg（π/4）×（1-S/T）=1.327
ξy——内部垂直段的阻力系数
S——板桩或齿墙入土深度（m）
T——地基透水层深度(m)
ξx =(L-0.7(S1+S2))/T
=(30.3-0.7*(1.6+1.7))/15.15=1.846
ξx——水平段的阻力系数
L——板桩或齿墙间包外水平距离（m）
S1、S2——进、出口段板桩或齿墙的入土深度（m）
(3)、各分段水头损失计算
hn=ξn*△H/∑ξi
hn ——第n段的渗透水头损失(m)
ξn——第n段的阻力系数
△H——上下游水位差(m)，△H=2.5m
∑ξi——所有阻力系数之和
进口段水头损失为：
h1=2.5*0.492/4.157=0.3m
内部垂直段水头损失为：
h2=2.5*1.327/4.157=0.79m
内部水平段水头损失为：
h3=2.5*1.846/4.157=1.12m
出口段水头损失为：
h4=2.5*0.492/4.157=0.3m
4、进出口段水头修正
根据规范（SD133-84）之规定：
h0’=β’h0
h0’——修正后水头损失值(m)
β’——修正系数，按下式计算
β’=1.21-1/(12(T’/T)+2)( S’/T+0.059)
S’——底板埋深与板桩入土深度之和（m）, S’=1.2m
T’——板桩另一侧地基透水层深度(m)
T’=13.95m
β’=1.13>1.0，故取1.0
修正后进出口水头损失值仍为0.3m。
因此绘制渗透压力水头线如下图

5、出口段渗流坡降的计算：
J=h0’/s’
h0’= h0=0.3m
s’=1.7m
J=0.18
小于规范（SD133-84）所规定的允许出口段坡降值0.5～0.6,故出口段不会发生渗流破坏。
§3-4 排水设施及止水
一、排水设施
紧接消力池后的前段护坦采用砼结构，护坦上设排水孔，护坦下铺反滤料。反滤料共分三层，每层厚0.2m，从下向上依次为细砂层、粗砂层和碎石层。
二、止水设施
闸室与上下游连接段必须设沉降缝，在闸基防渗范围内的分缝需布置止水。止水材料采用W型橡皮，布置详见施工图。
第四章：水闸的闸室布置及稳定计算

§4-1 闸室的结构布置
闸室分为下部结构（闸底板等）、中部结构（闸墩、胸墙、闸门）和上部结构（工作桥及其排架、公路桥、检修便桥等）。现将各部分布置要点叙述如下：
一、下部结构—底板
1． 底板的功用：是闸室的基础，承担闸室的所有荷载，并较均匀地传递给地基。
2． 底板的型式：整体式平底板，钢筋混凝土结构。
3． 基本尺寸：长11.3m，宽18m，厚1m，两头齿槽深0.8m。
4． 构造：闸底板与上下游护坦连接处设沉降缝，缝宽2~2.5cm，内设橡皮止水带
二、中部结构
1、 闸墩
（1） 闸墩的功用：分隔闸孔并支承闸门、工作桥及交通桥等上部结构。
（2） 型式：考虑水力、施工、运用等条件，采用整体式混凝土结构，上游墩头用半园形，下游墩头用三角形。
（3） 尺寸
I、闸墩的长度应满足上部结构布置的需要与底板长度相同，采用11.3m。
II、主门槽与检修门槽的尺寸、间距，按图布置，主门槽宽0.5m，检修门槽宽0.4m
III、闸墩顶高程，上下游闸墩顶高程都应高于相应的上下游最高水位，并有一定的安全超高（根据水闸规范2、3级建筑物，泄洪时的安全超高应>0.5m）。由设计任务书知米湖大堤，堤顶高程为7.0m，故上游闸墩高程为7.0m，下游闸墩顶高程采用6.5m（扣除铰接板厚0.5m）
2、 边墩：
边墩的材料、墩顶高程和长度与闸（中）墩相同，具体型式、尺寸如下图所示，边墩与上下游翼墙之间应设温度沉陷缝，并布置垂直止水。
3、 胸墙：
由前水力计算在闸门上游侧（米湖一侧）布置有胸墙，胸墙底高程以不影响泄流为原则，根据水位资料及胸墙构造，底高程采用3.0m，胸墙顶高程应与上下游侧闸墩顶相平，采用7.0m，故胸墙高度为7-3=4.0m,胸墙的型式和尺寸，见图。
胸墙采用简支结构，其长度为5m，为使水流平顺地进入闸孔，胸墙底部迎水面直做成圆弧形。
4、 主门启闭机选择：
（1） 闸门：
由水力计算，拟采用潜孔式平面钢闸门，孔净宽B=5.0m，闸门宽度b=5+ 0.25×2=5.5m。顶高程=下游水位+安全超高=3.0+0.5=3.5m，故闸门高度为3.5+0.5=4.0m
闸门尺寸宽×高为5.5m×4m，（根据钢闸门设计规范）
闸门重量估算：根据钢闸门设计规范，对于潜孔式平面滚轮闸门自重。
G=K1×K2×K3×0.073A
式中: A—孔口面积(M)
K1—闸门工作性质系数，对工作闸门K1=10
K2—孔口高度比修正系数当H/B<1时，K2=1.1
K3—水头修正系数，当设计上游水深<6.0M时，K3=1.0
G=10 ×1.1×1×0.073×2.2=1.8T
(2) 启闭机选型
I、水压力计算
采用设计水位：上游米湖水位M，下游龙河水位为3.0M，计算简图如下：

