水工建筑物课设概要.docx
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水工建筑物课设概要
1.水闸基本设计资料
1.1.基本资料
1.1.1工程概况
东风渠起自魏县北寨村南卫河北岸,经广平、肥乡,于曲周县城南入滏阳河,是黑龙港流域老沙河系的较大排水渠之一,担负东风渠以西地区排涝任务,排涝控制流域面积765k
。
东风渠兼有输水任务,主要引蓄黄河水和卫河水,为邯郸市水网、魏县“梨乡水城”及下游黑龙港地区提供灌溉用水和环境用水。
东风渠也是引黄入冀补淀输水渠道的重要组成部分。
1..2工程地质
工程区位于河北平原南部,地势基本平坦开阔,总体自东南向西北略倾。
该段渠道水流方向亦由东南流向西北。
两岸地面高程45.75~55.10m,渠底高程为43.78~46.66m,现状渠道河口宽度为46~72m。
岸坡存在冲蚀、坍塌现象,渠底多处坑洼不平。
渠底浅部多分布有淤泥和杂物,厚度约0.5~1.0m。
1.1.3水文规划资料
本水闸合理使用年限为50年,设计排沥流量为83.2
/s,引黄设计流量为58
/s,上游设计排沥水位为44.82m,下有设计排沥水位为44.72m,上游引黄设计水位为44.08m,下游引黄设计水位44.03m,蓄水位为46.02m,河底高程为40.30m,渠底宽度为17m,边坡顶部高程为48.5m。
1.2设计标准
本水闸主要建筑物级别为3级,水闸等级为四级,闸室康华稳定安全系数,基本组合时[k]不小于1.20,特殊组合时[k]不小于1.05。
本水闸本身并无交通要求,考虑到农田耕作及水闸自身施工运行要求设人行便桥。
1.3设计任务
1.3.1闸孔设计
包括闸孔型式与尺寸,闸底板型式及高程。
1.3.2消能防冲设计
包括消力池、海漫、防冲槽型式与尺寸,上下游护坡湖底等。
1.3.3防渗排水
包括地下轮廓线设计,渗流计算,抗渗稳定验算,反滤层设计等。
1.3.4闸室结构设计布置,分缝,止水布置,闸室稳定计算。
1.3.5两岸建筑物设计
包括闸室与上下游连接与两岸岸坡的连接,侧向防渗设计与验算。
2.闸孔设计
2.1闸孔型式的确定
此处东风渠上建一排水闸,无通航要求,因此底板采用宽顶堰式水平底板。
考虑到闸底板高程、水闸造价、下游河道地质条件、水闸用途等条件,取▽底板=▽渠底=40.3m,要求洪水期能迅速排泄洪水,因此,孔口型式采用开敞无胸墙式闸孔。
2.2初步设计
2.2.1由Q设计求出B,再验算Q设计
根据设计资料,取设计流量为较大的设计排沥流量,即Q设计=83.2㎥/s,
上游水深H=▽上游设计排沥-▽渠底=44.82-40.30=4.52m
下游水深hs=▽下游设计排沥-▽渠底=44.72-40.30=4.42m
上游过水断面面积A=(b+mh)h=(17+3*4.52)*4.52=138.13㎡
湿周χ=b+2h
=17+2*4.52*
=45.59m
水力半径R=A/χ=138.13/45.59=3.03m
流速V=C
=1/n·
·
=1/0.022*
*
=1.35m/s
堰顶水头H。
=H+
=4.52+
=4.61m
根据堰流公式
式中 B。
---闸孔总净宽(m)
Q------过闸流量(m3/s),即Q设计=83.2㎥/s;
H。
----计入行近流速水头的堰上水深(m),即;H。
=4.61m;
g-------重力加速度,可采用9.80(m/s2);
m------堰流流量系数,可采用0.385;
ε-------堰流侧收缩系数,取0.95;
σ---堰流淹没系数,σ=1时为自由出流;
计算得B。
=5.19m
2.3分孔
根据本水闸等级、水位高工程等条件选择平板钢闸门。
孔数n在7孔以下选为奇数,以使水闸对称开启,避免下游出现折冲水流,顾本闸取孔数n=3,单孔净宽
。
=3*3=9m〉5.19m,即b。
=3m,分隔闸孔时,按设计规范,取中墩宽
=1m,取边墩宽
=1m,中墩头部为流线型,边墩头部为矩形。
闸孔总宽B=n
+(n-1)
=3*3+2*1
=11m
闸底板总宽
=B+2
=11+2*1
=13m
取
=
=17m,
=
=11m
所以,
/
=11/17=0.64,介于0.6~0.85之间,符合规范要求。
2.4验算
对于多孔宽顶堰(有边墩及闸墩)侧收缩系数应取边孔及中孔的加权平均值,
