水工建筑物课程设计说明书

1 水工建筑物课程设计说明书 第一章 设计资料和枢纽设计 1、设计资料 程概况 前进闸建在前进镇以北的团结渠上是一个节制闸。本工程等别为等，水闸按 3 级建筑物设计。该闸有如下的作用： （ 1） 防洪。当胜利河水位较高时，关闸挡水，以防止胜利河的高水入侵团结渠下游两岸的底田，保护下游的农田和村镇。 （ 2） 灌溉。 灌溉期引胜利河水北调，以灌溉团结渠两岸的农田。 （ 3） 引水冲淤。 在枯水季节。引水北上至下游红星港，以冲淤保港。 划数据 （ 1） 团结渠为人工渠，其断面尺寸如图 1 所示。渠底高程为 宽 50m，两岸边坡均为 1： 2 。（比例 1： 100） 1:2图 1 团结渠横断面图（单位： m） （ 2） 灌溉期前进闸自流引胜利河水灌溉，引水流量为 300 。此时相应水位为：闸上游水位 下游水位 春枯水季节，由前进闸自流引水至下游红星港，引水流量为 100 ，此时相应水位为：下游水位 2 （ 3） 闸室稳定计算水位组合：设计情况，上游水位 游水位 核情况，上游水位 游水位 能防冲不利情况是：上游水位 游水位 水流量是 300 （ 4） 下游水位流量关系： （ 5）地质资料： 根据地质钻探报告，闸基土质分布情况见下表： 层 序 高程（ m） 土质概况 标准贯入击数（击） 粉质壤土 9 散粉质壤土 8 硬粉质粘土（局部含铁锰结核） 15根据土工试验资料，闸基持力层坚硬粉质粘土的各项参数指标为：凝聚力C=摩擦角 19 ；天然孔隙比 e=然容重 3KN/ 建闸所用回填土为砂壤土，其内摩擦角 26o ，凝聚力 0c ，天然容重318kN m 。本地区地震烈度在 6 度。 （ 6） 本工程等别为 ，水闸按 3 级建筑物设计。 （ 7） 闸上有交通要求，闸上交通桥为单车道公路桥 ，桥面净宽 宽 用板梁结构。每米桥长约种 80详见设计书插图） （ 8） 该地区“三材”供应充足。闸门采用平面钢闸门，尺寸自定，由工厂加工。不考虑风浪的作用，胜利河为少泥沙河道（含少量推移质泥沙） 2. 枢纽设计 水口防沙设施设计 胜利河为少泥沙河流，防沙要求不高，为防止泥沙进入引水渠，防沙设施设拦沙坎即可，水电站进水口设计规范 5398规定其高度为 m，流量 3水位 H(m) 3 取其高度为 水渠的布置 取水方式确定 : 由于胜利河为少泥沙河道，防沙 要求不高，且取水期间河道的水位和流量能够满足取水要求，故取水方式可设计成无坝取水。 引水口位置选择 : 胜利河在流经灌区时有一个明显的弯道，可利用弯道环流原理，将引水渠的引水口设在胜利河凹岸顶点位置稍偏下游处，该位置距弯道水流拐点的长度可由公式计算： 1/4 式中： L 进水闸至引水口弯道起点的距离 K 与渠道分沙比有关的系数一般取 K= R 河道的弯道半径 B 河道河槽的宽度 由此可确定引水口位置 引水渠的方位确定 :为使弯道水流平顺进入引水渠，根据规范，取 引水渠中心线与河道水流方向夹角即引水角不超过 30 度。（取 25 度） 其他相关资料 （ 1） 闸上有交通要求。根据当地交通部门的建议，闸上交通桥为单车道公路桥，桥面净宽为 宽为 用板梁结构。每米桥长约重 80图。 （ 2） 该地区“三材”供应充足。闸门采用平面钢闸门，尺寸自定，有工厂设计、加工制造。 第二 章 闸孔设计 1. 