圆筒式放水塔及涵洞结构计算书.doc

一、溢洪道加固设计
溢洪道位于大坝右侧，为开敞式宽顶堰溢洪道。
根据安全评价报告及其结论:
溢洪道浆砌石外包砼结构边墙，两侧浆砌石衬砌开裂、老化严重，底板冲刷破坏有裂缝，裂缝宽为2cm；溢洪道尾部出现冲刷坑。经本次水文分析计算，溢洪道泄洪不满足规定。
基于溢洪道存在上述的问题，需要对溢洪道进行除险加固解决。
5.5.1溢洪道除险加固设计
溢洪道位于大坝右侧， 堰顶高程为102.87m，堰顶宽度为20.0m。溢洪道原浆砌石老化严重，底板冲刷破坏有裂缝，尾部出现冲刷坑，且泄洪能力不满足规定。本次初步设计，拟加固溢洪道左岸浆砌石边墙及底板，拆除右岸浆砌石边墙，加宽溢洪道5m,以致其由本来净宽20m增至25m；并加固溢洪道连接段底板。
5.5.2基本资料
堰顶高程：H=101.87m;
正常水位：h正=101.87m;
设计水位：h设=103.23m;
洪峰流量：h（P=2％）=96.90m3/s;
最大泄量：Q设=77.52m3/s;
校核水位：h校=103.79m;
洪峰流量：h（P=0.2％）=133.40m3/s;
最大泄量：Q校= 112.73m3/s。
5.5.3水面曲线计算及边墙高度拟定
1、水面曲线计算
本次初步设计，溢洪道分为二段泄水槽计算。第一段泄水槽长度L1=18.50m,进口段水深h1=103.79-101.87=1.92m,槽底宽度B=25.0m,坡比I=（101.87-99.57）/18.50=0.124；第二段水深h2=h1末，泄水槽长度L1=3.70m,宽度均为B=25.0m,坡比I=（99.57-97.14）/3.70=0.657。计算公式采用成都科技大学编写的《水力学》为：
ΔS=(E2-E1)/(I-J)
式中：Es1=h0+u12/2g
Es2=h1+u22/2g
J=(J1+J2)/2
J=u2/C2R
C=R1/6/n
A=b.h
X=b+2h
R=A/X
ΔS---计算流段长度（m）,
E---断面比能（m）,
J—水力坡度，
U—断面平均流速（m/s）,
A---过水断面面积（m2）,
b---断面水面宽度（m）,
X---湿周（m）,
R---水力半径（m）,
C---谢才系数，
n—泄水槽粗糙系数，浆砌石水泥砂浆抹面取n=0.017。
计算结果如表5.5-1、表5.5-2和表5.5-3。
表5.5-1 第一段水面线计算成果表（坡降i=0.124,段长Li=18.5m）
计算断面
计算水深（m）
过水断面面积 （m²）
流 速（m/s）
距始端距离（m）
1
1.92
48.00
2.35
0.00
2
0.75
18.72
6.02
4.63
3
0.66
16.56
6.81
9.25
4
0.61
15.18
7.43
13.88
5
0.57
14.42
7.94
18.50

第一段泄水槽： 正常水位：h0=0.406m; 临界水深：hk=1.275m;
临界坡度：Ik=0.0030； 因h0 <hk , 属于急流

表5.5-2 第二段水面线计算成果表（坡降i=0.657,段长Li=3.70m）
计算断面
计算水深（m）
过水断面面积 （m²）
流 速（m/s）
距始端距离（m）
1
0.57
14.25
7.91
0.00
2
0.53
13.16
8.57
0.93
3
0.49
12.31
9.16
1.85
4
0.47
11.63
9.70
2.78
5
0.44
11.06
10.19
3.70

第二段泄水槽： 正常水位：h0=0.245m; 临界水深：hk=1.275m;
临界坡度：Ik=0.0030； 因h0＜hk , 属于急流。
2、边墙高度的拟定
H=hc+a
式中：H--边墙高度(m),
Hc--校核工况水深（m）,
安全超高（m）,取a=0.5m。
5.5.4 消能计算
原溢洪道为矩形泄水槽，平均宽度b=14.00m。无消力池长度和海漫长度设施。本次消能计算采用《水力学》公式为：
E0=hc+Q2/2gψ2Ak2
式中：E---断面比能（m）,
hc--边墙高度(m),
ψ—流量系数，取0.90，
Ak—临界水深过水断面面积（m2）。
计算结果如表5.5-3。
表5.5-3 消能计算成果表
单宽流量
（m³/s.m）
堰顶水深 ht(m)
跃前水深hc(m)
跃后水深
hc"(m)
消力池水 深 T(m)
消力池长度Lk(m)
备注
4.509
1.92
0.448
2.63
0.50
11.30

