函江水利枢纽工程毕业设计.docx
《函江水利枢纽工程毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《函江水利枢纽工程毕业设计.docx（39页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
函江水利枢纽工程毕业设计
毕业设计说明书
设计题目（泄水闸设计）
专业水利水电
学生姓名
学号
指导教师
评阅教师
河海大学继续教育学院
中国南京
2017年4月
附图：
1、枢纽平面布置图。
2、闸室平面及剖面图。
3、闸室结构细部图。
1综合说明
1.1工程概况
函江位于我国华东地区，流向自东向西北，全长375km，流域面积176万km2，是鄱阳湖水系的重要支流，也是长江水系水路运输网的组成部分。
该流域气候温和，水量充沛，水面平缓，含砂量小，对充分开发这一地区的水路运输具有天然的优越条件。
流域内有耕地700多万亩，土地肥沃，矿藏资源十分丰富，工矿企业发达，有国家最大的有色金属冶炼工程铜基地及腹地内的建材轻工、电力等工业部门和十多个粮食基地；原料及销售地大部分在长江流域各省、市地区，利用水运的条件十分优越。
流域梯级开发后，将建成一条长340km通航千吨级驳船的航道和另一条长50km通航300吨级驳船的航道，并与长江、淮河水系相互贯通形成一个江河直达的内河水路运输网，同时也为沿江各县市扩大自流灌溉创造有利条件，对促进沿河地区的工农业发展具有重要的作用，该工程是以航运为主体，兼有泄洪、发电、灌溉、供水和适应战备需要的综合开发工程，他在经济上将会具有非常显著的效益。
1.2设计依据
1、函江枢纽毕业设计任务书；
2、水闸设计规范SD133-84
3、水闸设计规范SD133-84编制说明
4、水闸设计（上、下）华东水利学院上海科学出版社
5、水闸设计谈松曦编水利电力出版社
6、水闸张世儒编水利出版社
7、水利计算手册武汉水利电力学院编水利出版社
8、闸门与启闭机水利出版社
9、升卧式平板闸门水利电力出版社
10、有限深弹性梁计算用表张裕恰编水利出版社
11、水工钢筋混凝土结构（下）华东水利学院、大连工学院、西北农学院编水利电力出版社
12、水工建筑物任德林张志军编著河海大学出版社
13、水力学（下）第二版华东水利学院编科学出版社
14、水工设计手册（6）泄水与过坝建筑物水力电力出版社
15、小型水利电力工程设计图集水闸分册
16、计算语言（BASIC等）
1.3毕业设计成果（泄水闸）
1.3.1枢纽总体布置
根据《水闸设计规范》SD133-84规定：
水闸枢纽中的船闸、泵站或水电站宜靠岸布置，但船闸不宜与泵站或水电站布置在同一岸侧，船闸、泵站或水电站与水闸的相对位置，应能保证满足水闸通畅泄水及各建筑物安全运行的要求。
因此，本设计在枢纽布置时，将泄水闸布置在河床中间，船闸布置在左岸，水电站布置在右岸。
其中：
泄水闸每孔净宽10m，共35孔，高12m，直升式平板钢闸门控制，闭闸时拦截江流，稳定上游水位，开闸时泄水，排沙防淤。
设计流量9540m3/s，校核流量12350m3/s。
船闸1座，闸室有效长度为135m，净宽12m，槛上水深2.5m，闸室顶高程24.0m，室底高程10.5m。
闸上公路桥设在上闸首的上游端。
水电站厂房宽15m（顺流向），长36.2m。
厂房地面高程24.5m，水轮机安装高程10.5m。
水电站设计水头3.5m，最高水头7.0m，最大引用流量225m3/s，总装机3×2200KW。
站上公路桥设在厂房的上游端。
1.3.2水闸设计
1、水闸水力设计
1）、堰型、堰顶高程
闸孔采用结构简单、施工方便的无坎平底宽顶堰（平底水闸属无坎宽顶堰）。
拟定闸底板顶高程为13.0m。
2）、水闸总宽度
闸室总宽度：
10×35+36×1.6=407.6m。
