三更挡泄水建筑物设计.doc

目 录 摘要 1 关键词 1 Abstract 1 Key words 1 前言 2 1 基本资料 1 1 1 地域概况 1 1 2 气象 水文 1 1 3 泥沙 1 1 4 工程地质 3 1 4 1 坝址工程地质 3 1 4 2 引水线路工程地质 5 1 5 动能指标 5 2 建筑物级别及坝型选择 6 2 1 水利水电工程分等和水工建筑物分级 6 2 2 坝轴线的选择 6 2 3 坝型选择 8 2 3 1 综述 8 2 3 2 坝型选择方案 8 3 枢纽布置 9 3 1 综述 9 3 2 枢纽布置应遵循下原则 11 3 3 各类建筑物枢纽布置的要求 11 3 3 1 挡水坝 11 3 3 2 泄冲闸 11 3 3 3 进水口 11 4 非溢流坝设计 12 4 1 剖面设计 12 4 1 1 坝顶高程的确定 12 4 1 2 坝顶宽度 14 4 1 3 坝面坡度 14 4 1 4 坝底宽度 14 4 1 5 基础灌浆廊道尺寸拟定 14 4 1 6 坝基防渗与排水设施拟定 15 4 2 抗滑稳定及坝体应力分析 15 4 2 1 荷载计算及其组合 15 4 2 2 荷载组合及计算 16 5 泄冲闸设计 19 5 1 闸室的结构型式及空口尺寸的确定 19 5 1 1 闸室的结构型式及高程确定 19 5 1 2 拟定闸孔尺寸及闸墩厚度 19 5 1 3 校核泄洪能力 23 5 2 消能防冲设计 23 5 2 1 消能防冲设计的控制情况 23 5 2 2 消力池尺寸确定及构造 25 5 2 3 海漫设计 27 5 2 4 防冲槽设计 28 5 3 水闸防渗及排水设计 30 5 3 1 闸底轮廓布置 30 5 4 防渗和排水设计及渗透压力计算 31 5 4 1 渗流计算的目的 31 5 4 2 计算方法 31 5 4 3 计算渗透压力 31 5 5 排水设备的细部构造 34 5 5 1 排水设备的作用 34 5 5 2 排水设备的设计 34 5 5 3 止水设计 35 5 6 闸室 35 5 6 1 闸室的布置 35 5 7 闸室稳定计算 37 5 7 1 荷载及其组合 37 5 7 2 地基应力验算 39 5 7 3 闸室稳定验算 40 参考文献 41 致谢 42 附图 1 重力坝剖面及细部图 43 附图 2 水闸纵剖及其它构造图 44 附图 3 枢纽布置平面图 45 附图 4 枢纽下游立视图 46 附图 5 三更水里枢纽平面布置图 47 0 三更挡泄水建筑物设计 1 基本资料 1 1 地域概况 三更水电站位于四川省康定县孔玉乡境内三更沟中游 B 沟流域河道水流湍急 急 滩跌水随处可见 水力资源较为丰富三更沟属于 B 河右侧的一级小支流 厂址位于三 更沟与 B 沟交汇的两河口上游 900m 处 首部枢纽位于厂址以上 4 2km 的河段上 三更 水电站设计引用流量 1 92m3 s 额定水头 500m 装机容量 2 4MW 1 21 2 气象 水文气象 水文 三更沟属于巴郎沟流域 属高原温带川西山地气候 主要特点是气温低 冬季长 日照丰富 干湿季分明 影响流域降水的主要系统是西太平洋副热带高压 工程区多年 平均气温 7 1 极端最高气温和极端最低气温分别为 28 9 和 14 7 多年平均年 降水量为 815 7mm 历年一日最大降水量 49 4mm 多年平均蒸发量 1285 5mm 20cm 口 径蒸发皿观测值 多年平均相对湿度 73 多年平均风速为 3 1m s 最大风速为 20 0m s 相应风向为 E 多年平均霜日数为 84 9 天 最大积雪深度为 24cm 坝址多年平均径流深 995mm 多年平均流量 1 55m3 s 取水口以上集雨面积 49 2km2 表表 1 11 1 三更沟电站设计洪水成果表三更沟电站设计洪水成果表 各 频 率 设 计 值 Qp m3 s 位 置 集雨 面积 km2 p 0 1 p 0 2 p 0 33 p 0 5 p 1 0 p 2 p 3 3 p 5 p 10 p 20 p 50 坝 址 49 263 358 354 651 546 441 337 534 429 324 017 1 厂 址 61 073 067 363 059 453 647 643 339 833 827 719 7 1 31 3 泥沙泥沙 三更电站坝址处年侵蚀模数为 63 01t km2 多年平均悬移质输沙量为 0 31 万 t 悬移质多年平均含沙量为 0 063kg m3 1 汛期 6 9 月 悬移质平均含沙量为 0 070kg m3 0 表表 1 21 2 三更沟电站年最大三更沟电站年最大 2424 7272 小时洪量频率计算成果表小时洪量频率计算成果表 各频率设计值 108m3 时段 p 0 1 p 0 2 p 0 5 p 1 p 2 p 3 3 24 小时 0 0170 0150 0140 0120 0110 010 72 小时 0 0420 0390 0350 0320 0290 026 表表 1 31 3 三更沟电站闸址分期洪水成果表三更沟电站闸址分期洪水成果表 各 频 率 设 计 值 Qp m3 s 时 段 p 3 33 p 5 p 10 p 20 p 50 1 月 1 06 1 02 0 94 0 86 0 73 2 月 0 85 0 82 0 77 0 71 0 61 3 月 0 96 0 