经采用计算机《理正消能工水力计算》软件计算， 消力池水跃长度为L=11.30m,出口断面落差0.45m。因此，消力池设计长度采用Lk=11.50m,深度d=0.50m,满足设计规定。
5.5.5 溢洪道加固设计
(1)基本资料
土的内摩擦角（水上）：Φ上=25°；
土的内摩擦角（水下）：Φ下=18°；
土的湿容重： γs=18KN/m³；
土的浮容重： γf=10KN/m³；
浆砌石容重： γj=21KN/m³；
墙后水位： H=1.00m；
地基与墙基摩擦系数： f=0.5。
（2）挡土墙结构设计
本次设计挡土墙结构、消力池结构如图苏六-初设-溢洪道（1）。
（3）稳定计算方法和工况
挡墙稳定分析按重力式挡土墙验算，计算工况为溢洪道挡土墙最不利及正常运营情形，即溢洪道泄槽无泄洪（墙前无水）及泄洪（墙前处在校核水位）的工况。
a．抗滑稳定计算

式中:——基底抗滑稳定安全系数；
——基底面与地基接触面的抗剪断摩擦系数，f=0.50；
∑G——作用于挡墙上的所有竖向荷载（涉及挡墙基础底面上的扬压力，kN）；
∑H——作用于挡墙上的所有横向荷载（kN）；
b.抗倾稳定计算

式中:Kf —闸室抗浮稳定安全系数；
—作用于墙体的荷载对墙前趾产生的稳定力矩；
—作用于墙体的荷载对墙前趾产生的倾覆力矩；
K。—抗倾覆稳定完全系数。
c．基底应力验算

式中:Pmax/min——翼墙基底应力的最大值或最小值（kPa）；
∑G ——作用于翼墙上的所有竖向荷载（涉及基础底面上的扬压力，kN）；
A——翼墙基底面的面积（m2）；
——作用于翼墙上的所有竖向和水平向荷载对于基础
底面形心轴的力矩（kN·m）；
W——边墙基底面对于该底面形心轴的截面矩（m3）
（4）计算结果和分析
溢洪道控制段边墙稳定、应力计算成果详见表5.5-4及表5.5-5。
表5.5-4 第一段溢洪道边墙（墙高H=2.2 m）稳定计算成果表
计算内容
计算工况
计算值
允许值
计算结果判断
抗滑稳定安全系数Kc
无泄洪
1.23
1.05
满足规范规定
泄洪
1.52
1.05
满足规范规定
抗倾覆安全系数Ko
无泄洪
2.43
1.4
满足规范规定
泄洪
1.72
1.4
满足规范规定
地基应力
无泄洪
88.14
[σ]=250kpa
满足规范规定
泄洪
75.87
[σ]=250kpa
满足规范规定
计算结果表白，溢洪道边墙稳定，不会产生墙体沿基底滑动破坏和墙体倾覆，基底应力满足规范规定。
表5.5-5 第二段溢洪道边墙（墙高H=1.00m）稳定计算成果表
计算内容
计算工况
计算值
允许值
计算结果判断
抗滑稳定安全系数Kc
无泄洪
1.38
1.05
满足规范规定
泄洪
2.57
1.05
满足规范规定
抗倾覆安全系数Ko
无泄洪
2.74
1.4
满足规范规定
泄洪
2.16
1.4
满足规范规定
地基应力
无泄洪
35.90
[σ]=250kpa
满足规范规定
泄洪
26.76
[σ]=250kpa
满足规范规定
计算结果表白，溢洪道边墙稳定，不会产生墙体沿基底滑动破坏和墙体倾覆，基底应力满足规范规定。
二 放水塔设计

