水工建筑物课程设计说明书

'课程名：水工建筑物课程设计姓名：年级：学院：专业：学号：Page-18-of18 目录1、设计资料-3-1.1工程任务及规划数据-3-1.2地形地质条件-3-1.3水文气象-3-1.4天然建筑材料-3-1.5其他资料-4-2、设计任务及提交成果-4-2.1设计任务-4-2.2提交成果-4-3、参考资料-5-4、坝型选择-6-5、坝体结构-6-5.1坝坡设计-6-5.2坝顶高程-6-5.2.1最大风壅高度计算-7-5.2.2最大风浪爬高-7-5.2.3安全加高-8-5.2.4坝顶高程计算-8-5.3坝顶构造-8-5.4防渗体-9-5.5反滤层及过渡层-9-5.6坝体排水-10-5.7护坡-11-5.8坝面排水-11-5.9坝体与坝基、岸坡连接处的处理-11-5.9.1坝体与坝基的连接-11-5.9.2坝体与岸坡的连接-11-6、坝基处理-12-6.1垂直防渗-12-6.2水平防渗-12-7、坝的计算-12-7.1渗流计算-12-7.2稳定计算-14-8、取水建筑物-15-8.1引用流量分析-15-8.2输水管（渠）道尺寸-15-9、泄水建筑物-16-9.1进水渠-16-9.2控制段-16-9.3泄槽段-17-9.4消能防冲设施-17-9.5其他措施-18-Page-18-of18 1、设计资料拟建的朝阳水库工程区位于开县赵家镇朝阳村境内，属长江上游小江水系浦里河朝阳沟支流。水库距离开县县城28.7km。1.1工程任务及规划数据本水利枢纽以灌溉为主，兼顾防洪。设计灌溉面积为0.85万亩，设计放水流量0.7m3/s。根据兴利及调洪演算，确定出该水库规划指标为：水库正常蓄水位378.00m时相应有效库容186.48万m3；30年一遇设计洪水位379.18m（溢洪道最大下泄流量约20m3/s）；300年一遇校核洪水位379.63m时相应总库容218.44万m3（溢洪道最大下泄流量32m3/s）；水库死水位362.00m。1.2地形地质条件坝址处河谷断面河床宽度约20～30m，两岸岸坡基本对称，坡角约35°。河床基岩高程350m，岩基为弱风化岩层，k=0.8×10-6cm/s。地基表面高程355m，高程350m～355m为砂砾石覆盖层。地形地质情况详见图纸。1.3水文气象水库集雨面积为3.67km2，流域属于亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨量充沛。多年平均降雨量1236.4mm，多年平均径流深590.0mm。库区汛期多年平均最大风速10.5m/s，方向垂直坝面，水库吹程0.3km。1.4天然建筑材料工程区附近土料及天然沙砾石、块石、石渣料均较为丰富。上游1～1.5km范围内可供开采的土料，主要为棕红色砂质粘土，粘性很强，是很好的防渗材料，总储量约9万m3；坝址下游1～2km范围内有约6万m3的石料可供开采，该石料主要为石英砂岩；在坝址下游2～2.5km范围内有丰富的石渣料，储量约10万m3。砂砾石覆盖层及天然材料物理力学性质见表1。Page-18-of18 1.5其他资料当地有较丰富的土石坝施工经验，缺少混凝土坝施工经验。工程单价可按下式估算：粘土填筑30元/m3；干砌块石88元/m3；石渣料填筑45元/m3；土石方开挖20元/m3。表1天然材料物理性质表参数材料湿容重（KN/m3）饱和容重（KN/m3）浮容重（KN/m3）渗透系数(cm/s)非饱和固结快剪饱和固结快剪C（KPa）φ（度）C（KPa）φ（度）砂砾石覆盖层18.820.010.01.6×10-2/29.2/27.2粘土20.020.210.24.73×10-622.317.618.415.7石渣料20.521.411.47.2×10-429.831.625.629.4块石体18.120.210.28.0×10-2/34/332、设计任务及提交成果2.1设计任务（1）根据提供的设计资料和图纸，确定较为合理可行的枢纽布置，即确定大坝、泄水建筑物、取水建筑物等枢纽建筑物的布置。