水工建筑物课程设计.docx
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水工建筑物课程设计
设
计
说
明
书
课程名:
水工建筑物课程设计
姓名:
指导教师:
专业:
水利水电工程
学号:
1.基本资料及设计依据
1.1基本资料
1.1.1概况本项目为教学环节中的课程设计,所采用的资料数据纯属学生学习所用。
1.1.2枢纽任务本项目设计属于基本的首部枢纽设计,主要的目的是解决水电站进水口的合理设计。
做到取水、排沙、防洪、消能、等目的。
1.1.3地形、地质条件取水坝坝址河床宽14m,地形平缓,坝轴线下游20m,河床由268°转为307°,河道变陡。
1.1.4水文资料根据调洪演算,得到各种频率下的洪水成果表:
时段
P=0.33%
P=0.5%
P=1%
P=2%
P=3.33%
P=5%
P=10%
P=20%
洪峰
886.6
843.2
767.3
689.8
630.9
582.8
502.2
420.1
洪量
3397
3221
2917
2606
2371
2105
1870
1580
1.1.5泥沙:
根据计算,得到坝址处悬移质多年平均输沙量为61000t,相应含沙量0.21kg/m3。
1.2设计依据
1.2.1规范:
《混凝土重力坝设计规范》SL319-2005
《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000
《水利水电工程进水口设计规范》SL285-2003
《混凝土重力坝设计规范》DL5108-1999
《水力计算手册》(第二版)武汉大学主编。
2工程总体布置
根据《水利工程等级划分及洪水标准》SL252-2000,确定工程规模,工程等级及设计标准:
该电站的装机容量为6400KW,属于小
(2)型电站,属于5等工程,并且所设计的取水坝不涉及防洪及其他的功能,所以确定该取水坝的工程等级为5级。
设计洪水为20年一遇的洪水,相应的洪峰流量为582.8m3/s.校核洪水为100年校核,相应校核洪水流量为767.3m3/s。
采用重力坝方案。
其筑坝材料可用砼和浆砌石两种材料,能使该工程充分利用现有的自然条件,且泄洪建筑物容易布置,施工导流易于解决。
居于浆砌石和纯混凝土两种坝型而言,浆砌石重力坝虽然水泥用量少,投资小,但不能实现机械化施工,人工砌筑,坝体质量难以控制,工期长,是不可取的;另外,随着改革的深入,施工质量和进度都将受到合同和国家法律的约束。
因此,唯有混凝土重力坝才是较理想的坝型,它能满足由于施工工艺、组织管理和机械设备使用水平的迅速提高而使工程早日完工的要求。
3溢流坝段的坝体设计
3.1剖面拟定
3.1.1剖面设计的原则
1.设计断面要满足稳定和强度的要求
2.力求剖面较小
3.外形轮廓简单
4.工程量小,运用方便,便于施工。
5.满足过流能力的要求。
3.1.2溢流坝的进水高程设计
根据工程要求,设计进水流量为7.5
/s,在有压流的条件下,初步拟定进水口的尺寸是b*h=1.5*1.5,则设计流速为v=3.3m/s.为了达到进水口不进气,故设计最下不进气水深为Sk=0.73×3.3×
=2.95m.取为3m.
由于要求进水口的进水高程为1681.2m,所以溢流坝段的高程为1681.2+1.5+3=1685.7m。
3.1.3溢流坝坝体设计
1.溢流坝段坝高设计
根据需要坝基面要清基5-6米,设计清基至高程为1673.7m全分化的花岗岩基面上。
所以坝高为1685.7-1673.7=12m。
2.溢流坝段的坝体宽度
试算结果:
由Q=ε×m×b×
×
=582.8
为简化计算
=1,m=0.50得:
当b=18m时,h=5.98m,显然太高。
当b=25m时,h=5.15m.
在一定条件下满足溢流坝段和非溢流坝段的比例,所以取坝的宽度为25米。
在上述前提下,当b=25m,计算校核洪水位:
Q=767.3m3/s时,Q=1×25×0.5×
×
反算h=6.19m.
