水陂設(shè)計(jì)文檔

灌溉與排水工程4.1.1

水陂設(shè)計(jì)為保證干旱季節(jié)滿足項(xiàng)目區(qū)灌溉蓄水量，在項(xiàng)目區(qū)自流溪水上游建設(shè)水陂；水陂應(yīng)布置在灌溉引水溝渠上游位置，根據(jù)選址范圍內(nèi)的地址條件，項(xiàng)目區(qū)共新建1座水陂。陂址處河道寬51m，水陂采用實(shí)用堰的形式，初擬定水陂凈寬50米，根據(jù)引水溝渠要求選取水陂高1.8米。目建設(shè)保護(hù)農(nóng)田規(guī)模為2227畝，小于一萬畝屬ⅴ等工程，故設(shè)計(jì)洪水取十年一遇，根據(jù)有關(guān)規(guī)范和實(shí)地資料，設(shè)計(jì)洪峰流量。（一）、堰頂水頭H與溢流量關(guān)系曲線的計(jì)算用試算法求得相應(yīng)溢流水深的溢流量?，F(xiàn)采用自由式堰流流量公式：式中為約束系數(shù)，按入口處直立邊緣的形狀而定，本設(shè)計(jì)采用圓弧形，?。弧獮榱髁肯禂?shù)，??；——計(jì)算斷面的寬度，本設(shè)計(jì)米；——陂上水頭（米），，P為從陂址處河底算起的水陂高度即1.8米，重力加速度。初步假定H=0.5m，第一次試算結(jié)果如下：=1-0.2×0.7×0.507÷50＝0.999m3/s假定一系列溢流水深H值，根據(jù)上述公式算出相應(yīng)的溢流量Q1結(jié)果如下：假定一系列溢流水深H值，根據(jù)上述公式算出相應(yīng)的溢流量。結(jié)果如下4-1：表4-1溢流水深斷面面積行進(jìn)流速陂上水頭流量系數(shù)水陂高P（m）凈寬B（m）計(jì)算流速0.50115.000.3590.5070.99861.8050.035.8820.51115.500.3570.5170.99861.8050.036.9420.52116.000.3560.5260.99851.8050.038.0130.53116.500.3540.5360.99851.8050.039.0940.54117.000.3530.5460.99851.8050.040.1860.55117.500.3510.5560.99841.8050.041.287根據(jù)表4-1計(jì)算成果繪制關(guān)系曲線圖4-1，可從圖上查得當(dāng)通過設(shè)計(jì)洪峰流量時(shí)，起相應(yīng)的陂頂水頭溢流水深H=0.556m。、陂身各部尺寸的擬定：漿砌石陂是靠自身重量來抵御外力作用的重力式水陂，陂身的基本形式為梯形，陂身尺寸的擬定，使一切外力的合力落在陂底中間三分之一處為依據(jù)，其梯形斷面的頂寬和底寬都與陂高和溢流水深有關(guān)。頂寬：底寬：式中——建筑材料在水中的比重，取1.31.4。為便于施工取：b=0.9m，d=2.1m。為增加水陂的泄洪能力，把陂面改為曲線型，其陂身外形按下列各式確定（見圖4-2）。，，、陂身斷面設(shè)計(jì)：斷面定型水頭采用最大設(shè)計(jì)流量時(shí)相應(yīng)的陂頂水頭H。=0.556m，計(jì)算結(jié)果如表4-3，陂身曲線斷面按照表4-3的坐標(biāo)值繪制如圖4-3。為避免陂后坦受到下泄水流的撞擊，對(duì)陂高P<10米者，采用R=0.5P的圓弧來聯(lián)系陂的下部和出口處的水平方向，采用R=0.5P=0.9m。表4-3單位坐標(biāo)采用的陂身輪廓線坐標(biāo)（m）0.00.10.30.60.71.01.52.02.42.83.24.00.1260.0360.0000.0270.1000.2560.6611.2351.8042.4623.2074.9300.0000.0560.1670.3340.3890.5560.8341.1121.3341.5571.7792.2240.0700.0200.0000.0150.0560.14203680.6871.0031.3691.7832.741（四）、下游水位推求:根據(jù)河流下游流量收集資料，采用明渠均勻流公式推求下游水位。