水工建筑物课程设计书

'水工建筑物课程设计书　　　　　　　　　　姓　　名：罗庆抒　　　　　　　　　　班　　级：水利水电工程（１）班　　　　　　　　　　学　　号：　　　　　　　　　　指导老师：牛景太老师　　　　　　　　　　完成时间：2011年6月15日 目录设计说明书1基本资料及设计数据………………………………………………………………………………31.1基本资料………………………………………………………………………………………31.1.1概况………………………………………………………………………………………31.1.2枢纽任务…………………………………………………………………………………31.1.3地形，地质概况…………………………………………………………………………31.1.4水文，气象概况…………………………………………………………………………31.2设计数据………………………………………………………………………………………42重力坝设计…………………………………………………………………………………………42.1剖面设计………………………………………………………………………………………42.1.1坝顶宽度，坝底宽度……………………………………………………………………42.1.2坝顶高程…………………………………………………………………………………42.1.3坝底高程…………………………………………………………………………………52.1.4坝坡系数的确定…………………………………………………………………………52.2稳定设计………………………………………………………………………………………52.2.1沿坝基面的抗滑稳定分析………………………………………………………………52.2.2深层抗滑稳定分析………………………………………………………………………62.2.3岸坡坝段的抗滑稳定分析………………………………………………………………62.3应力分析………………………………………………………………………………………62.4构造设计………………………………………………………………………………………62.4.1横缝………………………………………………………………………………………62.4.2纵缝………………………………………………………………………………………72.4.3坝体排水…………………………………………………………………………………72.4.4廊道系统…………………………………………………………………………………72.4.4.1坝基灌浆廊道………………………………………………………………………72.4.4.2检查和坝体排水廊道………………………………………………………………72.4.5坝顶………………………………………………………………………………………72.5地基处理………………………………………………………………………………………72.5.1坝基的开挖与清理………………………………………………………………………72.5.2坝基的固结灌浆…………………………………………………………………………72.5.3帷幕灌浆…………………………………………………………………………………82.5.4坝基排水…………………………………………………………………………………82.6溢流重力坝和泄水孔的孔口设计……………………………………………………………82.6.1泄水方式…………………………………………………………………………………82.6.2孔口设计…………………………………………………………………………………82.6.2.1洪水标准……………………………………………………………………………82.6.2.2孔口型式……………………………………………………………………………82.6.2.3孔口尺寸……………………………………………………………………………82.6.2.4闸门和启闭机………………………………………………………………………92.6.2.5闸墩和工作桥………………………………………………………………………92.6.3溢流面体形设计…………………………………………………………………………92.6.3.1顶部曲线段…………………………………………………………………………92.6.3.2反弧段………………………………………………………………………………92.6.3.3中间直线段…………………………………………………………………………92.6.3.4剖面设计………………………………………………………………………………102.6.4消能防冲设计……………………………………………………………………………10 