水工建筑物课程设计方案.doc

南昌工程学院南昌工程学院 课课 程程 设设 计计 CURRICULUM DESIGN 设计名称设计名称水工建筑物课程设计水工建筑物课程设计 专业班级专业班级水利水电工程水利水电工程 5 班班 姓名姓名张龙张龙 学号学号2010101952 指导老师指导老师牛景太牛景太 张洁张洁 时间时间2013 年年 6 月月 18 日日 水工建筑物课程设计任务书水工建筑物课程设计任务书 一 设计目的和要求 水工建筑物课程设计的目的在于培养同学们了解并初步掌握水利工程的设计内容 方法和步骤 通过课 程设计 应用和巩固该课程所学的理论 锻炼应用所学的课程知识解决实际工程的能力 培养正确的设计思 想 熟悉水利建设的方针 政策及有关的规范 进一步提高同学们编写设计说明书 进行各种计算和绘制水 利工程图的能力 根据以上目的 要求每一位同学对设计内容中的各个重要环节的设计均需自己动手 做出完整的设计成 果 包括编写设计计算书和说明书 绘制设计图 并要求各项设计成果概念明确 说理简明扼要 绘图正 确整洁 计算准确并具有一定的精度 二 设计内容 一 枢纽布置 1 坝址 坝轴线及坝型选择 2 导流放空及泄洪建筑物的选择与布置 二 水工设计 1 挡水建筑物的结构布置 设计计算 2 泄水建筑物体型设计 水力计算 消能防冲设计 3 地基处理 坝体细部构造设计 三 设计成果及要求 一 编制设计说明书 计算书一份 说明书 计算书要求用钢笔写 章节分明 字体清晰工整 对于论点的依据 公式来源以及所引用的符 号意义均须交待清楚 使用程序时须附源程序说明 编制原理和程序框图 打印结果等 必要时附源程序 二 图纸 1 水工部分 1 大坝横剖面图 溢洪道或溢流坝结构布置图 1 张 2 各建筑物必要的细部构造图 1 张 图纸可用电脑绘制 也可手工绘制 要求表达正确 尺寸齐全 整齐美观 符合国家制图标准 四 时间安排 1 水工部分设计 2 周 基本资料基本资料 杨溪水库总库容为 2840 万 M 总装机容量为 2500 2KW 设计洪水位 236 26 米 校核洪水位 237 17 米 第一节第一节 流域的水文气象流域的水文气象 驿前河是抚河 源区支流 源出赣闽边界武夷山脉西麓的广昌驿前镇梨木庄 流域面积 474 平方公里 赤水以上 赤水以下至南城段为抚河中上游段 称为 江 南城以下为抚河中下游主流 杨溪水库坝址位 于驿前河杨溪附近 坝址以上流域面积为 138 平方公里 主河道长 27 8 公里 平均比降 0 0082 库区内地形三面环山 地势西南高 北部低 其中以西南部河流发源地灵花仙山山峰最高达 991 米 黄 河标高 后同 库区河流大致为自西南向东再转向北 流域面积范围在东经 116 15 至 116 22 北纬 26 31 至 26 36 之间 库区内无大 中型蓄 引水或提水工程 仅在源头龙井电站建有一座小 一 型水库 控制集雨面积 6 7575 平方公里 有效库容为 141 5 万立方米 其他称为小坡 小川 人类活动规模小 对径流量 以流 年内分配影响均很小故不考虑水量还原 水库坝址以上流域内 其上游及下游的山地植被均很好 水土流失量小 仅在中游有部分地区轻度水土 流失 由于该河段内无泥沙 测验资料 经采用下游干流上的沙子岭水文站共 24 年实测泥沙资料分析多年 平均侵蚀模数为 154 吨 平方公里 一 气象一 气象 气象观测情况 杨溪水库工区流域内无气象观测资料 现以广昌县气象站作为库区流域的代表站该站距坝址约 30 公里 设立于 1954 年至今 观测有气温 湿度 降水量 蒸发量 风速等资料 项目较全 1 降水量 每年平均降水量 1720 毫米 实测最大年降水量 2336 毫米 1957 年最小降水量 1140 2 毫 米 1971 年 降水量年分配不均匀 主要集中在 3 6 月 约占全年降水量的 62 2 气温 每年平均气温为 18 度 实测极端最高温度 40 度 1983 年 8 月 极端最低气温 9 8 度 1955 年 1 月 月平均最高气温 30 度 1983 年 7 月 月平均最低气温 2 3 度 1977 年 1 月 3 蒸发 多年平均蒸发量 1504 9 毫米 月最大蒸发量 309 7 毫米 1956 年 7 月 月最小蒸发量 22 4 毫 米 1957 年 2 月 4 湿度 多年平均相对湿度 80 月最小相对湿度 8 5 风速及风向 多年平均风速 1 8 米 秒 多年最大风速 20 米 秒 相应风向为南风 6 日照 多年平均时数为 1828 5 小时 无霜期多年平均为 273 天 二 径流二 径流 杨溪水库坝址以上均无流量观测资料 流域内的驿前雨量站 有 1957 年至今的实测雨量资料 但因其 成果精度低而不能采用 坝址以下 4 公里处的河道上设有东坑水文站 可以作为工程径流分析的主要参考证 站 1 流系列推求 根据东坑水文站补延后的 33 年系列资料 按面积比的一次方进行杨溪水库坝址处的年月径流推求 计 算的基本公式为 Q 杨溪 F 杨溪 Q 东坑 F 东坑 得杨溪水电坝址历年各月的平均流量如下 杨溪水库坝址年月平均流量杨溪水库坝址年月平均流量 单位 M S 123456789101112 平均 19571 093 565 756 788 785 811 543 281 433 201 891 543 72 19581 582 923 313 4917 