文档介绍：该【水闸设计实例 】是由【ATONGMU】上传分享，文档一共【16】页，该文档可以免费在线阅读，需要了解更多关于【水闸设计实例 】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。水闸设计实例
本工程位于河南省某县城郊处,它是某河流梯级开发中最末一级工程。该河属稳定性河流,河面宽约200m,深约7~10m。由于河床下切较深又无适当掌握工程,雨季地表径流自由流走,而雨过天晴常常干旱,加之打井提水浇灌,使地下水位愈来愈低,严峻影响两岸的农业浇灌和人畜用水。为解决当地40万亩农田的浇灌问题,经上级批准的规划确定,修建挡水枢纽工程。
拦河闸所担负的任务是:正常状况下拦河截水,抬高水位,以利浇灌,洪水时开闸泄水,以保安全。
本工程建成后,可利用河道一次蓄水800万m3,调蓄水至两岸沟塘,大量补给地下水,有利于进灌和人畜用水,初步解决40万亩农田的浇灌问题并为工业生产供给足够的水源,同时对渔业、航运业的进展,以及改善环境,美化城乡都是极为有利的。
〔一〕地质条件
依据钻孔了解闸址地层属河流冲积相,河床局部地层属第四纪蟓更世Q3与第四纪全世Q4的层穿插消灭,闸址两岸高程均在41m左右。
闸址处地层向下分布状况如下表1所示。
土质名称
分布范围由上而下
重粉质壤土
河床外表以下深约3m
细砂
高
以下
程
中砂
厚度约
5m
重粉质壤土
高程22m以下
中粉质壤土
厚度5-8m
表1 闸址处地层分布状况
〔二〕地形
闸址处系平原型河段、两岸地势平坦,,河床坡降平缓,纵坡约为1/10000,,主河槽宽度约80-100m,河滩宽平,呈复式河床横断面,河流比较顺直。
〔三〕土的物理力学性质指标
土的物理力学性质指标主要包括物理性质、允许承载力、渗透系数等,具体数字如表2、
3所示。
湿重度
19KN/m3
饱和重度
21KN/m3
浮重度
11KN/m3
细砂比重
27KN/m3
细砂干重度
15KN/m3
表2 土的物理性质指标表
表3 土的力学性质指标表
内摩擦角
自然含水量时j=28o
饱和含水量
土基允许承载力
摩擦系数
混凝土、砌石与土基的摩擦系数当土基为密实细
砂层时值为
不均匀系数
粘
渗透系数cm/s
[s]=200
土
中
细
砂
层
KN/m2
[]
h
=~
K=5´10-3
砂
[h]=
土以下土层
时
j=25o
K=5´10-5
f=
〔四〕工程材料
1、石料
本地区不产石料,需从外地运进,距大路很近,交通便利。
2、粘土
经调查本地区四周有较丰富的粘土材料。
3、闸址处有足够的中细砂。
〔五〕水文气象
1、气温
,最低气温-,。
2、风速
最大风速V=20m/s,。
3、径流量
Q=
非汛期〔1~6月及10~12月〕。
汛期〔7~9〕三个月,月平均最大流量为149m3/s,年平均最大流量 m3/s,最
。4、冰冻
闸址处河水无冰冻现象。
〔六〕批准的规划成果
1、依据水利电力部《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》〔SD112-78〕的规定,本枢纽工程为Ⅲ等工程,其中永久性主要建筑物为3级。
2、浇灌用水季节,。
3、洪水标准见表4所示。
表4 洪水标准表
工程
重现年
洪水流量〔m3/s〕
闸前水位〔m〕下游水位〔m〕
设计洪水
校核洪水
20
