水工建筑物课程设计指导书及基本资料平山水利枢纽设计土石坝版.docx
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水工建筑物课程设计指导书及基本资料平山水利枢纽设计土石坝版
武汉大学水利水电学院
《水工建筑物》课程设计指导书
题目：
平山水利枢纽设计
专业：
水利水电工程
年级：
2012级
时间：
2015年6月22日～30日
指导教师：
水电1班，佘成学
水电2班，周伟
水电3班，程勇刚
水电4班，赖国伟
水电5班，李民
水电6班，何金平
设计题目：
平山水利枢纽设计
几点要求
（1）按时到设计教室进行课程设计。
不得迟到、早退，指导教师将随机抽查点名。
（2）独立完成。
鼓励同学们相互交流、讨论，但不得抄袭。
凡发现抄袭的情况，抄袭者和被抄袭者的成绩一律判为不及格。
一经发现，决不姑息。
（3）不得在设计室内进行与课程设计无关的活动，不得大声喧哗。
（4）按时完成课程设计的全部内容。
设计成果于2014年6月30日（第18周周二）下午4:
00各班按班级收齐后交到水电系办公室，过期不候（也可与各班指导老师联系，统一交到各班指导老师的办公室）。
一律不得缓交。
课程设计的目的
（1）培养同学们运用所学知识独立解决工程问题的能力；
（2）训练同学们计算、绘图和编写设计说明书的能力。
平山水利枢纽设计基本资料
详见“平山水利枢纽设计基本资料”。
设计内容：
（1）枢纽布置
（2）土坝设计
（3）溢洪道设计
详细要求附后。
需要提交的设计成果
（1）设计说明书（含计算）1份，不少于20页。
（2）完成设计图纸3张，其中：
平面布置图一张，直接手绘在提供的平面图上；
枢纽下游展视图和溢洪道纵剖面图绘在一张50×75cm的绘图纸或坐标纸上，或用CAD绘制在A3图纸上；
土坝典型断面图和土坝及溢洪道的细部结构绘在一张50×75cm的绘图纸或坐标纸上，或用CAD绘制在A3图纸上。
时间安排
本次课程设计从6月22日（第17周周一）开始，到30日（第18周周二）结束，共7天时间。
其中：
熟悉设计资料和枢纽布置1天
土坝设计及说明书编写2天
溢洪道设计及说明书编写2天
绘图及成果整理2天
“平山水利枢纽设计”基本内容
1．设计资料
详见“平山水利枢纽基本资料”。
2．枢纽布置
主要应完成枢纽组成、枢纽等别及建筑物级别确定、各主要建筑物型式确定、各主要建筑物位置确定（即枢纽布置的比较和选定）。
2.1枢纽组成
根据设计资料中规定的本枢纽任务来确定。
首先，要拦洪蓄水需要挡水建筑物；其次，为宣泄多余洪水，需要泄水建筑物；发电需要发电建筑物；灌溉需要灌溉引水建筑物；为满足检修要求，需要放空建筑物，等等。
2.2分等分级
根据所给资料（发电、防洪、库容、灌溉面积），对照《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》（SL252—2000）确定枢纽等别（先确定分项等级，再按最大者确定枢纽等级）和建筑物级别（分清主要建筑物和次要建筑物）。
确定枢纽及建筑物的等级的目的是要确定设计和校核洪水标准，从而通过调洪演算来进一步确定设计洪水位和校核洪水位。
在本次课程设计中，为减小同学们的工作量，省略了这一步骤，直接给出了设计洪水位和校核洪水位。
但将来作毕业设计时，需要作这一工作。
2.3建筑物的型式选择
挡水建筑物：
重力坝？
拱坝？
土坝？
要求进行充分的论证。
根据所给资料（地形、地质、建材等），宜选择土坝。
泄水建筑物：
对土坝，可考虑溢洪道和隧洞。
本工程坝址右岸有一垭口，故可选择在垭口处修建溢洪道。
发电建筑物：
可采用引水式水电站。
放空建筑物：
可与导流隧洞相结合。
2.4枢纽布置
根据枢纽布置的基本原则，结合本工程的实际情况，主要确定各建筑物的相对位置，并绘制平面布置图，放在设计说明书中。
要求讲明各建筑物位置布置的充分理由。
