水工建筑物设计

1、水工建筑物课程设计                                设计说明书      姓   名：     班   级：

2、          学   号：   指导老师：     二00五年七月 水工建筑物课程设计 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） 

3、;  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） 

4、     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）      五、掺气水深（23）    &#

5、160; 六、消能防冲（23）      七、溢洪道的其它构造设计（24） 第五部分 施工图纸（24）附图（25）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

6、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

7、。  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

8、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=1×10-4cm/s，浮容重V浮=10.7KN/ m3，内摩擦角=350。  4、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

9、峰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

10、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9000KW,总库容2.00亿3m  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：113.10m，设计洪水位：113.30m，校核洪水位：113.50m 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：2.00亿3m，水库有效库容：1.15亿3m （3）库容系

11、数：0.575  （4）发电调节流量PQ=7.35sm/3，相应下游水位68.2m 。发电最大引用流量maxQ=28 sm/3，相应的下游水位68.65m,通过设计洪水位流量（Q0.1%）时。溢洪道最大泄量maxQ=1340 sm/3，相应的下游最高洪水位74.3m  3、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30×9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

12、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30×20m2  4、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：

13、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.   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

14、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

15、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

16、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，

17、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2m。 上游坝坡：1：3.0、1：3.25、1：3.5        下游坝坡：1：2

18、.5、1：2.75、1：3.0  2、坝顶宽度：本坝无交通要求，坝高H=115.10-66=49.10m,=在30m-60m，所以坝顶宽度B=68m且无交通要求，取B=7m 对中低坝最小宽度B5m，取=7m。  3、坝顶高程计算： 超高：d=ha+e+A+= ha波浪在坝坡上的爬高 m    e风浪引起的坝前水位壅高 m A安全加高 m    H1：设计波高   m：坝坡坡率取2.5 &

19、#160; n：坝坡护面糙率，选干砌石取0.0275 V：（多年平均）计算风速sm/     D：吹程Km  K：综合摩擦系数 取3106.3-´3 H：水库水域平均水深 m    aa：风向与坝轴线方向的夹角  g：重力加速度 取sm/81.92 坝顶高程：=H设+D设 =H校+D校 二者取大值表五 坝顶高程计算验算：坝顶高程114.30设计洪水位+0.5m=113.8m&#

20、160; 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m0.20.1，取1.7m，下游最高水位为校核时的水位74.3m，棱体顶面的高程为76.0m。棱体内坡坡度取1：1

21、.5，外坡取1：2.0，顶宽取2.0m。   5、防渗体 本设计粘土允许坡降4=J。承受最大水头为47.9m，墙厚TH/J=11.98m，心墙的顶宽取5m3m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0.3-0.6m超高，取0.3m，所以墙顶高程为113.4m。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。浸润线方程为y2=2(h-H2)X/S 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、

22、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。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30cm以上。选双层，约厚为0.4-0.6m，砌石下面设碎石垫层，其厚约为0.15-0.25m，取0.25m。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2.5m，护坡的最低高程为105m，下游护坡为碎石护坡厚25cm。 3、坝的防渗体及排

23、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d

24、50=0.5mm  厚20cm     第二层d50=2.0mm 厚30cm 排水部位： 第一层d50=30mm 厚20cm第二层d50=90mm 厚60cm 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

25、。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Hd=Hmax(70%95%)=6*(0.70.95)=4.2m5.7m,取4.5dHm= 3、 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 113.5m&#

26、160;  堰顶高程  107.5m H0113.5-107.5=6m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016.0=n。 4、 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sm/3渠底宽度大于堰宽，取1m，渠底高程取87.5m。 （2）、引水渠尺寸  校核水位   mH50.

27、113=  Q=1340m3/s Q=VA A=(B+mH)HA为过水断面   B渠底宽度假设V=2m/s=       为了安全取 B=70m=  进水渠与控制堰之间20m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m50.107，b*h=9m*6m Hd=(0.70.95)H0=(0.70.95)*6=4.2m5.7m

28、P10.3Hd P20.5Hd取P1=20m P2=22m查表：m=0.467 X=（-0.2820.85）Hd Y=(00.37)Hd与泄槽底版相连采用反弧曲面，R=36h（其中h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

29、布置由地质平面图可知堰顶到下游水面高程（74.3m）处的水平距离是86m，高差33.2m。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： （3）、用试算法进行求h1  H0=6m P2=22m H0=H0+P2=28m取几组1h的值，进行试算，使得两公式算的1h相等 =0.95 cos =0.933以h1=1.34，求两断面点的距离SDA=bh V=Q/A n=0.015 i=0.31623 x=b+2h R=A/X作出泻槽水面线：（4） 堰的剖面的确定 R1=0.5Hd=0.5*4.5=2.25m R2=0.2Hd=0.2*4.5=0.9mR3=0.04Hd=0.04*4.5=0.18m X1=-0.175