混凝土面板堆石坝及溢洪道设计说明书及计算书.doc
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混凝土面板堆石坝设计及溢洪道设计
目录
摘要 I
Abstract II
前言 III
第一章工程概况 1
1.1枢纽任务 1
1.2自然地理与水文特性气候 1
1.2.1流域概况 1
1.2.2气候特性 1
1.2.3水文特性 2
1.3工程地质及水文地质 2
1.3.1工程地质 2
1.3.2水文地质 3
1.3.3地震烈度 3
1.4建筑材料 3
1.5经济资料及其他 3
第二章设计标准及依据 5
2.1设计依据 5
2.2设计标准 7
第三章枢纽布置 8
3.1坝轴线选择 8
3.2坝型选择 8
第四章大坝设计 13
4.1大坝剖面尺寸拟定 13
4.1.1坝顶高程计算 13
4.1.2坝顶结构 14
4.1.3坝高确定 14
4.1.4上、下游坝坡 14
4.1.5坝面排水 15
4.2坝体分区和筑坝材料 15
4.2.1坝体分区 15
4.2.2坝料设计 16
4.2.3填筑标准 17
4.3面板设计 18
4.3.1面板的分缝 18
4.3.2面板厚度 18
4.3.3面板混凝土 19
4.3.4面板钢筋 19
4.3.5面板防裂 19
4.4趾板 20
4.4.1趾板宽度s 20
4.4.2趾板厚度h 20
4.4.3趾板端部斜长段QT 21
4.5接缝止水 21
4.6坝基处理 21
4.7坝体沉降计算 22
4.8坝体渗流计算 23
4.8.1渗流分析目的、方法 23
4.8.2渗流计算分析 24
4.9稳定分析 25
第五章溢洪道设计 26
5.1溢洪道布置 26
5.1.1简述 26
5.1.2引水渠段 26
5.1.3控制段 27
5.1.4泄槽段 27
5.1.5消能段 28
5.2溢洪道水力设计 28
5.2.1堰面曲线 29
5.2.2泄流能力计算 30
5.2.3泄槽水力计算 31
5.2.4消能防冲水力计算 35
第六章施工组织设计 46
6.1工程概况 46
6.2坝基开挖 46
6.3料场选择与规划 46
6.4施工道路规划设计 46
6.5坝体填筑 47
6.5.1上坝运输方式 47
6.5.2坝体填筑分期 47
6.5.3面板分期 48
6.6施工导流 48
6.7施工进度计划 48
结论 50
参考文献 52
附录一 53
附录二 77
摘要
题目来源于我国地区某水利枢纽实际。
设计的目的及意义主要在于巩固、扩大和提高所学水利水电理论知识,使其得到实际运用,并使之系统化。
锻炼和培养运用所学专业基础理论知识解决工程实际,并进行设计、计算、制图的能力,提高撰写专业技术报告的水平。
设计的主要内容包括:
坝址、坝轴线、坝型的选择,枢纽布置,面板堆石坝设计,泄水建筑物设计,细部构造设计,地基处理和施工组织设计等。
此外还进行了混凝土面板堆石坝的断面设计以及材料分区、面板、趾板、止水构造、面板分缝等设计。
采用的主要方法有渗流计算的水力学法、坝顶垂直沉降的工程类比估算法,以及相关规范、水力计算手册所推荐的方法。
关键词:
混凝土面板堆石坝CFRD面板溢洪道枢纽布置
II
Abstract
QuestionsfromsomewaterconservancyhubinsouthwestChina.Mainpurposeandsignificanceofdesignistoconsolidateandexpandandimprovethelearnedtheoryknowledgeofwaterresourcesandhydroelectricpower,makeitsgetpracticalapplication,andmakeitsystematic.Exerciseanddeveloptheprofessionalbasictheoreticalknowledgetosolvepracticalengineering,andtocarryonthedesign,calculationanddrawingability,improvethewritinglevelofprofessionaltechnicalreport.
Designthemaincontentsinclude:
theaxisofthedam,dam,damtypeselection,generallayout,thedesignofconcretefacerockfilldam,buildingdrainagedesign,detailstructuredesign,foundationtreatmentandconstructionorganizationdesign,etc.Inadditionalsohascarriedontheconcretefacerockfilldamofthecrosssectiondesignandmaterialpartition,panels,toeslab,waterstopstructure,stitcheddesignpoints.Mainmethodsusedinthedesignprocess,thereisseepagecalculationofhydrauliccrestverticalsubsidenceengineeringanalogymethod,estimation,andrelatedspecifications,manualhydrauliccalculationmethodrecommended.
