进水闸、冲沙闸坝段水力及结构计算书.doc

1 计算书名称 计算书名称 进水闸 冲沙闸坝段水力及结构计算书进水闸 冲沙闸坝段水力及结构计算书 2 目目 录录 1 工程概况工程概况 1 2 水力计算水力计算 1 2 1 进水闸坝段过水能力计算 1 2 2 消能防冲设计 3 2 3 冲砂闸过水能力复核 4 2 4 消能防冲设计 5 3 稳定及应力计算稳定及应力计算 6 3 1 基本资料与数据 6 3 2 结构简化 6 3 3 计算公式 6 3 4 荷载计算及组合 8 3 5 计算成果 9 3 6 冲沙闸荷载计算 12 3 7 计算成果 13 3 8 计算简图 17 3 1 1 工程概况工程概况 某调水工程由关山低坝引水枢纽和穿越秦岭山区的输水隧洞两大部分组成 按其供水对象及性质 根据 防洪标准 GB50201 94 和 水利水电工程 等级划分及洪水标准 SL252 2000 工程等别为三等中型工程 主要建筑 物按 3 级建筑物设计 低坝无调节引水枢纽由拦河坝 冲砂闸 进水闸和输水暗渠四部分组成 前三部分在平面上呈一条直线南北方向并列布置 输水暗渠紧接进水闸并连接 进水闸和输水隧洞 两个闸均设在坝的左侧 坝轴线位于两河口下游 95m 关 山村上游约 1km 处 此处河谷宽度 74m 河床宽度约 60m 高程为 1467 2m 河床漂卵石覆盖层厚 5 12m 最大 15m 其下的基岩为黑云片麻岩和斜长片麻 岩 岩石强风化层厚约 2 3m 岩体分类为 类 岩层倾向上游 对防渗有 利 进水闸位于冲砂闸左侧 设计流量 13 5m3 s 单孔布置 孔口尺寸 3 0m 2 5m 设潜孔式弧形工作闸门和平面检修闸门 闸室后接 4m 长的 1 4 陡坡 陡坡后接消力池 消力池池长 14m 池深1 0m 底板厚度1 0m 为C20 钢筋混凝土结构 消力池后与输水暗渠相 接 2 水力计算水力计算 2 1 进水闸坝段过水能力计算进水闸坝段过水能力计算 2 1 1 引水渠内水深的确定 Q 3 22 1 1 RAi n 式中 Q 引水渠流量 13 5m3 s n 引水渠糙率 0 015 A R b h m 分别为过水断面面积 湿周 水力半径 渠道底宽 水深及边坡系数 其表达式如下 A b mh h b 2h 2 1m R A 2 12 mhb hmhb 2 故 13 5 1 0 015 3 0 h h 1 1000 1 2 3 2 23 0 3 h hh 经试算求得 h 2 282m 2 1 2 过流能力复核 设计流量下的渠内水深为 h 2 282m 进口闸底板高程取为 1469 00m 即 下游水位为 1471 282m 进口翼墙为圆弧形翼墙 按无坎宽顶堰流计算 最低引水位为 1471 50m 则 H0 1471 50 1469 0 13 5 4 3 2 19 6 2 56m 下游水深为 hs 2 282m 0 8613 5 m3 s 故满足引流要 6 19 2 3 求 考虑到进水闸前根据引水需求需设置拦污栅 故在最低引水位时还需计入拦污 栅的局部水头损失 初步估计其水头损失为 h 0 6v2 2g 则 H0 1471 50 1469 0 v2 2g 0 8 v2 2g 2 53m 下游水深为 hs 2 282m 0 901 0 9 0 H hs 53 2 282 2 此时 宽顶堰流处于高淹没出流状态 其流量公式为 Q hsB0 2 1 0 2hsHg 3 式中 淹没堰流的综合流量系数 可按下式计算 0 877 hs H0 0 65 2 0 0877 0 901 0 65 2 0 94 Q 0 94 2 282 3 2 53 2 282 1 2 14 17m3 s 13 5 m3 s 故满足引流要求 g2 由于引水渠道的引水流量最大只能达到 13 5 故在 1471 5 水位及其以上 应压 闸运行 以保证流量不大于 13 5 2 2 消能防冲设计消能防冲设计 消力池深 d 可按下式计算 d 0hc hs Z hc 1 81 2 3 hc hhc k hc3 T0hc2 q2 2g 2 0 Z q2 2g 2hs2 q2 2ghc 2 式中 d 消力池深度 m 0 水跃的淹没系数 一般取 1 0 1 05 hc 以下游原河床高程为基准算出的收缩断面的跃后水深 hc 收缩水深 水流动能校正系数 可采用 1 0 1 05 q 单宽流量 m2 s b1 消力池首端宽度 