水工建筑物水闸课程设计

目目 录录 一 一 基本设计资基本设计资料料 1 1 1 基本概述资料 1 2 水流量资料 1 3 闸基土质资料 2 4 其他资料 2 5 水闸设计标准 2 二 闸址选择二 闸址选择 3 三 总体枢纽布置三 总体枢纽布置 3 1 拦河闸的布置 3 2 闸室段的布置 3 3 上游连接段的布置 3 4 下游连接段的布置 4 四 水力计算四 水力计算 4 1 闸孔设计 4 2 消能防冲设计 7 3 海漫设计 9 五 防渗排水设计五 防渗排水设计 10 1 地下轮廓设计 10 2 防渗计算 11 六 六 闸室的布置与稳定分析闸室的布置与稳定分析 1515 1 闸室结构布置 15 2 荷载及其组合 18 3 闸室稳定计算 23 七 七 闸室结构设计闸室结构设计 2525 1 闸墩设计 25 2 底板结构设计 25 八 基础处理八 基础处理 2929 九 主要参考文献九 主要参考文献 3030 1 一 基本设计资料一 基本设计资料 1 1 基本概述资料 基本概述资料 本工程是西通河灌区第一级抽水站的拦河闸 其主要任务是拦蓄西通河的河水 抬高水位满足抽水灌溉的需要 洪水期能够宣泄洪水 保证两岸农田不被洪水淹没 2 2 水位流量资料 水位流量资料 根据规划要求 在正常蓄水时下泄流量为Q 0 3 ms 上游水位为 H 正 198 0m 此时对应的下游水位 H 195 0m 在校核洪水时灌区下泄流量为Q 核 79 7 3 ms 此时的相应上游校核水位为 H 核 198 90m 相应闸下游水位 H 下 198 65m 在设计洪水位时灌区下泄流量Q 设 61 4 3 ms 此时对应的上游水位 H 设 198 36m 闸下游水位为 H 下 198 15m 闸身稳定计算水位组合 1 设计洪水位时 上游水深 mH36 3 下游水深 mhs15 3 2 校核洪水位时 上游水深 mH90 3 下游水深 mhs65 3 消能防冲设计水位组合 根据分析 消能防冲的最不利水位组合是在校核洪水位时的情况下 则其组合是 下泄流量为 Q 79 70 3 ms 相应的上游水位是 H 核 198 90m 闸下游水位 H 下 198 65m 则相应的上游水深 H 3 90m 下游水深 h 3 65m 水位流量资料表 运用情况上游水位 米 下泄流量 m 秒 正常蓄水 198 000 设计洪水 198 3661 40 校核洪水 198 9079 70 下游水位流量关系表 H 下 m 195 00196 00197 00197 50198 00198 15198 50198 65 Q m3 S 0 008 6327 9641 0755 4061 4073 9879 70 2 3 3 闸基土质资料 闸基土质资料 闸基河床地质资料柱状图如图所示 层序高程 m 土质摡况 I195 00 191 8 细砂 II191 8 183 32 组砂 III183 32 粘土 闸址附近缺乏粘性土料 但有足够数量的混凝土骨料和砂料 闸基细砂及墙后回 填砂料土工试验资料如下表 天然重度饱和重度内摩擦角凝聚力不均匀系数相对密实度 细砂 18 6420 61220120 46 沙土料 18 2020 21320150 62 细砂允许承载力为 150KN m2 其与混凝土底板之间的摩擦系数f 0 35 4 4 其他资料 其他资料 1 闸上交通为单车道 按汽 10 设计 带 50 校核 桥面净宽 4 0m 总宽为 4 4m 2 闸门采用平面钢闸门 有3 米 4 米 5 米三种规格闸门 3 该地区地震设计烈度为 4 度 4 闸址附近河道有干砌石护坡 5 多年平均最大风速 12 米 秒 吹程 0 15 公里 5 5 水闸的设计标准 水闸的设计标准 根据 水闸设计规范 SD133 84 以下简称 SD133 84 该闸按 IV 级建筑物设 计 二 闸址选择二 闸址选择 根据 水工建筑物 可知 闸址选择关系到工程的成败和经济效益的发挥 是水 3 闸设计中的一项重要内容 应根据水闸的功能 特点和运用要求 综合考虑地形 地 址 水流 潮汐 泥沙 冻土 冰清 施工 管理和周围环境等因素 通过技术经济 比较 选定最佳方案 闸址适宜选择在地形开阔 岸坡稳定 岩土坚实和地下水水位较低的地点 应 优先选用地质条件良好的天然地基 土壤 中砂 粗砂 和砂砾都适于做为水闸的地 基 尽量避开淤泥质土和粉 细砂地基 必要时 应采取妥善的处理措施 在河道上建造拦河闸 为解决施工导流问题 常将闸址选在弯曲河道的凸岸 利 用原来河道导流 裁弯取直 新开上 下游引水和泄水渠 新开渠道既要尽量缩短其 长度 又要使其进 出口与原河道平顺衔接 根据基本地形资料知道 闸址附近 河道顺直 河道横补面接近梯形 底宽18 米 边坡 1 1 5 河底高程 195 00 米 两岸地面高程 199 20 米 断面尺寸如图 1 1 所示 图 1 1 三 总体枢纽布置三 总体枢纽布置 1 1 拦河闸的布置 拦河闸的布置 拦河闸布置成开敞式水闸 根据计算将水闸分为3 孔 边孔净宽 3 0m 中孔净 宽 4 0m 闸门顶部高程 199 4m 闸门高出边缘线 0 2m 2 2 闸室段的布置 闸室段的布置 闸底板为倒 形布置 采用钢筋混凝土结构 地板中央设缝 板长15m 厚 1 0m 闸墩材料采用钢筋混凝土材料 顺水流方向长15m 中墩厚 1 