水工课程课程设计河道治理工程及建筑物设计文档格式.docx
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根据《山东省地震烈度区划》,工程区地震基本烈度6°
,按照部颁SDJ10-78《水工建筑物抗震设计规范》,不做抗震计算,仅采取构造措施。
第四节混凝土和钢筋设计强度
1.混凝土设计指标
工程部位
强度等级
抗渗标号
抗冻标号
备注
坝底板
C25
S4
D200
边墩
C20
控制室
S6
2.钢筋的设计强度及弹性模量
Ⅰ级钢筋受拉设计强度:
Rg=2100kg/cm2;
Ⅰ级钢筋弹性模量:
Eg=2.1×
102kg/cm2;
Ⅱ级钢筋受拉设计强度:
Rg=3100kg/cm2;
Ⅱ级钢筋弹性模量:
第五节技术经济特性指标
建筑物
名称
结构
型式
坝高
(m)
孔数
(孔)
长度
底板高程
坝顶高程
橡胶坝1
单袋式
双锚固
1
38.1
121.421
122.421
橡胶坝2
120.821
121.821
第一节地形地质条件
梳洗河属于大汶河水系,农大新校区段位于梳洗河下游,从辛大铁路到与白家河交汇口,全长共计2220m,其中上高大街(现为南外环)以北为1310.5m,上高大街以南为954.5m。
根据山东省水利厅1999年批准的《泰安城市防洪规划报告》,该段50年一遇最大泄洪流量为703m3/s(上高大街处),规划河槽深5m,槽底宽55m,边坡1:
2.5,顶宽80m,两侧各有10m宽防洪通路和20m宽绿化带,总宽140m。
新校区规划建设已部分侵占了河道用地,根据《新校区总体规划》所留尺寸,河道底宽39m,顶宽55m,每边各留6m宽防洪通道,道路两侧各留有2m绿化带。
新校区规划建设时未考虑防洪规划要求,使该河段所留尺寸严重不足。
如何采取措施,既满足50年一遇防洪规划的要求,又不拆除即将完工的建筑,是本次设计的重大任务。
表1工程区地层物理、力学指标
地层号
土层类别
承载力fK(KPa)
渗透系数(cm/s)
第①层
杂填土
第②层
粉质粘土
80~140
2.59×
10-5
第③层
粉土
90~140
细中砂
120~180
姜石
140~200
第④层
粘土
160~220
3.5×
10-8
150~200
第⑤层
4.8×
3.1×
粘土混姜石
220~280
240~300
第⑥层
180~260
2.3×
160~200
第⑦层
中粗砂
200~300
第⑧层
强风化白云岩
250~350
180~220
第⑨层
中等风化白云岩
1200~2000
2002年3月山东农业大学委托山东建工学院建筑设计院,对梳洗河枢纽进行了地质勘探,结果如下:
经钻探揭露,枢纽区地层主要为第四系冲洪堆积之粘性土、粉土、砂土、姜石等,自上而下共分九层,其指标见表1。
下伏基岩为奥陶纪沉积白云岩。
地下水位在0.8~5.8m。
橡胶坝主要坐落在第四层粘土层上,该层承载力160~220Kpa,渗透系数K=3.5×
10-8cm/s,满足地基设计要求。
两岸堤防土质主要为粉质粘土,渗透系数K=2.35×
10-5cm/s,满足防渗要求;
橡胶坝蓄水高程为124.021m,右岸校区地面高程为126.21~127.20m,校区地面高于水面,因此蓄水不会对校区产生浸渍危害。
第2节气象水文条件
项目所在泰安市东面,属北温带大陆性季风气候,四季分明,春冬干冷多风、少雨雪,夏季湿热、雨水集中,秋长于春。
年平均降雨654.3mm,降水量年内差异很大,多年平均6~9月份降水量为503.8mm,占年降水量的77%,具有春旱、夏涝、晚秋又旱的特点。
多年平均气温12.9℃,无霜期平均190天,最大冻土深50cm。
主要风向为东南风,多年平均风速为3.5m/s。
梳洗河属黄河流域大汶河水系,河道平均比降为2.24‰,多年平均流量为3.5m3/s,最大洪峰流量为703m3/s。
梳洗河为行洪河道,汛期大量雨水集中下泄,易造成洪灾。
1.根据原河道地形图,作出河道纵断面图,标出原河道中心地面线、校区地坪和河堤高程线等;