KeyWords:
ConcretefacerockfilldamCFRDPanelThelayoutofthespillway
前言
毕业设计既是大学的必修课,又是检验我们四年来学习成果的机会,是对我们所学理论知识的一次系统的复习巩固过程,为我们以后的学习和工作奠定坚实的理论基础。
为了做好这次的毕业设计,我们需要全面系统的了解一份设计的基本步骤,工程的基本建设程序,通过查阅大量的相关工程资料,运用所学的知识及现有类似工程具体分析类比设计中所面临的问题并给予解决,按时、保质保量的完成本次设计任务。
1.设计任务书及原始资料是工作的依据,因此首先要全面了解设计任务,熟悉该河流的一般自然地理条件,坝址附近的水文和气象特性,枢纽及水库的地形、地质条件,当地材料,对外交通及有关规划设计的基本数据,只有在熟悉基本资料的基础上才能正确地选择建筑物的类型,进行枢纽布置、建筑物设计及施工组织设计。
因此,应把必要的资料整理到说明书中。
通过对资料的了解和分析,初步掌握原始资料中对设计和施工有较大影响的主要因素和关键问题,为以后设计工作的进行打下良好的基础。
2.本次设计内容及要求:
(1)坝轴线选择、坝型选择,枢纽布置。
(2)挡水建筑物设计:
包括土坝断面设计、平面布置、渗流计算、稳定计算、细部构造设计、基础处理等。
(3)泄水建筑物设计:
溢洪道或导流洞设计(仅选其中一项),以水利计算为主。
选取溢洪道设计。
(4)施工组织设计(选作内容)。
仅作简单的阐述。
3.工程设计概要
该水利枢纽工程属于Ⅲ等中型工程,是一座以农田灌溉为主,兼顾防洪、渔业的综合利用水利枢纽,通过该枢纽的建设,不仅能大幅改善当地农田灌溉的水资源利用率,还能够推动当地经济的发展,有效的改善人民的生活水平。
第一章工程概况
c河是我国西南地区某江的一级支流,根据河流规划拟建一水库,本设计的任务是对A河水利枢纽进行设计,其基本资料如下。
1.1枢纽任务
本工程以农田灌溉为主,兼具防洪、渔业等功用。
水库正常蓄水位1317.01m,死水位1275.67m,灌溉面积3.5×104亩。
减轻洪水对下游两岸的威胁,安全泄洪量控制在70m3/s以内,正常蓄水位时,水库面积为15.6km2,为发展水产养殖创造条件。
1.2自然地理与水文特性气候
1.2.1流域概况
A河是位于我国西南地区某江的一级支流,流向自南向北,全长42km,流域面积558km2,坝址以上流域面积为15.3km2。
本流域内地层发育齐全,构造运动和岩浆活动不甚发育,构造以褶皱为主,断裂较少,构造以南北向和东北向为主。
流域内支流较多,切割强烈,地表大部分为松软砂岩、页岩、泥岩及石灰岩的风化层,河流冲积层较厚,两岸有崩塌现象。
全区水路交通较为便利,信息畅通,森林资源丰富,覆盖率达40%以上。
1.2.2气候特性
亚热带海洋性季风气候,四季分明,雨热同季,日照少、雨量大、气候湿润。
年平均气温17.8℃,最高气温达40℃,发生在7、8月份,最低气温-1.7℃,发生在1月份;年均降雨146天,年均降雨量为1056.2mm,干湿度为0.82。
全年风力较小,风速一般为1m/s,偏东北向或东向。
1.2.3水文特性
A河径流的主要来源是降水,因山区流域无明显调节,一般是每年5月河水开始上涨,汛期开始,至9月底枯水期开始,直至次年汛期。
实测A河最大流量为150m3/s,多年平均径流量为0.467m3/s。
经分析求得不同频率的洪峰流量见表1。
表1.2.1不同频率的洪峰量表
0.1%
0.5%
1%
2%
洪峰量(m3/s)
259
235
202
162
表1.2.2水库水位库容曲线
水位(m)
1277
1281
1287
1293
1299
1305
1311
1317
1322
库容(万m3)
36
102
197
298
418
587
804
1101
1333
A河为山区河流,含沙量与降水强度等相关。
据统计多年平均输沙量为1.87万t,而相应枯水期含沙量偏小,初步估算30年后坝前淤积高程达1270m。
1.3工程地质及水文地质
1.3.1工程地质
库区内出露地层有砂岩、页岩、泥岩及石灰岩等,经地质勘探认为渗漏情况不大。
