毕业设计--乳源某水闸设计

1、 本科毕业设计乳源某水闸设计曾志华201330390125指导教师 李就好教授学 院 名 称水利与土木工程 专业名称水利水电工程专业论文提交日期2017年5月12日 论文答辩日期2017年5月16日摘要本拦河闸位于粤北山区乳源某河流上，其主要作用是引水灌溉、防洪排涝等。根据乳源某水闸现有的设计资料，与乳源地区水文、地质条件相结合，并按照水闸设计的相关规范规定，对该水闸的结构型式进行设计计算。以相应的水利规范为标准，结合乳源地区某河流实际工程情况，设计水闸的堰型、泄水闸型式、尺寸时，应满足河道洪水季节行洪的要求。根据乳源当地灌区的灌溉要求，来确定水闸工程中的进水闸的型式和尺寸。在水闸工程的整体工

2、程布置基础上，对水闸进行泄流、挡水能力复核计算，渗流计算，消能工的设计、复核、闸室的稳定计算和两岸连接建筑物的布置。根据设计计算，进行枢纽布置，根据规范的规定和要求绘制了工程布置图及结构图。关键词 水闸设计 消能防冲 闸室布置与构造 闸室稳定计算1Design of Sluice in RuyuanZeng Zhihua , （College of Science, South China Agricultural University， Guangzhou 510642，China）AbstractThe main obstruction is located in the mountain

3、ous area of northern Guangdong Ruyuan, its main role is water irrigation, flood control and so on. According to the existing design information of a sluice in Ruyuan, combined with the hydrological and geological conditions in the Ruyuan area, according to the relevant specifications of the design o

4、f the sluice, the structural type of the sluice is designed and calculated. According to the corresponding water conservancy norms, combined with the actual situation of a river in the Ruyuan area to determine the sluice project in the weir type, sluice type, size, should meet the river flood season

5、 flood requirements. The type and size of the intake sluice in the sluice project are determined according to the irrigation requirements of the local irrigated area.Based on the overall engineering layout of the sluice project, the seepage is calculated, the discharge capacity and the water supply

6、capacity of the sluice are checked, and the calculation and design of the energy dissipation project are carried out, and the chamber of the sluice is calculated stably. According to the design calculation, the layout of the hub, according to the provisions of the norms and requirements of the drawi

7、ng layout and structure drawings.Keywords Design of sluice Energy dissipation Layout and construction of chamber Steady calculation of the chamber1目 录1. 总论11.1. 设计基本资料11.1.1. 概况11.1.2. 工程地质和水文地质条件11.1.3. 其他资料11.1.4. 试算上游水位21.2. 工程综合说明32. 水力设计52.1. 闸孔设计52.1.1. 选择闸孔堰型52.1.2. 选定闸底板的高程52.1.3. 计算闸孔总净宽52.

8、1.4. 校核闸孔的泄洪能力72.2. 消能防冲设计92.2.1. 过闸水流的特点92.2.2. 选择消能防冲方式102.2.3. 消力池设计102.2.4. 海漫设计192.2.5. 防冲槽设计203. 水闸防渗排水设计213.1. 闸底地下轮廓线布置213.1.1. 地下轮廓线布置213.1.2. 校核地下轮廓线的长度223.2. 闸基渗流计算223.2.1. 渗流计算方法223.2.2. 确定有效深度224. 闸室结构布置304.1. 闸室尺寸的拟定304.1.1. 闸底板设计304.1.2. 闸墩的设计304.1.3. 闸墩厚度门槽位置和尺寸的确定314.2. 闸门及启闭机314.2.

9、1. 闸门高度与形式314.2.2. 闸门重量和启闭机324.3. 工作桥334.3.1. 工作桥的形式和尺寸的拟定334.4. 交通桥364.5. 检修桥364.6. 闸室分缝布置与止水设置365. 闸室稳定计算385.1. 设计情况及荷载组合385.1.1. 设计情况选择385.2. 自重385.3. 水重395.4. 扬压力395.4.1. 浮托力计算395.4.2. 渗透压力计算405.5. 水平静水压力405.6. 浪压力415.7. 地基承载力验算445.8. 正常蓄水期抗滑稳定和地基承载力验算455.8.1. 抗滑稳定验算475.8.2. 地基承载力验算476. 闸室结构计算48

