10第十章_水利工程设计

水工建筑物课件西安理工大学水利水电学院水利水电工程系教研室2007年1月第十章水利工程设计10.1设计阶段的划分10.2设计所需的基本资料10.3水利工程对环境的影响10.4水利枢纽设计的主要内容本章的主要内容：10.1设计阶段的划分一、项目建议书根据国民经济和社会发展规划与地区经济发展规划的总要求，在经批准的江河流域（区域）综合利用规划或专业规划的基础上提出开发目标和任务，对项目的建设条件进行调查和必要的勘测工作，并在对资金筹措进行分析后，择优选定建设项目和项目的建设规模、地点和建设时间，论证工程项目建设的必要性，初步分析项目建设的可行性和合理性。二、可行性研究报告阶段主要任务是，论证拟建工程在技术上的可行性、经济上的合理性，以及开发顺序上的迫切性。三、初步设计阶段按照国际惯例，施工图应由施工单位或业主委托的咨询公司负责。四、招标设计阶段五、施工图阶段第十章水利工程设计10.1设计阶段的划分10.2设计所需的基本资料10.3水利工程对环境的影响10.4水利枢纽设计的主要内容本章的主要内容：10.2设计所需的基本资料1.自然地理位置、行政区域、地形、地貌、土壤植被、主要山脉、河川水系、水资源开发现状及存在的问题。地形图：库区1:5000～1:25000，枢纽1:2000～1:10000，坝址1:500～1:2000。详见《水利水电工程测量规范》SL197–97。区域地质、库区和枢纽区的地质条件，如：地层、岩性、地质构造、地震烈度、不良地质现象，水文地质情况，岩土的物理力学性质，天然建筑材料的品种、分布、储量、开采条件，工程地质评价与结论。2.地质3.水文水文站布设、资料年限、径流、洪水、泥沙、水情以及人类活动的影响。降水、蒸发、气温、风向、风速、冰霜、冰冻深度，站网布设和资料年限。4.气象5.社会经济对社会经济现状及中长期发展规划全面了解，包括：人口、土地、种植面积、品种；工业产品、产量；工农业总产值；主要资源情况，文物古迹，动力、交通、投资环境等。6.规程规范第十章水利工程设计10.1设计阶段的划分10.2设计所需的基本资料10.3水利工程对环境的影响10.4水利枢纽设计的主要内容本章的主要内容：一、库区1.淹没建坝后，水位在坝前壅高形成回水，在回水范围内，耕地、矿藏、名胜古迹等被淹没；工厂、铁路、公路设施需要拆迁；居民需要迁移，城镇需要迁建。三峡工程移民百万，所采用的“以人为本”、“就地开发性移民”，统筹安排生产和生活，是解决好库区移民的重要举措。2.滑坡、坍岸岸坡浸水后，岩体的抗剪强度降低，在水库水位降落时，有可能因丧失稳定而坍滑。10.3水利工程对环境的影响3.水库淤积水流入库后流速减小，挟沙能力降低，使泥沙颗粒先粗后细逐步下沉，造成淤积。淤积不仅使库容减小，缩短水库寿命，加大淹没损失，还将影响电站和航运的正常运行。4.生态变化水库淹没影响陆生植物生存，破坏其生存环境。水环境变化对珍稀生物的种群数量繁殖场所有致命影响。5.水温的变化库水温度变幅随水深增加而减小，在水面处大致与气温接近；水深10m左右，变幅较气温减小2～5℃；水深50～60m处，变幅只4～5℃；更深处水温几乎不再变化而处于常温状态。库水年平均温度也随水深增加而减小，在水面处比年平均气温约高2～5℃；水深50～60m处等于年平均气温；再深即低于年平均气温。6.水质变化水库蓄水后，由于库区内生物机体的分解，增加了库水的肥力，有利于水中微生物的繁殖，对鱼类生长有利。但如清库不彻底，过多的有机质在库底分解，吸收深层水中的氧，产生硫化氢，也可使水质变坏。流入水库的磷、氮等盐类，有利于植物和水生物的生长，但含量不能太高，否则，将促使藻类和水草丛生，而藻类和水草的枯死分解，又将消耗水中的氧，形成“富营养化”，造成水质恶化。7.气象变化水库形成一定的水域，大的水域能改变附近地区的小气候（多雾、降雨形态变化、气温变幅减小等），并使枢纽附近地区的生态平衡发生变化。8.