(2-1)
N为闸孔数,
,
分别为中闸孔及边闸孔的侧收缩系数
ε=1-
(1-
)(2-2)
式中
为考虑墩头及堰顶入口形状系数。
矩形
=0.19,圆弧形
=0.10,且当
=0时,即为无堰坎宽顶堰。
闸门单孔净宽
=3m,闸孔总宽B=11m。
将已知条件代入公式(2-2)求得:
=0.829
=0.910
再将上面两个数字代入(2-1)式求得:
=0.856
=
故满足要求。
2.3闸顶高程▽闸顶确定
闸顶高程是指闸室胸墙或闸门挡水线上游闸墩和岸墙的顶部高程。
闸顶高程应保证在最高水位以上有足够起高,以防漫溢闸顶,超高值等于波浪中心线超过静水位的高度,波浪高度以及安全加高的总和。
由本闸地址处于平原地区海河流域,取计算风速v=19m/s,风向垂直于水闸轴线,正常蓄水位时,闸前水域风区长度为0.25km,河床不冲流速[v]=1.0m/s,由基本资料知埋深在0.3~13m左右,取埋深10m,由Ⅳ级建筑物取最小安全超高0.4m。
▽顶1=▽上游+A正常=44.82+0.4=45.22
▽顶2=▽上游+d波浪设计
波浪高度2hB=0.073kv10
得2hB=0.0136
=0.0136
m
按重力坝公式计算
波长LB=0.389
(2-3)
可得LB=4.656m
查资料得,当闸前水深H大于半个波长LB时,h0的计算可简化为
h0≈
(2-4)
求得h0=0.428m
查资料得超高d=h0+2hB+σ(2-5)
σ为安全超高σ=0.3
代入公式得d=1.291m
▽顶2=44.82+d=46.11m
又提顶高程为48.11m
根据规范要求取闸顶高程48.50m
2.4闸门顶高程的确定
取闸门顶高程与闸顶高程齐平,即▽闸门顶=▽闸顶=48.50m
2.5闸门高H门的确定
H门=▽闸门顶-▽底板=48.50-40.30=8.20m
3水闸消能防冲设计
3.1水闸消能防冲设计计算任务
水闸的修建,改变了原河道天然水流原有状态,使闸上下游形成一定水位差,过闸水流具有较大功能从而有可能是下游河床产生严重冲刷,以致危害水闸的安全。
平原区多用底流式消能措施,因此设计计算的主要任务是确定消能的型式,深度、长度、护坦宽度、海漫的型式及尺寸,防冲槽的深度。
3.2控制情况的确定
3.2.1水跃位置与形式对消能的影响
(1)水跃位置与形式
水跃位置决定于坝址收缩断面水深hc的共轭水深h’’c与下游水深ht的相对大小。
可能出现下列三种情况:
第一种情况,ht=hc’’
这种情况下,水跃直接发生在收缩断面处,为临界式水跃。
第二种情况,ht 这种情况下,hc与ht不满足水跃的共轭条件,这种衔接形式水跃发生在收缩断面下游,为远驱式水跃。 第三种情况,ht〉hc’’ 这种情况下,将发生淹没式水跃。 (2)对消能的影响 建筑物下游可能出现的三种衔接形式,,虽然都是通过水跃来消能,但由于水跃位置和形式的不同,消能效果和所需的消能建筑物尺寸是各不相同的。 从消能和水工观点看,远驱式水跃最不利,因为在此情况下,建筑物与跃前端面之间还存在着相当长的急流段,在这一段内,流速很高,对河床冲刷能力很大。 当建筑物下游产生远驱式或临界式水跃衔接时,为了改变这种衔接方式,必须设法加大建筑物下游水深,使水跃控制在紧靠建筑物之处,并形成淹没程度不大水跃。 3.2.2控制情况 此处水闸工程采用底流式水跃效能,它是通过工程措施,促使闸水流在闸后规定范围内稍淹没水跃,利用水跃的漩涡,撞击、掺气消除大部分能量。 其消能防冲设施一般包括: 消力池、海漫、防冲槽。 根据水跃理论,消力池控制情况发生hc’’-ht最大时,池上的控制情况发生于hc’’-ht差值最大时,护坦厚度不利情况发生于[q ]max(q为入池单宽流量)海漫长度最不利情况发生于[q ]max(q为出池单宽流量),防冲槽深度不利情况发生于qmax时。 本处选定最不利运用情况为上游正常蓄水位。 下游初始水深为零,中间单孔闸门开启,均匀分档开启。 在开启过程寻找上述控制情况。 3.3消力池的设计 3.3.1消力池的确定 (1)不利工程的确定 根据水跃与下游水面的衔接规律,池深控制情况应发生在跃后水深hc’’与下游水深ht差值最大,即hc’’-ht最大时。 