水利計(jì)算公式

1、1. 河床穩(wěn)定計(jì)算及河相分析1.1. 河床穩(wěn)定計(jì)算河床穩(wěn)定指標(biāo)可采用橫向穩(wěn)定指標(biāo)、縱向穩(wěn)定指標(biāo)及綜合穩(wěn)定指標(biāo)3種形式分析，以確定河道特性。1.1.1. 河道橫向穩(wěn)定分析河道橫向穩(wěn)定系數(shù)按下式計(jì)算:b=Q0.5J0.2B式中：b橫向穩(wěn)定系數(shù)；Q造床流量，m3/s；J河床比降；B相當(dāng)于造床流量的平攤河寬，m。1.1.2. 河道縱向穩(wěn)定分析水流對(duì)河床泥沙的拖曳力與床面泥沙抵抗運(yùn)動(dòng)的摩阻力之間的相互作用，決定河床的縱向穩(wěn)定性。根據(jù)黃河水利出版社出版治河及泥沙工程中河道縱向穩(wěn)定系數(shù)采用愛因斯坦水流強(qiáng)度函數(shù)按下式計(jì)算：h=dhJ式中：h縱向穩(wěn)定系數(shù)；D床沙平均粒徑，mm；J河床縱比降；H河流平攤水深，m。

2、1.1.3. 綜合穩(wěn)定指標(biāo)綜合穩(wěn)定指標(biāo)是綜合考慮河床的縱、橫向穩(wěn)定性。建議采用的公式為1.2. 河床演變分析與河相關(guān)系調(diào)查工程區(qū)河道歷史主流及河道變遷，分析工程區(qū)河道形態(tài)。共分為蜿蜒型河道、游蕩型河道兩種形式。蜿蜒型河段一般凹岸崩退，凸岸淤長(zhǎng)，凹岸深槽和過渡段淺灘在年內(nèi)發(fā)生互相交替的沖淤變化。游蕩型河道的河岸及河床抗沖性較差，從長(zhǎng)距離來看河道往往呈藕節(jié)狀，其中窄段水流歸順，有控制河勢(shì)的作用，寬段則河床寬淺，洲灘密布，汊道交織，水流散亂，主流遷徙不定。河道的平面狀態(tài)可用“寬、淺、散、亂”四個(gè)字概括。在水流長(zhǎng)期作用下形成的河床，其形態(tài)有一定的規(guī)律，大量資料表明，表征河床形態(tài)的水深、河寬、比降等，與

3、來水來沙條件及河床地質(zhì)條件之間，有一定函數(shù)關(guān)系，這種關(guān)系便稱為河相關(guān)系。根據(jù)俄羅斯國(guó)立水文所提出公式，河道橫斷面河相關(guān)系公式為:式中:河相相關(guān)系數(shù)；B造床流量下的水面寬（m）；H造床流量下的平均水深（m）；（蜿蜒型河道約為24，較為順直的過渡性河段約為812，游蕩型河道約為2030）2. 護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1. 護(hù)岸頂高程確定根據(jù)堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50286-2013）（以下簡(jiǎn)稱堤防規(guī)范）要求，堤頂高程為設(shè)計(jì)洪水位加超高值確定。堤頂超高按下式計(jì)算：Y=R+e+A式中：Y堤頂超高(m)；R設(shè)計(jì)波浪爬高(m)；e設(shè)計(jì)風(fēng)壅水面高度(m)；A安全加高(m)。a)當(dāng)斜坡坡率時(shí)，設(shè)計(jì)波浪爬高R可按下式計(jì)

4、算:m=cot式中：Rp為累積頻率為P的波浪爬高(m)；為斜坡的糙率及滲透性系數(shù)，時(shí)，砌石護(hù)面取1.0；Kv為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可根據(jù)風(fēng)速V（m/s）、堤前水深d(m)、重力加速度g(m/s2)組成的無維量確定；Kp為爬高累積頻率換算系數(shù)，對(duì)不允許越浪的堤防，爬高累積頻率取2%；m斜坡坡率；堤前波浪的平均波高(m)；L堤前波浪的平均波長(zhǎng)（m）；a斜坡坡腳。有關(guān)風(fēng)浪的要素按堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范中的有關(guān)規(guī)定計(jì)算；b)設(shè)計(jì)風(fēng)雍增水高度e按下式計(jì)算:式中：e計(jì)算點(diǎn)的風(fēng)壅水面高度(m)；K綜合摩阻系數(shù)，取K=3.6×10-6；V設(shè)計(jì)風(fēng)速，按計(jì)算波浪的風(fēng)速確定；F由計(jì)算點(diǎn)逆風(fēng)向量到對(duì)岸的距離（m）；D水域的