诱发地震20世纪60年代以来，世界上有不少大水库在蓄水后发生了地震，如：我国新丰江水电站于1962年3月19日发生诱发地震，震级M=6.1，坝址烈度达到8度。9.卫生条件水库蓄水后，地下水位升高，为利用地下水创造了有利条件。但也带来一些不利后果，如：耕地盐碱化，形成沼泽地带，孳生蚊虫和其他有害的微生物。二、水库下游河道1.河道冲刷河道水流中挟带的泥沙在库内沉积后，下泄清水的冲刷能力加大，将河床刷深，河水位下降，岸边地下水位也相应降低；同时，还可能引起主河槽的游动，或冲刷下游桥基和护岸工程。2.河道水量变化枯水期，由于电站和灌溉用水，流量增加，对航运有利。但当电站担负峰荷，泄放流量不均时，又将给航运带来不便。为了不使河道干涸，不过分降低下游的地下水位，保护水生动物的生长和维持河道的自然风光，应经常泄放一定的水量，以保护河流的正常功能。3.河道水温4.河道水质库水的浑浊度和水温一样，随水深而异。工业和生活用水要求浑浊度不得过高。水库中、低层水温较低，水中溶解氧也低，对作物生长和鱼类生存都不利。除溢洪道外，自水库泄放的水流大多来自水库深层，水温较低且变幅小，因而，坝下的河水水温夏季较建库前低，冬季较建库前高。第十章水利工程设计10.1设计阶段的划分10.2设计所需的基本资料10.3水利工程对环境的影响10.4水利枢纽设计的主要内容本章的主要内容：一、坝址和坝型选择1.地质条件拱坝和重力坝（低的溢流重力坝除外）需要建在岩基上；土石坝对地质条件要求较低，岩基、土基均可；水闸多是建在土基上。几个注意的问题10.4水利枢纽设计的主要内容①对断层破碎带、软弱夹层要查明其产状、宽度（厚度）、充填物和胶结情况，对垂直水流方向的陡倾角断层应尽量避开，对具有规模较大的垂直水流方向的断层或附近有活断层存在的河段，均不应选作坝址；②在顺向河谷（指岩层走向与河流方向一致）中，总有一岸是与岩层倾向一致的顺向坡，当岩层倾角小于地形坡角，岩层中又有软弱结构面时，在地形上存在临空面，这种岸坡极易发生滑坡，应当注意；③对于岩溶地区，要掌握溶岩发育规律，特别要注意潜伏溶洞、暗河、溶沟和溶槽，必须查明岩溶对水库蓄水和对建筑物的影响；④对土石坝，应尽量避开细砂、软粘土、淤泥、分散性土和湿陷性黄土等地基。2.地形条件在高山峡谷地区布置水利枢纽，应尽量减少高边坡开挖。坝址选在峡谷地段，坝轴线短，坝体工程量小，但不利于泄水建筑物等的布置，因此，需要综合考虑，权衡利弊。选用土石坝时，应注意库区有无垭口可供布置岸边溢洪道，上、下游有无开阔地区，可供布置施工场地。对于多泥沙及有漂木要求的河道，还应注意河流的水流流态，在选择坝址时，应当考虑如何防止泥沙和漂木进入取水建筑物。对于有通航要求的枢纽，还应注意通航建筑物与河道的连接。3.施工条件坝址附近特别是其下游应有较开阔的地形，以便布置施工场地；距交通干线较近，便于施工运输；可与永久电网连接，解决施工用电问题。4.建筑材料坝址附近有足够符合要求的天然建材。料场分布、储量、埋置深度、开采条件以及施工期淹没等问题均应认真考虑。5.综合效益综合考虑防洪、灌溉、发电、航运、旅游等各部门的经济效益。6.其他在选择坝址和坝型时，还应考虑利用主体建筑物开挖料直接上坝的可能性与合理性。例如：国外有的工程，尽管基岩坚硬、完整，适于修建拱坝或重力坝，但经论证比较，最终选用了混凝土面板堆石坝，理由是，后者利用主体建筑物开挖料直接上坝，可以缩短工期，降低造价。这种经验值得借鉴。二、枢纽布置的一般原则和设计方案的选定1.枢纽布置的一般原则⑴坝及其他主要建筑物的型式选择和枢纽布置要做到：施工方便，工期短，造价低。在高山峡谷较大拐弯河段，利用河弯凸岸布置泄水建筑物和引水发电系统，枢纽布置相对简单，减轻或避免了坝与泄水、发电建筑物在施工和运行中的相互干扰，可缩短工期，降低造价和提高效益。如：三峡水利枢纽需要在河床中布置溢流坝、水电站厂房和通航建筑物，坝址之所以选在三斗坪，原因之一是河谷较宽，便于施工，且可借助江中中堡岛有利于分期导流。