水工建筑物前進水閘設(shè)計書.doc

水工建筑物前進水閘設(shè)計書第一章 設(shè)計資料和樞紐設(shè)計1、設(shè)計資料1.1工程概況前進閘建在前進鎮(zhèn)以北的團結(jié)渠上是一個節(jié)制閘。本工程等別為等，水閘按3級建筑物設(shè)計。該閘有如下的作用：（1）防洪。當勝利河水位較高時，關(guān)閘擋水，以防止勝利河的高水入侵團結(jié)渠下游兩岸的底田，保護下游的農(nóng)田和村鎮(zhèn)。（2）灌溉。 灌溉期引勝利河水北調(diào)，以灌溉團結(jié)渠兩岸的農(nóng)田。（3）引水沖淤。 在枯水季節(jié)。引水北上至下游紅星港，以沖淤保港。1.2 規(guī)劃數(shù)據(jù)（1）團結(jié)渠為人工渠，其斷面尺寸如圖1所示。渠底高程為2194.5m，底寬50m，兩岸邊坡均為1：2 。（比例1：100）圖1 團結(jié)渠橫斷面圖（單位：m）（2）灌溉期前進閘自流引勝利河水灌溉，引水流量為300。此時相應水位為：閘上游水位2201.83m，閘下游水位2201.78m；冬春枯水季節(jié)，由前進閘自流引水至下游紅星港，引水流量為100 ，此時相應水位為：閘上游水位2201.44m，閘下游水位2201.38m。（3）閘室穩(wěn)定計算水位組合：設(shè)計情況，上游水位2204.3m，下游水位2201.0m；校核情況，上游水位2204.7m,下游水位2201.0m。消能防沖不利情況是：上游水位2204.7m,下游水位2201.78m，引水流量是300（4）下游水位流量關(guān)系：流量0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 水位H(m)2201.00 2201.20 2201.38 2201.54 2201.66 2201.74 2201.78 （5）地質(zhì)資料： 根據(jù)地質(zhì)鉆探報告，閘基土質(zhì)分布情況見下表：層序高程（m）土質(zhì)概況標準貫入擊數(shù)（擊）2205.75-219604重粉質(zhì)壤土9-132196.4-2194.7松散粉質(zhì)壤土82194.7-2178.7堅硬粉質(zhì)粘土（局部含鐵錳結(jié)核）15-21根據(jù)土工試驗資料，閘基持力層堅硬粉質(zhì)粘土的各項參數(shù)指標為：凝聚力C=60.0Kpa；內(nèi)摩擦角；天然孔隙比e=0.69；天然容重建閘所用回填土為砂壤土，其內(nèi)摩擦角，凝聚力，天然容重。本地區(qū)地震烈度在6度。（6）本工程等別為III等，水閘按3級建筑物設(shè)計。（7）閘上有交通要求，閘上交通橋為單車道公路橋，橋面凈寬4.5m,總寬5.5m，采用板梁結(jié)構(gòu)。每米橋長約種80KN。（詳見設(shè)計書插圖）（8）該地區(qū)“三材”供應充足。閘門采用平面鋼閘門，尺寸自定，由工廠加工。不考慮風浪的作用，勝利河為少泥沙河道（含少量推移質(zhì)泥沙）2. 樞紐設(shè)計2.1進水口防沙設(shè)施設(shè)計勝利河為少泥沙河流，防沙要求不高，為防止泥沙進入引水渠，防沙設(shè)施設(shè)攔沙坎即可，水電站進水口設(shè)計規(guī)范DL/T5398-2007中規(guī)定其高度為2.5m3m，取其高度為2.5m。2.2 引水渠的布置 取水方式確定: 由于勝利河為少泥沙河道，防沙要求不高，且取水期間河道的水位和流量能夠滿足取水要求，故取水方式可設(shè)計成無壩取水。 