函江水利枢纽工程毕业设计泄水闸设计水利水电建

年6月23日函江水利枢纽工程毕业设计泄水闸设计水利水电建资料内容仅供参考，如有不当或者侵权，请联系本人改正或者删除。河海大学函授本科毕业设计说明书函江水利枢纽工程毕业设计(泄水闸设计)班级:水利水电班姓名:XXX指导老师:王润英目录TOC\o"1-3"\h\z第HYPERLINK一章综合说明………………………..3HYPERLINK1.1工程概况……………………….3HYPERLINK1.2毕业设计成果(泄水闸)4第HYPERLINK二章水文..10HYPERLINK2.1流域概况10HYPERLINK2.2气象10HYPERLINK2.3洪水10HYPERLINK第三章工程地形、地质HYPERLINK3.1地形地貌12HYPERLINK3.2闸址地质12HYPERLINK3.3当地建筑材料12HYPERLINK3.4地震…………………13HYPERLINK第四章工程布置及建筑物14HYPERLINK4.1设计依据14HYPERLINK4.1.1工程等级及建筑物级别14HYPERLINK4.1.2设计依据14HYPERLINK4.1.3设计基本资料15HYPERLINK4.2工程总体布置17HYPERLINK4.2.1船闸的布置17HYPERLINK4.2.2水电站的布置18HYPERLINK4.2.3泄水闸的布置18HYPERLINK4.3主要建筑物(泄水闸)18HYPERLINK4.3.1闸孔设计18HYPERLINK4.3.2消能防冲设计22HYPERLINK4.3.3防渗排水设计27HYPERLINK4.3.4闸室的布置31HYPERLINK4.3.5闸室稳定计算36HYPERLINK4.3.6闸室底板结构计算40HYPERLINK4.3.7两岸连接建筑物设计45第五章电机及金属结构HYPERLINK工程总体布置17HYPERLINK4.2.1船闸的布置17HYPERLINK4.2.2水电站的布置18HYPERLINK4.2.3泄水闸的布置18HYPERLINK4.3主要建筑物(泄水闸)18HYPERLINK4.3.1闸孔设计18HYPERLINK4.3.2消能防冲设计22HYPERLINK4.3.3防渗排水设计27HYPERLINK4.3.4闸室的布置31HYPERLINK4.3.5闸室稳定计算36HYPERLINK4.3.6闸室底板结构计算40HYPERLINK4.3.7两岸连接建筑物设计45第一章综合说明1.1工程概况函江位于中国华东地区。流向自东向西北,全长375km,流域面积176万km2,是鄱阳湖水系的重要支流,也是长江水系水路运输网的组成部分。该流域气候温和,水量充沛,水面平缓,含砂量小,对充分开发这一地区的航运具有天然的优越条件。流域内有耕地700多万亩,矿藏资源十分丰富,工矿企业较发达,有国家最大的有色金属冶炼工程铜基地及腹地内的建材轻工。原材料及销售地大部分在长江流域各省、市地区,利用水运的条件十分优越。流域梯级开发后,将建成一条长340km通航千吨级驳船的航道和另一条长50km通航300吨级驳船的航道,并与长江、淮河水系相互贯通形成一个江河直达的上游水路运输网。同时也为沿江各县市扩大直流灌溉创造有利条件。对促进沿河地区的工农业发展具有重要的作用,社会和经济效益十分显著。本工程以航运为主体,兼任泄洪、发电、灌溉、供水和适应战备需要的综合开发工程。1.2毕业设计成果(泄水闸)1.2.1枢纽总体布置根据《水闸设计规范》SL265-第4.1.6条规定:水闸枢纽中的船闸、泵站或水电站宜靠岸布置,但船闸不宜与泵站或水电站布置在同一岸侧,船闸、泵站或水电站与水闸的相对位置,应能保证满足水闸通畅泄水及各建筑物安全运行的要求。因此,本设计在枢纽布置时,将泄水闸布置在河床中间,船闸布置在左岸,水电站布置在右岸。其中:泄水闸每孔净宽10m,共35孔,高12m,直升式平板钢闸门控制,闭闸时拦截江流,稳定上游水位,开闸时泄水,排沙防淤。设计流量9540m3/s,校核流量12350m3/s。船闸1座,闸室有效长度为135m,净宽12m,槛上水深2.5m,闸室顶高程24.0m,底高程10.5m。闸上公路桥设在上闸首的上游端。水电站厂房宽15m(顺流向),长36.2m。厂房地面高程24.5m,水轮机安装高程10.5m。水电站设计水头3.5m,最高水头7.0m,最大引用流量225m3/s,总装机3×2200KW。站上公路桥设在厂房的上游端。1.2.2水闸设计1、水闸水力设计1)、堰型、堰顶高程闸孔采用结构简单、施工方便的无坎平底宽顶堰(平底水闸属无坎宽顶堰)。拟定闸底板顶高程为13.0m。2)、水闸总宽度闸室总宽度:10×35+36×1.6=407.6m。2、水闸消能防冲设计1)、消力池消力池采用钢筋砼结构,深1.45m,消力池长L=20.8m,厚度0.8m。2)、海漫海漫长度L=40m,海漫水平段长15m,采用60cm厚钢筋混凝土浇筑,斜坡段长25m,1:10放坡,采用60cm厚浆砌块石砌筑。3)、防冲槽防冲槽采用梯形断面,槽深2.5m,槽底宽10m,上游设C20钢筋砼齿槽,厚50cm,下游坡比为1:2.0,单宽体积为37.5m2,冲刷坑采用抛石合金钢网石兜抛石处理。3、闸室布置1)、闸室结构闸室采用开敞式布置,钢筋砼U型结构,闸门选择直升式平板钢闸门,液压启闭,闸上布置净7m交通桥,两侧人行道2×1.0m,总宽9.0m、宽4m工作桥和启闭房,启闭房宽11.0m,底板长度取20m。底板采用整体式,二孔一分缝,最中间一孔,底板长度为20m,顶高程为13.0m,闸底板厚1.5m。