水工建筑物课程设计2012

1、水工建筑物课程设计班 级：2102级水利水电工程2班学 号：2012096058姓 名：王宝宏联系方式山水利枢纽工程设计一、 基本资料1. 设计基本资料平山水库位于湖北某县平山河中游，该河系睦水(长江的支流)的主要支流，全长28km，流域面积556m2，坝址控制面积491km2，平山河是山区性河流，河床比降为0.3%，沿河有地势较为平坦的小平原，最低高程为62.5m左右。枢纽任务：该枢纽以灌溉发电为主，并结合防洪，航运养殖，给水等进行开发 2. 地形地质平山河流域都是丘陵及山区，河谷山坡陡竣，坡度约为6070，地势高差为80120m河床一般约为400m，河道弯曲，坝址

2、处成S形，沿河沙滩及两岸坡积层发育，坝址处两岸河谷呈马鞍形，履盖层较厚，基岩产状零乱。靠坝址上游是泥盆纪五通砂岩，坝址下游是二迭纪石灰岩，坝轴线位于五通砂岩上。在平山咀以南石灰岩沙岩分界处，发现一大断层，走向近东西，倾向大致北西，在坝轴线左岸的五通砂岩特别破碎，产状零乱，两岸岩石破碎，岩石的隐裂隙很发育。岩石的渗水率很小，两岸多为0.0010.010升分，坝址处沿坝轴线是1.55.0m厚的覆盖层3.水文气象暴雨洪峰流量Q0.05%=1860m3/s，Q0.5%=1550m3/s，Q1%=1380m3/s。多年平均流量13.3m3/s，多年平均来水量4.22亿m3，多年平均最大风速10m/s，水

3、库吹程8km，多年平均降雨天数48天/年，坝区气候温和。4.交通坝顶设有公路，枢纽工程的对外交通有水路、公路、铁路。5.水库规划资料（1）正常高水位113.0m；设计洪水位113.50m（P=1%，百年一遇）；校核洪水位113.90m（P=0.1%，千年一遇）（2）死水位105.0m（发电极限工作深度8m）；灌既最低库水位108.0m（3）水库总库容2.0亿m3；水库有效库容1.15亿m3；（4）发电最大引用流量Q28m3/s，相应下游水位68.65m（5）通过调洪演算，溢洪道下泄流量Q1%=840 m3/s，相应下游水位72.65m；校核情况下，溢洪道下泄流量Q0.1%=1340 m3/s，

4、相应下游水位74.30m（6）水库淤积高程85.00m6.枢纽各建筑物设计条件（1）土坝，沿坝轴线布置；（2）溢洪道，堰项高程107.5m；（3）水电站，装机容量9000KW，机组台数3台，厂房尺寸30.09.0m2，引水隧洞直径3.50m，尾水管底板高程62.0m；（4）放空建筑物可利用导流隧洞，导流隧洞底部高70.0m，直径5.0m，上游土石围堰顶部高程85.0m，下游土石围堰项部高程70.0m。7.筑坝材料坝轴线下游1.53.5km，土料储量丰富，质量可满足筑坝要求。砂料在坝轴线上、下游1.03.0km的河滩开采，石料可在坝轴线下游左岸的山沟里开采，材料的性质及各项指标如下表所示：表1

5、坝址筑坝材料性质及指标土壤类别干容重(kN/m3)最优含水量(%)孔隙率(%)内摩擦角j粘着力(kN/m2)渗透系数(cm/s)壤土15.8154224（干）12110-520（湿）粘土15.4254020（干）37110-618（湿）山皮土16.0233933（干）10（干）110-322（湿）7.5（湿）覆盖层16.0350110-4土壤类别干容重(kN/m3)最优含水量(%)孔隙率(%)内摩擦角j粘着力(kN/m2)渗透系数(cm/s)砂料16.040300110-3堆石18.0333808.坝址地形地质图二、 设计步骤1. 枢纽布置（1）枢纽建筑物组成 根据枢纽任务，该枢纽组成建筑物包

