水工建筑物课程设计2012

'《水工建筑物》课程设计班级：2102级水利水电工程2班学号：2012096058姓名：王宝宏联系方式：18393819675 平山水利枢纽工程设计一、基本资料1.设计基本资料平山水库位于湖北某县平山河中游，该河系睦水(长江的支流)的主要支流，全长28km，流域面积556m2，坝址控制面积491km2，平山河是山区性河流，河床比降为0.3%，沿河有地势较为平坦的小平原，最低高程为62.5m左右。枢纽任务：该枢纽以灌溉发电为主，并结合防洪，航运养殖，给水等进行开发2.地形地质平山河流域都是丘陵及山区，河谷山坡陡竣，坡度约为60°~70°，地势高差为80~120m河床一般约为400m，河道弯曲，坝址处成S形，沿河沙滩及两岸坡积层发育，坝址处两岸河谷呈马鞍形，履盖层较厚，基岩产状零乱。靠坝址上游是泥盆纪五通砂岩，坝址下游是二迭纪石灰岩，坝轴线位于五通砂岩上。在平山咀以南石灰岩沙岩分界处，发现一大断层，走向近东西，倾向大致北西，在坝轴线左岸的五通砂岩特别破碎，产状零乱，两岸岩石破碎，岩石的隐裂隙很发育。岩石的渗水率很小，两岸多为0.001~0.010升／分，坝址处沿坝轴线是1.5~5.0m厚的覆盖层3.水文气象暴雨洪峰流量Q0.05%=1860m3/s，Q0.5%=1550m3/s，Q1%=1380m3/s。多年平均流量13.3m3/s，多年平均来水量4.22亿m3，多年平均最大风速10m/s，水库吹程8km，多年平均降雨天数48天/年，坝区气候温和。4.交通坝顶设有公路，枢纽工程的对外交通有水路、公路、铁路。5.水库规划资料 （1）正常高水位113.0m；设计洪水位113.50m（P=1%，百年一遇）；校核洪水位113.90m（P=0.1%，千年一遇）（2）死水位105.0m（发电极限工作深度8m）；灌既最低库水位108.0m（3）水库总库容2.0亿m3；水库有效库容1.15亿m3；（4）发电最大引用流量Q＝28m3/s，相应下游水位68.65m（5）通过调洪演算，溢洪道下泄流量Q1%=840m3/s，相应下游水位72.65m；校核情况下，溢洪道下泄流量Q0.1%=1340m3/s，相应下游水位74.30m（6）水库淤积高程85.00m6.枢纽各建筑物设计条件（1）土坝，沿坝轴线布置；（2）溢洪道，堰项高程107.5m；（3）水电站，装机容量9000KW，机组台数3台，厂房尺寸30.0´9.0m2，引水隧洞直径3.50m，尾水管底板高程62.0m；（4）放空建筑物可利用导流隧洞，导流隧洞底部高70.0m，直径5.0m，上游土石围堰顶部高程85.0m，下游土石围堰项部高程70.0m。7.筑坝材料坝轴线下游1.5~3.5km，土料储量丰富，质量可满足筑坝要求。砂料在坝轴线上、下游1.0~3.0km的河滩开采，石料可在坝轴线下游左岸的山沟里开采，材料的性质及各项指标如下表所示：表1坝址筑坝材料性质及指标土壤类别干容重(kN/m3)最优含水量(%)孔隙率(%)内摩擦角j粘着力(kN/m2)渗透系数(cm/s)壤土15.8154224°（干）121´10-520°（湿）粘土15.4254020°（干）371´10-618°（湿）山皮土16.0233933°（干）10（干）1´10-322°（湿）7.5（湿）覆盖层16.035°01´10-4 土壤类别干容重(kN/m3)最优含水量(%)孔隙率(%)内摩擦角j粘着力(kN/m2)渗透系数(cm/s)砂料16.04030°01´10-3堆石18.03338°08.坝址地形地质图 一、设计步骤1.枢纽布置（1）枢纽建筑物组成根据枢纽任务，该枢纽组成建筑物包括：拦河大坝、泄水建筑物、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空建筑物（隧洞）。（2）枢纽及建筑物等级根据所给资料（发电、防洪、灌溉面积等）对照《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000）确定工程等别和建筑物级别。