橡胶坝陂头设计计算书.docx

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橡胶坝陂头设计计算书

橡胶坝陂头设计计算书

陂头设计计算书

1工程概况

1.1陂头布置

本工程拦河陂头有2座，分别是位于肋下河的梅岗陂和甲子河的双孖陂，主要作用是壅水灌溉。

（1）梅岗陂

梅岗陂采用橡胶坝形式，橡胶坝底板高程为5.60m，坝袋净高4.10m，坝袋长20.82m，设计正常挡水位9.70m。

坝底板顺水流方向长度18.00m，底板厚2.00m，上、下游两端设齿槽，坝体段基面大部高程3.60m，齿槽底高程为3.00m，建筑物基础均坐落在残积土。

两侧边墙墙顶高程为10.50m，为满足坝袋锚固要求，边墙迎水坡坡比为1:

0.5，底板与两侧边墙采用U型C25钢筋砼结构。

（2）双孖陂

双孖陂采用橡胶坝形式，橡胶坝底板高程为8.50m，坝袋净高3.50m，坝袋长26.0m，设计正常挡水位12.00m。

坝底板顺水流方向长度15.00m，底板厚2.00m，上、下游两端设齿槽，坝体段基面大部高程6.70m，齿槽底高程为6.20m，建筑物基础均坐落在全风化泥质粉砂岩。

左侧边墙墙顶高程为14.00m，右侧边墙墙顶高程为12.50m，为满足坝袋锚固要求，边墙迎水坡坡比为1:

0.5，底板与两侧边墙采用U型C25钢筋砼结构。

1.2水文资料

根据水文计算成果，可知陂头的水位资料，详见陂头特征水位表1.2-1。

表1.2-1陂头特征水位表

名称

灌溉蓄水位（m）

P=5%上游水位（m）

P=5%下游水位（m）

P=5%设计流量（m3/s）

梅岗陂

9.7

10.39

10.35

132.36

双孖陂

12

11.33

10.82

173.65

1.3地质资料

根据地质报告，陂头地基主要物理指标见表1.3-1。

表1.3-1陂头地基地质主要物理指标表

名称

底板底高程（m）

地基土质

承载力标准值（kPa）

摩擦系数

渗透情况

地基土质

梅岗陂

3.60

残积土

140～160

0.30~0.35

弱透水层

中等坚实

双孖陂

6.70

全风化泥质粉砂岩

200~300

0.40~0.45

弱透水层

中等坚实

1.4等级及安全系数

陂头为三级建筑物，根据《水闸设计规范》（SL265-2001），水闸整体抗滑稳定安全系数：

基本组合Kc＝1.25，特殊组合Kc＝1.10。

土基上闸室基底应力最大值与最小值之比的允许值：

基本组合为2.0，特殊组合为2.5。

1.5地震烈度

惠州市基本地震烈度为VI，按《水闸设计规范》（SL265-2001），设计时不考虑地震作用。

2主要计算公式及工况

2.1主要计算公式

2.1.1防渗计算

2.1.1.1渗径长度计算

橡胶坝闸基防渗长度可按《水闸设计规范》（SL265-2001）公式计算：

式中

—防渗长度（m）；

—上下游水位差（m）；

—渗径系数，参照规范表4.3.2。

2.1.2整体稳定及应力计算公式

由于该橡胶坝在垂直水流方向的结构布置及受力情况对称，根据《水闸设计规范》（SL265－2001），坝体段地基承受单向偏心荷载的作用，假定坝体基底压力呈线性分布，可按偏心受压公式来计算。