m b2 消力池末端宽度 m T0 由消力池底板顶面算起的总势能 m Z 出池落差 m hs 下游河床水深 m 经试算得 4 d 0 79 Z 0 107 消力池长 Lsj 可按下式计算 Lsj Lj Lj 6 9 hc hc 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 7 0 8 Lj 自由水跃长度 m 故 Lj 6 9 3 03 0 396 18 22 Lsj Lj 0 7 29 39 17 66 取池深 1 0m 池长 14m 2 3 冲砂闸过水能力复核冲砂闸过水能力复核 该冲砂闸设计最大过流量 Q 42m3 s 在非洪水期可根据冲砂要求适时开闸 放水 在洪水期可关闭闸门或压闸运行 保证下泄流量不大于 42m3 s 进口闸 底板高程为 1467 50m 设计孔口尺寸为 4 3 5 高 宽 按无坎宽顶堰流计 算 进口翼墙为圆弧形翼墙 1471 50 水位时过水能力的计算 出流形态判断 忽略行进水头则 H0 1471 50 1467 50 4 0m 下游水深为 hs 2 25m 校核洪水 位时下游水深 hs 1469 75 1467 50 2 25m 42 m3 s 故满足要求 6 19 2 3 2 4 消能防冲设计消能防冲设计 采用设计洪水工况作为消能防冲的设计标准 hc 1 81 2 3 hc hhc k hc3 T0hc2 q2 2g 2 0 Z q2 2g 2hs2 q2 2ghc 2 式中 0 水跃的淹没系数 一般取 1 0 1 05 hc 以下游原河床高程为基准算出的收缩断面的跃后水深 hc 收缩水深 水流动能校正系数 可采用 1 0 1 05 q 单宽流量 m3 s b1 消力池首端宽度 m b2 消力池末端宽度 m T0 由消力池底板顶面算起的总势能 m Z 出池落差 m hs 下游河床水深 m 经试算得 d 1 32 Z 1 51 消力池长 Lsj 可按下式计算 6 Lsj Lj Lj 6 9 hc hc 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 7 0 8 Lj 自由水跃长度 m 故 Lj 6 9 4 7 1 08 24 99 Lsj Ls Lj 9 0 75 24 99 18 74 综合考虑斜坡式护坦长取 18m 3 稳定及应力计算稳定及应力计算 3 1 基本资料与数据基本资料与数据 1 工程等别 等 建筑物级别 3 级 2 水位 溢流堰顶高程 1471 50 m 设计洪水位 1475 55 m 相应下游水位 1469 10m 校核洪水位 1476 66 m 相应下游水位 1469 75m 3 闸基与基岩抗剪摩擦系数 f 0 6 抗剪断摩擦系数 f 0 7 抗剪断 凝聚力 c 200kN m2 地基承载力 f 500 kN m2 4 砼容重 24kN m3 5 扬压力按无帷幕 无排水计算 6 地震设计烈度 7 度 7 水容重 10KN m3 根据已成工程经验和可研成果 拟定进水闸坝段体型及尺寸如计算简图 3 2 结构简化结构简化 进水闸坝段的稳定及基底应力计算时 取整个进水闸坝段作为研究对象 即坝 0 006 5 坝 0 012 5 基底面取至 1467 50m 高程 7 3 3 计算公式计算公式 3 3 1 稳定计算公式 分别采用剪摩公式 K f G H 和 抗剪断公式 K f G C A H 计算 式中 K 沿闸基面的抗滑稳定安全系数 f 闸基面与地基之间的摩擦系数 取 0 6 G 作用在闸上的全部竖向荷载 包括扬压力 H 作用在冲砂闸坝段上的全部水平荷载 K 沿闸基面的抗剪断稳定安全系数 f 坝闸基面与地基之间的抗剪断摩擦系数 C 闸基与基底面之间的抗剪断粘结力 A 闸基地面的面积 3 3 2 基地应力计算公式 P W M A G 式中 M 作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对基础底面形心轴的力矩 W 闸室基底面对于该底面形心轴的截面矩 3 3 3 荷载计算公式 3 3 3 1 自重 计算公式 G V 式中 浆砌石或混凝土容重 V 体积 3 3 3 2 静水压力 计算公式 F 1 2 h2B 式中 水容重 KN m3 h 水深 m 8 B 计算宽度 m 3 3 3 3 波浪压力 当 H Hk