河岸开敞式溢洪道设计大纲范本.docx

1、河岸开敞式溢洪道设计大纲范本FJD32010 FJD水利水电工程 技术设计阶段河岸开敞式溢洪道设计大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网1998年8月 工程 技术设计阶段河岸开敞式溢洪道设计大纲 主 编 单 位: 主编单位总工程师: 参 编 单 位: 主 要 编 写 人 员: 软 件 开 发 单 位: 软 件 编 写 人 员: 勘测设计研究院 年 月目 次1. 引 言 42. 设计依据文件和规范 43. 基本资料 54 设计原则与假定 65. 水力设计 76. 结构设计 107. 地基及边坡处理 138. 观测设计 169. 专题研究 1910. 工程量计算 2011. 应提供的设计成果 201

2、 引言 工程位于 ，是以 为主， 等综合利用的水利水电枢纽工程。正常蓄水位 m，最大坝高 m，总库容亿 m3，电站总装机容量 MW，保证出力 MW，年发电量 MWh。本工程可行性研究报告于 年 月审查通过，选定坝址为 ，坝线为 ，枢纽布置为 ，坝型为 ，泄洪建筑物有 、 、 ，其尺寸分别为 m、 m，相应进口高程 m、 m、 m。2 设计依据文件和规范2.1 有关本工程的文件 (1) 工程可行性研究报告；(2) 工程可行性研究报告审批文件；(3)技术设计任务书；(4)可行性研究阶段中间报告及审批文件；(5)专题报告。2.2 主要设计规范 (1)SDJ 12-78 水利水电枢纽工程等级划分及设计

3、标准和补充规定(山区、丘陵区部分)(试行)； (2)SDJ 21787 水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(平原、滨海部分)(试行)； (3)GB 50201-94 防洪标准；(4)SDJ 341-89 溢洪道设计规范； (5)SDJ 20-78 水工钢筋混凝土结构设计规范(试行)； (6)SL 47-94 水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范； (7)SDJ 10-78 水工建筑物抗震设计规范(试行)； (8)SL 62-94 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范； (9)SDJ 57-85 水利水电地下工程锚喷支护施工技术规范； (10)SL 46-94 水工预应力锚固施工规范；(11)(88

4、)水规设字第8号文 水利水电工程设计工程量计算规定(试行)。3 基本资料3.1 溢洪道控制点座标和轴线方位角 可行性研究阶段，选定的溢洪道控制点座标为X m，Y m；溢洪道轴线方位角为 。3.2 工程等级及建筑物级别 根据可行性研究成果，本工程为等工程，溢洪道为级建筑物。3.3 设计洪水标准及入库洪峰流量 设计洪水重现期 a，入库洪峰流量Q m3/s。校核洪水重现期 a，入库洪峰流量Q m3/s。3.4 溢流堰型式、堰顶高程及宽度、反弧末端高程及纵坡 根据可行性研究成果，溢流堰为 堰，堰顶高程为 m，堰顶宽度为 m，反弧末端高程 m，纵坡i %。3.5 下泄流量及相应上、下游水位根据可行性研究

5、阶段调洪演算资料：设计下泄流量Q m3/s，相应库水位 m，相应下游水位 m；校核下泄流量Q m3/s，相应库水位 m，相应下游水位 m。提示：泄洪建筑物的尺寸、堰顶高程，应通过枢纽布置和技术、经济比较，调整多次反复修改确定。3.6 坝址区地形、地质资料 (1)坝址区地形图(1/10001/2000)。(2)坝址区地质平、剖面图(1/10001/500)。(3)溢洪道轴线地质纵、横剖面图(1/10001/500)。(4)溢洪道工程地质报告。(5)溢洪道基础岩石物理力学指标：1)基岩容重 kN/m3；2)允许抗压强度 MPa；3)允许抗拉强度 MPa；4)弱风化岩体：变形模量 MPa；弹性模量

