河海大学水工建筑物课程设计说明书

'第一章工程参数及基本资料1一工程参数1二基本资料1第二章工程等级及设计标准3一确定工程等级3二设计标准3第三章枢纽布置3一选择坝轴线和坝址3二结构布置3第四章剖面设计4堰顶高程、校核洪水位及坝顶高程的确定4一溢流坝下泄流量的确定4二溢流空口尺寸的确定4三溢流坝堰顶高程确定4四校核洪水位的确定5五坝顶高程的确定5非溢流坝剖面设计5一剖面尺寸的确定6二确定实用剖面尺寸6非溢流坝段稳定和应力分析7一荷载组合及荷载计算7稳定验算8应力（强度）验算9第五章溢流坝剖面设计和应力稳定分析10一溢流坝剖面拟定11二消能效果估算12第六章坝体细部构造及地基处理13一坝顶结构13二坝体分缝13三坝内廊道14四坝的地基处理14 第一章工程参数及基本资料一工程参数坝底高程（m）正常蓄水位（m）设计洪水位发电死水位（m）工程效益防洪灌溉面积（万亩）装机（万千瓦）130227.7229.7183保证下游两库的抗洪保坝安全34.04.0二基本资料1.地形资料，见地形图，虚线为新鲜岩面的等高线。2.坝址处的水位流量关系曲线流量(m3/s)401202006001000200030004000500060007000水位134.134.135.136.136.137.138.139.139.140.140.(m)44784020808060208030803.水库库容关系曲线m高程<>53541155561A57IX581159IX0525li2522532542容积<0(im3>o0.171-5CO00008-032-842426.37207291i•9672I•40502•90463•6064•30836•4.设计洪水 由实测及历史调査资料，经频率分析，推得Q=1400m7sec,Cv=l.0,Cz=3.5CV, 其频率曲线为P(%)0.21251050QP(m3/sec)1073073105920416029201850对应P=0.2%的Qo.2%=10730m7scc,由调洪演算求得对应的设计洪水不泄流量Q=4450m3/sec,P=0.1%的Qo.1%=12OOOm7sec,经调洪演算求得对应的下泄流量Q=5530m3/sec。5.气温与风速风向月份IX23456789O1AIX12最低气温/1531•1421•7-81-O.17鲁41-419.05nO9.3•lico11-9.3V)°C最大风速(m/sec)O523O11911O1188o119风向虑考线轴坝直垂基按吹程(km)O1XO•6.泥沙淤积：库区植被茂密可以不考虑泥沙淤积。7.地震按8度烈度计算。8.坝址地质：岩性为花岗岩，强度较高，两岸节理，裂隙发育，单位吸水率co<0.01升/分•米的相对不透水层的深度20米。岩石物理力学性质指标为:岩性比重容重吸水饱和抗压压度lpa抗强(N>捕酿r与岩摩系局砼基的檫数砼与基若抗剪断系数 率强度(MPa)fC，(MPa)花岗山石2.72.71.7894.0114.049.80.721.21.2 第二章工程等级及设计标准一确定工程等级根据我国水利部颁发的现行规定一一《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》根据工程规模效益及其重要性，将该工程划分等级。由灌溉面积为34.0万亩，装机容量为4.0万kw确定工程为三等。由设计洪水位229.7米查水库库容关系曲线得总库容为407.85X106n?确定该工程为二等。所以整个枢纽工程的等级为二等，大坝，厂房等水工建筑物等级为2级。二设计标准运用情况为正常运用时（即设计情况）P=0.2%运用情况为非正常运用时（即校核情况）P=0.1%所以水工建筑物设计标淮为五百年设计，千年校核。