10、6.1. 闸底板结构计算486.1.1. 闸底板地基反力的计算486.1.2. 不平衡剪力及剪力分析496.1.3. 板条上的荷载计算496.1.4. 弯矩计算516.1.5. 配筋计算536.2. 闸墩结构设计546.2.1. 中闸墩（缝墩）底面正应力计算547. 两岸连接建筑物布置567.1. 上下游连接建筑物布置567.1.1. 上游连接段567.1.2. 下游连接段567.2. 挡土墙设计567.3. 翼墙稳定计算577.3.1. 确定侧压力577.3.2. 墙身内力及配筋计算577.3.3. 地基承载力验算587.3.4. 基础底板的内力和配筋597.3.5. 稳定性验算618. 设

11、计总结63参 考 文 献致 谢附 件211. 总论1.1. 设计基本资料1.1.1. 概况某水闸拟建于粤北山区河源某河流上，闸址现状河底高程为143.30m，该闸的主要设计水位组合如表1-1。表1-1 水闸设计流量及相应内外江水位表项目名称单位数值设计P=5%设计流量300相应闸下游水位147.47相应闸上游水位未知校核洪水位：不考虑。 1.1.2. 工程地质和水文地质条件根据地质勘测报告，不透水层高程为129.30m，闸基土质分布如下表1-2。表1-2 闸基土层分布层序高程（m）土质概况天然容重（KN/m3）凝聚力C(kPa）内摩擦角（）1143.30142.80软土15.971011214

12、2.80142.30粉质壤土18.320153142.30139.30坚硬粉质粘土20.360191.1.3. 其他资料（1） 根据水闸设计规范（SL265-2001）1的要求，水闸按级建筑物设。（2） 该地区材料供应充足，闸门采用平面钢闸门。（3） 乳源该地区地震烈度为6度，故根据水闸设计规范1规定，乳源当地震烈度为6度时，可不进行抗震计算。当对6度地震区的1级水闸仍应采取适当的抗震措施。本水闸为3级水闸，故不需进行抗震计算。（4） 乳源该地区多年平均风速为。风区长度可以根据闸门前面的宽度五倍计算。风区平均水深应根据该河流相应的水位计算。（5） 该地区无交通要求。1.1.4. 试算上游水位由

13、于无5%上游设计水位，故需简单试算，试算时要结合考虑闸室上游连接挡墙的过流净宽。这里采用一种方法：量取图1-1平面图中坝址上游两蓝色虚线（图层断面点）的平均距离作为过流矩形断面的底宽，从而进行试算。图1-1 坝址局部平面图（单位：mm）量取平面图中坝址上游两蓝色虚线（图层断面点）的平均距离作为过流矩形断面的底宽，底宽m。由于建在河流上的水闸一般为平底闸，应选择土质比较好的土层作为闸室持力层，故闸室底板高程为142.30m。初步设计选用平底宽顶堰水闸，闸底板为混凝土抹面材料，但底下有砾石，粗糙系数=0.017，分成5个闸孔，闸墩头部为半圆形，共4个中墩，每个中墩厚1.5m，边墩进口处为圆弧形，2

14、个边墩，边闸墩顺水流向边缘线至上游河道水边线之间的距离为0.8m，所以除闸墩后过流底宽为m。因此，设为5孔，每孔5m。闸底板设成向下游略微倾斜，底坡坡率=0.0002。在闸底板上的水力计算有：不考虑行进水头，把曼宁公式，代入明渠均匀流的基本公式，可得（1-1）对于矩形过流断面，有（1-2）（1-3）（1-4）流量，；流量，；湿周，m；水力半径，m；过流断面底宽，m;过流断面水深，m。代入可得（1-5）即算出=5.7m。所以上游水位为142.30+5.7=148m。1.2. 工程综合说明本工程为拦河闸，计划建造在乳源某河流的河道上。乳源某水闸的任务为防御某河干流洪水，宣泄水闸上游集雨范围内的洪水

