水利水电工程毕业设计闸门

目录

东风水闸设计原始数据 ...................................................................... 4 设计总说明 ......................................................................................... 6 DESIGN THE LEADER............................................................................ 8 第一章 水闸枢纽布置 .................................................................. 13

1.1 总体布置 ....................................................................................................................................................................13 1.1.1水闸位置时应考虑的几个因素.......................................................................................................13 1.2 结构布置 ....................................................................................................................................................................13 1.2.1闸室的结构布置 .................................................................................................................................13 1.2.2两岸连接布置......................................................................................................................................14 1.2.3防渗排水布置......................................................................................................................................15 1.2.4消能防冲布置......................................................................................................................................15

第二章 水闸的水力计算 .............................................................. 16

2.1 闸孔设计......................................................................................................................................................................16 2.1.1上下游水位的确定.............................................................................................................................16 2.1.2 闸孔尺寸设计 ..................................................................................................................................18 2.1.3 堰型选择 ...........................................................................................................................................19 2.1.4 闸墩厚度的选择 ..............................................................................................................................19 2.1.5 水闸泄流能力校核 .........................................................................................................................20 2.2 消能防冲设计 ...........................................................................................................................................................20 2.2.1 节制闸泄流特点： .........................................................................................................................20 2.2.2 消能设计条件 ..................................................................................................................................21 2.2.3 水闸的消能方式 ..............................................................................................................................21 2.2.4消力池设计 ..........................................................................................................................................22 2.2.5 海漫设计 ...........................................................................................................................................26 2.2.6防冲槽设计 ..........................................................................................................................................29 2.3 防渗排水设计 ...........................................................................................................................................................30 2.3.1 防渗设施布置 ..................................................................................................................................30 2.3.2 闸基防渗长度校核 .........................................................................................................................32 2.3.3 排水设施的设计 ..............................................................................................................................35

第三章 闸室及地基的抗滑稳定计算.............................................. 37

3.1 闸室轮廓尺寸的确定..............................................................................................................................................37 3.1.1 闸顶高程与闸门高度 .....................................................................................................................37

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3.1.2 底板形式及尺寸 ................................................................................................................................38 3.1.3 闸墩 ....................................................................................................................................................39 3.1.4 启闭设备 .............................................................................................................................................39 3.1.5 工作桥 ..................................................................................................................................................41 3.1.6 交通桥 ..................................................................................................................................................42 3.1.7各部分重量计算 .................................................................................................................................42 3.1.8 分逢与止水.......................................................................................................................................43 3.2 闸室稳定计算 ...........................................................................................................................................................43 3.2.1作用于闸室上的荷载和组合 ...........................................................................................................43 3.2.2闸室基底应力、抗倾及抗滑稳定验算 .........................................................................................45 3.2.3闸基深层滑动及地基沉降量计算 ..................................................................................................49

第四章 平面钢闸门设计 .............................................................. 51

4.1平面钢闸门的结构形式及布置 ..............................................................................................................................51 4.1.1 闸门尺寸的确定 ..............................................................................................................................52 4.1.2 主梁的形式.......................................................................................................................................52 4.1.3主梁的布置 ..........................................................................................................................................52 4.1.4 梁格的布置和形式 .........................................................................................................................52 4.1.5 联结系的布置和形式 .....................................................................................................................52 4.1.6 边梁与行走支承 ..............................................................................................................................53 4.2 面板设计 ....................................................................................................................................................................53 4.2.1 估算面板厚度 ..................................................................................................................................53 4.2.2面板与梁格的连接计算 ....................................................................................................................54 4.3 水平次梁、顶梁和底梁的设计 ............................................................................................................................55 4.3.1 荷载与内力计算 ................................................................................................................................55 4.3.2 截面选择 ...........................................................................................................................................56 4.3.3 水平次梁的强度验算 .....................................................................................................................57 4.3.4 水平次梁的挠度验算 .....................................................................................................................58 4.3.5 顶梁和底梁.......................................................................................................................................58 4.4主梁的设计 ..................................................................................................................................................................58 4.4.1 设计资料 ...........................................................................................................................................58 4.4.2截面选择...............................................................................................................................................59 4.4.3截面改变...............................................................................................................................................61 4.4.4 翼缘焊缝..................................................................................................................................................................61 4.4.5腹板的加劲肋和局部稳定验算.......................................................................................................62 4.4.6面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算 .......................................................................62 4.5 横隔板设计................................................................................................................................................................63 4.5.1 荷载和内力计算 ..............................................................................................................................63 4.5.2 横隔板截面选择和强度计算........................................................................................................63 4.6 纵向联结系设计.......................................................................................................................................................64 4.6.1 荷载和内力计算 ..............................................................................................................................64 4.6.2 斜杆截面计算 ..................................................................................................................................64 4.7 边梁设计 ....................................................................................................................................................................65

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4.7.1 荷载和内力计算 ..............................................................................................................................65 4.7.2 边梁的强度验算 ..............................................................................................................................66 4.8行走支承设计..............................................................................................................................................................67 4.8.1.胶木滑块尺寸确定.............................................................................................................................67 4.8.2确定轨道底板的宽度 ........................................................................................................................67 4.8.3确定轨道底板厚度.............................................................................................................................67 4.9. 闸门启闭力与吊座计算 .......................................................................................................................................67 4.9.1 启门力计算.......................................................................................................................................67 4.10.导向装置设计 ..........................................................................................................................................................68 4.10.1 止水 ....................................................................................................................................................68 4.11闸门启闭力与吊座计算..........................................................................................................................................69 4.11.1 吊轴和吊耳板验算........................................................................................................................69

参考文献........................................................................................... 71 谢辞 .................................................................................................. 72

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东风水闸设计原始数据

一． 设计概况

东风水闸位于我国北方A河右岸河畔上的一座中型节制水闸，其功用为拦蓄部分洪水，以补充地下水及解决农业灌溉用水。

二． 工程简况

1．

闸址位置：

A河为一古老河道，弯弯曲曲，河道呈S弯状；选S弯的两个凸岸为闸址较为适当，优点是地域开阔，工程布置在自然土基上，施工导流与主体工程施工无干扰，闸址基本在河道中心线上。其缺陷为上、下游连接段较长，工程量较大。

2． 工程规模：

该水利工程按5年一遇洪水设计，20年一遇洪水校核，引渠边坡m=2，纵坡i=1/4000,渠底高程46.8米，设计流量Q 设＝129.4立方米／秒。校核流量Q校=237立方米/秒，最高设计蓄水位51.6米，一次蓄水量50万立方米，灌溉农田面积3.5万亩。

三． 地形情况

闸区西部位于丘陵地区，西高东低，地面坡度为1／400～1／1000，东部为冲积平原，地势较平坦，地面坡度为1／2500～1／4000。

四． 工程地质情况

在闸址范围内钻孔5个，孔深20米，总进尺100.9米，取原状样5个，散状样24个，标准贯入试验56个，作以上土样的物理力学试验及击实实验各一组。试验表明：闸基处土层为河湖相沉积物，N63. 5=11,地质自上而下划分为五个工程地质单元。

第I 单元， 表层为耕植壤土，厚1.0米，可塑。其下为壤土、黏土及砂壤土,总厚3.5~4.8米，底板标高在46.9~47.3米之间。

第II单元,自上而下为淤泥质壤土、砂壤土、裂隙粘土，总厚度3.4~4.0米,底板高程在43.06~43.08米，分布连续稳定。

第III 单元, 岩性主要为淤泥质壤土,总厚2.5~4.2米，底版高程在39.3~40.3米,土质均匀,可塑.有自然孔洞,中高压缩性,顶部有零星分布的砂壤土,底部局部分布有黏土。

第IV单元,岩性主要为砂壤土,夹薄层壤土,还有零星分布的细砂层,总厚度3.8~4.8米,底板高程35.6~36.8米。

第V单元, 岩性主要为裂隙黏土和裂隙壤土,顶高程35.6~36.8米,分布稳定,

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局部夹薄层粉砂。

闸底板高程与河床齐平在46.8米处,相当于第II 工程地质单元顶部,持力层影响范围内的第II、III、IV、V单元土的压缩性不均,一般土层为中偏低压缩性,建筑物主要持力层地基土为软塑的淤泥质壤土及连续分布的裂隙土。

勘探范围内,地下水初见水位埋深3.5~4.3米，有微弱承压性,施工时注意预降地下水位,防止II,III单元土层破坏。

五 .水文气象

由水文分析,东风闸以上流域面积877.7km2,其中山区471.3 km2,平原406.4 km2,年径流量95%年份有317万立方米,扣除60%沿途水量损失及0.7的不均匀系数,还有88.8万立方米,满足本闸一年一次蓄水量,保证灌溉效益。

该区平均气温12度,年平均降雨量571毫米,最大降雨量1510毫米,最小降雨量129.5毫米,70%集中在7、8、9三个月,多年平均蒸发量931毫米,该区风速一般在4m/s,最大风速13m/s,吹程150 m,无霜期平均220天。

六 交通情况

闸本身无专门交通要求,考虑农田耕作及水闸自身施工运行要求设人行便桥。

七 设计数据

地基土壤物理力学性质及力学指标

流限 WT=25.6% 渗透系数 KT=1.1x10-6 m/s 塑限 WP=17.2% 凝聚力(室内值) C=2T/m2 塑性系数 IP=8 内摩擦角(室内值)￠ =16０ 地基压缩模量E ＝９０Kg/cm2 湿容重 r 湿=1.75T/m3 含水量 W=31.3% 饱和容重 r饱＝１.90T/m3 孔隙比 e=0.73 干容重 r干=1.6T/m3

地基承载力σ=15T/m2 浮容重 r浮=1.0T/m3

闸底板与地基土摩擦系数 f=0.35 夯实回填土内摩擦角￠=25° 上下游引渠糙率 n=0.025 引渠底宽(上,下游) b=28m 引渠边坡系数(上,下游) m=2 混凝土容重 r=2.4T/m3 钢筋混凝土容重r=2.5T/m3

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设计总说明

水闸是灌排工程的主要建筑物之一，它是一种利用闸门进行挡水或泄水的低水头水工建筑物，既可控制流量又可调节水位。关闭闸门时，它可拦洪蓄水，挡潮或抬高闸前水位；开启闸门时，又可泄洪﹑排涝或对下游河道或渠道供水。这次我们主要设计修建在平原河道上的节制闸。

节制闸一般跨越河道修建，用于枯水期蓄水，抬高水位以供进水闸取水，洪水期开闸泄洪。在渠系中一般位于支、斗渠分水口稍下游，跨越干、支渠修建，用于抬高干、支渠水位，供支、斗渠取水。 本次设计主要分为以下六部分： 1、分析资料及水闸枢纽布置

已提供的资料是设计的基本依据，为使设计成果安全、适用、经济，首先应熟悉并分析各种资料，如地形、地质情况，各有关高程，特征水位及相应流量等，然后根据闸址地形、地质、水流等条件以及该枢纽中各建筑物的功能、特点、运用要求，确定枢纽布置，做到紧凑合理，协调美观，组成整体效益最大的有机联合体。

2、水力计算

主要包括闸孔设计、消能防冲设计、防渗排水设计。 ⑴、闸孔设计

首先根据上面拟定的水闸型式及设计流量，确定闸孔净宽及适宜孔数。然后再验算初拟闸孔尺寸的过流量是否满足泄流要求。 ⑵、消能防冲设计

为了消除水流过闸后的能量，设计了消力池、海漫和防冲槽。

①、消力池：计算在设计蓄水位下，闸门在各种运行工况和不同开启高度时的泄

流量，确定是否设消力池。若需设置则根据消能条件，计算消力池深、长、底板厚度及所用建筑材料。

②、海漫：消力池能消除水流50℅的能量，其余能量由海漫消除，根据水闸不

同泄量的水力计算，布置海漫，确定长度及建筑材料。

③、防冲槽：计算海漫末端河床冲刷深度，设计计算防冲槽断面形状、尺寸、确

定抛石量及护坡砌置深度。 ⑶、防渗排水设计

首先拟定水闸地下轮廓线型式，初步计算所需长度，然后依次确定闸室底板、铺盖长度及材料，设计反滤层及排水孔位置，最后计算闸基渗透压力，绘制渗透压力分布图。

3、闸室的布置设计及闸室稳定性计算 ⑴、闸室轮廓尺寸确定

由水力条件及水闸功用，确定闸室总宽、闸顶高程、闸墩、闸门、底板的型式与尺寸，闸室上部结构的工作桥、交通桥、启闭设备的型式与尺寸。 ⑵、闸室稳定计算

选取计算单元，计算作用于闸室的荷载，并按计算条件进行组合。分别按完建期，正常蓄水期，正常蓄水加特殊荷载组合三种工况进行闸室抗滑稳定性和地

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基承载力验算，并对地基应力分布状态及沉降差进行计算分析，判断水闸地基是否满足承载力、抗滑稳定和变形要求。 ⑶、闸基深层滑动及地基沉降量计算

根据设计资料给出的土壤物理力学特性指标，验算在荷载作用下基础是否发生带动一部分地基土向下游深层滑动，并确定是否进行地基沉降量计算。 4、两岸连接建筑物——岸、翼墙的结构型式，布置及稳定性计算

⑴、由闸室的结构尺寸及地基条件，确定岸、翼墙的平面布置型式，结构型式，

断面尺寸。

⑵、按完建期和正常蓄水期两种工况，对岸、翼墙的地基承载力，基底最大最小

应力比值及基底面抗滑稳定进行计算。

⑶、上游翼墙的防渗设施及下游翼墙的排水设施设计。 5、闸室结构计算 ⑴、闸墩应力分析

将闸墩视为固接于底板上的悬臂梁，以闸墩和底板的结合面作为计算控制面，分别按运用期（闸门关闭挡水）和检修期（一孔检修其它孔过水）两种工况，计算中墩墩底水平截面垂直正应力、剪应力、门槽应力、墩底水平截面侧向应力，并分析计算结果，进行配筋设计。 ⑵、底板应力分析

以闸门为界，将底板分为上下两部分，分别在两部分中央垂直水流方向取单宽板条进行分析。按完建期和运用期两种工况，计算作用于板条上的荷载。包括底板自重，中、边墩及上部结构重，水重 ，扬压力及不平衡剪力并对其进行分配，按弹性地基梁郭氏法查表计算，求得地基反力及计算板条各截面的内力，分析计算结果进行底板配筋设计。 6、平面钢闸门设计

平面钢闸门的门叶结构设计，水平次梁、顶梁和底梁的设计，顶梁和底梁的截面计算，横隔板设计，纵向连接系设计，边梁设计，上部结构配筋图，支架的计算与配筋。

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Design the leader

The sluice is irriated and arranged one of the main buildings among the project,it is a kind of low flood peak water conservancy project builing utilizing the gate to block water or sluice, can control the adjustable water level of the flow. While closing the gate, it can block the big conservation storage, the tide of the shelf or improving the water level in front of the floodgate, can release floodwater, drain flooded fields or supple water of the downstream river or the channel while opening the gate. We design the check gate built on plain and river mainly this time. The check gate generally crosses over the river to build, used in dry season conservation storage, redound water level for sluice fetch water, turn on floodgate release floodwater flood period. In canal is it prop up to lie in generally among the department, lateral canal divide into water mouth low reaches slightly, use for redounding the water level of branch canal, for propping up, the lateral canal fetch water This design is divided into six following parts mainly:

1.It is analysed that the materials and sluice pivot are fixed up. The materials that have already been offered are basic bases designed, in order to edable designing the achievement safe, suitable, economy, should be familiar with and analyse various kinds of materials at first, for instance topographical, geological situation, each about high Cheng, characteristic water level and corresponding flow, ect, then according to floodgate location, topography, geology, rivers, etc, terms and every building of function, characteristic, use demanding to confirm the pivot is decorateds of the pivot this, accomplish the structure compactness, rational, coordinates, beautiful. 2.Water conservancy is calculated:

Including floodgate hole design, is it can is it wash the design, prevention of seepage drain off water and design to defend to disappear mainly.