实际运用中,hc’’-ht最大可能发生在水闸某种情况下的闸门开启过程中的某一开度ei下,计算中考虑到下游水位升高相对出闸流量增加有一段时间差,即hci’’-ht-1,当下游无水时,初始开度ht可取本开度的一半。 (2)列表确定最不利情况 垂直收缩系数ε2由水力学第四版表8-8查得 流量系数μ=0.60-0.17e/H(3-1) 流量Q=μbe (3-2) 其中H0=▽上设排-▽河底=44.82-40.30=4.52m(3-3) 单宽流量q=Q/B(3-4) 由于中间开一孔,故B=b+2 =4m(3-5) hc=eε2(3-6) vc= (3-7) hc’’= (3-8) ht A n χ R C Q 0.5 9.25 0.022 20.16228 0.458778 39.91882 3.537003 1 20 0.022 23.32456 0.857465 44.30439 11.6038 1.5 32.25 0.022 26.48683 1.217586 46.97073 23.6386 2 46 0.022 29.64911 1.55148 48.9067 39.6291 2.5 61.25 0.022 32.81139 1.86673 50.43797 59.69245 3 78 0.022 35.97367 2.168253 51.71251 83.99631 3.5 96.25 0.022 39.13594 2.459376 52.80983 112.7309 4 116 0.022 42.29822 2.742432 53.77742 146.0969 4.5 137.25 0.022 45.4605 3.019105 54.64583 184.2992 5 160 0.022 48.62278 3.290639 55.43585 227.5442 5.5 184.25 0.022 51.78505 3.557976 56.16225 276.0378 6 210 0.022 54.94733 3.821842 56.8359 329.9844 6.5 237.25 0.022 58.10961 4.082801 57.46504 389.5866 7 266 0.022 61.27189 4.341306 58.05604 455.0449 ht~Q关系计算表 开孔数n 开孔高度 上游水深 e/h 流量系数 收缩系数 流速 流量 闸孔净宽 1 e h e/h u ε2 Vc Q B 1 0 4.52 0 0 0 0 0 4 1 0.5 4.52 0.110619 0.580531 0.616 8.870061 8.195936 4 1 1 4.52 0.221239 0.561062 0.621 8.503567 15.84215 4 1 1.5 4.52 0.331858 0.541593 0.626 8.142927 22.93863 4 1 2 4.52 0.442478 0.522124 0.636 7.726777 29.48538 4 1 2.5 4.52 0.553097 0.502655 0.65 7.278442 35.48241 4 1 3 4.52 0.663717 0.483186 0.676 6.727434 40.92971 4 1 3.5 4.52 0.774336 0.463717 0.707 6.173271 45.82728 4 3 0.5 4.52 0.110619 0.580531 0.616 8.870061 24.58781 13 3 1 4.52 0.221239 0.561062 0.621 8.503567 47.52644 13 3 1.5 4.52 0.331858 0.541593 0.626 8.142927 68.81588 13 3 2 4.52 0.442478 0.522124 0.636 7.726777 88.45614 13 3 2.5 4.52 0.553097 0.502655 0.65 7.278442 106.4472 13 3 3 4.52 0.663717 0.483186 0.676 6.727434 122.7891 13 3 3.5 4.52 0.774336 0.463717 0.707 6.173271 137.4818 13 单宽流量 收缩水深 