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河北工程大学毕业设计

摘要

南水北调中线工程京石段应急供水工程左岸排水建筑物是总干渠的重要组成部分，亦是解决左岸洪、涝水山路的关键工程，直接影响总干渠的安全通水。

全长227.391km，该段共布置左岸排水建筑物105座，其中渡槽23座。

曲庄沟渡槽是其中较大的左岸排水渡槽之一，渡槽设计流量26.5m/s，校核流量32m/s。

曲庄沟渡槽为跨越式建筑物，采用矩形渡槽支墩结构，按Ⅲ级建筑物考虑。

设计地震烈度为7。

不考虑交通要求，只需设置人行道板；无通航要求。

槽身长90m，进口渐变段16.68m，出口渐变段27.80m，渡槽进口底部高程79.52m，出口底部高程79.42m。

渡槽槽身净宽4.4m，水面宽4.0m，侧墙厚，底板厚0.2m，人行道板宽度为。

本设计对渡槽进行了认真的方案比选和详细的尺寸设计，并针对设计要求进行了安全校核，保证建筑物的安全运行。

关键词：

南水北调、渡槽、建筑物。

河北工程大学毕业设计

Abstract

NorthWaterTransferProjectJingshiemergencywatersupplyanddrainageworksontheleftbankbuildingisanimportantpartofthemaincanal,andalsotosolvetheleftbankflood,floodwatermountainkeyprojectsdirectlyaffectthesafetyofthemaincanalthroughthewater.Fulllength227.391km,werearrangedontheleftbankoftheparagraph105drainagestructures,includingaqueducts23.SongChongditchaqueductisoneofthelargerleftbankdrainageaqueduct,Aqueductdesignflow26.5m/s,checkingflow32m/s.

Quzhuanggouditchaqueducttoleapbuildings,rectangularaqueductpierstructure,accordingⅢgradebuildingsconsidered.Designseismicintensityof7.Withoutconsideringthetrafficrequirements,simplysetthesidewalkboard;noshippingrequirements.

Slotlength90m,importtransitionsection16.68m,outlettransitionsection27.80m,Aqueductimportbottomelevation79.52m,bottomoutletelevation79.42m.Aqueductclearwidthof4.4m,surfacewidth4.0m,thicksidewalls,floorthickness0.2m,widthofthesidewalkpanels.

Thedesignontheaqueductwerecarefullyselectedanddetailedprogramthanthesizeofthedesign,andthedesignrequirementsforsafetyNuclearschool,toensurethesafeoperationofthebuilding.

Keywords:

TheSouth-NorthWaterDiversionProject, aqueducts,buildings.