6、括：拦河大坝、泄水建筑物、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空建筑物（隧洞）。（2）枢纽及建筑物等级根据所给资料（发电、防洪、灌溉面积等）对照水利水电工程等级划分及洪水标准（SL2522000）确定工程等别和建筑物级别。表2 水利水电工程等级划分工程等级水库防洪治涝灌溉供水水电站工程规模总库容（108m3）城镇及工矿企业的重要性保护农田（万亩）治涝面积（万亩）灌溉面积（万亩）城镇及工矿企业的重要性装机容量(104kw）一大（1）型10特别重要500200150特别重要120二大（2）型101.0重要5001002006015050重要12030三中型1.00.10中等100306015505中等3

7、05四小（1）型0.100.01一般30515350.5一般51五小（2）型0.010.00170m，视为高坝，按照设计规范1015m，取10m。3）上下游坝坡对粘土心墙坝，上下游坝坡一般在1：21：4之间选取。而且，一般上游坡比下游坡稍缓；沿坝高一定高度（可取为2030m）改变一次坝坡，坝坡相差0.250.5，且设置一级马道。本设计中，最大坝高约为115.1-68=47.1m，故采用三级变坡。上游考虑在一半坝高附近变坡一次，上部坡率取2.5，下部坡率取3，变坡处设马道。下游每隔20m变坡一次，变坡处设马道，坡率自下而上依次为2.75、2.5、2.0。4）心墙的断面尺寸本坝体防渗体为粘土心墙。

8、a.位置粘土心墙位于土石坝断面的中心线，心墙底部设置齿墙。b.心墙断面尺寸顶宽：心墙顶部的水平宽度应满足用施工机械碾压的要求，一般不小于3m。本设计中可取为4m。两侧坡度：粘土心墙，其上、下游坡度一般为1：0.151:0.3。可取为1:0.25。顶部高程：防渗体顶部在水库静水位以上应有超高，以防漫顶。在正常运用情况下，心墙顶超高采用0.30.6m；非常运用情况下，防渗体顶应不低于非常运用情况下的静水位。此处超高可取为0.5m，心墙顶部高程为113.00+0.50=113.50m。心墙厚度：心墙的底部宽度首先应满足防渗要求。粘土的允许渗透坡降J为68,上下游最大作用水头为H=113.50-68=

9、45.50m，故墙厚应为TH/J=5.697.58。本设计中心墙底部宽度为4+2（113.50-68）0.25=26.75m，满足上述要求。土石坝剖面成果见下图：图2.4 土石坝剖面设计图土石坝剖面设计成果详见附图二：土石坝剖面图。(3)防渗体尺寸初拟拟定顶部厚度、底部厚度，设计过滤层和反滤层，确定心墙与地基的连接方式。粘土心墙的顶部应有保护层，防止冰冻和机械破坏，其厚度一般为1.52.5m。防渗体与坝壳上游连接处应设置过滤层，以缓和不同土料之间的沉陷差和减缓渗流的破坏作用；下游连接处应设置反滤层，反滤截留随渗流带出的细小颗粒，可促使粘土心墙裂缝的自愈。本设计中保护层厚度达115.1-113.

10、6=1.5m，满足要求，具体设计见坝顶部构造。（4）排水设施的选择。 常用的坝体排水有以下几种型式：贴坡排水、棱体排水、坝内排水、以及综合式排水。1）贴坡排水：不能降低浸润线，多用于浸润线很低和下游无水的情况，故不选用。2）棱体排水：可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚不受尾水冲刷，且有支撑坝体增加稳定的作用，且易于检修，是效果较好的一种排水型式。3）坝内排水：其中褥垫排水对不均匀沉降的适应性差，易断裂，且难以检修，当下游水位高过排水设施时，降低浸润线的效果将显著降低；网状排水施工麻烦，而且排水效果较褥垫排水差。坝址附近有丰富的石料可开采，且石料质地坚硬，可以利用，做堆石料棱体排

11、水。综合以上分析选择堆石棱体排水方法。堆石棱体排水尺寸设计：堆石棱体内坡取1：1.5，外坡取1：2.0，顶宽2.0m。棱体顶部高程须高出下游最高水位，且有一定超高。对1、2级坝，超高不小于1.0m。校核情况下，上游水位113.5m，相应下游最高洪水位74.30m。超高取1.2m，所以顶部高程为74.30+1.2=75.50m 。（5）渗流计算 选择水力学方法求解土石坝渗流问题。根据坝内各部分渗流特点，将坝体分为若干段，应用达西定理近似解土坝渗流问题，计算假定任一过水断面内各点渗透坡降均相等。计算简图如下：图2.5.1 有限深透水地基心墙土坝渗流计算简图本设计按有限深透水地基上的心墙土坝计算：可

