水工建筑物课程设计(doc 18页)

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目 录

第一部分 设计资料…0………………………………………………（1） 一、设计资料………………………………………………………（1） 二、设计依据………………………………………………………（4） 第二部分 枢纽布置……………………………………………………（7） 一、坝型的选择…………………………………………………（7） 二、泄水建筑物型式的选择……………………………………（8） 三、其它建筑物型式的选择……………………………………（8） 四、枢纽的组成建筑物及等级……………………………………（8） 五、枢纽布置………………………………………………………（9） 第三部分 土石坝的设计………………………………………………（9） 一、土石坝坝型的选择……………………………………………（9） 二、大坝断面尺寸及构造型式……………………………………（9） 三、渗流计算……………………………………………………（12） 四、稳定计算……………………………………………………（13） 五、材料及细部构造……………………………………………（14） 第四部分 溢洪道设计………………………………………………（16） 一、溢洪道的形式………………………………………………（16） 二、堰面形式……………………………………………………（16） 三、溢洪道的水力计算…………………………………………（16） 四、工程布置……………………………………………………（17） 六、掺气水深……………………………………………………（23） 七、消能防冲……………………………………………………（23） 八、溢洪道的其它构造设计……………………………………（24） 第五部分 施工图纸…………………………………………………（24）

附图………………………………………………………………（25）

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山脉走向大约为东西方向，岩基出露较好，河床一般为100m左右河道弯曲相当厉害，沿河沙滩及坡积层发育，尤以坝址下游段的更为发育，在坝轴下游300m处的两岸河谷呈马鞍形，其覆盖物较厚，岩基产状凌乱。

地质情况：靠上游有泥盆五通砂岩，靠下游为二迭纪灰岩，几条坝轴线皆落在五通砂岩上面，地质构造特征：在平山咀以南，即灰岩与沙岩分界处，发现一大断层，其走向近东西，倾向大致向北西，在第一坝轴线左肩的为五通砂岩，特别破碎，在100多米范围内就有三四处小断层，产状凌乱，坝区右岸破碎深达60m的钻孔芯获得率仅为20%，岩石裂隙十分发育。 岩石的渗水率很小。坝区下游石灰岩中发现两处溶洞，平山咀大溶洞和大泉眼大溶洞，前者对大坝及库区均无影响，后者朝南东方向延伸的话，可能通过库壁，库水有可能顺着溶洞漏到库外。 坝址覆盖层沿坝轴线厚度达1.5~5.0m，K=1×10-4cm/s，浮容重V浮=10.7KN/ m3，内摩擦角Ф=350

4、水文、气象 （1）、水文：千年一遇雨量498.1mm，二百年千年一遇雨量348.2mm，五十年千年一遇雨量299.9mm，雨洪峰流量Q0.1%=1860 m3/s，Q0.5%=1550m3/s，Q1%=1480m3/s，多年平均水量为4.55亿m3

（2）、气象：多年平均风速10m/s，水库吹程D=9Km，多年平均将雨量430mm/年，库区气候温和，年平均气温16.9℃，年最高气温40.5℃，年最低气温-14.9℃ 5、其它 （1）、坝顶无交通要求 （2）、对外交通情况

水 路:可通行3~6吨木船，枯水季只能通过3吨以下的船只，水运较困难 公 路：尚无公路通行

铁 路：到工地有53公里处有乐万铁路车站 二、设计依据

1、工程等级:

工程的灌溉面积为2万亩,装机容量9000KW,总库容2.00亿m3

判定此工程为二等工程

主要建筑物：挡水坝，溢洪道，电站厂房。

次要建筑物：筏道，泻洪洞，导流洞（后改为泻洪洞）。 2、水库规划资料

（1）正常水位：113.10m，设计洪水位：113.30m，校核洪水位：113.50m 死水位：105.0m（发电极限工作深度8m），灌溉最低水位：104.0m

（2）总库容：2.00亿m3，水库有效库容：1.15亿m3 （3）库容系数：0.575

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（4）发电调节流量QP=7.35m3/s，相应下游水位68.2m

发电最大引用流量Qmax=28 m3/s，相应的下游水位68.65m,通过设计洪水位流量（Q0.1%）时。溢洪道最大泄量Qmax=1340 m3/s，相应的下游最高洪水位74.3m

