圆筒式放水塔及涵洞结构计算书文档格式.docx
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j—水力坡度,
U—断面平均流速(m/s),
A---过水断面面积(m2,
b---断面水面宽度(m,
x---湿周(m,
r---水力半径(m,
C---谢才系数,
n—泄水槽粗糙系数,浆砌石水泥砂浆抹面取n=0.017。
计算结果如表5.5-1、表5.5-2和表5.5-3。
表5.5-1第一段水面线计算成果表(坡降i=0.124,段长Li=18.5m)
计算断面
计算水深(m)
过水断面面积(m2)
流速(m/s)
距始端距离(m
1
1.92「
48.00
「2.35
0.00
0.75
18.72
6.02
4.63
0.66
16.56
6.81
9.25
4
0.61
15.18
7.43
13.88
5
0.57
14.42
7.94
18.50
第一段泄水槽:
正常水位:
h°
=0.406m;
临界水深:
hk=1.275m;
临界坡度:
Ik=0.0030;
因h0<
hk,属于急流
过水断面面积(m2)
距始端距离(m)
14.25
7.91[
0.53
13.16
8.57
0.93
0.49
12.31
9.16
1.85
0.47
11.63
9.701
2.78
0.44
11.06
10.19
3.70
第二段泄水槽:
ho=O.245m;
因ho<
hk,属于急流。
2、边墙高度的确定
H=hc+a
式中:
H--边墙高度(m),
hc--校核工况水深(m,
安全超高(m),取a=0.5m。
5.5.4消能计算
原溢洪道为矩形泄水槽,平均宽度b=14.00mo无消力池长度和海漫长
度设施。
本次消能计算采用《水力学》公式为:
E0=h+Q/2g『A2
hc--边墙高度(m),
“一流量系数,取0.90,
a<
—临界水深过水断面面积(m)。
计算结果如表5.5-3o
表5.5-3消能计算成果表
单宽流量
(nfi/s.m)
堰顶水深
ht(m)
跃前水深
hc(m)
跃后水深
hc"
(m)
消力池水
深T(m)
消力池长度
Lk(m)
备注
4.509
1.92
0.448
2.63
0.50
11.30
经采用计算机《理正消能工水力计算》软件计算,消力池水
跃长度为L=11.30m,出口断面落差0.45m。
因此,消力池设计长度
采用Lk=11.50m,深度d=0.50m,满足设计要求
5.5.5溢洪道加固设计
(1)基本资料
土的内摩擦角
冰上):
:
①上=25°
;
冰下):
①下=18°
土的湿容重:
丫s=18KN/m3;
土的浮容重:
丫f=10KN/m3;
浆砌石容重:
丫j=21KN/m3;
墙后水位:
H=1.00m;
地基与墙基摩擦系数:
f=0.5。
(2)挡土墙结构设计
本次设计挡土墙结构、消力池结构如图苏六-初设-溢洪道
(1)。
(3)稳定计算方法和工况
挡墙稳定分析按重力式挡土墙验算,计算工况为溢洪道挡土墙最不利及正常运行情形,即溢洪道泄槽无泄洪(墙前无水)及泄洪(墙前处于校核水位)的工况。
a.抗滑稳定计算
Kc=
f^G
ZH
Kc――基底抗滑稳定安全系数;
f――基底面与地基接触面的抗剪断摩擦系数,f=0.50;
刀G作用于挡墙上的全部竖向荷载(包括挡墙基础底面上的扬
压力,kN);
刀H作用于挡墙上的全部横向荷载(kN);
b.抗倾稳定计算
Ko
式中:
Kf—闸室抗浮稳定安全系数;
7My—作用于墙体的荷载对墙前趾产生的稳定力矩;
◊Mo—作用于墙体的荷载对墙前趾产生的倾覆力矩;
K。
一抗倾覆稳定完全系数。
c.基底应力验算
HGHM
Pmax:
minAW
Pmax/min——翼墙基底应力的最大值或最小值(kPa);
刀G――作用于翼墙上的全部竖向荷载(包括基础底面上的扬压
力,kN);
a——翼墙基底面的面积(m);
xM――作用于翼墙上的全部竖向和水平向荷载对于基础
底面形心轴的力矩(kN〃m;
w边墙基底面对于该底面形心轴的截面矩(m)
(4)计算结果和分析
溢洪道控制段边墙稳定、应力计算成果详见表5.5-4及表5.5-5。
表5.5-4第一段溢洪道边墙(墙高H=2.2m稳定计算
成果表
计算内容
计算工况
计算值
允许值
计算结果判断
抗滑稳定安全系
数Kc
无泄洪
1.23
1.05
满足规范要求1
泄洪
1.52
P1.05
满足规范要求:
抗倾覆安全系数
2.43
1.4
满足规范要求
1.72
满足规范要求「
地基应力
88.14
[d]=250kpa
75.87
计算结果表明,溢洪道边墙稳定,不会产生墙体沿基底滑动破坏和墙体
倾覆,基底应力满足规范要求。
表5.5-5第二段溢洪道边墙(墙高H=1.00n)稳定计算
