（水利工程专业论文）预应力混凝土闸墩结构计算分析研究.pdf

山东大学硕士学位论文 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盗、为生 日 论文作者签名：监塑眩 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：，盗函也导师签名：论文作者签名：生l 为毖导师签名： 山东大学硕士学位论文 目录 摘要1 a b s t a c t 。2 第一章前言。1 1 1 研究背景、意义1 1 2 预应力闸墩的发展现状和研究进展2 1 3 研究内容和方法。3 第二章刘家道口枢纽工程概况。5 第三章刘家道口节制闸工程设计研究9 3 1 闸室及消能工布置方案比较9 3 2 单孔净宽方案比较1 1 3 3 闸门启闭型式方案比较与选定1 3 3 4 工程布置1 3 3 5 闸室稳定分析计算1 6 3 6 中墩基础处理1 8 3 7 闸墩底部应力分析2 0 3 8 消力池底板厚度计算2 6 3 9 海漫长度计算2 6 3 1 0 防冲槽深度计算2 7 3 11 本章小结。2 7 第四章预应力闸墩有限元分析研究2 8 4 1 预应力辐射筋布置。2 8 4 2 计算参数2 8 4 3 计算工况3 0 4 4 本章小结4 2 第五章结论与展望4 3 5 1 结论4 3 5 2 创新点4 3 5 3 展望4 4 参考文献4 5 致谢4 8 o 山东大学硕士学位论文 o 山东大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术水平的不断提高，新材料、新工艺的采用，不断提高了水利建设 的科技含量，大大减少了工程投资，提高了工程安全系数。预应力闸墩结构体系具 有断面尺寸小、刚度大、承载能力强及抗震性能好等优点，是近年来在水工结构领 域的重要发展方向。刘家道口节制闸是国内平原河道最大的闸，由于闸门跨度大， 且工程位于强地震烈度区( 地震动峰值加速度0 4 2 9 9 ，地震动反映谱特征周期0 3 0 ， 相应地震基本烈度为9 度) ，闸门水推力较大，弧门支座与闸墩的连接部位会产生 较大的集中拉应力，并在连接部位的上游闸墩区域将形成局部扇形受拉区。因此本 课题采用预应力钢筋混凝土闸墩及弧门钢梁支座，克服了以上难题，成功满足了闸 墩结构的抗裂或限裂要求。 本课题以刘家道口节制闸为例，结合已有的经验和数据，根据该闸的实际情况， 通过方案比较分析，确定出合理的闸墩结构设计方案一支座钢梁预应力混凝土闸墩。 在大量计算和分析的基础上，确定刘家道口节制闸合理的结构尺寸和布置形式。在 计算过程中充分利用电算程序的帮助，对闸室结构进行了整体结构稳定计算，提出 闸室基础处理提出抗滑桩设计方案，并对闸墩结构内力进行有限元复核分析。研究 认为，采用预应力闸墩在沂沭泗河洪水东调南下续建工程刘家道口枢纽工程是切实 可行的，不仅能缩短刘家道口节制闸工程建设的周期，同时节约国家投资，而且在 工程运行管理上取得显著的防洪、供水及环境效益，具有广阔的应用前景。 关键词：刘家道口枢纽；预应力闸墩；受拉区；辐射筋；有限元 山东大学硕士学位论文 a b s t a c t w i t hi n c r e a s i n gl e v e l so fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , t h ea d o p t i o no fn e wm a t e r i a l sa n d n e wt e c h n o l o g yh a sc o n s t a n t l yi m p r o v e dt h et e c h n o l o g i c a lc o n t e n to ft h eh y d r a u l i c e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o na n dg r e a t l yr e d u c e dt h ei n v e s t m e n t ，a n di m p r o v e d t h e e n g i n e e r i n gs a f e t yf a c t o r t h es t r u c t u r a ls y s t e mo fp r e s t r e s s e dp i e rw i t hs o m ea d v a n t a g e s o fas m a l lc r o s ss e c t i o nd i m e n s i o n s ，s t i f f n e s s ，t h es t r e n g t ho f b e a r i n g c a p a c i t ya n ds e i s m i c p e r f o r m a n c e ，a n