表2水利水电工程等级划分工程等级水库防洪治涝灌溉供水水电站工程规模总库容（×108m3）城镇及工矿企业的重要性保护农田（万亩）治涝面积（万亩）灌溉面积（万亩）城镇及工矿企业的重要性装机容量(×104kw）一大（1）型>10特别重要〉500>200〉150特别重要〉120二大（2）型10～1.0重要500～100200～60150～50重要120～30三中型1.0～0.10中等100～3060～1550～5中等30～5四小（1）型0.10～0.01一般30～515～35～0.5一般5～1五小（2）型0.01～0.001<5〈3〈0.5〈11）各分项等级：电站装机容量9000千瓦，小于10MW，属Ⅴ等工程，工程规模为小（2）型；总库容为2.00亿m3，在10～1.0亿m3范围内，属Ⅱ等工程，工程规模为大（2）型；2）工程等别：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，初估本枢纽工程属Ⅱ等工程，工程规模为大（2）型。3）水工建筑物的级别：根据永久性水工建筑物级别的划分标准，Ⅱ等工程的主 要建筑物为2级水工建筑物，所以本枢纽中的拦河大坝、泄水建筑物、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空隧洞均为2级水工建筑物。永久性水工建筑物洪水标准（已给定）：正常运用（设计）洪水重现期100年；非常运用（校核）洪水重现期1000年。（3）各建筑物形式的确定本设计中坝轴线位置已选定，不作考虑。1）挡水建筑物的选型本枢纽位于山区性河流，考虑重力坝、拱坝、土石坝三种方案，进行方案比选。①重力坝方案混凝土重力坝的优点比较明显：如坝身可以开孔过流，不需要另建泄洪建筑物，导流方便等。但重力坝水泥用量较多，造价高（相较于拱坝、土石坝）。坝址附近无合适的石料，混凝土骨料不能充分利用当地材料，不经济。本枢纽坝址处基岩覆盖层较厚，沿河沙滩及两岸坡积层发育，坝轴线左岸的五通砂岩特别破碎，产状零乱，两岸岩石破碎，岩石的隐裂隙很发育。坝基条件较差，增加了坝基处理的成本。故重力坝方案经济性较差，不宜采用。②拱坝方案拱坝体型较薄，大大减少混凝土方量，节省造价。但拱坝是一个高次超静定结构，对地形有较高要求。建造拱坝理想的地形条件应是左右两岸对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的峡谷段。坝端下游侧要有足够的岩体支承，以保证坝体的稳定。理想的地质条件是基岩均匀单一、完整稳定、强度高、刚度大、透水性小和耐风化等。该枢纽河道较弯曲，尤其坝址处处显著呈S形，两岸山体呈马鞍形，没有厚实的岩体 作为坝肩，左岸陡峭，右岸相对平缓，峡谷不对称，下游河床开阔，无建拱坝的有利地形。且两岸岩石破碎，岩石的隐裂隙很发育，基岩地质条件较差，不适宜修建拱坝。③土石坝方案相较于以上两种方案，土石坝方案优势很明显。土石坝适应性强，对地形、地质条件要求低，几乎在所有的条件下都可以修建，建基面覆盖层可不必挖去，节省成本。且土石坝施工技术简单，可实行机械化施工，缩短工期。坝轴线下游1.5~3.5km，土料储量丰富，质量可满足筑坝要求，避免了长途运输，因此土石坝造价相对较低。所以采用土石坝方案。2）泄水建筑物型式的选择对土石坝，泄水建筑物可考虑岸边溢洪道和水工隧洞。本枢纽坝趾下游300m处的两岸河谷呈马鞍形，右岸有马鞍形垭口，极适宜修建岸边溢洪道泄洪，可大大减少开挖量，降低造价。岸边溢洪道结构简单，运行安全可靠，且超泄能力强，适用于各种水头和流量。故本设计泄水建筑物采用岸边溢洪道。3）水电站建筑物土石坝不宜采用坝式水电站，而宜采用引水式发电，所以这里用单元供水式引水发电。4）放空建筑物施工导流洞及水库放空洞，均采用有压式。为便于检修大坝和其它建筑物，拟利用导流隧洞作放空洞，洞底高程为70.00m，洞直径为3.50m。