第三章枢纽布■■■闇一选择坝轴线和坝址选择坝址时，原则上要避开有风化，节理，裂隙，破碎带的地带，是地基能更好的支承大坝，为了使砼重力坝的体积最小，地基能够承受坝轴线的位置如地图上所示。根据工程资料，河谷两岸不对称，两岸节理，裂隙发育，岩性为花岗岩，强度较高，故坝型采用重力坝。二结构布置该工程由重力坝的非溢流坝间的导墙，坝顶建筑物厂房等组成。为了有利于泄水和防止两岸冲刷，将溢流坝布置在主河床上，厂房布置为坝后式，河谷较宽。为保证各坝段外形协调一致，溢流坝和非溢流坝的上游面保持相平。 第四章剖面设计第一节堰顶高程、校核洪水位及坝顶高程的确定一溢流坝下泄流量的确定因该水库冬库结冰，冇排冰要求，库区植被茂密无泥沙淤积且坝身处于8度的强震区，故而采用混凝土重力坝坝顶溢流，而不设置坝身泄水。由调洪演算级水位流量关系曲线得：设计洪水位对应的下泄流量Q=4450m3/s,下游水位为139.47m校核洪水位对应的下泄流量Q=5530m7s,下游水位为MO.065m二溢流空口尺寸的确定单宽流量是确定孔口尺寸的重要指标，在下泄流量一定的前提下，提高单宽流量q的值，可减小浄宽L,从而降低溢流坝段，交通桥，工作桥等建筑物设施造价，但加大非溢流坝的高度，增加了闸门，闸墩的高度，对下游消能防冲要求提高。考虑到坝址岩性为花岗岩，强度较高，及闸门各形状地址构造，下游水深的等因素。综合以上各种情况，初步采用交大的单宽流量q=100m2/s。由于溢流坝采用坝顶装设闸门，则选取孔数n和每孔浄宽b时，要考虑闸门型式和制造能力，闸门宽度与高度的合理比例，以及应用要求和坝的分缝耍求，选取16m，3。三溢流坝堰顶高程确定将Q&代入下式Q设=smLh02/3(1)其中：e—侧收缩系数，与闸墩形状有关，取e=0.9、.95m—流量系数，与坝型有关，非真空使用堰，在设计水头不m=0.49~0.50L一孔口览度h=o«h一堪顶水头求得：堪顶水头hoij—l2.80m 堰顶高程：▽堰顶=▽设410设=229.7-12.80=216.90m四校核洪水位的确定将0校=5530m3/s带入（1）式得：h01$=14.95m校核洪水位H核=▽堰+h0核=216.90+14.95=231.85m五坝顶高程的确定_设计洪水位+八|1&现顶尚程=max｛校核洪水位+Ah校超高△h=2Xhi%+h0+hc其屮：2Xhl%一一波浪高度ho一一波浪中心线高出静水位的高度h,一一坝的级别对应的安全超高2Xh1%由弯=0.0076<’12（弯）1/3计算以％cth2ttHh。是根据中国水利水电出版社《水工建筑物》P188表知h（:设=0.5m;hc校=0.4rnv0一一计算风速，设计情况采用洪水多年平均最大风速1.5~2.0倍D——库面吹程有资料得：洪水期多年平均最大风速llm/s,风向：按基本最大垂直坝轴线考虑，吹程:D=10.0kmAh=2Xh^+ho+hc2Xhis(m)h0(m)he(m)设计洪水位3.7510.8440.5校核洪水位2.0280.4040.4综上，取两者较大值，坝顶高程为234.68m第二节非溢流坝剖面设计 一剖面尺寸的确定以校核洪水位▽f231.85m为基本剖面，三角形高程H二▽校-231.85-130=101.85m1.按应力条件确定坝底最小宽度(1)(2)fi__1(1—A)+A(2-/I)-6Z,V/o2.按稳定性条件确定坝底最小宽度B_KHf(厶+Zo其中：ye=24KN/ra3,/o=9.81KN/m3,A=0cn扬压力折减系数，ai=0.25,f一一混凝土与基岩摩擦系数，f=0.72代入（1）得，B/H=0.68,代入（2）得B/H=0.65取较大值的：B=69.3m,上游坡度n=0,下游坡度m=0.68二确定实用剖面尺寸1.坝顶宽度非溢流坝的坝顶宽度一般取坝高的8%〜10%，为满足设备布置，运行，交通及施工的需要，取坝顶宽度10.0m。