某水闸设计说明书

1 水闸设计说明书水闸设计说明书 一 一 设计基本资料设计基本资料 节制闸闸前水位 1 7m 闸后水位 1 6m 节制闸设计流量 16 5m3 s 原有干渠底宽 11 0m 渠道比降 1 6000 边坡 1 1 5 糙率 0 025 渠道土质为沙壤土 采用 C15 混凝土 级钢筋 建筑物为 级 进水闸轴线与干渠水流成 90 度角布置 二 设计任务二 设计任务 设计节制闸一座 该建筑物横跨于干渠中 用以节制水位 保证设在节制闸左侧的进 水闸顺利引水的要求 进水闸轴线与干渠水流成 90 度角布置 三 成果要求三 成果要求 1 完成说明书约 30 页 含各部分结构简图 2 计算机绘图一张 包括水闸纵剖面图 水闸平面图及细部构造图 配筋图等 第一章第一章 节制闸的水力计算节制闸的水力计算 1 1 验算渠道的过水能力验算渠道的过水能力 根据已知资料 采用公式 Q C 可算出现在渠道过流能力 Q 同时同设计流量 QRi 设比较 如果 Q Q设 那么渠道能满足过水要求 如果 Q Q设 那么就需要扩建渠道断面 以 加大底宽处理直到 Q Q设时为满足 计算公式如下 1 hmhb 2 2 12mhbx 3 R 4 6 11 R n C 5 RiCQ 已知 m 1 5 n 0 025 h 1 6m 采用闸后水深 b 11 0m i 1 6000 图 1 1 渠道过水断面示意图 2 解 hmhb 11 1 5 1 6 1 6 21 44m2 77 165 116 121112 22 mhb m m 21 44 1 28 16 77 R s m 2 1 67 4128 1 025 0 11 6 1 6 1 R n C 05 13 6000 1 28 1 68 4144 21 RicQ Q设渠道满足过水要求 即取渠底宽14 2米 2 2 初拟闸孔宽度 初拟闸孔宽度 闸孔形式采用宽顶堰 堰顶与渠底同高 采用公式 2 3 0 2 HgbmQ s g V HH 2 2 0 0 bnb 式中 b 闸孔总净宽度 m 0 H 记入行进流速的堰顶水头 m m 含侧收缩影响的流量系数 查附表4 1 b 每孔净宽 m 孔数 n 0 V 行进流速 按堰前 3 5 H处的过水断面计算 m s H 堰顶上游水深 m 3 s 淹没系数 按查附表 4 2得到 0 H hs 下游水位超过堰顶的高度 m s h 则 v0 Q w 16 5 26 56 0 621 m s m 72 1 8 92 621 0 7 1 2g Q H 2g V HH 2 2 2 0 0 查表知 0 1 6 0 93 1 72 s h H 0 74 s 取闸墩厚度为0 5m 八字型翼墙扩散角保持ctg 3 可假定过水净宽b 6 7m进行试算 假设过水净宽为6 0m 查表知 0 356m 0 74 s s m 5 16 s m 79 1572 1 8 920 6356 0 74 0 H2gbmQ 33 2 3 2 3 0s 假设过水净宽为6 6m 查表知 357 0 m0 74 s s m 5 16 s m 4 1772 1 8 926 6357 0 74 0 H2gbmQ 33 2 3 2 3 0s 假设过水净宽为6 3m 查表知 357 0 m0 74 s 设 Q s m 6 1672 1 8 923 6357 0 74 0 H2gbmQ 3 2 3 2 3 0s v 为便于管理运用 将水闸分三孔 即 3 n 则孔径 6 3 2 1 3 b bm n 初拟闸孔宽度2 1m 图 1 2 八字型翼墙示意图 3 3 确定闸孔的总宽度 确定闸孔的总宽度 包括中墩在内不包括边墩 b 则 3 75 023 6 b 第二章第二章 消能防冲设计消能防冲设计 一 一 消力池深度 长度的确定消力池深度 长度的确定 4 一 一 计算闸门不同开度时的出水量及第一共轭水深及第二共轭水深 Q c h c h 采用公式 当0 65 时 00 2gHbeQ H e ehc 1 8 1 2 3 2 c c c gh qh h 0 0 2gHvc 式中 出流流量 m3 s Q 垂直收缩系数 闸门开度 m e 收缩断面水深 m c h 流量系数 此处选择平板闸门 则 0 H e 18 0 60 0 0 收缩断面流速 c v q 单宽流量 ms m 3 意义同前 b 0 H 解 当m 时 0 12 t h 情况 下游产生远驱式水跃衔接 差值最大处为最 不利情况 表2 1 故为使下游产生淹没水跃衔接 需要设计降低护坦高程的消力池 6 图2 1 Qhc Qht 曲线图 三三 