由于时间关系，大坝选定为土石坝，在此基础上确定确定泄水建筑物、取水建筑物的位置及形式。（2）通过坝型方案比较，确定推荐坝型，并对推荐坝型进行计算分析和详细设计。2.2提交成果（1）设计说明书（包括计算原理）一份。论述枢纽布置；论证坝型选择并进行材料分区布置；计算坝顶高程；进行正常水位时的渗流计算，包括渗流量、浸润线和渗透变形分析；进行正常水位工况时下游坝坡一个滑移面的稳定分析；论述主要构造与尺寸，论述地基处理措施。（2）设计图纸两张（2号图）枢纽平面布置图一张；土石坝横断面设计图一张，包括坝顶、护坡、马道、排水设备和坝基防渗等的细部构造。Page-18-of18 3、参考资料SL252—2000《水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准》SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》SL189—96《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》Page-18-of18 4、坝型选择根据资料，该水库库容为100~1000万m³，属于Ⅳ等工程，工程规模为小（1）型，主要建筑物为4级，次要建筑物为5级。本设计已经决定使用土石坝作为挡水建筑物。据估计，坝高约为25m，可选择类型有：均质土坝、土质防渗体土石坝、人工防渗体土石坝和过水土石坝。初步认定为不过水土石坝，并且坝址附近有防渗性能很好的棕红色砂质粘土，是非常好的防渗材料，因此排除人工防渗体土石坝。下面根据坝体体积和坝址附近材料确定土石坝类型。坝高约为25m，初步拟定上下游坝坡约为1：3.0，河床宽度约为20~30m，两岸岸坡基本对称，坡脚约35°。根据前面资料，利用CAD绘出三维模型如图4-1，可以查询得出坝体体积约为：13.65万m³。图4-1坝身3D立体参考图因可做防渗体的棕红色沙质粘土总储量为9万m³，不足建造均质土坝，因此选择土质防渗体土石坝。并且考虑到该水库流域属于亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨量充沛，为避免出现长时间降雨导致施工进度遭受影响，因此选用斜墙坝。5、坝体结构5.1坝坡设计因坝高约为25m，为低坝，所以上下游均设两级变坡。上游坝坡：从坝顶到坝踵依次为：1：2.5，1：3。上游不设马道。下游坝坡：从坝顶到坝趾依次为：1：2.0，1：2.25，并且在坝高为15m的地方，设一宽度为1.5米的马道。5.2坝顶高程坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，坝顶超高值y可按公式5-1进行计算：Page-18-of18 式5-1式中：y为坝顶超高；R为波浪在坝顶上的设计爬高；为安全加高；e为最大风壅水面高度。5.2.1最大风壅高度计算最大风壅高度e按公式5-2计算：式5-2式中：K为综合摩阻系数；为计算风速；D为风区长度；为坝前水域的平均水深；为计算风向与坝轴线的法线间的夹角。则本设计的最大风壅高度为：忽略不计。5.2.2最大风浪爬高风浪爬高按公式5-3计算：式5-3式中：为斜坡的糙率渗透性系数；为经验系数；m为单坡的坝坡系数；为坝坡与水平面的夹角；分别为平均波高与平均波长。欲采用浆砌石护面，值为0.75~0.8。为15°，则m为3.5。