第一章工程概况及基本资料 1

1.1南水北调中线工程简介 1

1.2工程概况 1

1.3设计资料与数据 2

1.3.1地质资料 2

1.3.2采用系数 2

1.3.3渡槽进出口挡土墙稳定计算基本资料 2

1.3.4混凝土强度等级 2

1.3.5水力计算设计资料 3

第二章渡槽选型与布置 4

2.1渡槽位置的选择 4

2.2槽身断面形式的选择 4

2.3槽身支撑结构形式的选择 5

2.4接缝构造 6

第三章水力计算 7

3.1渠道水力计算 8

3.2渡槽水力计算 9

3.2.1按设计流量 9

3.2.2按加大流量 10

3.3水头损失计算 10

3.4渡槽进出口底部高程 11

3.5槽顶超高 11

第四章槽身结构计算 12

4.1槽身尺寸的拟定 12

4.2槽身的稳定验算 13

4.2.1计算简图 13

4.2.2荷载计算 13

4.2.3抗滑稳定验算 14

4.2.4抗倾覆稳定验算 14

4.3槽身横向计算 15

4.3.1人行道板计算 16

4.3.2侧墙计算 18

4.3.3底板计算 19

4.3.4横拉杆计算 21

4.3.5槽身抗裂验算 21

4.3.6槽身的裂缝开展宽度验算 23

4.4渡槽纵向计算 24

4.4.1荷载、内力计算 25

4.4.2槽身的纵向配筋计算 26

4.4.3斜截面的抗剪计算 27

4.4.4槽身纵向抗裂验算 28

4.4.5槽身纵向裂缝开展宽度验算 29

4.4.6槽身纵向挠度验算 29

4.5槽身的吊装验算 31

4.5.1吊装内力计算 31

4.5.2吊装配筋验算 32

第五章支撑结构设计 33

5.1槽台的设计 33

5.1.1槽台型式与尺寸的确定 33

5.1.2槽台的结构计算 33

5.2槽墩的设计 36

5.2.1基本尺寸的确定 36

5.2.2应力计算 37

5.2.3基础应力验算 38

5.2.4墩顶应力验算 40

5.2.5墩底应力验算 42

第六章细部构造设计 45

6.1伸缩缝与止水 45

6.2支座 46

6.3两岸连接 46

第七章工程量计算 47

谢辞 49

第一章工程概况及基本资料

1.1南水北调中线工程简介

南水北调工程南起湖北丹江口水库，北至北京团结湖。

一期工程总调水量95亿立方米。

从丹江口水库计，分配我省34.7亿立方米，扣除总干渠输水损失，至我省各分水口门水量约30亿立方米。

二期工程总调水量增加到130亿立方米，分配我省毛水量48.3亿立方米，到我省分水口门约42亿立方米。

南水北调中线工程总干渠自河南省安阳市丰乐镇穿漳河进入我省，沿太行山东麓和京广铁路西侧北行，途经邯郸、邢台、石家庄、保定境内25个县（市），于涿州市穿北拒马河中支进入北京，线路全长461公里。

总干渠所经之处除永年县名山和唐河以北渠段属于低山丘陵外，大部分渠段在山前平原通过，地形平坦开阔。

共穿越大小河沟201条，无明显河沟的坡水区36处，共计237条（处），河北段共有各类建筑物697座。

总干渠为一等工程，渠道和建筑物的主要部位为1级建筑物，次要部位为2或3级建筑物。

防洪设计标准和校核标准：

大型河渠交叉建筑物为百年一遇和三百年一遇；渠道及其他建筑物为50年一遇和百年一遇。

近几年来，由于北方地区持续干旱，北京市的水资源严重短缺，直接影响到首都的经济发展和社会秩序稳定。

在分析北京市缺水状况和河北省可供水条件的基础上，国家决定南水北调中线工程总干渠石家庄以北渠段先期开工，从太行山区总干渠以西的岗南、黄壁庄、王快和西大洋4座大型水库经中线工程总干渠河北、北京渠段向北京市应急供水（简称“京石段应急供水工程”）。

南水北调中线京石段应急供水工程河北省渠段自石家庄市西郊古运河枢纽至冀京界，途经石家庄市的正定、新乐；保定市的曲阳、定州、唐县、顺平、满城、徐水、易县、涞水、涿州等市县。

