1、水闸计算案例水工结构拱北水闸整体版0325改稿xxxx防洪挡潮闸重建工程水工结构设计计算书审 核：校 核： 计 算： 二0 年 月目 录一、基本设计资料 11.1 堤防设计标准 11.2 水闸设计标准 11.3 特征水位 11.4 结构数据 21.5 水闸功能 21.6 地基特性 21.7 地震设防烈度 3二、闸顶高程计算 42.1 按水闸设计规范中的有关规定计算闸顶高程 42.2 按堤防工程设计规范中的有关规定计算堤顶高程 52.3 闸顶高程计算结果 72.4 启闭机房楼面高程复核计算 8三、水闸水力计算 93.1 水闸过流能力复核计算 93.2 消能防冲计算 11四、渗流稳定计算 214.
2、1 渗流稳定计算公式 214.2 闸侧渗流稳定计算 224.3 闸基渗流稳定计算 24五、闸室应力稳定计算 285.1 计算工况及荷载组合 285.2 计算公式 295.3 计算过程 315.4 计算成果及分析 33六、闸室结构配筋计算 346.1 基本资料 346.2 边孔计算 356.3 中孔计算 516.4 胸墙计算 516.5工作桥配筋及裂缝计算 536.6 闸门锁定座配筋及裂缝计算 546.7 水闸交通桥面板计算 57七、翼墙计算 587.1 计算方法 587.2 计算工况 597.3 计算过程（具体计算详见堤防设计计算书案例） 597.4 计算成果 607.5 配筋计算 60八、其
3、他连接挡墙计算 618.1 埋石砼挡墙计算（具体计算详见堤防设计计算书案例） 618.2 埋石砼挡墙基础处理 628.3 中控楼浆砌石墙计算（具体计算详见堤防设计计算书案例） 63九、上下游护岸稳定计算 649.1 计算断面的选取与假定 649.2 计算工况 649.3 计算参数 649.4 计算理论和公式 659.5 计算过程（具体计算详见堤防设计计算书案例） 669.6 计算结果 66十、施工围堰计算 6710.1导流级别及标准 6710.2围堰顶高程确定 6710.3围堰稳定计算（具体计算详见堤防设计计算书案例） 68十一、基础处理设计计算 7011.1 闸室基础处理设计计算 7011.
4、2 翼墙基础处理设计计算 74十二、闸室和翼墙桩基础配筋计算 7612.1 计算方法 7612.2 计算条件 7612.3 第一弹性零点到地面的距离t的计算 7612.4 桩的弯距计算 7712.5 桩顶水平位移计算 7712.6 配筋计算 7712.7 灌注桩最大裂缝宽度验算 79一、基本设计资料1.1 堤防设计标准根据水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）、广东省水利厅关于中顺大围达标加固工程可行性研究报告设计有关问题的审查意见（粤水规2005147号）确定中顺大围达标加固工程以洪为主的堤段及穿堤建筑物现阶段防洪标准为50年一遇,待上游水库建成后达到100年一遇，堤防和穿堤
5、建筑物工程级别为1级；以潮为主的堤段及穿堤建筑物防洪(潮)标准为100年一遇，堤防和穿堤建筑物工程级别为1级。1.2 水闸设计标准根据水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）、粤水规2005147号文“关于中顺大围达标加固工程可行性研究报告设计有关问题的审查意见”、粤水规计200798号文“关于中顺大围应急项目拱北水闸重建工程可行性研究报告的审查意见”以及水闸设计规范（SL265-2001）确定拱北水闸为等中型工程，主要建筑物级别为1 级，次要建筑物级别为3 级。水闸的设计防洪（挡潮）标准为50年一遇（经西江上游大藤峡和龙滩水库联调后使中顺大围达到100年一遇防洪标准），相应潮水
