淑闾西沟渡南水北调工程——理工大学毕业设计.doc

长沙理工大学 淑闾西沟渡南水北调工程 1 淑闾西沟渡淑闾西沟渡南水北调工程南水北调工程 20132013 年年 0909 月月 长沙理工大学 淑闾西沟渡南水北调工程 2 摘要摘要 工程位于河北省石家庄市，承担着全市的排污排涝任务。为对本市的用水环境进行综 合治理，修建此水泵站。基本方案为：站址的选择和建筑物的布置，水泵的选型，水 泵进出管路的设计。工程等级为三级。 设计的主要工作有：1 选择合理的设计方案及设计方法； 2 施工平面布置图； 3 工程预算。 关键字：水泵 设计 管路 长沙理工大学 淑闾西沟渡南水北调工程 1 目目 录录 摘摘 要要.2 1 概概 述述.3 1.1 南水北调中线工程简介.3 1.2 淑闾西沟渡槽概况.3 1.2.1 地形地貌.3 1.2.2 地质结构及地层岩性.4 1.2.3 工程地质条件及评价.4 1.2.4 基本设计资料与资料.4 2 渡槽总体布置与选型渡槽总体布置与选型.6 2.1 渡槽总体布置.6 2.1.1 基本原则.6 2.1.2 注意事项.6 2.2 结构型式的选择.6 2.2.1 槽身横断面选择.7 2.2.2 槽身纵向支承形式选择.7 2.2.3 与上下游渠道的 连接形式.7 2.2.4 渡槽的结构布置.7 3 渡槽水力计算渡槽水力计算.9 3.1 确定槽身断面尺寸.9 3.2 总水头的确定与I,B,H 的校核.10 Z 3.3 进出口高程确定.12 3.4 槽身尺寸拟定.13 4 渡槽结构计算渡槽结构计算.14 4.1 槽身横向稳定验算.14 4.1.1 验算作用.14 4.1.2 计算简图.14 4.1.3 不利工况及计算单元.14 4.1.4 计算荷载.14 4.1.5 计算目的.15 4.1.6 计算过程：.15 4.2 槽身纵向结构计算.16 4.2.1 纵向结构计算任务.16 4.2.2 计算荷载.16 4.2.3 槽身内力计算.17 4.3 横剖面构造横向结构计算.17 长沙理工大学 淑闾西沟渡南水北调工程 2 4.3.1 加大流量工况计算.17 4.3.3 1/2-2/3 加大流量工况计算.22 4.4 槽身配筋计算.27 4.4.1 纵向配筋.27 4.4.2 横向配筋.27 4.5 人行道板设计.29 4.6 横拉杆计算.31 4.6.1 固端计算.31 4.6.2 跨中弯矩计算.32 4.7 端肋内力计算.33 4.7.1 荷载计算.33 4.7.2 计算荷载.34 4.7.3 端肋赔筋.35 5 渡槽支撑计算渡槽支撑计算.37 5.1 槽墩形式.37 5.2 槽墩结构计算.38 5.2.1 承压验算.38 5.2.2 空水及风压工况下的抗滑抗倾验算.39 5.3 基底应力验算.40 5.4 边墩结构计算.40 5.5 稳定验算.42 5.6 正应力验算.42 6 工程量与造价计算工程量与造价计算.44 6.1 钢筋计算.44 6.2 混凝土量计算.44 6.3 人工单价预算.44 参参 考考 文文 献献.46 谢谢 辞辞.47 长沙理工大学 淑闾西沟渡南水北调工程 3 1 概概 述述 1.11.1 南水北调中线工程简介南水北调中线工程简介 “南方水多、北方水少”是我国水资源分布的特点，随着社会和经济的发展，北 方缺水日益严重。京、津、华北地区平原尤为突出，不但制约了经济的发展而且出现 了严重的生态环境问题。自 1952 年毛主席提出南水北调的构想以来，经中央、有关省 市领导和广大的科技工作者的努力，20 世纪 70 年代末就形成了从长江的上、中、下游 向北方调水的西、中、东三条线的格局。 南水北调工程南起湖北丹江口水库，北至北京团结湖。一期工程总调水量 95 亿 立方米。从丹江口水库计，分配我省 34.7 亿立方米，扣除总干渠输水损失，至我省各 分水口门水量约 30 亿立方米。