5、平均水深（m）；風(fēng)向與垂直于堤軸線的法線的夾角（°）。c)安全加高的選取安全加高A查堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范(GB502862013)表3.2.1，5級(jí)堤防按不允許越浪考慮安全加高為0.5m。2.2. 護(hù)坡厚度的確定C20混凝土護(hù)面的防護(hù)厚度采用下面公式計(jì)算:t=Hrrb-r×LBm式中：t混凝土護(hù)面厚度（m）系數(shù)，對(duì)開縫混凝土板可取0. 075，（現(xiàn)澆混凝土板每10m設(shè)一道伸縮縫）；對(duì)上部為開縫板、下部為閉縫板可取0.10。H計(jì)算波浪高（m），取H1%。查表并計(jì)算得H1%=0.25m；rb混凝土板的重度（kN/m3），取24kN/m3；r水的重度，取10kN/m3；L波長(zhǎng)（m），

6、L平均=3.46m；B沿斜坡方向的護(hù)面板長(zhǎng)度（m）；m斜坡坡率，m=2.0。經(jīng)計(jì)算，t=0.12m。工程區(qū)治理河段護(hù)岸考慮了磨損年限、凍融循環(huán)、抗腐蝕耐久性等綜合因素，并參考當(dāng)?shù)匾呀ㄗo(hù)岸工程經(jīng)驗(yàn)，采用C20砼預(yù)制鉸接式生態(tài)護(hù)坡厚度采用0.12m。2.3. 坡腳確定通過計(jì)算局部沖刷深度來確定具體的防沖護(hù)砌范圍，除河床基巖出露的河段外，其它河段護(hù)岸的護(hù)腳局部沖刷深度計(jì)算采用堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50286-2013）中平順護(hù)岸沖刷深度計(jì)算公式，按設(shè)計(jì)洪水位進(jìn)行局部沖刷深度計(jì)算。2.3.1. 沖刷深度式中：hs局部沖刷深度（m）；H0沖刷處的水深（m）； Ucp近岸垂線平均流速（m/s）；Uc泥沙的

7、啟動(dòng)流速（m/s）；粘性與沙質(zhì)河床采用張瑞瑾公式計(jì)算，卵石河床采用長(zhǎng)江科學(xué)院公式計(jì)算；n與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，本次取n=1/4。張瑞瑾公式:Uc=H0d500.1417.6rs-rrd50+0.00000060510+H0d500.72長(zhǎng)江科學(xué)院公式: 長(zhǎng)江科學(xué)院的起動(dòng)公式計(jì)算Uc=1.08gd50rs-rrH0d5017式中：d50河床的中值粒徑（m）；H0行進(jìn)水流水深（m）；rs，r分別為泥沙與水的重度（KN/m3），g為重力加速度（ m/s2），Ucp的計(jì)算應(yīng)符合下列規(guī)定：Ucp=U21+式中：U行近流速（m/s ）；水流流速分配不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角角查表。表 水流

8、流速不均勻系數(shù)表 a15°20°30°40°50°60°70°80°90°11.251.51.7522.252.52.753根據(jù)設(shè)計(jì)洪水與護(hù)岸的關(guān)系、洪峰流速及河床質(zhì)等因素，選用張瑞瑾公式最終確定各段護(hù)岸的沖刷深度2.3.2. 基礎(chǔ)埋深確定根據(jù)規(guī)定，防洪墻基礎(chǔ)砌置深度，應(yīng)根據(jù)地基土質(zhì)和沖刷計(jì)算確定，要求在沖刷線以下0.51.0m。在季節(jié)性凍土地區(qū)，還應(yīng)滿足凍結(jié)深度的要求。結(jié)合工程區(qū)抗沖刷及抗凍、地基情況要求及河道河勢(shì)變遷情況，考慮該河段無明顯灘槽、河道渠槽化、主河槽擺動(dòng)明顯等特征，本次堤基沖刷深按深泓點(diǎn)作

9、為地面高程，滿足沖刷線以下計(jì)算深度。綜合考慮，確定護(hù)岸堤基埋置深度按以下要求確定:a.滿足沖刷要求根據(jù)沖刷計(jì)算，工程段沖刷深度為1.001.91m，結(jié)合河道斷面演變情況分析及平順段沖刷深度計(jì)算結(jié)果，綜合確定工程區(qū)堤基平順段埋置于深泓點(diǎn)以下2.0m，斜沖段埋置于深泓點(diǎn)以下2.5m。b.滿足凍土深度的要求本工程區(qū)最大凍土深度0.9m，地基最低埋置深度2.0m，根據(jù)沖刷深度要求，本段堤防埋置深度滿足凍土要求。c.滿足地基承載力的要求?；A(chǔ)在滿足以上兩點(diǎn)的前提下，還需要滿足地基承載力要求。根據(jù)該段堤防沿線基礎(chǔ)地質(zhì)情況，多半工程基礎(chǔ)坐落與基巖上，只有少部分堤防工程基礎(chǔ)落于粉質(zhì)壤土和砂礫石上，需對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行

