水工设计.docx
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水工设计
目录
1基本资料2
1.1基本规划2
2闸址的选定2
2.1闸址处的地质资料2
2.2闸址的选定要求3
3选型5
3.1堰型的选择5
3.2闸底板的选择5
3.3闸墩选择5
3.4翼墙选择6
3.5分缝6
4闸孔设计6
4.1闸室形式6
4.2闸孔形式6
4.3闸孔总宽度及孔数7
4.3.1闸前水头7
4.3.2侧收缩系数7
4.3.3淹没系数7
4.3.4闸孔数及单宽计算8
4.4闸室总净宽8
4.5流量校核9
5消能防冲设计9
5.1消力池的构造9
5.2消力池深度10
5.3消力池长度10
5.4消力池底板厚11
5.5海漫11
5.6防冲槽12
6闸室布置12
6.1底板12
6.2闸墩尺寸及形式12
6.3闸顶高程13
6.4闸门及启闭机13
6.5工作桥,交通桥,检修桥13
1基本资料
本工程位于流过山东省淄博市境内的淄河中游,距齐鲁石化进水闸的下游约2公里处设置的节制闸。
目的是拦截淄河水流,抬高水位,以确保国家重点企业齐鲁石化和近数十万亩农田灌溉的供水。
淄河由沂蒙山脉为源头,从南至北,经临朐、青州、淄博、广饶汇入小清河,再流入渤海。
淄河是一条季节性河流,汛期时来水流量较大,通常约600m3/s;枯水期时河流干涸,河床能行人。
每当汛期山洪暴发,水流夹带大量泥砂,河床沉积着较厚的砂砾,而两岸的地表土为亚粘土。
1.1基本规划
流域面积:
1670平方公里。
设计流量(5年一遇):
Q=560m3/s,相应的闸上水位:
34.55m,闸下水位:
33.75m。
校核流量(20年一遇):
Q=1300m3/s,相应的闸上水位:
36.35m,闸下水位:
35.62m。
蓄水期水位:
1.正常蓄水位:
闸上34.55m,闸下29.98m(闸下无水)。
2.最高蓄水位(校核水位)闸上35.90m,闸下31.98m。
3.恶劣放水水位:
闸上35.90m,闸下30.98m。
闸下水位与流量关系如下表1:
流量Q(m3/s)
0
50
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
水位H(m)
29.98
30.26
30.78
31.50
32.00
32.71
33.12
33.75
34.18
34.71
34.99
35.24
35.44
35.56
35.62
2闸址的选定
2.1闸址处的地质资料
根据钻探孔(见地形图)的地质资料看出,因受河流冲积影响,土层变化情况较复杂。
具体如下:
1#钻孔:
位于淄河左岸上,自地面高程约36.00m向下至28.50m为亚粘土,土质坚实;高程28.50m至26.00m为粉质粘土,较坚实;高程26.00m至21.00m为粉土;高程21.00mm至15.00m为粉质粘土。
2#、3#、4#、5#钻孔:
同1#钻孔地质资料。
6#钻孔:
位于淄河主河槽中,自河底高程29.98m至27.40m为冲积的砂砾;高程27.40m至26.20m为粉质粘土;高程26.20m至21.50m为粉土;高程21.50m至15.20m为粉质粘土。
7#、8#、9#、10#钻孔:
基本同6#钻孔地质资料。
地基土物理力学指标如下表2:
土质
容量
(g/cm3)
饱和容量
(g/cm3)
渗透参数
k(cm/s)
允许渗透
坡降[J]
压缩模量
E(KN/cm3))
孔隙比
e
抗剪指标
磨擦角
(度)
凝聚力
C(N/cm2)
亚粘土
1.81
2.0
4×10-5
1.1
600
0.8
18
1.6
粉质粘土
1.68
1.91
3×10-4
1.0
800
0.85
16
1.1
粉土
1.56
1.84
1×10-4
0.8
1200
0.9
14
0.9
参照附近水利工程抗冲流速的资料:
亚粘土的抗冲流量V0=1.9m/s,粉质粘土的抗冲流速V0=1.7m/s,粉土的抗冲流速V0=1.0m/s。
2.2闸址的选定要求
闸址的悬着关系到工程的成败与经济效益的发挥,是水闸设计中的一项重要内容,英根据水闸的功能,特点和运用要求,综合考虑地形,地质,水流,潮汐,泥沙,施工,管理和周围环境等因素,通过技术经济比较,选定最佳方案。
闸址宜选择在地形开阔,岸坡稳定,岩土坚实和地下水位较低的地点。
