水利水电工程毕业设计说明书

毕业设计（论文）说明书题目大渡河金子坝电站中坝址宽缝重力坝设计专业水利水电工程班级2010级5班学生xx指导教师xx2014年前言金子坝水电站工程是大渡河干流梯级开发的最后一级，上游接在建沙湾水电站，坝址位于沙湾区金子坝镇泊滩村，距上游沙湾水电站约35km，下游距乐山市区15km，有省道S103从枢纽区左岸通过，对外交通较方便。该电站工程开发任务为发电和航运，并兼有防洪、灌溉、供水等。本电站采用混合式开发方式，水库正常蓄水位400.00m，总库容7443万m3，电站装机容量680MW，设计引用流量350m3/s。根据中华人民共和国国家标准《防洪标准》（GB50201-94）和《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL/T5180—2003）规范，属大（2）型水电站，Ⅱ等工程，主要建筑物：冲砂泄洪闸坝、电站主副厂房、非溢流坝、副坝、尾水渠、升压站等为2级建筑物，次要建筑物：铺盖、拦砂坎、上下游导墙、护坦、海漫等为3级，临时建筑物为4级。下游河道左岸防洪堤为4级建筑物。本次设计对坝体主体结构物进行设计，设计主要内容包括：枢纽总体布置设计，坝体主结构设计。通过水文水利计算以及调洪演算得到非溢流坝高为400m，溢流堰顶高程为386m。通过地址地形比较，采用8m×9m溢流孔，对于溢流坝的泄洪消能设计采用底流消能。通过应力计算及稳定分析，大坝满足规范要求。毕业设计是完成教学计划达到本科生培养目标的重要环节。它通过完成毕业设计任务或撰写论文等诸环节，着重培养学生综合分析和解决问题的能力和独立工作能力、组织管理和社交能力；对于增强事业心和责任感，提高毕业生全面素质具有重要意义。是学生在校期间的最终学习和综合训练阶段；是学习深化、拓宽、综合运用所学知识的重要过程；是学生学习、研究与实践成果的全面总结；是学生综合素质与工程实践能力培养效果的全面检验；是实现学生从学校学习到岗位工作的过渡环节；是学生毕业及学位资格认定的重要依据。目录TOC\o"1-3"\h\z\u27381摘要 式中：—下泄流量，m3/s；—侧收缩系数，取0.95；n—溢流孔口数量，取值为3；b—溢流孔口净宽度，取其值为8m；m—流量系数,取0.502；H0—计入行近流速的堰上水头，m；c—上游面坡度影响修正系数，当上游面为铅直面时取1.0；—淹没系数，取1.0表6.1堰顶高程计算表堰上水头H0堰顶高程H设计情况7.637386.363校核情况9.136386.864故，溢流坝的堰顶高程暂取为H=386m。6.5定型设计水头的确定堰顶最大作用水头：Hmax=校核洪水位-堰顶高程定型设计水头Hd按堰顶最高作用水头Hmax的75%~95%计算，则定型设计水头：Hd=(0.75~0.95)Hmax取Hd=8.5m，此时，由于定型设计水头Hd不同，堰顶可能出现的最大负压也不同。规范规定：校核洪水位闸门全开时，出现的负压一般不超过3~6m米水柱。表6.2不同定型设计水头对应的堰顶最大负压表Hd/Hmax0.750.7750.80.8250.850.8750.90.951最大负压（m）0.5Hd0.45Hd0.4Hd0.35Hd0.3Hd0.25Hd0.2Hd0.1Hd0Hd0.3Hd=0.3×8.5=2.55m，没有超过规范的允许值（最大不超过3～6m水柱）。故取Hd=8.5m符合要求。6.6泄流能力校核（6.4）式中：H0——堰上水头。P1——堰高度。m——WES实用堰流量系数，由《混凝土重力坝设计规范》SL319-2005表A.3.1-1查得。Ka——边墩系数，由《溢洪道设计规范》SL253-2000表A.2.1-3中墩系数表查得。