溢洪道的设计.docx

吴岭水库枢纽工程
—溢洪道设计书

2012年8月
目录
1 设计目的和要求 1
2设计资料 1
2.1 工程概况 1
2.2 基本资料 1
2.2.1 气象 1
2.2.2 洪水 1
2.2.3 地质 1
2.2.4 其他 2
3 工程设计 2
3.1 工程布置 2
3.1.1枢纽的等别、溢洪道级别及洪水设计标准 2
3.1.2溢洪道的位置、型式及组成 3
3.2 溢洪道的型式及尺寸 5
3.2.1进口段 5
3.2.2控制段 5
3.2.3 泄槽段 6
3.2.4消能段 6
3.2.5 尾水渠 6
4 设计计算 6
4.1水力计算 6
4.1.1过流能力的计算 6
4.1.2泄槽水面线计算 6
4.1.3消能防冲计算 11
4.1.4渗流计算 11
4.2 控制段稳定计算 12
4.2.1计算公式： 12
4.2.2荷载组合： 13
4.2.3列表计算： 13
4.2.4计算结果 16

吴岭水库溢洪道设计书
1 设计目的和要求
通过课程设计培养学生了解并掌握实际水利工程的设计内容、方法和步骤，巩固专业课、技术基础课及基础课所学的知识，培养运用所学知识解决实际工程问题的能力，训练学生编写设计书、绘图的能力和技巧，培养查阅文献及规范的能力。
要求每个学生对设计内容中的各个环节做出系统的个人成果。每个人必须编写完整的课程设计成果。说明书简明扼要、条理清楚，计算方法得当、结果准确，设计方案合理可行，水工图纸布局合理、线条标注规范、图面整洁，能正确反应设计意图。
2设计资料
2.1 工程概况
吴岭水库枢纽工程位于汉北河支流东河上，坝址在湖北省某县境内，距县城22km。水库控制东河上流余家嘴、斋婆店两条主要河流，河道平均坡度为3‰。水库坝址以上乘雨面积102km²。流域多年平均降雨量1020.9mm。水库总库容7220万m³，是一座以灌溉为主、兼有防洪、水产养殖、城镇供水等综合利用的中型水利工程。吴岭水库枢纽工程主要由大坝、副坝1、副坝2、正常溢洪道、东输水管、西输水管及灌区工程等组成。
2.2 基本资料
2.2.1 气象
本流域属北亚热带湿润季风气候区，多年平均气温16℃，极端最高气温41℃(1971年7月)，极端最低气温-10℃(1995年1月)，多年平均最大风速7~8级(17.32m/s），多年平均日照时数2030h，全年无霜期平均长达254d。多年平均降雨量1020.9mm（统计到期1998年），东河流域洪水来自暴雨，汛期为每年的4~10月。
2.2.2 洪水
设计洪水的计算结果见表1
表1 吴岭水库溢洪道设计洪水结果
频率
3.33%
2%
1%
0.2%
0.1%
下泄流量(m³/s）
270.0
287.0
370.4
436.0
499.0

2.2.3 地质
溢洪道场地内上覆土层为第四系上更新统残坡积物，主要由粘土、含碎石粘土组成，层底高程57.60m左右。下伏基岩为二迭系下统栖霞组含燧石结核基岩。
地基土力学指标：
残坡积粘土：湿重18.7KN/m³,孔隙比e=0.993，内摩察角Φ=9°，凝聚力C=51.7Kpa/m²，渗透系数K=8.25×10-6cm/s，地基土壤变形系数E0=8.8Mpa，地基允许承载力[σ]=190Kpa。
填土与墙后摩擦角δ= 0。本区不考虑地震作用。
2.2.4 其他
根据该工程的实际情况，溢洪道两岸为四级公路；闸门采用弧形闸门；根据下游的用水要求及水库的水量平衡，水库正常蓄水位为62.20m。为了减小上游的淹没损失，上游最高洪水位不宜超高65.00m。
3 工程设计
3.1 工程布置
3.1.1枢纽的等别、溢洪道级别及洪水设计标准
查询《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2000）（见表2、表3）
表2 水利水电工程分等指标

表3 永久性水工建筑物级别

由水库的总库容值为7220万m³可知，该工程的工程等别为Ⅲ，溢洪道主要建筑物级别为3级，可取其对应的设计洪水及校核洪水分别为50年一遇（2%）及100年一遇（1%）。

