排水闸毕业设计最终版.docx

存档编号 华北水利水电大学North China University of Water Resources and Electric Power 毕 业 设 计题目 江苏某排水闸设计学 院 水利学院 专 业 水利水电工程 姓 名 雷锋 学 号 2010XXXX 指导教师 XXX 完成时间 2014.5.10 教务处制独立完成与诚信声明本人郑重声明：所提交的毕业设计是本人在指导教师的指导下，独立工作所取得的成果并撰写完成的，郑重确认没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。毕业设计作者签名： 指导导师签名： 签字日期： 签字日期：华北水利水电大学毕业设计目录第1章工程概况11.1 基本资料11.2建筑物级别11.3孔口设计水位11.4消能防冲设计11.5闸室稳定计算11.6地质资料21.7地震设计烈度21.8多年平均年最大风速21.9其它2第2章 孔口宽度确定32.1水闸形式的确定32.2孔口设计水位组合32.3堰型及堰顶高程的确定32.3.1 堰型的确定32.3.2堰顶高程的确定32.4闸孔宽度的确定32.4.1计算孔口净宽32.4.2 确定闸宽和孔数42.4.3 验算校核情况下的流量42.4.4验算实际过流能力6第3章 消能防冲设计83.1 消能防冲水位组合83.2 闸门初始开度及初始流量确定83.3 下游水位与流量关系93.4 消力池设计113.4.1消力池形式的选择113.4.2 消力池池深的计算123.4.3消力池池长的计算143.4.4消力池底板厚度计算153.4海漫设计163.4.1海漫的作用和构造173.4.2海漫长度的计算183.4.3 海漫构造设计183.5防冲槽设计193.5.1防冲槽作用和原理193.5.2河床冲刷深度计算193.5.3防冲槽尺寸确定20第4章 闸基渗流计算214.1设计计算水位组合214.2闸底地下轮廓线的布置214.2.1布置原则214.2.2地下了轮廓线布置214.2.3校核地下轮廓线的长度234.3闸基渗流计算234.3.1渗流计算目的234.3.2渗流计算方法244.3.3确定有效深度24第5章 闸室结构布置315.1闸底板设计315.2闸墩的设计325.2.1闸墩顺水流方向长度和闸墩高度325.2.2闸墩厚度门槽位置和尺寸的确定335.3闸门345.3.1闸门高度与形式345.3.2闸门重量和启闭机345.3.3 启闭设备的初步选定355.4工作桥355.4.1工作桥的形式和尺寸的拟定355.5交通桥365.6检修桥375.6闸室分缝布置与止水设置37第6章 闸室稳定计算386.1设计情况及荷载组合386.1.1设计情况选择386.2自重386.3水重396.4扬压力406.4.1浮托力计算406.4.2渗透压力计算406.5水平静水压力计算406.6浪压力计算426.7地基承载力验算446.8正常挡水期抗滑稳定和地基承载力验算466.8.1抗滑稳定验算486.8.2地基承载力验算48第7章 两岸连接建筑物布置497.1连接建筑物的作用497.2上下游连接建筑物布置497.2.1边墩497.2.2翼墙布置49参考文献 51致 谢 52附录53摘要本排水闸位于江苏某地势低洼地区，其主要作用是泄洪，兼挡潮、蓄水、辅助通航等。水闸由上游连接段、闸室、下游连接段组成三部分组成。上游连接段的作用是将上游来水平顺地引进闸室，并具有防冲和防渗等作用；下游连接段是引导过闸水流均匀扩散，通过消能防冲设施，以保证过闸水流不产生有害的冲刷；闸室段位于上下游连接段中间，是水闸工程的主体，其作用是控制水位，调节流量。水闸上游连接段包括渠底的铺盖、护底、上游防冲漕以及上游翼墙和护坡。闸室段包括闸底板、闸墩、胸墙、闸门、工作桥、交通桥等，闸室布置根据水闸挡水、泄水条件和运行要求，结合考虑地形、地质等因素进行布置。下游连接段包括下游河床部分的护坦（消力池）、海漫和防冲槽，及两岸的翼墙和护坡两大部分，其主要作用是改善水闸出流条件，提高泄水能力和消能防冲效果，确保下游和床和边坡稳定。水闸设计主要包括水力设计、闸基渗流计算、闸室结构布置、两岸连接建筑物布置、闸室稳定计算等。水闸的水利设计内容包括闸孔总净宽计算及闸孔尺寸确定、消能防冲设施的设计和闸门的控制运用方式拟定。对闸基进行渗流计算是为了计算水闸闸基地下轮廓线各点的渗压水头、渗流坡降、渗透流速等。闸室结构布置应根据相关要求和条件，以及相关因素进行布置，做到结构安全可靠，布置紧凑合理、施工方便、运用灵活、经济美观。 