设计说明书1基本资料及设计数据1.1基本资料1.1.1概况驿前河是抚河，源区支流，源出赣闽边界武夷山脉西麓的广昌驿前镇梨木庄，流域面积474平方公里（赤水以上），赤水以下至南城段为抚河中上游段，称为旴江，南城以下为抚河中下游主流，杨溪水库坝址位于驿前河杨溪附近，坝址以上流域面积为138平方公里，主河道长27.8公里，平均比降0.0082。1.1.2枢纽任务枢纽主要任务以灌溉发电为主，并结合防洪，航运，养鱼及供水等任务进行开发。1.1.3地形，地质概况1）地形情况：库区内地形三面环山，地势西南高，北部低，其中以西南部河流发源地灵花仙山山峰最高达991米（黄河标高，后同）库区河流大致为自西南向东再转向北，流域面积范围在东经116º15′至116º22′，北纬26º31′至26º36′之间。2）区域地质情况：广昌县杨溪电站在大地构造上处武夷山地背斜的西北翼，属于我国东部地区新华厦构造体系，构造线大致呈北东方向，发育走向北北东的褶皱系和断裂带。根据江西——福建等震线图，本区的地震烈度为六度。区内出露的岩性主要有前震旦系的变粒岩和加里东期的混合花岗岩及零星的第四纪覆盖物。3）库区工程地质条件：库区出露地层为前震旦系的变粒岩和加里东期的混合花岗岩，此外零星分布的厚度很小的冲击沙，卵，石层及坡亚粘沙土层。库区仅见驿前大断层通过，但远离坝区，此断层为压扭性断裂，破碎带挤压紧密，且被第四纪坡残土层覆盖，因此不成为库区渗漏通道。此外，库区主要有变粒岩和混花岗岩组成，岩石渗透性小，四周山体雄厚，又无大的临谷，故库区无渗漏之虑。库区尚未发现大的滑坡，坍塌，大的崩塌堆集等不良的物理地质现象，山坡是稳定的。建坝不后不致产生大的边岸再造问题。库区植被发育，水土保持良好，固体径流来源不丰富，因此，库区淤积问题不致严重。此外，库区除了下陌村及部分田外，尚无有价值的矿产资源和文物古籍被淹没，故淹没损失小。1.1.4水文，气象概况1）降水量：每年平均降水量1720毫米，实测最大年降水量2336毫米（1957年），年最小降水量1140.2毫米（1971年），降水量年分配不均匀，主要集中在3——6月，约占全年降水量的62%。2）气温：每年平均气温为18度,实测极端最高温度40度（1983年8月），极端最低气温-9.8度（1955年1月），月平均最高气温30度（1983年7月），月平均最低气温2.3度（1977年1月）。3）蒸发：多年平均蒸发量1504.9毫米，月最大蒸发量309.7毫米（1956年7月），月最小蒸发量22.4毫米（1957年2月）。4）湿度：多年平均相对湿度80%，月最小相对湿度8%。 5）风速及风向：多年平均风速1.8米/秒，多年最大风速20米/秒，相应风向为南风。6）日照：多年平均时数为1828.5小时，无霜期多年平均为273天。1.2设计数据1）杨溪水库的设计洪水位为236.26米，校核洪水位为237.17米，下游水位高分别为189.69、190.6米。2）风速及吹程：由基本资料可知，多年平均最大风速为1.8米/秒，洪水期的多年平均最大风速为20米/秒，吹程为1.2KM。3）坝顶高程的确定：设计水位和校核水位均进行计算，取其较大者，作为最后的坝顶高程。4）基础开挖：根据基本资料中河谷的地质情况确定开挖高程为182.4米。