《水工建筑物设计》word版

'高等水工结构设计1.设计内容与步骤(1)确定枢纽组成根据流域规划对水库提出的任务，并根据地形、地质、水文、气象、建筑材料、交通运输、施工和运用条件等，确定枢纽中应包括的主要建筑物，以及各主要建筑物的形式和布置。(2)调洪演算按照枢纽等级确定水库防洪标准。根据河道相应标准的设计洪水过程线和校核洪水过程线进行调洪演算，以确定泄洪建筑物尺寸和调洪库容(其相应的水位却为设计洪水位及校核洪水位)。(3)建筑物设计①土坝⑴坝型选择。根据土料的种类、储量和分布位置，并考虑施工条件、工程量等因素选择出最优坝型。⑵拟定主要尺寸及构造。包括坝顶高程，坝顶宽，上、下游坝坡，防渗排水设备的形式及尺寸等。⑶渗流及稳定计算。本次设计仅进行上游为正常蓄水位条件下的浸润线计算和渗流量计算，并于下游坝坡取一个滑弧进行稳定计算。⑷细部设计。包括坝顶，上、下游护坡，防渗设施与坝体及坝基的连接，反滤层布置等。②溢洪道⑴溢洪道形式及主要尺寸拟定根据地形地质条件、水流条件、工程量大小及下泄洪水安全归河等因素，确定溢洪道的形式及主要尺寸。⑵泄水渠水面线计算及出口消能计算确定边墙(或衬砌)高度及消能设施尺寸。⑶构造设计拟定边墙、护底防渗排水等各部分的构造尺寸。③涵管⑴形式选择选择进口控制建筑物、管身断面及出口消能设施的形式，并确定涵管进出口高程。⑵涵管水力计算包括过水能力计算及出口水流衔接计算。2.基本情况 姚家河水库位于湖北省大悟县境姚家河中上游。姚家河发源于本区王家店，是环水东支大悟河的一条支流，全长约40公里，在三里城处汇入大悟河。流域总面积46.7平方公里，坝址以上控制面积27.6平方公里。流域内四季气候鲜明，下游土壤肥沃，盛产稻、麦、棉花等作物。姚家河为一山区河流，河床较窄，水位变幅较大，每当山洪暴发，下游即遭洪水淹没；而当缺雨季节，因水量不足，又易引起旱灾。为此，根据流域规划，确定兴建姚家河水库，以达兴利除害的目的。根据流域规划要求，确定本水库以灌溉为主，兼兴防洪、养鱼之利，其主要任务如下：灌溉方面：灌溉面积共4万亩，均分布于水库右岸。防洪方面：根据下游防洪要求，最大下泄流量不得超过120m3/s。3.基本资料(1)地形地质本区没有大的高山，附近都是堆积剥蚀低丘，一般地势比较平坦，相对高程不超过200m，坡度为30°～50°，局部地势较陡，约为60°～80°。地貌特点是右岸山头岩石露头较明显，覆盖层厚0.2m，表面岩石均已风化，风化层厚1.0m，局部地区有崩塌现象；左岸岩石露头较少，覆盖层厚1.5m，风化层厚1.0m。库区为一狭长带形，两岸群山连绵，山坡多植松树，植被良好。耕地主要分布于右岸下游平坦地区，沿河两岸分布有少量梯田梯地。本区岩石均为太古代泰山纪变质岩，大致可分为五种，花岗片麻岩、花岗岩、闪长岩、石英岩和石岩云母片麻岩。其中以花岗片麻岩分布最广，整个库区均有，其抗压强度较高，但易风化。各种岩石在坝址附近分布情况见坝址地形地质图。岩层走向均与河流斜交，倾向库内，一般倾角较大，有的近于垂直。花岗片麻岩中裂隙和节理不很发育。坝址处河谷狭窄，上下游较开阔，足以布置施工场地。坝址以上有足够的库容可以满足蓄水要求。坝址处河床高程103.0m，有3m厚的砂卵石覆盖层，工程地质条件良好。坝址左岸离坝轴线400m处有天然鞍部，略高于正常蓄水位，工程地质条件亦属良好，覆盖层为砂质粘土，平均厚约3m，可布置溢洪道，钻孔资料见坝址地形图附表。库区地质条件与坝址区大致相同，未发现坍塌、滑坡现象，节理裂隙不发达，渗漏问题不大。