水工建筑物方案设计书.pdf

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高等水工结构设计

(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。
:.
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。
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。

(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,,表面岩石均已风化,,局部地区有崩塌现象;左
岸岩石露头较少,,。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。,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,~,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,,,出
。施工完毕后即留作放空水库之用。
、规划成果
(1)勘测成果
①坝址地形图一张
②
③
④风化岩石允许流速6m/s
⑤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)
流量(m3/s)
附表3坝址下游水位—流量关系表
水位(m)
流量(m3/s)020406080100120
(2)灌溉引水要求及渠首有关数据
①
②
③渠首段渠道参数
底宽b==
设计水深h==:.
渠道比降i=1/5000
(3)水库规划设计成果
①
②兴利库容下限水位(×106m3的水位)
③兴利库容5×106m3
④
(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
,控制段宽度B=,流量系数m=,侧收缩系数
ε=(堰顶进口为圆角,上游堰高P=,边墩头部为圆弧形)。
1
②,设计洪水位时溢洪道下泄流量80m3/s,相应下游水位
。
③。

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。

(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400M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,,,相应:.
的特征水位为:。,设计洪水位时溢洪道下泄流
量80m3/s,。。
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

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,~,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)。

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,×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,平均爬高可按莆田实验站公式计算(适用于坝坡系数=~
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
,,H=-=;
n初步定为3;
,v=×15=
D=1km;
β取最不利情况,即β=0,cosβ=1;
拟采用砌石护坡:K=;
A
,
=

=

查表计算得hB=。
m

则△h=hB+e+hc=。
坝顶高程=+=。
采用校核洪水位时
v=15m/s;:.
n初步定为3;
H=-=;
=
<1,
取1;
K=8;
A
=

=

=

查表计算得出hB=。
m

则△h=hB+e+hc=。
坝顶高程=+=。
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
+1=。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,。
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:。由于下游坡面要修筑排水沟,
。

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:K——为粘土渗透系数,K=×10-6cm/s;
ee
T——坝基透水层深度。。
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、K取砂卵石的渗透系数,6×10-2cm/s;
T
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
,n'=;
L根据设计,。
联立(1)、(2)式,解得=,q=×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。

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,
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。

(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
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,,工程量较小
,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
即11m。。
(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
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,
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
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,
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
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,。
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
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
根据坝址下游水位—流量关系表,查得对应最大流量120m3/。
弧段最低点高程,,。则泄槽总长计算得出
97m。
坝址下游水位——流量关系表
水位(m)
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
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
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,~。对于破碎或风化的岩石尚应加深。齿墙嵌:.
。。
(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
当整理而成。宽度与消能建筑物出口宽度一致,为11m。