3.1.2溢洪道的位置、型式及组成
① 溢洪道的型式及总体布置
观察该地形图，以垭口所在位置，初步画出溢洪道轴线及水流轴线，溢洪道轴线与水流方向近于垂直，由划线结果可以看出，该区域适合设置正槽式溢洪道，控制段应设置在垭口区域的最高地理位置附近，以减少修建闸室时对土方的开挖，节省工程资金。该设计溢洪道由进口段、控制段、泄槽段、消能段及尾水渠段组成。各组成段的相关尺寸设计见3.2（溢洪道的型式及尺寸）。
② 控制段的堰型
观察该地形图可以看出，该区域地形坡度较缓，且垭口地面的高程略高于正常蓄水位，泄流量较小，故该溢洪道的控制段适宜选择宽顶堰（平顶堰）。该堰型的优点为结构简单、施工方便，有利于排泄冰块等漂浮物，缺点是流量系数较小，过流能力较差。但对于该流域而言，由于其流量较小，故可以选用该堰型。
③ 闸门设置及闸孔总宽度
由校核洪水估算控制段总宽度，由资料可知，校核洪水（1%）下泄流量为370.4，在不设置闸门的情况下，初步设定控制端底板板面高程为62.2m，进口段顶面高程为57.6m。以校核情况计算，计算结果见下表4。（忽略动水水头）
其中圆角宽顶堰 ：（）
下泄流量：（下同）
表4 无闸门时闸孔设计宽度
堰高P（m）
堰上水头H（m）
特征水位HD（m）
4.6
2.8
正常
设计
校核
P/H
62.20
64.39
64.80
1.64
安全超高△H（m）
流量系数：m
正常
设计
校核
0.36
0.7
0.7
0.5
Q（m3/s）
特征水位下的堰顶高程H(m)
设计（2%）
校核（1%）
正常
设计
校核
287
370.4
62.90
65.09
65.30
闸孔总宽度B（m）
初定堰顶高程H（m）
设计
校核
38
49
65.30
Bmax（m）
49
堰型：宽顶堰（无闸门）
初定设计值（m）
B
高程（m）
闸孔数
单孔宽度（m）
上游坡度
55
H
0
0
90
2.19
闸口总宽度B（m）
HD
64.39
0

将上表中计算所得的宽度值在地形图中经验算可知，不能很好的适应地形条件，故选择设置闸门方案。
初步设定闸底板板面高程为57.2m，进口段顶面高程为57.2m。以校核情况计算，结果见下表5。（忽略动水水头）
表5设闸门时闸孔设计宽度
堰高P（m）
堰上水头H（m）
特征水位HD（m）
0
7.8
正常
设计
校核
P/H
62.20
63.42
64.57
0.00
安全超高△H（m）
流量系数：m
正常
设计
校核
0.39
0.7
0.7
0.5
Q（m3/s）
特征水位下的堰顶高程H(m)
设计（2%）
校核（1%）
正常
设计
校核
287
370.4
62.90
64.12
65.07
闸孔总宽度B（m）
初定堰顶高程H（m）
设计
校核
8
10
65.07
Bmax（m）
10
堰型：宽顶堰（有闸门）
初定设计值（m）
B
高程（m）
闸孔数
单孔宽度（m）
上游坡度
12
H
2
1
90
6.90
闸口总宽度B（m）
HD
64.57
12

表6 有效闸门宽度计算
堰型：宽顶堰(有闸门)
闸墩
闸孔数
单孔宽度b（m）
闸孔总宽度（m）
数目n
单个厚度d（m）
闸墩总宽度（m）
2
6
12
1
1
1
H0/b>1
边墩影响系数ξk
0.7
有效宽度Bc
10.86
中墩影响系数ξ0
0.25