渠段长225.510公里，其中渠道长198.419公里，建筑物总长27.091公里，各类建筑物共计314座。

1.2工程概况

全长227.391km，该段共布置左岸排水建筑物105座，其中渡槽23座。

曲庄沟渡槽是其中较大的左岸排水渡槽之一，渡槽设计流量26.5m3/s，校核流量32m3/s。

1.3设计资料与数据

1.3.1地质资料

曲庄沟排水渡槽地质属黄土状壤土和片麻岩双层结构类型。

（1）地质结构

建筑物场区地层岩性从上到下为粗砾，黄土状壤土，中砂，砾石，片麻岩。

地基为全风化黑云片麻岩岩层。

（2）土岩物理力学性质

全风化黑云片麻岩承载力建议值600kpa。

（3）工程地质条件及评价

本区地震基本烈度为Ⅳ度，渡槽基础建议采用桩基，施工开挖时竟注意排水问题。

1.3.2采用系数

（1）进口渐变段损失系数0.2

（2）出口渐变段损失系数0.5

（3）渡槽槽身糙率0.014

（4）天然河沟糙率为0.033

1.3.3渡槽进出口挡土墙稳定计算基本资料

挡土墙采用重力式混凝土挡土墙，结构尺寸见计算图，挡土墙墙后回填土为黄土性壤土，回填土的力学性质见下表，工程地质评价表明本段工程所在土层不受地下水影响。

（1）地震裂度Ⅵ

（2）进口段挡土墙墙后回填土物理指标表

名称

容重

内聚力

摩檫角φ

孔隙比

含水率

地基承载力

饱和容重

单位

KN/

kpa

度

kpa

KN/

数值

21.3

180

（3）出口段挡土墙墙后回填土基本物理指标表

名称

容重

内聚力

摩檫角φ

孔隙比

含水率

地基承载力

饱和容重

单位

KN/

kpa

度

kpa

KN/

数值

16．4

0．661

18．9

150

19．4

1.3.4混凝土强度等级

混凝土抗冻标号为F200，混凝土抗渗标号为W4。

（1）槽身混凝土：

C30

（2）槽墩墩帽混凝土：

C25

（3）槽墩墩身混凝土：

C20

（4）槽墩墩台及渐变段：

C20

（5）渡槽连接段：

C30

1.3.5水力计算设计资料

（1）河道指标

根据水力计算和调洪演算成果

①上游河床底高程：

89.50m

②下游河床底高程：

88.6m

③上游水深：

④边坡系数：

⑤底宽：

3.5m

⑥纵坡：

1/900。

（2）渡槽指标

①槽身长：

90m

②设计流量:

26.5m3/s

③加大流量:

32m3/s

④渡槽进口底高程:

90.105m

⑤渡槽出口底高程：

89.203m

⑥建筑物等级4级

⑦钢筋：

槽身及刚架受力筋HRB335；

分布筋、箍筋、基础钢筋HPB235

⑧荷载：

钢筋混凝土重力密度25KN/m3

人行道人群荷载2.5KN/m2

栏杆重1.5KN/m2

第二章渡槽选型与布置

2.1渡槽位置的选择

渡槽位置的选择包括轴线位置及槽身起点位置的选择。

对于地形条件复杂，长度大，工程量大的工程，应通过方案比较确定其位置。

主要考虑以下几个方面：

（1）应尽量选在地形有利，地质条件良好的地方，以便于缩短槽身长度，降低支撑结构高度和基础工程量。

（2）渡槽进出口渠道与槽身的连接在平面上应争取成一条直线，不可急剧转弯，以使水流平顺。

（3）跨越河流是，轴线与河道水流方向应尽量正交，槽址应选在河道顺直，岸坡稳定处。

（4）跨越河流的渡槽，槽址应位于河床稳定，水流顺直的河段，避免位于河流转弯处，以免凹岸和基础冲刷。

（5）应便于进出口建筑物的布置，进出口争取落在挖方渠道上，尽量不建在高填方渠道上。

应保证泄水闸有顺畅的泄水出路，以防冲刷。

（6）渡槽发生事故需停水检修，或为了上游分水等目的，常在出进口段或进口前渠道的适宜位置设置节制闸，以便于泄水闸联合运用，使渠水进入溪谷或河道。

2.2槽身断面形式的选择

槽身断面有矩形、U型（半圆型上加直墙）、多侧墙等（如图2.1）。

一般常用矩形断面和U型断面，故将两种断面形式做以下比较论证。

图2.1槽身断面的型式

大流量的钢筋混凝土梁式渡槽槽身多采用矩形断面，对与中小流量也常采用中小型流量的多设拉杆，间距为2米左右。

有通航要求时不设拉杆，侧墙做成变厚的。

矩形槽身施工方便，耐久性、抗冻性好，结构简单特别时适用于有通航要求的中型渡槽。

U形槽身断面为半圆加直段，槽顶一般设拉杆，槽壁顶端常加大以增加刚度，多采用钢筋混凝土或钢丝网水泥结构，与矩形槽身相比有水力条件好、纵向刚度大，省钢材等优点，但抗冻性差、不耐久，施工工艺要求高，如果施工质量不高，容易引起表面剥落、钢丝网锈蚀、甚至有漏水现象产生。