计算消力池池深计算消力池池深d d 1 Zhhd tc 可采用公式 2 2 2 1 11 2 ct hh g q Z 22 2 0 2 c c hg q hT 式中 淹没系数 采用 1 05 1 10 消力池出口处的水面落差 m 1 Z 流速系数 平底闸孔出流 0 95 1 00 以跃前断面处消力池池底水平面为基准面的水闸上游总水头 m 0 T q 跃前断面处的单宽流量 s m3 流速系数 一般取0 95 求池深d值时 须用试算法 初次试算时 可按拟定 其中是未设消力池前 tc hhd 1 c h 的跃后水深 求得值后 可先算出设池以后的值 然后将他们代入下式 如 1 d 1 0 zhT c及 果能满足该表达式的条件 则池深是合适的 否则 还应继续进行试算 直到满足时为止 10 1 05 1 11 c t h zhd 这一试算很繁琐 可以用 c h 0 80 ht 0 73 时 参照附表4 3求得消力池水深0 456米 0 5 米 所以按构造要求 消力池水深0 5米 7 四四 消力池长度计算 消力池长度计算 消力池长L由射流水舌长 1 L 及水跃长 k L 两部分组成 自由水跃长度 j L 可按下列公式计 算 9 6 ccj hhL 一般消力池的长度 k L 按下式估算 jk LL 8 0 7 0 射流水舌长 度 1 L 4d 消力池总长度 k LLL 1 mhhL ccj 67 4 123 0 8 09 6 9 6 mLL jk 74 3 27 3 8 0 7 0 mdL25 044 1 mLLL k 74 5 27 5 1 取消力池总长度为5 5米 五 五 确定消力池底板厚度 确定消力池底板厚度t 护坦厚度t m 计算的经验公式如下 HqKt 1 式中 q 闸孔处的单宽流量 ms m 3 H 泄水时的上下游水位差 m 1 K 经验系数 可采用0 175 0 20 t 靠近闸室一端的护坦厚度 m 则 取18 0 1 K 则按抗冲要求 非基岩护坦t mHqKt333 0 7 1 3 6 5 16 18 0 1 取消力池底版厚度t 0 5m cm cm 细砂10 中砂10 碎石20cm 护坦底板一般采用混凝土或加筋混凝土 小型水闸有的采用浆砌石 底板上设有排水 8 孔 孔径选20cm 间距2m 呈梅花型排列 护坦在平行水流方向设沉降缝 缝的位置宜 与闸墩对齐 护坦底部设反滤层 碎石20cm中砂10cm细砂10cm 二二 海漫设计 海漫设计 经过护坦段消能的水流仍具有一定的剩余能量 单宽流量偏大 流速分布不均匀 脉 动仍较剧烈 为此 护坦后还有设置海漫和防冲槽 以逐步调整流量和流速分布 使之达 到接近天然河道的水流状态 一 一 确定海漫长度 确定海漫长度 采用公式 HqKL sp 式中 q 海漫起端的单宽流量 H 泄流时的上下游水位差 m s K 河床土质系数 是一个经验系数 当河床为粉砂 细砂时 取14 13 当河床为 中砂 粗砂及粉壤土时用12 11 当河床为粉质土时 取10 9 当河床为坚硬土时 取8 7 本 设计中 取 消力池下倾角度取值为 则11 s K 00 12 8 取mb85 8 3 78tan25 58 0 0 则 取 取 则 16 5 9 1 83mb64 9 3 712tan25 512 0 0 则 9 b qmsm 3 所以 mHqKL sp 4 81 083 1 11 二二 海漫的布置及构造海漫的布置及构造 为了使水流更好地扩散 海漫在平面上采取向两侧逐渐扩散的布置方式 在立面上 海漫始端做成水平段 后部接以倾斜段 坡度不应陡于1 10 海漫所用的材料 前段约 1 4左右海漫长度的范围内 通常采用浆砌石块 余下的后段 常采用干砌石结构 块石 直径大于30 其实厚度为40 海漫段设计排水孔 下设反滤层 6 3m2 1m 反滤层 三 防冲槽设计三 防冲槽设计 采用公式 t v q t 0 1 1 9 式中 t 海漫末端的可能冲刷深度 m q 海漫末端的单宽流量 m3 s m 0 v 河床土质的不冲速 查表得0 70m s 70 033 165 0 4 1 0 v m s t 海漫末端的水深 m 则计算如下 0 16 5 14 2 1 11 11 60 2 0 7 q ttm v 参照已建水闸工程的实践经验 防冲槽大多采用宽浅式 其深度 t 一般取 1 5 2 5m 底宽b取2 3倍的深度 上游坡率 1 m 2 3 下游坡率 2 m 1 5 2 本工程取 底宽 上游坡率 1 m 2 下游坡率 2 m 1 5 mt5 1 mtb32 m2 1 5 m1 2 4 0m