【S水电站挡泄水建筑物的设计15000字（论文）】

1S水电站挡泄水建筑物的设计摘要摘要：本设计适用于s水电站。S水电站位于永登县甘肃省下游的大通河。位于甘肃省大通河的阶梯级开发计划的水力发电站。发电站的主要任务是发电。这次设计混凝土的重力水坝，泄水建筑物是闸坝和泄冲闸联合门。下游的耗能方案是面流耗能。水门底板高1997.5m,设一座拱形闸一座闸门清点，下游的消能方式是底流消能。交通桥和工作桥设置在闸坝[关键词]混凝土重力坝闸坝泄冲闸 3 31.1流域概况 1.2水文特征 1.3泥沙 41.5工程地质资料 41.5.1坝址工程地质条件 41.5.2坝基岩石物理力学指标 51.5.3引水发电隧洞 51.5.4厂房工程地质条件 61.6天然建筑材料 7 72.1确定工程等别及各建筑物级别 2.2洪水标准 2.3坝址比较 92.4坝线比较选择 92.5枢纽布置 3.1设计原则 3.2剖面设计 13.2.1坝顶高程 13.2.2坝高与坝顶宽度 3.2.3坝面坡度 3.2.4坝底宽度 3.2.5坝体帷幕灌浆 3.6抗滑稳定及坝体应力分析 3.6.1对坝基面进行抗滑稳定分析 3.6.2荷载计算 3.6.3坝体抗滑稳定和应力计算 264.1确定泄水方式及设计流量 264.1.1.泄水方式选择 4.1.2设计流量的确定 4.2闸坝设计 274.2.2消能防冲设计 304.2.3溢流坝剖面设计 324.2.4溢流堰上部结构设计 5.1闸址及闸底板高程的选择 5.1.1闸址选择 355.1.2闸室形式的选择 5.1.3底板高程的选择 5.2水力计算 5.2.1确定闸孔尺寸 355.3消能防冲设计 375.3.1消能方式选择 5.3.2消能设计 375.3.3海漫设计 5.3.4防冲槽设计 5.4防渗排水设计 405.4.1闸室地下轮廓线的布置 5.4.2排水设计 415.4.3用改进阻力系数法计算渗透压力 5.5闸室布置 495.5.1闸底板、闸墩 5.5.2闸门和启闭机 495.5.3上部结构 5.6闸室稳定计算 505.6.1设计情况及荷载组合 5.6.2完建无水期荷载计算及地基承载力验算 5.6.3正常挡水期荷载计算及地基承载力验算 525.6.4闸室抗滑稳定计算 6.1坝顶构造 6.2廊道系统 6.3坝体分缝与止水 586.4地基处理 关键词：混凝土重力坝闸坝泄冲闸1.1流域概况1.2水文特征S电站各种频率洪水成果见表1-1。均值1254(1)多年平均悬移质输沙量(2)多年平均推移质输沙量(3)多年平均含沙量(4)坝前淤积高程182万t10万m³(5)淤沙容重(饱和容重)(6)淤沙容重(干容重)(7)淤沙内摩擦角(8)淤沙孔隙率工程区年降水量323.4mm,年蒸发量157.6mm,年日照时间2497小时，最大风向(1)地形米，水面宽60米，正常蓄水地点的谷宽130米。两岸上部的岩石(2)地层岩性水库的露出层主要是中震旦纪花石山群(z2hs)和第四纪(Qhs)。地震旦系的中统(3)地质构造陡坡角。产状基本稳定，向NE60-80倾斜角为SE(下游左岸),倾斜角为50-78。总体破碎带的宽度是5~20cm,最大50~150cm。粘合剂比较弱或者粘合剂比较好。生产(4)物理地质现象(5)水文地质条件坝基岩石物理力学指标建议值在下表1-2中列出。表1-2坝址区裂隙分组统计表组别性质产状要素(°)宽度(粗糙度、起伏差)发育走向倾向倾角剪裂隙一般粗糙、起伏，发育粉，个别充填有岩块，延一般粗糙、起伏，③组充填钙膜或无充填、个别育张裂隙N稍呈锯齿、粗糙、发育较少隧道的轴线位于大通川左岸的高山峡谷区。