水工建筑物(均质坝)课设

水工建筑物课程设计〔均质坝〕一、根本资料：1、河谷地形见附图。2、天然材料。在坝址附近3公里范围内渗透系数为k=10-5cm/s的土料储量丰富，砂石料分布较为广泛。覆盖层厚度：岸坡3——5m，河床5——7m。覆盖层渗透系数平均为10-2cm/s——103、内外交通。工程紧靠公路，与铁路线相距约10公里，交通便利，不需另外修建对外临时施工道路。4、水库规划资料。该工程主要为下游城市和农田供水，供水工程的最大引用流量为20m3/s。水库正常蓄水位590m、设计洪水位592m、校核洪水位593m。设计洪水流量1200m3/s,下泄允许最大单宽流量18m3/s。水库最大风速12m/s，吹程D=5km二、土坝设计一、坝型选择影响土石坝坝型的因素有：坝高；建筑材料；坝址区的地形地质条件；施工导流、施工进度与分期、填筑强度、气象条件、施工场地、运输条件、初期度汛等施工条件；枢纽布置、坝基处理型式、坝体与泄水引水建筑物等的连接；枢纽开发目标和运行条件；土石坝以及枢纽的总工程量、总工期和总造价枢纽大坝采用当地材料筑坝，据初步勘察，土料可以采用坝轴线下游1.5~3.5公里的丘陵与平原地区的土料，且储量特别多，一般质量尚佳，可作筑坝之用。砂料可在坝轴线下游1~3公里河滩范围内及平山河出口处两岸河滩开采。石料利用采石场开采，采石场可用坝轴线下游左岸山沟较适宜，其石质为石灰岩、砂岩、质量良好，质地坚硬、岩石出露、覆盖浅，易开采。从建筑材料上说，均质坝、多种土质分区坝、心墙坝、斜墙坝均可。根据设计设计需要选择均质坝。二、各组成局部的布置形式及尺寸1、灌溉引水建筑物采用有压式引水隧洞与灌溉渠首连接。进口设有拦污栅、进水喇叭口、闸门室及渐变段；洞身筋混凝土衬砌；出口段设有一弯曲段连接渠首，并采用设置扩散段的底流消能方式。主要灌区位于河流左岸，灌溉输水渠渠首设计水位572m。2、水电站建筑物因为土石坝不宜采用坝式水电站，而宜采用引水式发电，所以这里用单元供水式引水发电。3、供水工程建筑物采用压力式管道输水，根据最大引水流量20m3/s三、大坝轮廓尺寸的拟定大坝轮廓尺寸包括坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡、防渗排水设备等。1、坝顶宽度本坝顶无交通要求，根据施工条件和防汛抢险需要以及以往工程的统计资料，对于中低坝取5-10m。本设计坝顶宽度采用B=8.0m。2、坝顶高程：坝顶高程=水库静水位+坝顶超高，取四种运算条件：设计洪水位+坝顶超高〔正常〕正常蓄水位+坝顶超高〔正常〕校核洪水位+坝顶超高〔非常〕正常蓄水位+坝顶超高〔非常〕+地震平安加高中的最大值。坝顶超高值：d=R+e+A式中：d——坝顶超高，m；R——波浪在坝坡上的设计爬高，m；e——最大风壅水面高度，即风壅水面超出原库水位高度的最大值；A——平安加高，m。1〕风壅水面高度：e=K式中：——综合摩阻系数，计算时一般取3.6*10-6D——水库吹程为5km；β——计算风向与坝轴线的法线间的夹角，该坝β=00HmW——计算风速，ms算得：e=3.6×102〕.