某水利枢纽工程设计

青河雷口水利枢纽工程设计学 生： *指导老师：*三峡大学水利与环境学院摘要：重力坝设计是电站工程设计的主要组成部分，其方案合理与否，将对工程安全及投资产生极大的影响。本文主要根据所提供的地质、地形等基础资料，对枢纽建筑物进行坝轴线、坝型的选择，通过分析、比较，选择合理的枢纽布置方案，最后选定设计方案为混凝土实体重力坝，并分多种荷载组合情况进行稳定验算和应力分析，从而得到既安全又经济的最优剖面。方案中重力坝设计共分两部分，即非溢流坝段和溢流坝段。此外，为避免水流对坝体的冲刷作用，本方案还考虑设置溢流坝两侧导流墙，通过计算确定其高度及厚度等参数。Abstract: The design of Dam is the main component in the design of power station engineering, which will have a tremendous impact on the security and investment of projects,wheather its programme reasonable or not. According to the giving geological,terrain and other basic informations,this paper choose axis and style of hub buildings and through the analysis,comparison to choose the concrete gravity dam as a reasonable hub layout programme.And meanwhile it makes checking stability and stress analysis in a variety of situations,so that it gets a safety and economic profile.The design of dam is divided into two parts in the programmes, that is non-overflow dam section and overflowing dam section. In addition, in order to avoid the dam is erosioned by the impact of water, the programme also consider installing spillway diversion on both sides of the wall and through calculating to determined its height ,thickness and other parameters。关键字：混凝土重力坝 枢纽布置 坝型选择 大坝设计 稳定及应力计算Key words: concrete gravity dam layout of project selection of dam type dam design stability and stress calculation前言青河发源于元县，流域内雨量充沛，由于河流坡度流急，每遇暴雨泛滥成灾，故拟修一工程。本枢纽为一综合利用工程，以防洪发电为主，并结合考虑灌溉任务，工程建成后可以解决该流域洪水泛滥问题，为本地区厂矿、农业、居民提供电力，灌溉青河雷口下游的农田以及解决修坝后货物过坝问题。本书为青河雷口水利枢纽的设计说明书和计算书，内容共分十章，系统的介绍了青河雷口水利枢纽的设计和计算方法。第一章主要介绍了青河雷口水利枢纽的基本资料；第二章结合工程实际条件介绍了坝型选择和枢纽布置的初步方案；第三章调洪演算及方案选择为下两章枢纽布置方案选择及大坝设计提供了设计依据；第六、七、八章详细地阐述了大坝的综合设计，包括非溢流坝段、表孔坝段、深孔坝段；第九章细部构造设计了大坝的建造以及运用方面的细节；最后一章为地基处理的设计。同时还附有三张图纸为大坝非溢流坝段，溢流坝段，深孔坝段的三视图，细部构造图以及大坝枢纽布置平面图及立面图。