水工建筑物设计.docx

高等水工结构设计1.设计内容与步骤(1) 确定枢纽组成 根据流域规划对水库提出的任务，并根据地形、地质、水文、气象、建筑材料、交通运输、施工和运用条件等，确定枢纽中应包括的主要建筑物，以及各主要建筑物的形式和布置。(2) 调洪演算 按照枢纽等级确定水库防洪标准。根据河道相应标准的设计洪水过程线和校核洪水过程线进行调洪演算，以确定泄洪建筑物尺寸和调洪库容(其相应的水位却为设计洪水位及校核洪水位)。(3) 建筑物设计 土坝 坝型选择。根据土料的种类、储量和分布位置，并考虑施工条件、工程量等因素选择出最优坝型。 拟定主要尺寸及构造。包括坝顶高程，坝顶宽，上、下游坝坡，防渗排水设备的形式及尺寸等。 渗流及稳定计算。本次设计仅进行上游为正常蓄水位条件下的浸润线计算和渗流量计算，并于下游坝坡取一个滑弧进行稳定计算。 细部设计。包括坝顶，上、下游护坡，防渗设施与坝体及坝基的连接，反滤层布置等。 溢洪道 溢洪道形式及主要尺寸拟定 根据地形地质条件、水流条件、工程量大小及下泄洪水安全归河等因素，确定溢洪道的形式及主要尺寸。 泄水渠水面线计算及出口消能计算 确定边墙(或衬砌)高度及消能设施尺寸。 构造设计 拟定边墙、护底防渗排水等各部分的构造尺寸。 涵管 形式选择 选择进口控制建筑物、管身断面及出口消能设施的形式，并确定涵管进出口高程。 涵管水力计算 包括过水能力计算及出口水流衔接计算。2.基本情况姚家河水库位于湖北省大悟县境姚家河中上游。姚家河发源于本区王家店，是环水东支大悟河的一条支流，全长约40公里，在三里城处汇入大悟河。流域总面积46.7平方公里，坝址以上控制面积27.6平方公里。流域内四季气候鲜明，下游土壤肥沃，盛产稻、麦、棉花等作物。姚家河为一山区河流，河床较窄，水位变幅较大，每当山洪暴发，下游即遭洪水淹没；而当缺雨季节，因水量不足，又易引起旱灾。为此，根据流域规划，确定兴建姚家河水库，以达兴利除害的目的。根据流域规划要求，确定本水库以灌溉为主，兼兴防洪、养鱼之利，其主要任务如下：灌溉方面：灌溉面积共4万亩，均分布于水库右岸。防洪方面：根据下游防洪要求，最大下泄流量不得超过120m3/s。3.基本资料(1) 地形地质本区没有大的高山，附近都是堆积剥蚀低丘，一般地势比较平坦，相对高程不超过200m，坡度为3050，局部地势较陡，约为6080。地貌特点是右岸山头岩石露头较明显，覆盖层厚0.2m，表面岩石均已风化，风化层厚1.0m，局部地区有崩塌现象；左岸岩石露头较少，覆盖层厚1.5m，风化层厚1.0m。库区为一狭长带形，两岸群山连绵，山坡多植松树，植被良好。耕地主要分布于右岸下游平坦地区，沿河两岸分布有少量梯田梯地。本区岩石均为太古代泰山纪变质岩，大致可分为五种，花岗片麻岩、花岗岩、闪长岩、石英岩和石岩云母片麻岩。其中以花岗片麻岩分布最广，整个库区均有，其抗压强度较高，但易风化。各种岩石在坝址附近分布情况见坝址地形地质图。岩层走向均与河流斜交，倾向库内，一般倾角较大，有的近于垂直。花岗片麻岩中裂隙和节理不很发育。坝址处河谷狭窄，上下游较开阔，足以布置施工场地。坝址以上有足够的库容可以满足蓄水要求。坝址处河床高程103.0m，有3m厚的砂卵石覆盖层，工程地质条件良好。坝址左岸离坝轴线400m处有天然鞍部，略高于正常蓄水位，工程地质条件亦属良好，覆盖层为砂质粘土，平均厚约3m，可布置溢洪道，钻孔资料见坝址地形图附表。库区地质条件与坝址区大致相同，未发现坍塌、滑坡现象，节理裂隙不发达，渗漏问题不大。本区地震基本烈度小于度。(2) 水文气象资料流域内无径流资料。所需年、月设计径流量及洪水流量均由暴雨推求，并根据降雨系列延长。通过水文水利计算得出各特征值见后面调洪演算成果。本区风力按七级计，最大风速多年平均值Vmaxcp=15m/s，水库吹程D=1000m。(3) 建筑材料根据勘测，距坝轴线1000m以内有比较丰富的土料，主要分布如下：(1) 砂质粘土分布于坝址以上肖家畈等处，最大运距1000m，储量为12万方，高程为106110m。坝址以下两岸山坡有89万方，运距在8001000m范围内。(2) 河床砂卵石由于姚家河为一山区河流，河谷较窄，沙滩较少。因此，坝轴线附近砂卵石储量不多，约有5.55.9万方，分布于坝轴线上、下游200m处。坝轴线下游有较多的砂卵石储量(约40万方)，运距1000m左右。(4) 其他 坝顶无交通要求。对外交通不便，河流四季不能通航，县城至三里城小镇有20公里公路，三里城至大坝仅有人行便道(长约5公里)。