山陡峭，整体坡度40-50,局部坡度60-80,岩石裸露。山峰之间是大通河支流冲沟，呈窄“V”字形，较发育，主要有五条支23m和32m。中统花石山群(Z2hs)和加里东中期花冈闪长岩(γδ3)隧道地质结构占31.6%。IV类围岩的总长为1054米，占17.3%。需要明掘的V类岩盘总长108.21m,根据试验、探查及工程类比，围绕引水隧道岩石的机械参数的值见表1-3。岩体分类弹模cfC干7/Ⅱ中硬硬岩~~~5~00~~上坝址中局部厚～中厚层结晶灰岩夹层)。Ⅲ中硬岩~5~50~00~风化~新鲜岩体，主要分坝址微风化带。V85~5~500~42000.55)风化带。V~~50~500~32000.35)主，很发育~发育。布在上坝址强风化带。5~02~5①断层(层间错动):②夹泥裂隙。面0~5~5层面裂隙(不夹泥)。(1)工程地质条件鉴定坂积及洪积的碎石夹粉质为月泥，厚度在6.4米以内。基岩是震旦系中统花石山群的细(2)调压井工程地质条件及评价在工程区域仓库的末端和上工厂所在地附近有3个天然混凝土骨料场。规模不大，总储量不能满足详细检查阶段净骨料的2倍。有很大的质量缺点。为了满足天然骨料详正常蓄水位设计洪水位2.坝址下游水位30年一遇洪水位设计尾水位正常尾水位2004.90m(P=0.2%,Q=22003.01m(P=3.33%,Q=1三台机满发(相应流量Q=115.5m3/s)1953.58m4.动能指标总库容(正常蓄水位以下):136.36万m3根据基础资料，S水力发电站是流出诱导水式发电站。主要任务是发电装置的容量为51等中型工程。主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。等别水库总库容防洪灌溉面积(万亩)水电站(万千瓦)保护城镇及工矿区保护农田面积(万亩)一特别重要城市、工矿区二重要城市、工矿区三中等城市、工矿区四一般城镇、工矿区五0.01~永久性壅水、泄水建筑物的级别12345年非常运用混凝土坝、2.4坝线比较选择枢纽主要建筑物由左岸1孔泄洪冲沙闸、河床3孔闸坝、两岸砼重力副坝等建筑物成。(1)挡水坝段混凝土的重力水坝，接近两岸的设计，坝顶高程2013.5m。(2)泄冲闸和闸坝三孔闸坝处于泄冲闸的右侧，全长47米。堰面采用了实用的堰型。堰顶高距离本水库采用混凝土重力坝，设计原则是：满足稳定性和(1)△h校(校核洪水位情况下)在校核洪水位，当Vo为18m/s;波浪因素可根据鹤地公式计算：h2%一累计频率为2%的波浪高度m;代入得hz=0.44m;hc取值如下表3-1所示：安全级别IⅡⅢ(1级)(2级)(3级)正常蓄水位h按上表选用，对于3级工程设计情况h=0.4m,特殊组合(校核情况)h=防浪墙顶高程=校核洪水位+△h校=2012.80+1.64=2014.44m(2)设计洪水位情况下求△h设在处于正常蓄水位或设计洪水位，取V₀=h2%一累计频率为2%的波浪高度m;代入数据得hz=0.98m;设计洪水位和防浪墙顶之间的高差△h设二=h1%+hz+hc=1.66+0.98+0.4=防浪墙顶高程=设计洪水位+△h设=2010.50+3.04=2013.54m区别两种水位情况下防浪墙顶高程，选择较高水位2014.44m,取防浪坝高=坝顶高程-河底高程=2013.24-1990=23.24,则坝高为25m;照顾到运用要求，取坝顶宽度为3m。上游水库平面垂直，下游水库平面倾斜1:0.8,下游折回点高程2009.05m。结合多方面需求，坝底宽度为18.24m,取18.5m,坝底宽度：坝高为0.79,取值范围符合0.7~0.9,底宽满足条件。