15、。拦河闸除了可以拦洪，还可以泄水，而且一般多建于软土地基上，建在软土地基上的拦河闸比较容易造成闸室倾斜，使底板断裂，从而造成水闸失事的严重后果。水闸下游要布置消能防冲设施，避免出现危险。除此之外，为了减低渗流对闸室和两岸的有害影响，应做好防渗排水设计。2. 水力设计2.1. 闸孔设计2.1.1. 选择闸孔堰型乳源某水闸上下游水位相差比较小，根据本工程的特点，为了减少闸门和工作桥的高度，拦河闸闸室结构型式选择为无胸墙的开敞式水闸。乳源某水闸是城市市区的水闸，为满足城市排污、排於等要求，乳源某拦河闸选用的堰型为平底宽顶堰。2.1.2. 选定闸底板的高程查阅水工建筑物2可知，闸底板高程是根据水闸所承

16、担的任务和运用要求，如泄流或引水流量等，综合考虑地形、 地质、 水流、泥沙、施工、管理和其他方面等因素，经过技术经济比较选定。闸底板应置于较为坚实的土层上，并应尽量利用天然地基。在地基强度能够满足要求的条件下，底板高程定得高些，闸室宽度大，两岸连接建筑物相对较低。对于小型水闸，由于两岸建筑物在整个工程中所占比重较大，因而适当降低底板高程，常常是有利的。当然，底板高程也不能定的太低，否则，由于单宽流量加大，将会增加下游消能防冲的工程量，闸门高度增加，启闭设备的容量也随之增大。另外，还可能会给基坑开挖带来其它问题。在实际工程中，闸底板应该布置于较为坚实的土层上，并且要尽量利用天然地基。在一般的情况

17、下，闸底板的高程应该设计成与河床持平，根据乳源县某河的地质资料显示，闸址现状河底高程为143.30m，但在高程143.30142.80m之间是软土，在高程142.80142.30m之间是粉质壤土，在142.30139.30m之间为坚硬粉质粘土，应选择土质比较好的土层作为闸室持力层，故闸室底板顶高程选择在142.30m。2.1.3. 计算闸孔总净宽确定最大过闸单宽流量：闸孔总净宽的增加或缩小，意味着过闸单宽流量的减小或增大。单宽流量过小将不满足设计要求或者在使用过程中达不到良好效果；而单宽流量加大，将会增加下游消能防冲的工程量，增加工程造价。下面进行闸孔总净宽计算。（1） 由已知上、下游水位及闸

18、底板高程，由公式（2-1）、式（2-2）可以求得上游水头及下游水深。表2-1 上游水头及下游水深计算流量Q（m3/s）下游水深 hs（m）上游水深 H（m）过水断面面积（m2）行近流速 V0（m/s）V02/2g上游水头 H0（m）设计流量3005.175.70180.001.670.145.84 (2-1) (2-2)其中行近流速，；过流流量，；过水断面面积，；含有行近流速水头在内的闸前水头，m。根据乳源某水闸地形图可计算出乳源某水闸所在河流断面平均宽度为31.58m，结合上游水深可计算出不同情况下的过水断面面积，再根据给出的流量及水深条件，可计算出闸上游水头及下游水深，详情见表2-1。（2

19、） 判别出流流态宽顶堰的出流流态判别公式为： （2-3）式中下游水深，m；根据表2-1的来判断出流流态。计算结果见表2-2。表2-2 淹没出流判别计算成果计算情况下游水深hs（m）上游水头H0（m）堰流流态设计水位5.175.845.174.67淹没出流根据计算可知，乳源某水闸出流为淹没出流。（3） 闸孔总净宽L0计算 对于平底闸宽顶堰，根据规范可由下面公式计算闸孔总净宽，计算结果如表2-3。 (2-4)其中：闸孔总净宽，m；淹没系数，可通过查表求得； 侧收缩系数，初拟可取0.95； 流量系数，初拟可按0.385计算。 表2-3 闸孔总净宽计算流量Q（/s）下游水深 （m）上游水头 （m）侧收

20、缩系数淹没系数(m）设计流量3005.175.840.880.950.9014.58（4） 选择闸孔的尺寸根据水利水电工程钢闸门设计规范SL74-9523要求，取单孔净宽b=5m，设置3孔，总净宽值为15m，不超过计算值的 3%5%，符合要求。（5） 确定闸墩的厚度及墩头形状 乳源某水闸位于乳源地区某河流上，水闸闸底的河床为坚硬粉质粘土。不仅承载能力大而且坚硬密实，结合实际情况，采用整体式底板，在闸墩中间设沉降缝。乳源某水闸设中墩即为缝墩，厚度采用1.5m，闸墩型式采用圆弧形闸墩，边墩采用1m，采用矩形闸墩。闸孔总宽度为20m，不超过河流实际宽度，符合要求。2.1.4. 校核闸孔的泄洪能力水闸

