【最新版】《水工建筑物》毕业课程设计之前进水闸设计

《水工建筑物》课程课程设计

学号:

专业: 水利水电工程

姓名: 封苏衡

指导教师: 潘起来老师

2011年12 月19日

目录

第一章设计资料和枢纽设计 (4)

1. 设计资料 (4)

2. 枢纽设计 (5)

第二章闸孔设计 (7)

1. 闸室结构设计 (7)

2. 确定闸门孔口尺寸 (7)

第三章消能防冲设计 (11)

1. 消力池设计 (11)

2. 海漫的设计 (13)

3. 防冲槽的设计 (14)

第四章地下轮廓设计 (15)

1. 地下轮廓布置形式 (15)

2. 闸底板设计 (15)

3. 铺盖设计 (16)

4. 侧向防渗 (16)

5. 排水止水设计 (17)

第五章渗流计算 (19)

1. 设计洪水位情况 (19)

2. 校核洪水位情况 (23)

第六章闸室结构布置 (24)

1. 闸室的底板 (24)

2. 闸墩的尺寸 (24)

3. 胸墙结构布置 (24)

4. 闸门和闸墩的布置 (24)

5. 工作桥和交通桥及检修便桥 (25)

6. 闸室分缝布置 (26)

第七章闸室稳定计算 (27)

1.确定荷载组合 (27)

2. 闸室抗滑稳定计算和闸基应力验算 (27)

第八章上下游连接建筑物 (31)

1. 上游连接建筑物 (31)

2. 下游连接建筑物 (31)

参考文献 (31)

第一章设计资料和枢纽设计

1、设计资料

1.1工程概况

前进闸建在前进镇以北的团结渠上是一个节制闸。本工程等别为Ⅲ等,水闸按3级建筑物设计。该闸有如下的作用:

(1)防洪。当胜利河水位较高时,关闸挡水,以防止胜利河的高水入侵团结渠下游两岸的底田,保护下游的农田和村镇。

(2)灌溉。灌溉期引胜利河水北调,以灌溉团结渠两岸的农田。

(3)引水冲淤。在枯水季节。引水北上至下游红星港,以冲淤保港。

1.2 规划数据

(1)团结渠为人工渠,其断面尺寸如图1所示。渠底高程为2194.5m,底宽50m,

两岸边坡均为1:2 。(比例1:100)

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图1 团结渠横断面图(单位:m)

(2)灌溉期前进闸自流引胜利河水灌溉,引水流量为300。此时相应水位为:闸上游水位2201.83m,闸下游水位2201.78m;冬春枯水季节,由前进闸自流引水至下游红星港,引水流量为100 ,此时相应水位为:闸上游水位2201.44m,闸下游水位2201.38m。

(3)闸室稳定计算水位组合:设计情况,上游水位2204.3m,下游水位2201.0m;校核情况,上游水位2204.7m,下游水位2201.0m。消能防冲不利情况是:上游水位2204.7m,下游水位2201.78m,引水流量是300

(4)下游水位流量关系:

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(5)地质资料:

①根据地质钻探报告,闸基土质分布情况见下表:

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②根据土工试验资料,闸基持力层坚硬粉质粘土的各项参数指标为:凝聚力C=60.0Kpa;内摩擦角°;天然孔隙比e=0.69;天然容重

建闸所用回填土为砂壤土,其内摩擦角,凝聚力,天然容重。本地区地震烈度在6度。

(6)本工程等别为III等,水闸按3级建筑物设计。

(7)闸上有交通要求,闸上交通桥为单车道公路桥,桥面净宽4.5m,总宽5.5m,采用板梁结构。每米桥长约种80KN。(详见设计书插图)

(8)该地区“三材”供应充足。闸门采用平面钢闸门,尺寸自定,由工厂加工。不考虑风浪的作用,胜利河为少泥沙河道(含少量推移质泥沙)

2. 枢纽设计

2.1进水口防沙设施设计

胜利河为少泥沙河流,防沙要求不高,为防止泥沙进入引水渠,防沙设施设拦沙坎即可,《水电站进水口设计规范》DLT中规定其高度为2.5m~3m,取其高度为2.5m。

2.2 引水渠的布置

①取水方式确定: 由于胜利河为少泥沙河道,防沙要求不高,且取水期间河道的水位和流量能够满足取水要求,故取水方式可设计成无坝取水。

②引水口位置选择: 胜利河在流经灌区时有一个明显的弯道,可利用弯道环流原理,将引水渠的引水口设在胜利河凹岸顶点位置稍偏下游处,该位置距弯道水流拐点的长度可由公式计算:

