水工課程課程設(shè)計河道治理工程及建筑物設(shè)計

1、課程設(shè)計說明書（河道治理工程及建筑物設(shè)計）指導(dǎo)教師 顏 宏 亮 班 級 09水電4班 姓 名 陳 帥 起止日期 06.28 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院水利工程系目錄設(shè)計提要 第一節(jié) 工程簡介.1 第二節(jié) 設(shè)計依據(jù).1 第三節(jié) 設(shè)計標準.1 第四節(jié) 混凝土和鋼筋設(shè)計強度.1 第五節(jié) 技術(shù)特性指標.1第二章 自然條件 第一節(jié) 地形地質(zhì)條件.2 第二節(jié) 氣象水文條件.3第三章 河道治理規(guī)劃第四章 蓄水工程設(shè)計 第一節(jié) 總體布置.3 第二節(jié) 水力計算.4 第三節(jié) 壩袋計算.5 第四節(jié) 充排水設(shè)計.6 第五節(jié) 底板設(shè)計.7 第六節(jié) 錨固設(shè)計.9 第七節(jié) 邊墩設(shè)計.10 第八節(jié) 泵房設(shè)計.12附圖：1.

2、河道治理平面布置圖（包括樁號、平面坐標等）2. 河道治理縱斷面圖（包括樁號、原地面高程、設(shè)計河底高程、設(shè)計邊墻高程、泄洪水面線、回水水面線、建筑物起、止點對應(yīng)樁號等）3. 河道治理橫斷面圖4.橡膠壩、泵房平面布置及縱剖面圖5. 橡膠壩橫剖面圖6. 充排水系統(tǒng)示意圖7. 充排水系統(tǒng)布置圖第一章 設(shè)計提要第一節(jié) 工程簡介 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)新校區(qū)地處泰安市東南部，是山東省重要教學(xué)基地，是山東省重點高校，每年為國家培養(yǎng)大批的優(yōu)秀畢業(yè)生。為了適應(yīng)國家新世紀對高校的要求和長遠發(fā)展需要，決定建設(shè)新校區(qū)。梳洗河從校區(qū)通過，為了校區(qū)的防洪要求，和對校區(qū)景觀的要求，學(xué)校決定對梳洗河進行治理。設(shè)計依據(jù) 1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)

3、關(guān)于進行“泰安市梳洗河蓄水工程設(shè)計”2. 山東省水利廳泰安城市防洪規(guī)劃報告1999年11月3.水利水電工程等級劃分及洪水標準SL25220004.水工鋼筋砼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范SDJ20785.橡膠壩技術(shù)規(guī)范SL227986.水閘設(shè)計規(guī)范SDJ133847.溢洪道設(shè)計規(guī)范SL2532000第三節(jié) 設(shè)計標準：該工程為小型工程，其主體建筑物按三等3級建筑物設(shè)計，防洪標準按五十年一遇設(shè)計，其它附屬工程按5級建筑物設(shè)計。 ：根據(jù)山東省地震烈度區(qū)劃，工程區(qū)地震基本烈度6，按照部頒SDJ1078水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范，不做抗震計算，僅采取構(gòu)造措施。第四節(jié) 混凝土和鋼筋設(shè)計強度工程部位強度等級抗?jié)B標號抗凍標號備 注

4、壩底板C25S4D200邊墩C20S4D200控 制 室C25S6D200 級鋼筋受拉設(shè)計強度：Rg=2100kg/cm2；級鋼筋彈性模量：Eg102kg/cm2；級鋼筋受拉設(shè)計強度：Rg=3100kg/cm2；級鋼筋彈性模量：Eg102kg/cm2；第五節(jié) 技術(shù)經(jīng)濟特性指標建筑物名稱結(jié)構(gòu)型式壩高(m)孔數(shù)(孔)長度(m)底板高程(m)壩頂高程(m)橡膠壩1單袋式雙錨固11橡膠壩2單袋式雙錨固11第二章 自然條件第一節(jié) 地形地質(zhì)條件梳洗河屬于大汶河水系，農(nóng)大新校區(qū)段位于梳洗河下游，從辛大鐵路到與白家河交匯口，全長共計2220m，其中上高大街（現(xiàn)為南外環(huán)）以北為 1310.5m，上高大街以南為。

