水闸设计实训教案资料.doc
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1、水闸设计实训精品文档水闸设计一、设计任务1、选择的泄洪方案,确定堰型、闸高和孔口尺寸。2、选择合适的建筑物形式,作出2个枢纽总体布置方案,其中有一个方案为推荐方案。通过技术经济比较,选定较优方案。3、以选定方案中的拦河闸为重点设计项目,要求拟定拦河闸的闸室的结构尺寸;对其稳定、地基承载力等进行计算;进行闸下防渗和消能防冲布置及计算。4、对选定方案中的 闸墩、底板、导水墙、滚水坝或护坦板等进行设计,要求结构合理,安全稳定,造价经济。5、最后提交成果:图纸3-4张,说明书40-50页,计算书。二、成果要求要求:上列设计内容,学生应做到全面掌握,重点深入,并独立地完成所规定的设计内容,提出自己的设计
2、成果。对重点建筑物设计应做的较为详细。对水利计算,堰型选择与水利枢纽布置部分要求可见降低,进行一定的方案比较后,选出有一定论证的较为合理的方案。设计成果应包括设计图,设计说明书与计算书等部分,具体要求:1、设计图设计图是毕业设计的主要成果:一律用计算机绘制,要求制图正确,图面饱满(没有多余的空幅,没有重复的构造,图副布局合理,主次分明,图应有标题),绘制清晰,尺寸齐全。)图上应注明比例尺,选用的比例尺大小应符合与建筑物构造的复杂程度。在草拟建筑物或其细部图时,最好事先考虑该图在大图中的布置来定比例尺。要注意图中线条的粗细和字号的大小。在建筑物与地基连接的图上,应按规定符号标出地质情况。图幅规定
3、为A3,数量一般为35张,具体安排可参考如下:选定的水利枢纽布置图 1张主要建筑物及其结构图 3-4张2、设计说明书与计算书设计说明书是毕业设计的重要成果,要求章节分明,文理通顺,字迹工整。设计说明书的内容包括:选型理由、方案比较、设计依据、计算公式、原始数据、设计成果、理论分析。既有计算数据又有分析论证,此外还必须注意恰当的使用插图与附表,不必罗列繁长的计算过程。说明书的章节格式可参考指示书最后的附例。说明书用计算机打印(或用钢笔书写),并加注标点,每章节应有标题,说明书前应有目录,页数应有统一编号;附图要符合水利工程制图的需要,用计算机绘制,计算成果最好列成表格,不必详列过程,说明书用A4
4、纸副,沿左侧装订(具体情况按学院要求)。说明书的分量,以40-50页为宜。计算书内容包括:计算公式、初始数据、计算过程、计算结果。计算书应整理清楚,便于查阅。计算书不另编章节,其所标章节与说明书相对应。计算书与说明书分开编写。计算书与说明书应于每一阶段结束后,立即编写,不要累计到最后阶段形成慌乱。 三、设计指导1、枢纽概况1.1 本枢纽在国民经济中的意义苏河水闸是苏河上的一座取水闸,位于某市西南,距市区约10km。闸址上游80km处已建有综合利用的水利枢纽,总库容为23.0亿m3,经过水库调节,每年下泄水量为15.0亿m3。除了城市工业用水和发电用水5.5亿m3外,其余可供灌溉之用。灌区分布在
5、苏河两岸。苏河以南灌区的灌溉面积为63万亩,苏河以北灌区的灌溉面积为65万亩。因而需建水闸以抬高河道水位满足灌溉要求。苏河两岸虽有堤防,但高度和质量均不能满足建闸后防御洪水的要求。为了保护两岸农田及城市的安全,要求按照建闸后的上游水位加高堤防。本枢纽主要任务为引水灌溉,灌溉面积为128万亩,并同时改善城市的供水条件和连接两岸公路的交通桥问题。1.2 枢纽地区的自然及社会条件苏河全长289km,流域面积8385Km2。闸址上游80km的水库以上为山谷河道,书库以下河流进入平原地区,河道逐渐扩宽,一般在200500m之间,河道比降平缓。水库与闸址之间,除沿河两岸因过去洪水泛滥,地形起伏不平外,其余
6、大都地势平坦,南北向地面坡降约为1/25001/3500,东西向约为1/20001/4000。1、交通运输:合大公路在闸址附近通过,铁路距离闸址仅6Km。交通运输方便。2、施工用电及生活资料均可由下游城市供应。3、施工队伍及施工设备均无问题。2、 闸址水文特性2.1 洪水经过上游水库调节后,闸址的不同频率的洪峰流量见表2.1。汛期为每年710月。表2.1 闸址洪水频率与洪峰流量洪水频率0.1%0.33%0.5%1%2%5%流量(m3/s)615053005000450040003300洪水频率10%20%25%33.3%5075%流量(m3/s)28002200200014807202872.
