水闸毕业设计.doc
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1、第一章 总论第一节 概述一、工程概况涡河发源于河南省中牟县境内,经开封、通许、尉氏、太康、鹿邑等县,在安徽省与惠济河汇合后流入淮河。汇合口以上流域面积4200km2,涡河在鹿邑县境内属平原稳定型河流,河面宽约200m,深约710米。由于河床下切较深,又无适当控制工程,雨季地表径流自由流走,而雨过天晴经常干旱,加之打井提水灌溉,使地下水位愈来愈低,严重影响两岸的农业灌溉和人蓄用水。为解决当地40万亩农田的灌溉问题,上级批准的规划确定,在鹿邑县涡河上修建挡水枢纽工程。本工程位于河南省鹿邑县城北约1Km,距汇合口18Km。它是涡河梯级开发中最末一级工程,涡河闸控制流域面积4070Km2。二、拦河闸任
2、务涡河拦河闸所担负的任务是正常情况下拦河截水,抬高水位,以利灌溉。洪水时开闸泄水,以保安全。本工程建成后,可利用河道一次蓄水800万m3,调蓄河水两岸沟塘,大量补给地下水,有利于进灌和人蓄用水,初步解决40万亩农田的灌溉问题,并为工业生产提供足够的水源,同时渔业、航运业的发展,以及改善环境,美化城乡都是极为有利的。第二节 基本资料一、地形资料闸址处系平原型河段,两岸地势平坦,地面高程约为40.00m左右。河床坡降平缓,纵坡约为1/10000,河床平均标高约为30.0m,主槽宽度约为80100m,河滩宽平,至复式河床横断面,河流比较顺直。附 闸址地形图一张(1/1000)二、地质资料(一)根据钻
3、孔了解闸址地层属河流冲积相,河床部分地层属第四级蟓更新世Q3与第四纪全新世Q4的层交错现象,闸址两岸地面高程均在43m左右。闸址处地层向下分布情况如下:1、 重粉质壤土:分布在河床表面以下,深约3m。2、 细砂:分布在重粉质壤土以下(河床部分高程约在28.8m以下。)3、 中砂:分布在细砂层以下,在河床部分的厚度约为5m左右。4、 重粉质壤土:分布在中砂层以下(深约22m以下)。5、 中粉质壤土:分布在重粉质壤土以下,厚度58m。附 闸址附近地址剖面图一张三、土的物理力学性质指标1.物理性质湿容重 a=19kN/m3饱和容重 饱=21kN/m3浮容重 浮=11Kn/m3细砂比重 g= 27kN
4、/m3细砂干容重 干=15kN/m32内摩擦角自然含水量时 =280饱和含水量时 =2503.土基许可承载力: 【】=200kN/m34.混凝土、砌石与土基摩擦系数 密实细砂层 f=0.365.地基应力不均匀系数粘土()=1.52.0砂土()=2.56.渗透系数中细砂层 k=510-3 平均厚度约5m以下土层 k=510-5 作为相对不透水层四、工程材料1、石料:本地区不产石料,需从外地运进,距离公路很近,交通方便。2、粘土:经调查本地区附近有交丰富的粘土材料。3、闸止处有足够的中细砂。五、本地区地震烈度在6度以下。六、水文气象1、气温:本地区年最高气温42.20C,最低气温-200C,平均气
5、温14.40C。2、风速:最大风速V=20m/s,吹程 0.6km。3、径流量:非汛期(16月及1012月)9个月份涡河月平均最大流量9.1m3/s汛期(79)三个月,涡河月平均最大流量为149m3/s,年平均最大流量Q=26.1m3/s,最大年径流总量为8.25亿m3。4、冰冻:闸址处河水无冰冻现象。七、河槽整治断面及水位流量关系曲线经批准的规划决定:对原河槽将适当调整,并在两岸作矮堤,以扩大泄洪能力,提高防洪安全的保证率。规划确定的上下游河道整治后断面如附图。下游河道水位流量关系曲线见图11。图11 上下游河道横断面图(单位:m)八、施工条件1、 期为两年2、 材料供应 电源:有电网供电,