但水库蓄水后,两岸的坡积及残积等物质可能出现坍塌,经过勘测,坍方量在300万m3左右。
坝址区处于河流流向NE的“U”型河谷上。
两岸岸坡较不对称,左岸岸坡较平缓,右岸岸坡较陡。
岸坡高度150m,岸坡坡角一般30°-50°,岸坡无明显的侵蚀面发育。
谷底平缓,宽130~150m。
河床宽8~20m,分布冲洪积层,上部为砂壤土夹漂石,下部为砂卵砾石,中夹淤质土,结构松散,厚6~9.5m;下伏基岩为三迭系上统须家河组第7层(T/3xj7/):
青灰色、灰白色中~薄层状中细粒含长石石英砂岩与灰黑色中~薄层状泥岩互层中厚层~厚层状中粗粒含长石石英砂岩夹薄~中厚状泥岩及煤线。
F/4断层形成局部强风化带,相对隔水层埋深31~51m。
其上为中等~强透水。
Qcol/:
γ=18~21,φ=24~30,C=0~0.005[R]=0.2~0.3J/允=0.1~0.3
Qpal/:
γ=20~21,φ=26~30,C=0[R]=0.2~0.3J/允=0.1~0.2
J/1-2z、T/3xj3/、T/3xj7/强风化泥岩岩体:
γ=22~23,R/b=1~5,[R]=0.3~0.5,μ=0.31~0.34,E/0=0.1~0.2,φ=24°~30°,C=0.005
J/1-2z、T/3xj3/、T/3xj7/弱风化泥岩岩体:
γ=23~25,R/b=8~10,[R]=0.8~1.2,μ=0.28~0.30,E/0=0.8~1.2,φ=28°~31°,C=0.075~0.15
J/1-2z、T/3xj2/、T/3xj7/强风化砂岩岩体:
γ=24~25,R/b=10~20,[R]=1~2,μ=0.31~0.34,E/0=2~3,φ=30°~33°,C=0.02~0.1
J/1-2z、T/3xj2/、T/3xj7/弱风化砂岩岩体:
γ=25~26,R/b=50~60,[R]=3.5~4.5,μ=0.27~0.29,E/0=3~4,φ=36°~38°,C=0.2~0.5
1.3.2水文地质
河流两岸有泉水出露,流量0.015~0.3L/s,分布高程1285m~1370m。
左右两岸地下水位均高于河水位,左岸地下水坡降约0.023,右岸地下水坡降约0.172。
1.3.3地震烈度
本地区地震烈度为Ⅶ度。
1.4建筑材料
砂砾料料场坝址上下游各有2个,总量达1850万m3;黏性土料上游2个料场,下游1个料场,总量190万m3。
料场距离坝址约4km。
石料总储量达450万m3,开采条件好,距离坝址近。
1.5经济资料及其他
流域内部为农业人口,正常蓄水位淹没人口112人。
其他资料:
①坝区地形图1张,坝轴线附件地质剖面图2张;
②洪水调节计算成果:
堰顶高程ΔI=1317.01m,溢流孔口净宽B=5m;
正常蓄水位1317.01m,下游水位为1260.55m;
设计洪水位1319.87m,设计泄洪量36.7m3/s,下游水位1260.65m;
校核洪水位1321.35m,校核泄洪量68.3m3/s,下游水位1260.95m。
36
第页
第二章设计标准及依据
2.1设计依据
为贯彻执行国家技术和经济政策,达到既安全又经济的目的,应该对水利枢纽按其规模,效益在国民经济中的重要性,对建筑物进行分级,在设计和施工中,对不同级别的水工建筑物在安全系数,洪水标准,安全超高等技术方面,则区别对待,具体划分依据中华人民共和行业标准。
SL252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》中有关规定确定。
结合枢纽任务,根据资料,本枢纽水库总库容为1101万m³(0.11亿m³),最大库容为0.13亿m³;水库以农田灌溉为主,灌溉面积为3.5万亩,另外考虑供水对象重要性,防洪要求根据表2.1.1本枢纽定为Ⅲ等中型工程。
根据表2.1.2永久性水工建筑物级别,及表2.1.3水库大坝提级指标,本枢纽工程等别为Ⅲ等,其主要建筑物(大坝、溢洪道)属于3级,次要建筑物属4级。
根据枢纽等别和建筑物级别,对照规范《水利水电工程等级划分及洪水标准》,山区水利水电工程水工建筑物洪水标准表,见表2.1.3,确定水工建筑物设计标准为50年一遇,2000年一遇洪水标准校核。