渗帷幕4m。灌浆廊道断面选用城门洞式，需宽度和高度满足施工要求。廊道底部与基岩面的距离应大于宽度的1.5倍。廊道宽2.5米，高3米，廊道底距基岩面四米。3.6抗滑稳定及坝体应力分析主要考虑自重压力力泥沙压力浪压力力压力力√√√√√√√√√√(1)自重2c一坝体混凝土容重，一般取23.5-24.0KN/m3。(2)静水压力(3)扬压力(4)泥沙压力φs—淤沙内摩擦角，(°);(5)浪压力(6)其他荷载W₂=23.5×0.5×15.5×(2009.05-1990)=346PH₁=1/2×9.81×(2010.5-1990)²=9PH₂=1/2×9.81×(2003.39-1990)²=8Pv=Yw×A=9.81×1/2×(2003.39-1990)×10.71=U₁=9.81×(2003.39-1990)×18.5=2430.U₂=0.3×9.81×(2010.5-2003.39)×4=83U₃=1/2×0.3×9.81×(2010.5-2003.39)×14.5=15U₄=1/2×9.81×(1-0.3)×(2010.5-2003.39)×4=97下游垂直水压力：P₃=1/2×1.75×1.(2)设计洪水位的计算W₂=23.5×1/2×15.5×(2009.05-1990)=346PH₁=1/2×9.81×(2012.8-1990)²=25PH₂=1/2×9.81×(2004.9-1990)²=10Pv=9.81×1/2×(2004.9-1990×11.92)=1088.968U₁=9.81×(2003.39-1990)×18.5=2430.U₂=0.3×9.81×(2012.8-2004.9)×4=U₃=1/2×0.3×9.81×(2012.8-2004.9)×14.5=168U₄=1/2×9.81×(1-0.3)×(2012.8-2004.9)×4=10(1)设计洪水位情况(荷载计算见表3-6)YG一永久作用分项系数，见表3-3;YQ一可变作用分项系数，见表3-3;ak一几何参数的标准值；fk—材料性能的标准值；Ym一材料性能的分项系数，见表3-5Ya一结构系数，见表3-4;表3-3荷载作用分项系数表序号作用类别序号作用类别分项系数1自重(永久作用)5浪压力(可变作用)2水压力(可变作用)(1)静水压力(2)动水压力6冰压力(可变作用)7土压力(永久作用)8未规定的永久作用对结构不利未规定的永久作用对结构有利3扬压力(可变作用)(1)渗透压力(2)浮托力9未规定的不可控制可变作用未规定的可控制可变作用4淤沙压力(永久作用)组合类型12混凝土抗压极限状态1混凝土/基岩混凝土之间常态混凝土层面碾压混凝土之间基岩之间软弱夹层之间2混凝土强度取持久状况对应的设计状况系数φ=1.0;水工建筑物的级别为3级对应结构安全级别为Ⅱ级，则结构重要性系数Yo=1.0;结构系数Ya=1.2;抗剪断系数0.8,取,粘聚力c=0.70MPa,f',c′YoφS(·)=1.0×1.0×1627.53=1627②坝址抗压强度极限状态设计状况系数φ=1.0,结构系数Ya=1.8③正常使用极限状态(取标准值)表3-6非溢流坝荷载计算成果表标准值(KN)力臂(m)水平力垂直力水平力↑↑+一+一自重水压力水压力P52标准值(KN)形心的垂直力水平力↑→←→←+-+浪压力尸扬压力000总计→(2)校核洪水位情况(荷载计算见表3-7)取持久状况对应的设计状况系数φ=1.0;水工建筑物的级别为3级对应结构安全级别为Ⅱ级，则结构重要性系数γo=1.0;结构系数Ya=0.7-0.8,取0.7,粘聚力c