毕设之水闸初步设计概要.docx
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毕设之水闸初步设计概要
1.工程概况
1.1工程概况
XX市XX河枢纽工程位于XX市XX镇XX河,距长江400m,枢纽工程包括6.5m×3的节制闸一座,2×1400ZLB灌排两用泵站一座。
其主要作用是排涝、灌溉和挡潮。
1.2水位资料
根据《防洪标准》(GB-50201-94、《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000、《水闸设计规范》(SL265-2001相关规定,XX河闸工程按2级建筑物进行设计。
设计水位组合见表1.1。
表1.1XX河闸设计水位组合计算情况
上游水位(m
下游水位(m
说明
稳定计算
设计
正向3.80.49
上游为内河侧下游为长江侧
反向3.07.25校核
正向3.80.4反向
3.07.6消能计算正向3.82.3反向2.6
4.1孔径计算正向3.83.7Q=110m³/s反向
3.8
4.1
Q=185m³/s
1.3地质资料
根据江苏省工程勘测研究院2001年6月和2002年8月提供的《XX市XX河枢纽工程地质勘测报告》资料,在场地区钻探范围内所揭示的图层均为第四纪全新世冲几层,根据其土质性状、力学强度自上而下可分为6层,仅详述第一层。
层12:
灰色淤泥质重、中粉质粘土,夹青灰色粉砂,局部互层。
流塑,局部软塑状态,中~高压缩性。
标准贯入击数1~7击。
场地区普遍分布,厚8.1~10.2m。
1.4回填土资料
回填土采用粉砂土,湿容重19.4kN/m³,饱和容重为20.1kN/m³。
1.5地震设计烈度
地震基本烈度6度。
1.6其它资料
闸址处多年年平均最大风速20m/s,吹程为1km。
交通桥按公路Ⅱ级设计,桥面净宽7.0m,拟采用钢筋混凝土铰接板桥。
上下游河道断面为底宽25m,边坡1:
2.5,河底高程-0.0m,堤顶高程9.0m。
2.水力设计
2.1孔径计算
2.1.1确定闸孔型式
堰型也就是水闸的底板形式中,以宽顶堰应用较广,因为其具有自由岀流范围大、泄流能力较大而且比较稳定的优点,但是流量系数较小。
低堰型底板是在底板上设置曲线或或梯形的低堰,曲线型包括实用堰和驼峰堰,这种低堰的流量系数较大,但其泄流能力受下游水位变化的影响比较显著。
XX河闸在平原地区,水头差较小,上下游水位变幅不大,要求泄流能力稳定,从而排除低实用堰型和胸墙孔口型,采用宽顶堰型。
2.1.2确定闸底板的高程
一般情况下,节制闸的底板顶面可与河床齐平。
考虑经济条件,本设计采取底板顶面与河床齐平。
2.1.3确定孔口尺寸及前沿宽度
表2.1孔口设计水位组合表
计算情况上游水位(m下游水位(m过水流量(m³/s正向3.83.7110m³/s
反向3.84.1185m³/s
*正向情况。
闸底板高程为-0.0m,闸上水位为3.8m,闸下水位为3.7m,过水流量为110m³/s。
具体计算见表2.2。
河道底宽25.0m,边坡1:
2.5。
河道断面示意图见图2-1。
图2-1河道断面示意图(单位:
m
A=(b+mhh=(25+2.5×3.8×3.8=131.1㎡
v=
84.01
.131110==AQm/sH0=H1+2
02gvα=3.8+1.89284.02
⨯=3.84m
式中:
H1——上游水深,为3.8m;
α——流速系数,取1.0;
0v
——上游行进流速,0.84m/s。
表2.2渠道断面面积
A(㎡
行近流速v(m/s下游水深hs(m
计入行近流速的上游水深H0(m
Hhs
流态
131.10.84
3.73.840.964
高淹没出流
由于
Hhs
>0.9,故用下式计算过流能力:
(200sshHghBQ-=μ20
065.0(
877.0-+=Hhs
μ其中,976.065.0964.0(877.020
=-+=μ
闸孔总净宽38.18
7.384.3(81.927.3976.0110
(2000=-⨯⨯=-=sshHghQBμm
*反向情况。
闸底板高程为-0.0m,闸上水位为4.1m,闸下水位为3.8m,过水流量为185m³/s。
