平山水利枢纽水工课程设计(使用版)

建筑7平山水利枢纽设计1、综述1.1设计基本资料1.1.1工程概况平山水库位于湖北某县平山河中游，该河系睦水(长江的支流)的主要支流，全长28km，流域面积556m2，坝址控制面积491km2，平山河是山区性河流，河床比降为0.3%，沿河有地势较为平坦的小平原，最低高程为62.5m左右。1.1.2枢纽任务该枢纽以灌溉发电为主，并结合防洪，航运养殖，给水等进行开发1.1.3地形地质平山河流域都是丘陵及山区，河谷山坡陡竣，坡度约为60~70，地势高差为80~120m河床一般约为400m，河道弯曲，坝址处成S形，沿河沙滩及两岸坡积层发育，坝址处两岸河谷呈马鞍形，履盖层较厚，基岩产状零乱。靠坝址上游是泥盆纪五通砂岩，坝址下游是二迭纪石灰岩，坝轴线位于五通砂岩上。在平山咀以南石灰岩沙岩分界处，发现一大断层，走向近东西，倾向大致北西，在坝轴线左岸的五通砂岩特别破碎，产状零乱，两岸岩石破碎，岩石的隐裂隙很发育。岩石的渗水率很小，两岸多为0.001~0.010升／分，坝址处沿坝轴线是1.5~5.0m厚的覆盖层，k=1×10-4cm/s，γ浮＝10.0kN/m3，=35。1.1.4水文气象暴雨洪峰流量Q0.05%=1860m3/s，Q0.5%=1550m3/s，Q1%=1380m3/s。多年平均流量13.3m3/s，多年平均来水量4.22亿m3，多年平均最大风速10m/s，水库吹程8km，多年平均降雨天数48天/年，库区气候温和。1.1.5其他坝顶设有公路，枢纽工程的对外交通有水路、公路、铁路。坝区地震为5~6度，可不考虑。1.2设计基本参数1.2.1水库规化成果（1）正常高水位113.0m（2）设计洪水位113.1m（百年一遇）（3）校核洪水位113.5m（千年一遇）（4）死水位105.0m（发电极限工作深度8m）（5）灌既最低库水位104.0m（6）水库总库容2.0亿m3（7）水库有效库容1.15亿m3；（8）发电调节保证流量Qp=7.35m3/s，相应下游水位63.20m（9）发电最大引用流量Q＝28m3/s，相应下游水位68.65m（10）通过调洪演算，溢洪道下泄流量Q=840m3/s，相应下游水位72.65m（11）校核情况下，溢洪道下泄流量Q=1340m3/s，相应下游水位74.30m（12）水库淤积高程85.00m1.2.2枢纽各建筑物设计条件（1）土坝，沿坝轴线布置；（2）溢洪道，堰项高程107.5m；（3）水电站，装机容量9000KW，机组台数3台，厂房尺寸30.09.0m2，引水隧洞直径3.50m，尾水管底板高程62.0m；建筑8（4）放空建筑物可利用导流隧洞，导流隧洞底部高70.0m，直径5.0m，上游土石围堰顶部高程85.0m，下游土石围堰项部高程70.0m。1.2.3筑坝材料坝轴线下游1.5~3.5km，土料储量丰富，质量可满足筑坝要求。砂料在坝轴线上、下游1.0~3.0km的河滩开采，石料可在坝轴线下游左岸的山沟里开采，材料的性质及各项指标如下表所示：土壤类别干容重(kN/m3)最优含水量(%)孔隙率(%)内摩擦角粘着力(kN/m2)渗透系数(cm/s)壤土15.8154224（干）12110-520（湿）粘土15.4254020（干）37110-618（湿）山皮土16.0233933（干）10（干）110-322（湿）7.5（湿）覆盖层16.0350110-4砂料16.040300110-3堆石18.0333801.2.4基岩允许抗压强度2MPa，混凝土与岩基摩擦系数f=0.58。基岩的内摩擦系数f=0.7，粘着力C=0.5MP，容重γ=26kN/m3。2、枢纽建筑物选型及枢纽总体布置2.1工程等级及主要建筑物的级别、洪水标准2.1.1枢纽建筑物组成：根据枢纽任务，该枢纽组成建筑物包括：拦河大坝、泄水建筑物、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空建筑物（隧洞）。