（7.3.4－1）

式中：

―闸室基底应力的最大值或最小值（kPa）；

―作用在闸室上的全部竖向荷载（包括闸室基础底面上的扬压力在内，kN）；

―作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩（kN·m）；

A―闸室基底面的面积（m2）；

W―闸室基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩（m3）。

闸室抗滑稳定性验算按下式计算：

（7.3.6-1）

式中：

―沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；

―闸室基底面与地基之间的摩擦系数；

―作用在闸室上的全部水平向荷载（kN）。

抗浮稳定计算公式如下：

（7.3.16）

式中：

―闸室抗浮稳定安全系数；

―作用在闸室上全部向下的铅直力之和（kN）；

―作用在闸室基底面上的扬压力（kN）。

不论水闸级别和地基条件，在基本荷载组合条件下，闸室抗浮稳定安全系数不应小于1.10；在特殊荷载组合条件下，闸室抗浮稳定安全系数不应小于1.05。

2.1.3消能防冲计算

先根据《水力计算手册》（武汉水利电力学院水力学教研室编）判别是否需要建立消力池：

如跃后水深

＜出池河床水深

，则不需建立消力池；如跃后水深

＞出池河床水深

，则需建立消力池，根据《水闸设计规范》（SL265－2001）附录B，消力池深度可按公式（B.1.1-1～B.1.1-4）计算：

（B.1.1-1）

（B.1.1-2）

（B.1.1-3）

（B.1.1-4）

式中：

d——消力池深度（m）；

σ0——水跃淹没系数，可采用1.05～1.10，取σ0＝1.1；

φ——孔流流量系数，可采用0.95～1.0，取φ＝1.0；

——跃后水深（m）；

hc——收缩水深（m）；

α——水流动能校正系数，可采用1.0～1.05，取α＝1.05；

q——过闸单宽流量（m2/s），q＝Q/B0；

b1——消力池首端宽度（m）；

b2——消力池末端宽度（m）；

T0——由消力池底板顶面算起的总势能（m），这里，不计行近流速；

ΔZ——出池落差（m）；

——出池河床水深（m）。

2.2计算工况

2.2.1防渗计算工况

a、梅岗陂

上游正常蓄水位9.70m，对应下游无水（即护坦高程5.40m）。

b、双孖陂

上游正常蓄水位12.00m，对应下游无水（即水位为6.70m）。

2.2.2整体稳定及应力计算工况

（1）基本资料

根据《水闸设计规范》（SL265-2001）规定，土基上的闸室稳定计算应满足下列要求：

在各种计算情况下，坝体段基底应力不大于地基允许承载力，最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2倍。

