水闸计算案例

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：

目 录

一、基本设计资料 ....................................................................................................... 1

1.1 堤防设计标准 ........................................................................................................................................... 1 1.2 水闸设计标准 ........................................................................................................................................... 1 1.3 特征水位 ................................................................................................................................................... 1 1.4 结构数据 ................................................................................................................................................... 2 1.5 水闸功能 ................................................................................................................................................... 2 1.6 地基特性 ................................................................................................................................................... 2 1.7 地震设防烈度 ........................................................................................................................................... 3

二、闸顶高程计算 ....................................................................................................... 4

2.1 按《水闸设计规范》中的有关规定计算闸顶高程 ................................................................................ 4 2.2 按《堤防工程设计规范》中的有关规定计算堤顶高程 ........................................................................ 5 2.3 闸顶高程计算结果 ................................................................................................................................... 7 2.4 启闭机房楼面高程复核计算 ................................................................................................................... 8

三、水闸水力计算 ....................................................................................................... 9

3.1 水闸过流能力复核计算 ........................................................................................................................... 9 3.2 消能防冲计算 ..........................................................................................................................................11

四、渗流稳定计算 ..................................................................................................... 21

4.1 渗流稳定计算公式 ................................................................................................................................. 21 4.2 闸侧渗流稳定计算 ................................................................................................................................. 22 4.3 闸基渗流稳定计算 ................................................................................................................................. 24

五、闸室应力稳定计算 ............................................................................................. 28

5.1 计算工况及荷载组合 ............................................................................................................................. 28 5.2 计算公式 ................................................................................................................................................. 29 5.3 计算过程 ................................................................................................................................................. 31 5.4 计算成果及分析 ..................................................................................................................................... 31

六、闸室结构配筋计算 ............................................................................................. 32

6.1 基本资料 ................................................................................................................................................. 32 6.2 边孔计算 ................................................................................................................................................. 33 6.3 中孔计算 ................................................................................................................................................. 50 6.4 胸墙计算 ................................................................................................................................................. 50 6.5工作桥配筋及裂缝计算 .......................................................................................................................... 52 6.6 闸门锁定座配筋及裂缝计算 ................................................................................................................. 53 6.7 水闸交通桥面板计算 ............................................................................................................................. 56

七、翼墙计算 ............................................................................................................. 57

7.1 计算方法 ................................................................................................................................................. 57 7.2 计算工况 ................................................................................................................................................. 58

1

7.3 计算过程（具体计算详见堤防设计计算书案例） .............................................................................. 58 7.4 计算成果 ................................................................................................................................................. 59 7.5 配筋计算 ................................................................................................................................................. 59

八、其他连接挡墙计算 ............................................................................................. 60

8.1 埋石砼挡墙计算（具体计算详见堤防设计计算书案例） .................................................................. 60 8.2 埋石砼挡墙基础处理 ............................................................................................................................. 61 8.3 中控楼浆砌石墙计算（具体计算详见堤防设计计算书案例） .......................................................... 62

九、上下游护岸稳定计算 ......................................................................................... 63

9.1 计算断面的选取与假定 ......................................................................................................................... 63 9.2 计算工况 ................................................................................................................................................. 63 9.3 计算参数 ................................................................................................................................................. 63 9.4 计算理论和公式 ..................................................................................................................................... 64 9.5 计算过程（具体计算详见堤防设计计算书案例） .............................................................................. 65 9.6 计算结果 ................................................................................................................................................. 65

十、施工围堰计算 ..................................................................................................... 66

10.1导流级别及标准 .................................................................................................................................... 66 10.2围堰顶高程确定 .................................................................................................................................... 66 10.3围堰稳定计算（具体计算详见堤防设计计算书案例） ..................................................................... 67

十一、基础处理设计计算 ......................................................................................... 69

11.1 闸室基础处理设计计算 ....................................................................................................................... 69 11.2 翼墙基础处理设计计算 ....................................................................................................................... 73

十二、闸室和翼墙桩基础配筋计算 ......................................................................... 75

12.1 计算方法 ............................................................................................................................................... 75

12.2 计算条件 ............................................................................................................................................... 75 12.3 第一弹性零点到地面的距离t的计算................................................................................................ 75 12.4 桩的弯距计算 ....................................................................................................................................... 76 12.5 桩顶水平位移Δ计算 ......................................................................................................................... 76 12.6 配筋计算 ............................................................................................................................................... 76 12.7 灌注桩最大裂缝宽度验算 ................................................................................................................... 78

