橡胶坝陂头设计计算书

1、陂头设计计算书目录目录1工程概况.11.1 陂头布置.11.2 水文资料.21.3 地质资料.21.4 等级及安全系数.21.5 地震烈度.22 主要计算公式及工况.32.1 主要计算公式.32.1.1 防渗计算.32.1.2 整体稳定及应力计算公式.32.1.3 消能防冲计算.42.2 计算工况.62.2.1 防渗计算工况.62.2.2 整体稳定及应力计算工况.62.2.3 消能防冲计算.73 梅岗橡胶坝计算.93.1 渗流稳定计算.93.2 橡胶坝整体稳定及应力计算.93.3 消能计算.114 双孖橡胶坝计算.134.1 渗流稳定计算.134.2 橡胶坝整体稳定及应力计算.134.3 消能

2、计算.1611 工程概况工程概况1.1 陂头布置陂头布置本工程拦河陂头有 2 座，分别是位于肋下河的梅岗陂和甲子河的双孖陂，主要作用是壅水灌溉。（1）梅岗陂梅岗陂采用橡胶坝形式，橡胶坝底板高程为 5.60m，坝袋净高4.10m，坝袋长 20.82m，设计正常挡水位 9.70m。坝底板顺水流方向长度 18.00m，底板厚 2.00m，上、下游两端设齿槽，坝体段基面大部高程 3.60m，齿槽底高程为 3.00m，建筑物基础均坐落在残积土。两侧边墙墙顶高程为 10.50m，为满足坝袋锚固要求，边墙迎水坡坡比为 1:0.5，底板与两侧边墙采用 u 型 c25 钢筋砼结构。（2）双孖陂双孖陂采用橡胶坝形

3、式，橡胶坝底板高程为 8.50m，坝袋净高3.50m，坝袋长 26.0m，设计正常挡水位 12.00m。坝底板顺水流方向长度 15.00m，底板厚 2.00m，上、下游两端设齿槽，坝体段基面大部高程 6.70m，齿槽底高程为 6.20m，建筑物基础均坐落在全风化泥质粉砂岩。左侧边墙墙顶高程为 14.00m，右侧边墙墙顶高程为12.50m，为满足坝袋锚固要求，边墙迎水坡坡比为 1:0.5，底板与两侧边墙采用 u 型 c25 钢筋砼结构。21.2 水文资料水文资料根据水文计算成果，可知陂头的水位资料，详见陂头特征水位表 1.2-1。表表 1.2-1 陂头特征水位表陂头特征水位表 名称名称灌溉蓄水位

4、灌溉蓄水位（m m）p=5%p=5%上游水位上游水位（m m）p=5%p=5%下游水位下游水位（m m）p=5%p=5%设计流量设计流量（m m3 3/s/s）梅岗陂9.710.3910.35132.36双孖陂1211.3310.82173.651.3 地质资料地质资料根据地质报告，陂头地基主要物理指标见表 1.3-1。表表 1.3-1 陂头地基地质主要物理指标表陂头地基地质主要物理指标表名称名称底板底高底板底高程（程（m）地基土质地基土质承载力标准值承载力标准值（kpa）摩擦系数摩擦系数渗透情况渗透情况 地基土质地基土质梅岗陂3.60残积土1401600.300.35弱透水层 中等坚实双孖陂

5、6.70全风化泥质粉砂岩2003000.400.45弱透水层 中等坚实1.4 等级及安全系数等级及安全系数陂头为三级建筑物，根据水闸设计规范 （sl265-2001） ，水闸整体抗滑稳定安全系数：基本组合 kc1.25，特殊组合kc1.10。土基上闸室基底应力最大值与最小值之比的允许值：基本组合为 2.0，特殊组合为 2.5。1.5 地震烈度地震烈度惠州市基本地震烈度为 vi，按水闸设计规范 （sl265-2001） ，设计时不考虑地震作用。32 主要计算公式及工况主要计算公式及工况2.1 主要计算公式主要计算公式2.1.1 防渗计算2.1.1.1 渗径长度计算橡胶坝闸基防渗长度可按水闸设计规

