钟雄豪水工建筑物课设

1、水工建筑物课程设计报告（2012-2013学年）设计题目临淄节制闸专业(班级)水利水电工程1班学生姓名(学号)钟雄豪 (20094044)指导教师汪哲荪陈菊香2013年02 月27日临淄节制闸1 、基本资料本工程位于流过山东省淄博市境内的淄河上游，距离齐鲁石化进水闸的下游约 2 公里处设置节制闸。目的是拦截淄河水流，抬高水位，以确保国家重点企业齐鲁石化和近数十万亩农田灌溉的用水。淄河由沂蒙山脉为源头，从南至北，经临朐、青州、淄博、广饶汇入小清河，再流入渤海。淄河是一条季节性河流，汛期时来水流量较大，通常约 600m3/s ；枯水期时河流干涸，河床能行人。每当汛期山洪暴发，水流夹带大量泥砂，河床

2、沉积着较厚的砂砾，而两岸的地表土为亚粘土。1.1 规划流域面积： 1670 平方公里。设计流量（ 5 年一遇）： Q=560m3/s ，相应的闸上水位： 34.55m ，闸下水位：33.75m 。校核流量（ 20 年一遇）： Q=1300m3/s ，相应的闸上水位： 36.35m ，闸下水位：35.62m 。蓄水期水位：（ 1）正常蓄水位：闸上 34.55m ，闸下 29.98m （闸下无水）；（ 2）最高蓄水位（校核水位）闸上35.90m ，闸下 31.98m ；（ 3）恶劣放水水位：闸上35.90m ，闸下 30.98m 。流量 Q(m 3 /s)050100200300400500600

3、700水位 H29.9830.2630.7831.5032.0032.7133.1233.7534.18（m ）流量 Q8009001000110012001300(m 3 /s)水位 H34.7134.9935.2435.4435.5635.62（m ）1.2 闸址的选择经地质查勘，选定在淄博市临淄区以南，距齐鲁石化进水闸约2km 处淄河的左岸河湾里，该处地势开阔，地质条件较好，便于多方案的比较，以便选出理想的闸址。1.3 闸址处的地质资料 :根据钻探孔（见地形图）的地质资料看出，因受河流冲积影响，土层变化情况较复杂。具体如下：1# 钻孔：位于淄河左岸上，自地面高程约36.00m 向下至 2

4、8.50m 为亚粘土，土质坚实；高程28.50m 至 26.00m 为粉质粘土，较坚实；高程26.00m 至21.00m 为粉土；高程 21.00mm至 15.00m 为粉质粘土。2#、3#、 4#、5# 钻孔：同 1# 钻孔地质资料。6# 钻孔：位于淄河主河槽中，自河底高程29.98m 至 27.40m 为冲积的砂砾；高程 27.40m 至 26.20m 为粉质粘土；高程26.20m 至 21.50m 为粉土；高程21.50m 至 15.20m 为粉质粘土。7#、8#、 9#、10#钻孔：基本同 6#钻孔地质资料。地基土物理力学指标如下表：容量土质饱和容量渗透参数允许渗透压缩模量孔隙比磨擦角

5、凝聚力3323C(N/cm )(g/cm)1 (g/cm )k(cm/s)坡降 JE(KN/cm )e( 度 )亚粘土1.812.04× 10-51.16000.8181.6粉质粘土1.681.913× 10-41.08000.85161.1粉土1.561.841× 10-40.812000.9140.9参照附近水利工程抗冲流速的资料：亚粘土的抗冲流量V0=1.9m/s ，粉质粘土的抗冲流速 V0 =1.7m/s ，粉土的抗冲流速V0=1.0m/s 。1.4 工程设计标准根据该闸的规模及用途为2 级建筑物。1.5 交通要求及其他：（1）公路桥面高程为37.18m，

