水工建筑物课程设计：前进闸设计

'《水工建筑物》课程设计前进闸设计院系：水利电力学院班级：10水利水电一班姓名：娄梦学号：1000301003指导教师：潘起来38 2013年12月17日目录第一章设计资料和枢纽设计·························41、设计资料·······································42、枢纽设计·······································5第二章闸孔设计···································71、闸室结构设计····································72、确定闸门孔口尺寸·······························7第三章消能防冲设计38 ······························111、消力池设计····································112、海漫的设计····································153、防冲槽的设计··································15第四章地下轮廓设计······························171、地下轮廓布置形式······························172、闸底板设计····································173、铺盖设计······································1838 4、侧向防渗······································185、排水止水设计··································19第五章渗流计算··································221、设计洪水位情况································222、校核洪水位情况································24第六章闸室结构布置······························271、闸室的底板····································2738 2、闸墩的尺寸····································273、胸墙的结构布置································274、闸门和闸墩的布置······························275、工作桥和交通桥及检修便桥······················286、闸墩分缝布置··································29第七章闸室稳定计算······························301、确定荷载组合··································302、闸室抗滑稳定计算和闸基应力验算················30第八章38 上下游连接建筑物··························341、上游连接建筑物································342、下游连接建筑物································34参考文献·········································34第一章设计资料和枢纽设计38 1、设计资料1.1工程概况前进闸建在前进镇以北的团结渠上，是一个节制闸。本工程等级为Ⅲ级，该水闸按3级建筑物设计，有如下作用：（1）防洪。当胜利河水位较高时，关闸挡水，以防止胜利河的高水侵入团结渠下游两岸的底田，保护下游农田和村镇。（2）灌溉。灌溉期引胜利河水北调，以灌溉团结渠两岸的农田。（3）引水冲淤。在枯水季节，引水北上至下游红星港，以冲淤保港。1.2规划数据（1）团结渠为人工渠，其断面尺寸如图1所示。渠底高程为2194.5m，底宽50m，两岸边坡均为1:2。（比例1:100）图1团结渠横断面图（单位：m）（2）灌溉期前进闸自流引胜利河河水灌溉，引水流量为300m3/s。此时相应水位为：闸上游水位2201.83m，闸下游水位为2201.78m，冬春枯水季节，由前进闸自流引水之下游红星港，引水流量为100m3/s，此时相应水位为：闸上游水位2201.44m，闸下游水位为2201.38m。（3）38 闸室稳定计算水位组合：设计情况，上游水位2204.3m，下游水位2201.0m；校核情况：上游水位2204.7m，下游水位2204.0m。