根据表2.1.4,水库溢洪道消能防冲建筑物的洪水标准按30年一遇洪水设计。
表2.1.1水利水电工程分等指标
工程等别
工程规模
水库总库容(m³)
防洪
治涝
灌溉
供水
发电
保护城镇及企业的重要性
保护农田(亩)
治涝面积(亩)
灌溉面积(亩)
供水对象重要性
装机容量 KW
Ⅰ
大1型
≥10
特别重要
≥500
≥200
≥150
特别重要
≥120
Ⅱ
大2型
10-1.0
重要
500-100
200-60
150-5
重要
120-30
Ⅲ
中型
1.0-0.10
中等
100-30
60-15
50-5
中等
30-5
Ⅳ
小1型
0.10-0.01
一般
30-5
15-3
5-0.5
一般
5-1
Ⅴ
小2型
0.01-0.001
<5
<3
<0.5
<1
表2.1.2永久性建筑物级别
工程等别
主要建筑物
次要建筑物
Ⅰ
1
3
Ⅱ
2
3
Ⅲ
3
4
Ⅳ
4
5
Ⅴ
5
5
表2.1.3山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准(重现期:
年)
项目
水工建筑物级别
1
2
3
4
5
设计
1000-500
500-100
100-50
50-30
30-20
校核
土石坝
可能最大洪水或10000-5000
5000-2000
2000-1000
1000-300
300-200
混凝土坝、浆砌石坝
5000-2000
2000-1000
1000-500
500-200
200-100
表2.1.4山区、丘陵区水利水电工程消能防冲建筑物洪水标准
永久性泄水建筑物级别
1
2
3
4
5
洪水重现期(年)
100
50
30
20
10
2.2设计标准
SL252-2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》
SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》
SL203-97《水工建筑物抗震设计规范》
SL253–2000《溢洪道设计规范》
SL228-98《混凝土面板堆石坝设计规范》
SL303-2004《水利水电工程施工组织设计规范》
第三章枢纽布置
3.1坝轴线选择
混凝土面板堆石坝的坝轴线选择,既要考虑坝址的地形地质条件,又要考虑面板堆石坝的特点,且有利于其他建筑物的布置。
重点是选择较理想的趾板线位置,使趾板地基尽量置于坚硬。
非冲蚀性的岩基上,尽量避开断裂发育、强烈风化、夹泥、岩溶等不利地质因素,使趾板地基处理工作量减少。
另一方面要选择有利的地形,使坝轴线采用直线型式,并尽可能与河道正交,以节省坝体工程量和方便施工.
根据地形地质条件,选择地形图所示的A河道作为坝址,并拟定I-I为坝轴线、II-II为坝趾轴线。
从地质剖面图来看,该区域处于河流流向NE的“U”型河谷上。
两岸岸坡较不对称,左岸岸坡较平缓,右岸岸坡较陡,岸坡坡角一般30°-50°,岸坡无明显的侵蚀面发育。
谷底平缓。
处理完河床覆盖层,并对坝基进行防渗处理,可满足建坝要求。
综上因素,选择I-I为坝轴线、II-II为坝趾轴线。
3.2坝型选择
根据所给库区地形地质条件资料,结合各坝型的特点进行如下坝型比选:
坝型一:
重力坝
重力坝是一种古老而且应用广泛的坝型,它因主要依靠坝体自重产生的抗滑力维持稳定而得名。
重力坝的结构简单,施工方便,抗御洪水能力强,抵抗战争破坏等意外事故的能力强,工作安全可靠,至今仍广泛使用。
1、重力坝的工作原理
重力坝的工作原理是在水压力及其他荷载的作用下,主要依靠坝体自身重量在滑动面上产生的抗滑力来抵消坝前水压力,以满足稳定的要求,同时,也靠坝体自重在水平载面上产生的压重力来抵消由于水压力所引起的拉重力,以满足强度的要求。
其基本剖面为上游近于垂直的三角形剖面,眼垂直轴线方向常没永久伸缩缝,将坝体分成若干独立工作的坝段,坝体剖面较大。
2、重力坝的特点
重力坝之所以能长久地被采用,主要是因为它具有以下几大优点:
a.泄洪和施工导流比较容易解决。
重力坝的断面大,筑坝材料抗冲刷能力强,适用于在坝顶溢流和坝身设置泄水孔。
在施工期可以利用坝体或底孔导流。
枢纽布置方便一般不需要另设河岸溢洪道或洪隧洞。