波浪爬高R的计算：平均波浪爬高Rm：当坝坡系数m=1.5~5.0时，Rm=k式中：k∆——斜坡的糙率及渗透性系数查表得kkw——经验系数查表得khm——平均波高单位：〔m〕Lm——平均波长单位：〔m〕平均波高和平均波长由官厅水库公式可计算：hg式中：W——计算风速，单位：msD——风区长度，取吹程D=5Km；带入数据可计算的：hm=0.0166=0.63mLm==0.331=11.4m将hm=0.63m，Lm=11.4m带入公式：Rm=Rm=k=0.86m即得平均波浪爬高Rm=0.86m又查《碾压式土石坝设计标准》〔SL274——2001〕附录A.1.13不同累计频率下的爬高与平均爬高比值〔RpRm〕得，Rp=2.66所以R=Rp3〕平安加高A:表1-1平安加高〔单位：m〕运用情况坝的级别1级2级3级4、5级正常1.51.00.70.5非常〔a〕0.70.50.40.3非常(b)1.00.70．50.3该坝属于2级水工建筑物，平安加高分别取：正常运用情况下1.0m，非常运用情况下0.5m。四种计算成果见表1-2运用情况静水位〔m〕〔m〕e(m)A(m)地震平安加高坝顶高程〔m〕设计洪水5922.290.00121595.29595.79正常洪水5902.290.00121593.29校核洪水5932.290.00120.5595.79地震洪水5922.290.00120.51595.79坝顶高程最后结果：598m。验算：坝顶高程698m均大于设计洪水位〔正常蓄水位〕+0.50m即592+1.0=593m；校核洪水位593m。所以满足要求。四、上下游坝坡设计均质土坝初选可参照已有的工程实践经验拟定。中低高度均质坝其平均坡率为1:3可将上游坝坡的坡率选为1:3，下游坝坡的坡率选为1:2.75，1:3.0,1:3.25下游马道宽度按用途确定，一般不小于1.5m，此处取马道宽为2.0m五、坝体剖面图由设计资料可知将覆盖层挖去5m，那么坝底高程为565-5=560m。由标准，上下级马道间高程差≥10m,所以初步设计一级马道高程为570m，二级马道高程为585m，下游排水设计为棱体排水(构造简单，排水较好，易于维修)。标准规定棱体顶宽≥1.0m,此处取为2m，棱体内坡根据施工条件确定，一般为1:1.0~1:1.5，此处取为1:1.0，外坡为1:1.5综上所述，坝体剖面示意图如下所示土坝的渗流分析一、计算情况选择1、设计情况对应的设计水位与下游无水情况。校核情况对应的设计水位与下游无水情况。二、渗流分析方法的选择渗流分析的方法有很多，其中水力学方法和流网法比简单实用，同时也具有一定的精度，此处采用水利学方法对渗流进行分析。三、渗流分析具体步骤下游设置棱体排水，因棱体排水的渗透系数远大于坝身的渗透系数，故浸润线将要进入排水体时，下降加快，进入排水体后那么骤降。浸润线为抛物线，近似假定排水体内的坡脚与下游水位基面交点作为抛物线的焦点，并选此点为坐标系的原点，计算简图如下所示由图知：原点处抛物线的坐标值为h,交点o至浸润线终点的水平距离为lg,抛物线的标准方程为y2=2px+c,由条件x=0时，y=h0,x=-lg2(由抛物线的性质可知lg=ho2),可求得浸润线方程为y2=2h0x+h1、上游三角形棱体一等效的矩形来代替，b=m11+2m1H1b=31+22、坝前水位高程为593m, AB=２m,BC=２×３=６m,坝顶宽为8m，CD=8m,如图，近似将渗透区长度取至棱体排水顶部，由前知点的高程为567m,取下游坡率m2=3，故DE点间的水平距离为〔598-567〕×3=93故渗流区的长度L=b+BC+CD+84=14.14+6+8+93=121.14m3、H2为下游水深，由于地基开挖5m，Hh0=故求得浸润线的方程为Hx即H4、渗流量q(单位宽度)q=k×h0k为渗透系数，k=q=105、根据Hx2=9x+2x-2.25015102030507090100H04.55.48.110.514.21721.725.528.830.36、由上表，可画出坝体浸润线图，见下列图，图中G点高程为590.9m，A点高程为593m，由点M处徒手向A点画线，即得浸润线。