5）混凝土的弹性模量Ec=1.0×106T/m26）基岩的弹性模量EF=1.0×106T/m27）淤沙浮容重Rs=0.8T/m38）淤沙内摩擦角14度9）该种重力坝的洪峰流量比较大，校核洪水最大下泄流量1100m³/s，设计洪水下泄流量690m³/s10）校核洪水位（0.2%）黄海237.17米11）设计洪水位（2%）236.26米12）正常蓄水位236.0米13）死水位220.00米14）总库容2840万米15）电站总装机容量Ng2500*2千瓦16）水电站最大引用流量11.02秒/立方米17）淤沙高程203米18）坝址下游校核水位190.6米19）坝址下游设计水位189.69米2重力坝设计2.1剖面设计2.1.1坝顶宽度&坝底宽度坝顶宽度一般取坝高的8%～10%，且不小于2m。当在坝顶布置移动式启闭机时，坝顶宽度要满足安装门机轨道的要求。坝底宽度约为坝高的0.7～0.9倍。2.1.2坝顶高程（分别按照设计情况和校核情况计算）坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶的高程，应高于波浪顶高程。防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差，按下式计算：式中：为波浪高度，m；为波浪中心线高于静水位的高度，m；为安全加高，按下表选用。 运用情况坝的级别123设计情况（基本情况）0.70.50.4校核情况（特殊情况）0.50.40.3，在正常蓄水位和设计洪水位时，库面风速宜采用相应洪水期多年平均最大风速的1.5-2.0倍；在校核洪水位时，宜采用相应洪水期多年平均最大风速。坝顶高程H（选用其中的较大值）：设计情况：H设=设计洪水位+校核情况：H校=校核洪水位+防浪墙高度设置为1.2米。2.1.3坝底高程坝底高程=开挖高程坝高=坝顶高程-坝底高程2.1.4坝坡系数的确定根据工程经验，上游坝坡系数常采用n=0～0.2；下游坝坡系数常采用m=0.6～0.8；在此坝的设计中，采用上游坝坡系数n=1:0.2；经过m取各值的比较计算，采用下游坝坡系数m=1:0.71。2.2稳定设计2.2.1沿坝基面的抗滑稳定分析（1）抗剪强度公式，计算公式如下：式中：为接触面以上的总铅直力；为接触面以上的总水平力；为作用在接触面上的扬压力；为接触面间的摩擦系数。坝基面抗滑稳定安全系数荷载组合坝的级别123基本组合1.101.051.05特殊组合（1）1.051.001.00（2）1.001.001.00 （2）抗剪断公式，计算公式如下：式中：为接触面面积，为抗剪断摩擦系数，为抗剪断凝聚力。坝基岩体力学参数岩体分类混凝土与坝基接触面岩体变形模量(GPa)(MPa)(MPa)Ⅰ1.50～1.301.50～1.300.85～0.751.60～1.402.50～2.0040.0～20.0Ⅱ1.30～1.101.30～1.100.75～0.651.40～1.202.00～1.5020.0～10.0Ⅲ1.10～0.901.10～0.700.65～0.551.20～0.801.50～0.7010.0～5.0Ⅳ0.90～0.700.70～0.300.55～0.400.80～0.550.70～0.305.0～2.0Ⅴ0.70～0.400.30～0.05－0.55～0.400.30～0.052.0～0.22.2.2深层抗滑稳定分析因本设计坝基岩性良好，故不进行深层抗滑稳定分析。2.2.3岸坡坝段的抗滑稳定分析计算公式如下：式中：为自重W分解为对滑动面的法向分力；T为自重W分解为对滑动面的切向分力；S为切向分力和水压力的合力。2.3应力分析因为假定按直线分布，所以可按偏心受压公式计算上、下游边缘应力和，计算公式如下：式中：为作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，KN；为作用于计算截面以上全部荷载对截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，KN·m；B为计算截面的长度，m。2.4构造设计2.4.1横缝为了减少温度应力，适应地基不均匀变形和满足施工要求，沿坝轴线方向设置横缝。横缝间距一般为15～20m。缝宽2cm，内有止水。 坝体设有两道止水片和一道防渗沥青井。