通过上述的计算,得到相应的设计参数为:
正常蓄水位高程1685.7m
设计洪水位高程1690.1m
校核洪水位高程1691.9m
3.设计溢流坝段的剖面形状
坝高H=12m
坝底宽度为B=0.8*H=0.8*12=9.6m
坝高为12米,坝顶圆弧半径为满足过水平顺性,减少水头损失,采用半径为0.5Hd=0.5×5.15=2.57取为2.5米,坝底面的尺寸要是采用0.7-0.9倍坝高时,其下游的反狐半径需要很大,以至于整体尺寸偏大,故经过协调后得出以上的尺寸大小,反弧段结合水工消能设计,采用(4-10)h。
4.下游消能工设计
(1)消能设计洪水标准为10年一遇,其流量为502.2
/s。
(2)上游计算设计水头由公式Q=ε×m×b×
×
反求得:
Hd=
得Hd=3.7米。
在计算中若上游堰高p1/Hd
1.33,则称为高堰,计算中不需要计算行进流速水头。
经过计算能满足,故不计算流速水头。
(3)计算以收缩断面底部为基准面的坝前水流的总比能E0:
E0=P1+Hd=3.7+10=13.7m
(4)计算下游收缩断面处的断面水深hc:
由E0=hc+
,并且设宽度为25米,通过试算得到hc。
(5)假设下游某一断面处有一坡降为:
1:
4000的矩形断面,通过试算后求出下游水深H(下)即下游水深为1.84米.
并且下游水深已知的情况下,假设在反弧段的水深为临界水深.
试算消力池深度S
v
0.000
流速水头
0.000
消力池宽度
25.000
流量
502.200
单宽流量q
20.088
上下游高程差
0.000
上游水深
13.700
以下游河床为基准上游总水头E0
13.700
低堰流速系数φ
0.950
临界水深hk
3.453
E0/hk
3.243
hc0/hk
0.550
收缩水深hc0
1.707
跃后水深hc0''
6.097
求解得到上述跃后水深C=6.097米,保证发生淹没出流,其HT=
×hc0''=1.05*6=6.3m
=(0.7
-0.8)
=20-24米,故采用24米。
经上述计算假设的池深与计算的近似相同,故池深为2.6,及其池长24米。
其机构根据工程经验类比,采用C25钢筋混凝土机构,其强度满足要求不计算。
(5)消流池的侧墙高度设计:
以设计流量对应的水深加一定的安全超高0.4米,也就是h=1.84+0.4=2.24m。
为方便施工采用2.4米。
4非溢流坝段的设计
4.1设计原则
(1)坝体结构要根据坝的受力条件以及坝址处的地形地质、水文气象、建筑材料、施工工期,通过总体设计经济比较确定,本项目工程取水坝左岸坡出露基岩,岩性为黑云母花岗岩,强~弱风化状,其中顺河左岸边坡稳定性较好.故左岸布置小尺寸的非溢流坝段非常合适,其坝顶宽度在一定程度上比右岸小,较经济。
(2)坝段的上游面要协调一致,坝段两侧横缝上游面止水设施呈对称分布布置,需要调整时逐步过渡。
(3)坝段整体要满足稳定和强度的要求。
4.2基本剖面设计
4.2.1.坝顶高程设计
(1)超高值的计算坝顶高程要高于校核洪水位,坝顶上部防浪墙高程应高于波浪顶高程,防浪墙强顶至设计洪水位或校核洪水位的高差
=h1%+hz+hc,不考虑风浪的作用。
坝的超高值就等于安全超高值,设计状况下取0.4米,校核状况下取0.3米。
坝顶高程=设计洪水位+
坝顶高程=校核洪水位+
(2)根据以上两种情况时
计算结果,得出两种状况下的坝顶高程时取最大值。
设计洪水位高程1690.1m+0.4=1690.5m
校核洪水位高程1691.9m+0.3=1692.2m为保证大坝的安全所以取坝顶高程为
1692.2m.,相应坝高为1692.2-1673.7=18.5米。
4.2.2坝体坡比设计
(1)上游为铅直面,也就是m1=0,
(2)下游为1:
0.8
4.2.3坝顶宽度设计
