水工建筑物课程设计说明书.doc

水工建筑物课程设计 水工建筑物课程设计计算说明书专 业：农业水利工程班 级： 农水1301 姓 名： 学 号： 指导老师： 目录第一章 节制闸基本设计资料3第二章 闸孔设计32.1闸型的选择32.2确定闸底板高程42.3闸孔宽度的确定4第三章 消能计算53.1消力池计算63.1.1消力池深度的计算63.1.2消力池长度计算83.1.3消力池底板厚度计算83.2海漫计算93.3防冲槽计算10第四章 闸基渗流计算114.1地下轮廓线布置及防渗长度确定114.2闸基渗流计算12第五章 闸室布置与构造155.1底板155.2闸墩155.3工作桥175.4交通桥185.5胸墙185.6分缝与止水19第六章 闸室稳定分析196.1闸室抗滑稳定分析196.1.1自重21 6.1.2 水重226.1.3 扬压力226.1.4 水平水压力226.1.5 浪压力246.2地基稳定验算266.3地基承载力验算27第七章 上下游连接建筑物277.1连接建筑物的作用277.2连接建筑物的形式与布置277.2.1上游连接建筑物277.2.2下游连接建筑物287.2.3岸墙292第一章 节制闸基本设计资料某地区为了满足工农业生产发展的要求和控制该流域水位及排涝要求，需在某河道上修建一座节制闸。1.1 规划数据及要求1、河道断面边坡1:4.0，河底高程0.5m。2、闸孔设计水位流量组合：闸上水位8.35m，闸下水位8.2m，排洪流量为830m/s,河道底宽90m。3、消能设计水位流量组合：闸上水位8.0m，闸下水位5.0m，通过流量Q=300m/s。4、稳定计算流量组合：设计情况：闸上水位8.35m，闸下水位5.0m，校核情况：闸上水位8.96m，闸下水位5.5m。1.2 地质资料0.5m -2.0m为重粉质壤土层，标准贯入击数63.5=11击，=19.5kN/m3，=0.05MPa，=15。1.3 设计标准本建筑物按级建筑设计。1.4 其他资料（1）、交通桥桥面净宽7m，每边人行道0.5m。拟采用钢筋混凝土铰接板桥。（2）、闸址处风速，吹程。（3）、上游翼墙为圆弧式，下游翼墙为反翼墙。（4）、启闭机为绳股式启闭机。第二章 闸孔设计2.1 闸型的选择水闸常用的闸型有宽顶堰和实用堰两类。宽顶堰的流量系数虽然很小，但结构简单、施工方便，所以在灌排系统内的水闸，一般均采用平底宽顶堰的底板结构型式。在软弱地基上且上部荷载较大时，可采用宽顶堰箱式平底板结构型式。当需要限制单宽流量而闸底建基高程不能抬高，或因地基表层松软需要降低闸底建基是高程，或在多泥沙河流上有拦沙要求时，可采用适用堰底板，实用堰还没有精确的分析计算方法，只是在某些特定条件下才采用。根据以上资料，该节制闸采用平底宽顶堰的底板结构型式。2.2 闸孔宽度的确定孔口尺寸拟定可根据已知设计流量，上下游水位由泄流能力计算公式求出闸孔宽度，然后拟定闸孔。根据水闸设计规范（SL 2652001），对于平底闸，当堰流处于高淹没度（）时，用公式（A.0.2-1）和公式（A.0.2-2）。该节制闸设计中，=830m3/s，河底宽为90m，边坡1：4.0，上游水位8.35m，下游水位8.20m，闸底高程0.5m，则过流面积=952.99m2，则 故采用水闸设计规范中公式（A.0.2-1）和公式（A.0.2-2）。 （A.0.2-1） （A.0.2-2）将以上数据带入公式公式（A.0.2-1）和公式（A.0.2-2）得：m本闸门采用平面闸门，故可取单孔宽度=8m，则闸孔数，故闸门采用7孔.校核流量：取实际值带入公式（A.0.2-1）中，算得:m3/s%，满足要求。故闸门采用七孔，由于闸底板运用的是整体式底板，分缝情况见下图。 