本区地震基本烈度小于Ⅵ度。(2)水文气象资料流域内无径流资料。所需年、月设计径流量及洪水流量均由暴雨推求，并根据降雨系列延长。通过水文水利计算得出各特征值见后面调洪演算成果。本区风力按七级计，最大风速多年平均值Vmaxcp=15m/s，水库吹程D=1000m。(3)建筑材料根据勘测，距坝轴线1000m以内有比较丰富的土料，主要分布如下：(1)砂质粘土 分布于坝址以上肖家畈等处，最大运距1000m，储量为12万方，高程为106～110m。坝址以下两岸山坡有8～9万方，运距在800～1000m范围内。(2)河床砂卵石由于姚家河为一山区河流，河谷较窄，沙滩较少。因此，坝轴线附近砂卵石储量不多，约有5.5～5.9万方，分布于坝轴线上、下游200m处。坝轴线下游有较多的砂卵石储量(约40万方)，运距1000m左右。(4)其他坝顶无交通要求。对外交通不便，河流四季不能通航，县城至三里城小镇有20公里公路，三里城至大坝仅有人行便道(长约5公里)。为了施工导流需要，在坝底设圆形导流涵管，涵管直径2.5m，进口高程105.5m，出口高程104.8m。施工完毕后即留作放空水库之用。4.水库及枢纽工程的勘测、规划成果(1)勘测成果①坝址地形图一张②坝址河床高程103.00m③溢洪道出口河底高程101.99m④风化岩石允许流速6m/s⑤坝址及坝址下游水位—流量关系(附表2及附表3)。附表2坝址水位—流量关系表水位(m)103.0103.5104.0104.5105.0105.5105.8流量(m3/s)07.517.03050100120附表3坝址下游水位—流量关系表水位(m)101.84102.62103.15103.54103.83104.03104.10流量(m3/s)020406080100120(2)灌溉引水要求及渠首有关数据①设计引水流量4.0m3/s②灌溉渠道进口控制水位110.00m③渠首段渠道参数底宽b=3.8m边坡系数m=0.2设计水深h=2.0m糙率n=0.03渠道比降i=1/5000(3)水库规划设计成果①淤沙高程107.00m ②兴利库容下限水位(相应垫底库容0.34×106m3的水位)110.85m③兴利库容5×106m3④正常蓄水位123.50m(4)泄洪规划及调洪演算成果①采用无闸门宽顶堰河岸式正槽溢洪道(不考虑其他建筑物参加泄洪)，宽顶堰堰顶高程等于正常蓄水位123.50m，控制段宽度B=11.0m，流量系数m=0.370，侧收缩系数ε=0.95(堰顶进口为圆角，上游堰高P1=2.0m，边墩头部为圆弧形)。②设计洪水位126.30m，设计洪水位时溢洪道下泄流量80m3/s，相应下游水位103.83m。③校核洪水位127.06m。5.姚家河水库枢纽的建筑物组成根据流域规划对水库提出的任务以及地形、地质、水文气象等条件，确定水库枢纽由三大建筑物组成：挡水建筑物、泄水建筑物和取水建筑物。6.方案选择(1)挡水建筑物：挡水建筑物一般可选用土石坝、重力坝和拱坝。拱坝对地形要求较高，一般适用于地质条件较好的狭窄断面，此处断面较宽，建拱坝不经济；重力坝的优点是坝顶可溢流，施工导流易解决，但造价比土石坝高，根据资料可知坝轴线一公里内有丰富的土石料(包括防渗用的粘壤土)，可就地取材，特别是河床左岸有合适建河岸溢洪道的山垭口，因此选用土石坝作为挡水建筑物。(2)泄水建筑物：河岸式溢洪道挡水建筑物选择了土坝就决定了只能选择河岸式溢洪道，且根据地形条件，在河的左岸离坝轴线400米处有天然鞍部，正好可布置河岸溢洪道。