]水闸设计实例本工程位于河南省某县城郊处，它是某河流梯级开发中最末一级工程。
该河属稳定性河流，河面宽约200m，深约7~10m。
由于河床下切较深又无适当控制工程，雨季地表径流自由流走，而雨过天晴经常干旱，加之打井提水灌溉，使地下水位愈来愈低，严重影响两岸的农业灌溉和人畜用水。
为解决当地40万亩农田的灌溉问题，经上级批准的规划确定，修建挡水枢纽工程。
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800万m3，调蓄水至两岸沟塘，大量补给地下水，有利于进灌和人畜用水，初步解决40万亩农田的灌溉问题并为工业生产提供足够的水源，同时对渔业、航运业的发展，以及改善环境，美化城乡都是极为有利的。
（一）地质条件根据钻孔了解闸址地层属河流冲积相，河床部分地层属第四纪蟓更新世Q3与第四纪全新世Q4的层交错出现，闸址两岸高程均在41m左右。
闸址处地层向下分布情况如下表1所示。
闸址处系平原型河段、两岸地势平坦，地面高程约为40.00m左右，河床坡降平缓，纵坡约为1/10000，河床平均标高约30.00m，主河槽宽度约80-100m，河滩宽平，呈复式河床横断面，河流比较顺直。
%（三）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，具体数字如表2、3所示。
表3土的力学性质指标表~1、石料本地区不产石料，需从外地运进，距公路很近，交通方便。
2、粘土经调查本地区附近有较丰富的粘土材料。
3、闸址处有足够的中细砂。
（五）水文气象1、气温本地区年最高气温C，最低气温C，平均气温C。
—2、风速最大风速20=Vm/s，吹程0.6Km。
3、径流量非汛期（1～6月及10～12月）9个月份月平均最大流量s。
汛期（7～9）三个月，月平均最大流量为149m3/s，年平均最大流量2.26=Qm3/s，最大年径流总量为亿m3。
4、冰冻闸址处河水无冰冻现象。
（六）批准的规划成果&1、根据水利电力部《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》（SD112-78）的规定，本枢纽工程为Ⅲ等工程，其中永久性主要建筑物为3级。
2、灌溉用水季节，拦河闸正常挡水位为38.50m。
3、洪水标准见表4所示。
1、工期为两年。
2、材料供应情况水泥由某水泥厂运输260Km至某市，再运输80Km至工地仓库；其它他材料由市汽车运至工地；电源由电网供电，工地距电源线；地下水位平均为~。
（一）闸址的选择]闸址、闸轴线的选择关系到工程的安全可靠、施工难易、操作运用、工程量及投资大小等方面的问题。
在选择过程中首先应根据地形、地质、水流、施工管理应用及拆迁情况等方面进行分析研究，权衡利弊，经全面分析比较，合理确定。
本次设计中闸轴线的位置已由规划给出。
（二）闸型确定本工程主要任务是正常情况下拦河截水，以利灌溉，而当洪水来临时，开闸泄水，以保防洪安全。
由于是建于平原河道上的拦河闸，应具有较大的超泄能力，并利于排除漂浮物，因此采用不设胸墙的开敞式水闸。
同时，由于河槽蓄水，闸前淤积对洪水位影响较大，为便于排出淤沙，闸底板高程应尽可能低。
因此，采用无底坎平顶板宽顶堰，堰顶高程与河床同高，即闸底板高程为。
（三）拟定闸孔尺寸及闸墩厚度由于已知上、下游水位，可推算上游水头及下游水深，如表1所示：…流量Q（m3/s）下游水深hs（m）上游水深H（m）过水断面积（m2）行近流速（m3/s）gv22上游水头H0（m）设计流量937，9校核流量1220（闸门全开泄洪时，为平底板宽顶堰堰流，根据公式1判别是否为淹没出流。