引水口位置選擇: 勝利河在流經(jīng)灌區(qū)時有一個明顯的彎道，可利用彎道環(huán)流原理，將引水渠的引水口設(shè)在勝利河凹岸頂點位置稍偏下游處，該位置距彎道水流拐點的長度可由公式計算：式中：進水閘至引水口彎道起點的距離與渠道分沙比有關(guān)的系數(shù)一般取0.61.0（K=0.8）河道的彎道半徑河道河槽的寬度由此可確定引水口位置 引水渠的方位確定:為使彎道水流平順進入引水渠，根據(jù)規(guī)范，取引水渠中心線與河道水流方向夾角即引水角不超過30度。（取25度）第二章 閘孔設(shè)計1. 閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計1.1 閘室結(jié)構(gòu)型式的確定由于閘室地基土質(zhì)為堅硬粉質(zhì)粘土,土質(zhì)均勻,承載力較大,因此選用整體式平底板閘室，且閘前水位最大可達到10.2m，最低水位可達6.94m，水位變幅3.26m，為減少閘門高度，因此設(shè)計成胸墻式閘室。1.2 堰型選擇由于水閘有防洪沖淤的任務(wù)，故堰型采用寬頂堰，它有利于泄洪，沖沙，排污，且泄流能力穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，施工方便。1.3 確定閘頂高程設(shè)計情況下，上游水位2204.3m，下游水位2201.0m；校核情況下，上游水位2204.7m,下游水位2201.0m。不考慮風浪情況，則課本76頁公式3-78 所以取1.4 確定閘底板高程閘底板應盡可能置于天然堅實的土層上，在滿足強度等條件下，高程應盡可能高一些。一般情況下，閘底板高程定為2194.5m，和河底齊平。2. 確定閘門孔口尺寸2.1 計算閘孔總凈寬灌溉期：上游水位2201.83m，下游水位2201.78m，流量300上游水深，下游水深過水斷面上游行近流速行近水頭 屬淹沒出流。由水閘設(shè)計規(guī)范SL2652001查得當時，初步設(shè)計認為，由公式枯水季節(jié)：上游水位2201.44m，下游水位2201.38m，流量100上游水深，下游水深過水斷面上游行近流速行近水頭 屬淹沒出流。由水閘設(shè)計規(guī)范SL2652001查得當時，初步設(shè)計認為，由公式由于應選用最大過閘單寬流量，故應選最大閘孔總凈寬，因此綜合兩種情況,閘孔總凈寬取值為26.10m。此時單寬流量，由地質(zhì)資料知閘地基處為堅硬粉質(zhì)粘土，可取20-25，故滿足要求2.2 孔數(shù)及單孔寬度的選定為了保證閘門對稱開啟，使水流過閘均勻，孔數(shù)宜采用單數(shù)。我國大中型水閘單孔寬度一般采用8-12m,故選孔，選單孔凈寬。根據(jù)規(guī)范上游閘墩頭部均采用半圓形，下游閘墩頭部采用流線形，厚，邊墩取1.5m閘孔總寬度為：渠道寬50.0m，閘室總寬度應與渠道寬度相適應，兩者的比值為34/50=0.68大于0.60.75，符合要求。閘孔尺寸示意圖見圖2-1（比例1：100）圖2-1閘孔布置圖（ 單位：m）2.3 水閘泄流能力驗算（查閱水閘設(shè)計規(guī)范SL265-2001）2.3.1 灌溉期過流驗算：上游水位2201.83m，下游水位2201.78m，流量300對于中孔：，對于邊孔：， 則 水閘泄流能力大于300滿足要求 。 2.3.2 枯水期過流驗算：上游水位2201.44m，下游水位2201.38m，流量100對于中孔：，對于邊孔：， 則 水閘泄流能力大于100滿足要求 。 第三章 消能防沖設(shè)計1. 消力池設(shè)計1.1確定消能型式由于本閘所處渠道底部為粉質(zhì)粘土，抗沖刷能力較低，故采用底流式消能。