闸室结构设计 室结构型式的确定 由于闸室地基土质为坚硬粉质粘土 ,土质均匀 ,承载力较大 ,因此选用整体式平底板闸室，且闸前水位最大可达到 低水位可达 减少闸门高度，因此设计成胸墙式闸室。 型选择 由于水闸有防洪冲淤的任务，故堰型采用宽顶堰，它有利于泄洪 ，冲沙，排污，且泄流能力稳定，结构简单，施工方便。 定闸顶高程 设计情况下，上游水位 游水位 核情况下，游水位 考虑风浪情况，则课本 76 页公式 3a 所以取 4 定闸底板高程 闸底板应尽可能置于天然坚实的土层上，在满足强度等条件下，高程应尽可能高一些。一般情况下，闸底板高程定为 河底齐平。 2. 确定闸门孔口尺寸 算闸孔总净宽 灌溉期：上游水位 游水位 量 300 上游水深 9 0 1 ，下游水深 9 0 1 过水断面 上游行近流速 63 30 00 行近水头 Hh s 属淹没出流。 由水闸设计规范 2001 查得当 ， 初步设计认为 385.0m ， 由公式 枯水季节：上游水位 游水位 量 100 上游水深 ，下游水深 9 0 1 过水断面 上游行近流速 22 10 00 行近水头 Hh s 属淹没出流。 由水闸设计规范 2001 查得当 ， 5 初步设计认为 385.0m ， 由公式 由于应选用最大过闸单宽流量，故应选最大闸孔总净宽，因此综合 两种情况 ,闸孔总净宽取值为 时单宽流量 )*/(0 ，由地质资料知闸地基处为坚硬粉质粘土，可取 20*/(3 故满足要求 数及单孔宽度的选定 为了保证闸门对称开启，使水流过闸均匀，孔数宜采用单数。我国大中型水闸单孔宽度一般采用 8选 3n 孔，选单孔净宽 20 。 根据规范上游闸墩头部均采用半圆形，下游闸墩头部采用流线形，厚 ，边墩取 孔总宽度为： 022123)1(01 渠道宽 室总宽度应与渠道宽度相适应，两者的比值为 40/50=合要求。 闸孔尺寸示意图见图 2例 1： 100） 6 图 2 单位： m） 闸泄流能力验算（查阅水闸设计规范 溉期过流验算： 上游水位 游水位 量 300 对 于中孔： 20 ， 2)212 121(40000 dl 于边孔： 20 ， 4350( 1( 3( nn 水闸泄流能力 2/32/300 大于 300 满足要求 。 水期过 流验算：上游水位 游水位 量 100 对于中孔： 20 ， 1)211 111(40000 dl 对于边孔： 10 ， 4350( 1( 3( nn 水闸泄流能力 7 2/32/300 大于 100 满足要求 。 第三章 消能防冲设计 1. 消力池设计 定消能型式 由于本闸所处渠道底部为粉质粘土，抗冲刷能力较低，故采用底流式消能。 定消能计算工况 由第二章计算已知，灌溉期和枯水期水位时闸门全开引水，均为淹没出流，无须消能。当引水流量为 300 ，上游水位 游水位 ，为 最不利的工况，取该工况为计算工况 算工况时上下游水面连接形态的判别 引水流量为 300 ，上游水位 游水位 上游水位 1 9 0 4 ，下游水位 9 0 1 该工况情况下，关闸挡水，部分闸门不完全开启，下游水位较低，闸孔射流速度大，最容易造成渠道的冲刷。