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《水工建筑物》课程实训任务及指导书（适用于水建A09级）山东水利职业学院水利工程系水工教研室2011年6月1《水工建筑物》课程实训任务书一、课程实训的目的：1.系统地巩固和加深《水工建筑物》课程学习的基本知识、基本理论，掌握本专业建筑物设计的基本技能；2.掌握有关实际工程设计的基本原则、内容、方法、步骤及设计时应注意的分析问题、解决问题的能力；3.培养学生水利工程设计计算方法，提高计算能力；4.培养学生专业绘图及编写设计文件的基本技能。二、工程基本资料；㈠工程设计标准山东某引黄灌区的进水闸。在引水口的黄河大堤之外为一低洼荒碱地，为一良好的沉沙区。整个灌区地形为西北高东南低。工程处黄河沿岸的地面高程一般在14m左右。该闸是灌区工程的主要水工建筑物。其任务是保证在无坝引水的条件下，满足灌区用水的要求。该引水闸设计引水流量Q=120m3/s，闸前设计水位（保证率75%）为▽12.7m，引水角（水闸中心线与黄河中泓线方向的夹角）为40°，引水渠段（水闸垂直水流方向的轴线距离河岸的距离）为150m。闸前的引水渠段渠底高程为▽10.0m，底宽为60m，两岸的边坡为1:2。在高程为▽15m处设一平台，宽度为2.0m。高程▽15m到▽19.5m的边坡为1:2.5。闸后灌区渠首底高程为▽10.0m。㈡工程设计指标A.建筑物等级：1级；B.设计荷载组合基本组合：设计洪水位情况，上游水位为▽17.0m，下游设计水位为▽12.0m，风速为14m/s。2特殊组合：校核洪水位情况，上游水位为▽18.5m，下游水位为▽12.5m，风速为14m/s。C.地基情况闸底板位于砂壤土，其力学性能指标较好。其各项指标如下：抗剪强度指标：φ水下=25°；φ水上=30°；地基承载能力：P=165Mpa；渗径系数（勃莱系数）：c=9.0；密度：r干=15kN/m3；r湿=18.5kN/m3；r浮=10kN/m3；r饱=20kN/m3；土壤凝聚力：c水上=10kN/m2；c水下=5Kn/m2；D.地基允许不均匀系数：〔η〕=2.6~3.0；E.抗滑稳定安全系数：〔k〕设计=1.30；〔k〕校核=1.10；F.建筑物与地基的摩擦系数：f=0.4~0.5；G.建筑材料：该地区为冲积平原，砂、石需从外地运输；H.该水闸有交通要求，该区地震烈度为7度，要求按照7度设防；I.本地区有交通要求，交通桥宽度一般为4～5m；不考虑地震要求。三、设计要求遵循安全、实用、经济合理、施工管理方便、技术先进等原则，保证质量、保证进度完成所布置的设计任务。四、设计任务及时间分配㈠闸址选择（包括熟悉原始资料、了解设计任务）（0.5天）㈡水闸总体布置1.主要建筑物的形式选择及尺寸拟定；（1.0天）2.闸孔设计；﹙1.0天﹚3.水闸消能防冲设计；﹙1.0天﹚4.水闸访渗设计。﹙1.0天﹚3㈢闸室稳定计算（1.5天）㈣两岸连接建筑物尺寸拟定﹙1.0天﹚㈤图纸绘制及设计计算说明书编写（3.0天）五、设计成果及成绩评定本次设计完成后应提交设计计算说明书一份（25~35页）、水闸平面布置图及纵剖面图各一份。学生设计成绩，应根据学生设计完成后提交的成果质量、设计过程中的表现、设计时的出勤状况等情况综合评定，成绩分为优秀、良好、及格、不及格四级，成绩不合格者要求重做。参考标准如下：1、优秀①实训积极，遵守纪律，表现好。②能按时优异地完成设计任务，能熟练地运用所学理论和专业知识，在某些方面有独特的见解。③设计计算说明书完整、正确，概念清楚，文字通顺，书写工整，图纸齐全，符合要求。2、良好①实训积极，遵守纪律，表现较好。②能按时独立完成设计任务，较熟练地运用所学理论和专业知识，具有一定的综合分析和解决问题的能力。