本书在阐述过程中，尽可能的配置了许多的插图、附表和附录，以供参阅。青河雷口水利枢纽设计是在老师的悉心指导和同学的热心帮助下完成的。限于本人的水平和时间的仓促，以及以前从未进行过工程实践，特别是对本设计的工程所在地也未进行过实地考察，因此，设计成果与实际难免会产生一些偏差，书中如有不当和错误之处，恳望各位老师和领导不吝赐教及时给予斧正。1 水利枢纽设计资料1.1 流域概况青河发源于元县，流径三叉口，张谷，米城，康镇等地至合县西南注入黑河。全长230 公里，流域面积 5000 平方公里。青河属山区河道，流域内多高山峻岭，平原范畴甚小。只在北支上游元县附近及下游康镇附近有小平原。三叉口以上河床坡度平均均为1/600，下游平均坡度约 1/1000。流域内雨量充沛，合县多年平均雨量为 1000 毫米，因之青河水量较丰富，年平均流量接近 100 立米/秒。但河流破陡流急。暴雨集流时间很短，每遇暴雨，山洪暴发，水势凶猛，泛滥成灾。区域内人口分布在河谷两岸，计 410000 人，其中农业人口占 97%，雷口以上耕地面积约 100 万亩，水田仅占 1.5%。其余均为地势较高之旱地。但在雷口以下黑河右岸有大片平原耕地，缺水灌溉。根据试验资料，在有水灌溉之后，这些耕地可有大幅度增产。青河上游山区已发现铜，银，锌，镁，铝等矿蕴藏丰富。因该地区无动力来源，各矿都用土法开采。本流域交通不便。除合县至元县有公路外，其余只有人行大道，陆路仅靠人力蓄力。水路在张谷以下可通 20 吨小船。上游缺乏森林资源，无筏运要求，青河左岸交通较方便，右岸仅有山区小道。1.2 枢纽任务雷口水利枢纽位于合县青河上游 4 公里处。根据国民经济情况及流域规划的要求。本枢纽为一综合利用工程，以防洪发电为主，并结合考虑灌溉任务。（1）防洪：免除洪水威胁为本枢纽的主要任务之一。根据下游黑河的泄流要求，在正常洪水的情况下安全泄量为 5800 米 3/秒，非常洪水安全泄量为 7300 米 3/秒。根据上游城镇矿山的位置及减少农业淹没损失，建议非常洪水位在 234.5 米以下。（2）发电：利用廉价电力开发青河流域矿藏，为国民经济计划的近期主要任务之一，电厂建成后并可供应合县地区厂矿农村居民的用电问题。电厂装机容量 24kw，三台机组，每台最大引用流量 33 米 3/秒。按初步估算：厂房尺寸 4813 米 2。机组间距 10.45 米，水轮机安装高程 191.60 米，尾水管底版高程 185.0 米,引水管管径 3 米。（3）灌溉:灌区位于青河雷口以下黑河右岸地区,本区灌溉作物以小麦,棉花,玉米,水稻为主，灌溉田地共约 750000 亩。除一部分灌区位置较低可利用发电尾水灌溉而外，右岸尚有一些位置较高的灌区不能利用发电尾水，这些位置较高的灌区所需灌溉流量如下表，根据灌区设计要求，渠道起点外的水面高程在最大引水用流量时不低于 208.5 米。表 11灌溉时间 4 月中旬 4 月下旬 5 月中旬 5 月下旬 6 月中旬 6 月下旬 7 月中旬灌溉流量（立米/秒） 22.1 16.7 23.5 15 19.5 19 16（4）航运：为便利货物过坝，须设置驳道，驳道宽度 5 米。根据各水利事业部门的要求，须确定水库正常高水位为 232.2 米，讯前水位为 225.8 米，死水位为 215.0 米。1.3 水文资料青河属雨源河流，由于雨量较充沛，河流水量较丰富，每年 710 月为洪水期，因坡陡水急，洪峰涨落时间很短，一般仅 23 天，现将坝址处月平均流量，最大洪峰流量，实测的洪峰过程，列表于后：表 12 19501975 年月平均流量月 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3流量（立米/秒） 60 80 91 183 140 170 135 35 22 15 14 32表 13 各种频率的最大洪峰流量（立米/秒）频率（%） 0.1 0.5 1 2 5 10夏秋季 11580 9800 9050 8500 7450 6450冬春季 340 300表 14 1954 年实测洪峰过程时间（小时） 0 4 8 12 16 20 24流量（立米/秒） 59 451 1205 2400 5400 6500 5700时间（小时） 28 32 36 40 44 48 52流量（立米/秒） 4850 4150 3450 2760 2208 1730 1295时间（小时） 56 60 64 68 72 流量（立米/秒） 980 699 435 234 79 坝址水位流量关系，见附图。