渠首安全鉴定结构计算书.doc

4.工程复核计算分析报告4.1工程概况大天生圈渠首位于沁城乡，地理位置东径9434,北纬4253。渠首距沁城乡14.0km，有乡村公路相通，沁城乡哈密市有县乡公路相通，渠首距哈密市东北部约85km，交通比较便利。该渠首建于1970年，1998年泄洪冲砂闸损坏，后由哈密市水管总站自筹资金修复。2007年泄洪冲砂闸、溢流堰冲毁，翼墙损坏，哈密市水管总站对渠首进行了改造，损毁的翼墙进行了修复。大天生圈渠首是一座以灌溉为主的引水建筑物，该渠首由进水闸、两排底栏栅廊道组成，控制灌溉面积5.16万亩，设计引水流量为5.0m3/s。设计洪水标准30年一遇，校核洪水标准100年一遇，相应的设计洪峰流量58.0m3/s，校核洪峰流量181.0m3/s，工程规模为中型、工程等别为等，主要建筑物3级，次要建筑物4级，临时建筑物5级。4.2过流能力复核计算4.2.1基本参数（1）引水闸引水闸布置在左岸，1孔，为底栏栅引水方式，两排廊道，单排廊道净宽1.0m，长30m，设计引水流量5.0m3/s。闸底板高程为2302.09m，闸顶高程为2304.19m，闸室长3.0m。引水闸闸室为钢筋混凝土结构，有闸控制，设有胸墙。启闭机梁为钢结构，工作平台及胸墙为钢筋砼结构。设有1.61.0m平板钢闸门，采用手动螺杆式启闭机，启闭力为3t，无启闭室。（2）底栏栅廊道两排底栏栅廊道，单排廊道净宽1.0m，长30m，廊道纵坡i=0.35，廊道中墩及边墙为C25F200W4钢筋混凝土结构，中墩厚0.715m，边墩厚0.5m，底板采用0.3m厚C25F200W4混凝土，底板以下基础深度1.57m，为浆砌石结构。廊道总宽度4.5m。底栏栅采用圆形钢直径40mm，长为1.28m。（3）上游铺盖及翼墙上游翼墙左岸为长58m的浆砌石挡土墙型式，墙顶高程为2262-2264m，顶部宽0.8m。上游翼墙右岸为长42.7m的浆砌石挡土墙型式，墙顶高程为2262-2264m，顶部宽0.8m，为浆砌石结构，浆砌石砂浆标号为M7.5。铺盖长度8m，厚0.5m，为浆砌石结构。齿墙为重力式，上部宽0.8m，底部宽2.8m，深5m，为浆砌石结构，浆砌石砂浆标号为M7.5。（4）下游护坦及翼墙下游翼墙左岸为长62m的浆砌石挡土墙型式，墙顶高程为2256.6-2262m，顶部宽0.8m。下游翼墙右岸为长34.6m的浆砌石挡土墙型式，墙顶高程为2258-2262m，顶部宽0.8m，底宽1.4m-2.44m，为浆砌石结构，浆砌石砂浆标号为M7.5。护坦长度20m，厚0.5m，为浆砌石结构。齿墙为重力式，上部宽0.8m，底部宽2.3m，深3m，为浆砌石结构，浆砌石砂浆标号为M7.5。齿墙后设置4.5m长，深3.0m抛石区。4.2.2引水闸过流能力计算（1）计算依据1、按堰流公式复核底栏栅引水闸的引水过流能力及渠首的泄洪能力。原底栏栅式引水廊道引水流量为5.0m3/s，廊道长30m，净宽1.0m，双排，廊道纵坡i=0.35。栅条由于洪水泥沙的冲刷弯曲变形严重，已起不到防砂效果，需进行更换。栅条采用圆钢，圆钢直径40mm，栅条间隙25mm，间隙系数为0.385。 假设来水5.0m3/s全部进入廊道内,如图所示设计时假设来水5.0m3/s全部进入廊道内,如图所示Q设= Q1廊+ Q2廊由工程经验知:第一排进水廊道Q1设=Q60%=3m3/s第二排进水廊道Q2设=Q40%=2m3/s先从第二排廊道算起（类似单排廊道计算） h2=0 由q2.66(pb) 3/2求q2，hkp,h2上式中: -栏栅孔口流量系数,设计中采用0.600.65；p-间隙系数, p=, 一般取0.300.50；b-栏栅廊道宽度(顺水流方向)其中: =0.60 p= =0.385q2=2.66(0.600.3851.0)3/2=0.295m3/s按下式计算第二排廊道的长度：考虑运行期间隙被小石子、杂草、冰屑等堵塞的可能，取堵塞系数0.5，即增加50%的栏栅面积。