新瓜洲水闸设计说明书

0 新瓜洲水闸设计说明书 一、 孔径计算 1、闸孔型式的确定 采用无坎宽顶堰，由于挡洪水位较高，闸门上顶设置胸墙。闸孔泄流为闸孔出流。 2、闸底板高程的确定 经调查，江苏省水闸底槛高程多数与河底齐平，因此本水闸底板高程与河底齐平，为 3、闸孔尺寸及前沿宽度 对于平底闸，当为孔流时，根据水闸设计规范（ 以下简称闸规）附录 用下列公式进行计算： 0 02g Hh e 1 2111Hh e 中 :Q 过闸设计流量， 320 3 /Q m s ； 孔口高度，取 自堰顶算起的下游水深，为 0H 计 入 行 近 流 速 水 头 的 堰 上 水 深 ， 1 2 2001 0 . 5 78 8 . 02 2 1 0 ； 孔流淹没系数，由表 得，表中 跃后水深，计算 计算 ，计算hH =查表得 = 计算系数，由公式 中 = 孔流垂直收缩系数，由公式 孔流流量系数，由公式 经计算，0320 2 9 . 20 . 2 9 5 0 . 4 9 4 6 2 9 . 8 8 ，取0 5 孔，单孔 320设 ,经经复核得实际流量 ， 设设实 5，符合要求。 二、消能计算 1、消力计算 （ 1）正向运行工况 设计水位流量组合：闸上水位 下水位 量 Q=320m3/s。 1）消力池深度计算 采用挖深式消力池。 2 22203 1812 2 2222222 cs 中： d 消力池深度（ m）； 水跃淹没系数，可采用 设计取用 水流动能校正系数，可用 设计取 为跃后水深（ m）； 收缩水深（ m）； q 过闸单宽流量（ m3/）； 1b 消力池首端宽度（ m），取 1b =30m； 2b 消力池未端宽度（ m），取 2b =35m； Z 出水池落差（ m）； 出水池河床水深（ m）； 流速系数，一般取 通过试算法求 d，先假定 d= / 0 30，把以上各数值代入以上各式： 223 cc 计算 mh c 32 2222 ，为安全起见，取 。 2）消力池长度 a、水跃长度计算 3 b、消力池长度计算 s ，实取池长为 式中： 水 跃长度修正系数，一般取 设计取 3）消力池底板厚度 a、根据抗冲要求： 11 式中： 1t 消力池底板始端厚度， m； H 闸孔泄流时的上下水位差， ； 1k 消力池底板计算系数，可采用 设计取 q 消力池进口处的单宽流量， /。 b、根据抗浮要求： 2式中： 2k 消力池底板安全系数，可采用 设计采用 U 作 用 在 消 力 池 底 板 底 面 的 扬 压 力 ， U=( 0.0 作 用 在 消 力 池 底 板 上 的 脉 动 压 力 ， 222 W 作用在消力池底板顶面的水重， W=( 4 b 消力池底板的饱合重度， b=24 kN/ 经计算得 t= 消力池护坦的厚度根据上两式计算的结果中取大值，取消力池底板厚度为 （ 2）反向运行工况 设计水位流量组合：闸上水位 下水位 量 Q=165m3/s。 1）消力池深度计算 采用挖深式消力池。 2 22203 1812 222222 cs 中： d 消力池深度（ m）； 水跃淹没系数，可采用 设计取用 水流动能校正系数，可用 设计取 为跃后水深（ m）； 收缩水深（ m）； q 过闸单宽流量（ m3/）； 1b 消力池首端宽度（ m），取 1b =30m； 2b 消力池未端宽度（ m），取 2b =35m； Z 出水池落差（ m）； 5 出水池河床水深（ m）； 流速系 数，一般取 通过试算法求 d，先假定 d= / 5 30，把以上各数值代入以上各式： 223 cc 计算 mh c 22222 ，取 。 