水闸设计及闸室稳定计算

附录一 附录一 泄洪冲砂闸及溢流堰的水力计算泄洪冲砂闸及溢流堰的水力计算 1 1 设计资料 根据设计任务书中提供的资料和该枢纽布置段的基本地形资料本工程中的 河流属于山溪性河流天然来水量多集中在洪水季节 平时来水量仅占全年来水 量的 10 河水中泥沙含量较大尤其是伴随洪水中的泥沙较多 再根据其地形 资料来看本工程布置段的地形坡度比较合适 因此在选择泄洪冲砂闸地板高程 1852 40m 根据上述本工程中的泄洪冲砂闸为宽顶堰 堰顶高程 1852 40m 过闸水流 流态为堰流 汛期通过闸室的设计洪水流量 1088m3 s 校核洪水流 1368 Q设Q校 m3 s 因为泄洪冲砂闸为宽顶堰所以尺寸拟定用堰流公式 2 3 2HgmbQ 为淹没系数 取为 1 0 为流量系数 因为是前面无坎的宽顶堰所以 m 0 385 m 为侧收缩系数 先假定为 1 0 H 位总水头 初设阶段不考虑行进流速 即假设的堰上水头 b 闸门净宽 来洪水时洪水将由溢流堰和泄洪冲砂闸两部分共同承担 这样可减去一部 分闸孔的净宽并设置溢流侧堰初步拟定溢流堰为折线形实用堰 初步拟定溢流堰堰顶高程 进水闸设计流量的堰顶水头对应的水位 0 2 0 3m 进水闸闸底高程 1853 60m 闸前水位 1 40m 超高 0 2m 1856 4m 采用共同水位法和堰流公式计算两种工作情况下的特征洪水位 先假设一个水位 用堰流公式分别计算过堰流量和过闸流量 二者相加 等于实际流 接近计算工作情况下的洪水流量时 该水位就为所求 因为泄洪冲砂闸为 宽顶堰 所以尺寸拟定用堰流公式 2 3 2HgmbQ 为淹没系数 取为 1 0 为流量系数 因为是前面无坎的宽顶堰所以 m 0 385 计算溢流堰m 时因为溢流堰为折线形实用堰 m 0 3 为侧收缩系数 先假定为 1 0 H 位总水头 初设阶段不考虑行进流速 即假设的堰上水头 b 闸门净宽 计算结果如附表 1 1 1 2 a 设计洪水情况下 洪水流量 Q 1018 m3 s 附表 1 1 设计洪水情况下泄洪冲砂闸水力计算表 水位 m 过闸总流量 m3 s 过堰总流量 m3 s 实际总流量 m3 s 1855 81018 935 11054 b 校核洪水情况下 洪水流量 Q 1368 m3 s 附表 1 2 校核洪水情况下泄洪冲砂闸水力计算表 水位 m 过闸总流量 m3 s 过堰总流量 m3 s 实际总流量 m3 s 1856 31251 7118 61370 3 经过计算泄洪冲砂闸净宽 96m 溢流堰长度 95m 设计洪水位 1855 8m 校 核洪水位 1856 30m 泄洪冲砂闸净宽为 96m 每孔取净宽 8m 边墩宽 0 8m 中墩宽 1 0m 缝墩 1m 1 2 泄洪冲砂闸地板渗透稳定计算 1 地板渗流计算 1 确定地基计算深度 1 计算 e T 水平投影长度 10m 铅直投影长度 1 5m 0 L 0 S 因为 6 67 5 0 0 S L 所以 0 5 10 5m 0 5 e T 0 L 所以地基不透水层的有效计算深度为 5 0m 2 计算各段 Aa 阻力系数 1 S 1 5m T 5m 687 0 441 0 5 1 2 3 01 T s 2 L 0 75m T 5m 12 0SS 0 15 12 0 7 X LSS T 3 S 0 5m T 5m 3 1416 10 0 145ln 2 3 t s ctg y 4 L 8 5m S1 0 5m T 5m 0 5m 2 S 1 36 12 0 7 X LSS T 5 S 0 5m T 5m 3 1416 10 0 145ln 2 5 t s ctg y 6 L 0 75m T 5m 12 0SS 0 15 12 0 7 X LSS T 7 S 1 5m T 5m 3 计算各段水头损失 i h 总水头损失 3 90m 在H ii H h 234 3 列表计算各段水头损失 hi 附表 1 3 水头损失计算表 序 号 1234567 0 6870 1500 1001 3600 1000 1500 687 0 8280 1810 1211 640 1210 1810 828 4 进出口水头损失值的修正 1 进口处修正系数 1 B 1 2 1 1 21 1220 059 B TS TT 式中 S 1 5m T 5m 5m T 代入得 1 01 1 B 1 所以不用进行修正 1 B 2 出口处修正系数 2 B 3 5m T 5m S 1 5m T i h i 687 0 441 0 5 1 2 3 7 T s 0 857 1 0 所以出口处要修正 2 B 出口段水头损失减小值为 H7 0 828 0 857 0 710m 0 828 0 710 0 118m h H6 0 181 0 118 0 299 5 计算各角隅点的渗压水头并列表 附表 1 5 各角隅点渗压水头 h1h2h3h4h5h6h7 3 07 2 2 8 91 2 77 0 1 13 0 1 00 9 0 71 0 0 6 绘制渗压水头分布图 7 闸底板水平段渗透坡降和渗流坡降的计算 1 闸底板水平段平均渗透坡降 x J 闸底板的轮廓线由 6 点至 11 点 水平投影 mL50 8 28 0 22 0 193 0 5 8 64 1 116 L HH Jx 2 出口处得出逸坡降 0 J 出口处既 11 点至 12 点 渗透距离为 mS50 1 55 0 50 0 47 0 5 1 71 0 1211 0 S HH J 参见 SL265 2001 水闸设计规范 0 J x J 所以满足允许渗透比降 1 3 泄洪冲砂闸地板抗滑稳定计算 1 3 1 