苏ICP备112451047180号-6
方案设计
五峰水库是一座以抗旱应急、乡镇供水、灌溉、防洪为主，兼顾生态用水要求的综合利用水利工程。工程主要任务是：1、为清坪乡4497亩的农田提供灌溉水源；2、为清坪乡1.51万人口的人饮供水；3、通过修建水库和下游河道治理，消减洪峰，将清坪乡防洪标准提高到20年一遇。
坝址位于沅水一级支流王村河的下游，拟建小(1) 型水库。工程区属低山-丘陵地貌。，按照其工程任务，结合河流地形、地质条件，最终选择了在王村河中游一较大支流汇合口的下游1km处的上坝址作为五峰水库大坝推荐坝址。
本次毕业设计是五峰水库的枢纽建筑物的初步设计，包括设计图的绘制、文字报告的编写及结构的计算。
一、设计思路
1.本次毕业设计是该水利枢纽的挡水建筑物（非溢流坝）、泄水建筑物（溢流坝）设计。
1.1 设计的主要依据
多年最大平均风速13.0m/s，最大瞬时风速20.0m/s。水库正常蓄水位371.2m，大坝为4级建筑物，相应洪水标准为30年一遇设计，200年一遇校核，经调洪演算，水库设计洪水位375.60m，校核洪水位为376.61m。
| 五峰水库地质参数推荐值一览表 | ||||||||||||
|
岩 性 |
风化程度 |
饱和抗 压强度 |
弹性 模量 |
湿 密度 |
抗剪强度 | 抗剪断强度 |
抗冲 流速 |
|||||
| 岩/岩 | 砼/岩 | 岩/岩 | 砼/岩 | |||||||||
|
Rb (MPa) |
GPa | g/cm3 | f | f | f′ |
C′ (MPa) |
f′ |
C′ (MPa) |
m/s | |||
| 白云岩及白云质灰岩 | 弱风化 |
50 ～ 60 |
10 ～ 12 |
2.78 |
0.55 ～ 0.62 |
0.52 ～ 0.55 |
0.80 ～ 1.0 |
0.70 ～ 1.0 |
0.80 ～ 0.90 |
0.60 ～ 0.7 |
4 ～ 6 |
|
| 岩层层面 |
0.48 ～ 0.55 |
/ | / | / | / | / | / | |||||
| 节理面 | / | / | / | 0.45 | / | / | / | / | ||||
| 断层面 | / | / | / |
0.35 ～ 0.4 |
/ | / | / | / | ||||
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岩质 开挖坡比 |
临时 | 1:0.25～1:0.30 | ||||||||||
| 永久 | 1:0.30～1:0.35 | |||||||||||
1.2 坝址、坝线的选择和工程总体布置比较
（1）工程等级及建筑级别
根据《防洪标准》（GB50201-94）和《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）规定，确定水库工程等别。
水库枢纽工程中的永久性主要蓄水建筑物：大坝、溢洪道及取水建筑物进口等挡水建筑物等建筑物的等级，大坝防洪标准防洪标准及消能防冲设施的洪水设计标准。
（2）坝址坝线选择
根据可研阶段选定的上坝址上坝址选择两条坝线进行比较，上坝址处距下游河流转弯处的距离约90m即为推荐坝轴线，记为E-E’轴线，在该坝址处可供选择的还有另外一条坝轴线，即G-G’轴线，该坝线相距推荐坝线约50m。