故实际采用的第二排廊道长度为10m。2、复核底栏栅廊道引水能力由第二排廊道长度验算第一排廊道的设计引水流量第一排廊道前缘的单宽流量q1为：q1=5/30=0.17m3/(sm)第二排廊道前缘的单宽流量q2为：q2=5*0.4/30=0.07m3/(sm)对应于q1和q2的前缘上的临界水深为：所以：h=0.8*(0.143+0.08)/2=0.089(m)h=0.8*(0.08+0)/2=0.032(m)故第一排的取水流量为：Q1=9.16 m3/s第二排的取水流量为：Q2=5.49 m3/s则，底栏栅双排廊道总取水流量为Q总=Q1+Q2=14.65 m3/s上式中: -栏栅孔口流量系数,采用0.60； p-间隙系数, p=；b-栏栅廊道宽度(顺水流方向)l-栏栅廊道长度；hcp-栏栅前沿坎上水深。计算结果：大天生圈渠首底栏栅廊道设计引水流量为Q=5.0m3/s， 经过复核计算该渠首底栏栅廊道实际引水流量为Q=14.65m3/s，因此满足设计要求。3、 引水闸过流能力复核引水闸设有胸墙，闸底板高程为2302.09m，闸顶高程为2304.19m，胸墙底高程为2302.89m，闸前最大引水位为1.5m。按以下公式复核引水闸引水流量：Q引 式中：Q-流量，m3/s；-孔流淹没系数，-孔流流量系数；he-孔口高度；B-闸孔总净宽；H-闸前水头，包括行近流速水头；-孔流流速系数，可采用0.951.0；-孔流垂直收缩系数，可按上面公式求得；r-胸墙底圆弧半径（m）；-计算系数，可由上面公式计算，该公式适用0r/he0.25；已知B=1.4m， r=0.10m，he=0.8m H=1.5m =0.95（查表）经过计算得 Q=3.59m3/s， 计算结果：大天生圈渠首引水闸设计引水流量为Q=5.0m3/s， 经过复核计算该渠首引水闸实际最大引水流量为Q=3.59m3/s，因此不满足设计要求。4.2.3 渠首泄洪能力复核渠首30年一遇洪水流量为58m3/s,100年一遇洪水流量为181m3/s。洪峰来临由溢流堰泄洪。溢流堰形式为无坎宽顶堰，堰宽30m，堰顶高程为2303.998 m，闸前实际运行最高水位为2306.598 m，堰前最大水头为2.6m。按以下公式复核渠首泄洪能力：Q（无坎宽顶堰流计算公式）Q-流量，m3/s；c侧收缩系数，c=1；m流量系数，m=0.385；b堰宽，b=30m；H堰前水头，包括行近流速水头，H=2.6m。通过上式计算得：Q214.51m3/s大天生圈渠首设计最大泄洪流量181 m3/s。通过计算，渠首实际最大泄洪能力为214.51m3/s，因此满足设计要求。4.2.4渠首水力计算复核评价渠首水力复核计算分析评价：引水闸现状尺寸不能满足下游引水需求，渠首综合泄洪能力满足泄洪要求，挡土墙墙顶高程满足安全要求。4.3消能防冲复核大天生圈渠首工程规模为中型、工程等别为等，主要建筑物3级，次要建筑物4级，临时建筑物5级。根据水利水电工程等级划分及洪水标准(SL252-2000)表3.2.4中消能防冲标准为30年一遇，相应的设计洪峰流量58m3/s。4.3.1 渠首泄洪消能防冲复核4.3.1.1 海漫设计经过复核计算，渠首30年一遇洪水流量为58m3/s,100年一遇洪水流量为181m3/s，由于底栏栅廊道泄洪单宽流量较大，流速分布不均匀，脉动较剧烈，为此，底栏栅廊道后还要设置海漫和防冲槽，以逐步调整流量和流速分布，使之达到接近天然河道的水流状态。