10、適當(dāng)放大處理，滿足承載力要求。綜上所述，本次設(shè)計(jì)項(xiàng)目區(qū)確定工程區(qū)堤基平順段埋置于深泓點(diǎn)以下2.0m，斜沖段埋置于深泓點(diǎn)以下2.5m。由于工程區(qū)部分區(qū)域基巖層相對(duì)較高，位于沖刷深度以上，因此將該區(qū)段堤防基礎(chǔ)底部坐落于基巖強(qiáng)弱分劃線以下0.5m，其余區(qū)段基礎(chǔ)埋深按照沖刷深度計(jì)算成果控制。2.3.3. 護(hù)坡護(hù)腳計(jì)算堤防斜坡段迎水面采用大塊型鉸接護(hù)坡磚防護(hù)，底部基礎(chǔ)為格賓石籠；格賓石籠堤腳外設(shè)拋石護(hù)腳。在水流作用下，護(hù)腳塊石保持穩(wěn)定的抗沖粒徑按堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范附錄D.3.4公式計(jì)算。式中：d折算粒徑（m）；W石塊重量（kN）；V水流流速，取最大流速為4.0m/s；g重力加速度（9.81m/s2）；C石

11、塊運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定系數(shù)；水平底坡C=1.2；s石塊的容重，取26.5kN/m3；水的容重，取10kN/m3。經(jīng)計(jì)算，d=0.15m，工程擬采用粒徑不小于0.2m的石塊作為護(hù)腳拋石。2.4. 擋墻穩(wěn)定計(jì)算擋墻的抗滑和抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)按堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范(CB50286-2013)附錄F中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)?shù)鼗鶠榛鶐r時(shí)，擋墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)按表5.4-2選取，基底最大應(yīng)力小于地基土的允許承載力【R】。2.4.1. 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc=fWP式中：Kc抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；W作用于墻體上的全部垂直力的總和（kN）；P作用于墻體上的全部水平力的總和（kN）；f底板與堤基之間的摩擦系數(shù)。2

12、.4.2. 抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)K0=fMVMH式中：K0抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；Mv抗傾覆力矩（kN.w）；MH傾覆力矩（kN.m）。2.4.3. 擋土墻地基應(yīng)力驗(yàn)算minmax=GA±MW式中：max.min基底的最大和最小壓應(yīng)力（kPa）；G垂直荷載（KN）；A底板面積（m2）；M荷載對(duì)底板形心軸的力矩（kN.m）；W底板的截面系數(shù)（m3）。2.5. 護(hù)坡的穩(wěn)定計(jì)算護(hù)坡的穩(wěn)定計(jì)算包括整體穩(wěn)定和邊坡內(nèi)部穩(wěn)定計(jì)算兩種情況。2.5.1. 整體穩(wěn)定計(jì)算由于蒲河河床基巖出露較高，基礎(chǔ)腳槽均布置在岸坡基巖的弱風(fēng)化層上限，不會(huì)發(fā)生沿護(hù)坡底面的滑動(dòng)。護(hù)岸及岸坡基礎(chǔ)土的滑動(dòng)根據(jù)堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范（GB5

13、0286-2013）附錄F公式F.0.3-1瑞典圓弧法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式為:K=W±Vcos-ubsec-Qsintan+cbsecW±Vsin+Mc/R式中：W土條重量（kN）；Q、V水平和垂直地震慣性力（kN）；u作用于土條底面的空隙壓力（kN/m2 ） ；條塊重力線與通過此條塊地面中點(diǎn)的半徑之間的夾角（°）；b土條寬度（m）；c'、'土條底面有效凝聚力（kN/m2）和有效內(nèi)摩擦角（°）；Mc水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩（kN.m）。R圓弧半徑（m）；用理正巖土計(jì)算系列軟件中邊坡穩(wěn)定計(jì)算程序?qū)τ孢吰碌目够€(wěn)定進(jìn)行計(jì)算，K=1.825

