龙潭冲.docx

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龙潭冲

龙潭冲渡槽位于湖北省浠水县白莲河灌区西干渠上游处，桩号为1+800，竣工年限在1961年~1962年，经过三十多年的运行，该渡槽出现严重的老化问题，加之灌区面积增加和流量增大，该渡槽已远远不能担负输水灌溉的任务，根据白莲河水库灌区续建配套与节水改造规划成果（2003年），要求重建白莲河渡槽。

考虑到原渡槽所在渠道位于一较大的冲谷处，该段渠道在山洪期间常受洪水危胁。

经灌区重新规划，将原山谷下的沿山渠道进行截弯取直，在截弯处新建新的龙潭冲渡槽，工程为III等工程，主要建筑物为3级。

新建的渡槽采用矩形拱式渡槽，拱跨87m，共两跨，槽底宽为4.0m，侧墙高3.92m，设有间距为1.5m，高为0.1m的拉杆，考虑到交通要求，还设有1m宽的人行板。

本设计布置等跨的间距为15m的单排架共12跨，与渐变段连接处采用浆砌石槽台。

排架与地基的连接采用整体基础。

槽身、排架、拱圈以及基础采用预制吊装形式。

引言

0.1、研究背景及意义

渡槽是输送渠道水流跨越河渠、道路、山冲、谷口等的架空输水建筑物，是灌区水工建筑物中应用最广的交叉建筑物之一，除用于输送渠水外还可排洪和导流等之用。

我国幅员辽阔，但水资源十分短缺，且由于地形和气候的影响，水资源在时空上分布不均匀，有一半的国土处于缺水或严重缺水状态。

无论是资源性缺水还是工程性缺水，工程手段作为优化配置的方法之一，主要就是在水源处修建取水工程，然后通过输水工程把水送到不同的用户，如南水北调工程、引滦入津等。

白莲河龙潭冲（拱式）渡槽设计引言滦入唐、引黄济青、引黄入晋和东北的北水南调工程等等都是如此。

渡槽便是其中一种重要渠系建筑物。

本次毕业设计为白莲河灌区龙潭冲输水渡槽的初步设计。

目的在于培养我们了解并初步掌握水利工程的设计内容、方法和步骤，通过设计，能够较熟练地运用和巩固有关专业课、专业基础课及基础课所学的理论知识，并锻炼运用所学理论去解决实际水利工程问题的能力，并提升编写设计说明书、进行各种计算和绘制水利工程图的能力。

0.2、国内外关于渡槽设计课题的研究现状和发展趋势

世界上最早的渡槽诞生于中东和西亚地区。

公元前29世纪前后,埃及在尼罗河上建考赛施干砌石坝,坝高15m,坝长450m,是文献记载最早的坝,并建渠道和渡槽,向孟菲斯城供水。

公元前700余年,亚美尼亚已有渡槽。

公元前703年,亚述国王西拿基立（Sennacherib）下令建一条483km长的渡槽引水到国都尼尼微。

渡槽建在石墙上,跨越泽温的山谷。

石墙宽21m,高9m,共用了200多万块石头。

渡槽下有5个小桥拱,让溪水流过。

渡槽在我国已有悠久的历史。

古代,人们凿木为槽用以引水,即为最古老的渡槽。

据《水经·渭水注》:

长安城故渠“上承泬水于章门西,飞渠引水入城,东为仓池,池在未央宫西。

”“飞渠”即为渡槽,建于西汉,距今约2000年。

或说公元前246年兴建的郑国渠“绝”诸水即利用了渡槽。

这说明渡槽在中国已有2000年以上的历史。

我国古代比较著名的渡槽有:

古代陕西关中地区大型引泾灌区—郑国渠,是中国古代最宏大的水利工程之一。

公元前246年（秦始皇元年）由韩国水工郑国主持兴建,约十年后完工。

它位于泾水和渭水的交会处,干渠西起泾阳,引泾水向东,下游入洛水,全长150余km,其间横穿了好几道天然河流,可能使用了“渡槽”技术。

郑国渠的建成,使关中干旱平原成为沃野良田,粮食产量大增,直接支持了秦国统一六国的战争。

我国从20世纪50年代开始建造渡槽,目前国内已建的各类渡槽有很多。

其中单槽过流量最大的为1999年新建的新疆乌伦古河渡槽,设计流量120m3/s,为预应力混凝土矩形槽。

单跨跨度最大的为广西玉林县万龙渡槽,拱跨长126

白莲河龙潭冲（拱式）渡槽设计引言m。

2002年完成的广东东江——深圳供水改造工程在旗岭、樟洋、金湖的3座渡槽上采用了现浇预应力混凝土U型薄壳槽身,为国内首创。

根据目前我国渡槽的发展状况，渡槽在横断面上,以U型和矩形槽应用较为广泛,特别是随着施工方法的改进,如采用预制吊装的渡槽,越来越广泛的采用各种更轻、更强、更巧、更薄的结构,即槽身趋向采用U型、半椭圆型、环型、抛物线形等薄壳结构或薄壁肋箱等。

在支承型式上,除梁式渡槽和拱式渡槽外,又发展了一种拱梁组合式,拱梁式渡槽是从20世纪90年代逐步发展起来的,是在折线拱和桁架梁渡槽的基础上,经过研究改进发展起来的一种新型渡槽结构形式。

它具有结构轻巧,受力状态良好,外形美观,便于施工,安全可靠,经济适用等特点。

如湖南岳阳地区的凉清渡槽,槽身全长75.2m,由一跨50.4m的拱梁组合式结构与两端各一跨12.4m的简支结构组成。

1990年建成后投入使用,运行状况良好。

在材料使用上,在使用一般钢筋混凝土的基础上,趋于使用钢丝网水泥、高标号预应力混凝土,钢材采用高强钢丝、低合金钢等。

采用这种材料后一是降低混凝土槽身的壁厚,能使混凝土的壁厚由过去的几十厘米减为十几厘米;其次由于渡槽槽身构件采用预应力工艺处理后,使渡槽在结构上发生了质的变化,抗裂性、抗震性和刚度大大提高,克服了钢筋混凝土过早出现裂缝的弱点,充分发挥了高强钢材的潜力,渡槽的断面和变形也相对减少,而跨度却可显著地增大。

从施工方法角度出发,渡槽越来越趋于装配式,由于灌溉及用水事业的发展和地形的需要,大流量、大跨度的装配式渡槽逐年增多,并且这些大跨度、大流量的渡槽结构多采用预应力结构和拱架支承。

小型壳槽则较多采用钢丝网水泥结构以有利于农村小型工地的运输和装配。

从施工工艺方面,预应力施工工艺逐渐广泛地被采用,槽身的张拉,小型壳槽则采用先张法,即在预制厂内固定的台座上成批张拉高强钢丝或钢绞线,大型槽身则采用后张法施工,以构件本身为台座。

在采用装配式渡槽方面,由于吊装技术和设备的改进,构件的单元重量也逐渐增大,以适应大断面、大跨度结构的需要。

如湖北省1973年修建的排子河装配式渡槽,采用钢桁架梁垂直吊升巨型的槽身构件,起重量达200t,提升高度达50多m。

目前,渡槽发展研究的总趋势是,适应各种流量、各种跨度特别是大跨度渡槽结构型式的研究;应用先进理论和先进手段进行结构型式优化设计;材料及施工技

白莲河龙潭冲（拱式）渡槽设计引言术的改进等。

如斜拉式及悬吊式这类跨越能力最大的渡槽型式的研究;过水与承重相结合的合理结构型式的研究;利用电子计算技术及先进设计理论优选结构型式的研究;早强快干混凝土和钢纤维混凝土等材料以及新型止水材料的研制应用;构件预制工厂化及大型机械吊装等,有的已在逐步开展，有的在探索中,但是可以预见,渡槽工程在结构型式、设计理论、建筑材料以及施工技术等方面,将有一个新的发展。

0.3、毕业设计的基本要求及本设计主要内容

1）渡槽型式的选择、工程总体布置及主要尺寸的拟定；

2）渡槽的水力计算并编制相应渡槽水力计算软件一个；

3）渡槽槽身的结构及配筋计算；

4）渡槽排架（拱圈）的结构及配筋计算；

5）渡槽的稳定计算；

一、设计基本资料

1.1、工程概况综合说明

龙潭冲渡槽位于湖北省浠水县白莲河灌区西干渠上游处，桩号为1+800，竣工年限在1961年-1962年，经过三十多年的运行，该渡槽出现严重的老化问题，加之灌区面积增加和流量增大，该渡槽已远远不能担负输水灌溉的任务，根据白莲河水库灌区续建配套与节水改造规划成果（2003年）（以下简称灌区新规划），要求重建白莲河渡槽。