50
937
1220
39
〔七〕施工条件
1、工期为两年。
2、材料供给状况
水泥由某水泥厂运输260Km至某市,再运输80Km至工地仓库;其它他材料由市汽车运至工地;电源由电网供电,;~。
〔一〕闸址的选择
闸址、闸轴线的选择关系到工程的安全牢靠、施工难易、操作运用、工程量及投资大小等方面的问题。在选择过程中首先应依据地形、地质、水流、施工治理应用及拆迁状况等方面进展分析争论,权衡利弊,经全面分析比较,合理确定。
本次设计中闸轴线的位置已由规划给出。
〔二〕闸型确定
本工程主要任务是正常状况下拦河截水,以利浇灌,而当洪水降临时,开闸泄水,以保防洪安全。由于是建于平原河道上的拦河闸,应具有较大的超泄力量,并利于排解漂移物,因此承受不设胸墙的开敞式水闸。
同时,由于河槽蓄水,闸前淤积对洪水位影响较大,为便于排出淤沙,闸底板高程应尽可能低。因此,承受无底坎平顶板宽顶堰,堰顶高程与河床同高,。
〔三〕拟定闸孔尺寸及闸墩厚度
由于上、下游水位,可推算上游水头及下游水深,如表1所示:
流量Q〔m3/s〕
表1 上游水头计算
下游水深上游水深H过水断面积行近流速
v2 上游水头
hs〔m〕
〔m〕
〔m2〕
〔m3/s〕
2g
H〔m〕
0
设计流量937
9
校核流量1220
0
注:考虑壅高15~20cm。
闸门全开泄洪时,为平底板宽顶堰堰流,依据公式1判别是否为漂浮出流。
表2 漂浮出流判别表下游水深hs 上游水头H
计算状况
〔m〕 〔m〕
0 h ³ 流态
s 0
设计水位
9
9³
漂浮出流
校核水位
³
漂浮出流
依据闸门总净宽计算公式(2),依据设计洪水和校核洪水两种状况分别计算如下表。其中e为堰流侧收缩系数,;m为堰流流量系数,。
H
表3 闸孔总净宽计算表
h
流量Q〔m3/s〕
下游水深上游水头
s 漂浮系数s
B0〔m〕
hs〔m〕 H
〔m〕
0 0
设计流量937
9
校核流量1220
依据《闸门设计标准》中闸孔尺寸和水头系列标准,选定单孔净宽b=8m,同时为了
( )(
保证闸门对称开启,防止不良水流
形态,选用7孔)
,闸孔总宽度为:
L=nb
+(n-1)d=
7´8+
2´+4´
=64m
0
由于闸基为软基河床,选用整体式底板,缝设在闸墩上,,,
边墩厚1m。如图1所示。
图1 闸孔尺寸布置图 (单位:m)
〔四〕校核泄洪力量
依据孔口与闸墩的尺寸可计算侧收缩系数,查《水闸设计标准》〔标准表2-2〕,结果如下:
0
b = 8 =
b 8+
e =
对于中孔 s 得 中1 ;
b
0
s
靠缝墩孔 b
b
8
+
=8 =
得
8
e =
中2 ;
0= = e =
对于边孔所以
b 8+
s
得 中3 ;
ne
e= 1中1
ne
中2
ne
中3
=1´+4´+2´
=
n+n +n
1 2 3
1+4+2
流
制
122
限开
131
与假定接近,依据选定的孔口尺寸与上下游水位,进一步换算流量如下表所示:
计算状况
堰上水头H0
〔m〕
h
s
e
Q
h
s
校核过流力量
0
设计流量937
校核流量1220
%
%
表4 过流力量校核计算表
设计状况超过了规定5%的要求,说明孔口尺寸有些偏大,但依据校核状况满足要求,所以不再进展孔口尺寸的调整。
〔一〕消能防冲设计的掌握状况
由于本闸位于平原地区,河床的抗冲刷力量较低,所以承受底流式消能。
