水工建筑物课程设计某拦河闸设计.doc
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1、目 录前 言1第一章工程基本资料21.1 工程概况21.2 工程地质条件21.3 工程地形条件31.4 工程土的物理力学性质指标31.5 工程材料31.6 工程水文气象条件41.7 批准的规划成果41.8 施工条件5第二章 闸孔设计62.1 闸址的选择62.2 闸型确定62.3拟定闸孔尺寸及闸墩厚度62.3.1 拦河闸宽顶堰出流情况判断72.3.2 闸门总净宽计算82.3.3 闸孔尺寸设计和布置92.4 校核泄洪能力93.1消力池池长估算113.2 消力池尺寸及构造计算143.2.1 消力池深度计算143.2.2 消力池池长计算153.2.3 消力池的构造153.3 海漫设计163.3.1 海
2、漫长度计算163.3.2 海漫构造173.4 防冲槽设计173.5 上、下游岸坡防护设计18第四章 闸底地下轮廓线的布置194.1 防渗设计的目的194.2 布置原则194.3 地下轮廓线布置194.3.1 闸基防渗长度的确定。194.3.2 防渗设备设计194.3.3 防渗设备尺寸和构造。204.3.4 校核地下轮廓线的长度204.4 排水设备的细部构造214.4.1 排水设备的作用214.4.2 排水设备的设计214.4.3 止水设计22第五章 防渗计算245.1 渗流计算的目的245.2 计算方法245.3 计算渗透压力245.3.1 地基有效深度的计算245.3.2 分段阻力系数的计算
3、245.3.3 计算各角点的渗透压力值。275.3.4验算渗流逸出坡降27第六章 闸室结构布置286.1 底板和闸墩设计286.1.1 闸底板的设计286.1.2 闸墩设计286.2 闸门与启闭机设置306.3 上部结构设计326.3.1 工作桥设计326.3.2交通桥设计336.3.3 检修桥设计336.4 闸室的分缝与止水34第七章 闸室稳定计算357.1 设计情况及荷载组合357.2 完建元无水期荷载计算及地基承载力验算357.2.1 完建无水期荷载计算367.2.2 地基承载力验算377.3 正常挡水期地基承载力验算387.3.1 正常挡水期闸室荷载计算387.3.2 地基承载力验算3
4、97.4 闸室抗滑稳定计算40参考文献:41前 言 为了能更好的理解水工建筑物的基本原理,掌握水工建筑物设计的基本方法,了解经济评价的的基本依据和课程要求,灵活运用本课程所学的方法。本书某拦河闸设计为例,在给出工程的基本资料的基础上运用课程所学知识通过课程设计进行完整的设计计算,以锻炼自己学识知识、分析问题、解决问题的能力,为以后开展实际工程项目的功臣设计工作打下基础。本书所有表格皆自己设计,都是为了计算方便。如有什么不妥之处还望老师指点,感谢潘起来老师在设计过程中的精心指导和教悔,同时在课程设计中肯定还有许多不足之处,还望老师指点、教导!第一章 工程基本资料1.1 工程概况本工程位于某县城郊
5、处,它是某河流梯级开发中最末一级工程。该河属稳定性河流,河面宽约200m,深约710m。由于河床下切较深又无适当控制工程,雨季地表径流自由流走,而雨过天晴经常干旱,加之打井提水灌溉,使地下水位愈来愈低,严重影响两岸的农业灌溉和人畜用水。为解决当地40万亩农田的灌溉问题,经上级批准的规划确定,修建挡水枢纽工程。拦河闸所担负的任务是:正常情况下拦河截水,抬高水位,以利灌溉,洪水时开闸泄水,以保安全。 本工程建成后,可利用河道一次蓄水800万m3,调蓄水至两岸沟塘,大量补给地下水,有利于进灌和人畜用水,初步解决40万亩农田的灌溉问题并为工业生产提供足够的水源,同时对渔业、航运业的发展,以及改善环境,
