水工课程课程设计报告

课程设计说明书（河道治理工程及建筑物设计）指导教师 颜 宏 亮 班 级 09 水电 4 班 姓 名 陈 帅 起止日期 2012.06.1706.28 山东农业大学水利土木工程学院水利工程系西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 1 页目录第 1 章 设计提要第一节 工程简介.1第二节 设计依据.1第三节 设计标准.1第四节 混凝土和钢筋设计强度.1第五节 技术特性指标.1第二章 自然条件第一节 地形地质条件.2第二节 气象水文条件.3第三章 河道治理规划第四章 蓄水工程设计第一节 总体布置.3第二节 水力计算.4第三节 坝袋计算.5第四节 充排水设计.6第五节 底板设计.7第六节 锚固设计.9第七节 边墩设计.10第八节 泵房设计.12附图：1.河道治理平面布置图（包括桩号、平面坐标等）2. 河道治理纵断面图（包括桩号、原地面高程、设计河底高程、设计边墙高程、泄洪水面线、回水水面线、建筑物起、止点对应桩号等）3. 河道治理横断面图4.橡胶坝、泵房平面布置及纵剖面图5. 橡胶坝横剖面图西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 2 页6. 充排水系统示意图7. 充排水系统布置图8.泵房结构图第一章 设计提要第一节 工程简介山东农业大学新校区地处泰安市东南部，是山东省重要教学基地，是山东省重点高校，每年为国家培养大批的优秀毕业生。为了适应国家新世纪对高校的要求和长远发展需要，决定建设新校区。梳洗河从校区通过，为了校区的防洪要求，和对校区景观的要求，学校决定对梳洗河进行治理。第 2 节 设计依据1.山东农业大学关于进行“泰安市梳洗河蓄水工程设计”的委托书.2003 年 5 月2. 山东省水利厅泰安城市防洪规划报告1999 年 11 月3.水利水电工程等级划分及洪水标准SL25220004.水工钢筋砼结构设计规范SDJ20785.橡胶坝技术规范SL227986.水闸设计规范SDJ133847.溢洪道设计规范SL2532000第三节 设计标准1.防洪标准：该工程为小型工程，其主体建筑物按三等 3 级建筑物设计，防洪标准按五十年一遇设计，其它附属工程按 5 级建筑物设计。 2.抗震标准：根据山东省地震烈度区划 ，工程区地震基本烈度 6，按照部颁SDJ10 78水工建筑物抗震设计规范 ，不做抗震计算，仅采取构造措施。第四节 混凝土和钢筋设计强度1.混凝土设计指标工程部位 强度等级 抗渗标号 抗冻标号 备 注坝底板 C25 S4 D200边墩 C20 S4 D200控 制 室 C25 S6 D2002.钢筋的设计强度及弹性模量级钢筋受拉设计强度：R g=2100kg/cm2；级钢筋弹性模量： Eg=2.1102kg/cm2；级钢筋受拉设计强度：R g=3100kg/cm2；级钢筋弹性模量： Eg=2.1102kg/cm2；第五节 技术经济特性指标建筑物名称结构型式坝高(m)孔数(孔)长度(m)底板高程(m)坝顶高程(m)西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 3 页橡胶坝 1 单袋式双锚固 1 1 38.1 121.421 122.421橡胶坝 2 单袋式双锚固 1 1 38.1 120.821 121.821第二章 自然条件第一节 地形地质条件梳洗河属于大汶河水系，农大新校区段位于梳洗河下游，从辛大铁路到与白家河交汇口，全长共计 2220m，其中上高大街（现为南外环）以北为 1310.5m，上高大街以南为 954.5m。根据山东省水利厅 1999 年批准的泰安城市防洪规划报告 ，该段 50 年一遇最大泄洪流量为 703m3/s（上高大街处） ，规划河槽深 5m，槽底宽 55m，边坡 1：2.5，顶宽 80m，两侧各有 10m 宽防洪通路和 20m 宽绿化带，总宽 140m。新校区规划建设已部分侵占了河道用地，根据新校区总体规划所留尺寸，河道底宽 39m，顶宽 55m，每边各留 6m 宽防洪通道，道路两侧各留有 2m 绿化带。新校区规划建设时未考虑防洪规划要求，使该河段所留尺寸严重不足。如何采取措施，既满足 50年一遇防洪规划的要求，又不拆除即将完工的建筑，是本次设计的重大任务。表 1 工程区地层物理、力学指标地层号 土层类别 承载力 fK(KPa) 渗透系数(cm/s)第层 杂 填 土第层 粉质粘土 80140 2.5910-5粉 土 90140细 中 砂 120180粉质粘土 80140第层姜 石 140200粘 土 160220 3.510-8第层粉质粘土 150200粘 土 160220 4.810-8粉质粘土 150200 3.110-5粘土混姜石 220280第层姜 石 240300粘 土 180260 2.310-8第层粉质粘土 160200中 粗 砂 200300第层粘 土 180260强风化白云岩 250350第层粘 土 180220西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 4 页第层 中等风化白云岩 120020002002 年 3 月山东农业大学委托山东建工学院建筑设计院，对梳洗河枢纽进行了地质勘探，结果如下：经钻探揭露，枢纽区地层主要为第四系冲洪堆积之粘性土、粉土、砂土、姜石等，自上而下共分九层，其指标见表 1。