2m 边墩与岸墙 分开布置 为重力式边墙 不挡水只挡土 闸墩上游设有工作门槽和检修门槽 工作 桥宽 0 4m 检修桥宽 1 5m 闸门采用露顶式平面钢闸门 尺寸3 55 4 4 启闭设备 采用 QPQ 16 卷场式启闭机 公路桥设在下游 总宽4 4m 3 3 上游连接段布置 上游连接段布置 上游翼墙采用浆砌石重力式反翼墙 墙顶高程199 50m 混凝土拦浪板高 0 8m 设在其上 墙后填土高程199 20m 翼墙底板厚 0 6m 同样采用钢筋混凝土 材料 铺盖与翼墙上游齐平 顺水流方向长14 0m 厚 0 6m 铺盖上游为块石护底 一直护到引水口 翼墙上游为干砌石护坡 并设有浆砌石格梗 每隔12m 布置 砂垫层设在块石 底部 15cm 厚 4 4 4 下游连接段的布置 下游连接段的布置 闸室下游布置消力池 海曼 防冲槽等 消力池采用挖深式 长 7 5m 池深 0 5m 底板采用钢筋混凝土结构 厚 0 5m 消力池与闸室连接处设1m 宽小坝 厚以 1 4 的斜坡连接 底板下设 0 2m 厚 砂 碎石垫层 反滤排水 采用浆砌石做为海曼的材料 其长度为18m 厚度为 0 5m 浆砌石内设排水孔 下面铺设反滤层 在海曼起始端做8 0m 长的浆砌石水平段 其顶面高程与护坦齐平 在海曼后半段做成 1 15 的斜坡 以使水流均匀扩散 调整流态分布 保护河床不 受冲刷 取防冲槽深度为 2 0m 底宽 b 为 4 0m 取顶端与海曼末端齐平 则上游坡率取 m 2 下游坡率 m 3 下游翼墙为浆砌石 重力式反翼墙 迎水面直立 墙背坡率1 0 5 收缩角为 10 度 材料选用钢筋混凝土板 厚0 6m 前趾长 1 2m 后趾长 0 2m 翼墙下游端与 消力池末端齐平 四 水力计算四 水力计算 水闸的水力设计主要包括两方面内容 即闸孔设计和消能防冲设计 1 1 闸孔设计闸孔设计 闸孔设计的主要任务是 确定闸室结构形式 选择堰型 确定堰顶高程以及孔口 尺寸 1 闸室结构型式 该闸建在天然河道上 故宜采用开敞式闸室结构 2 堰型的选择及闸底板高程的选定 该闸建在少泥沙的人工渠道上 故宜采用结构简单 施工方便 自由出流范围较 大的平底板宽顶堰 由闸基河床地质资料可知 闸基附近河床土质良好 承载能力大 并参考该地区已建工程的经验 拟取闸底板顶面 即堰顶 与西通河渠底齐平 高程 为 195 00m 3 孔口尺寸的确定 初拟孔口尺寸 该闸的尺寸必须满足拦洪灌溉以及泄洪的要求 1 计算闸孔总净宽 0 B 在设计情况下 上游水 H 198 36 195 3 36m 下游水深 198 15 195 00 3 15 s hm 下泄流量 Q 61 40 3 ms 则上游行近流速 V0 Q A 根据和断面尺寸 A b H 18 1 5 3 36 3 36 77 4 2 mHm 其中 b 为河道宽 b 18 m 为边坡比 m 1 1 5m V0 Q A 61 40 77 41 0 793m s 5 H0 H v2 2 取 1 0 3 36 0 7932 2 9 81 3 39m 则 3 15 3 39 0 929 0 8 故属于淹没出流 0 s h H 校核情况 上游水 H 198 9 195 3 9m 下游水深 198 65 195 3 65 s hm 下泄流量 Q 79 70 3 ms 则上游行近流速 V0 Q A 根据和断面尺寸 A b H 18 1 5 3 9 3 9 93 02m2mH 其中 b 为河道宽 b 18 m为边坡比 m 1 1 5m V0 Q A 79 7 93 02 0 86m s H0 H v2 2g 取 1 0 3 9 0 862 2 9 81 3 94m 则 3 65 3 94 0 93 0 8 故属于淹没出流 0 s h H 确定闸孔宽度 由以上结果可得 则按水流成堰流时并且为淹没出流 计算根据 水工建筑物 由宽 顶堰淹没出流公式 0 根据 查 SL 265 2001 附录 A 01 查得 2 3 2 0 0 s h H 淹没系数 0 74 对无坎宽顶堰 m 0 385 假设侧收缩系数 0 90 计算简图见图 2 1 g v 2 2 0 H H1 s h 图 2 1 在设计情况下 6 由公式 0 B 2 3 2 0 所以 在设计情况下 01 2 3 2 0 61 4 0 74 0 90 0 385 3 393 22 9 81 8 66m 在校核情况下 02 2 3 2 0 79 7 0 74 0 90 0 385 3 943 22 9 81 9 0m 整理上述计算如表 2 1 所示 表 2 1 计算情 况 上游水 深 H 下游水 深 s h 流量 Q 行进流 速 行进水 头 0 H 淹没系 数 流量系 数 m 侧收缩 系数 0 B 设计情 况下 3 363 1561 400 7933 390 740 3850 908 66 校核情 况下 3 903 6579 700 863 940 740 3850 909 0 2 闸孔孔数 n 及单孔净宽 0 b 单孔宽度根据水闸使用要求 闸门型式及启闭机容量等因素 并参照闸门尺寸选定 0 b 由 比较得 取净宽较大的值 则取 9 0 01 B 02 B 0 Bm 以上为的第一次近似值 据此可计算的第二次近似值 按 0 93 及闸墩 0 B 0 Hhs 边形状 查 水闸 表 3 5 得 0 53 0 