ds oo n ，i sa ni m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o n si nt h ef i e l do f h y d r a u l i e s t r u c t u r e si nr e c e n ty e a r s l i u j i a d a o k o uc h e c kg a t ei st h el a r g e s ts l u i c eo fp l a i nr i v e r si n c h i n a ，b e c a u s eo f t h es l u i c eg a t es p a n ，a n dt h ep r o j e c tl o c a t i n gi ns t r o n ge a r t h q u a k e i m a g n it u d ez o n e ( t h el a n di s34 2 9 9c l i m a x ，r e f l e c tt h ef e a t u r e so f t h es p e c t r u m ，t h e b a s i cc y c l eo 3 0i m a g n it u d et on i n ed e g r e e s) ，s l u i c eg a t e so fw a t e rp r e s s u r eg r e a t e ra r c t h ed o o r t h es u p p o r ta n dt h es t u m po ft h es i t ew i l lp r o d u c ea g r e a t e rf o c u sa n ds t r e s s ，a n d t h eu p s t r e a mp a r to ft h er a m p sc o n n e c t i n gt h er e g i o nw i l lc r e a t el o c a lp u l lo u tt h ea r e a t h i ss u b j e c ti np r e s t r e s s e dc o n c r e t et h et r i c ka n dt h ea r cs t e e ls o p l o gs u p p o r t ，w eh a v e o v e r c o m et h e s ep r o b l e m sa n dh i ss u c c e s st ot h es t u m po fac r a c ko rt e a rt ot h el i m i t l i u j i a d a o k o us l u c i e ，t h i ss u b j e c tt or e f r a i nf r o mt h ep a s s a g ef o re x a m p l e ，t h e e x i s t i n ge x p e r i e n c ea n dd a t ab a s e do nt h eb r a k e sa n dt h ea c t u a ls i t u a t i o n ，t h ep r o p o s a lt o e s t a b l i s har e a s o n a b l ec o m p a r ea n da n a l y z et h es t r u c t u r eo ft h er a m p s d e s i g n - _ - s u p p o r t s t e e ls o p l o gp r e s t r e s s e dc o n c r e t e o nt h es t u m po fac a l c u l a t i o na n da n a l y s i so nt h eb a s i s o fm o d e r a t ea n dr e a s o n a b l el i u j i a d a o k o us l u c i ec r o s s i n gt h es i z ea n ds t r u c t u r eo ft h e f o r m i nt h ep r o c e s so fc o m p u t ep r o g r a mh e l ps l u c i es t r u c t u r eo ft h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f c o m p u t i n g ，s t a b l eb a s i so f p r o c e s s i n gs l u c i e k e y w o r d s ：l i u j i a d a o k o uc r o s s i n gh u b ；s l u c i ep i e r ；p r e s t r e s s e db yt e n s i o n ： r a d i a t i o nt e n d o n ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 2 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景、意义 第一章前言 沂沭泗流域经过五十年的治理，取得了显著的成绩，初步形成了独立的防洪除涝 体系，为该地区的经济发展发挥了重要的作用。