H Lm 2 时 计算公式 PL 1 4 Lm h5 hZ B 式中 PL 迎水面上的浪压力标准值 KN m 水的重度 KN m3 Lm 平均波长 m H5 累计频率为5 的波高 m hZ 波浪中心线至计算水位的高度 m 按下式计算 hz h5 2 Lm cth 2 H Lm H 挡水建筑物迎水面前的水深 m 3 3 3 4 扬压力 U 计算公式 U hL 1 2 h0L B 式中 h h0 下游水深 上下游水位差 L B 计算长度 计算宽度 3 3 3 5 地震荷载 查自 水工建筑物抗震设计规范 3 3 3 5 1水平向地震惯性力 计算公式 Fi h GEi i g 式中 Fi 作用在质点 i 的水平向地震惯性力代表值 i 质点 i 的动态分布系数 按下式计算 n 坝体计算质点总数 H 坝高 溢流坝的 H 应算至闸墩顶 hi 质点 i 的高度 hj 质点 j 的高度 GE 产生地震惯性力的建筑物总重力作用的标准值 GEi 集中在质点 i 的重力作用标准值 GEj 集中在质点 j 的重力作用标准值 地震作用的效应折减系数 取 0 25 n j j E j i i Hh G G Hh 1 4 4 41 41 4 1 9 h 水平向设计地震加速度代表值 取 0 1g g 重力加速度 3 3 3 5 2 地震动水压力 单位宽度坝面的总地震动水压力作用在水面以下 0 54H0 处 其代表值 F0 按下式计算 式中 水体质量密度标准值 H0 水深 地震作用的效应折减系数 取 0 25 h 水平向设计地震加速度代表值 取 0 1g 3 43 4 荷载计算及组合荷载计算及组合 3 4 1 进水闸荷载计算 3 4 1 1 重力 总重 G 14589 4 kN 3 4 1 2 水压力 水的重力 Pv RV 0 水的水平力 上游 PH 上 H上 2 2 1 下游 PH 下 H下 2 2 1 3 4 1 3 扬压力 U H2 H 1 12 38 2 1 3 4 1 4 地震荷载 水平向地震总惯性力 F h G i g 地震动水压力 P0 0 65 h H2 6 3 4 2 荷载组合 选择最不利荷载组合进行稳定计算 即 基本组合 1 1471 50 水位情况 基本组合 2 设计洪水位情况 特殊组合 1 校核洪水位情况 特殊组合 2 1471 50 水位 地震情况 2 00 65 0HaF wh 10 3 5 计算成果计算成果 3 5 1 抗滑稳定计算成果表 抗滑稳定计算表 挡水 抗滑稳定计算表 挡水 基本组合 基本组合 1 1 基本组合 基本组合 2 2 特殊组合 特殊组合 1 1 特殊组合 特殊组合 2 2 荷载荷载 水平向水平向竖向竖向水平向水平向竖向竖向水平向水平向竖向竖向水平向水平向竖向竖向 自重自重 14589 414589 414589 414589 4 水重水重 601 31698 91894 9980 0 静水压力静水压力 292 51615 32164 0292 5 扬压力扬压力 2231 3941 9 4410 9 2230 8 地震荷载地震荷载 547 1 地震动水压力地震动水压力 93 3 合计合计 292 512959 91615 312346 32164 012073 4932 913338 6 K K 允许值 允许值 1 081 081 031 00 K K 实际值 实际值 26 584 593 358 58 K K 允许值 允许值 3 003 002 502 30 K K 实际值 实际值 80 7914 3610 6325 62 稳定性判断稳定性判断稳定稳定稳定稳定 抗滑稳定计算表 过水 抗滑稳定计算表 过水 3 5 2 应力计算成果表 底板纵向地基反力底板纵向地基反力 1471 50 水位 水位 部位部位铅直力铅直力水平力水平力力臂力臂力矩力矩 Mx Mx 闸墩闸墩 9381 94320 54645126 294 底板底板 3237 0000 基本组合 基本组合 1 1 基本组合 基本组合 2 2 特殊组合 特殊组合 1 1 特殊组合 特殊组合 2 2 荷载荷载 水平向水平向竖向竖向水平向水平向竖向竖向水平向水平向竖向竖向水平向水平向竖向竖向 自重自重 14589 414589 414589 414589 4 水重水重 1890 02260 92455 21890 0 静水压力静水压力 365 51391 10 01831 