跃后水深 Hc1-Hc 下游水深 Hc1-Ht-1 闸室总宽 池落差 消力池水深 q Hc Hc1 Hc1-Hc Ht Hc1-Ht-1 B0 △z d 0 0 0 0 0 0 13 0 0 2.048984 0.308 1.520976 1.212976 0.825441 1.108255 13 0.255746 0.515838 3.960536 0.621 1.981074 1.360074 1.182698 1.155633 13 0.430037 0.467392 5.734657 0.939 2.24489 1.30589 1.447429 1.062192 13 0.554454 0.355252 7.371345 1.272 2.384325 1.112325 1.659969 0.936897 13 0.627135 0.216438 8.870602 1.625 2.43441 0.80941 1.836444 0.774442 13 0.641581 0.078106 10.23243 2.028 2.386679 0.358679 1.985295 0.550236 13 0.563966 -0.04325 11.45682 2.4745 2.277889 -0.19661 2.111596 0.292595 13 0.373545 -0.09336 1.89137 0.308 1.393266 1.085266 1.50332 -0.71833 13 -0.00454 -0.03585 3.65588 0.621 1.808167 1.187167 2.153967 0.304848 13 -0.04571 -0.20968 5.293529 0.939 2.04259 1.10359 2.636102 -0.11138 13 -0.1147 -0.37668 6.804319 1.272 2.162703 0.890703 3.023187 -0.4734 13 -0.21866 -0.53369 8.188248 1.625 2.200895 0.575895 3.344589 -0.82229 13 -0.36736 -0.66629 9.445317 2.028 2.149223 0.121223 3.61568 -1.19537 13 -0.59961 -0.75938 10.57553 2.4745 2.042203 -0.4323 3.845705 -1.57348 13 -0.94069 -0.7607 其中最不利情况Q=15.84m3 (3)消力池深度的确定: 池深设计的任务是根据水闸泄流最不利情况确定相应水深,消力池深由《水闸设计规范》计算: 式(3-9) 式(3-10) 式(3-11) 式中: ——消力池深度,(m); ——收缩水深,(m); ——跃后水深,(m); ——水流动能校正系数,可采用1.0~1.05。 本设计 =1.0; ——水跃淹没系数,可采用1.05~1.10。 本设计 =1.05; ——过闸单宽流量,( ); ——池池落差,(m); 、 ——消力池首、末端宽度,(m); 由前面表格求得d=0.5m (4)消力池长度 的确定 根据《水闸设计规范》(B.1.2-1)和(B.1.2-2)计算 = +β 式(3.12) =6.9( - )式(3.13) 式中: ——消力池长度(m); ——消力池斜坡段水平投影长度(m); β——水跃长度校正系数,可采用0.7~0.8,取0.70; ——水跃长度(m)。 闸底板与挖深后的消力池之间常用1: 3~1: 4的斜坡连接,本设计取1: 4所以: =4×d=4×0.5=2.0m 确定消力池长度的条件: hc”-hC最大时。 由上表知发生在中孔单开e=1.0m时,( - )max=1.36m 所以: =6.9×1.36=9.38m = +β =2.0+0.70×9.38=8.57m 偏安全的选消力池长度 为9米。 (5)消力池底板厚度t的确定 水闸泄水时池内水流强烈紊动,护坦承受水流冲击力,脉动压力和底部扬压力等作用,因此要求护坦应有足够的强度,整体性和稳定性。 护坦厚度应按照抗冲和抗浮稳定要求确定,并取最大值。 