由计算结果可以看出，当闸门宽度设为12m时，能够较好的适应地形条件。故对控制段，堰型选择为宽顶堰（设闸门），堰顶高程为65.07m。闸孔总宽度为12m。孔数为2，单孔宽度为6m。其对应的各特征水位如下：正常蓄水位（62.20m）、设计洪水位（63.42m）及校核洪水位（64.57m）。
3.2 溢洪道的型式及尺寸
3.2.1进口段
进水渠的作用是将水流平顺、对称的引向控制段，并具有调整水流的作用。进水渠在布置时短而直，其轴线方向宜进水顺畅。进水渠采用梯形断面，边墙坡度为1:0.5,底坡为平坡，其末端用渐变段与控制段的矩形断面连接，渐变段长度为20m。进水渠底板厚度为1.0m。可设渠首底板面宽度为13m，渠首边墙顶部宽度为18m，边墙厚度为0.5m。渠尾宽度为13m。渠首前段设置齿墙，深度为1.5m，长度为0.5m。靠坝侧设置导流墙。
3.2.2控制段
① 控制段的孔口设计
设计过程及结果见3.1.2（表6）
② 控制段结构布置
控制段底板布置：采用整体式平地板，闸底板长度设定为20m，厚度为1.0m，结构为矩形设计。地板混凝土为满足强度、抗渗和防冲要求，采用强度等级为C25的混凝土，为钢筋混凝土结构。
闸墩结构布置：闸墩厚度为1.0m，迎流端采用锥弧形设计。尾端采用圆弧形设计。
上部结构型式：堰顶高程设计值取为65.5m。工作桥高度取为5m，宽度为4m。上设启闭机，采用装配式板梁结构。交通桥底部高程取为65.5m，宽度为4.5m，高度为0.5m。
③ 防渗排水设计：底板上下游两端设浅齿墙，深度为1.5m，长度为0.5m；闸室前部设有灌浆帷幕，深入岩层厚度5m。排水设施采用反滤层，取3种不同粒径的石料（砂、砾石和卵石）组成每层厚度为20cm的透水层，粒径级别由小到大为0.25~1mm、1~5mm、5~20mm。
3.2.3 泄槽段
① 平面及纵向布置
平面上，泄槽轴线与溢流堰轴线垂直，且泄槽与控制段顺直连接。纵向上，依据地形，合理设置泄槽段的坡度。
②底部衬砌及边墙尺寸设计
底部采用钢筋混凝土衬砌，纵缝形式为平接缝，间距采用10m，排水设施设有横向排水沟及若干道纵向排水沟。泄槽段宽度设为13m，厚度为1.0m，长度为80m。坡度取为1:15.38。边墙尺寸见水力计算。
3.2.4消能段
消能方式采用底流式消能，消力池采用下挖式。护坦厚度采用1.0m，为保证护坦材料的抗冲耐磨性，护坦材料采用混凝土。护坦尾部设有齿墙，深度为1.5m，宽度为0.5m。为了降低护坦底部的渗透压力，在护坦的后半部设置排水孔，其孔径为10cm，间距为2.0m。成梅花形排列。排水孔内充填碎石，这样既能是渗水通过，又有助于排除水流中的泥沙。排水孔底部设置有反滤层。消力池后设置海漫，同时在海漫末端加设防冲槽，海漫下设垫层。构造及尺寸见水力计算（表7）。
3.2.5 尾水渠
尾水渠采用明渠式输水方式，渠首与消能段平顺连接，渠道宽度设为13m。纵向坡度为1:22。采用浆砌石做防冲材料，下设有垫层。
4 设计计算
4.1水力计算
4.1.1过流能力的计算
特征水位的确定：见3.1.2（表5）。
4.1.2泄槽水面线计算
上游水位取校核水位（64.57m），则上游水深为7.37m，下游水深取为3.5m。由矩形断面的临界水深计算公式计算得临界水深hk=4.43m。
对泄槽水面线过程编程（程序如下）
条件：流量Q=370.4 坡度i=0.0289 糙率n=0.014 边坡m=0 底宽b=13 计算长度l=80
#include<iostream.h>
#include<iomanip.h>
#include<math.h>
double Q,I,M,B,N,J1,DS,E1,V2,J2,E2;int DR;
doublealfa=1.05;
double HK(double Q,doubleI,doubleM,double B)
{
double Y,H1,HK;
int k=1;
Y=Q*Q*alfa/9.8/sqrt(1-I*I);H1=1.0;
do
{
HK=pow((Y*(B+2*M*H1)),(1.0/3))/(B+M*H1);
if(fabs(HK-H1)>=0.00001)
H1=HK;
k++;
}
while(k<=30);
return H1;
}
double HO(double Q,doubleI,doubleN,doubleM,double B)
{
double Y,H2,HO,srm;
inti=1;
Y=pow((Q*N/sqrt(I)),0.6);H2=2.0;srm=sqrt(1+M*M);
do
{
HO=Y*pow(B+2*srm*H2,0.4)/(B+M*H2);
if(fabs(HO-H2)>=0.00001)
H2=HO;
else
break;
i++;
}
while(i<=30);
return H2;
}
doublefe(double h)