⑴The hole is designed in the floodgate give design flow definitely confirm according to sluice form and materials that draft above floodgate hole clear width and suitable floodgate hole count at first, then checking computations plan floodgate hole size pass flow satisfied with the

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requirement of releasing floodwater for the first time.

⑵Disappear and can defend and print designing for dispel water flow through energy of floodgate,is it disappear strength pool, sea overflow and defend and wash the trough to design.

①Disappear in the strength pool calculate in design water storage level under the terms, gate turn on in various kinds of form, operating mode of operation and hole of floodgate, one pair of holes is turned on symmetrically, three holes open and different flow of letting out while opening the height at the same time,confirm whether to need to set up and subdueing the strength pool or not. If is it design to need, want according to condition of can disappearing,is it disappear depth, strength of pool to calculate, thickness of the length baseplate and construction material used.

②The sea overflowing disappear strength pool can dispel rivers 50% energy,other energy all over the place to dispel from sea,according to different letting out amount of the sluice,confirm long degree and construction material of sea.

③ Defend and wash the trough calculate sea overflow end wash hole depth, is it wash trough section form and size to defend to design. ⑶The prevention of seepage drains off water and designs:

Draft the underground outline line at first, confirm the length tentatively, then confirm the floodgate room baseplate, length of the bedding and material sequentially, design and strain layer and drain off water in the hole position instead, calculate the base osmotic pressure of the floodgate finally, draw the distribution map of the osmotic pressure.

3.The floodgate room is decorated and floodgate room stability is calculated:

⑴Confirm the size of the outline line of floodgate room confirmed the floodgate room is always wide by the water conservancy condition, floodgate high Cheng, floodgate mound, gate, pattern, size and floodgate room top structure job bridge, traffic bridge, open and close pattern and size of the equipment of baseplate very.

⑵The floodgate room is calculated steadily choosing the unit of

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calculating, build one according to finishing, normal conservation storage one, normal conservation storage issue add special to is it make up three opeerating mode checking computations floodgate room resist slippery stability and ground bear the weight of strength checking computations to load, distribute state and subside to ground stress difference carry on computational analysis, judge sluice ground meet strength of bearing the weight of, is it slip steady and out of shape requirement to resist.

⑶The deep layer of floodgate room is slipped and the subsiding amount of ground is calculated according to design soil physics characteristic index that materials provide, checking computations foundation is it drive some ground soil slip to the low reaches to happen under loading function, confirm whether to carry on the subsiding amount of the ground to calculate or not.

4.Tow sides join building-bank,structure pattern, wing of wall, assign and the stability is calculated:

⑴By physical dimension and ground terms, floodgate of room, confirm bank, level, wing of wall assign the pattern and size of section. ⑵Building an two kinks of operating modes of one and normal conservation storage according to finishing, the ground on other bank, wing wall bears the weight of strength, basis heavy minimum stress ratio count bottom surface of the base is it calculate to go on steadily to slip to resist most.

⑶Facilities of prevention of seepage in the wing wall of the upper reaches and pumping equipment on the downstream wing wall are designed. 5.The structure of floodgate room is calculated: ⑴Mound stress analysis of the floodgate:

Regard as floodgate firm to connect cantilever beam at baseplate by mound, regard the combination surfaces of the mound of the floodgate and baseplate as and calculate the chain of command, separately according to use issue (gate is it block water to shut off ) and overhaul issue two kinds of operating modes , mound vertical direct stress of horizontal section, shearing stress, trough stress of the door, mound bottom level sectional side direction stress of mound bottom while calculating,

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analyse result of calculation, is it mix muscle design to go on. ⑵Stress analysis of the baseplate:

Make gate as the boundry, divide baseplate into two part from head to foot, fetch single wide lath analyse in two part central vertical rivers direction separately. Accord to finishing and building one and using the operating mode of an improved variety, calculate the load on function and lath. Including the baseplate conducts oneself with dignity,china, mound and top structure are heavy, raise pressure and uneven to cut strength and is it assign to go to it, France check the watch calculates according to elastic ground roof beam guo, try to get ground and calculation lath each sectional internal force against strength, is it carry on baseplate mix muscle design to analyse. 6.The level gate is designed: ⑴Leaf structure of the door.

①The layout of the structure of leaf of the door:Confirm door leaf various kinds of component structure need, figure and position , Ge Liang and pattern, way of connecting, connection of department, pattern of walking and supporting and roof beam.

②The panel is designed :On the premise of giving full play to the intensity of the panel, design one thickness of panel with rational economy. And check some and crooked intensity of conversion stress with crooked whole of the panel after the girder section is confirmed. ③Level roof beam once, carrying, the botttom roof beam is designed: Adopt the section steel.By the internal force of every component, choose the section of every roof beam, carry on intensity, rigidity checking computation.

④The girder is designed: Confirm girder figure, position, sectional form, the size of section, the section changes, wing reason welding seam design and some steady checking computations of girder.

⑤Vertical roof beam once and horizontal vertical connection department design:Confirm its pattern and position , is calculated and chosen sectional size and intensity checking computations by the internal force.

⑥The roof beam is designed:Is it confirm to support to walk roof beam

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structure patern is according to construct requirement design roof beam, and carry on the intensity to check to its dangerous section.

⑦Walk and support designing: Confirm its structure pattern, size carry on intensity checking compitation.

⑧Lead the device to design: Confirm the inside out, side and walk and support the pattern, the position and way of connecting.

⑨Stagnant water, lifting lug are designed:Confirm the type of the stagnant water and assign the way, is opened door strength to design, hang the axle and board measurement of the lifting lug and carry on checking computations to the intensity of the lifting lug board. ⑵The door trough is buried the component underground.

①Confirm every track pattern of the door trough, the size of section, carry on the intensity to check to the main rail .

②Confirm stagnant water seat and door trough protect the horn component pattern.

③Lock the room device to design in the gate. ⑶Open and room device to design in the gate.

①Calculate and open the strength of the door, comfirm the type of headstok gear, type.

②Calculate and close the strength of the door, should take the project measure to lower the door to check.

③The hoist is designed: Opened door strength and designed the sling. Key word: sluice; floodgate room; level gate; prevention of seepage

drain off water and design to defend to disappear; girder

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第一章 水闸枢纽布置

1.1 总体布置

本设计为节制闸，一般跨越河道修建，故又称为拦河闸。它是一种利用闸门进行挡水或泄水的低水头建筑物，既可控制流量又可调节水位。关闭闸门时，它可拦洪蓄水，挡潮或抬高闸前水位；开启闸门时，又可泄洪，排涝或对下游河道或渠道供水。这次我们主要设计修建在平原道上的 节制闸。节制闸一般跨越河道修建。用于枯水期蓄水，抬高水位以及供进水闸取水，洪水期开闸泄洪。在渠系中一般位于支、斗渠分水口稍下游，跨越干、支渠修建也称节制闸。用于抬高干、支渠水位，供支、斗渠取水。

闸址一般应设置在河道直线段上。闸址处于上下游河道直线段长度均不短于5—10倍水面宽度，且不宜小于300m。

坝址选择是水闸规范设计中的一项重要工作，闸址合适与否，不仅涉及到水闸建设的成败，并且关系到整个地区的经济发展，因此对闸址选择的工作应十分重视。

1.1.1水闸位置时应考虑的几个因素

⑴地基条件 是影响水闸总体布置的主要因素之一应尽可能选择土质密实，均匀。压缩性较小和承载能力较大的良好地基。此外，由于闸基土质的抗冲能力直接影响单宽流量的选择和闸后消能防冲设备的设计，而地下水位的高低及承压水的有无对地基的稳定性和施工期的排水措施也有所影响，故在选择闸址时应考虑这些条件。

⑵水流条件 是另一主要因素闸的位置应使进闸和出闸水流平顺，防止上，下游 产生有害的冲刷和淤积。

⑶施工、管理条件 也是闸址选择时要考虑的一个因素要求有足够宽广的施工场 地，并且尽可能使土方工程量最小。当水闸是整个枢纽的一个组成部分时，应就枢纽工程总体布置做方案比较，得出水闸最优位置，以达到技术上先进与经济上合理的要求。

1.2 结构布置

1.2.1闸室的结构布置

水闸一般由上游连接段，闸室，下游连接段三部分组成。水闸的主体是闸室，其结构型式是多种多样的，主要取决于泄放水流的方式以及闸门的构造和操作方式。按照闸室的泄流特点分类，可以分为以下几种型式：

1.堰流式闸室

当闸门全开时过闸水流具有自由水面的水闸成为溢流式闸室，也称开敞式闸室。一般堰槛高程较高，挡水高度较小的水闸都采用这种型式，依靠闸门挡水。当闸门全部打开时，水

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闸的过水面积和泄流量都随水位的抬高而增大，对于需要泄放洪水的拦河闸和分洪闸来说，这是一个很大的优点。

2.孔流式闸室

当闸门全开时，自由水面仍受阻挡，水流只能通过固定洞孔泄入下游，称为孔流式闸室，也成为封闭式闸室。当闸槛高程较低，闸室高度较大，需要泄放或取用底层水流时，常采用这种型式。一般把闸室顶部封闭。例如设置胸墙挡水，底部设置孔口泄水，这样可以减少闸门尺寸。这种泄流方式最适合于冲沙闸的工作条件，有其突出的优点。

3.混合泄流式闸室

这是一种既具有面流溢流能力，又具有底孔泄流能力的闸室结构。构造上分为上下两层，分别装设闸门。开启上层闸门，利用面层溢流泄放洪水和漂流物。开启下层闸门，则利用底孔冲刷闸前淤泥的泥沙。这种类型的闸室多用于拦河节制闸或引水系统的进水闸上。有时在特别软弱的淤泥质地基上建闸，为了加强闸室的横向刚度，借以减小地基的不均匀沉降和闸室的结构变形，在闸室的过水断面中设一层水平横隔板，型式上亦构成了上下两层泄水通道，但常常共用一个闸门，在运用要求上与混合泄流式闸室不尽相同。

本水闸设计闸门全开时具有自由水面，挡水高度较小，且依靠闸门挡水，故可采用开敞式闸室。根据已知资料，初步采用开敞式闸室。

（1） 底板 是整个闸室结构的基础，承受水闸上部结构的重量及荷载并向地基传递的结构，同时兼有防渗及防冲作用，防止地基由于受渗透水流作用可能产生的渗透变形并保护地基免受水流冲刷。本设计初步采用平底板。

（2） 闸墩 是闸门和各种上部结构的支撑体，由闸门传来的水压力和上部结构的重量和荷载通过闸墩传布于底板。闸墩通常采用实体式，其外形轮廓设计应能满足过闸水流平顺，侧向收缩小，过流能力大的要求。本设计初步采用上游墩头半圆形，下游墩头流线形的型式。 （3） 闸门 其结构的选型布置应根据其受力情况控制运用要求、制作、运输、安装维修条件等，结合闸室结构布置合理选定。本设计初步采用平面钢闸门。

（4） 启闭机 其型式可根据门型尺寸及其运用条件等因素选定。本设计初步采用卷扬式平面闸门启闭机。

（5） 闸室上部的工作桥、交通桥 根据闸孔孔径，闸门启闭机型式及容等分别选用板式、梁板式、板拱式，其与闸墩的连接型式应与底板分缝及胸墙支撑型式统一考虑。本设计初步选用梁板式。

1.2.2两岸连接布置

水闸两岸连接应能保证岸坡稳定改善水闸进出水流条件提高泄流能力和消能防冲效果，满足侧向防渗需要，减轻闸室底板边荷载影响，且有利于环境绿化等。上下游翼墙宜与闸室及两岸岸坡平顺连接。

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河北工程大学毕业设计（水利水电工程）

1.2.3防渗排水布置

当闸基为中壤土，轻壤土或重壤土时闸室上游宜设置钢筋混凝土或黏土铺盖或土工膜防渗铺盖，闸室下游护坦底部应设反滤层。本设计初步采用钢筋混凝土铺盖。

1.2.4消能防冲布置

水闸消能防冲布置应根据闸基地质情况，水力条件以及闸门控制运用方式等因素进行综合分析确定。本设计初步采用底流消能方式。

闸门闸室底板：4铺盖消力池海漫防冲槽第15页 共73页

第二章 水闸的水力计算

水力计算包括：

⑴设计水闸的闸孔，出流以满足进流、出流、控制水位要求。 ⑵设计水闸的消能防冲设施，使水闸避免冲刷。

⑶设计水闸的防渗排水设施，使水闸避免渗透变形。

2.1 闸孔设计

闸孔型式：包括闸底板的型式（堰型）、闸门、闸门顶部胸墙。 闸孔尺寸：包括闸底板的顶面高程，闸孔净宽和孔数。

2.1.1上下游水位的确定

上游水位：在河道上建闸后，上下游将形成一定水头差，上游水位是由规划决定。由设计资料给出，该节制闸的最高设计蓄水位为▽51.6m。

下游水位：因水闸上下游为人工开挖渠道，其表面糙率沿程不变，设渠道中无任何阻碍水流运动的建筑物，故下游可按明渠均匀流计算。作出渠道下游h下～Q关系曲线 ，以备在不同流量下，直接由该曲线查得下游水位。

闸孔净宽的控制情况通常是宣泄设计或校核流量时，此时闸门全部开启，多为淹没流态。由于闸孔宽度一般小于河道宽度，水流过闸时侧向收缩，并使上游水面雍高而形成闸上下游水位差ΔH。该水位差的大小关系到闸室工程量和上游淹没损失。水闸的过闸水位差应根据上游淹没影响，允许的过闸单宽流量和水闸工程造价等因素综合比较选定。根据《水闸设计规范》，一般情况下，平原水闸的过闸水位差可采用0.1m～0.3m。在水闸设计中，如采用较大的过闸水位差，可缩减闸孔总净宽，降低水闸工程造价但抬高了水闸的上游水位，不仅要加高上游堤顶高程而且可能增加上游淹没损失，因此为了减轻上游堤防负担也不允许过分抬高水闸的上游水位，因此采用较小的过闸水位差选用 ΔH=0.2m。（一般情况下，平原区水闸的过闸水位差可采用0.1-0.3 m）

下面先假设 ht根据水力学公式QACRi 式(2.1)