7、2 闸址水位流量关系闸址的水位流量关系曲线见图2.1。图2.1 闸址水位流量关系曲线2.3 泥沙经过上游水库调蓄后,下泄水流含沙量已很小,平均含沙量为0.5Kg/m3。2.4 非汛期流量非汛期各月重现期为5、10、15年的流量见表2.2。表2.2 116月重现期为5、10、15年的流量 月份重现期(年)11121234561092079053033058076089010501511609506604007309801100129057236204102604566007008252.5 气温根据闸址处水文站60多年的观测资料,多年平均气温为16.8。以8月份为最高,月平均气温30.2;1月份
8、最低,月平均气温2.2;最高气温达41.5,最低气温-8。2.6 风速多年平均风速4.8m/s,汛期多年最大风速平均为12m/s,闸前吹程6Km。2.7 降雨天数根据闸址处气象站记录,日降雨量大于5mm的降雨天数如表2.3所示。表2.3 降雨天数月 份123456789101112平均天数334566988432最多天数57891011141412866最少天数0122235432103、 枢纽及库区地形地质条件3.1 闸址地质情况闸址地质系属第四纪沉积层,厚度较大。河床两岸滩地为粉质壤土,厚度14.5m;河床为中砂,最大厚度达25m;其下为砾质粗砂层,厚度49m;基岩为花岗岩。闸轴线的地质剖
9、面见图3.1。图3.1 闸基砂颗粒分配曲线沿河一带地下水埋藏深度随地形变化。地下水面一般在地表下3m左右。因土质透水性较大,地下水水位变化受河道水位影响,丰水期河水补给两岸地下水,地下水水位较高;枯水期地下水补给河水,地下水水位较低。3.2 地基土壤设计指标1、内摩擦角 中砂=25,砾质中砂=28,粉质壤土=18;2、渗透系数 中砂k=4.510-3cm/s, 砾质中砂k=3.010-3cm/s, 壤土k=3.010-5cm/s;3、空隙比 中砂e=0.56,砾质中砂e=0.58;4、地基允许承载力 中砂=0.26Pa,砾质中砂=0.28Pa;5、闸基砂颗粒分配曲线见图3。6、变形模量 中砂E
10、=24.0Pa,砾质粗砂E=32.0Pa。3.3 闸址建筑材料3.3.1 回填土可以用中砂、砾质中砂来回填。1、容重 干=16KN/m3,湿=18KN/m3,饱=20KN/m3;2、内摩擦角 =25;3、粘结力 C=0。3.3.2 混凝土与各种土壤的摩擦系数1、混凝土与粉质壤土 f=0.28;2、混凝土与中砂 f=0.443.3.3 地震本地区地震烈度为5度。3.3.4 建筑材料1、石料:由于闸址位于平坦地区,山丘少,石料需从外地运来。经调查,离闸址约20Km有两个石料场可供应石料,其抗压强度为40Pa左右,容重为2628KN/m3左右。石料场距离铁路2Km。2、混凝土骨料:闸址下游2.54.