设计水位或校核水位时闸门全开渲泄洪水,为漂浮出流无需消能。,局部闸门局部开启,只宣泄较小流量时,下流水位不高,闸下射流速度较大,才会消灭严峻的冲刷河床现象,需设置相应的消能设施。为了保证无论何种开启高度的状况下均能发生漂浮式水跃消能,所以承受闸前水深H=,闸门局部开启状况,作为消能防冲设计的掌握状况。
为了降低工程造价,确保水闸安全运行,可以规定闸门的操作规程,本次设计按1、3、5、7孔对称方式开启,分别对不同开启孔数和开启度进展组合计算,找出消力池池深和池长的掌握条件。
按公式〔7〕、〔8〕、〔9〕、〔11〕计算结果列入表1。
开
启孔数n
开
启高度
e
收缩
系数
e¢
泄
流量Q
单
宽流量q
收缩
水深
h
c
跃
后水深
h″
c
消力池尺寸
下游
水深
H
s
流
态判别
池
深d
池
长
Ls
水
跃长
备注
L
sj
1
池深控
366
淹
没出流
表1 消力池池深池长估算表
44
60
自
73
由
91
出
181
3
217
273
通过计算,为了节约工程造价,防止消力池过深,,得出开启1孔开启高度为2米为消力池的池深掌握条件。
〔二〕消力池尺寸及构造
1、消力池深度计算
依据所选择的掌握条件,估算池深为2m,用〔10〕、〔11〕、〔12〕式计算挖池后的收缩
水深h
c
要求。
和相应的出池落差ΔZ及跃后水深h″,~
c
s =d+hs+DZ=2++=
0 h¢
c
2、消力池池长
依据池深为2m,用公式〔13〕、〔14〕计算出相应的消力池长度为32m。
3、消力池的构造
承受挖深式消力池。为了便于施工,消力池的底板做成等厚,为了降低底板下部的渗透压力,在水平底板的后半部设置排水孔,孔下铺设反滤层,排水孔孔径为10cm,间距为2m,呈梅花形布置。
依据抗冲要求,按式16计算消力池底板厚度。其中k1为消力池底板计算系数,;
q为确定池深时的过闸单宽流量;DH¢为相应于单宽流量的上、下游水位差。
t= -=,取消力池底板的厚度t=。
图1 消力池构造尺寸图(单位:高程m,尺寸cm)
〔三〕海漫设计
1、海漫长度计算
用公式〔18〕计算海漫长度结果列入表2。其中
ks为海漫长度计算系数,依据闸基土
质为中粉质壤土则选12。取计算表中的大值,确定海漫长度为40m。
s
表2 海漫长度计算表
流量Q
上游水深H
下游水深h¢ q
DH¢ LP
100
200
300
400
500
600
700
2、海漫构造
由于对海漫的要求为有肯定的粗糙度以便进一步消退余能,有肯定的透水性,有肯定的柔性。所以选择在海漫的起始段为10米长的浆砌石水平段,由于浆砌石的抗冲性能较好,其顶面高程与护坦齐平。后30米做成坡度为1:15的干砌石段,以使水流均匀集中,调整流速分布,保护河床不受冲刷。,下面铺设15cm的砂垫层。
〔四〕防冲槽设计
海漫末端河床冲刷坑深度按公式19计算,其中河床土质的不冲流速可按下式计算。按不同状况计算如表3所示。
[v]=v
æçR14~15ö÷=vR15
0 0è ø 0
[v]
〔20〕
式中 0—河床土质的不冲流速,m/s;
v0—查《水力学》;
R=A
R—水力半径, x;
s
h¢—海漫末端河床水深,m。
表3 冲刷坑深度计算表
计算状况 q¢
相应过水水面积A
湿周x R15
[v] h¢ d¢
0 s
校核状况
设计状况
1243
-