式中—流量；A——渠道過水?dāng)嗝婷娣e，對(duì)于梯形斷面；h——下游水深（m）；b——河道底寬（m），b=50m；m——邊坡系數(shù)，采用m=0.20；C——謝才系數(shù)；n——河道糙率，取n=0.040；R——水力半徑（m），；——過水?dāng)嗝鏉裰埽╩）；i——河道縱向比降，i=1/2000。采用試算法計(jì)算下游水深流量關(guān)系，初步假定h=1.0m，計(jì)算結(jié)果如下：更換水深值h，按上述步驟重新計(jì)算，計(jì)算結(jié)果列入下表4-4，根據(jù)表中計(jì)算結(jié)果繪制天然河道下游水深流量關(guān)系曲線圖4-4，由圖上查得當(dāng)通過設(shè)計(jì)流量時(shí)，下游水深；因?yàn)橄掠嗡畹陀谮轫?，即，所以堰流為自由式，，故采用的公式正確。表4-4下游水深流量關(guān)系Q(m3/s)h（m）i(m)mb(m)nR(m)C(m1/2/s27.3971000.00050.2050.00.04050.2052.040.96524.8529.6891.050.00050.2050.00.04052.7252.141.01125.0532.0521.100.00050.2050.00.04055.2452.241.05725.2334.4831.150.00050.2050.00.04057.7652.351.10425.4136.9821.200.00050.2050.00.04060.2952.451.14925.5939.5481.250.00050.2050.00.04062.8152.551.19525.7542.1791.300.00050.2050.00.04065.3452.651.24125.92(五)下游河道消能水力計(jì)算1、流量與第二共軛水深的計(jì)算：采用自由堰流公式推求水陂通過各種不同流量時(shí)的陂上水頭，設(shè)：Q=20、25、30、35、40、41.29六種流量，列表計(jì)算入表4-5。第二共軛水深計(jì)算Q=20、25、30、35、40、41.29六種流量時(shí)的共軛水深，將計(jì)算結(jié)果列入表4-6。表4-620.00.40.3432.1431.050.950.0680.67725.00.50.3952.1951.050.950.0840.75730.00.60.4502.2501.050.950.1000.82935.00.70.4982.2981.050.950.1160.89540.00.80.5452.3451.050.950.1310.95941.290.8260.5562.3561.050.950.1350.975從圖中可以看出，下游尾水位比第二共軛水深高，滿足淹沒式水流的要求，不用考慮下游水流消能。陂身穩(wěn)定性分析1、水陂建址處地質(zhì)為中砂土：允許壓力；內(nèi)摩擦角干容重；孔隙率n=0.3浮容重混凝土容重rd=2.4t/m3摩擦系數(shù)陂前泥沙淤積假設(shè)至陂頂高程，根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）、《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191-2000），確定水陂結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅲ級(jí)，穩(wěn)定安全率K為：基本荷載組合K=1.15K；特殊荷載組合K=1.0K。2、鋪蓋長(zhǎng)度確定:本設(shè)計(jì)取3倍設(shè)計(jì)水頭，即5.4米。3、滲徑長(zhǎng)度核算：按最不利情況考慮，即上游水位平陂頂，下游無水的情況，上下游水位差H=1.8米，建筑物尺寸如圖4-6。理論需要滲徑長(zhǎng)度：式中C——坡降系數(shù)，本設(shè)計(jì)基礎(chǔ)為中砂土，C=5。