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1、毕 业 设 计 中文题目:西老口泵站灌溉出水闸设计 英文题目:Design of the Irrigation Sluice in Xilaokou Pumping 学生姓名 系 别 水利工程系 专业班级 指导教师 成绩评定 2013 年6月 目 录第一部分 说明书11 概述11.1 基本资料11.2 气象条件11.3 工程地质21.4 地震烈度21.5 工程任务和规模21.6 主要材料特性参数32 设计内容32.1 水闸总体布置32.2 水力设计32.3 防渗排水设计32.4 稳定计算32.5 结构应力分析及配筋计算43 闸孔设计43.1 上、下游水位的确定43.2 堰型的选择43.3 过闸
2、单宽流量的确定43.4 闸孔宽度的确定44 闸室整体布置54.1 底板结构尺寸的确定64.2 闸墩结构尺寸的确定64.3 闸门结构尺寸及启闭机的选择74.4 工作桥结构尺寸的确定84.5 上、下游两岸连接段结构尺寸确定95 防渗排水设计及闸基渗流计算105.1 防渗设施的设计105.2 渗流计算说明106 稳定分析116.1 闸室稳定分析116.2 挡土墙的稳定计算137 结构计算147.1 涵洞结构计算147.2 胸墙结构计算177.3 刚架结构计算177.4 工作桥结构计算177.5 闸墩结构计算177.6 底板结构计算188 结构防腐设计18第二部分计算书199 水闸的水力设计199.1
3、 闸孔宽度的设计199.2 判别出流方式199.3 闸孔宽度的确定199.4 闸门控制运用方式2010 水闸的防渗设计2110.1 地下轮廓的布置2110.2 闸基渗流计算2111 稳定分析2211.1 闸室的稳定计算2211.2 挡土墙的稳定计算2512 涵洞结构计算2712.1 完建期涵洞受力分析2712.2 正常运行期涵洞受力分析3112.3 涵洞强度计算3613 胸墙结构计算4013.1 荷载计算4013.2 内力计算4113.3 配筋计算4114 刚架结构计算43314.1 荷载计算4314.2 内力计算与配筋计算4315 工作桥结构计算4415.1 T型梁结构计算4415.2 桥面
4、板结构计算4516 闸墩结构计算4616.1 边墩结构计算4616.2 中墩结构计算4717 底板结构计算4818 结论49参考文献50附录1：外文文献原文52附录2：外文文献译文58附表62摘 要水闸是一种低水头水工建筑物，具有挡水、泄水的双重作用，在水利工程中应用十分广泛。本设计主要任务是对西老口泵站灌溉出水闸进行更新改造设计；通过分析本工程区域地形、地质、水文和其它有关资料及相应的规划成果，进行出水闸设计，主要内容包括：确定闸址位置，选择闸孔型式，对水闸结构形式及闸室主要部位、上下游连接方式和结构尺寸进行确定。根据选择的堰型，通过水力计算确定闸孔尺寸、孔数及消能防冲形式和尺寸；根据地质资
5、料等确定防渗措施，选择防渗设施的形式和尺寸。对闸室的底板、闸墩、闸门及启闭机的形式、机架桥的各部尺寸进行确定并画出闸室结构的图纸，注明各部分尺寸同时确定涵闸上下游翼墙结构形式、尺寸。根据拟订的各部分尺寸，进行闸室和翼墙的稳定性分析及地基应力验算；最后进行水闸主要部位的结构计算；设计出符合要求的建筑物。关键词： 水闸；改造设计；闸孔型式；防渗措施；稳定性分析ABSTRACTSluice is a low head hydraulic structure, has the double functions of water, drain, is widely used in hydraulic e
6、ngineering. The main task of this design is the renovation design of old pump station west irrigation water outlet; through the analysis of the project area terrain, geology, hydrology and other relevant data and corresponding planning results, out of the gate design, the main contents include: to d
