水工建筑物(均質(zhì)壩)課設(shè)

水工建筑物課程設(shè)計(jì)〔均質(zhì)壩〕一、根本資料：1、河谷地形見附圖。2、天然材料。在壩址附近3公里范圍內(nèi)滲透系數(shù)為k=10-5cm/s的土料儲(chǔ)量豐富，砂石料分布較為廣泛。覆蓋層厚度：岸坡3——5m，河床5——7m。覆蓋層滲透系數(shù)平均為10-2cm/s——103、內(nèi)外交通。工程緊靠公路，與鐵路線相距約10公里，交通便利，不需另外修建對(duì)外臨時(shí)施工道路。4、水庫規(guī)劃資料。該工程主要為下游城市和農(nóng)田供水，供水工程的最大引用流量為20m3/s。水庫正常蓄水位590m、設(shè)計(jì)洪水位592m、校核洪水位593m。設(shè)計(jì)洪水流量1200m3/s,下泄允許最大單寬流量18m3/s。水庫最大風(fēng)速12m/s，吹程D=5km二、土壩設(shè)計(jì)一、壩型選擇影響土石壩壩型的因素有：壩高；建筑材料；壩址區(qū)的地形地質(zhì)條件；施工導(dǎo)流、施工進(jìn)度與分期、填筑強(qiáng)度、氣象條件、施工場地、運(yùn)輸條件、初期度汛等施工條件；樞紐布置、壩基處理型式、壩體與泄水引水建筑物等的連接；樞紐開發(fā)目標(biāo)和運(yùn)行條件；土石壩以及樞紐的總工程量、總工期和總造價(jià)樞紐大壩采用當(dāng)?shù)夭牧现?，?jù)初步勘察，土料可以采用壩軸線下游1.5~3.5公里的丘陵與平原地區(qū)的土料，且儲(chǔ)量特別多，一般質(zhì)量尚佳，可作筑壩之用。砂料可在壩軸線下游1~3公里河灘范圍內(nèi)及平山河出口處兩岸河灘開采。石料利用采石場開采，采石場可用壩軸線下游左岸山溝較適宜，其石質(zhì)為石灰?guī)r、砂巖、質(zhì)量良好，質(zhì)地堅(jiān)硬、巖石出露、覆蓋淺，易開采。從建筑材料上說，均質(zhì)壩、多種土質(zhì)分區(qū)壩、心墻壩、斜墻壩均可。根據(jù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)需要選擇均質(zhì)壩。二、各組成局部的布置形式及尺寸1、灌溉引水建筑物采用有壓式引水隧洞與灌溉渠首連接。進(jìn)口設(shè)有攔污柵、進(jìn)水喇叭口、閘門室及漸變段；洞身筋混凝土襯砌；出口段設(shè)有一彎曲段連接渠首，并采用設(shè)置擴(kuò)散段的底流消能方式。主要灌區(qū)位于河流左岸，灌溉輸水渠渠首設(shè)計(jì)水位572m。2、水電站建筑物因?yàn)橥潦瘔尾灰瞬捎脡问剿娬?，而宜采用引水式發(fā)電，所以這里用單元供水式引水發(fā)電。3、供水工程建筑物采用壓力式管道輸水，根據(jù)最大引水流量20m3/s三、大壩輪廓尺寸的擬定大壩輪廓尺寸包括壩頂高程、壩頂寬度、上下游壩坡、防滲排水設(shè)備等。1、壩頂寬度本壩頂無交通要求，根據(jù)施工條件和防汛搶險(xiǎn)需要以及以往工程的統(tǒng)計(jì)資料，對(duì)于中低壩取5-10m。本設(shè)計(jì)壩頂寬度采用B=8.0m。2、壩頂高程：壩頂高程=水庫靜水位+壩頂超高，取四種運(yùn)算條件：設(shè)計(jì)洪水位+壩頂超高〔正常〕正常蓄水位+壩頂超高〔正?！承：撕樗?壩頂超高〔非?！痴Ｐ钏?壩頂超高〔非?！?地震平安加高中的最大值。壩頂超高值：d=R+e+A式中：d——壩頂超高，m；R——波浪在壩坡上的設(shè)計(jì)爬高，m；e——最大風(fēng)壅水面高度，即風(fēng)壅水面超出原庫水位高度的最大值；A——平安加高，m。