5365 5 扬压力扬压力 2230 8 3941 9 4410 9 2230 8 地震荷载地震荷载 547 1 地震动水压力地震动水压力 93 3 合计合计 365 514248 61391 112908 41831 512633 61005 914248 6 K K 允许值 允许值 1 081 081 031 00 K K 实际值 实际值 23 395 574 148 50 K K 允许值 允许值 3 003 002 502 30 K K 实际值 实际值 67 1216 9612 7824 39 稳定性判断稳定性判断稳定稳定稳定稳定 11 检修槽检修槽 110 2080 975 107 453 胸墙胸墙 570 24 0 9141 521 256 检修平台检修平台 31 7448 2 0496 65 0641 梁板梁板 1 1 91 49047 155654 6138 梁板梁板 2 2 17 4245 392 3472 梁板梁板 3 3 14 37844 60166 15502 梁板梁板 4 4 190 042560 869165 147 梁板梁板 5 5 17 424 1 3 22 6512 门槽门槽 1 1 137 763 7 509 712 门槽门槽 2 2 51 840 702 36 3917 前胸墙前胸墙 500 45 90492954 812 闸门重力闸门重力 20 0 8 16 启闭机启闭机 30 0 8 24 闸房 房顶 闸房 房顶 2340 55128 7 侧墙侧墙 481 650 55264 9075 梁梁 71 4240 5539 2832 水重水重 601 33 12441878 83 水压力水压力 292 5 1 5 438 75 扬压力扬压力 2230 82 167 4834 14 合计合计 12959 894404795 667 应力应力 131 77026599 65642 底板纵向地基反力底板纵向地基反力 1475 55 水位 水位 部位部位铅直力铅直力水平力水平力力臂力臂力矩 力矩 Mx Mx 闸墩闸墩 9381 943200 54645126 294 底板底板 3237000 检修槽检修槽 110 2080 975 107 453 胸墙胸墙 570 240 0 9141 521 256 检修平台检修平台 31 74480 2 0496 65 0641 梁板梁板 1 1 91 490407 155654 6138 梁板梁板 2 2 17 42405 392 3472 梁板梁板 3 3 14 378404 60166 15502 梁板梁板 4 4 190 0425600 869165 147 梁板梁板 5 5 17 4240 1 3 22 6512 门槽门槽 1 1 137 7603 7 509 712 门槽门槽 2 2 51 8400 702 36 3917 前胸墙前胸墙 500 45 90492954 812 闸门重力闸门重力 200 0 8 16 启闭机启闭机 300 0 8 24 闸房 房顶 闸房 房顶 23400 55128 7 侧墙侧墙 481 6500 55264 9075 梁梁 71 42400 5539 2832 水重水重 1698 86504 9088338 029 水压力水压力 01615 3 2 683 4333 93 12 扬压力扬压力 2015 322 167 8542 15 合计合计 14272 89303651 675 应力应力 139 66314115 21 底板纵向地基反力底板纵向地基反力 1476 66 水位 水位 部位部位铅直力铅直力水平力水平力力臂力臂力矩力矩 Mx Mx 闸墩闸墩 9381 943200 54645126 294 底板底板 3237000 检修槽检修槽 110 2080 975 107 453 胸墙胸墙 570 240 0 9141 521 256 检修平台检修平台 31 74480 2 0496 65 0641 梁板梁板 1 1 91 490407 155654 6138 梁板梁板 2 2 17 42405 392 3472 梁板梁板 3 3 14 378404 60166 15502 梁板梁板 4 4 190 0425600 869165 147 梁板梁板 5 5 17 4240 1 3 22 6512 门槽门槽 1 1 