橡胶坝设计方案书计算书

1 / 20 陂头设计计算书 2 / 20 目录目录 1工程概况.1文档收集自网络，仅用于个人学习 1.1 陂头布置.1文档收集自网络，仅用于个人学习 1.2 水文资料.2文档收集自网络，仅用于个人学习 1.3 地质资料.2文档收集自网络，仅用于个人学习 1.4 等级及安全系数.2文档收集自网络，仅用于个人学习 1.5 地震烈度.2文档收集自网络，仅用于个人学习 2 主要计算公式及工况.3文档收集自网络，仅用于个人学习 2.1 主要计算公式.3文档收集自网络，仅用于个人学习 2.1.1 防渗计算.3文档收集自网络，仅用于个人学习 2.1.2 整体稳定及应力计算公式.3文档收集自网络，仅用于个人学习 2.1.3 消能防冲计算.4文档收集自网络，仅用于个人学习 2.2 计算工况.6文档收集自网络，仅用于个人学习 2.2.1 防渗计算工况.6文档收集自网络，仅用于个人学习 2.2.2 整体稳定及应力计算工况.6文档收集自网络，仅用于个人学习 2.2.3 消能防冲计算.7文档收集自网络，仅用于个人学习 3 梅岗橡胶坝计算.9文档收集自网络，仅用于个人学习 3.1 渗流稳定计算.9文档收集自网络，仅用于个人学习 3.2 橡胶坝整体稳定及应力计算.9文档收集自网络，仅用于个人学习 3.3 消能计算.11文档收集自网络，仅用于个人学习 4 双孖橡胶坝计算.13文档收集自网络，仅用于个人学习 4.1 渗流稳定计算.13文档收集自网络，仅用于个人学习 4.2 橡胶坝整体稳定及应力计算.13文档收集自网络，仅用于个人学习 4.3 消能计算.16文档收集自网络，仅用于个人学习 1 / 20 1 工程概况工程概况 1.1 陂头布置陂头布置 本工程拦河陂头有 2 座，分别是位于肋下河的梅岗陂和甲子河 的双孖陂，主要作用是壅水灌溉。 （1）梅岗陂 梅岗陂采用橡胶坝形式，橡胶坝底板高程为 5.60m，坝袋净高 4.10m，坝袋长 20.82m，设计正常挡水位 9.70m。坝底板顺水流方向 长度 18.00m，底板厚 2.00m，上、下游两端设齿槽，坝体段基面大 部高程 3.60m，齿槽底高程为 3.00m，建筑物基础均坐落在残积土。 两侧边墙墙顶高程为 10.50m，为满足坝袋锚固要求，边墙迎水坡坡 比为 1:0.5，底板与两侧边墙采用 U 型 C25 钢筋砼结构。文档收集自网络， 仅用于个人学习 （2）双孖陂 双孖陂采用橡胶坝形式，橡胶坝底板高程为 8.50m，坝袋净高 3.50m，坝袋长 26.0m，设计正常挡水位 12.00m。坝底板顺水流方向 长度 15.00m，底板厚 2.00m，上、下游两端设齿槽，坝体段基面大 部高程 6.70m，齿槽底高程为 6.20m，建筑物基础均坐落在全风化泥 质粉砂岩。左侧边墙墙顶高程为 14.00m，右侧边墙墙顶高程为 12.50m，为满足坝袋锚固要求，边墙迎水坡坡比为 1:0.5，底板与两 侧边墙采用 U 型 C25 钢筋砼结构。文档收集自网络，仅用于个人学习 2 / 20 1.2 水文资料水文资料 根据水文计算成果，可知陂头的水位资料，详见陂头特征水位 表 1.2-1。 表表 1.2-1 陂头特征水位表陂头特征水位表 名称名称 灌溉蓄水位灌溉蓄水位 （m m） P=5%P=5%上游水位上游水位 （m m） P=5%P=5%下游水位下游水位 （m m） P=5%P=5%设计流量设计流量 （m m3 3/s/s） 梅岗陂 9.710.3910.35132.36 双孖陂 1211.3310.82173.65 1.3 地质资料地质资料 根据地质报告，陂头地基主要物理指标见表 1.3-1。 表表 1.3-1 陂头地基地质主要物理指标表陂头地基地质主要物理指标表 名称名称 底板底高底板底高 程（程（m） 地基土质地基土质 承载力标准值承载力标准值 （kPa） 摩擦系数摩擦系数渗透情况渗透情况 地基土质地基土质 梅岗陂3.60残积土1401600.300.35弱透水层 中等坚实 双孖陂6.70 全风化泥 质粉砂岩 2003000.400.45弱透水层 中等坚实 1.4 等级及安全系数等级及安全系数 陂头为三级建筑物，根据水闸设计规范 （SL265-2001） ，水 闸整体抗滑稳定安全系数：基本组合 Kc1.25，特殊组合 Kc1.10。