6、范 （sl265-2001）公式计算： hcl式中 防渗长度（m） ； 上下游水位差（m） ；lh 渗径系数，参照规范表 4.3.2。c2.1.2 整体稳定及应力计算公式由于该橡胶坝在垂直水流方向的结构布置及受力情况对称，根据水闸设计规范 （sl2652001） ，坝体段地基承受单向偏心荷载的作用，假定坝体基底压力呈线性分布，可按偏心受压公式来计算。 （7.3.41）wmagpmaxmin式中：闸室基底应力的最大值或最小值（kpa） ；maxminp作用在闸室上的全部竖向荷载（包括闸室基础底面上的g扬压力在内，kn） ；作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂m4直水流方向的形心轴的力

7、矩（knm） ；a 闸室基底面的面积（m2） ；w闸室基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩（m3） 。闸室抗滑稳定性验算按下式计算： （7.3.6-1）cckhgfk式中：沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；ck闸室基底面与地基之间的摩擦系数；f作用在闸室上的全部水平向荷载（kn） 。h抗浮稳定计算公式如下： （7.3.16）fvku式中：闸室抗浮稳定安全系数；fk作用在闸室上全部向下的铅直力之和（kn） ；v作用在闸室基底面上的扬压力（kn） 。u不论水闸级别和地基条件，在基本荷载组合条件下，闸室抗浮稳定安全系数不应小于 1.10；在特殊荷载组合条件下，闸室抗浮稳定安全系数不应小于 1.

8、05。2.1.3 消能防冲计算先根据水力计算手册 （武汉水利电力学院水力学教研室编）判别是否需要建立消力池：如跃后水深出池河床水深，则不chsh需建立消力池；如跃后水深出池河床水深，则需建立消力池，chsh5根据水闸设计规范 （sl2652001）附录 b，消力池深度可按公式（b.1.1-1b.1.1-4）计算： zhhdsc0（b.1.1-1） 25. 02132)(181(2bbghqhhccc（b.1.1-2） 0222203gqhthcc（b.1.1-3） 222 2222csghqggqz（b.1.1-4）式中：d消力池深度（m） ；0水跃淹没系数，可采用 1.051.10，取 01

9、.1；孔流流量系数，可采用 0.951.0，取 1.0；跃后水深（m） ；chhc收缩水深（m） ；水流动能校正系数，可采用 1.01.05，取 1.05；q过闸单宽流量（m2/s） ，qq/b0； 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） ，这里，不计行近流速；z出池落差（m） ；6出池河床水深（m） 。sh2.2 计算工况计算工况2.2.1 防渗计算工况a、梅岗陂上游正常蓄水位 9.70m，对应下游无水（即护坦高程 5.40m） 。b、双孖陂上游正常蓄水位 12.00m，对应下游无水（即水位为 6.70m） 。2.2.2 整体稳定及应力

10、计算工况（1）基本资料根据水闸设计规范 （sl265-2001）规定，土基上的闸室稳定计算应满足下列要求：在各种计算情况下，坝体段基底应力不大于地基允许承载力，最大基底应力不大于地基允许承载力的 1.2 倍。坝体段基底应力的最大值与最小值之比不大于水闸设计规范7.3.5 条规定的允许值。根据地质资料，地基为中等坚实，查表 7.3.5知坝体段基底应力最大值与最小值之比的允许值为：基本荷载组合时为 2.0，特殊荷载组合时为 2.5。沿坝体段基底面的抗滑稳定安全系数不小于水闸设计规范7.3.13 条规定的允许值。橡胶坝为三级建筑物，查表 7.3.13 知沿坝体段基底面抗滑稳定安全系数的允许值为：基本