式中:——进水闸至引水口弯道起点的距离

——与渠道分沙比有关的系数一般取0.6~1.0(K=0.8)

——河道的弯道半径

——河道河槽的宽度

由此可确定引水口位置

③引水渠的方位确定:为使弯道水流平顺进入引水渠,根据规范,取引水渠中心线与河道水流方向夹角即引水角不超过30度。(取25度)

第二章闸孔设计

1. 闸室结构设计

1.1 闸室结构型式的确定

由于闸室地基土质为坚硬粉质粘土,土质均匀,承载力较大,因此选用整体式平底板闸室,且闸前水位最大可达到10.2m,最低水位可达6.94m,水位变幅

3.26m,为减少闸门高度,因此设计成胸墙式闸室。

1.2 堰型选择

由于水闸有防洪冲淤的任务,故堰型采用宽顶堰,它有利于泄洪,冲沙,排污,且泄流能力稳定,结构简单,施工方便。

1.3确定闸顶高程

设计情况下,上游水位2204.3m,下游水位2201.0m;校核情况下,上游水位2204.7m,下游水位2201.0m。不考虑风浪情况,则课本76页公式3-78

??

?=+=+=???++=m m h h c c c 2.22055.07.2204

0.22057.03.2204

m a x H 校△△△ 所以取

1.4 确定闸底板高程

闸底板应尽可能置于天然坚实的土层上,在满足强度等条件下,高程应尽可能高一些。一般情况下,闸底板高程定为2194.5m ,和河底齐平。

2. 确定闸门孔口尺寸

2.1 计算闸孔总净宽

①灌溉期:上游水位2201.83m ,下游水位2201.78m ,流量300

上游水深m H 33.75.219483.2201=-=,下游水深m h s 28.75.219478.2201=-= 过水断面296.47333.7)33.7250(m A =??+= 上游行近流速s m A Q v /633.096

.473300

0===

行近水头m g v H H 35.781.92633.00.133.722

20

0=??+=+=α

属淹没出流。

由《水闸设计规范》SL265—2001查得当时, 初步设计认为, 由公式m H

g m Q

L 10.2635

.781.92385.094.036.0300

22

/32

/30

0=?????=

=

σε

②枯水季节:上游水位2201.44m ,下游水位2201.38m ,流量100

上游水深m H 94.65.219444.2201=-=,下游水深m h s 88.65.219438.2201=-= 过水断面233.44394.6)94.6250(m A =??+= 上游行近流速s m A Q v /226.033

.443100

0===

行近水头m g v H H 943.681.92226.00.194.622

20

0=??+=+=α

属淹没出流。

由《水闸设计规范》SL265—2001查得当时, 初步设计认为,

由公式m H

g m Q

L 472.9943

.681.92385.094.036.0100

22

/32/30

0=?????=

=

σε

由于应选用最大过闸单宽流量,故应选最大闸孔总净宽,因此综合两种情况,闸孔总净宽取值为26.10m 。此时单宽流量)*/(50.111

.2630030m s m L Q q ===

,由地质资料知闸地基处为坚硬粉质粘土,可取20-25,故满足要求 2.2 孔数及单孔宽度的选定

为了保证闸门对称开启,使水流过闸均匀,孔数宜采用单数。我国大中型水闸单孔宽度一般采用8-12m,故选孔,选单孔净宽。

根据规范上游闸墩头部均采用半圆形,下游闸墩头部采用流线形,厚,边墩取1.5m

闸孔总宽度为:m d n nl L 3422103)1(01=?+?=?-+=

渠道宽50.0m ,闸室总宽度应与渠道宽度相适应,两者的比值为3450=0.68大于0.6~0.75,符合要求。

闸孔尺寸示意图见图2-1(比例1:100)

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图2-1闸孔布置图( 单位:m )

2.3 水闸泄流能力验算(查阅《水闸设计规范》SL )