1.38
2.57
2.74
2.16
35.90
26.76
计算结果表明,溢洪道边墙稳定,不会产生墙体沿基底滑动破坏和墙体倾覆,基底应力满足规范要求。
二放水塔设计
原放水设施为无压输水涵洞及筒塔式结构。
由于建筑材料年久老化,所有砌体砂浆脱落,部分斜管局部出现有裂缝,漏水严重;
穿坝平管有掏空现象。
另外,根据地形和当时施工条件限制,输水涵管断面尺寸仅为①=0.5m,
无法进人检修;
梯级放水台阶高度不一。
汛期输水灌溉,较难操作,且造成生命危险。
本水库四周环绕村庄,且在大坝左岸大片山头进行了生态农业开发--果树种植承包。
本次初步设计,拟废弃原输水涵管,新建输水隧洞和圆筒式放水塔。
一、基本资料
(1)、各种特征水位
根据水文核算,各水库各种特征水位如下:
正常设计流量:
Q正=
m3/s
正常设计水位:
H正=
m;
设计洪水位:
H设=m;
校核洪水位:
H校=
死水位:
H死=
最大引水流量:
Q引=
(2)、地质情况
放水塔地基为强风化粉砂岩,裂隙较发育,透水性中等。
二、结构形式
放水塔采用钢筋混凝圆筒式结构,筒高m,采用一级放水。
设有检修闸一扇、工作闸各一扇,均为钢闸门,尺寸均为(bxh)=1.0x1.4m。
塔身为圆筒式结构,壁厚高程m以上为30cm,筒顶高程m。
筒顶以上为圆筒式砖混结构启闭平台,高程为m,层高3.00m。
放水塔之后与放水隧洞相连。
三、启闭机型号的选择
1、闸门自重的估算
G(查商家材料表)
2、启门力的计算
计算公式:
FQ=Nt(Tzd+Tzs+W)+ng.G式中:
FQ---启门力(kN);
Nt---摩阻力安全系数,取1.2;
ng---闸门自重修正系数,取1.1;
Tzd---支承摩阻力(kN);
Tzs---止水摩阻力(kN);
V—门顶上水柱重(kN);
G—闸门自重(kN)。
3、支承摩阻力的计算
Tzd=P(Yf+fo)/R
水的容重丫=10kN/m;
总水压力P=丫(H-0.5h)hB;
轴轮半径Y=3.25cm;
液轮半径R=20cm;
钢与钢的滑摩系数f=0.4;
液摩系数fo=0.1cm。
4、水柱自重的计算
W=丫(H-h)SB。
5、止水摩阻力的计算
Tzs=ybi.H丄s.f式中:
止水橡皮与闸槽面的接触宽度b1=0.02m;
作用水头H=H-h/2(m)
止水橡皮与闸槽面的摩擦系数f=0.65;
止水橡皮与闸槽的接触长度Ls=4.00m。
贝止水摩阻力为:
Tzs=ybi.H.Ls.f(kN)。
6、启门力的计算
启门力(Fq)为:
FQ=Nt(Tzd+Tzs+W)+ng.G
7、闭门力的计算
采用公式:
Fw=nt(Tzd+Tzs)-ngG
Fw—闭门力(kN);
ng—闭门时,闸门修正系数,取0.9;
其余符号意义同上。
考虑到闸门上的水柱及拉杆重量,不须加重闸门,即可自行关闭。
所以,选用启闭机型号为LQ—10型。
四、进水能力的计算
放水塔进水能力通过流量为0.5m3/s。
现以进水闸开启度1/2的计算过水能力。
1、过水能力计算
采用大孔口自由岀流公式计算:
Q=2卩bV2g(H21.5-Hi1.5)/3式中:
卩一流量系数,取0.65;
b—孔口宽度,取b=0.80m;
H1—正常水位至闸门开启高度,H1=101.87-98.0-0.7=3.17m;
H2--正常水位至闸门底高度,H2=3.87m。
五、通气孔的断面设计
为了减少闸门的启闭力,拟在放水塔的工作闸门后设臵通气孔。
通气孔
的断面设计,按天津大学主编的《水工建筑物》公式(2-62)进行计算。
即,Qa=0.09VwA
a>
Qa/Va
Q—通气孔的通气量;
Vw—闸门孔口的水流速(m/s);
A--闸门后隧道面积(m2);
Va—通气的容许风速,采用2.0m/s;
a---通气孔的断面积(m2)。
拟采用圆形断面通气孔,通气孔直径(D)为:
D=V4a/n(m)
因此,确定选用1孔直径D=10cm。
六、结构稳定计算本次设计为初步设计,因此仅对检修时期和运用时期进行稳定计算。
(1)、检修时期稳定计算
计算情况:
采用正常水位闸室无水,放水塔外为正常水位进行计算。
计算公式为:
(Tma>
=^ZG/F+M.yc/Ix
(Tmin=XG/F-My.yc/Ix
Tmax---最大地基应力(mpa);
Tmin---最小地基应力(mpa);
刀G---垂直荷载总和(KN;
F—底板面积(n2);
My---合力重新到形心产生的弯矩(kN.m);
yc---底板形心到底板上下游边缘的距离(m);
Ix底板惯性矩(m4)。
经计算,正常水位闸室无水,放水塔外为正常水位的情形,其计算
结果为:
底板面积:
F=(D/2)2n(m2);
底板惯性矩:
Ix=nD764(m).
