2012年8月
目录
1 设计目的和要求......................................................... 1 2设计资料 ............................................................... 1
2.1 工程概况 ......................................................... 1 2.2 基本资料 ......................................................... 1
2.2.1 气象 ....................................................... 1 2.2.2 洪水 ....................................................... 1 2.2.3 地质 ....................................................... 1 2.2.4 其他 ....................................................... 2
3 工程设计............................................................... 2
3.1 工程布置 ......................................................... 2
3.1.1枢纽的等别、溢洪道级别及洪水设计标准 ....................... 2 3.1.2溢洪道的位置、型式及组成 ................................... 3 3.2 溢洪道的型式及尺寸 ............................................... 5
3.2.1进口段 ..................................................... 5 3.2.2控制段 ..................................................... 5 3.2.3 泄槽段 ..................................................... 6 3.2.4消能段 ..................................................... 6 3.2.5 尾水渠 ..................................................... 6
4 设计计算............................................................... 6
4.1水力计算 ......................................................... 6
4.1.1过流能力的计算 ............................................. 6 4.1.2泄槽水面线计算 ............................................. 6 4.1.3消能防冲计算 .............................................. 11 4.1.4渗流计算 .................................................. 11 4.2 控制段稳定计算 .................................................. 12
4.2.1计算公式: ................................................ 12 4.2.2荷载组合: ................................................ 13 4.2.3列表计算: ................................................ 13 4.2.4计算结果 .................................................. 16
吴岭水库溢洪道设计书
1 设计目的和要求
通过课程设计培养学生了解并掌握实际水利工程的设计内容、方法和步骤,巩固专业课、技术基础课及基础课所学的知识,培养运用所学知识解决实际工程问题的能力,训练学生编写设计书、绘图的能力和技巧,培养查阅文献及规范的能力。
要求每个学生对设计内容中的各个环节做出系统的个人成果。每个人必须编写完整的课程设计成果。说明书简明扼要、条理清楚,计算方法得当、结果准确,设计方案合理可行,水工图纸布局合理、线条标注规范、图面整洁,能正确反应设计意图。
2设计资料
2.1 工程概况
吴岭水库枢纽工程位于汉北河支流东河上,坝址在湖北省某县境内,距县城22km。水库控制东河上流余家嘴、斋婆店两条主要河流,河道平均坡度为3‰。水库坝址以上乘雨面积102km²。流域多年平均降雨量1020.9mm。水库总库容7220万m³,是一座以灌溉为主、
兼有防洪、水产养殖、城镇供水等综合利用的中型水利工程。吴岭水库枢纽工程主要由大坝、副坝1、副坝2、正常溢洪道、东输水管、西输水管及灌区工程等组成。
2.2 基本资料
2.2.1 气象
本流域属北亚热带湿润季风气候区,多年平均气温16℃,极端最高气温41℃(1971年7月),极端最低气温-10℃(1995年1月),多年平均最大风速7~8级(17.32m/s),多年平均日照时数2030h,全年无霜期平均长达254d。多年平均降雨量1020.9mm(统计到期1998年),东河流域洪水来自暴雨,汛期为每年的4~10月。