枢纽布置应全面考虑设计、施工、运行等各方面的因素，作到技术上可行、经济上合理。
挡水建筑物（土坝）：
位于主河床，坝轴线布置呈直线；
泄水建筑物（溢洪道）：
位于右岸垭口，可以减少开挖工程量，但要特别注意进口水流顺畅、出口水流与原河床水流良好的衔接，以及溢洪道与两岸的联结等问题；
水电站建筑物：
进水口高程已经给出，要求进口水流顺畅，水头损失小，且不被泥沙淤塞、也不被漂浮物堵塞。
出水口的高程也已经给出，因此要根据高程确定出口位置，并注意尾水应能通畅地排出，避免尾水壅高而减少发电水头。
厂房应尽量放在高程合适的平坦地带，并减少泄水水流的影响。
放空建筑物（隧洞）：
要求减少对其他建筑物的影响，洞长尽量短。
在本次毕业设计中，为减小同学们的工作量，只要求同学们对挡水建筑物（土坝）和泄水建筑物（溢洪道）进行详细设计。
3．土坝设计
3.1土坝坝型选择
均质坝？
心墙坝？
斜墙坝？
从理论上讲，本工程可以选择均质坝、心墙坝或斜墙坝中的任何一种。
不论选择何种坝型，一定要给出充分的理由。
建议同学们采用粘土心墙坝。
3.2土坝断面尺寸初拟
（1）坝顶高程的确定
土坝坝顶高程=水库静水位（设计水位或校核水位）+坝顶超高d
坝顶超高d=风吹的壅高e+波浪的爬高ha+安全加高δ
波浪的爬高ha可按以下经验公式计算：
2hc为波高，按《SL274-2001碾压式土石坝设计规范》或《水工建筑物》教材中的方法计算；
m为土坝上游坡度，初拟时可取为3；
n为上游糙率，对浆砌块石护坡可取为0.025；对干砌块石护坡可取为0.0275。
需要说明的是：
土坝坝顶高程的计算应按设计情况和校核情况分别进行计算，然后取两者中的较大者。
在坝顶设立稳定的、坚固的、不透水的、与坝体防渗体紧密结合的防浪墙时，按上述方法计算出的坝顶高程实际上是防浪墙顶的高程。
设计防浪墙的同学，应严格按《SL274-2001碾压式土石坝设计规范》或《水工建筑物》教材中规定的原则进行设计。
此时要特别注意心墙与防浪墙的连接。
（2）坝顶宽度的确定
可取为10m。
（3）上下游坝坡坡度的确定
对粘土心墙坝，上下游坡度一般在1:
2~1:
4之间选取。
而且，一般上游坡比下游坡稍缓；可沿坝高一定高度（可取为20~30m）改变一次坡度，坡度相差0.25~0.5，且设置一级马道。
（4）心墙的断面尺寸
心墙顶部宽度：
一般不小于3m。
可取为4~5m。
心墙两侧坡度：
可取为1:
0.15~1:
0.3。
心墙的位置：
位于坝中心线，且一般略偏向上游侧，以便于与防浪墙联结。
心墙底部一般设置齿墙。
3.3坝体排水设施布置
建议采用堆石陵体排水。
由于本工程的下游最高水位较高，有兴趣的同学可以考虑选择堆石陵体排水与贴坡排水相结合的组合式排水。
3.4土坝渗流计算和分析
按有限深透水地基上的心墙土坝方法计算。
计算工况：
按《SL274-2001碾压式土石坝设计规范》的规定，一般应计算四种工况。
在此仅要求同学们计算一种工况，即：
“上游正常高水位+下游相应的最低水位”或“上游设计洪水位+下游相应的水位”。
计算内容：
确定最大坝高断面上的坝体浸润线位置，坝体渗流量，为稳定分析提供依据。
3.5土坝稳定计算和分析
建议同学们采用“简化的毕肖普法”进行计算。
计算工况：
仍然只要求同学们计算一种工况，即：
“上游正常高水位+下游相应的最低水位”或“上游设计水位+下游相应的水位”。
稳定计算工况应与渗流计算工况一致。
计算内容：
确定下游坝坡的最小抗滑稳定系数，判断初拟的剖面是否满足稳定要求。
滑弧面的选择：
原则上需要确定最危险滑动圆弧位置。
本次只要求同学们做一个滑动面的稳定计算，即：
滑动面的起点在坝顶、与心墙相交、与坝基接近或切入坝基、端点在坝坡脚附近。
圆弧半径尽量选择为整数。
荷载计算：
要特别注意自重计算时坝体不同部位土体容重的选择。
土坝坝体自重分浸润线以上、浸润线以下与下游水面线以上、下游水面线以下三种情况来考虑。