原放水设施为无压输水涵洞及筒塔式结构。由于建筑材料年久老化，所有砌体砂浆脱落，部分斜管局部出现有裂缝，漏水严重；穿坝平管有掏空现象。此外，根据地形和当时施工条件限制，输水涵管断面尺寸仅为Ф=0.5m,无法进人检修；梯级放水台阶高度不一。汛期输水灌溉，较难操作，且导致生命危险。
本水库四周围绕村庄，且在大坝左岸大片山头进行了生态农业开发--果树种植承包。本次初步设计，拟废弃原输水涵管，新建输水隧洞和圆筒式放水塔。
一、基本资料
（1）、各种特性水位
根据水文核算，各水库各种特性水位如下：
正常设计流量： Q正= m³/s;
正常设计水位： H正= m;
设计 洪水 位： H设= m;
校核 洪 水位： H校= m;
死 水 位： H死= m;
最大引水流量： Q引= m³/s。
（2）、地质情况
放水塔地基为强风化粉砂岩，裂隙较发育，透水性中档。
二、结构形式
放水塔采用钢筋混凝圆筒式结构，筒高 m,采用一级放水。设有检修闸一扇、工作闸各一扇，均为钢闸门，尺寸均为(b×h)=1.0×1.4m。塔身为圆筒式结构，壁厚高程 m以上为30cm,筒顶高程 m。筒顶以上为圆筒式砖混结构启闭平台，高程为 m,层高3.00m。放水塔之后与放水隧洞相连。
三、启闭机型号的选择
1、闸门自重的估算
G（查商家材料表）
2、启门力的计算
计算公式：FQ=Nt(Tzd+Tzs+W)+ng.G
式中：FQ---启门力（kN）;
Nt---摩阻力安全系数，取1.2；
ng---闸门自重修正系数，取1.1；
Tzd---支承摩阻力（kN）;
Tzs---止水摩阻力（kN）;
W—门顶上水柱重（kN）;
G—闸门自重（kN）。
3、支承摩阻力的计算
计算公式： Tzd=P(Υf+fo)/R
式中：水的容重 γ=10kN/m3;
总水压力 P=γ(H-0.5h)hB ;
轴轮半径 Υ=3.25cm;
液轮半径 R=20cm;
钢与钢的滑摩系数 f=0.4；
液摩系数 fo=0.1cm。
4、水柱自重的计算
W=γ(H-h)δB 。
5、止水摩阻力的计算
计算公式：Tzs=γb1.H.Ls.f
式中：止水橡皮与闸槽面的接触宽度 b1=0.02m;
作用水头 H=H-h/2(m)
止水橡皮与闸槽面的摩擦系数 f=0.65；
止水橡皮与闸槽的接触长度 Ls=4.00m。
则，止水摩阻力为：Tzs=γb1.H.Ls.f (kN)。
6、启门力的计算
启门力（FQ）为：
FQ=Nt(Tzd+Tzs+W)+ng.G

7、闭门力的计算
采用公式：
Fw=nt（Tzd+Tzs）-ngG
式中：Fw—闭门力（kN）;
ng—闭门时，闸门修正系数，取0.9；
其余符号意义同上。
考虑到闸门上的水柱及拉杆重量，不须加重闸门，即可自行关闭。
所以，选用启闭机型号为LQ—10型。
四、进水能力的计算
放水塔进水能力通过流量为0.5m³/s。现以进水闸启动度1/2的计算过水能力。
1、过水能力计算
采用大孔口自由岀流公式计算： Q=2μb√2g(H21.5-H11.5)/3
式中：μ—流量系数，取0.65；
b—孔口宽度，取b=0.80m;
H1—正常水位至闸门启动高度，H1=101.87-98.0-0.7=3.17m;
H2--正常水位至闸门底高度，H2=3.87m。

五、通气孔的断面设计
为了减少闸门的启闭力，拟在放水塔的工作闸门后设立通气孔。通气孔的断面设计，按天津大学主编的《水工建筑物》公式（2-62）进行计算。
即，Qa=0.09VwA
a> Qa /Va
式中：Qa—通气孔的通气量；
Vw—闸门孔口的水流速（m/s）;
A--闸门后隧道面积（m²）;
Va—通气的允许风速，采用2.0m/s;
a---通气孔的断面积（m²）。