70 侧收缩系数按式计算为 0 k bn H n k 0 0 12 01 1 0 2 0 7 3 1 0 53 3 9 9 0 85 净宽的第二次计算近似值为 0 B 01 2 3 2 0 79 7 0 74 0 85 0 385 3 943 22 9 81 9 5m 7 再将净宽的第二次近似值代入式中 可得 0 86 再次试算后仍得 0 86 计算 0 B 得出 9 4 根据所给闸门的型号尺寸 则选择孔数 n 3 每孔净宽 3 2 则闸 02 Bm 0 bm 孔总净宽 3 2 3 9 6 0 Bm 3 闸孔泄流能力校核 中墩采用钢筋混凝土结构 根据水闸设计规范 SL265 2001 取中墩厚 d 1 5 墩首为m 半圆形 墩尾采用尖圆形 边墩厚度为 1 0 墩首 尾采用半圆形 m 根据拟定的闸孔尺寸净宽 9 6 用设计情况进行检验 根据堰流公式 0 Bm 0 Q 2 3 2 0 3 2 0 86 0 74 0 3852 9 819 6Q 实 64 28 3 ms 则 64 28 61 40 61 40 100 4 7 5 100 Q QQ实 实际过流能力满足泄水的设计要求 由此得该闸的孔口尺寸确定为 选择孔数 n 3 每孔净宽 3 2m 2 个中墩各厚 0 b d 1 5 边墩厚度为 1 0 闸孔总净宽 9 6 闸室总长度mm 0 Bm B 3 3 2 2 1 5 12 6 m 2 2 消能防冲设计消能防冲设计 消能防冲设计包括消力池 海漫和防冲槽三部分的设计 1 消力池的设计 1 上下游水面连接形态的判别 当闸门从关闭状态到校核的下泄流量为 smQ 70 79 3 往往是分级开启的 为了节省计算工作量 闸门的开度拟分三级开 启 第一级泄流量为 sm 63 8 3 待下游水位稳定后 开度增大至设计流量 sm 40 61 3 最后待下游水位稳定后 再增大开度至最大下泄流量 sm 70 79 3 当下泄流量为 sm 63 8 3 时 上游水深 mH90 3 00 19590 198 下游水位则采用前一级开度 即 0 Q 时的下游水深 mhs0 则上游行进流速 sm A Q v 093 0 02 93 63 8 3 0 由于 smsmv 5 0 093 0 33 0 则可以忽略不计 假设闸门开度 185 0 e 65 0 047 090 3 185 0 He 则为孔流 查 水 力计算手册 第二版 得垂直收缩系数 6194 0 则 mehc115 0 185 0 6194 0 sm B Q q 6638 0 00 13 63 8 2 跃后水深 8 m gh qh h c c c 8635 0 1 115 0 81 9 6904 0 8 1 2 115 0 1 8 1 2 3 2 3 2 则 0 tc hh 为远驱式水跃 故需要设消力池 由 02844 0 8635 0 90 3 8635 0 0 c ct hH hh 查 SL265 2001 表 A 0 3 2 得孔流淹 没系数 00 1 孔流流量系数 0 为 0 65 0 7 因此 5915 0 90 3 185 0 18 0 60 0 18 060 0 0 H e gHeBQ2 0 smQ 57 990 381 9200 10185 05915 000 1 3 该值与要求的的流量 sm 63 8 3 比较接近 故所假定的闸门开度 185 0 e 正确 以同样的方法 分级开启流量为 sm 40 61 3 sm 70 79 3 时的闸门开度 并计算相 应的参数 并判别不同下泄流量时 上下游水面的连接形式 则可以判别是否需要设 消力池 其水面连接计算结果见 下表 水面连接计算结果表 序号Q m3 s e m hc m mhc Ht m 水面连接情况 18 630 1850 61940 1150 86350远离式水跃 261 402 45 2 450 64813 15淹没式水跃 379 703 91 3 650 54173 65淹没式水跃 2 消力池深的计算 根据前面的计算 消力池采用挖深式消力池 以下泄流量 smQ 63 8 3 作为计 算消力池深度的计算依据 消力池中水的流态见图3 1 图 3 1 依据 SL265 2001 附表 B 1 1 Zhhd sc 0 2 2 2 2 2 22 cs hg q hg q Z 9 则 mZ007 0 8635 0 81 92 6904 0 1 90 0 95 081 9 2 6904 0 1 2 2 22 2 md043 0 007 018635 0 10 1 计算出消力池池深 d 0 043m 但为了稳定泄流时的水流 根据规范取池 d 0 50m 3 消力池长度的计算 由前面的计算 以下泄流量 smQ 63 8 3 作为确定消力池长度的依据 略去行 进流速 0 v 则 mdHT40 4 50 0 90 3 0 根据公式 0 0 0 T T T hc mhc079 0 40 4 027 0 40 4 027 0 40 4 027 0 由此 m gh qh h c c c 07 1 1 079 0 81 9 6904 0 8 1 2 079 0 1 8 1 2 3 2 3 2 由此水跃长度 mhhL ccj 84 6 079 0 07 1 9 69 6 消力池与闸底板以 1 4 的斜坡段连接 则 mLs0 25 04 则消力池长度 