;计算情况下游水深hs（m）上游水头H0（m）08.0Hhs≥流态设计水位9-357.79≥淹没出流校核水位325.820.10≥淹没出流[按照闸门总净宽计算公式(2)，根据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算如下表。
其中ε为堰流侧收缩系数，取；m为堰流流量系数，取。
如图1所示。
—图1闸孔尺寸布置图(单位：m)（四）校核泄洪能力）根据孔口与闸墩的尺寸可计算侧收缩系数，查《水闸设计规范》（规范表2-2），结果如下：对于中孔870.02.1880=+=sbb得976.01=中ε；靠缝墩孔833.06.1880=+=sbb得973.02=中ε；对于边孔163.005.41880=+=sbb得909.03=中ε；所以956.0241909.02973.04976.01321332211=++++=++++=nnnnnn中中中εεεε与假定接近，根据选定的孔口尺寸与上下游水位，进一步换算流量如下表所示：所以不再进行孔口尺寸的调整。
（一）消能防冲设计的控制情况由于本闸位于平原地区，河床的抗冲刷能力较低，所以采用底流式消能。
|设计水位或校核水位时闸门全开渲泄洪水，为淹没出流无需消能。
闸前为正常高水位，部分闸门局部开启，只宣泄较小流量时，下流水位不高，闸下射流速度较大，才会出现严重的冲刷河床现象，需设置相应的消能设施。
为了保证无论何种开启高度的情况下均能发生淹没式水跃消能，所以采用闸前水深H=，闸门局部开启情况，作为消能防冲设计的控制情况。
为了降低工程造价，确保水闸安全运行，可以规定闸门的操作规程，本次设计按1、3、5、7孔对称方式开启，分别对不同开启孔数和开启度进行组合计算，找出消力池池深和池长的控制条件。
按公式（7）、（8）、（9）、（11）计算结果列入表1。
73）流[91》池深控制122,&限开3131【淹没出流<181《217{273、366@开启1孔开启高度为2米为消力池的池深控制条件。
（二）消力池尺寸及构造1、消力池深度计算根据所选择的控制条件，估算池深为2m，用（10）、（11）、（12）式计算挖池后的收缩水深hc和相应的出池落差ΔZ及跃后水深hc″，验算水跃淹没系数符合在～之间的要求。
3、消力池的构造采用挖深式消力池。
为了便于施工，消力池的底板做成等厚，为了降低底板下部的渗透压力，在水平底板的后半部设置排水孔，孔下铺设反滤层，排水孔孔径为10cm，间距为2m，呈梅花形布置。
根据抗冲要求，按式16计算消力池底板厚度。
9.025.35.84.1118.0=-=tm，取消力池底板的厚度0.1=tm。
~（图1消力池构造尺寸图(单位：高程m，尺寸cm)（三）海漫设计1、海漫长度计算%用公式（18）计算海漫长度结果列入表2。
其中sk为海漫长度计算系数，根据闸基土质为中粉质壤土则选12。
取计算表中的大值，确定海漫长度为40m。
因为对海漫的要求为有一定的粗糙度以便进一步消除余能，有一定的透水性，有一定的柔性。
所以选择在海漫的起始段为10米长的浆砌石水平段，因为浆砌石的抗冲性能较好，其顶面高程与护坦齐平。
后30米做成坡度为1：15的干砌石段，以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。
海漫厚度为米，下面铺设15cm的砂垫层。
（四）防冲槽设计海漫末端河床冲刷坑深度按公式19计算，其中河床土质的不冲流速可按下式计算。
按不同情况计算如表3所示。
校核情况|设计情况1243<3，出槽后作成坡率为5的斜坡与下游河床相连。
如图2所示。
采用浆砌石护坡，厚米，下设米的砂垫层。
保护范围上游自铺盖向上延伸2～3倍的水头，下游自防冲槽向下延伸4～6倍的水头。
（一）闸底地下轮廓线的布置1、防渗设计的目的…防止闸基渗透变形；减小闸基渗透压力；减少水量损失；合理选用地下轮廓尺寸。
