新华闸课程设计

1、目录摘要1基本资料 (31.1工程概况 (31.2水文气象 (31.3工程地质 (31.3.1地层岩性分布 (31.3.2工程地质 (41.3.3工程地质评价 (41.3.4结论 (41.4设计依据 (41.4.1工程等别 (41.4.2设计指标 (52枢纽布置 (62.1 枢纽任务及组成 (62.2 枢纽建筑物选型 (63水力计算 (73.1 闸址选择和闸孔设计 (73.1.1 闸址的选择 (73.1.2 闸型确定 (73.1.3 闸孔尺寸和闸墩厚度 (73.2 水闸的防冲、消能设计 (113.2.1 消力池 (113.2.2 海漫 (153.2.3 防冲槽 (164闸室布置 (184.1

2、底板 (184.2 闸墩 (184.2.1 闸墩尺寸及形状 (184.2.2 闸顶高程 (194.3 闸门及启闭机 (214.4 工作桥、交通桥 (215地下轮廓布置及防渗排水设计 (225.1 地下轮廓线布置 (225.1.1 防渗长度拟定 (225.1.2 地下轮廓布置 (225.2 渗透计算 (235.3 验算闸基抗渗稳定 (265.4 排水设施设计 (276闸室稳定计算 (286.1 荷载计算 (286.2 基底应力计算 (296.3 闸室抗滑稳定计算 (317汇总 (32参考文献: (331基本资料1.1工程概况原前进二闸枢纽位于临河城北前进干渠上,该枢纽建于1966年,枢纽设计流量

3、77.6m3/s,主要任务是引水灌溉,灌溉面积128万亩。建筑物包括前进第二节制闸、西乐进水闸、新华进水闸、甜菜支渠进水闸及林场支渠进水闸五座建筑物,其中西乐进水闸、新华进水闸的分水角均为30,甜菜支渠进水闸及林场支渠进水闸的分水角均为16。枢纽上游以扭曲面与两岸连接,各闸室之间采用圆形裹头连接方式;下游均以隔墙型式与两岸渠堤连接。前进二闸枢纽中的节制闸、西乐及新华进水闸的设计流量分别为28m3/s、22m3/s及23m3/s,闸室结构型式均为开敞式,闸下游设交通桥,桥面净宽4.5m, 8级标准。闸门为钢筋混凝土平板门,起闭机为螺杆式起闭机。汽-该枢纽建成至今已有42年,在工程运用过程中发现了

4、许多问题:一是建筑物长期受冻胀破坏,致使各闸的翼墙、闸前铺盖及闸下消力池护坦等部位存在破损问题,漏水现象十分严重,直接威胁建筑物自身的安全;二是工程管理设施落后,不能满足工程管理现代化的要求;三是组成枢纽的各建筑物均以超过经济使用年限,隐患严重。根据该枢纽工程现状及上级的要求,决定将原前进二闸枢纽拆除后重建。1.2水文气象前进二闸枢纽工程处于干旱半干旱地带,大陆性气候特征明显,冬季严寒少雪,夏季高温干热。年降水量139222mm,且70%的降雨集中在79月份,年蒸发量20002300mm,47月份蒸发量最大,约占全年的40%以上,根据当地的气象站多年资料,多年平均气温68,最低气温在一月份为-

5、33.1,最高气温在七月份达到37.4,每年11月下旬开始封冻,直到翌年5月中旬冻层全部消退,封冻期长达180天左右,冻土最大深度1.11.3m,无霜期为135150天。一般冬春两季为多风季节,风向多以西北风和西风为主,冬季风力强,春季持续时间长,多年最大月平均风速19.6m/s。1.3工程地质1.3.1地层岩性分布闸址区属黄河冲积洪积平原,第四纪沉积较厚,根据钻孔揭露,地层主要以灰色粉质壤土、粉质粘土和浅灰色细砂层为主。现分述如下:粉质壤土呈饱和状态,可塑,沉积厚度0.54.0m,属中等压缩性土,内摩擦角31.2,渗透系数4.0110-5cm/s;粉质粘土呈饱和状态,可塑,沉积厚度0.22.

