《水闸设计的准备计算案例》4000字

水闸设计的准备计算案例综述1.1工程概况本水闸为重建节制闸，水闸属于ZK灌区二期工程，位于北纬40°52′～42°20′，东经112°15′～112°30′间。地理位置位于了主产粮食核心区，工程共涉及水工建筑物41座、桥梁86座。其中41座水工建筑物包括：26座河沟节制闸、5座分水闸、5座渠道退水闸、4座渠道节制闸、1座倒虹吸。水闸位于渠道桩号7+400处，为重建节制闸。闸底板设计高程46.30m，10年一遇设计流量7.30m3/s，下游设计水位49.80m，20年校核流量11m3/s，下游校核水位50.10m，闸前灌溉水位为49.25m。建筑物总长69m，建筑物的主要组成部分有闸前进口段、闸室主体段、闸后出口段等。依照《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2017，确定本工程等别为一等，工程规模为大(1)型。灌区中下游灌排合一河（沟、渠）道，其灌溉流量一般远小于河（沟、渠）道除涝流量，河（沟、渠）道灌溉水位较低，为满足河（沟、渠）道支渠（支沟）引水要求，需要在河（渠）道上修建节制工程，拦蓄灌溉。依照《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2017、《水闸设计规范》SL265-2016，其级别不低于所在河（沟、渠）道的堤防级别，确定为4~5级。根据工程级别确定建筑物合理使用年限为30年。本设计的闸型为节制闸，坐落于在渠道桩号7+400处。在水流较少的枯水期用以关闸节流，使水位抬高，在上游处建进水闸满足取水灌溉的要求；降水较大，水量丰富期则开闸泄洪，降低上游水位并控制下游流量。拦河闸的作用较为单一，丰水期泄水，枯水期关闸挡水，此种闸型常修建在地基为较软土质的工程中，所以在闸室稳定、闸基防渗、消能防冲及不均匀沉降方面都都要重点设计，确保工程安全可行。1．稳定方面降水量少时，节制闸需关闸节水，雍高了上游水位。因此水闸上游水头变大，产生的横向水压力较大，下游无水，无水平水压力，这种压力差造成较大的水平推力，从而，在闸基面上，有可能会产生横向的滑动，产生安全隐患，为此，本座水闸要想维持自身的稳定，必须具要确保有足够大的自身重力。2．防渗方面闸门未开启或未全部开启时，闸下游水位必然低于上游水位，由此将产生渗透压力，水将通过地基和两岸从上游渗透到下游，水的渗透力可能会产生流土或管涌，影响水闸的安全运行。渗流是闸室稳定和两岸连接建筑物安全的重要影响因素，所以，防渗设计非常重要，必须重点设计。3．消能防冲方面降水丰沛时，需要开启闸门，宣泄洪水，此时，上游水位较下游大一些，产生水头差，通过闸门的水体，流动迅速，出流状态复杂而多变，但是，本设计中的下游渠道为土质材料，质地松软易被冲刷，很容易产生冲刷破坏。并且，由于流速大，水闸下游侧非常容易出现波状水跃和折冲水流，这种水流状态流速高，破坏力强，会对渠道底部和渠道两岸产生大力冲刷，普通的土质渠道难以抵挡。故而本次节制闸设计不仅要使得闸孔满足水量丰沛期的及时泄水，还要保证下游渠道的安全稳固，不被下泄水流过度冲刷，消能防冲要高度重视。4．沉降方面本节制闸建设在土质地基之上，但是土质地基过于松软，易被剪切力破坏，又易于被压缩，从而产生压缩沉降，闸室的各个部分具有自身重力，在闸室建设、建成和运用时会有许多外部荷载的组合作用，在基本荷载或特殊荷载作用时，会导致沉降影，产生安全隐患，影响正常施工或使用。