水陂设计文档VIP

灌溉与排水工程4.1.1

水陂设计为保证干旱季节满足项目区灌溉蓄水量，在项目区自流溪水上游建设水陂；水陂应布置在灌溉引水沟渠上游位置，根据选址范围内的地址条件，项目区共新建1座水陂。陂址处河道宽51m，水陂采用实用堰的形式，初拟定水陂净宽50米，根据引水沟渠要求选取水陂高1.8米。目建设保护农田规模为2227亩，小于一万亩属ⅴ等工程，故设计洪水取十年一遇，根据有关规范和实地资料，设计洪峰流量。（一）、堰顶水头H与溢流量关系曲线的计算用试算法求得相应溢流水深的溢流量。现采用自由式堰流流量公式：式中为约束系数，按入口处直立边缘的形状而定，本设计采用圆弧形，取；——为流量系数，取；——计算断面的宽度，本设计米；——陂上水头（米），，P为从陂址处河底算起的水陂高度即1.8米，重力加速度。初步假定H=0.5m，第一次试算结果如下：=1-0.2×0.7×0.507÷50＝0.999m3/s假定一系列溢流水深H值，根据上述公式算出相应的溢流量Q1结果如下：假定一系列溢流水深H值，根据上述公式算出相应的溢流量。结果如下4-1：表4-1溢流水深断面面积行进流速陂上水头流量系数水陂高P（m）净宽B（m）计算流速0.50115.000.3590.5070.99861.8050.035.8820.51115.500.3570.5170.99861.8050.036.9420.52116.000.3560.5260.99851.8050.038.0130.53116.500.3540.5360.99851.8050.039.0940.54117.000.3530.5460.99851.8050.040.1860.55117.500.3510.5560.99841.8050.041.287根据表4-1计算成果绘制关系曲线图4-1，可从图上查得当通过设计洪峰流量时，起相应的陂顶水头溢流水深H=0.556m。、陂身各部尺寸的拟定：浆砌石陂是靠自身重量来抵御外力作用的重力式水陂，陂身的基本形式为梯形，陂身尺寸的拟定，使一切外力的合力落在陂底中间三分之一处为依据，其梯形断面的顶宽和底宽都与陂高和溢流水深有关。顶宽：底宽：式中——建筑材料在水中的比重，取1.31.4。为便于施工取：b=0.9m，d=2.1m。为增加水陂的泄洪能力，把陂面改为曲线型，其陂身外形按下列各式确定（见图4-2）。，，、陂身断面设计：断面定型水头采用最大设计流量时相应的陂顶水头H。=0.556m，计算结果如表4-3，陂身曲线断面按照表4-3的坐标值绘制如图4-3。为避免陂后坦受到下泄水流的撞击，对陂高P<10米者，采用R=0.5P的圆弧来联系陂的下部和出口处的水平方向，采用R=0.5P=0.9m。表4-3单位坐标采用的陂身轮廓线坐标（m）0.00.10.30.60.71.01.52.02.42.83.24.00.1260.0360.0000.0270.1000.2560.6611.2351.8042.4623.2074.9300.0000.0560.1670.3340.3890.5560.8341.1121.3341.5571.7792.2240.0700.0200.0000.0150.0560.14203680.6871.0031.3691.7832.741（四）、下游水位推求:根据河流下游流量收集资料，采用明渠均匀流公式推求下游水位。式中—流量；A——渠道过水断面面积，对于梯形断面；h——下游水深（m）；b——河道底宽（m），b=50m；m——边坡系数，采用m=0.20；C——谢才系数；n——河道糙率，取n=0.040；R——水力半径（m），；——过水断面湿周（m）；i——河道纵向比降，i=1/2000。采用试算法计算下游水深流量关系，初步假定h=1.0m，计算结果如下：更换水深值h，按上述步骤重新计算，计算结果列入下表4-4，根据表中计算结果绘制天然河道下游水深流量关系曲线图4-4，由图上查得当通过设计流量时，下游水深；因为下游水深低于陂顶，即，所以堰流为自由式，，故采用的公式正确。