在浸润线以上的土体，按湿容重计算；在浸润线以下、下游水面线以上的土体，按饱和容重计算；在下游水位以下的土体，按浮容重计算。
稳定判断：
土坝坝坡的抗滑稳定安全系数应不小于规范规定的数值。
太大，不经济；小于，则不安全。
3.6土坝细部结构设计
主要内容包括：
（1）坝顶
（2）上下游护坡
（3）马道
（4）与地基及两岸间的连接
4．溢洪道设计
在溢洪道设计阶段，要求完成溢洪道位置选择、溢洪道型式选择、孔口尺寸拟定、纵断面和横断面尺寸的拟定、边墙高度的确定、消能计算、细部结构等内容。
4.1溢洪道位置选择
主要应考虑：
地形、地质条件，枢纽总体布置等因素。
（1）地形条件
应将溢洪道尽量布置在与水库正常蓄水位高程相近的马鞍形垭口上。
这样溢洪道与坝分开，有利于坝的安全；利用垭口，有利于减少开挖工程量。
本工程正好有一个符合上述条件的垭口。
（2）地质条件
应将溢洪道尽量修建在岩基上，并力求溢洪道两岸山坡稳定。
（3）枢纽总体布置
应考虑与枢纽各建筑物在总体布置上的协调。
入流、出流对枢纽其他建筑物的干扰。
一般来讲，溢洪道的水流入口应位于水流顺畅处，并与土石坝保持一定的距离，避免横向水流对土石坝坝坡的冲刷影响；溢洪道的水流出口处，应与坝脚或下游其它建筑物保持一定的距离，避免水流冲刷以及水流波动的影响。
4.2溢洪道线路选择
河岸溢洪道主要有正槽式、侧槽式、竖井式、虹吸式等。
建议采用开敞式正槽溢洪道。
4.3溢洪道闸室设计（孔口尺寸拟定）
（1）堰型选择：
建议采用WES型实用堰，也可采用宽顶堰。
（2）堰顶高程：
根据设计资料给出为107.5m。
（3）溢流前缘宽度L：
分别按设计情况和校核情况进行估算。
L=Q/q。
q为单宽流量
（4）单孔宽度b的确定：
孔数n取为单数。
b=L/n。
b应为整数。
（5）闸门：
可采用弧形闸门或平板闸门。
闸门顶部高程为正常高水位+安全超高。
对露顶式闸门，要注意其宽高比的合理性。
（6）闸墩：
取决于溢流堰的分缝。
对墩中分缝，一般中墩宽度取为2.5m，边墩宽度取为3m。
4.4溢洪道陡（泄）槽设计
（1）泄槽的平面布置
泄槽的平面布置必须牢牢抓住泄槽高速水流这一特点，因此，在布置上，要力求：
沿水流方向呈直线、等宽、对称布置，避免弯道或横断面尺寸的变化。
（2）泄槽纵断面底坡
泄槽纵断面的布置与地形、地质条件十分密切。
底坡尽可能采用单一的坡度，一坡到底，i>i坡（急流与缓流的临界坡度）。
即保证泄槽中的水流流态为急流。
底坡i一定要根据地形情况来确定。
底坡尽可能采用单一的坡度，一坡到底。
在保证结构安全稳定、水流流态良好的前提下，也可以采用变坡，尽量减少开挖量。
但坡度变化不宜过多、过大。
在坡度变化处，应用半径大于（6~12）h的反弧进行连接，（h为坡度较陡的一段末端的水深），从而避免产生负压、空蚀等现象。
溢洪道位置选择时，至少要在剖面图上画出一条沿溢洪道中心线的原地面线，以示开挖量是否合理。
最好是画出三条原地面线（中心线处以及两边墙处）。
（3）泄槽的横断面尺寸
断面形状：
本工程为岩基，可采用矩形或接近矩形的断面。
（4）边墙高度的确定
可采用推求水面线的方法，或采用几个关键断面利用能量方程进行计算的方法。
具体计算请参阅《水力学》的有关书籍。
注意，确定边墙高度时，应采用校核洪水位的情况。
边墙顶的高程：
根据上述计算结果，考虑掺气水深△h、安全超高△h’’来确定。
4.5溢洪道消能设计
建议采用挑流消能。
需要设计挑流鼻坎，计算跳距、冲坑深度，判断冲坑是否危及主体建筑物的安全。
4.6溢洪道细部结构设计
衬砌、分缝、止水，等等。
平山水利枢纽基本资料
一、基本资料
1、工程概况
平山水库位于湖北省某县平山河中游；平山河系睦水（长辽的支流）的主要支流，全长284m，流域面积556km2，坝址控制流域面积491km2；平山河是山区性河流，河床比降为0.3％。
2、枢纽任务
该枢纽以灌溉、发电为主，兼有防洪、航运、养殖、给水等功能。
3、地形地势
