圓筒式放水塔及涵洞結(jié)構(gòu)計(jì)算書

圓筒式放水塔及涵洞結(jié)構(gòu)計(jì)算書圓筒式放水塔及涵洞結(jié)構(gòu)計(jì)算書圓筒式放水塔及涵洞結(jié)構(gòu)計(jì)算書圓筒式放水塔及涵洞結(jié)構(gòu)計(jì)算書編制僅供參考審核批準(zhǔn)生效日期地址：電話：傳真:郵編:一、溢洪道加固設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)報(bào)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(jì)算，溢洪道泄洪不滿足要求?；谝绾榈来嬖谏鲜龅膯栴}，需要對(duì)溢洪道進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理。溢洪道除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)溢洪道位于大壩右側(cè)，堰頂高程為，堰頂寬度為。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(jì)，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；并加固溢洪道連接段底板?；举Y料堰頂高程：H=;正常水位：h正=;設(shè)計(jì)水位：h設(shè)=;洪峰流量：h（P=2％）=s;最大泄量：Q設(shè)=s;校核水位：h校=;洪峰流量：h（P=％）=s;最大泄量：Q校=s。水面曲線計(jì)算及邊墻高度確定1、水面曲線計(jì)算本次初步設(shè)計(jì)，溢洪道分為二段泄水槽計(jì)算。第一段泄水槽長(zhǎng)度L1=,進(jìn)口段水深h1=槽底寬度B=,坡比I=（）/=；第二段水深h2=h1末，泄水槽長(zhǎng)度L1=,寬度均為B=,坡比I=（）/=。計(jì)算公式采用成都科技大學(xué)編寫的《水力學(xué)》為：ΔS=(E2-E1)/(I-J)式中：Es1=h0+u12/2gEs2=h1+u22/2gJ=(J1+J2)/2J=u2/C2RC=R1/6/nA=X=b+2hR=A/XΔS---計(jì)算流段長(zhǎng)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=。計(jì)算結(jié)果如表、表和表。表第一段水面線計(jì)算成果表（坡降i=,段長(zhǎng)Li=）計(jì)算斷面計(jì)算水深（m）過水?dāng)嗝婷娣e（m2）流速（m/s）距始端距離（m）12345第一段泄水槽：正常水位：h0=;臨界水深：hk=;臨界坡度：Ik=；因h0<hk,屬于急流表第二段水面線計(jì)算成果表（坡降i=,段長(zhǎng)Li=）計(jì)算斷面計(jì)算水深（m）過水?dāng)嗝婷娣e（m2）流速（m/s）距始端距離（m）12345第二段泄水槽：正常水位：h0=;臨界水深：hk=;臨界坡度：Ik=；因h0＜hk,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=。消能計(jì)算原溢洪道為矩形泄水槽，平均寬度b=。無消力池長(zhǎng)度和海漫長(zhǎng)度設(shè)施。本次消能計(jì)算采用《水力學(xué)》公式為：E0=hc+Q2/2gψ2Ak2式中：E---斷面比能（m）,hc--邊墻高度(m),ψ—流量系數(shù)，取，Ak—臨界水深過水?dāng)嗝婷娣e（m2）。計(jì)算結(jié)果如表。表消能計(jì)算成果表單寬流量（m3/）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(zhǎng)度Lk(m)備注經(jīng)采用計(jì)算機(jī)《理正消能工水力計(jì)算》軟件計(jì)算，消力池水躍長(zhǎng)度為L(zhǎng)=,出口斷面落差。因此，消力池設(shè)計(jì)長(zhǎng)度采用Lk=,深度d=,滿足設(shè)計(jì)要求。溢洪道加固設(shè)計(jì)(1)基本資料土的內(nèi)摩擦角（水上）：Φ上=25°；土的內(nèi)摩擦角（水下）：Φ下=18°；土的濕容重：γs=18KN/m3；土的浮容重：γf=10KN/m3；漿砌石容重：γj=21KN/m3；墻后水位：H=；地基與墻基摩擦系數(shù)：f=。（2）擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)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(jì)算方法和工況擋墻穩(wěn)定分析按重力式擋土墻驗(yàn)算，計(jì)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（墻前處于校核水位）的工況。a．抗滑穩(wěn)定計(jì)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=；∑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(jì)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(duì)墻前趾產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩；—作用于墻體的荷載對(duì)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(yàn)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(duì)于基礎(chǔ)底面形心軸的力矩（kN·m）；W——邊墻基底面對(duì)于該底面形心軸的截面矩（m3）（4）計(jì)算結(jié)果和分析溢洪道控制段邊墻穩(wěn)定、應(yīng)力計(jì)算成果詳見表及表。表第一段溢洪道邊墻（墻高H=m）穩(wěn)定計(jì)算成果表計(jì)算內(nèi)容計(jì)算工況計(jì)算值允許值計(jì)算結(jié)果判斷抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc無泄洪滿足規(guī)范要求泄洪滿足規(guī)范要求抗傾覆安全系數(shù)Ko無泄洪滿足規(guī)范要求泄洪滿足規(guī)范要求地基應(yīng)力無泄洪[σ]=250kpa滿足規(guī)范要求泄洪[σ]=250kpa滿足規(guī)范要求計(jì)算結(jié)果表明，溢洪道邊墻穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生墻體沿基底滑動(dòng)破壞和墻體傾覆，基底應(yīng)力滿足規(guī)范要求。表第二段溢洪道邊墻（墻高H=）穩(wěn)定計(jì)算成果表計(jì)算內(nèi)容計(jì)算工況計(jì)算值允許值計(jì)算結(jié)果判斷抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc無泄洪滿足規(guī)范要求泄洪滿足規(guī)范要求抗傾覆安全系數(shù)Ko無泄洪滿足規(guī)范要求泄洪滿足規(guī)范要求地基應(yīng)力無泄洪[σ]=250kpa滿足規(guī)范要求泄洪[σ]=250kpa滿足規(guī)范要求計(jì)算結(jié)果表明，溢洪道邊墻穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生墻體沿基底滑動(dòng)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(jì)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；穿壩平管有掏空現(xiàn)象。