综上所述根据所给资料结合许营地段的实际情况本设计槽身断面采用矩形断面。

2.3槽身支撑结构形式的选择

槽身的纵向支承形式常用的有墩式支承、排架式支承和拱式支承三种类型。

拱式支承常用于大跨度离地面高度不大的槽身，拱式支承虽受力情况好，但是其墩台对地基的沉降要求高、施工质量要求高难度大。

根据许营段的地形情况本设计不采用拱式支承，在主河漕部分由于有过水要求采用墩式支承，滩地部分采用排架支承。

墩式支承分为重力墩和空心重力墩两种类型，重力墩节省钢材，墩身强度以及纵向稳定性易满足要求，但由于其自重过大，特别式墩身较高并承受竖向荷载与水平荷载时，要求地基有较大的承载力，故其多用于墩身高度不太大而地基承载力较高的岩基和较好的土基上。

空心重力墩的外形轮廓尺寸和墩帽构造于实体重力墩基本相同，

水平截面有圆矩形、双工字行和矩形三种型式（如图2.2）。

图2.2空心墩的截面形式

圆矩形水流条件较好，外形美观，另外由于做成空心而节省了材料，减轻了自重和作用于地基上的荷载，空心重力墩比实体重力墩的抗弯刚度大，可以改善自身的受力条件。

双工字形施工方便，对y轴的惯性矩大，故边缘应力较小，但水流条件差，动水压力大。

矩形墩施工最方便，截面惯性矩也较大，水流条件处于前二者之间，适用于河水不深的滩地和两岸无水的槽墩。

鉴于以上所述本设计

排架是钢筋混凝土结构，其自重轻地基应力较之墩容易得到满足，排架有单排架、双排架和A字形排架三种形式（如图2.3）。

（a）（b）（c）

图2.3槽架型式

（a）单排架（b）双排架（c）A型排架

单排架体积小，重量轻，现场浇筑和预制吊装都方便，在渡槽工程中应用十分广泛。

双排架是由两个单排架，中间以横梁连接而成，属空间结构受力较复杂。

A字形排架是两片单排架的脚放宽，顶端连在一起而成的，其稳定性好，适应高度较大，但造价较高，施工较复杂。

鉴于以上所述，根据曲庄沟段的地质地形条件本设计采用圆矩形空心墩式支撑。

2.4接缝构造

为适应槽身因温度变化引起的伸缩变形缝和允许的沉降位移，应在槽身与进出口建筑物之间及各节槽身之间用变形缝分开，缝宽3~5cm。

变形缝必须用既能适应变形又能防止渗漏的柔性止水封堵。

常见的有沥青止水、橡皮压板式止水、粘合式止水或套环填料式止水等。

本设计采用粘合式止水，这种止水是用环氧树脂等粘合剂将橡皮粘贴在混凝土上，施工简单，止水效果好。

第三章水力计算

由于渠道大多在一定长度内具有相同的流量、底坡、断面尺寸及相近的渠槽糙率，渠内符合明渠均匀流条件，故渠道横断面尺寸采用明渠均匀流公式来确定，即

式中：

——渡槽的过水流量（m3/s）；

——渡槽过水断面面积（m2）；

——谢齐系数，常用曼宁公式：

；

——糙率系数，钢筋混凝土槽身可取，浆砌块石槽身，根据具体情况而定，本设计n取0.014；

——水力半径（m）；

——渡槽纵坡，本设计；

槽身断面高宽比H/B影响槽身结构的纵向受力、横向稳定及进出口水流条件。

对于梁式渡槽槽身起纵梁作用，采用较大的高宽比，可提高其纵向刚度，减小梁内应力和跨中挠度，对受力有利，但槽身高度大，侧面受风面积大，横向风载大，对槽身横向稳定不利，且槽身高度大，侧面受风面积大，对槽身横向稳定不利；而高宽较小且槽底纵坡较大时，槽内水深小，为满足设计流量水面衔接进口处槽底抬高较大，此时，当渠道通过小流量时，渡槽进口常会出现较大的壅水现象，而当通过大流量时，槽前上游渠道又可能产生较长的降水段，使渠道遭受冲刷。

