水工建筑物設(shè)計(jì)

1、高等水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1. 設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟(1) 確定樞紐組成根據(jù)流域規(guī)劃對(duì)水庫(kù)提出的任務(wù)，并根據(jù)地形、地質(zhì)、水文、氣象、建筑材料、交通運(yùn)輸、 施工和運(yùn)用條件等，確定樞紐中應(yīng)包括的主要建筑物，以及各主要建筑物的形式和布置。(2) 調(diào)洪演算按照樞紐等級(jí)確定水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)河道相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線和校核洪水過(guò)程線進(jìn)行調(diào)洪演算，以確定泄洪建筑物尺寸和調(diào)洪庫(kù)容( 其相應(yīng)的水位卻為設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位 ) 。(3) 建筑物設(shè)計(jì) 土壩 壩型選擇。根據(jù)土料的種類、儲(chǔ)量和分布位置，并考慮施工條件、工程量等因素選擇出最優(yōu)壩型。 擬定主要尺寸及構(gòu)造。包括壩頂高程，壩頂寬，上、下游壩坡，防滲排水設(shè)備的形式及尺寸等

2、。 滲流及穩(wěn)定計(jì)算。 本次設(shè)計(jì)僅進(jìn)行上游為正常蓄水位條件下的浸潤(rùn)線計(jì)算和滲流量計(jì)算，并于下游壩坡取一個(gè)滑弧進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。 細(xì)部設(shè)計(jì)。包括壩頂，上、下游護(hù)坡，防滲設(shè)施與壩體及壩基的連接，反濾層布置等。 溢洪道 溢洪道形式及主要尺寸擬定 根據(jù)地形地質(zhì)條件、水流條件、工程量大小及下泄洪水安全歸河等因素，確定溢洪道的形式及主要尺寸。 泄水渠水面線計(jì)算及出口消能計(jì)算確定邊墻 ( 或襯砌 ) 高度及消能設(shè)施尺寸。 構(gòu)造設(shè)計(jì)擬定邊墻、護(hù)底防滲排水等各部分的構(gòu)造尺寸。 涵管 形式選擇 選擇進(jìn)口控制建筑物、管身斷面及出口消能設(shè)施的形式，并確定涵管進(jìn)出口高程。 涵管水力計(jì)算包括過(guò)水能力計(jì)算及出口水流銜接計(jì)算。2.

3、 基本情況姚家河水庫(kù)位于湖北省大悟縣境姚家河中上游。姚家河發(fā)源于本區(qū)王家店，是環(huán)水東支大悟河的一條支流， 全長(zhǎng)約 40 公里，在三里城處匯入大悟河。流域總面積46.7 平方公里，壩址以上控制面積27.6 平方公里。流域內(nèi)四季氣候鮮明，下游土壤肥沃，盛產(chǎn)稻、麥、棉花等作物。姚家河為一山區(qū)河流，河床較窄，水位變幅較大，每當(dāng)山洪暴發(fā)，下游即遭洪水淹沒(méi)；而當(dāng)缺雨季節(jié)，因水量不足，又易引起旱災(zāi)。為此，根據(jù)流域規(guī)劃，確定興建姚家河水庫(kù)，以達(dá)興利除害的目的。根據(jù)流域規(guī)劃要求，確定本水庫(kù)以灌溉為主，兼興防洪、 養(yǎng)魚之利， 其主要任務(wù)如下：灌溉方面：灌溉面積共4 萬(wàn)畝，均分布于水庫(kù)右岸。防洪方面：根據(jù)下游防洪要