闸墩长度采用与底板同长20m,。检修门槽深25cm,宽30m;工作门槽深40cm,宽60cm。闸墩上下游端部均采用半圆形墩头。闸墩顶高程为25.0m。闸墩厚度受控于闸门槽处最小厚度为50cm,中墩厚度取1.6m,缝墩厚度为2×0.8m,边墩厚度为1.6m。公路桥布置在闸门上游侧,公路桥载重按汽-20设计,挂100校核,双车道桥面净宽7.0m,两侧人行道1×1.0m,总宽9.0m。公路桥采用T型结构,梁底高程为25.0m,梁高1.0m,梁腹宽0.2m,梁翼宽1.6m,用5根组梁组成,两侧人行道为悬壁式。2)、上下游翼墙上游连接采用扶壁式翼墙,圆弧连接,半径为20m,下游翼墙采用扶壁式八字型翼墙加圆弧型翼墙连接,扩散角为8°,圆弧半径为20m。上游翼墙顶标高为25.0m,下游翼墙顶标高为25.0m。4、闸基防渗排水设计由于本工程闸址地基主要由砂砾卵石层组成,为强透水土质,故在采用水平防渗措施的同时还必须采取垂直防渗措施。铺盖采用C25钢筋砼结构,长20m。铺盖与闸底板之间设水平止水。在消力池水平段前端与闸底板连接处设置水平止水;消力池末端依次铺设碎石垫层和无纺土工布反滤,排水孔孔径15cm,间距1.5m,呈梅花形布置,顺水流方向长度为7.5m。5、闸门及启闭机设计1)、闸门根据门顶高程及闸底标高,确定平面钢闸门高为7m,闸门净宽10m,毛宽10.6m。2)、启闭机启闭机型号:QPQ2×3006、闸室稳定计算1)、闸室整体稳定水闸整体稳定分别对完建期、正常运用期及非常运用期三种工况进行闸室的偏心距、基底应力、基底应力的不均匀系数及沿闸室底面的抗滑稳定系数计算,均满足规范要求。2)、闸室沉降计算经分析,本次不必计算闸室的沉降量。7、闸底板配筋经计算,面、底层钢筋均按Φ25@200配置。8、两岸连接建筑物设计采用扶壁式挡土墙,上游翼墙顶高程25.00m,底高程12.00m。下游翼墙顶高程25.00m,底高程10.55～12.00m。上游挡墙高13.0m,挡墙壁厚1.0m,墙身垂直,墙身高12m,墙底板厚1.0m。下游挡墙高13～14.45m,挡墙壁厚1.0m,墙身高度12～13.45m,底板厚度1.0m。翼墙两侧设置1.0×1.0m腋角,两侧悬挑4m,底板总宽11m。上游翼墙长30m,下游翼墙长36.8m。翼墙采用C25钢筋砼浇筑。上游护坡,顶高程为25.0m,底高程13.0m,采用坡比为1:3,40cm厚浆砌块石护坡。下游护坡,顶高程为25.0m,底高程13.0m,采用坡比为1:3,40cm厚浆砌块石护坡。9、水闸特性表综上所述,水闸特性表如下:水闸特性表基

础

资

料设计依据工程级别Ⅲ等工程建筑物级别主要建筑物3级次要建筑物4级临时建筑物5级设计洪水P=2%校核洪水P=0.33%水文条件正常水位19.00灌溉水位19.50设计流量9540m3/s设计洪水位23.40m校核流量12350m3/s校核水位23.80m主

要

建

筑

物水闸闸室净宽10×35m总宽407.6m闸底板长20m,厚1.5m闸室底高程13.0闸室顶高程25.0闸墩中墩厚1.6m缝墩厚2×0.8m边墩厚1.6m顶高程为25.0工作桥4.5m交通桥7m+1×2m闸门板钢,净宽10m,高7m上下游

连接段上游护底厚60cm,L=10m铺盖厚60cm,L=20m消力池d=1.45m,L=15m海漫厚60cm,L=40m防冲槽深2.5m,底宽10m上游翼墙圆弧连接,顶高25.0m下游翼墙八字型,顶高25.0m上游护坡底高13.0m,顶高25.0m下游护坡底高13.0m,顶高25.0m第二章水文2.1流域概况函江位于中国华东地区。流向自东向西北,全长375km,流域面积176万km2,是鄱阳湖水系的重要支流,也是长江水系水路运输网的组成部分。该流域气候温和,水量充沛,水面平缓,含砂量小。流域内有耕地700多万亩,矿藏资源十分丰富,工矿企业较发达,有国家最大的有色金属冶炼工程铜基地及腹地内的建材轻工。原材料及销售地大部分在长江流域各省、市地区,利用水运的条件十分优越。2.2气象本区位于北纬25°~30°之间,属亚热带季风气候区,温暖湿润,四季分明,雨水充沛。热量资源丰富,年平均气温介于13℃~20℃之间,1月平均温普遍在0℃以上,7月平均温一般为25℃左右,冬夏风向有明显变化,年降水量一般在1000毫米以上,主要集中在夏季,冬季较少。洪水期多年平均最大风速为20.7m/s。2.3洪水根据《毕业设计任务书》提供的水文资料,函江50年一遇洪峰流量为9540m3/s,各设计频率洪水流量及相应坝下水位见表2-1。洪峰流量及相应坝下水位表表2-1设计频率(%)0.33220洪峰流量Q(m3/s)1235095405730坝下水位H下(m)23.8023.4022.25水位流量关系曲线见表2-2。水位～流量关系表2-2水位(m)流量(m3/s)水位(m)流量(m3/s)145020320015300214140166502253401712002377001818002413800192480第三章工程地形、地质3.1地形地貌闸址左岸与一座山头相接,山体顺水流方向长700米,垂直水流方向长米,山顶主峰标高110米,靠岸边山顶标高65米;山体周围是河漫滩冲击平原,滩面标高18.5～20.0米;沿河两岸筑有防洪大堤,堤顶宽4米,堤顶标高24.5米;闸址处河宽700米,主河槽宽500米,深泓区偏右,河床底标高13.0～13.0米,右岸滩地标高18.5米。