止水片采用1.0mm厚的紫铜片，第一道止水片距上游坝面1.0m。两道止水片间距为1m，中间设有直径为20cm的沥青井，止水片的下部深入基岩30cm，并与混凝土紧密嵌固，上部伸到坝顶。2.4.2纵缝为了适应混凝土的浇筑能力和减小施工期的温度压力，在平行坝轴线方向设铅直纵缝。纵缝间距一般为15～30m。2.4.3坝体排水为减小渗水对坝体的不利影响，在靠近坝体上游面需要设置排水管幕。排水管幕至上游面的距离，一般要求不小于坝前水深的1/10～1/12，且不小于2m。排水管间距2～3m,内径15～25cm。2.4.4廊道系统为了满足灌浆、排水、观测、检查和交通等的要求，需求在坝体内设置各种不同用途的廊道，这些廊道互相连通，构成廊道系统。其中包括：坝基灌浆廊道、检查和坝体排水廊道。2.4.4.1坝基灌浆廊道廊道为城门洞形，宽度和高度应能满足灌浆作业的要求，一般宽为2.5～3m,高为3～4m，底面距基岩面不宜小于1.5倍廊道宽度。廊道随坝基面由河床向两岸逐渐升高，坡度不宜陡于40°～45°。2.4.4.2检查和坝体排水廊道在靠近坝体上游面沿高度每隔15～30m设置检查和排水廊道，断面形式采用城门洞形，最小宽度1.2m，最小高度2.2m，至上游面的距离应不小于0.05～0.07倍水头，且不小于3m，上游侧设排水沟。2.4.5坝顶坝顶上游设置防浪墙，与坝体连成整体，其结构为钢筋混凝土结构。防浪墙在坝体横缝处留有伸缩缝，缝内设止水。墙高为1.2m，厚度为30cm，以满足运用安全的要求。坝顶采用混凝土路面，向两侧倾斜，坡度为2%，两边设有排水管，汇集路面的雨水，并排入水库中。坝顶公路两侧设有宽1m的人行道，并高出坝顶路面20cm，坝顶总宽度为5m，下游侧设置栏杆及路灯。2.5地基处理2.5.1坝基的开挖与清理DL5108—1999《混凝土重力坝设计规范》要求：混凝土重力坝的建基面应根据岩体物理性质，大坝稳定性，坝基应力，地基变形和稳定性，上部结构对地基要求，地基加固处理效果及施工工艺、工期和费用等经济技术条件比较确定。原则上应在考虑地基加固处理后，在满足坝的强度和稳定性的前提下减少开挖量。坝高超过100m时，可建在新鲜、微风化的或弱风化下部基岩上；坝高在50～100m时，可建在微风化致弱风化上部基岩上；坝高小于50m时，可建在弱风化中部至上部基岩上；两岸岸坡较高部位的坝段，其利用基岩的标准可适当放宽。2.5.2坝基的固结灌浆固结灌浆也一般布置在应力较大的坝踵和坝址附近，以及节理裂隙发育和破碎带范围内。灌浆也呈梅花状或方格状布置，孔距、排距和孔深取决于坝高和基岩的构造情况。孔距和排距一般从10～20m开始，采用内插逐步加密的方法，最终约为3～4m。孔深5～8m，必要时还可适当加深，帷幕上游区的孔深一般为8～15m。 2.5.3帷幕灌浆DL5108—1999《混凝土重力坝设计规范》规定：岩体相对隔水层的透水率q根据不同坝高可采用下列标准：坝高100m以上，q=1～3Lu[1Lu=0.01L/(min·m)]；坝高在100～50m之间，q=3～5Lu；坝高在50m以下，q=5Lu。2.5.4坝基排水排水孔幕与防渗帷幕下游面的距离，在坝基面处不宜小于2m。排水孔幕一般略向下游倾斜，与帷幕成10°～15°交角。排水孔孔距为2～3m，孔径约为150～200mm，不宜过小，以防堵塞。孔深一般为帷幕深度的0.4～0.6倍，高、中坝的排水孔深不宜小于10m。2.6溢流重力坝和泄水孔的孔口设计2.6.1泄水方式选用表面溢流式，表面溢流孔泄流能力大，宣泄同样的流量，表面溢流孔造价远小于深水泄水孔。2.6.2孔口设计溢流坝的孔口设计涉及很多因素，如洪水设计标准、下游防洪要求、库水位壅高有无限制、是否利用洪水预报、泄水方式以及枢纽所在地段的地形、地质条件等。2.6.2.1洪水标准洪水标准包括洪峰流量和洪水总量，是确定孔口尺寸、进行水库调洪演算的重要依据，可根据SL252-2000《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》的标定，参照下表选用。