二期工程总调水量增加到 130 亿立方米，分配我省毛水 量 48.3 亿立方米，到我省分水口门约 42 亿立方米。 南水北调中线工程总干渠自河南省安阳市丰乐镇穿漳河进入我省，沿太行山东麓 和京广铁路西侧北行，途经邯郸、邢台、石家庄、保定境内 25 个县（市） ，于涿州市 穿北拒马河中支进入北京，线路全长 461 公里。总干渠所经之处除永年县名山和唐河 以北渠段属于低山丘陵外，大部分渠段在山前平原通过，地形平坦开阔。共穿越大小 河沟 201 条，无明显河沟的坡水区 36 处，共计 237 条（处） ，河北段共有各类建筑物 697 座。 总干渠为一等工程，渠道和建筑物的主要部位为 1 级建筑物，次要部位为 2 或 3 级建筑物。防洪设计标准和校核标准：大型河渠交叉建筑物为百年一遇和三百年一遇； 渠道及其他建筑物为 50 年一遇和百年一遇。 1.21.2 淑闾西沟渡槽概况淑闾西沟渡槽概况 淑闾西沟渡槽位于河北省保定市唐县淑闾村西排洪沟上，距离淑闾村约 200 米,是南水 北调中线工程河北段总干渠上的一座左岸排水建筑物。与南水北调总干渠相交叉，为 了满足总干渠建成后此河流的过水要求，故在排洪沟上修建一座渡槽。 淑闾西沟排水渡槽 I 等 1 级水工建筑物，设计标准为 50 年一遇洪水设计，200 年一遇 洪水校核，进出口渐变段建筑物级别为 3 级 长沙理工大学 淑闾西沟渡南水北调工程 4 1.2.11.2.1 地形地貌地形地貌 淑闾西沟渡槽位于河北省唐县淑闾村西沟 200m，有乡间土路经过场区，距公路约 1.5Km，交通比较便利。 所属地貌单元为太行山山前平原，地势平坦开阔，地面高程 70.270.5m 。 1.2.21.2.2 地质结构及地层岩性地质结构及地层岩性 钻探深度内揭露地层为第四系上更新统中段冲洪积和太古界角闪斜长片麻岩，地 质结构为粘性土、基岩双层结构，现由上至下分述如下： 1、第四系上更新统中段冲洪积（al+plQ23） 黄土状壤土:褐黄色,干燥稍湿,可塑,层厚 88.5m。夹中砂，棕黄色，饱和，厚 0.5m。 2、太古界埠平群南营组（Arn） 黑云斜长片麻岩（强）：暗灰色，岩芯呈碎块状，块径 0.55m。强风化未完全揭 露，厚度大于 4.2m。 1.2.31.2.3 工程地质条件及评价工程地质条件及评价 1、建筑物主要设计指标：设计流量 34.2m3/s, 校核流量 58.1 m3/s， 槽底高程进口段 71.97 m， 出口段 71.86 m； 设计流速 2.8m/s, 校核流速 3.27m/s. 总干渠指标： 设计流量 135 m3/s，加大流量 160 m3/s；设计水位 69.660m；渠底高程 65.160 m。 2、根据中国地震局分析预报中心 2004 年 4 月南水北调中线工程沿线设计地震 动参数区划报告 ，本区地震动峰值加速度 0.05g ,相当于地震基本烈度度。 3、建筑物建议采用桩基，桩底坐落在全风化片麻岩层，容许承载力建议值为 300kpa。 4、覆盖层中有 0.5m 厚的砂层，桩基施工中应注意砂层塌孔问题。 5、地下水位距渠底板以上 2.4m。 6、排水渡槽出口地表为黄土状壤土，抗冲性能差，建议采取抗冲工程措施。 长沙理工大学 淑闾西沟渡南水北调工程 5 7、建筑物区渠底局部为中砂透镜体，建议挖除并做好防渗处理。 1.2.41.2.4 基本设计资料与资料基本设计资料与资料 1、天然河沟资料 设计流量: 36sm / 3 校核流量: 62sm / 3 沟底纵坡: 0.0092 沟底宽度： 9.00m 流域面积: 1.55 2 km 2、建筑物轴线处引水总干渠资料 渠道底高程： 65.160m 设计水位: 69.660m 加大水位: 70.196m 一级马道高程: 71.660m 边坡系数: 1:1.25 底宽: 21.50m 纵坡： 1/25000 3、渡槽指标 槽身长： 86m 设计流量: 36/s 3 m 加大流量: 62/s 3 m 渡槽进口底高程: 74.000m 4、地质资料 淑闾西沟排水渡槽场区地质为土岩双层结构。 