应优先选用地质条件良好的天然地基,壤土,中沙,粗砂和沙砾石都适于作为水闸的地基。
应尽量避开淤泥质土和粉,细沙地基,必要时应采取妥善的处理措施。
经地质查勘,选定在淄博市临淄区以南,距齐鲁石化进水闸约2km处淄河的左岸河湾里。
该处地势开阔,地质条件较好,便于多方案的比较,以便选出理想的闸址。
其中,拦河闸应选在河道顺直,河势相对稳定的河段,闸的轴线宜与河道中心线正交,其上下游河道直线段不宜小于5倍水闸进口处水面宽度。
由此,现拟定以下三种方案:
方案一,节制闸修建在图1所示的位置,具体位置在孔6处。
图1,节制闸方案一
方案二,节制闸修建在图2的位置,具体位置在孔9附近。
图2节制闸方案二
方案三节制闸修建在图3的位置,具体位置在孔1和孔2之间
图3节制闸方案三
综合考虑地形,地质,水流,潮汐,泥沙,冻土,冰情,施工,管理,周围环境等因素,经技术经济比较后选定方案三。
3选型
3.1堰型的选择
常用的堰型有:
宽顶堰和低实用堰。
宽顶堰:
有利于泄洪、冲砂、排污、排冰,且泄流能力比较稳定、结构简单、施工方便;但自由泄流时流量系数较小,容易产生波状水跃。
低实用堰:
自由泄流时流量系数较大,水流条件较好,但泄流能力受尾水位变化的影响较为明显,不如宽顶堰泄流时稳定,同时施工也较宽顶堰复杂。
3.2闸底板的选择
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,底板高程定得高些,闸室宽度大,两岸连接建筑相对较低。
闸室底板厚度应根据闸室地基条件,作用荷载及闸孔净宽等因素,经计算并结合构造要求确定.闸室底板顺水流向长度应根据闸室地基条件和结构布置要求,以满足闸室整体稳定和地基允许承载力为原则,进行综合分析确定.
对于拦河闸,其底板顶面可与河底齐平,因此可去闸底板高程为29.88米。
3.3闸墩选择
闸墩结构型式应根据闸室结构抗滑稳定性和闸墩纵向刚度要求确定,一般宜采用实体式。
闸墩的外形轮廓设计应能满足过闸水流平顺,侧向收缩小,过流能力大的要求.上游墩头可采用半圆形,下游墩头宜采用流线形。
闸墩厚度应根据闸孔孔径,受力条件,结构构造要求和施工方法等确定。
设计中墩的厚度为1.2m,边墩的厚度为0.8m。
3.4翼墙选择
3.5分缝
闸室结构垂直水流向分段长度(即顺水流向永久缝的缝距)应根据闸室地基条件和结构构造特点,结合考虑采用的施工方法和措施确定.对坚实地基上或采用桩基的水闸,可在闸室底板上或闸墩中间设缝分段;对软弱地基上或地震区的水闸,宜在闸墩中间设缝分段.岩基上的分段长度不宜超过20m,土基上的分段长度不宜超过35m.当分段长度超过本条规定数值时,宜作技术论证.永久缝的构造型式可采用铅直贯通缝,斜搭接缝或齿形搭接缝,缝宽可采用2~3cm。
4闸孔设计
4.1闸室形式
闸室结构形式有开敞式、胸墙式和涵洞式等形式。
开敞式闸室的特点是闸门全开时过闸水流具有自由水面,一般闸底板顶面高程较高,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,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,自由水面受闸室顶面固定部件所阻挡,一般闸底板顶面高程较低,挡水高度较大的水闸采用这种闸室结构形式。
节制闸过闸流量较小,挡水高度较低,因此采用开敞式闸室。
4.2闸孔形式
闸孔形式有宽顶堰和低实用堰两种。
宽顶堰有利于泄洪、冲沙、排污、排冰、且泄流能力比较稳定,结构简单,施工方便。
缺点是流量系数较小,闸后宜产生波状水跃。
低实用堰的优点是在自由泄流时的流量系数较大,水流条件较好。
但泄流能力受尾水位变化的影响较为明显,不如宽顶堰泄流时稳定,同时施工也较宽顶堰复杂。
根据节制闸的实际情况,比较两种堰型选用宽顶堰。
4.3闸孔总宽度及孔数
4.3.1闸前水头
闸前全水头:
m
4.3.2侧收缩系数
多孔闸堰流侧收缩系数(闸墩墩头为圆弧形):
(4-1)
中闸孔侧收缩系数:
(4-2)
边闸孔侧收缩系数:
(4-3)
式中B0——闸孔总净宽(m);
Q——过闸流量(m3/s);
Ho——计入行近流速水头的堰上水深(m);
m——堰流流量系数,采用0.385;
ε——堰流侧收缩系数,多孔闸按公式(4-1)计算;
b——单孔净宽(m);
n——多孔闸闸孔数;
ε1——中闸孔侧收缩系数,由表4-1查得,;
ε2——边闸孔侧收缩系数,由表4-1查得.