根据官厅公式5-4：Page-18-of18 公式5-4正常工况下，风速为正常风速1.5倍，可得h=0.348581224，L=4.493982186校核工况下，风速为正常风速的1倍，可得h=0.209986，L=2.994105354则本设计的正常工况下最大风浪爬高为：则本设计的校核工况下最大风浪爬高为：5.2.3安全加高根据查书上表3-1得，设计工况下的安全加高值为0.5m，校核计工况下的安全加高值为0.3m5.2.4坝顶高程计算坝顶高程应取下列条件中的最大值：（1）设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；（2）正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；（3）校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；表5-1坝顶高程计算表水位（m）风壅高度（m）波浪爬高（m）安全超高（m）坝顶高程（m）正常蓄水37800.260.5378.76设计洪水379.1800.260.5379.94校核洪水379.6300.160.3380.09根据表5-1，可得坝顶高程为380.09m，考虑0.4%的坝体沉陷，则最终坝体修筑高度为381.61m，则坝高为26.61米。5.3坝顶构造因为本设计为低坝，坝顶主要作为交通通道，故设置坝顶宽度为5mPage-18-of18 。为了排除雨水，坝顶面应向一边倾斜，坡度为2%~3%。坝顶上游设置浆砌石防浪墙，墙高1m，其基础牢固地埋入坝内，与斜墙紧密连接，并每隔20m设置伸缩缝及止水，下游设路肩石。坝顶面采用砂砾石铺面。5.4防渗体土质防渗体自上而下逐渐加厚，顶部宽度不小于1.5m，采用2m。粘土斜墙上游坡度为：1：2.25，1：2.5，下游坡度为：1：2.0，1：2.25。防渗体顶部高程应高出正常运用的静水位0.3m以上，根据5.2坝顶高程计算，拟定将防渗体顶部高程设置为378.5m。5.5反滤层及过渡层本坝除了粘性土斜墙以外，坝壳采用石渣料，考虑不使用过渡层，而将反滤层适当加厚用以承担反滤及协调变形作用。（1）保护无粘性土料（粉砂、砂、砂砾、卵砾石、碎石等）《碾压式土石坝设计规范》规定，对于与被保护土相邻的第一层反滤料，建议按下述准则选用：，。同时要求两者的不均匀系数及≯5～8，级配曲线形状最好相似。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%及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，二选择第三层反滤料时，则以第二层反滤料为被保护土。按此标准天然砂砾料一般不能满足要求，须对土料进行筛选。（2）保护粘性土料粘性土有粘聚力，抗管涌能力一般比无粘性土强，通常不用上述两式设计反滤层，而用以下方法设计。①满足被保护粘性土的细粒不会流失根据被保护土的小于0.075mm含量的百分数不同，而采用不同的方法。当被保护土含有大于5mm的颗粒时，则取其小于5mm的级配确定小于0.075mm的颗粒含量百分数及计算粒径。如被保护土不含有大于5mm的颗粒时，则按全料确定小于0.0075mm的颗粒含量百分数及。a.对于小于0.075mm的颗粒含量大于85%的粘性土，按式设计反滤层，当Page-18-of18 ，取等于0.2mm。b.对于小于0.075mm的颗粒含量为40%～85%的粘性土按式设计反滤层。c.对于小于0.075mm的颗粒含量为15%～39%的粘性土按式5-5式5-5设计反滤层。式中，A为小于0.075mm时颗粒含量1%。若，应取0.7mm。②满足排水要求以上三种土还应符合式，以满足排水要求。式中应为被保护粘性土全料的，若时不小于0.1mm。（3）护坡垫层同样应满足土粒不流失及足够的透水性要求，但标准可降低些，建议按下式的简便方法选择粒径。，。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，这里无法用计算的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。