2.1.2工程等级及主要建筑物的级别、洪水标准根据所给资料（发电、防洪、灌溉面积等）对照《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000）确定工程等别和建筑物级别。1）各分项等级：电站装机容量9000千瓦，小于10MW，属Ⅴ等工程，工程规模为小（2）型；总库容为2.00亿m3，在10～1.0亿m3范围内，属Ⅱ等工程，工程规模为大（2）型；2）工程等别：根据规范规定，对具有综合利用效益的水电工程，各效益指标分属不同等别时，整个工程的等别应按其最高的等别确定，初估本枢纽工程属Ⅱ等工程，工程规模为大（2）型。3）水工建筑物的级别：根据永久性水工建筑物级别的划分标准，Ⅱ等工程的主要建筑物为2级水工建筑物，所以本枢纽中的拦河大坝、泄水建筑物、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空隧洞均为2级水工建筑物。永久性水工建筑物洪水标准（已给定）：正常运用（设计）洪水重现期100年；非常运用（校核）洪水重现期1000年。2.2枢纽建筑物选型2.2.1坝轴线选择本设计中坝轴线位置已选定，不作考虑。建筑92.2.2枢纽各建筑物的选型（1）挡水建筑物的选型本枢纽位于山区性河流，考虑重力坝、拱坝、土石坝三种方案，进行方案比选。①重力坝方案混凝土重力坝的优点比较明显：如坝身可以开孔过流，不需要另建泄洪建筑物，导流方便等。但重力坝水泥用量较多，造价高（相较于拱坝、土石坝）。坝址附近无合适的石料，混凝土骨料不能充分利用当地材料，不经济。本枢纽坝址处基岩覆盖层较厚，沿河沙滩及两岸坡积层发育，坝轴线左岸的五通砂岩特别破碎，产状零乱，两岸岩石破碎，岩石的隐裂隙很发育。坝基条件较差，增加了坝基处理的成本。故重力坝方案经济性较差，不宜采用。②拱坝方案拱坝体型较薄，大大减少混凝土方量，节省造价。但拱坝是一个高次超静定结构，对地形有较高要求。建造拱坝理想的地形条件应是左右两岸对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的峡谷段。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、透水性小和耐风化等。该枢纽河道较弯曲，尤其坝址处处显著呈S形，两岸山体呈马鞍形，没有厚实的岩体作为坝肩，左岸陡峭，右岸相对平缓，峡谷不对称，下游河床开阔，无建拱坝的有利地形。且两岸岩石破碎，岩石的隐裂隙很发育，基岩地质条件较差，不适宜修建拱坝。③土石坝方案相较于以上两种方案，土石坝方案优势很明显。土石坝适应性强，对地形、地质条件要求低，几乎在所有的条件下都可以修建，建基面覆盖层可不必挖去，节省成本。且土石坝施工技术简单，可实行机械化施工，缩短工期。坝轴线下游1.5~3.5km，土料储量丰富，质量可满足筑坝要求，避免了长途运输，因此土石坝造价相对较低。所以采用土石坝方案。（2）泄水建筑物型式的选择对土石坝，泄水建筑物可考虑岸边溢洪道和水工隧洞。本枢纽坝趾下游300m处的两岸河谷呈马鞍形，右岸有马鞍形垭口，极适宜修建岸边溢洪道泄洪，可大大减少开挖量，降低造价。岸边溢洪道结构简单，运行安全可靠，且超泄能力强，适用于各种水头和流量。故本设计泄水建筑物采用岸边溢洪道。（3）水电站建筑物土石坝不宜采用坝式水电站，而宜采用引水式发电，所以这里用单元供水式引水发电。（4）放空建筑物施工导流洞及水库放空洞，均采用有压式。为便于检修大坝和其它建筑物，拟利用导流隧洞作放空洞，洞底高程为70.00m，洞直径为3.50m。2.3枢纽总体布置挡水建筑物（土石坝）：位于主河床，布置呈直线泄水建筑物（溢洪道）：布置在大坝右岸的天然垭口处。水电站建筑物：引水隧洞、电站厂房、开关站等布置在右岸（凸岸），在副坝和主坝之间，厂房布置在开挖的基岩上，开关站布置在厂房旁边。放空建筑物：待定布置在左岸的山体内。综合考虑各方面因素，最后确定枢纽布置直接绘制地形地质平面图，见附图一。建筑103土石坝设计3.1选择土石坝的类型影响土石坝坝型选择的因素很多，最主要的是坝址附近的筑坝材料。还有地形、地质条件，气候条件，施工条件，坝基处理，抗震要求等。