式中： A——明渠断面积A(bmh)h R——水力半径

C——谢齐系数 I——纵坡，

求得流量Q，列表如下

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表2.1 水头-流量计算表

C (m/s) 1.0 1.5 2.0 2.5 30 46.5 64 82.5 32.47 34.71 36.94 39.18 0.924 1.340 1.733 2.106 39.477 42.000 43.839 45.287 0.53H (m) A (m2) X (m) R (m) Q (m/s) 18.000 35.746 58.400 85.721 117.653.0 102 41.41 2.463 46.484 4 154.131 195.207 240.170 3.5 122.5 43.65 2.806 47.505 4.0 144 45.89 3.138 48.399 4.5 166.5 48.12 3.460 49.193 根据上表，绘制ht—Q曲线。见图2-1

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⑴由ht—Q曲线查的Q设=129.4m3/s时, ht=3.2 m即下游水位为h t=3.2 m。

由设计资料可知，渠底高程为46.8m，则下游水位高程为▽下= 3.2 m+46.8m=50.00m。 ⑵上下游水位差为ΔH=0.2m。

⑶上游水位▽上=▽下+ΔH=50.00m+0.2m=50.2 m<51.6m。满足要求。

2.1.2 闸孔尺寸设计

⑴闸孔尺寸的设计条件：最大闸孔要满足泄洪要求，在校核流量237 m3/s，最高设计蓄水位51．6 m下保证能泄出，即Q孔≥Q泄。

⑵闸孔总净宽的计算：在Q设=129.4 m3/s，闸门全开，按堰流计算。由《水闸设计规范》SL265—2001(A.0.2-1)、(A.0.2-1)得

B0Qu0hs

2g(H0hs)

式(2.2)

μ0=0.877+（hs/H0-0.65）2 式(2.3) 式中：0——淹没堰流的综合流量系数。由《水闸设计规范》表A.0.2查得 Q——过闸流量。 取Q=Q设=129.4 m3/s hs——下游水深。 hs=3.2m H=hs+ΔH=3.2+0.2=3.4m

A(bmh)h=(2.8+2³3.4) ³3.4=118.32m2

H0——计入行进流速水头的堰上水深。 0 H0HQA=129.4/118.32=1.09m/s =3.4+0.06=3.46m

022g h下/ H0=0.925>0.90 查《水闸设计规范》知此水闸处于高淹没，闸孔总净宽可按(A.0.2-1)(A.0.2-2)计算

00.877(hs/H0-0.65)2 =0.951

B0Q/0hs2g(H0hs) =129.4/（0.951³3.2³29.81(3.463.2)） =21.2 m

式中：B0——闸孔总净宽；（m） Q——过闸流量；（m/s）

H0——计入行进流速水头的堰上水深;（m）

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3

——淹没堰流流量系数； 初步设计闸孔净宽取B0=21.2m

⑶闸孔孔数尺寸与闸室总宽度的确定：大中型水闸采用平面钢闸门时，每孔净宽b一般为6～9米，当水闸孔数较少，过去多采用弧形钢闸门，平底板的结构形式，而近年采用了钢筋混凝土闸门和反拱式底板，将闸孔净跨缩为6m，显然，如不缩减闸孔净跨，采用钢筋混凝土闸门是不利的，闸门过重，门上主梁受力过大，易断裂，即使采用预应力结构，根据实践经验，闸孔也不宜超过8m。如底板采用反拱的结构形式，同样闸孔净跨过大，则反拱的矢高过大，给反拱底板的施工带来不利影响，故闸孔净宽以6～8m为宜。闸孔孔径应根据闸的地基条件，运用要求，闸门结构型式，启闭机容量以及闸门的制作，运输，安装等因素进行综合分析确定，综合本设计实际情况，初定b=8米，n= B0/b 3孔。稍后对之进行验算。

2.1.3 堰型选择

水闸一般采用宽顶堰或低槛实用堰，本设计初设时已选定不带胸墙，因此胸墙式不予以考虑。平原水闸多采用无槛宽顶堰。比较宽顶堰与实用堰的优缺点，附《水工设计手册》。本工程中采用宽顶堰形式，堰顶高程与河底相平，取高程46.8m。

表2.2 宽顶堰与实用堰的优缺点比较表

堰型 比较 1.构造简单，施工方便； 2.自由泄流范围较大，泄流能力比较稳定； 优点 3.堰顶高程相同时，地基开挖量小。 4.有利于冲淤，排沙。 1. 自由泄流时，流量系数较小； 缺点 2. 下游产生波状水跃的可能性较大。 1.结构较复杂，施工较困难； 2.淹没度增加时，泄流能力降低很快。 1.自由泄流时，流量系数较大； 2.选用适合的堰面曲线，可以消除波状水跃； 3.堰高较大时，可采用较小断面，水流条件较好。 4.可以缩短闸孔总宽和减小闸门高度并能阻止泥沙进入渠道。 宽顶堰 实用堰 2.1.4 闸墩厚度的选择

由《水工设计手册》P9，表25-2-4，对于中等跨度闸孔，中墩取1.0m，边墩取0.8m，

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闸室底板总宽为：B=闸孔数³闸孔净宽+2*边敦+（n-1）³中墩=3*8.0+2*0.8+2*1.0=27.6m

2.1.5 水闸泄流能力校核

采用闸门全开在最高设计蓄水位51.6m情况下：由资料知，最高蓄水位=51.6m，渠底高程=46.8m，所以：

上游水位为H=51.6-46.8=4.8m；Q校=237m/s， 由ht—Q曲线得H下=4.45m,即hs=4.45 B0=Q较/0hs2g(H0hs) 3

00.877(hs/H0-0.65)2 =0.954 Q孔B00hs2g(H0hs) = 240.9544.453

3

29.8(4.84.45) =267 m/s >Q校=237m/s 满足要求

2.2 消能防冲设计 2.2.1 节制闸泄流特点：

节制闸一般跨越河道修建，壅高上游水位，用于枯水期蓄水，抬高水位以供水闸取水。利用闸门控制水位，上、下游有较大水位差。其泄流特点为：

⑴闸门控制泄流时，流量和水位差多变。流量是随着上游来水量逐渐变化的。特征为流量越小，下游水位越低，落差越大，对下游冲刷越严重。当闸门全开时，上、下游落差则越小，落差越小，水的能量就越小。

⑵闸孔出流有多种流态，在闸门控制泄水时，呈孔口自由出流或淹没出流状态；在闸门全开时，则呈淹没堰流状态。对宽顶堰式的平底板水闸：

e/H>0.65为堰流，可分为自由出流：当ht/H0 <0.8时,QmB2gH0;淹没出流：当htH0>0.8时，Qu0htB2g(H0ht)。

e/H  0.65，为孔流，按下游水深ht对泄流有无影响，可分为自由出流：

hthc,QuBe2g(H0hc);淹没出流：ht>hc,QuBe2g(H0hc)。

\"\"32 e——闸门开度； H——闸前水深。

⑶闸下水流的衔接型式，可在一定范围内用闸门进行调节和控制，有可能避免波状水跃或跃首撞击闸门等不利的衔接流态。

⑷由于各个闸孔的闸门不一定同时开启，即使同时开启也难以完全消除回流，因此闸下

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单宽流量的分布经常是不均匀的。

2.2.2 消能设计条件

节制闸在宣泄设计洪水时，闸门全部提出水面，上、下游落差很小，过闸水流呈缓流状态，只要使水流均匀扩散，以安置回流的发展，毋需特别的消能设施。过闸水流因为上下游水位差大，呈急流状态。因此必须采取适当的消能措施，使闸下水流在尽可能短的距离内由急流状态变为缓流状态，减小水流的冲刷能力。水闸的上下游水位、过闸流量及泄流方式（孔、堰流）取决于水闸的运用要求，往往是复杂多变的，闸门的开启程序，开启孔数和开启高度可有多种组合，均影响闸下的消能设施。因此必须在各种可能出现的各种水力条件下，都能满足消能的要求，合理的确定消能设计条件是非常必要的，也是保证消能工程既安全可靠又经济合理的前提。

但若节制闸宣泄设计和校核洪水时，闸门全部提出水面，上下游落差则很小，过闸水流呈缓流，则就不必设消能设施。

节制闸消能设计条件是：在保持闸上游最高蓄水位不变的情况下，若宣泄上游多余的来水量，则由闸门控制。此时上下游水位差最大，水的能量亦最大，因此必须设置消能设施。相应的下游水位可根据ht～Q曲线确定。求出闸门控制的下泄流量Q有曲线查得h下。上游多余来水越小，闸门控制泄量越小，对下游冲刷越严重，因此此时上下游水位差最大。

蓄水时期上游的多余来水量是随时间变化的。因此，闸门控制的泄水的泄量也是经常变化的，这样就应对各种泄量进行下游消能计算。既对闸门不同的开启孔数及开启高度所对应的下泄量及不同的上下游水位差均应进行下游消能计算。但其最大的泄量是有限度的，不会超过闸下水位接近闸上最高蓄水位时下游河道所通过的流量，因此时闸已全打开，下游水深大，过闸水流为缓流，则不是消能设计条件。

对三孔闸门，应采取中孔单开，两边孔同时开启及三孔同时开启的组合方式。其目的为保持水流对称，不致过大冲刷下游河床。而开启高度一般采用0.5m之倍数。

闸门的初始开启高度（0.5m），往往是消力池深度和长度的控制因素。此时泄流量最小，下游水位最低，上下游水位差最大，水的冲刷能力最强。

消能设计的目的是：当闸门按规定程序和方式开启时，必须保证闸下水流产生淹没式水跃。（条件ht﹥hc）。

\"确定消能设计条件，关键是在不同的泄量Q下，所对应的下游水深ht。显然，hcht 最

\"大时最不利。

2.2.3 水闸的消能方式

水闸的消能方式大致有下列三种类型：底流式消能、挑流式消能、面流式消能。 ⑴底流消能 ：是在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水跃发生的位置，通过水跃产生的表面漩滚和强烈的滚动，以达到消能的目的。从而使收缩断面的急流与下游的正常缓

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流衔接起来。这种衔接方式由于高速流的主流在底部，故称为底流式消能。

⑵面流式消能 ：当下游水深较大而且比较稳定时，可采取一定的工程措施，将下泄的高速水流导向下游水流的上层，主流与河床之间由巨大的底部漩滚隔开，可避免高速主流对河床的冲刷，余能主要通过水舌扩散，流速分布调整及底部漩滚与主流的相互作用而消除，由于衔接段中，高速的主流位于表层，故称为面流式消能。

挑流式消能 ：利用下泻水流所夹带的巨大动能，因势利导将水流挑射至远离建筑物的下游，使下落水舌对河床的冲刷不会危及建筑物的安全。下泻水流的余能一部分在空中消散，大部分在水舌落入下游河道后被消除。

我国北方为平原地区，平原地区水闸，由于水头较低且河床抗冲能力差，难以采用挑流消能。加上下游水位变幅往往较大，也无法采用面流消能。据刀叉资料统计，我国已建大、中型水闸工程基本均采用底流式水跃消能。底流消能可适应在较大范围内变动的过闸流量和下游水位，同时在平面上也易扩散， 故本设计采用底流式水跃消能。

2.2.4消力池设计

消力池的作用：是闸后水流产生稍淹没水跃，并保护水跃范围内的河床免受冲刷。 消力池一般布置在闸室后面，池底与闸底板之间常用1:3～1:4的斜坡相连，斜坡顶端可紧靠闸底板的下游端。消力池的作用：使闸后水流产生淹没水跃，并保护水跃范围内的河床免受冲刷。

⑴消力池深度的确定：池深设计的任务是根据水闸泄流的最不利情况确定相应的池深，一是水流在池内形成稍淹没水跃。消力池池深由《水闸设计规范》附录B式（B.1.1-1）至(B.1.1-4)计算：

d0hchsZ 式(2.4)

hchc2(128qgh3c21)(2b1b2)0.25 式(2.5)

Zq2q22ghs22ghc 式(2.6)

式中：d——消力池深度，（m）； hc——收缩水深，（m）； hc——跃后水深，（m）；

——水流动能校正系数，可采用1.0～1.05。本设计=1.0； 0——水跃淹没系数，可采用1.05～1.10。本设计0=1.05； q——过闸单宽流量，（m2s）；

Z——池池落差，（m）；

b1、b2——消力池首、末端宽度，（m）；

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中空全开时ht2.30m ，

htH02.304.80.480.8 为自由出流。

查《水闸设计规范》（A.0.1-1）、(A.0.1-3)、(A.0.1-5)得全开时为堰流公式为 : B0Q3 式（2.7）

2m2gH0NZ(N1)b 式（2.8）

b0b10.1711db0Zbb2b04b0dZ2bb 式(2.9)

式中:B0——闸孔总净宽，（m） （mQ——过闸流量，

3s）

H0——计入行进流速的堰上水深，（m），本设计取H0=4.8m。 s

N——闸孔数，本设计N3

（mg——重力加速度，

2

）

m——堰流流量系数，本设计m0.385

——堰流侧收缩系数，

Z——中闸孔侧收缩系数，由表（A.0.1-1）查得Z0.982 b——边闸孔侧收缩系数，

b0——闸孔净宽， b08m

bb——边闸墩顺水向边远线至上有河道水边线之间的距离，（m）

b00.8m

——堰流淹没系数， 查表（A.0.1-2）得1.0

8b10.17111.080.820.98220.9770.98

3QB0m2gH02

38481.020.977 0.8=8³1.0³0.98³0.385³29.84.8qQ/b=17.58m332=140.6m3s。

s

计算表中各参数说明如下：

孔流公式由《水闸设计手册》6表25-2-10得：

QBe2g(H0hc) 式(2.10)

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式中：H0——计入行进流速的堰上水深，（m），本设计取H0=4.8m；

由e——孔流自由出流的收缩系数，得；

——孔流流量系数，由《水闸设计规范》表(A.0.3-1)查得； ——孔流流速系数，可采用0.95～1.0。本设计取=0.95

H查《水工设计手册》6式（25-2-11）

e——闸门开度，为0.5m的倍数；

B——闸孔总净宽，本设计取B=25.5m；

（mg——重力加速度，

s

2

）

——堰流淹没系数， 查表（A.0.1-2）得1.05

（m）孔流时hce hc——收缩水深，

表2.3 中孔单开时计算表

e e/H  hc  Q 22.94 44.40 64.15 q 2.87 5.55 8.02 hc \"hc-hc \"\"ht hc-ht △Z d 0.5 0.104 0.6151 1.0 0.208 0.6197 1.5 0.313 0.6261 2.0 0.417 0.6351 2.5 0.521 0.6477 3.0 0.625 0.6668 全开 1