6、双车道。桥面净宽为9m，按公路 2 级荷载标准设计；（2）淄河无通航要求，不设船闸，也不设鱼道。1.6 设计内容及任务（ 1）方案比较：选定节制闸的平面位置，确定节制闸的结构尺寸；（ 2）确定闸底板高程及闸孔尺寸；（ 3）防渗设计：拟出地下轮廓线，确定防渗及排水设施的型式、材料及尺寸；（ 4）消能防冲设计：确定消能防冲设施的型式、材料及尺寸；（ 5）拟出节制闸各主要组成部分的型式、材料及尺寸（包括闸底板、闸墩、岸墩、闸门、工作桥、上下游翼墙、护坦等）（ 6）验算节制闸闸室的抗滑稳定。2 、设计过程2.1 选址原则闸址选择关系到工程的成败和经济效益的发挥，是水闸设计中的一项重要内容，根据节制闸的

7、功能、特点、和运用要求，综合考虑工程的安全可靠度、施工难易、操作运用、工程量及投资大小等方面的问题。闸址选择应根据地形、地质、水流、潮汐、泥沙、冻土、施工、管理施工管理应用及周围情况等方面进行分析研究，权通过技术经济比较，选择合理方案。2.2 方案比选本次设计有三套方案：方案一，在原河道建闸，利用原河道进行施工改造，施工过程采用与原河道等宽的明渠导流，从而达到兴利目的。方案二：截弯取直，新开挖与原河道等宽的新河道，在新开挖直河道上建水闸，以工程经济和环境保护为原则取开挖直线河道长度的最小值；方案三：截弯取值，新开挖与原河道等宽的新河道，在新开挖直河道上建水闸，考虑施工技术、水闸稳定及运行管理等

8、方面的因素，取开挖直线河道长度的最大值。各方案布置如图？综合考虑节制闸的选址要求，方案一优点是：施工过程简单，难度小，工期短，成本消耗低，土方开挖量少从而环境影响小；其缺点是：与地质的差别，在原河道建节制闸，其防渗要求难以保证，运行管理难度大，与方案一相比，虽然方案二工程量较大，但方案二相对于方案一有以下好处： 1：地质最好，由 3#-5# 孔知，适合新开挖河道； 2：施工导流方便； 3：流态较好； 4 ：不动桥梁； 5：原河道有更多用途，比如存蓄洪水，开发旅游等；6：比较节省土地资源。同时，方案三与方案二比较可知，虽然其开挖更多的土地资源，经济投入更大，但考虑到当今水利行业对水利建设的大力支

9、持，其也更适宜节制闸的建设，同样拥有方案二的有点，所以经方案比选，确定方案三为最佳方案；同时考虑闸下游的消能防冲设施的建设及效果，新开挖的直线河道穿过济青路，确定在距济青路下游处建设节制闸。新开挖河道河槽底面宽度取b=60 米，边坡取 1：2。2.3 节制闸主要构件设计闸孔设计包括：选择堰型、确定堰顶或底板高程和单孔尺寸及闸室总宽度。2.3.1 堰型选择常用的堰型有：宽顶堰和实用堰。此处节制闸的建设选用宽顶堰，它有利于泄洪、冲沙、排污、排冰，且泄流能力比较稳定，结构简单，施工方便。同时，建于平原河道上的拦河闸，应具有较大的超泄能力，并利于排除漂浮物，因此采用不设胸墙的开敞式水闸。同时，由于河槽

10、蓄水，闸前淤积对洪水位影响较大，为便于排出淤沙，闸底板高程应尽可能低。因此，采用无底坎平顶板宽顶堰，堰顶高程与河床同高。2.3.2 闸底板高程的选定闸底板应设置在较为坚实的土层上，并尽量利用天然地基。由于新开挖河道上地质条件较优，所以地基强度能够满足要求，底板高程定的高一些，闸室宽度大，两岸连接建筑物相对较低。根据方案三选定的水闸建设位置，新河道总长 550m, 水闸距离新河道上游进口 250m, ，由等分内插法，即可得闸底板面高程约为 H=30.12- （ 30.12-29.40 ）*250/550=29.79m 。底板厚度为（ 1/51/8 ） b0,取分缝中墩厚 dz=1.2m, 边墩厚