表4-4下游水深流量关系Q(m3/s)h（m）i(m)mb(m)nR(m)C(m1/2/s27.3971000.00050.2050.00.04050.2052.040.96524.8529.6891.050.00050.2050.00.04052.7252.141.01125.0532.0521.100.00050.2050.00.04055.2452.241.05725.2334.4831.150.00050.2050.00.04057.7652.351.10425.4136.9821.200.00050.2050.00.04060.2952.451.14925.5939.5481.250.00050.2050.00.04062.8152.551.19525.7542.1791.300.00050.2050.00.04065.3452.651.24125.92(五)下游河道消能水力计算1、流量与第二共轭水深的计算：采用自由堰流公式推求水陂通过各种不同流量时的陂上水头，设：Q=20、25、30、35、40、41.29六种流量，列表计算入表4-5。第二共轭水深计算Q=20、25、30、35、40、41.29六种流量时的共轭水深，将计算结果列入表4-6。表4-620.00.40.3432.1431.050.950.0680.67725.00.50.3952.1951.050.950.0840.75730.00.60.4502.2501.050.950.1000.82935.00.70.4982.2981.050.950.1160.89540.00.80.5452.3451.050.950.1310.95941.290.8260.5562.3561.050.950.1350.975从图中可以看出，下游尾水位比第二共轭水深高，满足淹没式水流的要求，不用考虑下游水流消能。陂身稳定性分析1、水陂建址处地质为中砂土：允许压力；内摩擦角干容重；孔隙率n=0.3浮容重混凝土容重rd=2.4t/m3摩擦系数陂前泥沙淤积假设至陂顶高程，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）、《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2000），确定水陂结构安全级别为Ⅲ级，稳定安全率K为：基本荷载组合K=1.15K；特殊荷载组合K=1.0K。2、铺盖长度确定:本设计取3倍设计水头，即5.4米。3、渗径长度核算：按最不利情况考虑，即上游水位平陂顶，下游无水的情况，上下游水位差H=1.8米，建筑物尺寸如图4-6。理论需要渗径长度：式中C——坡降系数，本设计基础为中砂土，C=5。代入C值后得：实有渗径长度:4、铺盖厚度计算：铺盖厚度，上游起始端厚度取0.61米，与陂链接处取0.6米，面上加0.4米厚的砂石层保护（见图4-6）。验算铺盖厚度:式中——防渗铺盖厚度；——允许的渗透坡降（粘土，=46）；——实有的渗透坡降；H——作用于铺盖的上下游压力差。按上式复核A点（见图4-6）铺盖厚度。A点处的渗透压力总则压力差A点处铺盖厚度将上式各值代入公式后得：（安全）计算结果说明，铺盖粘土厚度尚可酌量减薄。施工情况计算：此情况下即陂身刚建好，上下游均无水，是基础压力最大的时候。现将陂身断面划分为若干小块（见图4-7），求出面积断面面积A，面积A的重心至下游陂址G点的距离，计算各分块重量及其对G点的力矩。计算结果列入表4-7。分块编号分块面积计算式分块面积分块重心至F点距离L（m）面积矩10.0362.420.08720.4132.4651.01830.272.2250.60940.1501.930.2951.0501.8051.89560.3401.2030.40970.2721.090.29680.1500.50.07590.5201.30.676100.3202.40.768110.0202.1330.043120.1250.6670.083130.2500.250.06314合计3.9166.312单位陂长体重力矩合力臂：偏心距：基础压力：6、正常蓄水计算：此情况即上游水位与陂顶平，并淤满了泥砂，而下游无水。扬压力U（浮托力+渗透压力）的图形及上游水和泥砂的总压力的图形如图4-8。根据水工手册，当泥砂为细粒，泥砂内摩擦角，则式中h—陂高；—泥水容重1.4；由于水横压力另行计算，故本设计取。铺盖部分横压力作为泥砂压力计算，除上游齿墙上游侧土侧压力外，其余各齿墙各侧土横压力大致相互抵消，本设计不作计算。渗透压力强度按渗径长度直线比例法计算，参照图4-6计算各转折点的渗透压力强度。X点的渗压水头：表4-8计算点XHGFEDCBA0.801.001.502.213.213.494.094.490.140.170.260.380.550.600.700.77式中—X点至渗透水流逸出点的渗径长度（m）；—基底各点浮托力强度相当于各点与下游水位的高差。作用于陂底的扬压力图形根据各点渗透压力强度及浮托力强度作为纵坐标绘制而成，浮托力及渗透压力产生的水平力的横坐标，等于该各点的纵坐标（图4-8）。