6、工地距电源线1.0公里。 地下水位 平均28.030.0 m九、批准的规划成果1、 根据水利电力部水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(SDJ 1278)的规定,本枢纽工程为三等工程,其中永久性主要建筑物为3级。2、 灌溉用水季节,拦河闸正常挡水位为39.50m。3、 洪水标准。项目重现(年)洪水流量m3/s闸前水位(m)下游水位(m)设计洪水20132040.7740.61校核洪水100166041.9841.97第三节 工程综合说明本工程为拦河闸,建造在河道上。枯水期用以拦截河道,抬高水位,以利上游取水或航运要求;洪水期则开闸泄洪,控制下游流量。一、河闸的特点拦河闸既用以挡水,又用于泄水,且
7、多修建在软土地基上,因而在稳定、防渗、消能防冲及沉降方面都有其自身的特点。1稳定方面关门拦水时,水闸上、下游较大的水头差造成较大的水平推力,使水闸有可能沿基面产生向下游的滑动,为此,水闸必须具有足够的重力,以维持自身的稳定。2防渗方面由于上下游水位差的作用,水将通过地基和两岸的土壤会被掏空,危及水闸的安全。渗流对闸室和两岸连接建筑物的稳定不利。因此,应妥善进行防渗设计。3能防冲方面水闸开闸泄水时,在上下游水位差作用下,过闸水流往往具有较大的动能,流态也较复杂,而土质河床的抗冲能力较低,可能引起冲刷。此外,水闸下游常出现波状水夭和折冲水流,会进一步加剧对河床和两岸的淘刷。因此,设计水闸除应保证闸
8、室具有足够的过水能力外,还必须采用有效的消能防冲措施,以防止河道产生有害的冲刷。4沉降方面土基上的建闸,由于土基的压缩性大,抗剪强度低,在闸室的重力合外部荷载作用下,可能产生较大的沉降影响正常使用,尤其是不均匀沉降会导致水闸倾斜,甚至断裂。在水闸设计时,必须合理选择闸型、构造,安排好施工程序,采取必要的地基处理等措施,以减少过大的地基沉降和不均匀沉降。二、拦河闸的组成拦河闸通常由上游连接段,闸室段和下游连接段三部分组成。(一)上游连接段上游连接段的主要作用是引导水流平稳地进入闸室,同时起防冲、防渗、挡土等作用。一般包括上游翼墙、铺盖、护底、两岸护坡及上游防冲槽等。上游翼墙的作用是引导水流平顺地
9、进入闸孔并起侧向防渗作用。铺盖主要起防渗作用,其表面应满足抗冲要求。护坡、护底和上游防冲槽(齿墙)是保护两岸土质、河床及铺盖头部不受冲刷。(二)闸室段闸室是水闸的主体部分,通常包括底板、闸墩、闸门、胸墙、工作桥及交通桥等。底板是闸室的基础,承受闸室的全部荷载,并比较均匀地传给地基,此外,还有防冲、防渗等作用。闸墩的作用是分割闸孔,并支承闸门、工作桥等上部结构。闸门的作用是拦水和控制下泻流量。工作桥供安置起闭机和工作人员操作之用。交通桥的作用是连接两岸交通。(三)下游连接段下游连接段具有消能和扩散水流的作用。一般包括护坦、海漫、下游防冲槽、下游翼墙及护坡等。下游翼墙引导水流均匀扩散兼有防冲及侧向
10、防渗作用。护坦具有削能防忡作用。海漫的作用是进一步消除护坦出流的剩余动能、扩散水流、调整流速分布、防止河床冲刷。下游防冲槽是海漫末端的防护设施,避免冲刷向上游扩展。第二章 水力计算第一节 闸址及形式选择一、闸址选择闸址选择关系到工程建设的成功和经济效益的发挥,是水闸设计中的一项重要内容。应根据水闸的功能、特点和运用要求,以及区域经济条件,综合考地形、地质、建筑材料、交通运输、水流、潮汐、冰情、泥砂、施工、管理、周围环境等因素,经技术经济比较确定。闸址应选择在地形开阔、岸坡稳定、岩土坚实和地下水位较低的地点。闸址应选用地质条件良好的天然地基。壤土、中砂、粗砂、砂砾石适与作为水闸的地基。尽量避免淤