2）消力池长度 a、水跃长度计算 b、消力池长度计算 s ，实取池长为 式中： 水跃长度修正系数，一般取 设计取 3）消力池底板厚度 a、根据抗冲要求： 1 式中： t 消力池底板始端厚度， m； H 闸孔泄流时的上下水位差， ； 1k 消力池底板计算系数，可采用 设计取 6 q 消力池进口处的单宽流量， / 。 b、根据抗浮要求： 2式中： 2k 消力池底板安全系数，可采用 设计采用 U 作 用 在 消 力 池 底 板 底 面 的 扬 压 力 ， U=( 4.3 作 用 在 消 力 池 底 板 上 的 脉 动 压 力 ， 222 W 作用在消力池底板顶 面的水重， W=( b 消力池底板的饱合重度， b=24 kN/ 经计算得 t= 消力池护坦的厚度根据上两式计算的结果中取大值，根据规范规定，消力池最小厚度不得小于 取消力池底板厚度为 0. 5m。 2、海漫与防冲槽计算 （ 1）海漫计算 1）海漫长度 A、正向设计工况 式中 : 海漫长度， m； H 闸孔泄流时的上下水位差， ； 7 海漫长度计算系数，与河床土质有关，该层土质为灰色极细砂夹壤土，3； q 消力池末端单宽流量， / 3。 经计算， 公式适用使用范围 19之间，则 实取 B、反向设计工况 1）海漫长度 式中 : 海漫长度， m； H 闸孔泄流时的上下水位差， ； 海漫长度计算系数，与河床土质有关，该层土质为灰色极细砂夹壤土，3； q 消力池末端单宽流量， /。 经计算， 公式适用使用范围 19之间，则 实取 2）海漫构造 为了充分发挥海漫的作用，将海漫前段做成水平海漫，后段做成 1:20的斜坡。正向海漫：共长 平段海漫长度为 坡段海漫长度为 差 向海漫：共长 平 段海漫长度为 坡段海漫长度为 差 前段水平段海漫采用 砌石层厚 35铺碎石、中粗砂垫层，层厚 15段斜坡段海漫采用干砌块石结构，层厚 35铺碎石、中粗砂垫层，层厚 15 8 （ 2）防冲槽计算 1）正向运行工况 式中： 海漫末端的河床冲刷深度， m； 为海漫末端单宽流量， ； 0v 为河床土质允许不冲流速，查表得 =s； 为海漫末端河床水深， 。 经计算， 。根据上式计算的按此值作为防冲槽深度，很不经济，施工非常困难，一般取防冲槽深度为 以此处防冲槽深度 取 底宽约为（ 12）倍槽深，取 游坡度系数 m=4，下游坡度根据施工开挖情况而定，暂取m=2。 2）反向运行工况 式中： 海漫末端的河床冲刷深度， m； 为海漫末端单宽流量， ； 0v 为河床土质允许不冲流速，查表 得 =s； 为海漫末端河床水深， 。 经计算， 。此处防冲槽深度取 底宽约为（ 1 2）倍槽深，取 游坡度系数 m=4，下游坡度根据施工开挖情况而定，暂取 m=2。 9 三、闸基渗流计算 1、地下轮廓线布置及防渗长度确定 （ 1）地下轮廓线布置 地下轮廓线布置图 （ 2）闸基防渗长度确定 式中： L 为闸基防渗长度， m； H 为上下游水位差， C 为允许渗径系数值，土质为灰色极细砂夹砂壤土 ,查闸规C 值范围为 97，选用 8。 经计算， 8 ，闸基实有防渗长度满足防渗要求。 2、闸基渗流计算 按水 闸设计规范，采用改进阻力系数法对该闸的基底渗流进行核算。 （ 1）有效深度的确定 地下轮廓水平投影长度 下轮廓垂直投影长度 0=，5000 ，因地下不透水层没有交待，则有效深度 10 确定为 （ 2）计算各段的阻力系数及水头损失 首先将渗流区按地下轮廓线形状分为若干个典型渗流段，见示意图，然后计算各段阻力系数i和水头值 首先计算阻力系数，如下： 第 1段（进口段）： S=T= 第 2段（消力池齿墙水平段）：T (1 将 ， ， L=T= 04.0x第 3段（消力池齿墙垂直段）： )1(4 将 S=T= 03.0y依次算出各渗流段的阻力系数，列于表？。