水工建筑物课程设计说明书.doc
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1、水工建筑物课程设计 水工建筑物课程设计计算说明书专 业:农业水利工程班 级: 农水1301 姓 名: 学 号: 指导老师: 目录第一章 节制闸基本设计资料3第二章 闸孔设计32.1闸型的选择32.2确定闸底板高程42.3闸孔宽度的确定4第三章 消能计算53.1消力池计算63.1.1消力池深度的计算63.1.2消力池长度计算83.1.3消力池底板厚度计算83.2海漫计算93.3防冲槽计算10第四章 闸基渗流计算114.1地下轮廓线布置及防渗长度确定114.2闸基渗流计算12第五章 闸室布置与构造155.1底板155.2闸墩155.3工作桥175.4交通桥185.5胸墙185.6分缝与止水19第六
2、章 闸室稳定分析196.1闸室抗滑稳定分析196.1.1自重21 6.1.2 水重226.1.3 扬压力226.1.4 水平水压力226.1.5 浪压力246.2地基稳定验算266.3地基承载力验算27第七章 上下游连接建筑物277.1连接建筑物的作用277.2连接建筑物的形式与布置277.2.1上游连接建筑物277.2.2下游连接建筑物287.2.3岸墙292第一章 节制闸基本设计资料某地区为了满足工农业生产发展的要求和控制该流域水位及排涝要求,需在某河道上修建一座节制闸。1.1 规划数据及要求1、河道断面边坡1:4.0,河底高程0.5m。2、闸孔设计水位流量组合:闸上水位8.35m,闸下水
3、位8.2m,排洪流量为830m/s,河道底宽90m。3、消能设计水位流量组合:闸上水位8.0m,闸下水位5.0m,通过流量Q=300m/s。4、稳定计算流量组合:设计情况:闸上水位8.35m,闸下水位5.0m,校核情况:闸上水位8.96m,闸下水位5.5m。1.2 地质资料0.5m -2.0m为重粉质壤土层,标准贯入击数63.5=11击,=19.5kN/m3,=0.05MPa,=15。1.3 设计标准本建筑物按级建筑设计。1.4 其他资料(1)、交通桥桥面净宽7m,每边人行道0.5m。拟采用钢筋混凝土铰接板桥。(2)、闸址处风速,吹程。(3)、上游翼墙为圆弧式,下游翼墙为反翼墙。(4)、启闭机
4、为绳股式启闭机。第二章 闸孔设计2.1 闸型的选择水闸常用的闸型有宽顶堰和实用堰两类。宽顶堰的流量系数虽然很小,但结构简单、施工方便,所以在灌排系统内的水闸,一般均采用平底宽顶堰的底板结构型式。在软弱地基上且上部荷载较大时,可采用宽顶堰箱式平底板结构型式。当需要限制单宽流量而闸底建基高程不能抬高,或因地基表层松软需要降低闸底建基是高程,或在多泥沙河流上有拦沙要求时,可采用适用堰底板,实用堰还没有精确的分析计算方法,只是在某些特定条件下才采用。根据以上资料,该节制闸采用平底宽顶堰的底板结构型式。2.2 闸孔宽度的确定孔口尺寸拟定可根据已知设计流量,上下游水位由泄流能力计算公式求出闸孔宽度,然后拟
5、定闸孔。根据水闸设计规范(SL 2652001),对于平底闸,当堰流处于高淹没度()时,用公式(A.0.2-1)和公式(A.0.2-2)。该节制闸设计中,=830m3/s,河底宽为90m,边坡1:4.0,上游水位8.35m,下游水位8.20m,闸底高程0.5m,则过流面积=952.99m2,则 故采用水闸设计规范中公式(A.0.2-1)和公式(A.0.2-2)。 (A.0.2-1) (A.0.2-2)将以上数据带入公式公式(A.0.2-1)和公式(A.0.2-2)得:m本闸门采用平面闸门,故可取单孔宽度=8m,则闸孔数,故闸门采用7孔.校核流量:取实际值带入公式(A.0.2-1)中,算得:m3