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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〔2005〕147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[2005]147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[2007]98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Ⅲ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；

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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

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－Ⅱ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10.90～19.05m。该层软土具地基承载力低，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

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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》（GB50011-2001）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。

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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h0＝3.55m(珠基,下同)，设计风速采用重现期为50年的年最大风速28m/s；校核挡潮工况的潮水位取历史最高潮位计算，即h0＝3.66m，风速采用多年平均年最大风速，即V0＝16.0m/s。 2.1.2 计算公式

闸顶高程按《水闸设计规范》（SL265－2001）中有关规定进行计算，相关公式如下：

Z?h0?h1%?hz?A

gT2?H Lm?mth2?Lm0.45????gD?0.0018??2?0.7?????gH????ghm??0??m?????0.13th0.7th ?22?0.7????0??gHm?????0????0.13th?0.7??2????????????0?????2gTm?0hz??ghm???13.9???2? ?0?0.5?hp2Lmcth2?H Lm式中： Z—闸顶高程（m）；

h0—计算潮水位（m）；

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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 挡潮水位（m） 计算风速（m/s） 吹程（m） 平均水深Hm（m） 设计波高hp（m） hz（m） 安全超高A（m） 闸顶高程Z（m） 设计挡潮工况 3.55 28.0 452 6.23 0.66 0.15 0.70 5.06 校核挡潮工况 3.66 16.0 452 6.34 0.37 0.08 0.50 4.61 2.2 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

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设计工况取设计挡潮工况，该工况相应参数为：设计潮水位为3.55m（P＝2%），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：

Y?R?e?A

0.45??gF???0.0018??2?0.7??g H???gd??V??0.13th0.7th ?????220.7?V???V????0.13th?0.7?gd?????2???????V?????gT2?d L?th2?LgTgH?13.9(2)0.5 VV2Rp?KKVKp?1?me2HL

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）；

H— 平均波高（m）； T— 平均波周期（s）；

V—计算风速（m/s）； F—风区长度（m）；

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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—综合摩阻系数，取K=3.6310-6；

β—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=ctgα，α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 挡潮水位（m） 计算风速（m/s） 吹程（m） 水域平均水深d（m） 设计波浪爬高R（m） 设计风壅增水高度e(m) 安全超高A（m） 计算堤顶高程Z（m） 设计挡潮工况 3.55 28.0 452 6.23 0.91 0.01 1.00 5.47 备注 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,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

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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+0.5＝10.65m，启闭机房楼面高程为11.55m，富余为0.9m，满足启闭要求。

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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/H0≥0.9），根据《水闸设计规范》SL265-2001附录A.0.2规定的水力计算公式：

B0?Q?0hs2g?H0?hs?

2?hs???0?0.877???0.65?H?

?0?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）； μ0—淹没堰流的综合流量系数。

综上，根据主要参数：单孔净宽bo＝7m，孔数N＝8，总净宽Bo＝56m，底板面高程-2.20m，中墩厚dz＝1.20m，分缝墩厚dz＝2.00m，边墩参数bb＝1.00m。根据中水[2005]14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1.60m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0.1～0.3m”，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。

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水闸排涝过流能力成果表 单位： m3/s

流 量 (m3/s) 闸内水位(m) 1.60 1.50 1.40 1.30 1.20 1.10 1.00 0.90 0.80 1.50 284.8 1.40 385.3 277.0 1.30 451.7 374.3 269.1 闸 外 水 位 1.20 1.10 1.00 0.90 438.3 363.3 261.3 424.9 352.3 253.5 411.4 341.2 245.7 398.0 330.2 237.8 (m) 0.80 0.70 0.60 0.50

384.6 319.2 230.0 371.2 308.2 222.2 357.8 297.2 344.5 排涝工况闸门开度控制表(最大流量207m/s) 单位：m 内河水位 外江水位 1.60 1.30 1.00 0.70 0.40 0.14 1.60 - √ 2.26 1.37 0.95 0.71 1.30 - - √ 2.27 1.31 0.93 1.00 - - - √ √ 1.40 0.80 - - - √ √ √ 3