并利用公式 计算各段水头损失，数据列于下表。 （ 3）进出水处水头损失修正 1） 进口处水头损失修正 2)(12 S =T =T= , 口 hh2+ =2=2= h-(h2+压水头修正范围 TH hL 。 2） 出口处水头损失修正 11 2)(12 S =T =T= , 口 hh8+ =2=2= h-(h8+压水头修正范围 TH hL 。修正后的水头损失值见下表。 渗流的阻力系数、水头损失值计算表 分段编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 i 4）出口段、水平段渗透坡降演算 渗流出口段：采用公式 000 J 基底土质为极细砂夹砂壤土，查表得 J，渗流出口处有滤层，根据规范，可增大 30%，即 J，取 J=闸基渗流满足规范要求。 水平段：采用公式 水平J 查表得 ，渗流出口处有滤层，根据规范，可增大 30%，即 J，取 J=闸基渗流满足规范要求。 四、闸室布置与构造 12 1、底板 （ 1）底板长度确定 闸室底板采用平底板，为钢筋砼结构，其构造简单、施工方便，对地基有较好的适应性。底板顺水流长度的确定，除满足闸室上部结构布置外，还与地基条件有关，对于砂壤土，长度约为上下游最大水头差的 大水头差为 结合闸室上部结构布置，长度初步拟定为 （ 2）底板厚度确定 底板厚度必须满足强度和刚度的要求，对于大中型水闸，可取为闸室净宽的 1/61/8，一般为 薄不宜小于 水闸闸室净宽为 板厚度取为 板底部在上下游处设齿坎， 深 2、闸墩 （ 1）闸墩长度的确定 闸墩采用钢筋砼结构，长度应满足布置工作桥、公路桥、检修桥等上部结构布置要求，取闸墩长度与底板同长，为 （ 2）闸门槽 平板闸门的门槽尺寸根据闸门尺寸和支承方式而定。工作闸门的门槽宽深比宜取为 槽尺寸确定为 30*60 （ 3）闸墩厚度 闸墩厚度必须满足强度和刚度的要求，中墩厚度取为 墩厚度取为 保证有较好的过闸流态，上游墩头采用半圆形，下游墩头采用流线形。 （ 4）闸墩高程 13 本工程为 2 级水闸，查规范 水闸安全超高下限值，泄水时，设计洪水位的安全超高应不小于 1）上游闸墩顶部高程计算 上游为古运河方向，设计洪水位 闸墩部分顶高程能保证交通桥桥面能与道路衔接，因在此设计水位时为开闸状态，闸墩部分顶高程同时应不小于上游最高洪水位和安全超高。 上游闸墩顶部高程 =设计洪水位 +安全超高 = 上游闸墩顶部高程 2）下游闸墩顶部高程计算 下游为长江方向，设计防洪水位 闸墩部分顶高程应不小于上游最高洪水位加波浪超高和安 全超高，计算如下： 波高计算 下游计算水位取用校核防洪水位 前水面宽度 L=34 m，吹程D=1000m5L=5 34=170m，取计算吹程 170 m。吹程范围内平均水深 速 5m/s。由规范公式（ 算得平均波高 m。 该闸为 2级建筑物，波列累积频率为 2%，由 m=水闸设计规范表 波高与平均波高比值 hp/波高 波周期计算 由（ 得波周期 平均波长计算 由式（ 求得平均波长 14 计算波浪中心线超出计算水位的高度 波浪中心线超出计算水位的高度 22 = 确定墩顶高程 下游闸墩顶部高程 =设计水位 +浪高 +波浪中心至静水面距离 +安全超高 =m 取下游墩顶高程为 3、工作桥 考虑闸门检修，墩顶以上工作桥高度为： 1 倍门高 +1m 富裕高度 +工作桥梁 高 =作桥桥面高程 =作桥桥面总宽 4m， 4、交通桥 桥交通桥布置在古运河一侧，其设计等级为汽 核，桥面净宽 8m，总宽 9m。