圆筒式放水塔及涵洞结构计算书.docx
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圆筒式放水塔及涵洞结构计算书.docx
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圆筒式放水塔及涵洞结构计算书
、溢洪道加固设计
溢洪道位于大坝右侧,为开敞式宽顶堰溢洪道。
根据安全评价报告及其结论:
溢洪道浆砌石外包砼结构边墙,两侧浆砌石衬砌开裂、老化严重,底板冲刷破坏有裂缝,裂缝宽为2cm;溢洪道尾部出现冲刷坑。
经本次水文分析计算,溢洪道泄洪不满足要求。
基于溢洪道存在上述的问题,需要对溢洪道进行除险加固处理。
5.5.1溢洪道除险加固设计
溢洪道位于大坝右侧,堰顶高程为102.87m,堰顶宽度为20.0m。
溢洪道原浆砌石老化严重,底板冲刷破坏有裂缝,尾部出现冲刷坑,且泄洪能力不满足要求。
本次初步设计,拟加固溢洪道左岸浆砌石边墙及底板,拆除右岸浆砌石边墙,加宽溢洪道5m,以致其由原来净宽20m增至25m;并加固溢洪道连接段底板。
5.5.2基本资料
堰顶高程:
H=i0i.87m;
正常水位:
h正=101.87m;
设计水位:
h设=103.23m;
洪峰流量:
h(P=2%)=96.90m3/s;
最大泄量:
Q设=77.52m3/s;
校核水位:
h校=103.79m;
洪峰流量:
h(P=%)=133.40m3/s;
最大泄量:
Q校=112.73m3/s。
5.5.3水面曲线计算及边墙高度确定
1、水面曲线计算本次初步设计,溢洪道分为二段泄水槽计算。
第一段泄水槽长度
Li=18.50m进口段水深hi=1.92m槽底宽度B=25.0m坡比匸()/=;第二段水
深h2=hi末,泄水槽长度Li=3.70m宽度均为B=25.0m坡比I=()/=。
计算公式采用成都科技大学编写的《水力学》为:
△S=(E2-Ei)/(I-J)式中:
Esi=ho+ui2/2g
E?
2=hi+u22/2g
J=(J+J0/2
J=u2/C2R
C=R6/n
A=
X=b+2h
R=A/X
△S--计算流段长度(m),E---断面比能(m),
J—水力坡度,
U—断面平均流速(m/s),
A---过水断面面积(m2),
b---断面水面宽度(m),
X---S周(m),
R---水力半径(m),
C---谢才系数,
n—泄水槽粗糙系数,浆砌石水泥砂浆抹面取n=
计算结果如表、表和表。
表第一段水面线计算成果表(坡降i=,段长Li=18.5m)
计算断面
计算水深(m)
过水断面面积
(m2)
流速(m/s)
距始端距离(m)
1
2
3
4
5
第一段泄水槽:
正常水位:
ho=O.4O6m;临界水深:
hk=1.275m;
临界坡度:
lk=;因h0 计算断面 计算水深(m) 过水断面面积 (m2) 流速(m/s) 距始端距离(m) 1 2 3 4 5 第二段泄水槽: 正常水位: ho=O.245m;临界水深: hk=1.275m; 临界坡度: lk=;因ho 2、边墙高度的确定 H=hc+a 式中: H--边墙高度(m), Hc--校核工况水深(m), 安全超高(m),取a=0.5m。 5.5.4消能计算 原溢洪道为矩形泄水槽,平均宽度b=14.00m。 无消力池长度和海漫长 度设施。 本次消能计算采用《水力学》公式为: E0=b+Q2/2gt2Ak2 式中: E---断面比能(m), he--边墙咼度(m), 2—流量系数,取, Ak—临界水深过水断面面积(m2)。 计算结果如表。 表消能计算成果表 单宽流量 (m3/) 堰顶水深 ht(m) 跃前水深 hc(m) 跃后水深 hc"(m) 消力池水 深T(m) 消力池长度 Lk(m) 备注 经采用计算机《理正消能工水力计算》软件计算,消力池水 跃长度为L=11.30m出口断面落差0.45m。 