圓筒式放水塔及涵洞結(jié)構(gòu)計算書

1、一、溢洪道加固設(shè)計溢洪道位于大壩右側(cè)，為開敞式寬頂堰溢洪道。根據(jù)安全評價報告及其結(jié)論:溢洪道漿砌石外包砼結(jié)構(gòu)邊墻，兩側(cè)漿砌石襯砌開裂、老化嚴(yán)重，底板沖刷破壞有裂縫，裂縫寬為2cm；溢洪道尾部出現(xiàn)沖刷坑。經(jīng)本次水文分析計算，溢洪道泄洪不滿足要求。 基于溢洪道存在上述的問題，需要對溢洪道進(jìn)行除險加固處理。5.5.1溢洪道除險加固設(shè)計溢洪道位于大壩右側(cè)， 堰頂高程為102.87m，堰頂寬度為20.0m。溢洪道原漿砌石老化嚴(yán)重，底板沖刷破壞有裂縫，尾部出現(xiàn)沖刷坑，且泄洪能力不滿足要求。本次初步設(shè)計，擬加固溢洪道左岸漿砌石邊墻及底板，拆除右岸漿砌石邊墻，加寬溢洪道5m,以致其由原來凈寬20m增至25m；

2、并加固溢洪道連接段底板。5.5.2基本資料堰頂高程：H=101.87m;正常水位：h正=101.87m;設(shè)計水位：h設(shè)=103.23m;洪峰流量：h（P=2）=96.90m3/s;最大泄量：Q設(shè)=77.52m3/s;校核水位：h校=103.79m;洪峰流量：h（P=0.2）=133.40m3/s;最大泄量：Q校= 112.73m3/s。5.5.3水面曲線計算及邊墻高度確定1、水面曲線計算 本次初步設(shè)計，溢洪道分為二段泄水槽計算。第一段泄水槽長度L1=18.50m,進(jìn)口段水深h1=103.79-101.87=1.92m,槽底寬度B=25.0m,坡比I=（101.87-99.57）/18.50=0

3、.124；第二段水深h2=h1末，泄水槽長度L1=3.70m,寬度均為B=25.0m,坡比I=（99.57-97.14）/3.70=0.657。計算公式采用成都科技大學(xué)編寫的水力學(xué)為： S=(E2-E1)/(I-J)式中：Es1=h0+u12/2gEs2=h1+u22/2g J=(J1+J2)/2 J=u2/C2R C=R1/6/n A=b.h X=b+2h R=A/XS-計算流段長度（m）,E-斷面比能（m）,J水力坡度，U斷面平均流速（m/s）,A-過水?dāng)嗝婷娣e（m2）,b-斷面水面寬度（m）,X-濕周（m）,R-水力半徑（m）,C-謝才系數(shù)，n泄水槽粗糙系數(shù)，漿砌石水泥砂漿抹面取n=0.

4、017。計算結(jié)果如表5.5-1、表5.5-2和表5.5-3。表5.5-1 第一段水面線計算成果表（坡降i=0.124,段長Li=18.5m）計算斷面計算水深（m）過水?dāng)嗝婷娣e （m²）流 速（m/s）距始端距離（m）11.9248.002.350.0020.7518.726.024.6330.6616.566.819.2540.6115.187.4313.8850.5714.427.9418.50 第一段泄水槽： 正常水位：h0=0.406m; 臨界水深：hk=1.275m;臨界坡度：Ik=0.0030； 因h0 <hk , 屬于急流表5.5-2 第二段水面線計算成果表（坡降i

5、=0.657,段長Li=3.70m）計算斷面計算水深（m）過水?dāng)嗝婷娣e （m²）流 速（m/s）距始端距離（m）10.5714.257.910.0020.5313.168.570.9330.4912.319.161.8540.4711.639.702.7850.4411.0610.193.70第二段泄水槽： 正常水位：h0=0.245m; 臨界水深：hk=1.275m;臨界坡度：Ik=0.0030； 因h0hk , 屬于急流。2、邊墻高度的確定 H=hc+a式中：H-邊墻高度(m), Hc-校核工況水深（m）,安全超高（m）,取a=0.5m。5.5.4 消能計算原溢洪道為矩形泄水槽，