具体计算见表2.3。
河道底宽25.0m,边坡1:
2.5。
河道断面示意图见图2-2。
图2-2河道断面示意图(单位:
mA=(b+mhh=(25+2.5×4.1×4.1=144.5㎡
v=
28.15
.144185==AQm/s
H0=H1+2
02gvα=4.1+1.89228.12
⨯=4.18m
式中:
H1——上游水深,为4.1m;
α——流速系数,取1.0;
v——上游行进流速,1.28m/s。
表2.3
渠道断面面积
A(㎡
行近流速v(m/s下游水深hs(m
计入行近流速的上游水深H0(m
Hhs
流态
144.5
1.28
3.8
4.180.909
高淹没出流
944.065.0909.0(877.020=-+=μ
闸孔总净宽89.18
8.318.4(81.928.3944.0185
(2000=-⨯⨯=-=
sshHghQBμm
0B取两种情况下的最大值,即0B=19m。
根据具体设计条件,选用3孔闸,每孔宽度为6.5m,中墩厚为1m,边墩厚取0.8m(三孔不必分缝。
则闸孔总宽为:
B=3×6.5+2×0.8+2
×1=23.1m
实际过水能力1.1868.318.4(81.92198.3944.0(20000=-⨯⨯⨯=-=sshHgBhQμm³/s
%5%59.0%100185
185
1.186<=⨯-满足要求。
闸孔布置简图见图2-3:
图2-3闸孔宽度布置图(单位:
高程,m;尺寸,cm
3消能计算
3.1消力池的设计
3.1.1消力池形式的选定
消力池有三种类型:
1、下挖式消力池,适用于闸下尾水深度小于跃后水深的情况。
2、突槛式消力池,适用于闸下尾水深度略小于跃后水深的情况。
3、综合式消力池,当闸下尾水深度远小于跃后水深,且计算出的消力池的深度又较深时,可采用下挖式消力池和突槛式消力池相结合的综合式消力池。
本闸采用下挖式消力池。
3.1.2消力池深度计算
闸门开度分为5级,正向时e≥0.38m,反向时e≥0.41m。
分别进行初始流量计算。
正向时,下游水深为2.3m,反向时下游水深为2.6m,具体计算过程见表3.1。
表3.1
工况eH
H
eQμ
正向0.573.80.1553.610.5736
0.953.80.2586.610.556
1.333.80.35117.420.5384
1.93.80.5159.510.512
2.47
3.80.65196.670.4856
反向0.6154.10.1560.110.5736
1.0254.10.2597.120.556
1.4354.10.35131.660.5384
2.054.10.5178.860.5122.6654.10.65220.530.4856
gH
be
Q2
μ
=(b=19.5m
H
e
176
.0
60
.0-
=
μ
初始流量具体取值见表3.2。
表3.2
计算工况闸孔开度e(m初始流量Q(m³/s正向1.33117.42
反向2.05178.86
表3.3消能防冲设计水位组合表
计算工况上游水位(m
下游水位(m
初始流量(m³/s
正向3.82.3117.42反向2.6
4.1
178.86
计算方法:
①先假设d=0.5m,计算H0、T0;
②由公式02/22203=+-ϕαgqhThcc试算hc。
其中ϕ为流速系数,取ϕ=0.98,0σ取1.05;
③由公式25.0213
2'
'(181(2bbghqhhcc
c-+=α,计算'
'ch;④由公式2''2
2
'22
22c
s
gh
qh
gqzαϕα-
=
∆,计算z∆。
其中:
z∆——出池落差;'sh——出池河床水深。
⑤由公式d=zhhsc∆--'''0σ,计算d。
⑥若由⑤计算出来的d≤0.5m,则取d=0.5m;若d>0.5m,则另d为该值重新计算,直至试算出结果。
具体计算见表3.4计算工况Av
0H
0d
0T
q
ch''ch
z∆d
正向131.10.8963.8410.54.3416.020.7512.8660.1460.56131.10.8963.8410.564.4016.020.7452.8820.1490.58131.10.8963.8410.584.4216.180.7422.8900.1500.58反向