另外，枯水期最大流量为 1100 米 3/秒。1.4 气候情况本流域内，气候温和，年平均温度均为 17C，最低月平均温度为 4.6C,极少冰冻现象，最高月平均温度不超过 30C，故夏季亦不太热。表 15月份 1 2 3 4 5 6月平均温度 4.6 6 12 17.1 23.4 255最高温度 20.1 21.8 29.5 35.6 38.1 40.2最低温度 -9.5 -9 -3.1 -3.1 5.1 11.6月份 7 8 9 10 11 12月平均温度 28.5 29.2 23.1 15.1 11.8 8最高温度 40 36.8 36.5 32.1 22.1 19.7最低温度 16.1 11.7 9.9 3 -6 -9.3备注 单位C 本流域内最多年雨量发生在 1954 年，计 1357 毫米，最少年雨量发生在 1934 年，计372 毫米，日最大暴雨达 196 毫米，雨量大多集中在 7，8 两月，除 12 月和 1 月外，各月降雨日数甚多。表 16 平均降雨量，降雨日数如下表：月份 1 2 3 4 5 6 全年平均雨量（毫米） 10.7 34.2 44.1 56.9 135.1 64.5降雨日数（天） 5 8.6 8.6 8.2 9.8 9.4月份 7 8 9 10 11 12平均雨量（毫米） 191.6 182.5 90.4 95.9 54.4 17.1降雨日数（天） 12.0 11.4 10.6 11.0 10.8 5.4平均雨量976（毫米）降雨日数108（天）1.5 河流泥沙及风力情况泥沙大部分为页岩风化产物，颗粒很细，推移质也很丰富。多年平均输沙量为 335万公吨/年（即 215104 米 年） ，由于该流域内水土保持的开展，泥沙将逐渐减少，水3/土保持生效年限可初步确定为 35 年。本区最大风力为 8 级，风速 14 米/秒（吹程可由附图中量得） 。1.6 坝址地形及地质情况（1）地形：本工程坝段经研究比较，选择在雷口峡谷处，坝轴线 235 米高程处两岸相距约 540 公米，左岸山坡平均坡度为 2：1，右岸平均坡度为 1.8：1.0。坝址左岸有马鞍形地形，水库处在四面群山环抱中，腹大口小，甚为理想。表 17 水库高程与容积，面积关系如下表：高程（米） 190 195 200 205 210 215面积（10 6平方米） 0.2 2.6 5.4 7.8 19.2 30.6容积（10 8立方米） 0.08 0.15 0.35 0.68 1.35 2.65高程（米） 220 225 230 235 240 面积（10 6平方米） 37 41 43 43.5 44 容积（10 8立方米） 4.15 6.1 8.1 10.5 12.8 （2）地质坝址地质属震旦纪岩层，因系老岩层，经过多次地壳变动，使其组织趋于细致，因为受力之次数甚多，节理甚发达，又有石英脉侵入，致影响其强度，岩层走向大致与河流平行，坝址附近没有发现断层。坝址基础岩石情况： (a)绢绿石英片岩在坝址左岸及河床处，地质极坚，抗压强度为 900-1000 公斤/（厘米） 2，摩擦系数为 0.65。(b)云母石英砂质片岩云母石英砂质片岩，分布在坝址右岸，表层有些风化，强度仍佳，抗压强度为 600-800 公斤/（厘米） 2，摩擦系数为 0.62。(c)片状石英岩风化很轻，分布在河床底部，与绢绿石英片岩相间存在，层厚约 30-50 米。抗压强度为 900-1000 公斤/（厘米） 2，摩擦系数为 0.65。(d)片岩主要分布在左岸马鞍形地区下部，强度较高，但节理甚发达，并有些风化。(e)砂质粘土及卵石在河床底部，有第 4 纪砂卵石覆盖层，厚度为 2 米，右岸为砂质粘土覆盖层，厚度为 6-10 米。据中国科学院的统计资料，该地区地震强度约为 5 度。1.7 工程材料当地材料：（1）石料在坝址上游及下游，沿青河右岸之云母石英片岩为良好之建筑材料，因岩石露头具有层理与节理，便于开采，石场距坝址 1 公里。