鐘雄豪水工建筑物課設

1、水工建筑物課程設計報告（2012-2013學年）設計題目臨淄節(jié)制閘專 業(yè)(班級)水利水電工程1班學生姓名(學號)鐘雄豪(20094044)指導教師汪哲蓀 陳菊香2013年02月27日臨淄節(jié)制閘1、基本資料  本工程位于流過山東省淄博市境內的淄河上游，距離齊魯石化進水閘的下游約2公里處設置節(jié)制閘。目的是攔截淄河水流，抬高水位，以確保國家重點企業(yè)齊魯石化和近數(shù)十萬畝農田灌溉的用水。 淄河由沂蒙山脈為源頭，從南至北，經臨朐、青州、淄博、廣饒匯入小清河，再流入渤海。淄河是一條季節(jié)性河流，汛期時來水流量較大，通常約600m3/s；枯水期時河流干涸，河床能行人。每當汛期山洪暴發(fā)，水流夾帶大量泥砂

2、，河床沉積著較厚的砂礫，而兩岸的地表土為亞粘土。1.1規(guī)劃流域面積：1670平方公里。設計流量（5年一遇）：Q=560m3/s，相應的閘上水位：34.55m，閘下水位：33.75m。校核流量（20年一遇）：Q=1300m3/s，相應的閘上水位：36.35m，閘下水位：35.62m。蓄水期水位：（1）正常蓄水位：閘上34.55m，閘下29.98m（閘下無水）；（2）最高蓄水位（校核水位）閘上35.90m，閘下31.98m；（3）惡劣放水水位：閘上35.90m，閘下30.98m。流量Q(m3/s)050100200300400500600700水位H（m）29.9830.2630.7831.503

3、2.0032.7133.1233.7534.18流量Q(m3/s)8009001000110012001300水位H（m）34.7134.9935.2435.4435.5635.621.2閘址的選擇 經地質查勘，選定在淄博市臨淄區(qū)以南，距齊魯石化進水閘約2km處淄河的左岸河灣里，該處地勢開闊，地質條件較好，便于多方案的比較，以便選出理想的閘址。1.3閘址處的地質資料:根據(jù)鉆探孔（見地形圖）的地質資料看出，因受河流沖積影響，土層變化情況較復雜。具體如下：1# 鉆孔：位于淄河左岸上，自地面高程約36.00m向下至28.50m為亞粘土，土質堅實；高程28.50m至26.00m為粉質粘土，較堅實；高程

4、26.00m至21.00m為粉土；高程21.00mm至15.00m為粉質粘土。2#、3#、4#、5# 鉆孔：同1# 鉆孔地質資料。6# 鉆孔：位于淄河主河槽中，自河底高程29.98m至27.40m為沖積的砂礫；高程27.40m 至26.20m為粉質粘土；高程26.20m至21.50m為粉土；高程21.50m至15.20m 為粉質粘土。7#、8#、9#、10#鉆孔：基本同6#鉆孔地質資料。地基土物理力學指標如下表：容量(g/cm3)土質飽和容量(g/cm3)滲透參數(shù)k(cm/s)允許滲透坡降J壓縮模量E(KN/cm3)孔隙比e磨擦角(度)凝聚力C(N/cm2)亞粘土1.812.04×1

5、0-51.16000.8181.6粉質粘土1.681.913×10-41.08000.85161.1粉土1.561.841×10-40.812000.9140.9參照附近水利工程抗沖流速的資料：亞粘土的抗沖流量V0=1.9m/s，粉質粘土的抗沖流速V0=1.7m/s，粉土的抗沖流速V0=1.0m/s。1.4工程設計標準根據(jù)該閘的規(guī)模及用途為2級建筑物。1.5交通要求及其他：（1）公路橋面高程為37.18m，雙車道。橋面凈寬為9m，按公路2級荷載標準設計；（2）淄河無通航要求，不設船閘，也不設魚道。1.6設計內容及任務（1）方案比較：選定節(jié)制閘的平面位置，確定節(jié)制閘的結構尺寸

