农水专业水工建筑物课程设计说明书

1/22 目录2/22 第一章设计根本资料一、设计资料某某水库工程位于开县赵家镇某某村境内，属长江上游小江水系浦里河某某沟支流。水库距离开县县城。〔一〕、工程任务与规划数据本水利枢纽以灌溉为主，兼顾防洪。设计灌溉面积为0.85万亩，设计放水流量3/s。根据兴利与调洪演算，确定出该水库规划指标为：水库正常蓄水位3；30年一遇设计洪水位〔溢洪道最大下泄流量约为20m3/s〕；300年一遇校核洪水位3〔二〕、地形地质条件坝址处河谷断面河床宽度约为20~30m，两岸岸坡根本对称，坡角约为35°。水库集雨面积为2，流域属于亚热带湿润季风气候区气，候温和，雨量充沛。多年平均降雨量，多年平均径流深。库区汛期多年平均最大风速/s，方向垂直坝面，水库吹程。〔四〕、天然建筑材料工程区附近土料与天然沙砾石、块石、石渣料均较为丰富。上游1~X围内可供开采的土料，主要为棕红色砂质粘土，粘性很强，是很好的防渗材料，总储量约9万m3；坝址下游1~2kmX围内有约6万m的3石料可供开采，该石料主要为石3/22 表 表2~X围内有丰富的石渣料，储量约10万m3砂.砾石覆盖层与天然材料物理力学性质见表1。天然材料物理性质表饱和固结快剪非饱和固结快剪饱和固结快剪湿容重湿容重饱和容重//砂砾//覆盖层×10-6石渣料×10-4块石体×10-2/36石渣料×10-4〔五〕、其他资料当地有较丰富的土石坝施工经验，缺少混凝土坝施工经验。工程单价可按下式估算：粘土填筑35元/m3；干砌块石48元/m3；石渣料填筑25元/m3；土石方开挖15元/m3。二、设计任务根据提供的设计资料和图纸，确定较为合理可行的枢纽布置，即确定大坝、泄水建筑物、取水建筑物等枢纽建筑物的位置。大坝选定为土石坝，在此根底上确定泄水建筑物、取水建筑物的位置与形式与根本尺寸。通过坝型方案比拟确，定推荐坝型，并对推荐坝型进展计算分析和详细设计。三、参考资料本设计主要参考以下资料：SL252—2000《水利水电枢纽工程等级划分与洪程碾压式土石坝设计导如此》以与教材《水工建筑物》。4/22 第二章工第二章33灌，溉面积为0.85万亩，故查参考资料可得其工程等别为Ⅳ，工程规模为小〔1〕型。又由水工建筑物的级别划分依据得知，该类小〔1〕型的主要水工建筑物为4级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级。第三章一、坝型选择〔一〕坝型选择论证所选的坝轴线处河床冲积层较深，两岸风化岩石透水性大，基岩为弱风化岩层，强度较低，地基到地表为砂砾石覆盖层，地基不完整。从地质条件看不宜建拱坝。较高的混凝土重力坝要求修建在岩石根底上，且当地缺少混凝土坝施工经验，因此也是不可行的。而土石坝适应地基变形能力较强，对地基的要求较低；从当地的材料来看土石材料比拟丰富，况且土石坝有就地取材特点；当地有较丰富的土石坝施工经验，为修建土石坝提供了施工根底。通过各种不同的坝型进展定性的分析比拟，综合考虑地形条件、地质条件、建筑材料、施工条件、综合效1、挡水建筑物。土石坝。2、取水建筑物。取水隧洞。3、泄水建筑物。该工程兼顾防洪，故其包括泄洪隧洞和冲沙放空洞，均与5/22 导流隧洞结合。二、枢纽总体布置1、挡水建筑物─土石坝挡水建筑物按直线布置，坝布置在河弯地段上。2、取水建筑物—取水隧洞进展灌溉的取水采用隧洞形式，取水口布置在凸岸，隧洞出口与总干渠相连接。