21、设计规范（SL265-2001）1中堰流的计算公式如下，计算结果见表2-4： （2-5） (2-6) (2-7) (2-8)式中：闸孔总净宽，m；流量，；淹没系数，可通过查表求得； 计入行近流速水头的堰上水深，m;重力加速度，可采用9.81，堰流侧收缩系数，对于多孔闸可根据公式（2-6）计算求得； 堰流流量系数，初拟可按0.385计算;闸孔净宽，m;闸孔数；中闸孔侧收缩系数，可根据公式（2-7）计算求得；中闸墩厚度，m；边闸孔侧收缩系数，可根据公式（2-8）计算求得；边闸墩顺水流向边缘线至上游河道水边线之间的距离，m；由堰顶算起的下游水深，m。式中=n（n为闸孔数，为单孔净宽），按设计情况确定

22、计算参数，求出相应的实际过闸流量，校核过流能力。一般其相对差值不应超过5%。 （2-9）表2-4 过流能力校核计算计算情况（）堰上水头（m）校核过流能力设计流量3005.840.880.900.96311.953.98%由表2-4可知，设计情况过流能力相对差值小于5%，本水闸过流能力符合要求。2.2. 消能防冲设计水闸开闸泄水时，部分势能会转化为动能，水流流速增大，且天然河床抗冲刷能力不强，常常会出现闸下冲刷现象。不危害建筑物安全的冲刷，一般来说是允许的，但对于有害的冲刷，则必须采取有效的防范措施，来保护建筑物的安全。闸下消能、防冲是水闸设计的一项重要内容，必须给予足够的重视，才能更好地预防危

23、险的发生。2.2.1. 过闸水流的特点(1) 水流形态复杂初始泄流时，闸下水深较浅，随着闸门开度的增大而逐渐加深，闸下出流由孔流到堰流，自由出流到淹没出流都会发生，水流形态比较复杂。因此，消能防冲设施在任何工作条件下，都要满足消能防冲的要求。(2) 闸下易形成波状水跃由于水闸上、下游水位差较小，相应的弗劳德数Fr较低（，为第一共轭水深，为处的断面平均流速），容易发生波状水跃，特别是在平底板的情况下更是如此。当1.0Fr（满足要求）地下轮廓线具体布置如图3-1图3-1 地下轮廓线布置图（单位：m）3.2. 闸基渗流计算3.2.1. 渗流计算方法根据乳源某水闸的基本资料分析可知，本设计工程宜采用改

24、进阻力系数法计算。3.2.2. 确定有效深度1 确定地基的有效深度当时，当时，式中：土基上水闸的地基有效计算深度（m）；地下轮廓的水平投影长度（m）；地下轮廓的垂直投影长度（m）。，则取。=142.30-129.30=13m，=16.9m=13m，因此按地基实际深度计算，取T=13m。2 典型段的划分结合乳源某水闸实际情况和设计情况，将渗流区把渗流区域划分为9个典型流段：1、9段为进、出口段；2、4、6、8段为内部水平段；3、5、7段为水平段。3 计算各典型段的阻力系数。图3-2各典型段阻力系数计算图（1） 进、出口段：（3-3）式中：板桩或齿墙的入土深度（m）；地基透水层深度（m）。（2）

25、内部垂直段（3-4）式中：内部垂直段的阻力系数。（3） 水平段（3-5）式中：水平段的阻力系数；水平段长度（m）；进、出口段板桩或齿墙的入土深度（m）。4 计算各典型段的水头损失（3-6）式中：各分段的阻力系数；总分段数。5 进、出口段齿墙不规则部位修正和出口段渗透压修正图3-3 有板桩的进口段渗流示意图 图3-4出口段渗透压力修正图（1） 进、出口段水头损失需要修正，修正系数计算如下：（3-7）（3-8）（3-9）式中：进、出口段修正后的水头损失值（m）；进、出口段水头损失值（m）；阻力修正系数，当计算的时，采用=1.0；底板埋深与板桩入土深度之和（m）；板桩另一侧地基透水层深度（m）。（2

26、） 当1.0时，应修正。修正后的进、出口段修正后的水头损失将减少，（3-10）（3） 水力坡降呈急变形式的长度可按照进行计算。6 进、出口段水头损失计算图3-5 进、出口段齿墙不规则部位修正图有关进、出口段水头损失值的计算如下;先用进出口段的前一段水头损失的减少值相比较：若，则按照修正；若，则按 ，修正；式中：水平段水头损失值（m）；修正后的水平段损失值（m）;内部垂直段的水头损失值（m）；修正后的内部垂直段水头损失值（m）。7 分段阻力系数的计算图3-6 分段阻力系数计算区域典型段表3-1 进、出口段的阻力系数修正表名称进口段0.612.40.7360.540.397出口段2.510.50.