0.31 0.6113 0.62 0.6131 0.94 0.6146 1.27 0.6174 1.62 0.6215 2.19 1.88 2.89 2.27 3.29 2.36 3.53 2.26 3.62 2.00 3.56 1.56 3.52 0.7 1.15 1.04 1.70 1.19 2.10 1.19 2.45 1.08 2.75 0.87 2.93 0.63 3.33 0.19 0.23 0.99 0.36 1.06 0.44 1.01 0.46 0.90 0.43 0.73 0.37 0.54 0.15 0.32 82.17 10.27 98.13 12.27 2.00 0.6263 111.35 13.92 2.82 140.6 17.58 表2.4 双孔对称开时计算表

e e/H  hc  0.6113 0.6131 Q 45.88 88.80 q 2.87 5.55 hc hc-hc \"\"ht hc-ht △Z \"d 0.59 0.49 0.37 0.5 0.104 0.6151 1.0 0.208 0.6197 1.5 0.313 0.6261 2.0 0.417 0.6351 0.31 0.62 0.94 1.27 2.19 2.89 3.29 3.53 1.88 2.27 2.36 2.26 1.73 2.27 2.36 0.46 0.31 0.14 0.05 0.05 0.03 0.6146 128.30 8.02 0.6174 164.34 10.27

2.26 -0.11 第24页 共73页

表2.5 三孔全开时计算表 e 0.5 1.0 e/H  hc  Q q 2.87 \"\"hc hc-hc ht \"hc-ht △Z d 0.104 0.6151 0.208 0.6197 0.31 0.6113 68.82 2.19 1.88 2.89 2.27 2.18 3.24 0.01 -0.35 0.002 0.18 0.62 0.6131 133.20 5.55 综述：由上面三个表格在三种不同工况下的计算结果得知，当开度e越大，所需要消力池深度越小。根据水跃与下游水面衔接规律，池身控制情况应发生在跃后水深hc\"与下游水深ht差值最大时，而在实际应用中hc\"-ht最大可能发生在水闸某种运用情况下的闸门开启过程中开度最小，即中孔单开e=1.0m的情况，此时池深d=1.06m。故消力池池深取d=1.1m。 ⑵消力池长度Lsj的确定

根据《水闸设计规范》（B.1.2-1）和（B.1.2-2）计算

Lsj=Ls+βLj 式（2.11）

\"Lj=6.9（hc-hc） 式（2.12）

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，可采用0.7～0.8，取0.70； Lj——水跃长度(m)。

闸底板与挖深后的消力池之间常用1:3～1:4的斜坡连接，本设计取1:4 所以：

Ls=4³d=4³1.1=4.4m

确定消力池长度的条件：hc”- hC最大时。

由上表知发生在中孔单开e=1.5时， (hc\"-hc)max=2.36m 所以： Lj=6.9³2.36=16.28m

Lsj= Ls+βLj =1.1³4.0+0.70³16.28=15.80m

偏安全的选消力池长度Lsj为16米。 ⑶消力池底板厚度t的确定

水闸泄水时池内水流强烈紊动，护坦承受水流冲击力，脉动压力和底部扬压力等作用，因此要求护坦应有足够的强度，整体性和稳定性。护坦厚度应按照抗冲和抗浮稳定要求确定，并取最大值。

抗冲 tk1qH’

式（2.13）

式中：k1——消力池底板计算系数，可采用0.15～0.20，本设计取0.20； △H ——闸孔泄水时的上、下游水位差，m。 抗浮 t=k2(U-W±Pm)/γ

b

式（2.14）

护坦上设有闸基渗水排出孔，可只按抗冲要求确定护坦厚度。

第25页 共73页

表2.6 三孔全开时计算表 Q 25 50 75 q 0.96 1.92 2.88 ht △Hˊ=4.8-ht 3.6 3.6 2.98 qH tk1qH 1.20 1.20 1.82 1.82 3.64 4.79 0.27 0.38 0.45 100 125 150 175 200 225 250

3.85 4.81 5.77 6.73 7.69 8.65 9.62 2.30 2.75 3.23 3.45 3.78 4.06 4.32 2.5 2.05 1.57 1.35 1.02 0.74 0.48 6.09 6.89 7.23 7.82 7.77 7.44 6.66 0.49 0.52 0.54 0.56 0.56 0.55 0.52 由以上表格可得tmax=0.56m,偏安全取t=0.60m采用等厚布置。 ⑷护坦材料及细部

由于护坦表面受有高速水流的作用，因此护坦材料必须具有抗冲耐磨的性能，今采用钢筋混凝土结构。混凝土标号为C15,根据已建水闸实例，在护坦内配置构造钢筋。

为降低护坦下面的渗透压力，在护坦上设置垂直的排水孔，并在护坦下面铺筑反滤层，使地基中的渗水经反滤层流出排水孔的孔径一般为5～25cm,间距为1.0～3.0m,布置成梅花状。本设计排水孔的孔径取为20cm，间距为2.0m。但斜坡上或水流收缩断面处不宜设排水孔，以免排水孔下土料被急流形成的局部真空吸出。

消力池与闸底板、海漫、两岸翼墙之间均应设置沉降缝，位于防渗范围内的缝应设止水。

2.2.5 海漫设计

海漫的作用：消除水流余能，调整流速分布，使水流均匀扩散，增大水深，减小流速，

第26页 共73页

并保护河床免受冲刷。

经过消力池后，水流能量一般可被消除40%～70%，剩余能量还较大，同时出池水流的单宽流量和底部流速还较大，由于流速沿水深的分布规律，同下游河道不冲不淤正常状态的分布规律相比，还相差较大，因此出池水流还需要进一步扩散，消能和行进流速的调整。为此，一般是紧接消力池设置海漫，海漫末端设防冲槽。海漫的作用是消除水流余能，调整流速分布，使水流均匀扩散，增大水深减小流速，并保护河床免受冲刷，而防冲槽是海漫末端的加固措施。

⑴海漫长度的确定

由《水闸设计规范》P58当

'qsH'=1~9，且消能扩散良好时海漫的长度可按

Lp=KsqsH 式 （2.15）

式中：qs——消力池末端的单宽流量；

（可由水闸设计规范表B.2.1查得ks=12--11，选取ks——海漫长度计算系数，

ks=11）。

'海漫长度的最不利情况是乘积最大时

qsH，计算时应在水闸泄流量范围内，计'算多个水位差与单宽流量的组合情况来确定qsH最大值，列表如下：

表2.7 不同流量计算表

qsH'LpksqsH'Q q ht △Hˊ=4.8-ht 1.69 3.40 4.63 14.3 20.28 23.67 25 50 75 0.89 1.79 2.68 1.20 1.20 1.82 3.6 3.6 2.98 100 125 150 3.57 2.30 2.5 5.64 26.12 4.46 2.75 2.05 6.39 27.81 5.36 3.23 1.57 6.72 28.52 176.25 3.46 1.35 7.26 29.64 第27页 共73页

5 200 225 250

经计算取海幔长度Lp30m。海幔起始段一般布置5～10m或1/3海幔总长的水平段，本设计取海幔水平段为8m。其后布置为不陡于1：10的斜坡段，本设计取1：15。一是水流竖向扩散，加大水深，减少流速。

(2)海漫的材料、构造与布置

为充分发挥海漫的作用，对海漫的构造要求是：要有一定的粗糙性，以利于消除水流余能；要有一定的柔性，以适应介于护坦与天然河床之间的过渡性地基变形；要有一定的透水性，以利于渗水自由排出。

干砌石海漫，一般用大于30cm的块石嵌砌而成，厚度为0.4～0.6m，其下铺设碎石。粗砂垫层厚0.1～0.15m，纵横方向每隔6～10m设一道浆砌石埂，断面约0.3m³0.6m，以增加其抗冲能力，干砌石海漫常设在海漫后段，抗冲流速为2.5～4.0m/s。

海漫的起始段布置为8m的水平段，以稳定水流，为浆砌石。其后布置为1：11的斜坡段，以使水流竖向扩散，加大水深，减小流速，为干砌石。本设计砌石厚度为0.6米。

8.04 4.06 0.74 6.92 28.94 7.14 3.78 1.02 7.21 29.54 8.93 4.32 0.48 6.19 27.37

图2.3 海漫尺寸图（单位：m）

第28页 共73页

2.2.6防冲槽设计

防冲槽的作用：当下游渠（河）床形成最终冲刷状态时，确保海鳗不致破坏。 水流经海漫后余能得到进一步消除，流速与流速分布也逐渐接近下游河道水流的正常状态，但仍具有一定的冲刷能力。为确保水闸安全，使下游河床免受冲刷，常在海漫末端河床内开挖一梯形断面槽，内抛块石，槽顶与海漫末端齐平形成一道防冲槽。当水流冲刷海幔下游天然河床而形成冲刷坑时，石块将自动滚下覆盖在冲坑上有坡面上形成防护层，以防止冲坑向下游扩散。

防冲槽横断面大小与冲坑深度有关，冲坑深度愈大需要的防冲槽断面也愈大。海漫末端可能的冲坑深度按《水闸设计规范》（B.3.1）计算：

dm1.1qmv0hm 式 (2.16)

式中：dm——海漫末端河床冲刷深度（m）；

qm——海漫末端单宽流量（m3/（s.m）），qm=6.25 m3/（s.m）

v0——河床土质允许不冲流速（m/s），因第二单元土质为淤泥质壤土，根据《水力学》P212取1.1 m/s；

hm——海漫末端河床水深（m），根据ht～Q曲线查得3.46 m;

dm1.16.251.13.46=2.79m，

冲坑上游边坡一般取m1=2～3，本设计取m1=3，堆石覆盖厚度一般取为0.3～0.5m,本设计取d=0.4m。则1m长（垂直水流方向）冲坑需要的堆石量为

3W冲=d1mt''50.4132.795=17.65m

22防冲槽一般采用宽浅式以便施工，上游坡率与冲刷坑上游坡率相同，下游坡率取为

m3，两岸边坡与河岸相同。底宽b取为槽深的2～3倍，本设计取为5m。

防冲槽断面积A2.0(52325)22m

.

图2.4 防冲槽尺寸图（单位：m）

第29页 共73页

2.3 防渗排水设计

水闸挡水时，由于水位差作用会在闸基及两岸土体内形成渗流。渗流不仅损失水量，更不利于降低闸室及两岸连接建筑物的稳定性，还可能会引起变性及渗透破坏，甚至导致水闸失事，为此水闸必须做好防渗排水设计。土基上的水闸建成挡水后，由于形成一定的水头差，促使水自闸上游经过闸基或绕过翼墙向下游流动。这种现象称为渗流。渗流分两类，经过闸基的称为闸基渗流，沿两岸翼墙的称侧向绕流。前者为有压渗流，后者为无压渗流。

渗流对闸身的影响主要为：

①沿闸基的渗流对闸室产生向上的渗透压力，从而减轻闸室的有效重量，降低抗滑稳定性。侧向绕流对翼、岸墙产生水平推力。

②渗流在土内运动，由于渗透压力的作用，可能造成土壤的渗流变形，发生管涌或流土，引起水闸失事。（非粘性土可能发生管涌或流土，粘性土则只能发生流土，不会发生管涌）。

③严重的水量损失将造成水量损失而达不到蓄水要求。因此，保证地基土壤的抗渗稳定性，保证渗流出口段和沿闸基底板面水平段的渗透坡降不得超过土壤渗透稳定的允许值。

2.3.1 防渗设施布置

防渗设施的型式有两种，一种是水平防渗设施；另一种是垂直防渗设施。地下轮廓线布置总是把这两种防渗设施结合在一起，只有以那种位置的区别。水平防渗设施比较简单，用各种相对不透水材料（与地基的透水性 相比而言）在地基表面作一层铺盖，一般布置在闸室上游，与闸室底板联合成不透水的地下轮廓线，在铺盖上游端和闸室上游端布置一定深度的齿墙。上游齿墙可以有效地消耗渗透水头，降低铺盖和闸室底部的扬压力。下游齿墙则可以减少渗透水流的出逸坡降，减小渗透变形的可能性。垂直防渗通常采用灌浆、泥浆槽、混凝土墙、板桩等措施，在闸室的强烈透水层中形成一道或几道隔水墙，可以有效地减少闸基的渗透量和渗透水头，防渗效果一般比水平铺盖好。但是垂直防渗的施工比水平防渗困难的多，在水闸工程中采用并不普遍。只有在结合某些特殊要求或施工条件比较有利的情况下采用，而且深度都比较浅，一般都不超过10米。

闸基防渗设施布置，即地下轮廓线的布置，应根据闸基地质条件和水闸上下游水位差等因素结合闸室消能防冲和两岸连接布置进行综合分析确定，围绕如何减少闸底板扬压力，提高闸室抗滑稳定性，防止闸基土壤发生渗透变形而展开的。一般采用阻渗和导渗相结合的方法。通常在闸的上游布置防渗设备。根据地基土壤的特点，防渗设备有水平铺盖，板桩（垂直）和齿墙，其目的是用来延长渗流途径，以保证渗流坡降不超过土壤的允许值。

为防止地基的渗流破坏，就必须限制水流的平均渗透坡降，在工程中则是用地下轮廓线长度作为控制设计的标准。

地下轮廓线——指建筑物与地基接触面的不透水边界线，即铺盖、齿墙等防渗结构及闸室底板与地基的接触线长度L。

第30页 共73页

地下轮廓线长度L——为从铺盖最前端开始至铺盖末端齿墙至闸室底板末端齿墙，中间段末端齿墙至排水处（渗流出口处）。

地下轮廓线布置型式主要有四种：重粘性土地基，这种地基包括重壤土和粘土，地下轮廓线布置最简单，一般只要利用闸室底板的长度，就可以满足防渗要求，不足时适当加深地板上下游端的齿墙。如果为了降低闸室底板渗透压力，可以在上游增设铺盖，在闸室底板下设置排水。中等粘性土地基，包括中壤土、轻壤土和重砂壤土，地下轮廓布置基本上与重粘性土地基相同，采用铺盖和闸室底板组成水平防渗的地下轮廓线，在地板下游端设置有反滤层组成的水平排水体。粉土和粉细沙地基，这类地基也包括轻粉治沙壤土，就水闸防渗角度来说是最危险的地基，地下轮廓的布置首先要保证闸室地基的抗渗稳定性，最好用板桩包围起来。上游端和侧面的板桩，可以减少渗透压力，要求深一些。下游侧板桩主要目的是降低渗水出逸坡降，防止闸基渗透变形，可以浅一点。水流出逸处要设置级配良好的反滤层，闸室上游设置铺盖。砂砾石和中粗沙地基，这类地基虽有强烈的透水性，但是抵抗渗透变形的稳定性比粉细沙强的多，可以采取悬挂式板桩防渗。板桩设置在闸室上游端比较好。由于这类地基比较坚实，各类垂直防渗体的施工多比较困难，在上下游水头不大的情况下，也可以采用铺盖的办法防渗。

本设计为粘性土壤地基，均采用平底式地下轮廓。其防渗设备为水平铺盖，浅齿墙。其材料有黏土，混凝土，钢筋混凝土铺盖。本设计采用混凝土铺盖。

H

图2.5 防渗轮廓图 ⑴铺盖的尺寸

铺盖紧接闸底板设于上游河床上，其主要作用是延长闸基渗径降低渗流水力坡降和渗透压力，同时可防止河床免受水流冲刷。

铺盖长度一般为（3～5）H，（H为上下游最大水位差）本设计取4.0倍H，得19.2m。 混凝土铺盖多采用（0.4～0.6）m厚，一般为等厚。本设计取0.5m厚，铺盖下设碎石垫层厚0.1m，铺盖上下游均设齿墙增加闸室的抗滑稳定性并延长渗径，齿墙深一般为（0.5～1.5）m，本设计采用1m。