7、etermine the gate access location, select gate hole type, to determine the sluice structure form and the main parts of upper and lower chamber, connecting mode and structure size. According to weir type selection, hydraulic calculation to determine through the gate hole size, hole number and energy
8、dissipation are determined according to the form and size; seepage control measures of geological data, choose the form and size of seepage control. The chamber floor, pier, gate and headstock gear form frame bridge machine, the size of each part are determined and draw the chamber structure drawing
9、s, indicate the size of each part and determine the Sluice Downstream wing wall structure form, size. According to the size of each part of elaboration, stability analysis and foundation chamber and wing wall stress checking calculation; finally the main parts of sluice structure designed to meet th
10、e requirements of the building. Key words: The Sluice; Retrofit Design; Gate pass type; Seepage control measures; Stability analysis西老口泵站灌溉出水闸设计赵 云 （天津农学院 水利工程系）第一部分 说明书1 概述1.1 基本资料西老口泵站位于天津市宝坻区西南部。宝坻区位于天津市北部，地处潮白河、蓟运河下游平原，处于北京、天津、唐山三市中心地带。南北长度65km，东西宽度45km，全区总面积1450km2，耕地面积115.8万亩，全区总人口66.12万人，其中农业
11、人口54.68万人。西老口泵站是一座中型灌排两用泵站，座落在青龙湾河左堤，1966年建站，1989年更新改造。泵站建筑物主要包括排水进水闸、拦污栅桥、前池、进水池及泵房、出水池、穿堤箱涵、排水出水涵闸、灌溉进水涵闸以及配套的房屋建筑（含生产用房和管理用房）等。泵站排涝控制范围为：引滦明渠以西，青龙湾河以北，大白渠以南，西老口排干以东，排涝总面积为3.84万亩，排涝标准为十年一遇。灌溉范围与排涝范围基本相同，灌溉引水设计流量4.0m3/s。多年来西老口泵站在排涝、抗旱减灾等方面发挥了非常重要的作用，但泵站运用至今已40多年，经安全鉴定认为，本站机电设备大部分属落后淘汰产品且老化严重、效率降低；金
12、属结构锈蚀、变形严重，操作困难；水工建筑物结构强度降低，局部破损严重。以上诸多问题的存在严重影响泵站的正常运行，鉴于本泵站的重要性对其进行更新改造是非常必要的。根据天津市排涝总体规划，对西老口泵站进行更新改造。1.2 气象条件宝坻区属于北温带半湿润季风区，大陆性气候，四季分明，春季干燥多风，夏季温热多雨，秋季温降快雨量少，冬季寒冷少雪。多年平均气温11.1，极端最高气温40.3，极端最低气温-27.0，一月平均气温-5.7，七月平均气温26。全年日照时数2609小时，无霜期年平均193天，冻土层深度0.50.8m。区内多年平均降雨量614mm，其中夏季69月为510mm，占全年的83.4。降水