90 0 81 0 71 0 57 4 月 1 40 1 32 1 17 1 01 0 77 5 月 9 38 8 60 7 12 5 68 3 59 6 月 9 月 37 5 34 4 29 3 24 17 1 10 月 9 80 9 10 7 97 6 68 4 77 11 月 2 39 2 26 2 03 1 77 1 36 12 月 1 49 1 42 1 30 1 17 0 94 表表 1 41 4 三更沟电站厂址分期洪水成果表三更沟电站厂址分期洪水成果表 各 频 率 设 计 值 Qp m3 s 时 段 p 3 33 p 5 p 10 p 20 p 50 1 月 1 32 1 26 1 17 1 07 0 90 2 月 1 05 1 01 0 95 0 88 0 76 3 月 1 18 1 12 1 00 0 88 0 71 4 月 1 73 1 63 1 45 1 25 0 96 5 月 11 14 10 22 8 46 6 74 4 26 6 月 9 月 43 339 833 827 719 7 10 月 11 64 10 80 9 46 7 94 5 66 1 11 月 2 96 2 80 2 51 2 20 1 69 12 月 1 84 1 76 1 61 1 45 1 17 1 41 4 工程地质工程地质 工程区地震动峰值加速度为 0 20g 相对应的地震基本烈度为 度 基岩物理力学指标如下饱和抗压强度 15 25 抗剪指标 f砼 岩 0 6 0 62 MPa 抗剪断指标 f 砼 岩 0 7 0 8 c 0 70 MPa 三更沟水电站区内地貌以川西高原山地为主 河谷深切狭窄 两岸高竣陡峭 谷岭 高差较大 坝址区 厂区地质物理力学参数建议值见表所示 表表 1 51 5 工程区覆盖层物理力学性建议值表工程区覆盖层物理力学性建议值表 物理性指标 承载及变 形指标 抗剪强 度 渗透及渗透 变形指标 密 度干密度 允许承 载力 变形 摸量 凝 聚 力 内摩 擦角 允许比 降 密 度 d R E0C J 地层 代号 地 层 岩 性 g cm3g cm3MPaMPaMPa g cm3 坡 比 干密 度 d g cm3 col dlQ 4 块 碎石土 2 00 2 10 1 80 2 00 0 25 0 30 25 30 0 25 28 块 碎石土 2 00 2 10 1 80 2 00 alQ4 砂 砾 卵 石 2 10 2 25 2 00 2 15 0 35 0 40 30 35 0 30 35 砂 砾 卵 石 2 10 2 25 2 00 2 15 1 4 11 4 1 坝址工程地质坝址工程地质 推荐坝址地处三更沟的中上游 位于山海子支沟口上游 25 75m 河段 河沟地面高 程 3219 3225m 该段河床比降较小 水流相对平缓 本阶段在坝址区河段内进行了坝线 的比选工作 最终确定现坝线为最优坝线 若现坝线上移 沟谷变的较开阔 若坝线下 移 将丢失水头坝址区河段沟谷为早期洪冲积层下切形成的狭窄沟谷 左岸地形坡度 15 20 右岸为 45 50 属不对称型 V 形谷 河床水面宽 5 8m 水深 0 5 1 2m 坝址区均为第四系洪冲积层与崩坡积层覆盖 其中洪冲积层厚 50 55m 为中粗砂砾 卵 石夹孤块石 漂石 中粗砂砾 卵 石成份主要为灰岩 玄武岩 砾径一般 1 3cm 2 含量 40 50 漂石直径 0 4 0 8m 局部孤块石直径 1 2 3 5m 含量 5 10 该层除 表部 4 5m 结构较松散 以下中等密实 崩坡积 Qcol dl 厚 35 50m 为块碎石夹粉质 壤土 下伏基岩为二迭系下统第 3 段 P13 浅灰 灰色含泥砂质结晶灰岩 结晶灰岩夹蚀 变玄武岩 炭硅质板岩 和第 4 段 P14 中 厚层结晶灰岩 生物碎屑灰岩夹炭质板岩 坝址区附近植被茂盛 无冲沟切割 地形完整 坡体稳定 无崩塌 滑坡 泥石流等不良地质作 用存在 1 4 21 4 2 引水线路工程地质引水线路工程地质 明渠与前池基本沿 3223m 等高线布置 该段地形为三更左岸斜坡 地面坡度 35 45 压力管道顺沟铺设 总体倾斜度为 7 8 所经地貌单元主要为沟谷内侧山坡坡 脚 河漫滩 沿线基岩出露在两岸岸坡较高处 主要为二迭系下统第 3 段 P13 浅灰 灰色含泥砂 质结晶灰岩 结晶灰岩夹蚀变玄武岩 炭硅质板岩 和第 4 段 P14 中 厚层结晶灰岩 生物碎屑灰岩夹炭质板岩 线路地基主要为崩坡积为块碎石夹粉质壤土及洪冲积中粗砂 砾 卵 石夹孤块石 漂石 线路经过地段地形较为完整 植被茂盛 无大的冲沟切割 但局部地段存在岸坡岩 土体的浅部滑移和垮塌现象 线路区的地下水为第四系松散堆积物孔隙水 受大气降水补给 向河床排泄 沿线 地下水埋藏较浅 对普通混凝土无腐蚀性 压力管道所经地貌单元主要为沟谷内侧山坡坡脚 河漫滩 各镇支墩地基主要为崩 坡积块碎石夹粉质壤土 这些土体地面以下 3m 中等密实 承载力和变形指标可满足设计 要求 但存在侧向边坡稳定和地下水丰富等问题 建议施工过程中加强基坑临时支护和 排水措施 另外 为避免岸坡岩土体崩塌掉块危及管道安全 建议采用埋管处理 管顶 埋深大于 2m 1 51 5 动能指标动能指标 正常蓄水位 3224 03m 电站装机容量 台数 单机容量 2 4MW 发电引用流量 1 92m3 s 最大水头 507 07m 