2.剖而形态采用上游面上部垂直，下部倾斜，坡度取n=0.15,可利用部分水重来加大坝体稳定性，乂可保留铅直的上部，便于管道进口布置设备和操作等优点，上游折坡点取在165m处。下游面的坡度m=0.7,则最终B=76.545m。则剖面形态如卜： 第三节非溢流坝段稳定和应力分析一荷载组合及荷载计算作用在重力坝上的主要荷载有：坝体自重，上卜游坝面水压力，坝基底部扬压力，浪压力及地震荷载。根据不同运行条件确定何在数值，并选用不同的荷载组合，分别验算坝体的稳定和强度（取单宽计算）。1.坝体自重W=/cxv,7c=24KN/m32,静水压力水平压力Px=去，。//2,/。=9.81KN/m3,H为水深垂直压力V为折坡上水的体积1.坝基而扬压力重力坝当水后，由于上下游水位差的作用，库水将通过坝基面向下游渗透，扬压力对稳定不利，为降低扬压力，在坝踊附近坝基中进行灌浆，形成防渗帷幕，并在帷幕后设置排水孔。坝踵扬压力强度：/0H1排水孔中心线扬压力：H2+a/0H坝址处扬压力：/oH2a：扬压力折减系数，河床坝段a=0.2~0.3,岸坡坝段a=0.3〜0.4，取a=0.25.Hi，H2分别为上、下游水深，H为上下游水位差故扬压力分布为折线分布2.坝体内部扬压力坝体内部扬压力也为折线分布，其扬压力表现为坝内渗透压力。故在坝体上游3〜5m范围内，形成一定厚度防渗层，后设置坝身排水管，扬压力折减系数为0.2o3.浪压力由于上下游水深大于所以为深水区，铅直坝面上浪压力：21%+ho)4.地震荷载 (1)地震惯性力Fi一一作用在质点i的水平向地震惯性力代表值ah水平设计地震加速度代表值，设计烈度为8度，ah=0.2gg重力加速度一一地震作用的效应折减系数，一般〖=0.5G,,一一集中在质点i的重力作用标准值at质点i的动态分布系数竖向地震惯性力根据《重力坝设计规范》，其数值为ixO.5F,3(2)地震动水压力单位宽度坝面总地震动水压力(合力)作用在水面以下0.54H:处，其代表值F。=0.65%次FL2计算情况荷载自重扬压力静水压力浪压力地震荷载动水压力基本组合设计洪水位V偶然组合正常蓄水位+地震荷载稳定验算混凝土与基岩的粘结力为零，因而滑动面上只计算摩擦力，采用分项系数极限状态法SR=Wr+C；ArXPr，EWr一一坝基面上全部切向作用和法向作用设计值t"iC；一一坝基上抗剪强度摩擦系数和抗剪断凝聚力ar—坝基面面积按基本组合和偶然组合分别计算出S(*)和R(*)，对7。，取值，即可核算基本组合和偶然组合下，坝体沿坝基而抗滑稳定极限状态。由计算可得，坝基满足抗滑稳定要求。 应力（强度）验算用材料力学法计算坝体应力，将单宽坝体作为阀结于地面上的变截面悬臂梁，取水平外力为指向上游为正，铅直外力以向下为正。力矩以逆时针方向为正,正应力以压为正，剪应力以微分体拉伸时对角线一、三象限为正。为便于区别上、下游边缘应力，分别利用和“"”加以标注。a.水平截而上边缘正应力＜和＜其中：ZW—一作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和；ZM—一作用在计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和;T一一计算截面沿上下游方向的宽度b.边缘剪应力/和，（上下游坝体三角形微元体=0）/=(Pz-(7pn其中：下游坝面水压力强度n,m：上下游坡面坡率c.铅直截而上边缘正应力A和＜（上下游坝体三角形微元体=0）C7X=P-(P-C7y)n21(Il1(Hox=P+(crv-P)md.