1〕風(fēng)壅水面高度：e=K式中：——綜合摩阻系數(shù)，計(jì)算時(shí)一般取3.6*10-6D——水庫吹程為5km；β——計(jì)算風(fēng)向與壩軸線的法線間的夾角，該壩β=00HmW——計(jì)算風(fēng)速，ms算得：e=3.6×102〕.波浪爬高R的計(jì)算：平均波浪爬高Rm：當(dāng)壩坡系數(shù)m=1.5~5.0時(shí)，Rm=k式中：k?——斜坡的糙率及滲透性系數(shù)查表得kkw——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)查表得khm——平均波高單位：〔m〕Lm——平均波長單位：〔m〕平均波高和平均波長由官廳水庫公式可計(jì)算：hg式中：W——計(jì)算風(fēng)速，單位：msD——風(fēng)區(qū)長度，取吹程D=5Km；帶入數(shù)據(jù)可計(jì)算的：hm=0.0166=0.63mLm==0.331=11.4m將hm=0.63m，Lm=11.4m帶入公式：Rm=Rm=k=0.86m即得平均波浪爬高Rm=0.86m又查《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》〔SL274——2001〕附錄A.1.13不同累計(jì)頻率下的爬高與平均爬高比值〔RpRm〕得，Rp=2.66所以R=Rp3〕平安加高A:表1-1平安加高〔單位：m〕運(yùn)用情況壩的級(jí)別1級(jí)2級(jí)3級(jí)4、5級(jí)正常1.51.00.70.5非?！瞐〕0.70.50.40.3非常(b)1.00.70．50.3該壩屬于2級(jí)水工建筑物，平安加高分別?。赫＿\(yùn)用情況下1.0m，非常運(yùn)用情況下0.5m。四種計(jì)算成果見表1-2運(yùn)用情況靜水位〔m〕〔m〕e(m)A(m)地震平安加高壩頂高程〔m〕設(shè)計(jì)洪水5922.290.00121595.29595.79正常洪水5902.290.00121593.29校核洪水5932.290.00120.5595.79地震洪水5922.290.00120.51595.79壩頂高程最后結(jié)果：598m。驗(yàn)算：壩頂高程698m均大于設(shè)計(jì)洪水位〔正常蓄水位〕+0.50m即592+1.0=593m；校核洪水位593m。所以滿足要求。四、上下游壩坡設(shè)計(jì)均質(zhì)土壩初選可參照已有的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)擬定。中低高度均質(zhì)壩其平均坡率為1:3可將上游壩坡的坡率選為1:3，下游壩坡的坡率選為1:2.75，1:3.0,1:3.25下游馬道寬度按用途確定，一般不小于1.5m，此處取馬道寬為2.0m五、壩體剖面圖由設(shè)計(jì)資料可知將覆蓋層挖去5m，那么壩底高程為565-5=560m。由標(biāo)準(zhǔn)，上下級(jí)馬道間高程差≥10m,所以初步設(shè)計(jì)一級(jí)馬道高程為570m，二級(jí)馬道高程為585m，下游排水設(shè)計(jì)為棱體排水(構(gòu)造簡單，排水較好，易于維修)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定棱體頂寬≥1.0m,此處取為2m，棱體內(nèi)坡根據(jù)施工條件確定，一般為1:1.0~1:1.5，此處取為1:1.0，外坡為1:1.5綜上所述，壩體剖面示意圖如下所示土壩的滲流分析一、計(jì)算情況選擇1、設(shè)計(jì)情況對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)水位與下游無水情況。