最小水头 500 05m 3 额定水头 500m 保证出力 有调节 2 161MW 年利用小时数 5338h 三三更更电电站站厂厂房房水水位位流流量量关关系系曲曲线线 2700 2700 5 2701 2701 5 2702 2702 5 050100150200250 流流量量 m m3 3 s s 水水位位 m m 附附图图2 2 1 12 2 图 1 1 三更电站厂房水位流量曲线 山山埂埂子子电电站站坝坝址址水水位位流流量量关关系系曲曲线线 3220 3220 5 3221 3221 5 3222 3222 5 020406080100120 流流量量 m m3 3 s s 水水位位 m m 附附图图2 2 1 11 1 图 1 2 三更电站坝址水位流量曲线 4 2 建筑物级别及坝型选择 坝址 坝型选择和枢纽布置是水利枢纽设计的重要内容 三者相互联系 在选择坝 址 坝型和枢纽布置时 不仅要研究枢纽附近的自然条件 而且需要考虑枢纽的施工条件 运行条件 综合效益 投资指标以及远景规划等 这是水利枢纽设计中贯穿在各个阶段 的一个十分重要的问题 不同的坝址适用于不同的坝型和枢纽布置 所以选择坝址 坝 型要同时做出枢纽布置 针对不同坝址做出不同坝型的各种枢纽布置方案 进行技术经 济比较 最后选定较为理想的坝轴线位置及相应的坝型和枢纽布置 2 12 1 水利水电工程分等和水工建筑物分级水利水电工程分等和水工建筑物分级 由装机容量为 8MW 查水利水电工程分等指标得 此工程等别为 级 工程规模为小 2 型 水工建筑物的结构安全级别为 级 永久性重要建筑物为 3 级 按规范要求 采用 30 年一遇洪水设计 100 年一遇洪水校核 查相应的水位流量曲线得上游设计洪水 位为 3225 68m 校核洪水位 3226m 下游设计洪水位为 3221 61m 校核洪水位 3221 77m 2 22 2 坝轴线的选择坝轴线的选择 坝址和轴线的选择是根据地形 地质 河流走势等条件综合考虑决定的 就地形而 言 坝址一般以选在狭窄河谷处 节省工程量 但对于一个具体的枢纽来说 必须从各 个方面综合考虑 是否便于布置泄洪 发电建筑物 是否便于施工导流 技术可行 经 济合理等综合衡量 坝址地质条件是水利枢纽设计的重要依据之一 对坝型的选择和枢 纽的布置起着决定性作用 坝址最好的地质条件是强度高 透水性小 不易风化 没有 构造缺陷的岩基 但理想的天然地基很少 因而在选择坝址时应从实际出发 针对不同 的情况采取不同的地基处理方式 来满足工程需要 亦可通过选择不同的坝型或将坝轴 线转折以适应地质条件 同时应考虑两岸的地质因素 使库区及两岸边坡有足够的稳定 性 以防止因蓄水而引起的滑坡现象 就河势来说 坝址要选在河流顺直段 靠近坝址 上 下游河流如有急湾最不利 应予避免 枢纽两岸坝肩的山体要较雄厚 并尽可能离 上下游两岸的冲沟远一些 水库周缘应没有难处理的缺口 由基本资料分析得 选择的坝址地处三更沟的中上游 位于山海子支沟口上游 5 25 75m 河段 河沟地面高程 3219 3225m 该段河床比降较小 水流相对平缓 本阶 段在坝址区河段内进行了坝线的比选工作 最终确定现坝线为最优坝线 若现坝线上移 沟谷变的较开阔 若坝线下移 将丢失水头坝址区河段沟谷为早期洪冲积层下切形成的 狭窄沟谷 左岸地形坡度 15 20 右岸为 45 50 属不对称型 V 形谷 河床水面 宽 5 8m 水深 0 5 1 2m 坝址区均为第四系洪冲积层与崩坡积层覆盖 其中洪冲积层厚 50 55m 为中粗砂 砾 卵 石夹孤块石 漂石 中粗砂砾 卵 石成份主要为灰岩 玄武岩 砾径一般 1 3cm 含量 40 50 漂石直径 0 4 0 8m 局部孤块石直径 1 2 3 5m 含量 5 10 该层除 表部 4 5m 结构较松散 以下中等密实 崩坡积 Qcol dl 厚 35 50m 为块碎石夹粉质 壤土 下伏基岩为二迭系下统第 3 段 P13 浅灰 灰色含泥砂质结晶灰岩 结晶灰岩夹蚀 变玄武岩 炭硅质板岩 和第 4 段 P14 中 厚层结晶灰岩 生物碎屑灰岩夹炭质板岩 坝址区附近植被茂盛 无冲沟切割 地形完整 坡体稳定 无崩塌 滑坡 泥石流 等不良地质作用存在 2 32 3 坝型选择坝型选择 2 3 12 3 1 综述综述 坝型选择应根据当地地质 地形条件 施工条件 建筑材料 综合效益 宣泄洪水 能力 以及抗震性等特点 通过定性分析 初步选择两种坝型进行较详细的技术比较 选取既满足工程要求 又比较经济的坝型 经济比较只要求对坝体的砼方量及三材用量 作粗略的计算和比较 以下分别就各种坝型进行比较分析 2 3 22 3 2 坝型选择方案坝型选择方案 2 3 2 1 土石坝 土石坝又称当地材料坝 是历史最为悠久的一种坝型 土石坝主要分为 均质坝 心 斜 墙坝 土石混合 堆石坝 坝等 1 土石坝优点 可以就地 就近取材 节省大量水泥 木材和钢材 减少工地的外线运输量 几 乎任何土石料均可筑坝 能适应各种不同的地形 地质和气候条件 任何不良的坝址地基 经处理后均可 筑坝 大容量 多功能 高效率施工机械的发展 提高了土石坝的施工质量 加快了进 6 度 降低了造价 促进了高土石坝的发展 由于岩土力学理论 试验手段和计算技术的发展 提高了大坝分析计算的水平 加快了设计进度 进一步保障了大坝设计的安全可靠性 土石坝适应地基变形 