下伏基岩为奥陶纪沉积白云岩。地下水位在 0.85.8 m。橡胶坝主要坐落在第四层粘土层上，该层承载力 160220Kpa，渗透系数 K= 3.510-8cm/s ,满足地基设计要求。两岸堤防土质主要为粉质粘土，渗透系数 K=2.3510-5cm/s，满足防渗要求；橡胶坝蓄水高程为 124.021m，右岸校区地面高程为 126.21127.20m，校区地面高于水面，因此蓄水不会对校区产生浸渍危害。第 2 节 气象水文条件项目所在泰安市东面，属北温带大陆性季风气候，四季分明，春冬干冷多风、少雨雪，夏季湿热、雨水集中，秋长于春。年平均降雨 654.3mm，降水量年内差异很大，多年平均 69 月份降水量为 503.8mm，占年降水量的 77，具有春旱、夏涝、晚秋又旱的特点。多年平均气温 12.9，无霜期平均 190 天,最大冻土深 50cm。主要风向为东南风，多年平均风速为 3.5m/s。梳洗河属黄河流域大汶河水系，河道平均比降为 2.24，多年平均流量为 3.5m3/s，最大洪峰流量为 703m3s。梳洗河为行洪河道，汛期大量雨水集中下泄，易造成洪灾。第三章 河道治理规划1.根据原河道地形图，作出河道纵断面图，标出原河道中心地面线、校区地坪和河堤高程线等；2.在保证行洪要求的前提下，统筹全河，侧重眼前，以解决“窄、损、淤、臭、费”问题的环境生态化为目标，拟定一组河道设计纵坡(i0.003) ；3. 拟定可能的河道横断面，选取合适的糙率，进行河道过流能力验算；4.留足桥下净空，作出设计河底线；5.调整河道平面形状，使河道与跨河的四座桥梁正交；6.考虑回水距离、库容大小、投资多少、美化范围，选定橡胶坝位置（必须与河岸正交） 、数量、挡水高度等布置。第四章 蓄水工程设计第一节 总体布置1.底板型式及尺寸、高程（见第五节 底板设计）2.坝袋型式及高度、高程（见第三节 坝袋设计）3.铺盖型式及尺寸、高程4.护坦型式及尺寸、排水5.边墩型式及尺寸、稳定(见第七节 边墩设计)第二节 水力计算西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 5 页1.河道过流验算按明渠均匀流计算，其计算公式： iARnQ3/21式中：Q 河道过流量（m 3/s）n 河道糙率（取 n=0.015）A 过流断面面积(m 2)R 水力半径(m)i河道比降(取 i=0.0025)将河道正常水深 h0 计算结果列表汇总如下：正常水深 h0 试算表过水面积 A 湿周 X 水力半径 R 系数 K水深H A1，A3A2 X1，X3X2 R1，R3R2 K1+K3K2流量 Q1.0 0 38.1 0 40.1 0 0.95 0 2454.83 122.74 1.5 0 57.15 0 41.1 0 1.39 0 4746.51 237.33 2.0 0 76.2 0 42.1 0 1.81 0 7544.76 377.24 2.5 0 95.25 0 43.1 0 2.21 0 10773.72 538.69 2.96 0 112.8 0 44.0 0 2.56 0 14076.78 703.84 3.0 0 114.3 0 44.1 0 2.59 0 14377.83 718.89 (注：河道断面为复式断面，分区计算流量)当 Q=703.84m3/s 时，水深 H=2.96 米，满足要求。2. 橡胶坝过流验算河道行洪时，橡胶坝要坍坝，以 50 年一遇洪水为控制情况，其过流能力按有坎宽顶堰计算。计算公式：m=0.36 2/30HgmBQHo=5.08m H=Ho-v2/2g=5.08-1.89=3.14m 式中： 侧向收缩系数 淹没系数m流量系数B堰宽(m)Ho堰上总水头(m)橡胶坝过流能力计算表上游设计洪水位 河堤顶高程计算情况 Q(m3/s) H(m)1 号坝 2 号坝 1 号坝 2 号坝西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 6 页50 年一遇 703 3.14 124.061 124.661 125.821 126.421第三节 坝袋设计1.控制条件: 采用定型坝袋，坝袋型号为 JBD1.0-60-1 型，坝高 1.0m，2.