2、水闸消能防冲设计
1）、消力池
消力池采用钢筋砼结构，深1.45m，消力池长L=20.8m，厚度0.8m。
2）、海漫
海漫长度L=40m，海漫水平段长15m，采用60cm厚钢筋混凝土浇筑，斜坡段长25m，1:
10放坡，采用60cm厚浆砌块石砌筑。
3）、防冲槽
防冲槽采用梯形断面，槽深2.5m，槽底宽10m，上游设C20钢筋砼齿槽，厚50cm，下游坡比为1：
2.0，单宽体积为37.5m2，冲刷坑采用抛石合金钢网石兜抛石处理。
3、闸室布置
1）、闸室结构
闸室采用开敞式布置，钢筋砼U型结构，闸门选择直升式平板钢闸门，液压启闭，闸上布置净7m交通桥，两侧人行道2×1.0m，总宽9.0m、宽4m工作桥和启闭房，启闭房宽11.0m，底板长度取20m。
底板采用整体式，二孔一分缝，最中间一孔，底板长度为20m，顶高程为13.0m，闸底板厚1.5m。
闸墩长度采用与底板同长20m，。
检修门槽深25cm，宽30m；工作门槽深40cm，宽60cm。
闸墩上下游端部均采用半圆形墩头。
闸墩顶高程为25.0m。
闸墩厚度受控于闸门槽处最小厚度为50cm，中墩厚度取1.6m，缝墩厚度为2×0.8m，边墩厚度为1.6m。
公路桥布置在闸门上游侧，公路桥载重按汽-20设计，挂100校核，双车道桥面净宽7.0m，两侧人行道2×1.0m，总宽9.0m，采用T型结构。
梁底高程为25.0m，梁高1.0m，梁腹宽0.2m，梁翼宽1.6m，用5根组梁组成，两侧人行道为悬壁式。
每米延长重量按8T/m计。
2）、上下游翼墙
上游连接采用扶壁式翼墙，圆弧连接，半径为20m，下游翼墙采用扶壁式八字型翼墙加圆弧型翼墙连接，扩散角为8°，圆弧半径为20m。
上游翼墙顶标高为25.0m，下游翼墙顶标高为25.0m。
4、闸基防渗排水设计
由于本工程闸址地基主要由砂砾卵石层组成，为强透水土质，故在采用水平防渗措施的同时还必须采取垂直防渗措施。
铺盖采用C25钢筋砼结构，长20m。
铺盖与闸底板之间设水平止水。
在消力池水平段前端与闸底板连接处设置水平止水；消力池末端依次铺设碎石垫层和无纺土工布反滤，排水孔孔径15cm，间距1.5m，呈梅花形布置，顺水流方向长度为7.5m。
5、闸门及启闭机设计
1）、闸门
根据门顶高程及闸底标高，确定平面钢闸门高为7m，闸门净宽10m，毛宽10.6m。
2）、启闭机
启闭机型号：
QPQ2×300
6、闸室稳定计算
1）、闸室整体稳定
水闸整体稳定分别对完建期、正常运用期及非常运用期三种工况进行闸室的偏心距、基底应力、基底应力的不均匀系数及沿闸室底面的抗滑稳定系数计算，均满足规范要求。
2）、闸室沉降计算
经分析，本次不必计算闸室的沉降量。
7、闸底板配筋
经计算，面、底层钢筋均按Φ25@200配置。
8、两岸连接建筑物设计
采用扶壁式挡土墙，上游翼墙顶高程25.00m，底高程12.00m。
下游翼墙顶高程25.00m，底高程10.55～12.00m。
上游挡墙高13.0m，挡墙壁厚1.0m，墙身垂直，墙身高12m，墙底板厚1.0m。
下游挡墙高13～14.45m，挡墙壁厚1.0m，墙身高度12～13.45m，底板厚度1.0m。
翼墙两侧设置1.0×1.0m腋角，两侧悬挑4m，底板总宽11m。
上游翼墙长30m，下游翼墙长36.8m。
翼墙采用C25钢筋砼浇筑。
上游护坡，顶高程为25.0m，底高程13.0m，采用坡比为1:
3，40cm厚浆砌块石护坡。
下游护坡，顶高程为25.0m，底高程13.0m，采用坡比为1:
3，40cm厚浆砌块石护坡。
9、水闸特性表
综上所述，水闸特性表如下：
水闸特性表
基
础
资
料
设计依据
工程级别
Ⅲ等工程
建筑物级别
主要建筑物3级
次要建筑物4级
临时建筑物5级
设计洪水
P=2%
校核洪水
P=0.33%
水文条件
正常水位
19.00