3.2闸址地质根据《毕业设计任务书》提供的工程地质勘察报告,本工程场区地基以砂砾卵石层为主,表层为中细砂层,层厚2～5米,左厚右薄并逐渐消失;河床中层主要是砂砾卵石层,卵石含量30%～50%,粒径2～13厘米,层厚10～20米,属于强透水层,渗透系数K=1.84×10-1～5×10-2(cm/s),允许坡降J=0.15～0.25;河床底层为基岩,埋深标高从左标高10米向右标高15米以下,其岩性为上古生界二迭长兴阶灰岩及硅质岩。水闸的防渗处理应重点考虑。河床土质资料如下:中砂:Dr＝0.6,E0=310kg/cm2,N63.5=20;砂砾石:Dr＝0.66,E0=360kg/cm2;3.3当地建筑材料块石料:在闸址左岸的山头上有符合质量要求的块石料场,其储量50万立方米,平均运距1.0公里。砂砾料:闸址上、下游均有宽阔的冲积台地,有大量的砂、砾料,可满足混凝土的粗、细骨料之用,运距3～5公里,且水运极为便利。土料:闸址上游约2公里有刘家、八圩土料场,储量丰富,符合均质土坝质量要求,还有可作为土坝防渗体的粘性土,其质地良好。3.4地震根据《中国地震参数区划图》(GB18306-),参照工程区地震动峰值加速度分区与地震基本烈度对照表,相应本地区的地震基本烈度为6度。第四章工程布置及建筑物4.1设计依据4.1.1设计依据的标准、规范(1)《水利工程初步设计报告编制规程》(DL5021-93);(2)《防洪标准》(GB50286-94);(3)《水闸设计规范》(SL265-);(4)《水工建筑物荷载设计规范》(DL5077-1997);(5)《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073-1997);(6)《水工钢筋混凝土结构设计规范》(SL/T191-96);(7)《建筑地基基础设计规范》(GB50007-);(8)《堤防工程设计规范》(GB50286-98);(9)《城市防洪工程设计规范》(CJJ50-92);(10)《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-);(14)相关法律、法规及有关规范。4.1.2设计依据函江枢纽的主要建筑物有船闸、泄水闸和水电站三部分组成。船闸的通航能力,按照五级航道标准进行设计。水电站总装机为6600Kw,设计水头为3.5m,水闸的泄洪能力为13000m3/s。根据《毕业设计任务书》,本工程为三等工程,主要建筑物按3级建筑物设计,次要建筑物按4级建筑物设计。根据《毕业设计任务书》,泄水闸的设计洪水标准为50年一遇,校核洪水标准为3一遇,最大通航洪水标准为5年一遇。设计依据:1、函江枢纽毕业设计任务书;2、《水闸设计规范》(SL265─);3、《水力计算手册》(武汉水利电力学院水力学教研室编)4、《水工设计手册》第6册过坝与泄水建筑物;5、《水工钢筋混凝土设计手册》1999年;6、《水利水电钢闸门设计规范》DL/T5039-95;7、《水利水电工程初步设计报告编制规程》(DL5021-93)4.1.3设计基本资料一、水位正常蓄水位:19.0m灌溉水位:19.5m设计洪水Q2%=9540m3/s,相应闸下水位H下=23.4m校核洪水Q0.33%=9540m3/s,相应闸下水位H下=23.8m二、计算水位组合1、闸孔净宽计算水位设计洪水Q2%=9540m3/s,相应闸下水位H下=23.4m;设计水位差△H＝0.25m(H上＝23.65m);校核洪水Q0.33%=9540m3/s,相应闸下水位H下=23.8m;计算闸上雍高水位H上(供墩顶高程用);2、消能计算水位闸上水位H上＝19.5m;闸下水位H下＝14.5m;下泄流量:以闸门开启度e＝0.5m、e＝1.0m以及全开时的泄量。3、闸室稳定计算水位(关门)闸上设计水位H上＝19.5m,H下＝14.5m;闸上校核水位H上＝20.0m,H下＝14.5m;三、地震设防烈度本地区地震基本烈度为Ⅵ度,不考虑地震设防。四、安全系数1、安全超高水闸为3级混凝土建筑物,根据《水闸设计规范》(SL265─)安全超高下限值:泄洪时0.7m(设计洪水位),0.5m(校核洪水位);关门时0.4m(设计洪水位),0.3m(校核洪水位)。2、抗滑稳定安全系数土基上的3级混凝土建筑物,基本组合(设计)为1.25;特殊组合(核校)为1.1。五、其它资料1、单孔净宽:8～12m;2、门型结构:平面钢闸门;3、闸门类型:直升门;4、底板与中砂的摩擦系数f＝0.4;5、闸孔的允许单宽流量q＝30m3/s/m;六、公路桥公路桥载重按汽-20设计,挂-100校核,双车道桥面净宽7.0m,两侧人行道2×1.0m,总宽9.0m,采用T型结构。梁高1.0m,梁腹宽0.2m,梁翼宽1.60m,用5根组梁组成,两侧人行道为悬臂式,每米延长重量按8T/m计。4.2工程总体布置函江枢纽的主要建筑物有船闸、泄水闸和水电站三部分组成。船闸的通航能力,按照五级航道标准进行设计。水电站总装机为6600Kw,设计水头为3.5m,水闸的泄洪能力为13000m3/s。根据设计任务书提供的地形地质资料,以及功能要求,枢纽总体布置如下:4.2.1船闸的布置船闸的通航能力,按照五级航道标准进行设计。船闸布置在函江的左岸,船闸本身由三部分组成:上游引航道、闸室和下游引航道。上游引航道:长度不小于5倍设计船队的长度,根据经验五级航道标准的设计船队的长度为91m,故上游引航道的长度为455m,设计时取为500m;上游引航道的底宽度为35m,两岸采用浆砌石护坡,边坡采用1:2.5;上游引航道的底高程为15.0m。下游引航道:长度不小于5倍设计船队的长度,根据经验五级航道标准的设计船队的长度为91m,故下游引航道的长度为455m,设计时取为600m;下游引航道的底宽度为35m,两岸采用浆砌石护坡,边坡采用1:2.5;下游引航道的底高程为11.0m。