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水工建筑物课程设计设计说明书

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目 录

第一部分 设计资料…0………………………………………………( 1)
一、 设计资料………………………………………………………( 1)
二、 设计依据………………………………………………………( 4)
第二部分 枢纽布置……………………………………………………( 7)
一、 坝型的选择…………………………………………………( 7)
二、 泄水建筑物型式的选择……………………………………( 8)
三、 其它建筑物型式的选择……………………………………( 8)
四、 枢纽的组成建筑物及等级……………………………………( 8)
五、 枢纽布置………………………………………………………( 9)
第三部分 土石坝的设计………………………………………………( 9)
一、 土石坝坝型的选择……………………………………………( 9)
二、 大坝断面尺寸及构造型式……………………………………( 9)
三、 渗流计算……………………………………………………( 12)
四、 稳定计算……………………………………………………( 13)
五、 材料及细部构造……………………………………………( 14)
第四部分 溢洪道设计………………………………………………( 16)
一、 溢洪道的形式………………………………………………( 16)
二、 堰面形式……………………………………………………( 16)
三、 溢洪道的水力计算…………………………………………( 16)
四、 工程布置……………………………………………………( 17)
六、 掺气水深……………………………………………………( 23)
七、 消能防冲……………………………………………………( 23)
八、 溢洪道的其它构造设计……………………………………( 24)
第五部分 施工图纸…………………………………………………( 24)
附图………………………………………………………………( 25)