平山河流域都是山陵及山区，河谷山坡陡峻，坡度约为600～700，地势高差为80～120m，河床宽一般为400m，河道弯曲，坝址处成S形，沿河沙滩及两岸坡积层发育，坝址处两岸河谷里马鞍形，复盖层较厚，基岩产状零乱。
靠近坝址上游是泥盆纪五通砂岩，坝址下游是二迭纪石炭岩，坝轴线位于五通砂岩上。
在平山咀以南石灰沙岩分界处，发现一大断层，走向近东西，倾向大致北西，在坝轴线左岸的五通砂岩特别破碎，产状零乱，两岸岩石破碎，裂隙发育。
坝址处沿轴线有1.5~5.0m厚的覆盖层，
，
，
。
4、水文气象
暴雨洪峰流量
，
，
。
多年平均流量
，多年平均来水量4.22亿m3，多年平均最大风速
，水库吹程8km，多年平均降雨次数48次／年，库区气候温和。
5、其它
枢纽工程对外交通有水路、公路、铁路。
坝区地震5～6度，可不考虑。
二、设计基本参数
l、水库规划成果
（l）正常蓄水位113.0m。
（2）设计洪水位113.1m（百年一遇）
（3）校核洪水位113.5m（千年一遇）
（4）死水位105.0m（发电极限工作深度8m）
（5）灌溉最低库水位104.0mm。
（6）水库总库容2.0亿m3。
（7）水库有效库容1.15亿m3。
（8）发电调节保证流量QP=7.35m3/s，相应下游水位63.20m。
（9）发电最大引用流量Q=28m3/s，相应下游水位68.65m。
（10）通过调洪验算，设计情况下，溢洪道下泄流量
，相应下游水位72.65m；校核情况下，溢洪道下泄流量
，相应下游水位74.30m。
（11）水库淤积高程85.00m。
2、枢纽各建筑物设计条件
（1）主坝，沿坝轴线布置。
（2）河岸溢洪道，堰顶高程107.5m。
（3）水电站，装机容量9000kw机组台数3台，厂房尺寸30.0m×9.0m，引水隧洞直径3.50m，尾水底板高程62.0m。
（4）放空建筑物可利用导流隧洞，其底部高程70.0m，直径5.0m，上游土石围堰顶部高程85.0m，下游土石围堰顶部高程70.0m。
3、筑坝材料
坝轴线下游1.5~3.5km，土料储量丰富，质量可满足筑坝要求，砂料在坝轴线上、下游1.0~3.0km的河滩开采，石料可以坝轴线下游左岸的山沟里开采，材料的性质及各项指标如下表所示：
土壤类别
干容重
kN/m3
最优含水量
（%）
孔隙率
（%）
内摩擦角
凝聚力
kN/m2
渗透系数
壤土
15.8
15
42
24（干）
20（湿）
12
1×10-5
黏土
15.4
25
25
20（干）
18（湿）
37
1×10-6
山皮土
16.0
23
39
33（干）
22（湿）
7.5（湿）
10（干）
1×10-3
覆盖层
16.0
35
0
1×10-4
砂料
16.0
40
30
0
1×10-3
堆石
18.0
33
38
0
4、力学参数
基岩允许抗压强度2MPa，混凝土与岩基摩擦系数f=0.58。
基岩的内摩擦系数f=0.7，凝聚力C=0.5MP，容重γ=26kN/m3。
附件1：
土石坝枢纽设计说明书（参考目录）
1．综述
1.1工程慨况
1.2枢纽任务
1.3设计基本资料
2．坝址水文特性
3．枢纽及库区地形地质条件
3.1坝址、库区地形地质及水文地质
3.2筑坝材料
4．枢纽建筑物选型及枢纽总体布置
4.1工程等级及主要建筑物的级别、洪水标准
4.1.1枢纽建筑物组成
4.1.2工程等级及主要建筑物的级别、洪水标准
4.2枢纽建筑物选型
4.2.1坝轴线选择
4.2.2枢纽各建筑物的选型
4.3枢纽总体布置
5．土石坝设计
5.1选择土石坝的类型
5.2土石坝的剖面设计
5.3土石坝的构造设计
5.4渗流稳定计算
5.5坝坡稳定计算
5.6地基处理
6．正槽式溢洪道设计
6.1正槽式溢洪道的位置选择
6.2溢洪道的孔口尺寸确定
6.3正槽式溢洪道各组成部分的设计
6.4细部构造设计
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