4.3.3淹没系数
淹没系数:
m
m
因为
,故为淹没出流。
根据
查表4-1宽顶堰的淹没系数得
表4-1宽顶堰淹没系数
0.80
0.81
0.82
0.83
0.84
0.85
0.86
0.87
0.88
0.89
1.00
0.995
0.99
0.98
0.97
0.96
0.95
0.93
0.90
0.87
0.90
0.91
0.92
0.93
0.94
0.95
0.96
0.97
0.98
0.84
0.82
0.78
0.74
0.70
0.70
0.65
0.59
0.50
4.3.4闸孔数及单宽计算
在底板高程为29.81m时,进行计算。
具体计算过程见表4-2。
表4-2闸孔数及单宽计算
上游引渠宽B
断面面积A
上游行进流速ν
闸前水头H
堰孔总净宽b
b/B
流量系数μ
淹没系数σ
孔数n
侧收缩系数ε
设计流量Q
52
420.16
3.094
6.958
48.40
0.93
0.385
0.97
4.00
0.99
1447.384
52
420.16
3.094
6.958
47.20
0.91
0.385
0.97
5.00
0.99
1411.498
52
420.16
3.094
6.958
46.00
0.88
0.385
0.97
6.00
0.98
1361.423
52
420.16
3.094
6.958
44.80
0.86
0.385
0.97
7.00
0.98
1328.846
由计算过程可以看到,设计孔数为7时流量最接近设计流量,但是设计孔数为6、堰孔净宽为8.7m,仍能较好的满足流量要求。
本设计中采用孔口数为6,堰孔净宽为8.7m。
则闸孔的总净宽为46m。
4.4闸室总净宽
根据给定的设计流量、上下游水位和初拟的底板高程及堰型,计算闸室总净宽。
中墩厚度为1.2m,边墩厚度为0.8m。
闸室总宽度
m
4.5流量校核
在设计孔口数为6孔,单孔净宽为8.7m的情况下,闸的过流量为1361.40m3/s,20年一遇的校核流量为1300m3/s。
计算可得闸的过流能力超过设计流量的4.5%,符合要求。
5消能防冲设计
水闸发生泄水时,部分势能转化为动能,流速增大,而土质河床抗冲刷能力低,所以,闸下冲刷是一个普遍的现象。
不危害建筑物安全的冲刷,一般说来是允许的,但对于有害的冲刷,则必须采取妥善的防范措施。
闸下消能,防冲是水闸设计的一项重要内容。
为了保证水闸的正常运行,防止河床冲刷,一方面尽可能消除水流的动能,消除波状水跃,并促使水流横向扩散,防止产生折冲水流;另一方面要保护河床及河岸,防止剩余动能引起的冲刷。
水闸消能有方式有底流式、面流式和挑流式等三种,底流式是应用比较广泛的基本消能方式。
根据节制闸实际情况,可采用底流式消能。
这种消能形式由消力池、海漫和防冲槽等三部分组成。
5.1消力池的构造
消力池底板一般用标号C15或C20混凝土浇筑而成,并配置合适的钢筋。
大型水闸消力池底板的顶,底面均需配置钢筋,中小型水闸消力池底板可只在顶面配筋。
对于消力墩等辅助消能设备,由于承受水流的直接冲击,可能遭受空蚀破坏,有时还受到漂浮物的撞击和泥沙磨蚀破坏等作用,应采用更高标号的混凝土,并配置适量的构造钢筋。
为增强护坦的抗滑稳定性,常在消力池的末端设置齿墙,为了减小作用在护坦上的扬压力,可在水平段的后半部设置排水孔,并在该部位地步设置反滤层。
为增强消力池的稳定性,护坦板垂直水流向一般不分缝,顺水流方向分缝,并应与闸室分缝间错布置。
有防渗要求的缝要设置止水。
在消力池与闸室底板,翼墙及海漫之间,均应设置沉降缝。
5.2消力池深度
水闸设计规范中的设计公式如下:
(5.1)
(5.2)
(5.3)
(5.4)
式中 d---消力池深度(m);
σ0---水跃淹没系数,可采用1.05~1.10;
h″C---跃后水深(m);
hC---收缩水深(m);
α---水流动能校正系数,可采用1.0~1.05;
q---过闸单宽流量(m2/s);
b1---消力池首端宽度(m);
b2---消力池末端宽度(m);
T0---由消力池底板顶面算起的总势能(m);
ΔZ---出池落差(m);
h's---出池河床水深(m).