6、平均寬度b=14.00m。無消力池長度和海漫長度設(shè)施。本次消能計算采用水力學(xué)公式為：E0=hc+Q2/2g2Ak2式中：E-斷面比能（m）,hc-邊墻高度(m), 流量系數(shù)，取0.90， Ak臨界水深過水?dāng)嗝婷娣e（m2）。計算結(jié)果如表5.5-3。表5.5-3 消能計算成果表單寬流量（m³/s.m）堰頂水深 ht(m)躍前水深hc(m)躍后水深hc"(m)消力池水 深 T(m)消力池長度Lk(m)備注4.5091.920.4482.630.5011.30經(jīng)采用計算機(jī)理正消能工水力計算軟件計算， 消力池水躍長度為L=11.30m,出口斷面落差0.45m。因此，消力池設(shè)計長度采用

7、Lk=11.50m,深度d=0.50m,滿足設(shè)計要求。5.5.5 溢洪道加固設(shè)計(1)基本資料土的內(nèi)摩擦角（水上）：上=25°；土的內(nèi)摩擦角（水下）：下=18°；土的濕容重： s=18KN/m³；土的浮容重： f=10KN/m³；漿砌石容重： j=21KN/m³；墻后水位： H=1.00m；地基與墻基摩擦系數(shù)： f=0.5。 （2）擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計 本次設(shè)計擋土墻結(jié)構(gòu)、消力池結(jié)構(gòu)如圖蘇六-初設(shè)-溢洪道（1）。（3）穩(wěn)定計算方法和工況擋墻穩(wěn)定分析按重力式擋土墻驗算，計算工況為溢洪道擋土墻最不利及正常運(yùn)行情形，即溢洪道泄槽無泄洪（墻前無水）及泄洪（墻

8、前處于校核水位）的工況。a抗滑穩(wěn)定計算式中:基底抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)； 基底面與地基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)，f=0.50； G作用于擋墻上的全部豎向荷載（包括擋墻基礎(chǔ)底面上的揚(yáng)壓力，kN）； H作用于擋墻上的全部橫向荷載（kN）；b.抗傾穩(wěn)定計算 式中:Kf 閘室抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)； 作用于墻體的荷載對墻前趾產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩； 作用于墻體的荷載對墻前趾產(chǎn)生的傾覆力矩；K?？箖A覆穩(wěn)定完全系數(shù)。c基底應(yīng)力驗算式中:Pmax/min翼墻基底應(yīng)力的最大值或最小值（kPa）；G 作用于翼墻上的全部豎向荷載（包括基礎(chǔ)底面上的揚(yáng)壓力，kN）； A翼墻基底面的面積（m2）；作用于翼墻上的全部豎向和水平向荷載對于基礎(chǔ)底

9、面形心軸的力矩（kN·m）；W邊墻基底面對于該底面形心軸的截面矩（m3）（4）計算結(jié)果和分析溢洪道控制段邊墻穩(wěn)定、應(yīng)力計算成果詳見表5.5-4及表5.5-5。表5.5-4 第一段溢洪道邊墻（墻高H=2.2 m）穩(wěn)定計算成果表計算內(nèi)容計算工況計算值允許值計算結(jié)果判斷抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc無泄洪 1.231.05滿足規(guī)范要求泄洪1.521.05滿足規(guī)范要求抗傾覆安全系數(shù)Ko無泄洪2.431.4滿足規(guī)范要求泄洪1.721.4滿足規(guī)范要求地基應(yīng)力無泄洪88.14=250kpa滿足規(guī)范要求泄洪75.87=250kpa滿足規(guī)范要求計算結(jié)果表明，溢洪道邊墻穩(wěn)定，不會產(chǎn)生墻體沿基底滑動破壞和墻體傾覆，

10、基底應(yīng)力滿足規(guī)范要求。表5.5-5 第二段溢洪道邊墻（墻高H=1.00m）穩(wěn)定計算成果表計算內(nèi)容計算工況計算值允許值計算結(jié)果判斷抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc無泄洪 1.381.05滿足規(guī)范要求泄洪2.571.05滿足規(guī)范要求抗傾覆安全系數(shù)Ko無泄洪2.741.4滿足規(guī)范要求泄洪2.161.4滿足規(guī)范要求地基應(yīng)力無泄洪35.90=250kpa滿足規(guī)范要求泄洪26.76=250kpa滿足規(guī)范要求計算結(jié)果表明，溢洪道邊墻穩(wěn)定，不會產(chǎn)生墻體沿基底滑動破壞和墻體傾覆，基底應(yīng)力滿足規(guī)范要求。二 放水塔設(shè)計原放水設(shè)施為無壓輸水涵洞及筒塔式結(jié)構(gòu)。由于建筑材料年久老化，所有砌體砂漿脫落，部分斜管局部出現(xiàn)有裂縫，漏水嚴(yán)重

