水工建筑物课程设计1

'前言根据水工建筑物课程教学大纲的要求，安排一周的时间进行土石坝课程设计。此次进行土石坝课程设计的地点是在教室里面，其目的是为了提高学生综合运用知识的能力，将理论与实际相结合，将自己学的知识运用到实际工程中。要求是：1、课程设计安排在《水工建筑物》课程内容之后进行，课程设计作为综合性实践环节，是对平时作业的一个补充，课程设计包括土石坝设计的主要理论和计算问题，通过课程设计可以达到综合训练的目的。2、课程设计的目的，是使学生融会贯通《水工建筑物》所学专业理论知识，完成土石坝较完整的设计计算过程，以加深对所学知识的理解和运用，培养综合运用已学的基础理论知识和专业知识来解决基本工程设计问题的初步技能，全面分析考虑问题的思想方法、工作方法。3、培养设计计算、绘图、编写设计文件、使用规范手册和应用计算机的能力，以及各种软件的使用。4、提高查阅和应用参考文献和资料的能力。 此次课程设计的内容是在颍河上进行联平土石坝的设计，根据已有的资料将水利枢纽布置在颍河上，需要我们充分发挥自己动手动脑的能力，从整体到局部在回到整体的这样一个认识的过程，充分运用所学的知识，借用参考文献和规范，设计出此套方案来的。编者2012年5月 实习目的课程设计的目的，是使学生融会贯通《水工建筑物》所学专业理论知识，完成土石坝较完整的设计计算过程，以加深对所学知识的理解和运用，培养综合运用已学的基础理论知识和专业知识来解决基本工程设计问题的初步技能，全面分析考虑问题的思想方法、工作方法。实习内容一基本资料及数据设计第一节基本资料(一)概况联平水库位于颍河干流上，控制流域面积94.1平方千米。流域内南部多石山，小部分为丘陵，已耕种，北部为丘陵，大部分为梯田，山区平均地面坡度为1/10～1/15，丘陵山区平均地面坡度1/50左右，水土流失严重，河流平均纵坡为1/130。(二)枢纽任务该水库主要任务以灌溉为主，结合灌溉进行发电。灌溉下游左岸2万亩耕地，灌溉最大引水量4m3/s，引水高程347.49m，发电装机容量75kW。(三)地形地质概况水库位于低山丘陵地区，南部多山，高程在400~500m之间，发育南北向冲沟。北、西、东多位第四纪黄土覆盖的丘陵阶地，高程在300~400m之间，颍河由西向东流经坝区。 坝址两岸河谷狭窄。坝址及库区岩层均为第三季砂页岩，无大的不利地质构造。坝址岩层为黄色石英砂岩与紫色砂质页岩互层，岩层走向SE110o~120o，倾向NE20o~30o，倾角20o~40o。坝址两岸为黄色石英砂岩，岩石坚硬，但裂隙较为发育，上覆6~10m黄土，左岸有部分粘土。地震基本烈度为6度。(四)气象1、气温:气温温和2、风速：多年平均最大风速：14m/s。水库最大吹程3km。3、降雨：流域年平均降雨量690mm/年，其中2/3降于6-9月，约有45%的降水集中于7、8两个月。（五）水文坝址处河流多年平均流量0.5m3/s，年总径流量1684.39万m3。第二节设计数据（一）工程等级：根据规范自定。（二）水库规划资料1、死水位340m。2、最高兴利水位360.00m，相应库容1413.07万m3，相应下游水深03、设计洪水位363.50m （频率2%）相应库容1998.36万m3，相应最大泄洪量540m3/s，相应下游水位338.0m4、校核洪水位364.50m（频率0.2%），相应库容2299.68万m3，相应最大泄洪量800m3/s，相应下游水位339.0m。5、水能指标：装机容量75kW，安装高程348.69m。（三）枢纽组成建筑物1、大坝：布置在1＃坝轴线上；2、水电站：装机容量75kW，安装高程348.69m。（四）筑坝材料1、土料在坝址附近400-1500m的河道右岸有丰富的土料，大部分为中粉质壤土，储量在150万方以上，坝址下游有30万方左右的重粉质壤土。