35 683 051 053 162 641 260 783 89 19591 006 024 445 384 8822 36 265 164 561 822 351 625 48 19601 841 023 255 047 485 821 842 972 061 481 521 562 99 19610 971 785 148 417 5616 84 583 679 593 663 592 695 70 19622 041 303 606 0218 124 39 003 742 542 202 381 366 38 19631 261 261 801 812 095 113 050 900 700 891 531 221 80 19642 692 383 146 554 1216 03 362 041 032 101 110 783 78 19650 640 701 745 529 2110 63 242 201 173 162 581 863 55 19661 812 083 128 266 5813 27 632 092 152 221 791 864 40 19671 353 022 796 407 426 623 902 261 281 241 421 243 5 19680 971 223 603 045 6022 014 03 611 582 221 441 505 07 19691 943 624 475 067 999 063 542 341 403 541 911 403 86 19701 661 615 126 4218 48 666 892 183 075 141 883 505 38 19711 471 901 651 044 434 506 111 871 861 160 981 291 94 19720 931 950 845 026 904 692 363 861 642 422 342 372 94 19733 062 312 9012 419 313 79 785 103 182 701 971 476 49 19741 572 341 591 766 078 124 603 381 252 702 952 103 20 19752 295 247 8310 020 015 65 404 844 375 994 543 207 44 19762 073 204 3011 88 9118 212 104 002 883 882 091 506 24 19771 831 600 852 748 4813 305 493 602 341 831 571 503 76 19781 591 483 037 179 277 482 601 670 941 190 970 673 17 19791 241 355 205 256 988 193 462 852 901 371 280 883 41 19800 981 743 6311 0013 004 203 455 022 932 481 821 464 30 19811 351 885 4517 307 086 162 942 262 022 362 661 434 40 19821 062 723 905 519 3013 705 162 672 773 063 802 354 67 19839 796 2010 608 7812 1011 403 792 283 032 081 200 975 52 19841 201 502 489 229 7418 304 683 665 252 701 991 705 20 19851 554 876 004 663 425 822 753 325 002 201 801 453 57 19861 372 004 677 165 344 281 851 140 701 231 400 942 67 19870 760 762 352 666 373 503 112 121 704 124 342 282 84 19882 293 568 198 048 866 702 373 144 751 901 841 594 44 19893 962 632 054 388 935 163 511 771 761 721 701 283 22 三 洪水三 洪水 1 水成因与特性 杨溪水库流域的洪水主要由暴雨形成 4 6 月洪水由峰面雨形成 7 8 月的洪水由峰面雨和台风雨形成 根据测站实测 一般汛期为 4 6 月 尤以 5 6 月的洪水出现次数最多 洪水量也较大 由于山区河道 比降大 洪水易涨易落 来去迅猛 涨洪历时短 一般在一日左右 洪峰历时在 1 2 小时左右 并且一单峰 型出现较多 多峰型洪水较少 2 杨溪水库坝址处 历年洪峰流量 实测系列 单位 M S 年 1971197219731974197519761977 Q 洪峰流量 81 70185 00176 00128305 00274378 0 年 1978197919801981198219831984 Q 洪峰流量 191 00144 00180 00504 00273 00228 0730 年 19851986198719881989 Q 洪峰流量 83 3141 0088 1111 00123 00 a 历史洪水 杨溪水库坝址处 由于无居民点 故难于进行历史洪水调查 但距坝址约 4 