为了施工导流需要，在坝底设圆形导流涵管，涵管直径2.5m，进口高程105.5m，出口高程104.8m。施工完毕后即留作放空水库之用。4.水库及枢纽工程的勘测、规划成果(1) 勘测成果 坝址地形图一张 坝址河床高程103.00m 溢洪道出口河底高程101.99m 风化岩石允许流速6m/s 坝址及坝址下游水位流量关系(附表2及附表3)。附表2 坝址水位流量关系表水位(m)103.0103.5104.0104.5105.0105.5105.8流量(m3/s)07.517.03050100120附表3 坝址下游水位流量关系表水位(m)101.84102.62103.15103.54103.83104.03104.10流量(m3/s)020406080100120(2) 灌溉引水要求及渠首有关数据 设计引水流量4.0m3/s 灌溉渠道进口控制水位110.00m 渠首段渠道参数底宽b=3.8m 边坡系数m=0.2设计水深h=2.0m 糙率n=0.03渠道比降i=1/5000(3) 水库规划设计成果 淤沙高程107.00m 兴利库容下限水位(相应垫底库容0.34106m3的水位)110.85m 兴利库容5106m3 正常蓄水位123.50m(4) 泄洪规划及调洪演算成果 采用无闸门宽顶堰河岸式正槽溢洪道(不考虑其他建筑物参加泄洪)，宽顶堰堰顶高程等于正常蓄水位123.50m，控制段宽度B=11.0m，流量系数m=0.370，侧收缩系数=0.95(堰顶进口为圆角，上游堰高P1=2.0m，边墩头部为圆弧形)。 设计洪水位126.30m，设计洪水位时溢洪道下泄流量80m3/s，相应下游水位103.83m。 校核洪水位127.06m。5.姚家河水库枢纽的建筑物组成根据流域规划对水库提出的任务以及地形、地质、水文气象等条件，确定水库枢纽由三大建筑物组成：挡水建筑物、泄水建筑物和取水建筑物。6.方案选择(1) 挡水建筑物：挡水建筑物一般可选用土石坝、重力坝和拱坝。拱坝对地形要求较高，一般适用于地质条件较好的狭窄断面，此处断面较宽，建拱坝不经济；重力坝的优点是坝顶可溢流，施工导流易解决，但造价比土石坝高，根据资料可知坝轴线一公里内有丰富的土石料(包括防渗用的粘壤土)，可就地取材，特别是河床左岸有合适建河岸溢洪道的山垭口，因此选用土石坝作为挡水建筑物。(2) 泄水建筑物：河岸式溢洪道 挡水建筑物选择了土坝就决定了只能选择河岸式溢洪道， 且根据地形条件，在河的左岸离坝轴线 400 米处有天然鞍部，正好可布置河岸溢洪道。(3) 取水建筑物：涵管 涵管与隧洞比起来具有施工简单，造价低廉的特点，但运行管理及安全方面不及隧洞可靠，由于本工程的引水流量较小且坝高不大，因此选择坝下涵管方案。调洪演算成果按照枢纽等级确定水库防洪标准。根据流域及暴雨情况推求设计洪水过程线和校核洪水过程线，然后进行调洪演算，以确定泄洪建筑物尺寸和特征水位。根据资料提供的调洪演算成果，不带闸门的开敞式河岸溢洪道堰顶高程123.50m，堰顶溢流宽度11.0m，相应的特征水位为：正常蓄水位123.50m。设计洪水位126.30m，设计洪水位时溢洪道下泄流量80m3/s，相应坝址下游水位103.83m。校核洪水位127.06m。 坝型选择 拟定主要尺寸及构造 渗流及稳定计算 细部设计7.土坝坝型选择 根据勘测，距坝轴线1公里以内有比较丰富的土料，主要分布如下：(1) 砂质粘土分布于坝址以上肖家畈等处，最大运距1000m，储量为12万方，高程为106110m。坝址以下两岸山坡有89万方，运距在8001000m范围内。(2) 河床砂卵石由于姚家河为一山区河流，河谷较窄，沙滩较少。因此，坝轴线附近砂卵石储量不多，约有5.55.9万方，分布于坝轴线上、下游200m处。坝轴线下游有较多的砂卵石储量(约40万方)，运距1000m左右。由于就近有沙质粘土，可作防渗材料，坝型选用粘土心墙坝(注：粘土斜墙坝也可选择)。8.拟定主要尺寸及构造 坝顶高程：坝顶高程应按设计洪水位和校核洪水位分别计算，并与心墙(斜墙)构造要求所需的坝高比较，取最大值。水库的灌溉面积为4万亩，保护城镇为一般城镇，故枢纽工程等别定为4等。为了保证库水不溢过坝顶，坝顶高程在水库正常运用和非常运用的静水位应有足够的超高。超高值式中：hc安全加高，m；e风壅高度，m；hB波浪在坝坡上的爬高，m。风壅高度e按下式计算：式中：k综合摩阻系数，一般取3.610-6； 计算风速，m/s；D吹程，m；H坝前水域的平均水深，m；风向与水域中线或坝轴线的法线间的夹角。