2、砂卵石料颍河河槽及两岸滩地也有大量砂、砾石及卵石，上下游河滩地表层0-2m黄土覆盖，下为3-7m厚砂卵石，在枯水季节河水位降低，上游在坝脚100m以外2000m以内卵石平均取深为1.5m，约86万方，下游在坝脚100m以外2000m以内平均取深1.3m，约86万方，其休止角经现场试验最小30o，最大37o，平均值33o。物理力学性质指标如下 土石料物理力学性质指标指标单位坝基砂卵石坝体中粉质壤土重粉质壤土砂卵石堆石水上水下水上水上饱和快剪φ（o）2816.913.8633304038ckPa035980000饱和固结快剪φ（o）2820.117.833304038ckPa0761110000颗粒重度kN/m327.127.127.127.127.1干重度kN/m31916.516.52019含水量%　19.218.373湿重度kN/m3　19.520.121.419.4饱和重度kN/m32020.520.722.522渗透系数cm/s6.1×10-31.2×10-51.18×10-76.1×10-3　塑限含水量%　1718.5　　料场含水量%　19.321.3　　二、枢纽布置（一）工程等别及建筑物级别1.水库枢纽建筑物组成根据水库枢纽的任务，该枢纽组成建筑物包括：拦河大坝、溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空隧洞（拟利用导流洞作放空洞）、筏道。2.工程规模根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》以及该工程的一些指标确定工程规模如下：（1）各效益指标等别：根据枢纽灌溉面积为2万亩，属小（Ⅰ）等工程；根据电站装机容量75千瓦即75kW，小于10MW，属小（Ⅰ ）等工程；根据总库容为0.1413亿m3，在1.01～0.1亿m3，属Ⅲ等工程。（2）水库枢纽等别：根据规范规定，对具有综合利用效益的水电工程，各效益指标分属不同等别时，整个工程的等别应按其最高的等别确定，故本水库枢纽为Ⅲ等工程。（3）水工建筑物的级别：根据水工建筑物级别的划分标准，Ⅲ等工程的主要建筑物为3级水工建筑物，所以本枢纽中的拦河大坝、溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道，水库放空隧洞为3级水工建筑物；次要建筑物筏道为4级水工建筑物。（二）各组成建筑物的选择1.挡水建筑物型式的选择在岩基上有三种类型：重力坝、拱坝、土石坝。（1）重力坝方案从枢纽布置处地形地质平面图及1#坝轴线地质剖面图上可以看出，坝址上部岩层为黄色石英砂岩与紫色砂质页岩互层，但裂隙较为发育，上覆6~10m黄土，左岸有部分粘土若建重力坝清基开挖量大，故修建重力坝不经济。（2）拱坝方案修建拱坝理想的地形条件是左右岸地形对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的河谷段；而且坝端下游侧要有足够的岩体支撑，以保证坝体的稳定。该河道弯曲相当厉害，尤其枢纽布置处更为显著形成S形，1#坝址处没有雄厚的山脊作为坝肩，左岸陡峭，右岸相对平缓，峡谷不对称，成不对称的“U”型，下游河床开阔，无建拱坝的可能。（3）土石坝方案 土石坝对地形、地质条件要求低，几乎在所有的条件下都可以修建，且施工技术简单，可实行机械化施工，也能充分利用当地建筑材料，覆盖层也不必挖去，因此造价相对较低，所以采用土石坝方案。2.泄水建筑物型式的选择土石坝最适合采用岸边溢洪道进行泄洪，在坝轴线下游300m处的两岸河谷呈马鞍形，左岸有马鞍形垭口，采用正槽式溢洪道泄洪，泄水槽与堰上水流方向一致，水流平顺，泄洪能力大，结构简单，运行安全可靠，适用于各种水头和流量。