施工方便 而且我国拥有丰富的建坝经验 土石坝与砼坝 相比 其造价为砼坝的 1 10 工程量为砼坝的 4 倍 由此可见土石坝经济性优于混凝土 坝 2 缺点 由所给 三更水电站基本资料可知 坝址区均为第四系洪冲积层与崩坡积层覆盖 其 中洪冲积层厚 50 55m 为中粗砂砾 卵 石夹孤块石 漂石 中粗砂砾 卵 石成份主要为 灰岩 玄武岩 且储量足以建坝 各料场的物理性质 试验指标 基本满足技术要求 可作为大坝混凝土骨料使用 从材料方面看可以建土石坝 但土石坝有它本身的特点 就是坝身不能过水 泄水建筑物需另设溢洪道 由本枢纽基本资料知 三更沟水电站区 内地貌以川西高原山地为主 河谷深切狭窄 两岸高竣陡峭 谷岭高差较大 没有合适 地形布置溢洪道 因此 从这方面看 不宜建土石坝 由于坝址附近无大量的粘性土及砂壤土料 只可供应围堰防渗材料之用 不能满足 土石坝所需的大量粘性土和砂壤土料 因此 从这方面考虑 此处建设土石坝条件不足 综合上述优缺点 故本次设计不采用土石坝 而采用混凝土坝 2 3 2 2 混凝土坝 如果选择砼坝应考虑采用拱坝还是重力坝 1 拱坝优缺点 优点 拱坝是高次超净定空间整体结构 坝体的稳定性主要依靠两岸拱端山体反力 作用来维持 并不全靠坝体自重来维持 由于拱是一种主要承受轴向压力的推力结构 拱内弯矩较小 应力分布较均匀 有利于发挥材料的强度 从而坝体厚度可以减薄 节 省工程量 拱坝的体积比同一高度的重力坝大约可节省 1 3 2 3 从经济意义上讲 拱 坝是一种很优越的坝型 且较好的超载能力可达设计荷载的 5 11 倍 具有很强的抗震 能力 缺点 理想的拱坝地形应是左右岸对称 岸坡平顺无突变 在平面上向下游收缩的 峡谷段 而此坝址属不对称型 V 形谷 不适合建拱坝 综合上述 本坝址处不适宜建混凝土拱坝 2 重力坝 7 重力坝坝身可以过水 对地形地质条件适应性强 枢纽泄洪问题容易解决 可以大 型机械化施工 施工速度快 故本枢纽选择重力坝坝型 重力坝又分为宽缝重力坝 空腹重力坝 实体重力坝 需对三种坝型进行比较做出 结论 1 宽缝重力坝优缺点 宽缝重力坝 坝体设置宽缝后 坝基的渗透水可自宽缝排出 减小了渗透压力 但 宽缝坝增加了模板用量 立模也较复杂 分期导流不便 而且由资料可知当地三更沟属 于巴郎沟流域 属高原温带川西山地气候 主要特点是气温低 冬季长 对宽缝坝需要 采取保温措施 工程造价大大增加且不能大型机械化施工 工期较长 因此不宜选用宽 缝重力坝 2 空腹重力坝优缺点 空腹坝与实体坝相比具有以下优点 由于空腹下部设底板 减小了坝底面上的扬压力 可节省坝体砼方量 20 左右 减小了坝基开挖量 坝体前后腿嵌固于岩体内 有利于坝体的抗滑稳定 前后腿应力分布均匀 坝踵压应力较大 便于砼散热 坝体施工可不设纵缝 便于监测和维修 空腹内可以布置水电站厂房 缺点有 施工复杂 钢筋用量大 因此不适宜建空腹重力坝 3 结论 实体重力坝由于结构简单 安全可靠 对地形 地质条件适应性强 枢纽泄洪问题 容易解决 便于施工导流 可以大型机械化施工 施工方便且速度快 结构作用明确 适合建高坝 基于以上各种坝型的比较分析 本水库采用混凝土重力坝较为合理 3 枢纽布置 8 首先根据枢纽的任务及要求确定枢纽建筑物的组成 然后根据地质 地形等条件 通过定性分析确定较合理的枢纽方案 水利枢纽布置的任务是合理地确定枢纽中各组成 建筑物之间的相互位置 3 1 综述 三更水利枢纽的主要任务是调节水量 兼顾防洪 包括挡水坝段和泄洪闸段 挡水 坝段在河的两岸 中间设置泄洪闸 根据枢纽功能需要 工程具有挡水坝段 泄洪闸段等建筑物 枢纽布置主要应考虑 水闸段 挡水坝段的布置 3 23 2 枢纽布置应遵循下原则枢纽布置应遵循下原则 坝址 坝段及其他主要建筑物的形式选择和枢纽布置要做到施工方便 工期短 造价 低 枢布置应当满足各个建筑物在布置上的要求 各建筑物之间能协调 无干扰地工作 保证其他任何工作条件下都能正常工作 满足枢纽运用管理的要求 在满足建筑物强度和稳定的条件下 降低枢纽总造价和年运转费用 枢纽中各建筑物紧凑 尽量将同一工种的建筑物布置在一起 以减少联结建筑 尽可能使枢纽中的部分建筑早期投产 提前发挥效益 枢纽的外观应与周围环境相协调 在可能条件下注意美观 3 33 3 各类建筑物枢纽布置的要求各类建筑物枢纽布置的要求 3 3 13 3 1 挡水坝挡水坝 拦截水流 形成水库 将其布置在河岸的两边 通常布置成直线 这样坝轴线较短 坝身体积小 对建筑物的受力状态有利 并便于与相邻建筑物的联结 3 3 23 3 2 泄冲闸泄冲闸 泄洪闸起泄洪作用 前缘应正对上游来水的河流主流方向 下游出口方向最好与主 河槽水流方向一致 本枢纽中 泄洪闸的尺寸大概如下 本次设计为单孔门 闸门净宽 为 3m 闸墩厚取 1 2m 总闸段长为 5 4m 3 3 33 3 3 进水口进水口 工程上常将开敞式进水口布置在河道主流比较集中 河床稳定 河岸坚固的河段上 防止因主流左右摆动影响取水 进水口中心线与河道交角 30 45 从防沙考虑 将进水口设在河道凹岸 这样布置可以利用河湾处的横向环流 使进 9 水口引进表层较清的水 而底沙则由底流带向突岸 在选择进水口时 还应避开上游有 浅滩 急滩的地点 因为它们容易搅浑底沙和形成冰凌 本次设计将进水口设在坝体上 游左岸 将挡水坝段设在左右两岸 中间段设置泄水闸 