考虑到原渡槽所在渠道位于一个较大的冲谷处，该段渠道在山洪期间常受洪水灾害。

经灌区重新规划，将原山谷下的沿山上渠道进行截弯取直，在截弯处新建新的龙潭冲渡槽，其位置见龙潭冲渡槽总体平面布置图。

1.2、水文气象

本流域属于亚洲东南季风气候区，气候温和湿润，夏季湿度大而炎热，冬季干燥而寒冷，流域年平均气温约17℃左右。

雨量丰富，多年平均降雨量约1300~1400mm（近年偏小），降水量在年内分配不均，每年4-9月为主要雨期，降水量占全年降水量的70%左右。

6月中旬至7月中旬是梅雨季节，梅雨时期雨强大、历时长，笼罩面积宽广，往往有内涝发生。

本地区最大风力为9级，相应风速为24m/s，基本风压。

1.3、工程地质

新建龙潭冲渡槽处地形高差（最低与最高）近30m，两侧崇山坡预计变盖厚度5m-10m，特别是出口斜坡地段，出露的岩层有黑去斜长片麻岩、角闪片麻岩（小河床内可见），一般基岩致密坚硬是建水工建筑物较好基础。

河床为砂卵石，覆盖层厚度为5.0m；两侧为风化的花岗岩，覆盖层厚较薄。

渡槽轴线的右端有一平台，高程在85.00m左右，粘土厚度为2.50m。

1.4、工程任务与规模

新建龙潭冲渡槽进口位于干渠桩号1+800，出口位于干渠5+000处。

新建渡槽对原干渠桩号1+800-1+500段进行了截弯取直，使原来冲谷下的渠道不再承担输水任务。

根据灌区新规划，新建渡槽设计流量=。

新建渡槽仍采用钢筋混凝土矩形简支梁式渡槽，支承采用排架型式。

1.5、上、下游渠道资料

上游渠底高程为78.6m，下游渠底高程78.2m，

＝26m3/s

＝31.2m3/s，

i＝1/800，渡槽上、下游渠道，渠底宽4.0m，糙率n＝0.017。

内、外边坡分别为1:

1和1:

1，该渡槽规划时允许水头损失为0.4m。

表1-1上、下游渠道过水断面水力要素

1.6、建筑材料及安全系数

该工程主要的建筑材料为水泥、混凝土、钢筋等。

混凝土重度

＝24KN/m3，温度膨胀系数

＝1.0×10－5/℃,混凝土其他特性性能指标见表1－2。

采用Ⅰ和Ⅱ级钢筋，Ⅰ级钢筋强度设计值fy=fy’=210N/mm2。

强度模量Es＝2.1×105N/mm2,Ⅱ级钢筋强度设计值fy=fy’=310N/mm2,强度模量Es＝2.1×105N/mm2。

钢筋混凝土重度r＝35KN/m3。

构件裂缝宽度允许值，短期组合[Wmax]＝0.3mm，长期组合[Wmin]＝0.25mm。

表1-2混凝土特性指标：

（单位N/mm2）

浆砌采用M15砂浆砌块石。

1.7、设计要求

按初步设计标准设计，局部可深入考虑。

进行渡槽总体布置，包括槽身、支撑、基础等结构型式的选择。

水力计算

槽身设计

支承结构设计

基础设计

1.8、毕业设计参考书目

1、灌区水工建筑物丛书《渡槽》，水利水电出版社；

2、河海大学等《水工钢筋混凝土结构学》，中国水利水电出版社；

3、清华大学出版《结构力学》；

4、《水工钢筋混凝土结构设计规范》（DL/T5057-1996）；

5、《建筑地基基础设计规范》（GBJ7-89）；

6、《水工建筑物荷载设计规范》（DL5077-1997）

二、渡槽的水力计算

2.1、渠道断面的水力计算

进出口渠道断面取m=1，B=4.0m，i=1/2500，n=0.017。

按照明渠均匀流计算，根据公式

Q=A（1-1）

式中

Q-为渡槽的过水流量（

/s）

A为槽身过水断面面积（

）R-为水力半径（m）i-为槽底比降

n-为槽身糙率，钢筋混凝土槽身可取n=0.014。

得出渠道进出口尺寸试算如下表（2-1）：

表2-1渠道进出口水力试算表

故得出，设计流量=26时，进口渠道水深为2.80m，流速为1.54762m/s，加大流量=31.2,时，进口渠道水深为3.07m，流速为1.620872m/s。

2.2、槽身过水能力计算

首先根据通过加大流量=31.2时槽中为满水情况拟定i、B和H值。

可计算出上下游渠道的水面线高程级总允许水头损失[ΔZ]：

=+=78.6+3.07=81.67m

=+=78.2+3.07=81.27m

[ΔZ]=0.4m

初步选定槽底纵坡i=1/800。

因槽身长度初拟值为180m，大于15倍渡槽进口前隧洞水深，故可按下式（1-1）验算槽身过水能力

Q=A（1-1）

式中

Q-为渡槽的过水流量（

/s）

为槽身过水断面面积（

）

R-为水力半径（m）

i-为槽底比降

n-为槽身糙率，钢筋混凝土槽身可取n=0.014。

经试算，选取槽身净宽B=4.0m，通过加大流量时槽内水深H=2.79m，槽壁糙率n=0.014。

过水断面面积A=4*2.79=11.16

湿周χ=4+2*2.79=9.58m

水力半径R=A/χ=11.16/9.58=1.16493m

流量Q=31.20256

/s

计算所得流量稍大于加大流量，故满足要求，再以i和B试算通过设计流量=26时的槽内水深。

设h=2.42m，则

过水断面面积A=4*2.42=9.68

湿周χ=4+2*2.42=8.84m

水力半径R=A/χ=9.68/8.84=1.09502m

流量Q=26.009

/s

所得流量Q稍大于设计流量，可以满足要求。

试算数据如下表（2-2）：

表2-2槽身水力计算试算表

2.3、水头损失及水面衔接计算

按渡槽通过加大流量=31.2计算。

2.3.1、进口渐变段水面降落值：

=（1+）（-）/2g+*

式中：

v--为槽身流速，v=31.2/11.16=2.7957m/s；

--为进口段渐变始端断面平均流速，=31.2/19.2489=1.614163m/s；

--为进口渐变段局部水头损失系数之和，取渐变段损失系数为0.2，门槽损失系数为0.050.2+0.05=0.25；

--为进口渐变段长度，取=7.2m;

--为进口渐变段的平均水力坡降，=（）/（）,根据进口渐变段两端断面的A、R

和n值，求出：

=1/2*（0.017+0.014）=0.0155

=1/2*（19.2489+11.16）=15.24445

=1/2*（1.16493+1.610307）=1.38762m

则=0.00065

将以上各值代入，可求得：

=（1+0.25）（）/（2*9.81）+0.00065*7.2=0.336971m

2.3.2、槽身段水面降落值：

=iL=（1/800）*180=0.225m

2.3.3、出口渐变段水面回升值：

=（1-）（（-）/（2*9.81）-*

式中：

--为出口渐变段末端渠道断面平均流速，=31.2/19.2489=1.614163m/s；

--为出口渐变段局部水头损失系数之和，取渐变段损失系数为0.3，门槽损失系数为0.05，=0.3+0.05=0.35；

--为出口渐变段长度，=13.35m；

--为出口渐变段平均水力坡降，=（）/（），根据出口渐变段两端断面的A、

R和n值，求出

=1/2*（0.017+0.014）=0.0155

=1/2*（19.2489+11.16）=15.24445

=1/2*（1.16493+1.610307）=1.38762m

则=0.00065

可求得

=（1-0.35）（）/（2*9.81）-0.00065*13.35=0.164266m

2.3.4、总水头损失

△Z=+-=0.336971+0.225-0.164266=0.397705m

求得的△Z值略小于允许水头损失[ΔZ]=0.4m，满足设计要求。

2.3.5、进、出口高程的确定：

上下游渠道的渠底高程分别为：

=78.6m，=78.2m

上下游渠道水面高程为：

=78.6+2.8=81.4m，=81.0m

通过设计流量时水深=2.8m；槽内水深h=2.42m，进口渐变段水面降落=0.337m，槽身延程水面降落=0.225m，出口渐变段水面回升=0.1643m；下游渠道水深=2.8m。