《水工建筑物课程设计》

设计说明书

姓 名: 耿恒银
班 级: 1012
学 号: 101216
指导老师: 舒浩光 徐卫超

二00五年七月
水工建筑物课程设计

第一部分 设计资料
一、 设计资料
1、 概 况
平山水库位于G县西南3公里处的平山河中游坝址以上控制流域面积431km2; 沿河道有地势较平坦的小平原, 地势自南向东有高变低。最低高程为62.5m。河床比降为千分之三, 河流发源于苏唐乡大源锭子, 整个流域物产风丰富。土地肥沃, 下游盛产稻麦, 上游蕴藏着丰富的木材, 竹子等土特产。平山河为山区性河流, 雨后山洪常给农作物和村镇造成灾害, 另外, 当雨量分布不均时, 又造成干旱现象, 因此, 有关部门对本地区作了多次勘测规划以开发这里的水资源。
2、 枢纽任务
枢纽主要任务是以灌溉发电为主, 并结合防洪, 航运, 养鱼及供水等任务进行开发。初步规划, 本工程灌溉面积为20万亩( 高程在102m以上) , 装机容量9000KW。防洪方面, 使平山河下游不致洪水成灾, 同时配合下游水利枢纽, 大意下游起到一定的防洪作用, 在流域规划中规定本枢纽在经过设计洪水流量时, 控制最大泄流流量不超过900 m3/s。航运方面, 上游库区能增加航运里程20公里, 下游可利用发电尾水等航运条件, 并拟建竹木最大过坝能力为25吨的筏道。
3、 地形地质概况
地形情况: 平山河流域多为丘陵山区, 在平山枢纽上游均为大山区。河谷山势陡峭, 河谷边坡一般为600~700, 地势高差都在80~120m, 河谷冲沟切割很深, 山脉走向大约为东西方向, 岩基出露较好, 河床一般为100m左右河道弯曲相当厉害, 沿河沙滩及坡积层发育, 尤以坝址下游段的更为发育, 在坝轴下游300m处的两岸河谷呈马鞍形, 其覆盖物较厚, 岩基产状凌乱。
地质情况: 靠上游有泥盆五通砂岩, 靠下游为二迭纪灰岩, 几条坝轴线皆落在五通砂岩上面, 地质构造特征: 在平山咀以南, 即灰岩与沙岩分界处, 发现一大断层, 其走向近东西, 倾向大致向北西, 在第一坝轴线左肩的为五通砂岩, 特别破碎, 在100多米范围内就有三四处小断层, 产状凌乱, 坝区右岸破碎深达60m的钻孔芯获得率仅为20%, 岩石裂隙十分发育。 岩石的渗水率很小。坝区下游石灰岩中发现两处溶洞, 平山咀大溶洞和大泉眼大溶洞, 前者对大坝及库区均无影响, 后者朝南东方向延伸的话, 可能经过库壁, 库水有可能顺着溶洞漏到库外。 坝址覆盖层沿坝轴线厚度达1.5~5.0m, K=1×10-4cm/s, 浮容重V浮=10.7KN/ m3, 内摩擦角Ф=350
4、 水文、 气象
( 1) 、 水文: 千年一遇雨量498.1mm, 二百年千年一遇雨量348.2mm, 五十年千年一遇雨量299.9mm, 雨洪峰流量Q0.1%=1860 m3/s, Q0.5%=1550m3/s, Q1%=1480m3/s, 多年平均水量为4.55亿m3
( 2) 、 气象: 多年平均风速10m/s, 水库吹程D=9Km, 多年平均将雨量430mm/年, 库区气候温和, 年平均气温16.9℃, 年最高气温40.5℃, 年最低气温-14.9℃
5、 其它
( 1) 、 坝顶无交通要求
( 2) 、 对外交通情况
水 路:可通行3~6吨木船, 枯水季只能经过3吨以下的船只, 水运较困难
公 路: 尚无公路通行
铁 路: 到工地有53公里处有乐万铁路车站
二、 设计依据
1、 工程等级:
工程的灌溉面积为2万亩,装机容量9000,总库容2.00亿
判定此工程为二等工程
主要建筑物: 挡水坝, 溢洪道, 电站厂房。
次要建筑物: 筏道, 泻洪洞, 导流洞( 后改为泻洪洞) 。
2、 水库规划资料
( 1) 正常水位: 113.10, 设计洪水位: 113.30, 校核洪水位: 113.50
死水位: 105.0m( 发电极限工作深度8m) , 灌溉最低水位: 104.0m
( 2) 总库容: 2.00亿, 水库有效库容: 1.15亿
( 3) 库容系数: 0.575
( 4) 发电调节流量=7.35, 相应下游水位68.2
发电最大引用流量=28 , 相应的下游水位68.65,经过设计洪水位流量( Q0.1%) 时。溢洪道最大泄量=1340 , 相应的下游最高洪水位74.3
3、 枢纽组成建筑物
( 1) 大坝: 布置在1#坝轴线上
( 2) 溢洪道: 堰顶高程为107.50m
( 3) 水电站: 装机容量9000KW, 3台机组, 厂房尺寸30×9平方米
( 4) 灌溉: 主要灌溉区在河流的右岸, 渠首底高程102m, 灌溉最大引用流量8.15 m3/s, 相应渠道最大水深1.75m, 渠底宽3.5m, 渠道边坡1: 1
( 5) 水库放空隧洞: 为便于检修大坝和其它建筑物, 拟利用导流隧洞作为防空洞。洞底高程70.0m, 洞直径3.5m
( 6) 筏道: 为干筏道, 上游坡不陡于1: 4, 下游坡不陡于1: 3, 转运平台高程115.0m, 平台尺寸为30×20m2
4、 筑坝材料
枢纽大坝采用当地材料筑坝
( 1) 土料: 主要有粘土和壤土, 可采用坝下1.5~3.0公里丘陵区与平原地带, 储量多, 质量尚佳可作为筑坝材料, 其性能见表1
( 2) 砂土: 可从坝上下游0.5~3.5公里河滩上开采, 储量多, 可供筑坝使用, 其性能见表2
( 3) 石料: 可在坝址下游附近开采, 石质为石灰岩及砂岩, 质地坚硬, 储量丰富, 便于开采, 其性能见表3.
表一 土料特性表
土壤
类别
干容重rc( KN/m3)
最优含水率( %)
孔隙率 n( %)
内摩擦角Ф
粘着力 C( Kpa)
透水系数 K( cm/s)
粘土
15.4
25
40
18o30′
37
1×10-6
壤土
15.8
14.5
41.7
23o41′
12
1×10-5
坡土
16.0
22.5
39.8
22o( 湿)
33o( 干)
7.5( 湿)
1×10-3
表二 砂土特性表
土壤类别
干容重rc( KN/m3)
孔隙率 n( %)
内摩擦角Ф
渗透系数 K( cm/s)
浮容重
′
砂土
16
40.6
30o
1×10-2
10.06