图2-1 分缝图第三章 消能计算消能计算主要内容包括消力池计算、海漫计算、防冲槽设计。3.1消力池计算消能设计水位流量组合：闸上水位8.0m，闸下水位5.0m，通过流量Q=300/s.3.1.1消力池深度的计算计算示意图见图3.1图3.1 消力池计算示意图 式中 消力池深度（m）；水跃淹没系数，可采用1.051.10；跃后水深（m）；收缩水深（m）；水流动能校正系数，可采用1.01.05；过闸单宽流量（）；消力池首端宽度（m）；消力池末端宽度（m）：由消力池底板顶面算起的总势能（m）；出池落差（m）；出池河床水深（m）。在计算中，通过试算求得，先假定=0.5m，然后依次算出、，最后算出。若m，取；若m，将算出的值重新带入公式中，直到前后两次算的值在误差范围内，取最后一次算出的值作为值。上游水深：，下游水深：，取。面积： 流速： 取，则取，又因为，则解得：。 得到： 故假设满足要求，取。3.1.2消力池长度计算根据水闸设计规范，消力池长度可按以下公式计算（计算示意图见图3-1）： 式中 消力池长度（m）；消力池斜坡段水平投影长度，一般为（m）；水跃长度校正系数，可采用0.70.8；水跃长度（m）。 在本次水闸设计中，,所以可计算水跃长度： 消力池斜坡段水平投影长度的长度计算得：m，在加上起始1.0m的水平段，所以消力池的长度计算得,为了方便施工，实际中取消力池的长度m。3.1.3消力池底板厚度计算 根据水闸设计规范，消力池底板厚度可根据抗冲和抗浮要求，分别按下列公式计算，并取其大值。 抗冲 抗浮 式中 消力池底板始端厚度（m）；闸孔泄水时上、下游水位差（m）；消力池底板计算系数，可采用0.150.20；消力池底板安全系数，可采用1.11.3；作用在消力池底板底面的扬压力（kPa）；作用在消力池底板顶面的水重（kPa）；作用在消力池底板上的脉动压力（kPa），其值可取跃前收缩面流速水头值的5%；通常计算消力池底板前半部的脉动压力时取“+”；计算消力池底板后半部的脉动压力时取“-”号；消力池底板的饱和重度（）。消力池末端厚度，可采用，但不宜小于0.5m。在本水闸设计中，取0.175，为4.44，为3.0m，故m，实际中取m。 消力池不参与防渗，无需抗浮验算。为了降低护坦底部的渗透压力，可在护坦下设铅直排水孔，并在护坦底部铺反滤层，排水孔设在水跃后半部分，排水孔直径为10cm，间距为2m。护坦与闸室，岸墙及翼墙间需要用沉降缝分开，以适应不均匀沉降，护坦在平行水流方向也设沉降缝，一般平行水流方向的缝宜与闸墩对齐，有防渗要求的缝中需设止水。缝间距地基较好时取1520m，地基中等时取1015m，地基差时为812m。3.2海漫计算在水闸设计规范中，当，且消能扩散良好时，海漫长度可按公式（B.2.1）计算： （B.2.1）式中 海漫长度（m）；消力池末端单宽流量（m2/s）；海漫长度计算系数，可由表3-2查得。表3-2 值河床土质粉砂、细砂中砂、粗砂、粉质壤土粉质粘土坚硬粘土1413121110987在本水闸中，下游翼墙的扩散角取10。所以通过消力池末端的宽度m，重粉质壤土取11，则。海漫的材料应具有一定的柔性，同时为使渗透水流自由排水，降低可能存在的扬压力以增加海漫的稳定性，海漫应具有一定透水性，其下设垫层，垫层按反滤层设计。本水闸前11m采用浆砌块石，以后用干砌块石。3.3防冲槽计算根据水闸设计规范（SL 2652001），海漫末端的河床冲刷深度可按下列公式计算：式中 海漫末端河床冲刷深度（m）；海漫末端单宽流量（）；河床土质允许不冲流速（m/s）；海漫末端河床水深（m）。防冲槽的深度一般m，即当m，取=1.52.0m。若太大，开挖困难。底宽，上游边坡1:21:4，下游边坡根据施工开挖情况而定，本工程上下游边坡取1:3。