2.3.1 灌溉期过流验算:上游水位2201.83m ,下游水位2201.78m ,流量300 对于中孔:,

973.02

1010

)210101(171.01)1(171.01440000=+?+-?-=++-

-=d l l d l l z ε 对于边孔:, m b b 16.21233.72/)3750(=?+-=

912

.016

.2111010

)16.21110101(171.012

)21(171.014400

00=++?++-

?-=++?++-

-=b

b b b d

l l b d l l ε

则 953.03

912

.0)13(973.0)1(=+-?=

+-=

n

n b

z εεε

水闸泄流能力

s

m H g mL Q /75.34935.781.9230385.0953.036.0232/32

/300=??????=?=σε大于300满足要求 。

2.3.2 枯水期过流验算:上游水位2201.44m ,下游水位2201.38m ,流量100 对于中孔:,

973.02

1010

)210101(171.01)1(171.01440000=+?+-?-=++-

-=d l l d l l z ε 对于边孔:, m b b 38.20294.62/)3750(=?+-=

9124

.038

.2011010

)38.20110101(171.012

)21(171.014400

00=++?++-

?-=++?++-

-=b

b b b d

l l b d l l ε

则 953.03

9124

.0)13(973.0)1(=+-?=

+-=

n

n b

z εεε

水闸泄流能力

s

m H g mL Q /90.32094.681.9230385.0953.036.0232/32

/300=??????=?=σε大于100满足要求 。

第三章 消能防冲设计

1. 消力池设计

1.1确定消能型式

由于本闸所处渠道底部为粉质粘土,抗冲刷能力较低,故采用底流式消能。 1.2确定消能计算工况

由第二章计算已知,灌溉期和枯水期水位时闸门全开引水,均为淹没出流,无须消能。当引水流量为300,上游水位2204.7m ,下游水位2201.78m 时,为 最不利的工况,取该工况为计算工况

1.3 计算工况时上下游水面连接形态的判别

引水流量为300,上游水位2204.7m ,下游水位2201.78m ;

上游水位m H 2.105.21947.2204=-=,下游水位m h s 28.75.219478.2201=-= 该工况情况下,关闸挡水,部分闸门不完全开启,下游水位较低,闸孔射流速度大,最容易造成渠道的冲刷。消力池设计采用挖深式消力池,消力池首端宽

度采

用闸孔总宽,末端宽度采用河底宽度。

1.3.1为保证水闸安全运行,可以规定闸门的操作规程,本设计按闸孔对称方式开启运行,分别为开启3孔和中间1孔

当闸门不完全开启,闸孔射流速度较大,比闸门完全开启时更容易引起渠床的冲刷,取闸门相对开启从0.1-0.65(大于0.65属于堰流) 过水断面208.7182.10)2.10250(m A =??+= 上游行近流速s m A Q v /418.008

.7183000===

行近水头m g v H H 21.1081.92418.00.12.1022

20

0=??+=+=α

下游水深m h t 28.75.219478.2201=-= 宽顶堰闸孔出流流量公式,

由相对开启高度查《水力学》354页表9-7可得,取0.9

,假设水跃在最小收缩断面开始发生,由《水闸设计规范》可得: 跃后水深25.0213

2

002

))(181(2b b gh q h h c c c -+=α,根据和的关系判别水跃形态 计算表格如下:

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1.3.2 验算计算工况闸门全开自由堰流状态下水跃形态

由迭代公式求收缩水深 ,;代入迭代公式可得: ,,,,, 由此可得

假设水跃在最小收缩断面发生,跃后水深

m b b gh q h h c c c 95.3))(181(225.0213

2002

=-+=α ,故也发生淹没式水跃

1.3.3 结论

由以上计算可知,上下游水位的连接形态为淹没式水跃,这种情况对底部冲刷不太严重,不需要修建消力池,但应按要求设计相应的护坦。 1.4 护坦尺寸设计

1.4.1 闸孔按1孔和三孔对称开启时时

跃前水深和跃后水深最大差值为3.78m 。以此为计算控制工况 水跃长度;按规范取

考虑到闸底板的厚度,按规范取2m ,护坦与闸底板用斜坡连接,坡度1:4 护坦长度m L L L j s sj 56.2308.2675.041=?+?=+=β,取 护坦厚度,取0.155,,为上下游水位差

m H q k t 873.092.257.18155.01=??==,取

1.4.2 闸门全开自由堰流状态时

跃前水深和跃后水深差值为m h h c c 232.3718.095.302=-=- 水跃长度;按规范取

护坦长度m L L L j s sj 72.2030.2275.041=?+?=+=β 护坦厚度,取0.155,,为上下游水位差

m H q k t 641.092.210155.01=??== 1.4.3 综合以上计算情况,可以确定护坦长度,护坦厚度

2. 海漫的设计

水流经过护坦淹没式消能,虽已消除了大部分多余能量,但仍留有一定的剩余动能,特别是流速分布不均,脉动仍较剧烈,具有一定的冲刷能力。因此,护坦后仍需设置海漫等防冲加固设施,以使水流均匀扩散,并将流速分布逐渐调整到接近天然河道的水流形态。

根据实际工程经验,海漫的起始段采用长为10米的水平段,其顶面高程与护坦齐平, 水平段后采用1:10的斜坡,以使水流均匀扩散;为保护河床不受冲刷,海漫结构采用干砌石海漫结构 按公式,为上下游水位差

