新瓜洲水闸设计说明书.doc

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-1.8m。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（SL265-2001）（以下简称闸规）附录A.0.3，采用下列公式进行计算： A.0.3-1 A.0.3-2 A.0.3-3 A.0.3-4式中:过闸设计流量，； 孔口高度，取6.0m； 自堰顶算起的下游水深，为7.7m； 计入行近流速水头的堰上水深，；孔流淹没系数，由表A.0.3-2查得，表中为跃后水深，计算，计算，计算=0.84, 查表得=0.295；计算系数，由公式A.0.3-4计算求得，式中取0.2，由=0.016孔流垂直收缩系数，由公式A.0.3-3计算求得，孔流流量系数，由公式A.0.3-2计算求得， 经计算，取，5孔，单孔6.0m。,经经复核得实际流量，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5.4m，闸下水位2.75m，流量Q=320m3/s。1）消力池深度计算采用挖深式消力池。-a-b-c-d式中：消力池深度（m）；水跃淹没系数，可采用1.051.10，本设计取用1.10；水流动能校正系数，可用1.01.05，本设计取1.05；为跃后水深（m）；收缩水深（m）；过闸单宽流量（m3/s）；消力池首端宽度（m），取=30m；消力池未端宽度（m），取=35m；出水池落差（m）；出水池河床水深（m）；流速系数，一般取0.95。通过试算法求d，先假定d=0.5m，T0=5.4+1.8+0.5=7.7m，把以上各数值代入以上各式： 计算=1.0m。 ，为安全起见，取。2）消力池长度a、水跃长度计算b、消力池长度计算，实取池长为19.0m。式中：水跃长度修正系数，一般取0.70.8，本设计取0.7。3）消力池底板厚度a、根据抗冲要求：式中：消力池底板始端厚度，m； 闸孔泄流时的上下水位差，； 消力池底板计算系数，可采用0.150.20，本设计取0.15； 消力池进口处的单宽流量，。b、根据抗浮要求：式中：消力池底板安全系数，可采用1.11.3，本设计采用1.2；作用在消力池底板底面的扬压力，kN；U=(2.75+1.8+0.8+0.77)9.8=60.0 kPa；作用在消力池底板上的脉动压力，kN；Pm= kPa；作用在消力池底板顶面的水重，kN；W=(2.75+1.8+0.8)9.8=52.4 3kN；gb消力池底板的饱合重度，gb=24 kN/m3；经计算得t=0.39m。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0.65m。（2）反向运行工况设计水位流量组合：闸上水位3.81m，闸下水位5.0m，流量Q=165m3/s。1）消力池深度计算采用挖深式消力池。-a-b-c-d式中：消力池深度（m）；水跃淹没系数，可采用1.051.10，本设计取用1.10；水流动能校正系数，可用1.01.05，本设计取1.05；为跃后水深（m）；收缩水深（m）；过闸单宽流量（m3/s）；消力池首端宽度（m），取=30m；消力池未端宽度（m），取=35m；出水池落差（m）；出水池河床水深（m）；流速系数，一般取0.95。通过试算法求d，先假定d=0.5m，T0=5.0+1.8+0.5=7.3m，把以上各数值代入以上各式： 计算=0.52m。 ，取。2）消力池长度a、水跃长度计算b、消力池长度计算，实取池长为15.0m。式中：水跃长度修正系数，一般取0.70.8，本设计取0.7。3）消力池底板厚度a、根据抗冲要求：式中：消力池底板始端厚度，m； 闸孔泄流时的上下水位差，； 消力池底板计算系数，可采用0.150.20，本设计取0.15； 消力池进口处的单宽流量，。b、根据抗浮要求：式中：消力池底板安全系数，可采用1.11.3，本设计采用1.2；作用在消力池底板底面的扬压力，kN；U=(3.81+1.8+0.5+0.45)9.8=64.3 kPa；作用在消力池底板上的脉动压力，kN；Pm= kPa；作用在消力池底板顶面的水重，kN；W=(3.81+1.8+0.5)9.8=59.88kN；gb消力池底板的饱合重度，gb=24 kN/m3；经计算得t=0.24m。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0.5m，实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； 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，取13； 消力池末端单宽流量，。经计算，在公式适用使用范围19之间，则，实取50.0m。B、反向设计工况1）海漫长度式中: 海漫长度，m； 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，取13； 消力池末端单宽流量，。