校核情況對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)水位與下游無水情況。二、滲流分析方法的選擇滲流分析的方法有很多，其中水力學(xué)方法和流網(wǎng)法比簡單實(shí)用，同時(shí)也具有一定的精度，此處采用水利學(xué)方法對(duì)滲流進(jìn)行分析。三、滲流分析具體步驟下游設(shè)置棱體排水，因棱體排水的滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于壩身的滲透系數(shù)，故浸潤線將要進(jìn)入排水體時(shí)，下降加快，進(jìn)入排水體后那么驟降。浸潤線為拋物線，近似假定排水體內(nèi)的坡腳與下游水位基面交點(diǎn)作為拋物線的焦點(diǎn)，并選此點(diǎn)為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，計(jì)算簡圖如下所示由圖知：原點(diǎn)處拋物線的坐標(biāo)值為h,交點(diǎn)o至浸潤線終點(diǎn)的水平距離為lg,拋物線的標(biāo)準(zhǔn)方程為y2=2px+c,由條件x=0時(shí)，y=h0,x=-lg2(由拋物線的性質(zhì)可知lg=ho2),可求得浸潤線方程為y2=2h0x+h1、上游三角形棱體一等效的矩形來代替，b=m11+2m1H1b=31+22、壩前水位高程為593m, AB=２m,BC=２×３=６m,壩頂寬為8m，CD=8m,如圖，近似將滲透區(qū)長度取至棱體排水頂部，由前知點(diǎn)的高程為567m,取下游坡率m2=3，故DE點(diǎn)間的水平距離為〔598-567〕×3=93故滲流區(qū)的長度L=b+BC+CD+84=14.14+6+8+93=121.14m3、H2為下游水深，由于地基開挖5m，Hh0=故求得浸潤線的方程為Hx即H4、滲流量q(單位寬度)q=k×h0k為滲透系數(shù)，k=q=105、根據(jù)Hx2=9x+2x-2.25015102030507090100H04.55.48.110.514.21721.725.528.830.36、由上表，可畫出壩體浸潤線圖，見下列圖，圖中G點(diǎn)高程為590.9m，A點(diǎn)高程為593m，由點(diǎn)M處徒手向A點(diǎn)畫線，即得浸潤線。7、從圖中分別取斷面1-1,2-2，3-3,4-4,5-5，其滲流如下：如上圖所示，壩頂高程為598m，從地形圖上可算得大壩頂部長度為：9.8×500=4900cm=49m,取為49m，故圖中壩頂高程為49m。所取斷面如下圖，量得：求得各斷面的單寬流量為qq3q由公式Q=12[q=1=1.03×8、滲流變形的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)〔1〕滲流量控制：由于資料不全無法判斷Q≤【Q允〔2〕滲透變形控制：按土的細(xì)粒含量Pc和土的密實(shí)度判別管涌或流土PPc<PPc>P由于資料不全無法進(jìn)行判斷〔3〕水力比降判斷流土型：J管涌型：J式中Jcr為臨界水力比降，Gs為土的顆粒密度與水的密度之比，k為滲流系數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)采用的允許水利比降=臨界水力比降÷平安系數(shù)Ka,查相關(guān)資料取K臨界水力比降=?