初步拟定设计如下：防渗体周边部位：第一层：d=0.5mm，厚20cm；第二层：d=2.0mm，厚30cm。排水部位：第一层：d=30mm，厚20cm；第二层：d=90mm，厚60cm。上游护坡：第一层：d=30mm，厚20cm；第二层：d=90mm，厚60cm。5.6坝体排水对于土石坝的排水，主要的作用是排除坝身及坝基渗水，降低坝身浸润线，增加下游坝坡和坝基的稳定性，防止发生渗透破坏。常用的坝体排水有以下几种型式：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，多用于浸润线很低和下游无水的情况。(2)棱体排水：可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚不受尾水冲刷，且有支撑坝体增加稳定的作用，且易于检修，是效果较好的一种排水型式。Page-18-of18 (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。根据基本资料可知，下游并没有水，并且坝基透水层深度不深，由此可以分析得出使用贴坡排水是一个比较好的选择。排水层厚度应该根据冰冻深度的要求决定。其顶部应该高出浸润线逸出点，超出的高度应该是坝体浸润线在该地区的冻结深度以下，因当地气候温和，故只需高出1.5米左右。根据已建工程经验，初步设计如下：贴坡排水顶部高程为360m（高出河床5m），厚度为1.5m，水平延伸7m。并且，排水体和坝体连接处也应该设置反滤层。5.7护坡（1）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死水位以下3米，厚度为40cm，下部设厚度均为20cm的碎石和粗砂垫层，坡脚应设基座。（2）下游护坡：下游设草皮护坡，从坝顶一直到排水体。首先应在坝坡上铺厚0.1-0.2m的腐殖土，在上面种草或者移植草皮。5.8坝面排水在下游坝坡设纵横向排水沟。纵向排水沟（与坝轴线平行）设在马道内侧。因坝顶长度约为90m，所以只需在坝坡中部设置一条横向排水沟。横向排水沟自坝顶直至棱体排水处的排水沟，再排至坝趾排水沟。纵横向排水沟互相连通，横向排水沟之间的纵向排水沟应从中间向两端倾斜，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置排水沟，以排除岸坡上游下来的雨水。①尺寸拟定：由于缺乏资料，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，本设计取30cm。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，并且在坝体与浆砌石连接处设置反滤层。5.9坝体与坝基、岸坡连接处的处理5.9.1坝体与坝基的连接填筑坝身之前，首先应将大坝断面范围内坝基与岸坡上的杂草、树根、含有植物的表土、蛮石、垃圾及其他废料清除，清理深度一般为0.3~1.0m，此后将坝基表面土层压实。首先应清除大坝断面乏味内坝基和岸坡上松动、突出的石块以及凹处积土。土质防渗体和反滤层宜与坚硬、不冲蚀和可灌浆岩石连接，若风化层较深时，可开挖到强风化层下部，在开挖的基础上对岩基再进行灌浆处理。Page-18-of18 5.9.2坝体与岸坡的连接为避免出现不均沉降引起土坝裂缝，与坝体连接的岸坡应削成倾斜面或折面。土质防渗体与岸坡的连接处附近，可扩大防渗体的断面和加强反滤层，斜墙断面应扩大1倍以上，以延长渗径。6、坝基处理根据资料，可知坝址处地基为砂砾石地基。砂砾石地基通常都有足够的承载能力和抗剪强度，主要是解决渗流问题，保证地基渗透稳定，控制渗流量。处理的方法有垂直防渗和水平防渗两类。