灌溉水位
19.50
设计流量
9540m3/s
设计洪水位
23.40m
校核流量
12350m3/s
校核水位
23.80m
主
要
建
筑
物
水闸闸室
净宽
10×35m
总宽
407.6m
闸底板
长20m,厚1.5m
闸室底高程
13.0
闸室顶高程
25.0
闸墩
中墩厚1.6m
缝墩厚2×0.8m
边墩厚1.6m
顶高程为25.0
工作桥
4.5m
交通桥
7m+1×2m
闸门板
钢,净宽10m,高7m
上下游
连接段
上游护底
厚60cm,L=10m
铺盖
厚60cm,L=20m
消力池
d=1.45m,L=15m
海漫
厚60cm,L=40m
防冲槽
深2.5m,底宽10m
上游翼墙
圆弧连接,顶高25.0m
下游翼墙
八字型,顶高25.0m
上游护坡
底高13.0m,顶高25.0m
下游护坡
底高13.0m,顶高25.0m
2水文
2.1流域概况
函江位于我国华东地区，流向自东向西北，全长375km，流域面积176万km2，是鄱阳湖水系的重要支流，也是长江水系水路运输网的组成部分。
该流域气候温和，水量充沛，水面平缓，含砂量小，对充分开发这一地区的水路运输具有天然的优越条件。
流域内有耕地700多万亩，土地肥沃，矿藏资源十分丰富，工矿企业发达，有国家最大的有色金属冶炼工程铜基地及腹地内的建材轻工、电力等工业部门和十多个粮食基地；原料及销售地大部分在长江流域各省、市地区，利用水运的条件十分优越。
2.2气象
本流域属亚热带季风气候区，温暖湿润，四季分明，雨水充沛。
洪水期多年平均最大风速为20.7m/s。
2.3洪水
根据《毕业设计任务书》提供的水文资料,函江50年一遇洪峰流量为9540m3/s,各设计频率洪水流量及相应坝下水位见表2-1。
洪峰流量及相应坝下水位表
表2-1
设计频率（%）
0.33
2
20
洪峰流量Q（m3/s）
12350
9540
5730
坝下水位H下（m）
23.80
23.40
22.25
水位流量关系曲线见表2-2。
水位～流量关系
表2-2
水位（m）
流量（m3/s）
水位（m）
流量（m3/s）
14
50
20
3200
15
300
21
4140
16
650
22
5340
17
1200
23
7700
18
1800
24
13800
19
2480
3工程地形、地质
3.1闸址地形
闸址左岸与一座山头相接，山体顺流方向长700m，垂直方向长2000m，山顶主峰标高110m，靠岸边山顶标高65m；山体周围是河漫滩冲击平原，滩面标高（185～200）m；沿河两岸筑有防洪大堤，堤顶宽4m，堤顶标高245m；闸址处河宽700m，主河槽宽500m，深泓区偏右，河床底标高（130～140）m，右岸滩地标高185m。
3.2闸址地质
闸址河床土质，主要由砂砾卵石层组成，表层为中细砂层，层厚2～5m，左厚右薄并逐步消失；河床中层主要是砂砾卵石层，卵石含量30%～50%，粒径2～13cm，层厚10～20m，属于强透水层，渗透系数K=1.84×10-1～5×10-2（cm/s），允许坡降J=0.15～0.25；河床底层为基岩，埋深标高从左标高10m向右增深至标高-15m以下。
其岩性为上古生界二迭长兴阶灰岩及硅质岩。
河床土质资料如下：
中砂：
Dr＝0.6，E0=310kg/cm2，N63.5=20；
砂砾石：
Dr＝0.66，E0=360kg/cm2；
3.3当地建筑材料
块石料：
在闸址左岸的山头上，有符合质量要求的块石料场，其储量50万方，平均运距1.0km。
砂砾料：
闸址上、下游均有宽阔的冲积台地，在上、下游（3～5）km的沙滩台地上，均有大量的砂砾料，可满足混凝土的粗、细骨料之用，且水运方便。
土料：
闸址上游约2km有刘家、八圩土料场，储料丰富，符合均质土料质量要求。
还有可作为土坝防渗体的粘性土，其质地良好。