11、泥质土和粉砂、细砂地基,必要时,应采取妥善的处理措施。拦河闸应选择在河道顺直、河势相对稳定和河床断面单一的河段,或选择在弯曲的河段采弯取直的新开河道上。应考虑材料来源、对外交通、施工导流、场地布置、基坑排水、施工水电供应等条件,同时还应考虑水闸建成后工程管理维修和防洪抢险等条件。水闸中心线的布置应考闸室与两岸建筑物均匀,对称的要求。拦河闸的中心线一般应与河道中泓线相吻合。该拦河闸选在鹿邑县城北约1km处,闸轴线如地形图所示。二、闸室型式选择闸室按结构形式可分为:开敞式水闸和涵洞式水闸。(一)开敞式水闸闸室上面不填土封闭的水闸。一般有泄洪、排水、过木等要求时,多采用不带胸墙的开敞式水闸,多用于拦
12、河闸、排冰闸等。当上游水位变幅大,而下泄流量又有限制时,为避免闸门过高,常采用带胸墙的开敞式水闸,如进水闸、排水闸、挡潮闸多用这种形式。(二)涵洞式水闸闸身上面填土封闭的水闸,又称封闭式水闸。常用于穿堤水或排水的水闸。洞内水流可以是有压的或无压的。综合考虑该工程特点,上、下游水位差较小,不须控制流量,泄洪时可能有漂浮物等因素,可采用无胸墙的开敞式水闸。(三)闸孔形式的选择闸孔形式一般有宽顶堰型、实用堰低型和胸墙孔口型三种。1宽顶堰型。这是水闸最常用的底板结构形式。主要优点是结构简单、施工方便、泄流能力比较稳定,有利于泄洪、冲沙、排淤、通航等;其缺点是自由泄流时流量系数小,容易产生波状水。2实用
13、堰低型。有梯形、曲线型和驼峰型。实用堰型自由泄流时,流量系数较大,水流条件较好,选用适宜的堰面形式可以消除波状水。但泄流能力受尾水位变化的影响较为明显,不稳定。3胸墙孔口型。这种堰可以减小闸门高度和启门力,也可降低工作桥高和工程造价。根据各种形式的适用条件,综合考虑该工程特点,河槽蓄水,闸前基本没有淤积,闸底高程应尽可能底。因此,采用无底砍平底版宽顶堰,堰顶高程与河床同高,即闸底板高程为30.00m。第二节 闸孔尺寸确定一、底板高程确定底板高程与水闸承担的任务、泄流或引水流量、上下游水位及河床地质条件等因素有关。闸底板应置于较为坚实的土层上,并应尽量利用天然地基。在地基强度能够满足要求的条件下
14、,底板高程定得高些,闸室宽度大,两岸连接建筑物相对较低。对于小型水闸,由于两岸建筑物在整个工程中所占比重较大,因而适当降低底板高程,常常是有利的。当然,底板高程也不能定的太低,否则,由于单宽流量加大,将会增加下游消能防冲的工程量,闸门增高,启闭设备的容量也随之增大。另外,基坑开挖也较困难。选择底板高程前,首先要确定合适的最大过闸单宽流量。它取决于闸下游河渠的允许最大单宽流量。允许最大过闸单宽流量可按下游河床允许最大单宽流量的1.21.5倍确定。根据工程实践经验,一般在细粉质及淤泥河床上,单宽流量取510m3/(sm);在砂壤土地基上取1015m3/(sm);在壤土地基上取1520m3/(sm)
15、;在黏土地基上取2025m3/(sm)。下游水深较深,上下游水位差较小和闸后出流扩散条件较好时,宜选用较大值。一般情况下,拦河闸的底板顶面与河床齐平,即闸底板高程30.0m。二、拟定闸孔尺寸及闸墩厚度1由已知上、下游水位及闸底板高程,由公式(21)、式(22)可求得上游水头及下游水深 。 v0=Q/A (21)H0=H+v02/2g (22)其中 v0行进流速,m/s; Q过流流量,m3/s;A过水断面面积,m2;H0含有行进流速水头在内的闸前水头,m。推算的上游水头及下游水深见表21。表21 上游水头计算流量Q(m3/s)下游水深hs(m)上游水深H(m)过水断面积(m2)行进流速v0(m/