2．土石坝设计（1）土石坝坝型影响土石坝坝型选择的因素很多，最主要的是坝址附近的筑坝材料。还有地形、地质条件，气候条件，施工条件，坝基处理，抗震要求等。应选择几种比较 优越的坝型，拟定剖面轮廓尺寸，进而比较工程量、工期、造价，最后决定技术上可靠，经济上合理的坝型。根据前述初步分析，这里着重比较土石坝的几种坝型：均质坝、心墙坝和斜墙坝。1）均质坝均质坝材料单一，施工简单、方便，干扰少。但均质坝坝身黏性较大，雨、冬季施工较为不方便，不利于加快进度，缩短工期[1]。同时均质坝坝坡较缓，工程量大，需要大量足够适宜的的土料，该处土料储量丰富，但多为砂料、山坡土、覆盖层，不能渗透系数的要求，故而不考虑均质坝。2）斜墙坝斜墙坝的坝壳可以超前于防渗体进行填筑，而且不受气候条件限制，也不依赖于地基灌浆施工的进度，施工干扰小。但由于抗剪强度较低的防渗体位于上游面，故上游坝坡较缓，坝的工程量相对较大（相比于心墙坝）。斜墙对坝体的沉降变形也较为敏感，与陡峻河岸的连接也比较困难，而本枢纽坝址处左岸岸坡较陡，故不宜选用。3）心墙坝心墙坝的防渗体位于坝体中央，适应变性的条件较好，特别是当两岸坝肩很陡(与本枢纽适应)时，较斜墙坝优越。其优点还有：①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；②当库水位下降时，上游透水坝壳中水分迅速排泄，有利于上游坝坡稳定，使上游坝坡比均质坝或斜墙坝陡；③下游坝壳浸润线也比较低，下游坝坡也可以设计得比较陡；④在防渗效果相同的情况下，土料用量比斜墙坝少，施工受气候影响相对小些；⑤位于坝轴线上的心墙与岸坡及混凝土建筑物连接比较方便。 从材料方面来看，用作防渗体的土料可采用坝轴线下游1.5～3.5km的丘陵区与平原地带的粘土料，且储量较多，一般土质尚佳，可作筑坝之用。用作透水料的砂土可从坝上、下游0.5～3.5km河滩上开采，储量很多，可供筑坝使用，而且便于分别从上下游上料，填筑透水坝壳，使施工方便，争取工期。故本枢纽选择粘土心墙坝。（2）土石坝断面初拟：包括坝顶高程、坝顶构造、底部厚度、下游坡度、护坡形式、马道设置等。1）坝顶高程：坝顶高程分别按设计情况和校核情况计算，按照以下4种方式计算，取其较大值；a.设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；b.正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；c.校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；d.正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高；土坝坝顶高程=水库静水位（设计水位或校核水位）+坝顶超高d坝顶超高d按下式计算：d=R+e+AR：波浪在坝高上的设计爬高，m；e：风浪引起的坝前水位壅高，m；A：安全加高，m，根据坝的级别按照表3使用，其中非常运用条件(a)适用于山区、丘陵区，非常运用条件(b)适用于平原区、滨海区。表3土石坝的安全加高坝的级别1234正常运行条件1.501.000.700.50非常运用条件(a)0.700.500.400.30 坝的级别1234非常运用条件(b)1.000.700.500.30该枢纽拦河大坝属于2级水工建筑物，安全加高A分别取：正常运用情况下1.0m，非常运用情况下0.5m。根据SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》推荐的公式确定R和e。计算成果见下表.