4、求，最大下泄流量不得超過(guò)3。120m/s3. 基本資料(1) 地形地質(zhì)本區(qū)沒(méi)有大的高山， 附近都是堆積剝蝕低丘，一般地勢(shì)比較平坦， 相對(duì)高程不超過(guò)200m，坡度為 30 50，局部地勢(shì)較陡，約為60 80。地貌特點(diǎn)是右岸山頭巖石露頭較明顯，覆蓋層厚0.2m，表面巖石均已風(fēng)化，風(fēng)化層厚1.0m ，局部地區(qū)有崩塌現(xiàn)象；左岸巖石露頭較少，覆蓋層厚1.5m，風(fēng)化層厚1.0m 。庫(kù)區(qū)為一狹長(zhǎng)帶形，兩岸群山連綿，山坡多植松樹，植被良好。耕地主要分布于右岸下游平坦地區(qū)，沿河兩岸分布有少量梯田梯地。本區(qū)巖石均為太古代泰山紀(jì)變質(zhì)巖，大致可分為五種，花崗片麻巖、 花崗巖、 閃長(zhǎng)巖、石英巖和石巖云母片麻巖。其中以花

5、崗片麻巖分布最廣，整個(gè)庫(kù)區(qū)均有，其抗壓強(qiáng)度較高，但易風(fēng)化。 各種巖石在壩址附近分布情況見壩址地形地質(zhì)圖。巖層走向均與河流斜交，傾向庫(kù)內(nèi)，一般傾角較大，有的近于垂直?；◢徠閹r中裂隙和節(jié)理不很發(fā)育。壩址處河谷狹窄，上下游較開闊，足以布置施工場(chǎng)地。壩址以上有足夠的庫(kù)容可以滿足蓄水要求。壩址處河床高程103.0m，有 3m厚的砂卵石覆蓋層，工程地質(zhì)條件良好。壩址左岸離壩軸線 400m處有天然鞍部，略高于正常蓄水位，工程地質(zhì)條件亦屬良好，覆蓋層為砂質(zhì)粘土，平均厚約 3m，可布置溢洪道，鉆孔資料見壩址地形圖附表。庫(kù)區(qū)地質(zhì)條件與壩址區(qū)大致相同，未發(fā)現(xiàn)坍塌、滑坡現(xiàn)象，節(jié)理裂隙不發(fā)達(dá)，滲漏問(wèn)題不大。本區(qū)地震基

6、本烈度小于度。(2) 水文氣象資料流域內(nèi)無(wú)徑流資料。所需年、月設(shè)計(jì)徑流量及洪水流量均由暴雨推求，并根據(jù)降雨系列延長(zhǎng)。通過(guò)水文水利計(jì)算得出各特征值見后面調(diào)洪演算成果。本區(qū)風(fēng)力按七級(jí)計(jì)，最大風(fēng)速多年平均值Vmaxcp=15m/s，水庫(kù)吹程D=1000m。(3) 建筑材料根據(jù)勘測(cè)，距壩軸線1000m以內(nèi)有比較豐富的土料，主要分布如下：(1) 砂質(zhì)粘土分布于壩址以上肖家畈等處，最大運(yùn)距1000m，儲(chǔ)量為12 萬(wàn)方，高程為106 110m。壩址以下兩岸山坡有8 9 萬(wàn)方，運(yùn)距在800 1000m范圍內(nèi)。(2) 河床砂卵石由于姚家河為一山區(qū)河流，河谷較窄， 沙灘較少。 因此，壩軸線附近砂卵石儲(chǔ)量不多，約有

7、 5.5 5.9 萬(wàn)方，分布于壩軸線上、下游200m處。壩軸線下游有較多的砂卵石儲(chǔ)量( 約40 萬(wàn)方 ) ，運(yùn)距 1000m左右。(4)其他壩頂無(wú)交通要求。對(duì)外交通不便，河流四季不能通航，縣城至三里城小鎮(zhèn)有20 公里公路，三里城至大壩僅有人行便道 ( 長(zhǎng)約 5 公里 ) 。為了施工導(dǎo)流需要，在壩底設(shè)圓形導(dǎo)流涵管，涵管直徑2.5m，進(jìn)口高程105.5m，出口高程 104.8m。施工完畢后即留作放空水庫(kù)之用。4. 水庫(kù)及樞紐工程的勘測(cè)、規(guī)劃成果(1) 勘測(cè)成果 壩址地形圖一張 壩址河床高程103.00m 溢洪道出口河底高程101.99m 風(fēng)化巖石允許流速6m/s 壩址及壩址下游水位流量關(guān)系(附表

