水闸设计计算教学资料.doc
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1、水闸设计计算精品资料一、初步设计 兴化闸为无坝引水进水闸,该枢纽主要由引水渠、防沙设施和进水闸组成,本次设计主要任务是确定兴化闸的型式、尺寸及枢纽布置方案;并进行水力计算、防渗排水设计、闸室布置与稳定计算、闸室底板结构设计等,绘出枢纽平面布置图及上下游立视图。二、设计基本资料1. 概述兴化闸建在兴化镇以北的兴化渠上,闸址地理位置见图。该闸的主要作用有:防洪:当兴化河水位较高时,关闸挡水,以防止兴化河水入侵兴化渠下游两岸农田,保护下游的农田和村镇。灌溉:灌溉期引兴化河水北调,以灌溉兴化渠两岸的农田。引水冲淤:在枯水季节,引兴化河水北上至下游的大成港,以冲淤保港。 7.0 北 至大成港 9.0 渠
2、 化 11.0 兴 闸管所 兴化闸 兴 化 河 兴 化 镇 闸址位置示意图(单位:m)2. 规划数据兴化渠为人工渠道,其剖面尺寸如图所示。渠底高程为0.5m,底宽50.0m,两岸边坡均为1:2。该闸的主要设计组合有以下几方面: 11.8 0.5 50.0 兴化渠剖面示意图(单位:m) 2.1 孔口设计水位、流量 根据规划要求,在灌溉期由兴化闸自流引兴化河水灌溉,引水流量为300m3/s,此时闸上游水位为7.83m,闸下游水位为7.78m;在冬季枯水季节由兴化闸自流引水送至下游大成港冲淤保港,引水流量为100m3/s,此时相应的闸上游水位为7.44m,下游为7.38m。2.2 闸室稳定计算水位组
3、合 (1)设计情况:上游水位10.3m,浪高0.8m,下游水位7.0m。 (2)校核情况:上游水位10.7m,浪高0.5m,下游水位7.0m。 2.3 消能防冲设计水位组合(1)消能防冲的不利水位组合:引水流量为300m3/s,相应的上游水位10.7m,下游水位为7.78m。(2)下游水位流量关系 下游水位流量关系见表Q(m3/s)0.050.0100.0150.0200.0250.0300.0H下(m)7.07.207.387.547.667.747.783. 地质资料3.1 闸基土质分布情况根据钻探报告,闸基土质分布情况见表 层序高程(m)土质情况标准贯入击数(击)11.752.40重粉质
4、壤土9132.400.7散粉质壤土80.7-16.7坚硬粉质粘土(局部含铁锰结核)1521 3.2 闸基土工试验资料根据土工试验资料,闸基持力层为坚硬粉质粘土,其内摩擦角=190,凝聚力C=60.0Kpa;天然孔隙比e=0.69,天然容重=20.3KN/m3,比重G=2.74,变形模量=KPa;建闸所用回填土为砂壤土,其内摩擦角=260,凝聚力C=0,天然容重=18KN/m3;混凝土的弹性模量Eh=KPa。 4. 闸的设计标准根据水闸设计规范SL265-2001,兴化闸按级建筑物设计。 5. 其它有关资料 5.1 闸上交通根据当地交通部门建议,闸上交通桥为单车道公路桥,按汽-10设计,履带-5
5、0校核。桥面净宽为4.5m,总宽 5.5m,采用板梁式结构,见图,每米桥长约重80KN。 10.0 15.0 450.0 15.0 10.0 110.0 2 2 10.0 15.0 55.0 70.0 45.0 137.50 45.0 137.50 45.0 70.0 550.0 交通桥剖面图 (单位:cm) 5.2 该地区“三材”供应充足。闸门采用平面钢闸门,尺寸自定,由于厂设计加工制造。 5.3 该地区地震烈度设计为6度,故可不考虑地震影响。 5.4 该地区风速资料不全,在进行浪压力设计时,建议取计算。三、枢纽布置 兴化闸为无坝引水进水闸。整个枢纽主要由引水渠、防沙设施和进水闸等组成。 1
