水工课程课程设计--河道治理工程及建筑物设计

'课程设计说明书（河道治理工程及建筑物设计）指导教师颜宏亮班级09水电4班姓名陈帅起止日期2012.06.17—06.28山东农业大学水利土木工程学院水利工程系16 目录第一章设计提要第一节工程简介................................................................................1第二节设计依据...............................................................................1第三节设计标准...............................................................................1第四节混凝土和钢筋设计强度.......................................................1第五节技术特性指标.......................................................................1第二章自然条件第一节地形地质条件.........................................................................2第二节气象水文条件........................................................................3第三章河道治理规划第四章蓄水工程设计第一节总体布置.................................................................................3第二节水力计算..................................................................................4第三节坝袋计算..................................................................................5第四节充排水设计..............................................................................6第五节底板设计..................................................................................7第六节锚固设计..................................................................................9第七节边墩设计..................................................................................10第八节泵房设计................................................................................12附图：1.河道治理平面布置图（包括桩号、平面坐标等）2.河道治理纵断面图（包括桩号、原地面高程、设计河底高程、设计边墙高程、泄洪水面线、回水水面线、建筑物起、止点对应桩号等）3.河道治理横断面图4.橡胶坝、泵房平面布置及纵剖面图5.橡胶坝横剖面图16 6.充排水系统示意图7.充排水系统布置图8.泵房结构图第一章设计提要第一节工程简介山东农业大学新校区地处泰安市东南部，是山东省重要教学基地，是山东省重点高校，每年为国家培养大批的优秀毕业生。为了适应国家新世纪对高校的要求和长远发展需要，决定建设新校区。梳洗河从校区通过，为了校区的防洪要求，和对校区景观的要求，学校决定对梳洗河进行治理。第二节设计依据1.山东农业大学关于进行“泰安市梳洗河蓄水工程设计”的委托书.2003年5月2.山东省水利厅《泰安城市防洪规划报告》1999年11月3.《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252－20004.