Kp——墩形状系数，由《溢洪道设计规范》SL253-2000表A.2.1-3中墩系数表查得。——闸墩侧收缩系数，n——闸门个数，b——闸门宽度设计、校核计算过程详见计算书。加入一个比较性的表格（要求洪水，计算得的相应洪水），清晰明了地看到取值合适表6.3泄流结果表堰上水头H0定型设计水头Hd堰高度P1过水能力要求下泄流量判别设计洪水位88.5151096.881070安全下泄校核洪水位108.51515801400安全下泄6.7溢流坝剖面设计6.7.1顶部曲线段对于开敞式溢流坝，溢流坝顶部下游采用WES幂曲线，当坝体上游面为铅直面时，幂曲线方程为： （6.5）式中：堰面曲线定型设计水头，取Hd=8.5m。K—与相对上游堰高有关，当时，K=2.0n—与堰的上游面坡度有关，上游面垂直时，n=1.85故幂曲线方程为：坐标原点O在堰顶，按上式算得的坐标值如下表：表6.4幂曲线x与y的关系计算表x（m）012345678910y（m）0.000.0810.2920.6181.0531.5912.2292.9643.7954.7195.734根据表中数值可绘得堰顶下游曲线OC。根据《混凝土重力坝设计规范》SL319-2005规定，堰顶O点上游三圆弧（从下游往上游方向）的半径及其水平坐标值分别为：6.7.2中间直线段顶部曲线段确定后，中间直线段分别与顶部曲线段和底部的反弧段相切，其坡度与非溢流坝段下游坡度相同，即1：0.7。直线段与幂曲线相切时，切点C坐标为(xc,yc)。对堰面曲线求一阶导数：直线CD坡度为：求得：切点C坐标（14.18,10.94）6.7.3下游反弧段坝下游反弧半径r按下式计算r=（0.25～0.5）（Hd+zmax）（6.6）式中，zmax——上下游水位差取r=8m本设计消能型式采用底流消能。反弧曲线的上端与直线CD相切于D点，下端与底流消能池底相切于E点。底流消能池底高程由第7章消能求得为364m。反弧曲线圆心O′点:由图分析可知，（6.7）（6.8）（6.9）（6.10）（6.11）（6.12）P2为下游堰高，P2=386-371+1=16m求得各点坐标：O′(21.89,8)；D(15.34,12.59)；E(21.89,16)根据以上计算结果，可得溢流堰的剖面曲线。图6.1溢流坝剖面图第7章消能防冲设计7.1水跃衔接状态的判别保持堰顶水头为H=10m，调节闸门开度，使消能池单宽流量的变化范围为（10~45）m3/s∙m,相应的下游水深ht可由图5.1查得。图7.1下游水深-单宽流量关系图令H0=H=10m，P2=P1=堰顶高程-河床高程=15m（7.1）由《水力学》表9.1可知，实用堰底流消能的流速系数取=0.90。分别取时，可求得：（7.2）（7.3）——由《水力计算手册》图4-2-3查得。（7.4）同理可求得不同流量下相应的值如表5.1所示：表7.1底流消能参数表备注108.532.1711.532.806.07209.693.447.262.458.443010.464.515.542.4010.834011.035.474.572.1511.7543.7511.235.804.312.1012.184511.395.914.232.0812.30绘制曲线和曲线，如图5.2所示：图7.2水位-流量关系图从图5.2可以看出，在所讨论的流量范围内，均大于，即，故下游产生远驱式水跃衔接。7.2消能池深度S的计算由图5.2的曲线和曲线比较可知，最大时，故消能池深度的设计流量为.相应：时，，，，。其中hc由试算求得。由《水力计算手册》可知，先计算消能池深S:其中式中的计算如下（其中式中消能池出流的流速系数，）：，池深求解为，取池深S=1m则消能池池底高程为Z=371-1=370m。