闸室:闸室的长度为135m,宽度为12.0m;闸室的顶高程为24.0m,底高程为10.50m。上下闸首控制船只的进出。4.2.2水电站的布置考虑河床的主槽比较靠近右岸,上下游不容易发生淤积,为最大的可能提高水电站的出力,发挥水电站的效益,将水电站布置在函江的右岸。水电站的厂房的平面尺寸:主厂房的长度为48.0米,上下游方向的宽度为36.20米,主厂房总高度为32.0米。水轮机的型号为:GE(F02)-WP-380发电机的型号为:SFG200-70/3960总装机:3×2200KW设计水头:3.5m最高水头:7.0m最小水头:2.0m最大引用流量225m3/s。4.2.3泄水闸的布置泄水闸布置在水电站和船闸之间。泄水闸主要有三部分组成:上游连接段、闸室段和下游连接段。4.3主要建筑物(泄水闸)4.3.1闸孔设计水闸闸孔设计主要是确定闸孔型式、尺寸河设置高程,以保证水闸在设计水位组合情况下有足够的过流能力。一、堰型和堰顶高程确定根据设计任务书提供的资料显示,函江流域水面平缓,含砂量少,本水闸的主要功能为挡水灌溉和泄水,故本次设计采用堰流式闸室,堰型采用无槛宽顶堰。这种型式闸室对于泄洪较为有利,它能使闸前漂浮物随着水流下泄,而不会阻塞闸孔而影响泄洪。根据资料提供的地形图,考虑水闸的运行、河道冲刷淤积以及闸孔允许单宽流量和工程造价等因素,本次设计取堰顶高程与河床底高程齐平为13.0m。二、闸孔净宽计算、泄流能力校核1、水位Q2%＝9540m3/s,H上＝23.65m,H下＝23.40m;Q0.33%＝12350m3/s,H上＝待算,H下＝23.80m;2、闸孔净宽计算闸孔总净宽的确定,主要涉及两个问题:一个是过闸单宽流量的大小;另一个是闸室总宽度与河道总宽度的关系。如果采用的闸孔总净宽过小,使过闸单宽流量过大,将增加闸下游消能布置的困难,甚至影响水闸工程的安全;反之,如果采用的闸孔总净宽过大,使过闸单宽流量过小,工程量加大,造成浪费。根据设计任务要求,闸孔允许单宽流量不大于30m3/s,初步拟定闸孔总净宽为0.7倍主河槽宽为350m,闸孔分成35孔,每孔宽10m,中墩厚1.6m,缝墩厚0.8m。水闸底板为无槛宽顶堰,闸孔泄流能力计算公式如下:(《水闸设计规范》以下简称《规范》附A)式中:Q——过闸流量(m3/s);σ——淹没系数,根据上下游的堰上水深查得;ε——侧收缩系数;m——流量系数;B0——闸孔总净宽(m);H0——堰顶以上上游总水头(m)。①堰上总水头H0H1(上游水头)=23.65－13.00=10.65mHs(下游水头)=23.40－13.00=10.40m行近流速V0=Q/A=9540/[700×(23.65－13.00)]＝1.28m/sH0=H1+V2/2g=10.65+1.282/(2×9.81)=10.73m②淹没系数σhs/H0=10.4/10.73=0.969查《规范》附表A.0.1-2,得σ＝0.556;③流量系数m按P/H0=0查表得m＝0.385;④侧收缩系数ε水闸中墩厚度取为1.6m,缝墩取0.8m,根据《规范》附录A.0.1-3公式计算得ε=0.860根据以上公式能够试算出闸孔总净宽=9540/(0.556×0.860×0.385×4.429×10.733/2)=333m一般来说,采用的闸孔总净宽要略大于计算值,本次设计闸孔总净宽取350m,相应单宽流量为27.26m3/s/m,小于闸孔允许单宽流量30m3/s/m,满足要求。但校核工况下,水闸单宽流量为35.28m3/s/m,大于闸孔允许单宽流量[q]=30m3/s/m,若本次设计水闸总净宽以校核工况下经过闸室的单宽流量为控制,水闸规模将偏大,工程量加大,与消能工造价比较而言,会造成浪费。校核工况稍大于允许单宽流量,可能会出现局部破坏,但只要工程消能防冲设施得当,个人认为是能满足工程安全运行要求。因此,经综合考虑本次设计水闸总净宽取350m,闸孔总数为35孔,单孔净宽为10m。根据规范的要求,中墩厚取1.6m,缝墩厚取0.8m。因此水闸总宽度为:B=350+36×1.6=407.6m3、校核工况上游水位根据水闸泄流能力计算公式,能够试算出校核情况下的上游水位。设△H＝0.3m,则H上＝23.80+0.3＝24.1m;hs=23.80－13.00=10.80m;行近流速V0=Q/A=12350/[700×(24.10－13.00)]＝1.59m/s;H0=H+V2/2g=(24.1－13.0)+1.592/(2×9.81)=11.23m;hs/H0=10.80/11.23=0.9617,查《规范》附表A.0.1-2得σ＝0.600;按P/H0=0查表2.1得m＝0.385;ε＝0.860;Q试＝Bσεm(2g)0.5·H3/2=350×0.600×0.860×0.385×(2×9.81)0.5×11.233/2=11589m3/s<Q0.33%＝12350m3/s;假设不符,重新假设试算。经试算,当△H＝0.40m时,Q试≈Q0.33%＝12350m3/s。相应上游洪水位H上=24.20m。4.3.2消能防冲设计消能防冲设计主要包括消能防冲设备形式的选择、以及各种消能设施尺寸设计和上下游两岸护坡的设计。本工程消能形式采用消力池消能,消力池后布置一定长度的海漫,海漫末端设置柔性防冲槽。一、消力池尺寸拟定1、消能水力计算消能计算水位:H上＝19.5m,H下＝14.5m;1)单宽流量计算a．e=0.5me/H=0.5/6.5=0.077<0.65,为孔口出流。