《水工建筑物》课程设计

'《水工建筑物》课程课程设计前进闸初学号：专业：水利水电工程姓名：指导教师：2013年12月21日 77111314.151515161617•18182123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7.闸室结构设计2.确定闸门孔口尺寸第三章消能防冲设计1.消力池设计2.海漫的设计3.防冲槽的设计第四章地下轮廓设计1.地下轮廓布置形式2.闸底板设计3.铺盖设计4.侧向防渗5.排水止水设计第五章渗流计算 1.设计洪水位情况2.校核洪水位情况第六章闸室结构布置1.闸室的底板232.闸墩的尺寸233.胸墙结构布置234.闸门和闸墩的布置245.工作桥和交通桥及检修便桥246.闸室分缝布置25第七章闸室稳定计算261.确定荷载组合262.闸室抗滑稳定计算和闸基应力验算26参考文献30 第一章设计资料和枢纽设计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。本工程等别为m等，水闸按3级建筑物设计。该闸有如下的作用：(1)防洪。当胜利河水位较高吋，关闸挡水，以防止胜利河的高水入侵团结渠下游两岸的底田，保护下游的农田和村镇。(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h2。(比例1:100)阁1团结渠横断面阁(单位：m)(2)灌溉期前进闸&流引胜利河水灌溉，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2201.78m;冬春枯水季节，由前进闸自流引水至下搬红星港，引水流量为100m3/x,此时相应水位为：闸上游水位2201.44m,闸卜•游水位2201.38m。(3)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2201.0m。消能防冲不利情况是：上游水位2204.7m，下游水位2201.78m,引水流量是300m3/5 (1)下游水位流量关系:流量m3/?0.0050.00100.00150.00200.00250.00300.0()水位H(m)2201.002201.202201.382201.542201.662201.742201.78(5)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)I2205.75-219604重粉质壤土9-13II2196.4-2194.7松散粉质壤土8III2194.7-2178.7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=60.0Kpa；内摩擦角0=19°;天然孔隙比e=0.69;天然容重/=20.3KN/m3建闸所用回填土为砂壤土，其内摩擦角(p=26",凝聚力c=天然容重本地区地震烈度在6度。(6)本工程等别为III等，水闸按3级建筑物设计。(7)闸上奋交通要求，闸上交通桥为单车道公路桥，桥面浄宽4.5m，总宽5.5m，采用板梁结构。每米桥长约种80KN。(详见设计书插图)(8)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。不考虑风浪的作用，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，《水电站进水门设计规范》DL/T5398-2007屮规定其高度为2.5m〜3m,取其高度为2.5m。 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，故取水方式可设计成无坝取水。②引水口位置选择：胜利河在流经灌区吋冇一个明显的弯道，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稍偏下游处，该位置距弯道水流拐点的长度可由公式计算：L=KB私RIB+式屮：L一一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一一河道的弯道半径B一一河道河槽的宽度由此可确定引水口位置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，取引水渠屮心线与河道水流方向夹角即引水角不超过30度。(取25度)其他相关资料(1)闸上有交通要求。根据当地交通部门的建议，闸上交通桥为单车道公路桥,桥面净宽为4.5m，总宽为5.5m，采用板梁结构。每米桥长约重80KN。如图。(2)该地区“三材”供应充足。闸门采用平面钢闸门，尺寸自定，有工厂设计、加工制造。 第二章闸孔设计1.闸室结构设计1.1闸室结构型式的确定由于闸室地基土质为坚硬粉质粘土，土质均匀，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到10.2m,最低水位可达6.94m,水位变幅3.26m,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，故堰型采用宽顶堰，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确定闸顶高程设计情况下，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，则课本76页公式3-78A△(•+《.f2204.3+0.7=2205.0m△H=max该工况情况下，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，最容易造成渠道的冲刷。消力池设计采用挖深式消力池，消力池首端宽度采 用闸孔总宽biMOm,末端宽度采用河底宽度Z?2=50m。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幵启运行，分别为幵启3孔和中间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A=(50+2x10.2)x10.2=718.08m2上游行近流速v。=2=^22_=04i8m/5A718.08行近水头H()=H+-^-=10.2+⑽0.418=10.21m2g2x9.81下游水深久=2201.78-2194.5=7.28m宽顶堰闸孔出流流量公式2=Ai以，/As由相对开启高度査《水力学》354页表9-7可得，炉取0.9hc0=ee’假设水跃在最小收缩断面开始发生，由《水闸设计规范》可得：跃后水深久、。2=^(Jl+^-l)A)0-25,根据么2和久的关系判别水跃形态-2ghc0b2- 计算表格如下:开启孔数nen度开高相对开启髙度e/H垂直收缩系数。