在本水闸设计中，单宽流量取下游水深一半时的水面宽度的单宽流量作为计算值。，。查吴持恭先生主编的水力学一书，可取m/s，河床水深4.5m；将这些值带入上式可得：，所以取防冲槽的深度为1.5m，底宽。第四章 闸基渗流计算4.1地下轮廓线布置及防渗长度确定根据闸室布置要求，初步拟定的地下地下轮廓线如图4-1所示。图4-1 水闸地下轮廓线（高程单位：m，其他单位：mm）水闸设计规范中，在工程规划和可行性研究阶段，初步拟定的闸基防渗长度应满足公式式中 闸基防渗长度，即闸基轮廓线防渗部分水平段和垂直段长度的总和（m）上下游水位差（m）；允许渗径系数值，见表4-1。当闸基设板桩时，可采用表4-1中规定的小值。表4-1 允许渗径系数值 地基类别排水条件粉砂细砂中砂粗砂中砾、细砾粗砾夹卵石轻粉质砂壤土轻砂壤土壤土粘土有滤层1399775544332.5117955332无滤层7443对于重粉质壤土， 由此可知，满足防渗长度要求。4.2闸基渗流计算闸基渗流计算包括渗透压力、渗透坡降、渗流量计算。渗流量较小，一般主要进行压力和渗透坡降计算。水闸设计规范（SL 265-2001）建议，推荐改进阻力系数法作为基本方法。土基上水闸的地基有效深度可按下列公式计算：当时 当时 式中 土基上水闸是地基有效深度（m）；地下轮廓的水平投影长度（m）；地下轮廓的垂直投影长度（m）。当计算的值大于地基实际深度时，值应按地基实际深度采用。该水闸的地下轮廓线可简化为如图4-2所示：图4-2 计算的地下轮廓线及典型段（1）确定地基计算深度：，。（2） 根据图4-2划分的典型段，计算各段阻力系数，见表4-2.段号段别Si(S1,S2)(m)Ti(m)Li(m)进口段0.515.50.450内部垂直段0.515.50.032内部水平段0.5115.5140.835内部垂直段115.50.065内部垂直段114.50.067内部水平段1114.5171.054内部垂直段114.50.068出口段1.815.30.5023.073表4-2 阻力系数计算表（3） 设计水位下，计算结果见表4-3。表4-3 设计水位下渗流的阻力系数、水头损失计算结果表分段编 号0.4500.0320.8350.0650.0671.0540.0680.5020.4900.0350.9100.0710.0711.1490.0740.547出口段水头损失计算： 渗透压力修正范围： 出口段和各水平段渗透坡降验算： ，都小于，故出口段和所有的水平段渗透坡降都满足要求。 （5）根据图4-2划分的典型段，计算各段水头值，校核水位下，计算结果见表4-4。表4-4 校核水位下渗流的阻力系数、水头损失计算结果表分段编 号0.4500.0320.8350.0650.0671.0540.0680.502 0.5070.0360.9400.0730.0751.1870.0770.565 出口段水头损失计算： 出口段和各水平段渗流坡降计算： 都小于，故出口段和所有的水平段渗透坡降都满足要求，说明该地下轮廓线布置是满足要求的。渗透压力分布图见图4-3.图4-3 渗透压力分布图 单位：m第五章 闸室布置与构造闸室主要由闸门底板、闸墩、工作桥、交通桥、便桥，有时还有胸墙等部分组成。5.1底板目前工程上运用得最多的是整体式平底板。底板顺水流方向长度根据闸室稳定和地基应力分布较均匀等条件确定，同时底板顺流向长度必须满足上部结构布置要求。一般顺流向长度由水头和地基条件进行拟定，参照表5-1所列的数值初步拟定。表5-1 闸室底板顺水流向长度与上、下游最大水位差的比值地基土质闸室底板顺水流向长度/上、下游最大水位差碎石土和砾（卵）石2.03.0砂土和砂壤土3.04.0壤土3.54.5粘土4.05.0初步拟定m，根据江苏一般大、中型水闸顺水流长为1520m，故本水闸顺水流向取17m。