环境管理_《水工建筑物课程设计》设计说明书

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（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： 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（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。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 =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，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/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，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，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=0.386iK，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