《水工钢筋砼结构设计规范》SDJ20－785.《橡胶坝技术规范》SL227－986.《水闸设计规范》SDJ133－847.《溢洪道设计规范》SL253－2000第三节设计标准1.防洪标准：该工程为小型工程，其主体建筑物按三等3级建筑物设计，防洪标准按五十年一遇设计，其它附属工程按5级建筑物设计。2.抗震标准：根据《山东省地震烈度区划》，工程区地震基本烈度6°，按照部颁SDJ10－78《水工建筑物抗震设计规范》，不做抗震计算，仅采取构造措施。第四节混凝土和钢筋设计强度1.混凝土设计指标工程部位强度等级抗渗标号抗冻标号备注坝底板C25S4D200边墩C20S4D200控制室C25S6D2002.钢筋的设计强度及弹性模量Ⅰ级钢筋受拉设计强度：Rg=2100kg/cm2；Ⅰ级钢筋弹性模量：Eg=2.1×102kg/cm2；Ⅱ级钢筋受拉设计强度：Rg=3100kg/cm2；Ⅱ级钢筋弹性模量：Eg=2.1×102kg/cm2；第五节技术经济特性指标建筑物名称结构型式坝高(m)孔数(孔)长度(m)底板高程(m)坝顶高程(m)16 橡胶坝1单袋式双锚固1138.1121.421122.421橡胶坝2单袋式双锚固1138.1120.821121.821第二章自然条件第一节地形地质条件梳洗河属于大汶河水系，农大新校区段位于梳洗河下游，从辛大铁路到与白家河交汇口，全长共计2220m，其中上高大街（现为南外环）以北为1310.5m，上高大街以南为954.5m。根据山东省水利厅1999年批准的《泰安城市防洪规划报告》，该段50年一遇最大泄洪流量为703m3/s（上高大街处），规划河槽深5m，槽底宽55m，边坡1：2.5，顶宽80m，两侧各有10m宽防洪通路和20m宽绿化带，总宽140m。新校区规划建设已部分侵占了河道用地，根据《新校区总体规划》所留尺寸，河道底宽39m，顶宽55m，每边各留6m宽防洪通道，道路两侧各留有2m绿化带。新校区规划建设时未考虑防洪规划要求，使该河段所留尺寸严重不足。如何采取措施，既满足50年一遇防洪规划的要求，又不拆除即将完工的建筑，是本次设计的重大任务。表1工程区地层物理、力学指标地层号土层类别承载力fK(KPa)渗透系数(cm/s)第①层杂填土第②层粉质粘土80～1402.59×10-5第③层粉土90～140细中砂120～180粉质粘土80～140姜石140～200第④层粘土160～2203.5×10-8粉质粘土150～200第⑤层粘土160～2204.8×10-8粉质粘土150～2003.1×10-5粘土混姜石220～280姜石240～300第⑥层粘土180～2602.3×10-8粉质粘土160～200第⑦层中粗砂200～300粘土180～260第⑧层强风化白云岩250～350粘土180～22016 第⑨层中等风化白云岩1200～20002002年3月山东农业大学委托山东建工学院建筑设计院，对梳洗河枢纽进行了地质勘探，结果如下：经钻探揭露，枢纽区地层主要为第四系冲洪堆积之粘性土、粉土、砂土、姜石等，自上而下共分九层，其指标见表1。下伏基岩为奥陶纪沉积白云岩。地下水位在0.8～5.8m。橡胶坝主要坐落在第四层粘土层上，该层承载力160～220Kpa，渗透系数K=3.5×10-8cm/s,满足地基设计要求。两岸堤防土质主要为粉质粘土，渗透系数K=2.35×10-5cm/s，满足防渗要求；橡胶坝蓄水高程为124.021m，右岸校区地面高程为126.21～127.20m，校区地面高于水面，因此蓄水不会对校区产生浸渍危害。第二节气象水文条件项目所在泰安市东面，属北温带大陆性季风气候，四季分明，春冬干冷多风、少雨雪，夏季湿热、雨水集中，秋长于春。年平均降雨654.3mm，降水量年内差异很大，多年平均6～9月份降水量为503.8mm，占年降水量的77％，具有春旱、夏涝、晚秋又旱的特点。多年平均气温12.9℃，无霜期平均190天,最大冻土深50cm。主要风向为东南风，多年平均风速为3.5m/s。梳洗河属黄河流域大汶河水系，河道平均比降为2.24‰，多年平均流量为3.5m3/s，最大洪峰流量为703m3／s。梳洗河为行洪河道，汛期大量雨水集中下泄，易造成洪灾。第三章河道治理规划1.根据原河道地形图，作出河道纵断面图，标出原河道中心地面线、校区地坪和河堤高程线等；2.