公里的下游河道上 设有东 坑水文站 该站调查的站址处 1854 年 1962 年两年的峰值为 914 秒 立方米 660 秒 立方米 b 杨溪水库实测典型洪水过程线 1984 年 6 月 单位 秒立方米 时间1984 年 6 月 15 日 8 008 309 009 3010 0010 3011 00 Q 典型 11 518 639 884 5172322564 11 3012 0012 0612 1812 3013 3014 0015 00 838895888888824585452262 16 0017 0019 0021 00 6 16 0 00 2 008 0014 00 17812882 563 045 740 230 623 7 20 00 六月 17 日 2 008 0014 006 18 2 00 4 008 0012 0 19 618 216 916 916 315 115 715 5 第二部分第二部分 坝工部分坝工部分 本次设计只做坝工部分 不做调洪计算 在坝工部分 主要任务为确定非溢流坝段重力坝坝的有关参数 大坝的平面布置 应力分析及溢流坝段设计 第一章第一章 基本资料基本资料 第一节第一节 工程地质条件工程地质条件 一 区域地质条件一 区域地质条件 广昌县杨溪电站在大地构造上处武夷山地背斜的西北翼 属于我国东部地区新华厦构造体系 构造线 大致呈北东方向 发育走向北北东的褶皱系和断裂带 根据江西 福建等震线图 本区的地震烈度为六度 区内出露的岩性主要有前震旦系的变粒岩和加里东期的混合花岗岩及零星的第四纪覆盖物 区内水文地质条件简单 地下水有两种 一是埋藏于冲积层及破残层中的空隙性潜水 不构成统一的 含水层 水量有限 二是埋藏于基岩中的裂隙性潜水 水量有限 这二种地下水均接受大气降水补给 排泄 于河道中 二 库区工程地质条件二 库区工程地质条件 库区出露地层为前震旦系的变粒岩和加里东期的混合花岗岩 此外零星分布的厚度很小的冲击沙 卵 石层及坡亚粘沙土层 库区仅见驿前大断层通过 但远离坝区 此断层为压扭性断裂 破碎带挤压紧密 且被第四纪坡残土层 覆盖 因此不成为库区渗漏通道 此外 库区主要有变粒岩和混花岗岩组成 岩石渗透性小 四周山体雄厚 又无大的临谷 故库区无渗 漏之虑 库区尚未发现大的滑坡 坍塌 大的崩塌堆集等不良的物理地质现象 山坡是稳定的 建坝不后不致产 生大的边岸再造问题 库区植被发育 水土保持良好 固体径流来源不丰富 因此 库区淤积问题不致严重 此外 库区除了下陌村及部分田外 尚无有价值的矿产资源和文物古籍被淹没 故淹没损失小 三 枢纽区域工程地质三 枢纽区域工程地质 一 坝址工程地质条件 一 地层岩性 1 坝址出露太古界前震旦系第三段 AZ 地层 新生界第四系全新统 Q4 以及加里东期的混合花岗 岩 M 前震旦系第三段 AnZc 出露在全区 为黑云母变粒岩 硅化 绢云母化变粒岩 混合质变粒岩及条 痕状混合岩 黑云母变粒岩 呈灰色 细粒结构 显片理 主要成分为石英 40 钾长石 23 斜长石 15 黑云母 15 硅化 绢云母变粒岩 呈灰黄色 结构致密 显片理 主要成分为 石英 70 绢云母 22 白云 母 15 以上两种变粒岩是坝区的主要岩性 分布比较广泛 并有混合花岗岩穿插其中 混合质变粒岩 呈灰色 结构致密 均一 但黑云母呈定向分布 其主要成分石英 40 斜长石 30 钾长石 15 黑云母 15 条痕状混合岩 灰色 致密块状 黑云母定向排列并形成条痕构造 其主要成分 石英 40 斜长石 40 黑云母 13 以上两种岩性 在坝区分布零星 且厚度不大 延伸不远便尘灭 2 第四系全新统 Q4 按其成因类型可分为坡残积层 d Elq4 和冲积层 Alq4 前者分布在坝区 山坡及冲沟之中 为灰黄色砂壤土 壤土夹碎 砾 石 层厚 0 5 2 0 米 后者主要分布在河道拐弯处及两 岸水边 为漂石 砂卵 碎 石 层厚 0 5 2 5 米 3 加里东期的混合花岗岩 Mrs 坝区分布凌乱 呈灰白 淡黄绿色 其 主要成分是石英 31 微斜长石 30 斜长石 25 有蚀变现象 和白云母 30 与上部的震旦系地层呈侵入接触关系 二者胶 合良好 层厚大于 1000 米 二 地质构造 坝址处在武夷山地背斜西北翼 岩层呈单斜 在坝区上 下游地层走向大致北东东向 这可能与加里 东期我省北部强烈的褶皱回返有关 其产状为 334 352 24 36 局部因受混合花岗岩侵入的影响 产 状有所变化 坝区地质构造简单 没有大的断层通过 岩层中节理裂隙也不甚发育 层间错动 坝址的变粒岩中 由于构造运动 如武夷山地背斜的形成和后期岩浆岩的侵入等原因 同时 受变粒岩本身的影响 普遍发育有层间错动 即 有变粒岩的地方 就有层间错动存在 通过坝址区的九个 平洞及部分槽深的揭露资料发现 坝址区发育的层间错动有如下规律 1 分布广泛 2 接近地表处呈张开状 且含次生泥 但随着深度的增加 错动面逐渐闭合 也不含泥质 3 由于后期花岗岩的侵入 造成了层间错动的起伏 被花岗岩岩体切割 致使层间错动面并不完全连续 三 地貌及物理地质现象 坝址区为低山求侵蚀地貌 山体雄厚 呈北北西方向展布 驿前河有南南东往北北西流向坝址区 坝段 河道平直 两岸地形也比较对称 左右两岸山头高程分别为 288 75 米和 290 50 米 两岸坡度适中 左岸稍 陡 坡角 30 50 河谷狭窄 谷底宽 20 米左右 河水很浅 