消力池设计采用挖深式消力池，消力池首端宽度采 8 用闸孔总宽 0m，末端宽度采用河底宽度2 50 保证 水闸安全运行，可以规定闸门的操作规程，本设计按闸孔对称方式开启运行，分别为开启 3孔和中间 1孔 当闸门不完全开启，闸孔射流速度较大，比闸门完全开启时更容易引起渠床的冲刷，取闸门相对开启从 于 于堰流） 过水断面 上游行近流速 41 30 00 行近水头 下游水深 9 0 1 宽顶堰闸孔出流流量公式001 2 ，01 /1 由相对开启高度 查水力学 354 页表 9得， 取 0.9 0 ，假设水跃在最小收缩断面开始发生，由水闸设计规范可得： 跃后水深 2002 )(181(2 ，根据 02 关系判别水跃形态 计算表格如下： 9 开启孔数垂直收缩系数 闸孔流量系数 1 泄流量态3 没式3 没式3 没式3 没式3 没式3 没式3 没式3 没式3 没式3 没式3 没式3 没式1 没式1 没式1 没式1 没式1 没式1 没式1 没式1 没式1 没式1 没式1 没式1 算计算工况闸门全开自由堰流状态下水跃形态 由迭代公式求收缩水深)(2 01 )*/( ， 01 代入迭代公式可得： ， ， ， ， ， 由此可得 1 8 假设水跃在最小收缩断面发生，跃后水深 (181(2 2002 tc 02，故也发生淹没式水跃 论 由以上计算可知，上下游水位的连接形态为淹没式水跃，这种情况对底部冲刷不太严重，不需要修建消力池 ,但应按要求设计相应的护坦。 坦尺寸设计 孔按 1 孔和三孔对称开启时时 跃前水深和跃后水深最大差值为 此为计算控制工况 水跃长度 ；按规范取 10 考虑到闸底板的厚度，按规范取 2m，护坦与闸底板用斜坡连接，坡度 1： 4 护坦长度 ，取 4护坦厚度 1k 取 )*/( ， H 为上下游水位差 ，取 门全开自由堰流状态时 跃前水深和跃后水深差值为 3 水跃长度 ；按规范取 护坦长度 护坦厚度 1k 取 )*/(0 3 ， H 为上下游水位差 合以上计算情况，可以确定护坦长度 4，护坦厚度 2. 海漫的设计 水流经过护坦淹没式消能，虽已消除了大部分多余能量，但仍留有一定的剩余动能，特别是流速分布不均，脉动仍较剧烈，具有一定的冲刷能力。因此，护坦后仍需设置海漫等防冲加固设施，以使水流均匀扩散，并将流速分布逐渐调整到接近天然河道的水流形态。 根据实际工程经验，海漫的起始段采用长为 10 米的水平段 ,其顶面高程与护坦齐平 , 水平段后采用 1:10 的斜坡 ,以使水流均匀扩散；为保护河床不受冲刷，海漫结构采用干砌石海漫结构 按公式 H 为上 下游水位差 2k 为渠床土质系数，根据地质资料渠床为粉质粘土取 102 k q 为护坦出口处单宽流量，取最大值 )*/(0 3 ，取为 38m 根据实际工程经验，海漫的起始段采用长为 10 米的水平段 ,其顶面高程与护坦齐平 , 水平段后采用 1:10 的斜坡 ,以使水流均匀扩散；为保护河床不受冲刷，海漫结构采用干砌石海漫结构 11 水流经过海漫后，尽管多余能量得到了进一步消除，流速分布接近河床水流的正常状态，但在海漫末端仍有冲刷现象。为保证安全和节省工程量，在海漫末端设置防冲槽。 海漫末端的河床冲刷深度按公式 0 q 为海漫末端单宽流量，由消能防冲设计水位组合取 )*/(1030300 3 0v 为土质的不冲流速，查农田水利学 112页表 4为 s； t 为海漫末端河床水深，海漫前端水深为 ， 海漫 10m 水平段后有 1:10 的斜坡段，斜坡水平长度 则斜坡段在垂直向下降 即 故取防冲槽深度为 顶高程与海漫末端齐平，底宽取 5m，上游边坡系数为 2，下游边坡系数为 3。并在海漫末端预留足够块 径大于 30宽抛石量 3 1243 （ A 值按经验取 2 12 第四章 地下轮廓设计 1. 