计算简图见图5.1,具体计算见附表1.由附表1的计算结果知消力池深度取1.51米
图5.1
5.3消力池长度
消力池长度可按公式5.5和公式5.6计算
LsJ=Ls+βLJ(5.5)
LJ=6.9(h"C-hC)(5.6)
式中 LsJ---消力池长度(m);
LS---消力池斜坡段水平投影长度(m);
β---水跃长度校正系数,可采用0.7~0.8;
LJ---水跃长度(m).
具体计算见附表1,由附表1可得消力池的长度可取20米
5.4消力池底板厚
消力池底板厚度可根据抗冲要求,按公式5.7计算
(5.7)
式中 t---消力池底板始端厚度(m);
ΔH'---闸孔泄水时的上,下游水位差(m);
k1---消力池底板计算系数,可采用0.15~0.20.
具体试算过程见附表1,根据附表1的计算结果可取消力池厚度为1.3米
5.5海漫
(1)海漫长度计算:
当
=1~9,且消能扩散良好时,海漫长度可按公式5.8计算:
(5.8)
式中 Lp---海漫长度(m);
qs---消力池末端单宽流量(m2/s);
Ks---海漫长度计算系数,可由表5-1查得
表5-1Ks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
Ks
14~13
12~11
10~9
8~7
具体计算见附表1,按照附表1的计算结果可取海漫长度为37米。
(2)海漫结构
一般在海漫起始段做5~10m的浆砌石水平段;水平段后做成不陡于1:
10的干砌石斜坡段,以使水流均匀扩散,调整流速分布,保护河床不受冲刷。
海漫水平段取10m,斜坡段27m,坡度为1:
10,厚度为0.5m,下面铺15cm厚的砂垫层。
5.6防冲槽
水流经过海漫后,尽管多余的能量得到了进一步的消除,流速分布接近河床水流的正常状况,但海漫末端仍有冲刷现象。
为保证安全和节省工程量,常在海漫末端设置防冲槽或采取其他加固设施。
参照已建水闸工程的实践经验,防冲槽大都采用宽浅式,其深度
一般取1.5—2.5米,此设计中可取1.5米;底宽b取2—3倍的深度,此时取3米;上游坡率取2,下游坡率取2。
6闸室布置
6.1底板
闸室底板有整体式和分离式两种,对软弱地基上或地震区的水闸多采用整体式底板,而在坚硬、紧密或中等坚硬、紧密的地基上宜采用分离式底板。
节制闸地基土以粉质壤土、粉质粘土和中砂为主,承载力不大,故选用整体式结构。
底板沿顺水流方向的长度,取决于上部结构布置并满足结构强度和抗滑稳定要求。
底板长度可根据经验拟定,砂土和砂壤土地基,可取(2.0~4)H,(H为上下游最大水位差)即(2.0~4)×4.92=9.84~19.68m,因此取底板长为16m。
闸底板厚度必须满足强度和刚度要求,大中型水闸一般取1~2米,因此本闸可取1米。
底板尺寸见图6-1:
图6.1底板尺寸示意图
6.2闸墩尺寸及形式
闸墩分中墩和边墩两种。
闸墩厚度必须满足稳定和强度的要求,闸墩头尾部均采用半圆形。
闸墩长度取?
门槽深度取0.2m,宽度取0.5m;检修门槽深度取0.2m,宽度取0.2m。
图6.2闸墩尺寸示意图
6.3闸顶高程
6.4闸门及启闭机
闸门形式的选择,应根据运用要求、闸孔跨度、启闭机容量、工作造价等条件比较确定。
工作闸门采用钢筋混凝土平板门,单孔闸门宽度为2.5m,高为2.7m,距闸墩上游边缘2.5m。
启闭机设在工作桥上,采用螺杆式启闭机提升闸门。
6.5工作桥,交通桥,检修桥
由于交通需要,在闸墩顶部应设置交通桥,为了安装闸门启闭机和便于操作管理,需要在闸墩上设置工作桥,为了满足闸室,闸门的检修和和便于启,闭检修闸门,需要在闸墩上设置检修便桥。
交通桥,工作桥和检修便桥可根据闸孔孔径,闸门启闭机型式及容量,设计荷载标准统一考虑。
小型水闸的工作桥一般采用板式结构,高度视闸门和启闭设备的形式及闸门高度而定。
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