13、量年际间变化大，最大年降水量1052mm，最小年降水量384mm，两者相差2.74倍。多年平均水面蒸发量1785mm（20蒸发皿）。1.3 工程地质根据勘察表明，30.0米深度范围内自上而下揭示了人工填土层(Qml)，第四系全新统上组河床-河漫滩相沉积层(Q41al)，第四系全新统上组湖沼相沉积层(Q41l+h)，第四系全新统中组浅海相沉积层(Q42m)，第四系全新统下组河床-河漫滩相沉积层(Q41al)及第四系上更新统五组河床-河漫滩相沉积层(Q3eal)。工程区地下水均为第四系孔隙潜水，地下水动态主要受区域地下水控制，并受河水及临近地区地下水开采程度影响。工程区属III类场地环境类型，地下
14、水、地表水水质类型均为HCO3-.CL-Na+.K+型弱碱-碱性水。地下水PH值7.85，地表水PH值8.44，依据国标岩土工程勘察规范（GB50021-2001,2009年版）12.2.112.2.4条款之规定，在长期浸水及干湿交替条件下，本场地地下水、地表水对混凝土及混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性，对钢结构具微腐蚀性。本场地标准冻结深度为0.60m。工程区地势基本平坦，施工条件较好，交通较为方便。工程区存在的主要工程地质问题是不均匀沉陷，建议加强基础整体性和上部结构的刚度，以防止不均匀沉陷的发生。在基槽开挖时，建议采用坑内大口井井点降水及重力疏干浅部土层中的地下水，水位至少应降至基础底面以下
15、1.0米，结合场地施工条件和地层岩性特征确定合理的施工方案，确保工程质量和施工安全。开槽后应做好钎探（N10）及验槽工作，发现不良地质问题须妥善处理。1.4 地震烈度根据中国地震动参数区划图(GB18306-2001)、建筑抗震设计规范(GB50011-2010)，工程区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第二组，属抗震不利地段。本场地为中软场地土，建筑场地类别为类。在抗震设防烈度为7度时，拟建场地无地震可液化土层分布。1.5 工程任务和规模本工程的任务是：根据天津市水利科学研究院编制的天津市宝坻区西老口泵站安全检测报告的结论，对鉴定为类的机电设备和金属结构进行
16、更新；对鉴定为类的建筑物进行维修加固；对鉴定为类的建筑物进行拆除重建，最终使泵站枢纽能够正常运行，满足本区域的排灌要求。根据泵站安全鉴定的主要结论并经现场查勘，灌溉出水闸存在的主要问题为：启闭机板梁表面破损严重，出现多条裂缝，罩面砂浆大面积脱落；护坡勾缝砂浆大片剥落，出现裂缝；该建筑物总体上达不到设计标准，技术状态差，存在较大损坏。建议评定为四类建筑物，拆除重建。西老口站排水区属里自沽排水区的一部分，规划设计标准为10年一遇，本次更新改造工程仍维持其原设计规模，即设计排涝流量10.0m3/s。灌溉范围与排涝范围基本相同，灌溉引水设计流量4.0m3/s。1.6 主要材料特性参数混凝土的容重 24
17、kN/m；钢筋混凝土容重 25kN/m；浆砌石容重 22kN/m；水容重 10kN/m；钢筋及钢材容重 79kN/m。2 设计内容本次设计内容主要包括：水闸总体布置、水力设计、水闸防渗排水设计、闸室结构布置、闸室稳定计算、挡土墙稳定计算、涵洞结构设计、胸墙结构设计、刚架结构设计、工作桥结构设计、闸墩结构设计、底板结构设计。2.1 水闸总体布置现状灌溉出水闸为2孔涵洞式水闸，坐落于出水池左侧与出水渠道相连，闸墩为浆砌石结构，启闭机板梁为混凝土结构。新建灌溉出水闸位于压力水箱左侧，压力水箱左侧墙体开孔，孔口底高程0.80m。通过箱涵与灌溉出水闸相接。灌溉出水闸为涵洞式水闸,设计流量为4.0m3/s
18、。涵闸上、下游水位差0.2m。闸室底高程0.80m。闸室设铸铁闸门，闸门启闭设备采用手、电两用螺杆启闭机。灌溉出水闸下游翼墙采用八字形重力式挡土墙,浆砌石护底。2.2 水力设计水闸的水力设计内容应包括：闸孔总净宽计算；消能防冲设施的设计计算；闸门控制运用方式的拟定。2.3 防渗排水设计水闸的防渗排水设计应根据闸基地质情况，闸基和两侧轮廓线布置及上、下游水位条件等进行，由地质资料等确定防渗措施，选择防渗排水设施的形式和尺寸。其内容应包括：渗透压力计算；抗渗稳定性验算。2.4 稳定计算水闸稳定计算应根据结构受力条件及工程地质条件进行，其内容应包括：荷载及其组合；闸室、岸墙和翼墙的稳定计算；结构应力