137 7603 7 509 712 门槽门槽 2 2 51 8400 702 36 3917 前胸墙前胸墙 500 405 90492954 812 闸门重力闸门重力 200 0 8 16 启闭机启闭机 300 0 8 24 闸房 房顶 闸房 房顶 23400 55128 7 侧墙侧墙 481 6500 55264 9075 梁梁 71 42400 5539 2832 水重水重 1894 904 9679411 968 水压力水压力 02164 0 3 053 6606 79 扬压力扬压力 2484 3002 67 11777 1 合计合计 14272 89300 782 193 应力应力 124 8176130 05550 底板纵向地基反力底板纵向地基反力 1471 50 水位水位 地震 地震 部位部位铅直力铅直力水平力水平力力臂力臂力矩力矩 Mx Mx 闸墩闸墩 9381 943200 54645126 294 底板底板 3237000 检修槽检修槽 110 20800 975 107 453 胸墙胸墙 570 240 0 9141 521 256 检修平台检修平台 31 74480 2 0496 65 0641 梁板梁板 1 1 91 490407 155654 6138 梁板梁板 2 2 17 42405 392 3472 梁板梁板 3 3 14 378404 60166 15502 梁板梁板 4 4 190 0425600 869165 147 梁板梁板 5 5 17 4240 1 3 22 6512 13 门槽门槽 1 1 137 7603 7 509 712 门槽门槽 2 2 51 8400 702 36 3917 前胸墙前胸墙 500 405 90492954 812 闸门重力闸门重力 200 0 8 16 启闭机启闭机 300 0 8 24 闸房 房顶 闸房 房顶 23400 55128 7 侧墙侧墙 481 6500 55264 9075 梁梁 71 42400 5539 2832 水重水重 601 30 03 11878 8 水压力水压力 0 0292 5 1 5 438 8 扬压力扬压力 2230 80 02 17 4834 1 地震力地震力 547 1008 5 94 3249 78 地震动水地震动水 93 25631 2 43 226 613 合计合计 12959 8944001319 276 应力应力 120 130562111 29610 由计算结果可知地基最大压应力为 139 66kN m2 小于地基承载力 500 kN m2 且无拉应力出现 故满足要求 3 63 6 冲沙闸荷载计算冲沙闸荷载计算 3 6 1 重力 总重 G 18582 5 kN 3 6 2 水压力 水的重力 Pv RV 0 水的水平力 上游 PH 上 H上 2 2 1 下游 PH 下 H下 2 2 1 3 6 3 扬压力 U H2 H 1 12 38 2 1 3 6 4 地震荷载 水平向地震总惯性力 F h G i g 地震动水压力 P0 0 65 h H2 6 5 3 6 2 荷载组合 选择最不利荷载组合进行稳定计算 即 基本组合 1 1471 50 水位情况 基本组合 2 设计洪水位情况 特殊组合 1 校核洪水位情况 特殊组合 2 1471 50 水位 地震情况 14 3 7 计算成果计算成果 3 7 1 抗滑稳定计算成果表 抗滑稳定计算表 挡水 抗滑稳定计算表 挡水 基本组合 基本组合 1 1 基本组合 基本组合 2 2 特殊组合 特殊组合 1 1 特殊组合 特殊组合 2 2 荷载荷载 水平向水平向竖向竖向水平向水平向竖向竖向水平向水平向竖向竖向水平向水平向竖向竖向 自重自重 18582 518582 518582 518582 5 水重水重 980 01698 91894 9980 0 静水压力静水压力 1058 83192 13977 21058 8 扬压力扬压力 3080 7952 0 8948 8 3080 0 地震荷载地震荷载 696 8 地震动水压力地震动水压力 313 4 合计合计 1058 816482 53192 112329 43977 211528 62069 016482 5 K K 允许值 允许值 1 081 081 031 00 K K 实际值 实际值 9 342 321 744 78 K K 