枯水期水深为 0 5 米左右 河床高程 194 米 左右 河床两岸基岩裸露 以变粒岩为主 岩体的风化程度两岸不一 右岸风化深度小于 5 米左右 而左岸 风化深度大 强风化区的最大厚度达 22 05 米 两岸有规模不等的御前裂隙发育 它与坝址发育的北西走向的裂隙面形成了不利组合关系 致使一部分 表层岩石出现松动 右岸靠近坝线下游山坡 因此形成了一个小的滑坡体 但迄今为止 坝址区尚未发现大 滑坡 大崩塌 大量的松散堆积和泥石流等不良物理地质现象 a 水文地质现象 坝区地下水按其埋藏条件可分为孔隙潜水和裂隙潜水两种 前埋藏在第四纪的松散地层中 由于分布 零星 厚度小 未能形成统一的含水层 含水较少 但透水性强 裂隙潜水埋藏于断层和节埋裂隙密集带中 含水性及透水性不均一 总趋势是 随着深度的增加 岩体风化程度的减弱而减小 如河床基岩透水性弱 一般值均少于 0 03 升 分米 米 个别达到 0 035 升 分米 米 两岸基岩透水层厚度相对较大 且左岸大 于右岸 特别是全 强风化带中透水层厚度较大 弱风化带以下 W 值一般在 0 020 升 分米 米以下 个 别达到 0 029 升 分米 米 可见 单位吸水随着深度的增加 岩石风化程度的减弱而变小的趋势十分明显 两岸地下水位的埋深均在风化带以下 最深处达 20 90 米 尤其是左岸地下水位比较低 坝址的地表及地下水均属于 HCO3 N 型水 地下水有中等溶出型侵蚀 一般酸性弱腐蚀 无其它类型侵 蚀 地表水具有中等溶春型和一般酸性弱侵蚀 还具有中等碳酸型腐蚀 无其它侵蚀性 四 坝区主要地质技术参数 坝基由黑云母变粒岩 硅化 绢云母化变粒岩及混合花岗岩组成 它的主要物理力学指标如下 砼 岩石 抗剪断强度 岩 性 力学参 数 风化程 度 饱和抗 压强度 MPa 摩擦系数 f摩擦系数 f 凝聚力 C MPa 动弹模 数 Ed GPa 泊桑 比 so 容量 g cm 弱风化55 770 55 0 600 55 0 600 5 06100 252 53变 粒 岩 微 新鲜80 1000 60 0 650 60 0 55150 202 53 混弱风化300 60 0 650 60 0 650 6 0 7100 202 58 合 花 岗 岩 微 新鲜400 65 0 700 65 0 700 7 0 8150 152 55 说明 1 坝基各段的力学指标可近岩石指标的加权平均值采用 2 定层间错动面是可能滑动的软弱面 则取 f 0 35 0 40 c 0 进行稳定计算 开挖边坡建议取值 0 10 米10 15 米 开挖坡高 米 边坡值 风化程度 永久临时永久临时 全风化层或堆层1 11 0 751 1 251 1 强风化层1 0 7 5 1 0 51 11 0 75 弱风化岩层1 0 51 0 51 0 751 0 5 第二节第二节 天然建筑材料天然建筑材料 一 砂料场 黄石嘴砂料场 位于坝址下游约 3 公里的右岸 为一沿河浅滩 地面平坦 汛期没于水下 岩性为石 英中粗砂 粒径一般在 1 2 毫米之间 含泥量极少 总储量 3000 立方米以上 地处公路边 运输方便 清潭砂粒场 位于母坝址下游约 7 公里的右岸 为一沿河浅滩 有效储量 6000M 左右 为石英中 粗 砂 分选良好 运输方便 大港上砂料场 位于坝址下游约 7 5 公里的左岸 地面平坦 为石英中粗砂 加卵砾石 约 5 砂的 摩圆度好 分选较好 料场面积大于 120000M 有效厚度大于 2 米 总储量大于 240000M 二 砾 石料场 湖罗石卵砾石料场 位于坝址下游约 500 米的右岸 为一沿河浅滩 地面平坦 汛期没于水下 岩性为 卵 砾 石夹少量中粗砂 粒径一般在 510 厘米 最大达 30 厘米 磨圆较好 成分以变粒岩和花岗岩为主 分选性较差 大小混杂 料场面积 20000M 平均厚度 3 米 有效储量 60000M 地处公路边 交通方便 田卵 砾 石料场 位于坝址下游约 1 5 公里的右岸 为一沿河浅滩 地面平坦 汛期没于水下 岩性 同湖罗石卵砾石料场 料场面积 10000M 层厚 3 米无无效层 有效储量 30000M 质量较好 地处公路边 开采与交通方便 东坑卵 砾 石料场 位于坝址下游右岸东坑水文站附近 为一沿河浅滩 地面平坦 汛期没于水下 岩性为卵 砾 石夹少量中粗砂 粒径一般在 210 厘米 少量达 30 厘米 磨圆较好 摩圆度好 分选较好 料场面积 20000M 层厚 3 米无无效层 有效储量 160000M 质量较好 地处公路边 开采与交通方便 三 于坝址下游 1100 米到 1400 米左岸 为一陡峭山坡 岩性为灰白色混合花岗岩 主要成分为石英 长石 及黑云母和白云母等 岩石新鲜坚硬 抗风化能力强 饱和抗压强度为 500kg cm 干容重 2 58g cm 从它 的物理力学指标来看 完全可以作为大坝的块石料 料场上覆盖无效层平均厚度约 2 米 估计储量大于 500000m 运距近 储量丰富 必要是可扩大开采 总之 该工程的天然建筑材料都能满足需求量 质量较好 运输也较方便 第二节第二节 基本资料及数据基本资料及数据 1 设计和校核洪水位及相应的下游水位 由第二章的水文计算可知 杨溪水库的设计洪水位为 236 26 米 校核洪水位为 237 17 米 下游水位高分别为 189 69 190 6 米 2 风速及吹程 由基本资料可知 多年平均最大风速为 1 8 米 