⑵底板的尺寸

按闸墩与底板连接方式不同分为整体式底板和分离式底板，因为三孔所以本设计采用整

第31页 共73页

体式底板，底板顺水流向长度应按满足上部结构布置，闸室抗滑稳定，地基承载力和水闸防渗要求确定，初拟时黏壤土地基取（2～3）H，本设计取3H为14.4m，底板厚度与地基土质，水闸荷载，单孔净宽等因素有关，初拟时取闸孔净宽的（0.2～0.125）倍，本设计取0.2倍的净宽，取为1.6m，齿墙高取1m，垫层厚取0.1m。

⑶闸基防渗长度

在工程规划和初级阶段，闸基防渗长度即地下轮廓线L的长度，为保证闸基渗透稳定性，初拟时防渗长度L应满足下式；

L≥LminCH 式 （2.17） 式中：Lmin——最小闸基防渗长度，m；

H——水闸上下游最大水位差，m。H取下游无水，上游最高水位时的水位

差，为4.8m；

C ——渗径系数，与地基土质情况有关，根据已知资料本设计取5。 所以， Lmin=5³4.8=24m

L=1.5+1.0+19.2+1.0+1.1+1.0+14.4+1.0=40.2m>24m 根据防渗尺寸图计算防渗长度L=40.2m> Lmin，满足要求。

2.3.2 闸基防渗长度校核

1:151:3图2.6 防渗铺盖尺寸图（单位：m）

L0=19.2+14.4=33.6 m，S0 =1+1.6= 2.6 m，L0 /S0 =12.9≥5，查《水闸设计规范》

第240页（c.2.1-1），当L0 /S0≥5时,按下式计算有效深度:

Te=0.5L0 式（2.18）

式中:Te ——土基上水闸的地基有效深度（m）；

L0——地下轮廓的水平投影长度（m）；

S0——地下轮廓线的垂直投影长度（m）。

所以:Te=0.5³33.6=16.8m，因为不透水层为无限深所以有效深度Te为闸基透水层的计算深度。

第32页 共73页

⑵地下轮廓线的简化，计算各段阻力系数,公式选自《水闸设计规范》（C.2.2-1）至（C.2.2-3）。

按等势线的位置，将闸底板轮廓分成几个典型流段，每一流段的阻力系数。 ①进,出口段：

01.5(S/T)1.50.441 式 （2.19） 式中: 0——进出口段的阻力系数； S——板桩或齿墙的入土深度（m）; T——地基透水层深度（m）。

∴①区进口: 0=1.5³(1.0/16.8)1.5+0.441=0.463 ⑧区出口: 0=1.5³(1.0/16.8)1.5+0.441=0.463 ②内部垂直段:

 y2/lnctg 式(2.20) 1S/T4式中： y——内部垂直段的阻力系数。

∴②区: y=2lnctg[(4)(11.016.3)]2.771 ④区: y=2lnctg[(4)(12.116.3)]2.277 ⑤区: y=2lnctg[(4)(1115.2)]2.774 ⑦区: y=2lnctg[(4)(1115.2)]2.774 ③水平段

xLx0.7S1S2/T 式（2.21）

式中： x——水平段的阻力系数； Lx——水平段长度（m）;

S1,S2——进出口段齿墙的入土深度（m）。

∴③区: x=[19.20.7(12.1)]16.31.045

⑥区: x=[14.40.7(1.01.0)]15.20.855 则: i=0.463+2.771+1.045+2.277+2.774+0.855+2.774+0.463=13.422

⑶各区段水头损失及底板下游水头计算

在渗流出口处9点渗压水头H9=0,自9点开始依次向上游逐加区段水头损失可行地下轮廓或各耦点渗压水头值按下式计算:

hii(Hi) 式（2.22）

式中:hi ——各分段水头损失值（m）；

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i——各分段的阻力系数； n——总分段数；

H——上下游水位差，本工程中△H =4.8m

图2.7 阻力系数计算简图

计算结果列于下表：

表2.9 渗流计算表

位置 阻力系数 0.463 2.771 1.045 2.277 2.774 0.855 2.774 水头损失 h12 h23h34 h45 h56h67 h78 1～2 2～3 3～4 4～5 5～6 6～7 7～8 8～9 0.463 h89 ∑ 13.422 4.8 0.17 0.99 0.37 0.81 0.99 0.31 0.99 0.17 渗透压力 4.8 4．63 ～4.63 3.64 3.27 2.46 ～.46 1.47 1.16 ～0.17 0.17 ～0 ～3.64 ～3.27 ～1.47 ～1.16 ⑷出口水头损失的修正

进出口段修正后的水头损失值可按下列公式计算（渗透压力分布图见《水闸设计》Ｐ89。）

'' h0h0 式（2.23）

1.211/12T/T2S/T0.059 式（2.24）

'''2式中：h0——进出口段修正后的水头损失（m）；

h0——进出口段水头损失值（m）；

''''——阻力修正系数，当计算≥1.0时，采用=1.0；

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'S——底板埋深与板桩入土深度之和（m）取为2.5；

'； T——板桩另一侧地基透水层深度（m）

得: '= 1.2112.6212()2(0.059)15.515.515.20.884

h0=0.884³0.17=0.15m

'△h=(1-')h=0.02m ⑸计算渗流出口的逸出坡降 对出口处的逸出坡降为:

J出= h0'/ S' 式（2.25） 得:J出=0.17/2.6=0.06<[ J出]=0.50

根据《水闸设计规范》表6.0.4砂壤土出口坡降J出在0.4～0.5不会产生渗流变形,故满足要求。

⑹计算底板下水平段渗透坡降 JxHT计 式（2.26）

4.8得: Jx16.813.4220.02<[Jx]=0.25

根据《水闸设计规范》表6.0.4砂壤土水平段允许坡降在0.15～0.25之间,故满足设计要求。

2.3.3 排水设施的设计

为降低闸底渗透压力，在闸下游应设置排水设施，即渗流的出口。而排水体的位置直接影响闸底渗透压力的大小。

排水的反滤层按常规铺设，再轧空过流位置，反滤层上的盖板做成固定的，并不留冒水孔，只在闸墩后设置一块活动的带有冒水孔的盖板，在该盖板周围围以矮墙，与闸墩连接在一起，墙高出下游常年枯水位，墙上设有洞孔与下游相连。反滤层的设计应遵循下列原则：各层内部颗粒不应发生移动;较细一层颗粒不应穿过较粗一层的空隙；被保护土层的颗粒不应穿过反滤层而被深水带走，个别特别细小的颗粒即使被渗流带走，亦不应在反滤层空隙中停留而堵塞反滤层。

排水体由透水性较强的大颗粒砂石料组成。土基水闸一般采用平铺式排水体。为防止发生渗透变形，平铺式排水体在渗流进入处，应设置反滤层。

⑴排水体:为了排除闸基渗水,护坦下设水平排水材料,采用碎石、卵石、砾石,粒径为1～2cm,厚度为0.2～0.4m，本设计为0.3m。

⑵反滤层:排水体下设反滤层两层,分别是砂砾石厚度为0.2 m,中粗砂厚度为0.2 m。

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⑶排水孔:在护坦水平段下游侧设排水孔,孔径为20 cm,间距为2.0 m,呈梅花状布置。 布置见下图

图2.8 反滤层布置

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第三章 闸室及地基的抗滑稳定计算

闸室的抗滑稳定性主要靠自身的重量维持，故首先确定闸室轮廓尺寸，计算自身以及作用于闸室的外力，然后计算其稳定性。如不符合要求，则可通过调整闸室各部分尺寸和位置来满足抗滑稳定要求。

3.1 闸室轮廓尺寸的确定

闸室由底板、闸墩、工作桥、交通桥、闸门、启闭设备组成。闸室的轮廓尺寸的确定包括：闸室总宽（闸孔尺寸设计求得）、闸顶高程、闸墩、闸门、底板形式及尺寸、上部结构形式与尺寸。

闸室结构布置的任务是：确定闸室内各部分如底板，闸墩，闸门，胸墙，工作桥，交通桥等的形式，布置，尺寸与构造。

闸室轮廓尺寸的 确定包括：闸室总宽（闸孔尺寸设计也求得），闸顶高程，闸墩，闸门，底板形式与尺寸（上部结构包括工作桥和交通桥）。

3.1.1 闸顶高程与闸门高度

闸顶高程为最高水位+波浪高度+安全超高。

即 h=h1+h2+h3 式（3.1）

式中： h1——闸墩上游最高挡水位，由资料，水利设计时已定h1=▽51.6m;

h2——风浪在闸前的雍高；

h3——安全超高。由《水工建筑物》P294 h3=0.4m。

波高h2的计算根据《水工建筑物》P.16，对于平原水库，可按鹤地水库公式（适用于风速小于23 m/s，吹程小于4km的情况），得波浪高度 ：

h=0.0136VL=0.389

VD321313D 式（3.2）

式（3.3）

式中： h——波高，即波峰至波谷底的垂直距离；（m）

V——计算风速，对1、2级坝，在正常高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1.5～2.0倍，在校核水位时和3、4、5级坝，宜采用相应洪水期多年平均最大风速。本设计三级建筑物取多年最大风速，由设计资料V=13m/s；

L——波长，即相邻两波峰（或波谷）之间的水平距离；（m）

D——库面波浪吹程，即坝前沿至对岸的最大直线距离。由设计资料D=0.15km。

所以 h= 0.0136133/20.151/31/3=0.339 m

L=0.389130.152=2.687 m

由于空气阻力小于水阻力波浪中心线高出水库静水面一定高度h0：

h0=hL =0.3393.14/2.687=0.134m

2第37页 共73页

则波浪计算高度 h2=h／2+h0=0.339／2+0.134=0.304m

所以闸顶高程为 ▽=h1+h2+h3=51.6+0.304+0.4=52.304m 取52.4m。 所以闸顶高为 h=52.4-46.8=5.6m 闸门高度确定 此设计采用露顶平面钢闸门 h门=最高挡水位+（0.3m～0.5m）安全超高 则h门=51.6-46.8+0.4=5.2

平面钢闸门尺寸为:L³H=8.5m³5.2m=44.2平方米

门宽L：取闸孔净宽+行走支承入槽深度（估取2*0.25=0.5m） L=8+0.25=8.5m 闸门自重根据《水工设计手册》6-131估算： 露顶式平面闸门重估算公式为（H≤8m）： G=kzkckgH1.43B0.88 式（3.4）

式中：Kz——闸门行走支承系数，滑动支承取0.81； Kc——材料系数，普通碳素结构钢取1.0； Kg——孔口高度系数，5≤H≤8m时取0.13。 所以：G门 =0.81³1.0³0.13³5.21.4380.88³9.81=71.69KN

3.1.2 底板形式及尺寸

底板是闸室的基础，它把闸室自身的重量和作用在闸室上的各种荷载传布于地基，并保护地基免受水流冲刷，同时它又是水闸地下轮廓的组成部分，阻止通过地基的渗透水流，防止地基的渗透变形。底板必须具有足够的整体性、坚固性、抗渗性和耐久性，通常采用钢筋混凝土结构。按底板与闸墩连接方式的不同，底板有整体式和分离式两种；按底板结构形式划分，又有平底式、低堰式、折线式和反拱式之分。

整体式底板是整体的钢筋混凝土平板结构。它把闸室和在比较均匀的传布于地基，是水闸最常用的一种底板，通常采用等厚度的平板，也可以采用边厚度的平板。例如加大墩基部位的厚度，减少垮中部位的跨度，在地基比较坚实的情况下，变厚度底板有利于改善底板的受力条件。将闸墩与底板浇筑成整体，闸室分缝常设在闸墩内，其特点是：整体结构性好，对地基的不均匀沉降适应性强，并有较好的抗震性，故应用较多。但闸孔孔径不宜，否则底板应力大，钢筋用量多。它适宜建在中等坚硬密实的地基上或地震烈度较高的地区。若地基较好，地基受载后保证不会产生过大的不均匀沉降而影响闸门正常启闭时，也可将缝设在底板上，这样闸墩不设缝可减少闸室工程量又可减少底板上的弯矩。

分离式底板是在闸孔内设两道缝将底板与闸墩分开。闸墩基础将上部结构荷重传给地基，底板只起抗冲防渗作用并应满足抗浮稳定要求。底板厚度可做的较薄，这时可由混凝土或浆砌石建造，当采用浆砌石底板时应先浇筑闸墩和浆砌块石底板，待二者沉降稳定后再在浆砌石表面浇一层C15混凝土或加筋混凝土，厚约15cm表面平整并满足抗冲防渗要求。分离式底板适宜建在土质较好的砂土或砂壤土地基上，这种地基沉降较快，施工期间闸墩沉降

第38页 共73页

可基本完成，运用期间则可减少闸墩与底板间的不均匀沉降，对于特别软弱的地基如淤泥质地基，当采用桩基处理时，也采用分离式底板，闸墩的基础同时也是桩柱的承台，闸室荷载由承台直接传给桩柱。分离式底板整体性较差，不宜建在地震区，另外，当发生地基不均匀沉降时易造成闸底板顶面高低不平，闸墩倾斜等，故多采用平板闸门。

闸底板是闸室的基础部分，必须有足够的刚度和强度。对于大中型水闸其底板厚可取（1/5～1/7）³闸孔净宽。《水闸设计》（华东水利学院）Ｐ.162。今取1.6 m。底板内配筋。为增加闸室的抗滑稳定性，加大闸室底板与铺盖连接处的厚度和延长渗径，在底板两端设齿墙，齿深定为1.0 m，宽1.0m。

闸底板长度：由《水工建筑物》Ｐ314可知，对于砂壤土地基可取（2～2.5）H；粘壤土地基可取（2～3）H；而该工程的主要持力层为软塑的淤泥质土，则取底板长L=3H=3³4.8=14.4m。

本设计因底板总宽B=27.6<28m，故采用整体平底式底板。底板上下游设齿墙，深为 1.0m，底宽1.0m。平底板的结构形式为增加闸室的抗滑稳定，加大底板与铺盖连接处的厚度和延长渗径，在底板两端需设齿墙。

3.1.3 闸墩

闸墩的作用为分隔闸孔，支承闸门，同时作为上部结构的支承，传递上部荷载至地基。按工作条件不同，闸墩可分为中墩、缝墩和边墩。闸墩上分缝的闸室刚度较大，变形小，适用于比较软弱的地基。因此本闸不用设置缝墩。闸墩的长度取决于闸门型式、闸门在闸孔的位置及上部结构的布置。闸墩顺水流方向的长度取与底板相同，为14.4m。闸墩为钢筋混凝土结构，中墩厚为1.0m，边墩厚为0.8m。

闸墩型式采用上游为半圆型，下游为流线型，由《水工设计手册》P.6—15。闸墩上设两道门槽（检修门槽、工作门槽），检修门槽在上游，槽深0.3m,宽0.3m。工作门槽一般由闸门尺寸及支承方式确定。槽深先设为0.3m，宽为0.6m。二闸门之间净距为3.0m。闸门越