具体布置如图 3 1 所示 11 图 3 1 枢纽布置图 12 4 非溢流坝设计 4 14 1 剖面设计剖面设计 4 1 14 1 1 坝顶高程的确定坝顶高程的确定 波浪要素按官厅水库公式计算 3 1 4 5 0 5 0166 0 Dh V 5 1 24 1hh 8 0 5 4 10hL L H cth L h hz 2 2 1 为计算风速 设计洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速的 1 5 2 0 倍 0 vsm 校核洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速 sm 吹程 Km D 波长 m L 累计频率为 波高 m l hl 波浪中心线高于静水面的高度 m z h 坝前水深 m H 设 设计洪水位防浪墙高程h 校 校核洪水位防浪墙高程h 取较大值 表表 4 14 1 防浪墙高程计算表防浪墙高程计算表 基本情况水位高程 0 V D 5 h L 1 h z h c h 1 zc hhhh 防浪墙高程 设计洪水位 3225 683031 6815 752 080 860 43 343229 02 校核洪水位 32263 130 101 650 120 030 30 453226 45 为保证大坝的安全运行 应该选用其中的较大值 坝顶 3229 02m 当坝顶设置有与 13 坝体连成整体的防浪墙 取 1 2m 时 可降低坝顶的高程 所以取坝顶高程为 3227 82m 建基面最低开挖高程为 3215m 则最大坝高为 12 82m 属于低坝 4 1 24 1 2 坝顶宽度坝顶宽度 考虑交通要求 坝顶宽度取 3 m 4 1 34 1 3 坝面坡度坝面坡度 上游坝坡宜采用 n 0 0 2 取 n 0 下游坝坡宜采用 m 0 6 0 8 取 m 0 7 4 1 44 1 4 坝底宽度坝底宽度 由上 下游的高程 坡度 坝顶宽度等几何关系可以求得坝底宽度为 9 00 m 4 1 54 1 5 基础灌浆廊道尺寸拟定基础灌浆廊道尺寸拟定 基础灌浆廊道的断面尺寸 应根据浇灌机具尺寸即工作要求确定 为了保证完成其 功能且可以自由通行的尺寸 本次设计基础灌浆廊道断面取 2 0 1 6m 形状采用城门洞 型 廊道的上游壁离上游侧面的距离应满足防渗要求 在坝踵附近距上游坝面 0 05 0 1 倍作用水头 本次设计取 2m 为满足压力灌浆 基础灌浆廊道距基底为 2m 挡水坝段剖 面拟定如图 4 1 所示 14 图 4 1 挡水坝段剖面图 4 1 64 1 6 坝基防渗与排水设施拟定坝基防渗与排水设施拟定 由于防渗的需要 坝基面须设置防渗帷幕 其中心线在坝基面处距离坝踵分别为 2m 4 24 2 抗滑稳定及坝体应力分析抗滑稳定及坝体应力分析 4 2 14 2 1 荷载计算及其组合荷载计算及其组合 荷载组合可分为基本组合与特殊组合两类 基本组合属于设计情况或正常情况 由 同时出现的基本荷载组成 特殊组合属校核情况或非常情况 由同时出现的基本荷载和 一种或几种特殊荷载组成 设计时应从这两类组合中选择几种最不利的 起控制作用的 组合情况进行计算 使之满足规范中规定的要求 4 2 1 1 设计洪水位情况 坝体自重 kNw38 96723102 143 1 15 kNw57 996238 711 11 2 1 2 水平水压力 kNp315 57068 1010 2 1 2 1 上游水平水压力 kNp73 18961 6 10 2 1 2 2 下游水平水压力 垂直水压力 kNQ0 1 上游垂直水压力 下游垂直水压力 kNQ02 1531061 6 63 4 2 1 2 扬压力 排水处扬压力折减系数 3 0 5 2 1 221 rHrHrHU kN03 316 510 61 6 07 4 3 061 6 2 1 4 2 1 122 rHrHrHU kN22 370 410 68 1007 4 3 061 6 2 1 浪压力 由前面计算的波长 mL75 15 mh08 2 1 mhz86 0 防洪高水位时风速采用 50 年一遇的最大风速 即 各波浪要smV30 kmD3 素计算如下 16 图 4 2 扬压力计算简图 坝前水深 mH68 10321568 3225 1 又因为设计洪水位情况下 半个波长 则浪压力按深水 111 87 7 2 75 15 LHmL 波计算 kNhh rL P zl 76 115 86 0 08 2 4 75 1510 4 1 泥沙压力 kN hrP ssbs 105 2 10 45 tan6 5 17 2 1 2 45 tan 2 1 22 2 2 17 式中 泥沙的浮重度 sb r 泥沙的淤积厚度 s H 泥沙的内摩擦角 4 2 1 2 校核洪位情况 坝体自重 kNw38 96723102 143 1 kNw57 996238 711 11 2 1 2 水平水压力 kNp5601110 2 1 2 1 上游水平水压力 kNp16 22977 6 10 2 1 2 2 下游水平水压力 垂直水压力 kNQ0 1 上游垂直水压力 下游垂直水压力 kNQ45 16010174 4 77 6 2 1 2 排水处扬压力折减系数 3 0 5 2 1 221 rHrHrHU kN23 365 510 77 6 23 4 3 077 6 