′=0.70MPa,f',c的材料性能分项系数为1.3、3.0;YoφS(·)=Yoφ∑P=1.0×1.0×1868.31=1868②坝址抗压强度极限状态设计状况系数φ=1.0,结构系数Ya=1.8下游坡度m=0.8,坝底宽B=18.5m③正常使用极限状态(取标准值)标准值(KN)设计值(KN)形心的垂直力水平力垂直力水平力↑→←→←+-十一自重水压力水压力泥沙压力5标准值(KN)设计值(KN)形心的垂直力水平力垂直力水平力↓↑→←↑→+-+一浪压力P扬压力0004闸坝设计4.1泄水方式确定及设计流量(1)本项目选择开敞溢流式有闸门的溢流孔。(2)泄冲闸要排沙还要确保悬移质泥沙无法进入电站进水口，应让闸坝孔高于泄冲闸的高程，使用平底板闸门按照洪水标准，得出设计工况频率设计值2%,入库洪峰流量1710m³/s,对应下游水位为2003.39m;校核工况频率设计值0.2%,入库洪峰流量2570m³/s,对应下游水位为H₀为计入行进水头在内的堰顶水头，m;由泥沙淤积高程得出拟定的闸坝堰顶高程为2005.00m。电站进水口高程为2001.00m,照顾到泄冲闸所处高程，选择泄冲闸底板高程为1997.50m。故初步选择H₀=9.8m(水头加权平均)0.473(流量系数平均),由此得Lo=43m由闸室总净宽，可确定闸坝为3孔，净宽为11m,泄冲闸为1孔，净宽为10m因堰顶高程高于下游水位，属自由出流，淹没系数σ=1;两种情况下下泄流量流量见表4-1淹没系数σ侧收缩系数ε淹没系数σ侧收缩系数ε流量系数m单孔净宽b11根据泄冲闸和闸坝的泄流能力，设计洪水位下闸坝的设计流量880m³/s,泄冲闸的设计流量743m³/s;闸坝在校核洪水位流量1498m³/s,泄冲闸设计流量为957m³/s。4.2闸坝设计(1)泄水方式为开敞式孔口泄流。(2)设计流量确定；闸坝在设计情况下的设计流量为880m³/s校核情况下设计流量(3)孔口净宽计算结果见表4-3:设计流量Q(m³/s)单宽流量q(m³/(s.m))孔口净宽B(m)设计情况(4)闸墩形式(5)闸坝孔口总长度Bo(6)堰顶高程计算成果见表4-4:表4-4堰顶高程计算表堰上水头Em设计情况(7)闸门高度门高=正常蓄水位-堰顶高程+超高(0.1～0.2)按规范取门高6m。(8)定型设计水头水头Hs的选择与堰面可能出现的最大负压，可参考表3-5决定取Hs=6.5m,则Hs/Hmax=6.5/7.7=0.844,由表查的最大负压值为0.3Hs=(9)泄流能力校核已知n、b、堰上水头，先计算ε,m.,后堰流公式计算Q′,如果满足100%≤5%,孔口设计符合要求侧收缩系数常用经验公式为：式中：n为溢流孔数，b为每孔宽度，为闸墩系数(见表4-6),ξk为边墩系数(见表4-7);计算。闸墩头部平面形状半圆形直角形圆弧形斜角形(八字形)代入数据得设计情况下ε=0.947,校核情况下ε=0.925。当堰顶水头H=Hs时，流量系数ms=0.502;当H≠H₃时，m可查表4-8表4-8H/H与m/m的泄流能力校核结果见表4-9:mε设计情况3.1%(1)判断面流产生根据坎高a=0,可得底流衔接时跃后水深(计算结果见表4-10),若下游水深ht下游水深跃后水深设计情况(2)确定坎高ah₁一坎上水深；查得h₁/hk,可计算形成淹没面流流态的界限坎高计算计算A值时t2=a+hokp表4-11a值计算成果表设计情况设计情况(3)计算各级流量下的amin由θ=0°,可由《水力计算手册》图4-4-2查得，查询结果见表4-13:表4-13设计情况0000(4)按设计要求确定坎台高度即：0.93×8.5>a>9.3,a>0,故取不到合适的值。