根据上、下游水位可假定为自由出流。根据孔流公式:q=μ0e(2gH0)1/2其中μ＝0.60－0.176e/H(《水计算手册》3-3-6水利出版社)＝0.60－0.176×0.5/6.5=0.586;因孔流状态e很小,行近流速V0较小,在计算时可不计入,即H0≈H,因此,q=μ0e(2gH)1/2＝0.586×0.5×(2×9.81×6.5)1/2＝3.31m3/s/m;b．e＝1.0me/H=1.0/6.5=0.154<0.65,为孔口出流。根据上、下游水位可假定为自由出流。μ0＝0.60－0.176e/H＝0.60－0.176×1.0/6.5=0.573;q=μ0e(2gH)1/2＝0.573×1.0×(2×9.81×6.5)1/2＝6.47m3/s/m;c．闸门全开出流情况属堰流。q＝σ·ε·m·(2g)0.5·H3/2＝1.0×0.86×0.385×(2×9.81)1/2×6.53/2＝24.30m3/s/m;2)判别下游水流衔接形式经计算当水闸闸孔全开时,闸后将发生淹没式水跃,无需建消力池;从运行角度来讲,泄水时只开启1孔闸门也是不符实际的。经分析比较,结合水闸运行特点,本次设计考虑水闸1/7闸孔开启作为本次设计工况。由上述计算结果,判别水闸开启1/7闸孔(开5扇闸门)时下游水流衔接形式。当e=0.5m时=(3.312/9.81)(1/3)=1.04m用试算法计算收缩水深hc,试算公式如下:=6.5《水力学教材》11-3经试算hc=0.30m将该值代入水跃方程可得=2.58m查H下～Q曲线,H下＝16.9m,ht=3.9m;同理,可算出当q=6.47、24.30m3/s/m时,相应的hc”、hk,计算结果列入下表:从表中能够看出,当上游水位为19.50m、水闸开启1/7孔时,闸门开度e=0.5m、1.0m以及全开时,hc”>ht,说明都发生远离式水跃衔接,故需修建消力池。当q=6.47m3/s/m时,(h”-ht)值最大。因此,应按该流量设计消力池。2、消力池深度计算e＝1.0m,q＝6.47m3/s/m,hc=0.60m,hc”=3.48m,ht=2.07m;按近似公式估算池深d,即d=σhc”-ht=1.05×3.48-2.07=1.58m设d＝1.58m,则上游总水头为T0‘=6.5+1.58=8.08m;由公式=8.08试算求得hc=0.53m;hc”=((1+8αq2/(qhC3))1/2－1)hC/2水跃方程=((1+8×6.472/(9.81×0.533))1/2－1)×1.62/2=3.75m;消力池的流速系数ψ’=0.95,则池中水流得水面降落ΔZ为ΔZ=q2[1/(ψ’ht)2—1/(σht”)2]/2g《水力学教材》11-11=6.472/[1/(0.95×2.07)2—1/(1.05×3.48)2]/2/9.81=0.414m将该值代入公式d=σhc”-(ht+ΔZ)《水力学教材》11-9=1.05×3.69-(2.07+0.414)=1.455m与假设数据不符,故需重新试算。经试算,假设d=1.44m时,d试=1.434m,两者数据接近,故取消力池深度d=1.45m。3、消力池长度计算水跃长度按公式:Lj=6.9(hc”－hc)计算《规范》B.1.2-2Lj=6.9×(3.48－0.6)=19.87m;消力池长度按公式:Lsj＝Ls＋βLj计算《规范》B.1.2-1水平长度βLj＝0.75×19.87=14.9m,取Lj=15m斜坡段Ls按1:4放坡,取5.8m。4、消力池底板厚度计算t=k1(qΔHˊ0.5)0.5＝0.2×(6.47×(19.5-15.07)0.5)0.5＝0.74m;取消力池底板厚度为0.8m。二、海漫长度计算Lp=kS(qsΔHˊ0.5)0.5《规范》B.2.1=11.5×(5.74×(19.5-15.07)0.5)0.5=39.97m;取Lp=40m;式中kS=11～12;qs＝6.47×50/56.4=5.74m3/s/m;H下=15.07m海漫水平段长15m,采用60cm厚钢筋混凝土浇筑,斜坡段长25m,1:10放坡,采用60cm厚浆砌块石砌筑。底部垫层分别铺设350g/m2土工布一层和20cm厚碎石层。海漫每1.5m设Φ50排水孔。三、防冲槽设计1、冲刷坑深度计算hp=0.164(kq/(d0.5(ht/d)1/6))《水工设计手册》25-3-17=0.164(1.3×5.74/(0.00050.5(2.07/0.0005)1/6=13.66m则冲刷坑底高程＝15.45—13.66=1.79mW=Ahd《水闸设计》公式6-32=4×(13.0－2.0－1.79)＝36.8m2故取防冲槽顶高程10.5m,深2.5m,底宽10m,上下游边坡取1:2,单宽体积为37.5m2>W＝36.8m2。冲刷坑采用抛合金钢网石兜抛石处理。4.3.3防渗排水设计一、地下轮廓线设计由设计任务书提供资料表明,本工程闸址地基主要由砂砾石层组成,为强透水土质,故必须采取水平与垂直相结合的防渗措施。水平向采用铺盖防渗,垂直向采用防渗板桩防渗。铺盖采用钢筋混凝土结构,长20m,铺盖与闸底板之间设水平止水。采用钢筋砼板桩,布置在闸底板上游一侧。由于闸址位置不透水层距底板约有16m,为便于施工和降低造价,采用”悬挂式板桩”。板桩入土深度为6m,厚20cm。(根据江苏省大型水闸实践经验,钢筋砼板桩长度多数采用5~7m。《水闸设计规范》SL265-第162页)。在消力池水平段排水孔,排水孔孔径Φ150,间距1.5m,呈梅花形布置,底部铺设土工布反滤。