在保证行洪要求的前提下，统筹全河，侧重眼前，以解决“窄、损、淤、臭、费”问题的环境生态化为目标，拟定一组河道设计纵坡(i＜0.003)；3.拟定可能的河道横断面，选取合适的糙率，进行河道过流能力验算；4.留足桥下净空，作出设计河底线；5.调整河道平面形状，使河道与跨河的四座桥梁正交；6.考虑回水距离、库容大小、投资多少、美化范围，选定橡胶坝位置（必须与河岸正交）、数量、挡水高度等布置。第四章蓄水工程设计第一节总体布置1.底板型式及尺寸、高程（见第五节底板设计）2.坝袋型式及高度、高程（见第三节坝袋设计）3.铺盖型式及尺寸、高程4.护坦型式及尺寸、排水5.边墩型式及尺寸、稳定(见第七节边墩设计)第二节水力计算1.河道过流验算16 按明渠均匀流计算，其计算公式：式中：Q—河道过流量（m3/s）n—河道糙率（取n=0.015）A—过流断面面积(m2)R—水力半径(m)i—河道比降(取i=0.0025)将河道正常水深h0计算结果列表汇总如下：正常水深h0试算表水深H过水面积A湿周X水力半径R系数K流量QA1，A3A2X1，X3X2R1，R3R2K1+K3K21.0038.1040.100.9502454.83122.741.5057.15041.101.3904746.51237.332.0076.2042.101.8107544.76377.242.5095.25043.102.21010773.72538.692.960112.8044.002.56014076.78703.843.00114.3044.102.59014377.83718.89(注：河道断面为复式断面，分区计算流量)当Q=703.84m3/s时，水深H=2.96米，满足要求。2.橡胶坝过流验算河道行洪时，橡胶坝要坍坝，以50年一遇洪水为控制情况，其过流能力按有坎宽顶堰计算。计算公式：m=0.36Ho=5.08mH=Ho-v2/2g=5.08-1.89=3.14m式中：ε—侧向收缩系数σ—淹没系数m—流量系数B—堰宽(m)Ho—堰上总水头(m)橡胶坝过流能力计算表计算情况Q(m3/s)H(m)上游设计洪水位河堤顶高程1号坝2号坝1号坝2号坝16 50年一遇7033.14124.061124.661125.821126.421第三节坝袋设计1.控制条件:采用定型坝袋，坝袋型号为JBD1.0-60-1型，坝高1.0m，2.坝袋计算坝袋环向单宽拉力：T=1/4×10×﹙2×1.5×1-1﹚=5.0KN/mH0=aH=1.5×1=1.5m式中：γ---水的比重（kN/m3）H0---坝内压力水头(m)H1---坝高(m)a---坝袋内外压比坝袋有效周长L0=S1+S+n1+x=1.57+1.69+1.0+0.44=4.7m采用螺栓压板双锚固：锚固长度每侧取0.75m，则坝袋加工周长l1=s1+s+1.4=4.66m底板垫片加工长度：l2=n1+x0+1.4=1.0+0.44+1.4=2.84m上游坝袋圆弧半径R1=(2H0H1－H2)/4(H0-H1)=1.0m坝袋单位长度容积：V0=H0X0+(1/2)R1-a1(1/2)n1(R1H1)=1.44m3坝袋容积：V=V0L=1.44×38.1=54.86m3以上计算结果汇总列成坝袋设计指标表如下（要求坝袋强度设计安全系数k大于规范规定的安全系数[k]）某充水式橡胶坝袋定型规格表坝高(m)内压比内压水头H0计算强度T(KN/m）有效周长（m)坝袋单宽容积（m3/m）锦纶帆布坝袋型号型号经纬11.51.55.04.71.44J6060－160/60JBD1.0-60-1坝袋强度设计安全系数：k=60/5.0=12.0>[k]满足设计要求。第四节充排水设计据橡胶坝所处的地形、水源以及运用等条件，橡胶坝充水采用河水充水方案，坝袋排水以抽排为主。在距坝上游10m处设集水井作为水泵的吸水池，充排共用一套管路系统，充排由闸阀控制，所有控制设备及观测设备都布置在控制室内。1、机泵型号选择根据国内已建橡胶坝工程的统计，橡胶坝的充坝时间一般为2～3小时，坍坝时间为1～16 2小时。根据本工程的引水需要和该橡胶坝运用情况，分别确定其充坝时间为2小时，坍坝时间为1小时。充水流量Q充=V/T=54.86/2=27.43m3/h排水流量Q排=V/T=54.86/1=54.86m3/h选用两台IS100-65J-200B型单级吸悬臂式离心泵，单泵流量为Q0=43.3m3/h，扬程H=9.5m，转速n=1450r/min，配套电动机为Y100L1-4型电动机，功率为2.2Kw,进水管直径200mm，排水管直径400mm。