6、位为3.55m；校核防洪（挡潮）水位取历史最高潮水位3.66m。水闸的排涝标准按10年一遇24小时暴雨所产生径流量，城镇、鱼塘1天排干，农田3天排干设计，相应设计最大过闸流量为207m3/s。1.3 特征水位外江设计洪潮水位为3.55m（P=2%）；外江校核洪潮水位为3.66m（历史最高洪潮水位）；外江多年平均高高潮水位为2.48m；外江多年平均低低潮水位为-0.63m；外江多年平均高潮水位为0.64m；外江多年平均低潮水位为0.14m；设计、校核挡潮时相应内河水位为0.50m；内河最高限制水位为1.60m；内河正常蓄水位为0.80m；引洪时相应内河最低控制水位为-0.20m。1.4 结构数据
7、水闸为砼整体式结构，共8孔，每孔净宽7m，总净宽56m；每两孔为一联，共四联。闸顶高程为5.55m，闸底板面高程-2.20m，闸室顺水流方向长18m。底板厚1.0m。闸顶设交通桥，总宽8m，设计荷载等级按公路级。1.5 水闸功能水闸功能为防洪、排涝、挡潮及灌溉（承担横栏、沙溪、大涌等镇农田的引潮灌溉任务）为一体的水利工程。排涝流量207m3/s，最大引水流量174.8 m3/s。1.6 地基特性根据地质勘察报告，场地内特殊岩土主要有软土。场地内软土厚度较大，强度较低。场地内软土很发育，为海陆交互相沉积的淤泥（淤泥质土），呈饱和，流塑-软塑状，层厚10.9019.05m。该层软土具地基承载力低，
8、含水量高，孔隙比大，透水性差，强度低，高压缩性，高灵敏度等不良特殊性能。当其受到震动时，土层结构易受破坏，抗剪强度和承载力随之大幅下降，从而引起地面震馅。根据软土地区工程地质勘察规范（JGJ83-91）的要求，在地震基本烈度7度区，当软土厚度3m,，承载力标准值70kpa时，建筑设计时要考虑震馅的影响。场地地下水在强透水土层中对混凝土结构无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。1.7 地震设防烈度根据地质勘察报告,结合区域地质、地震资料及已建水闸运行情况，拟建工程的抗震设防应按建筑抗震设计规范GB50011执行，本场地位于广东省中山市，根据建筑抗震设计规范（GB5001
9、1-2001）附录A.0.17的划分，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组。二、闸顶高程计算根据水闸设计规范SL265-2001第4.2.4条规定，水闸闸顶高程不应低于正常水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应安全超高之和；位于防洪（挡潮）堤上的水闸，其闸顶高程不得低于防洪（挡潮）堤堤顶高程。故拱北水闸闸顶高程计算确定如下：2.1 按水闸设计规范中的有关规定计算闸顶高程2.1.1 计算工况计算分设计挡潮和校核挡潮两种工况。设计挡潮工况下潮水位根据规范采用五十年一遇潮水位，即h03.55m(珠基,下同)，设计风速采用重现期为50年的年最大风速28m/s；校核
10、挡潮工况的潮水位取历史最高潮位计算，即h03.66m，风速采用多年平均年最大风速，即V016.0m/s。2.1.2 计算公式闸顶高程按水闸设计规范（SL2652001）中有关规定进行计算，相关公式如下：式中： Z闸顶高程（m）；h0计算潮水位（m）；A安全超高（m）；hm平均波高（m）；v0计算风速（m/s）；基本组合时，采用重现期为50年的年最大风速；特殊组合时，采用多年平均年最大风速； D 风区长度（m）；本工程因闸前水域较狭窄，故采用水闸前沿水面宽度的5倍；Hm风区内的平均水深（m）；根据实测地形图求得沿风向平均河底高程为-2.68m；Tm平均波周期(s)；Lm平均波长(m)；H 闸前水