但由于受各方面条件所限，防洪体系尚 不完善，防洪标准仍然较低，不能适应该地区国民经济发展的需要，为保障本地区国民 经济和社会的持续稳定发展，尽快提高该流域的防洪标准是非常必要的【。 沂沭泗河洪水东调南下续建工程刘家道口枢纽工程是国务院确定的治淮1 9 项骨干 工程之一，是实现沂河洪水东调的关键性控制工程。其主要任务是：在沭河大官庄枢纽 工程的配合下，控制沂河上游来水，使其洪水尽量经新沭河、石梁河水库于临洪河口就 近入海，腾出骆马湖、新沂河部分蓄洪能力接纳南四湖洪水。以提高沂沭泗河中，下游 地区的防洪标准。并统一考虑枢纽蓄水，灌溉、排沙和交通等综合效益。尽可能保护沂 河原河势流态，减少河道泥沙淤积，维持原河道的稳定，减少次生灾害，最大限度地发 挥该枢纽的经济和社会效益心1 。刘家道口枢纽工程主要由刘家道口节制闸、分沂入沭彭 家道口分洪闸、刘家道口放水洞、盛口放水洞、姜墩放水洞、李公河防倒漾闸、李庄闸、 等组成。刘家道口节制闸是刘家道口枢纽工程主体工程【3 1 。 刘家道口枢纽主体工程位于临沂市刘家道口村北的沂河干流上。工程规模大i 型， 工程等级i 等，建筑物级别l 级，次要建筑为3 级，临时建筑物为4 级，地震设防烈度 9 度。设计洪水标准5 0 年一遇，设计流量1 2 0 0 0 m 3 s ，相应闸上水位6 1 1 4 m ，闸下水位 6 0 9 6 m ；校核洪水标准1 0 0 年一遇，校核流量1 4 0 0 0 m 3 s ，相应闸上水位6 1 7 6 m ，闸下 水位6 1 5 5 m 。最高档水位6 1 0 6 m ，闸门最高挡水高度8 2 m 。闸交通桥设计标准二级公 路桥，桥面净呻+ 2 1 o m ，桥面高程6 4 3 6 m 。 刘家道口节制闸位于沂河的中下游，河道上游山高坡陡，中下游河道弯曲具有洪 峰高，流量大，历时短，水势猛等特点，要求闸门启闭灵活，安全可靠，节制闸宜采用 大跨度闸门。弧形闸门的启闭方式关系到整个节制闸的结构型式，是工程设计过程中的 一个重要环节，不仅可以降低工程量、节约投资，还能提高整个工程的运行质量和性能。 刘家道口节制闸工程实际进行了多种启闭方案的比较，并由此选定了液压启闭机布置方 案，有效地提高了工程的抗震性能，降低了工程造价。 山东大学硕士学位论文 刘家道口节制闸为开敞式曲线型低堰水闸，闸室总净宽5 7 6 o m ，共3 6 孔，单孔 净宽1 6 o o m ，闸底板与闸墩采用分离式钢筋混凝土结构。闸室顺水流方向的长度为 2 7 5 0 m ，垂直水流方向总宽6 4 6 o m 。工作闸门为钢质弧形门，尺寸( 宽x 高) 1 6 8 5 m ， 液压式启闭机，检修闸门为钢质叠梁门，门式启闭机及现浇钢筋混凝土检修桥，闸室下 游侧设装配式钢筋混凝土交通桥，交通桥荷载标准为二级公路桥。 闸室为开敞式大小底板结构，总净宽5 7 6 o m ，共3 6 孔，每孔净宽1 6 o m ，闸室内 设工作闸门和检修闸门各一道，工作闸门为钢质弧形门，尺寸1 6 0 8 5 m ( 宽高) ，设 置1 8 套液压启闭机控制系统，1 8 座供油泵房，泵房布置在闸墩项部，检修闸门为平板 钢质叠梁门及门式启闭机；检修闸门前后分别布置电缆管桥和供油管线桥，并兼作检修 桥；桥面宽净呻+ 2 1 o m ，桥面高程6 4 3 6 m 。 闸墩布置原则：闸墩的长度应满足闸门、检修桥、交通桥及供油泵房的布置要求； 闸墩厚度除满足工程强度要求外，还应满足抗滑稳定、地基承载力稳定要求；闸墩 的外形应使过闸水流平顺，侧向收缩小，过流能力大。 根据以上布置原则，闸墩长2 6 5 m ，闸墩厚度为2 0 m ，闸底板顶高程5 2 3 6 m ，大 底板厚2 5 m ，宽1 0 o m ，闸底板长2 7 5 m ，为了减小闸门高度，闸门下设有高0 5 m 的 曲线实用堰。刘家道口节制闸是国内平原河道最大的闸，由于闸门跨度大，且工程位于 强地震烈度区( 地震动峰值加速度0 4 2 9 9 ，地震动反映谱特征周期o 3 0 ，相应地震基 本烈度为9 度) ，闸门水推力较大，弧门支座与闸墩的连接部位会产生较大的集中拉应 力，并在连接部位的上游闸墩区域将形成局部扇形受拉区。采用普通钢筋混凝土闸墩及 弧门支座，很难满足结构的抗裂或限裂要求。 