关键词 消能防冲设计 闸基渗流计算 闸室布置与构造 闸室稳定计算AbstractThe sluice is located in a row of low-lying areas of Jiangsu , whose main role is to flood , and tidal , water , assisted navigation and so on. Sluice segment consists of the upstream connection , chamber , connected downstream segment consists of three parts . The role of the upstream segment is connected horizontally along the upper reaches of the introduction chamber , and has anti- seepage red and so on ; downstream connection section is to guide the lockage water evenly spread through the energy dissipation facilities to ensure that water does not Guozha harmful erosion ; chamber connected downstream segment in the middle of the segment , is the main sluice project, whose role is to control the water level , adjust the flow. Upstream sluice canal connecting the end of the segment , including bedding , bottom protection , as well as the upstream scour the canal upstream wing walls and slope protection . Segment including brake chamber floor , pier , parapet , gate , bridge work , traffic bridges , retaining chamber is arranged according to the sluice , sluice conditions and operational requirements , combined with consideration of topography, geology and other factors layout. Connected downstream segment includes part of the riverbed downstream apron ( stilling basin ) , Sea Man and anti- notching , and both sides of the wing wall and slope of two parts , its main role is to improve the sluice outflow conditions to improve discharge capacity and consumption scour protection effect, to ensure downstream and bed and slope stability . Sluice design includes hydraulic design , gate -based flow calculation , chamber structural arrangement, connecting the two sides of buildings arranged chamber stability calculation. Design elements include water conservancy sluice gates and gate aperture overall width calculation to determine the pore size , the use of methods to control energy dissipation and erosion gate facility design and develop . Seepage calculation based on the gate in order to calculate the base under the sluice gates at each point contours osmotic pressure head , seepage gradient , flow rate, etc. penetration . Chamber structural arrangement should be based on the requirements and conditions , and related factors are arranged , so that the structure is safe and reliable , compact layout is reasonable, convenient construction , the use of flexible, economical and beautiful.KeywordsDesign of energy dissipation and erosion Gate base flow calculation Chamber layout and structure Chamber stability calculation第1章 工程概况1.1 基本资料江苏某市某地区地势低洼，排水通道不畅，常常小雨小灾、大雨大灾，严重影响当地经济发展，为此在排水河道末端兴建排水闸以疏通排水河道，加大排水能力，缩短排水时间，改善地区水利环境。1.2建筑物级别根据水闸设计过水流量和水闸设计规范（SL-265-2001）的平原区水闸枢纽工程分等指标知本工程规模属于中型，其主要建筑物级别为3级。1.3孔口设计水位表1-1 孔口设计水位表计算情况闸上水位（m） 闸下水位（m）过水流量（m3/s）设计情况 2.5m 2.4m 460m3/s校核情况 3.0m 2.4m 670m3/s1.4消能防冲设计表1-2 消能防冲设计水位表计算情况闸上水位（m）闸下水位(m)初始流量（m3/s）设计情况2.5-1.0由闸门开度确定校核情况3.0-1.2由闸门开度确定1.5闸室稳定计算表1-3 闸室稳定计算水位表计算情况闸上水位（m）闸下水位(m)设计情况2.5-2.0校核情况3.5-2.01.6地质资料本水闸持力层为中粗砂含少量砾石局部并夹有粘壤土质淤泥薄层，凝聚力黄褐或灰黄色c=0，摩擦角，取综合摩擦系数f=0.45，标准地基承载力88kPa。回填土采用粉砂土，其内摩擦角，湿容重，饱和容重为，浮容重。1.7地震设计烈度地震烈度601.8多年平均年最大风速1.9其它上下游河道断面相同均为梯形，河底宽分别为74m，河底高程-2.5m，边坡1:2。两岸路面高程为5.0m。第2章 孔口宽度确定2.1水闸形式的确定胸墙式一般用于上游水位变幅较大、水闸净宽又为低水头过闸流量所控制、在高水位时尚需用闸门控制流量的水闸，故本排水闸采用胸墙式。2.2孔口设计水位组合表2-1 孔口设计水位组合表计算情况闸上水位（m）闸下水位(m)过闸流量(m3/s)设计情况2.52.4460校核情况3.02.46702.3堰型及堰顶高程的确定2.3.1 堰型的确定宽顶堰结构简单、施工方便。本排水闸属于排水系统内的水闸，结合地基资料，采用平底板宽顶堰。2.3.2堰顶高程的确定取堰顶高程的与河底高程相同，为：-2.5m。2.4闸孔宽度的确定2.4.1计算孔口净宽设计情况：hs=2.5+2.4=4.9 m不计行进水头H0= 2.5 + 2.5 = 5 mhs/H0= 0.98 0.9 (处于高淹没度)查水闸设计规范(SL2652001） 表2-4得=0.986按水闸设计规范( SL2652001) 公式2-1 进行计算B0=（2-1）式中：B0闸孔总净宽（m）;Q过闸流量（m3）;H0计入行进流速水头的堰上水深;g重力加速度，可采用9.81(m/s2);淹没堰流的综合流量系数。通过式（2-1），求得B0=67.973 （m）。2.4.2 确定闸宽和孔数初拟闸孔数为7孔，宽度为10m。(710-67.973)67.973=3.0 （满足要求）2.4.3 验算校核情况下的流量表 2-2值b0/bs0.2 0.30.40.50.60.70.80.91.00.9090.9110.9180.9280.9400.9530.9680.9831.000表2-3 宽顶堰值hs/H00.720.750.780.800.820.840.860.880.900.911.000.990.980.970.950.930.900.870.830.80hs/H00.920.930.940.950.960.970.980.990.9950.9980.770.740.700.660.610.550.470.360.280.19表2-4 0值hs/H00.900.910.920.930.940.9500.9400.9450.9500.9550.9610.967hs/H00.960.970.980.990.9550.99800.9730.9790.9860.9930.9960.998校核情况:hs= 2.4 + 2.5 = 4.9 mH0= 3 + 2.5 = 5.5 m=0.890.72 采用水闸设计规范（SL265-2001）中公式2-2进行计算过流能力。(2-2)式中：B0闸孔总净宽（m）；堰流淹没系数，查表2-3得0.83；堰流侧收缩系数，对于多孔闸可按公式(2-3)计算求得；m堰流流量系数，可采用0.385；g重力加速度，可采用9.81（m/s2）。