6、0m,属中等压缩性土,渗透系数1.0910-6cm/s;中砂、细砂层均呈饱和状态,主要成分石英、长石、云母、中密,渗透系数2.6510-31.2210-3cm/s。1.3.2工程地质前进二闸枢纽地层较为复杂,主要为中粉质土、重粉质土、粉质粘土、中砂、细砂,呈饱和状态,粘性土多由可塑至软塑,属中等压缩性土;砂土由松散密实,颗粒级配较为均匀,属中等压缩性土;比较适合建筑物的持力层。1.3.3工程地质评价(1地基承载力的确定根据土的孔隙比、塑性指数、液性指数等指标确定粉质壤土的允许地基承载力为140Kpa,粘土的允许地基承载力为150Kpa。根据标准贯入锤击数和密实度,中细砂的允许承载力为180Kp

7、a。(2砂土的液化评价前进二闸枢纽位于临河地区,该区地震烈度为6,根据标准贯入锤击数判别法和砂土相对密度判别法,确定在地震力作用下可能发生液化。由于闸室上、下游存在一定的水力坡降,所以存在渗透破坏的可能,当水力坡降超过0.22时,饱和细砂将发生流土破坏。1.3.4结论(1建议地基土的容许承载力采用150Kpa。(2闸基地层细砂属容易产生液化的地层,为避免动水压力造成的渗透液化,建议实际水力坡降最好控制在允许水力坡降范围之内。闸基存在振动液化的可能,需采取防振动液化的措施。(3闸基地下水位埋深较浅,建筑物基础埋置地下水位以下,建议施工时应采取排水措施。1.4设计依据1.4.1工程等别按照水利部水

8、规总院的审查意见,前进干渠主要建筑物为3级建筑物,所以前进二闸枢纽按3级建筑物设计。1.4.2设计指标(1枢纽各闸上下游断面前进干渠:渠底宽50m,边坡m=2,纵坡i=1/12000,糙率n=0.015,渠底高程1035.5m。新华闸:下游渠底宽15m,边坡m=2,纵坡i=1/8500,糙率n=0.015,吹程0.8km。(2枢纽各闸设计指标前进二闸枢纽建筑物设计指标表 (3闸基土物理性质地基允许承载力:=150Kpa地基土内摩擦角31.2 、土层凝聚力15KN/m2。土壤湿容重18 KN/m3 、饱和容重20 KN/m3、土的浮容重10 KN/m3。砼与地基土的摩擦系数:0.3(4边墩后回填

9、土部分内摩擦角14 、土层凝聚力5KN/m2。土壤湿容重18 KN/m3 、饱和容重20 KN/m3、土的浮容重10 KN/m3。(5其他指标地震设计烈度:62枢纽布置2.1 枢纽任务及组成前进二闸枢纽位于临河城北前进干渠上,枢纽设计流量77.6m3/s,主要任务是引水灌溉,灌溉面积128万亩。建筑物包括前进第二节制闸、西乐进水闸、新华进水闸、甜菜支渠进水闸及林场支渠进水闸五座建筑物,其中西乐进水闸、新华进水闸的分水角均为30,甜菜支渠进水闸及林场支渠进水闸的分水角均为16。枢纽上游以扭曲面与两岸连接,各闸室之间采用圆形裹头连接方式;下游均以隔墙型式与两岸渠堤连接。进水闸的作用是从河道、水库或

10、湖泊岸边引水。水闸由闸室、上游连接段和下游连接段三部分组成。闸室是水闸的主体,包括闸门、闸墩、边墩(岸墙、底板、胸墙、工作桥、交通桥、启闭机等。上游连接段包括两岸的翼墙和护坡,用以消除过渠水流的剩余能量,引导入闸水流均匀扩散,调整流速分布和减缓流速,下游连接段包括护坦、海漫、防冲槽以及两岸的翼墙和护坡等。用以消除过闸水流的剩余能量,引导出闸水流均匀扩散,调整流速分布和减缓流速,防止水流出闸后对下游的冲刷。2.2 枢纽建筑物选型当从天然河道直接取水(即无坝取水时,为保证能引进需要的流量和尽量减少泥沙进入引水渠道,进水闸宜建于河流弯道凹岸的顶点稍偏下游处;并需慎重研究选定引水渠轴线与河道轴线的交角