3、泄水建筑物—泄洪隧洞泄洪采用隧洞方案，为缩短长度、减小工程量，泄洪隧洞布置在凸岸，这样对流态也较为有利，考虑到引水发电隧洞也布置在凸岸，泄洪隧洞布置以远离坝脚和厂房为宜。综合考虑各方面因素，最后决定枢纽布置如地形图所示。第四章第四章影响土石坝坝型选择的因素很多，最主要的乃至起决定性的是附近的筑坝材选择。均质坝材料比拟单一，施工简单，但坝身粘性较大，断面大，用料多，填筑6/22 可行。堆石坝坝坡较陡，工程量减小。堆石坝施工干扰相对较小。坝址附近有储量为6万m的3石料，其主要为石英砂岩，开采条件较好，可作为堆石坝石料，从材料角度可以考虑堆石坝方案。但是由于河床地质条件较差，岩基为弱风化岩层，如果用堆石坝可能导致大量的开挖，此方案不予考虑。塑性斜墙坝〔用沙砾料作为坝壳，以粘土料作防渗体设在坝体的上游做斜墙，可以先行施工，上升速度快，不会因冬季、雨季不宜施工等影响整个坝体的施工进度，但对坝体、坝基的沉降比拟敏感，抗震性能较差，易产生裂缝；塑性心墙〔以砂砾料作为坝壳，以粘土料作防渗体设置在坝剖面的中部作心墙，见《水工抗震性能较好，但要求心墙粘土料与坝壳沙砾料同时上升，施工干扰大，工期长。很强，是很好的防渗材料，可作防渗体之用；又坝址下游1~2kmX围内有约6万m的3石英砂岩和10万m的3石渣料作为坝壳，由此可知心墙坝与斜墙坝都是可行的。从施工与气候条件看，流域处于亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨量充沛，为了提高施工进度，故宜采用斜墙坝。斜心墙坝综合了心墙坝与斜墙坝的优缺点：心墙有足够的斜度，坝壳对心墙的拱效应作用减弱；斜心墙坝对下游支承棱体的沉陷不如斜墙那样敏感，斜心墙坝的应力状态较好，因而最终采用斜心墙坝的方案。7/22 ：一馴馴獻》；：–。駐：、．馴、獻。；》，：．馴)。、獻。；。–馴獻。–，馴獻駐–、：：；馴：、；；獻；獻：。–.1、：獻。–馴獻。–；》擊。；_。、；辭_。：；軒．馴》。–，款計；軒馳數––款．駐，鄙–；颜獸：：》一志駐.馴獻。–：：擊_––馱。；–—–馱馴斷》》：．，：；；；：》》–。，，颜：：擊；。獻，，–。駐，擊：；；：：c–馱；。–馱；。。；；辭〔山；：–；〕n直于馴。，故=0°；Hm—馴前：域》；，：深，可查地形)。图得.8/22 《水工建筑物》P129表3—2取值，此处取1.0。hm,Lm──平均波高与平均波长，选用教材第一章第二节公式计算可得；m—边坡系数，据经验取2.5。坝顶高程结果取两者之大者，并预留一定的沉降值.结果见下表，设计竣工时坝顶高程为.坡顶高程计算成果表计算项目风区长度D(m)风向与坝轴线夹角风浪引起坝前雍高e(m)风速v0(m/s)护坡粗糙系数上游边坡系数设×0.89/22 2、坝顶宽度坝顶宽度主要取决于交通需要、构造要求和施工条件，同时还要考虑防汛抢险、防空、防震等特殊需要。坝顶的最小宽度按下面的方法确定：当坝高H小于3、坝坡设计土石坝的坝面坡度取决于坝高、筑坝材料性质、运用情况、地基条件、施工方法与坝型等因素。其X围大致在1：2~1：4之间。当坝较高时，可每隔8-15m—宽的马道。设计坝坡时，可参照已建工程进展类比，初拟一个坝坡，再通过计算分析，逐步修改确定。在满足稳定要求的前提下，应尽可能使坝坡陡些，以减小坝体工程量。根据规X规定与实际结合，上游坡率取3.0。此坝高度不大，可仅在下游设置变坡，下游上部坡度2.5，下部坡率3.0。