5.5

3

55 30

P=1/2（55×5.5）×5-1/2（30×3）×5=532.25 (KN)

Ⅱ、闸门启闭力计算：
启闭力：F=（0.1～0.12）P+1.2G t(吨)
闭门力：F= (0.1～0.12) P+0.9G t(吨)
式中：P：作用在平面闸门下的总水压力
G：闸门重量
则启门力F1=0.12×53.225+1.2×1.8=8.55(T)
闭门力F2=0.12×53.225+0.9×1.8=8.01(T)
选10T启闭力的启闭机。
Ⅲ、启闭机选型：
由闸门设计规范选用启闭机容量应≥计算的启闭力；根据闸室布置和运用规定，布置为一机一门型式，选用双吊点的固定卷扬式启闭机。
三、 上部结构：
1、 工作桥
（1） 工作桥的功用是安装启闭机和操作启闭机。
（2） 工作桥结构型式，为保证质量，便于施工，拟采用铪板梁桥结构，现场预制吊装。
（3） 工作桥的尺寸
Ⅰ、宽度B
B=启闭机底座宽+2×操作宽+2×栏宽
其中：启闭机底坐宽可由厂家产品目录中查相应启闭机型号的基础尺寸，结合我们设计可采用1.2m；
操作宽：一般为0.6～1.2m，取0.6m
栏杆截面可采用0.1m×0.1m，高度1.0m，间距2.0m
所以工作桥宽选2.6m。
Ⅱ、高度h
工作桥采用T型梁结构，梁高，底梁宽0.3m。
具体尺寸见布置图。
2、 排架设计：
为减小闸墩高度，减少少工程量并节约造价，可在闸墩上加设排架，支承工作桥。
（1） 排架宽度，取与工作桥同宽，即2.6m。
（2）排架高度
采用排架顶高程为闸门高度加富裕超高=4.0m+0.5m=4.5m故排架顶高程为：7+4.5=11.5m
（3）排架厚度
由于采用活动门档，为便于闸门启闭，一般排架厚度可取等于门槽处闸墩厚度，即t=1.0-2×0.25=0.5m
（4）为便于检修闸门启闭，在排架上游侧布置牛腿，其上可安排起吊设备轨道，牛腿材料采用铪，具体尺寸见图。
3、 公路桥
为联系两岸交通，在闸下游侧闸墩上布置公路桥，按单车道汽车—10级标准设计，桥面为铰接板，预制吊装桥面总宽为5.0m，净宽为4.5m，两侧安全带与栏杆宽为2×0.25m，具体尺寸见图。
4、 上游检修便桥
采用预制装配式结构，尺寸见图。
§4-2 闸室的稳定计算
上部结构重量
1、 工作桥传递到闸墩上的重量：9.9t
2、 检修便桥传递到闸墩上的重量：1.44t
3、 启闭台重：14.63t
4、 公路桥传递到闸墩上的重量：37.5t
5、 胸墙传递到闸墩上的重量：12.5t
6、 闸墩自重：207.85t
边墩上部作用荷载为：75.97t
中墩上部作用荷载为：137.31t
7、 底板重量：520.6t

一、基底应力计算
计算见附表。
完建期基底最大与最小应力之比值为：
5.37/5.20=1.03<2.0
运营期基底最大最小应力之比值为：
7.74/7.57=1.02<2.0