若按淹没面流区间设计，则a值按a≤0.95a4,a>amin范围选择。(5)对坎高a流态复核由于目前的上下限差别故在坎高a=8m,挑角θ=0°-10°(取θ=10°)时，能满足面流消能的条件，面(6)坎长L确定得设计情况L=5m,校核情况下L=7.74m,取坎长L=7m。(1)顶部曲线段溢流坝顶曲线一般采用WES曲线，上游曲线采取三弧曲线(如图4-1),对式中：Ha一定型设计水头(2)反弧段(3)中间直线段0(4)剖面设计溢流重力坝剖面要与其邻近的非溢流重力坝的基本剖面相适应，对于有鼻坎的溢流坝，鼻坎超出基本三角形以外。拟定溢流坝面的剖面如图4-2:(4)导水墙(1)闸门布置(2)闸墩示意图如图4-3:(3)工作桥边墩延伸成导水墙，导墙够长时可消去回流及淘刷。此时的导墙长度Lw=1.4l,l为鼻坎至跃后尾水最高点的距离。为节省预算，可缩短导墙长度Lw=0.91,1可近似计取导墙高度为3.5m,导墙断面为梯形，顶部宽度为1.5m,底部宽度为2m。5泄冲闸设计5.1闸址及闸底板高程的选择5.2水力计算(1)判断出流流态下游水位流速水头下游水深设计情况(2)确定闸孔净宽分别计算出设计、校核情况下相应的实际过闸流量(Q′),并校核过流能力，一般其相对差值不得超过±5%m宽度B(m)ε设计情况11mE设计情况11经表5-3校核，闸孔的过流能力不满足规范，故加大闸孔单宽B=10.8m进行校核如下表5-4(2)消力池E设计情况11由表得当闸孔净宽B=10.8m时满足规范，故闸室总宽度变为15.8m(1)判断下游是否要做消能工(选择校核情况下计算)T=上游水位-基岩高程=2012.8-1990=22.8(m)利用共轭水深关系式求跃后水深h出池落差：池长池深试算结果如表5-5表5-5池长池深试算结果单宽流量收缩水深跃后水深下游水深流态判别出池落消力池尺寸水跃长度池长差由表知取池深d=1.67m,验算消力池的水跃淹没系数σ',使得在1.05～1.10(3)消力池护坦厚度减小扬压力在水平后半段设排水孔梅花状排列，底面铺反滤层，厚度为0.6m,孔径为10cm,间距为3m。9s一消力池末端单宽流量，m³/(s·m);(消力池扩散角取12°);ks一海漫长度计算系数；(1)防渗设计的目的(2)防渗设施(3)闸底板长度的拟定(6)板庄：采用预制的钢筋沪凝土板庄，长度为7m,厚为10cm,宽为50cm。(7)闸基防渗长度C-允许渗径系数值，见表5-6,地基类别粉砂细砂中砂粗砂卵石轻粉质有反滤层无反滤层取C=7,即LCH=7×7.9=55.3m反滤层设计如图5-1(2)铅直排水；在护坦后部设排水孔，孔径取为8cm,间距为3m。Lo=铺盖长度+底板长度=25+28=53m;So=底板厚度+齿墙深度+板庄长度=6.5+1.5+7=15m;(2)典型段划分：使地下轮廓成为典型渗流段如图5-2所示：(3)计算各典型段的阻力系数(5)进出口段水头损失局部修正β′-阻力修正系数，计算公式如下，当计算的β′≥1.0时，采用β′=0;T′一板庄庄另一侧地基透水深度，m。进口段水头损失减小值△h₁:h₄=h₄+△h₁-(h₂+h₃)=1.563+0.473-(0.113+0.074)h₁=β₁n₁=0.57×0.989=0进口段水头损失减小值△h₁:出口段水头损失减小值△h₇:h,=h₇+△h₁0-(h₉+hg)=1.833+0.357-(0.137+0.130)=出口段水头损失减小值△h₇:h,=万，+△h₁₀-(万。+hg)=1.649+0.321-(0.117+0.