退水闸工程设计
分类号编号
华北水利水电学院
继续教育学院
North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power 课程设计
题目：退水闸设计
专业水利水电工程
层次专升本
姓名马莹
学号 080620747
指导教师张保同
2010年08月 25日
退水闸设计
一、退水闸工程基本资料
1、退水闸工程布置
退水闸位于水库东南部，布置在水库堤防上，向东距护城大堤约180m，向南距公路约160m。
退水闸工程总长120m，分上游引渠段、闸室控制段、闸后消力池段和尾水渠段共四部分。
（1）．上游引渠段
进口引渠段长度8m。引渠横向呈矩形断面，平面上呈八字形喇叭口，引渠渠底兼起混凝土防渗铺盖作用。引渠渠底净宽度由首端5m渐变到末端的2.5m。两侧翼墙及底板为整体式结构，均采用C20混凝土。渠底设计高程72.40m，厚0.50m，下设0.10m厚C10混凝土垫层。翼墙底宽0.80m，顶宽0.50m，首端墙顶高程75.0m，末端高程76.70m，与闸墩顶持平。
（2）．闸室控制段
闸室控制段顺水流向长度8.0m。闸室为开敞式宽顶堰结构，工作闸门采用平面钢闸门，启闭机采用固定卷扬式启闭机。工作闸门上游设一检修钢闸门，用于工作闸门及埋件的检修。工作闸门平时处于垂直挡水状态；在灌溉季节，门体全部开启，达到敞泄的要求。
闸室共1孔，总长8m。闸孔净宽2.5m，为矩形槽整体结构。闸墩为梯形断面，顶宽0.60m，底部厚度0.9m，闸室总宽度4.30m。闸墩迎水面根据闸门结构要求向内凹进30cm作为门槽。闸墩顶高程为76.7m，与水库周边堤防顶持平。闸底板高程72.4m，底板厚度为0.8～1.1m，闸底板前趾及后趾均设0.3m深混凝土齿槽，既可以延长渗流渗径，又结合了闸室整体稳定。灌溉季节门体全部开启，水库库水退入改线后
的马家河北支。闸墩顶靠上游侧设一3.0m宽C25砼人行桥，将闸室左右两端的水库堤防相连接。
闸墩顶设启闭操纵室，启闭平台高程81.70m。操纵室支撑结构采用排架结构，排架与闸墩直接现浇在一起。
（3）．消力池段
消力池底宽2.5m，采用下挖式结构，经消能计算，消力池深0.6m，池长8 m。消力池采用矩形槽结构，混凝土强度等级C25。消力池底高程71.80m，底板厚度0.60m，底板设竖向排水孔，梅花型布置。消力池底板末端设0.50m宽混凝土齿坎，顶高程72.40m。消力池底部由下至上依次设一层土工布（规格350g/m2）、150mm厚中粗砂层和200mm 厚粒径d=40mm~80mm碎石反滤层。消力池采用斜坡面与闸底板相连接，坡度1：4。斜坡面段总长4.0m，其中含1.6m长的水平段，斜坡水平投影长2.4m；顶高程由72.40m渐降至71.80m。
（4）．尾水渠段
消力池后为出口扭曲渐变段，长8.0m，底高程72.40m，底宽由首端2.5m渐扩至末端的4.0m。扭曲渐变段底部采用30cm厚C20混凝土护底，并由下至上依次设一层土工布（规格350g/m2）、150mm厚中粗砂层和及150mm厚碎石反滤层。渐变段两侧为M7.5浆砌石直线扭曲面，重力式挡墙型式，顶部高程74.50m。
尾水渠长约70m，梯形断面，渠底宽度4.0m，两岸边坡1：2，采用30cm厚M7.5浆砌块石护坡。尾水渠渠底纵坡1：1000，渠底采用30cm厚浆砌块石护底。
二、闸孔净宽度计算
根据工程总体布置，正常蓄水位75.00m，作为退水闸闸前水位。根据工程规划，本退水闸退水流量10 m3/s，因此，过闸流量按10 m3/s 计算闸孔净宽度。
根据《水闸设计规范》，该闸下游水深与堰上水深之比h S /H=0.476<0.9，因此按平底闸，堰流公式计算闸孔宽度计算。
计算公式如下：