因此,消力池设计长度采用4=11.50m探度d=0.50m,满足设计要求。 5.5.5溢洪道加固设计 (1)基本资料 土的内摩擦角(水上): ①上=25°; 土的内摩擦角(水下): ①下=18°; 土的湿容重: 丫s=18KN/m3; 土的浮容重: 丫f=10KN/m3; 浆砌石容重: 丫j=21KN/m3; 墙后水位: H=1.00m; 地基与墙基摩擦系数: f=。 (2)挡土墙结构设计 本次设计挡土墙结构、消力池结构如图苏六-初设-溢洪道 (1)。 (3)稳定计算方法和工况 挡墙稳定分析按重力式挡土墙验算,计算工况为溢洪道挡土墙最不利及正常运行情形,即溢洪道泄槽无泄洪(墙前无水)及泄洪(墙前处于校核水位)的工况。 a.抗滑稳定计算 Kc 式中: Kc――基底抗滑稳定安全系数; f——基底面与地基接触面的抗剪断摩擦系数,f=; 刀G――作用于挡墙上的全部竖向荷载(包括挡墙基础底面上的扬 压力,kN); 刀H作用于挡墙上的全部横向荷载(kN); b.抗倾稳定计算 Ko My Mo 式中: Kf—闸室抗浮稳定安全系数; My—作用于墙体的荷载对墙前趾产生的稳定力矩; M。 一作用于墙体的荷载对墙前趾产生的倾覆力矩; K。 一抗倾覆稳定完全系数。 c.基底应力验算 Pmaxmin GM AW 式中: Pmax/min翼墙基底应力的最大值或最小值(kPa); 刀G――作用于翼墙上的全部竖向荷载(包括基础底面上的扬压力,kN); A——翼墙基底面的面积(m2); M――作用于翼墙上的全部竖向和水平向荷载对于基础 底面形心轴的力矩(kN•m); W——边墙基底面对于该底面形心轴的截面矩(m3) (4)计算结果和分析 溢洪道控制段边墙稳定、应力计算成果详见表及表。 表第一段溢洪道边墙(墙高H=2.2m)稳定计算成果 计算内容 计算工况 计算值 允许值 计算结果判断 抗滑稳定安全系 数Kc 无泄洪 满足规范要求 泄洪 满足规范要求 抗倾覆安全系数 Ko 无泄洪 满足规范要求 泄洪 满足规范要求 地基应力 无泄洪 [d]=250kpa 满足规范要求 泄洪 [d]=250kpa 满足规范要求 计算结果表明,溢洪道边墙稳定,不会产生墙体沿基底滑动破坏和墙体 倾覆,基底应力满足规范要求。 表第二段溢洪道边墙(墙高H=1.00m)稳定计算成 果表 计算内容计算工况计算值 允许值 计算结果判断 抗滑稳定安全系 数Kc 无泄洪 满足规范要求 泄洪 满足规范要求 抗倾覆安全系数 Ko 无泄洪 满足规范要求 泄洪 满足规范要求 地基应力 无泄洪 [d]=250kpa 满足规范要求 泄洪 [d]=250kpa 满足规范要求 计算结果表明,溢洪道边墙稳定,不会产生墙体沿基底滑动破坏和墙体倾覆,基底应力满足规范要求。 二放水塔设计 原放水设施为无压输水涵洞及筒塔式结构。 由于建筑材料年久老化,所有砌体砂浆脱落,部分斜管局部出现有裂缝,漏水严重;穿坝平管有掏空现象。 另外,根据地形和当时施工条件限制,输水涵管断面尺寸仅为①=0.5m, 无法进人检修;梯级放水台阶高度不一。 汛期输水灌溉,较难操作,且造成生命危险。 本水库四周环绕村庄,且在大坝左岸大片山头进行了生态农业开发--果树 种植承包。 本次初步设计,拟废弃原输水涵管,新建输水隧洞和圆筒式放水塔。 一、基本资料 (1)、各种特征水位 根据水文核算,各水库各种特征水位如下: 正常设计流量: Q正= m3/s; 正常设计水位: H正= m; 设计洪水位: H设= m; 校核洪水位: H校= m; 死水位: H死= m; 最大引水流量: Q引= m3/s< (2)、地质情况 放水塔地基为强风化粉砂岩,裂隙较发育,透水性中等。 