11、 db=1.0m ， bs=b 0 +d z.。2.3.3 计算闸孔总净宽上游行近流速V 0=Q/A过水断面积A =(b+mH)H上游水头 H02H 0=H+ V0 /2g ( 此处取 =1.0)由于已知上、下游水位，可推算上游水头及下游水深， 上游水头计算 ，闸门全开泄洪时，为平底板宽顶堰堰流，根据公式判别是否为淹没出流。流量 Q（ m3/s）设计流量560校核流量1300下游水位下游水深上游水深过水断面行近流2上游水速 V0v0头 H0hs 0.8H 0 流态h（m）hs（ m）H （ m）积（ m2）2g（ m/s）（ m）33.753.964.76330.921.690.154.91淹

12、没3.96>3.92出流35.625.836.56441.262.950.376.93淹没5.83>5.24出流根据给定的设计流量、上下游水位和初拟的底板高程及堰型，分别对不同的水流情况计算闸孔总净宽。此处设计水流为堰流，有B0Q3m 2gH 02式中 :B0 为闸孔总净宽， m；Q 为设计流量， m3/s；H0 为计入行近流速水头在内的堰顶水头， m；、 m 分别为淹没系数、侧收缩系数和流量系数，可由SL 265-2001 水闸设计规范的附表中查得；g 为重力加速度， m/s 2。m 为堰流流量系数，取0.385 ，值估取 0.96 。由 SL 265-2001 水闸设计规范的附

13、表中A.0.1-2查得宽顶堰值表 A.0.1-2 值hs/H0 0.720.750.780.800.820.840.860.880.900.911.000.990.980.970.950.930.900.870.830.80H/H0.920.930.940.950.960.970.980.990.9950.998s00.770.740.700.660.610.550.470.360.280.19闸孔总净宽计算表流量 Q（ m3/s）下游水深 hs上游水头hs淹没系数B0 （ m）（ m）H0（m）H 0设计流量 5603.964.910.810.9633.04校核流量 13005.836.93

14、0.840.9347.062.3.4 计算闸室宽度根据闸门设计规范中闸孔尺寸和水头系列标准及以上计算，选定单孔净宽 b0=9.5m 具有可行性，为了设计方便及建成后水流平顺，将闸门单孔净宽设置为 9.5m ，同时考虑节制闸的主要功能为挡水及为了保证闸门对称开启，防止不良水流形态，选用 n=5 孔，闸孔总净宽度为：Lnb 0+(n 1)d= 9.5*5+1.2*4=52.3m；闸室总宽度为54.2m 。复核过闸流量表 A.0.1-1 值b /bs0.20.30.40.50.60.70.80.91.000.9090.9110.9180.9280.9400.9530.9680.9831.000对于中

15、孔， b0=9.5mbs=b0+dz =9.5+1.2=10.2mb0/b s=9.5/10.7=0.887查 SL265-2001 表 A.0.1-1 ，得 z=0.981 。对于边孔， b0.5=9m， bs =9.5+0.6+0.5=10.6m ， b 0/b s =0.896查 SL265-2001 表 A·0·1-1 ，得 b=0.983 。则：= z（N-1）+ b/N =0.982 。对于无坎平底宽底堰， m=0.385, 则Q3/ 23/sS m B0 2g H 0=1348mQ实Q1348-1300×100%=Q1300?100%=3.7% 5%

16、通过设计流量时，设计闸孔通过流量过大，但当通过校核流量时设计师合理的，所以闸孔口确定为单宽b0 =9.5m，总净宽 B0 =47.5m。2.3.5 闸室结构形式该闸建在人工渠道上 ,故宜采用开敞式闸室结构。在运行中，该闸的挡水位达 29.79m 36.35m, 挡水位时上游与下游最大水位差为 4.92m ，该闸建在多泥沙的人工渠道上 ,而且汛期来水流量大，宜采用结构简单 ,施工方便 ,自由出流范围较大的平底板宽顶堰，且采用不带胸腔的开敞式闸室结构。闸底板为倒型钢筋混凝土分离式水平底板，缝设在底板中央。底板顶面高程为 29.79m ，厚 1.5m ，其顺水流方向长 14.2m 。闸墩为钢筋混凝土