6、MPa；泊桑比 ；5)溢洪道基础岩体的单位吸水量 Lu；渗透系数 m/d；6)基岩物理力学指标，见表1；7)软弱夹层和裂隙、断层的分布；8)河床岩体抗冲流速 m/s。表1 基岩物理力学指标计算面抗剪指标抗剪强度抗剪断强度弹性模量泊桑比建基面强风化岩石f2= f1= ，c= MpaE= Gpa= 弱风化岩石f2= f1= ，c= MpaE= Gpa= 基岩节理面强风化岩石f2= f1= ，c= MpaE= Gpa= 弱风化岩石f2= f1= ，c= MpaE= Gpa= 软弱结构面f2= f1= ，c= MpaE= Gpa= (6)本工程设计地震烈度为 度。3.7 有关闸门门槽及启闭机布置和荷载

7、资料 3.8 水流泥沙 (1)年均输沙量 万t，含沙量 kN/m3；(2)推移质含量 %，悬移质含量 %；(3)泥沙容重 kN/m3，干容重 kN/m3；(4)泥沙颗粒级配曲线；(5)矿物成分。3.9 建筑材料 3.9.1 混凝土(1)强度C ；(2)容重 kN/m3；(3)线膨胀系数 -1；(4)允许抗压强度 MPa；(5)允许抗拉强度 MPa；(6)泊桑比 ；(7)弹性模量 MPa；(8)抗渗标号S ；(9)抗冻标号D ；(10)抗磨损强度 kg/(m2h)；(11)抗空蚀强度 kg/(m2h)。3.9.2 钢筋 (1)钢筋品种 ；(2)弹性模量 MPa；(3)抗拉强度 MPa。3.10

8、可行性研究阶段水工模型试验资料 (1)枢纽整体水工模型试验报告；(2)溢洪道水工模型试验报告。4 设计原则与假定4.1 设计原则 (1)复核可行性研究阶段的设计成果。(2)河岸开敞陡槽式溢洪道除执行本大纲外，还应符合有关规程、规范、标准的规定和要求。(3)溢洪道为水利水电枢纽工程渲泄洪水之永久建筑物，应充分考虑其频繁运行的特殊性和维护检修的可能性。(4)设计前应注重深入现场，调查研究，认真收集和分析研究有关水文、泥沙、地形地貌、地质、施工条件等设计资料。(5)大型或水力条件较复杂的中型溢洪道，应做整体水工模型试验，以论证其布置及水力设计的合理性。4.2 设计假定 (1)溢洪道结构设计，一般情况

9、按平面问题考虑， 并应以建基面的抗滑稳定及应力条件确定。如溢洪道深层基础有影响溢洪道稳定的软弱结构面，应复核其深层抗滑稳定性。(2)溢洪道断面应由基本荷载组合控制， 由特殊荷载组合复核。(3)溢洪道抗滑稳定按刚体极限平衡法抗剪断强度或抗剪强度公式计算，断面应力按材料力学方法计算。(4)根据溢洪道不同的部位和受力特点， 采取不同的计算方法以全面准确地分析和反映溢洪道的工作性态。5 水力设计5.1 溢洪道泄量复核计算 开敞式幂曲线实用堰的泄流能力可按公式(1)计算：(1)式中：Q流量，m3/s；B溢流堰总宽度，m；H0计入行进流速的堰顶水头，m，对高堰H0=H；对低堰H0=H+0V02/2g；V0

10、行进流速，m/s；0动能修正系数，可近似地取为1；H堰上水头，m，计算断面可取在堰前(36)H0处；g重力加速度，m/s2；m流量系数，可根据试验提供或参照溢洪道设计规范附表13选用；C上游面坡度影响修正系数，可参照溢洪道设计规范附表14选用；当上游面为铅直时，C=1.0；收缩影响系数，根据闸墩墩头形状及位置、闸墩宽度，闸孔数目，堰上水头及相对堰高等因素选定；m淹没系数，视泄流的淹没程度参照有关水力计算手册等选用，不淹没时m=1。提示：对于不同的堰型，可参照溢洪道设计规范采用不同的泄流能力公式进行计算。5.2 泄槽段水面线复核计算 5.2.1 泄槽段起始断面水深计算计算泄槽水面线时，应从渐变流

