水工建筑物课设

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1、1 .水闸基本设计资料1.1 .基本资料1.1.1 工程概况东风渠起自魏县北寨村南卫河北岸， 经广平、 肥乡， 于曲周县城南入滏阳河，是黑龙港流域老沙河系的较大排水渠之一，担负东风渠以西地区排涝任务，排涝控制流域面积765km2 。东风渠兼有输水任务，主要引蓄黄河水和卫河水，为邯郸市水网、魏县“梨乡水城”及下游黑龙港地区提供灌溉用水和环境用水。东风渠也是引黄入冀补淀输水渠道的重要组成部分。1.1.2 .2工程地质工程区位于河北平原南部，地势基本平坦开阔，总体自东南向西北略倾。该段渠道水流方向亦由东南流向西北。两岸地面高程45.7555.10m,渠底高程为43.7846.66m,现状渠道河口宽度

2、为4672m。岸坡存在冲蚀、坍塌现象， 渠底多处坑洼不平。渠底浅部多分布有淤泥和杂物，厚度约 0.51.0m。1.1.3 水文规划资料本水闸合理使用年限为 50 年,设计排沥流量为83.2?3/s ，引黄设计流量为58?3/s,上游设计排沥水位为 44.82m,下有设计排沥水位为 44.72m,上游引 黄设计水位为44.08m,下游引黄设计水位44.03m,蓄水位为46.02m,河底高 程为40.30m,渠底宽度为17m,边坡顶部高程为48.5m。1.2 设计标准本水闸主要建筑物级别为 3 级，水闸等级为四级，闸室康华稳定安全系数，基本组合时k不小于1.20,特殊组合时k不小于1.05。本水闸

3、本身并无交通要求， 考虑到农田耕作及水闸自身施工运行要求设人行便桥。1.3 设计任务1.3.1 闸孔设计包括闸孔型式与尺寸，闸底板型式及高程。1.3.2 消能防冲设计包括消力池、海漫、防冲槽型式与尺寸，上下游护坡湖底等。1.3.3 防渗排水包括地下轮廓线设计，渗流计算，抗渗稳定验算，反滤层设计等。1.3.4 闸室结构设计布置，分缝，止水布置，闸室稳定计算。1.3.5 两岸建筑物设计包括闸室与上下游连接与两岸岸坡的连接，侧向防渗设计与验算。2 .闸孔设计2.1 闸孔型式的确定此处东风渠上建一排水闸，无通航要求，因此底板采用宽顶堰式水平底板。考虑到闸底板高程、水闸造价、下游河道地质条件、水闸用途等

4、条件，取底板=渠底=40.3m,要求洪水期能迅速排泄洪水，因此，孔口型式采用开敞无胸墙 式闸孔。2.2 初步设计2.2.1 由Q设计求出B,再验算Q设计根据设计资料，取设计流量为较大的设计排沥流量，即 Q设计=83.2?/s,上游水深H= 上游设计排沥-渠底=44.82-40.30=4.52 m下游水深hs= 下游设计排沥-渠底=44.72-40.30=4.42 m上游过水断面面积 A= (b+mh ) h=(17+3*4.52)*4.52=138.13 m2湿周 x =b+2h V1+ ? =17+2*4.52* V1+ 32 =45.59 m水力半径 R=A/ x =138.13/45.5

5、9=3.03 m流速 V=C 用？17n ?/3 ?隼=1/0.022* 3.032/3*(1/5000 )1/2 =1.35m/s堰顶水头 Ho =H+=4.52+ 2=4.61m2?2?9.8根据堰流公式B-Qm gH式中 B。-闸孔总净宽(m)Q过闸流量(m3 /s),即Q设计=83.2 ? /s;H。-计入行近流速水头的堰上水深(m),即；Ho =4.61m；g-重力加速度，可采用9.80(m/s2 )；m-堰流流量系数，可采用0.385;e堰流侧收缩系数，取0.95;6-堰流淹没系数，(7=1时为自由出流；计算得 B。=5.19m2.3 分孔根据本水闸等级、水位高工程等条件选择平板钢