6.1垂直防渗垂直防渗一般采用截水槽、混凝土防渗墙和灌浆帷幕。因为坝址处砂砾石层深度为5m，所以宜采用截水槽。截水槽是斜墙向透水坝基中的延伸部分，应贯穿整个河床并延伸至两岸，并且直达不透水层。截水槽底部与不透水层接触面是防渗的薄弱环节，为了防止因槽底的接触面发生集中渗流而造成的冲刷破坏，可在岩基上建混凝土或钢筋混凝土齿墙。因岩石比较完整，所以不用在齿墙下进行帷幕灌浆。6.2水平防渗垂直防渗已处理完透水地基后，就不需要水平防渗了，水平防渗一般用于透水地基且其他措施没能处理完地基透水的情况。7、坝的计算7.1渗流计算土石坝渗流计算的目的：1、确定坝体浸润线及其下游出逸点；2、确定坝体与坝基的渗流量；3、确定坝坡出逸段与下游坝基表面的出逸坡降；4、确定水库水位降落时上下游坝坡内的浸润线位置或孔隙压力；5、确定岸坡绕渗的渗流量和渗透比降。渗流的计算工况：上游面为正常水位，下游无水。计算基本假定：坝内斜墙采用棕红色粘土，渗透系数为4.73×cm/s。坝壳采用石渣料填筑，渗透系数为7.2×cm/s。坝基为砂砾石覆盖层，渗透系数为1.6×cm/s。透水坝基深度小于建筑物不透水底部长度1.5倍，为有限深Page-18-of18 透水坝基。本次计算采用渗流分析的水力学方法。为简化计算，在计算有限深透水地基上的坝体渗流时，可认为地基不透水；计算地基渗流时，可以认为坝体不透水，两部分渗流量之和即为该剖面单宽总渗流量。在这种假定下所算得的q比实际稍小，浸润线的位置比实际稍高。此外，由于渗流渗入地基时要转90°的弯，流线长度要比坝底长度增长一些，根据实验和流体力学分析，增大的长度约为0.44T（T为地基透水层深度）。计算时，认为上下游坝坡坡度均为1：3.0。计算公式如下式7-1。式7-1为了简便计算，相关系数取值如下：4.73×cm/s，4.73×cm/s，7.2×cm/s，1.6×cm/s。=23m，=0m，=1.5m，，T=5m，=1.5m，L=150m，=92m。根据以上取值，经计算，可得：h=4.91m，单宽渗透量q=0.0000251551m³/s。浸润线公式如式7-2：式7-2根据公式，画出浸润线如图7-1。图7-1浸润线示意图总渗流量计算如下：从地形地质平面图上可大致量得大坝沿坝轴线长L=91Page-18-of18 m，沿整个坝段的总渗流量Q=mLq，式中m是考虑到坝宽、坝厚、渗流量沿坝轴线的不均匀性而加的折减系数，取0.8，Q=0.8×91×0.000025=0.000182m³/s渗透变形分析：因缺乏颗粒级配曲线，孔隙率等资料，唯有根据经验，对本坝可能存在的渗透变形情况进行分析。因本坝采用的粘土斜墙，加石渣料坝壳，两者之间的颗粒大小相差很大，石渣料之间的空隙也远大于粘土粒径，最有可能的情况是在渗透压力的作用下，导致粘土料发生管涌，从石渣料的空隙通道中流失。所以，在筑坝过程中，反滤层的作用非常重要，在修筑过程中，反滤层的修筑过程一定要严格的进行质量把关，防止或者最大限度的减小渗透变形的发生。7.2稳定计算土石坝稳定分析是指对土石坝的坝坡或坝体连同部分地基在荷载作用下发生失稳破坏的可能性所作的计算和分析。土石坝的失稳破坏通常有滑动、液化和塑流三种。但是土石坝的稳定分析一般是指滑动稳定分析。基本资料：本次计算的工况为上游为正常水位的情况下的下游坝坡一个滑移面的稳定分析。因除了粘土斜墙以外，其余坝体全部由石头渣料填筑，滑移面为曲面。模型如图7-2.图7-2简化毕肖普法滑移面图计算方法采用简化毕肖普法，先假定安全系数为某一数值K，用和分别表示安全系数降低后的土体抗剪强度指标（其中）。不考虑孔隙压力和地震惯性力。则安全系数计算公式7-3.式7-3Page-18-of18 因为两边都带有K，则利用Exel进行迭代求解。其中，三个土条从左到右的面积分别为63㎡，157㎡，156㎡，采用单宽进行计算。