本课题以刘家道口节制闸预应力闸墩为例，针对强震区大型水闸，研究了大型水闸 预应力闸墩的稳定分析方法、闸墩结构的抗裂或限裂技术。 1 2 预应力闸墩的发展现状和研究进展 水闸是一种利用闸门挡水和泄水的低水头水工建筑物，多用于渠系及湖泊岸边、水 库。我国修建水闸的历史可追溯到公元前6 世纪春秋的年代，据水经注记载，在位 于安徽寿县城南的世纪的春秋年代，据水经注记载，在位于今安徽寿县城南的芍陂 灌区中即设有进水和供水用的5 个水门。我国已建成各类水闸5 万多座，其中大型4 8 0 余座，中型3 2 8 0 余座，小型4 6 万余座，数量为世界之最，给国民经济带来了很大的 2 和 闸墩是水闸的重要组成部分，它固结在闸室底板上，由于钢筋混凝土抗压、抗拉、 抗渗性能较强，目前，国内外水闸闸墩、闸底板均采用普通钢筋混凝土结构或预应力混 凝土结构。 一般较小跨度的弧形闸门，因水推力较小，常采用普通钢筋混凝土闸墩，弧门支座 常采用闸墩两侧悬臂出的钢筋混凝土牛腿结构，与闸墩整体浇筑，支座前扇形受拉辐射 筋常采用r 3 3 5 普通钢筋。 一些较大跨度或高水头的水闸，当巨大的水推力通过弧门支臂集中作用在闸墩的弧 门支座上时，支座与支座连接部位及闸墩局部受拉区将产生较大的拉应力，采用普通钢 筋混凝土闸墩及弧门支座不能满足结构的抗裂或限裂要求，可在闸墩受拉区及与支座连 接部位采用预应力混凝土，以抵消弧门推力所产生的拉应力，从而保证结构满足承载能 力及正常使用要求。 将预应力技术应用于水利工程上的大型弧形闸门混凝土闸墩结构，始于上世纪5 0 年代末突尼斯梅列格溢洪道。上世纪6 0 年代美国在修建瓦纳堡溢洪道时，对预应力混 凝土闸墩结构进行了比较系统的应力分析和实验研究。我国在上世纪7 0 年代首次成功 地应用于葛洲坝枢纽，随后龙羊峡、鲁布革、岩滩、二滩等工程都采用了预应力闸墩【9 1 。 结合刘家道口节制闸工程闸门跨度大、强地震设防等特点，针对普通混凝土闸墩存 在的技术难题，在工程设计中需研究一种新型预应力闸墩结构，使其结构尺寸小，受力 条件及抗震性能好，易于施工，投资省，且提高闸门安装的同轴度，使闸门启闭运行更 加安全可靠。进一步探讨预应力混凝土闸墩的应力分布是十分必要的。 1 3 研究内容和方法 1 3 1 研究内容 1 针对沂沭泗河洪水东调南下续建工程总体流域规划要求，提出合理的刘家道口枢 纽布置方案。 2 为了验证中墩设计方案的合理性与可靠性，并充分了解各工况下闸墩应力的分布 规律，为闸墩的构造设计提供依据，对闸墩进行了三维有限元分析。 1 3 2 方法 3 山东大学硕士学位论文 1 在充分研究现有资料的基础上，有目的的收集与刘家道口枢纽相关的文章、书籍、 文献。 2 收集刘家道口枢纽相关设计的地质、水文资料，研究一些可行性设计方案； 3 对所收集的刘家道口枢纽资料进行分析。 4 根据已运行工程取得的数据对可行性技术方案作出相对客观的评价。 5 综合分析资料作出结论，并对其局限性与下一步需要开展的工作进行说明。 4 山东大学硕士学位论文 章刘家道口枢纽工程概况 刘家道口枢纽工程位于沂河中下游，属淮河流域的沂沭泗水系，由沂河、沭河和泗 河组成，沂、沭、泗河均发源于山东省沂蒙山区。沂、沭河自沂蒙山区平行南流。沂河 流经山东省临沂市南下至江苏省的新沂入骆马湖。沂河在刘家道口处辟有分沂入沭水 道，在江风口开辟的邳苍分洪道，分别分沂河洪水入沭河和中运河。沭河至临沂市大官 庄枢纽后分新、老沭河，老沭河南流至江苏省沭阳入新沂河，新沭河东流经江苏省石梁 河水库后，至临洪河口入海。泗河流入南四湖，汇集沂蒙山西区及湖西平原各支流后， 经韩庄运河、中运河、入骆马湖调蓄后，经新沂河东流入海。 流域内河流水系分布特征是：上游山高坡陡，比降大，河道弯曲具有洪峰高，流量 大，历时短，水势猛，河道宽而浅等特点。 2 1 1 水文、地质 ( 一) 水文气象 沂河属淮河流域，发源于沂蒙山区的鲁山南麓。全长3 3 3 k m ，刘家道口以上流域面 积1 0 4 3 8 k m 2 。年平均降雨8 0 7 m m 左右，降水量年内分配很不均匀，6 - - 8 月份雨量占年雨 量的6 0 一- - 8 0 ；1 2 - - - 2 月雨量最少，仅占年雨量的1 0 左右；春秋两季各占年雨量的1 5 左右；多年平均气温1 3 2 ，月平均气温7 月份最高为2 6 ，最低气温1 月份一1 7 ， 极端最高气温4 2 ，极端最低气温一2 4 9 ，无霜期1 8 0 - - - - 1 9 5 天，冻土深一般为0 3 0 m ， 最大冻土深为0 4 0 m 。 ( 二) 地质概述 刘家道口枢纽位于沂河的中游，临沂一郯城一苍山剥蚀堆积平原之中部。地势略呈 西北高、东南低，地面标高在5 8 0 0 ，- - - 6 3 5 0 m ( 1 9 5 6 年黄海高程系，下同) 之间，坡降 约为0 4 6 ，沂河西岸沿大堤西侧发育大面积风成砂丘，沂河在本区表现为宽浅的老年 期河谷，呈北西南东流向，河宽1 一3 k m 。