16、s)v02/2g上游水头H0(m)设计流量132010.6110.771228.661.070.0610.83校核流量166011.7911.981412.881.170.0712.052判别出流流态闸门全开泄洪时,一般属于淹没条件下的水流,所以采用平底板宽顶堰堰流公式,根据设计,校核情况下的上、下游水位及流量进行计算。对于宽顶堰,其淹没条件为:: hs0.8H0 (23)式中 hs下游水深,m;H0含有行进流速水头在内的闸前水头,m。根据公式(23)判别是否为淹没出流,其判别计算见表22。表22 淹没出流判别计算计算情况下游水深hs(m)上游水头H0(m)hs0.8H0流态设计水位10.61
17、10.8310.618.66淹没出流校核水位11.7912.0511.799.64淹没出流3确定闸门总净宽对于平底板宽顶堰,闸门设计规范中推荐的堰流公式为: B= (24)其中 B闸孔净宽,m; Q流量,m3/s; 侧收缩系数,初拟可按0.950.96估计; m流量系数,初拟可按0.385计算; s淹没系数,可通过查表求得。按闸门总净宽计算公式(24),根据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算,见表23。其中堰流侧收缩系数取0.96;流量系数m取0.385;淹没系数s根据 hs/H0查水力学教材。并取两者的较大值。表23 闸孔总净宽计算流量Q(m3/s)下游水深hs(m)上游水头H0(m)hs/
18、H0淹没系数sB0(m)设计流量132010.6110.830.9800.4056.56校核流量166011.7912.050.9780.4257.72 4.闸孔尺寸的选择闸室单孔宽度应根据闸的地基条件、运用要求、闸门结构形式、启闭机容量以及闸门等因素,进行综合比较确定。根据闸门设计规范中闸孔尺寸和水头系列标准,选定单孔净宽b=8m,同时为了保证闸门对称开启,防止不良水流形态,选用7孔。5闸墩的厚度及墩头形状选用整体式底板,缝设在闸墩上,中墩厚1.2m,缝墩厚1.6m,边墩厚1m。墩头采用圆弧形。闸孔布置如图21所示:图21 闸孔尺寸布置图 (单位:m)闸孔总宽度为: L=(78)+(21.6
19、+41.2)=64(m)二 、校核闸孔的泄洪能力水闸设计规范中堰流的计算公式为:Q= (25)式中 B=nb0(n为闸孔数,b0为单孔净宽),分别按设计、校核两种情况确定计算参数,求出相应的实际过闸流量Q1,校核过流能力。一般其相对差值不应超过5%。5% (26)5% (27)根据孔口与闸墩的尺寸可计算侧收缩系数,查水闸设计规范(2-2),结果如下:对于中孔:b0/bs=8/(8+1.2)=0.870 得1=0.967;靠缝墩孔:b0/bs=8/(8+1.6)=0.833 得2=0.973;对于边孔:b0/bs=b0/(b0+bb)=8/(8+11.98*3+2+(80-64)/2)=0.14
20、8 得3=0.909所以 E=(n1*中1+ n2*中2+ n3*中3)/(n1+n2+n3)=(1*0.976+4*0.973+2*0.909)/(1+4+2) =0.955与假定接近,根据选定的孔口尺寸与上下游水位,进一步换算流量如下表所示:表24 过流能力校核计算计算情况(m3/s)堰上水头H0(m)hs/H0sQ校核过流能力设计流量132010.830.9800.400.961306.990.99%校核流量166012.050.9780.420.961610.642.97%两种情况下过流能力都小于5%,说明孔口尺寸的选择较为合理,所以不再进行调整。闸孔选7孔,单孔净宽为8m。三、辅助曲
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