19、分析。荷载计算及组合：作用在水闸上的荷载可分为基本荷载和特殊荷载两类。基本荷载主要有下列各项：水闸结构及其上部填料和永久设备的自重；相应于正常蓄水位或设计洪水位情况下水闸底板上的水重；相应于正常蓄水位或设计洪水位情况下的静水压力；相应于正常蓄水位或设计洪水位情况下的扬压力(即浮托力与渗透压力之和)；土压力；淤沙压力；风压力；相应于正常蓄水位或设计洪水位情况下的浪压力；冰压力；土的冻胀力；其它出现机会较多的荷载等。特殊荷载主要有下列各项：相应于校核洪水位情况下水闸底板上的水重；相应于校核洪水位情况下的静水压力；相应于校核洪水位情况下的扬压力；相应于校核洪水位情况下的浪压力；地震荷载；其他出现机会
20、较少的荷载等。闸室稳定计算：取两相邻顺水流向永久缝之间的闸段作为计算单元进行计算。岸墙、翼墙稳定计算：取单位长度或分段长度的墙体作为计算单元进行计算。2.5 结构应力分析及配筋计算水闸结构应力分析应根据各分部结构布置型式、尺寸及受力条件等进行。3 闸孔设计3.1 上、下游水位的确定根据任务书及水闸设计规范SL265-2001的要求，灌溉出水涵闸设计流量为4.0m3/s，上游出水池设计水位为4.80m，下游出水渠设计水位为4.60m，相应上、下游水位差为0.20m，闸室底高程为0.80m。3.2 堰型的选择根据水闸设计规范SL265-2001，常用的堰型有宽顶堰和实用堰两种。宽顶堰流量系数虽然较
21、小，但构造简单，施工方便。所以在灌排系统内的水闸，一般均采用平底板宽顶堰的底板结构型式。在软弱地基上切上部荷载较大时，可采用宽顶堰箱式平底板结构型式。而实用堰适用于大工程，高水头的工程，费用较高。设计该灌溉出水闸时，考虑其实际情况，采用宽顶堰。3.3 过闸单宽流量的确定根据水闸设计规范SL265-2001，过闸单宽流量q与总流量Q之间有如下关系：q=QB。过闸单宽流量应根据下游河床地质条件、上下游水位差、闸室总宽度、闸的结构构造特点等因素选定。此闸过闸单宽流量取1.33 m3/s。3.4 闸孔宽度的确定闸孔尺寸的设计用以满足进流、排水或控制水位的要求，是主要的水力计算。要做的工作是先确定水闸的
22、出流方式，根据所选堰型选择相应计算公式进行流量计算。3.4.1 判别出流方式闸孔出流与堰流这两种水流现象，主要是从过闸水面是否受闸门或胸墙的影响来区分。当闸门位于某一开度时，可能出现两种流态的相互转换。这两种流态相互过渡的条件，除和闸门相对开度（）有关外，还和底坎形式、上游来水形式有关。一般采用下列判别式区分闸孔出流和堰流：当闸底坎为平底堰时，0.65时，为闸孔出流；0.65时，为堰流。当闸底坎为曲线形堰时，0.75时，为闸孔出流；0.75时，为堰流。 （1）式中：H水头，m； H0计入行近流速水头在内的堰顶总水头，m； V0行近流速，m/s。上游水深H=4.0m,闸底坎为平底堰，e/ H=1
23、/4.01.20，满足抗滑稳定安全要求。表2 Kc的容许值水闸级别1234基本荷载组合1.351.301.251.20特殊荷载组合1特殊荷载组合21.201.151.051.051.101.051.001.00注：1.特殊组合1，适用于施工、检修及校核洪水位情况。 2.特殊组合2，适用于地震情况。6.2 挡土墙的稳定计算挡土墙容易出现的破坏形式有以下几种：滑动破坏、浅层地基的剪切破坏、深层地基的剪切破坏、下沉破坏等。针对挡土墙可能出现的破坏形式，稳定性计算一般包括下列几个方面：抗倾覆稳定性计算、抗滑稳定性计算、地基承载力验算、地基深层滑动稳定性的验算。根据本设计的实际情况，边墙可能产生的破坏形
24、式有滑动破坏、沿地基面的倾覆失稳、浅层地基的剪切破坏等；稳定计算包括抗滑稳定计算、抗倾覆稳定计算和地基承载力验算。稳定计算的方法为：根据闸室的布置图及选用的各种不同计算情况，分别计算荷载代入相应的计算公式，各种有关数据可在任务书中查找，对相应计算结果均应满足规定要求。6.2.1 地基承载力验算与闸室稳定计算的地基承载力验算基本相同，其中B为墙底宽度。要求，为容许的地基应力，根据资料=110kPa。经计算基底最大压应力为105.02，满足地基承载力要求。6.2.2 抗滑稳定计算挡土墙的抗滑稳定计算与闸室的抗滑稳定计算基本相同，本设计采用公式（12），地基土质的基本数据同闸室抗滑稳定。经计算，满足