=zN-1+bN(2-3)式中：b边闸孔侧收缩系数，可以由表2-2查得，但表中bs为b0+dz2+bb；dz中闸墩厚度（m）；z中闸孔侧收缩系数，可由表2-2查得，但表中bs为b0+dz；堰流侧收缩系数；N闸孔数；bb边闸墩顺水流向边缘线至上游河道水边线之间的距离(m)。河道宽：104m选用平面钢闸门，门槽处的闸墩厚度不得小于11.5m，闸墩宽取1.2m，缝墩采用1.6m。闸室总宽：B=710+21.6+41.2=78m河道宽 B1=50100m =闸室宽/何道宽取=0.60.75 取0.75闸室宽/河道宽=78/104=0.75（满足要求）则dz=1.2那么 bs=bo+dz=10+1.2=11.2b0bs=1011.2=0.893670 (m3/s)（满足要求）2.4.4验算实际过流能力设计情况：hsH0=0.980.9 属于高淹没度，按公式2-4进行计算Q实=0hsB02g(H0-hs)（2-4）式中：0淹没堰流的综合流量系数，由表2-4查得 0.986；根据以上公式求得Q实=0.9864.97029.81（5.0-4.9）=473.719 m3/sQ实-Q设Q设100%=473.719-460460=2.98%5%校核情况超过了规定5%的要求，说明孔口尺寸有些偏大，但考虑到设计情况满足要求，所以不再进行孔口尺寸调整。闸孔布置图如下图：图2-1 闸孔布置图第3章 消能防冲设计3.1 消能防冲水位组合表3-1消能防冲设计水位组合表计算情况闸上水位（m）闸下水位(m)初始流量()设计情况2.5-1.0初始流量由闸门开度确定校核情况3.0-1.23.2 闸门初始开度及初始流量确定e/H0.65，为闸孔出流，计算流量采用闸孔出流公式:Q=be2gH（3-1）e/H0.65,为堰流，计算流量采用堰流公式: Q=mb2gH032（3-2）式中：孔流淹没系数；流量系数，=0.60-0.176eH；b闸孔宽度（m）；H闸前水深（m）；m堰流流量系数，采用0.385；跃后水深计算公式：hc=hc2(1+8vc2ghc-1) （3-3）式中：hc收缩水深，；vc收缩断面流速，vc=22gH；2垂直收缩系数；g重力加速度，取9.81 m2/s；e闸门初始开度。具体计算结果如表3-2所示表3-2闸门初始开度与初始流量计算表参数eHe/H2hcvchcQ设计情况0.550.10.6150.308 0.582 9.373 2.200 28.822 0.7550.150.6180.464 0.574 9.199 2.607 42.639 1.550.30.6250.938 0.547 8.668 3.350 81.267 2.550.50.6451.613 0.512 7.862 3.774 126.778 350.60.661.980 0.494 7.413 3.823 190.662 校核情况0.55.50.091 0.6110.306 0.584 9.929 2.332 30.333 0.755.50.136 0.6170.463 0.576 9.698 2.757 44.876 1.55.50.273 0.6230.935 0.552 9.204 3.578 86.012 2.55.50.455 0.6381.595 0.520 8.467 4.096 135.044 35.50.545 0.6481.944 0.504 8.080 4.207 157.066 3.3 下游水位与流量关系根据水闸所在河流横断面图，绘制下游水位与流量关系曲线。用明渠均匀流公式进行计算，公式如下：（3-4）（3-5）（3-6）式中：A过流断面面积（）；Q下泄流量，（）；C谢才系数，（）；R水力半径，（m）；n糙率，拟定n=0.035；过水断面湿周（m）； i渠道底坡，拟定i=1/4500 ；其中，b=74（m）m=2 具体计算结果如表3-3表3-3下游水位与下泄流量关系曲线表下游水位hs (m)过水面积 A (m2)湿周(m)水力半径 R (m)谢才系数C (m)下泄流量Q (m3/s)0.860.4877.578 0.780 27.410 23.144 0.968.2278.025 0.874 27.939 28.179 17678.472 0.968 28.419 33.608 1.291.6879.367 1.155 29.267 45.597 1.4107.5280.261 1.340 29.998 59.027 1.6123.5281.155 1.522 30.643 73.833 1.8139.6882.050 1.702 31.221 89.965 215682.944 1.881 31.744 107.379 2.2172.4883.839 2.057 32.222 126.039 2.4189.1284.733 2.232 32.662 145.914 2.6205.9285.628 2.405 33.071 166.977 