11、(即引水角,该角的大小视引水流量与河道来水流量的比值及泥沙来量而定。为防止推移质泥沙被挟带入渠,在满足正常引水要求的前提下,进水闸底槛高程应比河底高程高一些。水利枢纽中的进水闸,是整个枢纽的一个组成部分,应根据枢纽工程的性质、任务及综合利用要求,统一考虑进水闸与枢纽其他工程的合理布置。为减少泥沙入渠,进水闸前常设冲沙闸和导沙坎,进水闸闸底槛高程要比冲沙闸底槛高程高一些。进水闸一般采用开敞式,当上游水位变幅较大,挡水位高于取水位,为减少闸门高度,也可采用胸墙式或涵洞式,故本次设计采用开敞式进水闸。为便于管理运用和当引取较小流量时能对称开启闸门而不致产生偏流,进水闸闸孔宜布置成三孔。3水力计算3.

12、1 闸址选择和闸孔设计3.1.1 闸址的选择闸址、闸轴线的选择关系到工程的安全可靠、施工难易、操作运用、工程量及投资大小等方面的问题。在选择过程中首先应根据地形、地质、水流、施工管理应用及拆迁情况等方面进行分析研究,权衡利弊,经全面分析比较,合理确定。本次设计是将原前进二闸枢纽拆除后重建,故新华闸的闸址不变。 3.1.2 闸型确定本工程主要任务是引水灌溉,工程位于冻胀剧烈区,应具有较强的抗冻胀能力,故采用不设胸墙的开敞式水闸。各闸室之间采用圆形裹头连接方式,上游以扭曲面与两岸连接,下游以隔墙型式与两岸渠堤连接。同时,河床表面覆盖粉质壤土、粉质粘土和中砂,它们都处于饱和状态。其中,粉质壤土和粉质

13、粘土是中等压缩性土,其冰冻期冻胀破坏作用大,故闸基清基时应将其挖除。参照闸址地质剖面图,闸基高程应低于1027.0m 。由于河槽蓄水,闸前淤积对洪水位影响较大,为便于排出淤沙,闸底板高程应尽可能低。因此,采用无底坎平顶板宽顶堰,堰顶高程略比河床高一点,闸底板高程取1035.75m 。3.1.3 闸孔尺寸和闸墩厚度 3.1.3.1 计算闸孔总净宽B 0根据规范,堰流式闸孔总净宽计算公式为: 0B 闸孔总净宽,(m ; Q 设计过闸流量,(m 3/s ;0H 计入行进流速水头的堰上水头,(m ; g 重力加速度,可采用9.81(m/s 2;m 、分别为堰流的流量系数、侧收缩系数和淹没系数。(1淹没

14、系数。根据0/h H s 值判定淹没度,查表得相应: 当h s /H 00.8时,为自由出流=1;当h s /H 00.8时,为淹没出流,查表求值。0B其中,H 0、h s 分别为上、下游相对于闸底板高程的总水头及下游水深。 本次设计淹没系数取=1 。(2 侧收缩系数。与孔口尺寸等因素有关,计算时须先假定。根据经验现假定取1 。(3 流量系数m 。假定m=0.385P 1=0.25m , H=上游水位-渠底高程-堰顶超高=1.9-0.25=1.65m 流速 s m A Q V /0.7621.65*2*1.65*21515(2123=+=, m gv H 806.1265.120=+=,mB

15、196.6806.181.92385.011235.10=下游水深h s 由试算-图解法求得 Q =(b +mhh 1(b +mhh b +2h1+m 22i 表3-1下游水深试算表 由曲线可得到,设计情况时,Q=23m 3/s ,下游水深 1.516m ,s =h-P=1.516-0.25=1.266 m 。校核情况时,Q=25m 3/s ,下游水深1.590m ,s =h-P=1.590-0.25=1.389 m 。结果如下表所示 表3-2 上游水头计算及流态判别 按照闸门总净宽计算公式,根据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算如下表: 闸孔孔数n 及单孔净宽b 0(1单孔宽度b 0根据水闸

