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1、前言水工建筑物是水利水电类专业的一门主要专业课。其中内容主要讲述淡水建筑物、泄水建筑物、输水建筑物等的基本的、通用的规律，以及各种建筑物的作用特点、工作条件、型式、构造、材料、地基处理和设计计算的理论和方法，培养学生从水文、地质、地形、建材以及社会发展状况等实际情况出发，分析和解决水工建筑物的总体布置、设计计算和工程管理的能力。水工建筑物的设计及本课程的理论教学内容中，理论计算占有很大比重，由于客观条件是千变万化的，理论计算的结果往往不能直接作为设计结果。设计时出理论计算外，还必须重视现场试验、类比等工程方法的运用，土、石、混凝土等建筑材料的性能参数的选定，工作条件的分析，型式构造的选择以及施
2、工和运行管理的便利等。通过本次课程实训，从而系统地巩固和加深水工建筑物课程学习的基本知识、基本理论，掌握本专业建筑物设计的基本技能；熟练掌握有关实际工程设计的基本原则、内容、方法、步骤及设计。培养独立和集体分析问题、解决问题的能力；目录一、主要技术指标与主要设计参数21.1 工程设计指标21.2 设计基本参数21.3 设计要求31.4 结构布置和材料4二、 水闸设计与布置52.1 设计依据52.2闸孔设计6三、 消能防冲设计103.1消力池设计103.2海漫设计13四、防渗排水设计15五、闸室各部件的形式选择及尺寸拟定16六、闸室稳定计算17七、 挡土墙设计237.1 原始条件:237.2 稳
3、定及强度验算267.3 各组合最不利验算33八、 参考文献38一、主要技术指标与主要设计参数1.1 工程设计指标1.过闸设计流量为120m3/s2.工程等别3.建筑物级别1级4. C K 沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数允许值，基本组合取1.20，特殊组合取1.05 工程概况： 山东某引黄灌区的进水闸。在引水口的黄河大堤之外为一低洼荒碱地，为一良好的沉沙区。整个灌区地形为西北高东南低。工程处黄河沿岸的地面高程一般在14m左右。该闸是灌区工程的主要建筑物。其任务是保证在无坝引水条件下，满足灌区用水要求。该引水闸设计引水流量Q=120m3/s，闸前设计水位（保证率75%）为12.7m，引水角（水闸中
4、心线与黄河中泓线方向的夹角）为40，引水渠段（水闸垂直水流方向的轴线距离河岸的距离）为150m。闸前的引水渠段渠底高程为10.0m，底宽为60m，两岸的边坡为1:2。在高程为15m处设一平台，宽度为2.0m。高程15m到19.5m的边坡为1:2.5。闸后灌区渠首底高程为10.0m。1.2 设计基本参数A.建筑物等级：1级；B.设计荷载组合基本组合：设计洪水位情况，上游水位为17.0m，下游设计水位为12.0m，风速为14m/s。特殊组合：校核洪水位情况，上游水位为18.5m，下游水位为12.5m，风速为14m/s。C.地基情况闸底板位于砂壤土，其力学性能指标较好。其各项指标如下：抗剪强度指标：
5、水下=25；水上=30；地基承载能力：P=165Mpa；渗径系数（勃莱系数）：c=9.0；密度：r干=15kN/m3；r湿=18.5kN/m3；r浮=10kN/m3；r饱=20kN/m3；土壤凝聚力：c水上=10kN/m2；c水下=5Kn/m2；D.地基允许不均匀系数：=2.63.0；E.抗滑稳定安全系数：k设计=1.30；k校核=1.10；F.建筑物与地基的摩擦系数：f=0.40.5；G.建筑材料：该地区为冲积平原，砂、石需从外地运输；H.该水闸有交通要求，该区地震烈度为7度，要求按照7度设防；I.本地区有交通要求，交通桥宽度一般为45m；不考虑地震要求。1.3 设计要求遵循安全、实用、经济
