水閘、沖沙閘壩段水力及結(jié)構(gòu)計(jì)算書

1、計(jì)算書名稱：進(jìn)水閘、沖沙閘壩段水力及結(jié)構(gòu)計(jì)算書目 錄1工程概況. 1 2水力計(jì)算. 1 2.1進(jìn)水閘壩段過水能力計(jì)算 . 1 2.2消能防沖設(shè)計(jì) . 3 2.3沖砂閘過水能力復(fù)核 . 4 2.4消能防沖設(shè)計(jì) . 5 3穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算 . 6 3.1基本資料與數(shù)據(jù) . 6 3.2結(jié)構(gòu)簡化 . 6 3.3計(jì)算公式 . 6 3.4荷載計(jì)算及組合 . 8 3.5計(jì)算成果 . 9 3.6沖沙閘荷載計(jì)算 . 12 3.7計(jì)算成果 . 13 3.8計(jì)算簡圖 . 171工程概況某調(diào)水工程由關(guān)山低壩引水樞紐和穿越秦嶺山區(qū)的輸水隧洞兩大部分組成，按其供水對象及性質(zhì)，根據(jù)防洪標(biāo)準(zhǔn)（GB5020194）和水利水電工程

2、等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)（SL2522000），工程等別為三等中型工程, 主要建筑物按3級建筑物設(shè)計(jì)。低壩無調(diào)節(jié)引水樞紐由攔河壩、沖砂閘、進(jìn)水閘和輸水暗渠四部分組成，前三部分在平面上呈一條直線南北方向并列布置，輸水暗渠緊接進(jìn)水閘并連接進(jìn)水閘和輸水隧洞。兩個(gè)閘均設(shè)在壩的左側(cè)。壩軸線位于兩河口下游95m ，關(guān)山村上游約1km 處，此處河谷寬度74m ，河床寬度約60m ，高程為1467.2m ，河床漂卵石覆蓋層厚512m，最大15m ，其下的基巖為黑云片麻巖和斜長片麻巖，巖石強(qiáng)風(fēng)化層厚約23m，巖體分類為類，巖層傾向上游，對防滲有利。進(jìn)水閘位于沖砂閘左側(cè)，設(shè)計(jì)流量13.5m 3/s，單孔布置，孔口尺寸3

3、.0m 2.5m ，設(shè)潛孔式弧形工作閘門和平面檢修閘門。閘室后接4m 長的1:4陡坡，陡坡后接消力池，消力池池長14m ，池深1.0m ，底板厚度1.0m ，為C20鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；消力池后與輸水暗渠相接。2水力計(jì)算2.1進(jìn)水閘壩段過水能力計(jì)算 2.1.1引水渠內(nèi)水深的確定Q=3/22/11R Ai n式中Q 引水渠流量,13.5m 3/s； n 引水渠糙率,0.015；A 、R 、b 、h 、m 分別為過水?dāng)嗝婷娣e、濕周、水力半徑、渠道底寬、水深及邊坡系數(shù)，其表達(dá)式如下： A=(b+mhh =b+2h2m +； R=A=22 (mh b h mh b +故 13.5=1/0.015（3+0

4、h）h (1/10001/23/2 23 . 03(hh h +經(jīng)試算求得：h=2.282m 2.1.2過流能力復(fù)核設(shè)計(jì)流量下的渠內(nèi)水深為h=2.282m，進(jìn)口閘底板高程取為1469.00m ，即下游水位為1471.282m ，進(jìn)口翼墻為圓弧形翼墻。按無坎寬頂堰流計(jì)算。 最低引水位為1471.50m ，則H0=1471.50-1469.0+(13.543 2/19.6=2.56m,下游水深為hs=2.282m0H hs =66. 2282. 2=0.8613.5 m 3/s 故滿足引流要求?？紤]到進(jìn)水閘前根據(jù)引水需求需設(shè)置攔污柵，故在最低引水位時(shí)還需計(jì)入攔污柵的局部水頭損失，初步估計(jì)其水頭損失