经计算，在公式适用使用范围19之间，则，实取30.0m。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50.0m。水平段海漫长度为10.0m，斜坡段海漫长度为40.0m，落差2.0m。反向海漫：共长30.0m。水平段海漫长度为8.0m，斜坡段海漫长度为22.0m，落差1.1m。前段水平段海漫采用M10浆砌块石结构，浆砌石层厚35cm，下铺碎石、中粗砂垫层，层厚15cm。后段斜坡段海漫采用干砌块石结构，层厚35cm，下铺碎石、中粗砂垫层，层厚15cm。（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，；为河床土质允许不冲流速，查表得=0.8m/s；为海漫末端河床水深，。经计算，。根据上式计算的值较大，如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1.52.0m，所以此处防冲槽深度取2.0m，槽底宽约为（12）倍槽深，取2.0m，上游坡度系数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，；为河床土质允许不冲流速，查表得=0.8m/s；为海漫末端河床水深，。经计算，。此处防冲槽深度取1.5m，槽底宽约为（12）倍槽深，取2.0m，上游坡度系数m=4，下游坡度根据施工开挖情况而定，暂取m=2。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：为闸基防渗长度，m；为上下游水位差，按闸上下游出现的最大水位差为5.4m；为允许渗径系数值，土质为灰色极细砂夹砂壤土,查闸规值范围为97，选用8。经计算，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L0=36.5m，地下轮廓垂直投影长度S0=6.0m，L0/S0=6.085，因地下不透水层没有交待，则有效深度确定为。（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和水头值。首先计算阻力系数，如下：第1段（进口段）： 将S=0.5，T=15.6代入，得第2段（消力池齿墙水平段）：将S1=0，S2=0，L=0.5，T=14.1代入上式，得第3段（消力池齿墙垂直段）：将S=0.5，T=14.6代入，得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将S=1.5，T=14.1，T=15.6代入上式得,h2=0.06，又hh2+h3，故h2=2h2=0.12，h3=2h3=0.08，h4=h4+h-(h2+h3)=1.44，渗压水头修正范围。2）出口处水头损失修正将S=0.75，T=13.6，T=14.35代入上式得,h9=0.10，又hh8+h9，故h9=2h9=0.20，h8=2h8 =0.20，h7=h7+h-(h8+h9)=1.21，渗压水头修正范围。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123456789100.450.040.030.970.360.360.880.070.070.450.660.060.041.420.530.531.290.100.100.66修正后0.440.120.081.440.530.531.210.200.200.34（4）出口段、水平段渗透坡降演算渗流出口段：采用公式 基底土质为极细砂夹砂壤土，查表得 ，渗流出口处有滤层，根据规范，可增大30%，即，取J=0.455，故闸基渗流满足规范要求。 水平段：采用公式 查表得 ，渗流出口处有滤层，根据规范，可增大30%，即，取J=0.10，故闸基渗流满足规范要求。四、闸室布置与构造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2.03.5倍，最大水头差为5.4m，并结合闸室上部结构布置，长度初步拟定为17.5m。（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1.02.0m，最薄不宜小于0.7m。本水闸闸室净宽为6.0m，底板厚度取为1.0m。底板底部在上下游处设齿坎，深1.0m，厚1.0m。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17.5m。（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1.61.8，门槽尺寸确定为30*60cm。（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1.0m，边墩厚度取为1.25m。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1.0m，挡水时最高挡水位的安全超高应不小于0.5m。