水工课程课程设计河道治理工程及建筑物设计.docx
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水工课程课程设计河道治理工程及建筑物设计
课程设计说明书
（河道治理工程及建筑物设计）
指导教师
班级
姓名
起止日期
目录
第1章设计提要
第一节工程简介................................................................................1
第二节设计依据...............................................................................1
第三节设计标准...............................................................................1
第四节混凝土和钢筋设计强度.......................................................1
第五节技术特性指标.......................................................................1
第二章自然条件
第一节地形地质条件.........................................................................2
第二节气象水文条件........................................................................3
第三章河道治理规划
第四章蓄水工程设计
第一节总体布置.................................................................................3
第二节水力计算..................................................................................4
第三节坝袋计算..................................................................................5
第四节充排水设计..............................................................................6
第五节底板设计..................................................................................7
第六节锚固设计..................................................................................9
第七节边墩设计..................................................................................10
第八节泵房设计................................................................................12
附图：
1.河道治理平面布置图（包括桩号、平面坐标等）
2.河道治理纵断面图（包括桩号、原地面高程、设计河底高程、设计边墙高程、泄洪水面线、回水水面线、建筑物起、止点对应桩号等）
3.河道治理横断面图
4.橡胶坝、泵房平面布置及纵剖面图
5.橡胶坝横剖面图
6.充排水系统示意图
7.充排水系统布置图
8.泵房结构图
第一章设计提要
第一节工程简介
山东农业大学新校区地处泰安市东南部，是山东省重要教学基地，是山东省重点高校，每年为国家培养大批的优秀毕业生。
为了适应国家新世纪对高校的要求和长远发展需要，决定建设新校区。
梳洗河从校区通过，为了校区的防洪要求，和对校区景观的要求，学校决定对梳洗河进行治理。
第2节设计依据
1.山东农业大学关于进行“泰安市梳洗河蓄水工程设计”的委托书.2003年5月
2.山东省水利厅《泰安城市防洪规划报告》1999年11月
3.《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252－2000
4.《水工钢筋砼结构设计规范》SDJ20－78
5.《橡胶坝技术规范》SL227－98
6.《水闸设计规范》SDJ133－84
7.《溢洪道设计规范》SL253－2000
第三节设计标准
1.防洪标准：
该工程为小型工程，其主体建筑物按三等3级建筑物设计，防洪标准按五十年一遇设计，其它附属工程按5级建筑物设计。
2.抗震标准：
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
S4
D200
控制室
C25
S6
D200
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：
Eg=2.1×102kg/cm2；
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
（m）
底板高程
（m）
坝顶高程
（m）
橡胶坝1
单袋式
双锚固
1
1
38.1
121.421
122.421
橡胶坝2
单袋式
双锚固
1
1
38.1
120.821
121.821
第二章自然条件
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
粉质粘土
80～140
姜石
140～200
第④层
粘土
160～220
3.5×10-8
粉质粘土
150～200
第⑤层
粘土
160～220
4.8×10-8
粉质粘土
150～200
3.1×10-5
粘土混姜石
220～280
姜石
240～300
第⑥层
粘土
180～260
2.3×10-8
粉质粘土
160～200
第⑦层
中粗砂
200～300
粘土
180～260
第⑧层
强风化白云岩
250～350
粘土
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。
第三章河道治理规划
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。
第四章蓄水工程设计
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
0
38.1
0
40.1
0
0.95
0
2454.83
122.74
1.5
0
57.15
0
41.1
0
1.39
0
4746.51
237.33
2.0
0
76.2
0
42.1
0
1.81
0
7544.76
377.24
2.5
0
95.25
0
43.1
0
2.21
0
10773.72
538.69
2.96
0
112.8
0
44.0
0
2.56
0
14076.78
703.84
3.0
0
114.3
0
44.1
0
2.59
0
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
式中：
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
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
式中：
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
（m）
内
压
比
内压水头H0
计算强度T
（KN/m）
有效周长
（m）
坝袋单宽容积
（m3/m）
锦纶帆布
坝袋型号
型号
经纬
1
1.5
1.5
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×（2×10×0.3）½=0.3077m3/s=1107m3/h
式中：
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
54.86
坝袋充胀时间
h
2
2
坝袋排空时间
h
1
1
充水管内径
mm
300
300
排水管内径
mm
300
300
溢流管内径
mm
400
400
闸阀
个
2
2
水泵
台
2
2
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
式中：
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
=0.5×10×1.6²×38.1=487.68KN
铅直的（袋内的、坝前的）
=1.5×1.0×10×1.44×38.1+1.0×1.4×38.1×10=1356.36KN
扬压力：
=0.5×10×1.6×4.35×38.1=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
1325.88
487.68
7785.27
1922.53
抗滑稳定安全系数：
=0.3×（3842.39－1325.88）/487.69=1.55>1.25
式中：
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：
Φ10@200
顺水流向顶层筋：
Φ10@200
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
式中：
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·m
=0.6/（1/6×0.4×0.01²）=90.0N/mm2
式中：
Μ—坝袋拉力作用在底板上产生的弯矩（kN·m）
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:
=0.5×10.1×32×0.
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