6、合理、施工管理方便、技术先进等原则，保证质量、保证进度完成所布置的设计任务。1.4 结构布置和材料工程布置总体上分为上游段、闸室段、下游段。上游段包括上游翼墙、铺盖、护底、两岸护坡及上游防冲槽。它的作用是引导水流平顺地进入闸室，上游翼墙的作用引导水流平顺地进入闸孔并起侧向防渗作用。铺盖主要起防渗作用，其表面应满足抗冲要求。护坡、护底和上游防冲槽保护两岸土质、河床及铺盖头部不受冲刷。上游段有扭面铺盖段，扭面采用M10 浆砌石，与旧闸下游护坡相连接，边坡与旧边坡保持一致1：3；河底高程10m，扭面顶部高程74.93m；铺盖长15m，厚度0.3m，采用C20 钢筋混凝土。闸室段包括底板、闸墩、闸门、
7、胸墙、工作桥、及交通桥等。底板是闸室的基础，承受闸室全部荷载，并均匀地传给地基，此外，还有防冲、防渗等作用。闸墩作用是分隔闸孔并支承闸门、工作桥等上部结构。闸门作用是挡水和控制下泄水流。工作桥拱安置启闭机和工作人员操作之用。交通桥的作用是连接两岸交通。闸室段长30米，采用C25 混凝土，中墩厚度1.5m，底板厚度1.5m，底板顶部高程11.5m；墩顶高程19.6m；闸门采用钢闸门。上部为C25 砼排架结构，启闭机室，20t 启闭机5 台；启闭机室采用框架结构，现浇C25 砼启闭机梁板及屋面。下游段包括护坦、海漫、下游防冲槽、下游翼墙及护坡等。下游翼墙引导水流均匀扩散兼有防冲及侧向防渗等作用。护
8、坦具有效能防冲作用。海漫的作用是进一步消除护坦出流的剩余动能，扩散水流，调整流速分布，防止河床受冲。下游防冲槽的作用是避免冲刷向上游扩展。下游段包括护坦、消力池、扭面和海漫护坡。消力池厚度0.8m，海漫高程10.05m；护坡顶部高程19.5m。二、 水闸设计与布置闸址选择合理与否将直接影响到水闸工程量的大小、施工条件、安全运用及水闸建成后的效益，是一大问题。影响闸址选择的因素较多，各种水闸承担的任务不同，对闸址的要求也不完全一致。对进水闸来说，主要应考虑一下方面：2.1 设计依据1.闸址位置应尽量使水流平顺，减少泥沙入渠，所以应选在基本稳定的河道凹岸，并具有一定的引水角，以保证可靠地引取水流。
9、2.地基条件地基条件是闸址选择的一个十分重要的因素。不论何种形式的水闸，以尽可能选择在质地均匀、结构紧密、防渗能力较好、承载力较强的地基上。3.施工条件应可能靠近天然建筑材料产区，交通方便，能源充足，且闸址附近有足够的施工场地，施工导流布置方便。4.居民点拆迁少。5.建成后便于管理养护等。2.2闸孔设计1闸孔型式选择闸孔型式一般有宽顶堰型、低实用堰和胸墙孔口型三种。它们的特点为：宽顶堰型是水闸中最常用的底板结构型式。其主要优点是结构简单、施工方便、泄流能力比较稳定，有利于泄洪、排沙、排淤、通航等；其缺点是自由泄流时流量系数较小，容易产生波状水跃。低实用堰型有梯形、曲线型、和驼峰型。实用堰自由泄
10、流时流量系数较大，水流条件较好，选用适宜的堰面曲线可以消除波状水跃；但泄流能力受尾水位变化的影响较为明显，当s h 0.6H 以后，泄流能力将急剧降低，不如宽顶堰泄流时稳。上游水位较大时，采用这种孔口形式，可以减小闸门开度。胸墙孔口型用于上游水位变幅较大，过闸流量较小时，常采用胸墙孔口型。可以减小闸门高度和启闭力，从而降低工作桥高和工程造价。本设计地点在平原地区，水头差较小，上游水位变幅不大，要求泄流能力稳定，从而排除低实用堰型和胸墙孔口型，采用宽顶堰型。2闸底板高程的确定底板应置于较为坚实的土层上，并应尽量利用天然地基。在地基强调能够满足要求的条件下，底板高程定得高些，闸室稳定得高些，闸室宽