各种沉降中最为危险的就是不均匀沉降，当产生不均匀沉降时，水闸整体会倾斜甚至倾覆，闸体结构也会发生断裂。因此，在对本节制闸进行设计，就要严格选择闸体型式、合理进行构造设计，重点部分重点设计，对施工中的各程序合理安排，对地基处理的各个环节步骤安排合理的措施，使地基沉降控制在不致发生安全隐患的程度，减小不均匀沉降，确保工程设计安全可靠。1.2基本资料1.2.1流域概况工程范围属大陆性季风气候，四季交替明显。在此地理范围内，多年的平均降水量为729mm。工程区上游降水丰沛的年份可达1025mm（1984~1985年），降水较少的年份仅318mm（1959~1960年）；水闸下游雨量充沛的年份可达1148mm（1984年），降雨量较少的年份只有365.9mm（1978年）。流域范围属于季风气候，此种气候的特点很不稳定，降水量具有多变性，年际间降水量差别很大，降水量最大的年份与降水量最小的年份相比，降水量差别巨大，年际之间可能会产生交替变化的现象。许多地区最大的降水量与最小的降水量的差距在600~1200mm，极值降水量比值一般为2~4，比值南部小于北部。1.2.2工程区域地质水闸为节制闸，地处高朗乡石庄村东北，场区地层由第四系全新统轻粉质壤土、重粉质壤和粉细砂组成，地质结构为粘砂多层结构，地层分布较稳定。上部土层结构较疏松，具中等～高压缩性，为中硬土，承载力标准值90～120kPa。工程场区地貌单元属黄淮冲洪积平原，整体上场区地形较平坦。场区地震动峰值加速度为0.05g，相当于地震基本烈度Ⅵ度，场地类别为Ⅲ类场地。设计闸底板主要位于第②层重粉质壤土，局部位于③层重粉质壤土层中，承载力标准值fk=100～110kPa。上部第①层轻粉质壤土具弱～中等透水性，下伏重粉质壤土具微～弱透水性，二者差异性明显；工程运行后，闸上下游存在水位差，因此，存在渗漏及渗透变形稳定问题；另外，上部轻粉质壤土、重粉质壤土结构疏松，存在冲刷破坏问题。在进行地质勘测的时候，地下水位的深度一般处于地下6.0m处，比建设基本面低；因为地下水的变化较大，地下水位会规律性的波动，所以建议在施工前，重新测量地下水位的深度，从而确定排水措施的方法种类。施工边坡一般高4～5m，组成边坡的岩性主要为全新统上段粉质壤土，结构疏松，强度较低，不利于边坡稳定；建议施工临时边坡一般1:1.5～1:2.5。另外，在涵闸前端为人工开挖形成的取土坑，需要进行回填处理。同时，应注意汛期施工导流问题。工程范围内出现的自然水对混凝土结构不会产生腐蚀作用，对混凝土中的钢筋也没有无腐效果，对钢结构会产生较弱的腐蚀破坏。1.3金属结构和电气设备1.闸门选型节制闸闸门形式较多，常采用的主要有以下三种：平面定轮钢闸门、铸铁闸门和平面钢筋砼闸门。（1）平面定轮钢闸门：门体部位是由实体腹式法进行焊接，安全可靠，门体自重较低，运用时可较好的适应所需要求，易于建造、安装难度低，闸门的尺寸精准度很高，制作品质安全放心，易于维护，同时检修方便快捷，支承部件易于安装替换，止水零部件安放难度低，闸门结构较为合理。缺点是抗腐蚀性能较差，在偏远地区容易被盗。（2）铸铁闸门：门体主要使用的材料是铸铁，闸门框体的材料也由铸铁建造，闸门的止水侧要镶铜合金或不会发生锈蚀的钢材料等材料，重点是耐腐蚀性好。