11、组合 kc1.25，特殊组合 kc1.10。7（2）计算工况a、梅岗陂基本工况：1）完建情况，橡胶坝上下游无水，以确定地基应力。2）设计工况，上游为正常蓄水位 9.70m，下游无水（即底板止水高程 5.10m） 。b、双孖陂基本工况：1）完建情况，陂头上下游无水，以确定地基应力。2）设计工况，上游为正常蓄水位 12.00m，下游无水（即底板止水高程 8.00m） 。2.2.3 消能防冲计算根据橡胶坝实际运行情况：a、梅岗陂（1）设计洪水期工况，橡胶坝塌坝运行，上下游基本无水头差。（2）正常运行工况，橡胶坝上过水深度较小，一般情况下不大于 0.20m。（3）正常运行期间塌坝检修工况，此时上游为正

12、常蓄水位9.70m，下游无水（下游护坦高程 5.40m） ，橡胶坝上下游水头差为4.30m。8因此，本次设计选取上下游水头差最大的塌坝检修工况进行消能防冲计算。b、双孖陂（1）设计洪水期工况，橡胶坝塌坝运行，上下游基本无水头差。（2）正常运行工况，橡胶坝上过水深度较小，一般情况下不大于 0.20m。（3）正常运行期间塌坝检修工况，此时上游为正常蓄水位12.00m，下游无水（下游护坦高程 6.42m） ，橡胶坝上下游水头差为5.58m。因此，本次设计选取上下游水头差最大的塌坝检修工况进行消能防冲计算。93 梅岗橡胶坝计算梅岗橡胶坝计算3.1 渗流稳定计算渗流稳定计算上游正常蓄水位 9.70m，下

13、游无水，即 5.40m。经计算，上下游水位差h4.30m。根据地质报告得知橡胶坝建基面以下为全风化泥质粉砂岩，其容许渗径系数 c=35，偏安全考虑，查规范表 4.3.2 取 c5。则初拟坝基防渗长度为：l=54.3=21.50m。橡胶坝底板水平投影长度为 29.00m，其中进口段长 7.00m，坝体段长 18.00m，斜坡段 4.00m。因此，拟定的橡胶坝基础防渗长度满足防渗要求。3.2 橡胶坝整体稳定及应力计算橡胶坝整体稳定及应力计算根据地质资料显示，地基为全风化泥质粉砂岩，容许承载力【r】140160kpa，f 值取 0.3 进行计算。橡胶坝坝体段稳定及应力计算见计算简图及表 3.2-12

14、o点g图 3.2-1 工况一：完建工况10完建工况：上下游均无水完建工况：上下游均无水下游水位0.00 闸底板底高程0.00 上游水位0.00 底板止水高程0.00 荷载名称荷载名称重力重力(kn)水平力水平力(kn)力臂力臂(m)力矩力矩(kn.m)结构总重g=19068.84 0.00 0.00 浮托力 pf10.00 0.00 0.00 渗透压力 pf20.00 3.00 0.00 上游水重 w10.00 6.45 0.00 下游水重 w20.00 坝袋水重 w30.00 0.53 0.00 上游水压力 p110.00 0.00 0.00 下游水压力 p210.00 0.00 0.00

15、合计g:h:m19068.84 0.00 0.00 闸室长l18.00 闸室宽b21.62 基底应力 pmin(pmax)=g/am/w49.00 49.00 基底平均应力（pmin+pmax）/249.00 满足140，地基应力要求不均匀系数 =pmax/pmin1.00 满足1.10，基本组合要求抗滑稳定安全系数kcfg/h满足1.25，基本组合要求说明：受力向下（左）为正、向上（右）为负；力矩逆时针为正、顺时针为负。11w3w2p2p1pf1pf2o点g图 3.2-2 工况二：设计工况设计工况：上游正常蓄水位设计工况：上游正常蓄水位 9.70m9.70m，下游无水（底板止水高程，下游无水