11、起始断面算起。当泄槽与上游实用堰采用反圆弧曲线连接时，则从反弧末端收缩断面算起；当泄槽与宽顶堰连接时，可近似从连接点以下3hk(hk为临界水深)处算起。起始断面水深h1可按公式(2)计算：(2)式中：q计算断面单宽流量，m3/(sm)；H0计算断面渠底以上的总水头，m；泄槽底板与水平面的夹角，()；考虑从进口到计算起始断面间沿程和局部阻力损失的流速系数。5.2.2 泄槽段沿程水面线的计算(1)泄槽段沿程水深计算泄槽段沿程水面线可按公式(3)进行计算：S(Esd-Esu)/(i-J) (3)式中：S计算流段长度，m；EsdS流段的下游断面的断面比能，m；EsuS流段的上游断面的断面比能，m；J流

12、段的平均水力坡度；i泄槽段纵坡。(2)泄槽段沿程波动及掺气水深计算波动及掺气水深可按公式(4)进行计算：hb(1+V/100)h (4)式中：h不计入波动及掺气的水深，m；hb计入波动及掺气的水深，m；V不计入波动及掺气的计算断面上的平均流速，m/s；提示：当槽身边墙收缩或槽身在平面上转弯时，应相应计算边墙收缩产生的冲击波或弯道横向水面高差。修正系数，一般为1.01.4，视流速和断面收缩情况而定，当流速大于20m/s时，宜采用较大值。(3)沿程水面线计算成果表，见表2表2 水面线计算成果表计算项目计算断面计算断面平均流速V，m/s计算断面不计入波动及掺气的水深h，m提示：边墙收缩或平面转弯时要

13、考虑其影响。计算断面计入波动及掺气的水深hb，m5.2.3 消能防冲的计算(1)消能防冲标准(P %)：相应溢洪道泄量Q m3/s，下游水位为 m。(2)消能型式一般采用挑流消能，并选择合适的挑流鼻坎的型式，以减少冲刷深度。提示：可采用有关公式近似计算水舌挑距和冲坑最大深度；或采用模型试验所提供的水舌挑距和冲坑深度。(3)当消能型式适合采用底流消能时，消力池长度应按下列公式计算：(5)式中：Fr水流沸汝德数；V跃前平均流速，m/s；h跃前水深，m；g重力加速度，m/s2。当Fr4.5，护坦上不设辅助消能工时，消力池长度L为：L=6(h-h) (6)式中：h跃后共扼水深，m。当Fr4.5，消力池

14、首断面V4.5，消力池首断面V16m/s18m/s，护坦上可设梳流坎及尾坎，不设消力墩时：提示：当消能设施出口区地质条件较差时，为防止危害性冲淘，可根据消能型式设置防掏齿墙、翼墙、二道坝、海漫或防冲槽等设施。L=(3.24.3)h (8)5.3 水流空化数计算 水流空化数可按公式(9)进行计算：(9)式中：水流空化数；h0计算断面处的时均动水压力水柱高，m；ha计算断面处的大气压力水柱高，m；对不同高程按(10.33-Z/900)估算，Z为海平面以上高度；hv水的汽化压力水柱高，m；可参照SDJ 341-89附录二附表2-1数值采用；提示：(1)设计时，应使“水流空化数”大于“初生空化数”i；

15、易于检修的泄槽段可采用0.85i设计。(2)各种体型和不平整度的“初生空化数”i，可通过减压箱或高速循环水洞试验进行测定。V20/2g计算断面的平均流速水头，m。5.4 绘制库水位与下泄流量关系曲线 提示：可根据工程的具体情况，对不同的堰型选择相应的泄流能力公式计算，分闸门全开和局部开启两种工况，并将成果绘制为“库水位与下泄流量关系曲线”。6 结构设计6.1 一般规定 (1)溢洪道的结构设计，应根据布置、水力设计、地基及运用条件，结合防渗、排水、止水及锚固等工程措施，保证工程安全，选用经济合理的结构型式及尺寸。(2)进水渠底板、泄槽底板、挑流鼻坎、护坦及贴坡式边墙等，必要时可按弹性地基上的板或