土质结构 第四系上更新统中断冲洪积（）黄土状壤土；褐黄色，干燥稍 2 3 plQal 湿，可塑，层厚 88.5m。夹中砂，棕黄色，饱和，厚 0.5m。 岩质结构 太古界平群南营组（Arn）: 黑云斜长片麻岩（全）,全风化带最薄处 20.8m；黑云斜长片麻岩（强） ，强风化未完全揭露，厚度大于 4.2m。 长沙理工大学 淑闾西沟渡南水北调工程 6 2 渡槽总体布置与选型渡槽总体布置与选型 2.12.1 渡槽总体布置渡槽总体布置 渡槽的整体布置是渡槽设计中全局性的问题。 渡槽总体布置包括：平面布置、纵剖面布置、若干横剖面布置、进口、出口、连 接段、过渡段布置等，应根据渠系规划要求及查勘资料，通过分析比较和必要的水力 计算确定。 2.1.12.1.1 基本原则基本原则 在纵剖面上，首先应定出上游渠道末端桩号及下游渠道首端桩号；由水力计算确 定出槽内水面及槽身断面轮廓尺寸，进一步确定槽身各部位（用桩号表示）支承结构 高度，进行跨度划分及布置等工作。选择地点应使渠线及渡槽长度较短，地质条件较 好，工程最省槽身起止点争取落在挖方渠道上进水口水流顺畅，运用管理方便，应考 虑进出口建筑物及槽跨结构型式及布置等。 2.1.22.1.2 注意事项注意事项 1）跨越河流时，槽址应尽量布置于河床稳定水流顺直的 河段，避免布置于水流 转弯处，槽轴线尽量于河道主流垂直。 2）槽址应尽量选在地质条件良好，地形有利和便于施工的地方。槽址应位于河床 稳定，水流顺直的河段，避免位于河流转弯处，以免凹岸及基础受冲。 3) 进出口不能落在挖方渠道上时，也可落回在填方渠道上。 4) 渡槽进出口渠道与槽身的连接在平面布置上应争取在一直线不可急剧转弯。 5) 渡槽发生事故需要停水检修，成为了上游分水的目的常在进口段或进口前渠道 的适宜位置设节制闸，以便与泄水闸联合运用，使渠水泄入溪谷或河道 6) 尽量少占耕地，少拆房屋并尽可能有较宽敞的施工场地以便施工。 2.22.2 结构型式的选择结构型式的选择 根据工程的自然地形、地质条件及输送的流量选择适宜的槽身断面形式、支承形 长沙理工大学 淑闾西沟渡南水北调工程 7 式、基础形式、与上下游渠道的连接形式等， 渡槽型式选定及构造要求 1 渡槽要求进口底高程低于或齐平沟底高程，除保证顺畅排水外还要满足出口渠底 高程高于总干渠加大水位 0.75m 以上的要求。 2 本渡槽位于挖方渠段，为了使建筑物结构受力条件好，排水顺畅，渡槽轴线与总 干渠中心线正交，并尽量使渡槽进出口与上下游河道平顺连接。 3 为了保证总干渠顺畅输水， 设计大纲要求排水渡槽渠底宽范围内不设或少设 槽墩，纵向尽可能采用较大跨度；在有流冰的渠段，渠底不得低于加大水位 0.75m 以 上；一级马道作为总干渠管理维护交通作用，路面宽度内亦不准布置槽墩等，为了满 足上述要求本渡槽纵向跨度布置 18m。槽身纵向为简支形式，横向结构为槽，采用多侧 墙预应力混凝土结构。 2.2.12.2.1 槽身横断面选择槽身横断面选择 槽身断面常用的有矩形和 U 型断面；矩形断面槽身多用于大中小流量时钢筋混凝 土预应力钢筋混凝土渡槽。U 型断面槽身一般用于中小，流量钢筋混凝土渡槽（跨度 较大时）或钢丝网水泥槽身(小型工程)的渡槽，其水力条件好，纵向刚度大，横向内力 较少，结合淑闾西沟情况选择 U 型。 2.2.22.2.2 槽身纵向支承形式选择槽身纵向支承形式选择 槽身的纵向支承形式常用的有墩式支承，排架式和公式支承三种型式；经论证并 结合淑闾西沟地质地形条件选择圆矩形空心重力墩。 2.2.32.2.3 与上下游渠道的与上下游渠道的 连接形式连接形式 渡槽进出口建筑物的作用是将槽身与上下游渠道连接起来，以使槽内水流与上下 游渠道平顺衔接，减少水头损失和纺织渗漏，渐变段采用扭曲面；扭曲面水流条件好， 应用较多，一般采用浆砌石建造。 