地下轮廓布置形式 合说明 按照防渗和排水相结合的原则，在上游侧采用铺盖、板桩、齿墙等防渗设施，延长渗径，以减小作用在底板上的渗流压力，降低闸基渗流的平均坡降；在下游侧设置排水反滤设施，如面层排水、排水孔排水或减压井与下游连通，使地基渗水尽快排出，防止在渗流出口附近发生渗透变形。 由于粘性土地基不易发生管涌破坏，底板与地基间的摩擦系数较小，在布置地下轮廓时，主要考虑降低作用在底板上的渗流压力。为此，在闸室上游设置水平防渗，而将排水设施布置在护坦底板下。由于打桩可能破坏粘土天然结构，故粘性土地基不设板桩。（具体图样见 小防渗长度的确定 防渗长度应满足式 的要求。根据地基为坚硬粉质粘土，渗径系数 43，取大值 3，取校核情况上游水位 游水位 上下游水位差 。于是 3 。 2. 闸底板设计 底板长度计算 闸底板顺水流方向长度，据闸基土为坚硬粉质粘土，闸室底板取 H) 为安全起见取系数为 3， H 上下游最大水位差为 底综合考滤取上部结构布置及地基承载力等要求，确定闸底板长 12m，齿墙深取 1m，在轮廓线上长度取 2m，与底板联成一体 底板厚度计算 闸底板厚度0)8/16/1( (0 12m) 8/126/12( ，取 底板结构 底板结构在垂直水流的长度上按经验每 25m 分段，每隔 3m 分横缝，防止温度变形和不均匀沉降。 13 3. 铺盖设计 盖材料选择 为充分利用灌区资源，减少投资，铺盖采用粘土铺盖；为防止铺盖被水流冲刷，应在其表面铺砂层，然后再砂层上在铺设单层或双层块石护面。 盖尺寸确定 铺盖长度 （铺 53 ,H 为上下游最大水位差取 4 铺， 取 5铺为方便施工，铺盖上游端取 1m，末端为 2m，以便和底板连接。 校核地下轮廓线的长度：根据以上设计数据，实际地下轮廓线长度 ，满足要求。 游翼墙设计 上游翼墙除挡土外，最主要的作用是将上游来水平顺导入闸室，其次配合铺盖其防渗的作用。其平面布置要与上游进 水条件和防渗设施相协调。顺水流流向的长度应满足水流要求，上游段插入岸坡，墙顶要超出最高水位 上游翼墙顶部高程 0 0 4 游翼墙设计 下游翼墙除挡土外，最主要的作用是引导出闸水流均匀扩散，避免出现回流漩涡等不利流态。翼墙平均扩散角采用 7 ,顺水流流向的投影长度应大于或等于护坦长度 24m，下游插入岸坡，墙顶一般高出最高泄洪水位。则下游翼墙墙顶高程 0 0 1 墙布置形式 根据地基条件，翼墙采用曲线式 ，从边墩开始向上游延伸铺盖的长度 15m，向下游延伸护坦的长度 24m 后，上下游翼墙以圆弧的形式转弯 90后 与岸边连接，使水流条件和防渗效果好 14 水设计 平排水： 水平排水采用反滤层排水，形成平铺式。排水反滤层一般是由 2次排列应尽量与渗流的方向垂直，各层次的粒径则按渗流方向逐层增大。 该水闸中的反滤层设计由碎石、中砂和细砂组成，其中上部为 20间为 10部为 10下图所示： 反滤 层布置图 （单位 直排水：本水闸在 护坦底板上设置三排排水孔，排距 用梅花形布置，孔径取 10距为 3m。 向排水：侧向排水布置应根据上、下游水位、墙体材料和墙后土质以及地下水位变化等情况综合考虑，并应与闸基排水布置相适应，在空间上形成防渗整体。 水设计 凡具有防渗要求的缝，都应设止水设备。止水分铅直止水和水平止水两种。前者设在闸墩中间、边墩与翼墙间以及上游翼墙铅直缝中；后者设在黏土铺盖保护层上的温度沉陷缝、护坦与底板温度沉陷缝、翼墙和护坦本身的温度 沉陷缝内。