2、集水井设计集水井的容积要满足坝袋充水时的水量。集水井也可结合景观喷水池设置，并考虑管道自来水作为备用水源。3、超压溢流管的设置为确保坝袋在充水情况下不致超压破坏，在坝左端设置超压溢流管，1号、2号坝的溢流管入口高程分别为120.821米和121.421米，溢流管出水口的高程分别为122.321米和122.921米。超压管的设置，必须保证在超压下，超压管出水量大于或等于充水量，才能确保坝袋的安全。取溢流管d=400mm，其出水流量：=1×0.1256×(2×10×0.3)½=0.3077m3/s=1107m3/h式中：Q—出水量(m3/s)；Ａ—管断面面积(m2)；μc—管道设计流量系数；H0—出水口水头（0.3m）；Σζ—局部水头损失之和。λ—沿程水头损失之和。Q>Q充,则满足安全要求。4、排气管布置采取坝袋排气孔与坝内设排气管相结合的方法。除在两坝端袋壁上设排气孔外，在坝袋内设Φ50胶管，与坝袋联在一起，通过底板内预埋的钢管将气排出，1号、2号坝的出气口高程分别为120.821米和121.421米。表3-5充排水系统主要指标表项目单位1号橡胶坝2号橡胶坝袋内设计充水量m354.8654.86坝袋充胀时间h2216 坝袋排空时间h11充水管内径mm300300排水管内径mm300300溢流管内径mm400400闸阀个22水泵台22第五节底板设计1.底板的尺寸拟定橡胶坝底板顺水流向的长度：=0.5×（1.57﹢1.69﹢1.0﹢0.44）+1.0+1.0=4.35m式中：L1,L2—为交通道宽度，取L1=L2=1.0mLd—底板长度。2.厚度与高程底板厚一般取0.60m，1号、2号坝的顶高程根据坝轴线处河底高程及坝高确定。3.底板的稳定计算3.1计算条件1、2号橡胶坝均建在土基上，根据其运用条件，确定其小底板的计算条件为坝体充水到设计坝高，1、2号坝上游水位分别为121.821m和122.421m，下游无水。3.2荷载及荷载组合（1）荷载自重：25×0.6×38.1×4.35=2486.03KN静水压力：水平的=0.5×10×1.6²×38.1=487.68KN铅直的（袋内的、坝前的）=1.5×1.0×10×1.44×38.1+1.0×1.4×38.1×10=1356.36KN扬压力：=0.5×10×1.6×4.35×38.1=1325.88KN（2）荷载组合基本荷载组合：底板与充水坝体的自重、静水压力、扬压力及底板上水体重量。3.3稳定计算16 底板稳定计算表（对上游齿墙下端点取矩）荷载名称垂直力（kN）水平力(kN)力矩（KN/m)↓↑→←抗倾抗覆底板上坝袋自重及水重1356.367785.271922.53底板自重2486.03水平水压力487.68扬压力1325.88合计3842.391325.88487.687785.271922.53抗滑稳定安全系数：=0.3×（3842.39－1325.88）/487.69=1.55>1.25式中：K—抗滑稳定安全系数f0—底板砼与土基接触面的摩擦系数(f0=0.3)Σw—作用在底板上的全部垂直荷载之和(kN)ΣP—作用在底板全部水平荷载之和(kN)代入公式计算得到可能最小抗滑稳定安全系数K，若K>规范规定的安全系数[k]，则抗滑稳定满足要求。4.底板应力计算4.1偏心距=0.5×4.35－5862.74/2516.51=－0.15式中:L—底板顺水流向的长度(m)ΣＭ—各力对底板上游端点的力矩和(kN·m)ΣW—作用在底板上的垂直力和（kN）4.2地基应力=2516.51/4.35×[1±6×﹙－0.15﹚÷4.35]=698.20/458.824.3地基应力不均匀系数:η=σmax/σmin=698.20/458.82=1.52<[η]=2η<[η]=2，则满足规范要求。16 5底板结构计算5.1荷载计算取坝顶对应的底板两侧1.0米宽板条计算，板条垂直于水流方向的长度L1=4.5米(1)水压力：q1=14.0KN/m(2)水重：q2=21.60KN/m(3)底板重:q3=65.25KN/m(4)扬压力:q4=34.80KN/m5.2强度计算视板条为弹性地基梁进行计算q=q1+q2+q3－q4=66.05KN/m底板为C10砼，泊松比μ＝0.18，压缩模量Eh=2.85×106kN/m2，基础的泊松比μ＝0.35，压缩模量Ed=6.1×102kN/cm2，参照水闸闸室结构计算方法手算或利用《水利水电工程PC—1500程序集》计算其结果如下：弯矩Mmax=1.5kN·m反力qmax=78.3kN剪力Qmax=3.29kN不均匀沉陷量：0.03m5.3配筋计算由于底板内力较小，所以仅配构造筋。