11、；穿壩平管有掏空現(xiàn)象。另外，根據(jù)地形和當(dāng)時施工條件限制，輸水涵管斷面尺寸僅為=0.5m,無法進(jìn)人檢修；梯級放水臺階高度不一。汛期輸水灌溉，較難操作，且造成生命危險。 本水庫四周環(huán)繞村莊，且在大壩左岸大片山頭進(jìn)行了生態(tài)農(nóng)業(yè)開發(fā)-果樹種植承包。本次初步設(shè)計，擬廢棄原輸水涵管，新建輸水隧洞和圓筒式放水塔。一、基本資料（1）、各種特征水位根據(jù)水文核算，各水庫各種特征水位如下：正常設(shè)計流量： Q正= m³/s;正常設(shè)計水位： H正= m;設(shè)計 洪水 位： H設(shè)= m;校核 洪 水位： H校= m;死 水 位： H死= m;最大引水流量： Q引= m³/s。（2）、地質(zhì)情況放水塔地基為

12、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，裂隙較發(fā)育，透水性中等。 二、結(jié)構(gòu)形式放水塔采用鋼筋混凝圓筒式結(jié)構(gòu)，筒高 m,采用一級放水。設(shè)有檢修閘一扇、工作閘各一扇，均為鋼閘門，尺寸均為(b×h)=1.0×1.4m。塔身為圓筒式結(jié)構(gòu)，壁厚高程 m以上為30cm,筒頂高程 m。筒頂以上為圓筒式磚混結(jié)構(gòu)啟閉平臺，高程為 m,層高3.00m。放水塔之后與放水隧洞相連。三、啟閉機(jī)型號的選擇1、閘門自重的估算 G（查商家材料表）2、啟門力的計算計算公式：FQ=Nt(Tzd+Tzs+W)+ng.G式中：FQ-啟門力（kN）; Nt-摩阻力安全系數(shù)，取1.2； ng-閘門自重修正系數(shù)，取1.1； Tzd-支承摩阻力（

13、kN）; Tzs-止水摩阻力（kN）;W門頂上水柱重（kN）;G閘門自重（kN）。3、支承摩阻力的計算計算公式： Tzd=P(f+fo)/R式中：水的容重 =10kN/m3;總水壓力 P=(H-0.5h)hB ; 軸輪半徑 =3.25cm; 液輪半徑 R=20cm; 鋼與鋼的滑摩系數(shù) f=0.4；液摩系數(shù) fo=0.1cm。4、水柱自重的計算 W=(H-h)B 。5、止水摩阻力的計算計算公式：Tzs=b1.H.Ls.f式中：止水橡皮與閘槽面的接觸寬度 b1=0.02m; 作用水頭 H=H-h/2(m) 止水橡皮與閘槽面的摩擦系數(shù) f=0.65；止水橡皮與閘槽的接觸長度 Ls=4.00m。則，止

14、水摩阻力為：Tzs=b1.H.Ls.f (kN)。 6、啟門力的計算 啟門力（FQ）為：FQ=Nt(Tzd+Tzs+W)+ng.G 7、閉門力的計算采用公式：Fw=nt（Tzd+Tzs）-ngG式中：Fw閉門力（kN）; ng閉門時，閘門修正系數(shù)，取0.9；其余符號意義同上?？紤]到閘門上的水柱及拉桿重量，不須加重閘門，即可自行關(guān)閉。所以，選用啟閉機(jī)型號為LQ10型。四、進(jìn)水能力的計算放水塔進(jìn)水能力通過流量為0.5m³/s。現(xiàn)以進(jìn)水閘開啟度1/2的計算過水能力。1、過水能力計算采用大孔口自由岀流公式計算： Q=2b2g(H21.5-H11.5)/3式中：流量系數(shù)，取0.65； b孔口寬

15、度，取b=0.80m; H1正常水位至閘門開啟高度，H1=101.87-98.0-0.7=3.17m; H2-正常水位至閘門底高度，H2=3.87m。 五、通氣孔的斷面設(shè)計為了減少閘門的啟閉力，擬在放水塔的工作閘門后設(shè)置通氣孔。通氣孔的斷面設(shè)計，按天津大學(xué)主編的水工建筑物公式（2-62）進(jìn)行計算。即，Qa=0.09VwA a> Qa /Va式中：Qa通氣孔的通氣量； Vw閘門孔口的水流速（m/s）;A-閘門后隧道面積（m²）;Va通氣的容許風(fēng)速，采用2.0m/s;a-通氣孔的斷面積（m²）。 擬采用圓形斷面通氣孔，通氣孔直徑（D）為：D= 4a/ (m)因此，確定選用

