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水工建筑物课程设计《水工建筑物》课程设计是水利水电工程专业核心实践环节，旨在综合运用《水工建筑物》《水力学》《土力学》《工程地质》等课程理论知识，完成一座典型水工建筑物（如重力坝、拱坝、水闸或土石坝）的初步设计。设计内容涵盖枢纽布置比选、坝型（或闸型）方案论证、荷载分析与抗滑稳定计算、应力与渗流分析、细部构造设计及地基处理措施拟定等。学生需依据《混凝土重力坝设计规范》（SL319）或《水闸设计规范》（SL265）等现行行业标准，结合给定地形、地质、水文及运行条件，进行手算与计算机辅助验算，绘制典型剖面图、平面布置图及细部结构图，并编写设计说明书。通过本设计，学生系统掌握水工建筑物设计流程与方法，强化工程规范意识、计算分析能力与图纸表达能力，培养解决复杂工程问题的初步实践素养和团队协作精神，为毕业设计及后续工程实践奠定坚实基础。（约400字）
表2—3 闸孔总净宽计算
4.闸孔尺寸的选择
根据《闸门设计规范》中闸孔尺寸和水头系列标准，选定单孔净宽b=8m某住宅楼工程冬季施工方案，同时为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用7孔。
5.闸墩的厚度及墩头形状
选用整体式底板，缝设在闸墩上，中墩厚1.2m，缝墩厚1.6m，边墩厚1m。墩头采用圆弧形。闸孔布置如图2—1所示。闸孔总宽度为：
L=nbO(n－1)d=（7×8）+（2×1.6+4×1.2）=64（m）
《水闸设计规范》中堰流的计算公式为：
Q= （2—5）
式中 B=nbO（n为闸孔数，bO为单孔净宽），分别按设计、校核两种情况确定计算参数，求出相应的实际过闸流量Q'，校核过流能力。一般其相对差值不得超过5%。
≤5% （2—6）
≤5% （2—7）
对于中孔 得 ；
靠缝墩孔 得 ；
对于边孔 得 ；
两种情况下过流能力都小于5%，说明孔口尺寸的选择较为合理，所以不再进行调整。闸孔选7孔，单孔净宽为8m。
根据水闸所在的河流纵横断面图，绘制下游水位与流量关系曲线。用明渠均匀流公式进行计算：
Q=AC C= R=A/X （2—8）
式中A——过流断面面积，m2 ；
C——谢才系数，m1/2/s；
R——水力半径，m；
X——过水断面的湿周，m；
i——渠道底坡，本设计i=1/6200。
由于粗糙度不同，所以河槽的糙率可以按加权平均方法估算（详见水力学教材），但是此处为了简化计算取n=0.0225，假设下游水深hs，由公式（2—8）求得相应的流量Q，可列表计算，如表2—5所示。
表2—5 下游水深与流量表
根据下游水深与流量表绘制下游水深与流量关系曲线图H～Q图，如图2—2所示。
3.1消能防冲设计的控制情况
水闸泄水时，部分势能转化为动能，流速增大，具有较强的冲刷能力，而土质河床的抗冲能力又较低，因此，必须采取适当的消能防冲措施。那么首先应了解过闸水流的特点。
初始泄流时，闸下水深较浅，随着闸门开度的增大而会逐渐加深，闸下出流由孔口到堰流，自由出流到淹没出流都会发生，水流形态比较复杂。因此，消能设施应在任意工作情况下，均能满足消能的要求并与下游很好的衔接。
2.闸下易形成波状水跃
由于水闸上下游水位差较小，出闸水流的拂汝得数较低（Fs=1—1.7），容易放生波状水跃，特别是在平底板的情况下更是如此。此时，无强烈的水跃旋滚，水面波动，消能效果差，具有较大的冲刷能力。另外，水流处于急流状态，不易向两侧扩散，致使两侧产生回流，缩小河槽有效过水宽度，局部单宽流量增大，严重地冲刷下游河道。
3.闸下容易出现折冲水流
一般水闸的宽度较上下游河道窄，水流过闸时先收缩而后扩散。如工程布置或操作运行不当，出闸水流不能均匀扩散，将使主流集中，蜿蜒蛇行，左冲右撞，形成折冲水流，冲毁消能防冲设施和下游河道。
泄水建筑物下游水流的消能防冲方式有以下几种形式。
能使下泄的高速水流在较短的距离内有效地通过水跃转变为缓流，消除余能，与下游河道的正常流动衔接起来。平原地区的水闸，由于水头低，下游水位变幅大，适用底流式消能。