底板厚度必须满足强度和刚度要求，大中型水闸闸底板厚为闸孔净宽的1/51/7，其值约为1.22.0m，不小于0.7m，底板上下游两端一般设齿坎，深为0.51.5m。故本水闸闸底板厚度为1.6m，齿坎深1.0m，长为1.0m。5.2闸墩闸墩的长度应满足上部结构布置等要求，一般情况下该值等于底板长度，也可以大于底板长度，但伸出的闸墩悬臂长度一般不宜超过闸室底板厚度的1倍。拟定闸墩顺水流方向的长度与底板长度相同为18m。在水闸设计规范中平均波高和平均波周期可按莆田实验站公式，即下列公式计算： 式中 平均波高（m）；计算风速（m/s）本工程中，级建筑物，设计工况时，校核工况下，；分区长度（m）本工程中，；分区内的平均水深（m），可由沿风向作出的地形剖面图求得，其计算水位应与相应计算情况下的静水位一致；平均波周期（s）。波列累积频率可由表查得。表中的为波列累积频率（%）。波高与平均波高的比值可由表查得。平均波长与平均波周期的关系可按下列公式换算： 式中 平均波长（m）；闸前水深（m）。将设计水深3.35m，校核水深3.46m，代入公式计算结果见表5-2。表5-2 风浪要素计算结果表波浪要素设计情况0.4550.9762.96513.9680.215校核情况0.2150.4722.0386.100.106消能情况0.4540.9722.96213.9520.214在设计情况下：m在校核情况下：m在消能情况下：m所以取闸墩高程为10.5m。闸墩厚度必须满足稳定要求和强度要求。该闸墩采用钢筋混凝土，中墩厚1m，门槽处墩厚0.4m。门槽深度为0.3m，门槽宽度1.0m。边墩厚0.8m,门槽处墩厚0.5m,门槽深度为0.3m,门槽宽度1.0m。检修门槽与工作门槽留有2m，以便工作人员检修，检修门槽深0.15m，宽0.2m。中墩墩头型式为圆弧型，边墩墩头型式为矩形。5.3工作桥闸门尺寸拟定：闸门采用露顶式平面钢闸门，双节点滚轮支撑。 闸门高度=闸前最高水位+（0.30.5）m，此处取闸门高度为8.8m1、工作闸门基本尺寸为闸门高8.8m，采用平面钢闸门，双吊点，滚轮支承。2、卷扬式启闭机启闭能力较大，操作灵便，启闭速度快，但造价高。在有防洪要求的水闸中，一般要求启闭机迅速可靠，能够多孔同步开启，这里采用卷扬式启闭机，一门一机。3、启闭机的选型(1)根据水工设计手册对潜孔式平面滚轮闸门重量公式:式中： 闸门结构活动部分重量；闸门的支承构造系数，滚动支承取1.0； 闸门的材料系数，普通碳素钢材取1.0；闸门的高度系数，取0.13； 为孔口高度； 为孔口宽度。将数据代入公式：，初估闸门启闭机的启门力和闭门力。根据闸门与启闭机中的近似公式： 水压力：闭门力：0，表示闸门不能靠自重关闭，需加压50kN重块帮助关闭。启门力： 查闸门与启闭机选用双吊点卷扬式启闭机型号QPQ-225。启门力500kN，自重4.07t=39.89kN。工作桥高度=闸顶高程+门高+（11.5）m =10.5+8.8+1.2=21m 。工作桥的宽度不仅要满足启闭机布置的要求，且两侧应留有足够的操作宽度。初步拟定工作桥的总宽度为3.4m。工作桥为装配式结构。两根主梁高0.8m，宽0.30m，中间活动铺板厚8cm。为了保证启闭机的机脚螺栓安置在主梁上，主梁间的净距为1.6m。在启闭机机脚处螺栓处设两根横梁，其宽0.25m，高0.55m。该工作桥采用装配式结构，将桥面置于两根纵梁上，纵梁净距为1.2m。见图5-1。图5-1 工作桥示意图 单位：mm5.4交通桥建造水闸时常在闸墩上架设交通桥，供汽车、拖拉机及行人等通行。