3.4地震烈度
根据中国地震烈度区划图，本地区地震基本烈度为6度，不考虑地震设防。
4工程布置及建筑物
4.1设计依据
4.1.1工程等级及建筑物级别
函江枢纽的主要建筑物有船闸、泄水闸和水电站三部分组成。
船闸的通航能力，按照五级航道标准进行设计。
水电站总装机为6600Kw，设计水头为3.5m，水闸的泄洪能力为13000m3/s。
根据《毕业设计任务书》，本工程为三等工程，主要建筑物按3级建筑物设计，次要建筑物按4级建筑物设计。
根据《毕业设计任务书》，泄水闸的设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为300年一遇，最大通航洪水标准为5年一遇。
4.1.2设计基本资料
一、水位
正常蓄水位：
19.0m
灌溉水位：
19.5m
设计洪水Q2%=9540m3/s，相应闸下水位H下=23.4m
校核洪水Q0.33%=9540m3/s，相应闸下水位H下=23.8m
二、计算水位组合
1、闸孔净宽计算水位
设计洪水Q2%=9540m3/s，相应闸下水位H下=23.4m；
设计水位差△H＝0.25m（H上＝23.65m）；
校核洪水Q0.33%=9540m3/s，相应闸下水位H下=23.8m；
计算闸上雍高水位H上（供墩顶高程用）；
2、消能计算水位
闸上水位H上＝19.5m；
闸下水位H下＝14.5m；
下泄流量：
以闸门开启度e＝0.5m～1.0m，以及全开时的流量。
3、闸室稳定计算水位（关门）
闸上设计水位H上＝19.5m，H下＝14.5m；
闸上校核水位H上＝20.0m，H下＝14.5m；
三、地震设防烈度
本地区地震基本烈度为6度，不考虑地震设防。
四、安全系数
1、安全超高
水闸为3级混凝土建筑物，根据《水闸设计规范》（SD133-84）安全超高下限值：
泄洪时0.7m（设计洪水位），0.5m（校核洪水位）；
关门时0.4m（设计洪水位），0.3m（校核洪水位）。
2、抗滑稳定安全系数
土基上的3级混凝土建筑物，基本组合（设计）为1.25；特殊组合（核校）为1.1。
五、其它资料
1、单孔净宽：
8～12m；
2、门型结构：
平面钢闸门；
3、闸门类型：
直升门；
4、底板与中砂的摩擦系数f＝0.4；
5、闸孔的允许单宽流量q＝30m3/s/m；
六、公路桥
公路桥载重按汽-20设计，挂-100校核，双车道桥面净宽7.0m，两侧人行道2×1.0m，总宽9.0m，采用T型结构。
梁高1.0m，梁腹宽0.2m，梁翼宽1.60m，用5根组梁组成，两侧人行道为悬臂式，每米延长重量按8T/m计。
4.2工程总体布置
函江枢纽的主要建筑物有船闸、泄水闸和水电站三部分组成。
船闸的通航能力，按照五级航道标准进行设计。
水电站总装机为6600Kw，设计水头为3.5m，水闸的泄洪能力为13000m3/s。
根据设计任务书提供的地形地质资料，以及功能要求，枢纽总体布置如下：
4.2.1船闸的布置
船闸的通航能力，按照五级航道标准进行设计。
船闸布置在函江的左岸，船闸本身由三部分组成：
上游引航道、闸室和下游引航道。
上游引航道：
长度不小于5倍设计船队的长度，根据经验五级航道标准的设计船队的长度为91m，故上游引航道的长度为455m，设计时取为500m；上游引航道的底宽度为35m，两岸采用浆砌石护坡，边坡采用1：
2.5；上游引航道的底高程为15.0m。
下游引航道：
长度不小于5倍设计船队的长度，根据经验五级航道标准的设计船队的长度为91m，故下游引航道的长度为455m，设计时取为600m；下游引航道的底宽度为35m，两岸采用浆砌石护坡，边坡采用1：
2.5；下游引航道的底高程为11.0m。
闸室：
闸室的长度为135m，宽度为12.0m；闸室的顶高程为24.0m，底高程为10.50m。
上下闸首控制船只的进出。