应选择几种比较优越的坝型，拟定剖面轮廓尺寸，进而比较工程量、工期、造价，最后决定技术上可靠，经济上合理的坝型。根据前述初步分析，这里着重比较土石坝的几种坝型：均质坝、心墙坝和斜墙坝。（1）均质坝均质坝材料单一，施工简单、方便，干扰少。但均质坝坝身黏性较大，雨、冬季施工较为不方便，不利于加快进度，缩短工期[1]。同时均质坝坝坡较缓，工程量大，需要大量足够适宜的的土料，该处土料储量丰富，但多为砂料、山坡土、覆盖层，不能渗透系数的要求，故而不考虑均质坝。（2）斜墙坝斜墙坝的坝壳可以超前于防渗体进行填筑，而且不受气候条件限制，也不依赖于地基灌浆施工的进度，施工干扰小。但由于抗剪强度较低的防渗体位于上游面，故上游坝坡较缓，坝的工程量相对较大（相比于心墙坝）。斜墙对坝体的沉降变形也较为敏感，与陡峻河岸的连接也比较困难，而本枢纽坝址处左岸岸坡较陡，故不宜选用。（3）心墙坝心墙坝的防渗体位于坝体中央，适应变性的条件较好，特别是当两岸坝肩很陡(与本枢纽适应)时，较斜墙坝优越。其优点还有：①心墙位于坝体中间而不依靠在透水坝壳上，其自重通过本身传到基础，不受坝壳沉降影响，依靠心墙填土自重，使得沿心墙与地基接触面产生较大的接触应力，有利于心墙与地基结合，提高接触面的渗透稳定性；②当库水位下降时，上游透水坝壳中水分迅速排泄，有利于上游坝坡稳定，使上游坝坡比均质坝或斜墙坝陡；③下游坝壳浸润线也比较低，下游坝坡也可以设计得比较陡；④在防渗效果相同的情况下，土料用量比斜墙坝少，施工受气候影响相对小些；⑤位于坝轴线上的心墙与岸坡及混凝土建筑物连接比较方便。从材料方面来看，用作防渗体的土料可采用坝轴线下游1.5～3.5km的丘陵区与平原地带的粘土料，且储量较多，一般土质尚佳，可作筑坝之用。用作透水料的砂土可从坝上、下游0.5～3.5km河滩上开采，储量很多，可供筑坝使用，而且便于分别从上下游上料，填筑透水坝壳，使施工方便，争取工期。故本枢纽选择粘土心墙坝。3.2土石坝的剖面设计土石坝的剖面设计包括坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡以及心墙的断面尺寸。3.2.1坝顶高程坝顶高程分别按设计情况和校核情况计算，取两者之大者，并预留一定的沉降值。土坝坝顶高程=水库静水位（设计水位或校核水位）+坝顶超高d坝顶超高d=风吹的雍高e+波浪的爬高h+安全加高δ风吹的雍高e=（2-1）式中：K为综合摩阻系数，不同研究者所建议的K值有所不同，一般取值范围为1.5×10-3~5×10-3，计算时可取3.6×10-3；V为设计风速，m/s；D为吹程，km；H为水库水域的平均水深，m；α为风向与坝轴线法线方向的夹角。波浪在坝坡上的爬高h可按以下经验公式计算：建筑11h=045（）（2-2）式中：2h为波高，2h=00166VD，m；m为土坝上游坝坡坡率，初拟时可取为3；n为上游糙率，上游拟采用浆砌块石护坡，取为0.025。安全加高δ根据坝的等级和运用情况，按表2-1确定。表3-1安全加高δ的取值（m）坝的级别1级2级3级4、5级设计1.510.70.5校核山区、丘陵区0.70.50.40.3平原、滨海区1.00.70.50.3该枢纽拦河大坝属于2级水工建筑物，安全加高δ分别取：正常运用情况下1.0m，非常运用情况下0.5m。坝顶高程计算成果见表3-2，坝顶高程由设计情况控制，设计竣工时坝顶高程为115.1m。表3-2坝顶高程计算成果表计算项目设计情况校核情况上游静水位m113.1113.5河底高程m68坝前水深Hm43.143.5吹程Dkm8风向与坝轴线的夹角（°）45风速Vm/s10风浪引起雍高em0.00330.0032波高2hm0.5900.590土坝上游坝坡坡率m3上游糙率n0.025波浪沿坝坡爬高hm0.7680.768安全超高δm10.5坝顶高程m114.87114.77坝顶高程加0.4%沉陷m115.06114.96注：由于设计资料中未给出风向与坝轴线的夹角，拟取45°。3.2.2坝顶宽度土石坝坝顶宽度根据运行、施工、构造、交通和人防等方面的要求综合研究后确定。本枢纽中坝顶设有公路，可取为1