在黏土铺盖与闸底板沉陷缝中设置沥青油毛毡止水。典型的缝间止水如下图 15 横缝止水片沥青油毛毡典型的缝间止水示意图 第五章 渗流计算 闸底板的渗透压力计算采用改进的阻力系数法。 地基土为坚硬粉质粘土，厚度为 ,不透水厚度较大，所以应计算有效深度715120 ， 120 ， 593/27/ 00 计算深度 ，故 有效深度 1. 设计洪水位情况 流损失水头计算 设计情况下上游水位 游水位 位差 典型流端的阻力系数计算参照水工建筑物 310 页表 6口处修正系数 1 计算 (2)(1 5 6 16 12 ，所以 6 出口处修正系数 2 计算 (2)(1 5 98 ，所以 水头损失列于下表 各段渗透压力水头损 失（单位： m） 编号 名称 计算公式 S 2 T L hi 进口段 =S/T) 15 铺盖水平段 =(2)/T 0 1 13 15 齿墙垂直段 =2/ln /4*(1) 1 13 齿墙水平段 =(2)/T 0 0 12 2 齿墙垂直段 =2/ln /4*(1) 1 13 底板水平段 =(2)/T 1 1 13 15 齿墙垂直段 =2/ln /4*(1) 1 13 齿墙水平段 =(2)/T 0 0 12 2 出口端 =S/T) 15 45 比例 1： 100） 17 2 2 0 4 . 3 m 2 2 0 1 . 0 m 2 1 9 4 . 5 位： m） 水压力沿闸基分布如下图所示： （比例 1： 100） 18 水闸渗透压力分布图（单位： m） 各点的渗透压力值列表如下 各角点的渗透压力值 （单位： m） 基渗透变形 验算 出口处的逸出坡降 J 为 9 于容许值，满足要求。 2. 校核洪水位情况 流损失水头计算 校核情况下上游水位 游水位 位差 典型流端的阻力系数计算参照水工建筑物 310 页表 6口处修正系数 1 计算 (2)(1 9 7 12 ，所以 出口处修正系数 2 计算 (2)(1 1 5 19 98 ，所以 水 头损失列于下表 编号 名称 计算公式 2 T L hi 进口段 =S/T)铺盖水平段 =(L - 2)/T 0 1 齿墙垂直段 =2/ /4*(1 - S/T) 齿墙水平段 =(L - 2)/T 0 0 2 齿墙垂直段 =2/ /4*(1 - S/T) 底板水平段 =(L - 2)/T 1 1 15 齿墙垂直段 =2/ /4*(1 - S/T) 齿墙水平段 =(L - 2)/T 0 0 2 出口端 =S/T) 各段渗透压力水头损失（单位： m） 计算示意图如下：（比例 1： 100） 位： m） 水压力沿闸基分布如下图所示： （比例 1： 100） 20 水闸渗透压力分布图（单位： m） 各点的渗透压力值列表如下 各角点的渗透压力值 单位（ m） 基渗透变形验算 出口处的逸出坡降 J 为 9 于容许值，满足要求。 第六章 闸室结构布置 1. 闸室的底板 采用整体式平底板，闸底板高程定为 河底齐平，顺水流方向的长度5 ，底板厚度 2. 闸墩的尺寸 考虑防洪要求闸墩高不得低于两岸 9 0 5 ，故闸墩高度取12m，而且各种工况下上有水位均没有高于 以定闸墩高度取 12m 符合运用条件。闸墩的厚度取 2m，上游半圆形，下游流线型。 3. 胸墙结构布置 21 胸墙顶宜与闸顶齐平。