(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,;
——侧收缩系数,;
H=。
0
计算得出Q=115m3/s。
泄槽中临界水深h=可由下式计算:
k
式中:
α=;
q=Q/b=115/11=/();
cosθ=1-i2=1-=。
计算得出h=。
k
判断是否为淹没溢流:
在进口平顺时,h/H>。
s0
此处h即为h,H=-=,计算得h/H=,
sk0s0
不是淹没溢流,可以不考虑淹没系数。
<h,所以渠道坡度为陡坡。
0k
根据情况判断水面线S2型降水曲线,进口处水深为临界水深h,渠道中水深变化范围从h趋向正常水深
kk
水面线的计算可按照人工渠道水面线的计算方法:
人工渠道中的明槽恒定渐变流满足微分方程
其中
计算时先将整段渠道分成许多小渠段。设某渠段长△s,渠段内渠道底坡不变。令下标u代表渠段的上游
面,下标d代表渠段下游出口断面,坐标s指向下游入口断面,下标d代表渠段下游出口断面,坐标s指向:.
正,对方程1积分,得
渠段上平均水力坡度可近似地取两断面水力坡度的平均值,即
若用曼宁公式计算谢才系数C,则
利用该式可以从已测得的渠道水深资料反算出流量Q或糙率n。
在水面线计算中,有时已知下游水深,求上游水面线,有时则反之。下面的表达式中,以下标1代表水深
断面。下标2代表水深特求的断面,式2改为
其中:渠段平均水力坡度
方向参数
1断面1位于上游,计算下游渠道的水面线
r=
-1断面1位于下游,计算上游渠道的水面线
明槽流动为急流时一般是前一种情况,缓流时一般是后一种情况。
已知渠道中的流量、糙率及断面形状尺寸等条件,水面曲线的计算有两种做法:
(1)给定水深h、h,计算断面1、2的间距△s。计算式为
12
计算时从水深已知的控制断面出发,按一定变化幅度取若干水深值,分别计算出所有给定水深之间的距离
而确定各水深所在的位置,便得到水深的沿程变化规律。这种做法称为分段求和法。
(2)先给定断面位置,然后从水深已知的控制断面出发。逐个地计算出下一个断面的水深。这种方法在方
解时若用水算工作量很大,但对于计算机则不是问题,水面曲线的计算程序多数为这一类。
下面是用分段求和法推算沿程各断面的水深:
因流态为急流,进口处控制断面,h=h=,向下游计算水面线,方向参数依次取h=
1k2
,h=,h=,h=,h=,分段计算间距,s为各水深所在断面距起始断面的距离。
4560
:97m,应将h取较大的值。
6
经过试算,,s约为97m。。
6
(2)出口消能计算
出口消能计算时上游水位取设计洪水位,下泄槽流量为80m3/s;
挑距L可按下式计算:
式中:v——鼻坎坎顶水面流速,m/s,,当泄槽较长时,可按水面线推算泄
1
的水深,根据该处水深求出断面的平均流速。,v:.
80/(11×)=,v==17m/s;
1
h——坎顶平均水深h在沿直方向上的投影值,h=hcosθ,m,;
11
h——坎顶至河底面的高差,m,。
2
计算得L=。
冲刷坑深度计算:
冲刷坑深度决定于水舌跌入下游河道后具有的冲刷能力与河床的坑冲能力。冲刷坑尚无准确的计算方法,
程上常用经验公式估算最大冲坑的水垫深度t(m),即
k
式中:q——单宽流量,m3/(),/();
H——上、下游水位差,m,,,
;
k——冲坑系数,坚硬完整的基岩,k=~;坚硬但完整性较差的基岩,k=~;软弱破碎
发育的基岩,k=~。。
计算得出t=。
k
当下游水深为h时,则冲坑深度。,,
t
,。为了使冲坑不致危及挑流鼻坎的安全,冲坑中心点离建筑物应有--安全距离,称之
挑距。根据经验,~5倍,~。计算出的挑距大于安全挑距,符合要求。
、护底防渗排水等各部分的构造尺寸
(1)边墙高度拟定:边墙的作用是保护墙后山坡免受槽内水流的冲刷,同时也起挡土作用,并保证两侧山
定。边墙的高度应根据计算水深,考虑波动及掺气影响,并考虑一定的安全超高加以确定。
(2)考虑波动及掺气影响后水深可由下式计算:
;
式中:——考虑波动及掺气后的水深,m;
h——不计入波动及掺气时的计算水深,m,可按照校核洪水位时的流量115m3/s计算;
v——计算断面上的平均流速,m/s;
——修正系数,~,当流速大于20m/s时,宜用大值,。
(3)~,此处取1m。为节省工程量,边墙可随水面线的下降逐渐降低。
衬砌的分缝和排水:
为适应温度变化及地基不均匀沉降,混凝土衬砌需设置纵、横缝。衬砌块的分缝宜错
缝布置。我国溢洪道工程泄槽底板的纵横间距一般采用10~15m,顺水流方向一般做成平
接缝或键接缝,而顺着垂直水流方向的横缝多采用搭缝形式。此处每隔14m设一搭接式横
缝,而泄槽底宽只有11m,不设纵缝。
为排除地基渗水,减少衬砌所受的扬压力,需在衬砌下面设置排水系统。排水系统多
由若干道横向排水沟(管)及几道纵向排水沟(管)组成。通常有两种布置形式:一种是以纵:.
向沟为主的布置,其纵横向排水沟互相连通,汇集横沟渗水,最后由纵向排水沟排至下
游。当泄槽较长时,为了不增加下游衬砌板下面的压力,常用横向排水沟将纵向排水沟截
断,分级引向边墙外集中排除。后一种布置方式排水系统速小,便于检查,故采用后一
种。排水沟的修筑可结合横缝,直接用碎石、(卵)石充填排水沟。
建筑物设计----拔下涵管设计
在坝下设取水涵管。有压涵管中水流的压强过大,易产生集中渗流,所以采用无压涵
管。为了保证管内为无压流,闸门必须建在涵管入口处。
进口建筑物选择:选用塔式进水口。
涵管断面形状选择:考虑到检修方便,选用圆拱直墙式。
涵管出口连接渠道,。设计水深2m,则渠道的底面高
。。
涵管长约105m,i如取1:400,。
,材料选用钢筋砼,。
涵管放在土坝底部基岩上,,上游水位为最底水位水位
,H=-=。
(1)求临界水深
临界水深h可由下式计算:
k
式中:

q=Q/B=3/=
cosθ=1-i2=1-=
计算得出h=。
k
(2)求均匀流水深h。h=。
00
h>h,为缓坡,即0<i≤i,涵管长度小于(86~138)h时为短管,即涵管长度小
0kkk
于67~108m时为短管。涵管长为105m,按长管计算。
涵管为长管时:
距形断面
式中:B——距形涵管底宽,m,;
m——无压力流时的流量系数,;
H——计及流速水头的涵管进口水头,m,,上游水位为最
0
,H=-=,H取H,;
0:.
——淹没系数;
hc——进口段收缩断面水深,m,当洞身较长,且底坡0<i<i时,hc≈h。
k0
=1,得Q=,可以达到过流能力,运行时需改变闸门开度以控制流量。
高水位时应校核闸门后发生水跃的跃后水深不会到管顶。
。。
时,过流能力应按照半有压流计算。管壁厚度的确应进行结构计算,由于过程较复杂,此
处不进行计算,拟取管壁厚30cm