水闸毕业设计水闸设计.pdf
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1、 水闸毕业设计水闸设计 CKBOOD was revised in the early morning of December 17,2020.水闸设计说明书 SLUICE DESIGN SPECIFICATION 设计题目:水闸工程 学院名称:专业名称:水利水电工程 班级名称:姓 名:学 号:指导教师:教师职称:年 月 日 目 录 一、设计任务-二、设计基本资料-概述-防洪-灌溉-引水冲淤-规划数据-孔口设计水位、流量-闸室稳定计算水位组合-消能防冲设计水位组合-地质资料-闸基土工试验资料-闸的设计标准-其它有关资料-闸上交通-三材-地震资料-风速资料-三、枢纽布置-防沙设施-引水渠的布置-
2、进水闸布置-闸室段布置-上游连接段布置-下游连接段布置-四、水力计算-闸孔设计-闸室结构形式-堰型选择及堰顶高程的确定-孔口尺寸的确定-消能防冲设计-8 消力池的设计-8 海漫的设计 -防冲槽的设计-五、防渗排水设计-地下轮廓设计-底板-铺盖-排水、止水-防渗长度验算-渗流计算-地下轮廓线的简化-确定地基的有效深度-渗流区域的分段和阻力系数的计算-渗透压力计算:-14 抗渗稳定验算-六、闸室布置与稳定计算-17 闸室结构布置-底板-闸墩-胸墙-17 工作桥-17 检修便桥-18 交通桥-18 闸室稳定计算-19 荷载计算-19 稳定计算-七、闸室结构设计-27 闸墩设计-27 底板结构计算-2
3、8 闸基的地基反力计算-28 不平衡剪力及剪力分配-弯矩计算-36 -37 八、两岸连接建筑物-37 九、水闸细部构造设计-38 十、基础处理-38 十一、总结-38 参考文献-40水闸课程设计计算说明书 1、设计任务 兴化闸为无坝引水进水闸,该枢纽主要由引水渠、防沙设施和进水闸组成,本次设计主要任务是确定兴化闸的型式、尺寸及枢纽布置方案;并进行水力计算、防渗排水设计、闸室布置与稳定计算、闸室底板结构设计等,绘出枢纽平面布置图及上下游立视图。2、设计基本资料 概述 兴化闸建在兴化镇以北的兴化渠上,闸址地理位置见图 2-2-1。该闸的主要作用有防洪、灌溉和引水冲淤。北 至大成港 渠 化 兴 闸管
4、所 兴化闸 兴 化 河 兴 化 镇 图 2-2-1 闸址位置示意图(单位:m)防洪 当兴化河水位较高时,关闸挡水,以防止兴化河水入侵兴化渠下游两岸农田,保护下游的农田和村镇。灌溉 灌溉期引兴化河水北调,以灌溉兴化渠两岸的农田。引水冲淤 在枯水季节,引兴化河水北上至下游的大成港,以冲淤保港。规划数据 兴化渠为人工渠道,其剖面尺寸如图 2-2 所示。渠底高程为,底宽,两岸边坡均为 1:2。该闸的主要设计组合有以下几方面:图 2-2 兴化渠剖面示意图(单位:m)孔口设计水位、流量 根据规划要求,在灌溉期由兴化闸自流引兴化河水灌溉,引水流量为300m3/s,此时闸上游水位为,闸下游水位为;在冬季枯水季
5、节由兴化闸自流引水送至下游大成港冲淤保港,引水流量为 100m3/s,此时相应的闸上游水位为,下游为。闸室稳定计算水位组合 (1)设计情况:上游水位,浪高,下游水位。(2)校核情况:上游水位,浪高,下游水位。消能防冲设计水位组合 (1)消能防冲的不利水位组合:引水流量为 300m3/s,相应的上游水位,下游水位为。(2)下游水位流量关系 下游水位流量关系见表 2-2-1。表 2-2-1 下游水位流量关系 地质资料 闸基土质分布情况 根据钻探报告,闸基土质分布情况见表 2-3-1。表 2-3-1 闸基土层分布 层序 高程(m)土质情况 标准贯入击数(击)重粉质壤土 913 散粉质壤土 8 坚硬粉