4.2.2水电站的布置
考虑河床的主槽比较靠近右岸，上下游不容易发生淤积，为最大的可能提高水电站的出力，发挥水电站的效益，将水电站布置在函江的右岸。
水电站的厂房的平面尺寸：
主厂房的长度为48.0m，上下游方向的宽度为36.20m，主厂房总高度为32.0米。
水轮机的型号为：
GE（F02）-WP-380
发电机的型号为：
SFG200-70/3960
总装机：
3×2200KW
设计水头：
3.5m
最高水头：
7.0m
最小水头：
2.0m
最大引用流量225m3/s。
4.2.3泄水闸的布置
泄水闸布置在水电站和船闸之间。
泄水闸主要有三部分组成：
上游连接段、闸室段和下游连接段。
4.3主要建筑物（泄水闸）
4.3.1闸孔设计
水闸闸孔设计主要是确定闸孔型式、尺寸河设置高程，以保证水闸在设计水位组合情况下有足够的过流能力。
一、堰型和堰顶高程确定
根据设计任务书提供的资料显示，函江流域水面平缓，含砂量少，本水闸的主要功能为挡水灌溉和泄水，故本次设计采用堰流式闸室，堰型采用无槛宽顶堰。
这种型式闸室对于泄洪较为有利，它能使闸前漂浮物随着水流下泄，而不会阻塞闸孔而影响泄洪。
根据资料提供的地形图，考虑水闸的运行、河道冲刷淤积以及闸孔允许单宽流量和工程造价等因素，本次设计取堰顶高程与河床底高程齐平为13.0m。
二、闸孔净宽计算、泄流能力校核
1、水位
Q2%＝9540m3/s，H上＝23.65m，H下＝23.40m；
Q0.33%＝12350m3/s，H上＝待算，H下＝23.80m；
2、闸孔净宽计算
闸孔总净宽的确定，主要涉及两个问题：
一个是过闸单宽流量的大小；另一个是闸室总宽度与河道总宽度的关系。
如果采用的闸孔总净宽过小，使过闸单宽流量过大，将增加闸下游消能布置的困难，甚至影响水闸工程的安全；反之，如果采用的闸孔总净宽过大，使过闸单宽流量过小，工程量加大，造成浪费。
根据设计任务要求，闸孔允许单宽流量不大于30m3/s，初步拟定闸孔总净宽为0.7倍主河槽宽为350m，闸孔分成35孔，每孔宽10m，中墩厚1.6m，缝墩厚0.8m。
水闸底板为无槛宽顶堰，闸孔泄流能力计算公式如下：
（《水闸设计规范》以下简称《规范》附A）
式中：
Q——过闸流量（m3/s）；
σ——淹没系数，根据上下游的堰上水深查得；
ε——侧收缩系数；
m——流量系数；
B0——闸孔总净宽（m）；
H0——堰顶以上上游总水头（m）。
①堰上总水头H0
H1（上游水头）=23.65－13.00=10.65m
Hs（下游水头）=23.40－13.00=10.40m
行近流速V0=Q/A=9540/[700×（23.65－13.00）]＝1.28m/s
H0=H1+V2/2g=10.65+1.282/（2×9.81）=10.73m
②淹没系数σ
hs/H0=10.4/10.73=0.969
查《规范》附表A.0.1-2，
得σ＝0.556；
③流量系数m
按P/H0=0查表得m＝0.385；
④侧收缩系数ε
水闸中墩厚度取为1.6m，缝墩取0.8m，根据《规范》附录A.0.1-3公式
计算得ε=0.860
根据以上公式可以试算出闸孔总净宽
=9540/（0.556×0.860×0.385×4.429×10.733/2）=333m
一般来说，采用的闸孔总净宽要略大于计算值，本次设计闸孔总净宽取350m，相应单宽流量为27.26m3/s/m，小于闸孔允许单宽流量30m3/s/m，满足要求。
但校核工况下，水闸单宽流量为35.28m3/s/m，大于闸孔允许单宽流量[q]=30m3/s/m，若本次设计水闸总净宽以校核工况下通过闸室的单宽流量为控制，水闸规模将偏大，工程量加大，与消能工造价比较而言，会造成浪费。
校核工况稍大于允许单宽流量，可能会出现局部破坏，但只要工程消能防冲设施得当，个人认为是能满足工程安全运行要求。