从地质条件比较来看，下坝线靠近河道转弯处且坝线长度较长，坝基防渗线路较长，上坝线要优于下坝线；从投资来看，由于上坝线坝轴线较长以及消能设施开挖量过大，工程总投资比上坝线多，因此推荐上坝线为芙蓉水库大坝坝轴线。
（3）坝型选择
坝址区覆盖层的粘土储量不足，不适宜建均质土坝。坝址为纵向河谷，岩层倾向右岸，倾角较平缓，对拱坝左岸坝肩稳定不利。从地形条件看，坝址河两岸地形较不对称，左岸地形坡角为45º，右岸山坡坡角56～80º，河谷宽高比大于3.5，修建拱坝的适应性较差。
本工程坝址河段覆盖层厚度较小，岩石风化厚度不大且允许承载力较高，且本项目大坝坝体高度不大，具备修建重力坝的地形地质条件。因此本阶段设计考虑以重力坝坝型为主，选择常态砼重力坝、堆石砼重力坝、砼砌石重力坝三种坝型参与比选。
综合技术经济比较，砼砌石重力坝由于大量采用块石，能充分利用当地材料，节能环保，造价最低；坝体分段宽度大，有利于控制坝体施工质量，故本阶段选择砼砌石重力坝为推荐坝型。
（4）枢纽总体布置
枢纽主要建筑物包括大坝非溢流坝段、大坝溢流坝段和灌溉取水口。推荐坝型为砼砌石重力坝，大坝将河道整体栏断，其他建筑物均与大坝相结合，枢纽布置相对简单。为使消力池后水流顺利归槽，选择将溢流坝正对下游河床布置。枢纽主要建筑物从左岸到右岸布置依次布置为哪些建筑物。
1.3 非溢流坝剖面尺寸的拟定
（1）坝高及坝底高程的确定
坝顶或坝顶上游防浪墙高于静水位的超高，可按下式计算
混凝土重力坝的建基满足坝的强度和稳定的基础上，减少开挖。坝高小于50m时，可建在弱分化层中部至上部基岩上。最大坝高为H=坝顶高程—坝基高程。
（2）剖面尺寸的拟定
混凝土砌石重力坝非溢流坝段的上游面可为铅直面，斜面或折面。上游坝坡宜采用n＝0—0.2；当设置纵缝时，应考虑其对纵缝灌浆前施工期坝体应力的影响，坝坡不宜太缓，采用折面时，下游坝坡可采用一个或几个坡段，并根据稳定和应力要求，结合上游坝坡同时选择，下游坝坡宜采用m＝0.6—0.8；对横缝设有键槽进行灌浆的整体重力坝，坝坡可适当变陡。
（3）坝顶和坝底宽度拟定
坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工和交通等需要确定并应满足抗震，特大洪水时维护等要求。在严寒地区，当冰压力很大时，还要核算段面的强度。
非溢流坝段的坝顶宽度可根据要求确定，混凝土坝顶最小宽度为3m，坝顶宽度可采用坝高H的8%~10%。取10%。加上游防浪墙厚度、下游侧护栏和排水沟槽。
（4）非溢流坝荷载计算
基本组合包括正常蓄水位工况计算荷载包括：上游静止水压力、上游水重（可能有）、上游沙重（可能有）、上游淤沙压力、扬压力、坝体自重。
设计洪水位工况计算荷载包括：上游静止水压力、上游水重（可能有）、上游沙重（可能有）、上游淤沙压力、扬压力、坝体自重、下游静止水压力、下游水重。
特殊组合包括校核洪水位工况计算荷载包括：上游静止水压力、上游水重（可能有）、上游沙重（可能有）、上游淤沙压力、扬压力、坝体自重、下游静止水压力、下游水重。
排水失效工况计算荷载包括：上游静止水压力、上游水重（可能有）、上游沙重（可能有）、上游淤沙压力、扬压力、坝体自重。
（5）非溢流坝稳定计算
根据重力坝规范查询抗剪断公式及抗剪公式。
（6）非溢流坝应力计算
根据规范混凝土重力坝设计规范（SL319-2005）、砌石坝设计规范（SL25-2006），水平截面上的正应力，按偏心受压公式，计算上下游边缘应力:计算上述四种工况。
1.4溢流坝的剖面拟定
(1)确定溢流坝的剖面；
①泄流型式
②单宽流量 ：根据溢洪道规范