2 1 4 2 1 122 rHrHrHU kN78 378 410 1123 4 3 077 6 2 1 浪压力 由前面计算的波长 mL65 1 mh12 0 1 mhz03 0 防洪高水位时风速采用相应洪水期最大风速的多年平均值 即 smV1 3 各波浪要素计算如下 kmD3 坝前水深 mH1132153226 1 18 mh12 0 1 又因为设计混水位情况下 半个波长则浪压力按深水波 825 0 2 65 1 11 1 LHm L 计算 kNhh rL P zl 619 0 03 0 12 0 4 65 1 10 4 1 泥沙压力 水平泥沙压力 kN hrP ssbs 105 2 10 45 tan6 5 17 2 1 2 45 tan 2 1 22 2 2 式中 泥沙的浮重度 sb r 泥沙的淤积厚度 s H 泥沙的内摩擦角 4 2 24 2 2 荷载组合及计算荷载组合及计算 选取两种荷载组合进行计算 分别为基本组合对应的是设计洪水位 偶然组合对应 的是校核洪水位 荷载计算表如见表 4 2 4 3 由于坝体混凝土与岩基接触良好 所以采用单一系数法 设计洪水位情况 抗剪断公式 19 图 4 3 扬压力计算简图 3 0 P ACUWf ks 84 16 79 445 970081 17267 0 核洪水位情况 2 5 P ACUWf ks 20 84 375 970013 35177 0 满足要求 关于安全系数 设计规范规定 不分工程级别 基本荷载组合时 采用 3 0 特殊 s k 荷载组合 1 采用 2 5 特殊荷载组合 2 不小于 2 3 4 2 2 1 边缘应力的计算 在一般情况下 坝体的最大和最小应力都出现在坝面 所以 所以在重力坝设计规 范中规定 首先应校核坝体边缘应力是否满足强度要求 4 2 2 2 设计洪水位情况 mkNM p 3 2030 31 57068 10 3 1 1水平 20 83 33855 338 967 1p w Mmk 29 498 5 057 996 2 pw Mmk 94 452 96 2 02 153 水pw Mmk 25 530 96 2 14 179 p 垂 Mmk 46 20565 1 52 124 p2 水平 Mmk 79 69693 1 03 361 1p U Mmk 27 966 61 2 22 370 2 pU Mmk mkN M 97 189 3 2030 27 96679 69646 20525 53094 45229 49883 3385 2y 6 B M B W u 0 8 177 9 97 1896 9 81 1726 2 2yd 6 B M B W 100 94 205 9 97 1896 9 81 1726 2 a p 满足要求 4 2 2 3 校核洪水情况 mkNM p 3 221860511 3 1 1水平 83 33855 338 967 1p w Mmk 29 498 5 057 996 2 pw Mmk 42 505 15 3 45 160 水pw Mmk 21 556 96 291 187 p 垂 Mmk 75 20269 1 62 130 2 水平p Mmk 64 93857 2 23 365 1 pU Mmk 21 44 795 1 278 378 2 pU Mmk mkN M 44 28 44 79564 93875 22021 55642 50529 498 3 221883 3385 2y 6 B M B W u 0 68 190 9 44 286 9 13 1735 2 2y 6 B M B W u 100 9 194 9 44 286 9 13 1735 2 Pa 满足要求 表表 4 24 2 设计洪水位情况下荷载计算表 力的单位 设计洪水位情况下荷载计算表 力的单位 kNkN 力矩的单位 力矩的单位 kN mkN m 作用值作用力臂力矩值 水平力垂直力 荷载 W1967 38 3 5 3385 83 坝体自重 W2996 570 5498 29 Pwh1570 3153 62030 3 水压力 水平 Pwh2124 521 65205 46 PwV10000 水压力 垂直 PwV2153 022 96452 94 PL1115 764 5520 92 浪压力 PL2109 874 5494 42 PsH1052224 06 泥沙压力 PsV107 654 7505 9 U1361 031 93696 79 渗透压力 U2370 222 61966 27 小计 791 075234 3 2224 62 731 25189 97 22 表表 4 34 3 校核洪水位情况下荷载计算表 力的单位 校核洪水位情况下荷载计算表 力的单位 kNkN 力矩的单位 力矩的单位 kN mkN m 作用值作用力臂力矩值 水平力垂直力 荷载 W1967 383 53385 83 坝体自重 W2996 570 5498 29 Pwh16053 672218 3 水压力 水平 Pwh2130 621 69220 75 75 PwV1000 水压力 垂直 PwV2187 91556 21 PL10 6194 52 78 浪压力 PL20 6144 52 76 PsH112 032224 06 泥沙压力 PsV107 654 7505 96 U1361 032 57938 