抗冲 式(3-14) 式中: k1——消力池底板计算系数,可采用0.15~0.20,本设计取0.20; △H’——闸孔泄水时的上、下游水位差,m。 抗浮t=k2(U-W±Pm)/γb式(3-15) 护坦上设有闸基渗水排出孔,可只按抗冲要求确定护坦厚度。 三孔全开时计算表 消力池底板厚三孔全开计算表 Q B q ht △h=4.52-ht q√△h t 25 11 2.272727 1.51702 3.00298 3.938434 0.39691 50 11 4.545455 2.214438 2.305562 6.901854 0.525428 75 11 6.818182 2.762844 1.757156 9.038028 0.601266 100 11 9.090909 3.232477 1.287523 10.31537 0.642351 125 11 11.36364 3.651063 0.868937 10.59282 0.650932 150 11 13.63636 4.033003 0.486997 9.516164 0.616966 175 11 15.90909 4.386937 0.133063 5.803295 0.481801 由以上表格可得tmax=0.65m,偏安全取t=0.70m采用等厚布置。 (6)护坦材料及细部 由于护坦表面受有高速水流的作用,因此护坦材料必须具有抗冲耐磨的性能,今采用钢筋混凝土结构。 混凝土标号为C15,根据已建水闸实例,在护坦内配置构造钢筋。 为降低护坦下面的渗透压力,在护坦上设置垂直的排水孔,并在护坦下面铺筑反滤层,使地基中的渗水经反滤层流出排水孔的孔径一般为5~25cm,间距为1.0~3.0m,布置成梅花状。 本设计排水孔的孔径取为20cm,间距为2.0m。 但斜坡上或水流收缩断面处不宜设排水孔,以免排水孔下土料被急流形成的局部真空吸出。 消力池与闸底板、海漫、两岸翼墙之间均应设置沉降缝,位于防渗范围内的缝应设止水。 插图 3.3.2 海漫设计 海漫的作用: 消除水流余能,调整流速分布,使水流均匀扩散,增大水深,减小流速,并保护河床免受冲刷。 经过消力池后,水流能量一般可被消除40%~70%,剩余能量还较大,同时出池水流的单宽流量和底部流速还较大,由于流速沿水深的分布规律,同下游河道不冲不淤正常状态的分布规律相比,还相差较大,因此出池水流还需要进一步扩散,消能和行进流速的调整。 为此,一般是紧接消力池设置海漫,海漫末端设防冲槽。 海漫的作用是消除水流余能,调整流速分布,使水流均匀扩散,增大水深减小流速,并保护河床免受冲刷,而防冲槽是海漫末端的加固措施。 1漫长度的确定 由《水闸设计规范》P58当 =1~9,经计算为2.618满足,且消能扩散良好时海漫的长度可按Lp=Ks 式(3-16) 式中: ——消力池末端的单宽流量; ——海漫长度计算系数,(可由水闸设计规范表B.2.1查得 =12--11,选取 =11)。 海漫长度的最不利情况是乘积最大时 ,计算时应在水闸泄流量范围内,计算多个水位差与单宽流量的组合情况来确定 最大值,列表如下: 海漫长度计算表 Q B q ht △h=4.52-ht qs√△h Lp Lp/Ks 25 17 1.470588 1.51702 3.00298 2.548398 17.56007 1.59637 50 17 2.941176 2.214438 2.305562 4.465906 23.24596 2.113269 75 17 4.411765 2.762844 1.757156 5.848136 26.60121 2.418292 100 17 5.882353 3.232477 1.287523 6.67465 28.41888 2.583534 125 17 7.352941 3.651063 0.868937 6.854177 28.79853 2.618048 150 17 8.823529 4.033003 0.486997 6.157518 27.29578 2.481435 175 17 10.29412 4.386937 0.133063 3.755073 21.31581 1.937801 经计算取海
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- 水工 建筑物 概要