7、从图中分别取断面1-1,2-2，3-3,4-4,5-5，其渗流如下：如上图所示，坝顶高程为598m，从地形图上可算得大坝顶部长度为：9.8×500=4900cm=49m,取为49m，故图中坝顶高程为49m。所取断面如下图，量得：求得各断面的单宽流量为qq3q由公式Q=12[q=1=1.03×8、渗流变形的防护标准〔1〕渗流量控制：由于资料不全无法判断Q≤【Q允〔2〕渗透变形控制：按土的细粒含量Pc和土的密实度判别管涌或流土PPc<PPc>P由于资料不全无法进行判断〔3〕水力比降判断流土型：J管涌型：J式中Jcr为临界水力比降，Gs为土的颗粒密度与水的密度之比，k为渗流系数，设计时采用的允许水利比降=临界水力比降÷平安系数Ka,查相关资料取K临界水力比降=∆允许水利比降=0.155÷1.8=0.086<0.155需设反滤层为大坝平安起见，同时设计排水和防渗防渗、排水、反滤层、护坡、马道、防渗墙等细部结构的构造防渗体的设计沥青混凝土具有较好的塑性和柔性，渗流系数为10*沥青混凝土防渗体可做成斜墙或心墙，此设计中选用斜墙斜墙铺设在垫层上，垫层一般为1∼3m的碎石，此设计中取垫层厚度为1m其上铺有3∼4cm的沥青碎石层作为斜墙的基垫，此处取为4cm，斜墙本身由密实的沥青混凝土防渗层组成，厚20cm左右，分层铺压，每一层厚3∼5cm。在防渗层的迎水面涂一层沥青玛瑙脂保护层，可减缓沥青混凝土的老化，增加防渗效果，沥青混凝土斜墙的上游坝坡一般不陡于1:1.6∼1:1.7，此处取与坝体上游坝坡相同的坡率，取1:3如下图坝顶和护坡1、坝顶：坝顶应选用耐冲材料，此处采用混凝土和砾石坝顶上游易设防浪墙，墙顶高于坝顶1∼1.2m此处取为1.0m。防浪墙应巩固且不透水，用浆砌石作防浪墙，墙体应与防渗体紧密连接，如下图2、护坡〔1〕上游:上游坡面要经受波浪冲刷，冰层和漂浮物的撞击等危害，因此常采用干砌石，浆砌石或堆石，此外采用浆砌石护坡，厚度为0.6∼0.9m此处取厚度为0.8m，浆砌石护坡下有垫层，采用碎石垫层厚度为0.5m〔2〕下游：下游坡面要经受雨水、大风、尾水部位的风浪、冰层和水流的损害及动物、冻胀干裂等的破坏作用。一般采用简化式护坡，护坡的覆盖范围应延生至坝脚，但排水棱体不需防护。采用草皮护坡，厚度为0.1m，草皮下铺一层0.2m厚的腐殖土。为防止雨水浸流冲刷坝坡面，须设置坝面排水系统，一般为排水沟，设于马道内侧，排水沟采用混凝土砌石筑成。〔3〕马道：马道用混凝土砌筑而成，具体构造如下图六、排水和反滤层1、排水：由前设计知，坝体排水采用棱体排水，用块石堆成，其尺寸如下图此处不做详细解说2、反滤层：反滤层的作用是虑土排水，防止土工建筑物在渗流溢出外遭受管涌，流土等渗流变形的破坏以及不同土层界面处的接触冲刷，反滤层一般由1∼3层不同粒径的砂、砾石组成，层面大致与渗流方向正交，各层的粒径沿流向由细到粗，反滤层按其工作条件有两种类型，分别为Ⅰ型:反滤层位于被保护土体下侧,Ⅱ型:反滤层位于被保护土体上侧.此处只设计地基渗流逸出出的反滤层,故采用型反滤层.将其设于棱体的上侧,被保护土体的下侧.水平反滤层的厚度≥0.3m此设计中取为0.4m,其构造如下图七、溢洪道设计1、溢洪道选型经地形图的初探以后决定将溢洪道布置在区方位上。