土基上闸室基底应力最大值与最小值之比的允许值：基 本组合为 2.0，特殊组合为 2.5。文档收集自网络，仅用于个人学习 1.5 地震烈度地震烈度 惠州市基本地震烈度为 VI，按水闸设计规范 （SL265-2001） ， 设计时不考虑地震作用。 3 / 20 2 主要计算公式及工况主要计算公式及工况 2.1 主要计算公式主要计算公式 2.1.1 防渗计算 2.1.1.1 渗径长度计算 橡胶坝闸基防渗长度可按水闸设计规范 （SL265-2001）公式 计算： HCL 式中 防渗长度（m） ； 上下游水位差（m） ； LH 渗径系数，参照规范表 4.3.2。 C 2.1.2 整体稳定及应力计算公式 由于该橡胶坝在垂直水流方向的结构布置及受力情况对称，根 据水闸设计规范 （SL2652001） ，坝体段地基承受单向偏心荷 载的作用，假定坝体基底压力呈线性分布，可按偏心受压公式来计 算。文档收集自网络，仅用于个人学习 （7.3.41） W M A G P max min 式中：闸室基底应力的最大值或最小值（kPa） ； max min P 作用在闸室上的全部竖向荷载（包括闸室基础底面上的 G 扬压力在内，kN） ； 作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂 M 4 / 20 直水流方向的形心轴的力矩（kNm） ； A 闸室基底面的面积（m2） ； 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） 。 闸室抗滑稳定性验算按下式计算： （7.3.6-1） CC K H Gf K 式中：沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数； c K 闸室基底面与地基之间的摩擦系数； f 作用在闸室上的全部水平向荷载（kN） 。 H 抗浮稳定计算公式如下： （7.3.16） f V K U 式中：闸室抗浮稳定安全系数； f K 作用在闸室上全部向下的铅直力之和（kN） ； V 作用在闸室基底面上的扬压力（kN） 。 U 不论水闸级别和地基条件，在基本荷载组合条件下，闸室抗浮 稳定安全系数不应小于 1.10；在特殊荷载组合条件下，闸室抗浮稳 定安全系数不应小于 1.05。文档收集自网络，仅用于个人学习 2.1.3 消能防冲计算 先根据水力计算手册 （武汉水利电力学院水力学教研室编） 判别是否需要建立消力池：如跃后水深出池河床水深 ，则不 c h s h 需建立消力池；如跃后水深出池河床水深，则需建立消力池， c h s h 5 / 20 根据水闸设计规范 （SL2652001）附录 B，消力池深度可按公 式（B.1.1-1B.1.1-4）计算：文档收集自网络，仅用于个人学习 Zhhd sc 0 （B.1.1-1） 25. 0 2 1 3 2 )(1 8 1( 2b b gh qh h c c c （B.1.1-2） 0 2 2 2 2 0 3 g q hTh cc （B.1.1-3） 2 2 2 2 2 22 cs gh q gg q Z （B.1.1-4） 式中：d消力池深度（m） ； 0水跃淹没系数，可采用 1.051.10，取 01.1； 孔流流量系数，可采用 0.951.0，取 1.0； 跃后水深（m） ； c h hc收缩水深（m） ； 水流动能校正系数，可采用 1.01.05，取 1.05； q过闸单宽流量（m2/s） ，qQ/B0； 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） ，这里，不计行近 流速； Z出池落差（m） ； 6 / 20 出池河床水深（m） 。 s h 2.2 计算工况计算工况 2.2.1 防渗计算工况 a、梅岗陂 上游正常蓄水位 9.70m，对应下游无水（即护坦高程 5.40m） 。 