11、深（m）；h1%相应于波列累积频率1%的波高（m）；hz波浪中心线超出计算水位的高度（m）。2.1.3 计算结果根据上述公式计算，结果下表。闸顶高程应取以上两种工况计算的大值，即5.06m。闸顶高程计算成果表项 目设计挡潮工况校核挡潮工况挡潮水位（m）3.553.66计算风速（m/s）28.016.0吹程（m）452452平均水深Hm（m）6.236.34设计波高hp（m）0.660.37hz（m）0.150.08安全超高A（m）0.700.50闸顶高程Z（m）5.064.612.2 按堤防工程设计规范中的有关规定计算堤顶高程2.2.1 计算工况设计工况取设计挡潮工况，该工况相应参数为：设计潮
12、水位为3.55m（P2%），依据广东省海堤工程设计导则(试行)（DB44/T182-2004）条文说明第6.1.3条，相应设计风速采用重现期为50年的年最大风速28m/s；风区长度D=452m；根据实测地形图，求得风区内的水域平均水深d为6.23m。2.2.2 计算公式按照堤防工程设计规范，堤顶高程及风浪要素按下列公式计算确定：式中： Y堤顶超高（m）；R设计波浪爬高（m）；e设计风壅增水高度（m）；A安全加高值（m）； 平均波高（m）； 平均波周期（s）；V计算风速（m/s）；F风区长度（m）；L堤前波浪的波长（m）；d水域的平均水深（m）；g重力加速度,采用9.81（m/s2）；K综合摩阻
13、系数，取K=3.610-6；风向与垂直于堤轴线的法线的夹角（度）；RP累计频率为p的波浪爬高；K斜坡的糙率及渗透性系数，本处为砌石护面取为0.78；KV经验系数；m斜坡坡率，m=ctg，为斜坡角（度）。2.2.3 计算结果根据上述公式计算，结果见下表。堤顶高程计算成果表项 目设计挡潮工况备注挡潮水位（m）3.55计算风速（m/s）28.0吹程（m）452水域平均水深d（m）6.23设计波浪爬高R（m）0.91设计风壅增水高度e(m)0.01安全超高A（m）1.00计算堤顶高程Z（m）5.47又根据堤防工程设计规范(GB50286-98)第6.3.1条,1.2级堤防的堤顶超高值不应小于2.0m,
14、故本次设计堤顶高程为5.55m。2.3 闸顶高程计算结果综上，根据计算的闸顶高程为5.06m，根据中顺大围设防标准堤顶高程为5.55m，为使水闸闸顶高程与堤顶高程相同，故本次设计闸顶高程取5.55m。2.4 启闭机房楼面高程复核计算闸顶高程为5.55m，闸门高度为4.1m，吊耳及起吊动滑轮高度为0.5m，检修时闸门底提出闸槽顶0.5m。动滑轮顶高程5.55+4.1+0.5+0.510.65m，启闭机房楼面高程为11.55m，富余为0.9m，满足启闭要求。三、水闸水力计算水闸水力计算的目的是为了确定水闸闸孔净宽、验算水闸消能防冲设施和抗渗稳定性是否满足要求。3.1 水闸过流能力复核计算a.计算公
15、式水闸的过流能力计算对于平底闸，当堰流处于高淹没度时（hs/H00.9），根据水闸设计规范SL265-2001附录A.0.2规定的水力计算公式：式中：B0 闸孔总净宽（m）； Q过闸流量（m3/s）；H0计入行进流速水头的堰上水深（m）；hs由堰顶算起的下游水深（m）；g重力加速度，采用9.81（m/s2）；0淹没堰流的综合流量系数。综上，根据主要参数：单孔净宽bo7m，孔数N8，总净宽Bo56m，底板面高程-2.20m，中墩厚dz1.20m，分缝墩厚dz2.00m，边墩参数bb1.00m。根据中水200514号文件，确定中顺大围围内最高控制水位为1.60m,故排涝过流能力从闸内水位为1.60
16、m开始复核排涝最不利，根据水闸设计规范（SL265-2001）第5.0.5条“一般情况下，平原区水闸的过闸水位差可采用0.10.3m”，采用理正水力计算（5.0版）水闸水力计算软件计算得水闸在各种工况下的过流能力，列于下表。水闸排涝过流能力成果表 单位： m3/s流 量(m3/s)闸内水位(m)1.601.501.401.301.201.101.000.900.80闸外水位(m)1.50284.81.40385.3277.01.30451.7374.3269.11.20438.3363.3261.31.10424.9352.3253.51.00411.4341.2245.70.90398.03