6、；（2）確定閘底板高程及閘孔尺寸；（3）防滲設計：擬出地下輪廓線，確定防滲及排水設施的型式、材料及尺寸；（4）消能防沖設計：確定消能防沖設施的型式、材料及尺寸；（5）擬出節(jié)制閘各主要組成部分的型式、材料及尺寸（包括閘底板、閘墩、岸墩、閘門、工作橋、上下游翼墻、護坦等）（6）驗算節(jié)制閘閘室的抗滑穩(wěn)定。2、設計過程2.1選址原則閘址選擇關系到工程的成敗和經濟效益的發(fā)揮，是水閘設計中的一項重要內容，根據(jù)節(jié)制閘的功能、特點、和運用要求，綜合考慮工程的安全可靠度、施工難易、操作運用、工程量及投資大小等方面的問題。閘址選擇應根據(jù)地形、地質、水流、潮汐、泥沙、凍土、施工、管理施工管理應用及周圍情況等方面進行

7、分析研究，權通過技術經濟比較，選擇合理方案。2.2方案比選本次設計有三套方案：方案一，在原河道建閘，利用原河道進行施工改造，施工過程采用與原河道等寬的明渠導流，從而達到興利目的。方案二：截彎取直，新開挖與原河道等寬的新河道，在新開挖直河道上建水閘，以工程經濟和環(huán)境保護為原則取開挖直線河道長度的最小值；方案三：截彎取值，新開挖與原河道等寬的新河道，在新開挖直河道上建水閘，考慮施工技術、水閘穩(wěn)定及運行管理等方面的因素，取開挖直線河道長度的最大值。各方案布置如圖？綜合考慮節(jié)制閘的選址要求，方案一優(yōu)點是：施工過程簡單，難度小，工期短，成本消耗低，土方開挖量少從而環(huán)境影響小；其缺點是：與地質的差別，在原

8、河道建節(jié)制閘，其防滲要求難以保證，運行管理難度大，與方案一相比，雖然方案二工程量較大，但方案二相對于方案一有以下好處：1：地質最好，由3#-5#孔知，適合新開挖河道；2：施工導流方便；3：流態(tài)較好； 4：不動橋梁；5：原河道有更多用途，比如存蓄洪水，開發(fā)旅游等；6：比較節(jié)省土地資源。同時，方案三與方案二比較可知，雖然其開挖更多的土地資源，經濟投入更大，但考慮到當今水利行業(yè)對水利建設的大力支持，其也更適宜節(jié)制閘的建設，同樣擁有方案二的有點，所以經方案比選，確定方案三為最佳方案；同時考慮閘下游的消能防沖設施的建設及效果，新開挖的直線河道穿過濟青路，確定在距濟青路下游處建設節(jié)制閘。新開挖河道河槽底面

9、寬度取b=60米，邊坡取1：2。2.3節(jié)制閘主要構件設計 閘孔設計包括：選擇堰型、確定堰頂或底板高程和單孔尺寸及閘室總寬度。2.3.1堰型選擇常用的堰型有：寬頂堰和實用堰。此處節(jié)制閘的建設選用寬頂堰，它有利于泄洪、沖沙、排污、排冰，且泄流能力比較穩(wěn)定，結構簡單，施工方便。同時，建于平原河道上的攔河閘，應具有較大的超泄能力，并利于排除漂浮物，因此采用不設胸墻的開敞式水閘。同時，由于河槽蓄水，閘前淤積對洪水位影響較大，為便于排出淤沙，閘底板高程應盡可能低。因此，采用無底坎平頂板寬頂堰，堰頂高程與河床同高。2.3.2閘底板高程的選定 閘底板應設置在較為堅實的土層上，并盡量利用天然地基。由于新開挖河道