b、双孖陂 上游正常蓄水位 12.00m，对应下游无水（即水位为 6.70m） 。 2.2.2 整体稳定及应力计算工况 （1）基本资料 根据水闸设计规范 （SL265-2001）规定，土基上的闸室稳定 计算应满足下列要求： 在各种计算情况下，坝体段基底应力不大于地基允许承载力， 最大基底应力不大于地基允许承载力的 1.2 倍。 坝体段基底应力的最大值与最小值之比不大于水闸设计规范 7.3.5 条规定的允许值。根据地质资料，地基为中等坚实，查表 7.3.5 知坝体段基底应力最大值与最小值之比的允许值为：基本荷载组合 时为 2.0，特殊荷载组合时为 2.5。文档收集自网络，仅用于个人学习 沿坝体段基底面的抗滑稳定安全系数不小于水闸设计规范 7.3.13 条规定的允许值。橡胶坝为三级建筑物，查表 7.3.13 知沿坝 体段基底面抗滑稳定安全系数的允许值为：基本组合 Kc1.25，特 殊组合 Kc1.10。文档收集自网络，仅用于个人学习 7 / 20 （2）计算工况 a、梅岗陂 基本工况： 1）完建情况，橡胶坝上下游无水，以确定地基应力。 2）设计工况，上游为正常蓄水位 9.70m，下游无水（即底板止 水高程 5.10m） 。 b、双孖陂 基本工况： 1）完建情况，陂头上下游无水，以确定地基应力。 2）设计工况，上游为正常蓄水位 12.00m，下游无水（即底板 止水高程 8.00m） 。 2.2.3 消能防冲计算 根据橡胶坝实际运行情况： a、梅岗陂 （1）设计洪水期工况，橡胶坝塌坝运行，上下游基本无水头差。 （2）正常运行工况，橡胶坝上过水深度较小，一般情况下不大 于 0.20m。 （3）正常运行期间塌坝检修工况，此时上游为正常蓄水位 9.70m，下游无水（下游护坦高程 5.40m） ，橡胶坝上下游水头差为 4.30m。文档收集自网络，仅用于个人学习 8 / 20 因此，本次设计选取上下游水头差最大的塌坝检修工况进行消 能防冲计算。 b、双孖陂 （1）设计洪水期工况，橡胶坝塌坝运行，上下游基本无水头差。 （2）正常运行工况，橡胶坝上过水深度较小，一般情况下不大 于 0.20m。 （3）正常运行期间塌坝检修工况，此时上游为正常蓄水位 12.00m，下游无水（下游护坦高程 6.42m） ，橡胶坝上下游水头差为 5.58m。文档收集自网络，仅用于个人学习 因此，本次设计选取上下游水头差最大的塌坝检修工况进行消 能防冲计算。 9 / 20 3 梅岗橡胶坝计算梅岗橡胶坝计算 3.1 渗流稳定计算渗流稳定计算 上游正常蓄水位 9.70m，下游无水，即 5.40m。 经计算，上下游水位差H4.30m。根据地质报告得知橡胶坝 建基面以下为全风化泥质粉砂岩，其容许渗径系数 C=35，偏安全 考虑，查规范表 4.3.2 取 C5。则初拟坝基防渗长度为： L=54.3=21.50m。橡胶坝底板水平投影长度为 29.00m，其中进口 段长 7.00m，坝体段长 18.00m，斜坡段 4.00m。因此，拟定的橡胶 坝基础防渗长度满足防渗要求。文档收集自网络，仅用于个人学习 3.2 橡胶坝整体稳定及应力计算橡胶坝整体稳定及应力计算 根据地质资料显示，地基为全风化泥质粉砂岩，容许承载力 【R】140160Kpa，f 值取 0.3 进行计算。文档收集自网络，仅用于个人学习 橡胶坝坝体段稳定及应力计算见计算简图及表 3.2-12 O点 G 图 3.2-1 工况一：完建工况 10 / 20 完建工况：上下游均无水完建工况：上下游均无水 下游水位0.00 闸底板底高程0.00 上游水位0.00 底板止水高程0.00 荷载名称荷载名称 重力重力 (kN) 水平力水平力 (kN)力臂力臂(m) 力矩力矩 (kN.m) 结构总重G= 19068.84 0.00 0.00 浮托力 Pf10.00 0.00 0.00 渗透压力 Pf20.00 3.00 0.00 上游水重 W10.00 6.45 0.00 下游水重 W2 0.00 坝袋水重 W30.00 0.53 0.00 上游水压力 P11 0.00 0.00 0.00 下游水压力 P21 0.00 0.00 0.00 合计G:H:M19068.84 0.00 0.00 闸室长 L18.00 闸室宽 B21.62 基底应力 Pmin(Pmax) =G/AM/W49.00 49.00 基底平均应力（Pmin+Pmax）/249.00 满足1.25，基本组合要求 说明：受力向下（左）为正、向上（右）为负； 力矩逆时针为正、顺时针为负。 