5、為h=0.6v2/2g，則H0=1471.50-1469.0+v2/2g-0.8 v2/2g=2.53m 下游水深為hs=2.282m0H hs =53. 2282. 2=0.9010.9 此時(shí)，寬頂堰流處于高淹沒出流狀態(tài)，其流量公式為： Q=hsB02/10 (2hs H g式中淹沒堰流的綜合流量系數(shù)，可按下式計(jì)算 =0.877+(hs/H0-0.65 2=0.0877+(0.901-0.652=0.94Q=0.942.2823g 2(2.53-2.2821/2= 14.17m 3/s13.5 m 3/s 故滿足引流要求。由于引水渠道的引水流量最大只能達(dá)到13.5，故在1471.5水位及其以

6、上，應(yīng)壓閘運(yùn)行，以保證流量不大于13.5。 2.2消能防沖設(shè)計(jì)消力池深d 可按下式計(jì)算 d=0hc -hs-Z hc =1 (823-+hchhc k hc 3-T0hc 2+q 2/(2g2=0Z=q 2/(2g2hs 2- q 2/(2ghc2 式中d-消力池深度（m ）；0-水躍的淹沒系數(shù)(一般取1.01.05 ；hc -以下游原河床高程為基準(zhǔn)算出的收縮斷面的躍后水深； hc-收縮水深；-水流動(dòng)能校正系數(shù)，可采用1.01.05； q-單寬流量（m 2/s）； b1-消力池首端寬度（m ）； b2-消力池末端寬度（m ）；T0-由消力池底板頂面算起的總勢能（m ）； Z-出池落差（m ）；

7、 hs-下游河床水深（m ）。 經(jīng)試算得： d=0.79 Z=0.107消力池長Lsj 可按下式計(jì)算： Lsj=Lj Lj=6.9(hc-hc式中Lsj-消力池長度（m ）；Ls-消力池斜坡段水平投影長度（m ）； -水躍長度校正系數(shù)，可采用（0.70.8）； Lj-自由水躍長度（m ）。 故Lj=6.9（3.03-0.396）=18.22 Lsj=Lj=+0.729.39=17.66 取池深1.0m, 池長14m 。 2.3沖砂閘過水能力復(fù)核該沖砂閘設(shè)計(jì)最大過流量Q=42m3/s，在非洪水期可根據(jù)沖砂要求適時(shí)開閘放水，在洪水期可關(guān)閉閘門或壓閘運(yùn)行，保證下泄流量不大于42m 3/s。進(jìn)口閘底板

8、高程為1467.50m ，設(shè)計(jì)孔口尺寸為43.5（高寬）。按無坎寬頂堰流計(jì)算，進(jìn)口翼墻為圓弧形翼墻。 1471.50水位時(shí)過水能力的計(jì)算出流形態(tài)判斷忽略行進(jìn)水頭則H0=1471.50-1467.50=4.0m,下游水深為hs2.25m(校核洪水位時(shí)下游水深hs=1469.75-1467.50=2.25m0H hs 42 m3/s 故滿足要求。2.4消能防沖設(shè)計(jì)采用設(shè)計(jì)洪水工況作為消能防沖的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。hc =1 (823-+hchhc k hc 3-T0hc 2+q 2/(2g2=0Z=q 2/(2g2hs 2- q 2/(2ghc2 式中0-水躍的淹沒系數(shù)(一般取1.01.05 ；hc -以下

9、游原河床高程為基準(zhǔn)算出的收縮斷面的躍后水深； hc-收縮水深；-水流動(dòng)能校正系數(shù)，可采用1.01.05； q-單寬流量（m 3/s）； b1-消力池首端寬度（m ）； b2-消力池末端寬度（m ）；T0-由消力池底板頂面算起的總勢能（m ）； Z-出池落差（m ）； hs-下游河床水深（m ）。 經(jīng)試算得： d=1.32 Z=1.51消力池長Lsj 可按下式計(jì)算： Lsj=Lj Lj=6.9(hc-hc 式中Lsj-消力池長度（m ）；Ls-消力池斜坡段水平投影長度（m ）； -水躍長度校正系數(shù)，可采用（0.70.8）； Lj-自由水躍長度（m ）。 故Lj=6.9（4.7-1.08）=24.