铸铁闸门的结构安全合理，安装难度低，操作简单，方便快捷，使用灵活，易于管理；具有良好的止水效果，密封性强，不易渗水，一般情况下渗水量L≤0.07L/m.s；不易发生被腐蚀的现象，耐酸碱性强，可在弱碱弱酸中正常使用；目前国内一些厂家已经有一系列的定型产品。（3）平面钢筋砼闸门：这种闸门的刚性强，整体性好，不易发生断裂，浇筑简便快捷，成型快，成型难度低，塑性能力好，材料较容易获得，成本低廉，经济型好，缺点是混凝土的重度大，同体积的混凝土闸门较钢闸门和铸铁闸门的自重大，所需的启闭力也大，因此会在土基上加大荷载负重，对地基的承载力要求较大。此类闸门因为是浇筑制作而成，在砼凝固时易收缩变形，故浇筑出的闸门与预设的尺寸差别较大，精度难低，浇筑品质较差，不易控制，而且由于止水部件需要预先埋设连接，止水螺栓一旦发生锈蚀难以检修，不易更换。如果使闸门的厚度采用厚度较小的轻薄结构，虽然减少了混凝土用料，使得闸门自重减小，但是，因为内部钢筋结构胶薄，产生的表层较薄，加上施工时水泥砂浆会把钢筋网挤压变形，造成混凝土保护层厚薄不均匀，混凝土易被碳化，会降低闸门本身的强度，混凝土部分疏松，当闸门面板受到常荷载或突然荷载后，容易破坏结构，导致闸体破坏穿孔。根据本工程实际情况，节制闸孔口尺寸约等于3m，设计水头一般小于6m，。经比较分析，节制闸闸门采用平面定轮钢闸门。2.启闭机选型启闭机的选用原则一般是结合运用要求、孔口布置、闸门孔数、工作级别，并结合经济指标等综合选定。启闭机的类型有很多种，对于小型水闸最常用的有两种形式，即固定卷扬式启闭机和螺杆式启闭机。固定卷扬式启闭机，此种启闭机应用范围广，适应情况多，常用于平面闸门的吊装启闭，弧形闸门也可采用，我国的启闭机制造样式多，已有QP、QPK、QPG等系列化产品。启闭力的应用范围广，扬程方面也有较好的适用性，此种启闭机主要用于靠自重、水柱或其它加重方式关闭孔口的闸门和要求在短时间内全部开启的闸门。螺杆式启闭机主要用在需要下压力的闸门上，启闭速度较低，行程受限制，启闭力也不能太大，一般用于小型闸门，根据启闭方式又分为手摇和手电两用两种型式。启闭机的选用原则是结合运用要求、孔口布置、闸门孔数、工作级别，并结合经济指标等综合选定。洼地启闭机选型主要考虑以下四种情况：①孔口尺寸大于等于3m×3m的水闸，选用卷扬式启闭机。②对于管涵和孔口尺寸不大于1.5m×1.5m的方（矩）型水闸，考虑到启闭高度不大，选用防水防锈性能好、不需机房可露天安装的LQPA型封闭式手动螺杆启闭机，手动螺杆机应有自锁功能，且应配备防盗嘴及专用扳手。③孔口尺寸在1.5m×1.5m和3m×3m之间，孔数少于3孔的水闸，选用QL型柴油机动力螺杆启闭机。④孔口尺寸在1.5m×1.5m和3m×3m之间，孔数为3孔及以上的水闸，选用具有电、手动切换机构自动切断电源的LQD型电手动螺杆启闭机。螺杆式启闭机的的闭门力大小是由其螺杆行程控制的，在实际工程中，如果发生超载使用，就会导致螺杆弯曲变形，破坏启闭机。所以，对于后两种情况，所选启闭机需要在超负荷时能够及时停机，保护机体安全、发生事故时，及时显示情况、上下行程限位控制等功能。表1-1水闸金属结构技术特性表建设类别门体型式孔口尺寸(B×H)m材料闸门单重(t)埋件单重(t)型式启门力(kN)单重(