闸前水位最大可达到 低水位可达 安全和节省投资起见，定闸门高为 则墙底高程取 0 9 4 ，定胸墙高为 4m，则胸墙顶部高程取 ，与闸顶齐平。由于该水闸孔口净宽 10m，故采用梁板式胸墙，由墙板，顶 梁，底梁组成；按规范墙板板厚取 12梁梁高取 5/112/1(0 ，故顶梁梁高取为 宽取为 50梁梁高取为 宽 70 4. 闸门和闸墩的布置 闸门选露顶的直升式闸门，根据水闸设计规范 顶的高度由最高挡水位加 安全加高确定，由第二章闸孔设计可知取为 门高度为 用平面钢闸门，闸门设置在闸墩中心靠向上游 ，设有 4m 高的胸墙。平面闸门的门槽设在闸墩水流平顺的部位，深度为 槽宽度取 深比 墩门槽处最小厚度 合规范要求。检修门槽深 修门槽与工作门槽之间的净距取为 墩的尺寸及工作闸门和检修闸门的门缝尺寸如下图： 闸墩细部结构尺寸图（单位： m） 5. 工作桥和交通桥及检修便桥 通桥设在水闸下游一侧，桥宽 边设栏杆。具体尺寸见下图。 22 交通桥细部结构图 单位（ 作桥、检修便 桥的型式和尺寸参考已建工程和运用要求确定。尺寸见下图 工作桥细部结构图 (单位： 检修便桥细部结构图 (单位： 6. 闸室分缝布置 为了防止和减少由于地基不均匀沉降及温度变化和混凝土干缩引起的底板断裂和裂缝，对于多孔水闸需要沿轴线设置永久缝，建在土基上的水闸，缝距一般为 15宽为 2体式底板闸室沉陷缝，一般 设在闸墩，一孔，两孔或三孔一联为独立单元。 本次设计缝宽为 20一孔为一个独立单元。为避免相邻结构由于荷载相差悬殊产生不均匀沉降，也设结构缝分开。永久缝和结构缝间必须设止水，止水片设在闸底板以下 1m 处。具体止水见第四章止水设计。 闸室具体布置见下图： (比例 1： 100) 23 沥青油毛毡永久缝止水片闸室具体布置尺寸（单位： 第七章 闸室稳定计算 1. 确定荷载组合 水闸承受的荷载主要有：自重、水重、水平静水压力、扬压力、浪压力、地震等。本地 区地震烈度在 6 级以下，不用考虑地震。不考虑风浪压力。 荷载组合分基本组合和特殊组合。基本组合按 完建无水期和正常挡水期 情况；特殊组合按校核挡水期情况。荷载组合见下表。 荷载组合表 荷载组合 计算情况 自重 水重 静水压力 扬压力 基本组合 完建无水期 正常挡水期 特殊组合 校核挡水期 2. 闸室抗滑稳定计算和闸基应力验算 建无水情况 此时荷载主要是闸室及上部结构自重，取中间一孔为一个独立单元进行计算。 钢筋混凝土容重取 325 /kN m ，混凝土容重取 324 /kN m ，砖石容重取 319 /kN m ， 24 水重取 310 /kN m 。底板顺水流反向长 直水流方向长 面积26454315 。 力矩为对闸门底板中心所取。 计算结果见下表 完建无水情况荷载计算表 闸底板 300 7500 0 0闸墩 345 8625 0 0交通桥 35 80 2 760检修桥 20 221启闭机 估算自重 100 2 200闸门 估算自重 1000 2 2000合计 力臂（m）力矩（ m）体积(m ）由公式 6m a x计算最大及最小应力，验算地基应力 k P 6766452 0 91 2m a x k P 6766452 0 91 2m i n 查地质资料和水工建筑物知，粘土不均匀系数 容许值为 基容许承载力 为 350 15 次贯入击数） 平均应力： k P a m i nm a x 不均匀系数： i nm a x 完建期的地基承载力满足要求，地基 不会