垂直水流向底层筋：Φ12@200顺水流向底层筋：Φ10@200垂直水流向顶层筋：Φ10@200顺水流向顶层筋：Φ10@200第六节锚固设计1、2号橡胶坝均采用螺栓压板双锚固，根据经验资料和橡胶坝厂出产的构造锚固配件，初步确定螺栓直径10mm，压板厚度10mm，宽度400mm,螺栓、压板均采用3号钢。1、螺栓直径d验算根据《橡胶坝技术规范》，螺栓间距取0.2m，其计算公式为T0=KT=3×5.0=15.0KN/m=15.0×1.75／5=5.25KN=4×1.3×5.25／﹙3.14×0.01²﹚=86.94N/mm2式中：Q0—每根螺栓承受的荷载（kN）T0—单位长度螺栓计算荷载（kN/m）k1—栓紧力及扭转力的影响系数（k1=1.75）n—单位长度内螺栓根数（n=5）16 d—螺栓直径（d=0.01m）经计算σ=86.94N/mm2≤《钢结构设计规范》3号钢的抗拉强度[σ]=215N/mm2，即螺栓厚度与直径满足要求。规范规定螺栓锚固深度不小于250mm且不小于25d，因底板500mm厚，螺栓埋置深度受到限制,应在螺栓底部做弯钩与基础底板下层钢筋牢固地焊接在一起。2、压板强度验算：=3.0×5.0×0.2/5=0.6kN·m=0.6/(1/6×0.4×0.01²)=90.0N/mm2式中：Μ—坝袋拉力作用在底板上产生的弯矩（kN·m）L—螺栓中心至压板边缘的距离（m）K2—安全系数（K2=3.0）WZ—抗弯截面系数（m3）经计算：σ=90.0N/mm2<[σ]=215N/mm2通过以上计算知：橡胶坝螺栓压板锚固采用直径0.02m螺栓，宽度0.19m,厚度0.01m的压板满足其强度要求。根据烟台力大水利配件有限公司生产的橡胶坝锚固配件可采用IM-150型号。第七节边墩设计橡胶坝处的边墩采用混凝土结构，墩顶厚度为0.8m，高3.5m，见图1。消能段的边墙采用浆砌石，外形尺寸与边墩相同。以完建期河道内未蓄水、墩后地下水位与墩顶齐平情况为计算条件，对边墩的抗滑、抗倾稳定和基底压力验算。一、边墩外形尺寸图1橡胶坝处边墩横断面图(单位:mm)二、稳定计算1、计算条件16 施工刚建成，河道内还没有蓄水或塌坝后墩后水位最高（与墩顶齐平）时，是边墩稳定最不利情况。边墩尺寸如图1所示，橡胶坝处的边墩取单宽1m计算。2、荷载计算①水平土压力计算:墙后填土选用优质粘土防渗，分层夯实回填，土压力按主动土压力计算，近似采用朗金公式:=0.5×10.1×32×0.66－2×15×3×√0.66＋2×152/10.1=0.39KN式中：Pa—主动土压力(kN/m)γ—土的浮容重（γ=10.1kN/m3）Ｃ—土的粘聚力（c=15kN/m2）H—边墩高(H=4.0m)φ—土的内摩擦角(φ=12°)Ka—主动土压力系数Ka=tan2（45º-φ/2）=0.66G1=0.3×0.6×1×25=4.5KNG2=0.5×4×1×25=50KNG3=0.3×3.6×1×25=27KNG4=1.5×0.6×1×25=22.50KNG5=0.5×0.9×3×1×25=33.75KNG6=0.5×0.9×3×1×10.1=27.0KNG7=0.6×3×1×10.1=36.0KN经计算,橡胶坝处：Pa=0.39kN/m；荷载计算结果见下表：橡胶坝处边墩荷载计算结果表（对A点取矩）代号力(kN)力臂(m)力矩（kN·m）←↓↙↘G14.500.150.67G250.000.5527.50G327.000.9525.65G422.501.8541.63G533.751.4047.25G627.001.7045.90G736.002.3082.80Pa0..390.110.045P合计30.27200.750.7221.80271.413、边墩抗滑稳定安全系数:K=f0∑G/∑P=0.3×200.75/30.27=1.99>1.25式中：K—抗滑稳定安全系数f0—边墩底与土基接触面的摩擦系数(f0=0.3)∑P—作用在边墩上的水平力之和(kN)16 4、偏心距e的计算：橡胶坝处边墩及消力池处边墩偏心距e的计算公式:=2.6/2－(271.41－21.80)/200.75=0.06式中:B—边墩垂直水流方向的长度(m)∑M—各力对边墩A点的力矩和(kN·m)∑G—作用在边墩底上的垂直力和(kN)5、边墩抗倾稳定安全系数:（对于合力偏心距大于等于1/4基底宽的边墙）K0=∑M稳定/∑M倾覆271.4/17/21.8=12.45>1.2式中：K0—边墩抗倾稳定安全系数，对计入地震的特殊荷载组合，其余荷载组合K0≥1.5。