t 2 0m 第三章第三章 防渗及闸基渗流验算防渗及闸基渗流验算 一 验算地基轮廓长度一 验算地基轮廓长度 一 一 采用勃莱公式 CHL 其中 水闸的防渗长度 m L 渗径系数 有反滤层砂壤土 C 5 7C 上 下游水位差 m H 计算 取 则 6C 6 1 710 2LCHm 二 二 地下轮廓线的布置 地下轮廓线的布置 1 铺盖长度 HL 5 3 1 其中 H是上下游最大水位差 1 44 1 76 8LHm 铺盖厚度0 25 0 5m 采用混凝土结构 取0 4m 前端设0 5 1 0m深齿墙 取0 8m 2 闸室底板长度 HL 4 2 2 2 33 1 75 1LHm 10 厚度0 5 1 0m 采用钢筋混凝土结构 取0 8m 底板上下游端设齿墙 取0 5m 如图3 1 图 3 1 地下轮廓线布置图 三 三 验算实际地下轮廓线长度 验算实际地下轮廓线长度 将地下轮廓线按实际尺寸展开 一定要 LL 实 否则应加大实际地下轮廓线长度 经验算 满足要求 12 6 85 111 910 2LLLmm 实 二 渗流验算二 渗流验算 按改进阻力系数法及直线比例法进行验算 计算得到各角点的渗透压力值 列成表格 并计算底版承受的单宽渗透压力值及总压力值 改进阻力系数法计算步骤如下 一 确定地基有效深度 当时 0 5 0 LTe 0 0 5 L S 当 0 0 S L 5时 26 1 5 0 0 0 S L L Te 式中 0 L 0 S 分别为地下轮廓线不透水部分的水平投影长度和垂直投影长度 m e T 值从地下轮廓的最高点铅直向下起算 若不透水层的埋深 e TT 则用有效深度Te进 行计算 若 e TT 应按实际透水层深度T进行计算 经计算 0 11 9mLL 实 mS3 18 05 0 0 0 0 11 9 L 9 25 S 1 3 则 e0 T0 5L0 5 11 95 956m 即用有效深度 e T 计算 二 二 地基分段和阻力系数计算 地基分段和阻力系数计算 先将实际的地下轮廓进行适当简化 使之成为垂直的和水平的两个主要部分 简化时 出口处的齿墙或板桩的入土深度应予保留 以便得出实有的出口坡降 用通过已经简化了的地下轮廓不透水部分各角点和板桩尖端的等势线 将地基分段 11 一般分为内部水平段 内部垂直段 进口 出口段 个基本分段的阻力系数按以下公式 0 计算 1 进口 出口段阻力系数按以下公式计算 0 44 0 5 1 2 3 0 T S 式中 S 齿墙或板桩的入土深度 m T 地基有效深度或实际深度 m 2 内部垂直段的阻力系数的计算公式为 y 1 4 2 T S ctgln y 3 水平段的阻力系数的计算公式为 x T SSL x 7 0 21 式中 L 水平段的长度 m S 两端板桩或齿墙的入土深度 m 1 3m 5 1m6 8m 表3 1 各典型段阻力系数计算表 分段 编号 分段名称S 1 S 2 S TLi i h A 进口段 0 8 6 0 0 510 27 B 内部水平段 0 80 85 66 81 010 54 c 内部铅直段 0 8 5 6 0 140 07 d 内部铅直段 0 5 5 2 0 100 05 e 内部水平段 0 50 55 25 10 850 45 f 内部铅直段 0 5 5 2 0 100 05 g 出口段 0 5 5 2 0 490 26 2 3 i 图 3 1 三 三 求各分段的水头损失 求各分段的水头损失 12 采用公式 Hh i i i 其中 总水头损失 亦即水闸的上下游水位差 m H 计算结果见下表所示 m 7 1 H H1H2H3H4H5H6H7H8 1 7 1 430 890 810 760 310 260 四四 渗压水头分布图或渗流坡降线 渗压水头分布图或渗流坡降线 各分段的水头损失求出以后 以渗流出口处开始 逐段向上游累加其水头损失值 即 个得出相邻各计算角点的渗压水头值 最后用直线连接各水头代表线段的端点 就能绘出 渗压分布图或渗流坡降线 五 五 进出口水头损失的修正 进出口水头损失的修正 当进出口板桩较短时 进出口处的渗流坡降线将呈急变曲线的形式 为精确计 应进 行修正 修正计算式为 00 hh 式中 按以上诸式算出的进出口水头损失值 m 0 h 修正后的水头损失值 m 0 h 修正系数 按计算 059 0 212 1 21 1 2 T S T T 其中 底板 包括齿墙 的埋深与板桩入土深度之和 m S 板桩另一侧的地基透水层深度 m T 板桩出口侧地基的透水层深度 m T 当计算的时 采用 时 应修正 修正后其水头损失减小值为0 