《水閘設(shè)計(jì)中閘室穩(wěn)定計(jì)算過(guò)程案例》5200字

水閘設(shè)計(jì)中閘室穩(wěn)定計(jì)算過(guò)程案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u17569水閘設(shè)計(jì)中閘室穩(wěn)定計(jì)算過(guò)程案例綜述 140681.1資料的分析和處理 1280601.2計(jì)算工況的選取 1250511.3閘室布置 2146111.3.1閘墩平面輪廓 2171521.3.2墩頂高程 2133581.3.3門(mén)槽尺寸 2150281.4閘室荷載 3174391.4.1閘室各部分自重 339281.4.2水體自重計(jì)算 5317291.4.3揚(yáng)壓力計(jì)算 6320751.4.4水平水壓力計(jì)算 7199671.4.5荷載匯總 1079491.5應(yīng)力計(jì)算 12240831.6抗滑穩(wěn)定計(jì)算 14223721.7地基承載力計(jì)算 151.1資料的分析和處理水閘為節(jié)制閘，地處高朗鄉(xiāng)石莊村東北，場(chǎng)區(qū)地層由第四系全新統(tǒng)輕粉質(zhì)壤土、重粉質(zhì)壤和粉細(xì)砂組成，地質(zhì)結(jié)構(gòu)為粘砂多層結(jié)構(gòu)，地層分布較穩(wěn)定。上部土層結(jié)構(gòu)較疏松，具中等～高壓縮性，為中硬土，承載力標(biāo)準(zhǔn)值90～120kPa。工程場(chǎng)區(qū)地貌單元屬黃淮沖洪積平原，整體上場(chǎng)區(qū)地形較平坦。場(chǎng)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅵ度，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地。閘室材料采用C30鋼筋混凝土，墊層采用C15混凝土，厚0.1m。閘門(mén)為平面鋼閘門(mén)，1扇，啟閉機(jī)選用160kN固定卷?yè)P(yáng)機(jī)1臺(tái)。進(jìn)口段包括進(jìn)口護(hù)砌段和漸變段，總長(zhǎng)25m。出口段由消力池段和海漫段組成。1.2計(jì)算工況的選取閘室穩(wěn)定計(jì)算只計(jì)算順?biāo)鞣较?，主要考慮以下三種工況：（1）完建工況（竣工期）：閘室上、下游均無(wú)水，僅考慮永久荷載及可變作用中的風(fēng)荷載和人群荷載。（2）設(shè)計(jì)工況（設(shè)計(jì)水位）：閘上游為十年一遇設(shè)計(jì)水位，下游為設(shè)計(jì)水位對(duì)應(yīng)水位。（3）校核工況（校核水位）：閘上游為二十年一遇校核水位，下游為校核水位對(duì)應(yīng)水位。（4）正常蓄水工況（灌溉期水位）：閘上游為灌溉水位，閘下無(wú)水。1.3閘室布置1.3.1閘墩平面輪廓閘墩外形平面尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到過(guò)水時(shí)水流不會(huì)被過(guò)大的阻礙過(guò)流，能夠平順通過(guò)，同時(shí)，水閘的橫向斷面收縮幅度要小、能夠通過(guò)滿足要求的下泄流量，所以本水閘閘墩迎水面采用半圓形，下游離水面采用尖角型，閘墩順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度選用與底板相同的尺寸，8m。閘墩的厚度不僅要滿足過(guò)閘室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的要求，還要使其與閘的整體外形相協(xié)調(diào)，參考《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第七卷）閘孔凈寬為3m時(shí)，邊墩厚度應(yīng)為0.8～1.0m，取厚度為1.0m。