16、1孔直徑D=10cm。六、 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算 本次設(shè)計為初步設(shè)計，因此僅對檢修時期和運(yùn)用時期進(jìn)行穩(wěn)定計算。（1）、檢修時期穩(wěn)定計算計算情況：采用正常水位閘室無水，放水塔外為正常水位進(jìn)行計算。計算公式為：max=G/F+My.yc/Ix min=G/F-My.yc/Ix式中：max-最大地基應(yīng)力（mpa）;min-最小地基應(yīng)力（mpa）;G-垂直荷載總和（KN）;F底板面積（m²）;My-合力重新到形心產(chǎn)生的彎矩（kN.m）;yc-底板形心到底板上下游邊緣的距離（m）;Ix-底板慣性矩（m4）。經(jīng)計算，正常水位閘室無水，放水塔外為正常水位的情形，其計算結(jié)果為：底板面積：F=（D/2）

17、78;(m²);底板慣性矩：Ix=D4/64（m4 ）. 垂直荷載：G=(kN);以形心為距的彎矩：My=(kN.m);合力偏心距：e=Mi/Gi ;合力與底板上游邊緣的距離：y上= h/2-e（m）;合力與底板下游邊緣的距離：y下= h/2+e（m）;則，max= G/A+y上M/Ix min= G/A+y下M/Ix由此可見，放水塔四周均受水壓力的作用，水壓力相互抵消，故不存在抗滑穩(wěn)定的問題。再且，上部垂直重量大于浮托力G= (kN)，因此，也不會發(fā)生放水塔浮起來。（2）、運(yùn)用時期穩(wěn)定計算計算情況：采用校核水位，放水塔閘室充滿水進(jìn)行計算。計算結(jié)果為：垂直荷載：G=(kN);以形心為

18、距的彎矩：My=(kN.m);合力偏心距：e=Mi/Gi ;合力與底板上游邊緣的距離：y上= h/2-e ;合力與底板下游邊緣的距離：y下= h/2+e 。則，max= G/A+y上M/Ixmin= G/A+y下M/Ix由此可見，放水塔四周均受水壓力的作用，水壓力相互抵消，故不存在抗滑穩(wěn)定的問題。另外，上部垂直重量G= (kN) ，因此，也不會發(fā)生放水塔浮起來。三、隧洞設(shè)計 5.7.1隧洞布置 隧洞主要任務(wù)是引水灌溉，引水流量Q=0.10m³/s，布置位于大壩的右壩肩。為了減少隧洞長度，隧洞中心線盡可能采用直線，進(jìn)口與放水塔連接，出口與灌溉渠道連接。總長度50m,坡降i=2%,進(jìn)水口

19、底板高程為98.00m,出水口高程為97.00m。 5.7.2 斷面設(shè)計 隧洞采用圓形洞頂及矩形洞身斷面，鋼筋混凝土襯砌的無壓箱涵結(jié)構(gòu)。為便于施工及檢修，擬定隧洞圓形洞頂半徑R=0.6m, 矩形洞身凈寬度為B=1.20m,凈高度為h=1.0m, 襯砌平均厚度為D=0.25m。 （1）、隧洞過水能力計算 本次設(shè)計隧洞過水能力計算，采用高等教育出版社，大連理工大學(xué)水力教研室編水力學(xué)解題指導(dǎo)及習(xí)題集，小孔口自由出流計算公式計算。 公式 Q=A2gH0 式中：孔口的流量系數(shù)，取=0.60，A-孔口斷面面積（m²）,H0作用水頭（m）,取H0=0.5m(相應(yīng)放水流量)，則Q=0.6×0.5×1.2×2g×0.25=1.22m³/s 滿足設(shè)計要求。（2）、隧洞尺寸確定 經(jīng)計算，隧洞采用圓形洞頂及矩形洞身斷面，洞頂半徑R=0.6m, 洞身寬度B=1.20m,高度h=1.0m。 5.7.3 結(jié)構(gòu)計算（1）、基本資料 混凝土襯砌厚度 D=0.25m,隧洞長度 L=50.0m,過水控制流量 Q=0.50m³/s,最大作用水頭 H=5.79m,工程等別 （?。?）型），混凝土強(qiáng)度設(shè)計值 C15,鋼筋強(qiáng)度設(shè)計值 ，混凝土彈性模量 Ec=2.2×105Pa,鋼筋彈性模量