mLLL jssj 472 7 84 6 8 00 2 注 为水跃长度校正系数取 0 8 取消力池长度 mLsj50 7 4 消力池底板厚度的计算 根据抗冲要求 Hqkt 1 式中 smq 6904 0 3 mH90 3 1 k 为消力池底板计算系数取0 20 则 mmt50 0 234 0 90 36904 0 20 0 故消力池底板厚度取 t 0 50m 由此得到 取消力池底板厚为0 50m 前后等厚 为减小作用在护坦上的扬压力 在消力池底板的后半部分设置排水孔 并在该部位的地面铺设反滤层 排水孔孔径取 80cm 间距 L 2 0m 呈梅花形布置 为使出闸水流在消力池中产生水跃 在消力池 与闸底板连接处留一宽为1 0m 的平台 10 3 海海漫漫的的设设计计 1 海漫长度的计算 海漫的长度计算由式 HqKL ssp 式中 smqs 6904 0 3 mH90 2 s K 为海漫长度计算系数 由于河床为细沙 故取 0 14 s K 则 mLp18 1590 2 6904 0 0 14 因此取海漫长度 mLp00 15 2 海漫的布置与构造 海漫的材料采用浆砌石 其厚度为0 5m 浆砌石内设排水孔 下面铺设反滤层 在海漫起始段做 5 0m 长的水平段 其顶面高程与护坦齐平 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 防冲槽的设计 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 m 2 下游坡率取 m 3 由此得到消能防冲设计的相关尺寸 见图3 2 图 3 2 五 防渗排水设计五 防渗排水设计 1 1 地下轮廓的设计地下轮廓的设计 地下轮廓的设计主要包括底板 防渗铺盖 板桩等的设计 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 11 有经验公式 mHL50 1300 18590 18850 350 3 0 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 14 00m 2 底板厚度 d 根据经验 底板厚度为 1 6 1 8 单孔净宽 一般为 1 10m 1 40m 由此初拟底板厚 度 d 1 20m 1 底板构造 底板采用钢筋混凝土结构 上下游两端各设 1 0m 深的齿墙嵌入地基底板分缝设以 v 型铜片止水 由于地基为砂性土的细沙地基 抵抗渗流变形的能力较差 渗流系数也 较大 由此必须在底板两端分别设置不同深度的板桩 一般为水头的 0 6 1 0 倍 有水 头大小可知上游端设板桩深为 3 0m 下游端不设板桩 2 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 3 5 倍 则取铺盖 L 16 0m 铺盖厚度为 0 50m 铺盖上游端设 0 50m 深的小齿墙 其头部不再设防冲槽 为 了上游河床被冲刷 铺盖上游设块石护底 厚为 0 30m 其下设 0 20m 的碎石垫层 3 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 4 排水 止水 为了减小作用于闸底板上的渗透压力 在整个消力池底板上布设砂砾石排水 其首部 紧抵闸底板下游齿墙 闸底板与铺盖 铺盖与上游翼墙 下游翼墙的永久缝中 均设以铜 片止水 闸底板与消力池 消力池与下游翼墙之间永久性分缝 虽然没有防渗的要求 但 是为了防止闸基与挡土墙后填土被水流带走 缝中铺设沥青油毡 5 防渗长度验算 闸基防渗长度的计算必须满足 HCL 式中 mH90 3 C 为允许渗径系数值 由于为砂性土故取 C 9 0 则 mHCL10 3590 3 0 9 而实际闸下布置见图 4 1 图 4 1 实际闸基防渗长度 L mL 5 355 10 14 1 0 1140 10 10 32 15 07 0 0 117 05 05 0 则 mLmL1 35 5 35 闸基防渗长度满足要求 2 2 渗流计算渗流计算 采用改进阻力系数法进行渗流计算 1 地下轮廓线的简化 为了便于计算 将复杂的地下轮廓进行简化 由于铺盖头部及底板上下游两端的齿墙 均较浅 可以将他们简化为短板的形式如下图 4 2 12 图 4 2 2 确定地基的有效深度 根据钻探资料 闸基透水层深度很大 故在渗流计算中必须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 L0 14 00 16 00 30 00m 地下轮廓 的垂直投影长度 mS70 5 50 0 20 6 0 故 526 5 70 5 00 30 0 0 S L 则按下式计算 Te mLTe00 1500 305 05 0 0 而地基的实际计算深度 mT68 1132 18300 195 而 e TT 故地基的实际计 算深度 T 11 68m 3 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 则相关计算的结果见表 4 1 表 4 1 各流段阻力系数为 流段计算公式段号 ST L 10 911 180 475 进口段和出 口段 441 0 5 1 2 3 0 T S 8 1 510 980 