25、抗滑稳定安全要求。6.2.3 抗倾稳定计算抗倾稳定性按下式计算：（假定墙趾处为b点）（13）式中：Kt抗倾覆稳定安全系数，正常设计情况时，一般不小于1.5，对大于12m的高墙或重要性大的挡土墙应视具体情况适当提高Kt值；对于校核情况时，一般为1.251.30，低墙取小值，高墙取大值； 抗倾覆力矩之和，这里指对b点的稳定力矩的代数和，； 倾覆力矩之和，这里指对b点的倾覆力矩的代数和，； G墙体自重，； 主动土压力垂直分力，； 主动土压力水平分力，； 墙前被动土压力，； e1、e2分别为墙重和主动土压力的竖直分力对b点的力臂，m； Z1、Z2分别为主动土压力的水平分力和被动土压力对b点的力臂，m。
26、经计算，满足抗倾覆稳定要求。7 结构计算7.1 涵洞结构计算涵洞长为3.5m。按照完建期、正常运行期的荷载进行结构计算。涵洞具体尺寸见图8：图8 涵洞断面尺寸涵洞所受荷载包括：垂直土压力、侧向土压力、自重（顶板、侧墙）、作用于箱涵底部的地基反力。（详见计算书）作用于箱涵的外荷载通常有垂直土压力、活荷载、箱涵自重、土的侧向压力及内外水压力等。作用于箱涵上的一切垂直荷载将由底板下的地基反力平衡；地基反力是作用在箱涵地面的一种外荷载。地基反力的分布于箱涵的跨径及地基等条件有关，灌排渠系中的涵洞一般跨径较小，为简化计算，多假定地基反力为均匀分布。7.1.1 涵洞受力分析垂直土压力：作用于涵洞上的垂直土
27、压力的大小，与涵洞的埋置方式有关。本设计涵洞主要的回填方式为填埋式，取单位长度的涵洞为研究对象，按下式进行计算：垂直土压力：（14）式中：回填土容重，kN/m3； H顶板上土的高度，m。侧向土压力计算：作用于涵洞的侧向土压力与涵洞的刚度、填埋方式及填土的性质有关。对于刚性涵洞，可近似认为对涵洞产生主动土压力的作用。本设计涵洞为刚性的。作用于箱涵顶板厚度中心线处侧向土压力的计算（取单位长度进行计算）： （15） （16）式中：j回填土的内摩擦角； H1顶板中心线距地面的距离，m； 侧向土压力，kN/m。箱涵自重（取单位长度）：顶板自重荷载：（17）式中：钢筋混凝土的容重，取25kN/m3； 顶板
28、断面面积，。侧墙、中墙自重荷载：（18）（19）式中：钢筋混凝土的容重，取25kN/ m3； 侧墙、中墙断面面积，。作用于箱涵顶上的总均布荷载（包括自重）： （20）作用于箱涵底部的地基反力等于作用于箱涵上的一切垂直荷载总和： （21）表3 涵洞受力（单位：kN/m）完建期2.612525.0812.545正常运行期2.612525.0812.5907.1.2 内力计算求解箱涵结构的内力，一般要建立与未知数相等的条件方程式，并将其联立进行求解。根据选取未知量的不同，箱涵的解法分为分力法和变位法两种。力法是以多余未知力作为未知量，而变位法则是以结点的变位作为未知量。解箱涵的内力，变位法较为适用，
29、属于这一类的方法有转角位移法、力矩分配法等。在求解箱涵内力时，应结合箱涵的结构特点及荷载分布情况决定采用不同的内力计算方法。本设计采用力矩分配法。7.1.3 强度计算强度计算的目的是保证设计断面具有足够的承载力，以能抵抗由于各种内力作用而引起的破坏，并据此确定合理的断面尺寸及所需配置的钢筋数量。计算得出的钢筋数量应控制在经济含钢率以内(m常用0.3%0.8%)。同时还应根据构造要求和施工条件来判定初拟断面尺寸是否合理。（计算过程见计算书）强度计算的基本资料应包括：箱涵各截面的内力值(M 、Q、 N )；建筑物的等级及相应的安全系数（查表）；材料的设计强度（查表）。箱涵按三级建筑物基本荷载组合设
30、计，采用混凝土强度等级采用C25，受力筋采用HRB335 ，构造筋采用HPB235。由表查得安全系数K=1.20，C25混凝土弯曲抗压设计强度fc=11.9N/mm，轴心抗拉设计强度ft=1.27 N/mm，HRB335钢筋抗拉设计强度fy=300 N/ mm，抗压设计强度fy=300N/ mm。对顶板、底板及侧墙、中墙分别进行计算。 （22）式中M为跨中最大弯距，kNm；N为构件所受轴力，kN 。若eo 0.3h0，则为大偏心受压（受拉）构件，若eo ，所以底板通过了抗裂验算，满足限裂要求。7.2 胸墙结构计算胸墙的控制工况为正常运行期。计算时将胸墙简化为固结于顶板的悬臂结构。胸墙按最小配筋率配筋，选用14250（）。抗剪验算，满足偏心受压构件的斜截面受剪承载力计算要求。7.3 刚架结构计算刚架主要受力为立柱承受的轴向压力，按照轴压构件进行配筋计算。轴压构件的配筋计算公式如下：（式中符号含义见涵洞结构计算）（27）钢架选用12钢筋（），排列于柱子四角，箍筋选用6250。7.4 工作桥结构计算机架桥的主要构件为T型梁和桥面板。工作桥的控