（2）砂料在坝址下游左岸 1-3 公里处，有河沙可供取用，粒径稍小，约有 30万立米。（3）坝址下游 12 公里处有卵石，约 50 万方。（4）粘土在坝址上游右岸 4 公里处有高程为 230 米的粘土区，约 150 万立米。表 18 取土场扰动后土的物理技术特性：土体干容重（吨/米3）孔隙度（%）自然含水量时饱和含水量时粘着力（公斤/厘米2）渗透系数（厘米/秒）天然含水量（%）最优含水量（%）相对密度蕴藏量（万方）运程（公里）砂 1.65 0.36 0.55 0.52 04 10-38 12 0.65 30 1-3粘土1.60 0.38 0.38 0.34 2 4 10-6 7 20 150 4外来材料：水泥及钢材须至赋中运来，赋中距合县约 160 公里，沿黑河可通行 600 吨轮船，赋中为我国某省重要城市。交通情况：赋中至合县可通 600 吨轮船，合县至张谷可通 20 吨木船，合县至元县有公路，公路线距坝址左岸约 3 公里。1.8 施工资料附近无施工动力，施工机械可由赋中供给，普通工人可由当地供给三万人，技术工人在合县有数百人，不足之数可自赋中调用。2 枢纽布置和设计2.1 工程等别和主要建筑物级别的拟定本工程为综合利用水利水电工程，根据水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（山区、丘陵部分）SDJ12-78 及其补充规定的规定，非常洪水位在 234.5 米以下，该高程对应的水库容积为 9.752 亿 m3，属一等；装机容量为 2.4 万 kw,属四等;保障了合县的重要工厂及居民生命安全,属二等；灌溉田地共约 75 万亩,属二等。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,故本枢纽工程为二等工程。由于设计地区为山区,丘陵地区故采用百年一遇设计(P=1%),千年一遇校核(P=0.1%)根据水工建筑物级别的划分标准，二等工程的主要建筑物为 2 级水工建筑物，次要建筑物为 3 级水工建筑物。2.2 坝轴线合理性论证坝型的选择与枢纽布置密切相关，不同的坝轴线适于不同的坝型和枢纽布置。同一坝址也可以有不同的枢纽布置可供选择。在坝址确定的情况下通常是选择不同的坝轴线作出不同坝型的各种枢纽布置方案并通过技术经济比较优先选出坝轴线位置及相应的合理坝型和枢纽布置。本工程 A-B 坝轴线有以下优点：(1)坝址地质属震旦纪岩层，强度较高，坝址附近没有发现断层，坝址基础岩石为石英片岩，强度高且摩擦系数较大，符合地质条件。(2)坝段位于雷口峡谷处，坝轴线短，坝体工程量小。坝址左岸有马鞍形地形，水库处在四面群山环抱中，腹大口小，甚为理想。(3)坝轴线地区开阔便于布置各种水工建筑物，施工方便，相互没有干扰。2.3 坝型选择坝址地质条件是水利枢纽设计的重要依据之一。对坝型的选择和枢纽的布置往往起决定作用。（1）土石坝方案：由于非常洪水位在 234.5 米以下，因此将坝顶高程初步拟定为 235.5 米，该坝的坝基面最低高程取为 185 米。土石坝的坝坡与坝型，坝高，填筑料情况和坝基性质等有关，坝坡的平均坡度一般在 1：21：4 左右，取为 1：2。坝高 H 在 100 米以下时，坝顶最小宽度可取 H/10,并不得小于 3m，取坝顶宽度为 5m，计算所需土体体积为 289 万 m3,因此若选用均质坝和心墙坝从筑坝材料来看当地材料不足。从筑坝材料来看，由于在坝址上游及下游石料蕴藏量十分丰富，且便于开采，修建面板堆石坝可行。但修建面板堆石坝要采用全段围堰法进行施工导流，另外水电站厂房也必须是引水式厂房，增加了工程量，此设计也不采用。（2）拱坝方案：修建拱坝理想的地形条件是左右岸地形对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的河谷段。但该河谷断面宽且浅，宽高比 L/H=540/49.5=11，拱的作用很小，此设计也不采用。（3）重力坝方案：混凝土重力坝对地形，地质条件适应性强，任何形状的河谷都可以修建重力坝，枢纽泄洪问题容易解决，不需另设溢洪道；大体积混凝土可以采用机械化施工，施工方便，施工速度较快，能够缩短工期。另外，修建重力坝所需的水泥及钢材等材料及