函江水利枢纽工程毕业设计.doc

函江水利枢纽工程毕业设计

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2020年5月29日
文档仅供参考
河海大学函授本科

毕 业 设 计 说 明 书

函江水利枢纽工程毕业设计
(泄水闸设计)

班 级:水利水电班
姓 名:X X X
指导老师:王 润 英

目 录
第一章 综合说明………………………………………………………………………………………..3
1.1工程概况…….....………………………………………………………………………………….3
1.2毕业设计成果(泄水闸)......................... ....................................................................................4
第二章 水文.................................. .. ........................................................................................................10
2.1流域概况..........................................................................................................................................10
2.2气象..................................................................................................................................................10
2.3洪水..................................................................................................................................................10
第三章 工程地形、地质
3.1地形地貌..........................................................................................................................................12
3.2闸址地质..........................................................................................................................................12
3.3当地建筑材料..................................................................................................................................12
3.4 地震………………………………………………………………….............................................13
第四章 工程布置及建筑物................................ ....................................................................................14
4.1设计依据..........................................................................................................................................14
4.1.1工程等级及建筑物级别...........................................................................................................14
4.1.2设计依据...................................................................................................................................14
4.1.3设计基本资料...........................................................................................................................15
4.2工程总体布置..................................................................................................................................17
4.2.1船闸的布置...............................................................................................................................17
4.2.2水电站的布置...........................................................................................................................18
4.2.3泄水闸的布置...........................................................................................................................18
4.3主要建筑物(泄水闸)..................................................................................................................18
4.3.1闸孔设计...................................................................................................................................18
4.3.2消能防冲设计...........................................................................................................................22
4.3.3防渗排水设计...........................................................................................................................27
4.3.4闸室的布置...............................................................................................................................31
4.3.5闸室稳定计算...........................................................................................................................36
4.3.6闸室底板结构计算...................................................................................................................40
4.3.7两岸连接建筑物设计...............................................................................................................45
第五章 电机及金属结构
5.1电气.... .. .. ........................................................................................................................................49
5.1.1接入系统方式.................................. . .. . .. .............................................................................49
5.1.2电气主接线..............................................................................................................................14
5.1.3主要电气选择...........................................................................................................................15
工程总体布置..................................................................................................................................17
4.2.1船闸的布置...............................................................................................................................17
4.2.2水电站的布置...........................................................................................................................18
4.2.3泄水闸的布置...........................................................................................................................18
4.3主要建筑物(泄水闸)..................................................................................................................18
4.3.1闸孔设计...................................................................................................................................18
4.3.2消能防冲设计...........................................................................................................................22
4.3.3防渗排水设计...........................................................................................................................27
4.3.4闸室的布置...............................................................................................................................31
4.3.5闸室稳定计算...........................................................................................................................36
4.3.6闸室底板结构计算...................................................................................................................40
4.3.7两岸连接建筑物设计...............................................................................................................45

第一章 综合说明
1.1 工程概况
函江位于中国华东地区。流向自东向西北,全长375km,流域面积176 万km2,是鄱阳湖水系的重要支流,也是长江水系水路运输网的组成部分。
该流域气候温和,水量充沛,水面平缓,含砂量小,对充分开发这一地区的航运具有天然的优越条件。流域内有耕地700多万亩,矿藏资源十分丰富,工矿企业较发达,有国家最大的有色金属冶炼工程铜基地及腹地内的建材轻工。原材料及销售地大部分在长江流域各省、市地区,利用水运的条件十分优越。
流域梯级开发后,将建成一条长340km通航千吨级驳船的航道和另一条长50km通航300吨级驳船的航道,并与长江、淮河水系相互贯通形成一个江河直达的上游水路运输网。同时也为沿江各县市扩大直流灌溉创造有利条件。对促进沿河地区的工农业发展具有重要的作用,社会和经济效益十分显著。
本工程以航运为主体,兼任泄洪、发电、灌溉、供水和适应战备需要的综合开发工程。