10、上地質條件較優(yōu)，所以地基強度能夠滿足要求，底板高程定的高一些，閘室寬度大，兩岸連接建筑物相對較低。根據(jù)方案三選定的水閘建設位置，新河道總長550m,水閘距離新河道上游進口250m,，由等分內插法，即可得閘底板面高程約為H=30.12-（30.12-29.40）*250/550=29.79m。底板厚度為（1/51/8）b0,取分縫中墩厚dz=1.2m,邊墩厚db=1.0m，bs=b0+dz.。2.3.3計算閘孔總凈寬上游行近流速 V0=Q/A過水斷面積 A =(b+mH)H上游水頭H0 H0=H+V0/2g (此處取=1.0) 由于已知上、下游水位，可推算上游水頭及下游水深， 上游水頭計算 ，閘

11、門全開泄洪時，為平底板寬頂堰堰流，根據(jù)公式判別是否為淹沒出流。流量Q（m3/s）下游水位h（m）下游水深hs（m）上游水深H（m） 過水斷面積（m2） 行近流速V0（m/s） 上游水頭H0（m） 流態(tài)設計流量56033.753.964.76330.921.69 0.15 4.91 3.96>3.92淹沒出流校核流量130035.625.836.56441.262.950.376.935.83>5.24淹沒出流根據(jù)給定的設計流量、上下游水位和初擬的底板高程及堰型，分別對不同的水流情況計算閘孔總凈寬。此處設計水流為堰流，有 式中:B0為閘孔總凈寬，m；Q為設計流量，m3/s；H0為計入

12、行近流速水頭在內的堰頂水頭，m；、m 分別為淹沒系數(shù)、側收縮系數(shù)和流量系數(shù)，可由SL 265-2001水閘設計規(guī)范的附表中查得；g為重力加速度，m/s2。m為堰流流量系數(shù)，取0.385，值估取0.96。由SL 265-2001水閘設計規(guī)范的附表中A.0.1-2查得寬頂堰值 表A.0.1-2 值hs/H00.720.750.780.800.820.840.860.880.900.911.000.990.980.970.950.930.900.870.830.80Hs/H00.920.930.940.950.960.970.980.990.9950.9980.770.740.700.660.610

13、.550.470.360.280.19 閘孔總凈寬計算表 流量Q（m3/s）下游水深hs（m） 上游水頭 H0（m） 淹沒系數(shù) （m） 設計流量5603.964.910.810.9633.04校核流量13005.836.930.840.93 47.062.3.4計算閘室寬度根據(jù)閘門設計規(guī)范中閘孔尺寸和水頭系列標準及以上計算，選定單孔凈寬b0=9.5m具有可行性，為了設計方便及建成后水流平順，將閘門單孔凈寬設置為9.5m，同時考慮節(jié)制閘的主要功能為擋水及為了保證閘門對稱開啟，防止不良水流形態(tài)，選用n=5孔，閘孔總凈寬度為：Lnb0+(n1)d= 9.5*5+1.2*4=52.3m；閘室總寬度為5

14、4.2m。復核過閘流量表A.0.1-1值b0/bs0.20.30.40.50.60.70.80.91.00.9090.9110.9180.9280.9400.9530.9680.9831.000對于中孔，b0=9.5m bs=b0+dz=9.5+1.2=10.2m b0/bs=9.5/10.7=0.887查SL265-2001表A.0.1-1，得z=0.981。對于邊孔，b0.5=9m，=9.5+0.6+0.5=10.6m， b0/bs=0.896查SL265-2001表A·0·1-1，得eb=0.983。則：=z（N-1）+eb/N =0.982。 對于無坎平底寬底堰，m

15、=0.385,則 =1348m3/s×100%=1348-13001300*100%=3.7%5%通過設計流量時，設計閘孔通過流量過大，但當通過校核流量時設計師合理的，所以閘孔口確定為單寬b0=9.5m，總凈寬B0=47.5m。2.3.5閘室結構形式該閘建在人工渠道上,故宜采用開敞式閘室結構。在運行中，該閘的擋水位達29.79m36.35m,擋水位時上游與下游最大水位差為4.92m，該閘建在多泥沙的人工渠道上,而且汛期來水流量大，宜采用結構簡單,施工方便,自由出流范圍較大的平底板寬頂堰，且采用不帶胸腔的開敞式閘室結構。閘底板為倒型鋼筋混凝土分離式水平底板，縫設在底板中央。底板頂面高程