（1）确定海漫长度采用公式：式中：海漫起端的单宽流量；泄流时的上下游水位差（m）；河床土质系数，是一个经验系数，可以查下表；表4-1 河床土质系数取值表河床土质系数粉砂、细砂中砂、粗砂、粉质壤土粉质粘土坚硬粘土Ks1413121110987为了保证足够大的冲砂流速，底栏栅廊道下游海漫宽度和廊道同宽，b=30m则： =58/30=1.93所以 （2）防冲槽设计渠首泄洪防冲设计：设计流量58m3/s，防冲槽宽30m，单宽流量q=Q/B=58/30=1.93采用公式： 式中：海漫末端的可能冲刷深度（m）海漫末端的单宽流量(m3/s-m)；河床土质的不冲速，查表得0.80m/s海漫末端的水深（m）则计算如下：dm=1.1qm/v0-hm=1.11.93/0.8-0.35=2.31m经过复核计算：表4-2 消能防冲复核结果表项目海漫段长度（m）冲沙坑深度（m）结论现状20.03.0经过复核计算渠首泄洪消能防冲满足要求复核计算后9.352.314.4防渗及闸基渗流验算4.4.1底栏栅廊道渗流稳定复核计算设计参数：两排底栏栅廊道，单排廊道净宽1.0m，长30m，廊道纵坡i=0.35，廊道中墩及边墙为C25F200W4钢筋混凝土结构，中墩厚0.715m，边墩厚0.5m，底板采用0.3m厚C25F200W4混凝土，。据地质资料底栏栅廊道地基土质为卵砾石。底板顺水流方向长度为3.715 m。底板上下游均设齿墙，上游齿墙深为1.253m，下游齿墙深为0.85m。采用改进阻力系数法进行渗透压力计算。1）有效深度计算L0=3.715m， S0=1.253m， m5mT0= =2.75m有效深度取2.75m，即相对不透水层深度为2.75m2）绘制地下轮廓图4-1 底栏栅廊道地下轮廓简化图 3）计算阻力系数 （1）进口段 S=1.253m，T=2.75m=0.901（2）底板水平段 S1=0m， S2=0m ，L=3.715 m ，T=1.501m=2.474 （3）出口段 S=0.85m，T=2.75m =0.6984）渗透压力计算（1）求各分段渗透压力水头损失值 =0.5m h1=0.111m， h2=0.304m，h3=0.086m（2）计算各角点渗压水头 H1=0.50 m，H2=0.389m，H3=0.086 m，H4=0.00 m5） 绘制渗压水头分布图图4-2 渗压水头分布图6）闸底板水平段渗透坡降和渗流出口处坡降的计算渗流出口处平均坡降 闸底板水平段渗透坡降 7）计算结果根据底栏栅廊道地基土的地基资料，水闸设计规范SL265-2001表6.0.4 查的出口段允许渗透坡降Jo允许=0.500.55,水平段的允许渗透坡降J1允许=0.220.28。渗流出口处平均坡降J0=0.10 J允=0.5,因此出口处不会产生管涌破坏。底板水平段渗透坡降Jx=0.08 J允=0.22，说明地基土与底板的接触面上不会产生接触冲刷。4.4.2引水闸渗流稳定复核计算引水闸底板与底栏栅廊道底板连接，底板采用0.3m厚C25F200W4混凝土。因此，引水闸地基无渗流，没有抗渗要求。4.5结构复核计算4.5.1基本参数（1）引水闸闸室底部总宽度2.6m，闸墩宽度0.6m，闸室有1孔，净宽为1.4m，闸墩高2.1m；闸室总长3.0m，底板厚0.3m。4.5.2引水闸闸室稳定复核计算（1）闸室基底应力计算闸室稳定计算依据水闸设计规范SL265-2001的规定，水闸布置及受力情况对称时按下式计算：式中：P闸室基底应力最大或最小值；土基上闸室基地应力最大值与最小值之比的允许值荷载组合为基本组合时2.0，荷载组合为特殊组合时2.5。G作用在闸室上的全部竖向荷载；M作用在闸室上的全部竖向荷载和水平荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩；A闸室基底面的面积；W闸室基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面距。荷载计算时，浆砌石容重22KN/m3，混凝土容重25KN/m3，土容重为22KN/m3。