1.2 毕业设计成果(泄水闸)
1.2.1枢纽总体布置
根据<水闸设计规范>SL265- 第4.1.6条规定:水闸枢纽中的船闸、泵站或水电站宜靠岸布置,但船闸不宜与泵站或水电站布置在同一岸侧,船闸、泵站或水电站与水闸的相对位置,应能保证满足水闸通畅泄水及各建筑物安全运行的要求。因此,本设计在枢纽布置时,将泄水闸布置在河床中间,船闸布置在左岸,水电站布置在右岸。其中:
泄水闸每孔净宽10m,共35孔,高12m,直升式平板钢闸门控制,闭闸时拦截江流,稳定上游水位,开闸时泄水,排沙防淤。设计流量9540m3/s,校核流量12350m3/s。
船闸1座,闸室有效长度为135m,净宽12m,槛上水深2.5m,闸室顶高程24.0m,底高程10.5m。闸上公路桥设在上闸首的上游端。
水电站厂房宽15m(顺流向),长36.2m。厂房地面高程24.5m,水轮机安装高程10.5m。水电站设计水头3.5m,最高水头7.0m,最大引用流量225m3/s,总装机3×2200KW。站上公路桥设在厂房的上游端。

1.2.2 水闸设计
1、水闸水力设计
1)、堰型、堰顶高程
闸孔采用结构简单、施工方便的无坎平底宽顶堰(平底水闸属无坎宽顶堰)。
拟定闸底板顶高程为13.0m。
2)、水闸总宽度
闸室总宽度:10×35+36×1.6=407.6m。
2、水闸消能防冲设计
1)、消力池
消力池采用钢筋砼结构,深1.45m,消力池长L=20.8m,厚度0.8m。
2)、海漫
海漫长度L=40m,海漫水平段长15m,采用60cm厚钢筋混凝土浇筑,斜坡段长25m,1:10放坡,采用60cm厚浆砌块石砌筑。
3)、防冲槽
防冲槽采用梯形断面,槽深2.5m,槽底宽10m,上游设C20钢筋砼齿槽,厚50cm,下游坡比为1:2.0,单宽体积为37.5m2,冲刷坑采用抛石合金钢网石兜抛石处理。
3、闸室布置
1)、闸室结构
闸室采用开敞式布置,钢筋砼U型结构,闸门选择直升式平板钢闸门,液压启闭,闸上布置净7m交通桥,两侧人行道2×1.0m,总宽9.0m、宽4m工作桥和启闭房,启闭房宽11.0m,底板长度取20m。
底板采用整体式,二孔一分缝,最中间一孔,底板长度为20m,顶高程为13.0m,闸底板厚1.5m 。
闸墩长度采用与底板同长20m,。检修门槽深25cm,宽30m;工作门槽深40cm,宽60cm。闸墩上下游端部均采用半圆形墩头。
闸墩顶高程为25.0m。闸墩厚度受控于闸门槽处最小厚度为50cm,中墩厚度取1.6m,缝墩厚度为2×0.8m,边墩厚度为1.6m。
公路桥布置在闸门上游侧,公路桥载重按汽-20设计,挂100校核,双车道桥面净宽7.0m,两侧人行道1×1.0m,总宽9.0m。公路桥采用T型结构,梁底高程为25.0m,梁高1.0m,梁腹宽 0.2m,梁翼宽1.6m,用5根组梁组成,两侧人行道为悬壁式。
2)、上下游翼墙
上游连接采用扶壁式翼墙,圆弧连接,半径为20m,下游翼墙采用扶壁式八字型翼墙加圆弧型翼墙连接,扩散角为8°,圆弧半径为20m。上游翼墙顶标高为25.0m,下游翼墙顶标高为25.0m。
4、闸基防渗排水设计
由于本工程闸址地基主要由砂砾卵石层组成,为强透水土质,故在采用水平防渗措施的同时还必须采取垂直防渗措施。
铺盖采用C25钢筋砼结构,长20m。铺盖与闸底板之间设水平止水。
在消力池水平段前端与闸底板连接处设置水平止水;消力池末端依次铺设碎石垫层和无纺土工布反滤,排水孔孔径15cm,间距1.5m,呈梅花形布置,顺水流方向长度为7.5m。
5、闸门及启闭机设计
1)、闸门
根据门顶高程及闸底标高,确定平面钢闸门高为7m,闸门净宽10m,毛宽10.6m。
2)、启闭机
启闭机型号:QPQ2×300
6、闸室稳定计算
1)、闸室整体稳定
水闸整体稳定分别对完建期、正常运用期及非常运用期三种工况进行闸室的偏心距、基底应力、基底应力的不均匀系数及沿闸室底面的抗滑稳定系数计算,均满足规范要求。
2)、闸室沉降计算
经分析,本次不必计算闸室的沉降量。
7、闸底板配筋
经计算,面、底层钢筋均按Φ25@200配置。
8、两岸连接建筑物设计
采用扶壁式挡土墙,上游翼墙顶高程25.00m,底高程12.00m。下游翼墙顶高程25.00m,底高程10.55～12.00m。上游挡墙高13.0m,挡墙壁厚1.0m,墙身垂直,墙身高12m,墙底板厚1.0m。下游挡墙高13～14.45m,挡墙壁厚1.0m,墙身高度12～13.45m,底板厚度1.0 m。翼墙两侧设置1.0×1.0m腋角,两侧悬挑4m,底板总宽11m。上游翼墙长30m,下游翼墙长36.8m。翼墙采用C25钢筋砼浇筑。
上游护坡,顶高程为25.0m,底高程13.0m,采用坡比为1:3,40cm厚浆砌块石护坡。
下游护坡,顶高程为25.0m,底高程13.0m,采用坡比为1:3,40cm厚浆砌块石护坡。