遇正向来波，平均爬高可按莆田试验站公式计算(适用于坝坡系数=1.55.0的单一坡度)式中：坝坡的糙率渗透系数； 经验系数，是由无量纲的查表决定的； 坝坡系数；平均波高。在初步设计时可用公式。平均波长，在初步设计时可按公式计算。设计爬高值按工程等级确定，对、级土石坝，取累积频率1%的爬高值；对、级土石坝，取累积频率5%的爬高值。因此按上式求得平均爬高之后，再根据爬高统计分布与平均爬高之间的关系按表中的相应数值进行换算。采用设计洪水位计算时坝底高程103.0m，设计洪水位126.3m，H = 126.3 - 103.0 = 23.3m；n初步定为3；v取多年平均风速的1.5倍，v = 1.5 15 = 22.5m/s D = 1km；取最不利情况，即 = 0，cos = 1；拟采用砌石护坡：KA = 0.8；,取1.02= 8.753m = 0.527m 查表计算得hB = 0.970m。mhC取0.5m则h = hB + e + hc = 1.474m。坝顶高程 = 1.474 + 126.3 = 127.77m。采用校核洪水位时v = 15m/s；n初步定为3；H = 127.06 - 103.0 = 24.06m；= 0.9770.75时为淹没溢流。此处hs即为hk，H0 = 127.06 - 123.5 = 3.56m，计算得hs/H0=0.64，不是淹没溢流，可以不考虑淹没系数。h0为0.53m hk，为缓坡，即0 iik，涵管长度小于(86138)hk时为短管，即涵管长度小于67108m时为短管。涵管长为105m，按长管计算。涵管为长管时：距形断面式中：B距形涵管底宽，m，为1.4m；m无压力流时的流量系数，拟取0.33m；H0计及流速水头的涵管进口水头，m，涵管进口管底高程108.26，上游水位为最低水位110.85时，H = 110.85 - 108.26 = 2.59m，H0取H，2.59m；淹没系数；hc进口段收缩断面水深，m，当洞身较长，且底坡0 i ik时，hc h0。= 1，得Q = 8.53m3/s，可以达到过流能力，运行时需改变闸门开度以控制流量。高水位时应校核闸门后发生水跃的跃后水深不会到管顶。直墙部分高取1.6m。则涵管总高2.3m。当涵管总高度小于涵管进口水头的1.1倍时，过流能力应按照半有压流计算。管壁厚度的确应进行结构计算，由于过程较复杂，此处不进行计算，拟取管壁厚30cm。沉降缝和止水：为适应地基不均匀沉降，沿管道轴线每隔一定距离需要设置沉降缝。由于涵管是建在良好的基岩上，每隔15m设一沉降缝即可。截渗环：为了防止沿管道外壁面产生集中渗流，在穿过心墙的管段设2道截渗环。消力池：设计消力池时先根据上下游水位、过流流量和地形地质等条件，假定池底高度，然后进行水跃计算，求出跃前水深hc及跃后水深，从而确定池深以及池底高程，也可直接查得图求得。若计算的池深为零或负值，从理论上说，不必设置消力池，可是在实际工程中，通常仍把池底高程降低0.5 1.0m而形成消力池，这对稳定水跃位置，充分消能及调整消力后的流速分布等方面都有利。先假定消力池底面高程107.5m。 消力池中水跃的跃前水深hc可列0-0断面与1-1断面的能量方程求解，其中涵管末端水深应分上游水位为最低水位和最高水位两种情况推算管内水面线来求出，此处不做计算，将涵管末端水深用正常水深h0代替： 式中：z00-0断面的水面高程，108.0 + 1.57 = 109.57m；z11-1断面的高程，107.5 + hc；v00-0断面的平均流速，；v11-1断面的平均流速， = 2.8/hc 。计算得出hc = 0.19m。 计算水跃：跃后水位为107.5 + 0.45 = 107.92m 110.0m，发生淹没水跃，从理论上说，不必设置消力池。为了稳定水跃位置，充分消能及调整消力池后的流速分布，仍把池底高程降低0.5而形成消力池。消力池长度的基本要求是保证水跃发生在池内。由于消力池末的陡壁对水流有反作用力，故池中水跃长度小于自由水跃长度，根据试验，约小20%30%，所以消力池水平段长度为(0.70.8)ln，ln为水跃长度，水跃长度可用欧勒佛托斯基公式：ln = 6.9 (hcn - hc)。水跃长度ln = 6.9 (hcn - hc) = 1.794m，消力池水平段可取2m。消力池与涵管出口底面之间常用斜坡连接，斜坡不应陡于1：3，工程中常用1：31：4，此处设置为 1：4。则消力池总长为4 0.5 + 2 = 4m。