。承受宽浅式,,上游坡率为2,下游坡率为3,出槽后作成坡率为5的斜坡与下游河床相连。如图2所示。
图2 海漫防冲槽构造图(单位:m)
〔五〕上、下游岸坡防护
为了保护上、下游翼墙以外的河道两岸岸坡不受水流的冲刷,需要进展护坡。承受浆砌石护坡,,。保护范围上游自铺盖向上延长2~3倍的水头,下游自防冲槽向下延长4~6倍的水头。
〔一〕闸底地下轮廓线的布置
1、防渗设计的目的
防止闸基渗透变形;减小闸基渗透压力;削减水量损失;合理选用地下轮廓尺寸。
2、布置原则
防渗设计一般承受防渗和排水相结合的原则,即在高水位侧承受铺盖、板桩、齿墙等防渗设施,用以延长渗径减小渗透坡降和闸底板下的渗透压力;在低水位侧设置排水设施,如面层排水、排水孔排水或减压井与下游连通,使地下渗水尽快排出,以减小渗透压力,并防止在渗流出口四周发生渗透变形。
3、地下轮廓线布置
闸基防渗长度确实定。依据公式(2)。其中C为渗径系数,由于地基土质为重粉质壤土,查表取7。
L=7´=
防渗设备由于闸基土质以粘性土为主,防渗设备承受粘土铺盖,闸底板上、下游侧设置齿墙,为了避开破坏自然的粘土构造,不宜设置板桩。
防渗设备尺寸和构造。
闸底板顺水流方向长度依据公式(1)计算,。底板长度综合考虑上部构造布置及地基承载力等要求,确定为18m。
L底=2´=17m
闸底板厚度为
t=1´8=
5 m,。
齿墙具体尺寸见图1。
图1 闸底板尺寸图〔单位:cm〕
铺盖长度依据〔3~5〕倍的上、下游水位差,确定为40m。铺盖厚度确定为:,。为了防止水流冲刷及施工时破坏粘土铺盖,在其上设置30cm厚的浆砌块石保护层,10cm厚的砂垫层。
4、校核地下轮廓线的长度
依据以上设计数据,实际的地下轮廓线布置长度应大于理论的地下轮廓线长度,通过校核,满足要求。
铺盖长度+闸底板长度+齿墙长度=
40++18=>L理=
〔二〕排水设备的细部构造
1、排水设备的作用
承受排水设备,可降低渗透水压力,排解渗水,避开渗透变形,增加下游的稳定性。排水的位置直接影响渗透压力的大小和分布,应依据闸基土质状况和水闸的工作条件,做到即削减渗压又避开渗透变形。
2、排水设备的设计
水平排水水平排水为加厚反滤层中的大颗粒层,形成平铺式。反滤层一般是由2~3层不同粒径的砂和砂砾石组成的。层次排列应尽量与渗流的方向垂直,各层次的粒径则按渗流方向逐层增大。
反滤层的材料应当是能抗风化的砂石料,并满足:被保护土壤的颗粒不得穿过反滤层;各层的颗粒不得发生移动;相邻两层间,较小一层的颗粒不得穿过较粗一层的空隙;反滤层
不能被堵塞,应具有足够的透水性,以保证排水通畅;同时还应保证耐久、稳定,其工作性能和效果应不随时间的推移和环境的转变而变差。
本次设计中的反滤层由碎石,中砂和细砂组成,其中上部为20cm厚的碎石,中间为10cm厚的中砂,下部为10cm厚的细砂。
图2 反滤层构造图 (单位:cm)
铅直排水设计本工程在护坦的中后部设排水孔,孔距为2m,孔径为10cm,呈梅花形布置,孔下设反滤层。
侧向排水设计侧向防渗排水布置〔包括刺墙、板桩、排水井等〕应依据上、下游水位,墙体材料和墙后土质以及地下水位变化等状况综合考虑,并应与闸基的防渗排水布置相适应,在空间上形成防渗整体。
在消力池两岸翼墙设2~3层排水孔,呈梅花形布置,孔后设反滤层,排出墙后的侧向绕渗水流。
3、止水设计
