【文章內(nèi)容簡介】 規(guī)模由庫容 5030萬 m3控制，屬中型。主要建筑物為 3級，次要建筑物為 4級，臨時(shí)建筑物為 5級。永久性水工建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)，正常運(yùn)用（設(shè)計(jì)）洪水重現(xiàn)期 100~50年；非常運(yùn)用（校核）洪水重現(xiàn)期1000年。 建筑物類型及樞紐布置方 案比較及選定 建筑物類型 1 壩型選擇 影響壩型選擇的因素很多，最主要的是壩址附近的建筑材料，還有地形、地質(zhì)條件、氣候條件、施工條件、壩基處理、抗震要求等。應(yīng)選擇幾種比較優(yōu)越的壩型，擬定剖面輪廓尺寸，進(jìn)而比較工程量、工期、造價(jià)，最后選定技術(shù)上可靠、經(jīng)濟(jì)上合理的壩型。本設(shè)計(jì)可供選擇的有重力壩、拱壩、土石壩。 1） 對于重力壩具有以下工作特點(diǎn) （ 1）重力壩筑壩材料強(qiáng)度高，耐久性好，抵抗洪水漫頂、滲漏、沖刷、地震破壞等的能力強(qiáng)。因而失事率低，工作安全可靠。 （ 2）對地質(zhì)、地形條件適應(yīng)性強(qiáng)。由于壩底壓應(yīng)力 不高，對地質(zhì)條件要求較低。 （ 3）由于重力壩可做成溢流的，也可在壩內(nèi)設(shè)置泄水孔，故一般不需要另設(shè)溢洪道或泄水隧洞，樞紐布置緊湊。 （ 4）結(jié)構(gòu)作用明確。由于橫縫將重力壩分成若干壩段，各壩段獨(dú)立工作，結(jié)構(gòu)作用明確。 （ 5）由于壩體剖面尺寸往往由穩(wěn)定和壩體拉應(yīng)力強(qiáng)度條件控制而做得較大。材料用量多，壩內(nèi)壓應(yīng)力較低，材料強(qiáng)度不能充分發(fā)揮。且壩底面積大，因而揚(yáng)壓力也較大，對穩(wěn)定不利。 （ 6）因壩體體積較大，施工期混凝土收縮應(yīng)力也較大，為防止發(fā)生溫度裂縫，施工時(shí)對混凝土溫度控制的要求較高。 2） 對于拱壩，具有以下特點(diǎn) （ 1） 具有雙向傳力的性能，拱壩荷載一部分通過拱的作用傳給兩岸巖體，另一部分通過豎直懸臂梁傳給壩底基巖。因此，拱壩的選擇要由良好的地形地質(zhì)條件，如 V 形U 形和梯形山谷。拱壩理想的地質(zhì)條件時(shí)基巖堅(jiān)硬致密，質(zhì)地均勻，有足夠的強(qiáng)度，透水性小，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，無大的斷裂構(gòu)造和軟弱夾層。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 （ 2） 拱是推力結(jié)構(gòu)，有利于發(fā)揮工材料的抗壓性性能，可使壩體做得較薄，一般可節(jié)省同高重力壩工程量的 1/3～ 2/3，節(jié)省材料，減小造價(jià)，增加工程效益。 （ 3） 拱壩具有較高的超載能力。 （ 4） 拱壩輕韌，富有彈性和整體性好，借助巖基對地震 動(dòng)能的吸收，具有較強(qiáng)的抗震能力。此外，拱壩體型復(fù)雜，剖面較薄，設(shè)計(jì)施工難度大，對施工質(zhì)量、筑壩材料強(qiáng)度和防滲要求，以及對地形、地質(zhì)條件及地基處理的要求均較高。 3) 對土石壩，具有以下特點(diǎn) （ 1）土石壩可就地取材，與混凝土壩相比，節(jié)省大量水泥、鋼材和木材，且減少了筑壩材料遠(yuǎn)途運(yùn)輸費(fèi)用。 （ 2）對地質(zhì)、地形條件要求低，任何不良地基經(jīng)處理后均可筑土石壩。 （ 3）施工方法靈活，技術(shù)簡單，且管理方便，利于加高擴(kuò)建。它的缺點(diǎn)由： ① 不允許壩頂溢流（過水土石壩除外），所需溢洪道或其他泄水建筑物的造價(jià)往往很大； ②在河谷狹窄 、洪水流量大的河道上施工導(dǎo)流較混凝土壩困難； ③ 采用黏性土料作防滲體時(shí)，黏性土料施工受氣候條件影響大。 根據(jù)郭莊水庫壩址處資料，該地對外交通不便，也不具有適宜建拱壩的有利地形，河床部分基巖埋深 15~24m，但具有儲(chǔ)量豐富的土石料。綜合考慮該壩址處的地形、地質(zhì)條件、建筑材料及其工程效益，選擇土石壩作為郭莊水利樞紐的擋水建筑物。 2 泄水建筑物的選擇 考慮到郭莊水利樞紐該地區(qū)在豐水年汛期洪峰流量較大，千年一遇洪水為 2710 m3/s，該樞紐擋水建筑物為不過水土石壩，因此，泄水建筑物選擇溢洪道和泄洪隧洞共同擔(dān)任泄洪 。 3 樞紐布置方案確定 擋水建筑物選擇土石壩。 擋水建筑物按直線布置，壩布置在河灣地段上。 泄水建筑物包括泄洪隧洞和溢洪道。 由于壩址處 右邊 山坡高峻，巖體完整，風(fēng)化作用較輕， 左 岸山坡相對低矮平緩，巖石風(fēng)化較河床右邊重，巖石表面由較多的裂縫，情況不如右邊，但仍是良好的地基。對于泄洪隧洞，為了縮短長度，減小工程量，泄洪隧洞布置在右岸，而將溢洪道布置在 左岸山坡。 第 3 章 土壩設(shè)計(jì) 壩型選擇 土石壩是由黏性土、非黏性土、堆石等材料組成。過去常將土石壩按建筑材料組成而分為土壩和堆石壩。土石壩根據(jù)壩體的防滲材 料及其結(jié)構(gòu)分為均質(zhì)壩、分區(qū)壩、人工防滲材料壩。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 均質(zhì)壩壩體的絕大部分是由大體上均一的土料或相對均一的弱透水性材料組成，壩體的整個(gè)斷面起防滲和穩(wěn)定作用。這種壩由于土料的滲透系數(shù)小，因此施工期壩體內(nèi)要產(chǎn)生孔隙壓力，加上其抗剪強(qiáng)度較小，所以這種壩型大多數(shù)為中低壩。均質(zhì)壩有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）由于材料基本是均質(zhì)，所以壩體斷面簡單，施工容易，施工機(jī)械、施工方法比較單一。 （ 2）由于全斷面防滲，所以一些相對弱透水性的材料也可以用來填筑均質(zhì)壩。 （ 3）由于這種壩一般較低，壩坡比較平緩，在承載力相當(dāng)?shù)偷能浕弦部尚藿?。均質(zhì)壩 的缺點(diǎn)是由于邊坡較緩，工程量大，且需要大量的土料，因此往往要占用大量耕地。 分區(qū)壩可由土質(zhì)防滲體與幾種透水性不同的材料分區(qū)所組成，根據(jù)防滲體的位置，主要可分為心墻壩、斜心墻壩和斜墻壩。 心墻壩的防滲體設(shè)置在壩體中央，即壩軸線處。這種壩適應(yīng)變形的條件較好，特別是當(dāng)兩岸壩肩很陡時(shí)，是應(yīng)優(yōu)先選用的壩型。其特點(diǎn)是：心墻與壩殼比較具有明顯的較高壓縮性，因此沿著心墻邊界接觸面出現(xiàn)的剪應(yīng)力會(huì)使心墻有效垂直應(yīng)力大幅度下降，即產(chǎn)生所謂拱效應(yīng)。因心墻必須與兩側(cè)壩殼平起上升，施工難度較大。 斜墻壩防滲墻設(shè)置在把提上游面或接近上游 面。由于較低抗剪強(qiáng)度的防滲體位于上游面，故上游壩坡較緩，工程量大。正因?yàn)榉罎B體處在上游，故壩殼可單獨(dú)領(lǐng)先上升，施工比心墻壩容易，基礎(chǔ)處理干擾較小，雨季施工亦便于安排，攔洪度汛也較容易。 斜心墻壩介于心墻壩與斜墻壩之間。