16、梁进行内力计算，根据SDJ 20-78并参照类似工程经验配筋。(3)溢洪道建筑物设置锚筋时，锚筋孔一般按梅花型布置，孔距、孔深及抗拔力应经计算并参照类似工程的经验确定，必要时应进行锚筋抗拔试验。(4)溢洪道的混凝土结构计算不考虑温度应力，可根据当地的气候条件、结构特点、地基约束等因素，采取必要的结构措施和施工措施。提示：根据溢洪道的不同部位，取可能同时作用的各种荷载，选择计算中最不利的荷载组合。6.2 荷载及荷载组合 6.2.1 基本荷载(1)结构自重；(2)正常蓄水位或设计洪水位时的水压力；(3)正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力；(4)正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力；(5)设计洪水位时的动

17、水压力；(6)设计洪水位时的水流离心力；(7)泥沙压力；(8)冰压力；(9)土压力。6.2.2 特殊荷载(1)校核洪水位时的水压力；(2)校核洪水位时的扬压力；(3)校核洪水位时的浪压力；(4)校核洪水位时的动水压力；(5)校核洪水位时的水流离心力；(6)土压力；(7)地震荷载。6.2.3 基本荷载组合(1)设计洪水位情况：结构自重正常蓄水位或设计洪水位时的水压力正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力泥沙压力正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力设计洪水位时的动水压力设计洪水位时的水流离心力土压力(2)冰冻情况：结构自重正常蓄水位或设计洪水位时的水压力正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力泥沙压力冰压力( 水压

18、力和扬压力按相应冬季库水位计算)土压力6.2.4 特殊荷载组合(1)校核洪水位情况：结构自重校核洪水位时的水压力校核洪水位时的扬压力泥沙压力校核洪水位时的浪压力校核洪水位时的动水压力校核洪水位时的水流离心力土压力(2)地震情况：结构自重正常蓄水位时的水压力正常蓄水位时的扬压力泥沙压力正常蓄水位时的浪压力土压力地震荷载6.3 抗滑稳定验算 (1)对大、中型工程中的堰(闸)基底面的抗滑稳定安全系数，按抗剪断强度公式(10)计算K1(f1W+cA)/P (10)式中：K1按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f1结构与基岩接触面的抗剪断摩擦系数；c结构与基岩接触面的抗剪断凝聚力；W作用于结构上的全部荷

19、载对计算滑动面的法向分量； P作用于结构上的全部荷载对计算滑动面的切向分量； A结构与基岩接触面的截面积。(2)对中型工程中的中低堰(闸)和小型工程的堰(闸)，其基底面的抗滑稳定安全系数按抗剪强度公式(11)计算K2f2W/P (11)式中：K2按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；f2结构与基岩接触面的抗剪摩擦系数；W作用于结构上的全部荷载对计算滑动面的法向分量；P作用于结构上的全部荷载对计算滑动面的切向分量。(3)当地基内存在不利的软弱结构面时，其抗滑稳定需作专门研究。(4)对于分离式底板，应校核其抗浮稳定性，必要时应采取加强排水和锚固等措施，以保证其稳定。6.4 结构计算提示：溢洪道的应力分

20、析，应根据其规模、型式和地基条件，可采用材料力学法、弹性地基梁法或有限元法计算。闸墩应力分析一般采用材料力学方法。弧形闸门和大型平板闸门的闸墩应力分析，宜采用有限元法。对于大型和受力条件复杂的中型工程的闸室，应尽量进行结构模型试验，验证各部位的应力状态。高、薄闸墩应复核其结构稳定和振动效应，并进行施工期过水条件下的结构分析。启闭排架可按结构力学方法计算分析。计算时，将引渠段、控制段、泄槽段、出口段、消力池或护坦等分别按不同工况确定计算简图。6.5 配筋计算 (1)各段根据不同的应力(或内力)计算方法相应计算出钢筋量，成果汇于表3；表3 钢筋配置表结构部位结构尺寸钢筋配置(2)必须时，按闸墩预应