17、30.2237.80.80384.6319.2230.00.70371.2308.2222.20.60357.8297.20.50344.5排涝工况闸门开度控制表(最大流量207m3/s) 单位：m 内河水位外江水位1.601.301.000.801.60-1.30-1.002.26-0.701.372.270.400.951.310.140.710.931.40注：1、表中数值为闸门运行时开度的最大控制值，运行操作时不得超过该开度值。 2、表中“0”表示该水位组合时反向排水，“”表示允许闸门全开，“-”表示不允许出现状态。本水闸设计要求最大排水流量为207m3/s。从上表中可以看出排水泄洪在
18、过闸水头差为0.10m、0.20m、0.30m时的最小过闸流量分别为222.2m3/s、297.2m3/s、344.5m3/s，相应的闸内水位为0.80m，此时已到内河正常蓄水位，故满足设计最大排水流量207m3/s的要求。在闸内外相同水头差的情况下，内河水位越低，引水流量越小，故可按闸内水位到达内河最低控制水位-0.20m开始复核进洪最不利，根据水闸设计规范（SL265-2001）第5.0.5条“一般情况下，平原区水闸的过闸水位差可采用0.10.3m”，计算得水闸在各种水位组合下的引水过流能力列于下表。水闸引水过流能力成果表流量(m3/s)闸外水位(m)-0.10-0.060.000.10闸
19、内水位(m)-0.20151.9177.7209.4285.5 引水工况闸门开度控制表（最大流量174.8m3/s） 单位：m 内河水位外江水位0.800.500.20-0.10-0.202.480.600.530.460.360.362.180.680.580.510.370.371.880.890.670.560.450.381.581.240.890.640.530.411.281.200.840.620.540.981.190.750.670.6801.220.990.38000.08000-0.200000注：1、表中数值为闸门运行时开度的最大控制值，运行操作时不得超过该开度值。 2
20、、表中“0”表示该水位组合时闸门关闭；“”表示内外水位持平，允许闸门全开。本水闸设计要求最大引水流量为174.8m3/s。从上表中可以看出引水在过闸水头差为0.10m、0.14m、0.20m、0.30m时的过闸流量分别为151.9m3/s、177.7 m3/s、209.4m3/s、285.5m3/s，相应闸内水位为内河最低控制水位-0.20m，在此水位工况下当水头差为0.14m时已满足要求。3.2 消能防冲计算3.2.1 计算工况拱北水闸为双向引、排水，故计算时分别按排洪和引水进行消能防冲计算。初拟采用底流式消能，消能工采用下挖式消力池。排涝时,经分析最不利工况为围内内涝，内河水位到达围内最高
21、控制水位1.60m，水闸必须开闸泄水，遇闸外江多年平均低潮水位为0.14m，相应最大排洪流量为207m3/s。引水时，经分析最不利工况为内河到达最低控制水位-0.20m，遇外江多年平均高高潮水位为2.48m，相应最大引水流量取174.8m3/s。消能防冲计算工况见下表：消能防冲计算工况表计 算 工 况闸内水位（m）闸外水位（m）最大流量（m3/s）排洪工况1.600.14207引水工况-0.202.48174.83.2.2 计算公式过流流量、消力池深度、消力池长度、消力池底板厚度、海漫长度、河床冲刷深度计算采用水闸设计规范附录B中的相关公式，计算公式如下： 消力池深度计算消力池深度按下列公式进