17、结构，中墩上部顺水流方向长度下游各比底地板长 1m，中墩上部总长为 15.2m ，前后齿长均为 1m ，中墩厚 1.2m ，中墩与边墩顶部均比闸门高 0.04m, 为 36.83m ，边墩与岸墙结合布置，为重力式边墙，既挡水又挡土。闸墩上设工作门槽。工作门槽距闸墩上游边缘2.35m ，工作门槽深0.3m ，宽 0.5m 。闸门采用双吊点平面滚轮钢闸门，宽度为b0+0.5m=10m ，高度为 36.35-29.79+ =6.86m （ =0.3m ），尺寸为 9.5m ×7.0m 。 启闭设备选用 PQP 型卷扬式启闭机。公路桥设在下游侧，为板式结构，板厚0.35m ，桥面高程为37.

18、18m 净宽 9.0m ，人行道宽 1.5m ，公路桥总宽为 12.0m 。2.3.6 上游连接段布置上游铺盖为黏土铺盖，其顺水流方向长20m, 厚 0.5m 。一直护至引水口。上游翼墙为混凝土重力式圆弧形反翼墙，迎水面直立，墙背为1:0.5 ，圆弧半径为 16.85m 。墙顶高程为 37.09m 。翼墙底板为 1.0m 厚的钢筋混凝土板，长度为 15m ，前趾长 1.5m ，后趾长 0.5m 。翼墙上游与护底头部齐平。翼墙上游为黏土铺盖护坡。护坡一直延伸到渠道的入口处。2.3.7 下游连接段布置闸室下游采用挖深式消力池。其长度、深度及底板厚度通过消能防冲设计计算得出 ,。消力池的底板为钢筋混

19、凝土结构。消力池与闸室连接处有 1m 长的小平台，后以斜坡连接，斜坡水平长度为 5.0m 。消力池底板下按过滤的要求铺盖。海漫长度也按消能设计计算得出，材料采用浆砌石，水平设置。海漫末端设一下游防冲槽。下游翼墙亦为浆砌石重力式反翼墙。迎水面直立。墙顶高程为？m。下游翼墙底板采用钢筋混凝土板，底板厚度即消力池底板厚度，其前趾长 1.5m ，后趾长 0.5m 。翼墙下游端与消力池末端齐平。下游亦采用干砌块石护坡，护坡顶部高程 37.09m 。护坡延伸至与防冲槽下游端部齐平。2.4 消能防冲设计消能防冲设计包括消力池、海漫及防冲槽等三部分。2.4.1 消力池的设计消力池的深度、长度及其底板（护坦）厚

20、度的确定。消力池的深度实在某一给定的流量和相应的下游水深条件下确定的。要求水跃的起点位于消力池的上游端或斜墙坡段的坡脚附近。设计水位或校核水位时闸门全开渲泄洪水，为淹没出流无需消能。恶劣放水闸前水位 35.90m，部分闸门局部开启，只宣泄较小流量时，下流水位不高，闸下射流速度较大，才会出现严重的冲刷河床现象，需设置相应的消能设施。为了保证无论何种开启高度的情况下均能发生淹没式水跃消能，所以采用闸前水深 H=6.11m，闸门局部开启情况，作为消能防冲设计的控制情况。为了降低工程造价，确保水闸安全运行，可以规定闸门的操作规程，本次设计按孔对称方式开启，分别对不同开启孔数和开启度进行组合计算，找出消

21、力池池深和池长的控制条件。消力池深度可按公式 (B.1.1-1)(B.1.1-2)计算： ( 计算示意图见图上图 )d =0 h c - hs- z(B.1.1-1)h h c22(B.1.1-2)8 vc-1c =21 +gh caq2aq2(B.1.1-2)z2ghc" 22g 2 hs'2式中d- 消力池深度 (m) ； 0- 水跃淹没系数 ,可采用 1.05 1.10 ；hC- 跃后水深 (m) ；hC - 收缩水深 (m) ； - 水流动能校正系数 ,可采用 1.0 1.05, 此处取 1；q- 过闸单宽流量 (m 2/s) ；h's- 出池河床水深 (m)