144.51.2384.1780.54.6789.171.1553.4180.3090.68144.51.2384.1780.684.8589.171.1213.4910.3250.74144.51.2384.1780.744.9189.411.1113.5140.3300.76144.51.2384.1780.76
4.9389.41
1.1083.5200.3320.76
3.1.3消力池长度计算
i.水跃长度计算
正向:
82.14742.089.2(9.6(9.6'
'=-⨯=-=ccjhhLm
反向:
64.16108.1520.3(9.6(9.6'
'=-⨯=-=ccjhhLm
Ii.消力池长度计算
正向:
18.1482.148.058.048.04=⨯+⨯=+=+=jjssjLdLLLβm
取sjL=14.2m,消力池长度采用1:
4的斜坡,平台宽度定为1m,长定为1m,故消力池长为L=14.2+1=15.2m
反向:
35.1664.168.076.048.04=⨯+⨯=+=+=jjssjLdLLLβm
取sjL=16.4m,消力池长度采用1:
4的斜坡,平台宽度定为1m,长定为1m,故消力池长为L=16.4+1=17.4m。
3.1.4消力池底板厚度计算
消力池底板厚度,按《水闸设计规范》计算。
正向时的上游水深3.8m,下游水深2.3m,
流量Q1=117.42m³/s;反向时上游水深4.1m³/s,下游水深2.6m,流量Q2=178.86m³/s。
消力池首端宽度b1=21.5m。
1根据抗冲要求,消力池底板始端厚度t=Hqk∆11k取0.2表3.5计算工况过闸单宽流量q(㎡/s闸孔泄水时的上下游水位差H(m消力池底板厚度t(m
正向5.461.50.517反向8.321.50.638
2当消力池底板下有扬压力作用时,根据抗浮要求,b
rW
Ukt-=222k取1.1表3.6计算情况扬压力U(kPa水重W(kPa饱和容重
rb(kN/m³
消力池底板厚2t(m
正向上游
49.4244.720.10.26下游
45.7428.220.10.96反向上游
55.847.620.10.45下游
42.7231.220.10.63
综上考虑,消力池底板厚度取为1m。
消力池的构造,正向过水时首端宽度为21.5m,末端宽度为25.0m。
反向过水时,首端宽度为21.5m,末端宽度为25.0m。
内河侧翼墙的扩散角为5.7°,长江侧翼墙的扩散角为6.6°。
3.2海漫与防冲槽设计
3.2.1海漫计算
1海漫长度''HqkLsp∆=(sk取10,属粉质黏土正向:
98.235.125
42
.11710=⨯
=pLm取24m,反向:
6.295.125
86
.17810=⨯=pLm取30m。
2海漫构造
正向:
海漫起始段设8m长浆砌块石水平段(设排水孔,间距2m,梅花型,后16m设干砌块石。
在浆砌石段和干砌石段的连接处设置0.4m×0.4m的混凝土格梗。
海漫厚度取为40cm,下铺设20cm的砌石层,10cm厚的卵石,10cm厚的毛砂。
反向:
海漫起始段设10m长浆砌块石水平段(设排水孔,间距2m,梅花型,后20m设干砌块石。
在浆砌石段和干砌石段的连接处设置0.4m×0.4m的混凝土格梗。
海漫厚度取为40cm,下铺设20cm的砌石层,10cm厚的卵石,10cm厚的毛砂。
3.2.2防冲槽计算
海漫末端单宽流量b
Qqm=
图3-1下游海漫末端断面图(单位:
m
图3-2上游海漫末端断面图(单位:
m
正向:
97.36.2942.117===
bQqm㎡/s反向:
92.52
.3086
.178===bQqm㎡/s
表3.7海漫末端计算参数计算工况
单宽流量mq(㎡/s河床水深
mh(m
允许不冲流速[0v](m/s河床冲刷深度
md(m
正向3.972.30.575.36反向5.92
2.60.57
8.82
其中mm
mhvqd-=]
[1
.10一般取防冲槽深度t=1.5~2.0m,此时槽顶高程与海漫末端齐平,而防冲槽底宽约为(1~2t,上游坡度系数n=2~4,下游坡度系数m视施工开挖情况而定。