1 0 1 0 1 0 1 hh 解 进口段 1792 0 059 0 6 8 0 2 6 6 5 12 1 21 1 059 0 212 1 21 1 2 2 T S T T 应修正 则修正后其水头损失减小值为 mhH056 0 27 0 792 0 11 0 出口板桩前的水力坡降也随之变化 1979 0 059 0 2 5 3 1 2 2 5 2 5 12 1 21 1 059 0 212 1 21 1 2 2 T S T T 13 应修正 修正后其水头损失减小值为 mhH055 0 26 0 979 0 11 0 S T hh0 进口 0 86 00 7920 0560 214 出口 1 35 20 9790 0550 205 出口板桩前的水力坡降变化范围a可按下式计算 538 0 2 5 2 37 1 055 0 T H h a i 修正时按原水力坡降线 根据及值 分别定出点及点 连接 即为修正后h a N MNM 的水力坡降线 如下图 N 0 538 N 修正后各段水头损失如下表 H1H2H3H4H5H6H7H8 1 71 486 0 890 820 770 320 2050 修正后的渗压分布图 1 7 1 486 0 89 0 82 0 77 0 32 0 0 205 六 六 根据修正后各段水头损失值 计算底板上承受的单宽渗透压力及总压力值 m KN F KNAf 85 1983 724 27 24 275 01 577 0 32 0 8 9 总 七 七 逸出坡降的计算 hi 0 2140 5960 070 050 450 1150 2051 7 14 下游出口处的逸出坡降为 S h J n 式中 出口段水头损失 m n h 出口段铅直长度 m S 解 158 0 3 1 205 0 S h J n 第四章第四章 结构布置结构布置 一 闸敦厚 0 5m 高度 2 20m 长度 4 0m 闸门位置放在距闸底板前缘 2 5m 左 右 闸门槽深 0 1m 宽 0 15m 二 工作桥放在立柱牛腿上 宽 0 5m 厚 0 25m 长为 8 6m 布置连续梁式结 构 在高程上同启闭梁高差 0 7m 左右 启闭机梁立柱横断面尺寸 顺水流方向用 0 7m 垂直水流方向 0 3m 高 2 0m 左右 启闭机梁采用矩形梁 同时采用两根 顺 水流方向 0 7m 厚 0 25m 以连续梁形式布置 三 采用手摇式启闭机 螺杆式 每台启闭机重 0 5t 即为 5KN 四 不设交通桥 五 闸门采用纲筋混凝土结构 闸底板 闸墩 边墩 立柱 工作桥 启闭机梁等都用钢 筋混凝土材料制成 如图 4 1 15 图 4 1 水闸结构布置示意图 第五章第五章 底板的结构计算底板的结构计算 一 计算各部分自重一 计算各部分自重 1 启闭机重 每台为5KN 总重 3个启闭机 1 5 315GKN 2 启闭机梁 总重 每根重G2 2 18 156 KN 每米 2 0 25 0 7 8 3 2536 313GKN 梁重 18 156 2 19 8 3 qKN m 3 起闭机柱总重 422543 027 0 3 G KN 4 中墩重 每个重 KNG40 1055 22 22 015 0 5 35 025 0 2 4 共重KN79 21040 1052 中 G 5 边墩重 每个重 5 5 1 2 2 0 5 25140 23GKN 共重2 140 23280 5KNG 边 6 闸底板重 KNG35 95023 85 05 08 01 53 8 6 7 工作桥重KNG88 26256 825 0 5 0 7 8 闸前底板上水重 8 G1 7 2 5 6 3 9 8262 4KN 9 闸门重 9 G2 1 2 2 0 15 25 3 17 325 352KN 二 求地基反力二 求地基反力 主要有水闸总重 上游水压力 闸门关闭 浮托力 渗透力 闸门关 闭 一 列表计算 16 垂直力 KN 水平力 KN 力矩 KN m 启闭机重 152 537 5 启闭机梁重 36 312 590 78 启闭机柱重 422 5105 中墩重 210 792 5 526 98 边墩重 280 52 55715 28 闸底板重 950 352 552423 39 工作桥重 26 881 9 51 07 闸前底板水 重 262 41 25328 闸门重 522 5130 上游水压力 103 380 5758 93 浮托力 583 772 551488 6 渗透压力 198 852 55507 07 1093 612471 26 表 5 