靠向下游，则对闸室抗滑稳定越有利（可利用水重）。本设计将工作闸门设在闸室中央。

图3.1 闸墩尺寸图（单位：m）

3.1.4 启闭设备

启闭力的计算，根据《水工建筑物》P363公式得：

第39页 共73页

启门力：FQnT(TzdTzs)PxnGGGjWs 式（3.5）

' 闭门力：FWnT(TzdTzs)nGGPt 式（3.6） 式中：nT——摩阻力安全系数，取1.2；

nG’——计算启门力时的门重修正系数，一般取1.1；

' nG——计算闭门力时的门重修正系数，一般取1.0；

G、Gj——闸门自重和加重块重量KN，G取69.70KN，Gj取卷扬式启闭机重量26KN；

则本设计中，根据公式 B<11时，G=2h B =2*5.2*8 =77.60kN(取重块为26 KN)

h——门叶高度，取5.6m； Pt——上托力，取0；

Ws——闸门顶以上水柱重量KN，取0；

Tzd——支承摩阻力KN，滑动支承时：Tzd =f2P，

Tzd =0.6³113 KN =67.8KN；

P ——闸门上总水压力KN，P=rH／2=9.81³4.8 ／2=113.0KN; f2——滑动支承摩擦系数，钢对钢取0.6；

Tzs——止水阻力KN，Tzs=f3 Pzs ，Tzs=0.5³18.46=9.23KN; f3——止水与止水座间滑动摩擦系数，橡皮对钢取0.5；

止水摩阻力Tzs=2fbHp,橡皮止水与钢板间摩擦系数f=0.65,橡皮止水受压宽度取为b=0.06m,每边侧止水受水压长度H=5.2m,侧止水平均压强P=5.2/2*9.81*1.0=25.51N/m

Pzs——作用在止水上的水压力，

Pzs=2³侧止水长度³止水挤压宽度³侧止水中心处水压力强度

22

=2³5.2³0.06³25.51=15.92 KN。

所以：启门力：FQ =1.2³（67.81+15.92）+1.1³77.60+26=132KN

闭门力：FW =1.2³（67.8+15.92）-1.0³77.60=-35.7KN

选择启闭机：根据《水工设计手册》P6-167选择卷扬式启闭机QPQ-2³12.5，主要参数见下表：

表3.1卷扬式启闭机QPQ-2³12.5主要参数 类别 启闭机型号 启闭力 （t） 启门高度 （m） 启门速度 （m／min） 吊距 重量(kg) 第40页 共73页

双吊耳 集中驱动 QPQ-2³12.5 2³12.5 8 2.23 1.8～7 2570 检修闸门采用活动式启闭设备启闭。

3.1.5 工作桥

工作桥供设置启闭机和管理人员操纵闸门之用。桥的高程必须在水闸下泄量最大时，能使闸门脱离水面。工作桥的支承结构，当桥高不大常将闸墩向上延伸至工作桥纵梁底部。当桥高较大时，一般在闸墩上修建排架或支墩来支承。

⑴工作桥的梁底至闸墩顶的净空高度h

hh1e 式（3.7）

式中；h1——直升板门的高度，如果是弧形门或卧式闸门，则为闸门旋转时所需

的净空高度（m）。

e——安全加高，可取0.5～1.0m。 本工程中，h1为5.2m（采用直升板门）； e取0.8m。 所以 h=5.2+0.8=6.0 m ⑵工作桥的尺寸及构造

工作桥的宽度不仅要满足启闭机布置的要求且两侧应留有足够的操作宽度，供操作及设置栏杆。两侧各留0.6～1.2m富裕高度，本设计取0.6m。栏杆柱尺寸为15cm³15cm，高为1.1m。

B=2³启闭机宽度+2³操作宽度+2³栏杆宽度+2³栏杆外富裕宽度 =1.56+2³0.6+2³0.15+2³0.05=3.16m， 取工作桥净宽4.0m。

工作桥总长为27.6米。（与闸室同宽)

工作桥为钢筋混凝土板梁式结构，预制装配。由《水工建筑物》梁高一般可取为（～

81101）³7=（0.875～0.7）m，今取梁高1.0m，梁腹宽约为梁高的（

12.5～

14）³0.8=（0.32～

0.2）m，今取0.3m。纵梁上翼板向两侧延伸形成桥面板翼板端部厚为8～10cm，取10cm。向梁腹方向逐渐加厚至根部厚为20～25cm，取25cm。为了保证启闭机的机脚螺栓安置在立梁上，立梁间的净距为1.6m。工作桥具体尺寸见下图：

工作桥设在实体排架上，排架顶部高程 =51.6+6.0=57.6m

第41页 共73页

图3.2 工作桥结构图（单位：cm）

3.1.6 交通桥

交通桥应根据闸室稳定性及两端公路交通而定，本水闸因无交通要求，故宽度取3.0m，长度同工作桥，布置在下游。（具体位置见总体布置图。）

3.1.7各部分重量计算

闸墩重：一个中墩重=(1.0³14.4-2³0.3³0.3-2³0.3³0.6) ³5.6³2.5³

9.81=1903.53KN

一个边墩重=(0.8³14.4-0.3³0.3-0.3³0.6) ³5.6³2.5³

9.81=1545.08KN

闸墩总重=2³中墩+2³边墩=2³1903.53+2³1545.08=6897.22KN

底板重：底板重=[2.6³14.4-（12.4+10.4）³1.0³0.5] ³27.6³2.5³

9.81=17626.22KN

闸门重：一个闸门重=71.69KN，三个闸门重=71.69³3=215.07KN 一个重块重=226.0KN，三个重块重=3*26.0=78KN 则总重为=293.07KN 启闭机重：一个启闭机重=2.57³9.81=25.21KN，

三个启闭机重=25.21³3=75.63KN

交通桥重：交通桥总重=9.81³2.5³28³[0.54³0.3³2+(0.3+0.9) ³0.16³0.5³

2+1.2³0.08]=409.27KN

工作桥重：工作桥总重=9.81³2.5³28³[0.54³0.3³2+(0.3+0.9) ³0.16³0.5³2+2.2

³0.08] +[0.3³5.6³2³0.4+(2.2³0.3+2.2³0.3+4³0.2) ³0.25] ³9.81³2.5³4=464.21+151.96=616.17KN

第42页 共73页

3.1.8 分逢与止水

为了防止和减少因地基不均匀沉降、温度变化及混凝土干缩引起结构裂缝，对于整体式底板多孔水闸需设置分缝。只设顺水流方向分缝，缝宽为两厘米。在底板与铺盖、底板与消力池之间、铺盖、消力池与两岸翼墙之间、边墩与上下游翼墙及岸墙连接处均应设分缝。

在上述分缝中，凡位于防渗范围内的缝均应设置止水。按止水片布置的方向不同有水平止水和垂直止水两种。垂直止水材料大多采用紫铜片与沥青井柱、沥青油毛毡等。水平止水材料多采用紫铜片、橡皮或塑料止水带等。

3.2 闸室稳定计算

水闸建成后会经历各种工作情况，例如：完建后对地基压力影响最大沉降也最大，过大的压力有可能超过地基的承载力，发生地基破坏，过大的沉降，尤其是不均匀沉降会使闸室倾斜甚至结构断裂。挡水时在水平推力作用下有可能闸室沿地基面产生滑动，当垂直荷载过大还可能产生深层滑动。因此，必须验算水闸在各种工作情况下的安全性，必要时进行地基处理。

本水闸为设分缝，取整个闸室进行计算。

在闸室结构布置初步拟定后，要按偏心受压公式计算闸底反力，以便检验闸基是否稳定，也要核算闸室是否会沿地表滑动，稳定计算须计算三种情况：

⑴建造完成期，这时闸上、下游无水，闸底也无渗透压力，当然不需进行抗滑稳定计算。但正是由于闸底不成受浮力和渗透压力，必须进行核算。

⑵正常挡水期，水闸建成后，最不利于稳定的条件应为上下游水位差最大的情况。此时上游为设计洪水位，下游水位为相应于为防水的渠中水位。因此水闸除自重外尚承受上下游静水压力、排水设施正常工作时的渗透压力与浮力、水重以及风浪压力等等。

⑶正常挡水+地震，此情况属非常运用情况。闸室受的荷载除自重，水压力，水重，泥沙压力外尚有排水设施失效时的渗透压力，浮力或排水设施正常工作时的渗透压力，浮力再加上地震惯性力和地震引起的动水压力等。

下面取一个独立的闸室单元进行分析。对于未设顺水流方向分缝的三孔水闸，则以此整体作为一个计算单元（包括边墩）。

3.2.1作用于闸室上的荷载和组合

荷载包括：闸室自重，水平水压力，水重，扬压力，地震惯性力。

⑴闸室自重包括：底板重G1，闸墩重G2，闸门重（加重块）G3，交通桥重G4，工作桥G5及启闭设备重G6。这些重量分别作用于各自重心处。钢筋混凝土的容重为25KN/m。

3

第43页 共73页

图3.3 底板构造及尺寸（单位：m）

底板重G1=17626.22KN 闸墩重G2=6897.22KN 闸门重G3=251.67KN 交通桥重G4=409.27KN 工作桥重G5=616.17KN 启闭设备G6=75.63KN

⑵水重W水HBL=4.8³24³7.2³9.81=8136.81KN； ⑶水平水压力（采用混凝土铺盖）

P112HB=0.5³(4.8+0.25)³27.6³9.81=3452.48KN

p21222

(H3Ha)SB129.81(4.80.25)（2.60.25）27.61604.96KN

⑷扬压力 水闸底板底部受到的铅直向上的水压力称扬压力，它包括渗透压力和浮托力两

部分（下游无水，则浮托力为零）。

Ps12HBL=1/2³9.81³(2.46+1.16)³14.4³27.6=7056.98KN；

⑸地震力 作用于闸室上的地震力包括地震惯性力和地震动水压力。

①地震惯性力 对于设计地震烈度为7度及以下的水闸，只考虑水平向地震惯性力，当惯性力指向下游时最为不利，增加了闸室的滑动性。

nni1i1 PH=Pi=KHCziwi 式（3.8） 式中 :KH——水平向地震系数，（见《水闸设计》水利电力出版社表4-8 P95）对于设计烈度为7度的地震，KH=0.1； Cz——综合影响系数，取1/4；

i——地震加速度分布系数（按《水闸设计》表4-13采用）；

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wi——集中质点i的重量KN。

将水闸分为闸底板部分，闸墩部分，工作桥部分，交通桥部分，闸门部分，启闭设备部分分别计算地震惯性力，计算结果见下表：

表3.2 水平地震力计算表 荷载名称 底板 闸墩 启闭机 工作桥 交通桥 闸门 ∑ 荷载↓（KN） 17626.22 6897.22 75.63 616.17 409.27 251.67 25890.01 i Pi（KN） 力臂（m） 0.0 4.3 13.2 13.2 7.2 4.3 力矩（KN﹒ m） 0.0 956.71 99.83 842.01 145.82 48.76 2093.14 1.0 440.66 2.0 344.86 4.0 4.0 2.0 1.9 7.56 61.62 20.46 13.92 887.77 ②地震动水压力 在顺河流水平地震作用下，闸门和闸墩上的地震动水压力为：

2 P0=0.65KHCzH1B 式（3.9）

式中：KH——水平向地震系数，（见《水闸设计》表4-8 P95）对于设计烈度为7度的地震，KH=0.1；

Cz——综合影响系数，取1/4； H1——坝前正常蓄水深，取4.8米； ——水的容重；

B——闸室总净宽，取26米。 得：p00.650.1149.814.82695.49KN

2所以：总地震压力=887.77+95.49=983.26KN

3.2.2闸室基底应力、抗倾及抗滑稳定验算

⑴完建期情况

计算完建情况下作用荷载、力矩计算见表3.3

表3.3 完建期力矩计算表（对底板形心求矩） 部位 底板 闸墩 工作桥 重力（KN） 17626.22 6897.22 616.17 力臂（m） 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 力矩（逆）（KN²m） 力矩（顺）（KN²m） 第45页 共73页

交通桥 闸门 启闭机 合计 409.27 251.67 75.63 25890.01 6.9 0.0 0.0. 0.0 0.0 0.0 2823.96 0.0 0.0 2823.96 对于结构布置及受力在垂直水流方向对称的计算闸段，闸室地基承受单向偏心荷载作用。计算闸基上下游边缘最大、最小压应力公式由《水工建筑物》（8—32）得：

2maxminG=

AM

W 式（3.10）

WBL/6

式中 ：A——底板面积，如果是闸墩上分缝的闸室，或者用接搭式底板分缝的闸室取一个分段或一孔闸室底板的总面积；如果是分离室底板，则取墩基的底面积；

B——底板沿水流方向的宽度；

G——作用在基底以上的所有铅直力总和；

M——所有铅直力与水平力对基底顺河向对称中心的力矩总和。

所以：

W27.614.4/6953.86m

23max=27997.42/953.86+6*1206

max25890.0114.427.625890.0114.427.62823.96953,862823.96953.8665.142.9668.10kNm2

min65.142.9662.18kNm

2

地基承载力验算由《水工建筑物》（8—34）（8—35）得：

min= max 式（3.11）

2maxmin 式（3.12）

68.1062.18265.14Kpa []147Kpa

满足要求。

max=68.10Kpa<=1.2³147=176.4Kpa满足要求。

式中:——加大系数，取1.2~1.5。

第46页 共73页

=

maxmin=1.10<=1.5满足要求。

反映闸室基底反力分布的不均匀性。由《水闸设计规范》P.30表7.3.5知[]基=1.5，

[]特=2.0。为地基容许承载力本工程为=147Kpa。

⑵正常运用情况：

计算正常运用情况下作用荷载、力矩计算见表3.4：

表3.4 正常运用情况下荷载、力矩计算表（对底板形心求矩）

荷载名称 闸室结构重力 水水压力 P2 扬压力 水重力 合计 22628.14（） 5053.92（） 12602.01（逆） 闸室地基压力计算，由表可知G=26969.84KN，M=12602.01KN²m 由公式（3.10）得：

14.427.626989.84612602.012min67.8613.2154.65kNm 214.427.614.427.6min = max=67.86Kpa< =147 Kpa满足要求。

226989.8414.427.6612602.012竖向力（KN）   水平力（KN）   力臂（m） 0.0 力矩（KN²m） 逆 0.0 顺 0.0 25890.01 P0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 3452.48 0.0 3.03 0.0 10461.01 P1 P0.0 0.0 8136.81 0.0 7056.98 0.0 1604.96 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.1 0.86 3.6 0.0 0.0 29292.52 160.50 6069.00 0.0 34026.82 7056.98 5053.92 29292.52 16690.51 max67.8613.2181.07kNm2

不均匀系数： maxmin1.48<=1.5满足要求。

闸室抗滑稳定验算：水闸挡水时闸室最不利滑动面是底板与地基接触面，闸室沿该面的抗滑稳定安全系数由《水闸设计规范》7.3.6-1得:

KCfGP≥KC 式（3.13）

式中：f——沿闸室基底面与地基之间的摩擦系数，按本规范标7.3.10

第47页 共73页

选用。对于壤土，粉质壤土，f取0.25～0.40，由资料取0.35。 G——作用在闸底板以上的全部垂直荷载总和KN；

。 P——作用于闸底板上的全部水平向荷载总和KN；

KC——容许抗滑稳定安全系数，由《水闸设计规范》表

筑物，基本荷载组合时取1.25，特殊荷载组合时取1.05。

所以：kc0.3527977.425053.927.3.13查得，对于三级建

=1.87≥KC=1.25，抗滑稳定满足要求。

⑶正常运用+地震情况：

水闸正常挡水遭遇地震情况下，属于非常运行情况荷载组合是特殊荷载组合。上游正常蓄水位为51.6米遭遇地震时，本闸的地震设计烈度为7度，在此时考虑顺河流方向的水平地震惯性力和地震动水压力。

表3.5 正常运用+地震荷载情况下的荷载力矩计算表（对底板形心求矩） 竖向力（KN） 荷载名称   水平力（KN） 力臂  力矩（KN²m） 逆 顺 （m） 正常挡水时 全部荷载 底板 部分 闸墩 部分 启闭机 工作桥地震部分 34026.82 7056.98 5053.92 0.0 29292.52 16690.51 0.0 0.0 440.66 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 344.86 0..0 4.4 0.0 1517.38 0.0 0.0 7.56 0.0 13.50 0.0 102.06 0.0 0.0 61.62 0.0 13.50 0.0 831.87 荷载 交通桥部分 0.0 0.0 20.46 0.0 7.90 0.0 161.63 闸门 0.0 0.0 12.61 0.0 4.20 0.0 52.96 地震动水压力 0.0 0.0 95.49 0.0 3.55 0.0 338.99 合计 26969.84(） 6037.09（） 第48页 共73页

34054.40 7056.98 6037.49 0.0 29292.52 20546.66 8745.86（逆）

闸室基底压力计算，由表可知，

26969.8414.427.6G2=26969.84KN，

M=6037.09KN²m

P=8745.86KN 。

由公式（3.10）得：max min26969.848745.8614.427.667.861.5369..39kNm2

14.427.614.427.6min = max=67.86Kpa< =147 Kpa满足要求。。

28745.86267.841.5366.33kNm2

不均匀系数： =

maxmin=1.05<=1.5满足要求。

闸室抗滑稳定验算：由公式（3.10）得: kc0.3526997.42.6038.491.56kc1.05 抗滑稳定满足要求。

最后将抗滑稳定及地基承载力计算结果列表算出如下：

表3.6 抗滑稳定计算结果

运用情况 完建 正常挡水 正常挡水+地震 特殊组合（校核条件） 基本组合（设计条件） 1.87 1.55 1.25 1.05 安全 安全 荷载组合 计算K值 允许K值 备注 不必验算 表3.7 地基承载力计算结果

计算值 运用情况 荷载组合 max允许值 备注 min 完建 正常挡水 正常挡水+地震 基本组合（设计条件） 特殊组合（校核条件） 69.39 68.10 81.07 62.18 54.65  65.15 67.86    147 1.5 安全 1.5 1.09 1.3 147 66.33 67.86 1.17 147 2.0 3.2.3闸基深层滑动及地基沉降量计算

⑴水闸挡水时承受最大的水平向水推力，这时基础丧失稳定有两种可能，一种是沿基础与地基的接触面滑动，称表面滑动。另一种可能是基础带动一部分地基土向下游滑动，称为

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深层滑动。水闸在一般情况下均受有铅直力和水平力的共同作用，当闸基铅直压应力较小时，地基的塑性变形只限于地表，当水平力达到某一限度时闸室即沿基底面滑动。但当闸基所受铅直压应力也较大时，地基内部的塑性区域将连成一片致使闸室发生深层滑动。

闸室是否会发生深层滑动可由临界深层滑动压应力公式判别：

kp1.75bBtg2C(1tg) 式（3.14） 式中: kp——地基产生深层滑动时的临界铅直压应力（KPa）；

B ——底板顺河流向的长度，取14.4 m（m）； A——系数，一般取3～4，本闸取3；

b——地基土浮容重，为9.8KN/m3（KN/m3）；

C ——地基土在饱和状态下的粘聚力，为19.6KN/㎡（KN/㎡）； ——地基土在饱和状态下的内摩擦角，为16度（度）。 所以：则 kpkp =1.75³9.8³14.4tg16+2³19.6³（1+tg16）=125.23KPa =125.23KPa>max=83.66KPa，故闸室不会发生深层滑动。

⑵地基的沉降计算

水闸的天然地基，一般采用单向压缩的分层总和法计算最终沉降量，对于软土地基，有时还需要计算地基沉降与时间的关系。由《水闸设计规范》8.1.9可知，对于中小型水闸标准贯入击数大于10击的壤土及粘土地基，可不计算沉降量。本工程试验得N635=11，所以不必进行沉降计算。

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第四章 平面钢闸门设计

闸门是用来关闭、开启或开启水工建筑物中过水孔口的活动结构，其主要作用是控制水位、调节流量。闸门是水工建筑物的重要组成部分，它的安全和适用，在很大程度上影响着水工建筑物的运行效果。

闸门的类型很多，主要划分如下：

⑴按闸门的功用可分为：工作闸门、事故闸门、检修闸门和施工闸门。工作闸门系指经常用来调节孔口流量的闸门，这种闸门是在动水中启闭的。检修闸门是供工作闸门或水工建筑物的某一部位需要检修时用以挡水的闸门，这种闸门是在静水中启闭。

⑵按闸门孔口的位置分为露顶式闸门和潜孔式闸门。

⑶按闸门结构形式可分为平面闸门、弧形闸门以及船闸上常采用的人字闸门等。

4.1平面钢闸门的结构形式及布置

图4.1 荷载计算简图（单位：m）

图4.2 梁格布置尺寸简图 （单位：mm）

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4.1.1 闸门尺寸的确定

闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.4m，故闸门高度=4.8+0.4=5.2 闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L0=8m 闸门的计算跨度：L=L0+2d=8+2*0.25=8.50m 4.1.2 主梁的形式

主梁是平面闸门中的主要受力构件，根据闸门的跨度和水头大小，主梁的形式有轧成梁、组合梁和桁架。轧成梁用于小跨度低水头的闸门。对于中等跨度的闸门常用组合梁。对于大跨度露顶闸门，可采用桁架形式。本闸属于中等跨度，为便于制造和维护，决定采用实腹式组合梁

4.1.3主梁的布置

主梁的数目主要取决于闸门的尺寸。当闸门的跨度L小于门高H时，主梁的数目一般应多于两根，则称为多主梁式。反之，当闸门的跨度较大时，主梁的数目一般应减少到两根，称为双主梁。本设计L=8m，H=5.2m，则采用双主梁式。

主梁沿闸门高度的位置，一般是根据每个主梁承受相等水压力的原则来确定的，这样每个主梁所需的截面尺寸相同，便于制造。为使每个主梁在设计水位时所受的水压力相等，两个主梁位置应对称于水压力合力作用线y=H/3=1.6m，并要求下悬臂a≥0.12H，上悬臂c≤0.45H，今取a=0.6 m≈0.12H=0.576m

主梁间距2b=2(y-a)=2³(1.6-0.6)=2.0m

c=H-2b-a=4.8-2.0-0.6=2.2m≤0.45H 满足要求 4.1.4 梁格的布置和形式

梁格用来支承面板，以减少面板跨度而达到减少面板厚度的目的。梁格一般包括主梁、次梁（包括水平次梁、竖直次梁、顶梁和底梁）和边梁。它们共同支承着面板，并将面板传来的水压力依次通过次梁、主梁、边梁而后传给闸门的行走支承。梁格的布置有简式、普通式、复式，连接形式有齐平连接和降低连接，齐平连接的优点：两个与面板形成刚性的整体，可以把面板作为梁截面的一部分，以减少梁格的用钢量；面板边四边支承，受力条件好。本闸梁格采用复式布置和齐平连接，水平次梁穿过横隔板上的预留孔并被横隔板所支承。水平次梁为连续梁，其间距上疏下密，使面板各区格需要的厚度大致相等，梁格布置的具体尺寸详见下图。

4.1.5 联结系的布置和形式

⑴横向联结系：横向联接系的作用是承受次梁传来的水压力，并将它传给主梁。当水位变更等原因引起的个主梁的受力不均时，横向联结系可以均衡主梁的受力并且保证闸门横截

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面的刚度。横向联结系形式有隔板式和桁架式，桁架式多用于高度和间距都较大的双主梁闸门中。本设计采用隔板式，根据主梁的跨度，决定布置三道隔板，其间距为2000mm，横隔板兼作竖直次梁。

⑵纵向联结系：纵向联结系位于个主梁下翼缘之间的竖平面内，主要作用是承受闸门的部分自重和其他竖向荷载；保证闸门在竖平面内的刚度；另外与主梁构成的封闭的空间体系以承受偶然作用力对闸门引起的扭矩。本闸采用斜杆式桁架。 4.1.6 边梁与行走支承

边梁采用单腹式，行走支承采用悬臂式滚轮。

4.2 面板设计

面板用它直接挡水，将承受的水压力传给梁格。面板通常设在闸门上游面，这样可以避免梁格和行走支承浸没于水中而聚集污物，也可以减少因门底过水而产生的震动。 根据《水利水电工程钢闸门设计规范SDJ13—78（试行）》关于面板的计算，先估算面板厚度，在主梁截面选择之后，再验算面板的局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力。 4.2.1 估算面板厚度

假定梁格布置尺寸如上图所示，面板厚度按下式计算： t=akpa 式（4.1）

式中：a——弹塑性调整系数，当b/a3时，a=1.5,当b/a>3时，a=1.4；

——钢材的抗弯容许应力，以N=160Nmm2mm2计；《水工钢结构》表1-8查得

k——四边固定矩形弹性薄板在支承长边中点的弯应力系数，可按《水工钢结构》附录九表2 查得；

p——面板计算区格中心的水压强度(phg0.0098h)以Nh——区格中心的水头，m。 当b/a3时，a=1.5,则t=a

kpakpamm2计；

=0.065akp；

当b/a＞3时，a=1.4,则t=a=0.067akp。

现在列表计算如下（面板边长a、b都从面板与梁格的连接焊缝算起；区格Ⅰ、Ⅵ中系

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数k由三边固定一边简支板查得。）：

表4.1 面板厚度计算表

区格 Ⅰ 1650 2125 a（mm） b（mm） b/a 1.29 Ⅱ 950 2125 2.24 Ⅲ 730 2125 2.91 Ⅳ 650 2125 3.27 Ⅴ 620 2125 3.43 Ⅵ 600 2125 3.54 根据上表计算，选用面板厚度t=8.0mm. 4.2.2面板与梁格的连接计算

面板局部挠曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横拉力P按式P0.07tmax计算，已知面板厚度t=8mm,并且近似地取板中最大弯应力max160N/mm，则

2k p kpt（mm） 0.491 0.499 0.500 0.500 0.500 0.750 0.004 0.017 0.025 0.032 0.038 0.044 0.044 0.092 0.111 0.126 0.138 0.182 4.72 5.68 5.27 5.53 5.73 7.32 p=0.07tmax 式（4.2） max——厚度为tmm的面板中最大弯应力，计算时可采用max=。

则P0.07816089.6N/mm； 面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力： TVS2I0=207³600³8³183³1000/2³565200000=161NPT22mm

由式hfhf220.7[f]计算面板与主梁连接的焊缝厚度，

w89.6161/0.7³113=2.3mm

面板与梁格连接焊缝取其最小厚度hf=6mm。

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4.3 水平次梁、顶梁和底梁的设计

4.3.1 荷载与内力计算

水平次梁和顶底梁都是支承在横隔板上的连续梁，作用在它们上面的水压力可按下式计算：

qpa上a下2 式（4.3）

p——次梁轴线处的水压强度

a上，a下——分别为水平次梁轴线到上，下相邻梁之间的距离 现列表计算如下：

表4.2 次梁荷载计算表 梁轴线 梁号 处水压强度P(KNm) 1（顶梁） 2 3（上主梁） 4 28.71 0.65 5 6（下主梁） 7（底梁） 47.04 1.9315.9318.1119.8122.2825.1114.11117.28Nm

根据上表计算，水平次梁计算荷载取22.48KN/m,水平次梁为四跨连接梁，跨度为2m。

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2 梁间距（m） (a上a下）2qp(a上a下）2 备注 （KN/m） 1.12.25 0.95 21.56 0.73 65 1.93 1.300 15.93 ①顶梁荷载 0.840 18.11 1.2512.251.2530.690 19.81 R21.65 1.93kNm35.08 0.62 41.16 0.60 0.635 22.28 0.610 25.11 0.300 14.11

水平次梁弯曲时的边跨中弯距为：

M次中0.077qL0.07722.282.125227.75KNm

▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲ 图6.3 水平次梁计算简图和弯矩图

支座B处的负弯距为：M次B0.107qL0.10722.282.2510.77KNm 4.3.2 截面选择

WM210.77106216067313mm

3考虑利用面板作为次梁截面的一部分，初选12.6 由附录三表4查得：

A1569mm ， Wx62137mm ＞W=43562.5mm，Ix3914660mm， b153mm，d5.5mm，h126mm。

334面板参加次梁工作有效宽度分别按下列两式计算，然后取其中较小值，

Bb160t53608533mm 式（4.4）

B1b （对跨间正弯距段） 式（4.5） B2b（对支座负弯距段）。

b1b22650+6202按5号梁计算，设梁间距b===635㎜。

确定上式中面板的有效宽度系数时,需要知道梁弯矩零点之间的距离l0与梁间距b之比值.对于第一跨中弯距段取L00.8L0.821251700mm，对于支座负弯距段取

L00.4L0.42150860m.根据l0b查《水工钢结构》表6-1：

对于L0b17006352.677得：10.84，则B1b0.84635533mm。 对于L0b8606351.34得：20.36，则B2b0.36635229mm。

对第一跨中选用B=533mm,则水平次梁组合截面面积：

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A=1569+8³533=5833mm2 组合截面形心到槽钢中心线的距离为：

e533867583349mm

跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：

I次中39146601569495338269063365mm906336577117706mm

2224

Wmin对支座段选用B=229mm,则组合截面面积： A=1569+8³315=4089ｍ㎡ 组合截面形心到槽钢中心线距离：

e229867340136mm

支座处组合截面的惯性矩及截面模量： I次B3914660 Wmin770863699156977865mm

23622298mm3 147708636

图4.4 面板参加水平次梁工作后的组合截面（单位：mm）

4.3.3 水平次梁的强度验算

由于支座B处弯距最大，而截面模量较小，故只需验算支座B处截面的抗弯强度，即：次M次BWmin9.5410/77865122.5N6mm2＜[]160Nmm2

说明水平次梁选用12.6满足要求。

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轧成梁的剪应力一般很小，可不必验算。 4.3.4 水平次梁的挠度验算

受均布荷载的等跨连续梁，最大挠度发生在边跨，由于水平次梁在B支座处截面的弯矩已经求得M次B10.77KN²m，则边跨挠度可近似的按下式计算：

wl(5384)(ql22.482000353= EI次）（M次Bl16EI次）53849.54102000162.068911172689111722.06100.00061510.004