27、4050.660.267通过计算，计算结果如表3-2：表3-2 各典型段水头损失计算表（单位：m）编号名称1进口0.6013.000.470.540.402内部水平0111.518.801.571.801.953内部垂直111.500.090.100.104内部水平0.000.0010.501.000.100.110.115内部垂直111.500.090.100.106内部水平1.001.0011.5013.001.011.161.167内部垂直111.500.090.100.108内部水平0.000.0010.501.000.100.110.519出口2.513.000.570.660.27

28、总计4.094.704.708 计算各角点的渗压水头值，并绘制渗压水头分布图=4.70m=4.70-0.40=4.30m=4.30-1.95=2.35=2.35-0.10=2.25m=2.25-0.11=2.14m=2.14-0.10=2.04m=2.04-1.16=088m=0.88-0.10=0.78m=0.78-0.51=0.27m=0m渗透压力分布图如图3-7图3-7 渗透压力分布图（单位：m）9 验算出口处渗流坡降值（3-11）式中：进、出口修正后的水头损失值（m）；底板埋深与板桩入土深度之和（m）。小于坚硬粘土出口段允许渗流坡降值，0.400.50，满足要求，不会发生渗透变形。4.

29、 闸室结构布置闸室是一个水闸主体的部分。乳源某水闸选择开敞式水闸，其闸室由底板、闸墩、闸门等部分共同组成。4.1. 闸室尺寸的拟定4.1.1. 闸底板设计水闸底板在前面已经完成设计，选用整体式底板，在闸墩上设沉陷缝。经计算，分孔情况详见图4-1。图4-1 闸孔布置图4.1.2. 闸墩的设计（1） 闸墩顺水流方向长度中墩厚1.5m，上、下游墩头均采用圆弧形型，半径为0.75m，边墩厚1m，上、下游墩头采用矩形型，闸墩的顺水流方向长度选定为15m。（2） 闸墩高度墩顶高程在泄水时不应低于设计或校核洪水位加上相应安全超高；在挡水时等于最高挡水位加上浪高度再加上安全超高。不同的运用情况下水闸的安全超高

30、下限值如下：表4-1 水闸安全超高下限值（单位：m）水闸级别运用情况1234、5挡水时正常蓄水位0.70.50.40.3遭遇地震0.50.40.30.2泄洪时设计洪水位1.51.00.70.5校核洪水位1.00.70.50.4本乳源某水闸为拦河闸,其主要建筑物级别为3级，不考虑校核洪水位。闸墩高程=设计洪水位+安全超高=148+0.7=148.7m，取闸墩高度为6.4m。4.1.3. 闸墩厚度门槽位置和尺寸的确定本乳源某水闸设计初步拟定工作闸门的门槽深度取0.3m，宽度取0.8m，位于闸墩上游段3.8m处；检修闸门门槽深度取0.3m，宽度取0.3m，位于闸墩上游段2.0m处；具体尺寸如图4-2所示。图4-2中墩尺寸图（单位：mm）4.2. 闸门及启闭机4.2.1. 闸门高度与形式乳源某水闸为山区拦河闸，根据闸门与启闭机. 取水输水建筑物丛书5，结合乳源地区实际情况，拟定：闸门采用平面钢闸门，双节点滚轮支撑；取闸门顶高程=142.30+5.7+0.5=148.50m，则闸门高度=5.7+0.5=6.2m，宽度为5m，厚0.8m。4.2.2. 闸门重量和启闭机1 露顶式平面闸门自重的估算公式：当时：闸门自重 （4-1）式中：H、B分别为孔口高度（m）和宽度（m）；闸门行走支承系数；对滑动式支承=0.81，对滚轮式支承=1.0，对于台车式支承=1.3；材