1）上游闸墩顶部高程计算上游为古运河方向，设计洪水位6.2m。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=6.2+1.0=7.2m取上游闸墩顶部高程7.2m。2）下游闸墩顶部高程计算下游为长江方向，设计防洪水位7.8m。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8.05m。闸前水面宽度L=34 m，吹程D=1000m5L=534=170m，取计算吹程170 m。吹程范围内平均水深Hm=9.6m，风速V10=25m/s。由规范公式（E.0.1-1）计算得平均波高hm=0.18 m。该闸为2级建筑物，波列累积频率为2%，由hm/Hm=0.018,查水闸设计规范表E.0.1-2得波高与平均波高比值hp/hm=2.23，则波高hp=2.230.18=0.40m 。波周期计算由（E.0.1-2）式得波周期Tm=1.89s。平均波长计算由式（E.0.1-3），求得平均波长Lm=6.22m。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=0.08m 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 =7.8+0.40+0.08+0.5=8.78 m取下游墩顶高程为8.8m。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=7.8m。工作桥桥面高程=8.8+7.8=16.6m。工作桥桥面总宽4m，净宽3.5m。4、交通桥桥交通桥布置在古运河一侧，其设计等级为汽-15，挂-80校核，桥面净宽8m，总宽9m。面梁结构采用C30钢筋混凝土铰接板梁，板长6.5m，板厚28cm，每块板宽100cm。桥面顶高程为7.2m，梁底高程为6.82m，桥面支承采用橡胶板式支座，厚2cm。5、胸墙根据闸孔泄流要求，胸墙底部高程确定为4.2m，胸墙顶部高程与闸顶平齐，高程确定为8.8m。胸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30cm，上梁高度（水平向）结合检修便桥布置取为90cm，下梁高度（水平向）取为105cm，即闸孔宽度的1/6。五、闸室稳定分析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1.0米以下)完建期稳定计算表部位公式垂直力力臂力矩kNm(kN)(m)顺时针逆时针结构自重上游底齿坎1.5*1*36.4*2513650.65 887.3 下游底齿坎1.5*1*36.4*25136516.85 23000.3 底板36.4*1*17.5*25159258.75139343.8边墩(高程4.4以下)17.5*1.2*6.2*25*265108.7556962.5边墩(高程4.4以上、上游9.5米段)2.8*1.2*9.5*25*215964.757581边墩(高程4.4以上、中间5.5米段)5.5*2.8*0.9*25*269312.258489.3边墩(高程4.4以上、下游2.5米段)4.4*2.5*1.2*25*266016.2510725中墩(高程4.4以下)17.5*6.2*1.0*25*4108508.7594937.5中墩(高程4.4以上、上游9.5米段)9.5*1.0*2.8*25*426604.7512635中墩(高程4.4以上、中间5.5米段)5.5*2.8*0.4*25*461612.257546中墩(高程4.4以上、下游2.5米段)4.4*2.5*1.0*25*4110016.2517875排架(4*0.75*1+7.65*3*0.4)*25*4121813.516443胸墙0.3*3.8*6*4*2568415.1510362.6工作桥(0.85*0.3*4+0.15*4)*36.4*251474.213.519901.7交通桥桥面系(0.3*9+0.5*0.25*2+0.15)*25*36.428215.014105检修桥(0.9*0.8+1.2*0.8)*6*25*5126016.2526325闸门33013.65 4504.5 启闭机1013.65 136.5 启闭机房0.25*4*(36.4*2+8)*23+0.2*4*36.4*24172013.5 23221.1小计52857.2494982.10合计52857.2494982.1完建期稳定计算成果表偏心距e =0.61m偏下游偏心力矩 =32242.9 kNm顺时针=100.4 kN/m2P=150kPa65.55 kN/m2P=1.53 =2,满足要求(2) 正向稳定(闸上水位4.8m,闸下水位-0.4m)1) 正向设计正向设计稳定计算表部位垂直力(kN)水平力(kN)力臂力矩kNm(m)结构自重52857.2494982.1 上游水重264336.675 176440 下游水重560715.725 88170 