（2）计算结果1）完建期地基反力计算对底面垂直水流方向的形心轴取矩，计算得完建期作用荷载及力矩的计算见表4-3。表4-3 完建期作用荷载及力矩的计算表部位垂直力（KN）力臂（m）力矩(KNm)顺力矩(KNm)逆底板30.240.000.000.00闸墩142.960.0710.01胸墙6.500.684.39砼板37.880.4517.04挡土墙0.000.700.00平板闸门10.000.757.50启闭设备30.000.7522.50小计257.5717.0444.39合计27.35求地基反力： （KN/m2） 计算结果：由计算可知引水水闸在完建期地基反力最大值为40.03KN/m2，建议地基允许承载力400Kp，地基承载力满足要求。压力分布不均匀系数=1.54=2，满足规范要求。2）校核洪水位情况地基反力计算校核洪水位情况下，闸门关闭，下游没水，闸室受上游水压力作用；引水闸地基没有渗流，浮托力和渗透压力均为0，对底板垂直水流方向的形心轴取矩，计算得校核洪水位情况下作用荷载及力矩的计算见表4-4。 表4-4 校核洪水位情况下作用荷载及力矩的计算表部位垂直力（KN）水平力（KN)力臂（m）力矩(KNm)顺力矩(KNm)逆上游水压力15.750.507.88下游水压力0.000.000.00上游水重64.810.4529.17下游水重0.000.000.00渗透压力0.000.000.00浮托力0.000.000.00底板30.240.000.00闸墩142.960.0710.01胸墙6.500.684.39砼板37.880.4517.04挡土墙0.000.700.00平板闸门10.000.757.50启闭设备30.000.7522.50小计322.3846.2152.3合计6.06求地基反力： （KN/m2） 计算结果：由计算可知引水闸在 校核洪水位情况下地基反力最大值为42.89KN/m2，建议地基允许承载力400Kp，地基承载力满足要求。压力分布不均匀系数=1.08=2，满足满足规范要求。（3）闸室抗滑稳定计算土基上沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数按下式计算：式中：Kc沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；F闸室基底面与地基之间的摩擦系数；G作用在闸室上的全部竖向荷载；H作用在闸室上的全部水平向荷载；闸室基础底面与土质地基之间的摩擦角；C0闸室基底面与土质地基之间的粘接力。根据地质资料，闸室基础地基承载力400kPa，按水闸规范确定闸室基底与土质地基之间的摩擦系数f0.500.55，本次计算取0.5。校核洪水情况下：满足抗滑稳定要求（4）闸室钢筋砼板结构计算1）设计参数闸室钢筋砼板搭在边墩上，板厚h=200mmm，计算跨度L0=1.725m，采用C25混凝土及配有14245钢筋。钢筋砼板承受荷载：砼板自重以及砼板上浆砌石挡土墙自重。由附录2表1和表3查的fc=11.9N/mm2，fy=210N/mm2；由附录3表2查的As=641mm2（14240）。取板宽b=1000mm计算，钢筋保护层厚度30mm，h0=200-30=170mm。 2）荷载标准值钢筋砼板承受的荷载标准值为：均布永久荷载（板自重）： gk1=25*1.0*0.2=5.0KN/m均布永久荷载（挡土墙自重）：gk2=5*22/2.5=44.0KN/m 3）计算荷载产生的跨中最大弯矩设计值 永久荷载设计值：g=G( gk1+gk2)=1.05*(5+44)=51.45KN/m 4）计算实际能承受的弯矩设计值，故安全计算结果：由计算可知闸室钢筋砼板跨中最大弯矩设计值为19.41KN.m，实际能承受的弯矩设计值为22.01KN.m，满足满足安全要求。