2.2.42.2.4 渡槽的结构布置渡槽的结构布置 本节是在总体布置基础上，进一步细化布置槽身结构、支承结构、基础、两岸连 接结构各部位的型式和尺寸。 长沙理工大学 淑闾西沟渡南水北调工程 8 排水渡槽由进口引渠，进口渐变段，进口连接段，槽身段，出口连接段，出口引 渠等部分组成。 1) 进口引水渠是为了满足排水渡槽和上游河沟平顺连接而设置，位于进口渐变段 前，采用梯形断面，引水渠边坡采用浆砌石护砌，引水渠低为浆砌石和干砌石 两种护砌形成，渠底前部分为干砌石，后部分为浆砌石，浆砌石厚度 0.4M 2) 进口渐变段翼墙采用八字墙，长度为 15M 渐变段侧墙采用重力式挡土墙形成， 底部为混凝土护砌。 3) 进口连接段采用钢筋混凝土结构，长度 16M。国税断面与槽身相同，为满足交 通要求需要在连接段上设施跨槽交通桥，结合交通桥和排水要求，连接段采用 落地矩形槽。 4) 槽身段由上部结构，支撑基础组成。上部槽身采用钢筋混凝土结构，槽身单跨 长 18M 槽身段总长 54M，槽身和下部支撑结构之间选用盒式橡胶支座，下部 支撑结构采用钢筋混凝土空心重力墩，基础为台阶式扩大基础。 5) 出口连接段和进口两阶段结构形式相同。 6) 出口渐变段为八字墙混凝土结构，设置斜坡与下游消能设施连接。 7) 下游消能段位于渐变段后，采用消能池消能，消能池后设置浆砌石和干砌石防 护段。 8) 出口尾渠位于消能池后根据下游天然河道形态决定设置尾渠出口，尾渠底和边 坡采用浆砌石护砌。 长沙理工大学 淑闾西沟渡南水北调工程 9 3 渡槽水力计算渡槽水力计算 3.13.1 确定槽身断面尺寸确定槽身断面尺寸 0.2- 进口渐变段损失系数，0.5-出口渐变段损失系数，0.014-渡槽槽身糙率， 2.0-天然河沟糙率。由于渡槽长度大于进口前渠道水深的 20 倍，L20H 因此水力设 计时槽内水流按明渠均匀流考虑。 （31）QC Ri Q渡槽内水流量 () 3 /mS 渡槽过水断面面积（） 3 m C谢才系数 1 6 1 CR n N粗糙系数，钢筋砼槽身 取 0.0140.0130.014n R水利半径 i渡槽纵坡，取 0.001 槽身净宽 B 和净深 H 一起考虑。即按 H/B（宽深比）拟定，对于 U 型槽一般取 H/B0.70.8 ,B=2.对于初拟的 iBH 值还用公式计算所得流量等于 0 RQC Ri 或略大于流量 Q=62 时可初步选出 iBH 值,将计算过程列为下表： 3 /mS 基本尺寸计算表 B （m）（m） 0 R（m）=0.6f 0 R （m）=-0.1 1 hfH/B=0.8 6.0003.001.8001.700(3+1.8)/6 5.0002.5001.5001.490(2.5+1.5)/5 5.4002.7001.6201.520(2.7+1.62)/5.4 5.302.6501.5901.490(2.65+1.59)/5.3 5.3402.6701.6021.502(2.67+1.602)/5.34 5.3502.6751.6051.505(2.675+1.605)/5.35 5.3602.6801.6081.508(2.68+1.608)/5.36 长沙理工大学 淑闾西沟渡南水北调工程 10 综上，U 型槽断面尺寸确定为 B=5.36m =2.68m =1.608m 0 Rf 3.23.2 总水头总水头的确定与的确定与 i,B,Hi,B,H 的校核的校核 Z （1） 试选圆心轴以上通过设计流量=36 /s 时水深=1.1m，过水断面 0 Q 3 m 1 h = =0.53.14+22.681.1=17.172 2 00 1 0.52RR h 2 2.68 2 m 湿周3.142.68+21.1=10.615m 01 x= R2h 水利半径 =1.618R x 17.172 10.615 得 Q= 21 32 3 17.172 1.6180.001 53.46/ 0.014 ms （2） 试选圆心轴以上通过设计流量=36 /s 时水深=0.9m，过水断面 0 Q 3 m 1 h = =0.53.14+22.680.9=16.1 2 00 1 0.52RR h 2 2.68 2 m 湿周3.142.68+20.9=10.215m 01 x= R2h 水利半径 =1.576R x 16.1 10.215 得 Q= 21 32 3 16.1 1.5760.001 49.25/ 0.014 ms （3） 试选圆心轴以上通过设计流量=36 /s 时水深=0.5m，过水断面 0 Q 3 m 1 h （m）= 2 01 0.5 Rh B （m）= +2 0 R 1 h R=/ =(m) QC Ri 2 1 3 2 1 R i n 24.33012.8201.89884.179 24.33010.6501.57951.460 19.65011.5181.70663.340 18.92211.3011.67460.214 19.21311.3881.68761.500 19.28611.4101.69061.820 19.35911.4311.69462.130 长沙理工大学 淑闾西沟渡南水北调工程 11 = =0.53.14+22.680.5=13.96 2 00 1 0.52RR h 2 2.68 2 m 湿周3.142.68+20.5=10.215m 01 x= R2h 水利半径 =1.482R x 13.96 9.42 得 Q= 21 32 3 13.96 1.4820.001 41/ 0.014 ms （4） 试选圆心轴以上通过设计流量=36 /s 时水深=0.2m，过水断面 0 Q 3 m 1 h = =0.53.14+22.680.2=12.35 2 00 1 0.52RR h 2 2.68 2 m 湿周3.142.68+20.2=8.8152m 01 x= R2h 水利半径 =1.4R x 12.35 8.8152 得 Q= 21 32 3 12.35 1.40.001 35/ 0.014 ms （5） 试选圆心轴以上通过设计流量=36 /s 时水深=0.3m，过水断面 0 Q 3 m 1 h = =0.53.14+22.680.3=12.88 2 00 1 0.52RR h 2 2.68 2 m 湿周3.142.68+20.3=9.0152m 01 x= R2h 水利半径 =1.429R x 12.88 9.0152 得 Q= 21 32 3 12.88 1.4290.001 36.9/ 0.014 ms （6） 试选圆心轴以上通过设计流量=36 /s 时水深=0.25m，过水断面 0 Q 3 m 1 h = =0.53.14+22.680.25=12.62 2 00 1 0.52RR h 2 2.68 2 m 湿周3.142.68+20.25=8.92m 01 x= R2h 水利半径 =1.415R x 12.62 8.92 得 Q= 21 32 3 12.62 1.4150.001 35.9/ 0.014 ms （7） 试选圆心轴以上通过设计流量=36 /s 时水深=0.26m，过水断面 0 Q 3 m 1 h 长沙理工大学 淑闾西沟渡南水北调工程 12 = =0.53.14+22.680.26=12.67 2 00 1 0.52RR h 2 2.68 2 m 湿周3.142.68+20.26=8.935m 01 x= R2h 水利半径 =1.418R x 12.92 8.935 得 Q= 36 21 32 3 12.67 1.4180.001 36.12/ 0.014 ms 3 /m 此时槽中水深 h=+=2.68+0.26=2.94m 过水断面面积=12.67 0 R 1 h 2 m ，所以按淹没堰流计算15 l h 222 0 /(2 )/2zQwgvg 重力加速度；g 流速分布系数取 1.0； 0 36 