1 荷载计算表 二 二 求偏心距 求偏心距e m 29 0 61 1093 26 2471 2 1 5 2 G M B e A 三三 求地基反力求地基反力 KN m2 02 17 65 34 1 5 29 0 6 1 1 53 8 61 1093 6 1 min max B e A G 3 2 04 2 02 17 65 34 min max 三 底板内力计算三 底板内力计算 弹性地基梁法弹性地基梁法 一 一 求不平衡剪力 求不平衡剪力 以闸门为界 将闸室分为上 下游段 美工分别在其中央截取单 宽板条进行计算 不平衡剪力列表计算如下表 上游段 KN 下游段 KN 结构名称 启闭机7 57 5 启闭机梁18 15618 156 启闭机柱 2121 中墩 105 4105 4 边墩140 25140 25 闸底板 单宽 22 4522 45 工作桥 26 88 17 闸门 水重 单宽 16 66 浮托力 单宽 15 6815 68 渗透压力 单 宽 16 4310 81 地基反力 单 宽 17 0234 65 不平衡剪力 309 17253 62 二 不平衡剪力分配 二 不平衡剪力分配 确定截面重心轴位置 如下图 y i ii A yA m1 3 88 02 25 04 4 03 88 09 12 25 04 Jx 42 3 2 3 2 2 222 1 1 211 083 8 64 6 6 0 12 8 03 8 4 49 0 12 2 22 1212 m Aa hb Aa hb 用积分法确定闸墩与底板剪力分配系数 Q1 Q 6Jx 2d1 2d2 h1 h2 2 2h1 h2 309 17 6 8 083 2 0 5 2 0 5 0 2 2 2 2 2 0 2 234 49 Q2 Q L 6Jx h3 h2 2 2h3 h2 309 17 8 3 6 8 083 1 0 2 2 2 1 0 2 74 50 闸墩剪力分配系数 上游 Q1 Q1 Q2 0 76 Q2 Q1 Q2 0 24 18 则闸墩和底板所受的不平衡剪力按以上分配系数进行分配得 上游闸墩 Q1 234 97KN 底板 Q2 74 50KN 下游同理可得 0 76 0 24 三三 确定弹性地基梁上的荷载确定弹性地基梁上的荷载 单宽 匀布荷载 q q1 q2 q3 q4 Q2 L 22 45 16 66 15 68 16 43 74 2 8 3 15 94KN m2 每个中墩上的集中荷载 P1为 P1 KN dd d Q B G 9 100 5 025 02 5 0 97 234 5 2 4 105 22 21 1 1 1 1 每个边墩上的集中荷载 P2为 P2 KN dd d Q B G 84 114 5 025 02 5 0 97 234 5 2 25 140 22 21 1 1 1 2 四四 底板内力计算底板内力计算 梁的柔性指数 t t 10160 1 8 0 2 3 8 1045 1 125 10 3 5 30 h l E E 因梁上荷载左右对称 只计算左半梁弯矩 1 1 均布荷载的产生弯矩均布荷载的产生弯矩 q 15 94kn m2 M ql2 15 94 8 3 2 2 274 53MMM 由均布荷载引起的梁内各截面弯矩值 0 0 10 30 50 70 91 0 M 0 1030 1010 0890 0660 0360 006 0 M28 2827 7324 4318 129 881 650 2 2 由集中力由集中力 P P1 1 100 9KN 100 9KN 产生的的弯矩产生的的弯矩 M P1L 100 9 8 3 2 418 74MMM P1相对位置 1 3 8 3 2 0 3 19 0 0 0 1 0 3 0 5 0 7 0 9 1 0 M0 140 110 070 040 010 000 左边 P1M58 6246 0629 3116 754 1900 M0 140 170 250 140 060 010 右边 P1M58 6271 18104 6858 6225 124 190 3 3 由集中力由集中力 P P2 2 114 84KN 114 84KN 产生的弯矩产生的弯矩 M P2L 114 84 8 3 2 476 59MMM P2相对位置 4 15 0 25 4 15 0 9 0 0 0 1 0 3 0 5 0 7 0 9 1 0 M 0 13 0 12 0 07 0 06 0 03 0 00 0 左边 P2M 61 96 57 19 33 36 28 60 14 3000 M 0