在下游坝坡改变处，设置1.5~2m宽的马道〔戗道〕以使聚集坝面的雨水，防止冲刷坝坡，并同时兼作交通、观测、检修之用，考虑这些因素其宽度取为。4、坝体排水此种排水形式石料用量少，施工方便，便于检修。排水层厚度取为，顶部按规X要求高出浸润线逸出点。10/22 .〔1〕、坝体的防渗坝体防渗的结构和尺寸必须满足减小渗透流量、降低浸润线控制渗透坡降的要求，同时还要满足构造、施工、防裂、稳定等方面的要求.该坝体采用粘土斜心墙，其底部最小厚度由粘土的允许坡降而定，本设计土料为粘土，由粘土的性质可知其渗透变形的形式主要为流土破坏，查教材P134知允许渗透坡降[J]=6，上游校核洪水时承受的最大水头为，墙的厚度B﹥÷6=。参考以往工程的经验，宽度取为4m〔满足大于3m机械化施工要求〕，粘土斜心墙的上游坝坡的坡度为1:0.4~1:1.0之间，本设计取为1:2.75，下游坡度取为1:2.5，墙顶的上部预留有m的保护层，并将粘土斜心墙稍斜向上游。〔2〕、坝基防渗体，取为〔大于机械施工的最小宽度〕，边坡坡度选为1：1.2。三、渗流计算土石坝的渗流计算主要确定坝体的浸润线的位置，为坝体的稳定分析和布置观测设备提供依据；同时确定坝体与坝基的渗透流量，以估算水库的渗漏损失，而且还要确定坝体和坝基渗流区的渗透坡降，检查产生渗透变形的可能性，以便取适合的控制措施。选择水力学法解土坝渗流问题。假定渗透水流为渐变流，过水断面上各点渗透坡降和渗透流速都是相等的，将坝体分为假如干段，根据坝内各局部渗流状11/22 况的特点，应用达西定律近视解土坝渗流问题。计算简图如如下图：通过防渗体流量：q=kH2h21+k(Hh)T11126sin261通过防渗体后渗流量：q=kh2H22+k(hH)T2232(LmH)4L+0.44T1221k槽渗透系数，跟防渗体渗透系假设：1〕.不考虑防渗体上游侧坝壳损耗水头的作用；2〕由.于沙砾料渗透系数较大，防渗体又损耗了大局部水头，逸出水与下游水位相差不是很大，认为不会影响逸出高度；3〕.对于岸坡断面，下游水位在坝底以下，水流从上往下流时由于横向落差，此时实际上不是平面渗流，但计算仍按平面渗流计算，近视认为下游水位为零。由于河床冲积层的作用，岸坡实际不会形成逸出点，计算时假定浸润线末端即为坝址。址2、计算断面与计算情况的选择对河床中连续面I—I,与左右岸坝肩处的两典型特殊断面II—II、III—III进展渗流计算，计算主要针对正常蓄水与设计洪水时进展。12/22 3、计算结果：渗流计算结果汇于下表渗流计算结果表下游水深H2(m)m设计情况006004、渗透稳定演算斜心墙之后的坝壳，由于水头大局部在防渗体损耗了坝壳渗透坡降与渗透速度甚小，发生渗透破坏的可能性不大，而在防渗墙与粘土斜墙的接触面按允许坡降设计估计问题也不大。在斜墙逸出点渗透坡降较大，予以验算。 HJ=B式中H──上游水深减逸出水深；B──防渗体的平均厚度。计算成果见下表各种工况渗流逸出点坡降断断面坡降J设计设计设计填筑土料的安全坡降，根据实践经验一般为5~10，故而认为渗透坡降满足要求，加上粘土斜心墙有反滤层，故而认为不会发生渗透破坏。5、成果分析与结论以斜心墙、截水槽与两岸坝肩开挖风化岩填以粘土形成粘土斜墙的垂直防渗值估计的渗流量可能大于实际渗流量，但坝的渗透坡降仍满足设计要求，说明取值合理。1、计算方法在正常水位工况时〔稳定渗流期〕取下游坝坡的一个滑移面核算土石坝的稳定。斜心墙坝的下游坝坡滑动时形成近于圆弧形滑动面。运用瑞典圆弧法〔不考虑土条间的作用力〕计算土坡出最小安全系数，并据此确定出土坝的滑移面。