23
02H
g m Q
B σε=
式中： Q —过闸流量(m 3/s)；
B 0—闸孔总净宽度(m)；对单孔闸B 0=b 0。 H 0—计入行近流速水头的堰上水深(m)；2.6m 。 g —重力加速度(m/s 2 )；
m —堰流流量系数，采用0.385；
ε—堰流侧收缩系数，单孔闸可按下式计算：
40
0)1(171.01s
s b b b b -
-=ε 式中： 0b —闸孔净宽（m ）;
s b —上游河道一半水深处的宽度（m ）;
经计算，==00B b 2.50m ，拟取2.5m 。 三、消能计算
本退水闸的运用工作情况：一是灌溉季节，闸门开启，退水入河。二是在非灌溉季节，闸门关闭，水库蓄水。前者闸上游为水库正常蓄水位，闸下水位低，此时闸门开启泄流，出现消能最不利情况。退水闸下游首先接一段尾水渠道，水流再汇入河。经计算退水渠内过10 m 3/s 流量时，渠内水深1.19m ，据此进行退水闸消能计算。
据《水闸设计规范》，计算消力池采用深挖式消力池。 1．消力池深度计算 计算公式：
Z h h d s c ?--='"
0σ
25.02
13
2
"
))(1)81(2b b gh q h h c c c
-+=α
022
2
23
=+-?αg q Th h c
c
2
2
"
2
'
2222c s gh q h g q Z α?α-=?
式中：d —消力池深度（m ）
σ0—水跃淹没系数，σ0=1.05； hc”—跃后水深（m ）； hc —收缩水深（m ）；
α—水流动能校正系数，采用1.0； q —过闸单宽流量（m 2/s ）； b 1—消力池首端宽度（m ）； b 2—消力池末端宽度（m ）；
T —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)。
具体采用我院编制的水闸消能计算软件进行，经计算，消力池深度0.58m 。
2．消力池长度计算 计算公式：j s sj L L L β+= )(9.6''c c j h h L -= 式中：L sj ——消力池长度；
Ls ——消力池斜坡段水平投影长度；
β——水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8； L j ——水跃长度。 经计算，消力池长度为7.3m 。
消力池深度和长度，最终取池深0.6m ，池长8m 。 3．海漫长度计算
式中:-p L 海漫长度（m ）；
-s q 消力池末端单宽流量(s m /2)；4
-?'H 闸孔泄水时的上、下游水位差（m ），1.41m
-s K 海漫长度计算系数，查规范12～11。
经计算，海漫长度L p =26.15m ，取28m 长。 四、闸室整体稳定计算
闸孔为单孔，左右对称布置，底板与闸墩整体式浇注结构，计算考虑闸孔顺水流向稳定计算。
1．计算参数
砼与基础综合摩擦系数f=0.35，地基允许承载力110KPa ，回填重粉质壤土干容重1.65t/m 3，湿容重1.93 t/m 3，综合内摩擦角 φ=25 。
根据《水工建筑物抗震设计规范》（SL203—97），闸址区地震基本烈度为7度，按7度进行抗震计算。
2．计算工况
闸室稳定按基本荷载组合和特殊荷载组合进行计算。荷载组合见表4-1。
表 4-1 闸室稳定计算工况及荷载组合
3．计算公式
1) 抗滑稳定安全系数计算公式
∑∑=
H
G
f K
式中：K —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，采用f=0.35； ΣG —作用于闸室上的全部竖向荷载(kN)； ΣH —作用在闸室上的全部水平荷载(kN)； 2) 闸室基底压力计算公式
σ=∑±±?? ?
?