为渠床土质系数,根据地质资料渠床为粉质粘土取 为护坦出口处单宽流量,取最大值

m H q k L 34.4192.210102=??==,取为42m

根据实际工程经验,海漫的起始段采用长为10米的水平段,其顶面高程与护坦齐平, 水平段后采用1:10的斜坡,以使水流均匀扩散;为保护河床不受冲刷,海漫结构采用干砌石海漫结构

3.防冲槽设计

水流经过海漫后,尽管多余能量得到了进一步消除,流速分布接近河床水流的正常状态,但在海漫末端仍有冲刷现象。为保证安全和节省工程量,在海漫末端设置防冲槽。

海漫末端的河床冲刷深度按公式

为海漫末端单宽流量,由消能防冲设计水位组合取

为土质的不冲流速,查《农田水利学》112页表4-12,取为0.85ms ; 为海漫末端河床水深,海漫前端水深为,

海漫10m 水平段后有1:10的斜坡段,斜坡水平长度 则斜坡段在垂直向下降3.2m ,即

[]m t v q t 46.248.1085

.010

1.11.10''

'=-?=-?=

故取防冲槽深度为2.5m,槽顶高程与海漫末端齐平,底宽取5m,上游边坡系数为2,下游边坡系数为3。并在海漫末端预留足够块径大于30cm的石块,单宽抛石量(A值按经验取2-4)

第四章地下轮廓设计

1. 地下轮廓布置形式

1.1 综合说明

按照防渗和排水相结合的原则,在上游侧采用铺盖、板桩、齿墙等防渗设施,延长渗径,以减小作用在底板上的渗流压力,降低闸基渗流的平均坡降;在下游侧设置排水反滤设施,如面层排水、排水孔排水或减压井与下游连通,使地基渗水尽快排出,防止在渗流出口附近发生渗透变形。

由于粘性土地基不易发生管涌破坏,底板与地基间的摩擦系数较小,在布置地下轮廓时,主要考虑降低作用在底板上的渗流压力。为此,在闸室上游设置水平防渗,而将排水设施布置在护坦底板下。由于打桩可能破坏粘土天然结构,故粘性土地基不设板桩。(具体图样见CAD大图)

1.2 最小防渗长度的确定

防渗长度应满足式的要求。根据地基为坚硬粉质粘土,渗径系数C为4~3,取大值4,取校核情况上游水位2204.7m下游水位2201.0m。则上下游水位差。于是。

2. 闸底板设计

2.1 闸底板长度计算

闸底板顺水流方向长度,据闸基土为坚硬粉质粘土,闸室底板取

为安全起见取系数为4,上下游最大水位差为3.7m

综合考滤取上部结构布置及地基承载力等要求,确定闸底板长15m,齿墙深取1m,在轮廓线上长度取2m,与底板联成一体

2.2 闸底板厚度计算

闸底板厚度 (为闸孔净宽,为10m)

,取 2.3 闸底板结构

底板结构在垂直水流的长度上按经验每25m 分段,每隔3m 分横缝,防止温度变形和不均匀沉降。

3. 铺盖设计

3.1 铺盖材料选择

为充分利用灌区资源,减少投资,铺盖采用粘土铺盖;为防止铺盖被水流冲刷,应在其表面铺砂层,然后再砂层上在铺设单层或双层块石护面。 3.2 铺盖尺寸确定

铺盖长度,为上下游最大水位差取3.7m ,取

为方便施工,铺盖上游端取1m ,末端为2m ,以便和底板连接。

校核地下轮廓线的长度:根据以上设计数据,实际地下轮廓线长度,满足要求。

4.侧向防渗

4.1 上游翼墙设计

上游翼墙除挡土外,最主要的作用是将上游来水平顺导入闸室,其次配合铺盖其防渗的作用。其平面布置要与上游进水条件和防渗设施相协调。顺水流流向的长度应满足水流要求,上游段插入岸坡,墙顶要超出最高水位0.5-1.0m ,则上游翼墙顶部高程m H 7.22050.17.2204=+=上 4.2下游翼墙设计

下游翼墙除挡土外,最主要的作用是引导出闸水流均匀扩散,避免出现回流漩涡等不利流态。翼墙平均扩散角采用7°-12°,顺水流流向的投影长度应大于或等于护坦长度24m ,下游插入岸坡,墙顶一般高出最高泄洪水位。则下游翼墙墙顶高程m H 28.22025.078.2201=+=下 4.3 翼墙布置形式