交通桥的位置根据闸室稳定及两岸交通连接等条件确定，通常布置在闸室靠低水位一侧。本交通桥桥面净宽度为7m，两边建有0.5m宽的人行道，路厚30cm,采用钢筋混凝土铰接板，具体见图5-2。图5-2 交通桥示意图 单位：cm5.5胸墙当上游水位变幅比较大时，可设胸墙以减小闸门高度，胸墙顶高与闸墩同高，胸墙底部高程应满足泄流能力需要，由水力计算确定。本闸无需设胸墙。5.6分缝与止水闸室沿轴线每隔一定距离顺流向设缝分开，以免闸室因不均匀沉降及温度变化而产生裂缝。缝间距1530m，缝宽2.02.5cm，一般一孔一缝二孔一缝三孔一缝，缝不易过多否则增加工程量。凡具有防渗要求的缝都应设止水。本水闸为五孔，设沉降缝，具体位置见图2-1，缝宽为2.0cm，在缝中设置铅直止水和水平止水。闸室结构图见图5-3.图5-3 闸室结构图 长度单位：mm高程单位：m第六章 闸室稳定分析6.1闸室抗滑稳定分析闸室荷载主要有闸室自重、水重、水平水压力、扬压力、波浪压力等。表6-1 荷载组合表荷载组合计算情况自重水重水平水压力扬压力波浪压力基本组合完建无水期设计挡水期特殊组合校核挡水期图6-1 设计工况下荷载示意图 高程单位：m图6-2 校核工况下荷载示意图 高程单位：m6.1.1自重 1）底板 因为是对底板中心求矩，而底板为对称布置，所以力臂L=0m，则力矩M底板=0。2）闸墩因为取中间底板，则为两根中墩，则力臂L=0，则力矩M墩=0.3）闸门力臂L=-2.5m，则力矩 4）检修桥检修桥厚0.15m，宽1.5m力臂L=-5.25m，则5）交通桥力臂L=4m，则6）横梁每个闸孔设有4根横梁，高0.55m，宽0.25m，长1.6m，则力臂L=-2.5m，则7）主梁力臂L=-2.5m，则8）排架力臂L=-2.5m，则9）启闭机由前面启闭机的选择可知，则力臂L=-2.5m，则闸室自重计算汇总表见表6-1。表6-1 闸室自重计算表自重(kN)力臂(m)力矩(kNm)底板1359000.0 闸墩8062.700.0 闸门500-2.5-1250检修桥101.25-5.25-531.56交通桥1397.2545589工作桥、 排架横梁44-2.5-110 主梁354.6-2.5886.5 排架483-2.5-1207.5 启闭机81.4-2.5-203.5 总和24614.21399.94土重： 力臂L=0m M=06.1.2 水重 列表计算底板以上水体的重量，具体见表6-3.计算情况算式水重（kN）力臂（m）力矩（kNm）设计情况上游水重6908-5.75-39721下游水重75603.2524570144468-15151校核情况上游水重7444.8-5.75-42807.6下游水重84003.257300合计15944.8-15507.6表6-3 水重计算表 6.1.3 扬压力 扬压力计算表见表6-4.计算情况算式大小（kN）力臂 m力矩（kNm）设计浮托力-2226600校核浮托力-2379600设计渗透力-3667.412.83-4970.73校核渗透力-3725.632.83-5139.59表6-4 扬压力计算表6.1.4 水平水压力设计水位下：水平水压力计算表见表6-5.算式大小（kN）力臂（m）力矩（kNm）5978.032.716140.681183.140.6709.88504236.881327.14-0.3-398.14102.78-48.26-3920.4940.8 合计5210.6915226.48表6-5 水平水压力计算表（设计水位）由上得：设计水位下总水平水压力为5210.69N，总力矩为15226.48kNm（1） 校核水位下：水平水压力计算表见表6-6.