{
double A,R;
A=(B+M*h)*h; R=A/(B+2*h*sqrt(1+M*M));
V2=Q/A; J2=pow(N*V2,2)/pow(R,(4.0/3));
E2=sqrt(1-I*I)*h+alfa*V2*V2/19.6;
return E1-E2+DR*DS*(I-(J1+J2)/2);
}
double ERF(double(*f)(double x),double X1,double X2,double EPS)
{
doublea,b,Fa,Fb,h,Fm; int j;
a=X1; b=X2;
Fa=(*f)(a);Fb=(*f)(b);
if(Fa*Fb>0)
cout<<"No root in (X1,X2),please input new X1,X2"<<endl;
for(j=1;j<=30;j++)
{
h=(a+b)*0.5;
if(fabs(b-a)<EPS)
break;
Fm=(*f)(h);
if(Fm*Fa<0)
b=h;
else
a=h;
}
return h;
}
double main()
{
double HD,HB,A,R,Hk,Ho,V[201],H[201],S[201]={0.00};int L,NS;
Q=370.4;I=0.0289;N=0.014;M=0;B=13;
cout<<"输入值确认："<<endl;
cout<<"Q="<<Q<<" i="<<I<<" n="<<N<<" m="<<M<<" b="<<B<<endl;
Hk=HK(Q,I,M,B);cout<<endl;
cout<<"临界水深："<<HK(Q,I,M,B)<<endl;
if(I<=0.00)
{
Ho=100;
cout<<"i<0,没有正常水深"<<endl;
}
else
{
Ho=HO(Q,I,N,M,B);
cout<<"正常水深："<<HO(Q,I,N,M,B)<<endl;cout<<endl;
}
READ:cout<<"步长DS、步数NS：";
cin>>DS>>NS;HD=Hk;
cout<<"水深HD:"<<HD<<" 步长:"<<DS<<" 步数:"<<NS<<endl;
H[1]=HD; A=(B+M*H[1])*H[1];
R=A/(B+2*H[1]*sqrt(1+M*M)); V[1]=Q/A;
J1=pow((V[1]*N),2)/pow(R,(4.0/3));
E1=sqrt(1-I*I)*H[1]+alfa*pow(V[1],2)/19.6;
if((HD>Hk)||(HD==Hk)&&(HD<Ho))
{
DR=-1;cout<<endl; cout<<" 控制断面上游的水面线"<<endl;
}
else
{
DR=1;cout<<endl; cout<<" 控制断面下游的水面线"<<endl;
}
if(((Hk>Ho)&&(HD>Hk))||((Ho>Hk)&&(HD<Hk)))
HB=Hk;
else
HB=Ho;
for(L=2;L<=NS+1;L++)
{
S[L]=(L-1)*DS;
if(fabs(H[L-1]-Ho)<0.0005)
{
H[L]=Ho; V[L]=V[L-1];
}
else
{
H[L]=ERF(fe,H[L-1],HB,0.0001);
V[L]=V2; J1=J2; E1=E2;
}
}
cout<<"---------------------------------------"<<endl;
cout<<" L H(L) V(L) S(L)"<<endl;
cout<<" (m) (m) (m)"<<endl;
cout<<"---------------------------------------"<<endl;
for(int a=1;a<=NS+1;a++)
cout<<" "<<a<<" "<<setprecision(3)<<setiosflags(ios::fixed)<<H[a]<<" "<<setprecision(3)<<setiosflags(ios::fixed)<<V[a]<<" "<<setprecision(2)<<setiosflags(ios::fixed)<<S[a]<<endl;
return 0;
}
计算结果见表7，水面线及边墙线变化见图1。
表7 泄槽水面线计算过程
L
H(m)
V(m/s)
S(m)
1
4.431
6.43
0
2
3.663
7.779
10
3
3.409
8.357
20
4
3.236
8.805
30
5
3.103
9.183
40
6
2.994
9.515
50
7
2.904
9.813
60
8
2.825
10.085
70
9
2.757
10.335
80
掺气水深安全超高Δh=0.5m