表4坝顶高程计算成果表计算项目设计情况校核情况上游静水位m113.1113.5河底高程m68坝前水深Hm43.143.5吹程Dkm8风向与坝轴线的夹角（°）45风速Vm/s10风浪引起雍高em0.00330.0032波高2hcm0.5900.590土坝上游坝坡坡率m　3上游糙率n　0.025波浪沿坝坡爬高ham0.7680.768安全超高δm10.5坝顶高程m114.87114.77坝顶高程加0.4%沉陷m115.06114.96注：由于设计资料中未给出风向与坝轴线的夹角，拟取45°。风吹的雍高e(KV^2Dcosα)/2gH=（2-1）式中：K为综合摩阻系数，不同研究者所建议的K值有所不同，一般取值范围为1.5×10-3~5×10-3，计算时可取3.6×10-3；V为设计风速，m/s；D为吹程，km；H为水库水域的平均水深，m；α为风向与坝轴线法线方向的夹角。波浪在坝坡上的爬高ha可按以下经验公式计算：h_a=0.45（2h_c）^1.1/(m⋅n^0.6)　　　　　　（2-2）式中：2hc为波高，2hc=0.0166V5/4D1/3，m； m为土坝上游坝坡坡率，初拟时可取为3；n为上游糙率，上游拟采用浆砌块石护坡，取为0.025。2）坝顶宽度土石坝坝顶宽度根据运行、施工、构造、交通和人防等方面的要求综合研究后确定。本枢纽中坝顶无交通要求，而且坝高113m>70m，视为高坝，按照设计规范10~15m，取10m。3）上下游坝坡对粘土心墙坝，上下游坝坡一般在1：2~1：4之间选取。而且，一般上游坡比下游坡稍缓；沿坝高一定高度（可取为20~30m）改变一次坝坡，坝坡相差0.25~0.5，且设置一级马道。本设计中，最大坝高约为115.1-68=47.1m，故采用三级变坡。上游考虑在一半坝高附近变坡一次，上部坡率取2.5，下部坡率取3，变坡处设马道。下游每隔20m变坡一次，变坡处设马道，坡率自下而上依次为2.75、2.5、2.0。4）心墙的断面尺寸本坝体防渗体为粘土心墙。a.位置粘土心墙位于土石坝断面的中心线，心墙底部设置齿墙。b.心墙断面尺寸顶宽：心墙顶部的水平宽度应满足用施工机械碾压的要求，一般不小于3m。本设计中可取为4m。两侧坡度：粘土心墙，其上、下游坡度一般为1：0.15~1:0.3。可取为1:0.25。 顶部高程：防渗体顶部在水库静水位以上应有超高，以防漫顶。在正常运用情况下，心墙顶超高采用0.3~0.6m；非常运用情况下，防渗体顶应不低于非常运用情况下的静水位。此处超高可取为0.5m，心墙顶部高程为113.00+0.50=113.50m。心墙厚度：心墙的底部宽度首先应满足防渗要求。粘土的允许渗透坡降[J]为6~8,上下游最大作用水头为△H=113.50-68=45.50m，故墙厚应为T≥△H/[J]=5.69~7.58。本设计中心墙底部宽度为4+2×（113.50-68）×0.25=26.75m，满足上述要求。土石坝剖面成果见下图：图2.4土石坝剖面设计图土石坝剖面设计成果详见附图二：土石坝剖面图。(3)防渗体尺寸初拟拟定顶部厚度、底部厚度，设计过滤层和反滤层，确定心墙与地基的连接方式。粘土心墙的顶部应有保护层，防止冰冻和机械破坏，其厚度一般为1.5~2.5m。防渗体与坝壳上游连接处应设置过滤层，以缓和不同土料之间的沉陷差和减缓渗流的破坏作用；下游连接处应设置反滤层，反滤截留随渗流带出的细小颗粒，可促使粘土心墙裂缝的自愈。本设计中保护层厚度达115.1-113.6=1.5m，满足要求，具体设计见坝顶部构造。（4）排水设施的选择。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，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。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。坝址附近有丰富的石料可开采，且石料质地坚硬，可以利用，做堆石料棱体排水。综合以上分析选择堆石棱体排水方法。堆石棱体排水尺寸设计：堆石棱体内坡取1：1.5，外坡取1：2.0，顶宽2.0m。棱体顶部高程须高出下游最高水位，且有一定超高。对1、2级坝，超高不小于1.0m。