517 20 810 880 074 45 610 880 582 55 010 480 530 内部垂直段 T S ctg y 1 4 ln 2 71 010 480 096 3S1 0 8 S2 5 6 T 10 88 L 16 0 1 059 内部水平段 T SSLx x 21 7 0 6S1 5 0 S2 1 0 T 10 48 L 14 0 0 935 则 268 4935 0059 1 096 0 530 0582 0 074 0517 0 475 0 8 1 i i 4 渗透压力计算 1 设计洪水位时 mH36 3 00 19536 198 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 a 根据下式计算各分段的渗压水头损失值 Hh i i i 13 A 进口段和出口段 mHh i 374 036 3 268 4 475 0 1 1 mHh i 407 0 36 3 268 4 517 0 8 8 B 内部垂直段 mHh i 058 0 36 3 268 4 074 0 2 2 mHh i 458 0 36 3 268 4 582 0 4 4 mHh i 417 0 36 3 268 4 530 0 5 5 mHh i 076 0 36 3 268 4 096 0 7 7 C 内部水平段 mHh i 834 0 36 3 268 4 059 1 3 3 mHh i 736 0 36 3 268 4 935 0 6 6 b 进 出口水头损失的修正 A 进口处修正系数 1 的计算 059 0 212 1 21 1 2 1 T S T T 式中 mT18 11 mT88 10 mS9 0 则得 0 1729 0 1 应予修正 进口段水头损失值应修正为 mhh273 0 374 0 729 0 111 进口段水头损失减小值为 mhhmh892 0 834 0 058 0 101 0 273 0 374 0 321 故修正各该段的水头损失值为 mhh116 0 058 0 22 22 mhhhh877 0058 0 101 0 834 0 2133 B 出口处修正系数 2 的计算 059 0212 1 21 1 2 1 T S T T 式中 mT98 10 mT48 10 mS5 1 则得 应予修正 0 1884 0 2 14 出口段水头损失应修正为 mhh360 0 407 0 884 0 828 出口段水头损失减小值为 mhmh736 0047 0 360 0 407 0 68 故修正各该段的水头损失值为 mhhh123 0 047 0 076 0 877 C 计算各角隅点的渗压水头 0 1884 0 2 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 mH36 3 1 mH087 3273 0 36 3 2 mH971 2 116 0 087 3 3 mH094 2 877 0 971 2 4 mH636 1 458 0094 2 5 mH219 1 417 0 636 1 6 mH483 0 736 0 219 1 7 mH360 0 123 0483 0 8 mH00 0 360 0360 0 9 D 绘制渗压水头分布图 根据以上算得的渗压水头值 并认为沿水平段的水头损失呈线性变化 即可绘出如图 4 3 所示的渗压水头分布图 图 4 3 单位宽度底板所受的渗透压力 KNtHHP88 116914 11114483 0 219 1 5 01145 0 761 单位宽度铺盖所受的渗透压力 KNtHHP50 39752 40116094 2971 2 5 01165 0 432 2 同样的步骤可计算出校核洪水位时的渗透压力分布即 mH90 3 mH90 3 1 mH584 3 2 mH448 3 3 mH430 2 4 mH898 1 5 mH410 1 6 mH560 0 7 mH417 0 8 15 mH00 0 9 根据以上计算绘出校核洪水位时渗透压力分布图 如图 4 4 图 4 4 单位宽度底板所受的渗透压力 KNtHHP28 13589 13114560 0410 1 5 01145 0 761 单位宽度铺盖所受的渗透压力 KNtHHP31 46102 47116430 2 448 3 5 01165 0 432 5 抗渗稳定演算 1 闸底板水平段平均渗透坡降 x J 的计算 由公式 x v x L h J A 设计洪水位时 053 0 14 483 0 219 1 76 板 L HH L h J x v x 则 xx JJ053 0 0 07 0 10 查水闸设计规范得 B 校核洪水位时 061 0 14 560 0 410 1 76 板 L HH L h J x v x 则 xx JJ061 0 0 07 0 10 查水闸设计规范得 2 渗流出口处平均渗透坡降 0 J 的计算 由公式 S h J v 0 A 设计洪水位时 240 0 5 1 360 0 4 8 0 S H S h J v 则 00 053 0 JJ 0 30 0 35 查水闸设计规范得 B 校核洪水位时 278 0 5 1 417 0 4 8 0 S H S h J v 则 00 278 0 JJ 0 30 