计算滑动力时容重采用湿容重20.5KN/m³，计算抗滑力时容重采用浮容重11.4KN/m³。值采用饱和固结快剪值，分别为=25.6kpa，=29.4°。利用迭代计算，最终计算得出：K=1.385。大于正常运用条件下的最小安全系数1.25，该滑移面稳定。8、取水建筑物因本水利枢纽以灌溉为主，兼顾防洪，所以取水建筑物的形式尤其重要。本水利枢纽灌溉面积为0.85万亩，属于小（1）型，综合投资较省、水源含沙量较少、岸坡平缓、岩体稳定坚固等因素，因此采用竖井式取水建筑物。8.1输水管（渠）道尺寸1．管道采用混凝土管，根据公式8-1计算管径：公式8-1粗糙系数n为0.013，Q为0.7m³/s，水力半径R=d/4，面积，求得d=0.51m。2．渠道使用梯形断面土渠因资料不齐，无法求出底坡i，故预设定i=0.015。边坡系数m采用0.75。粗糙系数n=0.025。根据公式8-2计算土渠尺寸：公式8-2计算得：底宽b=0.4m，水深h=0.5m，安全超高为：=0.315。综上所述，则梯形土渠断面尺寸为：渠深H=0.815m，底宽b=0.4m，边坡系数采用m=0.75。9、泄水建筑物根据地形资料可知，坝址附近岸坡平缓，适合修筑开敞式正槽溢洪道。只需设置进水渠，控制段，泄槽段和消能防冲设施。除进水渠外，全段使用混凝土浇筑。Page-18-of18 9.1进水渠引水渠的横断面为矩形，引水渠的渠底作成不大的逆坡。9.2控制段本枢纽泄流量较小，地面较平缓，控制段考虑使用宽顶堰，堰顶高度为正常蓄水位378m。宽顶堰流量公式9-1：式9-1其中，因为控制段后面紧接斜槽段，下游水深远低于上游水深，则淹没系数=1；开敞式无闸门，无闸墩，上游引渠宽和溢流孔净宽相等，则n=1，侧收缩系数=1；流量系数m取值0.36。当设计洪水来临时，下泄流量为20m³/s，代入公式，得：20=0.36×b×4.43×1.28，得b=9.8m。利用校核洪水位计算，满足校核洪水位时的泄流流量，但是9.8m宽度太宽，开挖量太大，工程费用较多，于是改用实用堰。实用堰流量公式9-2：式9-2其中，堰为无侧收缩（=1），自由出流（=1），无闸门（n=1）。为使堰有足够大的流量系数，则上游堰高应满足（为定型设计水头，满足，则选定为0.85×1.63=1.39m）下游堰高应满足。初步拟定堰高为0.7m。则根据，（不计行近流速水头），查水力学相关书籍可得：m=0.96×0.502=0.48。当设计洪水来临时，下泄流量为20m³/s，代入公式，得：20=0.48×b×4.43×1.28，得b=7.35m。利用校核洪水位计算，满足校核洪水位时的泄流流量。剖面设计如图9-1。图9-1实用堰剖面设计图Page-18-of18 9.3泄槽段泄槽采用直线式，不设置收缩段、扩散段和弯曲段，横断面为矩形，对称布置，这样可以使水流平顺、结构简单、施工方便。泄槽布置从380m的高程一直到358高程，从地形图上可以看出，水平距离为70m，则。宽度为7.35m，流量为32m³/s，根据公式9-3：公式9-3其中粗糙系数n=0.015，b=7.35m，i=0.314，计算得出：h=0.285m，安全超高为：，经计算泄槽段挖深为0.56m。9.4消能防冲设施下游无水，只有采用挑流消能，但势必会对下游河床造成冲刷，但考虑到下游并没有建筑物，只需要对两岸使用条石进行保护。根据已建工程经验，挑流消能设计为：鼻坎选择连续式；挑坎高程高出下游河床2~3米，取358米；反弧半径为（6~10）h，取8m；挑角取25°。9.5其他措施为了防止出现超过校核洪水的特大洪水，可以考虑将开挖溢洪道所得到的土料，在溢洪道两旁压实填筑成高度为0.3m的梯形用以挡水，作为非常溢洪道，增大溢洪道的泄洪能力，防止出现意外。具体形式如图9-2：Page-18-of18 图9-2溢洪道泄槽段断面图Page-18-of18'