水工建筑物课设

水工建筑物课程设计（均质坝）一、 基本资料：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——7mo覆盖层渗透系数平均为W2cin/s一一lO'Ws.3、 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20m7so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1200虻八,下泄允许最大单宽流量18虻/s。水库最大风速12m/s,吹程D=5kmo灌区位于左岸，灌溉输水渠渠首设计水位572m。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广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合适，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、 各组成部分的布置形式及尺寸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20m7s确定管道的直径三、 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5-10mo本设计坝顶宽度采用B=8.Onto

2、坝顶高程：坝顶高程二水库静水位+坝顶超高，取四种运算条件：（正常）（正常）（正常）（正常）（非常）（非常）+地震安全加高正常蓄水位+坝顶超高校核洪水位+坝顶超高正常蓄水位+坝顶超高中的最大值。坝顶超高值：d=R+e+A式中：d——坝顶超高，m；R一一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;IQoA——安全加高，IQoKW2Dc1）风壅水面高度：e=——cosp2gHm式中：K一一综合摩阻系数，计算时一般取3.6*10一6；D 水库吹程为5km；P一一计算风向与坝轴线的法线间的夹角，该坝|3二0°：Hm一一坝前水域平均水深，粗略估计为35m；W一一计算风速，m/s，2级坝采用多年平均风速的1.5~2.0倍。A 2a，* 3.6x10-6x（12x1.8）X5000 ,2x10x35算得：e= 一一一 =1.2X10一3血2x10x352）.波浪爬高R的计算：平均波浪爬高Rm：当坝坡系数虾1.5~5.0时，V1+m2v111111式中：kA一一斜坡的糙率及渗透性系数查表得临=1.0kw一一经验系数查表得kw=l.0,hni——平均波高单位：（m）,Ln一一平均波长单位：（2。平均波高和平均波长由官厅水库公式可计算：51hm=0.0166W4D3滑=0.331W滑=0.331W志3.75式中：W一一计算风速，单位：m/s，D一一风区长度，取吹程DWKm；5 1带入数据可计算的：hm=0.0166X124x5亍=0.63m