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。

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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0.1～0.3m”，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) 闸内水位(m) -0.20 闸外水位(m) -0.10 151.9

-0.06 177.7 0.00 209.4 0.10 285.5 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 2.48 2.18 1.88 1.58 1.28 0.98 0.68 0.38 0.08 -0.20 0.80 0.60 0.68 0.89 1.24 √ √ 0 0 0 0 0.50 0.53 0.58 0.67 0.89 1.20 √ √ 0 0 0 0.20 0.46 0.51 0.56 0.64 0.84 1.19 √ √ 0 0 -0.10 0.36 0.37 0.45 0.53 0.62 0.75 1.22 √ √ 0 -0.20 0.36 0.37 0.38 0.41 0.54 0.67 0.99 √ √ √ 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

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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 排洪工况 引水工况 3.2.2 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： ① 消力池深度计算

消力池深度按下列公式进行计算：

?? d??0hc?hs??Z

2??b?0.25hc?8?q1hc??1??1??3?b?? ?2?ghc???2?闸内水位（m） 闸外水位（m） 最大流量（m3/s） 1.60 0.14 207 -0.20 2.48 174.8 ??q2 h?Th??0 22g?3c20c ?Z??q22g?2hs?2??q22ghc?2

式中： d —消力池深度（m）；

σ0—水跃淹没系数，采用1.05； α—水流动能校正系数，采用1.05； q —过闸单宽流量（m2/s）；

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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）； ΔZ —出池落差（m）； hs′—出池河床水深（m）。

② 消力池长度计算

消力池长度按下列公式进行计算：

Lsj?Ls??Lj

? Lj?6.9??hc?hc??

??式中：Lsj —消力池长度（m）；

Ls —消力池斜坡段水平投影长度（m）； β—水跃长度校正系数，采用0.8； Lj —水跃长度（m）。 ③ 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 t?k1q?H? 抗浮 t＝k2U?W?Pm?b

式中： t —消力池底板始端厚度（m）（取消力池底板为等厚）；

ΔH′—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；

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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“-”；

γb-消力池底板的饱和重度(kN/m3)。

④ 海漫长度计算

当qs?H??1~9，且消能扩散良好时，海漫长度按下列公式进行计算：

Lp?Ksqs?H?

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。

⑤ 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： dm?1.1qm?hm ?v0?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

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消能防冲计算成果表

计算工况 闸内水位（m） 闸外水位（m） 过闸流量（m3/s） 消力池深（m） 消力池长度βLj（m） 消力池底板厚（m） 海漫长（m） 冲坑深度（m） 3.2.3 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 A＝tL确定，即： A?dmt1?m2

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m＝3。

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：

********************************************************************** 计算项目：消能工水力计算 排洪工况

********************************************************************** ---------------------------------------------------------------------- [ 消力池断面简图 ]

----------------------------------------------------------------------

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排洪工况 （计算） 1.60 0.14 207 － － － － － 排洪工况 （设计） 0.50 12.00 0.60 40.00 引水工况 （计算） -0.20 2.48 174.8 0.29 14.19 0.48 26.20 2.47 引水工况 （设计） 0.50 15.00 0.60 40.00

---------------------------------------------------------------------- [ 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/m^3) 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:1

序号 单宽流量 上游水位 下游水位 扬压力 (m3/s*m) (m) (m) (kPa) 1 3.700 1.600 0.140 32.850

----------------------------------------------------------------------

16

[ 计算过程 ]

----------------------------------------------------------------------

1、判断是否需要建消能工。

流速水头公式：

α*V^2/(2*g)，V=q/T

其中：q单宽流量(m^2/s)，T上游水头(m)，α水流动能校正系数。

计算收缩断面水深公式：

hc^3-T0*hc^2+α*q^2/(2*g*φ^2)=0

其中：hc收缩断面水深(m)，T0消力池底部以上的总水头(m)，φ流速系数。

计算跃后水深公式(矩形断面扩散渠槽自由水跃)：

hc'=hc/2*(sqrt(1+(8*α*q^2)/(g*hc^3))-1)*(b1/b2)^0.25

其中：hc'跃后水深(m)，b1消力池首端宽度(m)，b2消力池末端宽度(m)。

判断水跃型式的条件： hc'＞ht，远离式水跃 hc'= ht，临界水跃 hc'＜ht，淹没式水跃 其中：ht下游水深(m)。

若发生远离式水跃，则需要修建消能工，否则不需要。

序号 单宽流量 流速水头 上游总水头 收缩断面水深 跃后水深 下游水深 水跃型式 (m^3/s*m) (m) (m) (m) (m) (m)