③堰顶高程 首先由调洪演算求出设计洪水位和相应的下泄流量Q。当采用开敞式溢流时，堰顶水头H0由开敞式溢流堰泄流能力计算公式反算得出，由设计洪水位减去堰上水头H0即为堰顶高程。
④溢流面体型设计
组成：顶部曲线段、中间直线段和下部反弧段。
顶部曲线可采用WES曲线。
Hd为定形设计水头，按堰顶最大作用水头Hmax的75%~95%计算。
反孤段的反弧半径R=(4-10)h ，h为校核洪水位闸门全开时反弧段最低点处的水深。当反弧段流速v＜16m/s时可取下限，流速越大，反弧半径也宜选用较大值。
中间的直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切，坡度一般与非溢流坝段的下游坡相同。
1.5消能方式的设计
挑流消能是利用泄水建筑物出口处的挑流鼻坎将下泄水流抛向空中，然后落入离建筑物较远的河床，与下游水流相衔接的消能方式。由《重力坝设计规范》SL319-2005知，消能适用于坚硬岩石上的高、中坝，低坝需经论证选用，当坝基有延伸至下游的缓倾角软弱结构，可能形成临应面时，不宜采用。设计工程地基地质条件较好，故选用挑能消能。
1.5.1挑流水力计算：
挑流消能设计内容包括：选择合适的鼻坎形式、反弧半径、鼻坎高程和挑射角度，计算各种泄量时的挑射距离和最大冲坑深度。从大坝安全考虑，希望挑射距离远一些，冲刷坑浅一些。
鼻坎形式及鼻坎高程的确定
挑流鼻坎形式很多，主要有扩散坎、连续坎、差动坎，斜挑坎等。其中斜挑坎结构简单，易于避免发生空蚀破坏；急流在挑流鼻坎前可获得均化，水流雾化也轻，适用于尾水位较深，基岩较均一，坚硬及溢流前沿较长的泄水建筑物。由于设计工程地基岩性较好，抗冲刷能力强且水头很高，参照已建项目宜采用最常用的挑流消能形式，因而必须设置挑流鼻坎。
（1）挑坎高程
工程中一般需高于下游最高尾水，取超高为0.5m。由于下游最高尾水位为359.97m，所以挑坎高程定为360.47m，河床底面高程为346.22m。
（2）反弧半径
反弧半径对水流链接和挑距都有一定的影响，当反弧半径过小时，水流将产生过大的离心惯性水头，使挑距减小，甚至形成跌水。溢流坝面反弧段是使沿溢流面下泄水流平顺转向的工程措施。通常采用圆弧曲线，反弧半径R按《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）规定：
式中：h —为校核洪水时，反弧处的水深，反弧流速越大，要求反弧半径越大。但是，如果反弧过大，又将使鼻坎向下游延伸很多，增加了工程量和延误工程工期。
（3）挑角
挑角越大，射程越大，但挑角增大，入水角β也增大，水下射程减小。同时入水角增大后，冲刷坑深度增加；另外，随着挑角增大，开始形成挑流得能量，即所谓起挑能量也增大。因此为了减小冲深，以选取θ一般在15°～30°的小挑角，取20°。
根据以上的公式和数据，就可以确定溢流坝曲面了。
1.5.2.水力计算
（1）V可近似计算为
Q -单宽流量；
Z –上下游水位差。
s-鼻坎挑角；（2）水面以下水舌长度的水平投影Lc为
Lc=T/tgβ
式中T-从下游水位起算的冲刷坑深度；
β-水舌外缘与下游水面的夹角
tgβ=
式中△S-鼻坎顶端与下游水面的高差。
（3）总挑距
总挑距L1为Xp与Lc之和：
L1=Xp+Lc
（4）对岩基河床冲刷坑深度t的计算，我国目前较普遍采用的计算公式为
式中 t-冲刷坑深度，m
q-单宽流量，m3/(s.m);
Z-上下游水位查，m
K-抗冲系数，它主要与河床的地质条件有关。