16、使用要求、闸门型式及启闭机内容等因素,并参照闸门尺寸选定。(2孔数0n b B =。 根据闸门设计规范中闸孔尺寸和水头系列标准,闸总净宽选取6m ,同时为了保证闸门对称开启,防止不良水流形态,选用3孔(各2.0m ,闸孔总宽度为:L =12+32.0=8m由于闸基为软基河床,选用整体式底板,中墩厚1m ,边墩厚0.8m 。 3.1.3.2 校核泄洪能力根据孔口与闸墩的尺寸可计算侧收缩系数:对于中孔,400001171.01z z x d b b d b b +-= 对于边孔40000221171.01bz b z b b d b b b d b b +-= 式中0b -闸孔净宽(m;x -中闸

17、孔侧收缩系数;z d -中闸墩厚度(m;b -边闸孔侧收缩系数;b b -边闸墩顺水流向边缘线至上游河道水边线之间的距离(m;对于中孔,948.0122*122-1*171.0-14=+=(x , 对于边孔,941.08.05.022*8.05.022-1*171.0-14=+=(b 941.0=b ,所以949.032948.0941.0n 1-(n x b =+=+=用公式2/302H g mnb Q =计算设计情况下的流量与假定接近,根据选定的孔口尺寸与上下游水位,进一步换算流量如下表所示: 设计情况符合规定5%的要求,说明孔口尺寸合理,所以不必进行孔口尺寸的调整。3.2 水闸的防冲、消

18、能设计水闸泄水时水流具有较大的动能,而土质河床的抗冲能力低,必将对下游河床产生不同程度的冲刷。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。根据分水闸实际情况,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。 3.2.1 消力池(1判断下游水跃衔接形式m H E 680.100= 本次设计为宽顶堰闸孔出流,查表确定=0.85。88.20.823=q m 3/(sm 当q =2

19、.88m 3/(sm时,可求得:92.081.988.23232=g q h k m 826.192.0680.100=k h E 由水力计算手册中跃后水深求解曲线查得19.1=,则10.1=k ch h m 。 同理,可算不同单宽流量下相应的h c ,如下表3-5所示: 将表中的h c,及q的对应数值绘在图3-1中,得h c,=(q曲线与t=f(q曲线 从图3-1可以看出,在所讨论的流量范围内,c,大部分都大于t,即下游会产生远驱式水跃衔接,为使下游产生淹没水跃衔接,需要修建消力池。(2消力池的结构形式底流式消能布置一般有挖深式消力池、槛式消力池和综合式消力池,若下游水深不足,用降低护坦高程

20、形成消力池,是水闸设计中常用的型式,当下游水深略小于或等于跃后水深时,可采用槛式消力池。如果降低护坦高程挖方过大,施工困难较多,增加工程造价时,可采用浅挖方低槛式综合式消力池。结合本工程特点,新华进水闸采用挖深式消力池。 (3消力池的深度计算根据图3-1的(q h c =曲线和(q f h t =曲线,可求出(t c h h -最大时q =0.4m 3/(s m。故消力池的设计流量0.4m 3/(s m。相应于q d =0.4m 3/(s m时,k =0.254m ,0=6.625,c=0.331,c ,=2.45,h c ,=0.622m ,t =0.487m ,c =0.161m 。 根据

21、水闸设计规范,可得消力池深度: d =0c ,s ,z跃后水深: c,=c 21+8q gc31水面跌落z :z =q 22g 1(t1(c 2式中:d -消力池深度(m;0-水跃淹没系数,可采用1.051.10,取1.05; h c ,-跃后水深(m; h c -收缩水深(m;-水流动能校正系数,可采用1.01.05,取1.0; q -过闸单宽流量(m 2/s ; z -出池落差(m; h s ,-出池河床水深(m. 由上述数据计算可得z =0.421(212=0.043md=1.050.6210.4870.043=0.12m,为方便施工,取为0.5m。取最大流量计算消力池池长:水跃长度:L