将hm-0.63m,将hm-0.63m,=11.4mLm=ll.4m带入公式:皿二寿*J、】、】=点V0.63X11.4=0.86m即得平均波浪爬高Rm=0.86m又查《碾压式土石坝设计规范》(SL274一一2001)附录A.1.13不同累计频率下的爬高与平均爬高比值(日%^)=2.66得，Rp=2.66X0.86=2.29m所以R=Rp=2.293)安全加高A:表IT 安全加高A (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该坝屈于2级水工建筑物，安全加高分别取：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)R(m)e(m)A(m)地震安全加高坝顶高程(m)设计洪水5922.290.00121595.29正常洪水5902.290.00121593.29595.79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己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,则坝底高程为565-5二560%由规范，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）。规范规定棱体顶宽卫l.Oni,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1:1.5~1:2.0,此处取为1:2.0。综上所述，坝体剖面示意图如下所示三、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。2、 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，进入排水体后则骤降。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。至浸润线终点的水平距离为0抛物O线的标准方程为v』2px+c,由己知条件x=0时，y=ho, (由抛物线的性质可知匕二*),可求得浸润线方程为y2=2h0x+hgo下游有水时近似把高度H2内的坝体视为不透水。1圮计算式为：ho=1、上游三角形棱体-等效的矩形来代替，比盐1、上游三角形棱体-等效的矩形来代替，比盐Hi。式中Hi为上游的水深,有前面知Hi=593—560=33mb-31+2x3b-31+2x333=14.142、坝前水位高程为593m,AB=2m,BO2X3=6in,坝顶宽为8m,CD=2、坝前水位高程为593m,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)X3=93m故渗流区的长度L=b+BC+CM84=14.14+6+8+93=121.14m3、 玦为下游水深，由于地基开挖5m,H2=2+5=7mh°W121.142+332一121.14=4.5m故求得浸润线的方程为居=2X4.5x+4.52=9x+20.25.即H凌=9x+20.254、 渗流量q（单位宽度）q=kXh0k为渗透系数，k=10-7m/s,其余参数同前q=10~7X4.8X1=4.5XICT’m3/s5、 根据H$=9x+20.25,可取一系列x得到一系列的田，列出下表X-2.25015102030507090100Hx04.55.48.110.514.21721.725.528.830.36、由上表，可画出坝体浸润线图，见下图，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：9.8x500=4900cm=49m,取为49m,故图中坝顶高程为49m。所取断面如图所示，量得：k=8.0m,I2=8.3m,I3=9.1m,I4=7.6m,I5=8.3m求得各断面的单宽流量为q。=°qi=kXhl=1X10一7x1X30=3.0XIO-6m3/sq2=3.5X10-6m3/sq3=3.0X10-6m3/sq4=2.45X10-6m3/sq5=1.0X10-6m3/s由公式+（Q1+Q2）h+（Q2+q3）】3+（Q3+Q4）U+q4】5〕W（3.0X10~6X8.0+6.5X10-6x9.1+5.45X10~6X7.6+2.45X10~6X0.3）=1.03xl0-4m3/s8、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会】儿（2） 渗透变形控制：按土的细粒含量*和土的密实度判别管涌或流土玲=右，式中n为孔隙率PcVR时，只发生管涌型破坏Pc<25%时，只发生管涌型破坏Pc>Pk时，只发生流土型破坏Pc>35%时，只发生流土型破坏由于资料不全无法进行判断（3）水力比降判断流土型：Jq.=（Gs—1）（1—n）管涌型：Jcr=瑟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，ds为级配曲线中含量小于5%的土粒的最大粒径mm设计时采用的允许水利比降二临界水力比降+安全系数K®查相关资料取Ka=1.8临界水力比降畔=嘉=0.115△LLX3eO允许水利比降=0.155+1.8=0.086<0.155需设反滤层为大坝安全起见，同时设计排水和防渗四、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*7~10一1°cm/s,防渗和适应编写的能力均较好，产生裂缝时有一定的自行愈合的功能，而且施工受气候的影响较小，故适于作土石坝的防渗材料。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l~3m的碎石，此设计中取垫层厚度为Im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如图所示五、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。防浪墙应坚固且不透水，用浆砌石作防浪墙，墙体应与防渗体紧密连接，如图所示2、 护坡（1） ±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，具体构造如图所示六、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，其尺寸如图所示此处不做详细解说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,其构造如图所示七、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部分组成，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=1200m7s>q允许=18/mo由于引水渠中流速控制在Pl.5】n/s，最大不宜超过3m/s。故选1.5】】】/、。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。所以b=0.83hbXh=O.83h2=800m2可得b=26mh=31m单宽流量qM|#=46>q允许=18n】2/s，所以单宽流量不合理，需调整。需采用宽浅式渠道，工程不经济但施工交易。由Q=bXhXvq允许=18n『/s=1200/L 可得L=66.7m取67m则h=ll.9取12m故最终截面尺寸选定：渠底高程应低于堰上水头的I/5H,本来考虑采用矩形但高程相对较大，相比之下采用U形或梯形，最终定为梯形，因为可以不采用护坡或挡土墙。由于考虑坝身安全,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5X2.75m=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Hds£inidb^j）采用WES并假定pi>1.33也，则n】d=0・502验算pi>1.33Hd设堰为自压出流6s=l,则收缩系数"0.2/ 1200Hd-\1X0.502X67X㈣X£J则收缩系数：£=1-0.2[k+（I；；1）ko]Ho=1-0.2[°，7+（^-1）ko]Hd土坝与高溢流堰（ka=0.2）£1=1-2[ka+（n—l）kp]普=1-2[0.2+（5-1）X0垮=1-2[0.2]2±0/