在建筑物出流部位利用挑流鼻坎将水流抛射在较远的下游，不致影响建筑物安全。适用山区灌溉渠道上的泄水闸和退水闸，下游为坚硬的岩体，又具有较大的水头的情况。
对下游水深较大且稳的情况，可采用低与下游水位的跌坎，将下泄的高速水流送入下游河道水流表层，在坎后形成底部旋滚，减轻对河床的冲刷，并消除余能。
由于本闸位于平原地区，河床的抗冲刷能力较低，采用底流式消能。
三 、能防冲设施的设计
（一）消能控制条件分析
设计水位或校核水位时闸门全开，宣泄洪水，为淹没出流，无须消能，闸前为常高水位58.65m，部分闸门局部开启，只宣泄较小流量时，下游水位不高，闸下射流速度较大，才会出现严重的冲刷河床现象，须设置相应的消能设施。为了保证无论何种开启高度的情况下均能发生淹没式水跃消能，采用闸前水深H=6.73m，闸门局部开启情况，作为消能防冲设计的控制情况。
为了降低工程造价，确保水闸安全运行，可以规定闸门的操作规程，本设计按1、3、5、7孔对称方式开启，分别对不同开启孔数和开启度进行组合计算，找出消力池池深和池长的控制条件。
Q= （3—1）
d=hc″－－ΔZ （3—2）
挖池前收缩水深：
hc= （3—3）
挖池后收缩水深：
=0 （3—4）
hc″= （3—5）
ΔZ= （3—6）
式中Q——下泄流量，m3/s；
μ——宽顶堰上孔流流量系数，μ=ε'φ
e——闸门开启高度，m；
ε'——收缩系数；
φ——流速系数，φ=0.9～1.0，取φ=0.95；
b——闸孔单宽，m；
H0——堰上水头，m；
n——开启孔数；
d——消力池深度，m；
σ0——水跃淹没系数，可采用1.05～1.10，取1.08；
hc”——跃后水深，m；
hc——收缩水深，m；
T0——总势能，m；
ΔZ——出池落差，m；
hs——出池河床水深，m。
对于消力池池深的计算，应先计算出挖池前收缩水深，按《水力学》公式估算出池深，然后求出总势能，再试算出挖池后的收缩水深。其计算式如下：
Lsj=Ls+βLj （3—7）
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0.75；
Lj——水跃长度，m。
通过跃后水深与下游水深的比较进行流态判别，经过计算，找出最大的池深，池长作为相应的控制条件。同时考虑到经济及其他原因，对池深较大的开启度采用限开措施。关于流态判别如下：
hc” hc”=hs 为临界状态； hc”>hs 为自由出流的远驱式水跃。 按式（3—1）、式（3—2）、式（3—3）、式（3—4）、式（3—5）、式（3—6）、式（3—7）、式（3—8）估算消力池深及池长，其结果如表3—1所示。 表3—1 消力池池深、池长估算 注：计算式中系数如下： =1.08，φ=0.95，β=0.75，收缩系数 根据e/H比值查水力学教材可得，消力池坡段边坡系数m=4。 通过计算，为了节省工程造价，防止消力池过深，对开启3孔开启高度为2.0m限开，得出开启3孔开启高度为1.5m的消力池池深为控制条件。 3.2消力池尺寸及构造 根据所选择的控制条件，估算池深为1.5m，用公式（3—4）、（3—5）、式（3—6）计算挖池后的收缩水深hc1和相应的出池落差ΔZ及跃后水深hc＂。计算如下： T0=H0+d=1.5+6.73=8.23（m） 即8.23= 用迭带法求得=0.916 =0.51（m） 验算水跃淹没系数σ上海景泰装饰工程施工组织设计方案，由《水力学》教材公式求： σ0 =（d+hs+ΔZ）/hc” （3—9） 得σ0=（1.5+2.79+0.51）/4.48=1.07 符合在1.05～1.10之间的要求。 根据池深1.5m硫酸三系异地改造瓷砖防腐施工方案，用式（3—7）、式（3—8）求得相应的消力池长度25m。 消力池底板（即护坦）承受水流的冲击力、水流脉动压力和底部扬压力等作用，应具有足够的重量、强度和抗冲耐磨的能力。护坦一般是等厚的，也可采用不同的厚度，始端厚度大，向下游逐渐减小。 按抗冲要求计算消力池护坦厚度公式为：