根据下式确定渡槽进出口高程。

进口槽底高程=+--h=78.6+2.8-0.337-2.42=78.643m

进口槽底抬高=-=--h=78.643-78.6=0.043m

出口槽底高程=-=-iL=78.643-0.225=78.418m

出口渠底降低=--h=2.8-0.043-2.42=0.337m

出口渠底高程=-=78.418-0.337=78.081m

2.4、通过设计流量时的水面衔接情况检查和超高检查

按槽身通过设计流量=26计算。

已知：

进口渐变段始端断面=16.8，=1.511m，=1.54762m/s；出口渐变段末端断面=16.8，=1.551m，=1.54762m/s；槽身过水断面=9.68，=1.095m，=2.686m/s。

2.4.1、进口水面衔接检查

=1/2*（0.017+0.014）=0.0155

=1/2*（16.8+9.68）=13.24

=1/2*（1.511+1.095）=1.303m

则=0.000651

将以上各值代入，可求得：

=（1+0.25）（）/（2*9.81）+0.000651*7.2=0.311721m

按通过加大流量时确定的进出口槽底高程，计算此时上游渠道出口与槽身进口的水位差：

=（78.6+2.8）-（78.2+2.42）=0.78m

即＜（差值为0.468m），进口发生落水现象。

2.4.2、出口水面衔接情况检查：

=1/2*（0.017+0.014）=0.0155

=1/2*（16.8+9.68）=13.24

=1/2*（1.511+1.095）=1.303m

=0.000651

=（1-0.35）（）/（2*9.81）-0.000651*13.35=0.151m

按通过加大流量时确定的出口槽底高程和出口渠底高程，计算此时两断面的水位差：

=（78.08448+2.8）-（78.41974+2.42）=0.04474m

即＞（差值为0.10626m），不发生壅水。

2.4.5、复核水面超高

h/12+5=242/12=35.167（cm）＜279-242=37（cm）故满足要求。

2.4.6、渐变段布置

进出口渐变段长度计算：

利用经验公式=C（-）式中C-系数，进口取C=1.5-2.0；出口取C=2.5-3.0；、-渠道及渡槽槽身水面宽度。

=1.5（8.8-4）=7.2m；=2.5（8.8-4）=13.35m

图2-1槽身水力计算简图

三、槽身结构计算

3.1、纵向结构计算

3.1.1、槽身剖面形式及尺寸拟定

参考已建工程，初定槽身结构尺寸如下图3.1所示，渡槽长180m，每跨长度选定15m，共12跨，支撑结构选取排架形式，每节槽身由两个排架支撑，故等同于简支梁结构进行计算。

槽身横断面最常采用的是矩形和U形。

本次设计选择矩形渡槽断面，渡槽无通航要求。

为改善横向受力条件槽顶设置拉杆，每隔1.5m设置一根拉杆，于渡槽拉杆上布置人行道，底板宽1m，高0.1m。

侧墙厚度根据经验公式t/=1/12-1/16，取侧墙厚度t=20cm，侧墙高为=3.20m，底板地面高于侧墙底缘，以减少底板的拉应力，底板厚度为20cm，侧墙和底板的连接处加设角度为的贴角。

根据前面计算结果，槽内净宽B=4m，高H=2.89m（拉杆0.1m），拉杆断面尺寸：

高*宽=10cm*10cm。

具体结构尺寸如图3-1所示。

3.1.2、各类系数的确定

该渡槽属于Ⅲ级水工建筑物，采用C25混凝土，Ⅱ级钢筋。

结构重要系数=1.0，设计状况系数ψ=1.0，承载能力极限状态使得机构系数=1.20，永久荷载分项系数=1.05，可变荷载分项系数=1.20。

槽身横断面图

槽身纵断面图（Ⅰ-Ⅰ断面）

图3-1槽身结构尺寸图（单位：

mm）

3.1.3、荷载计算

纵向计算中的荷载一般按均布荷载考虑，包括槽身重力（拉杆等是少量集中荷载也换算为均布荷载）、槽中水体的重力及人群荷载，其中槽身自重、水重为永久荷载，人群荷载为可变荷载。