⑵满足各个建筑物在布置上的要求，保证任何工作条件下都能正常工作。要避免枢纽中各建筑物在运行期间互相干扰。例如：将船闸与溢流坝、电站尽量分开布置，在溢流坝泄水时，引航道不产生过大的横向流速，以使船队（舶）顺利驶入闸室，下游出口，必要时应设导墙，使引航道与溢流坝或水电站厂房隔开。当厂房与溢流坝相邻时，两者之间应设足够长的导流墙，以防止泄洪对发电的不利影响；还应注意厂房、变电设备及开关站等需离泄洪射流一定距离，以免雾化水流影响安全运行。又如：土石坝枢纽泄水和引水建筑物进、出口附近的坝坡和岸坡，应有可靠的防护措施，出口应采取妥善的消能措施，并使消能后的水流离开坝脚一定距离，避免水流冲刷和回流淘刷等。⑶满足建筑物强度和稳定，降低枢纽总造价和年运转费用。例如：为了提高重力坝的稳定性，常将坝的上游面做成倾向上游（坡度不宜过缓），利用坝面上的水重来提高坝的抗滑稳定性；重力坝坝体内各部位应力各不相同，为了节约与合理使用水泥，坝体按不同部位分区，采用不同标号的混凝土。又如：拱坝枢纽的泄水方式与布置宜首先研究采用坝身泄洪的可行性，以及优化拱坝体形以降低总造价。拉西瓦拱坝坝高250m，用优化方法求得抛物线、椭圆和对数螺旋线等6种拱形的最优布置，并从中选定了对数螺旋线水平拱圈的布置方案，与传统设计相比，节省混凝土20万m3，节省基岩开挖13万m3。⑷枢纽布置紧凑，尽量将同一工种的建筑物布置在一起，以减少联结建筑，也便于管理。对大流量、高水头、窄河谷的水利水电枢纽，由于河谷狭窄，在泄水建筑物与电站厂房布置上的矛盾十分突出，采用泄水建筑物与电站厂房重迭布置，如新安江的溢流式厂房，乌江渡、漫湾的挑越式厂房。此种布置非常紧凑，整体安全性好，工程量省，建设周期短，经济效益显著。又如：都江堰根据“深淘滩、低作堰”治水六字诀采用鱼咀分水、宝瓶口正面引水与飞沙堰侧面排沙，枢纽建筑物组成合理，布置紧凑，起到了分水、泄洪、引水和排沙的作用，运行至今已有二千二百多年，收到了良好的社会效益和经济效益。⑸尽量使一个建筑物发挥多种用途或临时建筑物和永久建筑物相结合，充分发挥综合效益。在峡谷河段筑坝，一般采用隧洞导流，将临时性的导流洞封堵改建为永久泄洪隧洞，是减少泄洪洞工程量、节约投资的合理措施。在我国将导流洞改建为龙抬头式无压泄洪洞的有：刘家峡、碧口、石头河和紫坪铺等工程。将导流洞改建为有压隧洞的有：响洪甸、南水、冯家山、小浪底等工程。对中、低水头枢纽有时也可采用泄洪洞与发电洞和发电洞与灌溉隧洞合一布置的型式。⑹部分建筑物早期投产，提前发挥效益（如提前蓄水，早期发电或灌溉）。例如：碾压混凝土坝施工工艺简单，可采用大型机械，大仓面浇筑混凝土，能缩短工期，提前投产，及早发挥效益，如坑口坝、龙门滩坝、天生桥二级工程的工期均提前一年。施工导流问题和工期也是选择布置方案的主要因素之一，有时为了缩短工期，提前发电，将厂房布置在河滩一侧以简化导流。目前在重力坝底部设置多孔、大孔径的导流底孔，取代坝体留导流缺口已成发展趋势，边蓄水、边施工以争取提前发电、防洪、供水、灌溉等综合利用效益，如1980~2000年间建设的岩滩、水口、五强溪、三峡等大型水电站，首批机组发电一般都在工程截流后4~6年。⑺外观与周围环境相协调，注意美观。建成一座水库，便造就一个新的环境。水库景观涉及水利工程、环境、水土保持、生物、生态和美学等诸多方面。保护库区自然植被、生态体系和树种，使人获得回归自然的感受。水利水电雄伟的建筑物和水库形成宽阔的平静水面，是一种难得的景观资源，可以开展生产、生活、业余及教育等活动。总之，经过必要的设计，营造宜人的生存环境，使水利枢纽和库区环境成为旅游胜地。2.水利枢纽设计方案的选定水利枢纽设计需要通过论证比较，选出最优方案（技术上先进和可能，投资少，工期短，运行可靠，管理方便）。分析比较的内容有：（1）主要工程量土石方工程、混凝土和钢筋混凝土工程、金属结构、机电安装、帷幕灌浆、砌石工程等。（2）主要建筑材料用量钢筋、钢材、水泥、砂石、木材、炸药等。（3）施工条件施工导流、施