2.2.2 洪水
设计洪水的计算结果见表1
表1 吴岭水库溢洪道设计洪水结果
频率 下泄流量(m³/s)
2.2.3 地质
溢洪道场地内上覆土层为第四系上更新统残坡积物,主要由粘土、含碎石粘土组成,层底高程57.60m左右。下伏基岩为二迭系下统栖霞组含燧石结核基岩。
地基土力学指标:
残坡积粘土:湿重18.7KN/m³,孔隙比e=0.993,内摩察角Φ=9°,凝聚力C=51.7Kpa/m²,
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3.33% 270.0 2% 287.0 1% 370.4 0.2% 436.0 0.1% 499.0 吴岭水库溢洪道设计书
渗透系数K=8.25×10−6cm/s,地基土壤变形系数E0=8.8Mpa,地基允许承载力[σ]=190Kpa。
填土与墙后摩擦角δ= 0。本区不考虑地震作用。 2.2.4 其他
根据该工程的实际情况,溢洪道两岸为四级公路;闸门采用弧形闸门;根据下游的用水要求及水库的水量平衡,水库正常蓄水位为62.20m。为了减小上游的淹没损失,上游最高洪水位不宜超高65.00m。
3 工程设计
3.1 工程布置
3.1.1枢纽的等别、溢洪道级别及洪水设计标准
查询《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252—2000)(见表2、表3)
表2 水利水电工程分等指标
表3 永久性水工建筑物级别
由水库的总库容值为7220万m³可知,该工程的工程等别为Ⅲ,溢洪道主要建筑物级别为3级,可取其对应的设计洪水及校核洪水分别为50年一遇(2%)及100年一遇(1%)。
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3.1.2溢洪道的位置、型式及组成 ① 溢洪道的型式及总体布置
观察该地形图,以垭口所在位置,初步画出溢洪道轴线及水流轴线,溢洪道轴线与水流方向近于垂直,由划线结果可以看出,该区域适合设置正槽式溢洪道,控制段应设置在垭口区域的最高地理位置附近,以减少修建闸室时对土方的开挖,节省工程资金。该设计溢洪道由进口段、控制段、泄槽段、消能段及尾水渠段组成。各组成段的相关尺寸设计见3.2(溢洪道的型式及尺寸)。
② 控制段的堰型
观察该地形图可以看出,该区域地形坡度较缓,且垭口地面的高程略高于正常蓄水位,泄流量较小,故该溢洪道的控制段适宜选择宽顶堰(平顶堰)。该堰型的优点为结构简单、施工方便,有利于排泄冰块等漂浮物,缺点是流量系数较小,过流能力较差。但对于该流域而言,由于其流量较小,故可以选用该堰型。
③ 闸门设置及闸孔总宽度
由校核洪水估算控制段总宽度,由资料可知,校核洪水(1%)下泄流量为370.4m3/s,在不设置闸门的情况下,初步设定控制端底板板面高程为62.2m,进口段顶面高程为57.6m。以校核情况计算,计算结果见下表4。(忽略动水水头)
其中圆角宽顶堰 :m0.360.01下泄流量:Qm2gBH03/23P/H(0P/H3)
1.21.5P/H(下同)
表4 无闸门时闸孔设计宽度
堰高P(m) 4.6 堰上水头H(m) 2.8 特征水位HD(m) 正常 设计 校核 62.20 64.39 64.80 安全超高△H(m) 正常 0.7 设计 0.7 校核 0.5 P/H 1.64 流量系数:m 0.36 Q(m3/s) 特征水位下的堰顶高程H(m) 设计(2%) 校核(1%) 正常 设计 校核 287 370.4 62.90 65.09 65.30 闸孔总宽度B(m) 初定堰顶高程H(m) 设计 校核 38 49 65.30 Bmax(m) 49 堰型:宽顶堰(无闸门) 3
吴岭水库溢洪道设计书
初定设计值(m) B 高程(m) 闸孔数 H 2.19 HD 64.39 0 单孔宽度(m) 0 上游坡度 90 55 闸口总宽度B(m) 0
将上表中计算所得的宽度值在地形图中经验算可知,不能很好的适应地形条件,故选择设置闸门方案。
初步设定闸底板板面高程为57.2m,进口段顶面高程为57.2m。以校核情况计算,结果见下表5。(忽略动水水头)
表5设闸门时闸孔设计宽度
堰高P(m) 0 堰上水头H(m) 7.8 特征水位HD(m) 正常 设计 校核 62.20 63.42 64.57 安全超高△H(m) 正常 0.7 设计 0.7 校核 0.5 P/H 0.00 流量系数:m 0.39 Q(m3/s) 特征水位下的堰顶高程H(m) 设计(2%) 校核(1%) 正常 设计 校核 287 370.4 62.90 64.12 65.07 闸孔总宽度B(m) 初定堰顶高程H(m) 设计 校核 8 10 65.07 Bmax(m) 10 堰型:宽顶堰(有闸门) 初定设计值(m) 单孔宽度B 高程(m) 闸孔数 上游坡度 (m) H 2 1 90 6.90 12 闸口总宽度B(m) HD 64.57 12
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表6 有效闸门宽度计算
堰型:宽顶堰(有闸门) 闸孔数 2 单孔宽度b(m) 6 H0/b>1 边墩影响系数ξk 中墩影响系数ξ0 0.7 0.25
闸墩 数目n 1 单个厚度d(m) 1 闸墩总宽度(m) 1 10.86 闸孔总宽度(m) 12 有效宽度Bc 由计算结果可以看出,当闸门宽度设为12m时,能够较好的适应地形条件。故对控制段,堰型选择为宽顶堰(设闸门),堰顶高程为65.07m。闸孔总宽度为12m。孔数为2,单孔宽度为6m。其对应的各特征水位如下:正常蓄水位(62.20m)、设计洪水位(63.42m)及校核洪水位(64.57m)。