秒 洪水期的多年平均最大风速为 20 米 秒 吹程为 1 2KM 3 坝顶高程的确定 设计水位和校核水位均进行计算 取其较大者 作为最后的坝顶高程 4 基础开挖 根据基本资料中河谷的地质情况确定开挖高程为 182 4 米 第三节第三节 附加资料附加资料 混凝土的弹性模量 Ec 1 0 10 T m 62 基岩的弹性模量 E 1 0 10 T m 淤沙浮容重Rs 0 8 T m F 623 淤沙内摩擦角 14 该种重力坝的洪峰流量比较大 校核洪水最大下泄流量 1100 m s 设计洪水下泄流量 690 m s 规划阶段有关参数如下 1 水库特征参数 校核洪水位 0 2 黄海 237 17 米 设计洪水位 2 236 26 米 正常蓄水位 236 0 米 死水位 220 00 米 总库容 2840 万米 电站总装机容量 Ng 2500 2 千瓦 水电站最大引用流量 11 02 秒 立方米 淤沙高程 203 米 坝址下游校核水位 190 6 米 坝址下游设计水位 189 69 米 目目 录录 设计说明书设计说明书 1 1 基本资料及设计数据基本资料及设计数据 12 12 1 11 1 基本资料基本资料 12 12 1 1 11 1 1 概况概况 12 12 1 1 21 1 2 枢纽任务枢纽任务 12 12 1 1 31 1 3 地形 地质概况地形 地质概况 12 12 1 1 41 1 4 水文 气象概况水文 气象概况 12 12 1 21 2 设计数据设计数据 13 13 2 2 重力坝设计重力坝设计 13 13 2 12 1 剖面设计剖面设计 13 13 2 1 12 1 1 坝顶宽度 坝底宽度坝顶宽度 坝底宽度 13 13 2 1 22 1 2 坝顶高程坝顶高程 13 13 2 1 32 1 3 坝底高程坝底高程 14 14 2 1 42 1 4 坝坡系数的确定坝坡系数的确定 14 14 2 22 2 稳定设计稳定设计 14 14 2 2 12 2 1 沿坝基面的抗滑稳定分析沿坝基面的抗滑稳定分析 14 14 2 2 22 2 2 深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析 14 14 2 2 32 2 3 岸坡坝段的抗滑稳定分析岸坡坝段的抗滑稳定分析 15 15 2 32 3 应力分析应力分析 15 15 2 42 4 构造设计构造设计 15 15 2 4 12 4 1 横缝横缝 15 15 2 4 22 4 2 纵缝纵缝 16 16 2 4 32 4 3 坝体排水坝体排水 16 16 2 4 42 4 4 廊道系统廊道系统 16 16 2 4 4 12 4 4 1 坝基灌浆廊道坝基灌浆廊道 16 16 2 4 4 22 4 4 2 检查和坝体排水廊道检查和坝体排水廊道 16 16 2 4 52 4 5 坝顶坝顶 16 16 2 52 5 地基处理地基处理 16 16 2 5 12 5 1 坝基的开挖与清理坝基的开挖与清理 16 16 2 5 22 5 2 坝基的固结灌浆坝基的固结灌浆 16 16 2 5 32 5 3 帷幕灌浆帷幕灌浆 17 17 2 5 42 5 4 坝基排水坝基排水 17 17 2 62 6 溢流重力坝和泄水孔的孔口设计溢流重力坝和泄水孔的孔口设计 17 17 2 6 12 6 1 泄水方式泄水方式 17 17 2 6 22 6 2 孔口设计孔口设计 17 17 2 6 2 12 6 2 1 洪水标准洪水标准 17 17 2 6 2 22 6 2 2 孔口型式孔口型式 17 17 2 6 2 32 6 2 3 孔口尺寸孔口尺寸 17 17 2 6 2 42 6 2 4 闸门和启闭机闸门和启闭机 18 18 2 6 2 52 6 2 5 闸墩和工作桥闸墩和工作桥 18 18 2 6 32 6 3 溢流面体形设计溢流面体形设计 18 18 2 6 3 12 6 3 1 顶部曲线段顶部曲线段 18 18 2 6 3 22 6 3 2 反弧段反弧段 18 18 2 6 3 32 6 3 3 中间直线段中间直线段 18 18 2 6 3 42 6 3 4 剖面设计剖面设计 19 19 2 6 42 6 4 消能防冲设计消能防冲设计 19 19 设计说明书设计说明书 1 1 基本资料及设计数据基本资料及设计数据 1 11 1 基本资料基本资料 1 1 11 1 1 概况概况 驿前河是抚河 源区支流 源出赣闽边界武夷山脉西麓的广昌驿前镇梨木庄 流域面积 474 平方公里 赤水以上 赤水以下至南城段为抚河中上游段 称为旴江 南城以下为抚河 中下游主流 杨溪水库坝址位于驿前河杨溪附近 坝址以上流域面积为 138 平方公里 主河道 长 27 8 公里 平均比降 0 0082 1 1 21 1 2 枢纽任务枢纽任务 枢纽主要任务以灌溉发电为主 并结合防洪 航运 养鱼及供水等任务进行开发 1 1 31 1 3 地形 地质概况地形 地质概况 1 地形情况 库区内地形三面环山 地势西南高 北部低 其中以西南部河流发源地 灵花仙山山峰最高达 991 米 黄河标高 后同 库区河流大致为自西南向东再转向北 流域面 积范围在东经 116 15 至 116 22 北纬 26 31 至 26 36 之间 2 区域地质情况 广昌县杨溪电站在大地构造上处武夷山地背斜的西北翼 属于我国 东部地区新华厦构造体系 