2.在保证行洪要求的前提下,统筹全河,侧重眼前,以解决“窄、损、淤、臭、费”问题的环境生态化为目标,拟定一组河道设计纵坡(i<0.003);
3.拟定可能的河道横断面,选取合适的糙率,进行河道过流能力验算;
4.留足桥下净空,作出设计河底线;
5.调整河道平面形状,使河道与跨河的四座桥梁正交;
6.考虑回水距离、库容大小、投资多少、美化范围,选定橡胶坝位置(必须与河岸正交)、数量、挡水高度等布置。
第一节总体布置
1.底板型式及尺寸、高程(见第五节底板设计)
2.坝袋型式及高度、高程(见第三节坝袋设计)
3.铺盖型式及尺寸、高程
4.护坦型式及尺寸、排水
5.边墩型式及尺寸、稳定(见第七节边墩设计)
第二节水力计算
1.河道过流验算
按明渠均匀流计算,其计算公式:
式中:
Q—河道过流量(m3/s)
n—河道糙率(取n=0.015)
A—过流断面面积(m2)
R—水力半径(m)
i—河道比降(取i=0.0025)
将河道正常水深h0计算结果列表汇总如下:
正常水深h0试算表
水深H
过水面积A
湿周X
水力半径R
系数K
流量Q
A1,A3
A2
X1,X3
X2
R1,R3
R2
K1+K3
K2
1.0
40.1
0.95
2454.83
122.74
1.5
57.15
41.1
1.39
4746.51
237.33
2.0
76.2
42.1
1.81
7544.76
377.24
2.5
95.25
43.1
2.21
10773.72
538.69
2.96
112.8
44.0
2.56
14076.78
703.84
3.0
114.3
44.1
2.59
14377.83
718.89
(注:
河道断面为复式断面,分区计算流量)
当Q=703.84m3/s时,水深H=2.96米,满足要求。
2.橡胶坝过流验算
河道行洪时,橡胶坝要坍坝,以50年一遇洪水为控制情况,其过流能力按有坎宽顶堰计算。
计算公式:
m=0.36
Ho=5.08mH=Ho-v2/2g=5.08-1.89=3.14m
ε—侧向收缩系数
σ—淹没系数
m—流量系数
B—堰宽(m)
Ho—堰上总水头(m)
橡胶坝过流能力计算表
计算情况
Q(m3/s)
H(m)
上游设计洪水位
河堤顶高程
1号坝
2号坝
50年一遇
703
3.14
124.061
124.661
125.821
126.421
第三节坝袋设计
1.控制条件:
采用定型坝袋,坝袋型号为JBD1.0-60-1型,坝高1.0m,
2.坝袋计算
坝袋环向单宽拉力:
T=1/4×
10×
﹙2×
1.5×
1-1﹚=5.0KN/m
H0=aH=1.5×
1=1.5m
γ---水的比重(kN/m3)
H0---坝内压力水头(m)
H1---坝高(m)
a---坝袋内外压比
坝袋有效周长L0=S1+S+n1+x=1.57+1.69+1.0+0.44=4.7m
采用螺栓压板双锚固:
锚固长度每侧取0.75m,则坝袋加工周长l1=s1+s+1.4=4.66m
底板垫片加工长度:
l2=n1+x0+1.4=1.0+0.44+1.4=2.84m
上游坝袋圆弧半径R1=(2H0H1-H2)/4(H0-H1)=1.0m
坝袋单位长度容积:
V0=H0X0+(1/2)R1-a1(1/2)n1(R1H1)=1.44m3
坝袋容积:
V=V0L=1.44×
38.1=54.86m3
以上计算结果汇总列成坝袋设计指标表如下(要求坝袋强度设计安全系数k大于规范规定的安全系数[k])
某充水式橡胶坝袋定型规格表
坝
高
内
压
比
内压水头H0
计算强度T
(KN/m)
有效周长
坝袋单宽容积
(m3/m)
锦纶帆布
坝袋型号
型号
经纬
1
5.0
4.7
1.44
J6060-1
60/60
JBD1.0-60-1
坝袋强度设计安全系数:
k=60/5.0=12.0>
[k]满足设计要求。
第四节充排水设计
据橡胶坝所处的地形、水源以及运用等条件,橡胶坝充水采用河水充水方案,坝袋排水以抽排为主。
