某水闸设计计算书.docx

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某水闸设计计算书

一、基本资料

1.水位

水闸计洪水位2.96m（P=1%）

堤防设计洪水位2.88m（P=2%）

历史最高洪水位2.60m

河最高控制水位1.30m

河设计运行水位-0.30m

2工程等级及标准

联围为

建筑物为3

2级堤围，其主要建筑物为级，临时性建筑物为4级。

2级建筑物，次要

3风浪计算要素

计算风速根据《河道堤防、水闸及泵站水文水利计算》中“相应年最高潮位日的最大风速计算成果表”查得为

V=36m/s（P=2%）。

吹程在1：

500实测地形图上求得D=300m

闸前平均水深Hm=6.0m

4地质资料

根据××××××××××××院提供的《**水闸工程勘察报

告》。

5地震设防烈度

根据《×××省地震烈度区划图》，*属7度地震基本

烈度地区，故×××水闸重建工程地震烈度为7度。

6规定的安全系数

对于2级水闸，规规定的安全系数见下表1.6-1。

表1.6-1

闸室基底应力最大值

荷载组合

抗滑安全系数〔kc〕与最小值之比的允许

值

基本荷载组合

1.30

1.5

特殊荷载组合

1.15

2.0

正常潮水位+地震

1.05

2.0

二、基本尺寸的拟定及复核

2.1抗渗计算

2.1.1渗径复核如下图拟定的水闸底板尺寸：

如下图拟定的水闸底板尺寸：

L=0.5+0.7*2+6+0.5+0.5+1.3+0.5+0.76*2+16.4+0.5

+1.3+0.7*2+0.5+0.7*2+6+0.5+0.5=40.72m

根据《水闸设计规》SL265-2001第4.3.2条表4.3.2,×

××水闸闸基为换砂基础，渗径系数取C=7则：

设计洪水位下要求渗径长度：

L=C△H=7×[2.96-（-0.30）]=22.82m

∴L实〉L

∴满足渗透稳定要求。

2.2闸室引堤顶高程计算

闸侧堤顶高程按《堤防工程设计规》（GB50286—98）

中的有关规定进行计算。

其公式为：

Y

R

eA

0.0018（gF）0.45

gH

gd

013th[0.7（

）

0.7

]th{

V2

V

2

V2

gd

0

.7

0.13th[0.7（V2

）

}

]

gT

13.9（

gH

）

0.5

V

V

2

2

2d

L

gT

th

L

2

eKV2Fcos2gd

RpK△KVKPROH

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—安全超高（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）。

L—堤前波浪的波长（m）。

d—水域的平均水深。

K—综合摩阻系数，取K=3.6×10-6。

β—风向与垂直于堤轴线的法线的夹角（度）。

Rp—累积频率为p的波浪爬高。

K△—斜坡的糙率及渗透性系数，取0.80。

Kv—经验系数。

Kp—爬高累积频率换算系数。

R0—无风情况下,光滑不透水护面（K△=1）、H=1m

时的爬高值。

设计工况的设计潮水位为2.88m（P=2%），计算风速为

V=36m/s；风区长度F=300m；风区的平均水深d根据实测地

形图求得为6.0m。

经计算：

gH

0.0025

求得平均波高

H

=0.34m，

V2

gT

0.702

求得平均波周期T=2.58s，

V

平均波长L=10.34m，风壅水面高度e=0.01m，经验系数Kv由附录C表C.3.1-2求得为1.289，爬高累积频率换算系数Kp由附录C表C.3.1-3求得为2.07，R0由附录C表C.3.1-4求得为1.24，则计算得波浪爬高：