代入C值后得：實(shí)有滲徑長(zhǎng)度:4、鋪蓋厚度計(jì)算：鋪蓋厚度，上游起始端厚度取0.61米，與陂鏈接處取0.6米，面上加0.4米厚的砂石層保護(hù)（見圖4-6）。驗(yàn)算鋪蓋厚度:式中——防滲鋪蓋厚度；——允許的滲透坡降（粘土，=46）；——實(shí)有的滲透坡降；H——作用于鋪蓋的上下游壓力差。按上式復(fù)核A點(diǎn)（見圖4-6）鋪蓋厚度。A點(diǎn)處的滲透壓力總則壓力差A(yù)點(diǎn)處鋪蓋厚度將上式各值代入公式后得：（安全）計(jì)算結(jié)果說明，鋪蓋粘土厚度尚可酌量減薄。施工情況計(jì)算：此情況下即陂身剛建好，上下游均無水，是基礎(chǔ)壓力最大的時(shí)候。現(xiàn)將陂身斷面劃分為若干小塊（見圖4-7），求出面積斷面面積A，面積A的重心至下游陂址G點(diǎn)的距離，計(jì)算各分塊重量及其對(duì)G點(diǎn)的力矩。計(jì)算結(jié)果列入表4-7。分塊編號(hào)分塊面積計(jì)算式分塊面積分塊重心至F點(diǎn)距離L（m）面積矩10.0362.420.08720.4132.4651.01830.272.2250.60940.1501.930.2951.0501.8051.89560.3401.2030.40970.2721.090.29680.1500.50.07590.5201.30.676100.3202.40.768110.0202.1330.043120.1250.6670.083130.2500.250.06314合計(jì)3.9166.312單位陂長(zhǎng)體重力矩合力臂：偏心距：基礎(chǔ)壓力：6、正常蓄水計(jì)算：此情況即上游水位與陂頂平，并淤滿了泥砂，而下游無水。揚(yáng)壓力U（浮托力+滲透壓力）的圖形及上游水和泥砂的總壓力的圖形如圖4-8。根據(jù)水工手冊(cè)，當(dāng)泥砂為細(xì)粒，泥砂內(nèi)摩擦角，則式中h—陂高；—泥水容重1.4；由于水橫壓力另行計(jì)算，故本設(shè)計(jì)取。鋪蓋部分橫壓力作為泥砂壓力計(jì)算，除上游齒墻上游側(cè)土側(cè)壓力外，其余各齒墻各側(cè)土橫壓力大致相互抵消，本設(shè)計(jì)不作計(jì)算。滲透壓力強(qiáng)度按滲徑長(zhǎng)度直線比例法計(jì)算，參照?qǐng)D4-6計(jì)算各轉(zhuǎn)折點(diǎn)的滲透壓力強(qiáng)度。X點(diǎn)的滲壓水頭：表4-8計(jì)算點(diǎn)XHGFEDCBA0.801.001.502.213.213.494.094.490.140.170.260.380.550.600.700.77式中—X點(diǎn)至滲透水流逸出點(diǎn)的滲徑長(zhǎng)度（m）；—基底各點(diǎn)浮托力強(qiáng)度相當(dāng)于各點(diǎn)與下游水位的高差。作用于陂底的揚(yáng)壓力圖形根據(jù)各點(diǎn)滲透壓力強(qiáng)度及浮托力強(qiáng)度作為縱坐標(biāo)繪制而成，浮托力及滲透壓力產(chǎn)生的水平力的橫坐標(biāo)，等于該各點(diǎn)的縱坐標(biāo)（圖4-8）。表4-9說明力力與G點(diǎn)距離（m）力矩（t）↙鉛直V水平力P↘陂重+9.40015.150揚(yáng)壓力-0.4002.4000.960-0.2942.4050.707-0.0602.1160.127-0.1152.1020.242-0.2001.5000.300-0.4651.5450.7181.5450.718-0.2250.6850.1540.124-0.1600.088-0.3500.030滲透橫壓力-0.108+1.1910.019-0.8100.0160.031-0.1750.038+0.3850.3930.0690.085-0.1350.220-0.1560.3080.042水壓力+2.4200.0940.0152.500-0.0311.033泥砂壓力+1.5680.5330.0170.9930.6337.078小計(jì)+4.25715.293↘陂基土重+7.023（1.170）8.215+0.264+0.512合計(jì)+0.116+0.4257+0.4257不計(jì)算陂基土重時(shí)，合力偏心距，故達(dá)到抗傾覆穩(wěn)定安全要求?