(3)取水建筑物：涵管涵管与隧洞比起来具有施工简单，造价低廉的特点，但运行管理及安全方面不及隧洞可靠，由于本工程的引水流量较小且坝高不大，因此选择坝下涵管方案。调洪演算成果按照枢纽等级确定水库防洪标准。根据流域及暴雨情况推求设计洪水过程线和校核洪水过程线，然后进行调洪演算，以确定泄洪建筑物尺寸和特征水位。根据资料提供的调洪演算成果，不带闸门的开敞式河岸溢洪道堰顶高程123.50m，堰顶溢流宽度11.0m，相应的特征水位为：正常蓄水位123.50m。设计洪水位126.30m，设计洪水位时溢洪道下泄流量80m3/s，相应坝址下游水位103.83m。校核洪水位127.06m。①坝型选择②拟定主要尺寸及构造 ③渗流及稳定计算④细部设计7.土坝坝型选择根据勘测，距坝轴线1公里以内有比较丰富的土料，主要分布如下：(1)砂质粘土分布于坝址以上肖家畈等处，最大运距1000m，储量为12万方，高程为106～110m。坝址以下两岸山坡有8～9万方，运距在800～1000m范围内。(2)河床砂卵石由于姚家河为一山区河流，河谷较窄，沙滩较少。因此，坝轴线附近砂卵石储量不多，约有5.5～5.9万方，分布于坝轴线上、下游200m处。坝轴线下游有较多的砂卵石储量(约40万方)，运距1000m左右。由于就近有沙质粘土，可作防渗材料，坝型选用粘土心墙坝(注：粘土斜墙坝也可选择)。8.拟定主要尺寸及构造坝顶高程：坝顶高程应按设计洪水位和校核洪水位分别计算，并与心墙(斜墙)构造要求所需的坝高比较，取最大值。水库的灌溉面积为4万亩，保护城镇为一般城镇，故枢纽工程等别定为4等。为了保证库水不溢过坝顶，坝顶高程在水库正常运用和非常运用的静水位应有足够的超高。超高值式中：hc——安全加高，m；　e——风壅高度，m；　hB——波浪在坝坡上的爬高，m。风壅高度e按下式计算：式中：k——综合摩阻系数，一般取3.6×10-6；　υ——计算风速，m/s；　D——吹程，m；　H——坝前水域的平均水深，m；　β——风向与水域中线或坝轴线的法线间的夹角。遇正向来波，平均爬高可按莆田试验站公式计算(适用于坝坡系数=1.5～5.0的单一坡度)式中：——坝坡的糙率渗透系数； 　——经验系数，是由无量纲的查表决定的；　——坝坡系数；　——平均波高。在初步设计时可用公式。　——平均波长，在初步设计时可按公式计算。设计爬高值按工程等级确定，对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级土石坝，取累积频率＝1%的爬高值；对Ⅳ、Ⅴ级土石坝，取累积频率＝5%的爬高值。因此按上式求得平均爬高之后，再根据爬高统计分布与平均爬高之间的关系按表中的相应数值进行换算。采用设计洪水位计算时坝底高程103.0m，设计洪水位126.3m，H=126.3-103.0=23.3m；n初步定为3；v取多年平均风速的1.5倍，v=1.5×15=22.5m/sD=1km；β取最不利情况，即β=0，cosβ=1；拟采用砌石护坡：KA=0.8；,取1.02=8.753m=0.527m 查表计算得hB=0.970m。mhC取0.5m则△h=hB+e+hc=1.474m。坝顶高程=1.474+126.3=127.77m。采用校核洪水位时v=15m/s；n初步定为3；H=127.06-103.0=24.06m； =0.977<1,取1；KA=8；=0.287m=5.835m=0.343m查表计算得出hB=0.631m。