允许值 允许值 3 003 002 502 30 K K 实际值 实际值 18 635 274 099 53 稳定性判断稳定性判断稳定稳定稳定稳定 抗滑稳定计算表 过水 抗滑稳定计算表 过水 基本组合 基本组合 1 基本组合 基本组合 2 特殊组合 特殊组合 1 特殊组合 特殊组合 2 荷载荷载 水平向水平向竖向竖向水平向水平向竖向竖向水平向水平向竖向竖向水平向水平向竖向竖向 自重自重 18582 518582 518582 518582 5 水重水重 1890 02260 92455 21890 0 静水压力静水压力 498 81498 10 01972 4498 8 扬压力扬压力 3080 0 7952 0 8948 8 3080 0 地震荷载地震荷载 696 8 313 4 合计合计 498 817392 51498 112891 41972 412088 91509 017392 5 K 允许值 允许值 1 081 081 031 00 K 实际值 实际值 20 925 163 686 92 K 允许值 允许值 3 003 002 502 30 K 实际值 实际值 53 6015 7411 6717 72 稳定性判断稳定性判断稳定稳定稳定稳定 3 7 2 应力计算成果表 底板纵向地基反力底板纵向地基反力 1471 50 水位 水位 部位部位铅直力铅直力水平力水平力力臂力臂力矩力矩 Mx Mx 15 闸墩闸墩 42420 7443156 048 底板底板 12930 9600 胸墙胸墙 409 8482 383 976 668 检修平台检修平台 420 0 5 210 梁板梁板 1 1 36 967 155264 4488 梁板梁板 2 2 115 085 3609 924 梁板梁板 3 3 20 164 60192 75616 梁板梁板 4 4 16 1280 86914 01523 梁板梁板 5 5 224 64 1 3 292 032 门槽门槽 1 1 20 163 774 592 门槽门槽 2 2 159 360 702 111 871 闸门重力闸门重力 73 440 7 51 408 启闭机启闭机 300 721 闸房 房顶 闸房 房顶 2342 05479 7 侧墙侧墙 481 652 05987 3825 梁梁 71 4242 05146 4192 水重水重 980 04 54410 158 水压力水压力 1058 8 1 83 1937 51 扬压力扬压力 30802 67 8223 6 合计合计 16100 5490 1546 65 应力应力 138 57639148 933409 底板纵向地基反力底板纵向地基反力 1475 55 水位 水位 部位部位铅直力铅直力水平力水平力力臂力臂力矩力矩 Mx Mx 闸墩闸墩 424200 7443156 048 底板底板 12930 96000 胸墙胸墙 409 84802 383 976 668 检修平台检修平台 4200 0 5 210 梁板梁板 1 1 36 9607 155264 4488 梁板梁板 2 2 115 0805 3609 924 梁板梁板 3 3 20 1604 60192 75616 梁板梁板 4 4 16 12800 86914 01523 梁板梁板 5 5 224 640 1 3 292 032 门槽门槽 1 1 20 1603 774 592 门槽门槽 2 2 159 3600 702 111 871 闸门重力闸门重力 73 4400 7 51 408 启闭机启闭机 3000 721 闸房 房顶 闸房 房顶 23402 05479 7 侧墙侧墙 481 6502 05987 3825 梁梁 71 42402 05146 4192 水重水重 1698 86504 9088338 029 01 630 水压力水压力 03192 1 3 183 10160 4 16 扬压力扬压力 2744 002 67 21231 8 合计合计 17155 3790 18849 9 应力应力 90 059463216 2866 底板纵向地基反力底板纵向地基反力 1476 66 水位 水位 部位部位铅直力铅直力水平力水平力力臂力臂力矩力矩 Mx Mx 闸墩闸墩 424200 7443156 048 底板底板 12930 96000 胸墙胸墙 409 84802