山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准[重现期(年)]项目水工建筑物级别12345设计1000～500500～100100～5050～3030～20校核5000～20002000～10001000～500500～200200～100由水文计算可知：校核洪水最大下泄流量1100m3/s，设计洪水下泄流量690m3/s。2.6.2.2孔口型式选用开敞溢流式。这种型式的溢流孔除宣泄洪水外，还能用于排除冰凌和其他飘浮物。须设闸门，其闸门顶略高于正常蓄水位，堰顶高程较低，可以调节水库水位和下泄流量，减少上游淹没损失和非溢流坝的工作量，且当遭到意外洪水时可有较大的超泄能力。2.6.2.3孔口尺寸（1）单宽流量的确定通过调洪演算，可得出枢纽的总下泄流量，通过溢流孔口的下泄流量应为式中为经过电站和泄水孔等下泄的流量；为系数，正常取用时取0.75～0.9，校核运用时取1.0。设为溢流段净宽（不包括闸墩的厚度），则通过溢流孔口的单宽流量为 对一般软弱岩石或裂隙发育岩石，左右；对较好的岩石，；对坚硬或完整岩石，。（2）孔口尺寸有闸门的溢流坝，需用闸墩将溢流段分隔为若干个等宽的孔口。若孔口宽度为，则孔口数,一般选用略大于计算值的整数。令闸墩厚度为，则溢流前沿总长应为再利用下式求堰顶水头：式中：为闸墩侧收缩系数，与墩头型式有关；为流量系数，与堰顶型式有关；为重力加速度，。设计洪水位减去即为堰顶高程。2.6.2.4闸门和启闭机工作闸门选用平面闸门，优点：结构简单，闸墩受力条件好，各孔口可共用一个活动式启门机。启闭机选用活动式启闭机，可以兼用于启吊工作闸门和检修闸门。2.6.2.5闸墩和工作桥闸墩形状上游端采用半圆形，下游端采用方形。工作闸门槽深，宽，门槽处的厚度不得小于。2.6.3溢流面体形设计溢流面由顶部曲线段、中间直线段和反弧段三部分组成。设计要求：①有较高的流量系数，泄流能力大；②水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；③体形简单、造价低、便于施工等。2.6.3.1顶部曲线段选用WES型溢流堰顶部曲线，因为其流量系数较大且剖面较瘦，工程量较省，坝面曲线用方程控制。上游段曲线方程：下游段曲线方程：2.6.3.2反弧段根据DL5108-1999《混凝土重力坝设计规范》规定：对于挑流消能，，为校核洪水闸门全开时反弧段最低点处的水深。也可采用经验公式：2.6.3.3中间直线段中间直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切，坡度与非溢流坝段的下游坡相同。2.6.3.4剖面设计 溢流重力坝剖面与其邻近的非溢流重力坝的基本剖面相适应。上游坝面设计成铅直的，并与非溢流重力坝的上游坝面相一致。2.6.4消能防冲设计由溢流坝下泄的水流具有巨大的能量，必须妥善进行处理，否则势必导致下游河床被严重冲刷，甚至造成岸坡坍塌和大坝失事。所以必须合理选择和设计消能措施，对枢纽布置、大坝安全及工程量都有重要意义。本设计选用挑流消能，能通过鼻坎可以有效地控制射流落入下游河床的位置、范围和流量分布，对尾水变幅适应性强，结构简单，施工、维修方便，工程量小。鼻坎挑射角度一般采用。鼻坎反弧半径一般采用，为鼻坎上水深。鼻坎坎顶应高出下游水位，一般1～2m为宜。水舌挑射距离按水舌外缘计算，其估算公式为：式中：为水舌挑距，m；为重力加速度，；为坎顶水面流速，，约为鼻坎处平均流速的1.1倍；为挑射角度；为坎顶平均水深在铅直向的投影，；为坎顶至河床面的高差，m。冲刷坑深度，工程上常按下式进行估算：式中：为水垫厚度，自水面至坑底的距离，m；为单宽流量；为上、下游水位差，m；为冲坑系数，对坚硬完整的基岩，坚硬但完整性较差的基岩，软弱破碎、裂隙发育的基岩。 