闸孔流量系数U1泄流量Q単宽流量q收缩断而水深hco跃水深hco2K游水深ht流态30.510.050.610.54117.633.920.312.747.28淹没式31.020.10.620.54232.247.740.633.737.28淹没式31.530.150.620.53343.6711.460.944.427.28淹没式32.040.20.620.52451.7315.061.264.957.28淹没式32.550.250.620.51557.0518.571.595.377.28淹没式33.060.30.930.71919.5830.652.836.297.28淹没式33.570.350.630.50756.8625.232.245.977.28淹没式34.080.40.630.49853.0328.432.586.187.28淹没式34.590.450.640.49946.2431.542.936.347.28淹没式35.10.50.650.481034.9334.503.296.457.28淹没式35.610.550.650.471119.7537.323.666.517.28淹没式36.120.60.660.461201.2240.044.056.537.28淹没式10.510.050.610.5439.213.920.312.747.28淹没式11.020.10.620.5477.417.740.633.737.28淹没式11.530.150.620.53114.5611.460.944.427.28淹没式12.040.20.620.52150.5815.061.26小957.28淹没式12.550.250.620.51185.6818.571.595.377.28淹没式13.060.30.930.71306.5330.652.836.297.28淹没式13.570.350.630.50252.2925.232.245.977.28淹没式14.080.40.630.49284.3428.432.586.187.28淹没式14.590.450.640.49315.4131.542.936.347.28淹没式15.10.50.650.48344.9834.503.296.457.28淹没式15.610.550.650.47373.2537.323.666.517.28淹没式16.120.60.660.46400.4140.044.056.537.28淹没式1.3.2验算计算工况闸门全开自由堰流状态下水跃形态(Pyl2g(HQ-hci)由迭代公式求收缩水深/^+1==222=8.82m3，(p=0.9令^=0;代入逃代公式可得：h2=0.692m，么=0.7171m,h4=0.71808m,h5=0.7181m,/?6=0.7181m,由此可得久=0.7181w=0.718zwV假设水跃在最小收缩断面发生,跃后水深/ld)2=3.95mhc0214.8m,满足要求。2.侧向防渗4.1上游翼墙设计上游翼墙除挡土外，最主要的作用是将上游来水平顺导入闸室，其次配合铺盖其防渗的作用。其平面布置要与上游进水条件和防渗设施相协调。顺水流流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.Om,则上游翼墙顶部高程H卜=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。翼墙平均扩散角采用7°-12°，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洪水位。则下游翼墙墙顶高程//了=2201.78+0.5=2202.28m4.3翼墙布: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P游翼墙以圆弧的形式转弯90°后与岸边连接，使水流条件和防渗效果好3.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的方向垂直，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，苏中上部为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：」ZX4石八△.:中砂.•••••细砂•9•9<■••99•••••••••••••••••••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10t、m，孔距为3m。5.1.3侧向排水：侧向排水布置应根据上、下游水位、墙体材料和墙后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，在空间上形成防滲整体。5.2止水设计凡具有防渗要求的缝，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、边墩与翼墙间以及上游翼墙铅直缝中；后者设在黏土铺盖保护层上的温度沉陷缝、护坦与底板温度沉陷缝、翼墙和护坦木身的温度沉陷缝内。在黏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 3445计算深度7；二O.5Lo=0.5x27二13.5m<16m,故有效深度7；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H=3.3m典型流端的阻力系数计算参照《水工建筑物》310页表6-4进口处修正系数从计算12（>2VV（-+0.059）1.21-「_13.5」1八MA12x（土）2+2x（」一+0.059）L11.5」11.5=0.841<1.0I"=氏I"=0.841x0.423=0.356m△权=0.423-0.356=0.067m h2〉△/*,所以/?.，=//2+A/z,=0.996+0.067=1.063m出U处修正系数久计算成=1.21-I2(7)2+2s"(y+0.059)=1.21-12x(hI)2+2x(^+0-059)0.877<1.0/?9=H0.877x0.422=0.37m=0.422-0.37=0.052mh,>A/z9,所以/?8=~+△%=0.151+0.052=0.203m水头损失列于下表各段渗透压力水头损失（单位：m）编号名称计算公式SSIS2TLhihi’①进口段C=1.5*(S/T厂1.5+0.4411150.4670.4230.338②铺盖水平段^=(L-0.7*(S1+S2))/T0113151.1000.9961.081③齿墙垂直段C=2/3.14*lncot[Ji/4*(l-S/T)]1130.0770.0700.070④齿墙水平段G:(L-0.7<1+S2))/T001220.1670.1510.151⑤齿墙垂直段=2/3.14*lncot[n/4*(l-S/T)]1130.0770.0700.070⑥底板水T段G:(L-0.7*(S1+S2))/T1113151.0460.9470.946⑦齿墙垂直段=2/3.14*lncot["4*(l-S/T)]1130.0770.0700.070⑧齿墙水平段C=(L-0.7*(S1+S2))/T001220.1670.1510.151⑨出口端=1.5*(S/T厂1.5+0.4411150.4670.4230.422总和3.6453.3003.299计算示意图如下：（比例1:100） 水闸水头损失计算图（牢位：m）水压力沿闸基分布如下图所不：（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）h2h6h72.981.881.811.661.50.640.570.4201.2闸基渗透变形验算出门处的逸出坡降J^jJ=h==0.422<0.7〜0.8S1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H=3.7m典型流端的阻力系数计算参照《水工建筑物》310页表6-4进U处修正系数从计算我=1.21-12(7)2+2s’(y+0.059)1.21-12x(黑)2+2>(吉+0059)=0.841<1.0I"=/3"h"=0.841x0.474=0.399m△A=0.474-0.399=0.075mh2>A/z,,所以/z2=+△"=1.117+0.075=1.192m出口处修正系数久计算成=1.21■•12(^)2+2(-+0.059)T■T1.2112x(x(^+0.059)0.877<1.0h9=0.877x0.473=0.415m=0.473—0.415=0.058m /zK>A/79,所以Z/x=么4-A/iy=0.169+0.058=0.227m水头损失列于下表编号名称4计党公式SIS2TLhihi，①进门段^=1.5*(S/TVI.5+0.44113.50.4410.4480.399②铺盖水平段=(L-0.7*(S1+S2))/T0111.515.01.1001.1171.212③齿墙乘良段=2/3.14*lncot[n/4*(l-S/T)]11.50.0770.0780.078④齿墙水平段4=(L-0.7*(S1+S2))/T0010.520.1900.1930.169⑤齿墙垂直段k=2/3.14*lncot[n/4*(l-S/T)]11.50.0770.0780.078⑥底板水平段4=(L-0.7*(S1+S2))/T1111.5151.1831.2001.061⑦齿墙垂直段k=2/3.14*lncot[n/4*(l-S/T)]11.50.0770.0780.078⑧齿墙水平段4=(L-0.7*(S1+S2))/T0010.520.1900.1930.236⑨出口端(=1.5*(S/T厂1.5+0.44113.50.4410.4480.415总和3.7773.8343.73各段渗透压力水头损失（单位：m）计算示意图如下：（比例1:100）V2204.7m▽2201.0m▽2194.5m⑧⑨水闸水尖损失计算图（单位：m）水压力沿闸基分布如下图所示：（比例1:100） 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）H"h2Ah5A3.342.112.031.861.780.720.640.4101.2闸基渗透变形验算出口处的逸出坡降J为J=4==0.407<0.7〜0.8S1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。第六章闸室结构布置1.闸室的底有采用整体式平底板，闸底板高程定为2194.5m，和河底齐平，顺水流方向的长度L=15m,底板厚度2.0m。2.闸墩的尺寸考虑防洪耍求闸墩高不得低于两岸2205.8-2194.5=11.3m,故闸墩高度取12m,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12m符合运用条件。闸墩的厚度取2m,上游半圆形，下游流线型。 2.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2194.5+7.5=2202m,定胸墙高为4m,则胸墙顶部高程取2202+4=2206m,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(1/12〜1/15)/。=0.83〜0.67m,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。3.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0.3〜0.5m的安全加高确定，由第二章闸孔设计可知取为2206.0mo闸门高度为7.5m,釆用平面钢闸门，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，深度力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T如下图：,20,,175,►—030515闸墩细部结构尺寸图(单位：m) 2.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。 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10400JIA40I罐20009工作桥细部结构圈（单位：cm）检修便桥细部结构图（单位：cm）2.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2-3cni。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。本次设计缝宽为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lm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（単位：mm）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级以丁，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7正常挡水期77V7特殊组合校核挡水期77V72.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25A;V/m3，混凝土容重取24WV/m3，砖石容重取19々/V/m3， 水重取底板顺水流反向长15.0m，垂直水流方向长43.0m。底面积A=15x43=645m2。力矩为对闸门底板中心所取。计算结果见不表由公式^lxminAB计算最大及最小应力，验算地基应力max^min209126x2367.7—|—645645x15_209126x2367.7_645645x1533.S9kPa30.95kPa完建无水情况荷载计算表部位体积(m3)(kN)力臂（m）力矩（kN.m）Z+闸底板300750000闸墩345862500交通桥25.46354.753016.25排架24.2580.821161.6工作桥15.23802760检修桥8.82205.551221启闭机估算自重1002200闸门估算自重100022000合计19040.82326.35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(7为350kPa(取15次贯入击数)平均应力••5=汀麵+=33.89+30.95=32A2kPa<[(r]=35QkPa22不均匀系数.•77=max^min_33.89-30.95=1.094<["]=2.0完建期的地基承载力满足耍求，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。 荷载计算示意图荷载计算表如下：^max=maxminAB计算最大及最小应力，验算地基应力I2Z^+6x4709.19=33幾645645x15正常扩I水情况荷载计算表荷载垂直力（kN）水平力（kN）力臂（m）力矩(kN.m)t1<—―►/+闸室自重209122367.7上游水压:pi58322.615163.2p215002.0443066下游水压:p32812.51.54218.75p415002.0443066水重W上游51456.87535371.875W下游6012.52.87517285.9375齿墙水压.上游65031950下游65031950浮托力975000渗流压力矩形部分63000三角部分19202.54800合计1230032069.54962.5798226.43846974.32542265.137519759.5(1)3019.5(-)4709.19(/+) min645645x15平均应力：=£max±£miiL=33.56+27.7130.635/:PtzAz,=1.25cYP3019.5L