5、根據(jù)山東省水利廳1999年批準的泰安城市防洪規(guī)劃報告，該段50年一遇最大泄洪流量為703m3/s（上高大街處），規(guī)劃河槽深5m，槽底寬55m，邊坡1：，頂寬80m，兩側(cè)各有10m寬防洪通路和20m寬綠化帶，總寬140m。新校區(qū)規(guī)劃建設(shè)已部分侵占了河道用地，根據(jù)新校區(qū)總體規(guī)劃所留尺寸，河道底寬39m，頂寬55m，每邊各留6m寬防洪通道，道路兩側(cè)各留有2m綠化帶。新校區(qū)規(guī)劃建設(shè)時未考慮防洪規(guī)劃要求，使該河段所留尺寸嚴重不足。如何采取措施，既滿足50年一遇防洪規(guī)劃的要求，又不拆除即將完工的建筑，是本次設(shè)計的重大任務(wù)。表1 工程區(qū)地層物理、力學(xué)指標地層號土層類別承載力fK(KPa)滲透系數(shù)(cm/s)

6、第層雜 填 土第層粉質(zhì)粘土8014010-5第層粉 土90140細 中 砂120180粉質(zhì)粘土80140姜 石140200第層粘 土16022010-8粉質(zhì)粘土150200第層粘 土16022010-8粉質(zhì)粘土15020010-5粘土混姜石220280姜 石240300第層粘 土18026010-8粉質(zhì)粘土160200第層中 粗 砂200300粘 土180260第層強風(fēng)化白云巖250350粘 土180220第層中等風(fēng)化白云巖120020002002年3月山東農(nóng)業(yè)大學(xué)委托山東建工學(xué)院建筑設(shè)計院，對梳洗河樞紐進行了地質(zhì)勘探，結(jié)果如下： m。橡膠壩主要坐落在第四層粘土層上，該層承載力160220Kp

7、a10-8cm/s ,滿足地基設(shè)計要求。10-5cm/s，滿足防滲要求；橡膠壩蓄水高程為，右岸校區(qū)地面高程為 127.20m，校區(qū)地面高于水面，因此蓄水不會對校區(qū)產(chǎn)生浸漬危害。氣象水文條件項目所在泰安市東面，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，春冬干冷多風(fēng)、少雨雪，夏季濕熱、雨水集中，秋長于春。年平均降雨654.3mm，降水量年內(nèi)差異很大，多年平均69月份降水量為503.8mm，占年降水量的77，具有春旱、夏澇、晚秋又旱的特點。多年平均氣溫12.9，無霜期平均190天,最大凍土深50cm。主要風(fēng)向為東南風(fēng)，多年平均風(fēng)速為3.5m/s。 梳洗河屬黃河流域大汶河水系，河道平均比降為2.24，多年平均

8、流量為3.5m3/s，最大洪峰流量為703m3s。梳洗河為行洪河道，汛期大量雨水集中下泄，易造成洪災(zāi)。第三章 河道治理規(guī)劃1.根據(jù)原河道地形圖，作出河道縱斷面圖，標出原河道中心地面線、校區(qū)地坪和河堤高程線等；2.在保證行洪要求的前提下，統(tǒng)籌全河，側(cè)重眼前，以解決“窄、損、淤、臭、費”問題的環(huán)境生態(tài)化為目標，擬定一組河道設(shè)計縱坡()；3. 擬定可能的河道橫斷面，選取合適的糙率，進行河道過流能力驗算；4.留足橋下凈空，作出設(shè)計河底線；5.調(diào)整河道平面形狀，使河道與跨河的四座橋梁正交；6.考慮回水距離、庫容大小、投資多少、美化范圍，選定橡膠壩位置（必須與河岸正交）、數(shù)量、擋水高度等布置。第四章 蓄水

9、工程設(shè)計第一節(jié) 總體布置1.底板型式及尺寸、高程（見第五節(jié) 底板設(shè)計）2.壩袋型式及高度、高程（見第三節(jié) 壩袋設(shè)計）3.鋪蓋型式及尺寸、高程4.護坦型式及尺寸、排水5.邊墩型式及尺寸、穩(wěn)定(見第七節(jié) 邊墩設(shè)計)第二節(jié) 水力計算按明渠均勻流計算，其計算公式：式中：Q 河道過流量（m3/s）n 河道糙率（取n=0.015）A 過流斷面面積(m2)R 水力半徑(m)i河道比降(取i=0.0025)將河道正常水深h0計算結(jié)果列表匯總?cè)缦拢赫Ｋ頷0試算表水深H過水面積A濕周X水力半徑R系數(shù)K流量QA1，A3A2X1，X3X2R1，R3R2K1+K3K21.00000.95 02454.83 122.