12、将心墙化为等厚的矩形，=1+22由于心墙的渗透系数kcK=1.25,安全系数满足要求。坝的稳定安全系数偏大，但是鉴于各种因素考虑不全，实际安全系数可能要小些，故而不改变坝坡。3.溢洪道设计（1）溢洪道位置选择：主要考虑：地形、地质条件，枢纽总体布置等因素。1）地形条件应将溢洪道尽量布置在与水库正常蓄水位高程相近的马鞍形垭口上。这样溢洪道与坝分开，有利于坝的安全；利用垭口，有利于减少开挖工程量。本工程正好有一个符合上述条件的垭口，故在此处进行溢洪道布置。2）地质条件应将溢洪道尽量修建在岩基上，并力求溢洪道两岸山坡稳定。本工程垭口处覆盖层较薄，地质条件较好，两岸山体整体稳定，符合上述要求。3）枢纽

13、总体布置应考虑与枢纽各建筑物在总体布置上的协调。入流、出流对枢纽其他建筑物的干扰。一般来讲，溢洪道的水流入口应位于水流流畅处，并与土石坝保持一定的距离，避免横向水流对土石坝坝坡的冲刷影响；溢洪道的水流出口处，应与坝脚或下游其它建筑物保持一定的距离，避免水流冲刷以及水流波动的影响。（2）溢洪道型式的选择：河岸溢洪道主要有正槽式、侧槽式、竖井式、虹吸式等。综合考虑各条件因素，本设计采用开敞式正槽溢洪道。（3）孔口尺寸的拟定： 1）堰型选择：溢洪道溢流堰可采用WES型实用堰，也可采用宽顶堰。本工程拟采用WES型实用堰。 2）堰顶高程：根据设计资料给出，堰顶高程为107.5m。堰厚p拟取8m。 3）溢

14、流前缘宽度：分别按设计情况和校核情况进行估算。L=Q/qq为单宽流量q=m2gH032m为流量系数，在设计水头下取为0.502；H0为设计水头。计算结果如3.3.3表3.3.3 溢流前缘宽度计算计算情况上游水位泄量堰上水头流量系数单宽流量溢流前缘宽度(m)Q (m3/s)H0 (m)mm(m2/s)L(m)设计情况113.18405.60.50229.4528.52校核情况113.513406.00.50232.6641.02由此可计算得溢流前缘宽度为41.02m。4）单孔宽度b的确定：孔数n取为整数。b=L/n。b应为整数。选择5孔，则单孔宽为8.204m，取单孔宽为9m。5）闸门：可采用弧

15、形闸门或平板闸门。本设计中选用平板闸门。根据水利水电工程钢闸门设计规范SL74-95，闸门尺寸取为9m6.5m（宽高），宽高比为9/6.5=1.38，满足按规范规定的露顶式闸门宽高比（1.01.5）。6）闸墩：根据溢流堰的构造要求，闸室中墩宽度取为2.5m，中墩分缝，边墩宽度取为3m，由此计算可得溢流堰宽B：B=59+2.54+32=61m（4）泄槽纵断面和横断面尺寸的拟定： 1）泄槽的平面布置：泄槽在平面布置上，沿水流方向呈直线、等宽、对称布置，这样可使水流平顺、结构简单、施工方便。避免弯道或断面尺寸的变化，以防止高速泄流引起的波动、掺气、空蚀等现象。 2）泄槽纵断面底坡：泄槽纵断面的布置与

16、地形、地质条件关系密切。泄槽底坡尽可能采用单一的坡度，一坡到底，且满足iik，保证泄槽中的水流流态为急流。由地形地质平面图上量得堰顶到下游74.30m高程处的水平距离为120m，高差为33.20m，故从堰顶到下游水面连一直线，直线的斜率大约等于0.25。为减少挖方，初步拟定泄槽坡率i=1/4。泄槽衬砌初拟选用石灰浆砌块石水泥浆勾缝型式，查阅有关文献，浆砌块石糙率一般为0.025。取=1.0，近似计算临界水深hk=3q2g=4.71m故其临界底坡：ik=gn2（b+2hk）4/3b4/3hk1/3=0.44%iik 3）泄槽横断面尺寸：溢洪道处于岩基，可采用矩形或接近矩形的断面，使流量和流速分布