在距坝上游10m处设集水井作为水泵的吸水池,充排共用一套管路系统,充排由闸阀控制,所有控制设备及观测设备都布置在控制室内。
1、机泵型号选择
根据国内已建橡胶坝工程的统计,橡胶坝的充坝时间一般为2~3小时,坍坝时间为1~2小时。
根据本工程的引水需要和该橡胶坝运用情况,分别确定其充坝时间为2小时,坍坝时间为1小时。
充水流量Q充=V/T=54.86/2=27.43m3/h
排水流量Q排=V/T=54.86/1=54.86m3/h
选用两台IS100-65J-200B型单级吸悬臂式离心泵,单泵流量为Q0=43.3m3/h,扬程H=9.5m,转速n=1450r/min,配套电动机为Y100L1-4型电动机,功率为2.2Kw,进水管直径200mm,排水管直径400mm。
2、集水井设计
集水井的容积要满足坝袋充水时的水量。
集水井也可结合景观喷水池设置,并考虑管道自来水作为备用水源。
3、超压溢流管的设置
为确保坝袋在充水情况下不致超压破坏,在坝左端设置超压溢流管,1号、2号坝的溢流管入口高程分别为120.821米和121.421米,溢流管出水口的高程分别为122.321米和122.921米。
超压管的设置,必须保证在超压下,超压管出水量大于或等于充水量,才能确保坝袋的安全。
取溢流管d=400mm,其出水流量:
=1×
0.1256×
(2×
0.3)½
=0.3077m3/s=1107m3/h
Q—出水量(m3/s);
A—管断面面积(m2);
μc—管道设计流量系数;
H0—出水口水头(0.3m);
Σζ—局部水头损失之和。
λ—沿程水头损失之和。
Q>
Q充,则满足安全要求。
4、排气管布置
采取坝袋排气孔与坝内设排气管相结合的方法。
除在两坝端袋壁上设排气孔外,在坝袋内设Φ50胶管,与坝袋联在一起,通过底板内预埋的钢管将气排出,1号、2号坝的出气口高程分别为120.821米和121.421米。
表3-5充排水系统主要指标表
项目
单位
1号橡胶坝
2号橡胶坝
袋内设计充水量
m3
54.86
坝袋充胀时间
h
2
坝袋排空时间
h
充水管内径
mm
300
排水管内径
溢流管内径
400
闸阀
个
水泵
台
第五节底板设计
1.底板的尺寸拟定
橡胶坝底板顺水流向的长度:
=0.5×
(1.57﹢1.69﹢1.0﹢0.44)+1.0+1.0=4.35m
L1,L2—为交通道宽度,取L1=L2=1.0m
Ld—底板长度。
2.厚度与高程
底板厚一般取0.60m,1号、2号坝的顶高程根据坝轴线处河底高程及坝高确定。
3.底板的稳定计算
3.1计算条件
1、2号橡胶坝均建在土基上,根据其运用条件,确定其小底板的计算条件为坝体充水到设计坝高,1、2号坝上游水位分别为121.821m和122.421m,下游无水。
3.2荷载及荷载组合
(1)荷载
自重:
25×
0.6×
38.1×
4.35=2486.03KN
静水压力:
水平的
1.6²
×
38.1=487.68KN
铅直的(袋内的、坝前的)
=1.5×
1.0×
1.44×
38.1+1.0×
1.4×
10=1356.36KN
扬压力:
1.6×
4.35×
38.1=1325.88KN
(2)荷载组合
基本荷载组合:
底板与充水坝体的自重、静水压力、扬压力及底板上水体重量。
3.3稳定计算
底板稳定计算表(对上游齿墙下端点取矩)
荷载名称
垂直力(kN)
水平力(kN)
力矩(KN/m)
↓
↑
→
←
抗倾
抗覆
底板上坝袋自重及水重
1356.36
7785.27
1922.53
底板自重
2486.03
水平水压力
487.68
扬压力
1325.88
合计
3842.39
抗滑稳定安全系数:
=0.3×
(3842.39-1325.88)/487.69=1.55>
1.25
K—抗滑稳定安全系数
f0—底板砼与土基接触面的摩擦系数(f0=0.3)
Σw—作用在底板上的全部垂直荷载之和(kN)
ΣP—作用在底板全部水平荷载之和(kN)
代入公式计算得到可能最小抗滑稳定安全系数K,若K>