（三）枢纽总体布置方案的确定挡水建筑物——土石坝（包括副坝在内）按直线布置在河弯地段的1#坝址线上，泄水建筑物——溢洪道布置在大坝右岸的天然垭口处；灌溉引水建筑物——引水隧洞紧靠在溢洪道的右侧布置；水电站建筑物——引水隧洞、电站厂房、开关站等布置在右岸（凸岸），在副坝和主坝之间，厂房布置在开挖的基岩上，开关站布置在厂房旁边；施工导流洞及水库放空洞布置在左岸的山体内。综合考虑各方面因素，最后确定枢纽布置直接绘制在蓝图上（地形地质平面图）。（四）坝轴线选择选择坝址时，应根据地形、地址、工程规模及施工条件，经过经济和技术的综合分析比较来选定。 应尽量选在河谷的狭窄段。这样坝轴线短，工程量小，但必须与施工场地和泄水建筑物的布置情况以及运用上的要求等同时考虑对于两岸坝段要有足够的高程和厚度。坝基和两岸山体应无大的不利地质构成问题。岩石应较完整，并应将坝基置于透水性小的坚实地层或厚度不大的透水地基上。坝址附近要有足够数量符合设计要求的土、砂、石料且便于开采运输。通过以上分析，联平水库坝轴线的选择，在地形上，应尽量选在河谷狭窄段。由地形图上可知，上游坡坝轴线、坝轴线以及和下游坝轴线三者的比见地形图，下游的坝轴线最符合。因为它是河谷的狭窄段，这样坝轴线短，工程量小，可减少投资，库容较大，淹没少。三土坝设计（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左岸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。砂料可在坝坝址附近400~1500m河道右岸开采。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。1.均质坝 坝体材料单一，施工工序简单，干扰少；坝体防渗部分厚大，渗透比降较小，有利于渗流稳定和减少坝体的渗流量，此外坝体和坝基、岸坡及混凝土建筑物的接触渗径比较长，可简化防渗处理。但是，由于土料抗剪强度比其他坝型坝壳的石料、砂砾和砂等材料的抗剪强度小，故其上下游坝坡比其他坝型缓，填筑工程量比较大。坝体施工受严寒及降雨影响，有效工日会减少，工期延长，故在寒冷和多雨地区的使用受限制，故不选择均质坝。2.多种土质坝该坝型显然可以因地制宜，充分利用包括石渣在内的当地各种筑坝；土料用量较均质坝少，施工气候的影响也相对小一些，但是由于多种材料分区填筑，工序复杂，施工干扰大，故也不选用多种土质分区坝。3.斜墙坝斜墙坝与心墙坝，一般的优缺点无显著差别，粘土斜墙坝沙砾料填筑不受粘土填筑影响和牵制，沙砾料工作面大，施工方便；考虑坝址的地质条件，由于坝基有破碎带和覆盖层，截水槽开挖和断层处理要花费很多时间，并且不容易准确的预计，斜墙截水槽接近坝脚，处理时不影响下游沙砾料填筑，处理坝基和填筑沙砾料都有充裕的时间，工期较心墙坝有把握；土料及石料储量丰富，填筑材料不受限制。4.心墙坝心墙位于坝体中间而不依靠在透水坝壳上，其自重通过本身传到基础，不受坝壳沉降影响，依靠心墙填土自重，使得沿心墙与地基接触面产生较大的接触应力，有利于心墙与地基结合，提高接触面的渗透稳定性；使其因坝主体的变形而产生裂缝的可能性小，粘土用量少，受气候影响相对小，粘土心墙冬季施工时暖棚跨度比斜墙小。移动和升高较便利。综合以上分析，最终选择心墙坝。（二）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、上下游坝坡比、排水体型和尺寸、基础防渗处理措施等。 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5-10m。