1.2確定消能計算工況由第二章計算已知，灌溉期和枯水期水位時閘門全開引水，均為淹沒出流，無須消能。當引水流量為300，上游水位2204.7m，下游水位2201.78m時，為 最不利的工況，取該工況為計算工況1.3 計算工況時上下游水面連接形態(tài)的判別引水流量為300，上游水位2204.7m，下游水位2201.78m；上游水位，下游水位該工況情況下，關(guān)閘擋水，部分閘門不完全開啟，下游水位較低，閘孔射流速度大，最容易造成渠道的沖刷。消力池設(shè)計采用挖深式消力池，消力池首端寬度采用閘孔總寬，末端寬度采用河底寬度。1.3.1為保證水閘安全運行，可以規(guī)定閘門的操作規(guī)程，本設(shè)計按閘孔對稱方式開啟運行，分別為開啟3孔和中間1孔當閘門不完全開啟，閘孔射流速度較大，比閘門完全開啟時更容易引起渠床的沖刷，取閘門相對開啟從0.1-0.65（大于0.65屬于堰流）過水斷面上游行近流速行近水頭下游水深寬頂堰閘孔出流流量公式，由相對開啟高度查水力學354頁表9-7可得，取0.9，假設(shè)水躍在最小收縮斷面開始發(fā)生，由水閘設(shè)計規(guī)范可得：躍后水深，根據(jù)和的關(guān)系判別水躍形態(tài)計算表格如下：1.3.2 驗算計算工況閘門全開自由堰流狀態(tài)下水躍形態(tài)由迭代公式求收縮水深， ；代入迭代公式可得：， 由此可得假設(shè)水躍在最小收縮斷面發(fā)生，躍后水深，故也發(fā)生淹沒式水躍1.3.3 結(jié)論由以上計算可知，上下游水位的連接形態(tài)為淹沒式水躍，這種情況對底部沖刷不太嚴重，不需要修建消力池,但應按要求設(shè)計相應的護坦。1.4 護坦尺寸設(shè)計1.4.1 閘孔按1孔和三孔對稱開啟時時躍前水深和躍后水深最大差值為3.78m。以此為計算控制工況水躍長度；按規(guī)范取考慮到閘底板的厚度，按規(guī)范取2m，護坦與閘底板用斜坡連接，坡度1：4護坦長度，取護坦厚度，取0.155，為上下游水位差 ，取1.4.2 閘門全開自由堰流狀態(tài)時躍前水深和躍后水深差值為水躍長度；按規(guī)范取護坦長度護坦厚度，取0.155，為上下游水位差 1.4.3 綜合以上計算情況，可以確定護坦長度，護坦厚度2. 海漫的設(shè)計水流經(jīng)過護坦淹沒式消能，雖已消除了大部分多余能量，但仍留有一定的剩余動能，特別是流速分布不均，脈動仍較劇烈，具有一定的沖刷能力。因此，護坦后仍需設(shè)置海漫等防沖加固設(shè)施，以使水流均勻擴散，并將流速分布逐漸調(diào)整到接近天然河道的水流形態(tài)。根據(jù)實際工程經(jīng)驗，海漫的起始段采用長為10米的水平段,其頂面高程與護坦齊平, 水平段后采用1:10的斜坡,以使水流均勻擴散；為保護河床不受沖刷，海漫結(jié)構(gòu)采用干砌石海漫結(jié)構(gòu)按公式，為上下游水位差為渠床土質(zhì)系數(shù)，根據(jù)地質(zhì)資料渠床為粉質(zhì)粘土取為護坦出口處單寬流量，取最大值 ，取為42m根據(jù)實際工程經(jīng)驗，海漫的起始段采用長為10米的水平段,其頂面高程與護坦齊平, 水平段后采用1:10的斜坡,以使水流均勻擴散；為保護河床不受沖刷，海漫結(jié)構(gòu)采用干砌石海漫結(jié)構(gòu)3.防沖槽設(shè)計水流經(jīng)過海漫后，盡管多余能量得到了進一步消除，流速分布接近河床水流的正常狀態(tài)，但在海漫末端仍有沖刷現(xiàn)象。為保證安全和節(jié)省工程量，在海漫末端設(shè)置防沖槽。