17、都比较均匀，对下游消能有利。本设计采用矩形断面宽b=90m，长L约为1+4233.20=137m。4）边墙的高度采用推求水面线的方法确定。泄槽水面线根据能量方程，用分段求和法计算，计算公式如下：l1-2=h2cos+2v222g-h1cos+1v122gi-JJ=n2v2R4/3式中，l1-2为分段长度，m；h1、h2分别为分段始末断面水深，m；v1、v2分别为分段始末断面平均流速，m/s；1、2分别为流速分布不均匀系数，取1.05；为泄槽底坡的倾角；i为泄槽底坡，i=tan；J为分段内平均摩阻坡降；n为泄槽槽身糙率系数，可查相应规范；v为分段平均流速，m/s；R为分段平均水力半径，R=R1+

18、R2/2，m；按溢洪道设计规范SL253-2000，泄槽段起始断面水深h1小于hk，计算公式为：h_1=q/(2g（H_0-h_1 cos）)q为计算断面以上单宽流量，m2/s;H0为计算断面以上总水头，H0=6+8=14m；起始计算断面流速系数，取0.95；计算得到h1=2.26m本设计计算简图如图4-1。计算采用校核洪水情况，按水深进行分段，用上述方法计算泄槽水面线。图4.1 水面线计算简图计算结果见下表断面h1ACRvvRnJi-JLLmm2mmm/sm/smmm1-12.26 131.08 62.52 2.097 10.223 0.0250.02434 0.22566 0.00 2-2

19、2.00 116.00 62.00 1.871 11.552 10.887 1.984 0.0250.02972 0.22028 5.75 5.75 3-31.80 104.40 61.60 1.695 12.835 12.193 1.783 0.0250.04298 0.20702 6.73 12.48 4-41.60 92.80 61.20 1.516 14.440 13.637 1.606 0.0250.06183 0.18817 10.39 22.87 5-51.40 81.20 60.80 1.336 16.502 15.471 1.426 0.0250.09321 0.15679

20、17.14 40.01 6-61.30 75.40 60.60 1.244 17.772 17.137 1.290 0.0250.13073 0.11927 14.25 54.26 7-71.20 69.60 60.40 1.152 19.253 18.512 1.198 0.0250.16829 0.08171 23.81 78.07 8-81.10 63.80 60.20 1.060 21.003 20.128 1.106 0.0250.22137 0.02863 45.01 123.08 表4.1 水面线计算成果边墙顶的高程： 根据上述计算结果，考虑掺气水深h、安全超高h来确定。根据溢洪

21、道设计规范SL253-2000，泄槽段水流掺气水深h可按下式计算：h=v100hh为泄槽计算断面水深，m；v为不掺气情况下的泄槽计算断面流速；为修正系数，可取1.01.4s/m；本设计取1.0s/m。溢洪道设计规范SL253-2000规定，泄槽段边墙高度，应根据计入波动及掺气后的水面线，再加上0.51.5m的超高。本设计中安全超高h取0.5m。边墙高度计算结果如表4.4.2：表4.4.2 边墙高度计算断面泄槽计算断面水深hv掺气水深h安全超高h边墙高度mm/smmm1-12.26 10.22 0.231 0.52.99 2-22.00 11.55 0.231 0.52.73 3-31.80 1

22、2.84 0.231 0.52.53 4-41.60 14.44 0.231 0.52.33 5-51.40 16.50 0.231 0.52.13 6-61.30 17.77 0.231 0.52.03 7-71.20 19.25 0.231 0.51.93 8-81.10 21.00 0.231 0.51.83 （5)消能计算本枢纽溢洪道处于岩基上，可采用挑流消能。 1）选用结构简单、施工方便、鼻坎上水流平顺、挑距较远、应用广泛的连续式鼻坎。鼻坎挑角=23。鼻坎高程高出下游最高水位（设计时74.30m、校核时75.00m）12m，取76.00m，反弧半径R=10m。2）挑流距离的计算L=1gv12sinqcosq+v1cosqv12sin2q+2g(h1+h2)式中：L为水舌挑距，m；v1为坎顶水面流速, m/s，按鼻坎处平均流速v的1.1倍；h1为坎顶垂直方向水深，m，h1=hcosq；h2为坎顶至河床面高差，