這種壩是為了克服心墻壩可能產(chǎn)生拱效應(yīng)和斜墻壩對變形敏感等的不足而發(fā)展起來的，很適合高土石壩。 人工防滲材料壩的防滲體由鋼筋混凝土、瀝青混凝土、鋼板、塑料薄膜或其他人工材料組成，而壩體其余部分仍由土、砂、石料組成?？紤]到充分利用壩址附近各種土石料，以及當(dāng)?shù)貧夂?、工程造價(jià)、工期等各種因素，最終選擇 斜墻壩方案。 地基處理及斷面擬定 地基處理 土石壩對地基的要求比混凝土壩低，但從解決地基滲水承載力小，壓縮性大，抗剪強(qiáng)度低及振動(dòng)液化等問題方面，通常需對地基采取不同的處理措施。無論哪種地基，筑壩前都需要進(jìn)行清基，清除可能造成集中滲流和發(fā)生滑動(dòng)的表層土石。 河床部分：該樞紐河床部分基巖埋深 15～ 24m，河床質(zhì)為砂卵石，厚度為 20～ 22m。對砂卵石地基的處理，主要是保證地基滲流穩(wěn)定，控制滲流量，處理措施為：在壩體中上游側(cè)設(shè)置垂直或水平防滲如黏土截水槽、混凝土防滲墻、灌漿帷幕或鋪蓋等，下右側(cè)設(shè)排 水減壓措施如排水井、反濾蓋重等。 由于壩址處砂卵石層深度不大，可開挖深槽直達(dá)基巖，槽內(nèi)回填黏土與斜墻連成整河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 體。由于壩基巖風(fēng)化，節(jié)理發(fā)育，是防滲的薄弱環(huán)節(jié)。為防止發(fā)生集中滲流在槽底設(shè)混凝土齒墻。 壩肩岸坡處理：挖黏土截水槽至半風(fēng)化巖基，基巖與粘土接觸面設(shè)置混凝 齒墻，齒墻與河床部分防滲相連，詳見細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)。 斷面擬定 1 壩頂高程 (1) 正常情況下的壩頂超高（ 正常Y ） 正常Y = R e A?? （ 31） ?cos2 2gHDKVe ? （ 32） R波浪爬高 ,m。按蒲田試驗(yàn)站統(tǒng)計(jì)分析公式計(jì)算 ,先計(jì)算平均爬高 R ，平均爬高按按下式計(jì)算： R = LhmKK W21?? （ 33） h = 22 ??????VgDgV （ 34） T= h （ 35） 式中： ?K 與壩坡的糙率和滲透性有關(guān)的系數(shù)，本設(shè)計(jì)采用砌石護(hù)面，查教材《水工建筑物》表 5— 1 得： ?K =～ ,取 K=。 靜水位壩頂αh/2h/2eRA河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 H沿水庫吹程方向的平均水域深度，初擬時(shí)，可 近似 取壩前水深， m；H==； WK 經(jīng)驗(yàn)系數(shù) ,由風(fēng)速 V=18m/s,壩前水深 H= 及重力加速度 g=2組成的無維量gHV=,查教材《水工建筑物》表 52 得 WK = V風(fēng)速，正常運(yùn)用條件下的 Ⅲ 級壩采用 V= 多V =12=18m/s ?K 折減系數(shù) ,取風(fēng)向與壩軸線垂直的夾角為 00，查教材《水工建筑物》表 54 可知：?K =1 m壩坡系數(shù)， ??,ctgm? 為壩坡傾角，初擬時(shí)取 m=。 D水庫吹程， m；由本設(shè)計(jì)資料查得 D=1200m； h 平均坡高， h = 21 8 9 . 8 1 1 2 0 0 0 . 5 7 1 89 . 8 1 1 8????????? T 波浪平均周期； 4 .0 4 .0 0 .3 0 0 2 .9 1Th? ? ? ? L 平均波長 ,假設(shè) 2 2 21 . 5 6 1 . 5 6 2 . 9 1 7 . 4 82gTL T m?? ? ? ? ?