16、（底板止水高程 5.10m5.10m）下游水位5.10 闸底板底高程3.60 上游水位9.70 底板止水高程5.10 荷载名称荷载名称重力重力(kn)水平力水平力(kn)力臂力臂(m)力矩力矩(kn.m)结构总重g=19068.84 0.00 0.00 浮托力 pf1-5837.40 0.00 0.00 渗透压力 pf2-8950.68 3.00 -26852.04 上游水重 w12955.45 6.45 19062.68 下游水重 w20.00 坝袋水重 w36658.96 0.53 3549.23 上游水压力 p11-4022.40 2.03 -8178.88 下游水压力 p21-243.

17、23 0.50 -121.61 合计g:h:m13895.17 -4265.63 -12540.63 闸室长 l18.00 闸室宽 b21.62 基底应力 pmin(pmax)=g/am/w24.96 46.45 基底平均应力（pmin+pmax）/235.71 满足140，地基应力要求不均匀系数 =pmax/pmin1.86 满足1.10，基本组合要求抗滑稳定安全系数 kcfg/h1.30满足1.25，基本组合要求说明：受力向下（左）为正、向上（右）为负；力矩逆时针为正、顺时针为负。123.3 消能计算消能计算根据双孖橡胶坝的实际运行情况，选取上下游水头差最大的工况进行计算，即塌坝检修工况，

18、此时上游为正常蓄水位 9.70m，下游常水位 6.60m（下游水深 1.20m） ，橡胶坝上下游水头差为3.10m。利用 pc1500 程序集中“d-25”进行计算。计算得：取消力池长度为 14.00m，深度为 0.80m。计算附稿：* * 底流式消能工水力计算程序 d-25 * * 工程名:梅岗 一.基本资料 1.消能结构类型: 挖深式消力池 2.消力池平面型式: 等宽消力池 3.以下游河床为基准面的上游总能头 e0: 4.3 (米) 4.下泄流量 q: 132.36 (立方米/秒) 5.下游水深 ht: 1.2 (米) 6.泄水建筑物的流速系数 f1: 0.95 7.消力池出口流速系数 f

19、2: 0.95 8.消力坎流速系数 f3: .9 9.消力坎流量系数 m: .42 10.消力池宽度 b: 20.82 (米) 二.计算中采用的基本公式 1.收缩水深hc的基本算式 e01=hc+q*q/(2*g*f12*hc2) 式中 q收缩断面的单宽流量; e01-以消力池底面为基准面的上游总能头. 2.共轭水深hc a.等宽消力池 hc=hc*(sqr(1+8*fr)-1)/2 式中 fr收缩断面的弗汝德数 frc=vc*vc/(g*hc),vc为收缩断面流速. b.扩散消力池 按下列关系式计算 (hc2-hc2)*(b+bk)=4*q*q*(1/bk/hc-1/b/hc)/g 3.水跃

20、长度lj a.等宽消力池 lj=6.9*(hc-hc) b.扩散消力池 fr=6时, lj=4.6*hc fr17时, lj=b*l/(b+.1*l*tg) 式中l等宽矩形明渠中水跃长度,l=10.3*hc(sqr(fr)-1).81. 4.消力池长度lk lk=(0.70.8)*lj (采用0.75lj) 5.消力池深度s s=1.05*hchtq1*q1*(1/(f2*ht)2-1/(1.05*hc)2)/(2*g) 式中q1消力池出口断面的单宽流量. 三.计算结果 1.收缩水深hc: 0.7467 (米) 2.收缩断面的弗汝德数fr: 9.9074 3.共轭水深hc: 2.9712 (米