1 3.700 0.051 3.851 0.492 2.177 2.340 淹没水跃

没有远离水跃产生，所以下游不需要修建消能工。

********************************************************************** 计算项目：消能工水力计算 引水工况

********************************************************************** ---------------------------------------------------------------------- [ 消力池断面简图 ]

----------------------------------------------------------------------

---------------------------------------------------------------------- [ 计算条件 ]

----------------------------------------------------------------------

17

计算工况：工况一：设计挡潮期：设计外水位3.55m，相应内水位0.5m； 工况二：校核挡潮期：校核外水位3.66m，相应内水位0.5m。 附工况一：设计挡潮期Excel表计算如下：

工况一：设计挡潮期改进阻力系数法公式 h=ξ2(q/k)一 确定地基计算深度Tc=Te=To=Lo=So=99∞183(地基计算深度)(地基有效深度)(透水地基实际深度)(地下轮廓线的水平投影长度)(地下轮廓线的铅直投影长度)二 分段计算阻力系数设计外水位设计内水位水头差h=总段数计算公式进/出口段3.550.53.053?O?1.5()1.5?0.441ST内部垂直段?y?2?Sln{ctg(1?)]}?4TL?0.7(S1?S2)T内部水平段?X?段数123渗流段名称13-1∑进口段水平段出口段阻力系数ξ0.72973.00000.72974.4594i水头损失hi修正后渗透水头h0.49912.05190.4991计算正确0.43042.18920.4304计算正确L18.0S3.0S10S20T969坡降0.1430.1220.1433.0计算正确三 进出口水头损失值及渗透压力局部修正进口段''0.4304hO=βhO=△h=ho-ho'=0.0687'3.0000S=T =9.0000'6.0000T=0.8624β'=出口段0.43040.06873.00009.00006.00000.8624

23

四 出口段渗透坡降(出逸坡降) 出口段水平段J=ho'/S'=J=ho/s0.1430.122五 渗透压力节点1234∑上下节点水节点水头头差3.05000.43042.61962.18920.43040.43040.0000计算正确计算正确经过修正3050.002619.00430.000.00间距3050.00431.002189.00430.00长度18000.000.0018000.000.00计算正确x0.0018000.0018000.00y431.002189.00430.00(x,y)0,43118000,218918000,430

计算结果见下表：

闸侧渗流稳定计算成果表

工 况 设计挡潮 校核挡潮 闸外水位 3.55 3.66 闸内水位 0.50 0.50 水平段渗透坡降 0.122 0.126 出口段渗透坡降 0.143 0.149 根据上表及本工程设计，闸侧回填粘土，闸侧设计、校核工况下水平段、出口段渗透坡降分别小于水平段允许渗流坡降0.30、出口段的允许渗流坡降0.60，说明闸侧防渗效果良好，不会发生渗透破坏、渗透稳定满足规范要求。 4.3 闸基渗流稳定计算

闸基防渗轮廓主要由闸底板上、下游侧护坦、齿墙、闸底板组成，防渗轮廓总长42.26m。 计算简图如下：

计算工况：工况一：设计挡潮期：设计外水位3.55m，相应内水位0.5m；

24

工况二：内河蓄水期：设计外水位-0.63m，相应内水位0.8m； 工况三：校核挡潮期：设计外水位3.66m，相应内水位0.5m； 工况四：检修期：设计外水位2.48m，相应内水位0.5m；