??G A e B e B x x y y 166 式中：ΣG —作用在基底上的全部竖向荷载；
σ—基底压力 (kN/m 2)； A —基底面积 (m 2)；
e x 、e y —偏心距 (m) (x 向，y 向)； B x 、B y —基底宽度 (m) (x 向，y 向)； 3) 基底压力不均匀系数 η=σmax ／σmin 式中：η—不均匀系数；
σmax ，σmin —最大及最小应力值 (kPa)；
抗滑稳定安全系数，按《水闸设计规范》（SL265-2001）规定，4级建筑物基本组合k=1.20，特殊组合Ⅰ，k=1.05，特殊组合Ⅱ，k=1.00；土基上闸室基底应力最大值与最小值之比的允许值，中等坚实地基上，基本组合η=2，特殊组合η=2.5。
闸室稳定计算成果见表4-2。计算得基底应力小于允许承载力，不均匀系数也小于允许值，满足要求。
表4-2 退水闸闸室稳定计算成果表
五、闸室结构计算
退水闸闸室为单孔矩形槽整体结构，建筑物等级4级，闸室结构的强度安全系数：基本荷载组合时取1.40，特殊荷载组合时取1.35；结构构件的抗裂安全系数为1.05。
1．计算参数
计算参数同闸室稳定计算。
2．计算工况
闸室结构计算工况及荷载组合见表5-1。
表5-1 退水闸闸室结构计算工况及荷载组合表
3．计算方法及计算成果
按结构力学方法分别计算各工况下闸室结构受力。内力计算结果见表5-2，结构配筋计算结果见表5-3。
表5-2 退水闸闸室结构内力计算成果表
表5-3 退水闸闸室配筋计算成果表
六、消力池结构计算
退水闸消力池段结构型式，比较了矩形槽整体结构、重力式挡土
墙结构两种型式。因消力池净宽仅2.5m，深约3.2～4.1m，矩形槽结构受力较好，以及投资上较为节省，经比较，选择矩形槽结构。
消力池段矩形槽结构见简图6-1。
图6-1 消力池矩形槽结构简图
1．计算参数
参数同闸室稳定计算部分。
2．计算工况
矩形槽结构计算工况同闸室结构计算。
3．计算方法及计算成果
按结构力学方法分别计算各工况下矩形槽结构受力。计算结果见表6-1。
表6-1 消力池矩形槽结构内力计算成果表
七、渐变段挡土墙稳定计算
挡土墙稳定计算，选择消力池后扭曲面渐变段典型断面进行稳定分析。挡土墙根据地形、地质条件进行布置扭曲面渐变段挡墙型式采用重力式浆砌石结构。
1．计算参数
砼与土基综合摩擦系数f=0.35，地基允许承载力110KPa ，回填重粉质壤土干容重1.65t/m 3，湿容重1.93t/m 3，综合内摩擦角 φ=25 。
2．计算工况
各断面均按基本荷载组合和特殊荷载组合进行计算。 基本组合1（完建期）：
自重+土压力+土重
基本组合2（正常蓄水位工况）：
自重+水重+水压力+土重+土压力+扬压力 特殊组合1（水位突降）：
自重+水重+水压力+土重+土压力+扬压力 特殊组合2（地震情况）：
自重+水重+水压力+土重+土压力+扬压力+地震荷载 3．计算方法
抗滑稳定计算按抗剪强度公式：
H
G
f
k ∑∑=
)
61(max min B
e B G
±∑＝σ式中：k —抗滑稳定安全系数；
f —基础底面与地基之间的摩擦系数； ∑G —作用在挡土墙上的全部竖向荷载； ∑H —作用在挡土墙上的全部水平向荷载； 基底应力按单向偏心受压公式计算：
式中： max
min σ—基底应力的最大值或最小值；
∑G —作用在挡土墙上的全部竖向荷载；
B —挡土墙基础底面的长度；
e —全部外荷载对挡土墙基础底面形心的偏心距。
基底压力不均匀系数：
min max /σση＝
式中：η—不均匀系数；
－，min max σσ最大及最小应力值(kPa)。
挡土墙稳定计算成果见表5.1-7。
抗滑稳定安全系数，按《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007）规定，4级挡土墙基本组合k ＝1.20，特殊组合Ⅰ，k ＝1.05，特殊组合Ⅱ，k=1.00；在各种计算工况下，基底应力的最大值与最小值之比即不均匀系数允许值，按《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007）规定，中等坚实土基基本组合η＝2.00，特殊组合η＝2.50；基底应力各种工况下均应大于零。
表7-1 挡土墙稳定计算成果