表4-9说明力力与G点距离（m）力矩（t）↙铅直V水平力P↘陂重+9.40015.150扬压力-0.4002.4000.960-0.2942.4050.707-0.0602.1160.127-0.1152.1020.242-0.2001.5000.300-0.4651.5450.7181.5450.718-0.2250.6850.1540.124-0.1600.088-0.3500.030渗透横压力-0.108+1.1910.019-0.8100.0160.031-0.1750.038+0.3850.3930.0690.085-0.1350.220-0.1560.3080.042水压力+2.4200.0940.0152.500-0.0311.033泥砂压力+1.5680.5330.0170.9930.6337.078小计+4.25715.293↘陂基土重+7.023（1.170）8.215+0.264+0.512合计+0.116+0.4257+0.4257不计算陂基土重时，合力偏心距，故达到抗倾覆稳定安全要求。滑动安全系数计算，考虑齿墙之间基土的作用，破坏面在俩齿墙间的倾斜底面上。()cos()sin()cos()sinoofVfPKPV式中of——比例系数（大约等于土壤的内摩擦系数），陂基为中砂，内摩擦角35o，则：350.7oooftgtg；——为滑动面沿两齿脚的连线BF与水平面的夹角（见图4-8），则：220.30sin0.1740.301.70221.70cos0.9850.301.70将上述各值代入公式后得：0.77.9150.9850.74.2570.1742.1221.154.2570.9857.9150.174K(满足要求)7、设计洪水计算：设计洪水时上下游水头差1.07Hm，陂体潜没。在计算垂直荷载时，将陂体重、陂上水头与浮托力合在一起计算，即陂体重以浮容重计，记以'()WA。陂体上、下游水位以上水体重3W的计算，是假设上游水位从陂的上游面开始，以与水平线成o45的直线降落至下游水面。计算见图4-9，渗透压力计算方法同前：1.070.10210.50XXXXHLhLLL总，计算结果列入表4-10。表4-10计算点XHGFEDCBAXL0.801.001.502.213.213.494.094.49Xh0.080.100.150.230.330.360.420.46现列表计算作用于单位陂长上的合力及其对F点的力矩，结果列入表4-11。表4-11说明力(/)tm力与F点距离（m）力矩M（t）铅直V水平P陂重()(2.41)3.916dWA+5.4821.6108.826陂上水重30.5(0.551.28)2.601.0W+2.6171.0502.748扬压力"10.5(0.460.42)0.401.0U-0.1942.4050.467"20.5(0.330.36)0.201.0U-0.0762.1020.160"30.5(0.230.33)1.001.0U-0.3081.5440.476"40.5(0.150.23)0.501.0U-0.1050.7760.081"50.5(0.100.15)0.501.0U-0.0690.2750.019渗透横压力10.5(2.742.75)0.601.0UP+1.8120.0000.00020.5(2.042.70)0.601.0UP-1.5640.0210.03330.5(1.812.04)0.201.0UP-0.4240.3970.16840.5(1.712.13)0.501.0UP+1.0560.2360.24950.5(1.611.86)0.251.0UP-0.4770.3210.15360.5(1.862.08)0.201.0UP-0.4330.0970.042水压力10.5(0.552.75)2.201.0P+3.9931.0674.261220.51.531.0P-1.1700.9601.123泥砂压力20.52.800.4HP+1.5680.6330.993小计+7.347+4.361（0.869）13.0936.7066.387陂基土重续表4-11说明力(/)tm力与F点距离（m）力矩M（t）铅直V水平P陂基土重10.5(1.001.40)0.201.1W+0.26420.5(1.401.70)0.301.1W+0.51230.50.700.301.1W+0.116总计+8.239+4.3614-9扬压力U和总压力HP图不计算陂基土重时，合力偏心距2.60/20.8690.431/60.433eLm，故达到抗倾覆稳定安全