工况五：内河蓄水期＋7度地震：设计外水位-0.63m，相应内水位0.8m。

（说明：设计挡潮工况及校核挡潮工况为渗流稳定计算工况，其他工况作为闸室稳定计算提供渗透压力参数所用。）

附工况一：设计挡潮期Excel表计算如下：

25

工况一：设计挡潮期改进阻力系数法公式h=ξ2(q/k)一 确定地基计算深度Tc=Te=To=Lo=So=1017.981035.961.8(地基计算深度)(地基有效深度)(透水地基实际深度)(地下轮廓线的水平投影长度)(地下轮廓线的铅直投影长度)二 分段计算阻力系数设计外水位设计内水位水头差h=总段数计算公式进/出口段3.550.53.0515?O?1.5()1.5?0.441ST内部垂直段?y?2?Sln{ctg(1?)]}?4TL?0.7(S1?S2)T内部水平段段数123456789101112131415?X?渗流段名称13232323232323-1∑进口段水平段内部铅直段水平段内部铅直段水平段内部铅直段水平段内部铅直段水平段内部铅直段水平段内部铅直段水平段出口段阻力系数ξ0.49571.29330.07890.06100.08920.79220.08920.06100.08920.79220.08920.06100.07890.61460.46485.1502i水头损失hi修正后渗透水头h0.29360.76590.04670.03610.05280.46920.05280.03610.05280.46920.05280.03610.04670.36400.2753计算正确0.20420.85520.04670.03610.05280.46920.05280.03610.05280.46920.05280.03610.04670.48600.1533计算正确L12.0S1.1S10S20.700.800.800T108.98.98.29998.29998.28.98.99.5坡降0.1860.0710.0670.0720.0660.0570.0660.0720.0660.0570.0660.0720.0670.0820.2550.70.50.88.250.80.50.88.250.80.50.75.960.6计算正确0.700.800.80三 进出口水头损失值及渗透压力局部修正进口段''0.2042hO=βhO=△h=ho-ho'=0.0893h-1-△h=△h'=0.6765h-2-|△h'|0.0000△h\S=T =T'='β='出口段0.15330.12200.34720.00000.60009.50008.90000.55681.100010.00008.90000.6957四 出口段渗透坡降(出逸坡降) 出口段水平段J=ho'/S'=J=ho/s0.2550.072

26

五 渗透压力节点12345678910111213141516∑上下节点水节点水头头差3.05000.20422.84580.85521.99050.04671.94380.03611.90770.05281.85490.46921.38580.05281.33290.03611.29680.05281.24400.46920.77490.05280.72200.03610.68590.04670.63920.48600.15330.15330.0000计算正确计算正确经过修正3049.002845.001990.001943.001907.001854.001385.001332.001296.001244.00774.00722.00685.00639.00153.000.00间距3049.00204.00855.0047.0036.0053.00469.0053.0036.0052.00470.0052.0037.0046.00486.00153.00长度35960.000.0012000.000.00500.000.008250.000.00500.000.008250.000.00500.000.005960.000.00计算正确x0.0012000.0012000.0012500.0012500.0020750.0020750.0021250.0021250.0029500.0029500.0030000.0030000.0035960.0035960.00y204.00855.0047.0036.0053.00469.0053.0036.0052.00470.0052.0037.0046.00486.00153.00(x,y)0,20412000,85512000,4712500,3612500,5320750,46920750,5321250,3621250,5229500,47029500,5230000,3730000,4635960,48635960,153

计算结果见下表：

闸基渗流稳定计算成果表

工 况 设计挡潮 校核挡潮 内河蓄水期 检修期 内河蓄水期＋7度地震 闸外水位 3.55 3.66 -0.63 2.48 -0.63 闸内水位 0.50 0.50 0.8 0.5 0.8 水平段渗透坡降 0.072 0.075 0.034 0.047 0.035 出口段渗透坡降 0.255 0.265 0.067 0.166 0.067 闸基座落在淤泥质粘土层上，水平段允许渗流坡降值为[J]=0.25，出口段允许渗流坡降值为[J]=0.50。根据上表及本工程地质情况，各工况下水平段、出口段渗透坡降分别小于闸基水平段允许渗流坡降0.25、出口段的允许渗流坡降0.50，说明闸基防渗效果良好，不会发生渗透破坏、渗透稳定满足规范要求。

27

五、闸室应力稳定计算

5.1 计算工况及荷载组合

根据《水闸设计规范》（SL265-2001）第7.2.11条规定，计算闸室稳定和应力时的荷载组合分基本组合和特殊组合。

基本组合采用完建情况、设计洪水情况和正常蓄水位情况3种工况计算。 计算工况及荷载组合详见下表：

闸室稳定计算工况及荷载组合表

荷 载 组 合 闸外水位闸内水位计 算 工 况 (m) 完建期 基本组合 设计挡潮期 内河蓄水期 校核挡潮期 特殊组合Ⅰ 检修期 正常挡潮+7度地震 特殊组合Ⅱ 内河蓄水+7度地震 0.14 0.80 √ √ √ √ √ √ 2.48 2.48 0.50 0.50 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ -2.20 3.55 -0.63 3.66 (m) -2.20 0.5 0.80 0.50 自重 压力 √ √ √ √ √ √ √ 力 √ √ √ √ 力 √ √ √ 力 √ √ √ 荷载 静水 扬压浪压风压地震 完建情况闸外水位及闸内水位相同，取与闸室底板齐平，即-2.20m考虑。