因此,防冲槽深度取值为2.0m,防冲槽底宽4.0m,上游坡度系数n=2,石块坍塌在冲刷坑上游坡面所需要的面积
2'1ntlA+==δδ。
防冲槽下游的坡度系数m取为2,则防冲槽面积为(4+12×2/2=16>9.86。
因此防冲槽设计符合要求。
正向情况99.52136.55.0122'=+⨯=+==ntlAδδ㎡反向情况86.92182.85.0122'=+⨯=+==ntlAδδ㎡
图3-3防冲槽构造(单位:
高程,m;尺寸,cm
11
4闸基渗流计算
4.1地下轮廓线布置及防渗长度确定
渗流计算水位组合见表4.1
表4.1渗流计算水位组合表
计算情况挡水方向上游水位(m
下游水位(m设计情况
正向挡水▽3.8▽0.49反向挡水
▽3.0▽7.25校核情况正向挡水▽3.8▽0.4反向挡水
▽3.0
▽7.6
1防渗长度的拟定
防渗长度初拟值按下式计算初拟L=CH∆=8×4.6=36.8m
式中:
初拟L——闸基防渗长度,包括水平段、铅直段及倾斜段
H∆——上、下游最大水位差(m
C——允许渗径系数,按表6(《水闸设计规范》SL265-2001表4.3.2选用。
本水闸为中粉质粘土。
由表6查得允许渗径系数C=8。
2闸底板长度的初拟
①满足闸室上部结构布置的要求:
.512.5147=++=++=便桥工作桥交通桥BBBLm②L应为最大水深的1.5~2.5倍,则L为(11.4m~19m
③L应为上下游最大水位差maxH∆的4~5倍,则L为(18.4m~23m综上,底板的长度取为20m。
底板的厚度取1/5~1/8的闸孔净宽,闸孔净宽为6.5m,则底板厚度取1m。
齿墙深度取为0.5m,顺水流方向的宽度取为1m。
4.2闸基渗流计算
地下轮廓线布置图如图4-1。
12
图4-1地下轮廓线布置图(单位:
m
由布置图计算防渗长度:
L=0.4+0.5+0.8+10+2276.04++1+0.5+1+0.5+18+0.5+1+2258.03.3++0.5+1+8+0.5+4=52.02m>初拟L=36.8m
简化地下轮廓线并划分典型段如图
4-2
图4-2典型段划分图(单位:
mA.有效深度的确定
地下轮廓线水平投影:
0L=48.3m地下轮廓线垂直投影:
0S=1.76m因
44.2776
.13.4800==SL>5,则13.243.485.05.00=⨯==LTem由于不透水层无限深,故取有限深度作为计算深度,则24=eTm。
B.计算各段阻力系数及水头损失
13
表4.2
754.2=∑各典型段的渗压水头损失按公式Hhi
i
i∆=∑ξξ计算,具体计算见表4.3
段段别
iS(m
T(mL(m
iδ
各典型段阻尼系数计算公式:
①进、出口段
441.0(5.12/30+=T
Sξ
②内部垂直段
1(4ln2T
S
ctgy-=π
πξ
③内部水平段
T
SSLx
(7.021+-=
ξ
①进口段0.4
21.840.445②内部水平段00
21.440.50.0625③内部垂直段0.822.240.036④内部水平段0.9
022.24150.657⑤内部垂直段
0.26
22.50.0116⑥内部水平段0.260
22.510.0519⑦内部垂直段0.5230.0217⑧内部水平段0.5
0.5
2380.317⑨内部垂直段0.5230.0217⑩内部水平段00.08
22.510.0575⑾内部垂直段0.0822.50.0036⑿内部水平段0
0.822.4212.30.526⒀内部垂直段0.8
22.420.0357⒁内部水平段0021.620.50.062⒂
出口段
0.4
22.02
0.445
14
表4.3各典型段渗压水头损失计算表(m表4.3
C.对出口处水头损失值进行修正,具体见表4.4表4.4
计算工况'S'TT'β
'0h
h∆设计正出
0.421.6222.020.2550.1360.399反出
0.421.4421.840.2560.1760.511校核正出
0.421.6222.020.2550.1400.409反出
0.4
21.44
21.84