3、枢纽组成建筑物

（1）大坝：布置在1#坝轴线上 （2）溢洪道：堰顶高程为107.50m

（3）水电站：装机容量9000KW，3台机组，厂房尺寸30×9平方米

（4）灌溉：主要灌溉区在河流的右岸，渠首底高程102m，灌溉最大引用流量8.15 m3/s，相应渠道最大水深1.75m，渠底宽3.5m，渠道边坡1：1

（5）水库放空隧洞：为便于检修大坝和其它建筑物，拟利用导流隧洞作为防空洞。洞底高程70.0m，洞直径3.5m

（6）筏道：为干筏道，上游坡不陡于1：4，下游坡不陡于1：3，转运平台高程115.0m，平台尺寸为30×20m2

4、筑坝材料

枢纽大坝采用当地材料筑坝

（1）土料：主要有粘土和壤土，可采用坝下1.5~3.0公里丘陵区与平原地带，储量多，质量尚佳可作为筑坝材料，其性能见表1

（2）砂土：可从坝上下游0.5~3.5公里河滩上开采，储量多，可供筑坝使用，其性能见表2

（3）石料：可在坝址下游附近开采，石质为石灰岩及砂岩，质地坚硬，储量丰富，便于开采，其性能见表3.

表一 土料特性表 土壤 干容重rc最优含水孔隙率 内摩擦角粘着力 C透水系数 类（KN/m3） 率（%） n（%） Ф （Kpa） K（cm/s） 别 粘15.4 25 40 18o30′ 37 1×10-6 土 壤15.8 14.5 41.7 23o41′ 12 1×10-5 土 坡22o（湿） 16.0 22.5 39.8 7.5（湿） 1×10-3 o土 33（干） 表二 砂土特性表

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土壤类别 干容重rc（KN/m3） 16 孔隙率 n（%） 40.6 砂土

内摩擦角Ф 30o 渗透系数 K（cm/s） 1×10-2 浮容重 ′ 10.06 表三 石料特性 干容重c（KN/m3） 1.8 孔隙率 n（%） 33 第二部分 枢纽布置

一、坝型的选择

在基岩上筑坝有三种类型可选择:重力坝、拱坝、土石坝。

重力坝方案：重力坝虽然对地形，地质条件适应性强，且枢纽泄洪问题容易解决等优点，但是建重力坝清基开挖量大，且不能利用当地筑坝材料，故重力坝不经济。

拱坝方案：修建拱坝理想条件是河岸左右对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的峡谷段，而该水利枢纽布置处成S形，沿河沙滩及坡积发育，坝轴线下游河谷程马鞍形，无建拱坝的可能。

土石坝方案：土石坝对地形、地质的要求低，几乎在所有的条件下都可以修建，且该工程在坝轴线的附近丘陵区与平原地带的土料储量很多，土质佳，可作筑坝之用，并且有丰富的质地好，开采容易的筑坝用的砂土和石料。故修建土石坝，其材料来源广泛，开挖量小，可减小工程投资，综合考虑地形，地质条件，建筑材料，施工条件，综合效益等因素，最终选择土石坝方案。 二、泄水建筑物型式的选择

溢洪道选择：根据当地地质条件，确定为开敞式溢洪道，开敞式溢洪道分为正槽式和侧槽式，正槽式溢洪道中，泻水槽与堰上水流方向一致，水流平顺，泄流能力大，结构简单，运行安全可靠，适用于各种水头和流量，且坝轴线下300m处两岸河谷呈马鞍形，选该形式最合理。

放空隧的选择：洞水库放空隧洞其进口高程可以很低，因此除了担负泄洪任务，还可以承担灌溉放水，施工导流，排泄泥沙和防空水库等任务。所以本工程利用施工期的导流隧洞作为水库放空隧洞。 三、其它建筑物型式的选择