2.8222.8886.522 2.576 33.452 189.207 324087.416 2.745 33.809 212.581 3.4274.7289.205 3.080 34.463 262.699 3.8310.0890.994 3.408 35.049 317.212 4.2346.0892.783 3.730 35.581 376.025 4.6382.7294.572 4.047 36.068 439.066 通过计算表绘制下游水位与下泄流量关系图，如图3-1图3-1 下游水位与下泄流量关系图3.4 消力池设计3.4.1消力池形式的选择消能方式采用底流消能，消力池的作用是促成水跃，并保护地及免受冲刷，其主要形式有3中：1、挖深式消力池，即将抵护坦高程所形成的消力池；2尾坎式消力池，及护坦高程不降低，在其末端修建消能坎形成的平底效能；3、综合式消力池，是一种常用的、既有挖深又筑有低坎的消力池型式。由表3-2计算结果分析，闸下水深1.5m远小于跃后水深4.207m，故采用挖深式消力池。3.4.2 消力池池深的计算表3-4 消能防冲设计计算水位组合表计算情况闸上水位（m）闸下水位（m）初始流量（m3/s）设计情况2.5-1.028.822校核情况3.0-1.230.333消力池池深计算挖深式消力池，消力池的池深应满足下列条件:d=0hc-hs-z（3-7） hc=hc21+8q2ghc3-1b1b20.25=hc21+8Fr2-1b1b20.25（3-8） hc3-T0hc3+q22q2=0（3-9）z=q22g2hs2-q22ghc2（3-10）T0=H0+d（3-11）式中：d消力池深度(m);0水跃淹没系数，可采用1.051.10;hc跃后水深(m);hc收缩水深(m);水流动能校正系数，可采用1.01.05;q过闸单宽流量m3/(sm);b1消力池首端宽度(m);b2消力池末端宽(m);T0消力池池地板算起的总势能(m)；z出池落差（m）；hs出池河床水深（m）；H0闸前总水头（m）；Fr跃前端面水流的弗劳得数流速系数，一般取0.95；池深计算方法：求池深d值时，需采用试算法。初次试算时，可按d1=0h”c-hs拟定，其中h”c是未设消力池前的跃后水深。求得d1值后，可先算出设消力池以后的T0、hc、h”c以及z诸值，推求hc、h”c时也许采用试算法，也可借助其他图表；共轭水深比和弗劳得数的关系表。水闸中表3-10，水闸/陈宝华等编著.北京：中国水利水电出版社，2003。然后将所求数据代入原公式，反算水跃淹没系数0，如能满足0=1.051.10,的条件，则池深是合适的，否则则需继续进行计算，直至满足条件为止。按照一孔开启和三孔开启制度进行计算,开启三孔泄放时，以隔孔开启为最好。只开中间三孔，下游两侧回流会压缩主流，使单宽流量加大，对消能不利。不对称开启闸门，下游流态更加恶劣，应予以避免。如果五孔齐开，或者七孔齐开，所需的池深自然要小一些。消力池具体计算结果见表3-4表3-4消力池计算表参数AQVqT0hchczd0hs设计情况一孔开启528.8225.7642.8826.3460.2782.4680.3701.3461.099 0.996 7.542.6395.6854.2646.5010.4113.0050.5421.5011.100 1.262 1581.2675.4188.1276.6610.7984.1090.8441.6611.070 1.891 25126.7885.07212.6796.7951.2835.0531.5461.7951.098 2.205 30190.6226.35419.0626.2462.2725.7102.0381.2461.067 2.806 三孔齐开1586.4665.7642.8825.6750.3032.3650.0820.6751.058 1.745 22.5127.9175.6854.2645.6620.4552.8540.1320.6621.051 2.206 45243.8015.4188.1275.4350.9083.8520.1560.4351.050 3.250 75380.3645.07212.6795.1511.5994.5280.2530.5511.0614.000 校核情况一孔开启530.3336.0673.0336.890 0.2802.5860.3931.3901.099 1.059 7.544.8765.9834.4887.101 0.4123.1550.5761.6011.100 1.294 1586.0125.7348.6017.458 0.7924.3651.0931.8911.0981.799 25135.0445.40213.5047.456 1.2935.3631.5501.9561.091 2.345 30157.0665.23615.7077.529 1.5235.7461.6822.0291.098 2.599 三孔开启1590.9996.0673.0336.261 0.3032.4900.0840.7611.064 1.804 22.5134.6285.9834.4886.278 0.4533.0110.1280.7781.050 2.255 45258.0365.7348.6016.050 0.9014.0920.1390.6501.051 3.386 75405.1325.40213.5045.606 1.6044.5140.2380.1061.0514.400 根据以上计算结果，取消力池池深为2.04（m）。