6、闸门。孔数n在7孔以下选为奇数，以使水闸对称开启，避免下游出现折冲水流，顾本闸取孔数n=3,单孔净宽B J =3*3=9m 5.19m,即b。=3m,分隔闸孔时, 按设计规范，取中墩宽？?=1m,取边墩宽？=1m,中墩头部为流线型，边墩头部 为矩形。闸孔总宽 B= n?+(n-1) ?=3*3+2*1 =11m 闸底板总宽？?=B+2?=11+2*1 =13m取？多方？宽=17m, ?=?孔总宽=11m所以，？?/?=11/17=0.64介于0.60.85之间，符合规范要求。2.4 验算？鱼计对于多孔宽顶堰（有边墩及闸墩）侧收缩系数应取边孔及中孔的加权平均值,(2-1)N为闸孔数，？场，？?分

7、别为中闸孔及边闸孔的侧收缩系数?=1-?(5+3V42)4 ?蓦1- 3(2-2)式中？?为考虑墩头及堰顶入口形状系数。矩形？?=0.19,圆弧形？=0.10,且当?=0时，即为无堰坎宽顶堰。闸门单孔净宽 ？?=3m,闸孔总宽B=11m。将已知条件代入公式（2-2）求得：?=0.829?=0.910再将上面两个数字代入（2-1）式求得：9856?=,设计故满足要求。2.5 闸顶高程闸顶确定闸顶高程是指闸室胸墙或闸门挡水线上游闸墩和岸墙的顶部高程。闸顶高程应保证在最高水位以上有足够起高，以防漫溢闸顶，超高值等于波浪中 心线超过静水位的高度，波浪高度以及安全加高的总和。由本闸地址处于平原地 区海河

8、流域，取计算风速v=19m/s,风向垂直于水闸轴线，正常蓄水位时，闸前 水域风区长度为0.25km,河床不冲流速v=1.0m/s,由基本资料知埋深在 0.3 13m左右，取埋深10m,由IV级建筑物取最小安全超高 0.4m。顶 1=上：蕊+A 正常=44.82+0.4=45.22顶 2=V 上游+d波浪设计波浪高度 2hB=0.073kvio?得 2hB=0.0136?=0.0136X 192 X0.25 = 0.563m按重力坝公式计算1波长 Lb=0.389v?可得 LB=4.656m查资料得，当闸前水深H大于半个波长,2?2?h 00?求得 ho=0.428m查资料得超高d=ho+2hB

9、+ o-为安全超高(7=0.3代入公式得d=1.291m顶 2=44.82+d=46.11m又提顶高程为48.11m根据规范要求取闸顶高程48.50m2.4 闸门顶高程的确定取闸门顶高程与闸顶高程齐平，即2.5 闸门高H门的确定H 门=闸门顶-底板=48.50-40.30=8.20m(2-3)Lb时，h0的计算可简化为(2-4)(2-5)闸门顶=闸顶=48.50m3水闸消能防冲设计3.1 水闸消能防冲设计计算任务水闸的修建，改变了原河道天然水流原有状态，使闸上下游形成一定水位差， 过闸水流具有较大功能从而有可能是下游河床产生严重冲刷，以致危害水闸的安全。平原区多用底流式消能措施，因此设计计算的

10、主要任务是确定消能的型式， 深度、长度、护坦宽度、海漫的型式及尺寸，防冲槽的深度。3.2 控制情况的确定3.2.1 水跃位置与形式对消能的影响(1)水跃位置与形式水跃位置决定于坝址收缩断面水深 hc的共腕水深hc与下游水深ht的相对大小。 可能出现下列三种情况：第一种情况，ht=hc这种情况下，水跃直接发生在收缩断面处，为临界式水跃。第二种情况，ht2X1/2=16m2插图图（）防冲槽尺寸图（单位：m）3.3.4 防渗排水设计水闸挡水时，由于水位差作用会在闸基及两岸土体内形成渗流。渗流不仅损失水量，更不利于降低闸室及两岸连接建筑物的稳定性，还可能会引起变性及渗透破坏，甚至导致水闸失事，为此水闸