8、2 及附表 3) 。附表 2 壩址水位流量關(guān)系表水位 (m)103.0103.5104.0104.5105.0105.5105.8流量 (m3/s)07.517.03050100120附表 3 壩址下游水位流量關(guān)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關(guān)數(shù)據(jù) 設(shè)計(jì)引水流量 4.0m3/s 灌溉渠道進(jìn)口控制水位110.00m 渠首段渠道參數(shù)底寬 b=3.8m 邊坡系數(shù) m=0.2設(shè)計(jì)水深h=2.0m 糙率 n=0.03渠道比降i=1/5000(3) 水庫(kù)規(guī)劃設(shè)計(jì)

9、成果 淤沙高程 107.00m 興利庫(kù)容下限水位( 相應(yīng)墊底庫(kù)容0.34 10 6m3 的水位 )110.85m6 3 興利庫(kù)容 510 m 正常蓄水位123.50m(4) 泄洪規(guī)劃及調(diào)洪演算成果 采用無(wú)閘門寬頂堰河岸式正槽溢洪道( 不考慮其他建筑物參加泄洪) ，寬頂堰堰頂高程等于正常蓄水位123.50m，控制段寬度B=11.0m，流量系數(shù) m=0.370，側(cè)收縮系數(shù) =0.95( 堰頂進(jìn)口為圓角，上游堰高P1=2.0m，邊墩頭部為圓弧形) 。 設(shè)計(jì)洪水位126.30m，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)溢洪道下泄流量80m3/s ，相應(yīng)下游水位103.83m。 校核洪水位127.06m。5. 姚家河水庫(kù)樞紐的建筑

10、物組成根據(jù)流域規(guī)劃對(duì)水庫(kù)提出的任務(wù)以及地形、地質(zhì)、水文氣象等條件，確定水庫(kù)樞紐由三大建筑物組成：擋水建筑物、泄水建筑物和取水建筑物。6. 方案選擇(1) 擋水建筑物：擋水建筑物一般可選用土石壩、重力壩和拱壩。拱壩對(duì)地形要求較高，一般適用于地質(zhì)條件較好的狹窄斷面，此處斷面較寬，建拱壩不經(jīng)濟(jì)； 重力壩的優(yōu)點(diǎn)是壩頂可溢流，施工導(dǎo)流易解決，但造價(jià)比土石壩高，根據(jù)資料可知壩軸線一公里內(nèi)有豐富的土石料( 包括防滲用的粘壤土 ) ，可就地取材，特別是河床左岸有合適建河岸溢洪道的山埡口，因此選用土石壩作為擋水建筑物。(2) 泄水建筑物：河岸式溢洪道擋水建筑物選擇了土壩就決定了只能選擇河岸式溢洪道，且根據(jù)地形條

11、件，在河的左岸離壩軸線400米處有天然鞍部，正好可布置河岸溢洪道。(3) 取水建筑物：涵管涵管與隧洞比起來(lái)具有施工簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉的特點(diǎn)，但運(yùn)行管理及安全方面不及隧洞可靠，由于本工程的引水流量較小且壩高不大，因此選擇壩下涵管方案。調(diào)洪演算成果按照樞紐等級(jí)確定水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)流域及暴雨情況推求設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線和校核洪水過(guò)程線， 然后進(jìn)行調(diào)洪演算， 以確定泄洪建筑物尺寸和特征水位。根據(jù)資料提供的調(diào)洪演算成果，不帶閘門的開敞式河岸溢洪道堰頂高程123.50m，堰頂溢流寬度 11.0m，相應(yīng)的特征水位為：正常蓄水位 123.50m 。設(shè)計(jì)洪水位126.30m ，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)溢洪道下泄流量3，80m/s相