消能防冲不利的情况为：上游水位2204.7m，下游水位2201.78m，引水流量为300m3/s。（1）下游水位流量关系：流量（m3/s）0.0050.00100.00150.00200.00250.00300.00水位H（m）2201.002201.202201.382201.542201.662201.742201.78（2）地质资料：①根据地质钻探报告，闸基土质分布情况见下表：层序高程（m）土质概况标准贯入击数（击）Ⅰ2205.75-2196.4重粉质壤土9-13Ⅱ2196.4-2196.7松散粉质壤土8Ⅲ2196.7-2178.7坚硬粉质粘土（局部含铁锰结核）15-21②根据土工试验资料，闸基持力层坚硬粉质粘土的各项参数指标为：凝聚力C=60Kpa，内摩擦角φ=19°；天然孔隙比e=0.69，天然容重γ=20.3kN/m（3）本工程等级为Ⅲ级，水闸按3级建筑物设计。（4）闸上有交通要求，闸上交通桥为单车道公路桥，前面净宽4.5m，总宽5.5m，采用板梁结构。每米桥长约重80KN（详见设计书插图）。（5）该地区“三材”供应充足。闸门采用平面钢闸门，尺寸自定，由工厂加工。不考虑风浪作用，胜利河为少泥沙河道（含少量推移质泥沙）。2．枢纽设计2.1进水口防沙设施设计38 胜利河为少泥沙河流，防沙要求不高，为防止泥沙进入引水渠，防沙设施设拦沙坎即可，《水电站进水口设计规范》DL/5398-2007中规定其高度为2.5m-3m，取其高度为2.8m。2.2引水渠的布置①取水方式确定：由于胜利河为少泥沙河道，防沙要求不高，且取水期间河道的水位和流量能够满足取水要求，故取水方式为无坝取水。②引水口位置的选择：胜利河在流经灌区时有一个明显的弯道，可利用弯道环流原理，将引水渠的引水口设在胜利河凹岸顶点位置偏下游处，该位置距弯道水流拐点的长度可由公式计算：L=KB式中：L——进水闸至引水口弯道起点的距离K——与渠道分沙比有关的系数一般取0.6~1.0（K=0.8）R——河道的弯道半径B——河道河槽的宽度由此可确定引水口的位置。③引水渠的方位确定：为使弯道水流平顺进入引水渠，根据规范，取引水渠中心线与河道水流方向夹角即引水角不超过30度（取30度）。第一章闸孔设计38 1、闸室结构设计1.1闸室结构型的确定由于闸室地基土质为坚硬粉质粘土，图纸均匀，承载力较大，因此选用整体式平底板闸室，且闸前水位最大可达10.2m，最低水位可达6.94m，水位变幅3.62m，为减少闸门高度，因此设计成胸墙式闸室。1.2堰型选择由于水闸有防洪冲淤的任务，故堰型选择宽顶堰，它有利于泄洪冲沙排污，且泄流能力稳定，结构简单，施工方便。1.3确定堰顶高程设计情况下，上游水位2204.3m，下游水位2201.0m；校核情况下，上游水位2204.7m，下游水位2201.0m。不考虑风浪情况，则根据课本76页相关知识，公式（3-79）及表（3-10）可得∆H=max=所以取∆H=2205m1.4确定闸底板高程闸底板应尽可能置于天然坚实土层上，在满足强度等条件下，高程应尽可能高一些。一般情况下，闸底板高程定为2194.5m，和河底齐平。2、确定闸门孔口尺寸2.1计算闸孔总净宽①灌溉期：上游水位2201.83m，下游水位2201.78m，流量300m3/s，上游水深H=2201.83-2194.5=7.33m，下游水深hs=2201.78-2194.5=7.28过水断面A=[50+(50+2×7.33)]×7.33÷38 2=420.23m2上游行近流速V0=Q/A=300÷420.23=0.714m/s行近水头H0=H+=7.33+=7.36m属于淹没出流由《水闸设计规范》SL265-2007查的当0.99时，初步设计认为m=0.385，由公式L0=①枯水季节：上游水位2201.44m，下游水位2201.38m，流量100m3/s上游水深H=2201.44-2194.5=6.94,下游水深hs=2201.38-2194.5=6.88m过水断面A=[50+(50+26.94)]×6.94÷2=395.16m2上游行近流速V0=行近水头H0=H+=6.94+=6.953m属于淹没出流由《水闸设计规范》SL265-2007查的当0.99时，初步设计认为m=0.385，由公式L0=由于应该选用最大过闸单宽流量，故应选最大闸孔总净宽，因此综合两种情况，闸孔总净宽取值为26.0m，此时单宽流量q=。38 2.2孔数和单孔宽度的选定我国大中型水闸单孔宽度一般采用8—12m，由公式n1=，n2=，为了保证闸门对称开启，使水流过闸均匀，孔数宜选用奇数，即选用n=3,取单孔根据规范上游闸墩头部均采用半圆形，下游闸墩头部均采用流线型，厚d=2m，边墩取1.5m。