设计检修的要求,本项目坝段(左岸)取为3米。
4.2.4基本剖面如图
上面的剖面尺寸说明,坝高为19.7m,由于该剖面是左岸的非溢流坝段与溢流坝段的连接处,随着向岸边靠近,由于岩基出露良好,故可利用基岩很好,故部分坝体可以直接浇于岩基上。
5.非溢流坝取水口段设计
5.1设计要求:
进水口位于输水系统的首部,其功用是按负荷要求引进发电用水。
进水口应满足下列基本要求;
(1)要有足够的进水能力。
(2)水质要符合要求。
进水口应能拦截有害的泥沙、冰块及各种污物。
(3)水头损失要小。
进水口应该位置合适、流道平顺、断面尺寸足够、流速较小,以合理的减小水头损失。
(4)可控制流量。
进水口要设置闸门,以便在事故中紧急关闭。
(5)满足水工建筑物的一般要求。
本设计采用有压设计,即采用坝式进水口。
5.2坝式进水口的位置、高程、及轮廓尺寸
5.2.1进水口的位置
进水口的位置应尽量使入流平顺、对称、不发生回流和漩涡,不出现淤积,不聚集污物,泄流时仍能正常进水。
水流不平顺或不对称,容易出现漩涡。
本工程采用右岸非溢流坝段设置进水口,并且在一定程度上,开挖了原始河床,使河床过水断面增加至36米(溢流坝段宽度),而且雍高了水位,使过水流态更加平缓。
在右岸设置进水口,水流可以平顺的进入,但是本项目只有一个进水口,所以在一定程度上不采用单侧进水,设计中使进水口的位置尽量靠近主要溢流坝段,从设计CAD上,进水口的位置设置在离溢流坝7米处,这是为了考虑冲沙的需要,冲沙口的位置更靠近主河道。
5.2.3设计规范规定
有压进水口段体型布置要求与明流口进水口段基本相同,其后宜设置事故检修闸门门槽段,在接1:
10的缓坡或平坡段。
工作闸门则设在有压孔口出口端,出口端上游设一压坡段。
孔口断面可为矩形。
5.2.2有压进水口的高程
本设计采用规定的进水口的最低高程为1681.2m。
5.2.3有压进水口的尺寸设计
本设计结构简单。
设计流量较小7.5m/s,设计过水断面为1.5
1.5。
(1)进口段闸门段剖面1.5
×1.5㎡.长度为适应溢流坝段的整体性,并且要预留闸门的安装尺寸故和非溢流坝段的相应的坝体一致宽。
(2)出口段的设计
本设计采用非棱柱体明渠,一方面方便与下游的矩形明渠连接,以方面扩散段产生水跃,进行消能。
(3)消能工采用底流式消能设计流量7.5m/s.而设计水头采用10年一遇的洪水。
其设计水头为:
1690.1-1681.2=8.9米。
不考虑流速水头的作用则H0=7.9米。
计算如下:
(4)依照孔口出流公式,试算后的得到收缩水深
已知b=2,q=7.5,
=0.63H0=7.9,从而求出收缩水深为hc=0.48.
所以Fr=Vc/
=3.6,
=2.21m.
=
=0.78m
水跃长度为7米。
其构造详图见CAD上:
综上计算得,渐变段采用1.5米宽过渡至2米宽,高采用3米。
斜坡护坦采用1:
4的坡度,长度为4米,池深为1.2米,护坦全长19米。
6冲沙闸设计
6.1冲沙闸的高程:
有工程经验,冲沙闸底板高程小于进水口底板高程的1.2米。
进水口的底板高程为1681.2米,则冲沙闸的底板高程为1680.0米。
6.2冲沙闸的孔口尺寸设计
为方便设计,冲沙闸的尺寸与进水口的尺寸一致,皆采用1.5×1.5㎡的布局。
6.3冲沙闸的闸门
冲沙闸的闸门选用在满足设计要求的水头作用下,还要运行简单可靠。
7.右岸非溢流坝段设计
由于右岸边坡较缓,并且又有进水口和冲沙闸的需要。
其设计要求与左岸的非溢流坝段的尺寸大体一致,但是由于布置了进水闸和冲沙闸,在一定使用期限内要坝顶宽度要满足交通和检修的要求,坝顶宽度扩大至4米。
其他尺寸与左岸非溢流坝段一致,详见CAD图。
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