；瑒?dòng)安全系數(shù)計(jì)算，考慮齒墻之間基土的作用，破壞面在倆齒墻間的傾斜底面上。()cos()sin()cos()sinoofVfPKPV式中of——比例系數(shù)（大約等于土壤的內(nèi)摩擦系數(shù)），陂基為中砂，內(nèi)摩擦角35o，則：350.7oooftgtg；——為滑動(dòng)面沿兩齒腳的連線BF與水平面的夾角（見圖4-8），則：220.30sin0.1740.301.70221.70cos0.9850.301.70將上述各值代入公式后得：0.77.9150.9850.74.2570.1742.1221.154.2570.9857.9150.174K(滿足要求)7、設(shè)計(jì)洪水計(jì)算：設(shè)計(jì)洪水時(shí)上下游水頭差1.07Hm，陂體潛沒。在計(jì)算垂直荷載時(shí)，將陂體重、陂上水頭與浮托力合在一起計(jì)算，即陂體重以浮容重計(jì)，記以'()WA。陂體上、下游水位以上水體重3W的計(jì)算，是假設(shè)上游水位從陂的上游面開始，以與水平線成o45的直線降落至下游水面。計(jì)算見圖4-9，滲透壓力計(jì)算方法同前：1.070.10210.50XXXXHLhLLL總，計(jì)算結(jié)果列入表4-10。表4-10計(jì)算點(diǎn)XHGFEDCBAXL0.801.001.502.213.213.494.094.49Xh0.080.100.150.230.330.360.420.46現(xiàn)列表計(jì)算作用于單位陂長(zhǎng)上的合力及其對(duì)F點(diǎn)的力矩，結(jié)果列入表4-11。表4-11說明力(/)tm力與F點(diǎn)距離（m）力矩M（t）鉛直V水平P陂重()(2.41)3.916dWA+5.4821.6108.826陂上水重30.5(0.551.28)2.601.0W+2.6171.0502.748揚(yáng)壓力"10.5(0.460.42)0.401.0U-0.1942.4050.467"20.5(0.330.36)0.201.0U-0.0762.1020.160"30.5(0.230.33)1.001.0U-0.3081.5440.476"40.5(0.150.23)0.501.0U-0.1050.7760.081"50.5(0.100.15)0.501.0U-0.0690.2750.019滲透橫壓力10.5(2.742.75)0.601.0UP+1.8120.0000.00020.5(2.042.70)0.601.0UP-1.5640.0210.03330.5(1.812.04)0.201.0UP-0.4240.3970.16840.5(1.712.13)0.501.0UP+1.0560.2360.24950.5(1.611.86)0.251.0UP-0.4770.3210.15360.5(1.862.08)0.201.0UP-0.4330.0970.042水壓力10.5(0.552.75)2.201.0P+3.9931.0674.261220.51.531.0P-1.1700.9601.123泥砂壓力20.52.800.4HP+1.5680.6330.993小計(jì)+7.347+4.361（0.869）13.0936.7066.387陂基土重續(xù)表4-11說明力(/)tm力與F點(diǎn)距離（m）力矩M（t）鉛直V水平P陂基土重10.5(1.001.40)0.201.1W+0.26420.5(1.401.70)0.301.1W+0.51230.50.700.301.1W+0.116總計(jì)+8.239+4.3614-9揚(yáng)壓力U和總壓力HP圖不計(jì)算陂基土重時(shí)，合力偏心距2.60/20.8690.431/60.433eLm，故達(dá)到抗傾覆穩(wěn)定安全