64 渗透压力 U2370 222 1795 44 小计 717 65131 2342259 51731 2528 44 5 泄冲闸设计 5 15 1 闸室的结构型式及空口尺寸的确定闸室的结构型式及空口尺寸的确定 5 1 15 1 1 闸室的结构型式及高程确定闸室的结构型式及高程确定 本工程的主要任务是拦河截水 以利灌溉 由于是建于狭窄沟谷的泄水闸 应具有较 大的超泄能力 并利于排除漂浮物 因此采用不设胸墙的开敞式水闸 闸底板可定在 3219 8m 根据规定及已建工程的经验 一般取闸地板高程较河底低 0 20m 5 1 25 1 2 拟定闸孔尺寸及闸墩厚度拟定闸孔尺寸及闸墩厚度 由于已知上 下游水位 可推算上游水头及下游水深 23 表表 5 5 1 1 上游水头计算上游水头计算 流量 Q m3 s 下游水深 hs m 上游水深 H0 m 过水断 面积 m2 行近流速 V0 m3 s Q A V02 2g 上游水头 H0 设计 35 585 78 5 88137 310 270 0045 88 校核 49 58 6 056 21470 350 0066 3 注 考虑壅高 10 15cm 闸门全开泄洪时 为平底板宽顶堰堰流 判断其是否淹没出流 表表 5 5 2 2 淹没出流判别计算淹没出流判别计算 计算情况 Q m3 s 下游水深 hs m 上游水头 H0 m h 与 0 8H0 s 流态 设计水位 5 785 88 5 78 4 7淹没出流 校核水位 6 056 2 6 2 5 0淹没出流 按照闸门总净宽计算公式 2 3 0 2 Hgm Q B s 根据设计洪水和校核洪水两种情况分别计算 其中堰流侧收缩系数 0 91 堰流流 量系数 m 0 385 闸孔总净宽计算见表 5 3 根据 闸门设计规范 中闸孔尺寸和水头系列标准 选单孔净宽 B 3m 为单孔闸门 边墩 1 2m 如图 5 1 所示 闸孔总宽度为 mL4 52 12 13 表表 5 35 3 闸孔总净宽计算闸孔总净宽计算 流量 Q m3 s 下游水深 hs m 上游水头 H0 m hs H0 淹没系数 s B0 m 设计 35 58 5 785 880 9830 473 42 校核 49 58 6 056 20 9760 553 77 24 图 5 1 闸孔尺寸布置图 5 1 35 1 3 校核泄洪能力校核泄洪能力 根据孔口与闸墩的尺寸可计算的收缩系数 查 水闸设计规范 规范表 2 2 结果 如下所示 6 0 23 3 0 s bb 得 94 0 1 所以与假定接近 根据选定的孔口尺寸与上 下游水位 进一步换算流量如表 5 4 所 示 表表 5 45 4 过流能力校核计算过流能力校核计算 计算情况 m3 s 堰上水头 H0 m Hs H0 s Q 校核过 流能力 设计流量 35 58 5 780 9830 470 9137 712 9 校核流量 49 58 6 050 9760 550 9151 191 2 设计情况和校核情况均未超过规定的 5 的要求 说明孔口尺寸符合设计要求 故 L 5 4m 即为所求 5 25 2 消能防冲设计消能防冲设计 5 2 15 2 1 消能防冲设计的控制情况消能防冲设计的控制情况 由于本闸位于狭窄沟谷 河床的抗冲刷能力较低 所以采用底流式消能 设计水位 或校核水位时闸门全开宣泄洪水 为淹没出流 无须消能 为了保证无论何种开启高度 的情况下均能发生淹没式水跃消能 采用闸前水深 H 5 78m 闸门局部开启情况 作为消 25 能防冲设计的控制情况 为了降低工程造价 确保水闸安全运行 可以规定闸门的操作规程 对不同开启高 度进行组合计算 找出消力池池深和池长的控制条件 见表 5 5 表表 5 55 5 消力池池长池深估算表消力池池长池深估算表 开 启 孔 数 n 开启 高度 e m 收缩 系数 流量 Q sm3 单宽流量 sm2 收缩 水深 c h m 跃后 水深 c h m 出池 河床 水深 S H m 判 别 流 态 Z m 池深 d m 池长 1S L m 水跃 长 j L m 0 80 61615 735 240 503 111 550 431 2917 7718 01 1 50 61919 766 590 623 471 66 淹 没 0 621 3619 2119 67 3 50 61923 717 900 743 771 740 821 420 1820 91 1 50 62329 839 940 934 231 76 自 由 1 351 3321 2222 77 按以下公式计算 孔口出流流量 0 2gHebnQ 消力池池深 Zhhd sc 0 挖池前收缩水 ehc 2 挖池后收缩水深 0 2 2 2 2 0 3 g q hTh cc 跃后水深 1 8 1 2 3 2 c c c gh qh h 出池落差 2 2 2 2 2 22 cs gh q hg q Z 26 消力池长 jssj LLL 水跃长度 9 6 ccj hhL 其中 7 0 07 1 0 1 0 结论 通过计算 为节省工程造价 防止消力池过深 对闸门开启高度为 1 5m 限开 得出闸门开启高度为 1 2m 的消力池池深为控制条件 5 2 25 2 2 消力池尺寸确定及构造消力池尺寸确定及构造 消力池深度计算 根据所选择的控制条件 估算池深为 1 5m 用以上公式计算挖池后的收缩水深 