构造线大致呈北东方向 发育走向北北东的褶皱系和断裂带 根据 江西 福建等震线图 本区的地震烈度为六度 区内出露的岩性主要有前震旦系的变粒岩和 加里东期的混合花岗岩及零星的第四纪覆盖物 3 库区工程地质条件 库区出露地层为前震旦系的变粒岩和加里东期的混合花岗岩 此外零星分布的厚度很小的冲击沙 卵 石层及坡亚粘沙土层 库区仅见驿前大断层通过 但 远离坝区 此断层为压扭性断裂 破碎带挤压紧密 且被第四纪坡残土层覆盖 因此不成为库 区渗漏通道 此外 库区主要有变粒岩和混花岗岩组成 岩石渗透性小 四周山体雄厚 又无 大的临谷 故库区无渗漏之虑 库区尚未发现大的滑坡 坍塌 大的崩塌堆集等不良的物理地 质现象 山坡是稳定的 建坝不后不致产生大的边岸再造问题 库区植被发育 水土保持良好 固体径流来源不丰富 因此 库区淤积问题不致严重 此外 库区除了下陌村及部分田外 尚 无有价值的矿产资源和文物古籍被淹没 故淹没损失小 1 1 41 1 4 水文 气象概况水文 气象概况 1 降水量 每年平均降水量 1720 毫米 实测最大年降水量 2336 毫米 1957 年 年 最小降水量 1140 2 毫米 1971 年 降水量年分配不均匀 主要集中在 3 6 月 约占全年 降水量的 62 2 气温 每年平均气温为 18 度 实测极端最高温度 40 度 1983 年 8 月 极端最低气 温 9 8 度 1955 年 1 月 月平均最高气温 30 度 1983 年 7 月 月平均最低气温 2 3 度 1977 年 1 月 3 蒸发 多年平均蒸发量 1504 9 毫米 月最大蒸发量 309 7 毫米 1956 年 7 月 月 最小蒸发量 22 4 毫米 1957 年 2 月 4 湿度 多年平均相对湿度 80 月最小相对湿度 8 5 风速及风向 多年平均风速 1 8 米 秒 多年最大风速 20 米 秒 相应风向为南风 6 日照 多年平均时数为 1828 5 小时 无霜期多年平均为 273 天 1 21 2 设计数据设计数据 1 杨溪水库的设计洪水位为 236 26 米 校核洪水位为 237 17 米 下游水位高分别为 189 69 190 6 米 2 风速及吹程 由基本资料可知 多年平均最大风速为 1 8 米 秒 洪水期的多年平均最大风 速为 20 米 秒 吹程为 1 2KM 3 坝顶高程的确定 设计水位和校核水位均进行计算 取其较大者 作为最后的坝顶高程 4 基础开挖 根据基本资料中河谷的地质情况确定开挖高程为 182 4 米 5 混凝土的弹性模量 Ec 1 0 106T m2 6 基岩的弹性模量 EF 1 0 106T m2 7 淤沙浮容重 Rs 0 8T m3 8 淤沙内摩擦角 14 度 9 该种重力坝的洪峰流量比较大 校核洪水最大下泄流量 1100m s 设计洪水下泄流量 690m s 10 校核洪水位 0 2 黄海 237 17 米 11 设计洪水位 2 236 26 米 12 正常蓄水位 236 0 米 13 死水位 220 00 米 14 总库容 2840 万米 15 电站总装机容量 Ng 2500 2 千瓦 16 水电站最大引用流量 11 02 秒 立方米 17 淤沙高程 203 米 18 坝址下游校核水位 190 6 米 19 坝址下游设计水位 189 69 米 2 2 重力坝设计重力坝设计 2 12 1 剖面设计剖面设计 2 1 0 剖面设计原则剖面设计原则 1 设计断面要满足稳定和强度要求 2 力求剖面较小 3 外形轮廓简单 4 工程量小 运用方便 便于施工 2 1 12 1 1 坝顶宽度坝顶宽度 坝底宽度坝底宽度 坝顶宽度一般取坝高的 8 10 且不小于 2m 当在坝顶布置移动式启闭机时 坝顶宽 度要满足安装门机轨道的要求 坝底宽度约为坝高的 0 7 0 9 倍 2 1 22 1 2 坝顶高程 分别按照设计情况和校核情况计算 坝顶高程 分别按照设计情况和校核情况计算 坝顶高程应高于校核洪水位 坝顶上游防浪墙顶的高程 应高于波浪顶高程 防浪墙顶 至设计洪水位或校核洪水位的高差 按下式计算 h czl hhhh 式中 为波浪高度 m 为波浪中心线高于静水位的高度 m 为安全加高 按下表选 l h z h c h 用 在正常蓄水位和设计洪水位时 L H cth L h hhLDVh l zll 2 4 100166 0 2 8 0 3 1 4 5 0 其中 库面风速宜采用相应洪水期多年平均最大风速的 1 5 2 0 倍 在校核洪水位时 宜采用相VV 应洪水期多年平均最大风速 坝顶高程 H 选用其中的较大值 设计情况 H设 设计洪水位 h 校核情况 H校 校核洪水位 h 防浪墙高度设置为 1 2 米 2 1 32 1 3 坝底高程坝底高程 坝底高程 开挖高程 坝高 坝顶高程 坝底高程 2 1 42 1 4 拟定剖面尺寸拟定剖面尺寸 坝坡系数的确定 根据规范 SL319 2005 规定 非溢流坝段的基本断面呈三角形 其顶点宜在坝顶附近 基本断面上部设坝顶结构 坝体的上游面可为铅直面 斜面或折面 实体重力坝上游坝坡 宜采用 1 0 1 0 2 坝坡采用折面时 折坡点高程应结合电站进水口 泄水孔等布置 以及下游坝坡优选确定 坝 的 级 别 运 用 情 况 123 设计情况 基本情况 0 70 50 4 校核情况 特殊情况 0 50 40 3 下游坝坡可采用一个或几个坡度 应根据稳定和应力要求并结合上游坝坡同时选定 