，故為深水波； R 平均爬高 : R =20 . 7 8 1 . 0 2 1 0 . 3 0 0 7 . 4 8 0 . 4 31 2 . 5 m?? ? ? ?? 波浪設(shè)計(jì)爬高 R 按建筑物的級別確定 ,對于 Ⅰ 、 Ⅱ 、 Ⅲ 土石壩取保證率 P=1%的波浪爬高值 1%R ，該 土石壩 等級 屬于 Ⅲ 級 ，故 P=1% 。根 據(jù) h =,H=45m 得h /H=《水工建筑物》表 53 得 R/R = 則 :R=R == e風(fēng)壅水面超出庫水位的高度 ,m； ?cos2 2gHDKVe ? K平均摩阻系數(shù) , ???K ； β風(fēng)向與壩軸垂線的夾角，（ 186。）； H平均水深 ,壩前水深為 67m, e＝ 623 . 6 1 0 1 8 1 2 0 0 1 0 . 0 0 12 9 . 8 1 4 5 m?? ? ? ???? A安全加高 ,根據(jù)壩的等級和運(yùn)用情況查教材《水工建筑物》表 111 則： A=，則正常運(yùn)用情況下壩頂超高為 : 正常Y = R e A?? =++= 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 (2) 非常運(yùn)用條件下的壩頂超高（ 非常Y ） R―― 波浪爬高，按蒲田試驗(yàn)站公式計(jì)算： V= 多V ＝ 12m/s h= 21 2 9 .8 1 1 2 0 09 .8 1 1 2???? ????＝ 5Th?? 21. 56 4. 72LT?? R =20 .7 8 1 0 .1 9 2 4 .7 21 2 .5? ??? = 按 P＝ 1%， Hh ＝ ＝ ，RR＝ 則： R＝ R? ＝ = e風(fēng)壅水面超出庫水位的高度 ,m。 e＝ 623 . 6 1 0 1 2 1 2 0 0 0 . 0 0 12 9 . 8 1 4 5 m?? ? ? ??? A―― 安全超高，查表得 A＝ 則：非常運(yùn)用情況下壩頂超高為： 非常Y ＝ R e A?? ＝ ++＝ (3) 地震情況下壩頂超高（地震安全加高） Y： Y＝地震涌浪加高（ h） +地震附加沉陷值（ s） +安全加高（ A） （ 36） h―― 地震涌浪加高，一般為 ～ ,取為 s―― 地震附加沉陷值，因本區(qū)屬 7 度地震區(qū)，則取為壩高的 1%，則為 A―― 安全加高，查表取為 則： Y＝ ++＝ (4) 壩頂高程的確定及壩高的確定 壩頂高程應(yīng)分別按以下三種情況計(jì)算，并取最大值 , 壩頂高程＝ maxY450451 Y443 Y? ?? ????????? ?正 常非 常地 震＝ 壩頂高程 。 壩體施工沉陷超高 ，本設(shè)計(jì)取壩高的 ％，即 45％ =。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 則壩頂高程＝ +＝ ≈453m。 2 壩頂寬度 壩頂寬度取決于施工、交通、構(gòu)造、運(yùn)行、抗震與防汛等要求。由設(shè)計(jì)資料，本設(shè)計(jì)為中壩，壩頂無交通要求，岸邊冬季凍層厚達(dá) 1m，以及為滿足放浪墻頂和兩側(cè)反濾層的布置要求，壩頂寬度取 8m。 3 壩頂長度 本設(shè)計(jì)中壩頂高程 453m，壩基高程 ，壩高 =48m，在地形圖上 Ⅰ— 壩軸線處，測量圖上距離，然后按比例換算可得壩長 。 4 上下游邊坡 土石壩邊坡的大小取決于壩型、壩高、筑壩材料、荷載、地基性質(zhì)等因素。上游在距壩基高 30m 處變坡一次，上部坡率取 ，下部坡率取 。變坡處設(shè)馬道，寬 。下游距壩基高 30m 處變坡一次，變坡處設(shè)馬道，寬 。上部坡率取 ，下部坡率。 設(shè)置馬道