∑M稳定—边墩稳定力矩和(kN·m)∑M倾覆—边墩倾覆力矩和(kN·m)6、边墩地基应力计算=200.75/2.6×(1±6×0.06/2.6)=87.90/66.52地基反力的不均匀系数:η=σmax/σmin=1.32，计算结果见下表：边墩抗滑稳定及地基应力计算结果表K抗滑K抗倾e(m)σmax(kN/m2)σmin(kN/m2)η橡胶坝边墩1.9912.450.0687.9066.531.32规范规定值1.251.52.0根据以上计算结果可知：计算的边墩抗滑安全系数大于规范规定的允许抗滑安全系数，抗倾安全系数大于规范规定的允许抗倾安全系数；对照地质报告，边墩地基应力小于地基承载力，地基不均匀系数小于规范规定的2.0。第八节泵房设计橡胶坝充排水水泵泵房为钢筋砼箱形结构，边墙高4.5m，上盖板为30cm厚钢筋砼板，泵房平面尺寸见图3。为保证泵房安全，对泵房整体的抗滑稳定、抗倾、基底压力进行计算。一、泵房平面尺寸16 图3泵房平面尺寸图(单位:mm)二、泵房基底计算1、荷载计算土压力的计算:墙后填土选用优质粘土，分层夯实回填，土压力按主动土压力计算，其公式:式中：Pa—主动土压力(KN/m)H—泵房高度(m)γ—土的浮容重（γ=10.1KN/m3）Ｃ—土的粘聚力（c=15KN/m2）φ—土的内摩擦角(φ=12°)Ka—主动土压力系数Ka=tan2（45º-φ/2）=0.66G1=4.2×0.5×1×25=52.5KNG2=5×0.3×1×25=50KNG3=3,.3×0.4×1×25=33KNG4=2.7×0.5×1×25=33.75KNG5=0.4×1.1×25=11KNG6=1.4×0.3×25=10.5KN荷载计算结果见下表：荷载计算结果表（对AB轴取矩）代号力(kN)力臂(m)力矩（kN·m）→↓↙↘G152.50.2513.12516 G2502.5093.75G3334.80158.4G433.753.25109.688G5111.7018.7G610.51.2012.6Pa12.371.503.56合计2.37178.25406.263.56表中G6是泵房上盖板和下底板重，G7是亭子上盖重，G8是临水墙上柱子重，G9其余柱子重。2.泵房抗滑稳定安全系数:K=f0∑G/∑P=0.3×178.25/2.37=22.56﹥1.25式中：K—抗滑稳定安全系数f0—泵房底板与土基接触面的摩擦系数(f0=0.3)∑P—作用在泵房上的水平力之和(kN)3.泵房抗倾稳定安全系数:K=∑M抗倾/∑M倾覆=406.26/3.56=114.12﹥1.20式中：K—泵房抗倾稳定安全系数∑M抗倾—泵房抗倾力矩和(kN·m)∑M倾覆—泵房倾覆力矩和(kN·m)4.泵房偏心距e的计算：=5/2-（406.26-3.56）/178.25=0.4式中:B—泵房垂直水流方向的长度(m)∑M—各力对AB轴的力矩和(kN·m)∑G—作用在泵房底板上的垂直力和(kN)2、泵房地基应力计算地基应力计算公式：=178.25/2×(1±6×0.24/5)=45.92(25.38)地基反力的不均匀系数:η=σmax/σmin=45.92/25.38=1.81<2.00计算结果见下表：泵房稳定计算结果表设计指标K抗滑K抗倾e(m)σmax(kN/m2)σmin(kN/m2)η16 计算值22.56114.120.2445.9225.381.81规范规定值1.251.202.00根据以上计算结果可知：泵房稳定计算的抗滑安全系数大于规范规定的1.25，抗倾安全系数大于规范规定的1.20；根据地质报告，地基承载力大于泵房地基应力，地基不均匀系数小于规范规定的2.0。结语通过这次课程设计，系统地巩固和综合利用已学过的基础课和水工建筑物等课程的知识，使我们对某一水工建筑物的设计内容、设计步骤、设计方法有所了解，使设计、计算、绘图等基本技能得到一次综合性的锻炼，培养了我们解决生产实际问题的能力。16'