1.3.2墩頂高程水閘擋水時(shí)，閘頂高程應(yīng)大于等于水閘最高擋水位、波浪計(jì)算高度與相應(yīng)安全超高之和，波浪高度為0.2m，水閘安全超高下限取0.7m，最高擋水位為二十年一遇的校核水位4.10m，故閘墩高度為1.0m，墩頂高程為51.30m。1.3.3門(mén)槽尺寸在閘墩的水流較平順部位設(shè)置工作閘門(mén)，其門(mén)槽寬深比取1.6～1.8。門(mén)槽寬：閘門(mén)擋水高度H為4.01m，閘門(mén)凈寬b0故門(mén)槽寬W=0.0035門(mén)槽深D=12.5圖5-1閘墩平面輪廓圖（單位：mm）1.4閘室荷載1.4.1閘室各部分自重1、閘墩規(guī)范中C30鋼筋混凝土的重度在2.4~2.5噸每立方米，取γ=2.4t/m3則閘墩重G1=(1×1×0.5+6.5×1-0.12×0.3+0.5×0.5π)×5×2.4×9.8×2=1822.6kN，閘墩重心到底板底面中心點(diǎn)的距離為L(zhǎng)1=0.25m，力矩為451.65kN·m。2、閘門(mén)根據(jù)閘門(mén)的實(shí)際工作性質(zhì)，采用平面鋼閘門(mén)，工作閘門(mén)基本尺寸取為高3m，寬度取3m。采用整體平板鋼閘門(mén)，雙吊點(diǎn)，滾輪支承。根據(jù)水閘金屬結(jié)構(gòu)特性技術(shù)表，閘門(mén)重5t。閘門(mén)G2=49kN，力臂L2=1.5m。力矩為73.5kN·m。建設(shè)類(lèi)別門(mén)體型式孔口尺寸(B×H)m材料閘門(mén)單重(t)埋件單重(t)型式啟門(mén)力(kN)單重(t)重建平板鋼閘門(mén)2×2Q235-B43手電螺桿式800.521平板鋼閘門(mén)2.3×2.5Q235-B4.53柴油螺桿式800.521平板鋼閘門(mén)3×3Q235-B54固定卷?yè)P(yáng)機(jī)1601.9平板鋼閘門(mén)3.5×3.5Q235-B1.53.5固定卷?yè)P(yáng)機(jī)1602.3平板鋼閘門(mén)4×3.5Q235-B6.53.5固定卷?yè)P(yáng)機(jī)2×1002.33、啟閉機(jī)啟閉機(jī)選用1臺(tái)固定卷?yè)P(yáng)機(jī)（單臺(tái)啟門(mén)力160kN）,每臺(tái)固定卷?yè)P(yáng)機(jī)重1.9t，啟閉機(jī)G3=18.62kN，力臂L3=1.5m，力矩為27.93kN·m。4、閘室底板閘室底板總寬1.0m，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)8.0m。圖5-2閘室底板縱剖圖（單位：mm）閘底板縱剖面積S=8×0.6+(0.8+0.5)×0.5×0.5×2=1.45m閘底板總重G4=1.45×5×2.4×9.8=640.92kN力臂L4=0，力矩為0。5、啟閉機(jī)房磚墻：?jiǎn)㈤]機(jī)房外墻高取2.8m，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)4m，寬4m，厚度取0.25m，磚墻容重為18KN/m3，因此G5=(4+4)×0.25×2.8×2×18=201.6kN，力臂長(zhǎng)L5=1.5m。力矩為302.4kN·m。6、啟閉機(jī)房頂蓋啟閉機(jī)房頂蓋自重及風(fēng)雪荷載按4.5KN/m2計(jì)算，所以G6=4×4×4.5=72kN，力臂為屋頂重心到底板上游端的距離，L6=1.5m。力矩為108kN·m。7、工作橋工作橋的尺寸如圖5-3：圖5-3工作橋縱剖圖（單位：mm）工作橋縱剖面積S=4.7×0.9+0.3×4-1.45×0.3×2=4.56m工作橋的寬度不僅要滿足啟閉機(jī)布置的要求，在兩側(cè)應(yīng)留有足夠的操作寬度。工作橋?qū)挾热?m工作橋重G7=4.56×4×2.4×9.8=429kN，力臂L7=1.5m，力矩為643.5kN·m。8、排架總共有6根排架，且排架柱截面尺寸為0.4m×0.4m，高取3m(安全加高0.5~1.0)，故G8=0.4×0.4×3×2.4×9.8×6=67.7kN，且圍繞啟閉機(jī)房對(duì)稱(chēng)分布，因此力臂L8=1.5m。