9、水闸特性表
综上所述,水闸特性表如下:

水闸特性表
基
础
资
料
设计依据
工程级别
Ⅲ等工程
建筑物级别
主要建筑物3级
次要建筑物4级
临时建筑物5级
设计洪水
P=2%
校核洪水
P=0.33%
水文条件
正常水位
19.00
灌溉水位
19.50
设计流量
9540m3/s
设计洪水位
23.40m
校核流量
12350m3/s
校核水位
23.80m
主
要
建
筑
物
水闸闸室
净宽
10×35m
总宽
407.6m
闸底板
长20m,厚1.5m
闸室底高程
13.0
闸室顶高程
25.0
闸墩
中墩厚1.6m
缝墩厚2×0.8m
边墩厚1.6m
顶高程为25.0
工作桥
4.5m
交通桥
7m+1×2m
闸门板
钢,净宽10m,高7m
上下游
连接段
上游护底
厚60cm,L=10m
铺盖
厚60cm,L=20m
消力池
d=1.45m,L=15m
海漫
厚60cm,L=40m
防冲槽
深2.5m,底宽10m
上游翼墙
圆弧连接,顶高25.0m
下游翼墙
八字型,顶高25.0m
上游护坡
底高13.0m,顶高25.0m
下游护坡
底高13.0m,顶高25.0m

第二章 水文
2.1 流域概况
函江位于中国华东地区。流向自东向西北,全长375km,流域面积176 万km2,是鄱阳湖水系的重要支流,也是长江水系水路运输网的组成部分。该流域气候温和,水量充沛,水面平缓,含砂量小。
流域内有耕地700多万亩,矿藏资源十分丰富,工矿企业较发达,有国家最大的有色金属冶炼工程铜基地及腹地内的建材轻工。原材料及销售地大部分在长江流域各省、市地区,利用水运的条件十分优越。
2.2 气象
本区位于北纬25°~30°之间,属亚热带季风气候区,温暖湿润,四季分明,雨水充沛。热量资源丰富,年平均气温介于13℃~20℃之间,1月平均温普遍在0℃以上,7月平均温一般为25℃左右,冬夏风向有明显变化,年降水量一般在1000毫米以上,主要集中在夏季,冬季较少。洪水期多年平均最大风速为20.7m/s。
2.3 洪水
根据<毕业设计任务书>提供的水文资料,函江50年一遇洪峰流量为9540 m3/s,各设计频率洪水流量及相应坝下水位见表2-1。

洪峰流量及相应坝下水位表
表2-1
设计频率(%)
0.33
2
20
洪峰流量Q(m3/s)
12350
9540
5730
坝下水位H下(m)
23.80
23.40
22.25

水位流量关系曲线见表2-2。
水位～流量关系
表2-2
水位(m)
流量(m3/s)
水位(m)
流量(m3/s)
14
50
20
3200
15
300
21
4140
16
650
22
5340
17
1200
23
7700
18
1800
24
13800
19
2480