Rp=0.8*1.289*2.07*1.24*0.34=0.90m；

堤顶的设计安全超高值按2级堤防，由规取为A=0.8m，

则堤顶的超高值Y为1.71m，堤顶的计算高程为4.59m，考

虑到沉降的因素，结合干堤现状则设计堤顶高程取为4.90m。

2.3闸顶高程计算

闸顶高程按《水闸设计规》中的有关规定进行计算。

其计算公式为：

Z

h0

hp

hzA

0.0018

gD

）

0.45

ghm

gH

（

2

m

）

0.7

]th{

v0

}

2

0.13th[0.7（

2

gHm

v0

v0

0.13th[0.7（

）

0.7

]

v0

2

gTm

13.9（gh2m）0.5

v0

v0

Lm

gTm

2

th

2H

2

Lm

hz

hp

2

cth

2H

Lm

Lm

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）。

D—风区长度（m）。

Hm—风区的平均水深（m）。

Tm—平均波周期（s）。

Lm—平均波周长（m）。

H—闸深水深（m）。

hp—相应于波列累积频率p的波高（m）。

hz—波浪中心线超出计算水位的高度（m）。

设计工况的设计潮水位为h0=3.48m（P=1%），相应设计

最大风速为V0=40m/s；风区长度为300m；风区的平均水深

Hm根据实测地形图求得为6.05m；相应求得平均波高

hm=0.38m，平均波周期Tm=2.74s，平均波长Lm=11.58m；由

附录E表E.0.1-1查得波列累积频率为1%，再由hm/Hm=0.06，查附录E表E.0.1-2得hp/hm=2.34，则设计风浪波高hp=0.89m；求得hz=0.22m；水闸的设计安全超高值按水闸级别为2级由

规取A=0.4m，则水闸在设计工况下的闸顶高程

Z=2.96+0.89+0.22+0.4=4.47m。

根据《水闸设计规》，位于防洪（挡潮）堤上的水闸，

其堤顶高程不得低于防洪（挡潮）堤堤顶的高程，则本次

设计的闸室顶高程取为4.90m。

三、闸室稳定计算

闸室稳定及闸底应力计算采用两种组合三种工况

基本荷载组合:

a.外江设计水位（H0=2.96m）、闸正常水位

（H1=-0.30）

b.完建期

特殊荷载组合:

c.外江平均低潮水位、闸正常水位

（H1=-0.30），加地震荷载

闸室稳定计算按设计洪水位组合计算水重、静水压力、扬压力、浪压力+土压力+风压力+闸室自重，闸前设计水位为2.96m，闸后设计水位为-0.30m，风速取100年一遇相应年最高潮位日的最大风速

为40m/s。

其中钢筋混凝土梁、板、墙、边墩容重取

3

25KN/m。

荷载计算：

（1）底板重：

（18*6.4*0.7+0.8*0.5*3*6.4）*25=2208KN

；

（2）闸墩1：

13.5*6.7*0.7*2*25=3166KN；

闸墩2：

（6.7+4.9）/2*4.5*0.7*2*25=914KN；

闸墩3：

0.5*1.2*6.8*4*25+0.5*1.2*5.8*2*25=582KN

交通桥:

0.3*5.5*6.5*25+（0.2*0.25+0.2*0.3+0.4*0.15）*5.5*25*2=315KN桥面铺装：

6*0.1*5.5*25=83KN

（4）闸门：

65KN；

架（6.4*2.7*2+4*2.7*2-1.5*2.1*3-1.2*6）*（0.18*19+0.025*20）*1.2+334

=520KN；

（6）闸外水重:

4.3*4.76*5*10=1023.4KN；

（7）闸水重:

13.3*5*1.5*10=997.5KN；

（8）闸外水压力

1：

4.91*4.91/2*5*10=602.7

KN；

（9）闸外水压力

2：

2.59*1.55*10*5=200.7

KN

（10）闸外水压力3：

0.5*5*1.55*1.55*10=60.1KN

；

（9）闸水压力1:

1.65*1.65/2*5*10=68.1KN

；

闸水压力2：

5*0.67*1.55*10=51.9

KN；

闸水压力3：

0.5*5*1.55*1.55*10=60.1KN

；

（10）

浮托力:

（18*2.2+0.4*3）*6.4*10

=2611.2KN；

（11）

渗透压力1:

1.92*18/2*6.4*10=1055.9KN

；

渗透压力2:

0.67*18*6.4*10=771.8；KN；

（12）地震惯性力:

底板:

闸墩:

闸顶刚架

稳定计算：

0.1*9.81*0.25*2208*1.0/9.81=55.2KN

0.1*9.81*0.25*4661.25*1.5/9.81=174.8KN

0.1*9.81*0.25*520*4/9.81=52KN

建成无水情况下水闸稳定计算

竖向力

竖向力

水平力

水平力

力臂

逆时针

顺时针

底板

2208

9

19872

边墩1

3165.8

6.75

21368.8

边墩2

913.5

15.63

14281.3

边墩3

204

9

1836

边墩4

174

17.75

3088.5

边墩5

204

0.25

51

交通桥

314.88

10.25

3227.47

桥面铺装

82.5

10.25

845.625

工作便桥

27.5

6.25

171.875

闸门

65

4.485

291.525

汽车荷载

200

10.25

2050

刚架

519.86

4.485

2331.55

合计

8079

69415.7

合力矩X=

M

=69415.7=8.59

G

8079

偏心矩e=l

-x=18-8.51=0.41

2

2

地基应力

PBA=

G（1

6e）

BL

L

=

8079

*[1

6*0.41]

6.4*18

18

=79.67（KN/m

60.60（KN/m

2

2

）

）

η=79.67=1.31

60.60

2、设计洪水情况:

设计洪水情况下水闸稳定计算

竖向力

竖向力

水平力

水平力

力臂

逆时针

顺时针

上部结构

8079

69415.7

闸前水重

1023.4

2.15

2200.31

闸后水重

997.5

11.35

11321.6

闸前水压力1

602.7

3.187

1920.61

闸前水压力

2

200.73

0.78

156.566

闸前水压力

3

60.063

0.52

31.2325

闸后水压力1

68.063

2.05

139.53

闸后水压力2

51.925

0.778

40.398

闸后水压力3

60.063

0.52

31.233

浮托力

2611.2

9

23501

0

渗透压力1

1105.9

6

6635.5

0

渗透压力2

771.84

9

6946.6

0

合计

10100

4489

863.49

180.05

37294

85046

5610.9

683.44

47752

①求综合摩擦系数；

根据《水闸设计规》中闸室基础底面与地基土之间的摩擦系数

可按公式f0=（∑Gtgφ0+C0A）/∑G计算。

对于粘性土地基，φ0值可采用室饱和固结快剪试验摩擦角φ值的90%，C0值可采用室饱和固结快剪试验凝聚力C值的30%。

根据根据国家电力公司中南勘

测设计研究院提供的《×××市番禺区灵山镇×××水闸工程

勘察报告》×××水闸闸基为换砂基础，取

C=3KPa，φ=15.10。

∴C=0.3×3=0.9Kpa；

φ=0.9×15.1

0

=13.9

0

；

0

0

∴f0=（Gtgφ0+C0A）/G

=（5610.9×tg13.90+0.9×18×6.4）/5610.9=0.266；

∴，综合摩擦系数f=0.30；

②抗滑稳定安全系数；

Kc=f∑G/∑H=（0.266×5610.9）/683.4=2.18＞[Kc]=1.30③抗倾稳定安全系数:

KL=M抗/M倾=85046/37294=2.28＞[KL]=1.50；

∴满足抗滑、抗倾稳定要求。

④抗浮稳定安全系数:

Kf=∑V/∑U=10100/4489=2.25＞[Kf]=1.10∴满足抗浮稳定要求。

合力矩X=

M

=47752=8.51

G5610.9

偏心矩e=l

-x=18-8.51=0.49

2

2

地基应力

PBA=

G（1

6e）

BL

L

=5610.9

*[1

6*0.49]

6.4*18

18

2

=56.65（KN/m）

2

40.76（KN/m）

η=56.65=1.39

40.76

3、正常蓄水+地震荷载情况:

（地震惯性力方向指向闸）

正常蓄水位+地震荷载情况下水闸稳定计算

竖向力

竖向力

水平力水平力

力臂

逆时针

顺时针

上部结构

8079

69415.7

闸前水重

666.5

2.15

1432.98

闸后水重

997.5

11.35

11321.6

闸前水压力1

398.94

2.633

1050.54

闸前水压力2

98.425

0.78

76.7715

闸前水压力3

60.063

0.52

31.2325

闸后水压力1

68.063

2.05

139.53

闸后水压力2

51.925

0.778

40.398

闸后水压力3

60.063

0.52

31.233

浮托力

2611.2

9

23501

0

渗透压力1

1105.9

6

6635.5

0

渗透压力2

771.84

9

6946.6

0

地震惯性力

282

1296

合计

9743

4489

557.43

180.05

37294

84624.8

5254

377.38

47330.8

抗滑稳定安全系数；

Kc=f∑G/∑H=（0.266×5254）/377.4=3.70＞[Kc]=1.30

抗倾稳定安全系数:

KL=M抗/M倾=84624.8/37294=2.27＞[KL]=1.50；

∴满足抗滑、抗倾稳定要求。

抗浮稳定安全系数:

Kf=∑V/∑U=9743/4489=2.17＞[Kf]=1.10

合力矩

X=

M

=47331=9.01

G

5254

偏心矩e=l-x=18-9.49=-0.01

22

地基应力PBA=

G（1

6e）

=

BL

L

5254

*[1

6*（0.01）]

6.4*18

18

=45.61（KN/m

45.49（KN/m

2

2

）

）

η=45.61=1.00

45.46

通过计算在上述三种工况下，闸室均能满足抗滑、抗倾稳定要求，基底应力不均匀系数满足规要求；

4、正常蓄水+地震荷载情况:

（地震惯性力方向指向闸外）

竖向力

竖向力

水平力

水平力

力臂

逆时针

顺时针

上部结构

8079

69415.7

闸前水重

666.5

2.15

1432.98

闸后水重

997.5

11.35

11321.6

闸前水压力1

398.94

2.633

1050.54

闸前水压力2

98.425

0.78

76.7715

闸前水压力

3

60.063

0.52

31.2325

闸后水压力

1

68.063

2.05

139.53

闸后水压力2

51.925

0.778

40.398

闸后水压力3

60.063

0.52

31.233

浮托力

2611.2

9

23501

0

渗透压力1

1105.9

6

6635.5

0

渗透压力2

771.84

9

6946.6

0

地震惯性力

282

1296

合计

9743

4489

557.43

462.05

38590

83328.8

5254

95.375

44738.8

抗滑稳定安全系数；

Kc=f∑G/∑H=（0.266×5254）/95.4=5.54＞[Kc]=1.30

抗倾稳定安全系数:

KL=M抗/M倾=153241/63359=2.49＞[KL]=1.50；

∴满足抗滑、抗倾稳定要求。

抗浮稳定安全系数:

Kf=∑V/∑U=17498.8/7036.9=2.49＞[Kf]=1.10

合力矩X=

M=89882=8.59

G

10461

偏心矩e=l

-x=

18-8.59=0.41

2

2

地基应力

PBA=

G（1

6e）

=

BL

L

10642

*[1

6*0

.41]

10*18

18

2

=66（KN/m）

2

50.2（KN/m）

η=66=1.32

50.2

通过计算在上述三种工况下，闸室均能满足抗滑、抗倾稳定要

求，基底应力不均匀系数满足规要求；但基底应力较大，需进行基

础处理。

四、空箱翼墙稳定及墙底应力计算

采用两种工况

a.完建期`

b.外江设计水位（H0=1.2m）、闸正常水位（H1=0.00）

钢筋混凝土容重取

3

3

25KN/m，填土天然容重取

18.5KN/m

填土饱和容重取19.0KN/m3

填土等代摩擦角取300

工况一：

底板：

5.0*11*0.5*25=687.5KN

墙身：

1239+8*25=1439KN

土体重：

（1*6*4.9+3.25*4.1）*18.5=790.4KN

土压力：

4.9*4.9/3/2*6*18.5+4.1*4.1/3/2*18.5*3.25KN

=612.6KN

浮力：

（0.5*5*11+1.25*5/2*0.5）*10=290.6KN

荷载名称

荷

载（KN）

力臂

力矩

底板

687.5

2.5

1718.75

墙身

1439

2.5

3597.5

土体重

790.4125

4.5

3556.856