12、應(yīng)壩址下游水位103.83m。校核洪水位127.06m。 壩型選擇 擬定主要尺寸及構(gòu)造 滲流及穩(wěn)定計(jì)算 細(xì)部設(shè)計(jì)7. 土壩壩型選擇根據(jù)勘測(cè)，距壩軸線1 公里以內(nèi)有比較豐富的土料，主要分布如下：(1) 砂質(zhì)粘土分布于壩址以上肖家畈等處，最大運(yùn)距1000m，儲(chǔ)量為12 萬(wàn)方，高程為106 110m。壩址以下兩岸山坡有8 9 萬(wàn)方，運(yùn)距在800 1000m范圍內(nèi)。(2) 河床砂卵石由于姚家河為一山區(qū)河流，河谷較窄， 沙灘較少。 因此，壩軸線附近砂卵石儲(chǔ)量不多，約有 5.5 5.9 萬(wàn)方，分布于壩軸線上、下游200m處。壩軸線下游有較多的砂卵石儲(chǔ)量40 萬(wàn)方 ) ，運(yùn)距 1000m左右。由于就近有沙質(zhì)

13、粘土，可作防滲材料， 壩型選用粘土心墻壩( 注：粘土斜墻壩也可選擇( 約) 。8. 擬定主要尺寸及構(gòu)造壩頂高程：壩頂高程應(yīng)按設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位分別計(jì)算，并與心墻(斜墻)構(gòu)造要求所需的壩高比較，取最大值。水庫(kù)的灌溉面積為4 萬(wàn)畝，保護(hù)城鎮(zhèn)為一般城鎮(zhèn)，故樞紐工程等別定為4 等。為了保證庫(kù)水不溢過(guò)壩頂，壩頂高程在水庫(kù)正常運(yùn)用和非常運(yùn)用的靜水位應(yīng)有足夠的超高。超高值式中： hc安全加高，m；e風(fēng)壅高度，m；hB波浪在壩坡上的爬高，m。風(fēng)壅高度e 按下式計(jì)算：式中：k綜合摩阻系數(shù)，一般取3.6 10 -6 ； 計(jì)算風(fēng)速，m/s ；D吹程，m；H壩前水域的平均水深，m； 風(fēng)向與水域中線或壩軸線的法線間

14、的夾角。遇正向來(lái)波，平均爬高可按莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算( 適用于壩坡系數(shù)=1.5 5.0 的單一坡度 )式中：壩坡的糙率滲透系數(shù)；經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，是由無(wú)量綱的查表決定的；壩坡系數(shù)；平均波高。在初步設(shè)計(jì)時(shí)可用公式。平均波長(zhǎng)，在初步設(shè)計(jì)時(shí)可按公式計(jì)算。設(shè)計(jì)爬高值按工程等級(jí)確定，對(duì)、級(jí)土石壩， 取累積頻率 1%的爬高值；對(duì)、 級(jí)土石壩， 取累積頻率 5%的爬高值。因此按上式求得平均爬高之后，再根據(jù)爬高統(tǒng)計(jì)分布與平均爬高之間的關(guān)系按表中的相應(yīng)數(shù)值進(jìn)行換算。采用設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算時(shí)壩底高程103.0m，設(shè)計(jì)洪水位 126.3m， H =126.3 - 103.0 = 23.3m；n 初步定為3；v 取多年平均風(fēng)速的1

15、.5 倍， v = 1.5 15= 22.5m/sD= 1km ； 取最不利情況，即 = 0 ， cos = 1；擬采用砌石護(hù)坡：KA = 0.8 ；, 取 1.02=8.753m= 0.527m查表計(jì)算得hB = 0.970m 。mhC 取 0.5m則 h =hB + e +hc = 1.474m 。壩頂高程= 1.474 + 126.3 = 127.77m。采用校核洪水位時(shí)v = 15m/s ；n 初步定為 3；H = 127.06 - 103.0 = 24.06m；= 0.9770.75 時(shí)為淹沒(méi)溢流。此處 h即為 h，H = 127.06 - 123.5 = 3.56m，計(jì)算得 h/