闸孔总宽度为：L1=nl0+(n-1)×d=3×10+2×2=34m渠道宽50.0m，闸室总宽度应与渠道宽度相适应，两者的比值为34/50=0.68大于0.6~0.75，符合要求。闸孔尺寸示意图见图2-1（比例1：100）图2-1闸孔布置图（单位：m）2.2水闸泄流能力验算（查阅《水闸设计规范》SL265-2007）2.3.1灌溉期过流验算：上游水位2201.83m，下游水位2201.78m，流量300m3/s，对于中孔：l0=10m，d=2m38 对于边孔：=（50-37）/2+7.33×2=21.16m则水闸泄流能力大于300m3/s满足要求2.3.2枯水期过流验算：上游水位2201.44m，下游水位2201.38m，流量100m3/s对于中孔：对于边孔：=（50-37）/2+7.33×2=21.16m则水闸泄流能力大于100m3/s满足要求。38 第一章消能防冲设计1、消力池设计1.1确定消能形式由于本闸所处的渠道底部为粉质粘土，抗冲沙能力较低，故采用底流式消能。1.2确定消能计算工况由第二章的计算得知，灌溉期和枯水期水位时闸门全开引水，均为淹没出流，无须消能。当引水流量为300m3/s，上游水位为2204.7m，下游水位2201.78m时，为最不利的工况，取该工况为计算工况。1.3计算工况时上下游水面连接形态的判别引水流量为300m3/s，上游水位2204.7m，下游水位2201.78m；上游水位H=2204.7-2194.5=10.2m下游水位hs=2201.78-2194.5=7.28m该工况下，关闸挡水，部分闸门不完全开启，下游水位较低，闸孔射流速度大，最容易产生渠道的冲刷。消力池设计采用挖深式消力池，消力池首段宽度采用闸孔总宽，末端宽度采用河底宽度。1.3.1为保证水闸安全运行，可以规定闸门的操作规程，本设计按闸孔对称方式开启运行，分别为开启3孔和中间的1孔当闸门不完全开启，闸孔射流速度较大，比闸门完全开启时更容易引起渠床的冲刷，取闸门相对开启从0.1~0.65（大于0.65属于堰流）过水断面38 上游行近流速V0=行近水头H0=H+=10.2+=10.2m下游水深38 开启孔数n开启高度e相对开启高度e/h垂直收缩系数ε"闸孔流量μ1泄流量Q单宽流量q收缩断面水深hc0跃后水深hc02下游水深ht流态30.510.050.610.54116.8793.900.03050.807.28淹没式31.020.10.620.54233.7577.790.0621.127.28淹没式31.530.150.620.53344.14211.470.0931.597.28淹没式32.040.20.620.52450.19915.010.1242.077.28淹没式32.550.250.620.52562.74918.760.1552.237.28淹没式33.060.30.930.71922.04230.730.2792.687.28淹没式33.570.350.630.5757.54625.250.22053.397.28淹没式34.080.40.630.49848.45228.280.2523.837.28淹没式34.590.450.640.49954.50831.820.2884.017.28淹没式35.10.50.650.481038.9234.630.3254.217.28淹没式35.610.550.650.47111937.300.35754.327.28淹没式36.120.60.660.461194.7639.830.3964.497.28淹没式10.510.050.610.5438.95953.900.03050.807.28淹没式11.020.10.620.5477.9197.790.0621.127.28淹没式11.530.150.620.53114.71411.470.0931.597.28淹没式12.040.20.620.52150.06615.010.1242.077.28淹没式12.550.250.620.52187.58318.760.1552.237.28淹没式13.060.30.930.71307.34730.730.2792.687.28淹没式13.570.350.630.5252.51525.250.22053.397.28淹没式14.080.40.630.49282.81728.280.2523.837.28淹没式14.590.450.640.49318.16931.820.2884.017.28淹没式15.10.50.650.48346.30734.630.3254.217.28淹没式15.610.550.650.47373.00137.300.35754.327.28淹没式16.120.60.660.46398.25339.830.3964.497.28淹没式38 1.3.2验算计算工况闸门全开自由堰流状态下水跃形态由迭代公式求收缩水深假设水跃在最小收缩断面发生，跃后水深3.02mhc0214.8m,满足要求。