水工建筑物_水闸设计

'《水工建筑物》课程设计前进闸设计计算书学号:专业:姓名:指导教师: 目录第一部分设计资料和枢纽设计······························1.工程概况·············································2.枢纽设计·············································第二部分闸孔设计·········································1.闸室结构设计·········································2.闸门孔口尺寸········································第三部分消能防冲 设计····································1.消力池设计··········································2.海漫设计············································3.防冲槽设计··········································第四部分地下轮廓设计····································1.地下轮廓布置形式····································2.闸底板设计·········································3.铺盖设计 ···········································4.侧向防渗设计·········································5.排水止水设计········································第五部分渗流计算······································1.设计水位情况······································2.校核水位情况······································第六部分闸室结构布置··································1.闸室的底板········································ 2.闸墩的尺寸·········································3.胸墙结构布置·······································4.闸门和闸墩的布置··································5.工作桥和交通桥及检修桥····························6.闸室分缝布置·······································第七章闸室稳定计算1.荷载组合考虑·······································2.闸室抗滑稳定计算和闸基应力验算····················参考文献 ···············································第一部分设计资料和枢纽设计1.1工程概况1.11设计用途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Ⅲ等，水闸按3级建筑物设计。该闸有如下的作用：（1）防洪。当胜利河水位较高时，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。 1.12设计资料（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1-1团结渠横断面图（单位：m）（2）灌溉期前进闸自流引胜利河水灌溉，引水流量为300。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游红星港，引水流量为100，此时相应水位为：闸上游水位2201.44m，闸下游水位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300（4）下游水位流量关系：流量0.0050.00100.00150.00200.00250.00300.00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：表1-1闸基土质分布情况表层序高程（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）15-21 ②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°；天然孔隙比e=0.69；天然容重建闸所用回填土为砂壤土，其内摩擦角，凝聚力，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）闸上有交通要求，闸上交通桥为单车道公路桥，桥面净宽4.5m,总宽5.5m，采用板梁结构。每米桥长约种80KN。（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）1.2枢纽设计1.21进水口防沙设施设计胜利河为少泥沙河道，防沙要求不高，为防止泥沙进入引水渠，采用拦沙坎，查设计规范得知其高度一般为2.5m~3m，综合考虑取其高为2.5m1.22引水渠的布置取水方式确定: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。引水口位置选择: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：式中：——进水闸至引水口弯道起点的距离——与渠道分沙比有关的系数一般取0.6～1.0——河道的弯道半径——河道河槽的宽度由此可确定引水口位置引水渠的方位确定: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25度） 第二部分闸孔设计2.1闸室结构设计2.11确定闸室结构型式由设计资料可知闸室地基土质为坚硬粉质粘土,土质均匀,承载力较大,故选用整体式平底板闸室，水位变幅3.26m，为减少闸门高度，采用胸墙式闸室。2.12确定堰型鉴于水闸有防洪冲淤的任务，故堰型采用宽顶堰，有利于泄洪冲沙，且泄流能力稳定，结构简单，施工方便。2.13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。不考虑风浪取2.14确定闸底板高程参考资料知闸底板应尽可能置于天然坚实的土层上，在满足强度等条件下，高程应尽可能高一些。综合考虑，将闸底板高程定为2194.5m，和河底齐平。2.2闸门孔口尺寸2.21计算闸孔总净宽灌溉期：上游水位2201.83m，下游水位2201.78m，流量300上游水深，下游水深上游过水断面面积上游行近流速堰顶总水头属淹没出流。由《水闸设计规范》SL265—2001（以下简称规范）查得当时，对堰顶入口为直角的宽顶堰：由经验公式计算得初步设计认为，由公式 ②枯水季节：上游水位2201.44m，下游水位2201.38m，流量100上游水深，下游水深过水断面面积上游行近流速堰顶总水头属淹没出流。由《水闸设计规范》查得当时，初步设计认为，由公式选用最大闸孔总净宽时过闸单宽流量最大，此时单宽流量，由地质资料知闸地基处为坚硬粉质粘土，查规范可知可取20-25，故满足要求2.22计算孔数及单孔宽度为了保证闸门对称开启，使水流过闸均匀，孔数宜采用单数。我国大中型水闸单孔宽度一般采用8-12m,选孔，单孔净宽，实际总净宽根据规范上游闸墩头部均采用半圆形，下游闸墩头部采用流线形，厚，边墩取1.5m闸孔总宽度为：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35/50=0.7大于0.6~0.75，符合要求。2.23水闸泄流能力验算 对于中孔：对于边孔：则（1）灌溉引水期水位验算：（2）枯水期水位验算：过流能力皆满足设计要求。第三部分消能防冲设计3.1消力池设计3.11确定消能型式和不利水位组合考虑到水闸所处渠道底部为粉质粘土，抗冲刷能力较弱，故采用底流式消能。