11、0Km的河滩上有采料场,其中的砂、卵石可作混凝土骨料。3、土料:闸址上游12Km有粉质壤土,其物理力学参数与闸址的粉质壤土大体相同。4、水泥、钢材、木材:由外地供给,通过铁路运来。图3.2 闸轴线的地质剖面图4、 枢纽布置4.1 枢纽组成苏河水闸枢纽是以取水为主的水利水电工程,枢纽由泄水闸,土石坝,取水闸,引水渠,交通桥,合大公路和两岸连接建筑物组成。苏河水闸枢纽的灌溉面积为128万亩,查水利水电工程等别划分及洪水标准表2.1.1水利水电枢纽工程分等指标得,此枢纽工程等别为二级,工程规模为大(2)型。查水闸设计规范(SL265-2001)(以后不详细说明,只注明规范)表2.1.2水闸枢纽建筑物
12、级别划分,确定大二级主要建筑物级别为2级,次要建筑物为3级,临时建筑物级别为4级。查规范表2.2.1平原区水闸洪水标准得,2级水闸洪水设计洪水重现期为5030年,校核洪水重现期为200100年,本设计设计洪水重现期为50年,校核为200年。查图2.1闸址水位流量关系曲线得,下游设计洪水位为37.5m,下游校核洪水位为38.0m,上游正常水位为35m。泄水闸居中布置,泄水闸包括闸室,上游铺盖,上游防冲槽,板桩,下游护坦,下游海漫,下游防冲槽,上下游护岸和翼墙。两岸各设一个取水闸,取水闸通过引水渠从上游引水,取水闸和泄水闸通过土石坝连接,公路通过泄水闸和土石坝,贯通河流两岸。枢纽采用全闸方案,无拦
13、河坝和水电站厂房。因此,另外,将靠近河岸的几个闸孔作为既排水又冲沙之用。水闸枢纽布置应根据闸址地形,地质,水流等条件,以及该枢纽中各建筑物的功能,特点,运用要求等,合理安排水闸与枢纽其他建筑物的相对位置。4.1.1 闸轴线的选择泄水闸布置在主河床上,使水闸建成后的下泄流量尽量符合天然河道的水流特性。为了保证泄水通畅,减少对上下游河床的冲刷影响和对堤防的威胁,闸轴线宜与河道中心线正交。闸轴线一般选在河道较狭窄处,以节约工程量。此处闸轴线已经选好。将泄水闸底板上游侧定在闸轴线位置。4.1.2 泄水闸宽度的确定在宽阔的河道上,泄水闸的宽度远小于闸址处的主河道宽,在沿闸轴线的其余部分用拦河坝或水电站厂
14、房挡水,水闸的上下游连接建筑物简化为上下游导墙。闸孔总净宽的确定主要涉及两个问题:一个是过闸单宽流量的大小,另一个是闸室总宽度与河道总宽度的关系。如果采用的闸孔总净宽过小,使过闸单宽流量过大,将增加闸下消能布置的困难,甚至影响水闸工程的安全;反之,如果采用的闸孔总净宽过大,使过闸单宽流量过小,工程量过大,造成浪费。一般来说,采用的闸孔总净宽要略大于计算值,以留有余地(以超过计算值3%5%为宜)。同时,还要求闸室总宽度大体上与上下游主河道宽度(即通过设计流量的平均过水宽度)相适应。采用全闸方案,为了使河道水流流态与建闸前尽量相似,水闸段的长度取与闸址处河道宽度相近。最后通过底板高程和泄流能力的计
15、算,确定泄水闸总宽。4.2 水力计算4.2.1 底板高程确定根据地形图,测得闸址处的主河道宽度为270米左右,根据底板高程不同,选取闸孔总净宽与闸址处河道宽度相近,初步选定3个底板高程,进行方案比较。方案一:拟定底板高程为31m,则闸门高度为35-31=4m。闸孔宽深比取1.61.8,单孔宽度取整数为7m,闸孔总净宽取730=210m。方案二:拟定底板高程为30.5m,则闸门高度为35-30.5=4.5m。闸孔宽深比取1.61.8,单孔宽度取整数为8m,闸孔总净宽取828=224m。方案三:拟定底板高程为31.5m,则闸门高度为35-31.5=3.5m。闸孔宽深比为1.61.8,单孔宽度取整数
16、为6m,闸孔总净宽取636=216m。计算公式:对于平底闸,当堰流处于高淹没度(hs/Ho0.9)时,闸孔总净宽按下列公式计算。 (4.1) (4.2)其中, H上游闸前水深,m。Vo校核流量时入闸水流流速,v/s。 Ho上游闸前水深+流速水头,m。 Bo闸孔总净宽,m。 淹没堰流的综合流量系数。 Q校核流量,m3/s。N闸孔数。bo单孔宽度,m。 hs下游水深,m。 hz底板高程,m。具体方法:根据规范,上游水位壅高为0.10.3m,先假定一个上游水位壅高,用EXCEL进行试算,算出一个流量,之后反复试算,直到计算出的流量等于校核流量。方案比较:三个方案中,方案二底板高程过小,增大闸身和两岸