hc和 相应的出池落差及跃后水深 验算水跃淹没系数是否符合在 1 05 1 10 之间 Z c h 属于淹没水跃 08 10 h zd c hs 消力池池长确定 消力池池长根据池深 1 5m 64 2091 207 05 14 91 20 95 0 30 3 9 6 9 6 mL mhhL sj ccj 确定消力池长为 21m 消力池的构造 采用挖深式消力池 为了便于施工 消力池的底板做成等厚 为降低底板下部渗透 压力 在水平底板的前半部设排水孔 孔下铺反滤层 根据规范 一般排水孔径取 5 25cm 在此取为 10cm 间距一般取 1 3m 在此取为 2m 呈梅花形布置 按抗冲要求 根据式计算消力池底板厚度 由于是按设计水位差 1 Hqkt 计算的 其中 k1为消力池底板计算系数 一般为 0 15 0 20 在此取为 0 2 q 为确定池 深时的过闸单宽流量 H 为相应于单宽流量的上 下游水位差 取 t 0 8m 8 074 1 78 5 9 72 0mt 27 5 2 35 2 3 海漫设计海漫设计 海漫长度计算 按公式计算海漫长度 Ks为海漫长度计算系数 根据闸基土质 HqkL ssp 为中粗沙砾粉质壤土则选 Ks 11 取计算表中的大值 确定海漫长度为 33m 见表 5 6 海漫构造 因为对海漫要求有一定的粗糙度 以便进一步消除余能 有一定的透水性和柔性所 以在海漫的起始段一般设为 5 10m 浆砌石水平段 在此取为 11m 后 22m 做成坡度为 1 15 的干砌石段 以使水流均匀扩散 调整流速分布 保护河床不受冲刷 海漫厚度一 般为 0 4 0 6m 在此取为 0 6m 下设 0 15m 的砂垫层 表表 5 65 6 海漫长度计算表海漫长度计算表 流量 m3 s 上游水深 m 下游 hs m qs m3 s m H m Lp m 55 781 050 634 7312 88 105 781 281 254 5017 91 155 781 411 884 3721 81 205 781 522 54 2624 98 255 781 623 124 1627 75 305 781 703 754 0830 27 355 781 804 373 9832 48 5 2 45 2 4 防冲槽设计防冲槽设计 冲刷坑深度按公式计算 其中 为河床土质的不冲流速 取 t v q t 0 1 1 0 v 0 v 为 1m s 按不同的情况计算如表 5 7 所示 表表 5 75 7 海漫冲刷坑深度计算海漫冲刷坑深度计算 计算情况 q m3 s m V0 m s t m t m 设计 4 4513 281 62 校核 4 9513 442 00 根据计算确定防冲槽的深度为 2m 采用宽浅式 底宽取 4m 上游坡率为 2 下游坡 率为 3 出槽后做成坡率为 5 的斜坡与下游河床相连 如图 5 2 所示 28 图 5 2 海漫防冲槽构造图 单位 m 5 35 3 水闸防渗及排水设计水闸防渗及排水设计 5 3 15 3 1 闸底轮廓布置闸底轮廓布置 5 3 1 1 地下轮廓线布置 防渗设计的目的是防止闸基渗透变形 减小闸基渗透压力 减少水量损失 合理选 用底下轮廓尺寸 防渗设计一般都采用防渗和排水相结合的原则 即在高水位侧采用铺 盖 板桩 齿墙等防渗设施 如面层排水 排水孔排水或减压井与下游连通 是地下渗 水尽快排出以减小渗透压力 并防止在渗流出口附近发生渗透变形 1 基防渗长度的确定 渗径长度应能满足水闸上下游水位差最大的防渗要求 故按上下游水位差最大的情 况来确定 上下游水位差最大的情况为闸身稳定计算中的校核情况 相应的上游水位为 3226 米 下游水位为 最大水位差 m77 3221mH23 4 77 32213226 根据公式 因为地基土为中粗沙砾 所以 C 取 7 则 HCL mL 6 2923 4 7 2 防渗设备 由于闸基土质为中粗沙砾 设置反滤层 防渗设备采用黏土铺盖与悬挂式板桩相结 合 闸底板上 下游设置齿墙 3 防渗设备尺寸和构造 闸底板顺水流方向长度 据闸基土为沙砾石地基 可取 1 5 2 5 A 取 2 0 综合考滤上部结构布置及地基承载力等要求 确定闸底板mHAL46 8 23 4 2 底 长 10m 闸底板厚度为 取 t 0 6m mt5 03 6 1 29 为了增强闸室的抗滑稳定 延长渗径而设置齿墙 其具体尺寸如图 5 3 所示 图 5 3 闸底板尺寸图 铺盖长度 铺盖长度取 3 5 倍的上下游水位差 确定为 17m 为方便施工 铺盖厚度上游端取 0 6m 末端为 1 5m 以便和底板连接 为了防止水流冲刷及施工时破坏黏土铺盖 在铺 盖上设置 30cm 厚的浆砌石保护层 10cm 厚的砂垫层 核地下轮廓线的长度 根据以上设计数据 实际的地下轮廓线布置长度应大于理 论的地下轮廓线长度 通过校核 铺盖长度 闸底板长度 齿墙长度 1 0 71 10 0 5 0 5 17 0 5 1 22 5 05 0 22 5 05 0 22 5 05 0 31 99 m L 29 6 m 满足要求 桩 由于本设计为沙砾石土地基 采用钢筋混凝土板桩 厚度为 10 15cm 宽度 50 60cm 长 12 15m 本设计取宽度为 15cm 厚度为 50cm 长为 12m 5 45 4 防渗和排水设计及渗透压力计算防渗和排水设计及渗透压力计算 5