6、. 防沙设施闸所在河流为少泥沙河道,故防沙要求不高,仅在引水口设拦沙坎一道即可。拦沙坎高0.8m,底部高程0.5m,顶高程1.3m,迎水面直立,背流坡为1:1的斜坡,其断面见图 枢纽布置图 2. 引水渠的布置兴化河河岸比较坚稳,引水渠可以尽量短(大约65m),使兴化闸靠近兴化河河岸。为了保证有较好的引水效果,引水角取35,并将引水口布置在兴化河凹岸顶点偏下游水深较大的地方。为了减轻引水口处的回流,使水流平顺的进入引水口,引水口上、下游边角修成圆弧形。引水渠在平面上布置成不对称的向下游收缩的喇叭状,见图3-1。3. 进水闸布置进水闸(兴化闸)为带胸墙的开敞式水闸。共5孔,每孔净宽5m。胸墙底部高
7、程为8.1m,闸顶高程为11.8m,闸门顶高程为8.3m。 3.1 闸室段布置闸底板为倒型钢筋混凝土平底板,缝设在底板中央。底板顶面高程为0.5m,厚1.2m,其顺水流方向长16m。闸墩为钢筋混凝土结构,顺水流方向长和底板相等,中墩厚1.1m,边墩与岸墙结合布置,为重力式边墙,既挡水,又挡土,墙后填土高程为11.8m。闸墩上设有工作门槽和检修门槽。检修门槽距闸墩上游边缘1.7m,工作门槽距闸墩上游边缘5.49m,胸墙与检修门槽之间净距为2.79m。闸门采用平面滚轮钢闸门,尺寸为6.7m7.8m。启闭设备选用QPQ-63卷扬式启闭机。工作桥支承为实体排架,由闸墩缩窄而成。其顺水流长2.3m,厚0
8、.5m,底面高程11.8m,顶面高程16.5m,排架上设有活动门槽。公路桥设在下游侧,为板梁式结构,其总宽为5.5m。公路桥支承在排架上,排架底部高程8.5m。 3.2 上游连接段布置铺盖为钢筋混凝土结构,其顺水流方向长20m,厚0.4m。铺盖上游为块石护底,一直护至引水口。上游翼墙为浆砌石重力式反翼墙,迎水面直立,墙背为1:0.5的斜坡,收缩角为15,圆弧半径为6.6m。墙顶高程为11.0m,其上设0.8m高的混凝土挡浪板。墙后填土高程为10.8m。翼墙底板为0.6m厚的钢筋混凝土板,前趾长1.2m,后趾长0.2m。翼墙上游与铺盖头部齐平。翼墙上游为干砌块石护坡,每隔12m设一道浆砌石格埂。
9、块石底部设15cm的砂垫层。护坡一直延伸到兴化渠的入口处。 3.3 下游连接段布置闸室下游采用挖深式消力池。其长为21.5m,深为0.5m。消力池的底板为钢筋混凝土结构,其厚度为0.7m。消力池与闸室连接处有1m宽的小平台,后以1:4的斜坡连接。消力池底板下按过滤的要求铺盖铺设厚0.3m的砂、碎石垫层,既起反滤、过渡作用,又起排水作用。海漫长24m,水平设置。前8m为浆砌块石,后16m为干砌块石,并每隔8m设一道浆砌石格埂。海漫末端设一构造防冲槽。其深为1.0m,边坡为1:2。槽内填以块石。由于土质条件较好,防冲槽下游不再设护底。下游翼墙亦为浆砌石重力式反翼墙。迎水面直立,墙背坡度为1:0.5
10、,其扩散角为10,圆弧半径为4.8m。墙顶高程为8.5m,其上设高0.8m的挡浪板,墙后填土高程为8.0m。下游翼墙底板亦厚0.6m钢筋混凝土板,其前趾长1.2m,后趾长0.2m。翼墙下游端与消力池末端齐平。下游亦采用干砌块石护坡,护坡至9.8m高程处。每隔8m设一道浆砌石格埂。护坡延伸至与防冲槽下游端部齐平。四、水力计算 水力设计主要包括两方面的内容,即闸孔设计和消能设计。 1. 闸孔设计 闸孔设计的主要任务:确定闸室结构形式、选择堰型、确定堰顶高程及孔口尺寸。 1.1 闸室结构形式该闸建在人工渠道上,故宜采用开敞式闸室结构。在运行中,该闸的挡水位达10.3m10.7m,而泄水时上游水位为7