17、结构的高度,反而增加工程投资,同时增加闸下消能防冲布置上的困难,还可能会带来严重的泥沙淤积。方案三的底板高程过高,使得闸孔总净宽增大,泄水闸闸室段向河道两岸延伸,不利于保持原有水流流态,同时增加了工程量和成本,不经济。方案一的底板高程适中,接近原河床高程,泄水闸段宽度与河道闸址处宽度相近,不破坏原有河道水流流态,同时也给施工带来方便,节约成本。最后确定底板高程为31m,30个孔,每孔宽度7米,溢流前缘总净宽210m。校核情况下上游水位38.1m。4.2.2 泄流能力计算水闸闸门全开敞时的泄流能力按堰流计算。正常情况: , 式中 N闸孔数;b单孔宽度(m);过闸流量(m3/s);过闸单宽流量(m
18、2/s); 计入行近流速水头的堰上水深(m),此处由于上游水头很小,所以近似取为上游堰上水深; 堰流侧收缩系数;中闸孔侧收缩系数,可查水闸规范表A.0.1-1;边闸孔侧收缩系数。校核情况: 4.2.3 闸顶高程闸顶高程计算,首先要算出波浪高度。波浪要素可根据水闸闸前风向,风速,风区长度,风区内的平均水深等因素按下列规定计算:平均波高和平均波周期按莆田试验站公式计算,即 (4.3) (4.4)式中 平均波高(m);计算风速(m/s),当浪压力参与荷载的基本组合时,可采用当地气象台站提供的重现期为50年的年最大风速;当浪压力参与荷载的特殊组合,可采用当地气象台站提供的多年平均年最大风速;D风区长度
19、(m),当闸前水域较宽广或对岸最远水面距离不超过水闸前沿水面宽度5倍时,可采用对岸至水闸前沿的直线距离;当闸前水域较狭窄或对岸最远水面距离超过水闸前沿水面宽度5倍时,可采用水闸前沿水面宽度的5倍;风区内的平均水深(m),可由沿风向作出的地形剖面图求得,其计算水位应与相应计算情况下的静水位一致;平均波周期(s)。具体计算过程见计算书4.2.3。算得正常情况下波浪的计算高度为0.33m。查得挡水时(正常蓄水位),水闸安全超高下限值为0.5m。泄水时(校核洪水位),水闸安全超高下限值为0.7m。于是,挡水情况(正常蓄水位)水闸闸顶高程为:正常蓄水位+正常情况波浪高度+正常挡水时水闸安全超高泄水情况(
20、校核水位)下水闸闸顶高程为:校核洪水位+泄水时安全超高最后选定两者较大值为水闸闸顶高程。4.3 枢纽布置方案的比较和选定枢纽布置应根据闸址地形,地质,水流等条件,以及该枢纽中各建筑物的功能,特点,运用要求等,合理安排好水闸与枢纽其他建筑物的相对位置。5、泄水闸设计5.1 闸型选择闸室结构有开敞式,胸墙式,涵洞式和双层式等。开敞式闸室亦称堰流式闸室,其泄流特点是闸门全开时过闸水流具有自由水面,一般底板高程较高,挡水高度较小的水闸都采用这种型式。胸墙式和涵洞式闸室亦称孔流式闸室,其泄流特点是闸门全开时过闸水流只能通过固定孔洞下泄,自由水面受到闸室顶部的固定结构部件(如胸墙或涵洞顶板)所挡,一般底板
21、高程较低,挡水高度较大的水闸常用这种闸室结构型式。双层式闸室亦称混合泄流式闸室,是一种分上下两层,分别装设闸门,既具有面层泄流能力,又具有底层泄流能力的闸室结构。因为此枢纽的底板高程较高,正常挡水高度在5米以内,较小,所以采用开敞式。当闸门全部打开时,闸室过水断面积和泄流量都随着水位的抬高而增大。另外,由于过闸水流不受任何阻挡,大量漂浮物可随着水流下泄,不致堵塞闸孔,因此有排冰,过木的作用。5.2 闸门闸门有弧形闸门和平面闸门。弧形闸门具有重量轻,受力条件好,比同跨度平面闸门要求的启闭机容量小,启闭机运用灵活,不需设置门槽,过闸水流顺畅等优点,因此挡水高度和闸孔孔径均较大,需由闸门控制泄水的水
22、闸宜采用弧形闸门。当永久缝设置在闸室底板上时,由于底板的整体性较差,在地基不均匀沉降的情况下,较易造成闸底板顶面高低不平,闸墩侧向倾斜的现象,从而改变闸孔形状,使得对闸孔变形很敏感的弧形闸门很难适应,因此宜采用平面闸门。如果采用弧形闸门,必须根据地基情况考虑地基的不均匀沉降对闸门强度,止水和启闭的影响。根据当地的情况,此枢纽在正常运行条件下,上游水位必须维持在35m正常水位,所以闸门必须经常提起和放下,考虑到平面闸门由于水流的冲击,闸门槽和闸门衔接不良,可能会产生振动,影响闸室稳定和挡水,另外,弧形闸门运用灵活,效率高,开启时间短。因此选用弧形闸门。不过,要对地基做一定的处理。弧形闸门作工作闸
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