6、/s%,满足要求。故闸门采用七孔,由于闸底板运用的是整体式底板,分缝情况见下图。 图2-1 分缝图第三章 消能计算消能计算主要内容包括消力池计算、海漫计算、防冲槽设计。3.1消力池计算消能设计水位流量组合:闸上水位8.0m,闸下水位5.0m,通过流量Q=300/s.3.1.1消力池深度的计算计算示意图见图3.1图3.1 消力池计算示意图 式中 消力池深度(m);水跃淹没系数,可采用1.051.10;跃后水深(m);收缩水深(m);水流动能校正系数,可采用1.01.05;过闸单宽流量();消力池首端宽度(m);消力池末端宽度(m):由消力池底板顶面算起的总势能(m);出池落差(m);出池河床水深
7、(m)。在计算中,通过试算求得,先假定=0.5m,然后依次算出、,最后算出。若m,取;若m,将算出的值重新带入公式中,直到前后两次算的值在误差范围内,取最后一次算出的值作为值。上游水深:,下游水深:,取。面积: 流速: 取,则取,又因为,则解得:。 得到: 故假设满足要求,取。3.1.2消力池长度计算根据水闸设计规范,消力池长度可按以下公式计算(计算示意图见图3-1): 式中 消力池长度(m);消力池斜坡段水平投影长度,一般为(m);水跃长度校正系数,可采用0.70.8;水跃长度(m)。 在本次水闸设计中,,所以可计算水跃长度: 消力池斜坡段水平投影长度的长度计算得:m,在加上起始1.0m的水
8、平段,所以消力池的长度计算得,为了方便施工,实际中取消力池的长度m。3.1.3消力池底板厚度计算 根据水闸设计规范,消力池底板厚度可根据抗冲和抗浮要求,分别按下列公式计算,并取其大值。 抗冲 抗浮 式中 消力池底板始端厚度(m);闸孔泄水时上、下游水位差(m);消力池底板计算系数,可采用0.150.20;消力池底板安全系数,可采用1.11.3;作用在消力池底板底面的扬压力(kPa);作用在消力池底板顶面的水重(kPa);作用在消力池底板上的脉动压力(kPa),其值可取跃前收缩面流速水头值的5%;通常计算消力池底板前半部的脉动压力时取“+”;计算消力池底板后半部的脉动压力时取“-”号;消力池底板
9、的饱和重度()。消力池末端厚度,可采用,但不宜小于0.5m。在本水闸设计中,取0.175,为4.44,为3.0m,故m,实际中取m。 消力池不参与防渗,无需抗浮验算。为了降低护坦底部的渗透压力,可在护坦下设铅直排水孔,并在护坦底部铺反滤层,排水孔设在水跃后半部分,排水孔直径为10cm,间距为2m。护坦与闸室,岸墙及翼墙间需要用沉降缝分开,以适应不均匀沉降,护坦在平行水流方向也设沉降缝,一般平行水流方向的缝宜与闸墩对齐,有防渗要求的缝中需设止水。缝间距地基较好时取1520m,地基中等时取1015m,地基差时为812m。3.2海漫计算在水闸设计规范中,当,且消能扩散良好时,海漫长度可按公式(B.2
10、.1)计算: (B.2.1)式中 海漫长度(m);消力池末端单宽流量(m2/s);海漫长度计算系数,可由表3-2查得。表3-2 值河床土质粉砂、细砂中砂、粗砂、粉质壤土粉质粘土坚硬粘土1413121110987在本水闸中,下游翼墙的扩散角取10。所以通过消力池末端的宽度m,重粉质壤土取11,则。海漫的材料应具有一定的柔性,同时为使渗透水流自由排水,降低可能存在的扬压力以增加海漫的稳定性,海漫应具有一定透水性,其下设垫层,垫层按反滤层设计。本水闸前11m采用浆砌块石,以后用干砌块石。3.3防冲槽计算根据水闸设计规范(SL 2652001),海漫末端的河床冲刷深度可按下列公式计算:式中 海漫末端河