表三 石料特性
干容重( KN/m3)
孔隙率 ( %)
内摩擦角Ф
1.8
33
38o

第二部分 枢纽布置

一、 坝型的选择
在基岩上筑坝有三种类型可选择:重力坝、 拱坝、 土石坝。
重力坝方案: 重力坝虽然对地形, 地质条件适应性强, 且枢纽泄洪问题容易解决等优点, 可是建重力坝清基开挖量大, 且不能利用当地筑坝材料, 故重力坝不经济。
拱坝方案: 修建拱坝理想条件是河岸左右对称, 岸坡平顺无突变, 在平面上向下游收缩的峡谷段, 而该水利枢纽布置处成S形, 沿河沙滩及坡积发育, 坝轴线下游河谷程马鞍形, 无建拱坝的可能。
土石坝方案: 土石坝对地形、 地质的要求低, 几乎在所有的条件下都能够修建, 且该工程在坝轴线的附近丘陵区与平原地带的土料储量很多, 土质佳, 可作筑坝之用, 而且有丰富的质地好, 开采容易的筑坝用的砂土和石料。故修建土石坝, 其材料来源广泛, 开挖量小, 可减小工程投资, 综合考虑地形, 地质条件, 建筑材料, 施工条件, 综合效益等因素, 最终选择土石坝方案。
二、 泄水建筑物型式的选择
溢洪道选择: 根据当地地质条件, 确定为开敞式溢洪道, 开敞式溢洪道分为正槽式和侧槽式, 正槽式溢洪道中, 泻水槽与堰上水流方向一致, 水流平顺, 泄流能力大, 结构简单, 运行安全可靠, 适用于各种水头和流量, 且坝轴线下300m处两岸河谷呈马鞍形, 选该形式最合理。
放空隧的选择: 洞水库放空隧洞其进口高程能够很低, 因此除了担负泄洪任务, 还能够承担灌溉放水, 施工导流, 排泄泥沙和防空水库等任务。因此本工程利用施工期的导流隧洞作为水库放空隧洞。
三、 其它建筑物型式的选择
引水建筑物的型式: 河道水量丰沛, 水位较底, 引水量较大, 无坝取水不能满足要求, 则选用有坝取水枢纽即溢流坝。
施工导流方式: 选用导流隧洞, 能够作为坝修建好之后的泄水隧洞, 减小工程量。
四、 枢纽的组成建筑物及等级
表四 建筑物分类
建筑物名称
土石坝
溢洪道
放空隧洞
灌溉
电站厂房
筏道
级 别
2
3
3
3
2
3
五、 枢纽布置
挡水建筑物: 土石坝布置在1#坝轴线上
泄水建筑物: 溢洪道布置在左岸的垭口上, 可减小工程的开挖量, 而且与大坝离开, 有利于大坝的安全。
电站厂房应该设在平坦的地方, 引水隧洞布置在凸岸, 能够缩短长度, 减小工程量。因此电站厂房布置在凸岸, 即河的右岸比较合理。

第三部分 土石坝的设计
一、 土石坝坝型的选择
在坝址附近有丰富的饿土料, 坝址上下游及两岸滩地又有大量的砂、 石灰岩及砂岩, 质地坚硬, 储量丰富, 可作为坝壳材料, 从建筑材料上说, 斜墙坝、 心墙坝均可。
斜墙坝由于抗剪强度较低的防渗体位于上游面, 故上游坝坡较缓, 坝的工程量相对较大, 而且斜墙对坝体的沉降变形比较敏感, 与陡峻河岸的连接较困难, 故不选择此方案。
心墙坝的防渗体位于坝体的中央, 适应变形的条件好, 粘土心墙所用的粘土量少, 施工较方便。因此选择粘土心墙坝。
二、 大坝断面尺寸及构造型式
1、 坝坡: 采用三级变坡, 在变坡处设置马道, 其宽度取2。
上游坝坡: 1: 3.0、 1: 3.25、 1: 3.5
下游坝坡: 1: 2.5、 1: 2.75、 1: 3.0
2、 坝顶宽度: 本坝无交通要求, 坝高, 在30m-60m, 因此坝顶宽度=且无交通要求, 取=7
对中低坝最小宽度B＞5m, 取=7m。
3、 坝顶高程计算:
超高:
—波浪在坝坡上的爬高 m
—风浪引起的坝前水位壅高 m
—安全加高 m
=0.45hlm-1n-0.6
: 设计波高
: 坝坡坡率取2.5
: 坝坡护面糙率, 选干砌石取0.0275
: ( 多年平均) 计算风速
: 吹程
: 综合摩擦系数 取3
: 水库水域平均水深 m
: 风向与坝轴线方向的夹角
: 重力加速度 取
坝顶高程: 二者取大值
表五 坝顶高程计算
运用情况
静水位( m)
( m)
e(m)
A(m)
防浪墙高程(m)
坝顶高程( m)
设计洪水
113.3
1.40
0.0198
0.5
115.42
115.42
114.22
( 取114.3)
校核洪水
113.5
0.84
0.0089
1.0
115.14
验算: 坝顶高程114.30＞设计洪水位+0.5m=113.8m
＞校核洪水位113.5 满足要求。
4、 坝体排水设备及尺寸拟定
常见坝体排水主要有以下几种形式: 贴坡排水、 棱体排水、 褥垫排水。
贴坡排水不能降低浸润线, 多用于浸润线很底和下游无水情况。
褥垫排水对地基不均匀沉降适应性较差, 易断裂, 且难以检修, 不宜采用。
棱体排水能够降低浸润线, 防止坝坡冻胀, 保护下游坝脚不受尾水淘刷且有支持坝体, 增加稳定的作用。坝址附近有丰富的石料可开采, 其石料质地坚硬, 能够利用, 做堆石料棱体排水。棱体顶面的高程高出下游最高水位至少, 取1.7, 下游最高水位为校核时的水位74.3, 棱体顶面的高程为76.0。棱体内坡坡度取1: 1.5, 外坡取1: 2.0, 顶宽取2.0。
5、 防渗体
本设计粘土允许坡降。承受最大水头为47.9, 墙厚≥/[]=11.98, 心墙的顶宽取5＞3满足机械化施工的要求。上下游坡度均取1: 0.2。墙顶高程为设计洪水位加0.3-0.6超高, 取0.3, 因此墙顶高程为113.4。
6、 大坝基本剖面