图上无马鞍形地形，决定采用河岸式溢洪道，坝基一侧为平缓山坡，可在坝端设置正槽溢洪道。2、溢洪道布置溢洪道由进水渠、控制段、泄槽、出口消能段及尾水渠等局部组成，溢流堰轴线与泄槽轴线接近正交，过堰水流流向与泄槽轴线方向一致，其中，控制段、泄槽及出口消能段是溢洪道的主体。溢洪道最好布置在岩基上，其轴线应尽量短，并力求顺直。如必须转弯时，弯端最好设在缓坡明渠上，其曲率半径应不小于渠底宽度的5倍。〔1〕引水渠：设计洪水流量Q设=1200m3s、q允许=18m3由Q=v×A根据施工难易程度准备将引水渠开挖成矩形，尽量采用最优断面：风化岩可采用1：0.5~1：1.0，选用1:1边坡。bh=21+m2所以b=0.83hb×h=0.83h2=800可得b=26mh=31m单宽流量q=120026由Q=bq允许那么h=11.9取12m故最终截面尺寸选定：渠底高程应低于堰上水头的15由于考虑坝身平安，进水口离坝身应大于30m，最终定为30m.建成喇叭形式，但上口不封闭为明渠无压流，进水渠与溢流堰用导流墙相连。导流墙长度为3~5堰上水头，故导流墙为5×2.75m=13.75m〔2.75m为堰上水头，参考溢流堰计算〕〔2〕溢流堰计算地形较低，岩基不深，覆盖层易于全部抗除采用WES曲线堰。地形条件允许，考虑溢洪道与大坝分开。考虑到过设计以外洪水，长期过水，长生溃坝。故最终将堰布置在岩基开挖线中，与大坝隔开，将大坝与溢洪堰布置在一条坝轴线上易于交通和运行维护。1〕确定堰顶高程H采用WES并假定p1>1.33H验算p1>1.33Hd设堰为自压出流δH那么收缩系数：ε=1-0.20.7+土坝与高溢流堰〔kaε1=1-2=1-20.2+=1-20.2=1-0.00597H将ε1带入Hd堰顶高程：∇堰上水头：h=2.75m上游堰高：∇因为p1Hd=252〕堰剖面设计堰顶O点上游三圆弧半径及其水平的标值为：R1=0.5XRXRX溢流堰顶三段为圆弧组成，下游边坡采用0.7边坡，下游段为一反弧段，其后计算。O点下游坐标方程：yHdy=0.5×x1.85H按上式算的如下：xm12345678910ym0.2110.7621.6142.7474.1525.8177.7409.90512.31614.97根据表中数据绘的堰顶曲线Oc，坡度mα=0.7的下游坡段CD与曲线OC相切与C点，C点坐标〔x对堰面曲线求一阶导数：=1.854.73x0.85直线CD坡度为：dyd由=10.7=0.39x可推出xc=1yc坝下游反弧段半径r=〔0.25～0.5〕〔Hd+Zmax〕式中Zmax上下游水位差；由于下游水位不是太大初设为0m;r=〔0.25～0.5〕〔Hd+Zmax〕=〔0.25~0.5〕〔2.75+25〕为方便设计计算采用14m，反弧曲线的上端与直线CD相切与D点，下端河床相切与E点。反弧曲线圆心O计算：=4.6+0.7〔25-3.56〕+14cot=26.88my0=pE点坐标计算：26.88mP125mD点坐标计算：26.88-14sin550=15.4m14+14×cos550=22m3、孔口尺寸设计由前面的计算可知单宽流量q=120026Q所以L=Q设取孔口宽度为10,那么n=L10=2.7，那么n=3——孔口宽度——中闸墩〔取2.0〕，边墩〔取3.0m〕那么溢流前缘总长为LQ——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4、控制段〔1〕拟定控制段的形式为了控制泻流能力，设置平面钢闸门，b由前面的计算可知Hp