11、必须做好防渗排水设计。土基上的水闸建成挡水后，由于形成一定的水头差， 促使水自闸上游经过闸基或绕过翼墙向下游流动。这种现象称为渗流。 渗流分两类，经过闸基的称为闸基渗流，沿两岸翼墙的称侧向绕流。前者为有压渗流，后者为无压渗流。渗流对闸身的影响主要为：沿闸基的渗流对闸室产生向上的渗透压力，从而减轻闸室的有效重量， 降低抗滑稳定性。侧向绕流对翼、岸墙产生水平推力。渗流在土内运动，由于渗透压力的作用，可能造成土壤的渗流变形，发生管涌或流土， 引起水闸失事。（非粘性土可能发生管涌或流土，粘性土则只能发生流土，不会发生管涌）。严重的水量损失将造成水量损失而达不到蓄水要求。因此，保证地基土壤的抗渗稳定性，

12、保证渗流出口段和沿闸基底板面水平段的渗透坡降不得超过土壤渗透稳定的允许值。（1） 防渗设施布置防渗设施的型式有两种，一种是水平防渗设施；另一种是垂直防渗设施。地下轮廓线布置总是把这两种防渗设施结合在一起， 只有以那种位置的区别。 水平防渗设施比较简单， 用各种相对不透水材料（与地基的透水性 相比而言）在地基表面作一层铺盖，一般布置在闸室上游， 与闸室底板联合成不透水的地下轮廓线， 在铺盖上游端和闸室上游端布置一定深度的齿墙。 上游齿墙可以有效地消耗渗透水头， 降低铺盖和闸室底部的扬压力。 下游齿墙则可以减少渗透水流的出逸坡降，减小渗透变形的可能性。垂直防渗通常采用灌浆、泥浆槽、混凝土墙、 板桩

13、等措施， 在闸室的强烈透水层中形成一道或几道隔水墙， 可以有效地减少闸基的渗透量和渗透水头， 防渗效果一般比水平铺盖好。 但是垂直防渗的施工比水平防渗困难的多， 在水闸工程中采用并不普遍。 只有在结合某些特殊要求或施工条件比较有利的情况下采用，而且深度都比较浅，一般都不超过10 米。闸基防渗设施布置， 即地下轮廓线的布置， 应根据闸基地质条件和水闸上下游水位差等因素结合闸室消能防冲和两岸连接布置进行综合分析确定， 围绕如何减少闸底板扬压力， 提高闸室抗滑稳定性， 防止闸基土壤发生渗透变形而展开的。 一般采用阻渗和导渗相结合的方法。通常在闸的上游布置防渗设备。根据地基土壤的特点，防渗设备有水平铺

14、盖，板桩（垂直）和齿墙，其目的是用来延长渗流途径，以保证渗流坡降不超过土壤的允许值。为防止地基的渗流破坏， 就必须限制水流的平均渗透坡降， 在工程中则是用地下轮廓线长度作为控制设计的标准。地下轮廓线指建筑物与地基接触面的不透水边界线， 即铺盖、 齿墙等防渗结构及闸室底板与地基的接触线长度L 。地下轮廓线长度L为从铺盖最前端开始至铺盖末端齿墙至闸室底板末端齿墙，中间段末端齿墙至排水处（渗流出口处） 。地下轮廓线布置型式主要有四种： 重粘性土地基， 这种地基包括重壤土和粘土， 地下轮廓线布置最简单， 一般只要利用闸室底板的长度， 就可以满足防渗要求， 不足时适当加深地板上下游端的齿墙。 如果为了降