上游水压力1(止水上)08570.0 4.0 34280上游水压力2(止水下)02815.2 0.85 2392.9上游水压力3(止水下)0520.2 0.57 296.5下游水压力1(止水上)0-352.8 2.3 -811.4下游水压力2(止水下)0-673.2 0.85 -572.2下游水压力3(止水下)0-520.2 0.57 -296.5波浪压力0343.08 7.86 2696.6浮托力1-63708.75 -55737.5浮托力2-546.00.78 -425.9浮托力3-546.016.72-9129渗透压力1-96588.7500 -84743.8渗透压力2-2229.55.83 -12996.8合计65547.710702.28634545正向设计稳定计算成果表偏心距e =-0.93m偏下游偏心力矩 =60959 kNm顺时针Pmax=134.8 kN/m2P=150kPaPmin=72.03 kN/m2P=1.87 Kc=1.32)正向校核(闸上水位4.8米,闸下水位-0.6米)正向设计稳定计算表部位垂直力(kN)水平力(kN)力臂力矩kNm(m)结构自重52857.2494982.1 上游水重264336.675 176440 下游水重560715.725 88170 上游水压力1(止水上)08570.0 4.0 34280上游水压力2(止水下)02815.2 0.85 2392.9上游水压力3(止水下)0520.2 0.57 296.5下游水压力1(止水上)0-312.5 2.3 -718.75下游水压力2(止水下)0-607.2 0.85 -516.12下游水压力3(止水下)0-483 0.57 -275.31波浪压力0343.08 7.86 2696.6浮托力1-63708.75 -55737.5浮托力2-546.00.78 -425.9浮托力3-546.016.72-9129渗透压力1-92668.7500 -81077.5渗透压力2-2143.55.83 -12496.6合计66025.710845.78638881.42正向校核稳定计算成果表偏心距e =-0.926m偏下游偏心力矩 =61162 kNm顺时针=135.8kN/m2P=150kPa71.5kN/m2P=1.89 Kc=1.3(3) 反向设计 设计工况:闸上水位4.80米,闸下水位7.80米反向设计稳定计算表部位垂直力(kN)水平力(kN)力臂力矩kNm(m)结构自重52857.2494982.1 上游水重264336.675 176440 下游水重1022415.725 160772.4 上游水压力1(止水上)08570.0 4.0 34280上游水压力2(止水下)02815.2 0.85 2392.9上游水压力3(止水下)0520.2 0.57 296.5下游水压力1(止水上)0-17641.85.0-88209下游水压力2(止水下)0-16280.85-1383.8下游水压力3(止水下)0-5200.67-348.4波浪压力0343.08 7.86 2696.6浮托力1-63708.75 -55737.5浮托力2-546.00.78 -425.9浮托力3-546.016.72-9129渗透压力1-56708.75-49612.5渗透压力2-967511.67-112907.3合计66707.2-7541.32554107.1偏心距e =0.44 m偏下游偏心力矩 =29580.9kNm顺时针=120.4kN/m2P=150kPa89.0kN/m2P=1.35 Kc=1.3(4) 反向校核设计工况:闸上水位4.80米,闸下水位8.05米反向设计稳定计算表部位垂直力(kN)水平力(kN)力臂力矩kNm(m)结构自重52857.2494982.1 上游水重264336.675 176440 下游水重1049015.725 164959上游水压力1(止水上)08570.0 4.0 34280上游水压力2(止水下)02815.2 0.85 2392.9上游水压力3(止水下)0520.2 0.57 296.5下游水压力1(止水上)0-185445.0-88209下游水压力2(止水下)0-17900.85-1522.2下游水压力3(止水下)0-6240.67-418波浪压力0343.08 7.86 2696.6浮托力1-63708.75 -55737.5浮托力2-546.00.78 -425.9浮托力3-546.016.72-9129渗透压力1-70078.75-61311渗透压力2-1035111.67-120799合计64960.2-8709.52538495.5偏心距e =0.46 m偏下游偏心力矩 =29905 kNm顺时针=118.3 kN/m2P=150kPa85.7 kN/m2P=1.38 Kc=1.3经计算，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5535kN作用于闸墩上的铅直力总和A17.3m2闸墩底面积3266.5kNm引用闸室稳定计算成果数据Ix446.6m4墩底截面对形心轴的惯性矩x8.75m墩底水平截面的形心轴至上游端的距离偏心矩e=-1.4m偏下游smax=383.9kPasmin=255.9kPa (2) 正向设计荷载名称铅直力(kN)水平力(kN)力臂(m)弯矩(kNm)闸墩及上部结构重量55353266.5上游水压力0217.82.2479.2下游水压力-9.80.47-4.6小计5544.8217.83741.1偏心矩e=-0.93m偏下游smax=394.0kPasmin=247.0kPa(3)反向校核荷载名称铅直力(kN)水平力(kN)力臂(m)弯矩(kNm)闸墩及上部结构重量55353266.5上游水压力0217.82.2479.2下游水压力0-460.83.2-1474.6小计5535-2432271.1偏心矩e=-0.44m偏下游smax=364.4kPasmin=275.4kPa (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 式5.2.2-4N-轴向力设计值。取结构重要性系数g0=1，设计状况系数y=1，则N=553511=5535 kNgd -结构系数。素砼结构，gd=1.0。jj素砼构件的稳定系数，j=1.0。fc-砼轴心抗压强度设计值。C25砼，fc =12.50 N/mm2b=1.0m，h=16m。代入式5.2.2-4，公式右边=160104.3 kN墩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：-0.60 m。T0为作用于脱离体上水平作用力的总和,计算得1603.9kN;A为门槽截面的面积,A=4.24m2;M0为全部荷载对门槽截面中心的力矩和,计算为5208.9kN*m;I为门槽截面对中心轴的惯性矩,计算得39.7m3;h为门槽高度,为10.6m计算得砼轴心抗拉强度设计值fl=1.30 N/mm2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 =0.61m偏下游偏心力矩 =32242.9 kNm顺时针=100.4 kN/m2P=150kPa65.55 kN/m2P正向设计稳定计算成果表偏心距e =-0.93m偏下游偏心力矩 =60959 kNm顺时针Pmax=134.8 kN/m2P=150kPaPmin=72.03 kN/m2P正向校核稳定计算成果表偏心距e =-0.926m偏下游偏心力矩 =61162 kNm顺时针=135.8kN/m2P=150kPa71.5kN/m2P反向设计稳定计算表偏心距e =0.44 m偏下游偏心力矩 =29580.9kNm顺时针=120.4kN/m2P=150kPa89.0kN/m2P反向校核偏心距e =0.46 m偏下游偏心力矩 =29905 kNm顺时针=118.3 kN/m2P=150kPa85.7 kN/m2P2、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11.1结构自重37000.115857.21.2水重1.3扬压力1.4地基反力-35056.72-18214.271.5不平衡力-906.90906.901.6不平衡剪力906.90-906.901.7底板不平衡剪力117.41-75.921.8闸墩不平衡剪力789.49-830.981.9单个中墩平衡剪力131.58-138.501.10单个边墩平衡剪力131.58-138.502单个中墩集中荷载343.93466.773单个边墩集中荷载258.39328.614集中力矩 (kNm)328.69 426.72 5均布荷载6边荷载强度 (kN/m)136.81482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11.1结构自重37000.115857.21.2水重10848.001.3扬压力-12688.07-4577.541.4地基反力-31557.23-15296.161.5不平衡力752.52-752.521.6不平衡剪力-752.52752.521.7底板不平衡剪力-97.4262.991.8闸墩不平衡剪力-655.10689.531.9单个中墩平衡剪力-109.18114.921.10单个边墩平衡剪力-109.18114.922单个中墩集中荷载290.62520.693单个边墩集中荷载205.08382.534集中力矩 (kNm)278.50432.935均布荷载0.5706边荷载强度 (kN/m)95.67112.47反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11.1结构自重37000.115857.21.2水重10170.0010293.001.3扬压力-24851.26-12199.941.4地基反力-24792.34-11890.451.5不平衡力-5323.785323.781.6不平衡剪力5323.78-5323.781.7底板