10、99 Lsj=Ls+Lj=9+0.7524.99=18.74綜合考慮斜坡式護(hù)坦長取18m 。3穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算3.1基本資料與數(shù)據(jù)（1）工程等別：等 建筑物級別：3級 （2）水位：溢流堰頂高程： 1471.50 m設(shè)計(jì)洪水位： 1475.55 m 相應(yīng)下游水位1469.10m 校核洪水位： 1476.66 m 相應(yīng)下游水位1469.75m（3）閘基與基巖抗剪摩擦系數(shù)f=0.6，抗剪斷摩擦系數(shù)f =0.7，抗剪斷凝聚力c =200kN/m2，地基承載力f=500 kN/m2。（4）砼容重=24kN/m3，（5）揚(yáng)壓力按無帷幕，無排水計(jì)算。 （6）地震設(shè)計(jì)烈度：7度 （7）水容重=10KN/m3根據(jù)

11、已成工程經(jīng)驗(yàn)和可研成果，擬定進(jìn)水閘壩段體型及尺寸如計(jì)算簡圖。 3.2結(jié)構(gòu)簡化進(jìn)水閘壩段的穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算時(shí)，取整個(gè)進(jìn)水閘壩段作為研究對象，即壩0-006.5壩0-012.5，基底面取至1467.50m 高程。 3.3計(jì)算公式 3.3.1穩(wěn)定計(jì)算公式分別采用剪摩公式K=fG/H 和抗剪斷公式K =（f G+CA ）/H 計(jì)算。 式中：K 沿閘基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)； f 閘基面與地基之間的摩擦系數(shù)，取0.6； G 作用在閘上的全部豎向荷載（包括揚(yáng)壓力）； H 作用在沖砂閘壩段上的全部水平荷載； K 沿閘基面的抗剪斷穩(wěn)定安全系數(shù)； f 壩閘基面與地基之間的抗剪斷摩擦系數(shù)； C 閘基與基底面之間的

12、抗剪斷粘結(jié)力；A 閘基地面的面積。 3.3.2基地應(yīng)力計(jì)算公式P=WM AG 式中M 作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對基礎(chǔ)底面形心軸的力矩； W 閘室基底面對于該底面形心軸的截面矩。 3.3.3荷載計(jì)算公式 3.3.3.1自重計(jì)算公式： G=V式中：漿砌石或混凝土容重； V體積； 3.3.3.2靜水壓力計(jì)算公式： F=1/2h2B式中 水容重（KN /m3）； h水深（m ）； B計(jì)算寬度（m ）； 3.3.3.3波浪壓力當(dāng)H Hk HLm/2時(shí) 計(jì)算公式：PL=1/4Lm （h5%+hZ）B式中：PL 迎水面上的浪壓力標(biāo)準(zhǔn)值（KN /m）； 水的重度（KN /m3）； Lm平均波長（m

13、）；H5%累計(jì)頻率為5%的波高（m ）； hZ 波浪中心線至計(jì)算水位的高度（m ），按下式計(jì)算：hz=（h5% 2/Lm）cth （2H/ Lm） H擋水建筑物迎水面前的水深（m ） 3.3.3.4揚(yáng)壓力U計(jì)算公式： U=(hL+1/2h0LB式中： h、 h0下游水深、上下游水位差；L 、B 計(jì)算長度、計(jì)算寬度；3.3.3.5地震荷載 （查自水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范） 3.3.3.5.1水平向地震慣性力：計(jì)算公式： Fi=h GEi i/g式中： Fi 作用在質(zhì)點(diǎn)i 的水平向地震慣性力代表值 i 質(zhì)點(diǎn)i 的動(dòng)態(tài)分布系數(shù)，按下式計(jì)算：n 壩體計(jì)算質(zhì)點(diǎn)總數(shù)；H 壩高，溢流壩的H 應(yīng)算至閘墩頂；hi

14、 質(zhì)點(diǎn)i 的高度； hj 質(zhì)點(diǎn)j 的高度；GE 產(chǎn)生地震慣性力的建筑物總重力作用的標(biāo)準(zhǔn)值；GEi 集中在質(zhì)點(diǎn)i 的重力作用標(biāo)準(zhǔn)值； GEj 集中在質(zhì)點(diǎn)j 的重力作用標(biāo)準(zhǔn)值； 地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)，取0.25； h 水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值，取0.1g ；g 重力加速度；3.3.3.5.2地震動(dòng)水壓力：單位寬度壩面的總地震動(dòng)水壓力作用在水面以下0.54H0處，其代表值F0按下式計(jì)算：式中： 水體質(zhì)量密度標(biāo)準(zhǔn)值；H0 水深； 地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)，取0.25；h 水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值，取0.1g ； 3.4荷載計(jì)算及組合 3.4.1進(jìn)水閘荷載計(jì)算 3.4.1.1重力2065. 0H a