16、為29.79m，厚1.5m，其順水流方向長14.2m。閘墩為鋼筋混凝土結構，中墩上部順水流方向長度下游各比底地板長1m，中墩上部總長為15.2m，前后齒長均為1m，中墩厚1.2m，中墩與邊墩頂部均比閘門高0.04m,為36.83m，邊墩與岸墻結合布置，為重力式邊墻，既擋水又擋土。閘墩上設工作門槽。工作門槽距閘墩上游邊緣2.35m，工作門槽深0.3m，寬0.5m。 閘門采用雙吊點平面滾輪鋼閘門，寬度為b0+0.5m=10m，高度為36.35-29.79+=6.86m（=0.3m），尺寸為9.5m×7.0m。 啟閉設備選用PQP型卷揚式啟閉機。公路橋設在下游側，為板式結構，板厚0.35m

17、，橋面高程為37.18m凈寬9.0m，人行道寬1.5m，公路橋總寬為12.0m。2.3.6上游連接段布置上游鋪蓋為黏土鋪蓋，其順水流方向長20m,厚0.5m。一直護至引水口。上游翼墻為混凝土重力式圓弧形反翼墻，迎水面直立，墻背為1:0.5，圓弧半徑為16.85m。墻頂高程為37.09m。翼墻底板為1.0m厚的鋼筋混凝土板，長度為15m，前趾長1.5m，后趾長0.5m。翼墻上游與護底頭部齊平。翼墻上游為黏土鋪蓋護坡。護坡一直延伸到渠道的入口處。2.3.7下游連接段布置閘室下游采用挖深式消力池。其長度、深度及底板厚度通過消能防沖設計計算得出,。消力池的底板為鋼筋混凝土結構。消力池與閘室連接處有1m

18、長的小平臺，后以斜坡連接，斜坡水平長度為5.0m。消力池底板下按過濾的要求鋪蓋。海漫長度也按消能設計計算得出，材料采用漿砌石，水平設置。海漫末端設一下游防沖槽。下游翼墻亦為漿砌石重力式反翼墻。迎水面直立。墻頂高程為？m。下游翼墻底板采用鋼筋混凝土板，底板厚度即消力池底板厚度，其前趾長1.5m，后趾長0.5m。翼墻下游端與消力池末端齊平。下游亦采用干砌塊石護坡，護坡頂部高程37.09m。護坡延伸至與防沖槽下游端部齊平。2.4 消能防沖設計消能防沖設計包括消力池、海漫及防沖槽等三部分。2.4.1 消力池的設計消力池的深度、長度及其底板（護坦）厚度的確定。消力池的深度實在某一給定的流量和相應的下游水

19、深條件下確定的。要求水躍的起點位于消力池的上游端或斜墻坡段的坡腳附近。設計水位或校核水位時閘門全開渲泄洪水，為淹沒出流無需消能。惡劣放水閘前水位35.90m，部分閘門局部開啟，只宣泄較小流量時，下流水位不高，閘下射流速度較大，才會出現(xiàn)嚴重的沖刷河床現(xiàn)象，需設置相應的消能設施。為了保證無論何種開啟高度的情況下均能發(fā)生淹沒式水躍消能，所以采用閘前水深H=6.11m，閘門局部開啟情況，作為消能防沖設計的控制情況。為了降低工程造價，確保水閘安全運行，可以規(guī)定閘門的操作規(guī)程，本次設計按孔對稱方式開啟，分別對不同開啟孔數(shù)和開啟度進行組合計算，找出消力池池深和池長的控制條件。消力池深度可按公式(B.1.1-