设计洪水情况闸外水位取外江50年一遇设计洪潮水位3.55m，相应闸内水位为0.50m。 正常蓄水位情况闸外水位取外江多年平均低低潮水位-0.63m，闸内水位取内河正常蓄水位0.80m。

特殊组合采用校核洪水位情况、检修情况、挡潮地震情况和蓄水地震情况4种工况计算。 校核洪水位情况闸外水位取历史最高洪潮水位3.66m，相应闸内水位为0.50m。 检修情况闸外水位取外江多年平均高高潮水位为2.48m，相应闸内水位0.50m(两孔中一孔无水)。

28

挡潮地震情况闸外水位取外江多年平均高高潮水位为2.48m，相应闸内水位0.50m。 蓄水地震情况闸外水位取外江多年平均低潮水位0.14m，闸内水位取内河正常蓄水位0.80m。 5.2 计算公式

包括闸室沿基础底面的抗滑稳定计算、闸室基底应力、基底应力不均匀系数的计算。 5.2.1 闸室沿基础底面的抗滑稳定计算

根据《水闸设计规范》（SL265-2001），计算公式如下：

KC＝f∑G/∑H

式中：KC—沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；

f—闸室基底面与地基之间的摩擦系数，根据地质勘察勘察成果，考虑桩基作用，选取为0.25；

∑G—作用在闸室上的全部竖向荷载（kN）； ∑H—作用在闸室上的全部水平荷载（kN）。

在各种荷载组合工况下，闸室基底面抗滑稳定安全系数应满足Kc>[KC]，对于1级建筑物，抗滑稳定安全系数允许值[Kc]如下：

基本组合： [KC]=1.35 特殊组合Ⅰ： [KC]=1.20 特殊组合Ⅱ： [KC]=1.10 5.2.2 闸室基底应力计算

根据《水闸设计规范》（SL265－2001），计算公式如下：

P

maxmin??GA??MW

29

式中： P

maxmin

—闸室基底应力的最大值或最小值（MPa）；

∑G—作用在闸室上的全部竖向荷载（kN）；

∑M—作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的形

心轴的力矩(kN.m)；

A—闸室基础底面的面积(m2)；

W—闸室基础底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩(m3)。 平均基底应力：P?1max?Pmin) 2(P基底应力不均匀系数：η＝Pmax/Pmin

对于本工程地质情况，在各种荷载组合工况下，基底应力稳定计算应满足下列要求： 在各种计算情况下： P≤〔P允〕； Pmax≤1.2〔P允〕 基本组合： η≤1.50 特殊组合： η≤2.00

其中地震惯性力代表值根据《水工建筑物抗震设计规范》SL-97规定，采用进行拟静力法计算。

根据《水工建筑物抗震设计规范》（SL-203-97）第4.1.1条:一般情况, 水工建筑物可只考虑水平向地震作用；第4.2.1条：一般情况下，水工建筑物抗震计算应考虑的地震作用力：建筑物自重和其上的荷重所产生的地震惯性力、地震动土压力、水平向地震动水压力。

（1）沿建筑物高度作用于各质点的水平向地震惯性力代表值：

F=ahξGEiai/g ;

式中：ah—与设计烈度相对应的水平向设计地震加速度代表值，取0.1 g； ξ—地震作用效应折减系数,取0.25； GEi—集中在质点i的重力作用代表值；

30

ai—质点i的动态分布系数； g—重力加速度。

（2）动水压力作用在水面以下0.54 H0 处,其代表值F0按下式计算:

F0 =0.65 ahξpw H02 式中：pw—水体质量密度标准质;