16、H=0.64 ，sk0s0不是淹沒(méi)溢流，可以不考慮淹沒(méi)系數(shù)。h0 為 0.53m hk，為緩坡，即0 i i k，涵管長(zhǎng)度小于(86 138) hk 時(shí)為短管，即涵管長(zhǎng)度小于 67 108m時(shí)為短管。涵管長(zhǎng)為 105m，按長(zhǎng)管計(jì)算。涵管為長(zhǎng)管時(shí)：距形斷面式中： B距形涵管底寬，m，為 1.4m；m無(wú)壓力流時(shí)的流量系數(shù)，擬取0.33m；H0 計(jì)及流速水頭的涵管進(jìn)口水頭，m，涵管進(jìn)口管底高程108.26，上游水位為最低水位110.85時(shí)， H = 110.85 - 108.26 = 2.59m，H0取H， 2.59m；淹沒(méi)系數(shù)；hc進(jìn)口段收縮斷面水深，m，當(dāng)洞身較長(zhǎng)，且底坡0 i i k 時(shí)， h

17、c h 0。= 1 ，得 Q = 8.53m 3/s ，可以達(dá)到過(guò)流能力，運(yùn)行時(shí)需改變閘門開度以控制流量。高水位時(shí)應(yīng)校核閘門后發(fā)生水躍的躍后水深不會(huì)到管頂。直墻部分高取 1.6m。則涵管總高 2.3m。當(dāng)涵管總高度小于涵管進(jìn)口水頭的1.1 倍時(shí)，過(guò)流能力應(yīng)按照半有壓流計(jì)算。管壁厚度的確應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，由于過(guò)程較復(fù)雜，此處不進(jìn)行計(jì)算，擬取管壁厚30cm。沉降縫和止水：為適應(yīng)地基不均勻沉降，沿管道軸線每隔一定距離需要設(shè)置沉降縫。由于涵管是建在良好的基巖上，每隔15m設(shè)一沉降縫即可。截滲環(huán)：為了防止沿管道外壁面產(chǎn)生集中滲流，在穿過(guò)心墻的管段設(shè)2 道截滲環(huán)。消力池：設(shè)計(jì)消力池時(shí)先根據(jù)上下游水位、過(guò)流流

18、量和地形地質(zhì)等條件，假定池底高度，然后進(jìn)行水躍計(jì)算，求出躍前水深hc 及躍后水深，從而確定池深以及池底高程，也可直接查得圖求得。若計(jì)算的池深為零或負(fù)值，從理論上說(shuō)，不必設(shè)置消力池，可是在實(shí)際工程中，通常仍把池底高程降低0.5 1.0m而形成消力池，這對(duì)穩(wěn)定水躍位置，充分消能及調(diào)整消力后的流速分布等方面都有利。先假定消力池底面高程107.5m。消力池中水躍的躍前水深hc 可列0-0斷面與1-1斷面的能量方程求解，其中涵管末端水深應(yīng)分上游水位為最低水位和最高水位兩種情況推算管內(nèi)水面線來(lái)求出，此處不做計(jì)算，將涵管末端水深用正常水深h0 代替：式中： z0 0-0 斷面的水面高程， 108.0 + 1.57 = 109.57m；z1 1-1斷面的高程， 107.5 +hc；v0 0-0斷面的平均流速，；v1 1-1斷面的平均流速，= 2.8/ hc 。計(jì)算得出 hc = 0.19m 。計(jì)算水躍：躍后水位為107.5 + 0.45 = 107.92m 110.0m，發(fā)生淹沒(méi)水躍，從理論上說(shuō)，不必設(shè)置消力池。為了穩(wěn)定水躍位置