15、低闸室底板渗透压力， 可以在上游增设铺盖， 在闸室底板下设置排水。 中等粘性土地基，包括中壤土、轻壤土和重砂壤土，地下轮廓布置基本上与重粘性土地基相同， 采用铺盖和闸室底板组成水平防渗的地下轮廓线， 在地板下游端设置有反滤层组成的水平排水体。 粉土和粉细沙地基， 这类地基也包括轻粉治沙壤土， 就水闸防渗角度来说是最危险的地基， 地下轮廓的布置首先要保证闸室地基的抗渗稳定性， 最好用板桩包围起来。 上游端和侧面的板桩，可以减少渗透压力， 要求深一些。下游侧板桩主要目的是降低渗水出逸坡降， 防止闸基渗透变形， 可以浅一点。 水流出逸处要设置级配良好的反滤层，闸室上游设置铺盖。 砂砾石和中粗沙地基，

16、 这类地基虽有强烈的透水性， 但是抵抗渗透变形的稳定性比粉细沙强的多， 可以采取悬挂式板桩防渗。 板桩设置在闸室上游端比较好。 由于这类地基比较坚实， 各类垂直防渗体的施工多比较困难， 在上下游水头不大的情况下， 也可以采用铺盖的办法防渗。本设计为粘性土壤地基， 均采用平底式地下轮廓。 其防渗设备为水平铺盖， 浅齿墙。其材料有黏土，混凝土，钢筋混凝土铺盖。本设计采用混凝土铺盖。;d 1 if. 4（2）铺盖的尺寸铺盖紧接闸底板设于上游河床上，其主要作用是延长闸基 渗径降低渗流水力坡降和渗透压力，同时可防止河床免受水流冲刷。铺盖长度一般为（35） H, （H为上下游最大水位差）本 设计取4.0倍

17、H,得 L 铺盖=4 必.52=18.08m混凝土铺盖多采用（0.40.6） m厚，一般为等厚。本设 计取0.5m厚，铺盖下设碎石垫层厚0.1m,铺盖上下游均设齿墙增加 闸室的抗滑稳定性并延长渗径，齿墙深一般为（0.51.5）成本设 计采用0.5m。（3）底板的尺寸按闸墩与底板连接方式不同分为整体式底板和分离式底板，因为三孔所以本设计采用整体式底板，底板顺水流向长度应按满足上部结 构布置，闸室抗滑稳定，地基承载力和水闸防渗要求确定，初拟时黏 壤土地基取2.02.5倍H,本设计取2.5H,即L底板=2.5 X4.52 = 11.3m, 底板厚度与地基土质，水闸荷载，单孔净宽等因素有关，初拟时取闸

18、 孔净宽的（0.20.125）倍，本设计取1倍的净宽，即0.5m,齿墙高 取0.5m,垫层厚取0.1m。闸基防渗长度在工程规划和初级阶段，闸基防渗长度即地下轮廓线L的长度,为保证闸基渗透稳定性，初拟时防渗长度L应满足下式；L Lm. CH式（3-19）式中：Lmin 最小闸基防渗长度，m；H 水闸上下游最大水位差，ml H取下游无水，上游 最高水位时的水位差，为4.52m;C渗径系数，与地基土质情况有关，根据已知资料本设计取5。所以，Lm*5X4.52=22.6mL=1.0+1.0+16.08+0.5+2.0+9.3+1.1=30.8mL min=22.6m根据防渗尺寸图计算防渗长度 L=30