0 35 查水闸设计规范得 综上闸基的防渗满足抗渗稳定的要求 16 六 六 闸室的布置与稳定分析闸室的布置与稳定分析 1 1 闸室结构布置闸室结构布置 闸室结构布置主要包括底板 闸墩 胸墙 闸门 工作桥和交通桥等部分结构的布置 和尺寸的拟定 1 底板 底板的结构 布置 构造已在上一节中布置 在此不用不说明 2 闸墩 闸墩顺水流方向的长度取与底板相同 取 14 00m 闸墩为钢筋混凝土结构 中墩厚为 2 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 表 4 1 水位高程安全加高 波浪计算 高程 闸顶高程闸墩高程 设计洪水 位 198 360 30 2198 863 86 挡水时 校核洪水 位 198 900 20 2199 304 30 设计洪水 位 198 360 50 2199 064 06 泄水时 校核洪水 位 198 900 40 2199 504 50 由已知的多年平均最大风速为 12m s 吹程为 0 15 公里 计算破浪高 根据官厅水库公式 m2 015 0 120166 0 0166 0 3 1 4 5 3 1 4 5 01 DVh 其安全超高查 SL265 2001 表 4 2 4 得 泄水时 设计洪水位时为 0 50m 校核洪水位 时为 0 40m 则取其中最大的值 闸墩上游部分的顶部高程取最大值 即高程 m50 199 闸墩下游部分的高度只要比下游最高水位适当高些 不影响泄流即可 由于校核洪水 位时 下游最高水位 m65 198 因此取闸墩下游部分的顶部高程为 m20 199 则 在下游闸墩部分搁置公路桥 桥面高程 m20 200 桥面净宽为 4 0m 闸墩上游设两道 门槽 检修门槽和工作门槽 检修门槽在上游 槽深 0 30m 槽宽 0 50m 再向下游 1 50m 处设工作门槽 槽深 0 50m 槽宽 0 80m 下游不设检修闸门 墩头墩尾均为半圆形 如图 5 1 所示 17 图 5 1 3 胸墙 为了保证启吊闸门的钢丝绳不浸在水中 往往会设置胸墙 但由于所选闸门的高度和 水位的变化深度 则在此不用设置胸墙 4 工作桥 1 启闭机选型 闸门采用露顶式平面钢闸门 则闸门顶高程为 199 40m 闸门高 4 4m 门宽为 4 0m 启闭机顶高程 203 30m 查 SL265 2001 和 水闸 根据经验公式 08 0 43 1 BHkKKG gCZ 初估闸门自重 为门重 10KN 墩高度 4 5m 为孔口宽度为 3 2m 采用滚轮式支GBB 承 1 0 采用普通低合金钢结构 0 8 由于 H 5 0m 取 0 156 则得门自 Z K C K C K g K 重 为满足要求则取门 08 0 43 1 2 35 4156 0 8 00 1GNk77 11kNG 0 12 根据经验公式 初估计启门力 闭门力 GPFQ2 12 01 0 则 P 为作用在门上的总水压力见图 4 2 GPFW96 0 2 01 0 图 4 2 不计浪压力的影响 作用在每米宽门上游面的水压力 1 2 9 81 3 9 3 9 74 60 上 PkN 作用在每米宽门上游面的水压力 1 2 3 65 3 65 9 81 65 35 下 PkN 则门上总的水压力为 当处于开启状态时 3 2 238 72P 上 PkN 0 2 74 6 1 2 12 0 62 41 Q FkN 当处于关闭状态时 18 3 2 74 6 65 35 3 2 29 6 P 上 P 下 PkN 0 2 29 6 0 9 15 0 7 58 W FkN 0 表示闸门能靠自重关闭 则不需加压重块帮助关闭 根据计算所需的启门力 W F 62 14 初选单吊点卷扬式启闭机 QPQ 80 机架外轮廓 J 1473mm 查 闸门与启 Q FkN 闭设备 P240 242 2 工作桥的尺寸及构造 工作桥的宽度不仅要满足启闭机宽度的要求 且两侧应留有足够的操作宽度 其宽度 mB073 4 1 020 12473 1 22 栏杆外富余宽度栏杆柱宽启闭机宽度 故取工作桥净宽 B 4 0m 工作桥为板梁式结构 预制装配 两根主梁高 0 80m 宽 0 40m 中间活动铺板厚 0 10m 其结构见图 5 3 图 5 3 为了保证启闭机的机脚螺栓安置在主梁上 主梁间的净距为 1 2m 在启闭机机脚处螺 栓处设两根横梁 其宽 0 3m 高为 0 5m 工作桥设在实体排架上 排架的厚度即闸墩门槽 处的颈厚为 0 4m 排架顺水流方向的长度为 2 40m 则排架高 门高 富余高度 4 4 0 6 5 0m 其顶部高程为 204 50m 在工作桥的下游侧布置公路桥 桥身结构为钢筋 混凝土板梁结构 桥面总宽为 4 4m 5 检修便桥 为了便于检修 观测 在检修门槽处设置有检修便桥 桥宽 1 5m 桥身结构仅为两根 嵌置于闸墩内的钢筋混凝土简支梁 梁高 0 4m 宽 0 25m 梁中间铺设厚 0 08m 的钢筋混 凝土板 6 交通桥 在闸墩下游侧布置公路桥 桥身结构为钢筋混凝土板梁结构 桥面总宽 4 4m 其结构 19 构造及尺寸见图 5 4 2 2 荷载及其组合荷载及其组合 取中间的一个独立的闸室单元分析 闸室结构布置见图 5 4 图 5 4 1 荷载计算 1 完建期的荷载计算 荷载计算主要是闸室及上部结构自重 取中间闸室为单元进行计算 