校核情况下，上游水位113.5m，相应下游最高洪水位74.30m。超高取1.2m，所以顶部高程为74.30+1.2=75.50m。（5）渗流计算①选择水力学方法求解土石坝渗流问题。根据坝内各部分渗流特点，将坝体分为若干段，应用达西定理近似解土坝渗流问题，计算假定任一过水断面内各点渗透坡降均相等。计算简图如下： 图2.5.1有限深透水地基心墙土坝渗流计算简图 本设计按有限深透水地基上的心墙土坝计算：可将心墙化为等厚δ的矩形，δ=δ1+δ22由于心墙的渗透系数kc<<坝体k，故可认为上游浸润线水平(与库水位同高)；排水设施为棱体排水时，假定浸润线逸出点为下游水位与堆石体内坡的交点。q=k1（H1+T）2-（h+T）22δq=kh2-H222L0+k0T（h-H2）L0+0.441T式中δ—心墙平均厚度L0—从平均厚度的心墙下游边线到浸润线与排水体上游坡交点的水平距离k1—心墙的渗透系数k—坝体的渗透系数k0—坝基的渗透系数h—心墙下游边线处的浸润线高度H1—上游水深H2—下游水深T—透水地基厚度联立两方程，即可求得q、h：h=12A（B2+4AC-B）其中，A=k12L0+k12δB=k0TL0+0.441T+k1TδC=k1（H1+T）22δ+k1T22δ+kH222L0+k0H2TL0+0.441T坝体下游浸润线方程为：y=h2-（h2-H22）L0x②本设计仅对河槽处最大坝高断面进行渗流计算。假设地基为不透水地基。按 规范规定，渗流计算一般应计算四种工况。一上游正常高水位与下游相应的最低水位；二上游设计洪水位与下游相应的最高水位；三上游校核洪水位与下游相应的最高水位；四库水位降落时对上游坝坡稳定最不利的情况；本设计仅计算一种工况：上游设计洪水位+下游相应水位。③H1=113.10-68.00=45.10m，H2=72.65-68.00=4.65m，δ=δ1+δ22=（4+26.75）/2=15.375mL0=5+7.1×2+2+20×2.5+2+12.5×2.75-（7.5-4.65）×1.5-15.375/2=106.6125m根据设计资料，k0取1×10-6m/s，k1取1×10-8m/s，k取1×10-5m/s，T取1.5m。计算成果表如下：表2.5.3渗流计算成果表计算工况H1H2δL0Tk0k1khqmmmmmm/sm/sm/sm1×10-7m3/(s⋅m)设计工况45.14.6515.375106.611.51×10-61×10-81×10-55.996.879总渗流量Q=mLq，从地形地质平面图上可大致量得大坝沿坝轴线长L=400m，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m=0.8。Q=0.8×400×6.879×10-7=2.20×10-4m3/s坝体浸润线方程：y=h2-（h2-H22）L0x=35.922-0.134x(x∈(0,106.61))（6）坝坡稳定计算1）滑动面选择心墙坝的下游坝坡拟采用山皮土料，其内摩擦角j=33°，粘聚力c=10kN/m2 ，为粘性土。稳定计算采用瑞典圆弧滑动法，首先须确定最危险滑动圆弧位置。本次设计只做一个滑动面的稳定计算（滑动面的起点在坝顶、与心墙相交、与坝基接近或切入坝基、端点在坝坡脚附近、圆弧半径尽量选择为整数），滑动面如图6.1所示：图2.6.1坝坡稳定计算图2）计算过程：圆弧半径为R=230m，对滑动面上土体进行分条编号：b=0.1R=23m，从圆心作垂线为0号土条的中心线，向上依次为1，2，3，…；向下依次为-1，-2，…。为简化分析，现只考虑自重荷载。对如图4—4，所示的坝坡，以i土条为例，其自重Wi=γibHi，式中Hi为土条高度，b为土条宽度，γi为土体容重。自重Wi在滑动面上的切向分力Ti=wisinαi起促滑作用，法向分力Ni=wicosαi在滑动面上产生摩擦力，起抗滑作用。式中αi为土条底部中点所在半径与铅直线的夹角，φi是土条在滑动面处的内摩擦角。