三、 渗流计算
心墙采用粘土料, 渗透系数很小, 因此计算时能够不考虑上游水头降落, 下游坝壳的浸润线比较平缓, 水头主要在心墙部位损失。

将心墙看成等厚的长方体

经过心墙段的单宽流量
经过心墙下游坝壳段的单宽流量
得 =2.96m , m3/s,
浸润线方程为 即:
心墙之后的坝壳防渗坡降及渗透性很小, 发生破坏的可能不大。
四、 稳定计算

无粘性土的坝坡常形成折线形的滑动面, 在此只考虑上游水位在1/3坝高处上游坝坡的稳定。

由图测的角度为; ; ;
因此该假想滑动面是稳定的。
五、 材料及细部构造
1、 坝 顶
坝顶无公路要求, 故路面采用黄泥浆砌石路面, 为排除雨水, 将扒顶向下游向下游倾斜( 2%-3%) 取i=2%。
2、 护 坡
上游采用干砌石护坡, 块径一般为30以上。选双层, 约厚为0.4-0.6, 砌石下面设碎石垫层, 其厚约为0.15-0.25, 取0.25。护坡范围自坝顶起延至水库最低水位以下一定距离, 一般为2.5, 护坡的最低高程为105, 下游护坡为碎石护坡厚25。
3、 坝的防渗体及排水设施
坝的防渗体为粘土心墙, 心墙上下游设置反滤层, 坝体排水为堆石棱体排水, 在排水与坝体, 坝基之间设置反滤层, 下游马道在靠近坡处设置排水沟, 并在坝坡设置横向排水沟以汇集雨水, 岸坡与坡体交接处也设置排水沟, 以汇集岸坡雨水, 防止雨水掏刷坝坡。
4、 反滤层设计
( 1) 设计标准: 被保护土相邻的第一层反滤料
D15/d85≤4-5 式中: D15: 反滤料的特征粒径, 小于粒径土占总土重的15%
D15/d15≥5 d85, d15: 被保护土粒径, 小于该粒径土分别占总土重的85%, 15%
( 2) 防渗体周边部位:
第一层d50=0.5 厚20 第二层d50=2.0 厚30
排水部位:
第一层d50=30 厚20 第二层d50=90 厚60 坝顶及心墙反滤层, 棱体排水及反滤层、 岸坡排水、 护坡详图见图纸。

2、 坝基处理
需将防渗体部位进行开挖, 挖去覆盖层3m, 并下挖0.3m, 将防渗体坐落在岩基上形成截水墙, 隔断渗流, 岩面不平整或存在微小裂缝处, 经过灌浆, 喷水泥砂浆或浇筑混凝土进行处理。在基岩面建混凝土齿墙作用不明显, 受力条件不好, 易产生裂缝。在基岩内部防渗处理的主要设施是帷幕灌浆, 用以提高其不透水性, 强度, 完整性, 减小防渗坡降。

第四部分 溢洪道设计
一、 溢洪道的形式。
选在垭口处, 见图示平面位置, 并采用开敞式的正槽溢洪道。
二、 堰面形式:
采用WES型堰面形状

取
三、 溢洪道的水力计算
1、 孔口尺寸设计
( 1) 、 单宽流量的确定。
校核洪水高程 113.5 堰顶高程 107.5

——单宽流量
根据堰顶形式可选
则 取

取孔口宽度为9 则

——孔口宽度 ——闸墩厚度( 取2.0)
则
进行验算:
——闸墩侧收缩系数, 取0.95
——流量系数, 取0.48
——重力加速度, 9.81
溢洪道在开挖的时候, 为了增强防冲刷能力, 需要设置衬砌, 粗糙率取。
四、 工程布置
1、 进水渠
( 1) 、 拟定引水渠的形式
引水渠采用梯形断面, 低坡平坡, 边坡采用1: 1.5且流速小于渠底宽度大于堰宽, 取1, 渠底高程取87.5。
( 2) 、 引水渠尺寸
校核水位