11 / 20 W3 W2 P2 P1 Pf1 Pf2 O点 G 图 3.2-2 工况二：设计工况 设计工况：上游正常蓄水位设计工况：上游正常蓄水位 9.70m9.70m，下游无水（底板止水高程，下游无水（底板止水高程 5.10m5.10m） 下游水位5.10 闸底板底高程3.60 上游水位9.70 底板止水高程5.10 荷载名称荷载名称重力重力(kN)水平力水平力(kN)力臂力臂(m)力矩力矩(kN.m) 结构总重G= 19068.84 0.00 0.00 浮托力 Pf1-5837.40 0.00 0.00 渗透压力 Pf2-8950.68 3.00 -26852.04 上游水重 W12955.45 6.45 19062.68 下游水重 W2 0.00 坝袋水重 W36658.96 0.53 3549.23 上游水压力 P11 -4022.40 2.03 -8178.88 下游水压力 P21 -243.23 0.50 -121.61 合计G:H:M13895.17 -4265.63 -12540.63 闸室长 L 18.00 闸室宽 B21.62 基底应力 Pmin(Pmax)=G/AM/W24.96 46.45 基底平均应力（Pmin+Pmax）/235.71 满足1.25，基本组合要求 说明：受力向下（左）为正、向上（右）为负； 力矩逆时针为正、顺时针为负。 12 / 20 3.3 消能计算消能计算 根据双孖橡胶坝的实际运行情况，选取上下游水头差最大的工 况进行计算，即塌坝检修工况，此时上游为正常蓄水位 9.70m，下 游常水位 6.60m（下游水深 1.20m） ，橡胶坝上下游水头差为 3.10m。利用 PC1500 程序集中“D-25”进行计算。文档收集自网络，仅用于 个人学习 计算得：取消力池长度为 14.00m，深度为 0.80m。 计算附稿： *文档收集自网络，仅用于 个人学习 * 底流式消能工水力计算程序 D-25 *文档收集自网络，仅用于 个人学习 *文档收集自网络，仅用于 个人学习 工程名:梅岗 一.基本资料 1.消能结构类型: 挖深式消力池 2.消力池平面型式: 等宽消力池 3.以下游河床为基准面的上游总能头 E0: 4.3 (米) 4.下泄流量 Q: 132.36 (立方米/秒) 5.下游水深 Ht: 1.2 (米) 6.泄水建筑物的流速系数 f1: 0.95 7.消力池出口流速系数 f2: 0.95 8.消力坎流速系数 f3: .9 9.消力坎流量系数 m: .42 10.消力池宽度 B: 20.82 (米) 二.计算中采用的基本公式 1.收缩水深hc的基本算式 E01=Hc+q*q/(2*g*f12*Hc2) 式中 q收缩断面的单宽流量; E01-以消力池底面为基准面的上游总能头. 2.共轭水深Hc A.等宽消力池 Hc=Hc*(SQR(1+8*Fr)-1)/2 式中 Fr收缩断面的弗汝德数 Frc=Vc*Vc/(g*Hc),Vc为收缩断面流速. B.扩散消力池 按下列关系式计算 (Hc2-Hc2)*(B+Bk)=4*Q*Q*(1/Bk/Hc-1/B/Hc)/g 13 / 20 3.水跃长度Lj A.等宽消力池 Lj=6.9*(Hc-Hc) B.扩散消力池 Fr=6时, Lj=4.6*Hc Fr17时, Lj=B*L/(B+.1*L*tg) 式中L等宽矩形明渠中水跃长度,L=10.3*Hc(SQR(Fr)-1).81. 4.消力池长度Lk Lk=(0.70.8)*Lj (采用0.75Lj) 5.消力池深度S S=1.05*HcHtq1*q1*(1/(f2*Ht)2-1/(1.05*Hc)2)/(2*g)文档收集自网络，仅用于个人学 习 式中q1消力池出口断面的单宽流量. 三.计算结果 1.收缩水深Hc: 0.7467 (米) 2.