滑弧li长度上的凝聚力cili起抗滑作用，ci为该土条在滑动面处土体的单位凝聚力。在滑动面上总滑动力为Wisinαi，总抗滑力为Wicosαitanφi+cili，分别对圆心O取力矩，滑动力矩Ms=RWisinαi，抗滑力矩Mr=R（Wicosαitanφi+cili），则坝坡稳定系数K为： K=MrMs=Wicosαitanφi+cili/Wisinαi由于坝体中渗流量q很小，所以不考虑孔隙水压力。计算结果如表2.6.2所示： 工况：设计洪水位圆弧半径：230m土条宽度：23m滑坡位置：下游坡土条编号wiαisinαicosαiwicosαiwicosαitanφiwisinαililicikN°kNkNkNmkN1224.998930.05230.9986224.690890.781111.769623.0500172.875021984.300490.15640.98771959.8951791.8498310.256923.3000174.750033547.3226150.25870.96603426.57232225.2447917.659923.8500238.500043823.8112210.35820.93363570.08992318.44621369.668024.6500246.500053411.1920270.45380.89113039.76421974.04831547.922625.9000259.000061708.1120340.55890.82921416.3763919.8066954.738127.7600277.6000∑13637.38868320.17685112.01511369.2250K=Wicosαitanφi+ciliWisinαi=1.895表2.6.2坝坡稳定计算表 3）稳定判断《碾压式土石坝设计规范》规定的坝坡抗滑稳定的最小安全系数如2.6.3所示表2.6.3坝坡抗滑稳定最小安全系数运用条件工程等级1234、5正常运用条件1.301.251.201.15非常运用条件一1.201.151.101.05非常运用条件二1.101.051.051.00本设计中K=1.895>[K]=1.25,安全系数满足要求。坝的稳定安全系数偏大，但是鉴于各种因素考虑不全，实际安全系数可能要小些，故而不改变坝坡。3.溢洪道设计（1）溢洪道位置选择：主要考虑：地形、地质条件，枢纽总体布置等因素。1）地形条件应将溢洪道尽量布置在与水库正常蓄水位高程相近的马鞍形垭口上。这样溢洪道与坝分开，有利于坝的安全；利用垭口，有利于减少开挖工程量。本工程正好有一个符合上述条件的垭口，故在此处进行溢洪道布置。2）地质条件应将溢洪道尽量修建在岩基上，并力求溢洪道两岸山坡稳定。本工程垭口处覆盖层较薄，地质条件较好，两岸山体整体稳定，符合上述要求。3）枢纽总体布置应考虑与枢纽各建筑物在总体布置上的协调。入流、出流对枢纽其他建筑物的干扰。一般来讲，溢洪道的水流入口应位于水流流畅处，并与土石坝保持一定的距离，避免横向水流对土石坝坝坡的冲刷影响；溢洪道的水流出口处，应与坝脚或下游其它建筑物保持一定的距离，避免水流冲刷以及水流波动的影响。 （2）溢洪道型式的选择：河岸溢洪道主要有正槽式、侧槽式、竖井式、虹吸式等。综合考虑各条件因素，本设计采用开敞式正槽溢洪道。（3）孔口尺寸的拟定：1）堰型选择：溢洪道溢流堰可采用WES型实用堰，也可采用宽顶堰。本工程拟采用WES型实用堰。2）堰顶高程：根据设计资料给出，堰顶高程为107.5m。堰厚p拟取8m。3）溢流前缘宽度：分别按设计情况和校核情况进行估算。L=Q/qq为单宽流量q=m2gH032m为流量系数，在设计水头下取为0.502；H0为设计水头。计算结果如3.3.3表3.3.3溢流前缘宽度计算计算情况上游水位泄量堰上水头流量系数单宽流量溢流前缘宽度(m)Q(m3/s)H0(m)mm(m2/s)L(m)设计情况113.18405.60.50229.4528.52校核情况113.513406.00.50232.6641.02由此可计算得溢流前缘宽度为41.02m。