闸基防渗长度:所需的最小地下轮廓线[L]=CΔH=7×5.5=38.5m(根据地质资料取C=7)实际布置渗径长度:L=(20+6×2+20+6.8)=58.8m(上游铺盖长20m,闸底板长20m,垂直防渗墙深6m,下游消力池不设排水孔段长6.8m),L>[L],满足规范要求。二、渗流计算1、计算水位组合:设计工况:上游挡水位19.5m,下游相应水位14.5m,ΔH=5.0m。校核工况:上游挡水位20.0m,下游相应水位14.5m,ΔH=5.5m。在上闸地下轮廓线所在的岩土为高渗水的砂砾石,查相关规范规定,允许坡降值为:水平段允许坡降值为[0.15～0.25]出口段允许坡降值为[0.40～0.50](1)有效深度计算L0=46.8m,S0=7.5m;L0/S0=46.8/7.5=6.24＞5.0;计算有效深度=0.5×46.5=23.25m＞16m——地基实际透水深度;=16m(2)简化地下轮廓将地下轮廓划分成7个段,计算简图见下图。(3)阻力系数计算①进口段:ξ01＝1.5(S/T)3/2+0.441＝1.182,T=16m,S=10m;②内部垂直段:ξ02＝2/π[㏑(ctg((π/4)(1-S/T)))]＝0.191,T=16m,S=7.5m;③水平段1:ξ03＝[L－0.7(S1+S2)]/T=0.506,T=16m,L=20m,S1=7.5m,S2=1.9m;④内部垂直段2:ξ04＝2/π[㏑(ctg((π/4)(1-S/T)))]＝0.027,T=16m,S=1.9m;⑤水平段2:ξ05＝[L－0.7(S1+S2)]/T＝0.754,T=16m,L=20m,S1=1.9m,S2=1.9m;⑥内部垂直段3:ξ06＝2/π[㏑(ctg((π/4)(1-S/T)))]＝0.037,T=16m,S=1.3m;水平段3:ξ07＝[L－0.7(S1+S2)]/T=0.220,T=15.8m,L=6.8m,S1=1.3m,S2=0m;⑧出口段:ξ08＝1.5(s/T)3/2+0.441＝0.451,T=15.8m,S=0.8m;式中:S-齿墙或板桩的入土深度;T-地基有效深度或实际深度;(4)各分段水头损失计算∑ξi＝3.37,△H＝20.5－14.5=5.5m;各分段水头损失:hi=(ξi/∑ξi)△Hh1=1.182×5.5/3.37=1.929m;h2=0.191×5.5/3.37=0.312m;h3=0.506×5.5/3.37=0.826m;h4=0.027×5.5/3.37=0.044m;h5=0.754×5.5/3.37=1.231m;h6=0.037×5.5/3.37=0.060m;h7=0.220×5.5/3.37=0.359m;h8=0.451×5.5/3.37=0.736m;计算列表如下:改进阻力系数法渗流计算表分段名称S(m)S1(m)S2(m)T(m)L(m)ξihi(m)1进口段1016.01.1821.9292内部垂直段7.516.00.1910.3123水平段7.51.916.0200.5060.8264内部垂直段1.916.00.0270.0445水平段1.91.916.0200.7541.2316内部垂直段1.316.00.0370.0607水平段1.3015.86.80.2200.3598出口段0.815.80.4510.736∑ξ=3.368△H=5.5m(5)进出口段水头损失修正进口段修正系数β1’＝1.21－1/[(12(T’/T)2+2)(S’/T+0.059)]＝1.21－1/[(12(15/16)2+2)(10/16+0.059)]＝1.09>0,取β1’＝1.0,无需修正。式中:S’-底板(包括齿墙)的埋深与板桩入土深度之和;T’-板桩另一侧的地基深度;出口段修正系数β2’＝1.21－1/[(12(T’/T)2+2)(S’/T+0.059)]＝1.21－1/[(12(15.8/16)2+2)(0.8/16+0.059)]＝0.540<1,β2’应予修正。出口段水头损失应修正为:h8’＝(1-β2’)×h8＝0.46×0.736=0.338m;三、地基土的抗渗稳定性验算水平渗透坡降Jx＝h5/L5=1.929/20=0.010<水平段允许坡降值[0.15～0.25];出口渗透坡降J出＝h8’/S8=0.338/0.8=0.42属出口段允许坡降值[0.40～0.50]区间;因此,地基土抗渗稳定满足规范要求。4.3.4闸室的布置一、上游段上游段直接与河道连接,用导墙将电站和船闸分隔开。宽度根据平面布置确定,顶高程为25.0m,底高程13.0m,采用坡比为1:3,40cm厚浆砌块石护坡。二、闸室长度及型式闸底板长度确定:顺水流方向取(1.5～2.0)H,考虑公路桥、工作桥以及检修便桥等布置需要,初步拟定为20.0m。因水闸基础为砂砾石,地基承载力较高,故闸基础选用整体式平底板,根据《水闸设计规范》,必须进行分缝,分缝的间距根据规范要求,不宜大于30.0m,故取为二孔一跨,闸底板采用钢筋混凝土平底板,厚度(1/5～1/8的单孔净跨)初步拟定为150cm。三、闸墩闸墩采用C20钢筋混凝土,上游游端采用圆形,中墩厚1.60m,缝墩厚0.80m,长度与闸底板长度相同为20.0m。闸墩顶高程＝校核洪水位24.20m＋安全超高0.50m=24.70m,取25.0m。四、闸上交通桥根据设计任务书,公路桥位于闸室最上游侧,公路桥采用C30钢筋混凝土,总宽度为9.00m,采用T型结构,梁高1.0m,梁底高程同闸敦顶高程为25.00m。公路桥面高程为25+1+0.25(桥面铺装层厚)=26.25m。