边缘主应力＜7和C7”成果分析边缘hit力(KX/m2)上游下游ZTATA•， ■T坝基面203.2-30.484.57207.77201820.41274.3891.9962712.3960折坡面220.800220.801235.8865.06605.51841.30正常蓄水位+地震荷载坝基面21.141.64531.8620.8932.102027.11418.97993.33020.40折坡面-6.3023.37-6.323.371470.761029.5720.672191.401.稳定分析稳定分析主要目的是验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全性，经验算分析，各种状态下稳定性均能满足要求。2.应力分析(1)应力分析目的在于检查坝体和坝基在计算情况卜*能否满足强度要求，并根据应力分布情况进行坝体混凝土标号的分区；同吋也为了研究坝体某些部位的局部应力集中和某些特殊结构的应力状态以便采取加强措施。(2)坝基面应力控制标准在各种荷载组合下(地震荷载除外)，坝基面下游边缘的最人垂直正应力小于棊岩容许压应力；坝基面下游边缘最大垂直正应力(计入扬压力)为2.03MPa,小于饱和抗压强度94MPa,坝基而上游边缘最小正压力(计入扬压力)为＜=0.021MPa大于零，不出现拉应力。(3)坝体应力控制标准当作用计入扬压力时要求最小主应力为＜Tinin＞0,最小主应力CTmin=0不出现拉应力，综上所述，坝体强度能满足控制标准。第四节溢流坝剖面设计和应力稳定分析溢流坝既是泄水建筑物，又是挡水建筑物，既要满足稳定性和强度的要求，又要满足水力条件的要求。一溢流坝剖面拟定溢流坝基本剖面的确定原则与非溢流坝完全相同，其实剖面是将下游斜面改成溢流面。1.溢流面曲线的确定溢流面曲线采用WES曲线，它具冇流量系数大，剖面较小，易于施工 放样的优点。溢流坝幂曲线方程：=KH^y其中：一一定型设计水头，按坝顶最大作用水头(■)0^的75%~95%计算k,n—一与上游坝面坡度有关的系数和指数，当坝面铅直时,k=2.0，n=1.850(1)琐顶曲线y=0.057x185(2)与曲线相切直线方程37_55(3)堰顶和上游铅直坝顶采用三段圆弧相连(4)反弧段(如图)2.溢流坝应力与稳定分析边缘应力(KN/m稳定分析稳定分析主要H的是验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全性。经验算分析，各种状况下的稳定均能满足要求。坝基面下的边缘最大正应力<=1.6MPa，(计入扬压力后)小于饱和抗压强度94MPa。坝基面上游边缘最小正应力(计入扬压力)<=0.332MPa>0，不出现拉应力。故坝的强度能满足应力控制标准。3.溢流坝的结构布置(1)闸门布置溢流坝上设工作闸门和检修闸门a.工作闸门：常用平面门和弧形门，一般布置在溢流堰堰顶点，以减小闸门高度)上游下游ZTcr2T^1tr设计洪水位332.1-49.87.47339.5701602.5001602.50b..检修闸门：位于工作闸门之前，全部溢流孔通常只备有1~2个检修闸门，供检修工作闸门交替使用(都采用平面闸门)(2)闸墩a.闸墩的长度应满足工作桥，交通桥及启闭机布置的要求，取长度L=30mb..闸墩的厚度应满足强度和布置门槽的要求，取宽度为d=4.0mc.闸墩的高度取决于闸门和启闭机的形式，应保证开启后闸门的底缘 高出水库最高洪水位，并保留有一定的安全超高，与非溢流坝坝顶齐平，取闸墩高程V=234.68ma..平面闸门门槽深0.5〜2.0m,取1.0m(2)边墩和导水墙在溢流坝和非溢流坝段设边墩，边墩向下游延伸成为导水墙。导墙长度一般延伸至消力池末端，采用挑流消能，至少延伸至挑坎末端，导水墙墙顶高出水面1m,导墙厚1.5m。第五章消能设计及消能效果估算一.消能设计因为该溢流坝水头高，不游有一定的水垫深度，岩棊条件良好，故采用挑流消能方式。