海漫末端的河床沖刷深度按公式為海漫末端單寬流量，由消能防沖設(shè)計水位組合取為土質(zhì)的不沖流速，查農(nóng)田水利學112頁表4-12，取為0.85m/s；為海漫末端河床水深，海漫前端水深為， 海漫10m水平段后有1:10的斜坡段，斜坡水平長度 則斜坡段在垂直向下降3.2m ，即 故取防沖槽深度為2.5m，槽頂高程與海漫末端齊平，底寬取5m，上游邊坡系數(shù)為2，下游邊坡系數(shù)為3。并在海漫末端預留足夠塊徑大于30cm的石塊，單寬拋石量（A值按經(jīng)驗取2-4） 第四章 地下輪廓設(shè)計1. 地下輪廓布置形式1.1 綜合說明按照防滲和排水相結(jié)合的原則，在上游側(cè)采用鋪蓋、板樁、齒墻等防滲設(shè)施，延長滲徑，以減小作用在底板上的滲流壓力，降低閘基滲流的平均坡降；在下游側(cè)設(shè)置排水反濾設(shè)施，如面層排水、排水孔排水或減壓井與下游連通，使地基滲水盡快排出，防止在滲流出口附近發(fā)生滲透變形。由于粘性土地基不易發(fā)生管涌破壞，底板與地基間的摩擦系數(shù)較小，在布置地下輪廓時，主要考慮降低作用在底板上的滲流壓力。為此，在閘室上游設(shè)置水平防滲，而將排水設(shè)施布置在護坦底板下。由于打樁可能破壞粘土天然結(jié)構(gòu)，故粘性土地基不設(shè)板樁。（具體圖樣見CAD大圖）1.2 最小防滲長度的確定防滲長度應滿足式的要求。根據(jù)地基為堅硬粉質(zhì)粘土，滲徑系數(shù)C為 43，取大值4，取校核情況上游水位2204.7m下游水位2201.0m。則上下游水位差。于是。2. 閘底板設(shè)計2.1 閘底板長度計算閘底板順水流方向長度，據(jù)閘基土為堅硬粉質(zhì)粘土，閘室底板取為安全起見取系數(shù)為4，上下游最大水位差為3.7m 綜合考濾取上部結(jié)構(gòu)布置及地基承載力等要求，確定閘底板長15m，齒墻深取1m，在輪廓線上長度取2m，與底板聯(lián)成一體2.2 閘底板厚度計算閘底板厚度(為閘孔凈寬，為10m) ，取2.3 閘底板結(jié)構(gòu)底板結(jié)構(gòu)在垂直水流的長度上按經(jīng)驗每25m分段，每隔3m分橫縫，防止溫度變形和不均勻沉降。3. 鋪蓋設(shè)計3.1 鋪蓋材料選擇為充分利用灌區(qū)資源，減少投資，鋪蓋采用粘土鋪蓋；為防止鋪蓋被水流沖刷，應在其表面鋪砂層，然后再砂層上在鋪設(shè)單層或雙層塊石護面。3.2 鋪蓋尺寸確定鋪蓋長度,為上下游最大水位差取3.7m ，取為方便施工，鋪蓋上游端取1m，末端為2m，以便和底板連接。校核地下輪廓線的長度：根據(jù)以上設(shè)計數(shù)據(jù)，實際地下輪廓線長度，滿足要求。4.側(cè)向防滲4.1 上游翼墻設(shè)計上游翼墻除擋土外，最主要的作用是將上游來水平順導入閘室，其次配合鋪蓋其防滲的作用。其平面布置要與上游進水條件和防滲設(shè)施相協(xié)調(diào)。順水流流向的長度應滿足水流要求，上游段插入岸坡，墻頂要超出最高水位0.5-1.0m，則上游翼墻頂部高程4.2下游翼墻設(shè)計下游翼墻除擋土外，最主要的作用是引導出閘水流均勻擴散，避免出現(xiàn)回流漩渦等不利流態(tài)。翼墻平均擴散角采用7-12,順水流流向的投影長度應大于或等于護坦長度24m，下游插入岸坡，墻頂一般高出最高泄洪水位。則下游翼墻墻頂高程4.3 翼墻布置形式根據(jù)地基條件，翼墻采用曲線式，從邊墩開始向上游延伸鋪蓋的長度15m，向下游延伸護坦的長度24m后，上下游翼墻以圓弧的形式轉(zhuǎn)彎90后與岸邊連接，使水流條件和防滲效果好5.