本设计坝顶宽度采用B=7.0m。2.坝坡因最大坝高约30m,故采用三级变坡。(1)上游坝坡：从坝顶到坝踵依次为1:2.75；1:3；1:3.5(2)下游坝坡:从坝顶到坝踵依次为1:2.5；1:2.75；1:3.0(3)马道:设在坡度变化处，马道宽度取2.0m。3.坝顶高程坝顶高程等于水库静水位与超高Y之和，并分别按以下运用情况计算，取最大值：①正常蓄水位加正常运用情况的坝顶超高；②校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高。最后需预流一定的坝体沉降量，此处取坝高的1%。计算公式采用下列算式：式中：——波浪在坝坡上的最大爬高，m；——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，m；——安全加高，m，根据坝的等级和运用情况，按表1-1确定。——坝前水域平均水深，粗略估计为32m；——综合摩阻系数，其值变化在（1.5-5.0）×10之间，计算时一般取b——风向与水域中线的夹角，（）； ——计算风速和水库吹程；V0正常运用条件下取1.5V=1.5×14=21m/sV0非正常运用条件下取V=14m/s表1-1安全加高（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0.70.50.40.3该坝属于3级水工建筑物，安全加高分别取：正常运用情况下0.7，非常运用情况下0.4。下面采用水利水利水电工程专业毕业设计指南推荐的计算波浪在坝顶上的爬高：=0.6m=0.343=4.324式中：——与粗糙有关的系数，采用砌石护面，=0.75；——经验系数，=1.0；——折减系数，=1.0；——平均波高，m； ——平均波长，m；D——吹程，D=3km；v——计算风速，v=14m/s；R——波浪平均爬高，m；m——计算坡度系数，m=3由所给的设计资料中只有多年最大风速=14m/s，则=0.6m两种计算成果见表1-３运用情况静水位（m）（m）e(m)A(m)坝顶高程（m）考虑1%沉陷设计洪水363.500.60.110.7364.91365.2285368.88校核洪水364.500.60.0470.4365.547坝顶高程最后结果：368.88m。验算：坝顶高程368.88m均大于设计洪水位（正常蓄水位）+0.50m即363.50+0.50=364m；校核洪水位364.50m。所以满足要求。（三）渗流计算1.渗流计算的基本假定（1）心墙采用粘土料，渗透系数,坝壳采用中粉质壤土料，渗透系数,两者相差 倍，可以把粘土心墙看做相对不透水层，因此计算时可以不考虑上游楔行降落水头的作用。（2）土体中渗流流速不大，且处于层流状态，渗流服从达西定律平均流速等于渗透系数Ｋ与渗透比降的乘积，；（3）发生渗流时土体的空隙体积不变，饱和度不变，渗流为连续的。2.渗流计算条件：流计算时应考虑以下组合情况，取其最不利情况作为控制条件：（1）上游正常水位，下游相应的最低水位；（2）上游校核洪水位相应的下游最低水位；（3）对上游坝坡最不利的库水降落后的落差。由于缺乏资料所以拟定如下工况进行计算：设计洪水位（取与正常蓄水位）363.50m，相应的下游最低水位为338.0m；校核洪水位364.50m，相应的下游水深为339.0m。3.渗流分析的方法采用水力学法进行土坝渗流计算。将坝内渗流分为若干等份，应用维尔金斯公式和水流连续方程求解渗流流量和浸润线方程。4.计算断面及公式本设计仅对河槽截面处进行最大断面的渗流计算，并假设地基为不透水。采用的公式：5.