第三章 工程地形、地质
3.1 地形地貌
闸址左岸与一座山头相接,山体顺水流方向长700米,垂直水流方向长 米,山顶主峰标高110米,靠岸边山顶标高65米;山体周围是河漫滩冲击平原,滩面标高18.5～20.0米;沿河两岸筑有防洪大堤,堤顶宽4米,堤顶标高24.5米;闸址处河宽700米,主河槽宽500米,深泓区偏右,河床底标高13.0～13.0米,右岸滩地标高18.5米。
3.2 闸址地质
根据<毕业设计任务书>提供的工程地质勘察报告,本工程场区地基以砂砾卵石层为主,表层为中细砂层,层厚2～5米,左厚右薄并逐渐消失;河床中层主要是砂砾卵石层,卵石含量30%～50%,粒径2～13厘米,层厚10～20米,属于强透水层,渗透系数K=1.84×10-1～5×10-2(cm/s),允许坡降J=0.15～0.25;河床底层为基岩,埋深标高从左标高10米向右标高15米以下,其岩性为上古生界二迭长兴阶灰岩及硅质岩。水闸的防渗处理应重点考虑。
河床土质资料如下:
中砂:Dr＝0.6,E0=310kg/cm2,N63.5=20;
砂砾石:Dr＝0.66,E0=360kg/cm2;
3.3 当地建筑材料
块石料:在闸址左岸的山头上有符合质量要求的块石料场,其储量50万立方米,平均运距1.0公里。
砂砾料:闸址上、下游均有宽阔的冲积台地,有大量的砂、砾料,可满足混凝土的粗、细骨料之用,运距3～5公里,且水运极为便利。
土料:闸址上游约2公里有刘家、八圩土料场,储量丰富,符合均质土坝质量要求,还有可作为土坝防渗体的粘性土,其质地良好。
3.4 地震
根据<中国地震参数区划图>(GB18306- ),参照工程区地震动峰值加速度分区与地震基本烈度对照表,相应本地区的地震基本烈度为6度。

第四章 工程布置及建筑物
4.1 设计依据
4.1.1设计依据的标准、规范
(1)<水利工程初步设计报告编制规程>(DL5021-93);
(2)<防洪标准>(GB50286-94);
(3)<水闸设计规范>(SL265- );
(4)<水工建筑物荷载设计规范>(DL5077-1997);
(5)<水工建筑物抗震设计规范>(DL5073-1997);
(6)<水工钢筋混凝土结构设计规范>(SL/T191-96);
(7)<建筑地基基础设计规范>(GB50007- );
(8)<堤防工程设计规范>(GB50286-98);
(9)<城市防洪工程设计规范>(CJJ50-92);
(10)<水利水电工程等级划分及洪水标准>(SL252- );
(14)相关法律、法规及有关规范。
4.1.2 设计依据
函江枢纽的主要建筑物有船闸、泄水闸和水电站三部分组成。船闸的通航能力,按照五级航道标准进行设计。水电站总装机为6600Kw,设计水头为3.5m,水闸的泄洪能力为13000m3/s。
根据<毕业设计任务书>,本工程为三等工程,主要建筑物按3级建筑物设计,次要建筑物按4级建筑物设计。　
根据<毕业设计任务书>,泄水闸的设计洪水标准为50年一遇,校核洪水标准为3 一遇,最大通航洪水标准为5年一遇。
设计依据:1、函江枢纽毕业设计任务书;
2、<水闸设计规范>(SL265─ );
3、<水力计算手册>(武汉水利电力学院水力学教研室编)
4、<水工设计手册>第6册过坝与泄水建筑物;
5、<水工钢筋混凝土设计手册>1999年;
6、<水利水电钢闸门设计规范>DL/T 5039-95;
7、<水利水电工程初步设计报告编制规程>(DL5021-93)