坝体段基底应力的最大值与最小值之比不大于《水闸设计规范》7.3.5条规定的允许值。

根据地质资料，地基为中等坚实，查表7.3.5知坝体段基底应力最大值与最小值之比的允许值为：

基本荷载组合时为2.0，特殊荷载组合时为2.5。

沿坝体段基底面的抗滑稳定安全系数不小于《水闸设计规范》7.3.13条规定的允许值。

橡胶坝为三级建筑物，查表7.3.13知沿坝体段基底面抗滑稳定安全系数的允许值为：

基本组合Kc＝1.25，特殊组合Kc＝1.10。

（2）计算工况

a、梅岗陂

基本工况：

1）完建情况，橡胶坝上下游无水，以确定地基应力。

2）设计工况，上游为正常蓄水位9.70m，下游无水（即底板止水高程5.10m）。

b、双孖陂

基本工况：

1）完建情况，陂头上下游无水，以确定地基应力。

2）设计工况，上游为正常蓄水位12.00m，下游无水（即底板止水高程8.00m）。

2.2.3消能防冲计算

根据橡胶坝实际运行情况：

a、梅岗陂

（1）设计洪水期工况，橡胶坝塌坝运行，上下游基本无水头差。

（2）正常运行工况，橡胶坝上过水深度较小，一般情况下不大于0.20m。

（3）正常运行期间塌坝检修工况，此时上游为正常蓄水位9.70m，下游无水（下游护坦高程5.40m），橡胶坝上下游水头差为4.30m。

因此，本次设计选取上下游水头差最大的塌坝检修工况进行消能防冲计算。

b、双孖陂

（1）设计洪水期工况，橡胶坝塌坝运行，上下游基本无水头差。

（2）正常运行工况，橡胶坝上过水深度较小，一般情况下不大于0.20m。

（3）正常运行期间塌坝检修工况，此时上游为正常蓄水位12.00m，下游无水（下游护坦高程6.42m），橡胶坝上下游水头差为5.58m。

因此，本次设计选取上下游水头差最大的塌坝检修工况进行消能防冲计算。

3梅岗橡胶坝计算

3.1渗流稳定计算

上游正常蓄水位9.70m，下游无水，即5.40m。

经计算，上下游水位差△H＝4.30m。

根据地质报告得知橡胶坝建基面以下为全风化泥质粉砂岩，其容许渗径系数C=3～5，偏安全考虑，查规范表4.3.2取C＝5。

则初拟坝基防渗长度为：

L=5×4.3=21.50m。

橡胶坝底板水平投影长度为29.00m，其中进口段长7.00m，坝体段长18.00m，斜坡段4.00m。

因此，拟定的橡胶坝基础防渗长度满足防渗要求。

3.2橡胶坝整体稳定及应力计算

根据地质资料显示，地基为全风化泥质粉砂岩，容许承载力【R】＝140~160Kpa，f值取0.3进行计算。

橡胶坝坝体段稳定及应力计算见计算简图及表3.2-1～2

图3.2-1工况一：

完建工况

完建工况：

上下游均无水

下游水位＝

0.00

闸底板底高程＝

0.00

上游水位＝

0.00

底板止水高程＝

0.00

荷载名称

重力（kN）

水平力（kN）

力臂（m）

力矩（kN.m）

结构总重G=

19068.84

0.00

0.00

浮托力Pf1

0.00

0.00

0.00

渗透压力Pf2

0.00

3.00

0.00

上游水重W1

0.00

6.45

0.00

下游水重W2

0.00

坝袋水重W3

0.00

0.53

0.00

上游水压力P11

0.00

0.00

0.00

下游水压力P21

0.00

0.00

0.00

合计∑G:

∑H:

∑M

19068.84

0.00

0.00

闸室长L

18.00

闸室宽B

21.62

基底应力Pmin（Pmax）=∑G/A±∑M/W

49.00

49.00

基底平均应力（Pmin+Pmax）/2

49.00

满足

<140，地基应力要求

不均匀系数η=Pmax/Pmin

1.00

满足

<2.0，基本组合要求

抗浮稳定安全系数Kf=∑V/∑U

满足

>1.10，基本组合要求

抗滑稳定安全系数Kc＝f∑G/∑H

满足

>1.25，基本组合要求

说明：

受力—向下↓（左←）为正、向上↑（右→）为负；

力矩—逆时针为正、顺时针为负。

图3.2-2工况二：

设计工况

设计工况：

上游正常蓄水位9.70m，下游无水（底板止水高程5.10m）

下游水位＝

5.10

闸底板底高程＝

3.60

上游水位＝

9.70

底板止水高程＝

5.10

荷载名称

重力（kN）

水平力（kN）

力臂（m）

力矩（kN.m）

结构总重G=

19068.84

0.00

0.00

浮托力Pf1

-5837.40

0.00

0.00

渗透压力Pf2

-8950.68

3.00

-26852.04

上游水重W1

2955.45

6.45

19062.68

下游水重W2

0.00

坝袋水重W3

6658.96

0.53

3549.23

上游水压力P11

-4022.40

2.03

-8178.88

下游水压力P21

-243.23

0.50

-121.61

合计∑G:

∑H:

∑M

13895.17

-4265.63

-12540.63

闸室长L

18.00

闸室宽B

21.62

基底应力Pmin（Pmax）=∑G/A±∑M/W

24.96

46.45

基底平均应力（Pmin+Pmax）/2

35.71

满足

<140，地基应力要求

不均匀系数η=Pmax/Pmin

1.86

满足

<2.0，基本组合要求

抗浮稳定安全系数Kf=∑V/∑U

1.94

满足

>1.10，基本组合要求

抗滑稳定安全系数Kc＝f∑G/∑H

1.30

满足

>1.25，基本组合要求

说明：

受力—向下↓（左←）为正、向上↑（右→）为负；

力矩—逆时针为正、顺时针为负。

3.3消能计算

根据双孖橡胶坝的实际运行情况，选取上下游水头差最大的工况进行计算，即塌坝检修工况，此时上游为正常蓄水位9.70m，下游常水位6.60m（下游水深1.20m），橡胶坝上下游水头差为3.10m。

利用PC－1500程序集中“D-25”进行计算。

计算得：

取消力池长度为14.00m，深度为0.80m。

计算附稿：

***********************************************************************

*****底流式消能工水力计算程序D-25*****

***********************************************************************

工程名:

梅岗

一.基本资料

1.消能结构类型:

挖深式消力池

2.消力池平面型式:

等宽消力池

3.以下游河床为基准面的上游总能头E0:

4.3（米）

4.下泄流量Q:

132.36（立方米/秒）

5.下游水深Ht:

1.2（米）

6.泄水建筑物的流速系数f1:

0.95

7.消力池出口流速系数f2:

0.95

8.消力坎流速系数f3:

.9

9.消力坎流量系数m:

.42

10.消力池宽度B:

20.82（米）

二.计算中采用的基本公式

1.收缩水深hc的基本算式

E01=Hc+q*q/（2*g*f1^2*Hc^2）

式中q－收缩断面的单宽流量;

E01-以消力池底面为基准面的上游总能头.