单宽流量将心墙看作等厚的矩形，则平均宽度为：;已知 通过心墙的单宽流量为通过心墙下游坝壳的单宽流量为计算结果见表计算情况（m）　（m）　　（m）（m）　（m）　　（m）　正常蓄水位363.5033830.5575.217.485校核洪水位364.5033931.5676.总的渗流量计算从地质地形平面图上可以看出大坝沿轴线大约长为400m，沿整个坝段的渗流量为：Q=μLq式中μ是考虑到坝宽，厚度，渗流量沿坝轴线的不均匀分布而加的折减系数，μ=0.8Q正=0.8×400×5.2=1.664×m³/s7.浸润线方程正常水位（四）坝坡稳定计算面板坝下游采用的是是堆石，所以C=0，常形成折线状的滑弧面，形状如图2所示。图中所示的各数据应满足以下关系：φ´-β）-ctg（θ-φ´）-（1+）tg（φ-б）=0φ´=tg（tgφ/K）φ´=tg（tgφ/K）φ´=tg（tgφ/K）查设计资料沙土的抗剪强度指标，φ=φ=φ=30º ，由于设计原始资料中无相关的数据，在此也无法提供实验资料，所以假定θ=25º，б=5º，β=10º，φ´=φ´=φ´=13º，带入上面三个式子中解得K=2.5>K=1.35。2级水工建筑物正常运行情况下=。因而该假定的滑动坡面是稳定的。（五）细部构造设计1、坝顶构造（1）坝顶宽度对中低坝可取5-10m，此处取B=7.0m（2）防浪墙采用C15水泥浆砌快石放浪墙，高为1.2m，基本尺寸见图3，墙身每隔15m布置一道设有止水的沉陷缝，墙顶设有高2.8m的灯柱。（3）坝顶盖面2、上下游护坡马道（1）马道：第一级马道高程为82.50m，第二级马道高程为102.50m，马道宽为2.0m。（2）上游护坡：采用目前最常用的浆砌石护坡。护坡范围从坝顶一直到坝脚，厚度为40cm，下部设厚度均为30cm的碎石和粗沙垫层。见图4。（3）下游护坡：下游设厚度为40cm的碎石护坡，护坡下面设厚度为40cm的粗沙垫层。见图5。3、反滤层（1）反滤层级配设计 碾压式土石坝设计规范规定，对于与被保护土为非粘性土，且不均匀系数～8时，其第一层反滤料的级配宜按下式确定：式中：——反滤料的特征粒径，小于该粒径的土占总土重的15%；——被保护土的控制粒径和特征粒径，小于该粒径的土分别占总重的15%；——被保护土的控制粒径和特征粒径，小于该粒径的土分别占总重的85%。上述两式同样适用于选择第二、三层反滤料,当选择第二层反滤料时，以第一层反滤料为被保护土，而选择第三层反滤料时，则以第二层反滤料为被保护土。（2）设计结果由于设计原始资料中没有提供各土、砂、石料的颗粒级配情况，这里无法用计算方法进行反滤层的设计，只能参考相关规范和已建工程进行初步设计。初步拟结果如图6。4、排水（1）坝顶排水为了排除雨水，坝顶应做成向一侧或两侧倾斜的横向坡度，坡度宜采用2％～3％。见图3。（2）坝面排水1）布置在下游坝坡设纵横向排水沟。纵向排水沟（与坝轴线平行）设在各级马道内侧。沿坝轴线每隔200m 设置1条横向排水沟（顺坡布置，垂直于坝轴线），横向排水工自坝顶直至棱体排水处的排水沟，再排至坝址排水沟。纵横排水沟互相连通，横向排水沟之间的纵向排水沟应从中间向两侧倾斜，坡度取0.2%，以便将雨水排向横向排水沟。坝体与岸坡连接处应设计排水沟，以排除岸坡上游下来的雨水。2）排水沟尺寸及材料①尺寸拟定：由于缺乏暴雨资料，所以无法用计算的方法确定断面尺寸，根据以往已建工程的经验，排水沟宽度及深度一般采用20-40cm，具体的尺寸见图7。②材料：排水沟通常采用浆砌石或混凝土预制块。综合考虑选用浆砌石块石。见图7。3）坝体排水设计（1）排水设施选择常用的坝体排水有以下几种形式：贴坡排水、棱体排水、坝内排水以及综合式排水。1）贴坡排水：不能降低浸润线，多用于浸润线较低和下游无水的情况，故不选用。