由第二部分计算知：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300，上游水位2204.7m，下游水位2201.78m时，为最不利的水位组合，取该情况为极限状况3.12计算上下游水面连接形态的判别闸前水深，下游水深 该情况下，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，末端宽度采用河底宽度。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，；代入迭代公式可得：，，，，由此可得假设水跃在最小收缩断面处发生，跃后水深，故发生淹没式水跃上下游水位的连接形态为淹没式水跃，对底部冲刷不太严重，无需修建消力池,但应按要求设计相应的护坦。3.13护坦尺寸设计跃前水深和跃后水深最大差值为4.37-0.625=3.75m。以此为计算极限情况水跃长度；按规范取考虑到闸底板的厚度，按规范取2m，护坦与闸底板用斜坡连接，坡度1：4护坦长度，取护坦厚度，取0.155，，为上下游水位差，取故护坦长度，护坦厚度3.2海漫的设计根据实际工程经验，海漫的起始段采用长为10米的水平段,其顶面高程与护坦齐平,水平段后采用1:10的斜坡,以使水流均匀扩散；为保护河床不受冲刷，海漫结构采用干砌石海漫结构按公式，为上下游水位差 为渠床土质系数，根据地质资料渠床为粉质粘土取为护坦出口处单宽流量，取最大值，取为42m根据实际工程经验，海漫的起始段采用长为10米的水平段,其顶面高程与护坦齐平,水平段后采用1:10的斜坡,以使水流均匀扩散；为保护河床不受冲刷，海漫结构采用干砌石海漫结构3.3防冲槽设计水流经过海漫后，尽管多余能量得到了进一步消除，流速分布接近河床水流的正常状态，但在海漫末端仍有冲刷现象。为保证安全和节省工程量，在海漫末端设置防冲槽。海漫末端的河床冲刷深度按公式为海漫末端单宽流量，由消能防冲设计水位组合取为土质的不冲流速，查《水力学》上，不冲流速取值0.75-0.95m/s,取为0.85m/s；为海漫末端河床水深，海漫前端水深为，海漫10m水平段后有1:10的斜坡段，斜坡水平长度则斜坡段在垂直向下降3.2m，即故取防冲槽深度为2.5m，槽顶高程与海漫末端齐平，底宽取5m，上游边坡系数为2，下游边坡系数为3。并在海漫末端预留足够块径大于30cm的石块，单宽抛石量（A值按经验取2-4） 第四部分地下轮廓设计4.1地下轮廓布置形式按照防渗和排水相结合的原则，在上游侧采用铺盖、板桩、齿墙等防渗设施，延长渗径，以减小作用在底板上的渗流压力，降低闸基渗流的平均坡降；在下游侧设置排水反滤设施，如面层排水、排水孔排水或减压井与下游连通，使地基渗水尽快排出，防止在渗流出口附近发生渗透变形。由于粘性土地基不易发生管涌破坏，底板与地基间的摩擦系数较小，在布置地下轮廓时，主要考虑降低作用在底板上的渗流压力。为此，在闸室上游设置水平防渗，而将排水设施布置在护坦底板下。由于打桩可能破坏粘土天然结构，故粘性土地基不设板桩。（具体图样见CAD大图） 4.2闸底板设计4.21闸底板长度计算闸底板顺水流方向长度，据闸基土为坚硬粉质粘土，闸室底板取为安全起见取系数为4，上下游最大水位差为校核情况的相应水位H=2204.7-2201.0=3.7m综合考虑上部结构布置及地基承载力等要求，设计底板长15m，齿墙深一般取1m，在轮廓线上长度取2m，与底板联成一体4.22闸底板厚度计算闸底板厚度(为闸孔净宽，为10m)，取4.23闸底板结构底板结构在垂直水流的长度上按经验每25m分段，每隔3m分横缝，防止温度变形和不均匀沉降。4.3.铺盖设计4.31铺盖材料选择为充分利用灌区资源，减少投资，铺盖采用粘土铺盖；为防止铺盖被水流冲刷，应在其表面铺砂层，然后再砂层上在铺设单层或双层块石护面。4.32铺盖尺寸确定铺盖长度,为上下游最大水位差取3.7m，取为方便施工，铺盖上游端取1m，末端为2m，以便和底板连接。校核地下轮廓线的长度：根据以上设计数据，实际地下轮廓线长度，满足要求。4.4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—1.0m，则上游翼墙顶部高程4.2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4.3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90°后与岸边连接，使水流条件和防渗效果好4.5排水止水设计4.51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，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。4.52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,孔距为3m。4.53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，在空间上形成防渗整体。第五部分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，故用效深度代替T。5.1设计洪水位情况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考《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，所以水头损失列于下表各角点的渗透压力值如上表最后一列所示 5.12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。5.2校核洪水位情况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，所以出口处修正系数计算，所以水头损失列于下表各角点的渗透压力值如上表最后一列所示5.22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。第六部分闸室结构布置6.1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。6.2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。 6.3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。6.4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0.3~0.5m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）6.5工作桥和交通桥及检修便桥 6.51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）6.52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。尺寸见下图工作桥细部结构图(单位：cm)检修便桥细部结构图(单位：cm)6.6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1m处。具体止水见第四章止水设计第七部分闸室稳定计算7.1荷载组合考虑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√√√√7.2闸室抗滑稳定计算和闸基应力验算 7.21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38.0m。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。7.22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：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。7.23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。计。参考文献：《水工建筑物》天津大学林继镛中国水利水电出版社《水闸设计规范》SL265-2001《水力学》赵振兴、何建京编著清华大学出版社《水力学》吴持恭编著高等教育出版社'