沿沂河两岸筑有防洪大堤，堤高3 , - - 一4 m ，由 壤土及中、细砂组成。 刘家道口枢纽工程位于沂沭断裂带的南端。沂水一汤头、唐吾一葛沟两大断裂分别 自刘家道口闸址上游斜交沂河大堤而过，而且闸址西距沂水一汤头断裂2 5 k m 、唐吾一葛 沟断裂5 5 k m 。因此，两大断裂对刘家道口枢纽工程有较大影响。根据中国地震动参数 5 山东大学硕士学位论文 区划图( g b1 8 3 0 6 2 0 0 1 ) ，本枢纽工程场地地震动峰值加速度为0 2 0 9 ，地震动反应谱 特征周期为0 3 5 s 。 工程区内地下水分为第四系孔隙潜水和基岩孔隙一裂隙潜水。孔隙潜水地下水埋深 一般2 - - 5 m ，主要埋藏于河床、漫滩及河流两岸一级阶地砂层中。含水层厚度河床漫滩1 8 m ，两岸一级阶地2 - - - 5 m 。地下水埋深一般为2 - - - - 5 m ，年变幅2 - - - 4 m 。基岩孔隙一裂隙潜水： 埋藏在砂质泥岩、粗安岩、闪长玢岩的风化带及构造裂隙中， 水质分析结果表明：工程所在处地表水和基岩裂隙水对混凝土无侵蚀作用。 ( 三) 工程地质 刘家道口节制闸底板座于强风化砂质泥岩底部或中等风化层顶部，工程地质条件一 般。由于强风化砂质泥岩风化裂隙发育，岩体完整性较差，节理裂隙发育段具中等透水 性。本次勘察在闸基下没有发现断裂及软弱夹层，层面也不甚发育，因此不存在沿断裂 隙面及软弱夹层渗透变形问题；闸底板座于砂质泥岩中等风化带的上部，岩石完整性较 好，且较均一，不会产生较大的沉降变形。岩层倾向右岸，无缓倾角裂隙及缓倾角软弱 结构面，对闸基抗滑稳定有利，深层滑动可不予考虑。距右岸边墩外侧3 0 m 的f 1 断层为 沂沭断裂西地堑内的次级小断层，全新世以来不活动，不属于活动断层，不会对工程产 生破坏影响。中等风化砂质泥岩承载力允许值建议采用5 0 0 k p a 。强风化砂质泥岩不抗冲 刷流速建议为2 o m s ，中等风化砂质泥岩不抗冲刷流速建议为2 5 m s 。 刘家道口节制闸部分座落于砂质粘土岩的弱风化上限，闸基础混凝土与基岩的抗剪 强度建议采用f = o 4 9 ，c = o 0 1 8 m p a 。 2 2 枢纽概况 沂沭泗河洪水东调南下刘家道口枢纽工程是实现沂河洪水东调的关键性控制工程。 其主要任务是：在沭河大官庄枢纽工程的配合下，控制沂河上游来水，使其洪水尽量经 新沭河、石梁河水库于临洪河口就近入海，腾出骆马湖、新沂河部分蓄洪能力接纳南四 湖洪水。以提高沂沭泗河中，下游地区的防洪标准。刘家道口枢纽工程主要由刘家道口 节制闸、分沂入沭彭家道口分洪闸、刘家道口放水洞、盛口放水洞、姜墩放水洞、李公 河防倒漾闸、李庄闸、等组成。刘家道口节制闸是刘家道口枢纽工程主体工程。 刘家道口节制闸是位于临沂市刘家道口村北的沂河干流上。工程规模大i 型，工程 等级i 等，建筑物级别l 级，次要建筑为3 级，临时建筑物为4 级，地震设防烈度9 度。设 计洪水标准5 0 年一遇，设计流量1 2 0 0 0 m 3 s ，相应闸上水位6 1 1 4 m ，闸下水位6 0 9 6 m ； 6 山东大学硕士学位论文 校核洪水标准1 0 0 年一遇，校核流量1 4 0 0 0 m 3 s ，相应闸上水位6 1 7 6 m ，闸下水位6 1 5 5 m 。 最高档水位6 1 0 6 m ，闸门最高挡水高度8 2 m 。闸交通桥设计标准二级公路桥，桥面净一 9 + 2 1 0 m ，桥面高程6 4 3 6 m 。 ( 一) 工程规模 工程规模：大i 型：工程等级：i 等；建筑物等级：永久建筑物为1 级，次要建筑 为3 级，临时建筑物为4 级；地震设防烈度：刘家道口节制闸采用基准期5 0 年超越概率3 的地震动峰值加速度0 4 2 9 9 ，相应地震基本烈度9 度；交通桥设计标准：二级公路桥。 ( 二) 防洪标准 设计洪水标准：5 0 年一遇设计，设计洪水流量1 2 0 0 0 m 3 s ，相应闸上水位6 1 1 4 m ， 闸下水位6 0 9 6 m ：校核洪水标准：1 0 0 年一遇校核，校核洪水流量1 4 0 0 0 m 3 s ，相应闸上 水位6 1 7 6 m ，闸下水位6 1 5 5 m 。 2 2 1 枢纽总体布置 刘家道口节制闸轴线布置在分沂入沭河口裹头以下约2 0 0 m 。闸轴线垂直沂河两岸大 堤，为开敞式闸室，在闸室右岸设有拉沙闸。为改善刘家道口节制闸进流条件，需对闸 上右岸盛口村东滩地进行切滩，以增大沂河弯道水流的曲率半径，减小对沂河的挑流作 用。为方便沂河两岸交通和工程管理，闸上设交通桥，右岸桥头与原东调路相接。左岸 自桥头与2 0 5 国道连接。 为发挥刘家道口枢纽的综合效益，方便当地农田灌溉用水，在闸上游设有三个灌溉 放水洞。分别为刘家道口灌溉放水洞、盛口灌溉放水洞和姜墩灌溉放水洞。刘家道口放 水洞位于沂河的左岸，刘家道口节制闸上游1 0 0 m ，设计流量1 6 m 3 s 。盛口放水洞，位于 沂河的右岸，刘家道口节制闸上游9 5 0 m 处，设计流量为1 6 0 m 3 s 。姜墩放水洞位于沂河 左岸，刘家道口节制闸上游4 o k m 处，设计流量8 o m 3 s 。 据地质勘察资料，枢纽以上两岸大堤均为第四系沙层，右岸大堤多由中细沙修筑而 成。枢纽建成蓄水后，为防止两岸堤基渗漏对沂河两岸农田和村庄产生渍害，需对回水 范围内沂河大堤采取了截渗措施。为确保刘家道口节制闸行洪安全和该段大堤稳定，拟 对闸上、下游大堤进行护砌。 李公河防倒漾闸位于沂河左岸的李公河河口处，距刘家道口节制闸以上约5 o k m 。 刘家道口枢纽建成后，在枢纽行洪和正常蓄水运用情况下，受沂河回水顶托，严重影响 了李公河沿岸防洪排涝。新建一座防倒漾闸，防倒漾闸两岸与沂河大堤相接。其任务是： 7 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 防止沂河水倒漾于李公河；( 2 ) 将李公河1 0 年一遇除涝流量相机泄入沂河：( 3 ) 满足李公河2 0 年一遇防洪能力；( 4 ) 拦蓄李公河上游灌区灌溉尾水，用于两岸农田灌 溉。闸门为双向挡水。李公河防倒漾闸主要由闸室、铺盖、消力池、上、下游护砌等组 成。 李庄闸位于刘家道口节制闸下游约7 k m 处沂河干流上，其主要功能是拦蓄沂河上游 来水，供李庄灌区灌溉和郯城北部人畜用水。原李庄坝始建于1 9 5 8 年，工程老化，淤积 严重，对刘家道口节制闸行洪阻水严重，需对原李庄坝改建。 改建后的李庄闸闸室布置在主河槽内，当沂河洪水位超过滩地高程时，闸室与滩地 共同行洪。 根据以上布置，刘家道口枢纽工程主要包括：刘家道口节制闸、彭家道口分洪闸、 刘家道口灌溉放水洞、盛口灌溉放水洞、姜墩灌溉放水洞、盛口切滩、闸上堤防截渗、 李公河防倒漾闸、李庄闸、水文观测设施以及工程管理设施等。除彭家道口分洪闸于1 9 7 4 年建成外，其余工程均为本次建设内容。 2 3 本章小结 本章简要介绍了沂沭泗河东调南下续建工程刘家道口枢纽工程的总体概况，对本枢 纽中的主要建筑物防洪标准、设计标准、结构安全等级、水文地质概括进行了逐一说明。 结合枢纽布置情况，对刘家道口枢纽主要建筑物建设进行了详细描述和分析，最终确定 刘家道口枢纽工程建设的必要性。 8 山东大学硕士学位论文 第三章刘家道口节制闸工程设计研究 3 1 闸室及消能工布置方案比较 沂河刘家道口枢纽节制闸局部水工模型试验推荐的闸室及消能工布置方案：( 1 ) 为开敞式钢筋混凝土平底板加驼峰堰结构形式，闸底板高程5 2 3 6 m ，驼峰堰项高程 5 2 8 6 m ；闸室末端布设一挑坎，挑坎顶高程5 2 8 6 m ，坎后为斜坡段长9 0 m ，斜坡段末端 接消力池，池长2 6 5 0 m ，消力池底板高程5 0 3 6 m ，闸底板坐落在砂质粘土岩的弱风化层 上，局部坐落在强风化层上，基岩完整性较好。( 2 ) 采用折线型闸底板，取消消力池 内小挑坎的可能性和合理性。以上两个方案的布置图见图3 - i 和图3 2 。 附图3 一i平底加小挑坎方案 附图3 - 2 折线形闸底板方案 ：1 1下1 i 眦堆t 甲伴r t n 匪一 一 一2 7 5 0 0 一斗一一j o 啦一1 1 取消消力池内小挑坎的可能性和合理性 沂河刘家道口枢纽节制闸局部水工模型试验对闸室平底闸、平底加驼峰堰和出 流平台设有小挑坎及不设小挑坎均做了试验，试验结果表明： 1 ) 汛期泄洪闸门全开启情况下，出流平台设有小挑坎或不设小挑坎，均为缓流， 9 山东大学硕士学位论文 过闸流态比较平稳，消能没有问题。 2 ) 蓄水运用期闸门局部开启时，出流平台不设小挑坎，出闸水流在消力池内形成 “三滚一浪”的水跃流态，消力池内流态紊乱，沪坦段以后的下游流态也极不稳定，波 动较大，消能效果明显不好。 3 ) 蓄水运用期闸门局部开启时，出流平台设小挑坎对消除波状水跃有明显效果， 出闸水流经挑坎转向在消力池内形成底流水跃，充分利用消力池水深消能。 据以上试验结果，取消消力池内小挑坎消能效果明显不好，因此，取消小挑坎是不 合理性。 2 出流平台长度和挑坎位置的确定 沂河刘家道口枢纽节制闸局部水工模型试验对出流平台长度和挑坎位置也做了 比较：比较方案1 ) 在闸室末端加挑坎；2 ) 在闸室后直接加挑坎；3 ) 在闸室后6 m 出流 平台末端加挑坎。试验结果表明： 方案1 ) 中的挑坎对闸室和闸室后流态都有较大的影响，尤其不利于闸后水流平面 扩散，消能效果也差，不宜采用。方案2 ) 和3 ) 从挑坎以后的布置完全一样，只是方案 3 ) 比方案2 ) 多了一段出流平台，从闸敦后水流平面扩散的效果看，方案2 ) 不比方案3 ) 差。从下游尾水渠与闸后水跃衔接情况分析，方案2 ) 比方案3 ) 略好一些。试验推荐采 用方案2 ) 。 本次设计研究方案仍推荐采用方案2 ) 闸室后直接加挑坎。 3 关于折线型闸底板 折线型闸底板形式由于消力池前提，且无挑坎，水流在闸室内会形成“三滚一浪 的水跃流态，消力池内流态紊乱，尤其不利于水流平面扩散，消能效果也差。并且在蓄 水运用期，闸下出流为孔口出流，随着下游水位的升高，水跃会逐渐退向闸室，有可能 会出现跃首回击闸门，引起弧形闸门震动的现象，对工程安全不利。因此，不宜采用。 3 2 过流能力复核 自沂河江苏省塔上断面推求水面线至刘家道口节制闸闸下，设计洪水流量 1 2 0 0 0 m 3 s 时，闸下水位6 0 9 6 m ，闸上水位6 1 1 4 m ；校核洪水流量1 4 0 0 0m 3 s 时，闸下 水位6 1 5 5 m ，闸上水位6 1 7 6 m 。刘家道口节制闸闸底板高程5 2 3 6 m ，设有高0 5 m 的曲线 堰，堰顶高程5 2 8 6 m ，中墩厚2 o m 。对刘家道口节制闸闸孔总净宽进行复核。 采用水闸设计规范( s l 2 6 5 - 2 0 0 1 ) 附录a 0 2 - 1 宽顶堰淹没公式计算。 l o 山东大学硕士学位论文 计算公式：q = b h 。2 9 ( h o h 。) 式中：卜过闸流量( m 3 s ) ； b _ 过水总净宽( m ) ； h s 一闸下堰上水深( m ) ； h 卜包括行近流速水头的闸上堰上水头( m ) ； u 蝴没堰流的综合流量系数。 当过闸流量分别为1 2 0 0 0 和1 4 0 0 0m 3 s 时，闸孔总净宽计算成果见下表3 - 1 。 表3 - 1闸孔总净宽计算成果见下表 过闸 闸前闸后闸底板高闸前 总水头 闸下堰 流量 计算过 流颦 水位水位 程 水头 ( m ) 上水头 系数 水净宽 ( m 2 s ) ( m )( m )( m )( m )( m )( m ) 1 2 0 0 06 1 1 46 0 9 6 5 2 3 68 7 88 9 48 6 00 9 7 55 6 2 1 4 0 0 06 1 7 66 1 5 55 2 3 6 9 49 5 89 1 90 9 7 35 6 6 考虑到闸底小堰的形式、过闸的单宽流量、闸门选型、及节制闸的调度运用等因素， 综合分析确定闸孔总净宽5 7 6 m 。据此闸孔总净宽演算过闸能力，计算结果见表3 2 。 表3 - 2刘家道口节制闸过流能力复核成果表 过闸 过水闸前闸后闸底扳闸前 总水头 闸- 卜堰 流量系 过流 上工 流鼙 净宽水位水位高程水头 ( m ) 上水头 数 l a 。a ( m 3 s ) ( m )( m )( m )( m )( m ) ( m ) ( m 3 s ) 1 2 0 0 05 7 66 1 1 46 0 9 65 2 3 68 7 88 9 4 8 6 0 9 7 4 1 2 4 6 6 1 4 0 0 05 7 6 6 1 7 6 6 1 5 55 2 3 69 49 5 89 1 90 9 7 21 4 2 4 2 由过流能力复核结果知，设计洪水情况下过流能力为1 2 4 6 6 m ： s ；校核洪水情况下 为1 4 2 4 2 m 3 s ，分别超设计流量3 9 和1 7 ，满足设计要求。故闸孔总净宽选定为5 7 6 m 。 3 2 单孔净宽方案比较 刘家道口节制闸以控制泄洪为主，针对沂河坡陡水急，洪峰高，流量大，历时短， 河床宽等特点，节制闸宜采用大跨度闸门。本次设计拟定单孔净宽2 0 m 、1 6 m 和1 2 m 三种 方案分别作了横剖面布置、稳定性分析、抗震验算和经济技术比较。 2 0 m 方案：大小底板结构。共2 9 孔，闸室长3 2 o m ，闸墩厚2 2 m ，中墩下底板厚2 5 m ， 宽1 5 2 m ，小底板厚1 3 m ，宽7 0 m 。 山东大学硕士学位论文 1 6 m 方案：大小底板结构。共3 6 ：f l ，闸室长2 7 5 m ，闸中墩厚2 0 m ，中墩下底板厚2 5 0 m ， 跨中底板厚1 3 m ，小底板宽8 0 m 。 1 2 m 方案：跨中分缝。共4 8 孑i ，闸室长2 6 5 m ，闸墩厚1 5 m ，墩下底板厚2 5 m ，跨中 底板厚1 o m 。 计算条件说明 闸室稳定分析计算以单孔中墩为计算单元。根据节制闸各种运行条件，考虑工程受 力的不利运行工况，荷载组合分为：基本荷载组合和特殊荷载组合两种。基本荷载组合 为施工完建期、正常运用期和控制运用最高挡水位三种运行工况；特殊荷载组合为正常 运用遇地震情况。 1 施工完建期：施工刚建成，地下水位在闸室底板以下，l i p 5 0 8 6 m 。 荷载组合：结构自重( 包括设备重) + 风荷载+ 活荷载 2 正常运用情况控制运用挡水位是最不利：分沂入沭彭家道口分洪闸分洪 4 0 0 0 m 3 s 时，需要刘家道口节制闸挡水位为6 1 0 6 m ，闸下无水，地下水位与闸底板平齐。 荷载组合：结构自重( 包括设备重) + 水压力+ 扬压力+ 波浪压力+ 活荷载。 3 正常运用遇地震情况：闸前远期正常蓄水位为6 0 o o m ，闸后无水，地下水位与闸 底板平齐，同时遇地震，地震动峰值加速度0 4 2 9 9 荷载组合：结构自重( 包括设备重) + 水压力+ 扬压力+ 波浪压力+ 活荷载+ 地震荷载。 三种方案闸室稳定计算成果见下表3 - 3 。 表3 - 3刘家道口节制闸稳定计算结果 容许抗 畚 地基最大应力 设计抗滑安全系数k 。 滑安全 系数 计算条件2 0 m 方案1 6 m 方案1 2 m 方案2 0 m 方案1 6 m 方案1 2 m 方案 k c 施t 完建期 1 1 1 41 0 5 28 7 4 最高档水期 9 6 9 9 0 5 38 5 62 6 82 2 22 9 63 0 地震情况1 1 3 81 1 2 8 09 4 01 5 71 4 61 8 52 3 由以上计算知，三种方案地基应力满足设计要求，抗滑稳定不满足要求，均需要采 取抗滑稳定措施。拟采用钢筋砼抗滑桩，2 0 m 、1 6 m 方案每孔需要6 棵桩，1 2 m 方案每孔需 要4 棵桩，桩长5 m 。 三种方案闸室均采用开敞式钢筋混凝土结构，弧形闸门，油压启闭机，比较内容只 计可比项的直接费用。各方案比较成果见表3 - 4 。 1 2 山东大学硕士学位论文 表3 - 4闸孔净宽方案比较成果表 闸孔净宽( m ) 2 01 6 1 2 项目单位单价 数量 投资 数量 投资 数量 投资 ( 万元) ( 万元)( 万元) 孔数孔2 93 64 8 闸室k 度 m2 7 52 7 52 6 5 闸室总净宽 m5 8 05 7 65 7 6 钢筋砼 3 5 2 06 2 6 1 23 2 5 66 3 0 0 33 2 7 67 0 0 2 1m 砌石 3 2 2 03 1 5 0 06 9 33 1 2 0 06 8 63 1 2 0 0 6 8 6 m 土石方 m 31 03 4 2 8 3 23 4 33 3 9 3 5 l3 3 93 4 7 7 13 5 模板 6 56 6 36 6 66 8 0 抗滑桩 m2 0 5 58 4 01 7 31 0 5 02 1 69 4 01 9 3 金属结构 6 5 7 76 5 0 06 7 8 0 电气1 6 01 9 82 6 4 合计万元 1 1 8 6 41 1 8 8 21 2 4 0 3 由表3 4 所列成果知，单孔净宽1 2 m 方案工程投资最大；2 0 m 方案和1 6 m 方案比投资相 当，但从工程维护和防洪控制运用等方面考虑，1 6 m 方案孑l l i , 2 0 m 方案灵活。因此，经论 证确定本闸单孔净宽采用1 6 m 方案。 3 3 闸门启闭型式方案比较与选定 刘家道口节制闸在确定闸门启闭方案时，拟定了三种方案，即弧门卷扬启闭方案、 后拉式卷扬启闭方案及油压启闭方案。 刘家道口节制闸位于8 度地震区，建筑物越高、自重越大，建筑物抗震性能越差。 对于前两种卷扬启闭方案，都是在闸墩项部设机架桥、排架、启闭机房，此种结构对抗 震极为不利，另一方面，对于跨度较大的水闸，机架桥工程造价也较大。对于后拉式卷 扬启闭机方案，因受闸后交通桥的限制需要较长的闸墩才能满足启闭机的布置要求，混 凝土工程量较大。而液压启闭方案可省掉机架桥、排架、启闭机房，工程结构也比较简 单，增强了闸室结构的抗震性能，运行操作和工程管理方便。分析比较，并结合当前的 工程管理和施工技术水平，认为刘家道口节制闸采用液压启闭方案较合理。 3 4 工程布置 刘家道口节制闸工程主要包括：闸室、进口段和消能防冲布置。 1 3 山东大学硕士学位论文 ( 一) 闸室及消能工布置方案比较 本次初步设计仍采用可研报告推荐的闸室布置方案，为开敞式钢筋混凝土平底 板加驼峰堰结构形式，闸底板高程5 2 3 6 m ，驼峰堰顶高程5 2 8 6 m ；为防止弯道凹岸泥沙 淤积，设右岸四孔为拉砂闸，拉砂闸左侧设倒流墙。闸室末端布设一挑坎，挑坎项高程 5 2 8 6 m ，坎后为斜坡段长9 0 m ，斜坡段末端接消力池，池长2 6 5 0 m ，消力池底板高程 5 0 3 6 m ，闸底板坐落在砂质粘土岩的弱风化层上，局部坐落在强风化层上，基岩完整性 较好。 闸室总净宽5 7 6 o m ，共3 6 j ：l ，单孔净室1 6 o o m 。为满足供油泵房布置要求，确定中 墩厚2 o m 。室内设工作闸门和检修闸门各一道，工作闸门为钢质弧形门，尺寸( 宽 高) 1 6x8 5 m ，液压式启闭机，为保证灵活操作和可靠运行，每2 孔闸门设一个供油泵房， 泵房设在闸墩上，平面尺寸为2 4 5 m ，共1 8 座。工作闸门上游侧设钢质叠梁检修闸门， 并设有门式启闭机及钢筋混凝土“t 形梁检修桥，桥宽2 o m ，桥面高程6 4 3 6 m ，检修 桥左、右岸与沂河大堤相连。在门式启闭机下游侧设有电缆桥架，宽2 5 m 。工作闸门下 游侧设装配式钢筋混凝土“t 形梁交通桥，交通桥荷载标准为：汽一2 0 ，挂一1 0 0 ；桥 面净一9 + 2 x1 0