2）棱体排水：可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护上游坝脚不受尾水冲刷，且有支撑坝体增加坝体稳定的作用，且易于检修，是效果较好的一种排水形式。3）坝内排水：其中褥垫排水对不均匀沉降的适应性差，易断裂，且难以检修，当下游水位高过排水设施时，降低浸润线的效果将显著降低；网状排水施工麻烦，而且排水效果较褥垫排水差。综合以上分析选择棱体排水方式。 （2）堆石棱体排水尺寸顶宽2.0m，内坡1：1.5，外坡1：2.0，顶部最高水位须高出下游最高水位，对1、2级坝不小于1.0m，通过校核洪水位364.50m，假设相应下游最高洪水位为339.0m，超高取1.5m，所以顶部高程为339.0+1.5=340.5m。（六）坝与地基两岸的连接处理1、清基（1)植被清理表层杂物、杂草、树根、表层腐植土、泥炭土、洞穴、沟、槽等清除工作采用人工配合推土机铲推成堆；表层是耕地或松土，清除表面后，先平整，再压实。将堤基清除的弃土、杂物、废渣等挖掘机装车运至指定的弃碴场堆放或堆至河道开挖面随后随河道开挖一并运至弃土场。部分大树根拟采用挖掘机深挖取出，所留坑塘在堤防填筑前根据碾压实验方案进行回填碾压填平处理。（2)表土清挖堤基清理范围：迎水坡为设计基面边线外30~50cm，背水坡为设计基面边线外30~50cm。表土清挖根据堤围地形情况，分阶段分层进行。划分层次以后，挖掘机进行表土浅挖，浅挖标准为现状标高以下20~30cm，推土机集料，挖掘机装车，自卸汽车运土到弃渣场堆放。在清挖过程中修筑截水沟，设置必要的排水设施。为达到压实度要求，在清除表层浮土后拟采用压路机将清理痕迹碾压至平整。高低结合处先用推土机沿堤轴线推成台阶状，交接宽度不小于50cm ，地表先进行压实及基础处理，测量出地面标高，断面尺寸。2、覆盖层的防渗处理（1）粘性土截水槽截水槽是均质坝体、斜墙或心墙向透水基地中的延伸部分。其做法是：在坝轴线处或靠近上游的透水坝基上，平行于坝轴线开挖直达不透水层的梯形断面，底宽有回填土的允许渗透坡降（一般砂壤土为3，壤土为3～5，粘土为5～10）和施工条件（不小于3.0m）确定，边坡应根据开挖后坝基的稳定性确定，一般不陡于1:1～1:1.5，回填与坝体防渗材料相同的材料（两侧可设过渡层或反滤层），分层压实，与坝体防渗体连成整体。适用深度小于15m的砂砾层，太深则开挖困难。（2）混凝土防渗墙砂砾石层深度在80m以内时采用该方法。具体方法是用钻机或其他设备在土层中造圆孔或槽孔，再在孔中浇混凝土，最后连成一片形成一道整体的混凝土防渗墙。（3）灌浆帷幕当砂卵石层很厚时，可采用灌浆帷幕防渗。施工方法是：先用旋转式钻机造孔，同时用泥浆固壁，钻完孔后在孔中注入填料，插入带孔的钢管，待填料凝固后，在带孔的钢管中置入双塞灌浆器，用一定压力将水泥浆或水泥粘土浆压入透水层的空隙中。待浆液凝固后，就形成了防渗帷幕。（4）防渗铺盖 这是一种由粘性土做成的水平防渗设施，是斜墙、心墙或均质坝体向上游延伸的部分。它不能完全截断渗流，只是通过延长渗径的办法，降低渗透坡降，减小渗透流量。防渗铺盖厚度不小于0.5～1.0m，与斜墙连接处常达3～5m。综上所述，采取粘性土截水槽较好。3、坝与两岸连接处理大坝与两岸的连接，必须防止接触面的集中渗流，防止因不均匀沉降而产生的裂缝，以及水流对上下游坝坡和坝脚的冲刷。土质防渗体与混凝土建筑物的连接面应有足够的渗径长度。坝体与混凝土建筑物采用侧墙式连接时，土质防渗体与混凝土面结合的坡度不宜陡于1:0.25，下游侧接触面与土石坝轴线的水平夹角宜在85°～90°之间。连接段的防渗体宜适当加大断面，或选用高塑性粘土填筑并压实，且在结合面附近加强防渗体下游反滤层等。'