22、 ；Z- 出池落差 (m)；?- 流速系数 , 一般取 0.95;力池长度可按公式 (B.1.2-1)和公式 (B.1.2-2)计算 (计算示意图见图 b.1.1) ：L sJLs + LJ(B.1.2-1)L J 6.9(h" C-h C )(B.1.2-2)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- 水跃长度 (m) 。消力池底板厚度计算由抗冲公式t k1 qH '(B.1.3-1)式中 t-消力池底板始端厚度 (m) ；H'- 闸孔泄水时的上 , 下游水位差 (m) ；k

23、1-消力池底板计算系数 , 可采用 0.15 0.20 ，此处取中间值0.175 ，q -3）。单宽流量（ m/s由于消力池的池底板厚范围（0.5 1.2 ），所以取消力池的池底板厚为1.0m, 等厚布置。长度取21m,深度取 1.0m。顺水流方向，在对应第二、第四号中墩中心线出设置消力池底板分缝。侧墙、尾槛的厚度为0.5m。在消力池底板的后半部（约长10m）设排水孔 , 孔径 8 cm, 间距 3 m，呈梅花行布置 , 孔内填以砂，碎石。消力池与闸底板连接处留有1 米的平台 , 以便更好地促成出闸水流在池中产生水跃。消力池在平面上呈扩散状，扩散比例为1/5.6 。2.4.2海漫设计计算海漫的

24、长度为：L = k 2 qH式中t- 消力池底板始端厚度 (m) ；H'- 闸孔泄水时的上 , 下游水位差 (m) ；k2 - 消力池底板计算系数 , 粘土可用 67，此处取 6.5 ，3q- 消力池末端单宽流量（ m/s*m ）。消力池末端总宽： b 消末 =60m，经过计算的出海漫长度取为 31m。漫的布置和结构。海漫水平顶面与闸底板顶面等高，使用厚度0.5m 的块石材料 , 前 10m用浆砌块石 , 水平布置，抗冲流速为 36m/s，浆砌块石海漫上设排水孔和反滤层。后 21m采用干砌块石，向下倾斜比例 1/10, 抗冲流速为 34m/s。干砌石底部铺设 15cm厚的碎石粗砂粒垫层

25、。2.4.3 防冲槽设计海漫末端河床冲刷坑深度按下列公式计算，其中河床土质的不冲流速可按下式计算。按不同情况计算如表 3 所示。V = At q t = 1.1 v 0 -t式中 A- 经验系数，一般采用2 4，此处用3；V- 单宽抛石方量；v0 河床土质的不冲流速， m/s ，此土质为亚粘土，处取v0 =1.7m/s ；t 海漫末端河床水深， m，通过校核流量时，由于此时河道与上游河道同宽，水流较稳定， t 等于 5.83m 加上海漫向下倾斜深度 2.1m 。，根据设计实际，采用 t。采用宽浅式，底宽由计算得出 t =3.57m=2.0m取 4m ，上游坡率为 2，下游坡率为 2，出槽后作成

26、坡率为 5 的斜坡与下游河床相连，防冲槽采用混凝土材料浇筑。2.5 防渗设计地下轮廓设计防渗设计一般采用防渗和排水相结合的原则，即在高水位侧采用铺盖、板桩、齿墙等防渗设施，用以延长渗径减小渗透坡降和闸底板下的渗透压力；在低水位侧设置排水设施，如面层排水、排水孔排水或减压井与下游连通，使地下渗水尽快排出，以减小渗透压力，并防止在渗流出口附近发生渗透变形。对于黏土地基，通常不采用垂直板桩防渗。故地下轮廓主要包括底板、齿墙、防渗铺盖。底板既是闸室的基础 ,又兼有防渗、防冲刷的作用。它既要满足上部结构布置的要求 ,又要满足稳定及本身的结构强度等要求。底板顺水流方向的长度L。为了满足上部结构布置的要求,L 必须大于交通桥宽、工作