11、.44m7.83m,挡水位时上游最高水位比下游最高水位高出2.87m,故拟设设置胸腔代替闸门挡水,以减小闸门高度,减小作用在闸门上的水压力,减小启门力,并降低工作桥的高度,从而减少工程费用。综上所述:该闸采用带胸墙的开敞式闸室结构。 1.2 堰型选择及堰顶高程的确定该闸建在少泥沙的人工渠道上,宜采用结构简单,施工方便,自由出流范围较大的平底板宽顶堰。考虑到闸基持力层是坚硬粉质粘土,土质良好,承载能力大,并参考该地区已建在工程的经验,拟取闸底板顶面与兴化渠渠底齐平,高程为0.5m。 1.3 孔口尺寸的确定(1)初拟闸孔尺寸。该闸的孔口必须满足引水灌溉和引水冲淤保港的要求。 1)引水灌溉: 上游水
12、深 H=7.83-0.5=7.33m 下游水深 =7.78-0.5=7.28m 引水流量 Q=300m/s 上游行近流速 V0=Q/A A=(b+mH)H=(50+27.33)7.33=473.96m2 V=300/473.96=0.633 H0=H+V0/2g=7.33+0.6332/(29.8)=7.35m hS /H0=7.28/7.35=0.990.8,故属淹没出流。查SL265-2001表A01-2,淹没系数S=0.36由宽顶堰淹没出流公式 : 对无坎宽顶堰,取m=0.385,假设侧收缩系数=0.96,则 = =25.54m 2)引水冲淤保港 上游水深 H=7.44-0.5=6.94
13、m 下游水深 h=7.38-0.5=6.88m 引水流量 Q=100 上游行近流速 V0=Q/A A=(b+mH)H=(50+26.94)6.94=443.3 =Q/A=100/443.3=0.23m/s0.8, 故属淹没出流。 查 SL265-2001表A01-2,得淹没系数s=0.36 同样取m=0.385,并假定,则得 比较1)、2)的计算结果,B02 B01,可见引水灌溉情况是确定闸孔尺寸的控制情况,故闸孔净宽B0宜采用较大值25.54m。拟将闸孔分为5孔,取每孔净宽为5m,则闸孔实际总净宽为B0=55=25.0m。由于闸基土质条件较好,不仅承载能力较大,而且坚硬、紧密。为了减少闸孔总
14、宽度,节省工作量,闸底板宜采用整体式平底板。拟将分缝设在各孔底板的中间位置,形成倒型底板。中墩采用钢筋混凝土结构,厚1.1m,墩头、墩尾均采用半圆形,半径为0.55m。(2)复核过闸流量对于中孔,b0=5m bs=b0+=5+1.1=6.1m b0/bs=5/6.1=0.820查SL265-2001表A.0.1-1,得对于边孔,b0=5m=41.76m b0/bs=0.12查SL265-2001表A01-1,得eb=0.909。则:=z(N-1)+eb/N =0.959。 对于无坎平底宽底堰,m=0.385,则 100%=100% 5%实际过流能力满足引水灌溉的设计要求。同样,可以验证初拟的闸
15、孔尺寸亦符合引水冲於保港的要求。因此,该闸的孔口尺寸确定为:共分5孔,每孔净宽5m,4个中墩各厚1.1m,闸孔总净宽为25m,闸室总宽度为29.4m。2. 消能防冲设计消能防冲设计包括消力池、海漫及防冲槽等三部分。2.1 消力池的设计 (1)上下游水位连接形态的判别。闸门从关闭状态到泄流量为300往是分级开启的。为了节省计算工作量,闸门的开度拟分三级,流量50;待下游的水位稳定后,增大开度至150,待下游的水位稳定后,增大开度至300。 当泄流量为50时:上游水深H=10.7-0.5=10.2m; 下游水深可采用前一级开度(即Q=0)时的下游水深t=7.0-0.5=6.5m; 上游行进流速=0
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