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1、目 录第一部分 设计资料 (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(2
2、4)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: 班 级: 学 号:指导老师: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
3、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通过设计洪水流量时,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600700,地势高差都在80120m,河谷
4、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
5、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,可能通过库壁,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1.55.0m,K=110-4cm/s,浮容重V浮=10.7KN/ m3,内摩擦角=3504、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
6、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36吨木船,枯水季只能通过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
7、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,通过设计洪水位流量(Q0.1%)时。溢洪道最大泄量=1340 ,相应的下游最高洪水位74.33、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309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
8、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3020m24、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1.53.0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0.53.5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(%)内摩擦角粘着力 C
9、(Kpa)透水系数 K(cm/s)粘土15.4254018o3037110-6壤土15.814.541.723o4112110-5坡土16.022.539.822o(湿)33o(干)7.5(湿)110-3表二 砂土特性表土壤类别干容重rc(KN/m3)孔隙率 n(%)内摩擦角渗透系数 K(cm/s)浮容重 砂土1640.630o110-210.06表三 石料特性干容重(KN/m3)孔隙率 (%)内摩擦角1.83338o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,但是建重力坝清
10、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可以修建,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,并且有丰富的质地好,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
11、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可以很低,因此除了担负泄洪任务,还可以承担灌溉放水,施工导流,排泄泥沙和防空水库等任务。所以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,可以作为坝修建好之后的泄水隧洞,减小工程量。
12、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233323五、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,并且与大坝离开,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,可以缩短长度,减小工程量。所以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
13、游坝坡较缓,坝的工程量相对较大,并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。所以选择粘土心墙坝。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、1:3.02、坝顶宽度:本坝无交通要求,坝高,在30m-60m,所以坝顶宽度=且无交通要求,取=7对中低坝最小宽度B5m,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
14、=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113.31.400.01980.5115.42115.42114.22(取114.3)校核洪水113.50.840.00891.0115.14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
15、尺寸拟定 常用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。棱体排水可以降低浸润线,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,可以利用,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
16、,心墙的顶宽取53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,所以墙顶高程为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,因此计算时可以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 通过心墙段的单宽流量 通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; 所以该假
17、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
18、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/d854-5 式中: D15:反滤料的特征粒径,小于粒径土占总土重的15%D15/d155 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
19、,岩面不平整或存在微小裂缝处,通过灌浆,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,
20、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
21、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=0.386iK,属急流,槽内形成b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
22、值2.01.71.41.351.3421.5121.6321.7521.7721.771.351.341.341.341.34以 ,求两断面点的距离 hvv平均RR平均v2/2gJSS1.3421.79 22.21 1.28 1.26 24.20 0.07 6.90 6.90 1.2922.64 1.24 26.11 1.2423.55 24.04 1.19 1.17 28.26 0.09 9.29 16.19 1.1924.54 1.15 30.69 1.1425.61 26.20 1.10 1.08 33.44 0.12 13.31 29.50 1.0926.79 1.05 36.58 1
23、.0428.08 28.79 1.01 0.98 40.18 0.16 21.12 50.62 0.9929.49 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:1234567890.1390.5021.0631.8102.7343.8315.0956.5238.112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
24、,但是一般还是在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。19