如图 5 1 图 5 1 完建期的荷载主要包括闸底板重力 闸墩重力 闸门重力 工作桥及启闭机 1 G 2 G 3 G 设备重力 公路桥重力和检修便桥重力 取钢筋混凝土的容重为 25 4 G 5 G 6 G 3 m kN 底板重力为 1 G 14 1 9 4 25 0 5 2 1 1 9 4 25 2 1 G 3995kN 20 闸墩重力 则每个中墩重 2 G 1 55 1 5 4 5 25 0 4 1 1 4 5 25 0 7 0 5 4 2 25 5 9 2 G 5 1 5 4 2 25 2 1 03 4 5 25 2 1 03 4 2 25 2 1 5 4 5 25 2070 49kN 每个闸室单元有两个中墩 则 2 2 2070 49 4141 2 G 2 GkN 闸门重 12 则两个闸门重 24 0 3 GkN 3 GkN 工作桥重力 4 G 4 9 0 6 0 7 5 2 0 6 0 7 0 6 0 7 1 4 G 2 25 0 4 0 8 9 4 2 25 0 1 4 9 4 25 9 4 2 0 5 0 1 0 02 1 25 0 7 0 1 9 4 2 25 516 4kN 考虑到栏杆机横梁重等取 520 4 GkN 查 闸门与启闭设备 QPQ 80 启闭机机身重 15 0 考虑到混凝土及电机重 每台启闭机重 20 启闭kNkN 机重力 2 20 40 0 4 GkN 公路桥重力 5 G 0 4 0 7 9 4 2 25 4 4 0 4 9 4 25 0 2 1 9 4 2 5 G 25 639 2kN 考虑到栏杆重 取公路桥重为 650 5 GkN 检修便桥重力 0 2 0 5 9 4 25 2 1 1 0 1 9 4 25 72 85kN 6 G 6 G 考虑到栏杆及横梁重力等去检修桥重 85 6 GkN 完建情况下作用荷载和力矩计算表 对底板上游端 B 点求力矩 5 2 力矩 m kN 部位重力 KN 力臂 m 底板 39957 027965 123 1337056 闸门 125 566 闸墩 41417 028987 21 工作桥 5205 52860 203 1362 6 启闭机 205 5110 公路桥 6509 86370 检修便桥 853 13266 05 合计 945566724 设计洪水情况下的荷载 在设计洪水情况下 闸室的荷载除了闸室本身的重力外 还有闸室内水的重力 浪压力 水压力 扬压力等 如图 5 2 闸室内水重 3 36 6 4 5 75 9 81 1212 99 1 W 1 WkN 水平水压力 首先计算波浪要素 由设计资料可知 多年平均最大风速为 12m s 吹程 为 0 15 公里 计算破浪高 m2 015 0 120166 0 0166 0 3 1 4 5 3 1 4 5 01 DVh mhL9 22 0 4 10 4 10 8 0 8 0 1 m L H L h hz04 0 9 2 36 3 14 3 2 coth 9 2 2 014 3 2 coth 2 2 1 则波浪破碎的临界水深为 H 3 36 L 2 2 9 2 1 45 故为深水波 则相关荷载计算值 如下 设计洪水位时荷载图 5 2 22 0 5 1 45 9 81 0 2 0 04 1 45 9 4 0 5 1 45 3 36 0 3 1 P 9 81 2 21 9 4 647 16 kN 0 5 2 496 3 804 9 81 9 4 1 7 504 3 2 PkN 0 5 0 72 9 4 9 81 23 1kN 3 P 0 5 0 7 2 0 552 9 81 9 4 1 3 199 1 4 PkN 浮托力 0 5 1 2 F 2 1 9 81 9 4 1 10 9 4 9 81 2 2 1 9 4 9 81 1601 kN 渗透压力 0 5 2 496 0 2 2 496 U 0 5 9 4 9 81 13 5 0 5 0 2 2 496 0 396 13 5 9 4 9 81 639 6 kN 设计洪水情况下的荷载图见图 5 2 设计洪水情况下的荷载计算见表 5 3 设计洪水情况下荷载和力矩计算对 B 点取矩 表 5 3 竖向力 kN水平力 kN力矩 kNm 荷载名称 力臂 m 闸室结构 重力 90422 9866280 7 上游水压 力 115 39 531 77 504 30 4 47 2 65 0 91 505 79 1409 19 458 91 下游水压 力 23 1 199 1 1 53 0 52 35 34 103 53 浮托力 16017 011207 渗透压力 522 11 65 6 51 87 7 0 4 5 0 17 3654 77 393 6 8 82 水重力 1212 992 883493 41 10635 972249 581151 46222 27215815403 06 合计 8386 39 929 26 56754 94 校核洪水位情况的荷载 校核洪水位情况时的荷载与设计洪水位情况的荷载计算方法相似 所不同的是水压力 浪压力 扬压力是相应校核水位以下的水压力 浪压力 扬压力 闸室内水重 1 W 3 9 6 4 5 75 9 81 1407 93 1 WkN 水平水压力 首先计算波浪要素 在校核水位下与设计下的波浪相同 故其波浪要素与设计情况下 