原水利电力部编制的规范中，根据我国的研究提出：
坚硬完整的基岩，K=0.9-1.2;
坚硬但完整性较差的基岩，K=1.2-1.5
较弱破碎、裂隙发育的基岩，K=1.5-2.0
冲刷坑后坡定义为i=t/L1，t为冲刷坑深度，L1为总挑距。i值越大，对坝身的安全越不利。根据经验，其数值约为2.5-5倍坑深。即许可的最大后坡ik=1/2.5-1.5,当冲刷坑后坡i<ik时，就认为冲刷坑不会危及,坝身的安全。
1.6基础处理
包括开挖清理、灌浆、断层处理等。
开挖与清理：提出开挖要求、方法和清理标准，并对一些简单的工程问题提出解决措施；
灌浆：包括帷幕灌浆和固结灌浆，确定灌浆排数、深度、孔距、排距、灌浆压力等；
断层处理：根据基本资料所给的断层性质和破碎程度以及对坝体影响的大小分别提出相应的处理措施。
2.设计图纸绘制
(1) 枢纽平面布置图1张
(2) 上游立视图1张
(3) 下游立视图1张
(4) 坝体结构图2张
(5) 其他1～2张
要求图面合理、设计正确、整洁、清晰，绘图认真仔细。不乱改乱写，图幅尺寸、规格、图的比例、线条、标注高程、尺寸符号和说明等均按工程制图标准。
三、工具设备要求
工具：电脑软件：CAD、office或WPS
四、技术规划或标准
[1] 林继镛.天津大学．水工建筑物.中国水利水电出版社.2009.
[2] 混凝土重力坝设计规范(SL319-2005).中国电力出版社出版.
[3] 水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）.中国水利水电出版社.
[4] 砌石坝设计规范（SL25-2006）.中国水利水电出版社.
[5] 溢洪道设计规范（SL253-2000）.中国水利水电出版社.
[6] 水工建筑物荷载设计规范(DL5077-1997).中国电力出版社.
[7] 水工设计手册5（混凝土坝）.中国水利水电出版社.
[8] 水工设计手册6（过坝与泄水建筑物）.中国水利水电出版社.
[9] 水工混凝土施工规范.（SL 677-2014）.中国水利水电出版社.
[10] 袁光裕.水利工程施工.中国水利水电出版社.
[11] 李炜、徐孝平.水力学.武汉水利电力大学出版社.
[12] 李炜.水力计算手册(第二版）.中国水利水电出版.2006.
[13] 王德蜀、刘铁男.毕业设计参考图.重力坝.武汉水利水电学院水工教研室.
[14] 吴媚玲.水工设计图集.水力电力出版社.
五、预计成果
设计报告书一份（包括说明书和计算书合并）
1.非溢流坝段设计
2.溢流坝段设计
3.消能方式设计
4.地基处理设计
图纸一份
1.非溢流坝段剖面图；
2.溢流坝段剖面图；
3.枢纽平面布置图；
4. 上游立视图；
5. 下游立视图。
6.其他
六、进度安排
| 序号 | 内 容 | 时间（天） | 地 点 |
| 1 | 熟悉资料 | 1 | 教室 |
| 2 | 枢纽位置确定及各建筑物级别 | 0.5 | 教室 |
| 3 | 枢纽布置方案 | 1 | 教室 |
| 4 | 重力坝挡水坝段剖面设计 | 4 | 教室 |
| 5 | 消能方式选定及设计 | 2 | 教室 |
| 6 | 溢流坝段设计 | 4 | 教室 |
| 7 | 确定地基处理方案 | 1 | 教室 |
| 8 | 绘图 | 3 | 计算机房 |
| 9 | 成果整理 | 2.5 | 计算机房 |
| 10 | 毕业答辩和成绩评定 | 1 | 教室 |
| 综 合 | 20 | ||