力矩為101.55kN·m。表5-1閘室自重表荷載自重（KN）力臂（m）力矩（kN·m）閘門(mén)491.573.5閘墩1822.60.25451.65閘底板640.9200啟閉機(jī)18.621.527.93頂蓋721.5108磚墻201.61.5302.4工作橋4291.5643.5排架67.71.5101.55總計(jì)3301.441712.531.4.2水體自重計(jì)算作用在水閘底板上的水重計(jì)算：按其實(shí)際體積與重度計(jì)算（水的重度一般為9.81kN/m3），本河道非多泥沙河道，故不考慮含沙量對(duì)水重的改變。底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)8m，閘門(mén)位于上游側(cè)2.5m處，底板計(jì)算寬度為5m，閘孔凈寬3m。水重計(jì)算如下：（1）正常蓄水位情況：上游水重：9.81×(49.25-46.30)×2.5×3=217.0kN力臂2.75m，力矩596.9kN·m下游水重，灌溉期下游無(wú)水，無(wú)水重。（2）設(shè)計(jì)工況上游水重：9.81×(49.90-46.30)×2.5×3=264.9kN力臂2.75m，力矩728.4kN·m下游水重：9.81×(49.80-46.30)×1.5×3=566.5kN力臂1.25m，力矩-708.2kN·m（3）校核工況上游水重：9.81×(50.40-46.30)×2.5×3=301.7kN力臂2.75m，力矩829.6kN·m下游水重：9.81×(50.10-46.30)×1.5×3=611.1kN力臂1.25m，力矩-768.9kN·m表5-2水體自重表計(jì)算工況水重（KN）力臂（m）力矩（KN·m）正常蓄水上游水位2172.75596.9下游水位———設(shè)計(jì)水位上游水位264.92.75728.4下游水位566.51.25-708.2校核水位上游水位301.72.75829.6下游水位611.11.25-768.91.4.3揚(yáng)壓力計(jì)算（1）浮托力計(jì)算此次設(shè)計(jì)中水閘的底板高程為?46.30m,底板的底面高程為?41.80m，水閘的計(jì)算寬度為5m，浮托力的詳情計(jì)算如下：①正常蓄水：下游無(wú)水，無(wú)浮托力。②設(shè)計(jì)工況：9.8×(8×4.0+(0.8+0.5)×0.5×0.5×2)×5×1=1599.85kN力臂0力矩0③校核工況：9.8×(8×4.3+(0.8+0.5)×0.5×0.5×2)×5×1=1717.45kN力臂0力矩0表5-3浮托力計(jì)算表計(jì)算工況浮托力（KN)力臂（m）力矩（KN·m）正常蓄水———設(shè)計(jì)工況1599.8500校核工況1717.4500（2）滲透壓力計(jì)算根據(jù)第3章滲透壓力的計(jì)算，繪制出了滲透壓力分布圖，可以根據(jù)滲透壓力分布圖來(lái)計(jì)算閘室底板的滲透壓力，此次設(shè)計(jì)中水閘的底板長(zhǎng)度為8.0m，計(jì)算的寬度為5m。滲透壓力的詳細(xì)計(jì)算如下。滲透壓力在閘室段為梯形，力臂的長(zhǎng)度可以采用式（1.1）、式（1.2）計(jì)算：l1=2a+bl2=H其中：l1l2a-梯形的的短底邊長(zhǎng)度，m；b-梯形的長(zhǎng)底邊長(zhǎng)度，m;H—梯形的高，m。①正常蓄水：9.8×(1.43+0.47)×8×0.5×5=372.4kN力臂:1.25m力矩：-461.5kN·m②設(shè)計(jì)工況：9.8×(2.11+0.58)×8×0.5×5=527.24kN力臂:0.76m力矩：-400.7kN·m校核工況：9.8×(2.41+0.66)×8×0.5×5=601.72kN力臂:0.76m力矩：-457.3kN·m表5-4滲透壓力計(jì)算表計(jì)算工況滲透壓力（KN)力臂（m）力矩(kN·m)正常蓄水372.41.25-461.5設(shè)計(jì)工況527.240.76-400.7校核工況601.720.76-457.31.4.4水平水壓力計(jì)算第3章防滲設(shè)計(jì)中鋪蓋選用混凝土鋪蓋，閘室上、下游的水平水壓力主要與其上、下游的水位有關(guān)，上游的鋪蓋段與閘室段之間設(shè)有止水，水平止水片布置在距上面0.3m處。