、结构形式 放水塔采用钢筋混凝圆筒式结构,筒高m,采用一级放水。 设有检修 闸一扇、工作闸各一扇,均为钢闸门,尺寸均为(bxh)=xi.4m。 塔身为圆筒式结构,壁厚高程m以上为30cm,筒顶高程m。 筒顶以上为圆筒式砖 混结构启闭平台,高程为m,层高3.00m。 放水塔之后与放水隧洞相连。 三、启闭机型号的选择 1、闸门自重的估算 G(查商家材料表) 2、启门力的计算 计算公式: FQ=Nt(Tzd+Tzs+W)+ 式中: Fq---启门力(kN); Nt---摩阻力安全系数,取; ng---闸门自重修正系数,取; Tzd---支承摩阻力(kN); Tzs---止水摩阻力(kN); W—门顶上水柱重(kN); G—闸门自重(kN)。 3、支承摩阻力的计算 计算公式: Tzd=P(Yf+fo)/R 式中: 水的容重 丫=10kN/m3; 总水压力 P=YhB; 轴轮半径 Y=3.25cm; 液轮半径 R=20cm; 钢与钢的滑摩系数 f=; 液摩系数 fo=0.1cm。 4、水柱自重的计算 W=丫(H-h)SB。 5、止水摩阻力的计算 计算公式: Tzs=Y式中: 止水橡皮与闸槽面的接触宽度 b1=0.02m; 作用水头H=H-h/2(m) 止水橡皮与闸槽面的摩擦系数f=;贝止水摩阻力为: Tzs=y(kN)。 6、启门力的计算 启门力(Fq)为: FQ=Nt(Tzd+Tzs+W)+ 7、闭门力的计算 采用公式: Fw=nt(Tzd+Tzs)-ngG 式中: Fw—闭门力(kN); ng—闭门时,闸门修正系数,取; 其余符号意义同上。 考虑到闸门上的水柱及拉杆重量,不须加重闸门,即可自行关闭。 所以,选用启闭机型号为LQ—10型。 四、进水能力的计算 放水塔进水能力通过流量为0.5m3/s。 现以进水闸开启度1/2的计算过水能力。 1、过水能力计算 采用大孔口自由岀流公式计算: Q=2卩bV2g式中: 卩一流量系数,取; b—孔口宽度,取b=0.80m; Hi—正常水位至闸门开启高度,Hi=3.17mH2--正常水位至闸门 底高度,H2=3.87m。 五、通气孔的断面设计 为了减少闸门的启闭力,拟在放水塔的工作闸门后设置通气孔。 通气孔的断面设计,按天津大学主编的《水工建筑物》公式(2-62)进行计算。 即,Qa= a>Qa/Va 式中: Qa—通气孔的通气量; Vw—闸门孔口的水流速(m/s); A--闸门后隧道面积(m2); Va—通气的容许风速,采用2.0m/s; a---通气孔的断面积(m2)。 拟采用圆形断面通气孔,通气孔直径(D)为: D=V4a/n(m) 因此,确定选用1孔直径D=10cm。 六、结构稳定计算 本次设计为初步设计,因此仅对检修时期和运用时期进行稳定计算。 (1)、检修时期稳定计算 计算情况: 采用正常水位闸室无水,放水塔外为正常水位进行计算。 计算公式为: max=刀G/F+X 式中: bmax—最大地基应力(mpa)bmin—最小地基应力(mpa)刀G---垂直荷载总和(KN); F—底板面积(m2); My---合力重新到形心产生的弯矩(); yc---底板形心到底板上下游边缘的距离(m); Ix底板惯性矩(m4)。 经计算,正常水位闸室无水,放水塔外为正常水位的情形,其计算 结果为: 底板面积: F=(D/2)2n(m2);底板惯性矩: Ix=nD4/64(m4)垂直荷载: 刀G=(kN); 以形心为距的弯矩: My=; 合力偏心距: e=EMi/刀Gi; 合力与底板上游边缘的距离: y上=h/2-e(m);合力与底板下游边缘的距离: y下=h/2+e(m); 贝max=EG/A+y上刀M/Ix (Tmin=EG/A+y下EM/Ix 由此可见,放水塔四周均受水压力的作用,水压力相互抵消,故不存在 抗滑稳定的问题。 