——为过水断面 ——渠底宽度
假设 为了安全取
进水渠与控制堰之间为渐变段, 采用弧线连接。
2、 控制段
( 1) 拟定控制段的形式
为了控制泻流能力, 设置弧形闸门, 堰型选用WES标准剖面堰, 顶高程,

取
查表:
与泄槽底版相连采用反弧曲面, ( 其中为校核洪水位全开时的反弧最低点)
3、 泄 槽
泄槽布置在基岩上, 断面为挖方, 为适应地形, 泻槽分为收缩段、 泻槽一段、 泻槽二段, 根据已建的工程拟定收缩段收缩角为12度。首端与控制堰同宽B=61m。末端采用矩形。
4、 出口消能
溢洪道出口段为冲沟, 岩石质地较好, 离大坝较远, 采用挑流消能。水流冲刷不会危及大坝安全。
五、 溢洪道的计算
泄槽水面线计算: 对称布置由地质平面图可知堰顶到下游水面高程( 74.3) 处的水平距离是86, 高差33.2。坡降i=33.2/86=0.386＞iK, 属急流, 槽内形成bⅡ型降水曲线, 属于明渠非均匀流的计算。
( 1) 、 基本计算
采用各段试算的方法计算
( 2) 、 基本计算公式
流段距离:

式中收缩断面处开始计算

( 3) 、 用试算法进行求

取几组的值, 进行试算, 使得两公式算的相等

列表如下:
的值
2.0
1.7
1.4
1.35
1.34

21.51
21.63
21.75
21.77
21.77

1.35
1.34
1.34
1.34
1.34
以 , 求两断面点的距离

h
v
v平均
R
R平均
v2/2g
J
△S
∑△S
1.34
21.79
22.21
1.28
1.26
24.20
0.07
6.90
6.90
1.29
22.64
1.24
26.11
1.24
23.55
24.04
1.19
1.17
28.26
0.09
9.29
16.19
1.19
24.54
1.15
30.69
1.14
25.61
26.20
1.10
1.08
33.44
0.12
13.31
29.50
1.09
26.79
1.05
36.58
1.04
28.08
28.79
1.01
0.98
40.18
0.16
21.12
50.62
0.99
29.49
0.96
44.34
作出泻槽水面线:

( 4) 、 堰的剖面的确定

点下游的曲线方程

按上式列表计算:

1
2
3
4
5
6
7
8
9

0.139
0.502
1.063
1.810
2.734
3.831
5.095
6.523
8.112
坡度的下游直线段与曲线段相切点的坐标值, 作一阶导数:

直线的坡度
故 则C( 9.0, 8.112) 。
反弧线圆心的确定: 反弧半径 式中:
上下游水位差: Zman=113.3-74.2=39m,
取R=22m。
六、 掺气水深
( 1) 、 掺气发生的位置
按经验公式:
——单宽流量
理论上是不需要考虑的, 可是一般还是在4段末考虑掺气, 从而减小影响。从水面线上得到此点的流速, , 代入
——不计波动和掺气的水深
——不计波动和掺气的计算断面的平均流速
——修正系数, 一般为
则
边墙的超高一般为, 取0.6
槽面到墙顶的垂直距离为
七、 消能防冲
用挑流进行消能
( 1) 、 鼻坎形式: 平顺连续式
( 2) 、 为了减小冲坑深度, 应该选取角度, 则选用
( 3) 、 反弧半径: 采用双圆弧, 半径分别取为
( 4) 、 鼻坎高程: 高于下游最高水位, 取
则高程为
( 5) 、 冲刷深度

——冲刷坑深度 ——抗冲系数, 取1.5
——单宽流量 ——上下游水位差 ——下游水深
八、 溢洪道的其它构造设计
( 1) 、 如果流速超过土壤或岩石的抗冲刷时的流速时, 要用混凝土衬砌, 厚度取0.5
( 2) 、 横纵向温度分缝距离10
( 3) 、 挑流消能的鼻坎用连接面版和齿墙两部分组成。

第五部分 施工图纸
施工图见图纸。