H0—水深。

（3）作用于水闸上的地震动水压力：F3=0.65 ahξpw H02 5.3 计算过程

计算采用Excel电子表格进行计算（本算例只附设计挡潮期计算表）：

错误！链接无效。

5.4 计算成果及分析

闸室稳定计算成果见下表。

闸室稳定计算成果表

抗滑稳 项 目 计算工况 Pmax (kPa) 完建期 基本组合 设计挡潮期 内河蓄水期 特殊组合Ⅰ 校核挡潮期

不均匀系数允许值 [η] 抗滑稳定安全系数允许值 [KC] 基底应力及不均匀系数 定安全系数 Pmin (kPa) 63.52 55.86 61.49 53.72 P (kPa) 68.10 58.84 65.00 58.81 31

η 1.14 1.11 1.11 1.19 Kc 1.64 3.07 1.71 72.67 61.82 68.52 63.90 1.50 1.35 2.0 1.20 检修期 正常挡潮＋ 特殊组合Ⅱ 7度地震 内河蓄水＋ 7度地震 35.79 60.84 26.78 58.85 31.29 59.84 1.34 1.03 1.80 1.97 2.0 1.10 69.06 58.26 63.66 1.19 6.42 由计算可知，闸室抗滑稳定安全系数kc满足规范要求，而基底应力不均匀系数η也满足规范要求，基底平均应力最大值68.10kpa> 55kpa[淤泥土层地基承载力特征值(f=55kpa)]，基底应力最大值72.67kpa>(1.2355＝66kpa)，因此需对闸室地基进行处理。

六、闸室结构配筋计算 6.1 基本资料

6.1.1 主要计算依据规范

中华人民共和国行业标准《水工混凝土结构设计规范》（SL/T 191-96）和《水闸设计规范》（SL265-2001）等。

主要参数取值如下：

（1）结构所处环境类别：根据拱北水闸水文资料，多年平均低低潮水位为-0.63m，本次计算以-0.63m为分界点，-0.63m以上闸墩及胸墙按三类环境计算，-0.63m以下闸墩及底板按二类环境计算，其它露天结构按二类环境计算 （2）建筑物级别：1级

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（3）建筑物结构安全级别：Ⅰ级 （4）结构重要性系数（γ0）：1.1

（5）设计状况系数（φ）：对应于持久状况、短暂状况、偶然状况分别取为1.0、0.95、0.85； （6）结构系数（γd）：钢筋混凝土结构取1.20 （7）荷载分项系数（γG）：1.05 （8）可变荷载分项系数（γQ）：1.20 （9）受力钢筋基本最小配筋率：0.15％

（10）钢筋砼结构构件最大裂缝宽度允许值：根据《水闸设计规范》（SL265-2001）第7.1.2.2条，二类环境最大裂缝宽度计算值不应超过0.20mm，三类环境不应超过0.15mm