再且,上部垂直重量大于浮托力EG=(kN),因此,也不 会发生放水塔浮起来。 (2)、运用时期稳定计算计算情况: 采用校核水位,放水塔闸室充满水进行计算。 计算结果为: 垂直荷载: EG=(kN); 以形心为距的弯矩: My=; 合力偏心距: e=EMi/EGi; 合力与底板上游边缘的距离: y上=h/2-e; 合力与底板下游边缘的距离: y下=h/2+e。 则,Cmax=EG/A+y上EM/Ix (Tmin=EG/A+y下EM/Ix由此可见,放水塔四周均受水压力的作用,水压力相互抵消,故不存在抗滑稳定的问题。 另外,上部垂直重量G=(kN),因此,也不会发生放水塔浮起来。 三、隧洞设计 5.7.1隧洞布置 隧洞主要任务是引水灌溉,引水流量Q=0.10m3/s,布置位于大坝的右坝肩。 为了减 少隧洞长度,隧洞中心线尽可能采用直线,进口与放水塔连接,出口与灌溉渠道连接。 总长度50m,坡降i=2%进水口底板高程为98.00m,出水口高程为97.00m。 5.7.2断面设计隧洞采用圆形洞顶及矩形洞身断面,钢筋混凝土衬砌的无压箱涵结构。 为便于施工及检修,拟定隧洞圆形洞顶半径R=0.6m,矩形洞身净宽度为B=1.20m,净高度为h=1.0m, 衬砌平均厚度为D=0.25m。 (1)、隧洞过水能力计算 本次设计隧洞过水能力计算,采用高等教育出版社,大连理工大学水力教研室编《水力学解题指导及习题集》,小孔口自由出流计算公式计算。 公式Q=卩AV2gHo 式中: 卩一孔口的流量系数,取口=, A---孔口断面面积(m2), Ho—作用水头(m),取Ho=O.5m(相应放水流量),贝U Q=xxxV2gx=1.22m3/s满足设计要求。 (2)、隧洞尺寸确定 经计算,隧洞采用圆形洞顶及矩形洞身断面,洞顶半径R=o.6m,洞身宽度B=1.2om, 高度h=1.om。 5.7.3结构计算 1)、基本资料 混凝土衬砌厚度 D=o.25m, 隧洞长度 L=5o.om, 过水控制流量 Q=o.5om3/s, 最大作用水头 H=5.79m, 工程等别IV! 小 (1)型), 混凝土强度设计值 C15, 钢筋强度设计值 n. 混凝土弹性模量 Ec=X105Pa, 钢筋弹性模量 Es=X105Pa, 钢筋保护层 a=3omm, 受力钢筋直径 D=12mnm, 洞顶土厚 h=5.8m。 (2)、计算公式 计算公式采用水利电力出版社《涵洞》及高等教育出版社,大连理工大学、天津大学编《结构力学》的力法典型方程进行计算。 计算公式: Xi+311+? ip=0 X2+322+? 2p=0 X3+333+? 3p=o 式中: X1、X2、X3---拱顶在弯矩、轴力、剪力作用下的未知力, 311、322、333---拱顶在弯矩、轴力、剪力作用下的位移系数, 1p、? 2p、? 3p---拱顶在弯矩、轴力、剪力作用下的位移。 5-5-1。 (3)、计算结果 拱顶、拱侧、底板各种内力计算如表 5.7.4应力计算 计算公式: bmax=SN/A+工M/W CTmin=艺N/A-艺M/W 表拱顶、拱侧、底板内力及应力计算成果表 拱的 部位 弯矩M () 轴力N (10KN) 剪力Q (10KN) 最大 弯矩 Mmax 最小 弯矩 Mmin 最大 轴力 Nmax 最小 轴力 Nmi 最大 剪力 Qmax 最小 剪力 Qmin 拱顶 拱侧 底板 上式中: TmaxTmin—分别为最大应力、最小应力(10kN/m2)工N---轴力的代数和(10KN), A---拱计算截面面积(m2),取A=(m2), W---拱计算截面抵抗矩(m3),取W=(m3)。 计算结果如表。
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