引水建筑物的型式：河道水量丰沛，水位较底，引水量较大，无坝取水不能满足要求，则选用有坝取水枢纽即溢流坝。

施工导流方式：选用导流隧洞，可以作为坝修建好之后的泄水隧洞，减小工

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内摩擦角Ф 38o

程量。

四、枢纽的组成建筑物及等级

表四 建筑物分类 建筑物名称 土石坝 溢洪道 放空隧洞 灌溉 电站厂房 筏道 级 别 2 3 3 3 2 3 五、枢纽布置 挡水建筑物：土石坝布置在1#坝轴线上

泄水建筑物：溢洪道布置在左岸的垭口上，可减小工程的开挖量，并且与大坝离开，有利于大坝的安全。

电站厂房应该设在平坦的地方，引水隧洞布置在凸岸，可以缩短长度，减小工程量。所以电站厂房布置在凸岸，即河的右岸比较合理。

第三部分 土石坝的设计

一、土石坝坝型的选择

在坝址附近有丰富的饿土料，坝址上下游及两岸滩地又有大量的砂、石灰岩及砂岩，质地坚硬，储量丰富，可作为坝壳材料，从建筑材料上说，斜墙坝、心墙坝均可。

斜墙坝由于抗剪强度较低的防渗体位于上游面，故上游坝坡较缓，坝的工程量相对较大，并且斜墙对坝体的沉降变形比较敏感，与陡峻河岸的连接较困难，故不选择此方案。

心墙坝的防渗体位于坝体的中央，适应变形的条件好，粘土心墙所用的粘土量少，施工较方便。所以选择粘土心墙坝。 二、大坝断面尺寸及构造型式

1、坝坡：采用三级变坡，在变坡处设置马道，其宽度取2m。 上游坝坡：1：3.0、1：3.25、1：3.5 下游坝坡：1：2.5、1：2.75、1：3.0

2、坝顶宽度：本坝无交通要求，坝高H顶底115.106649.10m，在30m-60m，所以坝顶宽度B=6~8m且无交通要求，取B=7m

对中低坝最小宽度B＞5m，取=7m。 3、坝顶高程计算： 超高：dhaeA

ha—波浪在坝坡上的爬高 m

e—风浪引起的坝前水位壅高 m

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A—安全加高 m

ha=0.45hlmn

-1

-0.6

KV2cos h10.116VD e

2gH5413 h1：设计波高

m：坝坡坡率取2.5

n：坝坡护面糙率，选干砌石取0.0275

（多年平均）计算风速m/s V：

D：吹程Km

K：综合摩擦系数 取3.61033

H：水库水域平均水深 m ：风向与坝轴线方向的夹角

g：重力加速度 取9.81m2/s 坝顶高程：

H设d设H校d校 二者取大值

表五 坝顶高程计算 运用情静水位ha（m） e(m) A(m) 防浪墙高程(m) 坝顶高程（m） 况 （m） 设计洪113.3 1.40 0.0198 0.5 115.42 水 114.22 115.42 （取114.3） 校核洪113.5 0.84 0.0089 1.0 115.14 水 验算：坝顶高程114.30＞设计洪水位+0.5m=113.8m ＞校核洪水位113.5 满足要求。 4、坝体排水设备及尺寸拟定

常用坝体排水主要有以下几种形式：贴坡排水、棱体排水、褥垫排水。

贴坡排水不能降低浸润线，多用于浸润线很底和下游无水情况。

褥垫排水对地基不均匀沉降适应性较差，易断裂，且难以检修，不宜采用。 棱体排水可以降低浸润线，防止坝坡冻胀，保护下游坝脚不受尾水淘刷且有支持坝体，增加稳定的作用。坝址附近有丰富的石料可开采，其石料质地坚硬，可以利用，做堆石料棱体排水。棱体顶面的高程高出下游最高水位至少1.0~2.0m，取1.7m，下游最高水位为校核时的水位74.3m，棱体顶面的高程为76.0m。棱体内坡坡度取1：1.5，外坡取1：2.0，顶宽取2.0m。

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5、防渗体

本设计粘土允许坡降[J]4。承受最大水头为47.9m，墙厚T≥

H/[J]=11.98m，心墙的顶宽取5m＞3m满足机械化施工的要求。上下游坡度均取1：0.2。墙顶高程为设计洪水位加0.3-0.6m超高，取0.3m，所以墙顶高程为113.4m。 6、大坝基本剖面

三、渗流计算

心墙采用粘土料，渗透系数很小，因此计算时可以不考虑上游水头降落，下游坝壳的浸润线比较平缓，水头主要在心墙部位损失。

2.01:3.01:2.52.01:3.22.051:2.752.01:3.5浸润线1:3.01:1.51:2.0大坝剖面图

将心墙看成等厚的长方体 (12)/215m S143.5m K11102cm/s K21106cm/s K31104cm/s

H274.3668.3m H1113.36647.3m T4.0m

通过心墙段的单宽流量 q1K2[(H2T)2(hT)2]/2

2K1(h2H2)K3T(hH2)通过心墙下游坝壳段的单宽流量q2

2SS0.44T 1

q1q2 得 h=2.96m ，

q0.831062m3/s,

12浸润线方程为y2(hH2)x/S 即：y(0.0014x)