6.1.2 计算软件

理正结构设计工具箱——平面刚桁架及裂缝计算 理正结构设计工具箱——单块矩形板计算 理正结构设计工具箱——连续梁设计计算

6.2 边孔计算 6.2.1 内力计算

取最不利工况：对底板和墩墙不利工况考虑：

1、完建期：填土后，地下水位平齐底板面，此时对底板及边墩最不利

2、正常水位检修期：由初设计算成果可知，此时外河水位2.48m，内河水位0.5m，取闸外作为计算断面，此时2孔中一孔无水，对中墩最不利

3、设计挡潮期：由闸室稳定计算成果可知，此时外河水位3.55m，内河水位0.5m，取闸外作为计算断面，此时对缝墩最不利

三种工况的基底应力依据闸室稳定计算成果，计算如下所示：

33

基本数据部位底板边墩及缝墩刺墙中墩工作桥胸墙交通桥计算公式力（kN）竖直8462.406975.001002.754185.00161.00623.701250.201740.40274.6068.0024743.0517.2水平力臂(m)9.009.009.009.004.457.2612.70闸前底板取矩力矩(kN.m)正76161.6062775.009024.7537665.00716.454528.0615877.54负19.68*17.27.75*18*1*20.7*2*9.55*37.75*18*1.20.46*7*21.782*7*23.572*7*20.5*0.6*6*6+0.4*0.4*3.9*6+0.4*0.55*7.9*启闭房4+17*5*0.12*2+(17+5)*2*3.5*0.18闸门及预埋件(98.8+37+1.5)*234*2启闭机∑G=L=完建无水期部位前项扬压力-18*17.2*1*10∑G=X=∑M/∑ G=σ1＝∑G(1+6e/B)/B*L=σ2＝∑G(1-6e/B)/B*L=η＝计算公式6.0010442.406.001647.606.00408.00∑M=219246.40B=18地下水位-2.20m 力（kN）竖直24743.05-3096.0021647.058.8466.2173.621.11水平力臂(m)力矩(kN.m)正219246.40负-27864.00.009.00∑M=191382.40e=X-B/2=-0.16平均σ69.92满足要求不均匀系数 检修期部位前项车载闸室内水重闸室外水重内水压外水压浮托力渗透力55012*2.7*7*1*106*4.68*7*1*10-0.5*10*(2.7+0.15)^2*17.20.5*10*(4.68+0.15)^2*17.2-18*17.2*3.7*10-10*0.45*18*17.2-0.5*10*(1.26-0.45)*18*17.2计算公式外2.48m力（kN）竖直24743.05550.002268.001965.60-698.542006.29水平0.00力臂(m)内0.50m力矩(kN.m)正219246.40负-11455.20-1393.20-1253.88∑G(P)=15424.37X=∑M/∑ G=9.0750.9448.701.052.951307.7512.706985.0012.0027216.003.005896.801.802.464935.469.009.006.00∑M=139863.42e=X-B/2=0.07平均σ49.82满足要求满足要求-1257.36-103096.80-12538.80-7523.28不均匀系数抗滑系数σ1＝∑G(1+6e/B)/B*L=σ2＝∑G(1-6e/B)/B*L=η＝K=0.25∑G/∑P= 34

设计洪水期部位前项车载闸室内水重闸室外水重内水压外水压浮托力渗透力55012*2.7*7*2*106*5.75*7*2*10-0.5*10*(2.7+0.15)^2*17.20.5*10*(5.75+0.15)^2*17.2-18*17.2*3.7*10-10*0.69*18*17.2-0.5*10*(1.95-0.69)*18*17.2计算公式外3.55m力（kN）竖直24743.05550.004536.004830.00-698.542993.66水平0.00力臂(m)内0.50m力矩(kN.m)正219246.40负-11455.20-2136.24-1950.48∑G(P)=19117.13X=∑M/∑ G=8.8057.7165.791.142.082295.1312.706985.0012.0054432.003.0014490.001.802.828432.149.009.006.00∑M=168302.34e=X-B/2=-0.20平均σ61.75满足要求满足要求-1257.36-103096.80-19226.16-11702.88不均匀系数抗滑系数σ1＝∑G(1+6e/B)/B*L=σ2＝∑G(1-6e/B)/B*L=η＝K=0.25∑G/∑P=

1、完建期

填土后，地下水位平齐底板面，此时对底板及边墩最不利

35

由应力计算可知地基反力为69.92Kpa（标准值） q1＝69.92-2531+1031＝54.9Kpa（标准值）

设计值为54.931.05＝57.7 Kpa

q2＝rHtg(45°-φ/2)＝18.538.2531/3＝50.9Kpa（标准值）

设计值为50.931.2＝61.1 Kpa

2

2、检修期

取闸外作为计算断面，此时2孔中一孔无水，对中墩最不利

由应力计算可知地基反力为49.82Kpa（标准值） q1＝49.82-2531+103(3.7+1.26)＝74.4Kpa（标准值）

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设计值为74.431.05＝78.1 Kpa

q2＝49.82-2531-1034.68+103(3.7+1.26)＝27.6Kpa（标准值）

设计值为27.631.05＝29.0 Kpa

q3＝rHtg(45°-φ/2)＝18.538.2531/3＝50.9Kpa（标准值）

设计值为50.931.2＝61.1 Kpa q4＝rH＝1034.68＝46.8Kpa（标准值）

设计值为46.831.0＝46.8 Kpa

2

3、设计挡潮期

取闸外作为计算断面，此时对缝墩最不利

由应力计算可知地基反力为61.75Kpa（标准值）

q1＝61.75-2531-1035.75+103(3.7+1.95)＝35.8Kpa（标准值）

设计值为35.831.05＝37.6 Kpa

q2＝rHtg(45°-φ/2)＝18.538.2531/3＝50.9Kpa（标准值）

设计值为50.931.2＝61.1 Kpa q3＝rH＝1035.75＝57.5Kpa（标准值）

设计值为57.531.0＝57.5 Kpa

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