10、74 0001.39 04746.51 237.33 0001.81 07544.76 377.24 0002.21 010773.72 538.69 0112.8002.56 014076.78 703.84 0002.59 014377.83 718.89 (注：河道斷面為復(fù)式斷面，分區(qū)計算流量)當(dāng)m3/s時，水深H=2.96米，滿足要求。2. 橡膠壩過流驗算河道行洪時，橡膠壩要坍壩，以50年一遇洪水為控制情況，其過流能力按有坎寬頂堰計算。計算公式：m=Ho=5.08m H=Ho-v2/2g=5.08-1.89=3.14m 式中：側(cè)向收縮系數(shù)淹沒系數(shù)m流量系數(shù)B堰寬(m)Ho堰上總水頭(m

11、)橡膠壩過流能力計算表計算情況Q(m3/s)H(m)上游設(shè)計洪水位河堤頂高程1號壩2號壩1號壩2號壩50年一遇703第三節(jié) 壩袋設(shè)計1.控制條件: 采用定型壩袋，壩袋型號為JBD1.0-60-1型，壩高1.0m，壩袋計算 壩袋環(huán)向單寬拉力： T=1/41021-1KN/m H0 = a H式中：-水的比重（kN/m3） H0-壩內(nèi)壓力水頭(m) H1- 壩高(m) a-壩袋內(nèi)外壓比壩袋有效周長 L0=S1+S+n1+xm采用螺栓壓板雙錨固：錨固長度每側(cè)取，則壩袋加工周長l1=s1+s+m底板墊片加工長度：l2=n1+x0+m上游壩袋圓弧半徑R1=(2H0H1H2)/4(H0-H1)m壩袋單位長

12、度容積：V0=H0X0+(1/2)R1-a1(1/2)n1(R1H1)m3壩袋容積：V = V0 Lm3以上計算結(jié)果匯總列成壩袋設(shè)計指標表如下（要求壩袋強度設(shè)計安全系數(shù)k大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)k） 某充水式橡膠壩袋定型規(guī)格表壩高(m)內(nèi)壓比內(nèi)壓水頭H0計算強度T(KN/m）有效周長（m)壩袋單寬容積（m3/m） 錦綸帆布壩袋型號型號經(jīng)緯 1J6060160/60壩袋強度設(shè)計安全系數(shù)：k=60/5.0=12.0k 滿足設(shè)計要求。第四節(jié) 充排水設(shè)計 據(jù)橡膠壩所處的地形、水源以及運用等條件，橡膠壩充水采用河水充水方案，壩袋排水以抽排為主。在距壩上游10m處設(shè)集水井作為水泵的吸水池，充排共用一套管路系

13、統(tǒng)，充排由閘閥控制，所有控制設(shè)備及觀測設(shè)備都布置在控制室內(nèi)。1、機泵型號選擇根據(jù)國內(nèi)已建橡膠壩工程的統(tǒng)計，橡膠壩的充壩時間一般為23小時，坍壩時間為12小時。根據(jù)本工程的引水需要和該橡膠壩運用情況，分別確定其充壩時間為2小時，坍壩時間為1小時。充水流量Q充=V/T=m3/h排水流量Q排=V/T=m3/h選用兩臺IS100-65J-200B型單級吸懸臂式離心泵，單泵流量為Q0m3/h，揚程H=9.5m，轉(zhuǎn)速n=1450r/min，配套電動機為Y100L1-4型電動機，功率為2.2Kw,進水管直徑200mm，排水管直徑400mm。2、集水井設(shè)計 集水井的容積要滿足壩袋充水時的水量。集水井也可結(jié)合景

14、觀噴水池設(shè)置，并考慮管道自來水作為備用水源。3、超壓溢流管的設(shè)置為確保壩袋在充水情況下不致超壓破壞，在壩左端設(shè)置超壓溢流管，1號、2號壩的溢流管入口高程分別為 米和 米，溢流管出水口的高程分別為 米和 米。超壓管的設(shè)置，必須保證在超壓下，超壓管出水量大于或等于充水量，才能確保壩袋的安全。取溢流管d = 400mm，其出水流量：=1(2100.3)m3/s=1107m3/h式中：Q 出水量(m3/s)； 管斷面面積(m2)；c管道設(shè)計流量系數(shù)；H0 出水口水頭（）；局部水頭損失之和。沿程水頭損失之和。Q Q充,則滿足安全要求。4、排氣管布置采取壩袋排氣孔與壩內(nèi)設(shè)排氣管相結(jié)合的方法。除在兩壩端袋壁