4.1.3 设计基本资料
一、水位
正常蓄水位:19.0m
灌溉水位:19.5m
设计洪水Q2%=9540m3/s,相应闸下水位H下=23.4m
校核洪水Q0.33%=9540m3/s,相应闸下水位H下=23.8m
二、计算水位组合
1、闸孔净宽计算水位
设计洪水Q2%=9540m3/s,相应闸下水位H下=23.4m;
设计水位差△H＝0.25m(H上＝23.65m);
校核洪水Q0.33%=9540m3/s,相应闸下水位H下=23.8m;
计算闸上雍高水位H上(供墩顶高程用);
2、消能计算水位
闸上水位H上＝19.5m;
闸下水位H下＝14.5m;
下泄流量:以闸门开启度e＝0.5m、e＝1.0m以及全开时的泄量。
3、闸室稳定计算水位(关门)
闸上设计水位H上＝19.5m,H下＝14.5m;
闸上校核水位H上＝20.0m,H下＝14.5m;
三、地震设防烈度
本地区地震基本烈度为Ⅵ度,不考虑地震设防。
四、安全系数
1、安全超高
　水闸为3级混凝土建筑物,根据<水闸设计规范>(SL 265─ )安全超高下限值:
泄洪时 0.7m(设计洪水位),0.5m(校核洪水位);
关门时 0.4m(设计洪水位),0.3m(校核洪水位)。
2、抗滑稳定安全系数
土基上的3级混凝土建筑物,基本组合(设计)为1.25;特殊组合(核校)为1.1。
五、其它资料
1、单孔净宽:8～12m;
2、门型结构:平面钢闸门;
3、闸门类型:直升门;
4、底板与中砂的摩擦系数f＝0.4;
5、闸孔的允许单宽流量q＝30m3/s/m;
六、公路桥
公路桥载重按汽-20设计,挂-100校核,双车道桥面净宽7.0m,两侧人行道2×1.0m,总宽9.0m,采用T型结构。梁高1.0m,梁腹宽0.2m,梁翼宽1.60m,用5根组梁组成,两侧人行道为悬臂式,每米延长重量按8T/m计。
4.2 工程总体布置
函江枢纽的主要建筑物有船闸、泄水闸和水电站三部分组成。船闸的通航能力,按照五级航道标准进行设计。水电站总装机为6600Kw,设计水头为3.5m,水闸的泄洪能力为13000m3/s。根据设计任务书提供的地形地质资料,以及功能要求,枢纽总体布置如下:
4.2.1 船闸的布置
船闸的通航能力,按照五级航道标准进行设计。
船闸布置在函江的左岸,船闸本身由三部分组成:上游引航道、闸室和下游引航道。
上游引航道:长度不小于5倍设计船队的长度,根据经验五级航道标准的设计船队的长度为91m,故上游引航道的长度为455m,设计时取为500m;上游引航道的底宽度为35m,两岸采用浆砌石护坡,边坡采用1:2.5;上游引航道的底高程为15.0m。
下游引航道:长度不小于5倍设计船队的长度,根据经验五级航道标准的设计船队的长度为91m,故下游引航道的长度为455m,设计时取为600m;下游引航道的底宽度为35m,两岸采用浆砌石护坡,边坡采用1:2.5;下游引航道的底高程为11.0m。
闸室:闸室的长度为135m,宽度为12.0m;闸室的顶高程为24.0m,底高程为10.50m。上下闸首控制船只的进出。
4.2.2 水电站的布置
考虑河床的主槽比较靠近右岸,上下游不容易发生淤积,为最大的可能提高水电站的出力,发挥水电站的效益,将水电站布置在函江的右岸。
水电站的厂房的平面尺寸:主厂房的长度为48.0米,上下游方向的宽度为36.20米,主厂房总高度为32.0米。
水轮机的型号为:GE(F02)-WP-380
发电机的型号为:SFG200-70/3960
总装机:3×2200KW
设计水头:3.5m
最高水头:7.0m
最小水头:2.0m
最大引用流量225m3/s。
4.2.3 泄水闸的布置
泄水闸布置在水电站和船闸之间。
泄水闸主要有三部分组成:上游连接段、闸室段和下游连接段。
4.3 主要建筑物(泄水闸)
4.3.1闸孔设计
水闸闸孔设计主要是确定闸孔型式、尺寸河设置高程,以保证水闸在设计水位组合情况下有足够的过流能力。
一、堰型和堰顶高程确定