计算单元的确定 根据 水闸设计规范 SL265 2001 闸室稳定计算宜取相邻顺水流向永 久缝之间的闸段为计算单元 选取中间两孔闸室作为计算单元 附图 1 4 计算单元 选取示意图 1 3 2 承载力计算 自重荷载 根据 水工钢筋混凝土结构学 中钢筋混凝土按线性分布荷载为 25 KN m3 根据水闸的基本尺寸设计对其进行荷载计算 作用在水闸上的自重荷载有 底板 KNG75 268255 05 15 020 110 闸墩 KNG 5 123725105 45 04 55 0 闸门 根据 水闸 闸门为弧形露顶式 B10m 所以 42 033 0 HHBKKG sbc Hs 设计水头 Kc 材料系数 本工程取 1 Kb 孔门宽度系数 本工程 Kb 0 472 H 孔口高度 闸门 42 0 33 0 HHBKKG sbc 吨16 4 1 49 28472 0 0 1 42 0 33 0 G 4 16 10 41 6KN 工作桥 交通桥及其梁 KNG25 926255 03 0195253 0419 根据算出的闸门的数据参考 闸门与启闭设备 采用双吊点卷扬式 型启闭机 该启闭机的自重为 2 55 吨 160241376 启闭机 G 2 55 10 25 5KN 根据 SL265 2001 水闸设计规范 中应该选取不同的荷载组合作为不同 的工况对闸室的稳定进行验算看闸室是否安全 第一种工况选为完建无水的状况 附表 1 6 泄洪闸荷载计算成果表 完建无水期 荷载名 称 垂直力 M KN 力臂 L M 力矩 M0 KN M 顺时 针 逆时针 底 板 5106 250 0000 000 闸 墩 3712 50 0000 000 工作桥 926 250 002 50 002316 25 交通桥 926 250 0021852 50 闸 门 41 60 0020 0083 2 启闭机 25 50 0020 0051 10738 351852 52450 45 完建无水工况下的闸室稳定计算 根据 SL265 2001 水闸设计规范 中地基承载力公式 W M A G P min max 式中 完建无水期基底压力的最大和最小值 kPa min max P 作用在闸室上的全部竖向荷载 包括基础底面的上的扬 G 压力 KN 作用在闸室上的竖向和水平荷载对于闸底板垂直于水流 M 方向的形心轴的力矩 kN m 闸室基底的面积 m2 A W 闸室基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩 m3 地基承载力不均匀性验算公式 min max p p 根据计算结果 判断是否满足要求 KPap KPap P 35 56 67 56 19910 95 597 1019 35 10738 min max 2 min max 根据 SL265 2001 水闸设计规范 野云沟河床多是漂石 卵 碎石 角石 砾砂及少量的粉土 粉砂胶结而成 所以属于中等坚实取 2 0 0 201 1 35 56 67 56 min max p p 所以满足要求 第二种工况为上游为正常引水为下游无水的工况 此工况为最不利工况 正常当水期荷载计算及抗滑稳定验算 附图 1 5 水闸稳定计算水重作用力意图 2 m45 115 03 28 09 37 2 水 S 水重 KNG1832101645 11 m hh hhh e42 1 3 2 21 21 1852 40 1856 3 P1 P1 P2 P2 P2 附图 1 6 水闸稳定计算水平压力作用力意图 水平压力 KNghP 8 1216169 3105 016 2 1 22 1 KNghP05 7619 3105 01 2 1 22 2 mhe3 19 3 3 1 3 1 渗透压力 KN359110192 1071 0 07 3 W 浮托力 KNW104510 59 0 3752110 计算结果列于表 附表 1 7 泄洪闸闸室荷载计算成果表 正常挡水期 垂直力 M kN 水平力 P kN 力矩 M0 kNm 荷载名称 力臂 m 逆时针 顺时针 闸室 10738 35 水重 18321 52748 1216 81 31581 84 上游水压力 76 051 398 865 浮托力 1045 渗透压力 3591 12570 3546361292 8527481680 71 合计 7934 351292 851067 30 根据 SL265 2001 水闸设计规范 中地基承载力公式 W M A G P min max mhe3 19 3 3 1 3 1 式中 完建无水期基底压力的最大和最小值 kPa min max P 作用在闸室上的全部竖向荷载 包括基础底面的上的扬 G 压力 KN 作用在闸室上的竖向和水平荷载对于闸底板垂直于水流 M 方向的形心轴的力矩 kN m 闸室基底的面积 m2 A 闸室基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩W m3 地基承载力不均匀性验算公式 min max p p 根据计算结果 判断是否满足要求 KPap KPap P 26 48 86 48 1910 3 1067 1910 2 9227 min max 2 min max 不均匀系数验算 0 21 01 26 48 86 48 min max P P 故满足要求 闸室基底面的抗滑稳定计算 根据 SL265 2001 水闸设计规范 中的闸室抗滑稳定计算公式 K P Gf K 式中 闸室与地基的摩擦系数 由张世儒 水闸 查表 7 8 f 作用在闸室上的全部竖向荷载 kN G 作用在闸