凡具有防渗要求的缝,都应设止水设备。止水分铅直和水平止水两种。前者设在闸墩中间,边墩与翼墙间以及上游翼墙铅直缝中;后者设在粘土铺盖保护层上的温度沉陷缝、消力池与底板温度沉陷缝、翼墙、消力池本身的温度沉降缝内。在粘土铺盖与闸底板沉陷缝中设置沥青麻袋止水。
图3 止水详图 (单位:cm)
〔三〕防渗计算
1、渗流计算的目的:计算闸底板各点渗透压力;验算地基土在初步拟定的地下轮廓线下的渗透稳定性。
2、计算方法有直线比例法、流网法和改进阻力系数法,由于改进阻力系数法计算结果准确,承受此种方法进展渗流计算。
3、计算渗透压力
地基有效深度的计算。
L
0=³5
S T
依据公式(3)推断 0 ,地基有效深度e为
T =´l
e 0
=´58=29m,大于实际的地基透水层深度8m,所以取小值
e
T =8m。
分段阻力系数的计算。通过地下轮廓的各角点和尖端将渗流区域分成9个典型段,如图4所示。其中1、9段为进出口段,用式(4)计算阻力系数;3、5、7段为内部垂直段,用式(5)计算相应的阻力系数;2、4、6、8段为水平段,用式6计算相应的阻力系数。各典型段的水头损失用式(7)计算。结果列入〔表1〕中。对于进出口段的阻力系数修正,按公式〔8〕、(9)、(10〕计算,结果如表2所示。
图4 渗流区域分段图 〔单位:m〕表1 各段渗透压力水头损失
分段编号 分段名称 S S S T
1 2
L x h h¢
i i i
①
进口
—
—
—
②
水平
—
0
③
垂直
—
—
—
④
水平
—
0
0
⑤
垂直
—
—
—
⑥
水平
⑦
垂直
—
—
—
⑧
水平
—
0
0
⑨
出口
—
—
—
合计
H=
H=
表2 进出口段的阻力系数修正表
段别 S′ T′ b¢ h′ Δh h¢
进口段出口段
o
x
计算各角点的渗透压力值。
用表1计算的各段的水头损失进展计算,总的水头差为正常挡水期的上、下游水头差
。各段后角点渗压水头=该段前角点渗压水头—此段的水头损失值,结果列入表3。
表3 闸基各角点渗透压力值
H H H H H
1 2 3 4 5
H H H H H
6 7 8 9 10
验算渗流逸出坡降。
0
[]出口段的逸出坡降为:
J=h¢i
S¢
==
,小于壤土出口段允许渗流坡降值
J =~〔查表得〕,满足要求,不会发生渗透变形。绘制闸底板的渗透压力分布
图5。
图5闸底板下渗透压力分布图 (单位:m)
〔一〕底板和闸墩
1、闸底板的设计
作用闸底板是闸室的根底,承受闸室及上部构造的全部荷载,并较均匀地传给地基,还有防冲、防渗等作用。
型式常用的闸底板有平底板和钻孔灌注桩底板。由于在平原地区软基上修建水闸,承受整体式平底板,沉陷缝设在闸墩中间。
长度依据前边设计闸底板长度为18m。
。
2、闸墩设计
作用分隔闸孔并支承闸门、工作桥等上部构造,使水流顺当的通过闸室。
外形轮廓应能满足过闸水流平顺、侧向收缩小的,过流力量大的要求。上游墩头承受半圆形,下游墩头承受流线型。其长度承受与底板同长,为18m。
,,。平面闸门的门槽尺寸应依据闸门的尺寸确定,,,,。,以便于工作人员检修。
高度承受以下三种方法计算取较大值,,另依据
《水闸设计标准》中规定有防洪任务的拦河闸闸墩高程不应低于两岸堤顶高程,,。
H
墩=校核洪水位时水深+安全超高
=+=。
H
墩=设计洪水位时水深+安全超高
=+=;
墩
H =正常挡水位时水深+Dh
=++=。〔式中波浪高度的计算请查阅相关书籍〕