2.共轭水深Hc″

A.等宽消力池

Hc″=Hc*（SQR（1+8*Fr）-1）/2

式中Fr－收缩断面的弗汝德数Frc=Vc*Vc/（g*Hc）,Vc为收缩断面流速.

B.扩散消力池

按下列关系式计算

（Hc^2-Hc″^2）*（B+Bk）=4*Q*Q*（1/Bk/Hc″-1/B/Hc）/g

3.水跃长度Lj

A.等宽消力池

Lj=6.9*（Hc″-Hc）

B.扩散消力池

Fr<6时,Lj=（1+0.6*Fr）*Hc″

Fr>=6时,Lj=4.6*Hc″

Fr>17时,Lj=B*L/（B+.1*L*tg_）

式中L－等宽矩形明渠中水跃长度,L=10.3*Hc（SQR（Fr）-1）^.81.

4.消力池长度Lk

Lk=（0.7～0.8）*Lj（采用0.75Lj）

5.消力池深度S

S=1.05*Hc″－Ht－q1*q1*（1/（f2*Ht）^2-1/（1.05*Hc″）^2）/（2*g）

式中q1－消力池出口断面的单宽流量.

三.计算结果

1.收缩水深Hc:

0.7467（米）

2.收缩断面的弗汝德数Fr:

9.9074

3.共轭水深Hc″:

2.9712（米）

4.水跃长度Lj:

15.3496（米）

5.消力池深度S:

0.7119（米）

6.消力池长度Lk:

13.5122（米）

7.消力池宽度B:

20.8200（米）

4双孖橡胶坝计算

4.1渗流稳定计算

上游正常蓄水位12.00m，下游无水，即6.70m。

经计算，上下游水位差△H＝5.30m。

根据地质报告得知橡胶坝建基面以下为全风化泥质粉砂岩，其容许渗径系数C=3～5，偏安全考虑，查规范表4.3.2取C＝5。

则初拟坝基防渗长度为：

L=5×5.3=26.50m。

橡胶坝底板水平投影长度为36.52m，其中进口段长10.00m，坝体段长15.00m，斜坡段11.52m。

因此，拟定的橡胶坝基础防渗长度满足防渗要求。

4.2橡胶坝整体稳定及应力计算

根据地质资料显示，地基为全风化泥质粉砂岩，容许承载力【R】＝200~300Kpa，f值取0.4进行计算。

橡胶坝坝体段稳定及应力计算见计算简图及表4.2-1～2

图4.2-1工况一：

完建工况

完建工况：

上下游均无水

下游水位＝

闸底板底高程＝

8.5

上游水位＝

底板止水高程＝

8.00

荷载名称

重力（kN）

水平力（kN）

力臂（m）

力矩（kN.m）

结构总重G=

19110.00

0.00

0.00

浮托力Pf1

0.00

0.00

0.00

渗透压力Pf2

0.00

2.50

0.00

上游水重W1

0.00

5.38

0.00

下游水重W2

0.00

坝袋水重W3

0.00

0.46

0.00

上游水压力P11

0.00

0.00

0.00

下游水压力P21

0.00

0.00

0.00

合计∑G:

∑H:

∑M

19110.00

0.00

0.00

闸室长L

15.00

闸室宽B

26.00

基底应力Pmin（Pmax）=∑G/A±∑M/W

49.00

49.00

基底平均应力（Pmin+Pmax）/2

49.00

满足

<200，地基应力要求

不均匀系数η=Pmax/Pmin

1.00

满足

<2.0，基本组合要求

抗浮稳定安全系数Kf=∑V/∑U

满足

>1.10，基本组合要求

抗滑稳定安全系数Kc＝f∑G/∑H

满足

>1.25，基本组合要求

说明：

受力—向下↓（左←）为正、向上↑（右→）为负；

力矩—逆时针为正、顺时针为负。

图4.2-2工况二：

设计工况

设计工况：

上游正常蓄水位12.00m，下游无水（底板止水高程8.00m）

下游水位＝

8.00

闸底板底高程＝

6.70

上游水位＝

12.00

底板止水高程＝

8.00

荷载名称

重力（kN）

水平力（kN）

力臂（m）

力矩（kN.m）

结构总重G=

19110.00

0.00

0.00

浮托力Pf1

-5070.00

0.00

0.00

渗透压力Pf2

-7800.00

2.50

-19500.00

上游水重W1

3554.20

5.38

19121.60

下游水重W2

0.00

坝袋水重W3

5834.40

0.46

2683.82

上游水压力P11

-3651.70

1.77

-6451.34

下游水压力P21

-219.70

0.43

-95.20

合计∑G:

∑H:

∑M

15628.60

-3871.40

-4241.12

闸室长L

15.00

闸室宽B

26.00

基底应力

Pmin（Pmax）=∑G/A±∑M/W

35.72

44.42

基底平均应力

（Pmin+Pmax）/2

40.07

满足

<200，地基应力要求

不均匀系数η=Pmax/Pmin

1.24

满足

<2.0，基本组合要求

抗浮稳定安全系数

Kf=∑V/∑U

2.21

满足

>1.10，基本组合要求

抗滑稳定安全系数

Kc＝f∑G/∑H

1.61

满足

>1.25，基本组合要求

说明：

受力—向下↓（左←）为正、向上↑（右→）为负；

力矩—逆时针为正、顺时针为负。

4.3消能计算

根据双孖橡胶坝的实际运行情况，选取上下游水头差最大的工况进行计算，即塌坝检修工况，此时上游为正常蓄水位12.00m，下游常水位7.62m（下游水深1.20m），橡胶坝上下游水头差为4.38m。

利用PC－1500程序集中“D-25”进行计算。

计算得：

取消力池长度为14.00m，深度为0.80m。

计算附稿：

***********************************************************************

*****底流式消能工水力计算程序D-25*****

***********************************************************************

工程名:

双孖

一.基本资料

1.消能结构类型:

挖深式消力池

2.消力池平面型式:

等宽消力池

3.以下游河床为基准面的上游总能头E0:

5.58（米）

4.下泄流量Q:

173.65（立方米/秒）

5.下游水深Ht:

1.2（米）

6.泄水建筑物的流速系数f1:

0.95

7.消力池出口流速系数f2:

0.95

8.消力坎流速系数f3:

.9

9.消力坎流量系数m:

.42

10.消力池宽度B:

26（米）

二.计算中采用的基本公式

1.收缩水深hc的基本算式

E01=Hc+q*q/（2*g*f1^2*Hc^2）

式中q－收缩断面的单宽流量;

E01-以消力池底面为基准面的上游总能头.

2.共轭水深Hc″

A.等宽消力池

Hc″=Hc*（SQR（1+8*Fr）-1）/2

式中Fr－收缩断面的弗汝德数Frc=Vc*Vc/（g*Hc）,Vc为收缩断面流速.

B.扩散消力池

按下列关系式计算

（Hc^2-Hc″^2）*（B+Bk）=4*Q*Q*（1/Bk/Hc″-1/B/Hc）/g

3.水跃长度Lj

A.等宽消力池

Lj=6.9*（Hc″-Hc）

B.扩散消力池

Fr<6时,Lj=（1+0.6*Fr）*Hc″

Fr>=6时,Lj=4.6*Hc″

Fr>17时,Lj=B*L/（B+.1*L*tg_）

式中L－等宽矩形明渠中水跃长度,L=10.3*Hc（SQR（Fr）-1）^.81.

4.消力池长度Lk

Lk=（0.7～0.8）*Lj（采用0.75Lj）

5.消力池深度S

S=1.05*Hc″－Ht－q1*q1*（1/（f2*Ht）^2-1/（1.05*Hc″）^2）/（2*g）

式中q1－消力池出口断面的单宽流量.

三.计算结果

1.收缩水深Hc:

0.6655（米）

2.收缩断面的弗汝德数Fr:

15.4426

3.共轭水深Hc″:

3.3807（米）

4.水跃长度Lj:

18.7348（米）

5.消力池深度S:

0.7791（米）

6.消力池长度Lk:

14.0511（米）

7.消力池宽度B:

26.0000（米）