4）单孔宽度b的确定：孔数n取为整数。b=L/n。b应为整数。选择5孔，则单孔宽为8.204m，取单孔宽为9m。5）闸门：可采用弧形闸门或平板闸门。本设计中选用平板闸门。根据《水利水电工程钢闸门设计规范SL74-95》，闸门尺寸取为9m×6.5m（宽×高），宽高比为9/6.5=1.38，满足按规范规定的露顶式闸门宽高比（1.0～1.5）。6）闸墩：根据溢流堰的构造要求，闸室中墩宽度取为2.5m，中墩分缝，边墩宽度取为3m，由此计算可得溢流堰宽B：B=5×9+2.5×4+3×2=61m （4）泄槽纵断面和横断面尺寸的拟定：1）泄槽的平面布置：泄槽在平面布置上，沿水流方向呈直线、等宽、对称布置，这样可使水流平顺、结构简单、施工方便。避免弯道或断面尺寸的变化，以防止高速泄流引起的波动、掺气、空蚀等现象。2）泄槽纵断面底坡：泄槽纵断面的布置与地形、地质条件关系密切。泄槽底坡尽可能采用单一的坡度，一坡到底，且满足i＞ik，保证泄槽中的水流流态为急流。由地形地质平面图上量得堰顶到下游74.30m高程处的水平距离为120m，高差为33.20m，故从堰顶到下游水面连一直线，直线的斜率大约等于0.25。为减少挖方，初步拟定泄槽坡率i=1/4。泄槽衬砌初拟选用石灰浆砌块石水泥浆勾缝型式，查阅有关文献，浆砌块石糙率一般为0.025。取α=1.0，近似计算临界水深hk=3αq2g=4.71m故其临界底坡：ik=gn2（b+2hk）4/3αb4/3hk1/3=0.44%i＞ik3）泄槽横断面尺寸：溢洪道处于岩基，可采用矩形或接近矩形的断面，使流量和流速分布都比较均匀，对下游消能有利。本设计采用矩形断面宽b=90m，长L约为1+42×33.20=137m。4）边墙的高度采用推求水面线的方法确定。泄槽水面线根据能量方程，用分段求和法计算，计算公式如下：△l1-2=h2cosθ+α2v222g-h1cosθ+α1v122gi-J J=n2v2R4/3式中，△l1-2为分段长度，m；h1、h2分别为分段始末断面水深，m；v1、v2分别为分段始末断面平均流速，m/s；α1、α2分别为流速分布不均匀系数，取1.05；θ为泄槽底坡的倾角；i为泄槽底坡，i=tanθ；J为分段内平均摩阻坡降；n为泄槽槽身糙率系数，可查相应规范；v为分段平均流速，m/s；R为分段平均水力半径，R=R1+R2/2，m；按《溢洪道设计规范SL253-2000》，泄槽段起始断面水深h1小于hk，计算公式为：h_1=q/(Φ√(2g（H_0-h_1cosθ）))q为计算断面以上单宽流量，m2/s;H0为计算断面以上总水头，H0=6+8=14m；Φ起始计算断面流速系数，取0.95；计算得到h1=2.26m本设计计算简图如图4-1。计算采用校核洪水情况，按水深进行分段，用上述方法计算泄槽水面线。 图4.1水面线计算简图计算结果见下表 断面h1ACRvvRnJi-J△LLmm2mmm/sm/sm　　　mm1-12.26131.0862.522.09710.223　　0.0250.024340.22566　0.002-22.00116.0062.001.87111.55210.8871.9840.0250.029720.220285.755.753-31.80104.4061.601.69512.83512.1931.7830.0250.042980.207026.7312.484-41.6092.8061.201.51614.44013.6371.6060.0250.061830.1881710.3922.875-51.4081.2060.801.33616.50215.4711.4260.0250.093210.1567917.1440.016-61.3075.4060.601.24417.77217.1371.2900.0250.130730.1192714.2554.267-71.2069.6060.401.15219.25318.5121.1980.0250.168290.0817123.8178.078-81.1063.8060.201.06021.00320.1281.1060.0250.221370.0286345.01123.08表4.1水面线计算成果 边墙顶的高程：根据上述计算结果，考虑掺气水深△h、安全超高△h’’来确定。