算坝型时采用连续挑流鼻坎，其优点有构造简单，施工方便，水流平顺，射程较远，挑射角为20°，反弧段半径R=16m,鼻坎高程V=142m，高出下游水位1〜2m,以利于挑流水舌下游的掺气。二消能效果估算(1)挑射距离的确定L=、cos沒sin沒+Jvfsin2^+2^(^4-/^)其中：L：水舌挑距(m)鼻坎末端至冲刷坑最深点的水平距离V1；坝顶表面流速(m/s)取平均流速1的1.1倍0：鼻坎挑射角度hi：hccos0坝顶水深的铅直投影高度h2：坝顶至河床表面高差(m)g：重力加速度得L=133.14m(2)挑流冲坑最大水深T工：2.44c9，.横缝及止水永久性横缝将坝体沿坝轴线分成若干坝段，缝面为平面，不设键槽，不进行灌浆，缝的宽度取为1cm。缝内用沥青油毛毡填充，横缝的间距即坝段长度为20m,溢流坝段每个坝段长为20m。为防止水流沿横缝渗漏，缝内设止水设备，采用两道金属片和一道防渗沥青井，金属止水片厚度为1.0~1.6mm，在缝屮弯折成U型，止水片埋入混凝土长度为20cm,第一道止水片距离上游坝面约为0.5~2.0m。以后各道止水间距离为0.5〜1.0m。沥青井方形，尺寸为25X25cm，预支混凝土块高1m厚10cm,止水设备必须与坝基连接，止水片下端伸入基岩40cm，沥青井埋入基岩30cm,止水下游设排水孔，孔径取为15crkkr 其中：kf:冲刷坑系数，对于坚强完整的I类良好的岩石k,.二0.7~1.1（均值为0.9）,坚强而不完整的II类中等岩石kf=l.ri.4（平均值l.25），软弱破碎的III类质量差的岩石k,.=1.4~1.8（平均1.60），本次取0.9hA：鼻坎单宽流量q所决定的临界水深，并取Z：上下游水位差，取较大情况为校核洪水位。得T=28.17m—=7.35〉2.5〜5故为安全设计。t.第六章坝体细部构造及地基处理一坝顶结构坝顶采用实体结构，顶面按路面设计，在坝顶布置排水系统和照明设备。二坝体分缝混凝土重力坝在运用期由于温度变化发生仲缩变形和地基可能产生不均匀沉降而引起裂缝，以及为了适应施工期混凝土浇筑能力和温度控制等，设置垂直坝轴线横缝和平行于坝轴线纵缝。1.纵缝和水平缝纵缝是为了适应混凝土的浇筑能力和减小施工期温度而设置的临时缝，纵缝的布置为垂直纵缝，纵缝的间距为15cm,为加强坝体的整体性，缝面设置键槽，坝体排水。 为减少渗水对坝体的有害影响，降低坝体中的渗透压力在靠近上游坝面处设置排水管，将坝体渗水由排水管排入廊道再由廊道汇集集水井，用水泵排向下游，排水管至上游坝面距离为6m,排水管间距为3米，管内径为25cmo三坝内廊道基础帷幕灌浆廊道沿纵向设在坝踵附近，廊道上游壁到上游坝面的距离应不小于0.05〜0.1倍水头，且不小于4〜5m,取6m。宽度2.5〜3m，取3m;高度3.0〜3.5m,取3.5m。坝体纵向排水检查廊道一般靠近坝的上游侧面每隔15~30m高差设计一层，取高差为20m,基础廊道距基面距离不小于1.5倍底宽，即4.5m，取5m。棊础灌浆廊道轴线成沿地形向两岸逐渐升高，纵坡度一般不宜陡于40°〜50°。四坝的地基处理1.坝基的开挖和清理坝基开挖是把覆盖层及风化破碎的岩石挖掉，使人坝直接建在完整的基岩上。坝基开挖深度对于高坝应挖到新鲜或微风化下部的基岩，坝綦开挖的边坡为1:1(注意修改，不同的设计不一样)。2.坝基的固结灌浆当基础岩石比较良好，仅在坝基处上游，下游应力较大的地区进行灌浆。3.坝基帷幕灌浆(1)帷幕深度根据岩基透水性，坝体承受水头和降低坝底渗透压力的要求确定，相对不透水层深度在单位吸水率01升/分•米时为20m,因而帷幕深度不小于25m。(2)帷幕厚度根据帷幕灌浆允许的渗透坡降确定，帷幕钻孔方向垂直，因基岩较完整。4.坝基排水设施为收集并排走由地基渗透过来的水，进一步降低坝体扬压力，在防渗帷幕后设排水系统。'