二、抗滑稳定验算：
考虑土壤粘聚力的影响
K=（tgφ×∑W+cA）/∑P
正常组合，取K=1.25（3级建筑物）
临界水平荷载P临=（tg16.2×1257.96+1.2×11.3×19.0）/1.25=498.49t
水平作用荷载计算：
1、静水压力（最大挡水位时）
P静=6×6×19×0.5=85.5t
2、波浪压力计算
波高计算
gDF/v02=9.8×1500/242=25.52(DF——吹程，v0——风速)
gH/v02=9.8×7/242=0.119(H——闸前平均水深)
查表得hL=0.16m
hL/H=0.023
查（SD133-84）附表4.1 得PL=5m
查（SD133-84）附表4.2 得hL/hL=1.95
hL=0.312m
波浪平均周期计算
T=4（hL）1/2=4×(0.16)1/2=1.6S
波长计算LL=gT2/2π×th2π/LL
将已知值代并经算LL=4.0m
波浪压力计算
HLj=LL/4π×ln(LL+2πhL)/(L-2πhL)=0.34
因H=7>HLj=0.34,且H>LL/2=2
所以浪压力PL=γ（hL+hz）LL/4=0.32t/m
静水压力：
p静上=1/2γH2上=18.0t/m
p静下=1/2γH2下=6.125t/m
∑P=(0.32+18-6.125) ×19=231.71t
∑P<∑P临
故抗滑是稳定的。

第五章：水闸的结构设计

闸底板结构计算（采用截面法进行计算）：
垂直水流方向取1米宽板条作为计算对象，只计算运营期。
M为边墙填土传递过来的荷载
边墙土压力计算
填土深度：h=7.5m
根据土力学积极土压力公式：
p=γHtg(45-φ/2)-c
γ=γd(1+ω)=1.5（1+0.25）=1.875
φ=11
pmax=1.875×7.5×tg(45-11/2)-2.9=8.69t/m2
闸门上段中间处板条受力情况如下图

上部结构传递到闸墩上的荷载按均布到闸墩上进行计算：
中墩：12.15t/m
边墩：6.72t/m
闸墩自重(具有上部结构重)：
中墩：30.9t
边墩：25.47t
水重：q水=6t/m
底板自重：q自重=2.5t/m
地基反力：q反=7.71t/m
浮托力：q浮=1.0t/m
渗透压力：q渗=1.35t/m
根据前面的渗透计算成果可绘制渗透压力及浮托力如下图

1. N+△Q+L（q自+ q水-q浮- q渗-q反）=0
30.9×2+25.47×2+△Q+19（2.5+6-1-1.35-7.71）=0
解得:
△ Q=-83.1t(负号说明方向向上)
不平衡剪力的分派：
形心轴y0计算
按形心计算公式，计算得y0=3.10m
h2=y0-1=2.10m
惯性矩I的计算
按公式I=I底板+I闸墩
I底板=19*13/12+19*1*2.62=130.02
I闸墩=1*4*7.53/12+4*（7.5/2-2.1）2*7.5*1=222.3
I=I闸墩+ I底板=352.32
△ Q板=L*△Q/I*（2y03/3-y02h2+h23/3）=12.40t
△ Q墩=83.1-12.4=70.7t
由于闸墩的截面积相等。故四闸墩均匀分派剪力。都为17.68t。
作用在闸底板上的均布荷载
q=q反+ q浮+ q渗- q自- q水+△Q板/19=7.71+1.35+1-2-6+12.4/19=2.71t/m
作用底板的力矩计算
土压力pmax=Htg(45-1/2)-c=8.69t/m2
按100%计入
水压力不计.
土压力产生的力矩M为81.47tm
因此计算简图如下

配筋计算
分别计算边墩脚处及1/4、1/2跨处的内力
X=1米处
Q1+25.47=2.71*1
Q1=-22.76t（负号说明，Q1方向向上）
M1+25.47*1=81.47+2.71*1/2
M1=57.35tM

X=5米处
Q5+25.47=2.71*5
Q5=-11.92t（负号说明Q9方向向上）
M5+25.47*5=2.71*52/2+81.47
M5=-12.0t

X=9米处
Q9+25.47+30.9=2.71*9
Q9=-31.98t（负号说明Q9方向向上）
M9+25.47*9+30.9*3=2.71*92/2+81.47
M9=-99.81tM

配筋计算
弯曲配筋计算，底板上层取X=9M时的跨中弯矩进行计算，拟定砼为C25，安全系数K取1.5
A0=KM/bh02Rw=0.09
μ=0.01
Ag=51.03cm2
故选配φ26＠10的二级钢筋

底层配筋选用X=1M处的弯矩进行计算
同上式：
A0=0.05
Ag=28.46cm2
选配φ20＠11的二级钢筋
抗剪计算
Q9=31.98t
抗剪安全系数K取1.6
KQ=1.6*31.98=51.17t
0.2bh0Ra/1000=213.4t
kQ<0.2bh0Ra，故截面满足规定
0.07bh0Ra/1000=74.69t
kQ<0.07bh0Ra
故不要进行抗剪配筋计算。