另外，根據(jù)地形和當(dāng)時(shí)施工條件限制，輸水涵管斷面尺寸僅為Ф=,無法進(jìn)人檢修；梯級(jí)放水臺(tái)階高度不一。汛期輸水灌溉，較難操作，且造成生命危險(xiǎn)。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(jì)，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(jì)流量：Q正=m3/s;正常設(shè)計(jì)水位：H正=m;設(shè)計(jì)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(jí)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)=×。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(tái)，高程為m,層高。放水塔之后與放水隧洞相連。三、啟閉機(jī)型號(hào)的選擇1、閘門自重的估算G（查商家材料表）2、啟門力的計(jì)算計(jì)算公式：FQ=Nt(Tzd+Tzs+W)+式中：FQ---啟門力（kN）;Nt---摩阻力安全系數(shù)，?。籲g---閘門自重修正系數(shù)，??；Tzd---支承摩阻力（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(jì)算計(jì)算公式：Tzd=P(Υf+fo)/R式中：水的容重γ=10kN/m3;總水壓力P=γhB;軸輪半徑Υ=;液輪半徑R=20cm;鋼與鋼的滑摩系數(shù)f=；液摩系數(shù)fo=。4、水柱自重的計(jì)算W=γ(H-h)δB。5、止水摩阻力的計(jì)算計(jì)算公式：Tzs=γ式中：止水橡皮與閘槽面的接觸寬度b1=;作用水頭H=H-h/2(m)止水橡皮與閘槽面的摩擦系數(shù)f=；止水橡皮與閘槽的接觸長(zhǎng)度Ls=。則，止水摩阻力為：Tzs=γ(kN)。6、啟門力的計(jì)算啟門力（FQ）為：FQ=Nt(Tzd+Tzs+W)+7、閉門力的計(jì)算采用公式：Fw=nt（Tzd+Tzs）-ngG式中：Fw—閉門力（kN）;ng—閉門時(shí)，閘門修正系數(shù)，?。黄溆喾?hào)意義同上。考慮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(hào)為L(zhǎng)Q—10型。四、進(jìn)水能力的計(jì)算放水塔進(jìn)水能力通過流量為s?，F(xiàn)以進(jìn)水閘開啟度1/2的計(jì)算過水能力。1、過水能力計(jì)算采用大孔口自由岀流公式計(jì)算：Q=2μb√2g式中：μ—流量系數(shù)，取；b—孔口寬度，取b=;H1—正常水位至閘門開啟高度，H1=H2--正常水位至閘門底高度，H2=。五、通氣孔的斷面設(shè)計(jì)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(jì)，按天津大學(xué)主編的《水工建筑物》公式（2-62）進(jìn)行計(jì)算。即，Qa=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/π因此，確定選用1孔直徑D=10cm。六、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算本次設(shè)計(jì)為初步設(shè)計(jì)，因此僅對(duì)檢修時(shí)期和運(yùn)用時(shí)期進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。（1）、檢修時(shí)期穩(wěn)定計(jì)算計(jì)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(jì)算。計(jì)算公式為：σmax=∑G/F+Ixσmin=∑G/Ix式中：σmax---最大地基應(yīng)力（mpa）;σmin---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（）;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(jì)算，正常水位閘室無水，放水塔外為正常水位的情形，其計(jì)算結(jié)果為：底板面積：F=（D/2）2π(m2);底板慣性矩：Ix=πD4/64（m4）.垂直荷載：∑G=(kN);以形心為距的彎矩：My=;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，σmax=∑G/A+y上∑M/Ixσmin=∑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(huì)發(fā)生放水塔浮起來。（2）、運(yùn)用時(shí)期穩(wěn)定計(jì)算計(jì)算情況：采用校核水位，放水塔閘室充滿水進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果為：垂直荷載：∑G=(kN);以形心為距的彎矩：My=;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，σmax=∑G/A+y上∑M/Ixσmin=∑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(huì)發(fā)生放水塔浮起來。三、隧洞設(shè)計(jì)隧洞布置隧洞主要任務(wù)是引水灌溉，引水流量Q=s，布置位于大壩的右壩肩。為了減少隧洞長(zhǎng)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(zhǎng)度50m,坡降i=2%,進(jìn)水口底板高程為,出水口高程為。斷面設(shè)計(jì)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=,矩形洞身凈寬度為B=,凈高度為h=,襯砌平均厚度為D=。（1）、隧洞過水能力計(jì)算本次設(shè)計(jì)隧洞過水能力計(jì)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(jì)算公式計(jì)算。公式Q=μA√2gH0式中：μ—孔口的流量系數(shù)，取μ=，A---孔口斷面面積（m2）,H0—作用水頭（m）,取H0=(相應(yīng)放水流量)，則Q=×××√2g×=s滿足設(shè)計(jì)要求。（2）、隧洞尺寸確定經(jīng)計(jì)算，隧洞采用圓形洞頂及矩形洞身斷面，洞頂半徑R=,洞身寬度B=,高度h=。結(jié)構(gòu)計(jì)算（1）、基本資料混凝土襯砌厚度D=,隧洞長(zhǎng)度L=,過水控制流量Q=s,最大作用水頭H=,工程等別Ⅳ（小（1）型），混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值C15,鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值Ⅱ，混凝土彈性模量Ec=×105Pa,鋼筋彈性模量Es=×105Pa,鋼筋保護(hù)層