19、.8m Lmin ,满足要求。3.3.5 闸基防渗长度校核插图图（）防渗铺盖尺寸图（单位：m）水平投影 L0 =1.0+16.08+1.0+11.3=29.38m ,铅垂投影 S。=0.5+0.5+0.1= 1.1 m ,L0 / S =26.71 5,查水闸设计规范第 240页（c.2.1-1 ）,当L0 / S。5时，按 下式计算有效深度：Te=0.5 L0式（3-20）式中：Te 土基上水闸的地基有效深度（m）;L0 地下轮廓的水平投影长度（m ；S0 地下轮廓线的垂直投影长度（m）。所以：Te=0.5 X 29.38=14.69m ,因为不透水层为无限深所以有效深度Te为闸基透水层的计

20、算深度。地下轮廓线的简化，计算各段阻力系数，公式选自水闸设计规范（C.2.2-1 ）至（C.2.2-3 ）。按等势线的位置，将闸底板轮廓分成几个典型流段，每一流段的阻力系数。出口段：0 1.5 （S/T）1.5 0.441式（3-21）内部铅直段： y=2?ln?1 - ?式（3-22）水平段： x=?-0.7（?1-?2）式（3-23）式中：0进出口段的阻力系数；S板桩或齿墙白入土深度（m）;t 地基透水层深度（m）。I 区：进口段，将 s=1.0m, T=14.69m代入公式（3-21） 求得 E 1=0.459;II 区：水平段，将 L=1.0m, Si=0=0m, T=13.69m代入

21、公式（3-23）求得工2=0.073;田区：内部铅直段，将 S=0.5m, T=14.19m代入公式（3-22） 求得 3 3=0.035;IV区：水平段，将 L=16.08m, Si=0=0.5m, T=14.19m代入公式（3-23） 求得 E 4=1.08;V区：内部铅直段，将 S=0.5m, T=14.19m代入公式（3-22） 求得七5=0.035;VI区：水平段，将 L=2m, S1=S2=0m T=13.69m代入公式（3-23） 求得 E 6=0.146;即区：内部铅直段，将 S=0.5m, T=14.19m代入公式（3-22）求得 7 7=0.035;川区：水平段，将 L=9

22、.3m, S1=S2=0.5m T=14.19m代入公式（3-23） 求得 8 8=0.606;IX区：内部铅直段，将 S=0.5m, T=14.19m代入公式（3-22） 求得七9=0.035;X区：水平段，将 L=1.0m, S1=S2=0m T=13.69m代入公式（3-23） 求得 E 10=0.073;XI区：进口段，将 s=1.0m, T=14.69m代入公式（3-21）求得 E ii=0.459;、？能0.459+0.073+0.035+1.08+0.035+0.146+0.035+0.606+0.035+0.073+0.459=3.04根据公式hi=AH .募?可求得 hi=0

23、.683m;h2 =0.109m;h3=0.052m;h 4=1.612m;h 5=0.052m;h 6=0.217m;h 7=0.052m;h 8=0.901m;h 9=0.052m;h i0=0.109m;h ii=0.683m。4.闸室结构布置4.1 闸室结构布置任务确定闸室内各部件，如底板、闸墩、闸门、胸墙、工作桥、交通 桥等形式、布置、尺寸与构造。4.2 闸底板结构形式闸室底板结构布置型式与闸室基础设计方案密切相关，本闸基为砂壤土，选择整体小的底板型式为宜，整体式底板是将闸墩与底板浇筑成整体闸室，分缝常设在闸墩内，其特点是结构整体性好，对地基不均匀沉降适应性强，并有较好的抗震性，施工

24、技术要求不高，水流 条件好，易于满足运用要求，孔径不宜过大，否则底板应力大，钢筋 用量多。底板顺水流方向长度，应按满足上部结构布置，闸室抗滑稳定， 地基承载力和水闸防渗要求确定。 水闸上下游水位差H愈大，地基承 载力愈低，底板应力愈大，本设计初拟L底板=11.3m画面已经拟定)。4.3 闸门结构型式本设计为平板钢闸门取闸孔净宽b=3m,闸门高HD=8.2m;4.4 工作桥结构型式4.4.1 工作桥桥面高程工作桥=上游+H门+A ,其中安全超高 A取0.51.0m,本处取为0.8m,则工作桥=44.82+8.2+0.8=53.82rn工作桥桥底高程底板=48.5m;工作桥高度 H桥=53.82-