20、1)(B.1.1-2)計算：(計算示意圖見圖上圖) d=0h''c-hs'-z (B.1.1-1) h''c=hc221+8vc2ghc-1 (B.1.1-2) (B.1.1-2)式中d-消力池深度(m)；0-水躍淹沒系數(shù),可采用1.051.10；hC-躍后水深(m)；hC -收縮水深(m)；-水流動能校正系數(shù),可采用1.01.05,此處取1；q-過閘單寬流量(m2/s)；h's-出池河床水深(m)；Z-出池落差(m)；ø-流速系數(shù),一般取0.95;力池長度可按公式(B.1.2-1)和公式(B.1.2-2)計算(計算示意圖見圖b.1.1

21、)：L sJLs +LJ (B.1.2-1)L J 6.9(h"C-hC ) (B.1.2-2)式中LsJ-消力池長度(m)；LS-消力池斜坡段水平投影長度(m)；-水躍長度校正系數(shù),可采用0.70.8；LJ-水躍長度(m)。消力池底板厚度計算由抗沖公式 (B.1.3-1)式中t-消力池底板始端厚度(m)；H'-閘孔泄水時的上,下游水位差(m)；k1-消力池底板計算系數(shù),可采用0.150.20，此處取中間值0.175，q -單寬流量（m3/s）。由于消力池的池底板厚范圍（0.51.2），所以取消力池的池底板厚為1.0m,等厚布置。長度取21m,深度取1.0m。順水流方向，在對

22、應第二、第四號中墩中心線出設置消力池底板分縫。側墻、尾檻的厚度為0.5m。在消力池底板的后半部（約長10m）設排水孔,孔徑8 cm,間距3 m，呈梅花行布置,孔內填以砂，碎石。消力池與閘底板連接處留有1米的平臺,以便更好地促成出閘水流在池中產生水躍。消力池在平面上呈擴散狀，擴散比例為1/5.6。2.4.2海漫設計計算海漫的長度為：L=k2qH式中t-消力池底板始端厚度(m)；H'-閘孔泄水時的上,下游水位差(m)；k2-消力池底板計算系數(shù),粘土可用67，此處取6.5，q-消力池末端單寬流量（m3/s*m）。 消力池末端總寬：b消末=60m，經過計算的出海漫長度取為31m。 漫的布置和結

23、構。海漫水平頂面與閘底板頂面等高，使用厚度0.5m的塊石材料,前10m用漿砌塊石,水平布置，抗沖流速為36m/s，漿砌塊石海漫上設排水孔和反濾層。后21m采用干砌塊石，向下傾斜比例1/10,抗沖流速為34m/s。干砌石底部鋪設15cm厚的碎石粗砂粒墊層。2.4.3防沖槽設計 海漫末端河床沖刷坑深度按下列公式計算，其中河床土質的不沖流速可按下式計算。按不同情況計算如表3所示。 V=At'' t''=1.1q'v0-t式中A-經驗系數(shù)，一般采用24，此處用3；V-單寬拋石方量；河床土質的不沖流速，m/s，此土質為亞粘土，處取=1.7m/s； t 海漫末端河床

24、水深，m，通過校核流量時，由于此時河道與上游河道同寬，水流較穩(wěn)定，t等于5.83m加上海漫向下傾斜深度2.1m。由計算得出t''=3.57m，根據(jù)設計實際，采用t''=2.0m。采用寬淺式，底寬取4m，上游坡率為2，下游坡率為2，出槽后作成坡率為5的斜坡與下游河床相連，防沖槽采用混凝土材料澆筑。2.5防滲設計地下輪廓設計防滲設計一般采用防滲和排水相結合的原則，即在高水位側采用鋪蓋、板樁、齒墻等防滲設施，用以延長滲徑減小滲透坡降和閘底板下的滲透壓力；在低水位側設置排水設施，如面層排水、排水孔排水或減壓井與下游連通，使地下滲水盡快排出，以減小滲透壓力，并防止在滲流出口附近發(fā)生滲透變形。對于黏土地基，通常不采用垂直板樁防滲。故地下輪廓主要包括底板、齒墻、防滲鋪蓋。底板既是閘室的基礎,又兼有防滲、防沖刷的作用。它既要滿足上部結構布置的要求,又要滿足穩(wěn)定及本身的結構強度等要求。底板順水流方向的長度L。為了滿