图 1 水面线及边墙高度线
4.1.3消能防冲计算
消力池跃前水深hc=2.757m，跃前断面弗汝德数=2.0
则跃后水深
水跃后水面跌落
消力池深度d=hT-3.5-ΔZ=6.87-3.5-2.2=0.87m
消力池长度L=0.8×6.9×(hT-hc)=5.52×4.113=22.7m
消力池后设有海漫，其长度L=，海漫材料采用浆砌块石，其厚度为1.5m。海漫末端设有防冲槽，其深度为2.0m，宽度为4.0m，上、下游坡度系数为2。
4.1.4渗流计算
闸室上下游水头差为2.94m，由改进阻力系数法计算控制段渗流情况。各段水头分界如下图2。将渗流区按地下轮廓分为若干典型渗流段，并利用表6计算各段的阻力系数及。
对图2中的10个典型段渗流段的阻力系数和水头损失分别计算，计算结果见表7。

图2 计算的地下轮廓及典型段（单位：m）
表8 渗流的阻力系数、水头损失计算表
段编号
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
Ⅷ
Ⅸ
Ⅹ

0.579
0.085
0.720
0.803
1.126
1.126
0.803
0.720
0.085
0.579

0.257
0.038
0.319
0.356
0.500
0.500
0.356
0.319
0.038
0.257

4.2 控制段稳定计算
4.2.1计算公式：
A. 抗滑稳定计算公式
根据《溢洪道设计规范（SDJ341-89）》，溢洪道闸基底面的抗滑稳定安全系数按抗剪断或抗剪强度公式计算：（抗剪断）
式中：K——按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；
——闸体混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数；
C——闸体混凝土与基岩接触面的抗剪断凝聚力；
——作用于闸体上的全部荷载对计算滑动面的法向分量；
——作用于闸体上的全部荷载对计算滑动面的切向分量；
A——闸体与基岩接触面的截面积。
B. 地基应力计算公式

式中：——合力距闸底中心点的偏心距（m）；
——底板沿水流方向的宽度（m）；
A——闸室基础底面积（m ²）；
M——作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的末端的弯矩（KN·m）；
——地基应力（Kpa）；
4.2.2荷载组合：
A． 施工完建期：上下游无水。
B． 正常情况：上游为正常蓄水位，关闸挡水，基础排水措施有效。
C． 非常情况：上游为校核洪水位，开闸放水，基础排水措施有效。
4.2.3列表计算：
A． 完建工况：
图3 完建工况下溢洪道闸室段计算图

表9 水闸上下游无水时地基受力情况表
部位
计算式
重量（KN）
力臂（m）
力矩M（KN.m）
底板W1
40.75×13×25
13243.75
10
132437.5
闸墩W2
0.39×5×25
2473.75
10
24737.5
0.39×5×25
19×5×25
公路桥W3
2.25×13×25
731.25
17.2
12577.5
工作桥W4
5×0.4×13×25
2262
6.7
15155.4
4.6×0.4×13×25
4.6×0.4×13×25
3.2×0.4×13×25
闸门W5
15.7×9.8×4
615.44
8
4923.52
启闭机W6
3.02×9.8×4
118.38
6.7
793.15
∑

19444.57

190624.57

则基底压力：

平均基底压力为74.79Kpa，基底应力均为负，满足要求。
B． 正常情况：

图4 正常工况下溢洪道闸室计算简图
表10正常蓄水位工况下地基受力情况表
力的名称
计算式
竖直力（KN）
水平力（KN）→
力臂（m）
力矩M（KN·m）
↓
↑
↘
↙
水闸自重
∑W

19444.57

190624.57
有效水重W
10×1.26×13×9.8
1605.24

5

8026.2
水平推力F1
0.5×9.8×1.47×1.47×13

137.65
4.23
582.26

水平推力F2
9.8×1.47×3.74×13

700.42
1.87
1309.78

扬压力F3
14.7×13×9.8

1872.78

6.67
12491.44

∑

21049.81
1872.78

14383.48
198650.77
19177.03
838.07
184267.28

则基底压力：

平均基底压力为73.76pa，基底应力均为负，满足要求。
抗滑系数
抗滑系数满足要求。
C． 非常情况
计算简图如下
图5 非常工况下溢洪道闸室计算简图

表11 校核洪水位工况下地基受力情况表
力的名称
计算式
竖直力（KN）
水平力（KN）→
力臂（m）
力矩（KN·m）
↓
↑
↘
↙
水闸自重∑W

19444.57

190624.566
有效水重W
10×1.47×13×9.8
1872.78

6.67

12491.4426
水平推力F1
0.5×9.8×2.94×2.94×13

550.60
5.41
2978.73

水平推力F2
9.8×2.94×4.43×13

1659.28
2.22
3683.61

扬压力F3
29.4×13×9.8

3745.56

6.67
24982.89

∑

21317.35
3745.56

31645.23
203116.01
17571.79
2209.88
171470.78

则基底压力：

平均基底压力为67.58pa，基底应力均为负，满足要求。
抗滑系数
抗滑系数满足要求。
4.2.4计算结果
稳定、基底应力计算见下表12
表12 稳定、基底应力计算结果表
计算工况
水位（m）
抗滑稳定系数Kc
底板应力（Kpa）

平均
施工完建

79.27
70.39
74.79
正常情况
62.2
25.2
82.42
65.1
73.76
非常情况
64.57
9.26
72.48
62.68
67.58
计算结果表明：溢洪道闸室段抗滑稳定及地基承载力均满足要求。
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