6、美化城乡都是极为有利的。1.2 工程地质条件 根据钻孔了解闸址地层属河流冲积相,河床部分地层属第四纪蟓更新世Q3与第四纪全新世Q4的层交错出现,闸址两岸高程均在41m左右。闸址处地层向下分布情况如下表1-1所示。表1-1 闸址处地层分布情况土质名称重粉质壤土细砂中砂重粉质壤土中粉质壤土分布范围由上而下河床表面以下深约3m高程28.8m以下厚度约5m高程22m以下厚度5-8m1.3 工程地形条件 闸址处系平原型河段、两岸地势平坦,地面高程约为40.00m左右,河床坡降平缓,纵坡约为1/10000,河床平均标高约30.00m,主河槽宽度约80-100m,河滩宽平,呈复式河床横断面,河流比较顺直。1
7、.4 工程土的物理力学性质指标 土的物理力学性质指标主要包括物理性质、允许承载力、渗透系数等,具体数字如表1-2、1-3所示。表1-2 土的物理性质指标表湿重度饱和重度浮重度细砂比重细砂干重度19KN/m321 KN/m311 KN/m327 KN/m315 KN/m3 表1-3 土的力学性质指标表内摩擦角土基允许承载力摩擦系数不均匀系数渗透系数 cm/s自然含水量时 KN/m混凝土、砌石与土基的摩擦系数当土基为密实细砂层时值为粘土中细砂层 饱和含水量时 砂土以下土层 1.5 工程材料 1、石料本地区不产石料,需从外地运进,距公路很近,交通方便。2、粘土经调查本地区附近有较丰富的粘土材料。 3
8、、闸址处有足够的中细砂。1.6 工程水文气象条件 1、气温本地区年最高气温42.2 C,最低气温-20.7 C,平均气温14.4 C。 2、风速最大风速 m/s,吹程0.6Km。 3、径流量非汛期(16月及1012月)9个月份月平均最大流量9.1m3/s。汛期(79)三个月,月平均最大流量为149m3/s,年平均最大流量 m3/s,最大年径流总量为8.25亿m3。4、冰冻闸址处河水无冰冻现象。1.7 批准的规划成果 1、根据水利电力部水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(SD112-78)的规定,本枢纽工程为等工程,其中永久性主要建筑物为3级。2、灌溉用水季节,拦河闸正常挡水位为38.50m。3
9、、洪水标准见表1-4所示。表1-4 洪水标准表序号项目 重现年 洪水流量(m3/s) 闸前水位(m) 下游水位(m) 1设计洪水 20 937 39.15 39 2校核洪水 50 1220 40 .3540.2 1.8 施工条件 1、工期为两年。 2、材料供应情况水泥由某水泥厂运输260 Km至某市,再运输80 Km至工地仓库;其它他材料由市汽车运至工地;电源由电网供电,工地距电源线1.0Km;地下水位平均为28.030.0m。第二章 闸孔设计2.1 闸址的选择 闸址、闸轴线的选择关系到工程的成败和经济效益发挥,是水闸设计中的一项重要内容,应根据水闸的功能、特点和运用要求,综合考虑地形、地址、
10、水流泥沙、冻土、冰情,管理和周围环境等因素,通过技术经济比较并考虑安全可靠、施工难易、操作运用、工程量及投资大小等方面的问题。在选择过程中首先应根据地形、地质、水流、施工管理应用及拆迁情况等方面进行分析研究,权衡利弊,经全面分析比较,合理确定。 本次设计中闸轴线的位置和坝址已由规划给出。2.2 闸型确定 本工程主要任务是正常情况下拦河截水,以利灌溉,而当洪水来临时,开闸泄水,以保防洪安全。由于是建于平原河道上的拦河闸,应具有较大的超泄能力,并利于排除漂浮物,因此采用不设胸墙的开敞式水闸。同时,由于河槽蓄水,闸前淤积对洪水位影响较大,为便于排出淤沙,闸底板高程应尽可能低。因此,采用无底坎平顶板宽
11、顶堰,堰顶高程与河床同高,即闸底板高程为30.00m。2.3 拟定闸孔尺寸及闸墩厚度 现拟定该水闸为多孔出流水闸,闸墩墩头为半圆形,2.3.1 拦河闸宽顶堰出流情况判断由于已知上、下游水位,可推算上游水头及下游水深计算公式如下式1-1、1-2、1-3、1-4所示:上游水深: (2-1)下游水位: (2-2)上游过水断面面积: (2-3)行进流速: (2-4)水头: (2-5)其中:如表2-1所示: 表2-1 上游水头计算 序号流量Q(m3/s)下游水深hs(m) 上游水深H(m) 过水断面积(m2) 行近流速(m3/s) 上游水头H0(m) 1设计流量937 9.009.15915.00 1.