3.2 溢洪道的型式及尺寸
3.2.1进口段
进水渠的作用是将水流平顺、对称的引向控制段,并具有调整水流的作用。进水渠在布置时短而直,其轴线方向宜进水顺畅。进水渠采用梯形断面,边墙坡度为1:0.5,底坡为平
坡,其末端用渐变段与控制段的矩形断面连接,渐变段长度为20m。进水渠底板厚度为1.0m。
可设渠首底板面宽度为13m,渠首边墙顶部宽度为18m,边墙厚度为0.5m。渠尾宽度为13m。渠首前段设置齿墙,深度为1.5m,长度为0.5m。靠坝侧设置导流墙。
3.2.2控制段 ① 控制段的孔口设计
设计过程及结果见3.1.2(表6) ② 控制段结构布置
控制段底板布置:采用整体式平地板,闸底板长度设定为20m,厚度为1.0m,结构为矩形设计。地板混凝土为满足强度、抗渗和防冲要求,采用强度等级为C25的混凝土,为钢筋混凝土结构。
闸墩结构布置:闸墩厚度为1.0m,迎流端采用锥弧形设计。尾端采用圆弧形设计。 上部结构型式:堰顶高程设计值取为65.5m。工作桥高度取为5m,宽度为4m。上设启闭机,采用装配式板梁结构。交通桥底部高程取为65.5m,宽度为4.5m,高度为0.5m。
③ 防渗排水设计:底板上下游两端设浅齿墙,深度为1.5m,长度为0.5m;闸室前部设有灌浆帷幕,深入岩层厚度5m。排水设施采用反滤层,取3种不同粒径的石料(砂、砾石和卵石)组成每层厚度为20cm的透水层,粒径级别由小到大为0.25~1mm、1~5mm、5~20mm。
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3.2.3 泄槽段 ① 平面及纵向布置
平面上,泄槽轴线与溢流堰轴线垂直,且泄槽与控制段顺直连接。纵向上,依据地形,合理设置泄槽段的坡度。
②底部衬砌及边墙尺寸设计
底部采用钢筋混凝土衬砌,纵缝形式为平接缝,间距采用10m,排水设施设有横向排水沟及若干道纵向排水沟。泄槽段宽度设为13m,厚度为1.0m,长度为80m。坡度取为1:15.38。边墙尺寸见水力计算。
3.2.4消能段
消能方式采用底流式消能,消力池采用下挖式。护坦厚度采用1.0m,为保证护坦材料的抗冲耐磨性,护坦材料采用混凝土。护坦尾部设有齿墙,深度为1.5m,宽度为0.5m。为了降低护坦底部的渗透压力,在护坦的后半部设置排水孔,其孔径为10cm,间距为2.0m。成梅花形排列。排水孔内充填碎石,这样既能是渗水通过,又有助于排除水流中的泥沙。排水孔底部设置有反滤层。消力池后设置海漫,同时在海漫末端加设防冲槽,海漫下设垫层。构造及尺寸见水力计算(表7)。
3.2.5 尾水渠
尾水渠采用明渠式输水方式,渠首与消能段平顺连接,渠道宽度设为13m。纵向坡度为1:22。采用浆砌石做防冲材料,下设有垫层。
4 设计计算
4.1水力计算
4.1.1过流能力的计算
特征水位的确定:见3.1.2(表5)。 4.1.2泄槽水面线计算
上游水位取校核水位(64.57m),则上游水深为7.37m,下游水深取为3.5m。由矩形断面的临界水深计算公式hk3q2g计算得临界水深hk=4.43m。
对泄槽水面线过程编程(程序如下)
条件:流量Q=370.4 坡度i=0.0289 糙率n=0.014 边坡m=0 底宽b=13 计算长度l=80 #include double Q,I,M,B,N,J1,DS,E1,V2,J2,E2;int DR; 6 吴岭水库溢洪道设计书 doublealfa=1.05; double HK(double Q,doubleI,doubleM,double B) { double Y,H1,HK; int k=1; Y=Q*Q*alfa/9.8/sqrt(1-I*I);H1=1.0; do { HK=pow((Y*(B+2*M*H1)),(1.0/3))/(B+M*H1); if(fabs(HK-H1)>=0.00001) } double HO(double Q,doubleI,doubleN,doubleM,double B) { double Y,H2,HO,srm; inti=1; Y=pow((Q*N/sqrt(I)),0.6);H2=2.0;srm=sqrt(1+M*M); do { HO=Y*pow(B+2*srm*H2,0.4)/(B+M*H2); } while(k<=30); return H1; H1=HK; k++; if(fabs(HO-H2)>=0.00001) } while(i<=30); return H2; 7 H2=HO; else break; i++; 吴岭水库溢洪道设计书 } doublefe(double h) { } double ERF(double(*f)(double x),double X1,double X2,double EPS) { doublea,b,Fa,Fb,h,Fm; int j; a=X1; b=X2; Fa=(*f)(a);Fb=(*f)(b); if(Fa*Fb>0) cout<<\"No root in (X1,X2),please input new X1,X2\"< for(j=1;j<=30;j++) { h=(a+b)*0.5; if(fabs(b-a) Fm=(*f)(h); if(Fm*Fa<0) b=h; else } a=h; return h; } double main() { double HD,HB,A,R,Hk,Ho,V[201],H[201],S[201]={0.00};int L,NS; 8 吴岭水库溢洪道设计书 Q=370.4;I=0.0289;N=0.014;M=0;B=13; cout<<\"输入值确认:\"< cout<<\"i<0,没有正常水深\"< READ:cout<<\"步长DS、步数NS:\"; cin>>DS>>NS;HD=Hk;cout<<\"临界水深:\"<