11、床冲刷深度(m);海漫末端单宽流量();河床土质允许不冲流速(m/s);海漫末端河床水深(m)。防冲槽的深度一般m,即当m,取=1.52.0m。若太大,开挖困难。底宽,上游边坡1:21:4,下游边坡根据施工开挖情况而定,本工程上下游边坡取1:3。在本水闸设计中,单宽流量取下游水深一半时的水面宽度的单宽流量作为计算值。,。查吴持恭先生主编的水力学一书,可取m/s,河床水深4.5m;将这些值带入上式可得:,所以取防冲槽的深度为1.5m,底宽。第四章 闸基渗流计算4.1地下轮廓线布置及防渗长度确定根据闸室布置要求,初步拟定的地下地下轮廓线如图4-1所示。图4-1 水闸地下轮廓线(高程单位:m,其他单
12、位:mm)水闸设计规范中,在工程规划和可行性研究阶段,初步拟定的闸基防渗长度应满足公式式中 闸基防渗长度,即闸基轮廓线防渗部分水平段和垂直段长度的总和(m)上下游水位差(m);允许渗径系数值,见表4-1。当闸基设板桩时,可采用表4-1中规定的小值。表4-1 允许渗径系数值 地基类别排水条件粉砂细砂中砂粗砂中砾、细砾粗砾夹卵石轻粉质砂壤土轻砂壤土壤土粘土有滤层1399775544332.5117955332无滤层7443对于重粉质壤土, 由此可知,满足防渗长度要求。4.2闸基渗流计算闸基渗流计算包括渗透压力、渗透坡降、渗流量计算。渗流量较小,一般主要进行压力和渗透坡降计算。水闸设计规范(SL 2
13、65-2001)建议,推荐改进阻力系数法作为基本方法。土基上水闸的地基有效深度可按下列公式计算:当时 当时 式中 土基上水闸是地基有效深度(m);地下轮廓的水平投影长度(m);地下轮廓的垂直投影长度(m)。当计算的值大于地基实际深度时,值应按地基实际深度采用。该水闸的地下轮廓线可简化为如图4-2所示:图4-2 计算的地下轮廓线及典型段(1)确定地基计算深度:,。(2) 根据图4-2划分的典型段,计算各段阻力系数,见表4-2.段号段别Si(S1,S2)(m)Ti(m)Li(m)进口段0.515.50.450内部垂直段0.515.50.032内部水平段0.5115.5140.835内部垂直段115
14、.50.065内部垂直段114.50.067内部水平段1114.5171.054内部垂直段114.50.068出口段1.815.30.5023.073表4-2 阻力系数计算表(3) 设计水位下,计算结果见表4-3。表4-3 设计水位下渗流的阻力系数、水头损失计算结果表分段编 号0.4500.0320.8350.0650.0671.0540.0680.5020.4900.0350.9100.0710.0711.1490.0740.547出口段水头损失计算: 渗透压力修正范围: 出口段和各水平段渗透坡降验算: ,都小于,故出口段和所有的水平段渗透坡降都满足要求。 (5)根据图4-2划分的典型段,计
15、算各段水头值,校核水位下,计算结果见表4-4。表4-4 校核水位下渗流的阻力系数、水头损失计算结果表分段编 号0.4500.0320.8350.0650.0671.0540.0680.502 0.5070.0360.9400.0730.0751.1870.0770.565 出口段水头损失计算: 出口段和各水平段渗流坡降计算: 都小于,故出口段和所有的水平段渗透坡降都满足要求,说明该地下轮廓线布置是满足要求的。渗透压力分布图见图4-3.图4-3 渗透压力分布图 单位:m第五章 闸室布置与构造闸室主要由闸门底板、闸墩、工作桥、交通桥、便桥,有时还有胸墙等部分组成。5.1底板目前工程上运用得最多的是
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