根据地基条件,翼墙采用曲线式,从边墩开始向上游延伸铺盖的长度15m ,向下游延伸护坦的长度24m 后,上下游翼墙以圆弧的形式转弯90°后与岸边连接,使水流条件和防渗效果好

5.排水止水设计

5.1 排水设计

5.1.1 水平排水:水平排水采用反滤层排水,形成平铺式。排水反滤层一般是由2-3层不同粒径的砂和砂砾石组成的。层次排列应尽量与渗流的方向垂直,各层次的粒径则按渗流方向逐层增大。

该水闸中的反滤层设计由碎石、中砂和细砂组成,其中上部为20cm厚的碎石,中间为10cm厚的中砂,下部为10cm厚的细砂。如下图所示:

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反滤层布置图(单位 cm)

5.1.2 铅直排水:本水闸在护坦底板上设置三排排水孔,排距1.5m采用梅花形布置,孔径取10cm,孔距为3m。

5.1.3 侧向排水:侧向排水布置应根据上、下游水位、墙体材料和墙后土质以及地下水位变化等情况综合考虑,并应与闸基排水布置相适应,在空间上形成防渗整体。

5.2止水设计

凡具有防渗要求的缝,都应设止水设备。止水分铅直止水和水平止水两种。前者设在闸墩中间、边墩与翼墙间以及上游翼墙铅直缝中;后者设在黏土铺盖保护层上的温度沉陷缝、护坦与底板温度沉陷缝、翼墙和护坦本身的温度沉陷缝内。在黏土铺盖与闸底板沉陷缝中设置沥青油毛毡止水。典型的缝间止水如下图

横缝

止水片沥青油毛毡

典型的缝间止水示意图

第五章 渗流计算

闸底板的渗透压力计算采用改进的阻力系数法。

地基土为坚硬粉质粘土,厚度为m T 167.21787.2194=-=,不透水厚度较大,所以应计算有效深度 ,,

计算深度m m L T e 1615305.05.00<=?==,故有效深度计算。

1. 设计洪水位情况

1.1 渗流损失水头计算

设计情况下上游水位2204.3m ,下游水位2201.0m ,水位差 典型流端的阻力系数计算参照《水工建筑物》310页表6-4 进口处修正系数计算

.180.0)

059.0131

(2)1315(121

21.1)059.0(2)(12121.12'2'1<=+???????+?-=+??????+-

=T

S T T βm h h 338.0423.08.011'

1=?==β m h 085.0338.0423.01=-=△

,所以m h h h 081.1085.0996.012'

2=+=+=△

出口处修正系数计算

.186.0)

059.0153

(2)1513(121

21.1)059.0(2)(12121.12'2'1<=+???????+?-=+??????+-

=T

S T T βm h h 363.0422.086.092'

9=?==β

m h 059.0363.0422.09=-=△

,所以m h h h 21.0059.0151.098'

8=+=+=△

水头损失列于下表

各段渗透压力水头损失(单位:m )

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计算示意图如下:(比例1:100)

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水闸水头损失计算图(单位:m)水压力沿闸基分布如下图所示:(比例1:100)

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水闸渗透压力分布图(单位:m)各点的渗透压力值列表如下

各角点的渗透压力值(单位:m)

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1.2 闸基渗透变形验算

出口处的逸出坡降为8.0~7.0422.01422

.0''9<===S

h J 坚硬粘土的出口段容许坡降为0.70~0.80,小于容许值,满足要求。

2. 校核洪水位情况

2.1 渗流损失水头计算

校核情况下上游水位2204.7m ,下游水位2201.0m ,水位差 典型流端的阻力系数计算参照《水工建筑物》310页表6-4 进口处修正系数计算

0.180.0)059.0131(2)1315(12121.1)059.0(2)(12121.12'

2'1<=+???????+?-=+??????+-

=T

S T T β m h h 379.0474.08.011'

1=?==β m h 095.0379.0474.01=-=△

,所以m h h h 212.1095.0117.112'

2=+=+=△

出口处修正系数计算

.186.0)

059.0153

(2)1513(121

21.1)059.0(2)(12121.12'2'1<=+???????+?-=+??????+-

=T

S T T βm h h 407.0473.086.092'

9=?==β

m h 067.0407.0473.09=-=△

,所以m h h h 236.0067.0169.098'

8=+=+=△

水头损失列于下表

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各段渗透压力水头损失(单位:m)计算示意图如下:(比例1:100)

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水闸水头损失计算图(单位:m)水压力沿闸基分布如下图所示:(比例1:100)

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水闸渗透压力分布图(单位:m)各点的渗透压力值列表如下

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