③计算说明书完整、正确，概念清楚，文字通顺，书写工整，图纸齐全，符合要求。3、及格①实训态度及表现一般。②勉强完成设计任务，基本达到要求，综合分析和解决问题的能力较差。③计算说明书基本完整、正确，书写工整，图纸齐全，基本符合要求。4、不及格4①实训不努力，表现较差。②未能达到规定的基本要求，设计中有原则性错误。③计算说明书不完整，概念不清，图纸不齐全或不符合要求。5《水工建筑物》课程实训指导书一、了解设计任务、阅读分析基本资料1.明确设计任务2.分析设计基本资料二、闸址选择闸址选择合理与否将直接影响到水闸工程量的大小、施工条件、安全运用及水闸建成后的效益，是一大问题。影响闸址选择的因素较多，各种水闸承担的任务不同，对闸址的要求也不完全一致。对进水闸来说，主要应考虑一下方面：1.闸址位置应尽量使水流平顺，减少泥沙入渠，所以应选在基本稳定的河道凹岸，并具有一定的引水角，以保证可靠地引取水流。2.地基条件地基条件是闸址选择的一个十分重要的因素。不论何种形式的水闸，以尽可能选择在质地均匀、结构紧密、防渗能力较好、承载力较强的地基上。3.施工条件应可能靠近天然建筑材料产区，交通方便，能源充足，且闸址附近有足够的施工场地，施工导流布置方便。4.居民点拆迁少。5.建成后便于管理养护等。三、水闸总体布置1.闸孔设计主要内容：闸孔净宽、孔数、每孔宽度、总宽度，并校核过闸流量。设计依据：水力学知识。设计步骤建议如下：⑴列出设计条件〔设计流量、上下游水位等〕6⑵确定堰型及其底板高程堰型根据底板的形式确定。如采用平底板则为宽顶堰。堰顶高程根据上下游渠底高程确定。为防止河流泥沙进入渠道，其顶高程一般应高于上游渠道0.5～1.5m。⑶闸孔净宽计算应根据实际情况，选用堰流或孔流计算。应合理计算各系数。⑷分孔及总宽度根据水闸净宽将其进行分孔。每孔闸门应尽量采用国家推荐的标准尺寸，且当孔数较少时采用奇数孔。拟定中墩厚度，计算闸室总宽度。⑸过闸能力校核根据水闸分孔后的实际情况，重新计算水力计算公式中的各系数，进行过闸流量的校核。⑹确定闸顶高程为防止水流漫溢影响水闸的正常运行，闸顶应保证在静水位以上有足够的超高。分设计和校核两种情况，取大者。四、消能防冲设计水闸的消能防冲包括消力池、海漫和防冲槽等主要内容。⑴消力池设计列出设计条件。总体判别闸孔出流时下游水流的衔接方式，如为远驱式，则需要修建消力池；如需修建，根据地基条件确定消力池的形式，在平原地区土基上一般采用下挖式消力池；消力池尺寸计算。但应注意：此时为保证消能效果，一般要求淹没系数为1.05～1.10；为简便且安全，采用平面二维消力池；水闸底板与消力池护坦之间用不陡于1︰4的坡连接。消力池护坦构造：厚度、材料、分缝、排水等。⑵海漫设计海漫的长度：应根据河床地质条件、水流扩散情况、上下游水位差等确定。海漫的总体布置：海漫首端顶可与消力池尾坎齐平或低0.5m；始端设置10m唱7的水平段；其后用不陡于1︰10的坡连接；海漫末端高程应满足水流不冲要求。海漫的构造：海漫的形式、分缝等。⑶防冲槽设计防冲槽形式确定、尺寸拟定、构造设计。注意：在土基上的防冲槽一般采用抛填式，材料用量应满足水流要求。五、防渗排水设计渗透压力的大小与地下轮廓的形状和尺寸有很大的关系。合理地布置地下轮廓就能有效地防止土壤渗透变形，并减小渗透压力。采取措施总的原则是高防低排，即在靠近高水位一侧采取防渗措施，靠近低水位一侧采取排水措施。防渗设计的影响因素很多，如地基条件、闸上作用水头、闸底板顺水流方向的长度及材料的供应。因此设计时应结合当地具体条件，配合水闸总体布置进行。设计步骤如下：⑴根据闸上作用水头的大小和地基条件，用渗径系数法初步拟定地下轮廓的防渗长度。⑵地下轮廓布置土基上水闸一般不采用板桩形式进行防渗。一般采用延长上游铺盖的长度来减小渗流，下游采用平铺式排水。