14、>1.25滿足規(guī)范要求，護(hù)坡穩(wěn)定。2.5.2. 邊坡內(nèi)部穩(wěn)定計(jì)算一般不穩(wěn)定破壞發(fā)生在枯水期，護(hù)坡體和岸坡是兩種不同抗剪強(qiáng)度的材料，水位較低時(shí)，往往沿抗剪強(qiáng)度較低的接觸面向下滑動(dòng)，計(jì)算時(shí)假定滑動(dòng)面經(jīng)過坡前水位和坡岸滑動(dòng)裂面的交點(diǎn)，全滑動(dòng)面為abc折線，折點(diǎn)b以上的護(hù)坡體產(chǎn)生滑動(dòng)力，依靠下部護(hù)坡體的內(nèi)部摩擦阻力平衡。計(jì)算如下：維持極限平衡所需的護(hù)坡體內(nèi)部摩擦系數(shù)f2值按下列公式計(jì)算：Af22-Bf2+C=0A=nm1m2-m11+m12B=m2W2W11+m12+m2-m11+m12+nm12m2+m11+m12C=W2W11+m12+1+m1m21+m12式中:m1折點(diǎn)b以上護(hù)坡內(nèi)坡的坡率

15、，取1.5；m2折點(diǎn)b以下護(hù)坡內(nèi)坡的坡率，取2.0；n=fl/f2；fl護(hù)坡和基土之間的摩擦系數(shù)取0.65 ；f2維持極限平衡所需的護(hù)坡體內(nèi)部摩擦系數(shù)；W1，W2護(hù)坡體質(zhì)量。護(hù)坡穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計(jì)算:K=tg/f2式中：護(hù)坡體內(nèi)摩擦角，取45°。當(dāng)m=1.5時(shí)，經(jīng)試算得f2=0.6，則斜坡式護(hù)岸穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.66 > 1.20，滿足規(guī)范要求，當(dāng)m<1.5時(shí)，經(jīng)試算，則坡式護(hù)岸穩(wěn)定安全系數(shù)K<1.2不滿足規(guī)范要求，因此護(hù)岸坡比不陡于1.5滿足設(shè)計(jì)要求。 圖5.4-8 固濱籠擋土墻受力簡(jiǎn)圖經(jīng)分析，在建成未運(yùn)行條件下，擋土墻處于最不利狀況，據(jù)此分析擋土墻的抗滑穩(wěn)定

16、、抗傾穩(wěn)定及地基承載力。計(jì)算成果見下表。表5.4-3 擋墻穩(wěn)定計(jì)算成果（完建情況） 擋墻類別抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)K0地基承載力（Mpa）設(shè)計(jì)值允許值設(shè)計(jì)值允許值PmaxPmin重力式1.6131.252.1231.500.3630.092 從上表可知，擋墻抗滑和抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定值，滿足設(shè)計(jì)要求。由地質(zhì)提供資料，粉砂巖承載力標(biāo)準(zhǔn)值1.01.21Mpa，滿足設(shè)計(jì)要求。3. 閘壩3.1. 抗滑穩(wěn)定計(jì)算根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范SL265-2001，抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式如下:Kc=fWP式中：kc 沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f 閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，f=0.52；G

17、 作用在閘室上的全部豎向荷載（kN）；H 作用在閘室上全部水平向荷載（kN）。3.2. 閘室基底應(yīng)力計(jì)算根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范SL265-2001，閘室基底應(yīng)力計(jì)算公式如下:Pminmax=GA±MW式中：Pmax閘室基底應(yīng)力的最大值或最小值（kPa）；G 作用在閘室上的全部豎向荷載（kN）；M 作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對(duì)于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩（kN.m）；A閘室基底面的面積（m2）；W閘室基底面對(duì)于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩（m3）。各閘壩在各工況下抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，壩基應(yīng)力小于地基承載力，應(yīng)力不均勻系數(shù)滿足規(guī)范要求。4. 橡膠壩4.1. 泄洪流量依

18、據(jù)橡膠壩設(shè)計(jì)規(guī)范附錄A橡膠壩泄洪能力計(jì)算，式中：Q過壩流量，m3/s；溢流斷面的平均寬度，；計(jì)入行進(jìn)流速水頭的寬堰頂水頭，；流量系數(shù)；淹沒系數(shù)，可取寬頂堰的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取=1；堰流側(cè)收縮系數(shù)，與邊界條件無關(guān)，取=1。按照規(guī)范規(guī)定，壩袋沖脹時(shí)，可視為曲線型實(shí)用堰，流量系數(shù)=0.360.45。4.2. 壩下游河道水深計(jì)算壩下游河道水深按下式推算:Q=1nAR23J式中：Q壩泄流能力，m3/s；n河槽糙率系數(shù)，選用n=0.035；A河槽過水?dāng)嗝婷娣eA；R水力半徑；J河道洪水比降。4.3. 底流消能計(jì)算底流消能采用矩形斷面等寬消力池，采用SL 265-2001水閘設(shè)計(jì)規(guī)范和水工計(jì)算手冊(cè)中有關(guān)底流消能的公式進(jìn)行計(jì)算。4.3.1. 消力池深度計(jì)算式中：d消力池深度（m）；0水躍淹沒系數(shù)，可采用1.051.10；