21、) 4.水跃长度lj: 15.3496 (米) 5.消力池深度s: 0.7119 (米)6.消力池长度lk: 13.5122 (米)7.消力池宽度b: 20.8200 (米)144 双孖橡胶坝计算双孖橡胶坝计算4.1 渗流稳定计算渗流稳定计算上游正常蓄水位 12.00m，下游无水，即 6.70m。经计算，上下游水位差h5.30m。根据地质报告得知橡胶坝建基面以下为全风化泥质粉砂岩，其容许渗径系数 c=35，偏安全考虑，查规范表 4.3.2 取 c5。则初拟坝基防渗长度为：l=55.3=26.50m。橡胶坝底板水平投影长度为 36.52m，其中进口段长 10.00m，坝体段长 15.00m，斜坡

22、段 11.52m。因此，拟定的橡胶坝基础防渗长度满足防渗要求。4.2 橡胶坝整体稳定及应力计算橡胶坝整体稳定及应力计算根据地质资料显示，地基为全风化泥质粉砂岩，容许承载力【r】200300kpa，f 值取 0.4 进行计算。橡胶坝坝体段稳定及应力计算见计算简图及表 4.2-12go点图 4.2-1 工况一：完建工况15完建工况：上下游均无水完建工况：上下游均无水下游水位闸底板底高程8.5 上游水位底板止水高程8.00荷载名称荷载名称重力重力(kn)水平力水平力(kn)力臂力臂(m)力矩力矩(kn.m)结构总重g=19110.00 0.00 0.00 浮托力 pf10.00 0.00 0.00

23、渗透压力 pf20.00 2.50 0.00 上游水重 w10.00 5.38 0.00 下游水重 w20.00 坝袋水重 w30.00 0.46 0.00 上游水压力 p110.00 0.00 0.00 下游水压力 p210.00 0.00 0.00 合计g:h:m19110.00 0.00 0.00 闸室长 l15.00 闸室宽b26.00 基底应力 pmin(pmax)=g/am/w49.00 49.00 基底平均应力（pmin+pmax）/249.00 满足200，地基应力要求不均匀系数 =pmax/pmin1.00 满足1.10，基本组合要求抗滑稳定安全系数 kcfg/h满足1.25

24、，基本组合要求说明：受力向下（左）为正、向上（右）为负；力矩逆时针为正、顺时针为负。16p1o点p2pf1gpf2w2w3图 4.2-2 工况二：设计工况设计工况：上游正常蓄水位设计工况：上游正常蓄水位 12.00m，下游无水（底板止水高程，下游无水（底板止水高程 8.00m）下游水位8.00闸底板底高程6.70上游水位12.00底板止水高程8.00荷载名称荷载名称重力重力(kn)水平力水平力(kn)力臂力臂(m)力矩力矩(kn.m)结构总重 g=19110.000.000.00浮托力 pf1-5070.000.000.00渗透压力 pf2-7800.002.50-19500.00上游水重 w

25、13554.205.3819121.60下游水重 w20.00坝袋水重 w35834.400.462683.82上游水压力 p11-3651.701.77-6451.34下游水压力 p21-219.700.43-95.20合计g:h:m15628.60-3871.40-4241.12闸室长 l15.00闸室宽 b26.00基底应力pmin(pmax)=g/am/w35.7244.42基底平均应力（pmin+pmax）/240.07满足200，地基应力要求不均匀系数 =pmax/pmin1.24满足1.10，基本组合要求抗滑稳定安全系数kcfg/h1.61满足1.25，基本组合要求说明：受力向下（左）为正、向上（右）为负；力矩逆时针为正、顺时针为负。174.3 消能计算消能计算根据双孖橡胶坝的实际运行情况，选取上下游水头差最大的工况进行计算，即塌坝检修工况，此时上游为正常蓄水位 12.00m，下游常水位7.62m（下游水深 1.20m） ，橡胶坝上下游水头差为 4.38m。利用 pc1500程序集中“d-25”进行计算。计算得：取消力池长度为 14.00m，深度为 0.80m。计算附稿：* * 底流式消能工水力计算