下游坝坡圆弧滑动面计算结果如如下图所示。13/2214/22 原拟订的剖面。 原拟订的剖面。设计要求。3、稳定成果分析砂砾石地基主要是解决渗流问题。可分为垂直防渗和水平防渗。〔1〕垂直防渗控制方案。条件允许时优先考虑垂直防渗方案。在透水层较浅底的接触面发生集中渗流而造成冲刷破坏，在岩基上建混凝土齿墙。〔2〕水平防渗控制方案。由于站址处粘土的渗透系数为×10-6cm×10-6cm/s，故不能使用该地材料进展铺盖防渗。可以考虑在坝前使用混凝土进展渗流控制。 4m，承载力较好，但是透水性较差，故坝肩处理的主要任务也是防渗。可以采用帷幕灌浆提高岩层的不透水性，减少坝基的渗漏量。七、细部构造设计墙上下游设置反滤层；坝基防渗体为粘土截水槽；坝体排水为贴坡排水。在排水体与坝体、坝基之间设置反滤层；下游戗道设置排水沟，并在坝坡设置横向排水沟以聚集雨水，岸坡与坝坡交接处也设置排水沟，以聚集岸坡雨水，防止雨水淘刷坝坡，见细部构造详图。D/第二层反滤料的选择也按上述方法进展。展筛选。3、护坡设计上游护坡用于砌石因其抵御风浪的能力较强，下游坝面直接铺上20cm的石料作为护坡。上游护坡上做至坝顶，下做至死水位以下〔加设计浪高〕，为方便15/2216/22 起见做至高程，见细部构造详图。经坡面排水排至下游，坝顶设置拦杆以策安全，见细部构造详图。17/22 第五章泄水建筑物设计一、泄水方案选择坝址地带河谷较窄、山坡陡峻、山脊高，经过比拟枢纽布置于河弯地段。由于两岸山坡陡峻，无天然垭口。如采取明挖溢洪道的泄洪方案，开挖量较大，造价较高，故采用了隧洞泄洪方案。隧洞布置于凸岸〔左岸〕。二、隧洞选择与布置枢纽布置于河弯地段。从地形上来看隧洞应当布置于凸岸，这样不仅工程量省，而且水力条件也较好。从地质来看这个此处除外表有一层弱风化岩外，.下部大局部为坚硬的岩石，强度较高，岩体中夹杂着几条破碎带，但走向大都与隧洞轴线成较大的角度。因此将泄洪洞布置于右岸凸出的山梁里面，见图。 三、隧洞的体型设计1、进口建筑物由于进口岸坡地质条件较好，岩体完整，岸坡稳定，巩固，因而采用竖井式进口，井底设置闸门，顶部安装启闭设备。〔1〕进口喇叭口x=J|3(kh2)x21=J| 解得B〔4.63，2.57〕。〔2〕事故检修门槽段：门槽前有一条空口，宽为5倍止水宽度，点C与E在同一高程。〔3〕压坡段：为了使压坡段不产生负压，其坡顶的坡度稍陡于BC段的顶坡。坡度取为1：4.5。〔4〕闸门型式与尺寸。工作与检修闸门均采用平板门，设在进口处，闸门宽3m，2、洞身断面型式和尺寸根据以往工程经验，本无压隧洞采用城门洞型断面。水流流经进口段后拟定洞宽不变，高度渐变为，渐变段长度为3m。圆拱中18/2219/22 3、出口消能段。隧洞出口高程定为365.0m，由于下游出口离大坝较远，较大的冲坑不致影响坝的安全，下游也没有需要特别保护的建筑物，且地质条件容许。因而采用挑流消能。由于隧洞出口宽度小，单宽流量集中，因而在出口设置扩散段。根据以往经验挑角取9=25°，因出口为平段，为了水流能平顺挑出采用了较大的反弧四、隧洞水力计算水利计算包括洞内水面曲线与出口消能计算两局部。因在宣泄校核洪水时也要满足各项要求。因而对校核情况进展水力计算。2、平洞段底坡确实定计算得到临界坡降ik=21010=0.055。为不影响遂洞的泄流能力，隧洞应做成陡坡。坡度太大施工不便，底坡取i=0.06。五、隧洞的细部构造1、洞身衬砌〔1〕衬砌型式。