下游坝坡宜采用 1 0 6 1 0 8 对横缝设有键槽进行灌浆的整体式重力坝 可考虑相邻 坝段联合受力的作用选择坝坡 拟定坝体形状为基本三角形 坝的下游面为均一斜面 斜面的延长线与上游坝面相交 于最高库水位处 为了便于布置进口控制设备 又可利用一部分水重帮助坝体维持稳定 本次设计采用上游坝面上部铅直 下部倾斜的形式 该形式为实际工程中经常采用的一种 形式 具有比较丰富的工程经验 上游设置成折面可利用淤沙增加坝体自重 折点设置在淤沙水位以上 由资料可知 坝前淤沙高程为 203m 故折点可取在高程为 203m 的位置 参考其他相似工程 初步拟 定坝面坡度 上游坝坡取 1 0 2 下游坝坡取 1 0 71 图 3 1 重力坝的基本剖面图示 2 22 2 稳定设计稳定设计 2 2 12 2 1 沿坝基面的抗滑稳定分析沿坝基面的抗滑稳定分析 1 抗剪强度公式 计算公式如下 P UWf Ks 式中 为接触面以上的总铅直力 为接触面以上的总水平力 为作用在接触面上的W P U 扬压力 为接触面间的摩擦系数 f 坝基面抗滑稳定安全系数坝基面抗滑稳定安全系数 S K 坝的级别 荷载组合 123 基本组合 1 101 051 05 1 1 051 001 00 特殊组合 2 1 001 001 00 2 抗剪断公式 计算公式如下 P AcUWf Ks 式中 为接触面面积 为抗剪断摩擦系数 为抗剪断凝聚力 A f c 坝基岩体力学参数坝基岩体力学参数 2 2 22 2 2 深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析 因本设计坝基岩性良好 故不进行深层抗滑稳定分析 2 2 32 2 3 岸坡坝段的抗滑稳定分析岸坡坝段的抗滑稳定分析 计算公式如下 S UNf K 3 22 PTS 式中 为自重W 分解为对滑动面的法向分力 T 为自重W 分解为对滑动面的切向分力 N S 为切向分力和水压力的合力 混凝土与坝基接触面岩体 岩体 分类 f MPa cf f MPa c 变形模量 GPa 0 E 1 50 1 301 50 1 300 85 0 751 60 1 402 50 2 0040 0 20 0 1 30 1 101 30 1 100 75 0 651 40 1 202 00 1 5020 0 10 0 1 10 0 901 10 0 700 65 0 551 20 0 801 50 0 7010 0 5 0 0 90 0 700 70 0 300 55 0 400 80 0 550 70 0 305 0 2 0 0 70 0 400 30 0 05 0 55 0 400 30 0 052 0 0 2 2 32 3 应力分析应力分析 因为假定按直线分布 所以可按偏心受压公式计算上 下游边缘应力和 计算公 y yu yd 式如下 2 6 B M B W yu 2 6 B M B W yd 式中 为作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和 KN 为作用于计算截面以W M 上全部荷载对截面垂直水流流向形心轴的力矩总和 KN m B为计算截面的长度 m 2 42 4 构造设计构造设计 2 4 12 4 1 横缝横缝 为了减少温度应力 适应地基不均匀变形和满足施工要求 沿坝轴线方向设置横缝 横 缝间距一般为 15 20m 缝宽 2cm 内有止水 坝体设有两道止水片和一道防渗沥青井 止水片采用 1 0mm 厚的紫铜片 第一道止水片 距上游坝面 1 0m 两道止水片间距为 1m 中间设有直径为 20cm 的沥青井 止水片的下部深入 基岩 30cm 并与混凝土紧密嵌固 上部伸到坝顶 2 4 22 4 2 纵缝纵缝 为了适应混凝土的浇筑能力和减小施工期的温度压力 在平行坝轴线方向设铅直纵缝 纵缝间距一般为 15 30m 2 4 32 4 3 坝体排水坝体排水 为减小渗水对坝体的不利影响 在靠近坝体上游面需要设置排水管幕 排水管幕至上游 面的距离 一般要求不小于坝前水深的 1 10 1 12 且不小于 2m 排水管间距 2 3m 内径 15 25cm 2 4 42 4 4 廊道系统廊道系统 为了满足灌浆 排水 观测 检查和交通等的要求 需求在坝体内设置各种不同用途的 廊道 这些廊道互相连通 构成廊道系统 其中包括 坝基灌浆廊道 检查和坝体排水廊道 2 4 4 12 4 4 1 坝基灌浆廊道坝基灌浆廊道 廊道为城门洞形 宽度和高度应能满足灌浆作业的要求 一般宽为 2 5 3m 高为 3 4m 底面距基岩面不宜小于 1 5 倍廊道宽度 廊道随坝基面由河床向两岸逐渐升高 坡度不宜陡于 40 45 2 4 4 22 4 4 2 检查和坝体排水廊道检查和坝体排水廊道 在靠近坝体上游面沿高度每隔 15 30m 设置检查和排水廊道 断面形式采用城门洞 形 最小宽度 1 2m 最小高度 2 2m 至上游面的距离应不小于 0 05 0 07 倍水头 且不小于 3m 上游侧设排水沟 2 4 52 4 5 坝顶坝顶 坝顶上游设置防浪墙 与坝体连成整体 其结构为钢筋混凝土结构 防浪墙在坝体横缝 处留有伸缩缝 缝内设止水 墙高为 1 2m 厚度为 30cm 以满足运用安全的要求 坝顶采用 混凝土路面 向两侧倾斜 坡度为 2 两边设有排水管 汇集路面的雨水 并排入水库中 坝顶公路两侧设有宽 