12、02400.05349.202校核流量122010.20 10.351035.001.1902 0.072210.42 注:考虑壅高1520cm。闸门全开泄洪时,为平底板宽顶堰堰流,根据以下公式2-6判别出流情况。 (2-6)表2-2 淹没出流判别表序号计算情况下游水深 hs(m)上游水头H0(m)流态1设计水位9.009.20淹没出流2校核水位10.2010.42淹没出流根据表2-2判断在遇到设计洪水和家和洪水时该拦河水闸均以淹没出流的方式出流。2.3.2 闸门总净宽计算根据设计洪水和校核洪水两种情况分别用试算法计算闸门总净宽,计算公式如下式2-7,、2-8所示: (2-7)(2-8)其中
13、为堰流侧收缩系数,暂取0.900;g取9.81; 由赵振兴、何健京主编的水力学第二版表9.6查知8淹没系数具体计算如下表2-3所示:表2-3 闸门总净宽计算表序号流量Q(m3/s)侧收缩系数流量系数上游水头H0(m) 淹没系总净宽(m) 1设计流量937 0.9000.3859.200.97830.417 52.4652校核流量12200.9000.38510.420.97890.41157.4992.3.3 闸孔尺寸设计和布置根据闸门设计规范SL 265-2001中闸孔尺寸和水头系列标准,选定单孔净宽,同时为了保证闸门对称开启,防止不良水流形态,选用7孔,闸墩的边墩宽度设计为1m,中墩宽1.
14、2m。设2条永久性直通式伸缩缝,伸缩缝处闸墩宽1.6m。闸孔总宽度为: 由于闸基为软基河床,选用整体式底板,缝设在闸墩上,整体布置如图1-1所示。 图2-1 闸孔尺寸布置图 (单位:m)2.4 校核泄洪能力 闸墩采用半圆形墩头,根据孔口与闸墩的尺寸可计算侧收缩系数,由赵振兴、何健京主编的水力学第二版式9.12即下式2-9 (2-9)其中:n=7, b=9m由于墩头均为半圆形,和值查由赵振兴、何健京主编的水力学第二版表9.1与表9.2得便可计算侧收缩系数和水闸的校核过流能力,其中实际过闸流量按一下式2-9计算 (2-9)其中:,g=9.81表2-4 过流能力校核计算表序号计算情况 堰上水头H0(
15、m) 校核过流能力1设计流量9379.200.97830.72340.70.853 0.3850.417 1066.394 13.81% 2校核流量1220 10.42 0.97890.72350.70.833 0.3850.4111237.198 3.05% 从表2-4可以看出设计情况超过了规定的要求,但又未超过规定的5%,说明孔口尺根据校核情况满足要求,所以不再进行孔口尺寸的调整。综上所述决定采用水闸溢流宽度第二章 消能防冲设计由于本闸位于平原地区,河床的抗冲刷能力较低,所以采用底流式消能。设计水位或校核水位时闸门全开渲泄洪水,为淹没出流无需消能。闸前为正常高水位38.50m,部分闸门局部
16、开启,只宣泄较小流量时,下流水位不高,闸下射流速度较大,才会出现严重的冲刷河床现象,需设置相应的消能设施。为了保证无论何种开启高度的情况下均能发生淹没式水跃消能,所以采用闸前水深H=8.5m,闸门局部开启情况,作为消能防冲设计的控制情况。为了降低工程造价,确保水闸安全运行,可以规定闸门的操作规程,本次设计按1、3、5、7孔对称方式开启,分别对不同开启孔数和开启度进行组合计算,找出消力池池深和池长的控制条件。3.1 消力池池长估算为了能找到合理的消力池池长估计,现将水闸开启1孔、3孔和5孔两种情况下的0.82.0m开度的估算尺长和池深。计算公式如下式所示:收缩断面水深: (3-1)其中:由赵振兴
17、、何健京主编的水力学第二版表9.7查得。泄流量: (3-2)其中:取1.0,g取9.81。单宽流量: (3-3)其中:b=9m。跃后水深: (3-4)将下游河道看成是矩形断面河流,水深与水力半径相等,河宽100m,永明渠均匀流计算公式计算下游水深: (3-5)其中:i为1/10000,n查由赵振兴、何健京主编的水力学第二版表9.7得0.0416。消力池池深: (3-6) (3-7)其中:0-水跃淹没系数,可采用1.051.10这取1.06;-水流动能校正系数,可采用1.01.05,这取1.02。消力池长度: (3-8) (3-9) (3-10)其中:-水跃长度校正系数,可采用0.70.8这取0
18、.75。m为0.385,为8.5m,由于该水闸为无坎宽顶堰=d 。池长、池深估算具体计算见下表3-1所示: 表3-1 消力池池深池长估算表开启孔数n开启高度 收缩系数泄流量Q 单宽流量q 收缩水深跃后水深 下游水深流态判别消力池尺寸备注池深d池长Ls水跃长Lj10.80.61552.41985.8240.4923.5111.596自由孔口出流1.57724.26415.625 1.00.61565.01967.2240.6153.8631.8171.63825.5216.81 1.20.61777.65238.6280.744.1722.0211.67726.51517.761池深控制 1.5
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