11、度大，两岸连接建筑物相对较低。对于小型水闸，由于两岸连接建筑在整个工程中所占比重较大，因而总的工程造价可能是经济的，在大型水闸中，由于闸室工程量所占比重较大，因而适当降低底板高程，常常是有利的。当然，底板高程也不能定的太低，否则，由于单款流量加大，将会增加下游效能防冲的工程量，闸门增高，启闭设备的容量也随之增大。选择底板高程前，首先确定合适的最大过闸单宽流量，它取决于闸下游河渠的允许最大单宽流量。允许最大过闸单宽流量可按下游河床允许最大单宽流量的1.21.5 倍确定。一般情况下，节制闸的底板顶面可与河床齐平。考虑经济条件，本设计采取底板顶面与河床齐平。3闸孔宽度计算本闸设计流量Q=120m3/
12、s，上下游渠道水深均2.42m，闸前流速V0=0.99 m/s，设闸前壅高水位为0.1m, 闸上、下游水位分别为74.03 m、73.93m，则闸上水深h=2.42m,hs=2.32m。闸孔总净宽可根据公式：B0闸孔总净宽，m；Q过闸流量，m3/s;H0计入行在内的进流速堰上水深，m；g重力加速度，取9.81，m/s2;m堰流流量系数，可采用0.385；堰流侧收系数，可由表2-1查得；堰流淹没系数，对于宽顶堰由表2-2查得，表中hs为堰顶下游水深，m；B0/bs= =0.55根据表2-1查得=0.934所以=1B0= 23.09m取B0=25m校核流量，根据因此计算的过水能力与设计流量的差值相
13、差不大符合要求。表2-1 值B0/bs0.20.330.40.50.60.70.80.91.00.9090.9110.9180.9280.9400.9530.9680.9831.000表2-2宽顶堰值hs/H00.720.750.780.800.820.840.860.880.900.911.000.990.980.970.950.930.900.870.830.80hs/H00.920.930.940.950.960.970.980.990.9950.9980.770.740.700.660.610.550.470.360.280.194分孔及总宽度根据水闸净宽，分成 55孔。中墩厚度1.5
14、m、边墩厚度1m，闸室总宽度l=25+41.5+12=33m5确定闸顶高程 为了保证运用管理安全，闸顶高程应高于校核洪水位，闸顶上游高程应高于波浪高度，其与正常蓄水位或校核洪水位的高差h由下式确定 （2-1）式中h防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；h1%超值累积频率为1%时波浪高度，m；hz波浪中心线高出正常蓄水位或校核洪水位的高度，m；hc安全超高，m查表2-1.表 2-1安全超高hc（m）值表水工建筑物安全级别正常蓄水位 （设计洪水位）0.70.50.4校核洪水位0.50.40.3 （2-2） （2-3）式中v0计算风速，m，是指水面以上10m处10min的多年最大风速平均值，水库为正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应洪水期多年平均最大风速的1.52.0倍，校核洪水位时，宜采用洪水期最大风速的多年平均值。D风区长度（有效吹程），m，是指风作用于水域的长度，为自坝前沿风向到对岸的距离；当风区长度内水面由局部缩窄，且缩窄处的宽度B小于12倍计算波长时，用风区长度 D=5B（也不小于坝前到缩窄处的距离）；水域不规则时，按规范要求计算。三、 消能防冲设计水闸的消能防冲包括消力池、海漫和防冲槽等主要内容。3.1消力池设计