6、质粘土(局部含铁锰结核)1521 Q(m3/s)H下(m)闸基土工试验资料 根据土工试验资料,闸基持力层为坚硬粉质粘土,其内摩擦角=190,凝聚力 C=;天然孔隙比 e=,天然容重=m3,比重 G=,变形模量 E0=104KPa;建闸所用回填土为砂壤土,其内摩擦角=260,凝聚力 C=0,天然容重=18KN/m3;混凝土的弹性模量 Eh=107KPa。闸的设计标准 根据水闸设计规范SL265-2001,兴化闸按级建筑物设计。其它有关资料 闸上交通 根据当地交通部门建议,闸上交通桥为单车道公路桥,按汽-10 设计,履带-50 校核。桥面净宽为,总宽,采用板梁式结构,见图 2-5-1,每米桥长约重
7、 80KN。2 2 图 2-5-1 交通桥剖面图 (单位:cm)该地区“三材”供应充足。闸门采用平面钢闸门,尺寸自定,由于厂设计加工制造。该地区地震烈度设计为 6 度,故可不考虑地震影响。该地区风速资料不全,在进行浪压力设计时,建议取 Ll=10hl 计算。3、枢纽布置 兴化闸为无坝引水进水闸。整个枢纽主要由引水渠、防沙设施和进水闸等组成。防沙设施 闸所在河流为少泥沙河道,故防沙要求不高,仅在引水口设拦沙坎一道即可。拦沙坎高,底部高程,顶高程,迎水面直立,背流坡为 1:1 的斜坡,其断面见图 3-1:图 3-1 枢纽布置图 -剖面 引水渠的布置 兴化河河岸比较坚稳,引水渠可以尽量短(大约 65
8、m),使兴化闸靠近兴化河河岸。为了保证有较好的引水效果,引水角取 35,并将引水口布置在兴化河凹岸顶点偏下游水深较大的地方。为了减轻引水口处的回流,使水流平顺的进入引水口,引水口上、下游边角修成圆弧形。引水渠在平面上布置成不对称的向下游收缩的喇叭状,见图 3-1。进水闸布置 进水闸(兴化闸)为带胸墙的开敞式水闸。共 5 孔,每孔净宽。胸墙底部高程为,闸顶高程为,闸门顶高程为。闸室段布置 闸底板为倒型钢筋混凝平底板,缝设在底板中央。底板顶面高程为,厚,其顺水流方向长 16m。闸墩为钢筋混凝土结构,顺水流方向长和底板相等,中墩厚,边墩与岸墙结合布置,为重力式边墙,既挡水,又挡土,墙后填土高程为。闸
9、墩上设有工作门槽和检修门槽。检修门槽距闸墩上游边缘,工作门槽距闸墩上游边缘,胸墙与检修门槽之间净距为。闸门采用平面滚轮钢闸门,尺寸为。启闭设备选用 QPQ-225 卷扬式启闭机。工作桥支承为实体排架,由闸墩缩窄而成。其顺水流长,厚,底面高程,顶面高程,排架上设有活动门槽。公路桥设在下游侧,为板梁式结构,其总宽为。公路桥支承在排架上,排架底部高程。上游连接段布置 铺盖为钢筋混凝土结构,其顺水流方向长 20m,厚。铺盖上游为块石护底,一直护至引水口。上游翼墙为浆砌石重力式反翼墙,迎水面直立,墙背为 1:的斜坡,收缩角为 15,圆弧半径为。墙顶高程为,其上设高的混凝土挡浪板。墙后填土高程为。翼墙底板
10、为厚的钢筋混凝土板,前趾长,后趾长。翼墙上游与铺盖头部齐平。翼墙上游为干砌块石护坡,每隔 12m 设一道浆砌石格埂。块石底部设 15cm的砂垫层。护坡一直延伸到兴化渠的入口处。下游连接段布置 闸室下游采用挖深式消力池。其长为 23m,深为。消力池的底板为钢筋混凝土结构,其厚度为。消力池与闸室连接处有 1m 宽的小平台,后以 1:4 的斜坡连接。消力池底板下按过滤的要求铺盖铺设厚的砂、碎石垫层,既起反滤、过渡作用,又起排水作用。海漫长 26m,水平设置。前 10m 为浆砌块石,后 16m 为干砌块石,并每隔 8m设一道浆砌石格埂。海漫末端设一构造防冲槽。其深为,边坡为 1:2。槽内填以块石。由于