21、力锚索设计。提示：可根据水流空化数并结合模型试验成果考虑是否设置掺气设施及过水面的特殊衬护，提出过流表面平整度的要求。6.6 高速水流区的抗磨损、防空蚀设计 6.7 消力池护坦设计 (1)护坦的抗浮稳定按公式(12)计算：Kf(P1+P2+P3)/(Q1+Q2) (12)式中：Kf安全系数为1.01.2，应根据工程等级、枢纽布置、地基特性、计算情况等选用(校核情况下Kf值取下限)；P1护坦自重，按混凝土密度计算；P2护坦顶面上的时均压力；P3当采用锚固措施时，地基的有效重量可参照SDJ 341-89附录三公式计算；Q1护坦顶面上的脉动压力，可参照SDJ 341-89)附录一公式计算；Q2护坦底

22、面的扬压力。(2)选定护坦厚度时，还应参照已建类似工程的经验。(3)对设有消力齿、消力墩或尾槛的护坦，尚应进行抗倾及抗滑稳定复核。采用抽排降压的护坦，应复核地基的渗透稳定。(4)护坦稳定的计算情况：1)设计情况：泄洪消能防冲的设计流量或小于该流量的控制流量。2)校核情况：当需要进行校核时，采用泄洪消能防冲的校核流量。3)检修情况：消力池排水检修。4)尚应根据具体条件分析闸门突然启闭的不利情况，复核护坦的稳定。5)必要时，应考虑排水设施局部或全部失效，作为校核情况复核护坦的稳定。提示：包括门槽二期砼、启闭排架、交通桥、工作桥、通气孔、检修平台、楼梯、爬梯、预埋件、栏杆、照明、电气设备与电缆的基础

23、、埋管以及闸门和启闭机运输、安装时对结构的特殊要求等。6.8 细部设计 7 地基及边坡处理提示：(1)溢洪道地基的开挖深度，应根据建筑物对地基的要求，结合地质条件、施工条件及处理措施等综合研究确定。(2)主要建筑物的地基，宜开挖至弱风化岩层。全部或局部不衬砌的泄槽，应开挖至坚硬、完整的新鲜或微风化岩层。(3)对易风化、易泥化的基岩，应提出相应的施工保护措施。(4)建筑物的基坑形状，应根据地形地质条件及上部结构要求确定，开挖面应尽量连续平顺；当受地形地质条件限制，高差过大时，宜开挖成台阶状。7.1 地基开挖 7.2 固结灌浆 提示：(1)溢洪道地基固结灌浆的范围和深度，应根据地质条件、裂隙分布情

24、况和受力条件确定。一般在堰(闸)及消能建筑物的地基范围内进行。孔深一般为3 m5 m。基岩条件较好时，可不进行固结灌浆。(2)固结灌浆孔一般呈梅花型布置，钻孔方向应尽量穿过较多裂隙。(3)灌浆孔的孔、排距及灌浆压力宜进行灌浆试验确定。孔、排距一般为1.5 m4 m。当无混凝土盖重时灌浆压力一般为0.1 MPa0.3 MPa；当有混凝土盖重时为0.3 MPa0.5MPa。在不掀动岩体或盖重的条件下灌浆压力宜取大值；地质条件较差，灌浆压力可适当降低。7.3 地基的防渗和排水 7.3.1 防渗和排水设施及布设应满足下列要求(1)减少堰(闸)基的渗漏和绕渗；(2)防止在软弱夹层、断层破碎带、裂隙软弱充

25、填物及抗水性能差的岩层中产生管涌；(3)降低建筑物基底面的扬压力；(4)具有可靠的连续性和足够的耐久性；(5)防渗帷幕不得设置在建筑物基底面的拉力区；(6)在严寒地区，排水设施宜考虑冻害的影响。提示：(1)一般采用水泥灌浆帷幕；必要时可采用化学材料灌浆；也可根据具体条件采用混凝土齿墙、防渗墙、水平防渗板或其组合措施等。对于大、中型工程必要时应进行帷幕灌浆试验。(2)当地基下存在着明显的相对隔水层时，防渗帷幕的深度应深入到该岩层内 3 m5 m。当地基的相对隔水层埋藏较深或分布无规律时，帷幕深度应满足本范本第 7.3.1条的要求，并应参照渗流计算和已建工程经验确定。遇透水性强的软弱带，应适当增加