规范规定的安全系数[k],则抗滑稳定满足要求。
4.底板应力计算
4.1偏心距
=0.5×
4.35-5862.74/2516.51=-0.15
式中:
L—底板顺水流向的长度(m)
ΣM—各力对底板上游端点的力矩和(kN·
m)
ΣW—作用在底板上的垂直力和(kN)
4.2地基应力
=2516.51/4.35×
[1±
6×
﹙-0.15﹚÷
4.35]=698.20/458.82
4.3地基应力不均匀系数:
η=σmax/σmin=698.20/458.82=1.52<
[η]=2
η<
[η]=2,则满足规范要求。
5底板结构计算
5.1荷载计算
取坝顶对应的底板两侧1.0米宽板条计算,板条垂直于水流方向的长度L1=4.5米
(1)水压力:
q1=14.0KN/m
(2)水重:
q2=21.60KN/m
(3)底板重:
q3=65.25KN/m
(4)扬压力:
q4=34.80KN/m
5.2强度计算
视板条为弹性地基梁进行计算
q=q1+q2+q3-q4=66.05KN/m
底板为C10砼,泊松比μ=0.18,压缩模量Eh=2.85×
106kN/m2,基础的泊松比μ=0.35,压缩模量Ed=6.1×
102kN/cm2,参照水闸闸室结构计算方法手算或利用《水利水电工程PC—1500程序集》计算其结果如下:
弯矩Mmax=1.5kN·
m
反力qmax=78.3kN
剪力Qmax=3.29kN
不均匀沉陷量:
0.03m
5.3配筋计算
由于底板内力较小,所以仅配构造筋。
垂直水流向底层筋:
Φ12@200
顺水流向底层筋:
Φ10@200
垂直水流向顶层筋:
顺水流向顶层筋:
第六节锚固设计
1、2号橡胶坝均采用螺栓压板双锚固,根据经验资料和橡胶坝厂出产的构造锚固配件,初步确定螺栓直径10mm,压板厚度10mm,宽度400mm,螺栓、压板均采用3号钢。
1、螺栓直径d验算
根据《橡胶坝技术规范》,螺栓间距取0.2m,其计算公式为
T0=KT=3×
5.0=15.0KN/m
=15.0×
1.75/5=5.25KN
=4×
1.3×
5.25/﹙3.14×
0.01²
﹚=86.94N/mm2
Q0—每根螺栓承受的荷载(kN)
T0—单位长度螺栓计算荷载(kN/m)
k1—栓紧力及扭转力的影响系数(k1=1.75)
n—单位长度内螺栓根数(n=5)
d—螺栓直径(d=0.01m)
经计算σ=86.94N/mm2≤《钢结构设计规范》3号钢的抗拉强度[σ]=215N/mm2,即螺栓厚度与直径满足要求。
规范规定螺栓锚固深度不小于250mm且不小于25d,因底板500mm厚,螺栓埋置深度受到限制,应在螺栓底部做弯钩与基础底板下层钢筋牢固地焊接在一起。
2、压板强度验算:
=3.0×
5.0×
0.2/5=0.6kN·
=0.6/(1/6×
0.4×
)=90.0N/mm2
Μ—坝袋拉力作用在底板上产生的弯矩(kN·
L—螺栓中心至压板边缘的距离(m)
K2—安全系数(K2=3.0)
WZ—抗弯截面系数(m3)
经计算:
σ=90.0N/mm2<
[σ]=215N/mm2
通过以上计算知:
橡胶坝螺栓压板锚固采用直径0.02m螺栓,宽度0.19m,厚度0.01m的压板满足其强度要求。
根据烟台力大水利配件有限公司生产的橡胶坝锚固配件可采用IM-150型号。
第七节边墩设计
橡胶坝处的边墩采用混凝土结构,墩顶厚度为0.8m,高3.5m,见图1。
消能段的边墙采用浆砌石,外形尺寸与边墩相同。
以完建期河道内未蓄水、墩后地下水位与墩顶齐平情况为计算条件,对边墩的抗滑、抗倾稳定和基底压力验算。
一、边墩外形尺寸
图1橡胶坝处边墩横断面图(单位:
mm)
二、稳定计算
1、计算条件
施工刚建成,河道内还没有蓄水或塌坝后墩后水位最高(与墩顶齐平)时,是边墩稳定最不利情况。
边墩尺寸如图1所示,橡胶坝处的边墩取单宽1m计算。
2、荷载计算
水平土压力计算:
墙后填土选用优质粘土防渗,分层夯实回填,土压力按主动土压力计算,近似采用朗金公式:
10.1×
32×
0.