算式大小（kN）力臂（m）力矩（kNm）6906.382.9320235.691283.220.6769.93549258.031427.22-0.3-428.1206.64-97.12-4536.9-1043.48合计5835.618994.95表6-6 水平水压力计算表(校核水位)由上得：校核水位下总水平水压力为5835.6kN，总力矩为18994.95kNm6.1.5 浪压力1）设计情况： 由于，故为深水波。浪压力分布图如下图6-3图6-3 设计情况下浪压力分布图 2）校核情况： 由于，故为深水波。浪压力分布图如下图6-4图6-4 校核情况下浪压力分布图 6、闸室荷载整合 表6-5 设计水位下荷载汇总表 闸室挡水方向荷载名称正向挡水竖向（kN）水平（kN）力矩（kNm）设计情况自重24614.21399.94水重上游6908 -39721下游756024570浮托力-222660浪压力748.65401.9渗透压力-3667.414970.73水平水压力5210.69 15226.48合计18413.795959.2911848.05表6-6 校核水位下荷载汇总表 闸室挡水方向 荷载名称正向挡水竖向力（kN）水平向（kN）力矩（kNm）校核情况自重24614.2 1399.94 水重上游7444.8 -42807.6下游840027300 浮托力-23796 0.0 浪压力171.921519.2 渗透压力-3725.635139.59 水平水压力5835.618994.95合计18202.376007.5211546.08表6-6 荷载汇总表认为闸室沿底板与地基接触面滑动，抗滑稳定安全系数计算公式为：式中：Kc为闸室底部抗滑稳定安全系数； 铅直方向作用力的总和； 闸底板与地基土之间的摩擦角； 闸底板地面与地面的凝聚力，kN/m2; 闸室极端段地面的面积，m2； 水平方向作用力的总和； 土基上抗滑稳定安全系数的允许值(由规范7.3.13查得)。则由表6-5和表6-6得：设计水位时：；取0.43校核水位时：；取0.44 故抗滑稳定满足要求。6.2地基稳定验算地基应力验算：1）设计水位时：检验：，满足要求。2）校核水位时：检验：，满足要求。3）完建时期：检验：，满足要求。 故地基稳定满足要求。6.3地基承载力验算在竖向对称荷载作用下,可按限制塑性区开展深度的方法计算土质地基允许承载力： 故地基承载力均满足要求。第七章 上下游连接建筑物7.1连接建筑物的作用(1)挡住两岸填土，维持两岸的稳定，不受过闸水流的冲刷；(2)当水闸泄水或引水时，上游翼墙主要用于引导水流平顺进闸，下游翼墙使出闸水流均匀扩散，减少冲刷；(3)控制闸室侧向绕流，防止绕流引起的渗透变形；(4)软弱地基上设岸墙，边墩之间用沉降缝分开，减小两岸地基沉降对闸室应力的影响。7.2.1上游连接建筑物上游翼墙采用圆弧式翼墙，范围从闸室入口处到铺盖最前端。这种布置是从边墩开始，向上游用圆弧形的铅直翼墙与河岸连接，上游圆弧半径为25m。挡土墙采用扶壁式，连接处设垂直止水。为节省工程量，在合适的地方减小挡土墙的尺寸。7.2.2下游连接建筑物下游翼墙采用反翼墙，其扩散角采用10，范围从闸室出口处直到消力池末端，当进入海漫后转弯90插入河岸。转弯半径为5m。挡土墙采用扶壁式，底板厚度为70cm并与消力池护坦同高，连接处设止水。底板的宽度根据挡土高度而定。消力池范围内，,立墙厚0.4m，底板宽度为4m,厚度为0.7m,并与消力池护坦同高。消力池范围外，立墙厚0.4m，底板宽度为4.5m,厚度为0.7m和底板宽度3.76m，厚度0.7m。上下游连接建筑物的形式与布置7.2.3岸墙岸墙采用空箱式扶壁式岸墙。扶壁厚度为0.4m,净距为5m,详见某节制闸设计图。32