26、帷幕的深度和厚度。(3)防渗帷幕伸入岸坡的范围、深度及走向，应根据工程地质和水文地质条件确定。防渗帷幕伸入岸坡的范围，一般延伸至正常蓄水位与相对隔水层范围线 (或与蓄水前地下水位线) 相交处。(4)靠近坝肩的溢洪道，其帷幕设计应与大坝防渗要求统一，并应与大坝帷幕衔接形成整体防渗系统。远离坝肩的溢洪道，其防渗帷幕深度，伸入岸坡的范围可适当降低要求。(5)帷幕灌浆孔一般设一排。对地质条件较差的地段或有必要加强防渗帷幕时，可适当增加排数。帷幕灌浆的孔距一般为1.5 m3 m，排距宜略小于孔距。(6)钻孔方向可为铅直或有一定的倾斜度，使钻孔尽量穿过岩体的层面和主要节理裂隙，但不宜倾向下游。(7)帷幕灌

27、浆需在一定厚度混凝土盖重的条件下进行。在帷幕表层段灌浆压力一般不宜小于0.2 MPa 0.5 MPa，在孔底段不宜小于0.5 MPa1.5 MPa。但以不破坏岩体为原则。7.3.2 地基的防渗 7.3.3 地基的排水提示：(1)溢洪道地基排水设施，应能有效排泄通过建筑物地基、岸坡及衬砌接缝的渗流，充分降低渗透压力，并应满足第7.3.1.条的要求。(2)排水设施布设原则：1)一般以集水廊道或集水沟(管)为主导，形成完整的排水系统；各部位地基的渗水可分段分级引导至集水廊道或集水沟(管)；排水系统出口应能顺利地将渗水排出；应考虑防止排水失效的措施，设置必要的检测设施；当必须降低地基内承压水的作用时，

28、应选择适宜位置设置减压排水孔或减压井。2)堰(闸)基底一般设一排主排水孔，应布设在防渗帷幕下游的廊道和集水沟(管)内，与帷幕灌浆孔的间距在基底面不宜小于2.0 m。必要时增设辅助排水孔和排水沟(管)，增加排渗能力。3)主排水孔的孔距一般为2 m3 m，孔深一般为帷幕深度的0.60.8倍，且不应小于固结灌浆孔的深度。辅助排水孔孔距一般为3 m5 m，孔深一般为4 m8 m。(3)泄槽底板下的排水设施，应根据具体条件布设：1)一般设纵、横向排水沟(管)，构成互相贯通的沟(管)网系统；软弱岩基、底板下扬压力过大或不便于设锚筋的地段，可设连续的排水垫层，或垫层与排水沟(管)相结合；2)纵、横排水沟(管

29、)的间距一般与底板纵横缝相对应，但不宜骑缝布设；3)为保证排水效果，宜在侧墙基础或底板下设置一条或多条纵向排水廊道。(4)挑流鼻坎坎基有自流排渗条件时，其排水设施一般与泄槽底板下的排水系统相应布设，并与其纵横排水沟(管)或廊道连通，经鼻坎基底或坎底通向下游。(5)消力池护坦下的排水设施参照泄槽底板下的排水设施布设，必要时在排水沟(管)内设伸入基岩一定深度的排水孔。当下游水位较高且消力池护坦需要采用抽排降压措施时，应符合以下规定：护坦的排水廊道与排水沟(管)等应构成可靠的排水系统；在适当位置设置低于排水系统的集水井和可靠自动抽水设备；当下游水位较高且历时较长，必要时宜设置阻截尾水回渗的设施，加深截水墙、灌浆帷幕或其联合设施。(6)对于地质条件复杂 (岩性极不均匀、可能发生水力管涌或化学性侵蚀、溶解作用等)，或不具备监测维修条件等情况，不