水工建筑物水閘設(shè)計實例.doc

水工建筑物課程設(shè)計說明書 指導(dǎo)教師：張春娟 作者：水利工程27班 趙文瑾 灌區(qū)水閘設(shè)計目錄：一、設(shè)計基本資料二、設(shè)計說明書閘址選擇 樞紐布置 水力設(shè)計：閘孔設(shè)計 消能防沖設(shè)計 防滲排水設(shè)計 閘室結(jié)構(gòu)布置三、設(shè)計感想一、設(shè)計基本資料前進閘建在前進鎮(zhèn)以北的紅旗渠上，閘址的地理位置見圖1.該閘的作用是：1、防洪。當(dāng)勝利河水位較高時，關(guān)閘擋水，以防止勝利河的高水入侵紅旗渠下游兩岸的低田，保護下游農(nóng)田和村鎮(zhèn)；2、灌溉。灌溉期引勝利河水北調(diào)，以灌溉紅旗渠兩岸的農(nóng)田；3、引水沖淤。在枯水季節(jié)，引水北上至下游的紅星港，以沖淤保港。（一）、規(guī)劃數(shù)據(jù)紅旗渠為人工渠道，其斷面尺寸如圖2所示。渠底高程為-5.5 m，底寬為50m，兩岸邊坡均為1:2。該閘的主要設(shè)計水位組合有以下幾方面：紅旗渠斷面示意圖（單位：m）1、孔口設(shè)計水位、流量根據(jù)規(guī)劃要求，在灌溉期前進閘自流引勝利河水灌溉，引水流量為250/s。此時相應(yīng)的水位為：閘上游水位為1.80m，閘下游水位為1.74m。冬春枯水季節(jié)，有前進閘自流引水送至下游的紅星港沖淤保港，引水流量為100/s。此時相應(yīng)的水位為：閘上游水位為1.44m，閘下游水位為1.38m。2、閘身穩(wěn)定計算水位組合（1）設(shè)計情況：上游水位為4.3m，浪高0.8m，下游水位為1.0m。（2）校核情況：上游水位為4.7m，浪高0.5m，下游水位為1.0m。3、消能防沖設(shè)計水位組合根據(jù)分析，消能防沖的不利組合是：引水流量250/s，相應(yīng)的上游水位為4.5m，下游水位為1.74m。4、下游水位流量關(guān)系下游水位流量關(guān)系見表1。 表1 下游水位流量關(guān)系Q0.050.0100.0150.0200.0250.0300.0H1.01.201.381.541.661.741.78（二）、地質(zhì)資料1、閘基土質(zhì)分布情況根據(jù)鉆探報告，閘基土質(zhì)分布情況見表2。2、閘基土工試驗資料根據(jù)土工試驗資料，閘基持力層堅硬粉質(zhì)粘土的各項參數(shù)指標(biāo)為：凝聚力c=60.0kpa；內(nèi)摩擦角；天然空隙比e=0.69；天然容重。建閘所用的回填土為沙壤土，其內(nèi)摩擦角，凝聚力c=0kpa，天然容重。表2 閘基土層分布層序高程（m）土質(zhì)概況標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)（擊）I5.75-3.60重粉質(zhì)壤土913II-3.60-5.30松散粉質(zhì)壤土8III-5.30-21.30堅硬粉質(zhì)壤土（局部含鐵錳結(jié)核）1521（三）、閘的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)水閘設(shè)計規(guī)范，前進閘按 III級建筑物設(shè)計。（四）、其他有關(guān)資料1、閘上有交通要求。根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌ú块T的建議，閘上交通橋為單車道公路橋，按汽車-10設(shè)計，履帶-50校核。橋面凈寬4.5m，總寬5.5m，采用板梁式結(jié)構(gòu)，見圖3所示，每米橋長約重80KN。2、該地區(qū)“三材”供應(yīng)充足。閘門采用平面鋼閘門，尺寸自定，由工廠設(shè)計、加工制造。3、該地區(qū)地震設(shè)計烈度為6度，故可不考慮地震的影響。（五）、 設(shè)計任務(wù)（1）閘址選擇（定性分析）；（2）樞紐布置；（3）水力設(shè)計（確定閘孔型式閘底板高程及孔口尺寸）；（4）消能防沖設(shè)計（消能防沖設(shè)施包括消力池、海漫及防沖槽三部分）；（5）防滲排水設(shè)計（底板和防滲鋪蓋）（6）閘室穩(wěn)定驗算。