15、上設(shè)排氣孔外，在壩袋內(nèi)設(shè)50膠管，與壩袋聯(lián)在一起，通過底板內(nèi)預(yù)埋的鋼管將氣排出，1號、2號壩的出氣口高程分別為 米和 米。表3-5 充排水系統(tǒng)主要指標表項目單位1號橡膠壩2號橡膠壩袋內(nèi)設(shè)計充水量m3壩袋充脹時間h22壩袋排空時間h 11充水管內(nèi)徑mm300300排水管內(nèi)徑mm300300溢流管內(nèi)徑mm400400閘閥個22水泵臺22 第五節(jié) 底板設(shè)計1.底板的尺寸擬定橡膠壩底板順水流向的長度：（式中：L1,L2為交通道寬度，取L1=L2Ld 底板長度。2.厚度與高程底板厚一般取，1號、2號壩的頂高程根據(jù)壩軸線處河底高程及壩高確定。 1、2號橡膠壩均建在土基上，根據(jù)其運用條件，確定其小底板的計算

16、條件為壩體充水到設(shè)計壩高，1、2號壩上游水位分別為 m和 m，下游無水。（1）荷載自重：25靜水壓力：水平的10 鉛直的（袋內(nèi)的、壩前的）10 揚壓力：10（2）荷載組合基本荷載組合：底板與充水壩體的自重、靜水壓力、揚壓力及底板上水體重量。底板穩(wěn)定計算表（對上游齒墻下端點取矩） 荷載名稱垂直力（kN）水平力(kN)力矩（KN/m)抗傾抗覆底板上壩袋自重及水重底板自重水平水壓力揚壓力合計抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：式中：K抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) f0底板砼與土基接觸面的摩擦系數(shù)(f0) w作用在底板上的全部垂直荷載之和(kN) P作用在底板全部水平荷載之和(kN) 代入公式計算得到可能最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K，若

17、K 規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)k，則抗滑穩(wěn)定滿足要求。式中: L底板順水流向的長度(m)各力對底板上游端點的力矩和(kNm)W作用在底板上的垂直力和（kN）164.3地基應(yīng)力不均勻系數(shù) :=max/min= 698.20/458.82=1.52=2 =2，則滿足規(guī)范要求。5底板結(jié)構(gòu)計算5.1荷載計算取壩頂對應(yīng)的底板兩側(cè)米寬板條計算，板條垂直于水流方向的長度米(1)水壓力： q1=KN/m(2)水重： q2=KN/m(3)底板重: q3=KN/m(4)揚壓力: q4=KN/m 5.2強度計算視板條為彈性地基梁進行計算q=q1+ q2+ q3q4KN/m底板為C10砼，泊松比，壓縮模量Eh106kN/m2

18、 ，基礎(chǔ)的泊松比，壓縮模量Ed102kN/cm2，參照水閘閘室結(jié)構(gòu)計算方法手算或利用水利水電工程PC1500程序集計算其結(jié)果如下：彎矩 Mmax=kNm反力 qmax=kN剪力 Qmax=kN不均勻沉陷量：5.3配筋計算由于底板內(nèi)力較小，所以僅配構(gòu)造筋。 垂直水流向底層筋：12200 順水流向底層筋：10200 垂直水流向頂層筋：10200順水流向頂層筋：10200第六節(jié) 錨固設(shè)計1、2號橡膠壩均采用螺栓壓板雙錨固，根據(jù)經(jīng)驗資料和橡膠壩廠出產(chǎn)的構(gòu)造錨固配件，初步確定螺栓直徑10mm，壓板厚度10mm，寬度400mm,螺栓、壓板均采用3號鋼。1、螺栓直徑d驗算根據(jù)橡膠壩技術(shù)規(guī)范，螺栓間距取，其計

19、算公式為T0=KT=3 =45.25N/mm2式中：Q0 每根螺栓承受的荷載（kN）T0 單位長度螺栓計算荷載（kN/m）k1 栓緊力及扭轉(zhuǎn)力的影響系數(shù)（k1） n 單位長度內(nèi)螺栓根數(shù)（n=5） d 螺栓直徑（d）經(jīng)計算= N/mm2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范3號鋼的抗拉強度=215N/mm2，即螺栓厚度與直徑滿足要求。規(guī)范規(guī)定螺栓錨固深度不小于250mm且不小于25d，因底板500mm厚，螺栓埋置深度受到限制,應(yīng)在螺栓底部做彎鉤與基礎(chǔ)底板下層鋼筋牢固地焊接在一起。壓板強度驗算： kNm =0.6/(1/6 N/mm2式中：壩袋拉力作用在底板上產(chǎn)生的彎矩（kNm）L 螺栓中心至壓板邊緣的距離（m）K2安