250l故水平次梁选用12.6满足强度和刚度要求。 4.3.5 顶梁和底梁

顶梁所受荷载较小，但考虑水面漂浮物的撞击等影响，必须加强顶梁刚度，所以也用

12.6不变。底梁也采用12.6。

4.4主梁的设计

主梁设计内容①截面选择②梁高改变③翼缘焊缝④腹板局部稳定验算⑤面板局部弯曲与主梁整体弯曲折算应力验算。 4.4.1 设计资料

⑴主梁跨度：净跨（孔口宽度）L0=8m；计算跨度L=8m；荷载跨度L1=8m； ⑵主梁荷载：q=56.51KN/m； ⑶横向隔板间距：2000mm； ⑷主梁容许挠度：[w]=L/600。

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12×1012

图4.5 主梁跨中截面（单位：mm） 4.4.2截面选择 ⑴弯矩与剪力 弯矩与剪力计算如下： Mmax56.51 Vmaxql2822(8212456.518226KN。

8)452.08KN²m；

⑵需要的截面抵抗矩

已知A3钢的容许应力[]160N/mm2,则需要的截面抵抗矩为： WMmax0.92452.081000.921600.13071cm。

2⑶腹板高度的选择

等截面非双轴对称为： hmin0.960.208LEl

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0.960.20816010082.06101574.4cm

60025经济梁高 hec3.1W253.1307177.0cm 。

由于钢闸门中的横向隔板重量将随着主梁增高而增加，故主梁高度宜选得比hec为小，但不小于hmin。现选用腹板高度h0=75cm。

⑷腹板厚度的选择

按经验公式计算：tw⑸翼缘截面选择

每个翼缘需要截面为：

A1Wh0twh06307175175628cm；

2h1175110.79cm，选用tw=1cm。

下翼缘选用：t11.5cm（符合钢板规格） 需要b1A1t1281.518.7cm，选用22cm（在

h2.5～

h530～15cm之间）

上翼缘的部分截面积可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用

t11.5cm，b110cm。

面板兼作主梁上翼缘的有效宽度取为：Bb16010600.858cm；上翼缘截面积：A1101.5+580.861.4cm。

⑹弯应力强度的验算：

主梁跨中截面的几何特性如下表：

表4.3 面板几何参数计算表 截面面积(cm) 22部位 截面尺寸(cm³cm) 各形心离面板表面距离y(cm) '各形心Ay'(cm3) 离中和轴的距离(cm)y=y-y1 'Ay2(cm4) 面板部分 上翼58³0.8 10³46.4 15 0 1.15 0 17.25 -32.7 -31.55 49615.06 1493第60页 共73页

缘板 腹板 下翼缘板 合计 1.5 75³1.0 22³1.5 AyA3'1.04 75 39.4 2955 2562.45 169.4 5534.7 6.7 3366.75 33 77.65 44.95 66676.58 134589 32.7cm；

截面形心距：y15534.7169.42截面惯性矩：Itwh012Ay175123134589169745cm；

4截面抵抗矩：上翼缘顶边：WmaxIy116974533.15128cm2

2下翼缘底边：WminIy216974545.73714cm；

弯应力：MmaxWmin452.08100371412.2KNcm＜0.9³16=14.4KNcm22，安全。

⑺整体稳定性与挠度验算：

因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按规范规定可不必验算整体稳定性。又因梁高大于按刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。 4.4.3截面改变

主梁高h075cm，h7521.578cm1m则不变梁高。 4.4.4 翼缘焊缝

翼缘焊缝厚度hf按受力最大的支承端截面计算，最大剪力Vmax226KN，截面惯性

4矩I0169745cm。

3上翼缘对中和轴的面积矩：S1580.832.7101.531.451989cm； 3下翼缘对中和轴的面积矩：S2221.544.951483cm＜S1；

需要hfVS11.4I0f22619891.416974511.30.167cm；

角焊缝最小厚度：hf1.5t1.5155.8mm； 全梁的上下翼缘焊缝都采用hf8mm；

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4.4.5腹板的加劲肋和局部稳定验算

h0tw701加劲肋的布置：因为

70＜80，故无须设置横加劲肋，

4.4.6面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算

从上述的面板计算可见，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格Ⅵ所需要的板厚较大，这意味着该区格的长边中点应力也较大，所以我们选取区格Ⅵ按下式验算其长边中点的折算应力：

面板区格Ⅵ在长边中点的局部弯曲应力： b/a=2000/600=3.3>1.5 则

zhmy(mxox)my(mxox)a[] 式（4.6）

2222式中：myKyPa/t——垂直于主（次）梁轴线方向、面板区格的支承长边中点处的局部弯曲应力；

mxmy——面板区格沿主（次）梁轴线方向的局部弯曲应力； ox——对应于面板验算点的主（次）梁上翼缘的整体弯曲应力； Ky——支承长边中点弯应力系数。

my、mx、ox均以拉应力为正号，压应力为负号。

mykpat220.750.044600822186Nmm；

2 mxvmy0.318656Nmm2 。

对应于面板区格Ⅵ的长边中点的主梁弯矩和弯应力： M56.54(2/22)56.5(2/22)2662424kNm ；

oxMW424105.1281082.7N/mm 。

2面板区格Ⅵ的长边中点的折算应力： zhmy(mxox)my(mxox)

2222 =186(5682.7)186(5682.7) =167N/mm[]1.55160248N/mm。

故面板厚度选用7mm满足强度要求。

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22

4.5 横隔板设计

4.5.1 荷载和内力计算

横隔板同时兼做竖直次梁，它主要承受水平次梁、顶梁和底梁传来的集中荷载和面板传来的分布荷载，计算时可把这些荷载用以三角形分布的水压力来代替，并且把横隔板作为支承在主梁上的双悬臂梁。

4.5.2 横隔板截面选择和强度计算

其腹板选用与主梁腹板同高，采用750mm³8mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用200mm³8mm的扁钢,上翼缘可利用面板的宽度按下式确定：

B2b， 式(4.7) 其中b2000mm，按 20.538，

l0b2220020002.2 从表6-1查得有效宽度系数：

则B0.53820001076mm，取B1000mm。 截面的几何特性：

截面形心到腹板中心线的距离：e= 截面惯性矩： I8750123100083792001038010008200107508142mm；

8750142102005228100023713965510mm

22244 截面抵抗矩：Wmin1396551052742650000mm；

63 验算弯应力：MWmin33.110185196817.9N/mm[]。式(4.8)

2 由于横隔板截面高度较大，剪切强度更不必验算。横隔板翼缘焊缝采用最小焊缝厚度hf6mm。

第63页 共73页

×

图4.8 横隔板截面（单位：mm）

4.6 纵向联结系设计

4.6.1 荷载和内力计算

纵向联结系承受闸门自重。露顶式平面钢闸门门叶自重G按《水工钢结构》附录十一附式（1）计算：

GKzKcKgH1.43B0.889.81.01.00.135.21.4380.889.883.89kN，

下游纵向联结系承受0.4G0.483.8933.56kN。 纵向联结系视作简支的平面桁架，其桁架腹杆布置如下图：

×2125

图4.9 纵向联结系计算简图（单位：mm） 其节点荷载为：

33.5648.39kN

4.6.2 斜杆截面计算

斜杆承受最大拉力N2(16.784.195)16.95KN，同时考虑闸门偶然扭曲时可

能承受压力，故长细比的限制值应与压杆相同。即[]150

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选用单角钢9012，由附录三表1查得： 截面面积：A2030mm2； 回转半径：iy01.75cm17.5mm； 斜杆计算长度：l00.9222.55m；

322长细比：l0iy02.551017.5145.7 ﹤[]150； 验算拉杆强度：16.9510203038.35N/mm0.85[]133N/mm。

22考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行强度验算。

4.7 边梁设计

边梁的截面型式采用单腹式，边梁的截面尺寸按构造要求确定，即截面高度与主梁端部高度相同；腹板厚度与主梁腹板厚度相同；为了便于安装压合胶木滑块，下翼缘宽度不宜小于200mm。

边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时可将容许应力值降低20%，作为考虑受扭影响的安全储备。

上主梁作用力下主梁作用力

图4.10 边梁截面及荷载计算图（单位：mm）

4.7.1 荷载和内力计算

在闸门每侧边梁上各设两个胶木滑块，其布置如下：

⑴水平荷载 主要是主梁传来的水平荷载，还有水平次梁和顶、底梁传来的水平荷载。为了简化起见，可假定这些荷载由主梁传给边梁。每个主梁作用于边梁的荷载为

R226kN。

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上滑块所受的压力：R122622.7167kN，

下滑块所受的压力：R22262167285kN， 最大弯矩：Mmax1670.7116.7kNm， 最大剪力：VmaxR1167kN，

最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力。在最大弯矩的作用截面上的轴向力等于起吊力减去上滑块的摩阻力。

该轴向力：N1.2T启/21.2132/279.2kN。

4.7.2 边梁的强度验算

截面面积：A7501030015216500mm2；

面积矩：Smax1530038.253.7510187.52424375mm3； 截面惯性矩：I(10750312)230015382.521668318750mm4； 截面抵抗矩：W16683187503904277740mm；

3截面边缘最大应力验算：

N'NR1/R(f1rfk)79.2167/25(0.670.1)50.48KN 式(4.9)

maxN'AMmaxW50.48101650023116.710427774063.0627.2830.34N/mm20.8[]0.8157126N/mm； 式(4.10)

腹板最大剪应力验算： VmaxSmaxItw167102424375166831875010324.27N/mm0.8[]0.89576N/mm；

22 式(4.11) 腹板与下翼缘连接处折算应力验算： NAMmaxWyy'=3.0627.28337539029.29Nmm2； 式(4.12)

VmaxSiItw21671030015382.5166831875010217.22N/mm ； 式(4.13)

2zh329.29317.2241.80N/mm222第66页 共73页

20.8[]0.8160128N/mm 式(4.14)

以上验算均满足强度要求。

4.8行走支承设计

4.8.1.胶木滑块尺寸确定

平面钢闸门每侧布置两块胶木滑块，滑块固定在边梁上，并按受力最大的下滑块所受荷载 R2=296KN设计胶木尺寸。

胶木长度为150mm ~300mm, 本设计取250 mm,即滑块长为250mm.

4.8.2确定轨道底板的宽度

轨道底板宽度按混凝土承压强度决定。根据200号混凝土由附录十表2查得混凝土的容许承压应力为[h]7N/mm2，则所需要的轨道底板宽度为：

Bhq[h]12967185mm，取Bh200mm； 式(4.15)

故轨道底面压应力： h12962006.48N/mm。

24.8.3确定轨道底板厚度

轨道底板厚度按其弯曲强度确定。轨道底板的最大弯应力： 3hct22[] 式(4.16)

2式中轨道底板的悬臂长度c82.5mm，对于A3由表1-9查得[]100N/mm。故

所需轨道底板厚度：

t3hc[]236.4882.5100236.4mm，取t40mm。 式(4.17)

4.9. 闸门启闭力与吊座计算

4.9.1 启门力计算

T启1.1G1.2(TzdTzs)Px 式(4.18)

其中闸门自重 G69.70kN；

滑道摩阻力 TzdfP0.6112.967.74kN； 式(4.19)

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止水摩阻力 Tzs2fbHp； 式(4.20)

顶侧止水选用P45-A型，由《水工钢闸门设计规范》SL74——95表E1止水橡皮尺寸查得。

橡皮止水与钢板间摩擦系数 f0.65； 橡皮止水受压宽度取为 b0.045； 每边侧止水受水压长度 H4.8m； 侧止水平均压强 p129.84.823.52kN/m；

2故Tzs20.650.0454.823.526.6kN。

下吸力Px底止水橡皮采用I110-16型，其规格为宽16mm，长110mm。底止水沿门跨长7.6m。根据规范SDJ13-78，启门时闸门底缘平均下吸强度一般按20kN/m2计算，则下吸力Px207.60.0162.432kN，故闸门启闭力：

T启1.169.701.2(67.746k.6N )。

4.10.导向装置设计

轨道底板宽度按混凝土承受强度决定[h]=7N/mm2 (1)轨道底板的混凝土承受压应力：

hP/3hkBk28510/31501006.3N/mm[h]7N/mm

322 式(4.21) （2）轨道横断面的弯曲应力：

3Phk/8Wk328510110/83191183337546.12N/mm[]100N/mm22 式(4.22)

侧轮轨道：采用100³20的钢板。 4.10.1 止水

（1）在门体止水橡皮紧贴于混凝土的部位，应埋设表面光滑的止水座，以满足止水橡皮与之贴紧后不漏水并减少橡皮滑动时的磨损。

（2）为了防止闸门与门槽之间的缝隙中漏水，需设置止水露顶闸门上有侧止水和底止水，止水的材料主要是橡皮底止水为条形橡皮，侧止水为P型橡皮，他们用垫板及压板和螺栓固定在门叶上。

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4.11闸门启闭力与吊座计算

4.11.1 吊轴和吊耳板验算

吊耳板轴承板吊轴

图4.14 吊轴和吊耳板（单位：mm） ⑴吊轴

采用3号钢，由第一章表1-9查得[]65N/mm2，采用双吊点，每边起吊力为：

T启21422P1.21.285.2kN；

P285.22吊轴每边剪力： V42.6kN；

需要吊轴截面积： AV[]142d；

故吊轴直径 ：d取d80mm。

4V[]442.6103.1465328.9mm。式(4.23)

吊耳板的尺寸按下式初选： b=(2.4-2.6)d=2.5³80=200mm t=12mm ⑵吊耳板强度验算

按局部紧接承压应力条件，吊耳板需要厚度按下式计算： cjNdt[cj] 式（4.24）

式中：N——块吊耳板上所受的荷载，该荷载按启门力计算时应乘以1.1～1.2因受力不均而引起的超载系数； d——吊轴直径； t——吊耳板的厚度；

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[cj]——局部紧接承压容许应力（第一章表1-9）得A3的[cj]=80Nmm 故cjp2；

32285.2510/2128044.4N/mmcj80N/mm 2dt 式(4.25) 吊耳孔壁拉应力可近似按下列弹性力学中的拉美公式验算： kcjRrRr22220.8[cj] 式(4.26)

式中：R、r——分别为吊耳板孔心到板边的最近距离和轴孔半径（r=d/2）； [k]——孔壁容许拉应力，如对3号钢，则[k]120N/mm2，对于可以

由转动或能抽出的轴，应将[k]再乘以0.8的系数；

kcjRrRr222244.42507025070222251.95Nmm20.8k96Nmm2

式(4.27) 故满足要求。

（3）吊耳板与顶梁连接面焊缝计算

hfP/221.220.7(b10)ftw

=

42.6310321.220.7(20010)1131.26mm

hfmin1.5tmax1.5125.2mm 式(4.28)

则取hf8mm

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参考文献

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[16]E.H.Gaylord等.Design of Steel Structures.第二版，1972

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谢辞

为期一个学期的毕业设计今告结束，本次设计得到了院领导的亲切关怀和各位任课老师的大力帮助，在此表示感谢尤其感谢张冬指导老师的精心指导和耐心审查。

本次设计中，小组成员通力合作，认真查阅资料，互相讨论，得出了较为满意的设计成果，体现了团队精神，在此同样对他们表示感谢。

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