2、布置原则防渗设计一般采用防渗和排水相结合的原则，即在高水位侧采用铺盖、板桩、齿墙等防渗设施，用以延长渗径减小渗透坡降和闸底板下的渗透压力；在低水位侧设置排水设施，如面层排水、排水孔排水或减压井与下游连通，使地下渗水尽快排出，以减小渗透压力，并防止在渗流出口附近发生渗透变形。
3、地下轮廓线布置（1）闸基防渗长度的确定。
根据公式(2)计算闸基理论防渗长度为。
其中C为渗径系数，因为地基土质为重粉质壤土，查表取7。
5.595.87==Lm（2）防渗设备由于闸基土质以粘性土为主，防渗设备采用粘土铺盖，闸底板上、下游侧设置齿墙，为了避免破坏天然的粘土结构，不宜设置板桩。
（3）防渗设备尺寸和构造。
》1）闸底板顺水流方向长度根据公式(1)计算，根据闸基土质为重粉质壤土A取。
底板长度综合考虑上部结构布置及地基承载力等要求，确定为18m。
175.82==底Lm2）闸底板厚度为6.1851==tm，实际取为1.5m。
3）齿墙具体尺寸见图1。
/图1闸底板尺寸图（单位：cm）<4）铺盖长度根据（3~5）倍的上、下游水位差，确定为40m。
铺盖厚度确定为：便于施工上游端取为0.6m，末端为1.5m以便和闸底板联接。
为了防止水流冲刷及施工时破坏粘土铺盖，在其上设置30cm厚的浆砌块石保护层，10cm厚的砂垫层。
4、校核地下轮廓线的长度根据以上设计数据，实际的地下轮廓线布置长度应大于理论的地下轮廓线长度，通过校核，满足要求。
铺盖长度+闸底板长度+齿墙长度=理L>=++8.64188.640=（二）排水设备的细部构造1、排水设备的作用)采用排水设备，可降低渗透水压力，排除渗水，避免渗透变形，增加下游的稳定性。
排水的位置直接影响渗透压力的大小和分布，应根据闸基土质情况和水闸的工作条件，做到即减少渗压又避免渗透变形。
2、排水设备的设计（1）水平排水水平排水为加厚反滤层中的大颗粒层，形成平铺式。
反滤层一般是由2~3层不同粒径的砂和砂砾石组成的。
层次排列应尽量与渗流的方向垂直，各层次的粒径则按渗流方向逐层增大。
本次设计中的反滤层由碎石，中砂和细砂组成，其中上部为20cm厚的碎石，中间为10cm厚的中砂，下部为10cm厚的细砂。
!图2反滤层构造图(单位：cm)、（2）铅直排水设计本工程在护坦的中后部设排水孔，孔距为2m，孔径为10cm，呈梅花形布置，孔下设反滤层。
（3）侧向排水设计侧向防渗排水布置（包括刺墙、板桩、排水井等）应根据上、下游水位，墙体材料和墙后土质以及地下水位变化等情况综合考虑，并应与闸基的防渗排水布置相适应，在空间上形成防渗整体。
在消力池两岸翼墙设2~3层排水孔，呈梅花形布置，孔后设反滤层，排出墙后的侧向绕渗水流。
3、止水设计凡具有防渗要求的缝，都应设止水设备。
止水分铅直和水平止水两种。
前者设在闸墩中间，边墩与翼墙间以及上游翼墙铅直缝中；后者设在粘土铺盖保护层上的温度沉陷缝、消力池与底板温度沉陷缝、翼墙、消力池本身的温度沉降缝内。
在粘土铺盖与闸底板沉陷缝中设置沥青麻袋止水。
{（图3止水详图(单位：cm)（三）防渗计算1、渗流计算的目的：计算闸底板各点渗透压力；验算地基土在初步拟定的地下轮廓线下的渗透稳定性。
2、计算方法有直线比例法、流网法和改进阻力系数法，由于改进阻力系数法计算结果精确，采用此种方法进行渗流计算。
3、计算渗透压力（1）地基有效深度的计算。
（2）分段阻力系数的计算。
通过地下轮廓的各角点和尖端将渗流区域分成9个典型段，如图4所示。
其中1、9段为进出口段，用式(4)计算阻力系数；3、5、7段为内部垂直段，用式(5)计算相应的阻力系数；2、4、6、8段为水平段，用式6计算相应的阻力系数。
各典型段的水头损失用式(7)计算。
结果列入（表1）中。
对于进出口段的阻力系数修正，按公式（8）、(9)、(10）计算，结果如表2所示。
#图4渗流区域分段图（单位：m）（》用表1计算的各段的水头损失进行计算，总的水头差为正常挡水期的上、下游水头差。