22、 j=6.9(c,c,消力池长度:L sj=L s+L j L s=mp,取80% 。式中:L sj消力池长度(m;L j水跃长度(m;水跃长度校正系数可采用0.70.8,取80%;m消力池斜坡比,取m=5;L j=6.9(0.6220.161=4.42mL s=50.5=2.5mL sj=2.5+0.84.42=6.04m.取消力池长度为6m。(5消力池底板的厚度水闸泄水时,消力池内水流紊乱,消力池底板承受水流冲击力,水流脉动压力和底部扬压力等作用,受力条件复杂,一旦破坏就会影响到水闸的安全.因此,护坦厚度的设计应考虑自身具有足够重量、强度和抗冲耐磨的能力。根据抗冲和抗浮要求,根据SL265

23、2001水闸设计规范抗冲和抗浮两公式计算,并取其大值。满足抗冲要求:t=k1qH,(3-7满足抗浮要求:t=k2UWP mb(3-8式中q最大单宽流量m3/(ms,q=25/8=3.1m3/(ms;t消力池底板始端厚度(m;H,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0.150.20,取0.175;K2消力池底板安全系数,可采用1.11.3,取1.2;U作用在消力池底板底面的扬压力(kPa;W作用在消力池底板顶面的水重(kPa;P m作用在消力池底板上的脉动压力(kPa,其值可取跃前收缩断面流速水头值50%,计算消力池底板前半部的脉动压力时取正,后半部的脉动压力时取负;d消

24、力池底板的饱和重度(kN/m3;按抗浮要求计算底板厚度时,因为消力池底部设反滤层,中后部设排水孔,渗透压力为零,即消力池上作用的扬压力与水重大小相等,相互抵消;而P m的值很小,即消力池底板厚度不必考虑抗浮要求,只需计算抗冲要求下底板厚度。t=0.1753.11037.51035.7=0.35m,则底板厚度取为0.5m。为了降低护坦底部的渗透压力,在护坦中后部设铅直排水孔,孔径10cm,间距1m;设置反滤层以保护地基土,防止土粒被渗流带入排水,在护坦底部设3层粒径不同的反滤层,层次大体与渗流方向正交,各层厚度依次为10cm、6cm和4cm。3.2.2 海漫(1海漫长度计算海漫长度取决于水流余能

25、大小,消力池末端单宽流量、上下游水位差、水流扩散情况及河床土质等。根据SL2652001水闸设计规范公式: L P=k Sq SH,。式中L P海漫长度(m;q s消力池末端单宽流量(m3/s;H,上下游水位差(m;K s海漫长度计算系数,可由表35查得;表3-6 K s表 H,=1037.51035.7=1.8m,q s=25/8=3.1m3/(ms,进水闸土质主要有粉质壤土、粉质粘土、中砂,因此取K s=11,则:L P=k Sq SH,=113.01.8=22.07m。即取海漫长度为23 m。(2海漫结构一般在海漫起始段做510m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,

26、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8m,斜坡段15m,坡度为1:15,厚度为0.5m,下面铺15cm厚的砂垫层。图3-3 海漫布置图 3.2.3 防冲槽水流经过海漫后,能量虽能进一步消除,但海漫末端水流仍具有一定的冲刷能力,河床仍受冲刷,故需在海漫末端采取加固措施,即设计防冲槽。常见的防冲槽有抛石防冲槽和齿墙或板桩式防冲槽,平原地区一般采用抛石防冲槽。在海漫末端处挖槽抛石预留足够的石块,当水流冲刷河床冲至最深时,预留在槽内的石块沿斜坡会陆续滚下,铺盖在冲坑的上游斜坡段,防止冲刷破坏向上游扩展,保护海漫安全。抛石体积可根据下游河床冲至最深时,石块坍塌在冲坑上游面所需的