的下同因此 0 5 1 45 9 81 0 2 0 04 1 45 9 4 0 5 1 45 3 9 0 3 9 81 1 P 23 2 75 9 4 847 02 kN 0 5 2 849 4 093 9 81 9 4 1 7 555 7 2 PkN 0 5 0 72 9 4 9 81 23 1 3 PkN 0 5 0 7 2 0 641 9 81 9 4 1 3 204 52 4 PkN 浮托力 F 0 5 1 2 2 1 9 81 9 4 1 10 9 4 9 81 2 2 1 9 4 9 81 1601 kN 渗透压力 U 0 46 14 0 5 0 0252 1 9408 0 5 0 0252 13 5 9 4 9 81 668 8 kN 校核洪水情况下的荷载图见设计洪水位似的荷载图 校核洪水情况下的荷载计算见下表 5 4 校核洪水情况下荷载和力矩计算对 B 点取矩 表 5 4 竖向力 kN水平力 kN力矩 kNm 荷载名 称 力臂 m 闸室结 构重力 9422 9866280 7 上游水 压力 115 39 731 63 555 7 5 2 85 0 8 576 95 2085 15 444 56 下游水 压力 23 1 204 52 1 53 0 52 35 34 106 35 浮托力 16017 011207 渗透压 力 606 49 16 02 46 29 7 0 4 5 0 23 4245 43 72 09 10 65 水重力 1407 932 884054 84 10830 912269 81402 72227 6273442 215676 86 合计 8561 11 1175 1 57765 34 3 3 闸室稳定计算闸室稳定计算 1 闸室基底压力计算 1 完建期闸室基底压力计算 B e A G P61 max min G M B e 2 24 由表 5 1 可知 KNG68 5765 mKNM 21 37115 B 14 0m 2 775 5 0 14mA 则 me563 0 68 5765 21 37115 2 0 14 偏上游 81 56 95 99 14 563 0 61 77 68 5765 max min 下游端 上游端 kPa kPa P A 地基承载力验算 由以上可知 kPa PP P38 78 2 81 5695 99 2 minmax 则 kPakPaP38 78150 地基承载力满足要求 B 不均匀系数计算 0 276 1 81 56 95 99 min max P P 基底压力不均匀系数满足要求 2 设计洪水期闸室基底压力计算 由表 5 2 可知 KNG99 6846 mKNM 76 34868 则 me70 0 99 6846 76 34868 2 0 14 25 62 60 115 14 70 0 61 77 99 6846 max min 下游端 上游端 kPa kPa P A 地基承载力验算 由以上可知 kPa PP P93 88 2 25 6260 115 2 minmax 则 kPakPaP93 88150 地基承载力满足要求 B 不均匀系数计算 0 286 1 25 62 60 115 min max P P 基底压力不均匀系数满足要求 3 校核洪水期闸室基底压力计算 由表 5 3 可知 KNG26 6757 mKNM 35 35056 则 me73 0 26 6757 35 35056 2 0 14 30 60 21 115 14 73 0 61 77 26 6757 max min 下游端 上游端 kPa kPa P A 地基承载力验算 由以上可知 kPa PP P76 87 2 30 6021 115 2 minmax 则 kPakPaP93 88150 地基承载力满足要求 B 不均匀系数计算 0 291 1 30 60 21 115 min max P P 25 基底压力不均匀系数满足要求 2 闸室抗滑稳定计算 临界压应力 tan12tan cBAP bkp 由所给资料可知 A 4 0 3 80 10mKN b B 14 0m 22 c 0 f 0 35 则 kPaPkp36 24422tan 0 1480 100 4 1 设计洪水位时 由于 kPaPkPaP kp 36 24460 115 max 故闸室不会发生深层滑动 仅需作表层抗滑稳定分析 20 127 4 78 560 99 684635 0 c K P Wf k 故闸室稳定性满足要求 2 校核洪水位时 由于 kPaPkPaP kp 36 24421 115 max 故闸室不会发生深层滑动 仅需作表层抗滑稳定分析 20 1 41 3 85 693 26 675735 0 c K P Wf k 故闸室稳定性满足要求 七 七 闸室结构设计闸室结构设计 1 1 闸墩设计闸墩设计 顺水方向的长度取与底板相同 取 14 0m 闸墩为钢筋混凝土结构 中墩厚均为 1 5m 边缘与岸墙合二为一 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 设计洪水位的超高计算 1 3 36 00197 0 5 4 057m 校核洪水位的超高计算 2 3 90 0 197 0 4 4 497m 取上述二者中的较大者 取为 4 5m 闸墩下游部分的高度只要比下