各段后角点渗压水头=该段前角点渗压水头—此段的水头损失值，结果列入表3。
绘制闸底板的渗透压力分布图5。
—`图5闸底板下渗透压力分布图(单位：m)（一）底板和闸墩1、闸底板的设计（1）作用闸底板是闸室的基础，承受闸室及上部结构的全部荷载，并较均匀地传给地基，还有防冲、防渗等作用。
（2）型式常用的闸底板有平底板和钻孔灌注桩底板。
由于在平原地区软基上修建水闸，采用整体式平底板，沉陷缝设在闸墩中间。
（3）长度根据前边设计已知闸底板长度为18m。
:（4）厚度根据前边设计已知闸底板厚度为。
2、闸墩设计（1）作用分隔闸孔并支承闸门、工作桥等上部结构，使水流顺利的通过闸室。
（2）外形轮廓应能满足过闸水流平顺、侧向收缩小的，过流能力大的要求。
上游墩头采用半圆形，下游墩头采用流线型。
其长度采用与底板同长，为18m。
（3）厚度为中墩，缝墩，边墩。
平面闸门的门槽尺寸应根据闸门的尺寸确定，检修门槽深,宽,主门槽深,宽。
检修门槽与工作门槽之间留的净距，以便于工作人员检修。
（4）高度采用以下三种方法计算取较大值，根据计算墩高最大值为，另根据《水闸设计规范》中规定有防洪任务的拦河闸闸墩高程不应低于两岸堤顶高程，两岸堤顶高程为，经比较后取闸墩高度为。
1）墩H=校核洪水位时水深+安全超高=+=10.85m。
！2）墩H=设计洪水位时水深+安全超高=+=9.85m；3）墩H=正常挡水位时水深+h=++=9.49m。
1、工作闸门基本尺寸为闸门高9m，宽8m，采用平面钢闸门，双吊点，滚轮支承。
2、检修闸门采用叠梁式，闸门槽深为20cm，宽为20cm，闸门型式如图2所示。
图2叠梁式检修闸门示意图3、启闭机可分为固定式和移动式两种常用固定式启闭机有卷扬式、螺杆式和油压式。
卷扬式启闭机启闭能力较大，操作灵便，启闭速度快，但造价高。
螺杆式启闭机简便、廉价，适用于小型工程，水压力较大，门重不足的情况等。
油压式启闭机是利用油泵产生的液压传动，可用较小的动力获得很大的启闭力，但造价较高。
在有防洪要求的水闸中，一般要求启闭机迅速可靠，能够多孔同步开启，这里采用卷扬式启闭机，一门一机。
/4、启闭机的选型（1）根据《水工设计手册》平面直升钢闸门结构活动部分重量公式1，经过计算得ｔ，考虑其它因素取闸门自重170KN。
85.165.1012.0BHkkG材支=（1）式中G—闸门结构活动部分重量，t；支k—闸门的支承结构特征系数，对于滑动式支承取；对于滚轮式支承取，对于台车式支承取。
材k—闸门材料系数，普通碳素结构钢制成的闸门为；低合金结构钢制成的闸门取。
H—孔口高度，取9m；B—孔口宽度，取8m。
/（2）初估闸门启闭机的启门力和闭门力，根据《水工设计手册》中的近似公式：GPFQ2.112.0~10.0+=）（（2）=4931702.1289010.0=+KN9GPFW2.112.0~10.0-=）（（3）851702.1289010.0=-=KN<式中P—平面闸门的总水压力，bhP221γ=，KN；QF—启门力，KN；WF—闭门力，KN；由于闸门关闭挡水时，水压力P值最大。
此时闸门前水位为，本次设计的水闸为中型水闸，系数采用，经计算启闭力QF为493KN，闭门力WF为85KN。
查《水工设计手册》选用电动卷扬式启闭机型号QPQ-240。
（三）上部结构1、工作桥是为了安装启闭机和便于工作人员操作而设的桥。
若工作桥较高可在闸墩上部设排架支承。
工作桥设置高程与闸门尺寸及形式有关。
由于是平面钢闸门，采用固定式卷扬启闭机，闸门提升后不能影响泄放最大流量，并留有一定的富裕度。
根据工作需要和设计规范，工作桥设在工作闸门的正上方，用排架支承工作桥，桥上设置启闭机房。
由启闭机的型号决定基座宽度为2m，启闭机旁的过道设为1m，启闭机房采用24砖砌墙，墙外设0.66m的阳台（过人用）。