22、行计算： 式中： d 消力池深度（m）；0水跃淹没系数，采用1.05；水流动能校正系数，采用1.05；q 过闸单宽流量（m2/s）；b1 消力池首端宽度（m）；b2 消力池末端宽度（m）；T0 由消力池底板顶面算起的总势能（m）；Z 出池落差（m）；hs出池河床水深（m）。 消力池长度计算消力池长度按下列公式进行计算： 式中：Lsj 消力池长度（m）；Ls 消力池斜坡段水平投影长度（m）；水跃长度校正系数，采用0.8；Lj 水跃长度（m）。 消力池底板厚度计算消力池底板厚度根据抗冲和抗浮要求，按下列公式进行计算，并取其大值。抗冲 抗浮 式中： t 消力池底板始端厚度（m）（取消力池底板为等厚）
23、；H闸孔泄水时的上、下游水位差（m）；q 过闸单宽流量（m2/s）；k1消力池底板计算系数，采用0.15；k2消力池底板安全系数，采用1.20；U作用在消力池底板底面的扬压力(kPa)；W作用在消力池底板顶面的水重(kPa)；Pm作用在消力池底板上的脉动压力(kPa)，其值可取跃前收缩断面流速水头值的5% ；通常计算消力池底板前半部的脉动压力时取“”，计算消力池底板后半部的脉动压力时取“-”；b-消力池底板的饱和重度(kN/m3)。 海漫长度计算当，且消能扩散良好时，海漫长度按下列公式进行计算：式中： Lp 海漫长度（m）；qs 消力池末端单宽流量（m2/s）；Ks 海漫长度计算系数，取12。
24、 河床冲刷深度计算海漫末端的河床冲刷深度按下列公式进行计算： 式中： dm 海漫末端河床冲刷深度（m）；qm 海漫末端单宽流量（m2/s）；v0 河床土质允许不冲流速，取0.60（m/s）；hm 海漫末端河床水深（m）。根据上述公式分别进行排洪和引水消能计算，消能防冲计算结果见下表消能防冲计算成果表计算工况排洪工况（计算）排洪工况（设计）引水工况（计算）引水工况（设计）闸内水位（m）1.60-0.20闸外水位（m）0.142.48过闸流量（m3/s）207174.8消力池深（m）0.500.290.50消力池长度Lj（m）12.0014.1915.00消力池底板厚（m）0.600.480.60
25、海漫长（m）40.0026.2040.00冲坑深度（m）2.473.2.3 防冲槽断面面积计算防冲槽断面面积按下游河床冲至最深时，抛石坍塌在冲刷坑上游坡面所需要的面积AtL确定，即： 式中：dm海漫末端河床冲刷深度（m）； t冲坑上游护面厚度，即抛石自然形成的护面厚度，取0.5m； m塌落的堆石形成的边坡系数，取m3。经计算，外河侧不需要设消能工；内河侧抛石防冲槽所需断面面积为3.91m2。现设计内、外河侧防冲槽断面面积均为6.10m2，因此内、外河侧均满足要求。4）综上所述，初拟消能工尺寸满足要求。5）附计算方法及过程如下计算方法采用理正水力计算（5.0版）水闸水力计算及消能工水力计算软件：
26、*计算项目：消能工水力计算 排洪工况*- 消力池断面简图 - 计算条件 -基本参数 消能工类型:下挖式消力池 计算目标:设计尺寸 上游底部高程:-2.200(m) 下游底部高程:-2.200(m) 消力池首端宽度:66.800(m) 消力池末端宽度:70.800(m) 水流的动能校正系数:1.050 泄水建筑物下游收缩断面处流速系数:0.950 消力池出流流速系数:0.950 水跃淹没系数:1.050 是否计算消力池前段长度:计算 消力池前端型式:斜坡式 宽顶堰的流速系数:0.950 宽顶堰的流量系数:0.950 宽顶堰的堰顶高程:-2.200(m) 自由水跃跃长计算系数:6.900 水跃长度校正系数:0.800 是否计算消力池底板的厚度:计算 消力池底板计算系数K1:0.150 消力池底板安全系数K2:1.200 消力池底板的饱和重度:25.000(kN/m3) 脉动压强系数:0.050 海漫长度计算系数Ks:12.000 河床土质允许不冲流速:0.600(m/s) 水位流量的组数:
