《水工建筑物》课程设计-水闸设计计算说明书.doc

水工建筑物课程设计水闸设计计算说明书姓 名：专 业：水利水电工程指导老师：云南农业大学水利学院2016.12目录一、基本资料21.1设计依据21.2设计要求2二、设计计算22.1水闸形式及孔口尺寸的拟定22.1.1水闸闸室结构类型的选择22.1.2孔口尺寸的拟定32.2消能防冲设计82.2.1消力池的设计82.2.2海幔设计0三、防渗设计23.1地下轮廓的设计23.1.1底板的设计23.1.2防渗长度拟定23.2渗流计算3四、闸室布置7五、抗滑稳定性计算85.1荷载计算85.2抗滑稳定性验算10六、参考书目10一、基本资料1.1设计依据 某水闸位于入湖口河段，工程主要功能为防洪（另设分水闸取水灌溉）。整治（衬砌）后河道底宽B=15m，边坡为1：0.5，河道纵坡i=1/3242。闸址处河床高程为1974.0m，河堤顶部高程为1978.5m。设计洪水流量为60.0m3/s，校核洪水流量为75.0m3/s。闸址处地基为淤泥，根据室内土工试验成果，内摩擦角=11，凝聚力c=0.0llMPa，地基承载力=0.06MPa，渗透系数k=1.010-7cm/s。 根据水闸设计规范（SL265-2001），本工程为四等小（一）型工程，其主要建筑物级别为5级。 根据中国地震动参数区划图（GB18306-2015），工程区地震动峰值加速度为0.2g，地震动反应谱特征周期为0.40s，相应地震基本烈度为8度，工程按8度设防。1.2设计要求确定水闸型式（需考虑两岸交通）；选择堰型并确定孔口尺寸；选择防渗、排水设施，确定地下轮廓尺寸；选择消能方式并确定相应体型尺寸；完成水闸布置并进行闸基渗流计算、闸室稳定计算和水闸地板结构计算。二、设计计算2.1水闸形式及孔口尺寸的拟定2.1.1水闸闸室结构类型的选择该水闸位于入湖口河段，工程主要功能为防洪，选择无坎宽顶堰，并采用平板闸门。2.1.2孔口尺寸的拟定1.计算公式泄水闸泄流能力按水闸设计规范SL265-2001附录A中公式（A.0.1-1A.0.1-6）计算，对于平底闸和翻板闸，当为堰流时，流量计算公式为：2计算条件整治（衬砌）后河道底宽B=15m，查附表可知n=0.02，边坡为1：0.5，河道纵坡i=1/3242。闸址处河床高程为1974.0m，河堤顶部高程为1978.5m。设计洪水流量为60.0m3/s，校核洪水流量为75.0m3/s。3.计算过程由河宽为15m,拟定闸室总净宽12m，设3孔，每孔净宽4m，中闸墩为墩头半圆且宽为1.5m。A：下游水位的确定：已知流量Q，底坡i，底宽B，边坡系数m和粗糙系数n等参数，下游水深ht运用明渠均匀流计算，采用迭代法计算得： 设计洪水流量为60.0m3/s时，重复以上步骤，可得：h3=2.606、h4=2.606因为h3与h4非常接近，所以取ht=2.61m 校核洪水流量为75.0m3/s时重复以上步骤，可得：h3=2.992、h4=2.992因为h3与h4非常接近，所以取ht=2.99m其余不同流量计算ht数值如下表所示： QniBmh1h2h3h4ht5.000 0.020 0.018 15.000 0.500 0.559 0.567 0.567 0.567 0.57 10.000 0.020 0.018 15.000 0.500 0.848 0.865 0.865 0.865 0.86 15.000 0.020 0.018 15.000 0.500 1.081 1.108 1.108 1.108 1.11 20.000 0.020 0.018 15.000 0.500 1.285 1.321 1.322 1.322 1.32 30.000 0.020 0.018 15.000 0.500 1.639 1.696 1.697 1.697 1.70 40.000 0.020 0.018 15.000 0.500 2.226 2.324 2.327 2.327 2.33 55.000 0.020 0.018 15.000 0.500 2.357 2.465 2.469 2.469 2.47 60.000 0.020 0.018 15.000 0.500 2.484 2.602 2.606 2.606 2.61 65.000 0.020 0.018 15.000 0.500 2.606 2.734 2.738 2.738 2.74 70.000 0.020 0.018 15.000 0.500 2.724 2.862 2.867 2.867 2.87 75.000 0.020 0.018 15.000 0.500 2.840 2.987 2.992 2.992 2.99 B：上游水位的确定 由于堰型选择为无坎宽顶堰，则流量系数取m=0.355；侧收缩系数：按水闸设计规范SL265-2001附录A中公式（A.0.1-3A.0.1-5）计算，多孔闸，闸墩墩头为圆弧形时：代入数据，得：确定淹没系数：在不知上游水头的情况下无法确定，需假定一个值，采用堰流进行试算。a、校核水头时，将各系数带入式计算如下：试算得值如下表所示：=0.72时，H0=3.23mmB(2g)QB0H0ht/H00.600 0.950 0.355 15.000 4.429 75.000 12.000 3.650.82 0.700 0.950 0.355 15.000 4.429 75.000 12.000 3.290.91 0.720 0.950 0.355 15.000 4.429 75.000 12.000 3.230.93 0.730 0.950 0.355 15.000 4.429 75.000 12.000 3.200.93 0.740 0.950 0.355 15.000 4.429 75.000 12.000 3.170.94 0.750 0.950 0.355 15.000 4.429 75.000 12.000 3.150.95 0.760 0.950 0.355 15.000 4.429 75.000 12.000 3.120.96 0.800 0.950 0.355 15.000 4.429 75.000 12.000 3.010.99 0.900 0.950 0.355 15.000 4.429 75.000 12.000 2.791.07 b、设计水头时，将各系数带入式计算如下：同理，=0.72时，H0=2.79mmB(2g)QB0H0ht/H00.600 0.950 0.355 15.000 4.429 60.000 12.000 3.15 0.83 0.700 0.950 0.355 15.000 4.429 60.000 12.000 2.84 0.92 0.720 0.950 0.355 15.000 4.429 60.000 12.000 2.79 0.94 0.730 0.950 0.355 15.000 4.429 60.000 12.000 2.76 0.95 0.735 0.950 0.355 15.000 4.429 60.000 12.000 2.75 0.95 0.740 0.950 0.355 15.000 4.429 60.000 12.000 2.74 0.95 0.760 0.950 0.355 15.000 4.429 60.000 12.000 2.69 0.97 0.800 0.950 0.355 15.000 4.429 60.000 12.000 2.60 1.01 0.900 0.950 0.355 15.000 4.429 60.000 12.000 2.40 1.09 c、校核水深，采用试算法试算：HAQVV/2gH+V/2g3.000 49.500 75.000 1.515 0.117 3.12 3.100 51.305 75.000 1.462 0.109 3.21 3.120 51.667 75.000 1.452 0.107 3.23 3.150 52.211 75.000 1.436 0.105 3.26 3.200 53.120 75.000 1.412 0.102 3.30 3.240 53.849 75.000 1.393 0.099 3.34 3.250 54.031 75.000 1.388 0.098 3.35 由表可知，H=3.12md、同理设计水深，采用试算法试算：HAQVV/2gH+V/2g2.600 42.380 60.000 1.416 0.102 2.70 2.650 43.261 60.000 1.387 0.098 2.75 2.700 44.145 60.000 1.359 0.094 2.79 2.750 45.031 60.000 1.332 0.090 2.84 2.760 45.209 60.000 1.327 0.090 2.85 2.780 45.564 60.000 1.317 0.088 2.87 2.790 45.742 60.000 1.312 0.088 2.88 由表可知，H=2.70m4.计算结果校核水位高程：H校核= 1974.0+3.12 = 1977.12mH0校核= 1974.0+3.23 = 1977.23m设计水位高程：H设计= 1974.0+2.70 = 1976.70mH0设计= 1974.0+2.79 = 1976.79m5.方案选定选用闸室总净宽12m，设3孔，每孔净宽4m，圆形中闸墩厚1.5m。2.2消能防冲设计2.2.1消力池的设计1.计算方法及公式按水闸设计规范SL265-2001附录B中公式（B.1.1-3B.1.1-4）计算：2.计算条件查表9.1，可知=（0.97-1.00），取=0.98。3.计算过程收缩断面水深hc计算如下：当Q=60.0m3/s时，q=5 m3/（sm），则：重复以上步骤，可得：hc3=0.058因为hc2与hc3非常接近，所以hc=0.06m同理，当Q=75.0m3/s时，q=6.25 m3/（sm），则：重复以上步骤，可得：hc3=1.101因为hc2与hc3非常接近，所以hc=1.10mB0qE0E01hchc0hc1hc01hc2hc02hc3hc03hchc12.000 0.417 0.980 2.790 3.230 0.057 0.053 0.058 0.058 0.058 0.058 0.058 0.058 0.06 0.75 12.000 0.833 0.980 2.790 3.230 0.115 0.107 0.117 0.117 0.117 0.117 0.117 0.117 0.12 1.04 12.000 1.250 0.980 2.790 3.230 0.172 0.160 0.178 0.178 0.178 0.178 0.178 0.178 0.18 1.25 12.000 1.667 0.980 2.790 3.230 0.230 0.214 0.240 0.239 0.240 0.240 0.240 0.240 0.24 1.42 12.000 2.500 0.980 2.790 3.230 0.345 0.320 0.368 0.366 0.370 0.370 0.370 0.370 0.37 1.68 12.000 4.167 0.980 2.790 3.230 0.575 0.534 0.645 0.639 0.655 0.654 0.657 0.657 0.66 2.02 12.000 4.583 0.980 2.790 3.230 0.632 0.587 0.719 0.711 0.734 0.732 0.736 0.736 0.74 2.07 12.000 5.000 0.980 2.790 3.230 0.690 0.641 0.795 0.786 0.815 0.814 0.820 0.819 0.82 2.12 12.000 5.417 0.980 2.790 3.230 0.747 0.694 0.873 0.862 0.901 0.899 0.908 0.907 0.91 2.15 12.000 5.833 0.980 2.790 3.230 0.805 0.748 0.954 0.940 0.992 0.988 1.002 1.001 1.00 2.18 12.000 6.250 0.980 2.790 3.230 0.862 0.801 1.037 1.021 1.087 1.083 1.103 1.102 1.10 2.19 其余不同单宽流量计算hc数值如下表所示消力池池深计算如下：d= hcj- ht = 0.75x1.05 - 0.57 = 0.223E0= E0+d = 3.23 + 0.223 = 3.453重复以上步骤可得：hc12=0.052、hc13=0.052，则：hc1=0.05同理，其他数值计算如下表所示：qjhchtE0E0dhc1hc1(1)hc1(2)hc1(3)hc1hc1Zd0.417 0.980 1.050 0.75 0.57 3.230 3.453 0.223 0.052 0.052 0.052 0.052 0.05 0.80 0.950 0.018 0.290 0.833 0.980 1.050 1.04 0.86 3.230 3.458 0.228 0.103 0.105 0.105 0.105 0.10 1.11 0.950 0.026 0.328 1.250 0.980 1.050 1.25 1.11 3.230 3.435 0.205 0.155 0.159 0.159 0.159 0.16 1.34 0.950 0.031 0.328 1.667 0.980 1.050 1.42 1.32 3.230 3.398 0.168 0.208 0.215 0.215 0.215 0.22 1.52 0.950 0.034 0.306 2.500 0.980 1.050 1.68 1.70 3.230 3.296 0.066 0.317 0.334 0.335 0.335 0.33 1.79 0.950 0.032 0.216 4.167 0.980 1.050 2.02 2.33 3.230 3.019 -0.211 0.552 0.611 0.619 0.619 0.62 2.10 0.950 -0.001 -0.123 4.583 0.980 1.050 2.07 2.47 3.230 2.937 -0.293 0.616 0.693 0.705 0.707 0.71 2.13 0.950 -0.019 -0.247 5.000 0.980 1.050 2.12 2.61 3.230 2.848 -0.382 0.683 0.783 0.801 0.805 0.81 2.15 0.950 -0.043 -0.396 5.417 0.980 1.050 2.15 2.74 3.230 2.753 -0.477 0.752 0.882 0.912 0.920 0.92 2.13 0.950 -0.078 -0.578 5.833 0.980 1.050 2.18 2.87 3.230 2.651 -0.579 0.825 0.995 1.044 1.060 1.06 2.08 0.950 -0.129 -0.809 6.250 0.980 1.050 2.19 2.99 3.230 2.541 -0.689 0.903 1.125 1.210 1.248 1.25 1.98 0.950 -0.215 -1.131 试算得知：当Q=10 m3/s时， d=d=0.34下泄水流对下游冲刷影响最严重，因此，设计消力池池深d=0.34m。消力池池长计算如下：LK=(0.70.8)LjLj=10.8hc1(Fr1-1)0.93结果如下表所示：Qqhc1hc1Fr1LjLK1LK2LK 5.000 0.417 0.05 0.80 11.203 4.875 3.412 3.900 3.656 10.000 0.833 0.10 1.11 7.838 6.768 4.737 5.414 5.076 15.000 1.250 0.16 1.34 6.289 8.088 5.661 6.470 6.066 20.000 1.667 0.22 1.52 5.329 9.082 6.358 7.266 6.812 30.000 2.500 0.33 1.79 4.123 10.422 7.295 8.338 7.817 50.000 4.167 0.62 2.10 2.729 11.130 7.791 8.904 8.347 55.000 4.583 0.71 2.13 2.463 10.872 7.611 8.698 8.154 60.000 5.000 0.81 2.15 2.210 10.380 7.266 8.304 7.785 65.000 5.417 0.92 2.13 1.961 9.570 6.699 7.656 7.178 70.000 5.833 1.06 2.08 1.706 8.286 5.800 6.629 6.215 75.000 6.250 1.25 1.98 1.431 6.162 4.313 4.929 4.621 试算得知：当Q=50 m3/s时，下泄水流对下游冲刷影响最严重，因此，设计消力池池长LK=9m。 消力池底板厚度计算：根据抗冲要求：当q= 4.17 m3/（sm），H=3.23m，消力池底板计算系数k1取0.2时，故消力池底板厚度取t=0.55m4.计算结果需在下游修建消力池，其中消力池池深d=0.34m,池长LK=9.0m，底板厚度取t=0.55m。2.2.2海幔设计1.海漫长度计算：当q= 4.17m3/（sm），H=3.23m，海漫长度计算系数Ks取10时，因此取海漫长度LP=27m2.海漫的布置与构造：海漫的材料采用浆砌石，其厚度为0.55m，浆砌石内设排水孔，下面铺设反滤层，在海漫起始段做10.0m长的水平段，其消力池末端顶面高程与海漫齐平，在海漫后半段做成1：15的斜坡，以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不被冲刷。3.防冲槽设计：取防冲槽的深度为2.0m，底宽b为4.0m，取顶端与海漫末端齐平，则上游坡率取m1=2，下游坡率取m2=1.5，由此得到消能防冲设计的相关尺寸如下图所示：三、防渗设计3.1地下轮廓的设计3.1.1底板的设计底板既是闸室的基础，又兼有防渗、防冲刷的作用。它既要满足上部结构布置的要求，又要满足稳定及本身的结构强度等要求。1.底板顺水流方向的长度L0：根据经验公式：L0=3.50H=3.50x3.23=11.31m为了满足上部结构布置的要求，L0必须大于交通桥宽度、工作桥、工作便桥及其之间间隔的总和，即取L0=12.0m。2.底板厚度d：根据经验，底板厚度为（1/61/8）闸室总净宽，由此初拟底板厚度d=1.20m。3.底板构造：底板采用钢筋混凝土结构，上下游两端各设1.0m深的齿墙嵌入地基，由于闸址处地基为淤泥，抵抗渗流变形的能力较差，由此必须在底板设置板桩，一般为上下游最大水位差的（0.81.0）倍，由水头大小可知上游端设板桩深为3.0m，下游端不设板桩。4.铺盖铺盖采用钢筋混凝土结构，其长度为上下游最大水位差的（35）倍，则取铺盖L=16.0m，铺盖厚度为0.60m。铺盖上、下游两端各设0.60m深的小齿墙，其头部不再设防冲槽，为了上游河床不被冲刷，铺盖上游设块石护底，厚为0.35m，其下设0.25m的碎石垫层。5.侧向防渗侧向防渗主要靠上游翼墙和边墩，则上游翼墙为曲线形式，从边墩向上游延伸一定距离后，以半径为0.70m的圆弧插入岸墙。6.排水、止水由于该闸址处渗透系数k=1.0x10-7m/s，所以上游侧不必设排水设施，另外，为了减小渗透压力，增加闸室的抗滑稳定性，需在下游消力池底部设排水孔。3.1.2防渗长度拟定L=CH=10x3.24=32.4m闸底板布置图如图所示：3.2渗流计算采用改进阻力系数法进行渗流计算1.地下轮廓线的简化2.确定地基的有效深度根据资料，闸基透水层深度很大，故在渗流计算中需取一有效深度代替实际深度。由地下轮廓线简化图可知：地下轮廓的水平投影长度；地下轮廓线垂直投影长度 ，故，则：，因为闸址处地基为淤泥，地基不透水层埋藏较深，所以以Te代替T，即：T = Te = 14m3. 渗流区域的分段和阻力系数的计算过地下轮廓的角点、尖点，将渗流区域分为8个典型段，如图所示1、8段为进出口段，2、4、5、7则为内部垂直段，3、6两段为内部水平段。相关计算的结果如下表：流段计算公式段号ST进口段和出口段11.2140.47882.2140.533内部垂直段20.612.80.04744.612.80.38154.011.80.35771.011.80.086内部水平段3S1=0.6S2=4.6T=12.8L=16.00.9666S1=4.0S2=1.0T=11.8L=12.00.7204.渗透压力计算校核洪水位时，H = 3.23m，根据水流的连续条件，经过各流段的单宽渗流流量均应相等。则有：（1）根据下式计算各分段的渗压水头损失值：进口段和出口段：内部垂直段： 内部水平段：（2）进、出口水头损失的修正进、出口修正系数的计算：式中：=11.8m T=12.8m =1.2+3=4.2m综上所述：=1，进出口水头损失不需要修正。计算各角隅点的渗压水头：由上游进口段开始，逐次向下游从作用水头值相继减去各分段水头损失值，即可求得各角隅点的渗压水头值： 渗透压水头损失分布图如下a.底板所受的渗透压力：b.铺盖所受的渗透压力：出口处逸出坡降计算：综上所述，渗流满足防渗要求。四、闸室布置1.底板底板的结构、布置、构造如上文所述。2.闸墩闸墩顺水流方向的长度取与底板相同，取12.00m：闸墩为钢筋混凝土结构，中墩厚为1.50m；边墩与岸墙合二为一，采用重力式结构。闸墩上游部分的顶部高程在泄洪时应高于设计或校核洪水位加安全超高；关闭闸门时应高于设计或校核洪水位加波浪计算高度加安全超高。水位高程安全加高波浪计算高程闸顶高程闸墩高度挡水时设计洪水位1976.790.30.21977.293.29校核洪水位1977.230.20.21