因此在計(jì)算上游水平水壓力時(shí)要分開(kāi)計(jì)算，要計(jì)算止水片以上和止水片以下兩種情況。水的重度γ為9.81kN/m，底板相鄰沉陷縫L為5m，水壓力根據(jù)式（1.3）、式（1.4）計(jì)算：止水片以上：P1=1止水片以下：P2=1式中：H2pc、p?'水平水壓力的詳細(xì)計(jì)算如下。（1）設(shè)計(jì)工況：圖5-4設(shè)計(jì)工況的水平水壓力示意圖設(shè)計(jì)工況下的水平水壓力計(jì)算情況如下。上游eq\o\ac(○,1)止水以上：水平水壓力：9.8×0.5×3.92×5=372.65kN力臂1.6m，力矩-596.24kN·meq\o\ac(○,2)止水以下：水平水壓力：9.8×0.5×5×0.8×[(2.27+3.8)+(2.11+4.6)]=250.49kN力臂0.1m，力矩21.05kN·m下游水平水壓力：9.8×0.5×4.62×5=518.42kN力臂1.03m，力矩534.0kN·m（2）校核工況：圖5-5校核工況的水平水壓力示意圖校核工況下的水平水壓力計(jì)算情況如下。（a）上游eq\o\ac(○,1)止水以上：水平水壓力：9.8×0.5×4.42×5=474.32kN力臂1.77m，力矩-839.55kN·meq\o\ac(○,2)止水以下：水平水壓力：9.8×0.5×5×0.8×[(2.59+4.1)+(2.41+4.9)]=274.4kN力臂0.1m，力矩27.4kN·m（b）下游水平水壓力：9.8×0.5×4.92×5=411.85kN力臂1.13m，力矩664.7kN·m（3）灌溉工況：圖5-6灌溉工況的水平水壓力示意圖灌溉工況下的水平水壓力計(jì)算情況如下。（a）上游eq\o\ac(○,1)止水以上：水平水壓力：9.8×0.5×3.252×5=258.8kN力臂1.4m，力矩-362.32kN·meq\o\ac(○,2)止水以下：水平水壓力：9.8×0.5×5×0.8×（1.86+1.73）=70.36kN力臂0.1m，力矩7kN·m（b）下游灌溉工況下，下游無(wú)水，無(wú)水平水壓力。表5-5水平水壓力計(jì)算表計(jì)算工況水平水壓力（kN）力臂（m）力矩（kN·m）設(shè)計(jì)工況上游止水以上372.651.6-596.24止水以下250.490.121.05續(xù)表5-5計(jì)算工況水平水壓力（kN）力臂（m）力矩（kN·m）設(shè)計(jì)工況下游518.421.03534.0校核工況上游止水以上474.321.77-839.55止水以下274.40.127.4下游411.851.4-362.32灌溉工況上游止水以上258.81.4-362.32止水以下70.360.17下游———1.4.5荷載匯總（1）完建期閘室上、下游均無(wú)水，僅考慮永久荷載。表5-6閘室自重表荷載自重（KN）力臂（m）力矩（kN·m）閘門(mén)491.573.5閘墩1822.60.25451.65閘底板640.9200啟閉機(jī)18.621.527.93頂蓋721.5108磚墻201.61.5302.4工作橋4291.5643.5排架67.71.5101.55總計(jì)3301.441712.53（2）設(shè)計(jì)工況表5-7設(shè)計(jì)工況荷載匯總計(jì)算工況荷載名稱(chēng)豎向力(kN)水平力(kN)力矩(kNm)閘室自重3301.4401712.53水重上游264.9—728.4下游566.5—-708.2浮托力-1599.85—0滲透壓力-527.24—-400.7水平上游止水以上—372.65-596.24止水以下—250.4921.05水壓力下游—-518.42534.0合計(jì)2001.75104.721294.84（3）校核工況表5-8校核工況荷載匯總計(jì)算工況荷載名稱(chēng)豎向力(kN)水平力(kN)力矩(kNm)校核工況閘室自重3301.4401712.53水重上游301.7—829.6下游611.1—-