因此，经综合考虑本次设计水闸总净宽取350m，闸孔总数为35孔，单孔净宽为10m。
根据规范的要求，中墩厚取1.6m，缝墩厚取0.8m。
因此水闸总宽度为：
B=350+36×1.6=407.6m
3、校核工况上游水位
根据水闸泄流能力计算公式，可以试算出校核情况下的上游水位。
设△H＝0.3m，则H上＝23.80+0.3＝24.1m；
hs=23.80－13.00=10.80m；
行近流速V0=Q/A=12350/[700×（24.10－13.00）]＝1.59m/s；
H0=H+V2/2g=（24.1－13.0）+1.592/（2×9.81）=11.23m；
hs/H0=10.80/11.23=0.9617，查《规范》附表A.0.1-2得σ＝0.600；
按P/H0=0查表2.1得m＝0.385；
ε＝0.860；
Q试＝Bσεm（2g）0.5·H3/2
=350×0.600×0.860×0.385×（2×9.81）0.5×11.233/2
=11589m3/s假设不符，重新假设试算。
经试算，当△H＝0.40m时，Q试≈Q0.33%＝12350m3/s。
相应上游洪水位H上=24.20m。
4.3.2消能防冲设计
消能防冲设计主要包括消能防冲设备形式的选择、以及各种消能设施尺寸设计和上下游两岸护坡的设计。
本工程消能形式采用消力池消能，消力池后布置一定长度的海漫，海漫末端设置柔性防冲槽。
一、消力池尺寸拟定
1、消能水力计算
消能计算水位：
H上＝19.5m，H下＝14.5m；
1）单宽流量计算
a．e=0.5m
e/H=0.5/6.5=0.077<0.65，为孔口出流。
根据上、下游水位可假定为自由出流。
根据孔流公式：
q=μ0e（2gH0）1/2
其中μ＝0.60－0.176e/H（《水计算手册》水利出版社）
＝0.60－0.176×0.5/6.5=0.586；
因孔流状态e很小，行近流速V0较小，在计算时可不计入，即H0≈H，因此，q=μ0e（2gH）1/2＝0.586×0.5×（2×9.81×6.5）1/2
＝3.31m3/s/m；
b．e＝1.0m
e/H=1.0/6.5=0.154<0.65，为孔口出流。
根据上、下游水位可假定为自由出流。
μ0＝0.60－0.176e/H
＝0.60－0.176×1.0/6.5=0.573；
q=μ0e（2gH）1/2
＝0.573×1.0×（2×9.81×6.5）1/2
＝6.47m3/s/m；
c．闸门全开
出流情况属堰流。
q＝σ·ε·m·（2g）0.5·H3/2
＝1.0×0.86×0.385×（2×9.81）1/2×6.53/2
＝24.30m3/s/m；
2）判别下游水流衔接形式
经计算当水闸闸孔全开时，闸后将发生淹没式水跃，无需建消力池；从运行角度来讲，泄水时只开启1孔闸门也是不符实际的。
经分析比较，结合水闸运行特点，本次设计考虑水闸1/7闸孔开启作为本次设计工况。
由上述计算结果，判别水闸开启1/7闸孔（开5扇闸门）时下游水流衔接形式。
当e=0.5m时
=（3.312/9.81）（1/3）=1.04m
用试算法计算收缩水深hc，试算公式如下：
=6.5《水力学教材》11-3
经试算hc=0.30m
将该值代入水跃方程可得
=2.58m
查H下～Q曲线，H下＝16.9m，ht=3.9m；
同理,可算出当q=6.47、24.30m3/s/m时,相应的hc”、hk，计算结果列入下表：
从表中可以看出，当上游水位为19.50m、水闸开启1/7孔时，闸门开度e=0.5m、1.0m以及全开时，hc”>ht，说明都发生远离式水跃衔接，故需修建消力池。
当q=6.47m3/s/m时，（h”-ht）值最大。
因此，应按该流量设计消力池。
2、消力池深度计算
e＝1.0m，q＝6.47m3/s/m，hc=0
升级会员 