15、 F w h =+=n j j Eji i H h G H h 144/(41 /(414. 1總重：G=14589.4 kN 3.4.1.2水壓力水的重力Pv=RV=0 水的水平力：上游PH 上=21H 上2 下游：PH 下=21H 下2 3.4.1.3揚(yáng)壓力 U=（21H2+H 112.38 3.4.1.4地震荷載水平向地震總慣性力F=h G i/g 地震動(dòng)水壓力P0=0.65h H 26 3.4.2荷載組合選擇最不利荷載組合進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，即 3.5計(jì)算成果3.5.1抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表抗滑穩(wěn)定計(jì)算表（擋水） 抗滑穩(wěn)定計(jì)算表（過水） 3.5.2應(yīng)力計(jì)算成果表底板縱向地基反力(1471.50水

16、位） 底板縱向地基反力(1475.55水位） 底板縱向地基反力(1476.66水位） 底板縱向地基反力(1471.50水位+地震） 由計(jì)算結(jié)果可知地基最大壓應(yīng)力為139.66kN/m2，小于地基承載力500 kN/m2，且無拉應(yīng)力出現(xiàn)，故滿足要求。 3.6沖沙閘荷載計(jì)算 3.6.1重力總重：G= 18582.5 kN 3.6.2水壓力水的重力Pv=RV=0 水的水平力：上游PH 上=21H 上2 下游：PH 下=21H 下2 3.6.3揚(yáng)壓力 U=（21H 2+H 112.383.6.4地震荷載水平向地震總慣性力F=h G i/g 地震動(dòng)水壓力P0=0.65h H 26.5 3.6.2荷載組合

17、選擇最不利荷載組合進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，即 3.7計(jì)算成果3.7.1抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表抗滑穩(wěn)定計(jì)算表（擋水） 抗滑穩(wěn)定計(jì)算表（過水） 3.7.2應(yīng)力計(jì)算成果表底板縱向地基反力(1471.50水位） 底板縱向地基反力(1475.55 水位） 部位 閘墩 底板 胸墻 檢修平臺 梁板 1 梁板 2 梁板 3 梁板 4 梁板 5 門槽 1 門槽 2 閘門重力 啟閉機(jī) 閘房（房頂） 側(cè)墻 梁 水重 水壓力 揚(yáng)壓力 合計(jì) 應(yīng)力 鉛直力 4242 12930.96 -409.848 420 36.96 115.08 20.16 16.128 224.64 20.16 -159.36 -73.44 30 234 48

18、1.65 71.424 1698.865 0 -2744.00 17155.379 90.059463 水平力 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3192.1 0 216.2866 力臂 0.744 0 2.383 -0.5 7.155 5.3 4.601 0.869 -1.3 3.7 0.702 0.7 0.7 2.05 2.05 2.05 4.908 1.63 -3.183 2.67 力矩(Mx 3156.048 0 -976.668 -210 264.4488 609.924 92.75616 14.01523 -292.032 74.592 -11

19、1.871 -51.408 21 479.7 987.3825 146.4192 8338.029 0 -10160.4 -21231.8 -18849.9 底板縱向地基反力(1476.66 水位） 部位 閘墩 底板 胸墻 檢修平臺 梁板 1 梁板 2 梁板 3 梁板 4 梁板 5 門槽 1 門槽 2 閘門重力 啟閉機(jī) 閘房（房頂） 側(cè)墻 梁 水重 鉛直力 4242 12930.96 -409.848 420 36.96 115.08 20.16 16.128 224.64 20.16 -159.36 -73.44 30 234 481.65 71.424 1894.9 水平力 0 0 0 0

20、 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 15 力臂 0.744 0 2.383 -0.5 7.155 5.3 4.601 0.869 -1.3 3.7 0.702 0.7 0.7 2.05 2.05 2.05 4.967 力矩(Mx 3156.048 0 -976.668 -210 264.4488 609.924 92.75616 14.01523 -292.032 74.592 -111.871 -51.408 21 479.7 987.3825 146.4192 9411.968 水壓力 揚(yáng)壓力 合計(jì) 應(yīng)力 0 -2990.40 17155.379 166.0775 0 -3977.2 0 0 140.2686 1.78 -3.553 2.67 0 0 0 14131.16 -23893.3 3854.135 底板縱向地基反力(1471.50 水位+地震） 部位 閘墩 底板