768.9浮托力-1717.45—0滲透壓力-601.72—-457.3水平水壓力上游止水以上—474.32-839.55止水以下—274.427.4下游—-411.85664.7合計(jì)1899.07336.871168.48（4）灌溉工況表5-9灌溉工況荷載匯總計(jì)算工況荷載名稱(chēng)豎向力(kN)水平力(kN)力矩(kNm)灌溉工況閘室自重3301.4401712.53水重上游217.0—596.9下游———浮托力———滲透壓力-372.4—-461.5水平水壓力上游止水以上—258.8-362.32止水以下—70.367下游————合計(jì)3146.04329.161488.611.5應(yīng)力計(jì)算本節(jié)制閘建設(shè)在土質(zhì)地基之上，但是土質(zhì)地基過(guò)于松軟，易被剪切力破壞，又易于被壓縮，從而產(chǎn)生壓縮沉降，閘室的各個(gè)部分具有自身重力，在閘室建設(shè)、建成和運(yùn)用時(shí)會(huì)有許多外部荷載的組合作用，在基本荷載或特殊荷載作用時(shí)，會(huì)導(dǎo)致沉降影，產(chǎn)生安全隱患，影響正常施工或使用。各種沉降中最為危險(xiǎn)的就是不均勻沉降，當(dāng)產(chǎn)生不均勻沉降時(shí)，水閘整體會(huì)傾斜甚至傾覆，閘體結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生斷裂。所以，在在本章水閘設(shè)計(jì)中，重中之重是計(jì)算地基的沉降。為了將土質(zhì)地基的壓縮變形情況考慮充足，可要進(jìn)行精密有效的計(jì)算，進(jìn)而在眾多水閘型式中選出滿足安全要求的一種，合理安排施工程序，工程進(jìn)度調(diào)度要滿足要求，對(duì)地基要采取充分的處理措施。此次設(shè)計(jì)中水閘為單孔過(guò)流，結(jié)構(gòu)布置以及閘室受力都是均勻的，閘室段計(jì)算寬度為1.0m,底板計(jì)算長(zhǎng)度為8.0m，基地應(yīng)力的大小根據(jù)式（1.5）進(jìn)行計(jì)算。Pminmax=其中，G—作用在基底的所有豎向力的總和，kN；M—所有外力對(duì)底板的底面中心點(diǎn)的力矩總和，kN·m；b—閘室段的計(jì)算寬度，1.0m；L—底板的計(jì)算長(zhǎng)度，8.0m。不均勻系數(shù)的大小根據(jù)式（1.6）進(jìn)行計(jì)算：式中：η—基底壓應(yīng)力分布不均勻系數(shù)；[η]—基底壓力分布不均勻系數(shù)的容許值?；讘?yīng)力以及不均勻系數(shù)的詳細(xì)計(jì)算如下。（1）完建期：G=3301.44kNM=1712.53kN·mPminmax=3301.44=90.7450.43（2）設(shè)計(jì)工況：G=2001.75kNM=1294.84kN·mPminmax=2005.75=43.9825..87（3）校核工況：G=1899.07kNM=1168.48kN·mPminmax=1899.07=59.6025.91（4）灌溉工況：G=3146.04kNM=1488.61kN·mPminmax=3146.04=96.4050.74表5-10基底應(yīng)力不均勻系數(shù)計(jì)算表計(jì)算工況G（kN）M（kNm）Pmax（kN）Pmin（kN）完建期3301.441712.5390.7450.431.792.0設(shè)計(jì)工況2001.751294.8443.9821.871.702.0校核工況1899.071168.4859.6021.912.302.5灌溉工況3146.041488.6196.4050.741.902.0根據(jù)基底應(yīng)力不均勻系數(shù)計(jì)算表可得，完建期、設(shè)計(jì)工況、校核工況以及灌溉工況的地基應(yīng)力不均勻系數(shù)都能滿足，即閘室不會(huì)發(fā)生不均勻沉降的事故，水閘整體不會(huì)會(huì)傾斜甚至傾覆，閘體結(jié)構(gòu)也不會(huì)發(fā)生斷裂，閘室的荷載均