允許水利比降=0.155÷1.8=0.086<0.155需設(shè)反濾層為大壩平安起見，同時(shí)設(shè)計(jì)排水和防滲防滲、排水、反濾層、護(hù)坡、馬道、防滲墻等細(xì)部結(jié)構(gòu)的構(gòu)造防滲體的設(shè)計(jì)瀝青混凝土具有較好的塑性和柔性，滲流系數(shù)為10*瀝青混凝土防滲體可做成斜墻或心墻，此設(shè)計(jì)中選用斜墻斜墻鋪設(shè)在墊層上，墊層一般為1～3m的碎石，此設(shè)計(jì)中取墊層厚度為1m其上鋪有3～4cm的瀝青碎石層作為斜墻的基墊，此處取為4cm，斜墻本身由密實(shí)的瀝青混凝土防滲層組成，厚20cm左右，分層鋪壓，每一層厚3～5cm。在防滲層的迎水面涂一層瀝青瑪瑙脂保護(hù)層，可減緩瀝青混凝土的老化，增加防滲效果，瀝青混凝土斜墻的上游壩坡一般不陡于1:1.6～1:1.7，此處取與壩體上游壩坡相同的坡率，取1:3如下圖壩頂和護(hù)坡1、壩頂：壩頂應(yīng)選用耐沖材料，此處采用混凝土和礫石壩頂上游易設(shè)防浪墻，墻頂高于壩頂1～1.2m此處取為1.0m。防浪墻應(yīng)鞏固且不透水，用漿砌石作防浪墻，墻體應(yīng)與防滲體緊密連接，如下圖2、護(hù)坡〔1〕上游:上游坡面要經(jīng)受波浪沖刷，冰層和漂浮物的撞擊等危害，因此常采用干砌石，漿砌石或堆石，此外采用漿砌石護(hù)坡，厚度為0.6～0.9m此處取厚度為0.8m，漿砌石護(hù)坡下有墊層，采用碎石墊層厚度為0.5m〔2〕下游：下游坡面要經(jīng)受雨水、大風(fēng)、尾水部位的風(fēng)浪、冰層和水流的損害及動(dòng)物、凍脹干裂等的破壞作用。一般采用簡化式護(hù)坡，護(hù)坡的覆蓋范圍應(yīng)延生至壩腳，但排水棱體不需防護(hù)。采用草皮護(hù)坡，厚度為0.1m，草皮下鋪一層0.2m厚的腐殖土。為防止雨水浸流沖刷壩坡面，須設(shè)置壩面排水系統(tǒng)，一般為排水溝，設(shè)于馬道內(nèi)側(cè)，排水溝采用混凝土砌石筑成?！?〕馬道：馬道用混凝土砌筑而成，具體構(gòu)造如下圖六、排水和反濾層1、排水：由前設(shè)計(jì)知，壩體排水采用棱體排水，用塊石堆成，其尺寸如下圖此處不做詳細(xì)解說2、反濾層：反濾層的作用是慮土排水，防止土工建筑物在滲流溢出外遭受管涌，流土等滲流變形的破壞以及不同土層界面處的接觸沖刷，反濾層一般由1～3層不同粒徑的砂、礫石組成，層面大致與滲流方向正交，各層的粒徑沿流向由細(xì)到粗，反濾層按其工作條件有兩種類型，分別為Ⅰ型:反濾層位于被保護(hù)土體下側(cè),Ⅱ型:反濾層位于被保護(hù)土體上側(cè).此處只設(shè)計(jì)地基滲流逸出出的反濾層,故采用型反濾層.將其設(shè)于棱體的上側(cè),被保護(hù)土體的下側(cè).水平反濾層的厚度≥0.3m此設(shè)計(jì)中取為0.4m,其構(gòu)造如下圖七、溢洪道設(shè)計(jì)1、溢洪道選型經(jīng)地形圖的初探以后決定將溢洪道布置在區(qū)方位上。圖上無馬鞍形地形，決定采用河岸式溢洪道，壩基一側(cè)為平緩山坡，可在壩端設(shè)置正槽溢洪道。2、溢洪道布置溢洪道由進(jìn)水渠、控制段、泄槽、出口消能段及尾水渠等局部組成，溢流堰軸線與泄槽軸線接近正交，過堰水流流向與泄槽軸線方向一致，其中，控制段、泄槽及出口消能段是溢洪道的主體。溢洪道最好布置在巖基上，其軸線應(yīng)盡量短，并力求順直。如必須轉(zhuǎn)彎時(shí)，彎端最好設(shè)在緩坡明渠上，其曲率半徑應(yīng)不小于渠底寬度的5倍?！?〕引水渠：設(shè)計(jì)洪水流量Q設(shè)=1200m3s、q允許=18m3由Q=v×A根據(jù)施工難易程度準(zhǔn)備將引水渠開挖成矩形，盡量采用最優(yōu)斷面：風(fēng)化巖可采用1：0.5~1：1.0，選用1:1邊坡。