三、實施時間、地點2011年5月23日至2011年5月28日，第14周，本班教室。早8：0012:00；下午2:304:30。四、主要做法步驟時間任務(wù)結(jié)果星期一熟悉、查找資料，樞紐布置超找結(jié)果星期二水利設(shè)計計算結(jié)果星期三消能防沖設(shè)計設(shè)計結(jié)果星期四防滲排水設(shè)計設(shè)計結(jié)果星期五穩(wěn)定驗算，答辯答辯結(jié)果五、成果要求設(shè)計說明書一份；剖面設(shè)計圖紙一張六、指導(dǎo)老師 張春娟二、 設(shè)計說明書閘址選擇 閘址選擇關(guān)系到工程建設(shè)的成敗和經(jīng)濟效益的發(fā)揮，是水閘設(shè)計的一項重要內(nèi)容。在本次課程設(shè)計中。通過對紅旗渠周圍地質(zhì)、地形以及施工等因素的考慮，通過技術(shù)經(jīng)濟比較，選定最佳方案，即進水閘在前進鎮(zhèn)以北的紅旗渠上，閘址地理位置如圖1所示。圖1樞紐布置樞紐布置規(guī)范：水閘樞紐布置應(yīng)根據(jù)閘址地形、地質(zhì)、水流等條件以及樞紐中各建筑物的功能、特點、運用要求等確定，做到緊湊合理、協(xié)調(diào)美觀、組成整體、效益最大的有機聯(lián)合體。1、 防沙設(shè)施閘所在河流為少泥沙河道，故防沙要求不高，僅在引水口設(shè)攔沙坎一道即可。攔沙坎高0.8m，底部高程-5.5m,頂部高程-4.7m，迎水面直立，背流坡為1:1的斜坡，其斷面見圖2。2、引水渠的布置 依據(jù)資料可知，勝利河河岸比較堅穩(wěn)，引水渠可以盡量短（大約65m），使前進閘靠近勝利河河岸；（1） 為了保證有較好的引水效果，引水角取35，并將引水口布置在勝利河彎道凹岸頂點偏下游水深較大的地方；（2） 為了減輕引水口出的回流，使水流平順的進入引水口，引水口的上下游邊角修成圓弧形；（3） 引水渠在平面上布置成不對稱地向下游收縮的喇叭狀。（4） 具體情況見圖2圖2 樞紐布置圖 3、進水閘 進水閘主要有上游連接段、閘室段和下游連接段組成。水力設(shè)計：閘孔設(shè)計閘孔設(shè)計的主要任務(wù)是：確定閘室結(jié)構(gòu)類型，選擇堰型，確定堰頂高程及孔口尺寸。1、 閘室結(jié)構(gòu)類型 該閘建在人工渠道上，故宜采用開敞式閘室結(jié)構(gòu)；在運行中，該閘的當(dāng)水位達4.34.7m，而泄水時上游水位為1.441.80m,擋水時上游最高水位比泄水時上游最高水位高出2.87，故擬設(shè)置代胸墻代替閘門擋水，以減小門高，減小作用在閘門上的水壓力，減小啟門力，并降低 工作橋的高度，從而節(jié)省工程費用。 綜上所述，該閘采用代胸墻的開敞式閘室結(jié)構(gòu)。2、 堰型選擇及堰頂高程的確定 該閘建在少泥沙的人工渠道上，故宜采用結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、自由出流范圍較大的平底板寬頂堰。考慮到閘基持力層是堅硬粉質(zhì)粘土，土質(zhì)良好，承載能力大，擬取閘底板頂面與紅旗渠渠底齊平，高程為-5.5m。3、 孔口尺寸的確定 (1)初擬閘孔尺寸。該閘的孔口尺寸必須滿足引水灌溉和引水沖淤保港的要求。 a、引水灌溉：上游水深 H=1.80+5.5=7.30下游水深 H=1.74+5.5=7.24Q=250 上游行近流速 （取=1.0）0.8，故屬淹沒出流。查水力學(xué)課本p212頁可知，淹沒系數(shù)。由寬頂堰淹沒出流公式 對無坎寬頂堰，取m=0.385,假設(shè)冊收縮系數(shù)=0.96，則 b、引水沖淤保港：上游水深 H=1.44+5.5=6.94m 下游水深 H=1.38+5.5=6.88m 0.8，也屬淹沒出流。查水力學(xué)課本p212頁得，取m=0.385,假設(shè)冊收縮系數(shù)=0.96，則得： 比較a、b的計算結(jié)果，B2B1，可見引水灌溉情況是確定閘孔尺寸的控制情況，故閘孔凈寬宜采用較大值22.5m。 現(xiàn)擬閘孔分為5孔，取每孔凈寬4.5m，則閘孔實際總凈寬22.5m。 由于閘基土質(zhì)條件較好，不僅承載能力較大，而且堅硬、緊密。為了減小閘孔總寬度，節(jié)省工程量，閘底板宜采用整體式平底板。