4、侧向防渗4.1上游翼墙设计上游翼墙除挡土外，最只要的作用是将上游来水平顺导入闸室，其次配合铺盖起防渗作用，其平面布置要与上游进水条件38 和防渗设施相协调。顺水流方向的长度应满足水流要求，上游段插入岸坡，墙顶要超出最高水位0.5-1.0m，则上游翼墙顶部高程H上=2204.7+1.0=2205.7m4.2下游翼墙设计下游翼墙除挡土外，最主要的作用是引导出闸水流均匀扩散，避免出现回流漩涡等不利流态。翼墙平均扩散角为7º-12º，顺水流流向的投影长度应大于或等于护坦长度24m，下游插入岸坡，墙顶一般高出最高泄流水位。则下游翼墙顶部高程H下=2201.78+0.5=2202.28m4.3翼墙布置形式根据地基条件，翼墙采用曲线式，从边墩开始向上游延伸铺盖的长度15m，向下游延伸护坦的长度24m后，上下游翼墙以圆弧的形式转弯90º后与岸边连接，使水流条件和防渗效果更好。5、排水止水设计5.1排水设计5.1.1水平排水：水平排水采用反滤层排水，形成平铺式，排水反滤层一般是由2-3层不同粒径的砂和砂砾石组成的，层次排列应尽量与渗流方向垂直，各层次的粒径则按渗流方向逐层增大。该水闸中的反滤层设计由碎石、中砂、和细砂组成，其中上部为20cm厚的碎石，中间为10cm厚的中砂，下部为10cm厚的细砂。如下图所示：38 反滤层布置图（单位：cm）5.1.2铅直排水：本水闸在护坦底板上设置三排排水孔，排距1.5m采用梅花形布置，孔径取10cm，孔距取3m。5.1.3侧向排水：侧向排水布置应根据上下游水位、墙体材料和墙厚土质以及地下水位变化等情况综合考虑，并应与闸基排水布置相适应，在空间上形成防渗整体。5.2止水设计凡是具有防渗要求的缝，都应设止水设备。止水分铅直止水和水平止水两种。前者设在闸墩中间，边墩和翼墙间以及上游翼墙铅直缝中；后者设在粘土铺盖保护层上的温度沉陷缝、护坦与底板温度沉陷缝、翼墙和护坦本身的温度沉陷缝内。在粘土铺盖与闸底板沉陷缝中设置沥青油毛毡止水。典型的缝间止水如下图：38 典型的缝间止水示意图38 第五章渗流计算闸底板的渗透压力计算采用改进的阻力系数法。地基土为坚硬粉质粘土，厚度为,不透水厚度较大，所以应计算有效深度，，计算深度，故有效深度计算。1.设计洪水位情况1.1渗流损失水头计算设计情况下上游水位2204.3m，下游水位2201.0m，水位差典型流端的阻力系数计算参照《水工建筑物》310页表6-4进口处修正系数计算，所以出口处修正系数计算，所以38 水头损失列于下表各段渗透压力水头损失（单位：m）计算示意图如下：（比例1：100）水闸水头损失计算图（单位：m）水压力沿闸基分布如下图所示：（比例1：100）38 水闸渗透压力分布图（单位：m）各点的渗透压力值列表如下各角点的渗透压力值（单位：m）2.981.881.811.661.50.640.570.4201.2闸基渗透变形验算出口处的逸出坡降为坚硬粘土的出口段容许坡降为0.70～0.80，小于容许值，满足要求。2.校核洪水位情况2.1渗流损失水头计算校核情况下上游水位2204.7m，下游水位2201.0m，水位差典型流端的阻力系数计算参照《水工建筑物》310页表6-4进口处修正系数计算38 ，所以出口处修正系数计算，所以水头损失列于下表各段渗透压力水头损失（单位：m）计算示意图如下：（比例1：100）水闸水头损失计算图（单位：m）38 水压力沿闸基分布如下图所示：（比例1：100）水闸渗透压力分布图（单位：m）各点的渗透压力值列表如下各角点的渗透压力值单位（m）3.342.112.031.861.780.720.640.4101.2闸基渗透变形验算出口处的逸出坡降为坚硬粘土的出口段容许坡降为0.70～0.80，小于容许值，满足要求。38 第六章闸室结构布置1、闸室的底板采用整体式平底板，闸底板高程定为2194.5m，和河底齐平，顺水流方向的长度，底板厚度2.0m。2、闸墩的尺寸考虑防洪要求闸墩高不得低于两岸，故闸墩高度取11.5m，而且各种工况下上有水位均没有高于2205.8m，所以定闸墩高度取11.5m符合运用条件。闸墩的厚度取2m，上游半圆形，下游流线型。3、胸墙结构布置胸墙顶宜与闸顶齐平。闸前水位最大可达到10.2m，最低水位可达6.94m，为安全和节省投资起见，定闸门高为7.5m，胸则墙底高程取，定胸墙高为4m，则胸墙顶部高程取，与闸顶齐平。由于该水闸孔口净宽10m，故采用梁板式胸墙，由墙板，顶梁，底梁组成；按规范墙板板厚取12cm；顶梁梁高取，故顶梁梁高取为1.0m，梁宽取为50cm；底梁梁高取为1.3m，梁宽70cm。