心墙之后的坝壳防渗坡降及渗透性很小，发生破坏的可能不大。 四、稳定计算

无粘性土的坝坡常形成折线形的滑动面，在此只考虑上游水位在1/3坝高处上游坝坡的稳定。

W1/W2cot(3')cot(1')(1W1/W2)tan(2')0

1'tan1(tan1/Kc) 2'tan1(tan2/Kc) 3'tan1(tan3/Kc) 由图测的角度为4.2；28；11； 1'2'3'14.5 Kc2.0351.25 W1/W21.12 所以该假想滑动面是稳定的。

五、材料及细部构造

1、坝 顶

坝顶无公路要求，故路面采用黄泥浆砌石路面，为排除雨水，将扒顶向下游向下游倾斜（2%-3%）取i=2%。

2、护 坡

上游采用干砌石护坡，块径一般为30cm以上。选双层，约厚为0.4-0.6m，砌石下面设碎石垫层，其厚约为0.15-0.25m，取0.25m。护坡范围自坝顶起延至水库最低水位以下一定距离，一般为2.5m，护坡的最低高程为105m，下游护坡为碎石护坡厚25cm。

3、坝的防渗体及排水设施

坝的防渗体为粘土心墙，心墙上下游设置反滤层，坝体排水为堆石棱体排水，在排水与坝体，坝基之间设置反滤层，下游马道在靠近坡处设置排水沟，并在坝坡设置横向排水沟以汇集雨水，岸坡与坡体交接处也设置排水沟，以汇集岸坡雨水，

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防止雨水掏刷坝坡。

4、反滤层设计

（1）设计标准：被保护土相邻的第一层反滤料

D15/d85≤4-5 式中： D15：反滤料的特征粒径，小于粒径土占总土重的15% D15/d15≥5 d85，d15：被保护土粒径，小于该粒径土分别占总土重的85%，15% （2）防渗体周边部位：

第一层d50=0.5mm 厚20cm 第二层d50=2.0mm 厚30cm

排水部位：

第一层d50=30mm 厚20cm 第二层d50=90mm 厚60cm 坝顶及

心墙反滤层，棱体排水及反滤层、岸坡排水、护坡详图见图纸。

2、 坝基处理

需将防渗体部位进行开挖，挖去覆盖层3m，并下挖0.3m，将防渗体坐落在岩基上形成截水墙，隔断渗流，岩面不平整或存在微小裂缝处，通过灌浆，喷水泥砂浆或浇筑混凝土进行处理。在基岩面建混凝土齿墙作用不明显，受力条件不好，易产生裂缝。在基岩内部防渗处理的主要设施是帷幕灌浆，用以提高其不透水性，强度，完整性，减小防渗坡降。

第四部分 溢洪道设计

一、 溢洪道的形式。

选在垭口处，见图示平面位置，并采用开敞式的正槽溢洪道。 二、堰面形式：

采用WES型堰面形状

HdHmax(70%~95%)6(0.7~0.95)4.2m~5.7m 取Hd4.5m

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三、溢洪道的水力计算 1、孔口尺寸设计 （1）、单宽流量的确定。

校核洪水高程 113.5m 堰顶高程 107.5m

H0113.50107.56m

qm2gH

320q——单宽流量

根据堰顶形式可选 m0.48 0.95 则 q27.9m3/s 取 q28m3/s

Qmax1340m3/s LQmax134044.7m q30取孔口宽度为9m nL4.57 则 n5 10 L0nb(n1)d

b——孔口宽度 d——闸墩厚度（取2.0m） 则 L05934461m 进

320行验

32算：

Q溢nbm2gH590.950.4829.8161443m3/sQmax

——闸墩侧收缩系数，取0.95 m——流量系数，取0.48 g——重力加速度，9.81m3/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0.016。 四、工程布置 1、进水渠 （1）、拟定引水渠的形式

引水渠采用梯形断面，低坡平坡，边坡采用1：1.5且流速小于3m/s渠底宽度大于堰宽，取1m，渠底高程取87.5m。

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（2）、引水渠尺寸

校核水位 H113.50m Q1340m3/s QvA A(BmH)H

A——为过水断面 B——渠底宽度 假设v2m/s 为了安全取 B70m

进水渠与控制堰之间20m为渐变段，采用弧线连接。 2、控制段

（1）拟定控制段的形式

为了控制泻流能力，设置弧形闸门，堰型选用WES标准剖面堰，顶高程107.50m，

bh9m6m Hd(0.7~0.95)H0(0.7~0.95)6.04.2m~5.7m P10.3Hd P20.5Hd 取 P222m 120m P 查表：m0.467 x(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h为校核洪水位全开时的反弧最低点） 3、泄 槽