擬將分縫設(shè)在哥孔底板的中間位置；中墩采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚1.0m，墩頭采用半圓形（水流條件好，施工方便），墩尾采用流線型（有利于水流擴散） （2）復(fù)核過閘流量 根據(jù)初擬的閘孔尺寸，對于中孔：，查表得， 對于邊孔： ，查表得，則有 查表可得，對于無坎平底寬頂堰，m=0.385，則 5% 實際過流能力滿足引水灌溉的設(shè)計要求，同樣可驗證初擬的閘孔尺寸也符合引水沖淤保港的要求。因此，該閘的孔口尺寸確定為：共分5孔，每孔凈寬4.5m，四個中墩各厚1.0m；閘孔總凈寬為22.5.00m，閘室總寬度為26.5m。消能防沖設(shè)計 消能防沖建筑物主要包括消力池、海漫及防沖槽三部分；下面就此三種建筑物的設(shè)計進行計算說明：1、 消力池的設(shè)計(1) 判別上下游水面連接的形態(tài)閘門從關(guān)閉狀態(tài)到泄流量為250往往是分級開啟的，為節(jié)省工作量，閘門的開度擬分為三級。第一級泄流量為50；待下游水位穩(wěn)定后，增大開度至150，然后再增大開度至250。上下游水位流量關(guān)系表Q()0.050.01000150.0200.0250.0H下（m）1.01.21.381.541.661.74H上（m）1.321.441.561.681.8當(dāng)泄流量為50時：上游水深H=5.5+1.32=6.82m下游水深可采用前一級開度（Q=0）時的下游水深，上游行近流速0.5m/s,可忽略不計。假設(shè)閘門的開度e=0.44m。0.65,為閘孔出流。查閱水力學(xué)課本可知垂直 收縮系數(shù)=0.612，則有： t=6.5m,故為淹沒出流。由，又因,查表的淹沒系數(shù)，因此有 (式中，u1為孔流流量系數(shù))故 該值與要求的流量50十分接近，故所假定的閘門開度e=0.45正確。此時，躍后水深1.23,故發(fā)生淹沒式水躍。 采用上述方法可判斷出不同泄流量時水面的連接情況，見下表：Qe連接情況150.00.440.6120.271.806.5淹沒式水躍2100.01.050.6180.622.166.7淹沒式水躍3150.03.00.6351.9052.0456.88淹沒式水躍4200.04.00.6543.0841.977.04淹沒式水躍（2）消力池設(shè)計a、消力池池深：由上表可知，在消能計算中，月后水深均小于相應(yīng)的下游水深，出閘水流已發(fā)生了淹沒式水躍，故從理論上講，可以不建消力池，但為了穩(wěn)定水躍，通常需一建造消力池。取池深d=0.5m。b、消力池長度：L=10m。c、消力池底板厚度：取消力池底板厚度為1.0m，前后等厚。在消力池底板的后半部設(shè)排水孔，孔徑10cm，間距2m，呈梅花形布置，孔內(nèi)填以砂、碎石。消力池與閘底板連接處留一寬為1.0m的平臺，以便更好的促成出閘水流在池中產(chǎn)生水躍。消力池在平面上呈擴散狀，擴散角取為10。2、 海漫的設(shè)計（1） 海漫的長度為： 為海漫長度計算系數(shù)，取=7.0 ，取海漫長度為26m。（2） 海漫的布置與構(gòu)造由于下游水深較大，為了節(jié)省開挖量，海漫布置成水平的。海漫使用厚度40cm的塊石材料，前10m采用漿砌石塊，后16m采用干砌石塊。海漫底部鋪設(shè)15cm厚的砂礫墊層。 3、防沖槽的設(shè)計（1） 海漫末端河床沖刷深度為 海漫末端的平均寬度 對比較緊密的粘土地基，且水深大于3m，v0可取為1.1m/s,則有： 0，表示海漫出口不形成沖刷坑，理論上可以不建防沖槽。但為了保護海漫頭部，故在海漫末端建一構(gòu)造防沖槽。（2） 防沖槽的構(gòu)造：防沖槽為倒梯形斷面。其底寬1.0m，深1.0m，邊坡1:2，槽中拋以塊石。消力池、海漫、防沖槽布置圖（單位：cm）防滲排水設(shè)計對于粘性土地基，通常不采用垂直板樁防滲。故地下輪廓主要包括地板和防滲鋪蓋。1、底板：考慮底板要滿足上部結(jié)構(gòu)布置的要求以及本身的結(jié)構(gòu)強度等要求，底板采用整體式平底板。（1） 底板順?biāo)鞣较虻拈L度L根據(jù)經(jīng)驗公式以及H=3.7m可有L=7.411.1m綜上所述，取底板順?biāo)鞣较蜷L度L為11m。