0.423/ 9 4.52 0.5 4.65 2 4.65 Q vm s A Z=0.496m 2222 36(0.9512.67 2 9.81)1 0.42329.81 出水口回升值 2 Z =Z=0.496=0.1653m 2 Z33 槽身沿程水面降落值 1 Z =iL=0.001 54=0.054m 1 Z 通过渡槽总水头损失Z =0.496+0.0540.1653=0.3847m 12 ZZZZ 确定 0.001i 5.36Bm 2.94 5529.5 1212 h hcm 11 150.826124.8hhcm 满足要求。 11 hhh 3.33.3 进出口高程确定进出口高程确定 进口前渠口高程 3 72Dm 通过设计流量时渠道水深，槽中水深。进口水面降落， 1 4.65hm2.94hm0.496Zm 出口水面回升，沿程水面降落。 2 0.1653Zm 1 0.054Zm 所以： 进口槽底高程 131 724.652.9473.214DhZhm 进口槽底抬高 113 73.214721.214ym 长沙理工大学 淑闾西沟渡南水北调工程 13 出口槽底高程 211 73.2140.05473.16DDZm 出口渠底降低 211 4.650.0542.941.656yhZhm 出口渠底高程 422 73.16 1.65671.504DDym 4 2 h2 水面线 h 1 V0 3 3-2 水力计算图 3.43.4 槽身尺寸拟定槽身尺寸拟定 槽壁厚取 23cm 0 1111 ()() 268 10151015 tR 顶梁尺寸 取 ， 取， 取(1.5 2.5)at50cm(1 2)bt30cm(1 2)ct30cm 图 3-3 渡槽横断面尺寸图 U 型槽顶部拉杆间距 12m 取。为改善渡槽纵向受力状态并便于架设安装在槽身支2m 座部位设端肋。端肋外形轮廓可做成梯形或折线型从美观和节约材料角度出发选取梯 形肋厚 0.23+0.4=0.63m。 长沙理工大学 淑闾西沟渡南水北调工程 14 4 渡槽结构计算渡槽结构计算 4.14.1 槽身横向稳定验算槽身横向稳定验算 4.1.14.1.1 验算作用验算作用 渡槽在施工及应用过程中，在自重及外力作用下稳定性可能受到破坏，从而影响 到渡槽的正常工作，甚至失事，因此在设计时应当验算各种不利情况下的槽身稳定， 主要验算风荷载下的槽身稳定。 4.1.24.1.2 计算简图计算简图 图 4-1 槽身稳定计算图 4.1.34.1.3 不利工况及计算单元不利工况及计算单元 不利工况为槽内无水且受风压，计算单元为不同跨度的槽身。 4.1.44.1.4 计算荷载计算荷载 （1）自重包括各部分构件固定设备重量。 (2)风压力。 长沙理工大学 淑闾西沟渡南水北调工程 15 4.1.54.1.5 计算目的计算目的 （1）抗滑；进行抗滑验算的主要目的是验算渡槽是否会沿排架产生水平滑动。设计 时主要用阻滑力及滑动力的比值反映渡槽水平抗滑稳定性，其比值为稳定安全系数 c K （2）抗倾；进行抗倾计算的目的主要是验算槽身在控水受风压情况下是否会绕背 风面支撑点产生倾覆。 4.1.64.1.6 计算过程：计算过程： 计算荷载槽身长 18m 取计算跨度18 1.05 （1） 槽壳重 ( 2 2.912.68 3.14 () 0.232 1.608 0.23(0.30.6) 0.5 25 18 1.05 2 K G )风荷载 0Z WKKW K风载体型系数与建筑物体型尺寸等有关，U 型断面取（1.11.2） ；(1) 风压高度变化系数； Z K 基本风压； 0 W 风振系数。 2 1.3 1.0 0.4 1.00.52/Wkn m ( 3 )槽顶结构重 = 拉杆重+人行道板重 =(0.2 0.2 5.36 1 0.1 18 1.05 2) 25142.74KN 端肋重：= 2 1 (73291) (76497)291291 206 4 (306