收缩断面的弗汝德数Fr: 9.9074 3.共轭水深Hc: 2.9712 (米) 4.水跃长度Lj: 15.3496 (米) 5.消力池深度S: 0.7119 (米) 6.消力池长度Lk: 13.5122 (米) 7.消力池宽度B: 20.8200 (米) 14 / 20 4 双孖橡胶坝计算双孖橡胶坝计算 4.1 渗流稳定计算渗流稳定计算 上游正常蓄水位 12.00m，下游无水，即 6.70m。 经计算，上下游水位差H5.30m。根据地质报告得知橡胶坝 建基面以下为全风化泥质粉砂岩，其容许渗径系数 C=35，偏安全 考虑，查规范表 4.3.2 取 C5。则初拟坝基防渗长度为： L=55.3=26.50m。橡胶坝底板水平投影长度为 36.52m，其中进口 段长 10.00m，坝体段长 15.00m，斜坡段 11.52m。因此，拟定的橡 胶坝基础防渗长度满足防渗要求。文档收集自网络，仅用于个人学习 4.2 橡胶坝整体稳定及应力计算橡胶坝整体稳定及应力计算 根据地质资料显示，地基为全风化泥质粉砂岩，容许承载力 【R】200300Kpa，f 值取 0.4 进行计算。文档收集自网络，仅用于个人学习 橡胶坝坝体段稳定及应力计算见计算简图及表 4.2-12 G O点 图 4.2-1 工况一：完建工况 15 / 20 完建工况：上下游均无水完建工况：上下游均无水 下游水位闸底板底高程8.5 上游水位底板止水高程8.00 荷载名称荷载名称 重力重力 (kN) 水平力水平力 (kN)力臂力臂(m) 力矩力矩 (kN.m) 结构总重G= 19110.00 0.00 0.00 浮托力 Pf10.00 0.00 0.00 渗透压力 Pf20.00 2.50 0.00 上游水重 W10.00 5.38 0.00 下游水重 W2 0.00 坝袋水重 W30.00 0.46 0.00 上游水压力 P11 0.00 0.00 0.00 下游水压力 P21 0.00 0.00 0.00 合计G:H:M19110.00 0.00 0.00 闸室长 L 15.00 闸室宽 B26.00 基底应力 Pmin(Pmax) =G/AM/W49.00 49.00 基底平均应力（Pmin+Pmax）/249.00 满足1.25，基本组合要求 说明：受力向下（左）为正、向上（右）为负； 力矩逆时针为正、顺时针为负。 16 / 20 P1 O点 P2 Pf1 G Pf2 W2 W3 图 4.2-2 工况二：设计工况 设计工况：上游正常蓄水位设计工况：上游正常蓄水位 12.00m，下游无水（底板止水高程，下游无水（底板止水高程 8.00m） 下游水位8.00闸底板底高程6.70 上游水位12.00底板止水高程8.00 荷载名称荷载名称重力重力(kN)水平力水平力(kN)力臂力臂(m)力矩力矩(kN.m) 结构总重 G=19110.000.000.00 浮托力 Pf1-5070.000.000.00 渗透压力 Pf2-7800.002.50-19500.00 上游水重 W13554.205.3819121.60 下游水重 W20.00 坝袋水重 W35834.400.462683.82 上游水压力 P11-3651.701.77-6451.34 下游水压力 P21-219.700.43-95.20 合计G:H:M15628.60-3871.40-4241.12 闸室长 L15.00闸室宽 B26.00 基底应力 Pmin(Pmax)=G/AM/W 35.7244.42 基底平均应力 （Pmin+Pmax）/2 40.07满足1.25，基本组合要求 说明：受力向下（左）为正、向上（右）为负； 力矩逆时针为正、顺时针为负。 17 / 20 4.3 消能计算消能计算 根据双孖橡胶坝的实际运行情况，选取上下游水头差最大的工况进行 计算，即塌坝检修工况，此时上游为正常蓄水位 12.00m，下游常水位 7.62m（下游水深 1.20m） ，橡胶坝上下游水头差为 4.38m。利用 PC1500 程序集中“D-25”进行计算。文档收集自网络，仅用于个人学习 计算得：取消力池长度为 14.00m，