bh=21+m2所以b=0.83hb×h=0.83h2=800可得b=26mh=31m單寬流量q=120026由Q=bq允許那么h=11.9取12m故最終截面尺寸選定：渠底高程應(yīng)低于堰上水頭的15由于考慮壩身平安，進(jìn)水口離壩身應(yīng)大于30m，最終定為30m.建成喇叭形式，但上口不封閉為明渠無壓流，進(jìn)水渠與溢流堰用導(dǎo)流墻相連。導(dǎo)流墻長度為3~5堰上水頭，故導(dǎo)流墻為5×2.75m=13.75m〔2.75m為堰上水頭，參考溢流堰計(jì)算〕〔2〕溢流堰計(jì)算地形較低，巖基不深，覆蓋層易于全部抗除采用WES曲線堰。地形條件允許，考慮溢洪道與大壩分開。考慮到過設(shè)計(jì)以外洪水，長期過水，長生潰壩。故最終將堰布置在巖基開挖線中，與大壩隔開，將大壩與溢洪堰布置在一條壩軸線上易于交通和運(yùn)行維護(hù)。1〕確定堰頂高程H采用WES并假定p1>1.33H驗(yàn)算p1>1.33Hd設(shè)堰為自壓出流δH那么收縮系數(shù)：ε=1-0.20.7+土壩與高溢流堰〔kaε1=1-2=1-20.2+=1-20.2=1-0.00597H將ε1帶入Hd堰頂高程：?堰上水頭：h=2.75m上游堰高：?因?yàn)閜1Hd=252〕堰剖面設(shè)計(jì)堰頂O點(diǎn)上游三圓弧半徑及其水平的標(biāo)值為：R1=0.5XRXRX溢流堰頂三段為圓弧組成，下游邊坡采用0.7邊坡，下游段為一反弧段，其后計(jì)算。O點(diǎn)下游坐標(biāo)方程：yHdy=0.5×x1.85H按上式算的如下：xm12345678910ym0.2110.7621.6142.7474.1525.8177.7409.90512.31614.97根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪的堰頂曲線Oc，坡度mα=0.7的下游坡段CD與曲線OC相切與C點(diǎn)，C點(diǎn)坐標(biāo)〔x對(duì)堰面曲線求一階導(dǎo)數(shù)：=1.854.73x0.85直線CD坡度為：dyd由=10.7=0.39x可推出xc=1yc壩下游反弧段半徑r=〔0.25～0.5〕〔Hd+Zmax〕式中Zmax上下游水位差；由于下游水位不是太大初設(shè)為0m;r=〔0.25～0.5〕〔Hd+Zmax〕=〔0.25~0.5〕〔2.75+25〕為方便設(shè)計(jì)計(jì)算采用14m，反弧曲線的上端與直線CD相切與D點(diǎn)，下端河床相切與E點(diǎn)。反弧曲線圓心O計(jì)算：=4.6+0.7〔25-3.56〕+14cot=26.88my0=pE點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算：26.88mP125mD點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算：26.88-14sin550=15.4m14+14×cos550=22m3、孔口尺寸設(shè)計(jì)由前面的計(jì)算可知單寬流量q=120026Q所以L=Q設(shè)取孔口寬度為10,那么n=L10=2.7，那么n=3——孔口寬度——中閘墩〔取2.0〕，邊墩〔取3.0m〕那么溢流前緣總長為LQ——閘墩側(cè)收縮系數(shù)，取0.95——流量系數(shù)，取0.48——重力加速度，9.81溢洪道在開挖的時(shí)候，為了增強(qiáng)防沖刷能力，需要設(shè)置襯砌，粗糙率取4、控制段〔1〕擬定控制段的形式為了控制瀉流能力，設(shè)置平面鋼閘門，b由前面的計(jì)算可知Hp