垂直荷载:
刀G=(kN);
以形心为距的弯矩:
My=(kN.m);
合力偏心距:
e=EMi/刀Gi;
合力与底板上游边缘的距离:
y上=h/2-e(m);
合力与底板下游边缘的距离:
y下=h/2+e(m);
贝maF刀G/A+y上刀M/lx
(Tmin=刀G/A+y下刀M/lx
由此可见,放水塔四周均受水压力的作用,水压力相互抵消,故不存在
抗滑稳定的问题。
再且,上部垂直重量大于浮托力刀G=(kN),因此,也不
会发生放水塔浮起来。
(2)、运用时期稳定计算计算情况:
采用校核水位,放水塔闸室充满水进行计算。
计算结果为:
垂直荷载:
合力与底板上游边缘的距离:
y上=h/2-e;
合力与底板下游边缘的距离:
y下=h/2+e。
则,TmaF刀G/A+y上刀M/lx
Tmin=刀G/A+y下刀M/lx
由此可见,放水塔四周均受水压力的作用,水压力相互抵消,故不存在抗滑稳定的问题。
另外,上部垂直重量G=(kN),因此,也不会发生放水塔浮起来。
三、隧洞设计
5.7.1隧洞布臵
隧洞主要任务是引水灌溉,引水流量Q=0.10m3/s,布臵位于大坝的右坝肩。
为了减少隧洞长度,隧洞中心线尽可能采用直线,进口与放水塔连接,出口与灌溉渠道连接。
总长度50m,坡降i=2%,进水口底板高程为98.00m,出水口高程为97.00m。
5.7.2断面设计
隧洞采用圆形洞顶及矩形洞身断面,钢筋混凝土衬砌的无压箱涵结构。
为便于施工及检修,拟定隧洞圆形洞顶半径R=0.6m,矩形洞身净宽度为B=1.20m,净高度为h=1.0m,衬砌平均厚度为D=0.25m。
(1)、隧洞过水能力计算
本次设计隧洞过水能力计算,采用高等教育出版社,大连理工大学水力教研室编《水力学解题指导及习题集》,小孔口自由出流计算公式计算。
公式Q=卩AV2gH)
A---孔口断面面积(m2),
H)—作用水头(m),取H=0.5m(相应放水流量),贝U
Q=0.6X0.5X1.2XV2gX0.25=1.22m3/s满足设计要求。
(2)、隧洞尺寸确定
经计算,隧洞采用圆形洞顶及矩形洞身断面,洞顶半径R=0.6m,洞身宽度B=1.20m,高度h=1.0m。
5.7.3结构计算
1)、基本资料
混凝土衬砌厚度
D=0.25m,
隧洞长度L=50.0m,
过水控制流量
Q=0.50m3/s,
最大作用水头
H=5.79m,
工程等别"
(小
(1)型),
混凝土强度设计值C15,
钢筋强度设计值
n.
混凝土弹性模量
Ec=2.2X105Pa,
钢筋弹性模量
Es=2.0X105Pa,
钢筋保护层
a=30mm,
受力钢筋直径
D=12mnm,
洞顶土厚
h=5.8m。
(2)、计算公式
计算公式采用水利电力出版社《涵洞》及高等教育出版社,大连理工大学、天津大学编《结构力学》的力法典型方程进行计算。
X
1+S11+?
1p=0
X
2+S22+?
2p=0
3+S33+?
3p=0
X1、X2、X3---
拱顶在弯矩、轴力、剪力作用下的未知力,
S11、322、333---拱顶在弯矩、轴力、剪力作用下的位移系数,?
1p、?
2p、?
3p---拱顶在弯矩、轴力、剪力作用下的位移。
(3)、计算结果
拱顶、拱侧、底板各种内力计算如表5-5-1。
5.7.4应力计算
计算公式:
(Tma)=艺N/A+工M/W
表5.7-1拱顶、拱侧、底板内力及应力计算成果表
拱的
部位
弯矩M
(lOKN.m
轴力N
(10KN)
剪力Q
最大
弯矩
Mmax
最小
Mnin
轴力
Nmax
Nmi
剪力
Qmax
最小剪力
Qnin
拱顶
3.72
0.60
-3.61
3.56
-4.55
-1.11
拱侧
-2.86
0.06
-4.21
-3.62
-3.41
底板
-1.69
4.21
0.40
上式中:
bmaxbmin—分别为最大应力、最小应力(10kN/m2)工N---轴力的代数和(10KN,
A---拱计算截面面积(m2),取A=0.25(m2),
W---拱计算截面抵抗矩(m3),取W=0.01(n3)。
计算结果如表5.7-1o
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