根据《溢洪道设计规范SL253-2000》，泄槽段水流掺气水深△h可按下式计算：△h=ζv100hh为泄槽计算断面水深，m；v为不掺气情况下的泄槽计算断面流速；ζ为修正系数，可取1.0~1.4s/m；本设计取1.0s/m。《溢洪道设计规范SL253-2000》规定，泄槽段边墙高度，应根据计入波动及掺气后的水面线，再加上0.5~1.5m的超高。本设计中安全超高△h’’取0.5m。边墙高度计算结果如表4.4.2：表4.4.2边墙高度计算断面泄槽计算断面水深hv掺气水深△h安全超高△h’’边墙高度mm/smmm1-12.2610.220.2310.52.992-22.0011.550.2310.52.733-31.8012.840.2310.52.534-41.6014.440.2310.52.335-51.4016.500.2310.52.136-61.3017.770.2310.52.037-71.2019.250.2310.51.938-81.1021.000.2310.51.83（5)消能计算本枢纽溢洪道处于岩基上，可采用挑流消能。1）选用结构简单、施工方便、鼻坎上水流平顺、挑距较远、应用广泛的连续式鼻坎。鼻坎挑角θ=23°。鼻坎高程高出下游最高水位（设计时74.30m、校核时75.00m）1～2m，取76.00m，反弧半径R=10m。2）挑流距离的计算L=1g[v12sinqcosq+v1cosqv12sin2q+2g(h1+h2)] 式中：L为水舌挑距，m；v1为坎顶水面流速,m/s，按鼻坎处平均流速v的1.1倍；h1为坎顶垂直方向水深，m，h1=hcosq；h2为坎顶至河床面高差，m。sinq=0.3907，cosq=0.9205，v1=1.1v，h1=hcosq，g=9.8m/s2。计算结果见表4.5。表4.5水舌挑射距离计算结果计算情况v1hh1h2L校核洪水251.08600.999713.500068.68713)冲刷坑深度计算tk=αq0.5H0.25，tk"=αq0.5H0.25-H2式中：tk为水垫厚度，自水面算至坑底，m；tk"为冲坑深度，m；q为单宽流量，m2/s；H为上下游水位差，m；H2下游水深，m；α为冲坑系数，坚硬完整的基岩α=0.9~1.2，坚硬但完整性较差的基岩α=1.2~1.5，软弱破碎、裂隙发育的基岩α=1.5~2.0。此工程下游河床存在破碎带和一假想逆断层，岩层裂隙发育，所以取α=1.7。结果如下表4.5.2冲刷坑深度计算结果计算情况Z上（m）Z下（m）H（m)αqH2(m)tktk"校核水位113.5074.3039.201.732.666.3015.399.09 4)安全验算：Ltk"=7.55＞2.5~5.0，安全。（6）细部设计1）WES型实用堰根据《溢洪道设计规范SL253-2000》，WES实用堰堰顶上游曲线采用三段圆弧，上游堰面铅直，下游为幂曲线。如图4.6所示：R1=2.25mR2=0.9mR3=0.18m图4.6WES溢流堰堰顶曲线2)其他构造设计包括衬砌、排水、止水和分缝。泄槽位于岩基上，且水流流速较大，选用石灰浆砌块石水泥浆勾缝型式。衬砌纵向接缝采用平接缝，沿水流向横缝采用搭接型式。纵横向分缝距离分别取为10m、20m，缝下设纵横向排水沟，并设有铜片止水装置，在排水沟顶面铺沥青麻片，以防止施工时水泥浆或运用时泥沙堵塞排水沟，各横向排水沟的水流应通过泄槽两侧的纵向排水沟排往下游，纵向排水管设置两排，以保证排水通畅。'