27、方量定。根据SL2652001水闸设计规范海漫末端河床冲刷深度为:d m=1.1q m 0m式中d m海漫末端河床冲刷深度(m;q m海漫末端单宽流量m3/(sm;V0河床土质允许不冲流速(m/s;h m海漫末端河床水深(m;q m=25/15=1.67 m3/(sm,V0取0.8 m/s,设h m=2.00m,则:d m=1.1q mV0m=1.11.670.82.00=0.30m13.3m 满足防渗要求。采用改进的阻力系数法计算地下轮廓线上各处的渗透压力。 (1计算阻力系数 确定有效深度L 0=8m,S 0=0.5+0.5+3=4m,故L 0/S 0=84=2T =1035.751030=

28、5.75m,(取相对不透水层高程为1030.0m 故实际透水层深度按T e =5.75m 计算。图5-2 改进阻力系数法计算图(单位:m 表5-2 阻力系数计算表(H=1037.41035.5=1.9m (5进、出口段水头损失修正进、出口水力坡降呈急变曲线形式,上表得出的水头损失与实际情况有较大误差,需要进行必要的修正。依林继镛水工建筑物P317,修正公式如下:00h h =, 其中 + -=059.0212121.12TS T T 式中0按i =i Hi公式计算出的水头损失,m ;阻力修正系数;S ,底板埋深与地面以下板桩入土深度之和,m ; T ,板状上游侧底板下的地基透水层深度,m ;对

29、于进口段:T =5.75 m,S , =0.5m ,T , =5.75-0.25=5.5 m ,则=0.6821.0,即取=0.682,可得11h h =0.682*0.387=0.264m ,修正后的水头损失减少值111h h h -=0.387-0.264=0.123m ;h 2h ,故各段水头损失需要修正为: 122h h h +=0.188+0.123=0.311m 对于出口段: T =5.25 m,S , =0.5m ,T , =4.75 m ,则=0.6621.0,可得66h h =0.662*0.392=0.260m ,修正后的水头损失减少值666h h h -=0.392-0.

30、260=0.132m ,5h 6h 54h h +=0.155m,故各段水头损失需要修正为:552h h =2*0.077=0.154m 442h h =2*0.078=0.156m (54633-h h h h h +=0.778+0.132-0.155=0.755m (6计算各角点、尖点的渗压水头由上游进口段开始,逐次向下游从总水头H =1.9m 减去各分段水头损失值,即可求得各角点和尖点的渗透压力值:H1=1.900mH2=1.325mH3=0.570mH4=0.414mH5=0.260mH6=0m绘制渗压水头分布图根据以上算得的渗压水头值,并认为沿水平段的水头损失呈线性变化,即可绘出如

31、图5-3所示的渗压水头分布图。 图5-3 渗压水头分布图5.3 验算闸基抗渗稳定节制闸所在位置地层以粉质壤土、粉质粘土和中砂层为主,根据SL2652001水闸设计规范(表5-3水平段和出口段的渗流坡降规定值分别为:0.10 0.13和0.350.40。考虑到渗流出口处设置有反滤层,将上值加大30%为0.130 0.169和0.4550.520。表5-4 水平段和出口段允许渗透坡降值 水平段渗流坡降为101.05.7755.03=L h J 小于规定值;出口段渗流坡降为13.05.026.06,=S h J 小于规定值;所以闸基符合渗流稳定性要求。5.4 排水设施设计为了减小渗透压力,增加闸室的抗滑稳定性,需要在闸室下游侧设置排水设施。水闸的排水设施一般为平铺式,通常在地基表面铺设反滤层或垫层,设置反滤层是防止地基土产生渗透变形的关键性措施。在排水与地基接触处,应做好反滤层,反滤层布置与消力池下的反滤层相同。6闸室稳定计算6.1 荷载计算进水闸所在地区地震烈度为6,地震力相对较小,可不考虑地震荷载,且渠道波浪压力可忽略不计,所以作用在水闸结构上的主要荷载有:自重、水重、水平水压力和扬压力。钢筋混凝土容重取25 kN/m3,素混凝土容重取24 kN/m3,沙砾石垫层容重取18 kN/m3。计算各种荷载大小并对闸底板中心取力矩,荷载按6-1至6-3公式计算,具体计算结果见表6-1。自