=1-0.00597Hd将£i带入Hd公式中算出Hd=2.75m堰顶高程：V=590m堰上水头：h=2.75m上游堰高：V=590一565=25m因为P〃Hd=25/2.75=909>L33,故假设合理nid=0.502较合理。行径流速水头可以略，乂因下游低于堰顶，而hs<0所以堰为自由出流。2)堰剖面设计堰顶0点上游三圆弧半径及其水平的标值为：Ri=0.5Hd=0.5X2.75=1.375Xi=一0.175皈=-0.175X2.75=-0.48R，2=0.20X2.75=0.55X2=-0.276Hd=-0.276X2.75=—0.759R3=0.04Hd=0.04X2.75=0.11X3=-0.282Hd=-0.282X2.75=-0.2115溢流堰顶三段为圆弧组成，下游边坡采用0.7边坡，下游段为一反孤段，其后计算。X(m)12X(m)123456,78910y(m)0.2110.7621.6112.74714.1525.81,77.7409.90512.31614.971。点下游坐标方程：(%)二°・5(X/h)y1.85 v1.8S v1.8Sy=0.5X-^.0.5x—=—按上式算的如下:根据表中数据绘的堰顶曲线Oc，坡度nk=0.7的下游坡段CD与曲线0C相切与C点，C点坐标(Xc,yQ，可如下求得：对堰面曲线求一阶导数：竺翌x°・8S=0.39X°"dx4.73直线CD坡度为：夺=%1=$□x AU./由 —=^-=0.39x0-85dx07可推出 X广(〜)顽=4.6myc=4.6侦5/473=3.56m坝下游反弧段半径(0.25〜0.5)(Hd+Zmax),式中 ZmaxJL下游水位差；由于下游水位不是太大初设为Om;r=(0.25〜0.5)(Hd+Zmax)=(0.25~0.5)(2.75+25)=9375~13.875m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0计算：X。=X。+IHa.'Pi一y)+mot(—— —)'c 2=4.6+0.7(25-3.56)+14cot(180°-55°)=26.88myo=P「r=25T4=llmE点坐标计算：乂.=Xo=26.88m=Pl=25mD点坐标计算：Xd=Xq~rsina=26.88-14sin55°=15.4m皿=/o+^cosa=14+14Xcos55°=22m3、孔口尺寸设计由前面的计算可知单宽流量q二普*=46m7sQ设=1200m7s所以 L业也=1200/46=27mq取孔口宽度为iom,则n苇=2.7,则n=3Lq=nb+(n-l)db一一孔口宽度d——中闸墩(取2.C)m),边墩(取3.0m)则溢流前缘总长为Lq=3X10+2X2+2X3=40m3 3 3Q溢=nb£m㈣璐=3X10X0.95X0.48^2X9.81X122=2518m/s&一一闸墩侧收缩系数，取0.95m—一流量系数，取0.48

g—一重力加速度，9.8inU/s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n=0.0164、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，bXh=10mX12m由前面的计算可知Hd=2.75Pi=25mx=（-0.282-0.85）Hd y=（0〜0.37）Hd与泄槽底版相连采用反弧曲面R=（3~6）h（其中1】为校核洪水位全开时的反孤最低点）5、泄槽泄槽置在基岩上，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，根据己建的工程拟定其前端渐变收缩角为20°~30°。末段收缩角为15°。以保证水流平稳，末端有设渐变槽。（1）渐变陡槽长度：L=厂岑=另痔=7m2tail6/2 2tail15°6m陡槽采用矩形断面bXh=67m6m陡槽采用矩形断面bXh=67mX12m求出临界水深：hk=J^=乎鬻12002k2==6m12002=0.11（2）泄槽长度切和正常水深h。计算：（泄槽总落差12m）设计2 加+（舄2=109.7m/、2 加+（舄2=109.7mLs=p2+\PLs=p2+首先用试算法求出正常水深ho,假设ho,则相应水力要己定求出Qo与实际Qo相差不大，故假设h（）正确，h0=6nio6、消能计算：（消力池计算）先按泄槽与下游尾水渠直接连