排水止水設(shè)計5.1 排水設(shè)計5.1.1 水平排水： 水平排水采用反濾層排水，形成平鋪式。排水反濾層一般是由2-3層不同粒徑的砂和砂礫石組成的。層次排列應盡量與滲流的方向垂直，各層次的粒徑則按滲流方向逐層增大。 該水閘中的反濾層設(shè)計由碎石、中砂和細砂組成，其中上部為20cm厚的碎石，中間為10cm厚的中砂，下部為10cm厚的細砂。如下圖所示： 反濾層布置圖 （單位 cm）5.1.2 鉛直排水：本水閘在護坦底板上設(shè)置三排排水孔，排距1.5m采用梅花形布置，孔徑取10cm,孔距為3m。5.1.3 側(cè)向排水：側(cè)向排水布置應根據(jù)上、下游水位、墻體材料和墻后土質(zhì)以及地下水位變化等情況綜合考慮，并應與閘基排水布置相適應，在空間上形成防滲整體。5.2止水設(shè)計凡具有防滲要求的縫，都應設(shè)止水設(shè)備。止水分鉛直止水和水平止水兩種。前者設(shè)在閘墩中間、邊墩與翼墻間以及上游翼墻鉛直縫中；后者設(shè)在黏土鋪蓋保護層上的溫度沉陷縫、護坦與底板溫度沉陷縫、翼墻和護坦本身的溫度沉陷縫內(nèi)。在黏土鋪蓋與閘底板沉陷縫中設(shè)置瀝青油毛氈止水。典型的縫間止水如下圖典型的縫間止水示意圖第五章 滲流計算閘底板的滲透壓力計算采用改進的阻力系數(shù)法。地基土為堅硬粉質(zhì)粘土，厚度為,不透水厚度較大，所以應計算有效深度，計算深度，故有效深度計算。1. 設(shè)計洪水位情況1.1 滲流損失水頭計算設(shè)計情況下上游水位2204.3m，下游水位2201.0m，水位差典型流端的阻力系數(shù)計算參照水工建筑物310頁表6-4進口處修正系數(shù)計算，所以出口處修正系數(shù)計算，所以 水頭損失列于下表 各段滲透壓力水頭損失（單位：m）計算示意圖如下：（比例1：100）水閘水頭損失計算圖（單位：m）水壓力沿閘基分布如下圖所示：（比例1：100）水閘滲透壓力分布圖（單位：m）各點的滲透壓力值列表如下各角點的滲透壓力值 （單位：m）2.981.881.811.661.50.640.570.4201.2 閘基滲透變形驗算出口處的逸出坡降為堅硬粘土的出口段容許坡降為0.700.80，小于容許值，滿足要求。2. 校核洪水位情況2.1 滲流損失水頭計算校核情況下上游水位2204.7m，下游水位2201.0m，水位差典型流端的阻力系數(shù)計算參照水工建筑物310頁表6-4進口處修正系數(shù)計算，所以出口處修正系數(shù)計算，所以水頭損失列于下表各段滲透壓力水頭損失（單位：m）計算示意圖如下：（比例1：100）水閘水頭損失計算圖（單位：m）水壓力沿閘基分布如下圖所示：（比例1：100）水閘滲透壓力分布圖（單位：m）各點的滲透壓力值列表如下各角點的滲透壓力值 單位（m）3.342.112.031.861.780.720.640.4101.2 閘基滲透變形驗算出口處的逸出坡降為堅硬粘土的出口段容許坡降為0.700.80，小于容許值，滿足要求。第六章 閘室結(jié)構(gòu)布置1. 閘室的底板采用整體式平底板，閘底板高程定為2194.5m，和河底齊平，順水流方向的長度，底板厚度2.0m。2. 閘墩的尺寸考慮防洪要求閘墩高不得低于兩岸，故閘墩高度取11.5m，而且各種工況下上有水位均沒有高于2205.8m，所以定閘墩高度取11.5m符合運用條件。閘墩的厚度取2m，上游半圓形，下游流線型。3. 胸墻結(jié)構(gòu)布置胸墻頂宜與閘頂齊平。