11、土质条件较好,防冲槽下游不再设护底。下游翼墙亦为浆砌石重力式反翼墙。迎水面直立,墙背坡度为 1:,其扩散角为 10,圆弧半径为。墙顶高程为,其上设高的挡浪板,墙后填土高程为。下游翼墙底板亦厚钢筋混凝土板,其前趾长,后趾长。翼墙下游端与消力池末端齐平。下游亦采用干砌块石护坡,护坡至高程处。每隔 8m 设一道浆砌石格埂。护坡延伸至与防冲槽下游端部齐平。4、水力计算 水力设计主要包括两方面的内容,即闸孔设计和消能设计。闸孔设计 闸孔设计的主要任务:确定闸室结构形式、选择堰型、确定堰顶高程及孔口尺寸。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,而泄水时上游水位为
12、,挡水位时上游最高水位比下游最高水位高出,故拟设设置胸腔代替闸门挡水,以减小闸门高度,减小作用在闸门上的水压力,减小启门力,并降低工作桥的高度,从而减少工程费用。综上所述:该闸采用带胸墙的开敞式闸室结构。堰型选择及堰顶高程的确定 该闸建在少泥沙的人工渠道上,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。考虑到闸基持力层是坚硬粉质粘土,土质良好,承载能力大,并参考该地区已建在工程的经验,拟取闸底板顶面与兴化渠渠底齐平,高程为。孔口尺寸的确定(1)初拟闸孔尺寸。该闸的孔口必须满足引水灌溉和引水冲淤保港的要求。1)引水灌溉 上游水深 H=下游水深 hs=引水流量 Q=300m3/s 上游
13、行近流速 V0=Q/A A=(b+mH)H=(50+2=V=300/=sm3 H0=H+V02/2g (取=+2=hS/h0=,故属淹没出流。查 SL265-2001 表 A01-2,淹没系数S=由宽顶堰淹没出流公式 对无坎宽顶堰,取 m=,假设侧收缩系数=,则 =2)引水冲淤保港 上游水深 H=下游水深 h=引水流量 Q=100sm3 上游行近流速 V0=Q/A A=(b+mH)H=(50+2=sm3 V0=Q/A=100/=s,故属淹没出流。2335.7819296.0385.0360300.查 SL265-2001 表 A01-2,得淹没系数s=同样取 m=,假设侧收缩系数=,则得 B0
14、2=比较 1)、2)的计算结果,B02 B01,可见引水灌溉情况是确定闸孔尺寸的控制情况,故闸孔净宽 B0 宜采用较大值。拟将闸孔分为 5 孔,取每孔净宽为,则闸孔实际总净宽为 B0=5=。由于闸基土质条件较好,不仅承载能力较大,而且坚硬、紧密。为了减少闸孔总宽度,节省工作量,闸底板宜采用整体式平底板。拟将分缝设在各孔底板的中间位置,形成倒型底板。中墩采用钢筋混凝土结构,厚,墩头、墩尾均采用半圆形,半径为。(2)复核过闸流量。根据初拟的闸孔尺寸,对于中孔,b0=,bs=b0+=+=,b0/bs=,查 SL265-2001 表,得971.0z 对于边孔,b0=,bs=,bo/bs=,查 SL26
15、5-2001 表,得909.0b,则 =(5-1)+/5 =根据 SL265-2001 表,对无坎宽顶堰,取 m=,则 =252335.78192 =sm3 2302 HgmQsQQQ实100%=%5%实际过流能力满足引水灌溉的设计要求。因此,该闸的孔口尺寸确定为:共分 5 孔,每孔净宽,2 个中墩各厚,闸孔总净宽为,闸室总宽度为。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。消力池的设计 1)上下游水位连接形态的判别,闸门从关闭状态到泄流量为 300sm3往是分级开启的。为了节省计算工作量,闸门的开度拟分三级,流量 50sm3;待下游的水位稳定后,增大开度至 150sm3,待下