（2） 底板的厚度：根據(jù)經(jīng)驗公式d=（1/51/8）單孔凈跨，一般為0.50.8m，故初擬d=0.8m。（3） 底板的構(gòu)造：底板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土為c30。上下游兩端各設(shè)0.5m深的齒墻嵌入地基。底板分縫中設(shè)以“V”型銅片止水。2、 鋪蓋鋪蓋采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其長度一般為24倍閘上水頭，擬取20m。鋪蓋厚度為0.5m。鋪蓋上游端設(shè)0.6m深的小齒墻，其頭部不再設(shè)置防沖槽，為了上游河床的沖刷，鋪蓋上游設(shè)塊石護底，厚0.3m，其下設(shè)0.2m厚的砂石墊層。3、側(cè)向防滲側(cè)向防滲主要靠上游翼墻和邊墩。上游翼墻為反翼墻，收縮角取為15，延伸至鋪蓋頭部以半徑為6.6m的圓弧插入岸坡。 4、排水、止水 為了減小作用于閘底板的滲透壓力，在整個消力池地板下布設(shè)砂礫石排水，其首部緊抵閘底板下游齒墻。閘底板與鋪蓋、鋪蓋與上游翼墻、上游翼墻與邊墻之間的永久性縫中，均設(shè)以銅片止水。閘底板與消力池、消力池與下游翼墻、下游翼墻，下游翼墻與邊墻之間的永久性分縫，雖然沒有防滲的要求，但為了防止閘基土與墻后填土被水流帶出，縫中鋪貼瀝青油毛氈。 5、防滲長度驗算（1）閘基防滲長度：必須的防滲長度為L=CH,其中H=3.7m。由于反濾情況的不同，C取值不同，C=3或4；因此有L=11.114.8m實際閘基防滲長度為：L,滿足要求。（2）繞流防滲長度：必須的防滲長度為L=CH,其中H=3.7m，C=7(回填土為壤土，且無反濾)。因此L=25.9m。實際防滲長度L,滿足防滲要求。其地下輪廓布置見下圖：地下輪廓布置圖（單位：cm）閘室結(jié)構(gòu)布置閘室結(jié)構(gòu)布置主要包括底板、閘墩、閘門、工作橋和交通橋等部分結(jié)構(gòu)的布置和尺寸的擬定。1、 底板：前面已經(jīng)介紹；2、 閘墩 閘墩順?biāo)鞣较虻拈L度取與底板相同，為11m。閘墩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，中墩厚均為1.0m；邊墩與岸墻合二為一，采用重力式結(jié)構(gòu)。 閘墩上游部分的頂部高程在泄洪時應(yīng)高于設(shè)計或校核洪水位加安全超高；關(guān)門時應(yīng)高于設(shè)計或校核洪水位加波浪計算高度加安全超高；即： 1=4.3+0.8+0.7=5.8m（設(shè)計洪水位時） 2=4.7+0.5+0.5=5.7m（校核洪水位時）閘墩上游部分的頂部高程取1、2中較大者，即為5.8m。 閘墩下游部分的高度只要比下游最高水位適當(dāng)高些，不影響泄流即可，可大大低于上游部分的高度，而其上設(shè)排架擱置公路橋。初擬閘墩下游部分頂部高程為2.5m，其上設(shè)3根0.7m0.67m，高1.8m的柱子，柱頂設(shè)0.7m0.7m，長4.7m的小橫梁，梁頂部高程即為2.5+1.8+0.7=5.0m。梁上擱置公路橋，橋面高程為5.8m，與兩岸大堤相平。 閘墩上設(shè)兩道門槽（檢修門槽、工作門門槽）。檢修門門槽在上游，槽深0.3m，寬0.2m。剛工作門門槽深0.3m，寬0.6m。下游布設(shè)檢修門，閘墩上游為半圓形，下游為流線型（有利于水流擴散）。 3、工作橋工作橋的寬度不僅要滿足啟閉機布置的要求，且兩側(cè)應(yīng)留有足夠的操作寬度。工作橋的具體尺寸見下圖；工作橋為板梁式結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配。工作橋設(shè)在實體架上，排架的厚度為閘墩門槽處得頸厚即5.0m，排架順?biāo)鞣较虻膶挾葹?.3m。排架頂部高程為=門高+富裕高度=7.8+0.6=8.4m 工作橋結(jié)構(gòu)圖 4、檢修便橋為了便于檢修、觀測，在檢修門槽處設(shè)置有檢修便橋。橋?qū)?.5m。橋身結(jié)構(gòu)僅為兩根嵌置于閘墩內(nèi)的鋼筋混凝土簡支梁，梁高0.4m，寬0