工作桥面高程＝校核洪水位＋闸门高度＋吊点＋安全超高+梁高＝24.20m＋7.0m＋0.3m＋0.5m＋1.0m＝33.0m检修便桥位于闸室下游侧,高程25.0m,宽1.5m。五、闸门闸门采用平面钢闸门,平面钢闸门的顶高程应该高于灌溉水位,取为20.0m,因此平面钢闸门的尺寸为10.0×8.0m(宽×高),闸门设侧止水和底止水。工作闸门采用卷扬式启闭机启闭,启闭力后续计算。检修闸门设二道,位置分设工作闸门的上、下游侧,检修闸门采用钢闸门,用手拉葫芦启闭。检修闸门高度拟定为4.0m,有上下两块迭合而成,平时安放在启闭机室内。为充分利用闸室水压力,增强闸室抗滑、抗倾覆稳定性,将闸门布置在靠闸室下游端,位于底板下游端向上游5m处。六、启闭机1)闸门启闭力计算(参见《水利水电工程钢闸门设计规范》)a.水压力计算P1=0.5γh12b=0.5×1.0×7.02×10.0=245T;P2=0.5γh22b=0.5×1.0×1.52×10.0=11.25T;ΔP=P1－P2＝233.75T;b.有关阻力(采用滑动轴承支承)a)支承摩阻力Tzd＝(f1r+f)P/R＝(0.15×25+1.0)×/100＝95.00kN;P-作用在闸门上的总水压力,KN;f1-滑动摩擦系数,取0.15;f-滚动摩擦力臂,取1.0mm;r-滚轮轴半径,取25mm;R-滚轮半径,取100mm;4只定轮,每只宽20cm,根据线压强q=KN/(4×200mm)=2.5KN/mm,查《钢闸门规范》附录M:fmax=0.11~0.13,fmin=0.05,取f＝0.10 。b)止水摩擦力令止水带宽(水压力作用区)12cm,左右两侧共24cm。N=0.5×1.0×7.02×0.24=5.88T;Tsd=N·f=5.88×0.5=2.94T(f=0.5)c)上托力计算《钢闸门规范》附录D上托力Pt＝γβtHsD1Bzs=10×1.0×7.0×0.2×10=140KN;γ-水的容重;βt-上托系数,验算闭门力时取1.0;Hs-关门时上游水位;D1-闸门厚度;-两侧止水距离;d)下吸力计算PS=pSD2Bzs=20×0.3×10=60KN;pS-闸门底缘的平均下吸强度,取20KN/m2;D2-闸门底缘止水至主梁下翼缘的距离,m;c．启闭力计算《钢闸门规范》公式8.1.1-1,8.1.1-2;闭门力FW=nt(Tzd＋Tsd)－nGG＋Pt=1.2×(95.00+2.94)－1.1×128+140=116.7KN>0,需设加重块Gj＝100KN;启门力FQ=nt(Tzd＋Tsd)+PS+G+Gj+Ws=1.2×(95.00+2.94)+60+1.1×128+140+291=749.3KN;nt-摩阻力安全系数,取1.2;nG-计算闭门力时的闸门自重修正系数,取1.1;nG’-计算启门力时的闸门自重修正系数,取1.1;G-闸门自重,为128KN;Ws-作用在闸门上的水柱压力,KN;Gj-加重块重量,KN;Pt-上托力,KN;PX-下吸力,KN;Tzd-支承摩阻力,KN;Tsd-止水摩阻力,KN;B．启闭机选型根据启门力FQ=679.5KN,闸门高度为7m,选用启闭机型号为QPQ-2×40,主要参数如下:启闭力2×40T,启门高度9m,启门速度1.34m/min,吊距3.1～9m。C．选择工作桥主横梁平面尺寸位置工作桥主梁采用两根T形梁,梁高1.0m,翼板宽1.2m,工作桥总宽4.5m,T形梁上布置横向格梁,以布置启闭机平台。七、下游护坡下游护坡同上游护坡。4.3.5闸室稳定计算4.3.5.1完建工况水闸内无水,计算恒载情况下基底应力与基底应力不均匀系数。一、自重计算二、基底压力计算∑G=43478kn(↓);∑H=0kn(→);∑M=42111kn·m。压应力P=∑G/(BL)+6∑M/(BL2)Pmin=66.3(kn/m2),Pmax＝95.5(kn/m2);P<[R]=230kn/m2,满足规范要求。应力不均匀系数η＝Pmax/Pmin=95.5/66.3=1.44<[2.0],满足规范要求。4.3.5.2设计工况一、自重计算与完建工况相同。二、水压力计算水压力包括水重、上游水平水压力、下游水平水压力、下游风浪压力、扬压力和侧向水压力。计算公式按下式进行:上游水压力＝10H2B/2=10×(19.5-13.0)2×23.2/2=4901kN下游水压力＝10H2B/2=10×(14.5-13.0)2×23.2/2=261KN上游水重＝10×(19.5-13.0)×23.2×10=15080KN下游水重＝10×(14.5-13.0)×23.2×8.5=2958KN计算成果如下表:设计工况水压力计算成果表注:(-表示方向相反)三、抗滑稳定验算根据设计任务书提供的基底摩擦系数f＝0.4。抗滑稳定安全系数KC=f∑G/∑H=0.4×49368/6322=3.12>[KC]=1.25,满足规范要求。四、基底压力计算∑G=49368kn(↓);∑H=6322kn(→);∑M=9446kn·m。压应力P=∑G/(BL)+6∑M/(BL2)Pmin=76.4(kn/m2),Pmax＝110.6(kn/m2);P<[R]=230kn/m2,满足规范要求。应力不均匀系数η＝Pmax/Pmin=110.6/76.4=1.45<[2.0],满足规范要求。4.3.5.3校核工况一、自重计算与完建工况相同。二、水压力计算计算成果如下表:校核工况水压力计算表三、抗滑稳定验算根据设计任务书提供的基底摩擦系数f＝0.4。抗滑稳定安全系数KC=f∑G/∑H=0.4×50381/5742=3.51>[KC]=1.25满足规范要求。四、基底压力计算∑G=50381kn(↓);∑H=5742kn(→);∑M=6025kn·m。