16、游的水位稳定后,增大开度至300sm3。当泄流量为 50sm3时:上游水深 H=下游水深可采用前一级开度(即 Q=0)时的下游水深 t=上游行进流速0V=AQ=50/=s(0Vs),可以忽略不计。假设闸门的开度 e=.He=,为孔流。查水力学(河海大学出版社),由表(采用插值法):得=,则:hc=e=ch=ghqhcc181232=cht=,故为淹没出流。由(tch)/(H-ch)=,查 SL265-2001 表 A03-2(采用插值法),得孔流淹没系数/=,所以有 1=He 式中1孔流流量系数。因此 Q=252108192.=sm3 该值与要求的流量 50sm3十分的接近,才所假定的闸门开度
17、 e=正确。此时,跃后水深t=,故发生淹没水跃。以同样的步骤可求得泄水量 150sm3、300sm3时的闸门开度、跃后水深,并可判别不同泄水量时的水面连接情况,结果列如下表:表 4-2 水面连接计算 序号 Q(sm3)E(m)(m)t (m)水面连接情况 1 淹没水跃 2 淹没水跃 3 淹没水跃 2)消力池的设计 a)、消力池池深:由表 4-2 可见,在消能计算中,跃后水深均小于相应的下游水深,出闸水流已发生了淹没水跃,故从理论上讲可以不必建消力池。但是为了稳定水跃,通常需建一构造消力池。取池深 d=。b)、消力池长度:根据前面的计算,以泄流量 300sm3作为确定消力池长度的计算依据。略去行
18、进流速 V0,则:T0=H+d=+=hc=000 =q2/2g2 ,q=,=hc=ch=ghqhcc181232=水跃长度 LJ=(ch-ch)=()=消力池与闸底板以 1:4 的斜坡段相连接,LS=dp=4=,则消力池长度 LSJ为 LSJ=LS+LJ=+=长度校正系数(取消力池长度为。c)、消力池底板厚度计算:t=K1q 式中K1消力池底板厚度计算系数,可采用()K1取 Q=300/(25+)=)/(3msm H=t=由于消力池的池底板厚范围()所以取消力池的池底板厚为,前后等厚。在消力池底板的后半部设排水孔,孔径 10cm,间距 2m,呈梅花行布置,孔内填以砂,碎石。消力池与闸底板连接处
19、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,扩散角度 10。海漫的设计 1)海漫的长度为:LP=qKS q=300/+tg10(23+1)2=)/(3msm H=sK为海漫长度计算系数,取sK为 pL=92.292.70.7=取海漫的长度为。2)海漫的布置和结构。由于下游水深较大,为了节省开挖量,海漫布置成水平的.海漫使用厚度 40cm 的块石材料,前 10m 用浆砌块石,后 16m 采用干砌块石。浆砌块石海漫上社排水孔,干砌块石上社浆砌块石格梗,格梗断面尺寸为 40cm60cm。海漫底部铺设 15cm 厚的砂粒垫层。防冲槽的设计 1)海漫末端河床冲刷深度
20、为 海漫末端的平均宽度 B=1/2(50+50+22=Q=300/=)(3msm 对比较紧密的黏土地基,且水深大于 3m,0V可取为 s,sh=,则:d=04.71.168.41.1=dL,满足要求。2)绕流防渗长度。必须的防渗长度为 L=CH H=,C=7(回填土为砂土,且无反滤),因此 L=实际防渗长度 L=15cos20+16=LL,满足防渗要求 其地下轮廓布置见下图 5-1-1:图 5-1-1 地下轮廓布置 (单位:m)渗流计算 采用改进阻力系数法进行渗流计算。地下轮廓线的简化 为了便于计算,将复杂的地下轮廓进行简化。由于铺盖头部及底板上下游两端的齿墙均浅,简化后的形式如下图 5-2-
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