4、闸门和闸墩的布置闸门选露顶的直升式闸门，根据《水闸设计规范SL265-2001》闸顶的高度由最高挡水位加0.3~0.5m38 的安全加高确定，由第二章闸孔设计可知取为2206.0m。闸门高度为7.5m，采用平面钢闸门，闸门设置在闸墩中心靠向上游1.75m处，设有4m高的胸墙。平面闸门的门槽设在闸墩水流平顺的部位，深度为0.3m，门槽宽度取0.5m，宽深比1.67，闸墩门槽处最小厚度1.4m，符合规范要求。检修门槽深0.2m，宽0.3m。检修门槽与工作门槽之间的净距取为2.0m。闸墩的尺寸及工作闸门和检修闸门的门缝尺寸如下图：闸墩细部结构尺寸图（单位：mm）5、工作桥和交通桥及检修便桥5.1交通桥设在水闸下游一侧，桥宽5.5m，两边设栏杆。具体尺寸见下图。交通桥细部结构图单位（mm）5.2工作桥、检修便桥的型式和尺寸参考已建工程和运用要求确定。尺寸见下图38 工作桥细部结构图(单位：cm)检修便桥细部结构图(单位：cm)6.闸室分缝布置为了防止和减少由于地基不均匀沉降及温度变化和混凝土干缩引起的底板断裂和裂缝，对于多孔水闸需要沿轴线设置永久缝，建在土基上的水闸，缝距一般为15-30m，缝宽为2-3cm。整体式底板闸室沉陷缝，一般设在闸墩，一孔，两孔或三孔一联为独立单元。本次设计缝宽度20mm，取一孔为一个独立单元。为避免相邻结构由于荷载相差悬殊产生不均匀沉降，也设结构缝分开。永久缝和结构缝间必须设止水，止水片设在闸底板以下1m处。具体止水见第四章止水设计。闸室具体布置见下图：(比例1：100)闸室具体布置尺寸（单位：mm）38 第七章闸室稳定计算1.确定荷载组合水闸承受的荷载主要有：自重、水重、水平静水压力、扬压力、浪压力、地震等。本地区地震烈度在6级以下，不用考虑地震。不考虑风浪压力。荷载组合分基本组合和特殊组合。基本组合按完建无水期和正常挡水期情况；特殊组合按校核挡水期情况。荷载组合见下表。荷载组合表荷载组合计算情况自重水重静水压力扬压力基本组合完建无水期√正常挡水期√√√√特殊组合校核挡水期√√√√2.闸室抗滑稳定计算和闸基应力验算2.1完建无水情况此时荷载主要是闸室及上部结构自重，取中间一孔为一个独立单元进行计算。钢筋混凝土容重取，混凝土容重取，砖石容重取，水重取。底板顺水流反向长15.0m，垂直水流方向长35.0m。底面积。力矩为对闸门底板中心所取。计算结果见下表完建无水情况荷载计算表38 由公式计算最大及最小应力，验算地基应力查地质资料和《水工建筑物》知，粘土不均匀系数容许值为2.0，地基容许承载力为350kPa（取15次贯入击数）平均应力：不均匀系数：完建期的地基承载力满足要求，地基不会发生不均匀沉陷。2.2正常挡水情况此时闸室荷载除了永久设备的自重，还包括水重、水压力、扬压力、浪压力等。正常挡水情况为上游水位2204.3m，下游水位2201.0。计算荷载示意图如下图。荷载计算示意图38 荷载计算表如下：正常挡水情况荷载计算表由公式计算最大及最小应力，验算地基应力平均应力：不均匀系数：验算闸室的抗滑稳定：故正常挡水期的地基承载力满足要求，地基会发生不均匀沉陷；但闸基抗滑稳定不满足规范要求，应采取利用上游钢筋混凝土铺盖作为阻滑板等工程措施。38 2.3校核挡水情况校核挡水情况为：上游水位为2204.3m，下游水位2201.0。荷载计算表见下表校核挡水情况荷载计算表由公式计算最大及最小应力，验算地基应力平均应力：不均匀系数：验算闸室的抗滑稳定：故正常挡水期的地基承载力满足要求，地基会发生不均匀沉陷；但闸基抗滑稳定不满足规范要求，应采取利用上游钢筋混凝土铺盖作为阻滑板等工程措施。第八章上下游连接建筑物38 1、上游连接建筑物水闸上游连接段包括渠底的铺盖、护底、上游防冲槽以及上游翼墙和护坡。1.1铺盖采用粘土铺盖，前段厚度为1.0m，逐渐向闸室方向加厚，铺盖上面设置保护层。1.2上游护坡、护底水闸上游护坡及护底根据水流流态、河床土质抗冲能力布置，并在上游护底首端增设防冲槽。1.3上游翼墙上游翼墙采用曲线式，从边墩开始向上游延伸铺盖的长度为15m，翼墙以圆弧形转弯90º后与岸边连接，当翼墙插入岸体一定深度时，再采用重力式挡土墙。1、下游连接建筑物下游连接段包括下游河床部分的护坦、海漫和防冲墙，以及两岸的翼墙和护坡两大部分。2.1下游翼墙下游翼墙采用曲线式，向下游延伸护坦的长度24m后，上下游翼墙以圆弧的形式转弯90º后与岸边连接，当翼墙插入岸体一定深度时，再采用重力式挡土墙。2.2护坡采用浆砌块石护坡，长度与防冲槽末端齐平。38 2.3护坦、海漫、及防冲槽具体布置见第三章消能防冲设计。参考文献：《水工建筑物》中国水利水电出版社《水闸设计规范》SL265-2001《水力学》清华大学出版社《灌溉排水工程学》中国水利水电出版社38'