拟采用圆形断面通气孔，通气孔直径（D）为：
D= √4a/π (m)
因此，拟定选用1孔直径D=10cm。
六、 结构稳定计算
本次设计为初步设计，因此仅对检修时期和运用时期进行稳定计算。
（1）、检修时期稳定计算
计算情况：采用正常水位闸室无水，放水塔外为正常水位进行计算。计算公式为：
σmax=∑G/F+My.yc/Ix
σmin=∑G/F-My.yc/Ix
式中：σmax---最大地基应力（mpa）;
σmin---最小地基应力（mpa）;
∑G---垂直荷载总和（KN）;
F—底板面积（m²）;
My---合力重新到形心产生的弯矩（kN.m）;
yc---底板形心到底板上下游边沿的距离（m）;
Ix----底板惯性矩（m4）。
经计算，正常水位闸室无水，放水塔外为正常水位的情形，其计算结果为：
底板面积：F=（D/2）²π(m²);
底板惯性矩：Ix=πD4/64（m4 ）.
垂直荷载：∑G=(kN);
以形心为距的弯矩：My=(kN.m);
合力偏心距：e=∑Mi/∑Gi ;
合力与底板上游边沿的距离：y上= h/2-e（m）;
合力与底板下游边沿的距离：y下= h/2+e（m）;
则，σmax= ∑G/A+y上∑M/Ix
σmin= ∑G/A+y下∑M/Ix
由此可见，放水塔四周均受水压力的作用，水压力互相抵消，故不存在抗滑稳定的问题。再且，上部垂直重量大于浮托力∑G= (kN)，因此，也不会发生放水塔浮起来。
（2）、运用时期稳定计算
计算情况：采用校核水位，放水塔闸室充满水进行计算。计算结果为：
垂直荷载：∑G=(kN);
以形心为距的弯矩：My=(kN.m);
合力偏心距：e=∑Mi/∑Gi ;
合力与底板上游边沿的距离：y上= h/2-e ;
合力与底板下游边沿的距离：y下= h/2+e 。
则，σmax= ∑G/A+y上∑M/Ix
σmin= ∑G/A+y下∑M/Ix
由此可见，放水塔四周均受水压力的作用，水压力互相抵消，故不存在抗滑稳定的问题。此外，上部垂直重量G= (kN) ，因此，也不会发生放水塔浮起来。
三、隧洞设计
5.7.1隧洞布置
隧洞重要任务是引水灌溉，引水流量Q=0.10m³/s，布置位于大坝的右坝肩。为了减少隧洞长度，隧洞中心线尽也许采用直线，进口与放水塔连接，出口与灌溉渠道连接。总长度50m,坡降i=2%,进水口底板高程为98.00m,出水口高程为97.00m。
5.7.2 断面设计
隧洞采用圆形洞顶及矩形洞身断面，钢筋混凝土衬砌的无压箱涵结构。为便于施工及检修，拟定隧洞圆形洞顶半径R=0.6m, 矩形洞身净宽度为B=1.20m,净高度为h=1.0m, 衬砌平均厚度为D=0.25m。
（1）、隧洞过水能力计算
本次设计隧洞过水能力计算，采用高等教育出版社，大连理工大学水力教研室编《水力学解题指导及习题集》，小孔口自由出流计算公式计算。
公式 Q=μA√2gH0
式中：μ—孔口的流量系数，取μ=0.60，
A---孔口断面面积（m²）,
H0—作用水头（m）,取H0=0.5m(相应放水流量)，则
Q=0.6×0.5×1.2×√2g×0.25=1.22m³/s 满足设计规定。
（2）、隧洞尺寸拟定
经计算，隧洞采用圆形洞顶及矩形洞身断面，洞顶半径R=0.6m, 洞身宽度B=1.20m,高度h=1.0m。
5.7.3 结构计算
（1）、基本资料
混凝土衬砌厚度 D=0.25m,
隧洞长度 L=50.0m,
过水控制流量 Q=0.50m³/s,
最大作用水头 H=5.79m,
工程等别 Ⅳ（小（1）型），
混凝土强度设计值 C15,
钢筋强度设计值 Ⅱ，
混凝土弹性模量 Ec=2.2×105Pa,
钢筋弹性模量 Es=2.0×105Pa,
钢筋保护层 a=30mm,
受力钢筋直径 D=12mnm,
洞顶土厚 h=5.8m。
（2）、计算公式
计算公式采用水利电力出版社《涵洞》及高等教育出版社，大连理工大学、天津大学编《结构力学》的力法典型方程进行计算。
计算公式： X1+δ11+ᅀ1p=0
X2+δ22+ᅀ2p=0
X3+δ33+ᅀ3p=0
式中：X1、X2、 X3---拱顶在弯矩、轴力、剪力作用下的未知力，
δ11、δ22、δ33---拱顶在弯矩、轴力、剪力作用下的位移系数，
ᅀ1p、ᅀ2p、ᅀ3p---拱顶在弯矩、轴力、剪力作用下的位移。
（3）、计算结果
拱顶、拱侧、底板各种内力计算如表5-5-1。
5.7.4 应力计算
计算公式：σmax=ΣN/A+ΣM/W
σmin=ΣN/A-ΣM/W

表5.7-1 拱顶、拱侧、底板内力及应力计算成果表

拱 的
部 位
弯矩M
（10KN.m）
轴力N
(10KN)
剪力Q
(10KN)
最 大
弯 矩
Mmax
最 小
弯矩Mmin
最 大
轴 力
Nmax
最 小
轴 力
Nmi
最大
剪力
Qmax
最小
剪力
Qmin
拱顶
3.72
0.60
-3.61
3.56
-4.55
-1.11
拱侧
-2.86
0.06
-4.21
-3.61
-3.62
-3.41
底板
-2.86
-1.69
-3.62
-3.62
4.21
0.40

上式中：σmaxσmin---分别为最大应力、最小应力（10kN/m²）,
ΣN---轴力的代数和（10KN）,
A---拱计算截面面积（m²）,取A=0.25( m²),
W---拱计算截面抵抗矩（m³）,取W=0.01（m³）。
计算结果如表5.7-1。