25、48.5=5.32m4.4.2 工作桥机构型式采用T形梁式结构梁高 hx= (1)B=0.150.375m,本设计取 0.3m;腹板b=(+ jh工=0.0750.12m,本设计取0.1m;翼缘厚ti=10cm,翼缘根部厚t2=2ti=20cm,栏杆柱尺寸为15X 15cm20X 20cm,本设计取15X 15cm栏杆高为1.11.2m，栏杆与桥边距取15cm;盖板厚度取10cm,宽取0.5cm。4.4.3 工作桥面宽卷扬启闭机桥面宽可采用（） m,本设计取（）m4.4.4 工作桥总长工作桥总长等于闸底板宽，即L工=13m。工作桥结构图4.5 交通桥交通桥应根据闸室稳定性及两端公路交通而定，

26、本水闸因无交通要求，故宽度取5.0m,长度同工作桥，即L交二13m,工作桥的高度取 为1m,腹板为0.4m,翼缘厚取0.1m,根部为0.2m,取布置在下游。 （具体位置见总体布置图。 ）4.6 闸墩闸墩的作用为分隔闸孔，支承闸门，同时作为上部结构的支承，传递上部荷载至地基。按工作条件不同，闸墩可分为中墩、缝墩和边墩。闸墩上分缝的闸室刚度较大，变形小，适用于比较软弱的地基。因此本闸不用设置缝墩。 闸墩的长度取决于闸门型式、 闸门在闸孔的位置及上部结构的布置。闸墩顺水流方向的长度取与底板相同，为14.4m。闸墩为钢筋混凝土结构，中墩厚为1.0m,边墩厚为0.8m。闸墩型式采用上游为半圆型， 下游为

27、流线型， 由水工设计手册P.6 15。闸墩上设两道门槽（检修门槽、工作门槽），检修门槽在上游，梢深0.3m,宽0.3m。工作门梢一般由闸门尺寸及支承方式确定。梢深先设为0.3m,宽为0.5m。二闸门之间净距为3.0m。闸门越靠向 下游，则对闸室抗滑稳定越有利（可利用水重）。本设计将工作闸门设在闸室中央。R0.5 _0.6 ”皿一、TjrLI/ :7 2.012.0图3.1闸墩尺寸图(单位：)3.1.7各部分重量计算闸墩重：一个中墩重=11.3-0.5-1.2x 1-2X0.5X0.3-0.3X 0.3X2+?X (0.5) 2 (?x 1.72-0.5X1.2X 1.2) x 8.2X25=2

28、119.7KN一个边墩重=11.3-0.5x 1-0.5X0.3-0.3X 0.3 x 8.2乂 25=2245.3KN闸墩总重=2 X中墩+2 X边墩=2X 2119.7+2X 2245.3=8730KN底板重：底板重 =11.3x 0.5+0.5X 0.5X (1.5+1) X 0.5 X13X 25=2039.375KN闸门重：一个闸门重=45KN,三个闸门重=45X3=135KN启闭机重：一个启闭机重 =2.57X9.81=25.21KN,三个启闭机重=25.21 X3=75.63KN交通桥重：交通桥总重 =9.81X2.5X 28X0.54X0.3X2+(0.3+0.9)X 0.16X 0.5X 2+1.2X 0.08=409.27KN工作桥重：工作桥总重 =9.81 X2.5X28X 0.54 X0.3X2+(0.3+0.9)X0.16X0.5X2+2.2X 0.08 +0.3X 5.6X 2X 0.4+(2.2X 0.3+2.2X 0.3+4X0.2) X 0.25 X9.81X2.5X4=464.21 + 151.96=616.17KN