20、全系數(shù)（K2）WZ抗彎截面系數(shù)（m3）經(jīng)計算：= N/mm2 =215 N/mm2通過以上計算知：橡膠壩螺栓壓板錨固采用直徑螺栓，寬度0.19m,厚度的壓板滿足其強度要求。根據(jù)煙臺力大水利配件生產(chǎn)的橡膠壩錨固配件可采用IM-150型號。第七節(jié) 邊墩設(shè)計 橡膠壩處的邊墩采用混凝土結(jié)構(gòu)，墩頂厚度為m，見圖1。消能段的邊墻采用漿砌石，外形尺寸與邊墩相同。以完建期河道內(nèi)未蓄水、墩后地下水位與墩頂齊平情況為計算條件，對邊墩的抗滑、抗傾穩(wěn)定和基底壓力驗算。一、邊墩外形尺寸圖1橡膠壩處邊墩橫斷面圖(單位:mm)二、穩(wěn)定計算1、計算條件施工剛建成，河道內(nèi)還沒有蓄水或塌壩后墩后水位最高（與墩頂齊平）時，是邊墩穩(wěn)

21、定最不利情況。邊墩尺寸如圖1所示，橡膠壩處的邊墩取單寬1m計算。2、荷載計算 = 1 * GB3 水平土壓力計算: 墻后填土選用優(yōu)質(zhì)粘土防滲，分層夯實回填，土壓力按主動土壓力計算，近似采用朗金公式:320.6621530.662152/10.1= KN式中：Pa主動土壓力(kN/m)土的浮容重（=10. 1kN/m3）土的粘聚力（c=15kN/m2） H邊墩高(H=m) 土的內(nèi)摩擦角(=12) Ka主動土壓力系數(shù)Ka=tan2（45-G1125=4.5 KN G24125=50 KNG3= 0.3125=27KN G4=1.50.6125= KNG5= 0.53125=KN G6=0.50.9

22、31= KNG7=0.63110.1=KN 經(jīng)計算,橡膠壩處：Pa= kN/m；荷載計算結(jié)果見下表：橡膠壩處邊墩荷載計算結(jié)果表（對A點取矩）代號力(kN)力臂(m)力矩（kNm）G1G2G3G4G5G6G7Pa0.39P合計3、邊墩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù):K=f0G/P式中：K抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) f0 邊墩底與土基接觸面的摩擦系數(shù)(f0=0.3) P作用在邊墩上的水平力之和( kN )4、偏心距e的計算：橡膠壩處邊墩及消力池處邊墩偏心距e的計算公式:式中:B 邊墩垂直水流方向的長度(m)M 各力對邊墩A點的力矩和(kNm)G 作用在邊墩底上的垂直力和(kN )5、邊墩抗傾穩(wěn)定安全系數(shù):（對于合力偏心距

23、大于等于1/4基底寬的邊墻） K0=M穩(wěn)定/M傾覆式中：K0邊墩抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)，對計入地震的特殊荷載組合，其余荷載組合K01.5。 M穩(wěn)定邊墩穩(wěn)定力矩和(kNm)M傾覆邊墩傾覆力矩和(kNm)邊墩地基應(yīng)力計算 (16地基反力的不均勻系數(shù):=max/min =1.32 ，計算結(jié)果見下表：邊墩抗滑穩(wěn)定及地基應(yīng)力計算結(jié)果表K抗滑K抗傾e(m)max(kN/m2)min(kN/m2)橡膠壩邊墩規(guī)范規(guī)定值根據(jù)以上計算結(jié)果可知：計算的邊墩抗滑安全系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定的允許抗滑安全系數(shù)，抗傾安全系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定的允許抗傾安全系數(shù)；對照地質(zhì)報告，邊墩地基應(yīng)力小于地基承載力，地基不均勻系數(shù)小于規(guī)范規(guī)定的。第八節(jié) 泵房設(shè)計橡膠壩充排水水泵泵房為鋼筋砼箱形結(jié)構(gòu)，邊墻高，上蓋板為30cm厚鋼筋砼板，泵房平面尺寸見圖3。為保證泵房安全，對泵房整體的抗滑穩(wěn)定、抗傾、基底壓力進行計算。 一、泵房平面尺寸圖3 泵房平面尺寸圖 (單位:mm) 二、泵房基底計算1、荷載計算土壓力的計算: 墻后填土選用優(yōu)質(zhì)粘土，分層夯實回填，土壓力按主動土壓力計算，其公式:式中：Pa主動