面梁结构采用 长 厚 28块板宽 100面顶高程为 底高程为 面支承采用橡胶板式支座，厚 2 5、胸墙 根据闸孔泄流要求，胸墙底部高程确定为 墙顶部高程与闸顶平齐，高程确定为 墙布置在闸门的高水位侧，即长江侧。胸墙与闸墩的连接方式为简支式结构。采用钢筋混凝土板式结构，厚度根据受力条件和边界支承条件计算，板厚取 30梁高度（水平向）结合检修便桥布置取为 90梁高度（水平向）取为 105闸孔宽度的 1/6。 五、闸室稳定分析 15 1、闸室抗滑稳定分析 对底板上游前趾求距 ,各工况下闸室稳定计算如下 : (1) 完建期 (水位控制在底板下 完建期稳定计算表 部位 公式 垂直力 力臂 力矩 m (m) 顺时针 逆时针 结构自重 上游底齿坎 *5 1365 下游底齿坎 *5 1365 底板 *5 15925 边墩 (高程 5*2 6510 边墩 (高程 游 5*2 1596 581 边墩 (高 程 间 5*2 693 边墩 (高程 游 5*2 660 0725 中墩 (高程 5*4 10850 中墩 (高程 游 5*4 2660 2635 中墩 (高程 间 5*4 616 546 中墩 (高程 游 5*4 1100 7875 排架 (4*+* 25*4 1218 6443 胸墙 *4*25 684 工作桥 (+4)*5 交通桥桥面系 (+ +25*821 4105 检修桥 (*6*25*5 1260 6325 闸门 330 启闭机 10 启闭机房 *(+8)*23 +*4 1720 小计 合计 16 完建期稳定计算成果表 偏心距 e = m 偏下游 偏心力矩 = m 顺时针 )61( kN/ )正向校核 (闸上水位 闸下水位 正向设计稳定计算表 部位 垂直力(水平力(力臂 力矩 m (m) 结构自重 上游水重 26433 176440 下游水重 5607 88170 上游水压力 1(止水 上 ) 0 34280 上游水压力 2(止水下 ) 0 游水压力 3(止水下 ) 0 游水压力 1(止水上 ) 0 游水压力 2(止水下 ) 0 游水压力 3(止水下 ) 0 浪压力 0 托力 1 托力 2 托力 3 9129 渗透压力 1 透压力 2 计 向校核稳定计算成果表 偏心距 e = m 偏下游 偏心力矩 = 61162 m 顺时针 )61( 135.8 kN/ 3) 反向设计 设计工况 :闸上水位 闸下水位 18 反向设计稳定计算表 部位 垂直力(水平力(力臂 力矩 m (m) 结构自重 上游水重 26433 176440 下游水重 10224 上游水压力 1(止水上 ) 0 34280 上游水压力 2(止水下 ) 0 游水压力 3(止水下 ) 0 游水压力 1(止水上 ) 0 88209 下游水压力 2(止水下 ) 0 游水压力 3(止水下 ) 0 浪压力 0 托力 1 托力 2 托力 3 9129 渗透压力 1 透压力 2 计 心距 e = m 偏下游 偏心力矩 = 29580.9 m 顺时针 )61( 120.4 kN/ 4) 反向校核 设计工况 :闸上水位 闸下水位 反向设计稳定计算表 19 部位 垂直力(水平力(力臂 力矩 m (m) 结构自重 上游水重 26433 176440 下游水重 10490 164959 上游水压力 1(止水上 ) 0 34280 上游水压力 2(止水 下 ) 0 游水压力 3(止水下 ) 0 游水压力 1(止水上 ) 0 88209 下游水压力 2(止水下 ) 0 游水压力 3(止水下 ) 0 418 波浪压力 0 托力 1 托力 2 托力 3 9129 渗透压力 1 61311 渗透压力 2 120799 合计 心距 e = m 偏下游 偏心力矩 = 29905 m 顺时针 )61( kN/ 计算，闸室在各种工况下的抗滑稳定系数、地基应力不均匀系数均满足规范要求，地基应力小于地基承载力。 六、闸墩强度计算 1、闸墩底部应力计算 A、纵向正应力 (1) 完建期 2x x 20 (2) 正向设计 荷载名称 铅直力 (水平力(力臂 (m) 弯矩 (m) 闸墩及上部结构重量 5535 游水压力 0 游水压力 计 心矩 e= m 偏下游 394.0 247.0 (3)反向校核 荷载名称 铅直力 (水平力(力臂 (m) 弯矩 (m) 闸墩及上部结构重量 5535 游水压力 0 游水压力 0 计 5535 心矩 e= m 偏下游 364.4 275.4 G 5535 用 于闸墩上的铅直力总和 A 17.3 墩底面积 M 3266.5 m 引用闸室稳定计算成果数据 46.6 底截面对形心轴的惯性矩 x m 墩底水平截面的形心轴至上游端的距离 偏心矩 e= m 偏下游 383.9 255.9 GG 21 (4) 应力复核 计算截面 为矩形截面，根据砼结构设计规范，采用下式进行计算 )2(1 0 式 取结构重要性系数 ， 设计状况系数 ，则 5535 1 1=5535 d 砼结构， d= 素砼构件的稳定系数， 。 ， h=16m。 代入式 式右边 =160104.3 底应力远小于砼轴心抗压强度设计值，故中 墩仅按构造配筋。 2、平面闸门门槽应力计算 上游水位： 4.8 m , 下游水位： m。 200m a x 计算得 A=计算为 m; 计算得 为 a x / 砼轴心抗拉强度设计值 N/22 门槽颈部 拉应力远小于砼轴心抗拉强度设计值，故门槽仅按构造配筋。 七、闸室底板设计 1、闸室底板按弹性地基梁法进行计算 以底板底面为基准重新计算基底应力，计算结果见下表。 完建期稳定计算成果表 偏心距 e = m 偏下游 偏心力矩 = m 顺时针 )61( kN/P=150kN/P 正向 设计稳定计算成果表 偏心距 e = m 偏下游 偏心力矩 = 60959 m 顺时针 kN/P=150kN/P 正向校核稳定计算成果表 偏心距 e = m 偏下游 偏心力矩 = 61162 m 顺时针 )61( 135.8 kN/P=1501.5 kN/P 反向设计稳定计算表 偏心距 e = m 偏下游 偏心力矩 = 29580.9 m 顺时针 )61( 120.4 kN/P=15023 89.0 kN/P 反向校核 偏心距 e = m 偏下游 偏心力矩 = 29905 m 顺时针 )61( kN/P=150kN/P 2、各工况下弹性梁荷载计算 完建期弹性梁荷载值计算成果表 序号 荷载类 上游段 下游段 1 构自重 重 压力 基反力 平衡力 平衡剪力 板不平衡剪力 墩不平衡剪力 个中墩平衡剪力 个边墩平衡剪力 单个中墩集中荷载 单个边墩集中荷载 集中力矩 (m) 5 均布荷载 6 边荷载强度 (kN/m) 48 2 正向设计弹性梁荷载值计算成果表 序号 荷载类型 上游段 下游段 1 构自重 重 压力 基反力 平衡力 平衡剪力 24 板不平衡剪力 墩不平衡剪力 个中墩平衡剪力 个边墩