閘前水位最大可達到10.2m，最低水位可達6.94m，為安全和節(jié)省投資起見，定閘門高為7.5m，胸則墻底高程取，定胸墻高為4m，則胸墻頂部高程取，與閘頂齊平。由于該水閘孔口凈寬10m，故采用梁板式胸墻，由墻板，頂梁，底梁組成；按規(guī)范墻板板厚取12cm；頂梁梁高取，故頂梁梁高取為1.0m，梁寬取為50cm；底梁梁高取為1.3m，梁寬70cm。4. 閘門和閘墩的布置閘門選露頂?shù)闹鄙介l門，根據(jù)水閘設(shè)計規(guī)范SL265-2001閘頂?shù)母叨扔勺罡邠跛患?.30.5m的安全加高確定，由第二章閘孔設(shè)計可知取為2206.0m。閘門高度為7.5m，采用平面鋼閘門，閘門設(shè)置在閘墩中心靠向上游1.75m處，設(shè)有4m高的胸墻。平面閘門的門槽設(shè)在閘墩水流平順的部位，深度為0.3m，門槽寬度取0.5m，寬深比1.67，閘墩門槽處最小厚度1.4m，符合規(guī)范要求。檢修門槽深0.2m，寬0.3m。檢修門槽與工作門槽之間的凈距取為2.0m。閘墩的尺寸及工作閘門和檢修閘門的門縫尺寸如下圖：閘墩細部結(jié)構(gòu)尺寸圖（單位：mm）5. 工作橋和交通橋及檢修便橋5.1 交通橋設(shè)在水閘下游一側(cè)，橋?qū)?.5m，兩邊設(shè)欄桿。具體尺寸見下圖。交通橋細部結(jié)構(gòu)圖 單位（mm）5.2 工作橋、檢修便橋的型式和尺寸參考已建工程和運用要求確定。尺寸見下圖 工作橋細部結(jié)構(gòu)圖(單位：cm) 檢修便橋細部結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)6. 閘室分縫布置為了防止和減少由于地基不均勻沉降及溫度變化和混凝土干縮引起的底板斷裂和裂縫，對于多孔水閘需要沿軸線設(shè)置永久縫，建在土基上的水閘，縫距一般為15-30m，縫寬為2-3cm。整體式底板閘室沉陷縫，一般設(shè)在閘墩，一孔，兩孔或三孔一聯(lián)為獨立單元。 本次設(shè)計縫寬為20mm，取一孔為一個獨立單元。為避免相鄰結(jié)構(gòu)由于荷載相差懸殊產(chǎn)生不均勻沉降，也設(shè)結(jié)構(gòu)縫分開。永久縫和結(jié)構(gòu)縫間必須設(shè)止水，止水片設(shè)在閘底板以下1m處。具體止水見第四章止水設(shè)計。閘室具體布置見下圖：(比例1：100)閘室具體布置尺寸（單位：mm）第七章 閘室穩(wěn)定計算1. 確定荷載組合 水閘承受的荷載主要有：自重、水重、水平靜水壓力、揚壓力、浪壓力、地震等。本地區(qū)地震烈度在6級以下，不用考慮地震。不考慮風浪壓力。荷載組合分基本組合和特殊組合?；窘M合按完建無水期和正常擋水期情況；特殊組合按校核擋水期情況。荷載組合見下表。荷載組合表荷載組合計算情況自重水重靜水壓力揚壓力基本組合完建無水期正常擋水期特殊組合校核擋水期2. 閘室抗滑穩(wěn)定計算和閘基應力驗算2.1 完建無水情況此時荷載主要是閘室及上部結(jié)構(gòu)自重，取中間一孔為一個獨立單元進行計算。鋼筋混凝土容重取，混凝土容重取，磚石容重取，水重取。底板順水流反向長15.0m，垂直水流方向長37.0m。底面積。力矩為對閘門底板中心所取。計算結(jié)果見下表 完建無水情況荷載計算表由公式計算最大及最小應力，驗算地基應力查地質(zhì)資料和水工建筑物知，粘土不均勻系數(shù)容許值為2.0，地基容許承載力為350kPa（取15次貫入擊數(shù)）平均應力：不均勻系數(shù)：完建期的地基承載力滿足要求，地基不會發(fā)生不均勻沉陷。2.2 正常擋水情況此時閘室荷載除了永久設(shè)備的自重，還包括水重、