mhc取0.3m则△h=hB+e+hc=0.933m。坝顶高程=0.933+127.06=127.94m。粘土心墙(斜墙)顶部不应低于校核洪水位，且心墙上部至少要有1m厚的覆盖层，故坝顶高程至少为127.06+1=128.06m。比较按设计洪水位和校核洪水位计算的坝高与心墙(斜墙)构造要求所需的坝高，最后取坝顶高程为128.10m。坝顶构造：坝顶宽度根据坝高，施工，构造，交通及防汛抢险要求确定，对中、低坝不小于5～10m，本坝属于低坝，取8m。坝顶无交通要求，用砂砾石护面。为了排除雨水，坝顶面向下游倾斜2‰。坝坡：上游坝坡由于经常浸在水中，土料的抗剪强度比不浸水的低，所以上游坝坡比下游坝坡缓。设计上游坝坡取1：3，下游坝坡取1:2.25。由于下游坡面要修筑排水沟，在下游117.0m处设计一条2m宽的马道。9.渗流及稳定计算本次设计仅进行上游为正常蓄水位条件下的浸润线计算和渗流量计算，并于下游坝坡取一个滑弧进行稳定计算。(1)浸润线计算：此处按带截水墙心墙坝的渗流情况来计算 渗流计算可分为心墙同截水槽和下游坝体同坝基两部分来考虑。对于前部分，计算方法与不透水地基心墙坝的基本相同，忽略上游坝壳的影响，按心墙与截水槽的平均厚度计算。通过心墙和截水槽的渗流量为(1)式中：Ke——为粘土渗透系数，Ke=1.48×10-6cm/s；T——坝基透水层深度。取3.5m。对于心墙后坝壳及坝基部分的渗流量计算，则采用与透水地基上均质坝的相同计算方法。当下游无水时，由于坝壳内浸润线很低，浸润线在排水起点处高度h0很小，为了简化计算，取其为零。通过下游坝壳及坝基的渗流量为：(2)式中Ｋ、KT取砂卵石的渗透系数，6×10-2cm/s；n＇——含义与n同，但只需考虑坝基下游的修正，故采用n＇=(1+n)/2,n查表得为1.16，n＇=1.08；L根据设计，为58.395m。联立(1)、(2)式，解得=0.021m,q=2.42×10-7m2/s。心墙下游坝壳浸润线方程为：(2)土坝的稳定分析：从整体来看，土坝的体积和重力较大，又由于坝身是散粒体的土料筑成，不会因为水平荷载而产生整体的水平滑动。土坝失稳的主要形式是由于坝坡陡，坝体或坝基的抗剪能力不足而产生的坝坡滑动或坝坡同坝基一起滑动的剪切破坏。滑动土体的稳定安全系数计算过程。10.细部设计护坡：上游由于受风浪冲刷，设置为双层干砌石护坡，末端设基座。下游护坡主要是防止雨水冲刷，干裂，穴居动物钻洞和下游有水部分的水流破坏，设置草皮护坡即可，从坝顶直到下游排水体。坝坡上布置纵横连通的排水沟，纵向排水沟沿马道内侧布置。建筑物设计—河岸溢洪道设计①溢洪道形式及主要尺寸拟定②泄水渠水面线计算及出口消能计算③构造设计坝址左岸离坝轴线400m处有天然鞍部，略高于正常蓄水位，工程地质条件亦属良好，覆盖层为砂质粘土，平均厚约3m，除去表面的覆盖层和风化层后最高点高程正好与正常蓄水位相差不大，可在此鞍部处布置溢洪道。11.溢洪道形式及主要尺寸拟定 (1)进水渠设置进水渠可将水流平顺，对称地引向控制段，并调整水流。采用倒喇叭梯形断面，末端用渐变段与控制段的矩形断面相连接。渠底做成倾向水库的反坡。(2)控制段设置宽顶堰，其尺寸(宽度、高程)已由设计资料上给出。(3)泄槽先根据地形图画出沿溢洪道轴线处的地形剖面图，根据地形条件，确定泄槽坡度i为0.2时，工程量较小。泄槽始端槽底高程为正常水位123.50m，泄槽末端高程可跟据鼻坎的尺寸及高程推算出来。