应根据底板顺水流方向的长度确定铺盖的长度，应考虑下游排水起点，避免冲刷焦点的发生。铺盖材料的选择、厚度确定、与闸底板的连接等细部设计。⑶闸基渗流计算采用改进阻力系数法进行，计算作用在底板上的而渗透压力，并进行地基的渗透稳定验算。水闸的防渗排水设计应结合闸室的稳定计算进行。六、闸室各部件的形式选择及尺寸拟定本部分应结合前面的水力计算、防渗排水设计、消能防冲设计等内容，相互协调进行。8闸室各部件包括闸底板、闸墩、闸门、工作桥、交通桥、检修桥、启闭机房等。⑴闸底板：闸底板形式按外形有平底板、低堰底板、折线底板等形式。平原地区的进水闸一般采用平底板。按与闸墩的连接方式有整体式、分离式等，土基上的水闸一般采用整体式。底板厚度应满足强度和稳定要求。⑵闸墩：大中型水闸多采用混凝土、钢筋混凝土材料。为满足水流条件，上游墩头采用半圆形，下游采用半圆形或流线型。闸墩厚度应满足稳定、强度和闸门搁置要求。⑶闸门：闸门分为平面闸门和弧形闸门。闸门净宽宜采用国家推荐的尺寸。⑷工作桥、交通桥：工作桥一般采用板桥或T形桥，交通桥多采用T形桥。启闭机采用绳鼓式。另外当上游挡水水位较高，而且下泄〔引取〕水流是在低水位时，为减少作用在闸门上的水压力，可采用胸墙来辅助挡水，以减小闸门高度。七、闸室稳定计算水闸在使用或施工工程中，可能产生沿闸基的水平滑动、地基承载力不满足要求、地基产生较大的沉降或不均匀沉降影响水闸的安全和正常运行。⑴闸室稳定计算作用在闸室上的荷载有自重、水压力、浪压力、泥沙压力、渗透压力、地震荷载等，因按实际情况进行荷载组合，闸室的而稳定安全系数应满足要求。应根据实际情况合理选择计算单元。⑵地基基底压力及基底压力不均匀系数按偏心受压公式计算地基基底压力，验算地基的而稳定性；同时基底压力不均匀系数应满足要求。⑶地基沉降及不均匀沉降分别验算在各种荷载组合情况下的地基沉降及其不均匀沉降，应满足要求。⑷荷载计算有关说明工作桥自重﹙包括活荷载﹚可按50KN/m计算；检修桥自重按工作桥的1/8考虑；9启闭设备采用绳鼓式启闭机，自重可按40KN/m计算。机房可按外墙高5m，净高4m自重30KN/m考虑。工作闸门自重可按下面的方法进行：1212221212CCHLHLFFGG其中式中：1G、2G已知和所求闸门的自重；1F、2F已知和所求闸门的孔口面积；1L、2L已知和所求闸门的孔口尺寸；1CH、2CH已知和所求闸门的孔口中心线的水头。附：一已知进水闸闸门的参数为1G=250KN/m、1F=18m2、1L=6m、1CH=10.7m。八、设计图纸的绘制按照水利工程制图的要求用AutoCAD绘制在A3图幅上。采用标准边框，线条。设计图纸包括：水闸平面布置图、侧视图、正视图和细部结构图。九、设计成果的提交设计说明书是用来系统描述设计的原则、依据、方法、成果和内容的，它是工程施工、工程建成后的运用、管理以及将来改扩建、维修的依据。设计计算书主要用来反映设计计算过程、数据的来源的。二者是根本不同的。本次设计将设计说明书和设计计算书合在一起，形成设计计算说明书。设计计算说明书的组成：前言；目录；第1章设计基本资料；第2章水闸总体布置；第3章闸室稳定计算；第4章两岸连接建筑物设计；10第5章设计收获及建议；参考文献。要求设计计算说明书采用统一的纸张用黑色中性笔书写；字体应仔细、整洁；设计计算说明书禁止涂改。建议采用电子版，文字、格式处理符合标准。十、参考资料1.程兴奇主编.水工建筑物.北京：中国水利电力出版社，20072.中华人民共和国水利部.SL-2001水闸设计规范.北京：中国水利电力出版社，20013.谈松曦.水闸设计.北京.水利电力出版社，19864.中华人民共和国电力部.DL-5077水工建筑物荷载设计规范.北京：中国电力出版社，1997