因此，工作桥的总宽度为1+1++++=6m。
由于工作桥在排架上，确定排架的高度即可得到工作桥高程。
排架高度=闸门高+安全超高+吊耳高度=9++=10m<工作桥高程=闸墩高程+排架高+T型梁高=41m+10m+1m=51m。
？图3工作桥细部构造图(单位：cm)2、交通桥的作用是连接两岸交通，供车辆和人通行。
交通桥的型式可采用板梁式。
交通桥的位置应根据闸室稳定及两岸连接等条件确定，布置在下游。
仅供人畜通行用的交通桥，其宽度不小于3m；行驶汽车等的交通桥，应按交通部门制定的规范进行设计，一般公路单车道净宽为4.5m，双车道为7~9m。
本次设计采用双车道8m宽，并设有人行道安全带为75cm，具体尺寸如图4所示。
（【图4交通桥细部构造图(单位：cm)3、检修桥的作用为放置检修闸门，观测上游水流情况，设置在闸墩的上游端。
采用预制T型梁和活盖板型式。
尺寸如图5所示。
图5检修桥细部构造图(单位：cm);（四）闸室的分缝与止水水闸沿轴线每隔一定距离必须设置沉陷缝，兼作温度缝，以免闸室因不均匀沉陷及温度变化产生裂缝。
缝距一般为15~30m，缝宽为2~。
整体式底板闸室沉陷缝，一般设在闸墩中间，一孔、二孔或三孔一联为独立单元，其优点是保证在不均匀沉降时闸孔不变形，闸门仍然正常工作。
凡是有防渗要求的缝，都应设止水设备。
止水分铅直和水平两种。
前者设在闸墩中间，边墩与翼墙间以及上游翼墙本身；后者设在铺盖、消力池与底板，和混凝土铺盖、消力池本身的温度沉降缝内。
本次设计缝墩宽，缝宽为2cm，取中间三孔为一联，两边各为两孔一联。
（一）设计情况及荷载组合1、设计情况选择水闸在使用过程中，可能出现各种不利情况。
完建无水期是水闸建好尚未投入使用之前，竖向荷载最大，容易发生沉陷或不均匀沉陷，这是验算地基承载力的设计情况。
正常挡水期时下游无水，上游为正常挡水位，上下游水头差最大，闸室承受较大的水平推力，是验算闸室抗滑稳定性设计情况。
泄洪期工作闸门全开，水位差较小，对水闸无大的危害，故不考虑此种情况。
…2、完建无水期和正常挡水期均为基本荷载组合。
取中间三孔一联为单元进行计算，需计算的荷载见表1所示。
荷载组合计算情况荷载自重,静水压力扬压力泥沙压力地震力浪压力基本组合完建无水期√{—————正常挡水期√-√√——√荷载计算主要是闸室及上部结构自重。
在计算中以三孔一联为单元，省略一些细部构件重量，如栏杆、屋顶等。
力矩为对闸底板上游端点所取。
钢筋混凝土重度采用25KN/m3；混凝土重度采用23KN/m3；水重度采用10KN/m3；砖石重度采用19KN/m3。
！$图1完建无水期荷载分布图2、地基承载力验算根据荷载计算结果，采用公式（1）、（2）进行地基承载力的验算，可得结论完建无水期的地基承载力能够满足要求，地基也不会发生不均匀沉陷。
（三）正常挡水期验算1、正常挡水期荷载计算除闸室自重外，还有静水压力，水重，闸底板所受扬压力由渗透计算中可得。
由于浪压力小于静水压力的5%，忽略不计。
图2正常挡水期荷载分布图荷载名称垂直力（KN）水平力（KN）力臂（m）力矩（）↓↑→←-↘↙+闸室自重————上游水压力1P————2P————浮托力———9—渗透压力————水重———合计———————1、地基承载力验算根据荷载计算结果，采用公式（1）、（2）进行地基承载力的验算，可知正常挡水期的地基承载力及地基不均匀系数均满足要求。
滑动面沿闸底板与地基的接触面，采用公式（3）进行计算，其中的闸底板与地基之间的摩擦系数，根据闸址处地层分布可知为重粉质壤土和细砂，查闸室基础底面与地基之间的摩擦系数表得，允许的抗滑稳定安全系数根据本工程主要建筑物为3级，查表得。
经计算闸室抗滑稳定满足要求。
抗滑稳定安全系数][KPGfK≥=∑∑，代入数值计算得；20.1][50.113.1336508.4448345.0=>==KK。