1、水工建筑物设计高等水工结构设计1.设计内容与步骤(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 土坝 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。 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
2、及尺寸等。 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。 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。 溢洪道 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。 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。 构造设计 拟定边墙、护底防渗排水等各部分的构造尺寸。 涵管 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。 涵管水力计算 包括过水能力计算及出口水流衔接计算。
3、2.基本情况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。流域总面积46.7平方公里，坝址以上控制面积27.6平方公里。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
4、量不得超过120m3/s。3.基本资料(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3050，局部地势较陡，约为6080。地貌特点是右岸山头岩石露头较明显，覆盖层厚0.2m，表面岩石均已风化，风化层厚1.0m，局部地区有崩塌现象；左岸岩石露头较少，覆盖层厚1.5m，风化层厚1.0m。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
5、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。坝址处河床高程103.0m，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度。(2) 水文气象资料流域内无
6、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106110m。坝址以下两岸山坡有89万方，运距在8001000m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，约有5.55.9万方，分布于坝轴线上、下游200m处。坝轴线
7、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，涵管直径2.5m，进口高程105.5m，出口高程104.8m。施工完毕后即留作放空水库之用。4.水库及枢纽工程的勘测、规划成果(1) 勘测成果 坝址地形图一张 坝址河床高程103.00m 溢洪道出口河底高程101.99m 风化岩石允许流速6m/s 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)103.0103.5104.0104.
8、5105.0105.5105.8流量(m3/s)07.517.03050100120附表3 坝址下游水位流量关系表水位(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关数据 设计引水流量4.0m3/s 灌溉渠道进口控制水位110.00m 渠首段渠道参数底宽b=3.8m 边坡系数m=0.2设计水深h=2.0m 糙率n=0.03渠道比降i=1/5000(3) 水库规划设计成果 淤沙高程107.00m 兴利库容下限水位(相应垫底库容0.34106m3的水位)110.85m 兴利库容51
9、06m3 正常蓄水位123.50m(4) 泄洪规划及调洪演算成果 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)，宽顶堰堰顶高程等于正常蓄水位123.50m，控制段宽度B=11.0m，流量系数m=0.370，侧收缩系数=0.95(堰顶进口为圆角，上游堰高P1=2.0m，边墩头部为圆弧形)。 设计洪水位126.30m，设计洪水位时溢洪道下泄流量80m3/s，相应下游水位103.83m。 校核洪水位127.06m。5.姚家河水库枢纽的建筑物组成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。6.方案选择(1
10、) 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 400 米处有天然鞍部，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
11、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，不带闸门的开敞式河岸溢洪道堰顶高程123.50m，堰顶溢流宽度11.0m，相应的特征水位为：正常蓄水位123.50m。设计洪水位126.30m，设计洪水位时溢洪道下泄流量80m3/s，相应坝址下游水位103.83m。校核洪水位127.06m。 坝型选择 拟定主要尺寸及构造 渗流及稳定计算 细部设计7.土坝坝型选择 根据勘测，距坝轴线1公里以内有
12、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106110m。坝址以下两岸山坡有89万方，运距在8001000m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，约有5.55.9万方，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)。8.拟定主要尺寸及构造 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
13、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，一般取3.610-6； 计算风速，m/s；D吹程，m；H坝前水域的平均水深，m；风向与水域中线或坝轴线的法线间的夹角。遇正向来波，平均爬高可按莆田试验站公式计算(适用于坝坡系数=1.55.0的单一坡度)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
14、计时可按公式计算。设计爬高值按工程等级确定，对、级土石坝，取累积频率1%的爬高值；对、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坝底高程103.0m，设计洪水位126.3m，H = 126.3 - 103.0 = 23.3m；n初步定为3；v取多年平均风速的1.5倍，v = 1.5 15 = 22.5m/s D = 1km；取最不利情况，即 = 0，cos = 1；拟采用砌石护坡：KA = 0.8；,取1.02= 8.753m = 0.527m 查表计算得hB = 0.970m。mhC取0.
15、5m则h = hB + e + hc = 1.474m。坝顶高程 = 1.474 + 126.3 = 127.77m。采用校核洪水位时v = 15m/s；n初步定为3；H = 127.06 - 103.0 = 24.06m；= 0.9770.75时为淹没溢流。此处hs即为hk，H0 = 127.06 - 123.5 = 3.56m，计算得hs/H0=0.64，不是淹没溢流，可以不考虑淹没系数。h0为0.53mhk，所以渠道坡度为陡坡。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hk，渠道中水深变化范围从hk趋向正常水深h0。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
16、恒定渐变流满足微分方程(1)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 代表渠段的上游入口断面，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指向下游为正，对方程1积分，得(2)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(3)若用曼宁公式计算谢才系数C，则(4)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代表水深已知的断面。下标2代表水深特求的断面，式2改为(5)其中：渠段平均水力坡度方向参数r = 1断面
17、1位于上游，计算下游渠道的水面线(6)-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h1、h2，计算断面1、2的间距s。计算式为(7)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s，从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。这种方法在方程的求解时若用水算工作量很大，但对于计算机则不是问题，水面
18、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，h1 = hk = 2.29m，向下游计算水面线，方向参数依次取h2 = 1.7m，h3 = 1.4m，h4 = 1.1m，h5 = 0.8m，h6 = 1.01，h0= 0.54m，分段计算间距，s为各水深所在断面距起始断面的距离。 列表计算后发现当水深下降到0.54m时s以远远超过泄槽的长度：97m，应将h6取较大的值。 经过试算，得出h6取0.61m时，s约为97m。故得出泄槽末端水深0.61m。 (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
19、式计算：式中：v1鼻坎坎顶水面流速，m/s，按鼻坎处平均流速v的1.1倍计算，当泄槽较长时，可按水面线推算泄槽末端的水深，根据该处水深求出断面的平均流速。用以上推算水面线的方法推算出泄槽末端水深约为0.47m，v = Q/A = 80/(110.47) = 15.5m/s，v1 = 1.1v = 17m/s；h1坎顶平均水深h在沿直方向上的投影值，h1 = hcos，m，计算结果为0.48m；h2坎顶至河底面的高差，m，为2.5m。计算得L = 22.6m。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，目前工程上常用经验公式估算最大
20、冲坑的水垫深度tk(m)，即式中：q单宽流量，m3/(s.m)，为10.45m3/(s.m)；H上、下游水位差，m，上游水位为设计洪水位126.3m，下游水位根据资料查得为103.83m，则H为22.47m；k冲坑系数，坚硬完整的基岩，k = 0.91.2；坚硬但完整性较差的基岩，k = 1.21.5；软弱破碎、裂隙发育的基岩，k = 1.52.0。此处取1.2。计算得出 tk = 8.45m。当下游水深为ht时，则冲坑深度。此处河底高程根据资料为101.99m，水位为103.83，则ht为1.84m，冲坑深度为6.61m。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，称之为安全挑距。根据经验，其数值约为坑深2.55倍，即16.5319.83m。计算出的挑距大于安全挑距，符合要求。13.构造设计 拟定边