泄槽宽度B可取与控制段相同，即11m。混凝土糙率取0.014。(4)消能防冲设施：河岸式溢洪道出口的消能方式主要有两种：底流式水跃消能和鼻坎挑流消能。底流式水跃消能主要适应于出口距坝脚较近的情况，对落差较大的水头目前采用较多的是鼻坎挑流消能。鼻坎的形式及构造:鼻坎形式有连续式、差动式和异型鼻坎，在小型工程中常用前两种形式。连续式鼻坎在相同水流条件下，挑距比差动式稍远，但水舌较集中，空气扩散较差，对河床冲刷较深。差动式鼻坎挑射时水流分股交错射出，得到较好的分散，有利于减弱对河床的冲刷，但射程较近，施工较复杂，在流速较高时，易产生气蚀破坏。在实际工程中，连续式鼻坎因其结构简单，运用安全可靠，因而在国内外得到广泛应用。故此处选用连续式鼻坎。鼻坎的主要尺寸包括挑射角度、反弧半径、鼻坎高程及齿墙底部高程等。鼻坎挑射角θ：对于连续式鼻坎的挑角一般为15°～20°，取20°。反弧半径R：根据工程经验，一般采用(6～12)h(h为下泄设计洪水流量80m3/s时泄槽末端的水深)，河岸式溢洪道宜选用较大值，h的计算可参照以下计算水面线的方法，在泄槽坡度和总长确定后计算，先试取R为6.00m。鼻坎高程：鼻坎高程越低，鼻坎出口断面的流速越大，越有利于增加挑距。但为了保证水舌与鼻坎之间的空间不致因水舌将空气带走形成真空而影响挑射距离，鼻坎高程又不能太低，其最低高程应等于或略低于下游最高尾水位。根据坝址下游水位—流量关系表，查得对应最大流量120m3/s时的坝址下游水位为104.10m。先试定104.10m为鼻坎反弧段最低点高程，可根据几何关系计算出鼻坎高程为104.5m，泄槽末端高程为104.2m。则泄槽总长计算得出为约为97m。坝址下游水位——流量关系表水位(m)101.84102.62103.15103.54103.83104.03104.10流量(m3/s)020406080100120  为了降低齿墙背面的渗水压力，需在齿墙上设排水孔，鼻坎内也布置排水孔，以便在溢洪道停水时放出反弧段上的积水。此外，为了避免挑流时高速水流带走水舌下面的空气而形成真空影响挑射距离，在鼻坎内也设置通气孔，以保证水舌下面为大气压力。鼻坎齿墙的稳定是鼻坎消能安全的关键。齿墙底需埋于冲刷坑稳定坡线之下，以保证鼻坎齿墙底部能置于可靠岩基上。在坚硬完整的岩基上，齿墙应嵌入基岩0.5～1.0m。对于破碎或风化的岩石尚应加深。齿墙嵌入基岩取0.5m。护底采用0.3m厚的素混凝土。(5)出水渠：出水渠的作用是将消能后的水流平稳顺畅地与下游河道水流良好衔接。应尽量利用天然山冲或河沟并加以适当整理而成。宽度与消能建筑物出口宽度一致，为11m。12.泄槽水面线及出口消能计算   (1)水面线计算：为了防止泄洪时水流溢出泄槽，应进行水面线计算，水面线按校核洪水位计算。先不考虑淹没系数，则：式中：b——宽顶堰宽度，11m；m——流量系数，设计资料中已给定0.37；——侧收缩系数，设计资料中已给定0.95；H0=3.56m。计算得出Q=115m3/s。泄槽中临界水深hk=可由下式计算：式中：α=1.05；q=Q/b=115/11=10.45m3/(s.m)；cosθ=1-i2=1-0.22=0.96。计算得出hk=2.29m。判断是否为淹没溢流：在进口平顺时，hs/H0>0.75时为淹没溢流。此处hs即为hk，H0=127.06-123.5=3.56m，计算得hs/H0=0.64，不是淹没溢流，可以不考虑淹没系数。h0为0.53mhk，为缓坡，即0