3.1.3.1、永久荷载设计值：

永久荷载设计值=永久荷载分项系数×永久荷载标准值（其中＝1.05）

（1）自重：

槽身断面面积=2.68

槽身自重标准值=2.68*25=67

槽身自重设计值=*=67*1.05=70.35

（2）水重：

过水断面面积=9.64；=11.08

设计水深时值水重标准值（h=2.42m）=9.64*10=96.4

设计水深时值水重设计值（h=2.42m）=96.4*1.05=101.22

加大水深时值水重标准值（h=2.79m）

=11.08*10=110.8

加大水深时值水重设计值（h=2.79m）=110.8*1.05=116.34

（按加大流量时进行计算）

3.1.3.2、可变荷载设计值：

可变荷载设计值=可变荷载分项系数×可变荷载标准值（其中＝1.2）

人群荷载：

人群荷载标准值=2.0*1.0m=2

人群荷载设计值=2*1.20=2.4

3.1.4、纵向内力计算

如图所示单跨长度15m，槽身每边支座宽50cm，取计算跨度l=1.05=1.05*（15-1）=14.7m，槽身宽度B=4m，宽跨比l/B=14.7/4=3.675，因此可按梁法计算槽身内力。

纵向结构计算可将矩形槽身截面概化为工字型，槽身侧墙为工字梁的腹板，侧墙厚度之和即为腹板厚度，b=2*20=40cm；槽身底板构成工字梁的下翼缘（由于简支梁槽身底板处于受拉区，故在强度计算中不考虑底板的作用，但在抗裂验算中加以考虑）；侧墙加大部分和人行道板构成工字梁的上翼缘，翼缘的高度为h=10+10=20cm，工字梁高为H=3.3m，翼缘的计算宽度等于与腹板厚度即=40cm。

考虑到侧墙顶部和人行道宽度扩大较小，可近似的将侧墙看作矩形截面，故计算简图可简化为3300*400mm的矩形截面（如图3.2所示）。

纵向计算简图

横截面计算简图

图3.2槽身纵向计算图

跨中最大弯矩：

=1/8*（++）=1/8*（70.35+116.34+2.4）*=5107.56KN.m

跨中弯矩设计值：

M=**ψ=5107.56kN.m

跨端剪力设计值：

=*ψ*1/2*（++）*l=1.0*1.0*1/2*（70.35+116.34+2.4）*14.7=1389.81kN

3.1.5、配筋计算

简支梁跨中部分应处于受压区，故在强度计算中不考虑底板（受拉）的作用；侧墙高度较大时，沿墙壁配置Φ6～Φ12的纵向钢筋，其间距不宜大于30cm；因槽身底板在受拉区，故槽身在纵向按h＝1.71mm，b＝0.3m的矩形梁进行配筋计算。

渡槽处于露天（二类环境类别），根据规范差得取混凝土保护层厚度c=35mm，预估钢筋直径d=20mm，钢筋两排布置，所以钢筋合理作用点到梁受拉边缘的距离a=c+d=35+20=55mm，截面有效高度为=3300-55=3245mm。

正截面：

截面抵抗拒系数：

===0.11641

δ=1-=0.12411＜=0.614，不会发生超筋破坏。

纵向受力钢筋面积：

=δb=0.12411**400*3245=6495.76

配筋率：

ρ===0.5％＞=0.2％

选配钢筋6φ25+6φ28,=6640

斜截面：

已求得=1389.81kN，=（0.07）=3.07*kN＞

故按构造要求，在两侧布置Φ8@500的双肢箍筋。

3.1.6、抗裂校核

忽略补角的作用，将断面简化为如下图（3.3）所示

图3.3抗裂计算简图

受弯构件正截面在即将开裂的瞬间，受拉区边缘的应变达到混凝土的极限拉伸值，最大拉应力达到混凝土抗拉强度。

混凝土构件的抗裂验算公式如下：

≤

≤

式中--混凝土拉应力的极限系数，对荷载效应的短期组合=0.85；对荷载

效应的长期组合=0.7。

--换算截面对受拉边缘的弹性抵抗矩；

--混凝土轴心抗拉强度标准值；

—截面抵抗矩系数，=1.55；

以及

--换算截面重心轴惯性矩；

--换算截面重心轴至受压边缘距