3.4.3消力池池长的计算消力池长度计算按照水闸设计规范（SL265-2001）中公式B.1.2-1和B.1.2-2进行计算。Lsj= Ls+Lj（3-12）Lj=6.9（hc-hc）（3-13）式中：Lsj消力池长度（m）；Ls消力池斜坡段水平投影长度（m）；水跃长度校正系数，可采用0.70.8；Lj水跃长度（m）。最大池深时对应的h”c=5.053m hc=1.283m,取=0.75，斜坡段坡度采用1:4,平台宽度采用1.0m；则，Ls=4d=42.04=8.16mLj=6.9（5.746-1.523）=29.262mLsj=0.5+8.16+0.7529.262=30.607m池长取30.7m3.4.4消力池底板厚度计算消力池底板厚度可根据抗冲和抗浮要求，按SL265-2001水闸设计规范中公式B.1.3-1和B.1.3-2进行计算，并取最大值。抗冲： t=k1qH（3-14）抗浮： t=k2U-WPmb（3-15）式中：t消力池底板始端高度（m）；H闸孔泄水时的上下游水位差（m）；k1消力池底板计算系数，可采用0.150.20；k2消力池底板安全系数，可采用1.101.30；U作用在消力池地板上的扬压力（kpa）；W作用在消力池底板上的水重（kpa）；Pm作用在消力池底板上的脉动压力，其值可取跃前断面流速水头值的5%，通常计算消力池底板前半部的脉动压力时取“+”号，计算消力池底板后半部分的脉动压力时取“”号；b消力池底板的饱和重度（KN/m3）；q确定池深时的过闸单宽流量m3/（sm）。K1取0.15, q=15.707m3/(sm) H=5-2.599=2.401mt=0.1515.7072.401=0.740m由于本工程上下游水位差与消力池底板以上的水深相比很小，即 U0.5m；n为下游边坡系数）。拟定防冲槽深度dm=2m，底宽d=22=4m，上游坡度系数m=2，下游坡率n=3。海漫防冲槽构造如图3-3图3-3 海漫防冲槽构造第4章 闸基渗流计算4.1设计计算水位组合表4-1 设计计算水位组合表计算情况闸上水位闸下水位设计情况2.5-2.0校核情况3.5-2.04.2闸底地下轮廓线的布置4.2.1布置原则防渗设计一般采用防渗和排水相结合的原则，即在高水位采用铺盖、板桩、齿墙等防渗设施，用以延长渗径减小渗透坡降和闸底板下的渗透压力；在低水位侧设置排水设施，如面层排水，排水孔排水或减压孔与下游相连，使地下渗水尽快排出，以减小渗透压力，并防止在渗流出口处发生渗透变形。4.2.2地下了轮廓线布置1、闸基防渗长度的确定防渗长度初拟值按下式计算:L=CH（4-1）式中:L闸基防渗长度，包括水平段、铅直段和倾斜段；H上、下游最大水位差（m）；C允许渗径系数，按水闸设计规范（SL265-2001 ）表4.3.2选用；本水闸持力层为中粗砂含少量砾石局部并夹有粘壤土质淤泥薄层，查表取C=5。校核情况下发生上下游最大水位差，最大水位差为H=5.5m通过式4-1进行计算：L=CH=55.5=27.5m2、防渗设备本水闸持力层为中粗砂含少量砾石局部并夹有粘壤土质淤泥薄层，根据水闸设计规范（SL 265-2001）4.3.6规定闸室上游可采用铺盖和悬挂式防渗墙相结合的布置形式，闸室下游渗流出口处应设虑层。3、防渗设备尺寸和构造（1）闸底板长度和厚度拟定根据闸室底板的型式，并考虑闸上结构布置和地基承载能力两方面要求来综合考虑，拟定闸底板顺水流方向的长度L底L底=AH（4-2）式中：A对于砂砾石地基可取1.52.0，对于砂土、砂壤土地基可取2.02.5，对于黏壤土地基可取2.03.0，对于黏土地基可取2.53.5；H上下游最大水位差，5.5m；通过式4-2进行计算：L底=AH=5.52.0=11.0m考虑闸上结构布置、地基承载能力和上部结构要求净宽，取L底=15m。根据水闸设计规范（SL265-2001）实施指南4.2.9条规定：对于大、中型水闸，闸室平底板厚度可取闸孔净宽的1/61/8,其值约为1.02.0m，最小厚度不宜小于0.7m。闸底板厚度t=1610=1.67，初拟为1.7m水闸设计规范（SL265-2001）4.3.9条规定；闸底地板上、下游断均宜设置齿墙，齿墙深度可采用0.51.5m，采用1.0m。(2)铺盖长度和厚度的确定根据水闸设计规范SL 265-2001 4.3.10规定：铺盖长度可根据闸基防渗需要确定，一般用上、下游最大水位差的35倍。钢筋