目录设计计算书1重力坝设计………………………………………………………………121.1剖面设计………………………………………………………………………………………121.1.1坝顶宽度坝底宽度………………………………………………………………………121.1.2坝顶高程…………………………………………………………………………………121.1.3坝底高程…………………………………………………………………………………121.1.4坝坡系数的确定…………………………………………………………………………121.2稳定设计………………………………………………………………………………………131.3应力分析………………………………………………………………………………………151.4溢流重力坝和泄水孔的孔口设计……………………………………………………………171.4.1孔口尺寸…………………………………………………………………………………171.4.2溢流面体形设计…………………………………………………………………………171.4.2.1顶部曲线段…………………………………………………………………………171.4.2.2反弧段………………………………………………………………………………171.4.3消能防冲设计……………………………………………………………………………18 设计计算书1重力坝设计1.1剖面设计1.1.1坝顶宽度&坝底宽度由2.1.3算出坝高为56.03米，所以坝顶宽度为，取6m；坝底宽度为，取45m。1.1.2坝顶高程（分别按照设计情况和校核情况计算）根据规范计算，主要建筑物级别为3级：设计情况：校核情况：根据公式求出：设计情况：校核情况：所以：取其较大者，最后的坝顶高程为238.43m。1.1.3坝底高程1.1.4坝坡系数的确定在此坝的设计中，采用上游坝坡系数n=0.2；经过m取各值的比较计算，采用下游坝坡系数m=0.71。 1.2稳定设计非溢流坝体剖面图如下：扬压力计算简图：荷载及荷载组合剖面面积取单宽，坝底宽，坝体材料重度，水的容重，折减系数设计情况：上游水位下游水位 坝体自重↓静水压力：上游水平→上游垂直↓下游水平←下游垂直↓扬压力：↑↑↑↑波浪压力：此波为深水波→泥沙压力：已知浮容重水平压力：→垂直压力：↓∴↓↑→∴校核情况：上游水位下游水位坝体自重↓静水压力：上游水平→ 上游垂直↓下游水平←下游垂直↓扬压力：↑↑↑↑波浪压力：此波为深水波→泥沙压力：已知浮容重水平压力：→垂直压力：↓∴↓↑→∴1.3应力分析设计情况：坝体自重：（逆）（逆）（逆）静水压力：（顺） （逆）（逆）（逆）（顺）扬压力：（顺）（顺）（顺）波浪压力：（顺）泥沙压力：（顺）（逆）∴（顺）校核情况：坝体自重：（逆）（逆）（逆）静水压力：（顺）（逆）（逆）（逆）（顺）扬压力：（顺）（顺）（顺）波浪压力：（顺）泥沙压力：（顺） （逆）∴（顺）1.4溢流重力坝和泄水孔的孔口设计1.4.1孔口尺寸（1）单宽流量的确定由于坝址处基岩较坚硬完整，所以取。（2）孔口尺寸，其中为经过电站和泄水孔等下泄的流量，为；设计情况下取0.8，校核情况下取1.0。经过计算计算情况设计情况690681.250～709～13校核情况1100108950～7015～21根据上表计算所得数据，溢流段净宽取16米，孔数n=2，每孔净宽b=8m。溢流前沿总长。假定闸墩侧收缩系数，流量系数，由式，求得：设计情况下，堰顶高程=236.26-7.7=228.56m。（3）闸门高度确定门高=正常高水位-堰顶高程+(0.1～0.2)=236-228.56+0.15=7.59m。取8m。1.4.2溢流面体形设计1.4.2.1顶部曲线段为定型设计水头，一般为校核洪水位时堰顶水头的75%～95%。通过计算，在校核洪水位时，堰顶水头为10.5m，所以，在本设计中，选，代入上、下游段曲线方向，即得顶部曲线段方程。上游段曲线方程：下游段曲线方程：1.4.2.2反弧段 根据DL5108-1999《混凝土重力坝设计规范》规定：对于挑流消能，，为校核洪水闸门全开时反弧段最低点处的水深。假定流速系数，堰顶水头为10.5m，则：流速坎顶水深反弧段半径，取整数38米。1.4.3消能防冲设计本设计选用，鼻坎坎顶高出下游水位1.5m。水舌挑射距离按水舌外缘计算：冲刷坑深度，工程上常按下式进行估算：选用1.5。'