1m 的人行道 并高出坝顶路面 20cm 坝顶总宽度为 5m 下游侧设置栏杆 及路灯 2 52 5 地基处理地基处理 2 5 12 5 1 坝基的开挖与清理坝基的开挖与清理 DL 5108 1999 混凝土重力坝设计规范 要求 混凝土重力坝的建基面应根据岩体物 理性质 大坝稳定性 坝基应力 地基变形和稳定性 上部结构对地基要求 地基加固处理效 果及施工工艺 工期和费用等经济技术条件比较确定 原则上应在考虑地基加固处理后 在满 足坝的强度和稳定性的前提下减少开挖量 坝高超过100m时 可建在新鲜 微风化的或弱风化 下部基岩上 坝高在50 100m时 可建在微风化致弱风化上部基岩上 坝高小于50m时 可建 在弱风化中部至上部基岩上 两岸岸坡较高部位的坝段 其利用基岩的标准可适当放宽 2 5 22 5 2 坝基的固结灌浆坝基的固结灌浆 固结灌浆也一般布置在应力较大的坝踵和坝址附近 以及节理裂隙发育和破碎带范围内 灌浆也呈梅花状或方格状布置 孔距 排距和孔深取决于坝高和基岩的构造情况 孔距和排距 一般从 10 20m 开始 采用内插逐步加密的方法 最终约为 3 4m 孔深 5 8m 必要时还可 适当加深 帷幕上游区的孔深一般为 8 15m 2 5 32 5 3 帷幕灌浆帷幕灌浆 DL 5108 1999 混凝土重力坝设计规范 规定 岩体相对隔水层的透水率 q 根据不同 坝高可采用下列标准 坝高 100m 以上 q 1 3Lu 1Lu 0 01L min m 坝高在 100 50m 之 间 q 3 5Lu 坝高在 50m 以下 q 5Lu 2 5 42 5 4 坝基排水坝基排水 排水孔幕与防渗帷幕下游面的距离 在坝基面处不宜小于 2m 排水孔幕一般略向下游 倾斜 与帷幕成 10 15 交角 排水孔孔距为 2 3m 孔径约为 150 200mm 不宜过小 以防堵塞 孔深一般为帷幕深度的 0 4 0 6 倍 高 中坝的排水孔深不宜小于 10m 2 62 6 溢流重力坝和泄水孔的孔口设计溢流重力坝和泄水孔的孔口设计 2 6 12 6 1 泄水方式泄水方式 溢流重力坝既要挡水又要泄水 不仅要满足稳定和强度要求 还要满足泄水要求 因此需要有足够 的孔口尺寸 较好体型的堰型 以满足泄水的要求 且使水流平顺 不产生空蚀破坏 重力坝的泄水主要 方式有开敞式和孔口式溢流 开敞溢流式的堰除了有较好的调节性能外 还便于设计和施工 同时这种形式的 堰在我国应用广泛 有很多的工程实践经验 选用表面溢流式 表面溢流孔泄流能力大 宣泄同样的流量 表面溢流孔造价远小于深水 泄水孔 2 6 22 6 2 孔口设计孔口设计 溢流坝的孔口设计涉及很多因素 如洪水设计标准 下游防洪要求 库水位壅高有无限 制 是否利用洪水预报 泄水方式以及枢纽所在地段的地形 地质条件等 2 6 2 12 6 2 1 洪水标准洪水标准 洪水标准包括洪峰流量和洪水总量 是确定孔口尺寸 进行水库调洪演算的重要依 据 可根据 SL 252 2000 水利水电枢纽工程等级划分及设计标准 的标定 参照下表选用 山区 丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准山区 丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准 重现期重现期 年年 由水文计算可知 校核洪水最大下泄流量 1100m3 s 设计洪水下泄流量 690m3 s 2 6 2 22 6 2 2 孔口型式孔口型式 选用开敞溢流式 这种型式的溢流孔除宣泄洪水外 还能用于排除冰凌和其他飘浮 物 须设闸门 其闸门顶略高于正常蓄水位 堰顶高程较低 可以调节水库水位和下泄流量 减少上游淹没损失和非溢流坝的工作量 且当遭到意外洪水时可有较大的超泄能力 2 6 2 32 6 2 3 孔口尺寸孔口尺寸 1 单宽流量的确定 通过调洪演算 可得出枢纽的总下泄流量 通过溢流孔口的下泄流量应为 总 Q 0 QQQ 总溢 式中为经过电站和泄水孔等下泄的流量 为系数 正常取用时取 0 75 0 9 校核运用时 0 Q 取 1 0 设为溢流段净宽 不包括闸墩的厚度 则通过溢流孔口的单宽流量为L LQq 溢 对一般软弱岩石或裂隙发育岩石 左右 对较好的岩石 msmq 50 30 3 对坚硬或完整岩石 msmq 70 50 3 150 100 3 msmq 2 孔口尺寸 有闸门的溢流坝 需用闸墩将溢流段分隔为若干个等宽的孔口 若孔口宽度为 b 水工建筑物级别 项目 12345 设计1000 500500 100100 5050 3030 20 校核5000 20002000 10001000 500500 200200 100 则孔口数 一般选用略大于计算值的整数 令闸墩厚度为 则溢流前沿总长应为bLn d 0 L dnnbL1 0 再利用下式求堰顶水头 0 H 23 0 2 HgmnbQ 溢 式中 为闸墩侧收缩系数 与墩头型式有关 为流量系数 与堰顶型式有关 为重力加 mg 速度 设计洪水位减去即为堰顶高程 2 sm 0 H 2 6 2 42 6 2 4 闸门和启闭机闸门和启闭机 工作闸门选用平面闸门 优点 结构简单 闸墩受力条件好 各孔口可共用一个活 动式启门机 启闭机选用活动式启闭机 可以兼用于启吊工作闸门和检修闸门 2 6 2 52 6 2 5 闸墩和工作桥闸墩和工作桥 闸墩形状上