在意外情况下,即使从坝顶少量过水,一般也不会招致坝体失事;
b.安全可靠,结构简单,施工技术比较容易掌握。
坝体板样,立模和混凝土浇筑和振捣都比较方便,有利于机械化施工;
c.安全可靠重力坝剖面尺寸大,应力较小,筑坝材料强度高,耐久性好,因而抵抗水的渗漏、洪水漫顶、地震和战争破坏的能力都比较强;
d.对地形、地质条件适应性强任何形状的河谷都可以修建重力坝,因为坝体作用于地面上的压应力不高,所以对地质条件的要求也较低;
e.枢纽泄洪问题容易解决重力坝可以做成溢流的,也可以在坝内设置泄水孔,一般不需要另设溢洪道或泄水隧洞,枢纽布置紧凑;
f.结构作用明确重力坝沿坝轴线用横缝分成若干段,各坝段独立工作,结构作用明确,应力分析和稳定计算都比较简单。
但是,重力坝也有下面一些缺点:
a.坝体剖面尺寸大,水泥用量多;
b.坝体应力较低,材料强度不能充分发挥;
c.坝体与地基接触面积大,因而坝底的扬压力较大,对稳定不利。
d.坝体体积大,施工期混凝土的温度应力和收缩应力较大,在施工期对混凝土温度控制的要求较高。
坝型二:
拱坝
拱坝是在平面上呈凸向上游的拱形挡水建筑物,借助拱的作用将水压力的全部或部分传给河谷两岸的基岩。
与重力坝相比,在水压力作用下坝体的稳定不需要依靠本身的重量来维持,主要是利用拱端基岩的反作用来支承。
拱圈截面上主要承受轴向反力,可充分利用筑坝材料的强度。
因此,是一种经济性和安全性都很好的坝型。
1、拱坝特点:
(1)优点:
拱坝利用拱的作用将荷载传至两岸,充分利用了材料的搞压性能,故拱坝可做得比较薄,大大节省混凝土方量,从而节省造价。
此外,拱坝还可以在坝身开孔解决泄流问题,不需另外修建溢洪道,坝体重量轻,抗震性能好。
(2)缺点:
几何形状复杂,施工难度大。
施工导流需一次断流,工另开导流隧洞。
拱坝主要的缺点是对坝址河谷形状及地基要求较高。
2、地质条件
建造拱坝的地形条件是左右两岸对称,岸坡平顺无突变,砰面上为向下流收缩的峡谷地段,如V形和U形河谷。
坝端下游侧要有足够的岩体支承,以保证坝体的稳定。
理想的地质条件是基岩均匀单一、完整稳定、强度高、刚度大、透水性小和耐风化。
此外,拱坝要求两岸坝座附近河岸边坡岩体稳定,整体性好,没有大的断裂构造和软弱夹层,在荷载作用下不产生大的压缩变形。
坝型三:
土石坝
1、土石坝特点
(1)优点:
a.就地取材,节省钢材﹑水泥﹑木材等建筑材料,减少了建坝过程中的远途运输。
b.结构简单,便于维修和加高﹑扩建。
c.坝身是土石散粒体结构,有适应变形的良好性能,因此对地基的要求低。
d.施工技术简单,工序少,便于组合机械快速施工。
(2)缺点:
坝身一般不能溢流,施工导流不如混凝土坝方便,粘性土料的填筑受气候条件影响较大等。
2、地质条件:
土石坝能够适用各种地质条件
综上所述,根据QA水库地质条件及附近建筑材料,发现重力坝及拱坝地形地质条件不适宜,而土石坝能适应各种地质条件且附近有足够的建坝材料,因而选用土石坝为建坝坝型。
土石坝按其施工方法可分为碾压式土石坝、抛填式堆石坝、定向爆破堆石坝、水中倒土坝和水力冲填坝。
从地形地质条件以及附近建筑材料来看本次设计坝型应选择碾压式土石坝。
碾压式土石坝根据土料配置的位置和防渗体类型的不同,又分为均质坝、斜心墙坝、混凝土面板堆石坝。
均质坝材料单一,工序简单,但坝坡较缓,剖面大,工程量大,施工易受气候影响,冬季施工较为不便,坝体空隙水压力大。
因此考虑均质坝方案是不宜采用的。
土质防渗体分区坝主要有斜心墙坝、斜斜心墙坝、斜墙坝和多种土质坝等类型。
斜心墙坝土质防渗体设在坝体中部,两侧为透水性较好的砂石料,该坝型粘性土料所占比重不大,施工受季节影响较小,但施工时斜心墙与坝体同时填筑,相互干扰较大。
混凝土面板堆石坝是以堆石体作为支承,而以土、混凝土、沥青混凝土等材料作为防渗体的一种坝型。
具有很多优点:
堆石体抗剪强度高,紧密度大,浸润线低,抗震稳定性好,堆石体可常年施工进度快,工期明显缩短,工程收效快,投资也明显地节省。
混凝土面板堆石坝只要对地基进行适当的处理保证坝体
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