根据设计任务书提供的资料显示,函江流域水面平缓,含砂量少,本水闸的主要功能为挡水灌溉和泄水,故本次设计采用堰流式闸室,堰型采用无槛宽顶堰。这种型式闸室对于泄洪较为有利,它能使闸前漂浮物随着水流下泄,而不会阻塞闸孔而影响泄洪。
根据资料提供的地形图,考虑水闸的运行、河道冲刷淤积以及闸孔允许单宽流量和工程造价等因素,本次设计取堰顶高程与河床底高程齐平为13.0m。
二、闸孔净宽计算、泄流能力校核
1、水位
Q2%＝9540m3/s,H上＝23.65m,H下＝23.40m;
Q0.33%＝12350m3/s,H上＝待算,H下＝23.80m;
2、闸孔净宽计算
闸孔总净宽的确定,主要涉及两个问题:一个是过闸单宽流量的大小;另一个是闸室总宽度与河道总宽度的关系。如果采用的闸孔总净宽过小,使过闸单宽流量过大,将增加闸下游消能布置的困难,甚至影响水闸工程的安全;反之,如果采用的闸孔总净宽过大,使过闸单宽流量过小,工程量加大,造成浪费。
根据设计任务要求,闸孔允许单宽流量不大于30m3/s,初步拟定闸孔总净宽为0.7倍主河槽宽为350m,闸孔分成35孔,每孔宽10m,中墩厚1.6m,缝墩厚0.8m。
水闸底板为无槛宽顶堰,闸孔泄流能力计算公式如下:
(<水闸设计规范>以下简称<规范>附A)
式中:
Q——过闸流量(m3/s);
σ——淹没系数,根据上下游的堰上水深查得;
ε——侧收缩系数;
m——流量系数;
B0——闸孔总净宽(m);
H0——堰顶以上上游总水头(m)。
①堰上总水头H0
H1(上游水头)=23.65－13.00=10.65m
Hs(下游水头)=23.40－13.00=10.40m
行近流速V0=Q/A=9540/[700×(23.65－13.00)]＝1.28m/s
H0=H1+V2/2g=10.65+1.282/(2×9.81)=10.73m
②淹没系数σ
hs/H0=10.4/10.73=0.969
查<规范>附表A.0.1-2,
得σ＝0.556;
③流量系数m
按P/H0=0查表得m＝0.385;
④侧收缩系数ε
水闸中墩厚度取为1.6m,缝墩取0.8m,根据<规范>附录A.0.1-3公式
计算得ε=0.860
根据以上公式能够试算出闸孔总净宽
=9540/(0.556×0.860×0.385×4.429×10.733/2)=333m
一般来说,采用的闸孔总净宽要略大于计算值,本次设计闸孔总净宽取350m,相应单宽流量为27.26m3/s/m,小于闸孔允许单宽流量30 m3/s/m,满足要求。
但校核工况下,水闸单宽流量为35.28m3/s/m,大于闸孔允许单宽流量[q]=30m3/s/m,若本次设计水闸总净宽以校核工况下经过闸室的单宽流量为控制,水闸规模将偏大,工程量加大,与消能工造价比较而言,会造成浪费。校核工况稍大于允许单宽流量,可能会出现局部破坏,但只要工程消能防冲设施得当,个人认为是能满足工程安全运行要求。
因此,经综合考虑本次设计水闸总净宽取350m,闸孔总数为35孔,单孔净宽为10m。根据规范的要求,中墩厚取1.6m,缝墩厚取0.8m。因此水闸总宽度为:B=350+36×1.6=407.6m
3、校核工况上游水位
根据水闸泄流能力计算公式,能够试算出校核情况下的上游水位。
设△H＝0.3m,则H上＝23.80+0.3＝24.1m;
hs=23.80－13.00=10.80m;
行近流速V0=Q/A=12350/[700×(24.10－13.00)]＝1.59m/s;
H0=H+V2/2g=(24.1－13.0)+1.592/(2×9.81)=11.23m;
hs/H0=10.80/11.23=0.9617,查<规范>附表A.0.1-2得σ＝0.600;
按P/H0=0查表2.1得m＝0.385;
ε＝0.860;
Q试＝Bσεm(2g)0.5·H3/2
=350×0.600×0.860×0.385×(2×9.81)0.5×11.233/2
=11589m3/s< Q