泄槽布置在基岩上，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，根据已建的工程拟定收缩段收缩角为12度。首端与控制堰同宽B=61m。末端采用矩形。

4、出口消能

溢洪道出口段为冲沟，岩石质地较好，离大坝较远，采用挑流消能。水流冲刷不会危及大坝安全。 五、溢洪道的计算

泄槽水面线计算：对称布置由地质平面图可知堰顶到下游水面高程（74.3m）处的水平距离是86m，高差33.2m。坡降i=33.2/86=0.386＞iK，属急流，槽内形成bⅡ型降水曲线，属于明渠非均匀流的计算。 （1）、基本计算

采用各段试算的方法计算 （2）、基本计算公式

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流段距离：

(h2cos22v2 l12 Jn2v2432g)(h1cos1v122g)iJ

R式中收缩断面处开始计算

h1 v Rq2g(H0h1cos)

q hL0h

L02h （3）、用试算法进行求h1

H0'6m P222m

'P262228m H0H0 qQmax134028m3/s b45 取几组h1的值，进行试算，使得两公式算的h1相等 0.95 cos0.933

列表如下： h1的值 2.0 21.51 1.7 21.63 1.4 21.75 1.35 21.77 1.34 21.77 2g(H0h1cos) 1

q2g(H0h1cos) 1.35 1.34 1.34 1.34 1.34 以h11.34 ，求两断面点的距离S

Abh Vh QA n0.015 i0.31623 xb2h R Axv v平均 22.21 24.04 26.20 28.79 R 1.28 1.24 1.19 1.15 1.10 1.05 1.01 0.96 R平均 1.26 1.17 1.08 0.98 v2/2g 24.20 26.11 28.26 30.69 33.44 36.58 40.18 44.34 J △S ∑△S 1.34 21.79 1.29 22.64 1.24 23.55 1.19 24.54 1.14 25.61 1.09 26.79 1.04 28.08 0.99 29.49 作出泻槽水面线： 0.07 6.90 6.90 0.09 9.29 16.19 0.12 13.31 29.50 0.16 21.12 50.62

（4）、堰的剖面的确定

R10.50Hd0.504.52.25m R20.20Hd0.204.50.9m R30.04Hd0.044.50.18m x10.1754.50.788m

x20.2764.51.242m x30.2824.51.269m

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O点下游的曲线方程 (yx1.85)0.5() HdHd y0.139x1.85

按上式列表计算： x(m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 y(m) 0.139 0.502 1.063 1.810 2.734 3.831 5.095 6.523 8.112 坡度ma0.6的下游直线段与曲线段相切点的坐标值，作一阶导数：

dx1.850.139x0.850.258x0.85 dy直线的坡度

dx11 dymay0.139(9)1.858.112 则C（9.0，8.112）。

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110.85)9.0 故 x(0.60.258

反弧线圆心的确定：反弧半径R(0.25 上下游水位差：Zman=113.3-74.2=39m, R(0.51)(4.539)(21.75六、掺气水深 （1）、掺气发生的位置

0.5)(Hd+Zmax) 式中：

43.5)m 取R=22m。

按经验公式： Lk14.7q0.5314.7280.5385.96m q——单宽流量

理论上是不需要考虑的，但是一般还是在4段末考虑掺气，从而减小影响。

v从水面线上得到此点的流速v28.4m/s，h0.97，代入 ha(1)h

100 h——不计波动和掺气的水深

v——不计波动和掺气的计算断面的平均流速

——修正系数，一般为1.0~1.4

1.228.4)0.971.3m 100 边墙的超高一般为0.5~1.5m，取0.6m 槽面到墙顶的垂直距离为1.30.72m 七、消能防冲

用挑流进行消能 （1）、鼻坎形式：平顺连续式

则 ha(1（2）、为了减小冲坑深度，应该选取角度20~30，则选用28 （3）、反弧半径：采用双圆弧，半径分别取为 R118m R224m （4）、鼻坎高程：高于下游最高水位1~2m， 取S1.2m 则高程为75.50m （5）、冲刷深度t tkq0.5z0.25ht1.5280.52.030.25(74.366)1.02m t——冲刷坑深度 k——抗冲系数，取1.5

q——单宽流量 z——上下游水位差 ht——下游水深

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八、溢洪道的其它构造设计 （1）、如果流速超过土壤或岩石的抗冲刷时的流速时，要用混凝土衬砌，厚度取0.5m （2）、横纵向温度分缝距离10m （3）、挑流消能的鼻坎用连接面版和齿墙两部分组成。

施工图见图纸。

第五部分 施工图纸

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