压应力P=∑G/(BL)+6∑M/(BL2)Pmin=81.4(kn/m2),Pmax＝118.9(kn/m2);P<[R]=230kn/m2,满足规范要求。应力不均匀系数η＝Pmax/Pmin=118.9/81.4=1.46<[2.0],满足规范要求。4.3.6闸室底板结构计算底板结构计算以闸门为分界点,分上游段和下游段,本设计只作了上游段的计算。一、计算荷载A.底板W1=15×23.2×1.5×2.5=1305t;B.闸墩G1=15×12×(1.6+0.8+0.8)×25=1440t;C.上部结构G2-1(公路桥)＝8×23.5=188.0T;G2-2(工作桥)＝2.22×23.5×2.4=125.21T;G2=354.21T;D.水重W2=15×20×6.5×1.0=1950T;E.浮托力U1=15×23.5×2.0×1.0=705T;F.渗透压力U2=0.5×(1.36+2.04)×15×23.5×1.0=599.3T;G.地基反力R=9.06×15×23.5=3193T;二、总不平衡剪力Q=R+U1+U2－W1－W2－G1－G2＝3193+705+599－1305－1950－1440－354.2＝－552.2T;三、不平衡剪力分配e1=0.5×[2.8×13.52+(23.5－3.5)×1.52]/[3.5×13.5+(23.5－3.5)×1.5]=4.42m;Iy＝(1/3)×[23.5×4.423－(23.5－3.5)(3.711－1.5)3+3.5×9.083]=1383.82m;(Sy)abcd=3.5×9.08×9.08/2=144.28m;(Iy)abcd=∫Ay2dA=b∫9.08-2.92ydy＝3.5×(1/3)y39.08-2.92=902.43m4;Q墩＝(Q/Iy)[(Sy)abcd·ae－0.5·(Iy)abcd]=(－552.2/1383.82)(144.28×12－0.5×902.43)=－519.5Q板＝Q－Q墩＝－552.2－(－519.5)=－32.7四、单宽截条上的计算荷载(1)由闸墩传递的集中荷载A.缝墩Q=(0.8/3.5)×Q墩＝－137.4T;B.中墩Q=(1.6/3.5)×Q墩＝－294.4T;C.闸墩自重及上部结构缝墩G=374.4+46.4+30.9+13.7=465.4T;中墩G=561.6+89.6+59.67+13.67=724.54T;P缝墩=(G缝墩－Q缝墩)/B=(465.4－171.71)/15=19.6T/m;P中墩＝(G中墩－Q中墩)/B=(724.54－220.77)/15＝33.6T/m;(2)作用于底板的均布荷载q=(W－U－Q板)/2LB=[1950+1305/2－(705+599.3)－32.7]/(23.2×15)=3.64T/m;五、弹性地基参数E0及μ0的确定由于第一层中砂厚度较薄,第二层砂砾石厚度较大,两层土的弹性模量接近,故取砂砾石弹性模量E0,E0＝360kg/cm2。砂的泊松比μ0一般取0.3。六、整体式底板的基础梁计算由于本工程的地基基础从高程10m至－15m以下为基岩,H/L=29/11.6=2.5<4;H-基础以下基岩的埋深;L-基础梁半长;因此,根据《水工设计手册》第6册P6-59的说明,基础梁计算可按《有限深弹性基础梁计算用表》(张裕怡编,水利出版社,1980年版)的列数表,直接算出基底反力的分布。现根据《水工钢筋混凝土结构设计手册》按半无限大弹性基础梁,采用郭氏表计算。混凝土弹性模量(C20)E=2.55×107KN/m2;地基土弹性模量E0=36000KN/m2;1、柔度指标t=10(E0/E)(l/h)3＝10(36000/2.55×107)(11.6/1.5)3=6.53E0—地基土弹性模量,KN/m2;E—混凝土弹性模量,KN/m2;l—底板半长;h—底板厚度;0<t<10,可采用郭氏表计算。2、查表计算对右边的荷载P1=231KN,α1＝11/11.4=0.96≈1;对中间的荷载P2=231KN,α2＝0/11.4=0;对左边的荷载P3=231KN,α3＝－11/11.4=-0.96≈－1;查《水工钢筋混凝土手册》表24-26(a)、(b)、(c),分别得各截面处的、、值。集中力作用按《水工钢筋混凝土手册》公式24-42计算,p=0.01·P/l;V＝±0.01P;M=0.01Pl;p—反力;P—集中荷载,KN;l—基础梁半长,m;、、—查表所得;均布荷载作用按公式24-41计算,p=0.01·q;V＝±0.01ql;M=0.01ql2;q—作用在底板上的均布荷载;计算结果如下:Mmax-1=563.85KN·m,底面受拉;Mmax-2=－345.92KN·m,顶面受拉;Vmax=－256.3KN;(3)配筋计算a、正截面Mμ0=γd·M设＝1.2×563.85=676.62KN·m;γd-结构系数,取1.2;查《水工钢筋混凝土手册》表4-11(C),矩形截面(b=1000mm)受弯构件正截面受弯承载力Mμ0(KN·m)及配筋AS0(mm2)计算用表得,AS0＝1679mm2,ρ＝0.12%;应按构造配筋,ρmin=0.15%,则AS=2100mm2;配Φ25＠200(AS=2454mm2)。底板顶面配筋与底面相同,均为Φ25＠200。B、斜截面C20混凝土:fC=10.0N/mm2,h0=h－50=1450mm,VC=0.07fCbh0×10－3=0.07×10.0×1000×1450×10－3=1015KN;γdV=1.2×248.1=297.6KN;γdV>V