合理的高宽比一般应通过方案比较确定，初拟时一般可取经验值，矩形断面多采用0.6～0.8。

进出口段的连接应力求水流衔接良好，平顺的流入流出，下游渠道不发生冲刷，水头损失小，本设计采用八字翼墙使渠道与渡槽连接。

3.1渠道水力计算

由给定资料假设渠道底宽B=4m，i=1/3000。

试算过程及结果如表3.1所示：

试算表3.1

B/H

边坡l

湿周X

R=X/A

0.25

4.000

1.562

2.562

2.640

9.281

6.763

0.729

0.014

0.0003

7.143

1.056

0.3

4.000

1.488

2.688

2.806

9.613

7.544

0.785

0.014

0.0003

8.370

1.110

0.35

4.000

1.419

2.819

2.987

9.973

8.419

0.844

0.014

0.0003

9.807

1.165

0.4

4.000

1.354

2.954

3.182

10.363

9.399

0.907

0.014

0.0003

11.484

1.222

0.45

4.000

1.293

3.093

3.392

10.784

10.492

0.973

0.014

0.0003

13.434

1.280

0.5

4.000

1.236

3.236

3.618

11.236

11.708

1.042

0.014

0.0003

15.693

1.340

0.55

4.000

1.183

3.383

3.860

11.721

13.058

1.114

0.014

0.0003

18.301

1.401

0.6

4.000

1.132

3.532

4.119

12.239

14.551

1.189

0.014

0.0003

21.297

1.464

0.65

4.000

1.085

3.685

4.395

12.791

16.199

1.266

0.014

0.0003

24.728

1.527

0.66

4.000

1.076

3.716

4.453

12.906

16.548

1.282

0.014

0.0003

25.470

1.539

0.67

4.000

1.067

3.747

4.511

13.022

16.904

1.298

0.014

0.0003

26.232

1.552

0.68

4.000

1.059

3.779

4.569

13.139

17.266

1.314

0.014

0.0003

27.014

1.565

0.69

4.000

1.050

3.810

4.629

13.258

17.635

1.330

0.014

0.0003

27.817

1.577

0.7

4.000

1.041

3.841

4.689

13.378

18.012

1.346

0.014

0.0003

28.640

1.590

0.75

4.000

1.000

4.000

5.000

14.000

20.000

1.429

0.014

0.0003

33.083

1.654

0.8

4.000

0.961

4.161

5.329

14.658

22.175

1.513

0.014

0.0003

38.110

1.719

0.85

4.000

0.925

4.325

5.676

15.352

24.549

1.599

0.014

0.0003

43.777

1.783

0.9

4.000

0.891

4.491

6.042

16.083

27.131

1.687

0.014

0.0003

50.140

1.848

0.95

4.000

0.859

4.659

6.426

16.851

29.935

1.776

0.014

0.0003

57.260

1.913

4.000

0.828

4.828

6.828

17.657

32.971

1.867

0.014

0.0003

65.200

1.978

1.05

4.000

0.800

5.000

7.250

18.500

36.250

1.959

0.014

0.0003

74.025

2.042

1.1

4.000

0.773

5.173

7.691

19.381

39.785

2.053

0.014

0.0003

83.802

2.106

1.15

4.000

0.748

5.348

8.150

20.300

43.587

2.147

0.014

0.0003

94.601

2.170

1.2

4.000

0.724

5.524

8.629

21.258

47.667

2.242

0.014

0.0003

106.495

2.234

1.25

4.000

0.702

5.702

9.127

22.254

52.038

2.338

0.014

0.0003

119.557

2.297

1.3

4.000

0.680

5.880

9.644

23.289

56.71

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