坝袋计算 坝袋环向单宽拉力： )2(41210HTT=1/41021.5 1-1=5.0KN/mH0 = a H=1.51=1.5m式中： -水的比重（ kN/m3）H0-坝内压力水头(m)H1- 坝高(m)a-坝袋内外压比坝袋有效周长 L0=S1+S+n1+x=1.57+1.69+1.0+0.44=4.7m采用螺栓压板双锚固：锚固长度每侧取 0.75m，则坝袋加工周长 l1=s1+s+1.4=4.66m底板垫片加工长度：l 2=n1+x0+1.4=1.0+0.44+1.4=2.84m上游坝袋圆弧半径 R1=(2H0H1 H2)/4(H0-H1)=1.0m坝袋单位长度容积：V 0=H0X0+(1/2)R1-a1(1/2)n1(R1H1)=1.44m3坝袋容积：V = V 0 L=1.4438.1=54.86m3以上计算结果汇总列成坝袋设计指标表如下（要求坝袋强度设计安全系数 k 大于规范规定的安全系数k）某充水式橡胶坝袋定型规格表锦纶帆布坝高(m)内压比内压水头H0计算强度 T(KN/m）有效周长（m)坝袋单宽容积（m 3/m）型号 经纬坝袋型号1 1.5 1.5 5.0 4.7 1.44 J60601 60/60 JBD1.0-60-1坝袋强度设计安全系数：k=60/5.0=12.0k 满足设计要求。第四节 充排水设计据橡胶坝所处的地形、水源以及运用等条件，橡胶坝充水采用河水充水方案，坝袋排水以抽排为主。在距坝上游 10m 处设集水井作为水泵的吸水池，充排共用一套管路系统，充排由闸阀控制，所有控制设备及观测设备都布置在控制室内。1、机泵型号选择西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 7 页根据国内已建橡胶坝工程的统计，橡胶坝的充坝时间一般为 23 小时，坍坝时间为12 小时。根据本工程的引水需要和该橡胶坝运用情况，分别确定其充坝时间为 2 小时，坍坝时间为 1 小时。充水流量 Q 充 =V/T=54.86/2=27.43 m3/h排水流量 Q 排 =V/T=54.86/1=54.86 m3/h选用两台 IS100-65J-200B 型单级吸悬臂式离心泵，单泵流量为 Q0=43.3m3/h，扬程H=9.5m，转速 n=1450r/min，配套电动机为 Y100L1-4 型电动机，功率为 2.2Kw,进水管直径 200mm，排水管直径 400mm。2、集水井设计集水井的容积要满足坝袋充水时的水量。集水井也可结合景观喷水池设置，并考虑管道自来水作为备用水源。3、超压溢流管的设置为确保坝袋在充水情况下不致超压破坏，在坝左端设置超压溢流管，1 号、2 号坝的溢流管入口高程分别为 120.821 米和 121.421 米，溢流管出水口的高程分别为 122.321 米和 122.921 米。超压管的设置，必须保证在超压下，超压管出水量大于或等于充水量，才能确保坝袋的安全。取溢流管 d = 400mm，其出水流量：dlc02gHAQc=10.1256(2100.3)=0.3077m3/s=1107m3/h式中：Q 出水量(m 3/s)； 管断面面积(m 2)； c管道设计流量系数；H0 出水口水头（0.3m） ； 局部水头损失之和。 沿程水头损失之和。Q Q 充 ,则满足安全要求。4、排气管布置采取坝袋排气孔与坝内设排气管相结合的方法。除在两坝端袋壁上设排气孔外，在坝袋内设 50 胶管，与坝袋联在一起，通过底板内预埋的钢管将气排出，1 号、2 号坝的出气口高程分别为 120.821 米和 121.421 米。表 3-5 充排水系统主要指标表项目 单位 1 号橡胶坝 2 号橡胶坝西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 8 页袋内设计充水量 m3 54.86 54.86坝袋充胀时间 h 2 2坝袋排空时间 h 1 1充水管内径 mm 300 300排水管内径 mm 300 300溢流管内径 mm 400 400闸阀 个 2 2水泵 台 2 2第五节 底板设计1.底板的尺寸拟定橡胶坝底板顺水流向的长度： 21011)(2LXnSLd =0.5（1.571.691.00.44）+1.0+1.0=4.35m式中：L 1,L2为交通道宽度，取 L1=L2=1.0mLd 底板长度。2.厚度与高程底板厚一般取 0.60m，1 号、 2 号坝的顶高程根据坝轴线处河底高程及坝高确定。3.底板的稳定计算3.1 计算条件1、2 号橡胶坝均建在土基上，根据其运用条件，确定其小底板的计算条件为坝体充水到设计坝高，1、2 号坝上游水位分别为 121.821 m 和 122.421 m，下游无水。3.2 荷载及荷载组合（1）荷载自重：250.638.14.35=2486.03KN静水压力：水平的bHP21=0.5101.638.1=487.68KN铅直的（袋内的、坝前的）=1.51.0101.4438.1+1.01.438.110=1356.36KN扬压力：