0.256
0.190
0.553
各渗流角点处的渗压水头的计算见表4.5表4.5
各角点水头
H1
H2
H3
H4
H5
H6
H7
H8
H9
H10
H11
H12
H13
H14
H15
H16
计算情况h1H2h3h4h5h6h7h8h9h10h11h12h13h14h15H∆
(m设计
情况正向
0.5350.0750.0430.7900.0140.0620.0260.3810.0260.0690.0040.6320.0430.0750.5353.31反
向0.687
0.096
0.056
1.014
0.018
0.080
0.033
0.489
0.033
0.089
0.006
0.812
0.055
0.096
0.687
4.25
设计情况正
向
0.5490.0770.0440.8110.0140.0640.0270.3910.0270.0710.0040.6490.0440.0770.5493.4反
向
0.743
0.104
0.060
1.097
0.019
0.087
0.036
0.529
0.036
0.096
0.006
0.879
0.060
0.104
0.743
4.6
设计情况正
向
3.31
2.6762.6012.5581.6691.6551.5921.5661.0861.060.99
0.9860.2550.2120.1360反
向
00.1760.2720.3281.5121.531.611.6432.3022.3352.4252.4313.4133.4683.5634.25
设计情况正
向
3.42.7492.6722.6281.7171.7031.6391.6121.1211.0941.0141.010.2610.2170.140反
向
00.1900.2950.3551.6361.6551.7421.7782.4912.5272.6232.6293.6923.7523.8564.6
闸底渗透压力分布图
根据各角点处的渗压水头,作闸底渗压水头力分布图如下图所示
图4-3设计正向挡水时闸底透压水头分布图(单位:
m
图4-3设计反向挡水时闸底透压水头分布图(单位:
m
15
图4-3校核正向挡水时闸底透压水头分布图(单位:
m
图4-3校核反向挡水时闸底透压水头分布图(单位:
m
16
17
计算渗透坡降和底板承受的渗透压力渗流坡降的计算
出口坡降按公式:
'
'
0ShJ=计算
水平坡降按公式:
LH
Jx∆=
计算
式中:
J——出口段渗流坡降值x
J——水平段渗流坡降值
'
h——出口段修正后的水头损失值(m;
'S——底板埋深于板桩入土深度之和(m;
H∆——水平段水头损失值(m;L——水平段长度(m;具体结果如表4.6所示
表4.6
部位名称
计算情况上游消力池水平段
xJ
闸室水平段
xJ
下游消力池水平段
xJ
出口段
J
设计情况正向0.0650.0330.0660.34反向0.0880.0450.0860.44校核情况
正向0.0670.0340.0680.35反向
0.0930.0480.0960.475允许坡降[J]
0.25
0.25
0.25
0.50
注:
允许渗流坡降值][J由《水闸设计规范》SL265-2001,表6.0.4水平段和出口段允许渗流坡降值查得
由出口坡降与水平段坡降的计算表可知:
实际渗流坡降都小于允许渗流坡降,故渗流出口稳定,产生渗透变形的可能性很小。
4.3底板所承受的渗透压力的计算
根据以上4个渗透压力分布图计算渗透压力,闸底板总宽度为23.1m,,以底板中心为矩心.具体计算见表4.7
表4.7渗透压力计算表
计算情况算式渗透压力
(kN
力臂
(m
力矩
(kNm
设计情况正9.8×(0.99+1.655×20×0.5×23.15987.750.8385017.73反9.8×(1.53+2.425×20×0.5×23.18953.330.7546750.81
校核情况正9.8×(1.703+1.014×20×0.5×23.16150.74
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