7.3消能池长度Lk的计算校核洪水位的单宽流量为池长的最大流量，即由可求得hc1：弗劳德数：其中，根据水利计算手册，水跃长度的计算如下：因为，所以，取故消能池长度：取7.4消能池护坦设计护坦厚度可根据抗冲和抗浮要求，分别按下式计算，并取其最大值。抗冲：抗浮：根据工程经验，取护坦厚度为。为了增强护坦的抗滑稳定性，在消力池末端设置齿墙，墙深为1.0m，宽为0.6m。7.5海漫设置水流经过消力池后，虽已消除了大部分多余能量，但仍有一定的剩余动能，具有一定的冲刷能力，因此在护坦后设置海漫防冲设施以使水流均匀扩散。第8章细部构造8.1闸门、闸墩和导墙设计8.1.1闸门选择比较常见的闸门形式是平板门和弧形门。平板直升闸门能满足各种类型的泄水孔道的要求，所以它是应用最为广泛的一种闸门形式；弧形门也是一种应用十分广泛的门型，它一般可用于泄洪道和无压泄水孔的泄水形式。二者具体特性如表8.1所示：表8.1闸门型式及其优缺点优点缺点平板门1.可封堵相当大面积的孔口；2.建筑物顺流方向尺寸较小；3.闸门结构简单，其制造、安装和运输工作相对来说比较方便；4.门页可以出孔口，便于检修维护；5.门页可在孔口间互用；6.门页可为数段，有利于泄洪、排沙；7.闸门启闭设备比较简单，对移动式启门机适应性较好。1.需要较高和较厚的闸墩；2.具有影响水流的门槽特别在水头较高的情况，门槽会带来很多的麻烦；3.需要启闭力较大，故须选用超大的门机。弧形门1.可封闭相当大面积的孔口；2.所需闸墩高度和厚度较小；3.没有影响水流流态的门槽；4.所需的启闭力较小；5.埋件数量小。1.需要较长的闸墩；2.闸门所占空间较大；不能提出孔口以外进行维修；3.闸门所承受的总水压力较大，不能在孔口间互换。通过比较二者各有优劣点，在本次设计中工作门采用平板门。8.1.2工作闸门基本尺寸拟定门高。工作闸门要求可以在正常蓄水位的情况下完全挡水，在校核洪水位时则打开闸门放水，即门高H=正常蓄水位－堰顶高程+安全超高=6.4（m）故取工作闸门高为7m。8.1.3检修闸门基本尺寸拟定检修闸门采用平板门，门槽厚度为1~4米，门高和工作门一致。故拟定门槽宽为1米，门高7米。8.2闸墩设计8.2.1闸墩的作用将溢流前缘分分隔为若干个孔口，便于设置闸门，同时承受闸门传来的水压力，也是坝顶桥梁的支撑体。8.2.2闸墩体型设计闸墩的长度主要取决于坝顶桥面的交通和闸门的受力条件。坝顶交通主要有工作桥和便桥。闸墩的平面形状，在上游端应使水流平顺，减少孔口水流的侧收缩；下游端应减小墩后水流的水冠和冲击波。本设计闸墩的上游端采用半圆形，下游端采用半圆形。闸墩厚度与闸门的型式有关。采用平面闸门时需设闸门槽，工作闸门槽深0.5~2.0m，宽1~4m，门槽处的闸墩厚度不小于1~1.5m，以保证有足够的强度。闸墩的长度和高度，应满足布置闸门、工作桥、交通桥和启闭机械的要求。平面闸门多用活动式启闭机，轨距一般在5m左右，门机高度应能把闸门吊出门槽。当交通要求不高时，工作桥可兼作交通桥使用，否则需另设交通桥。交通桥要求与非溢流坝坝顶齐平，为了改善水流条件，闸墩需向上游伸出一定长度，并将这部分做到溢流坝坝顶以下约一半堰顶水深处。闸墩横剖面示意图如下图8.1。闸墩的高与非溢流坝坝顶齐平，考虑到交通桥梁的高度，初拟14m，中间墩厚4m，检修闸门为平面闸门，采用门式启闭机启闭，门槽宽×深为1.0×0.5m，闸墩长度初拟20m。图8.1闸墩横剖面示意图（单位：米）8.3导墙设计8.3.1导墙设计导墙的作用及位置边墩设在溢流坝的两侧，以分隔溢流坝和非溢流坝，并做为边跨桥梁和闸门的支撑体，为了防止坝面水流向两侧漫溢，边墩应向下游延伸形成导墙。延伸的长度应根据枢纽的布置而定。8.3.2导墙的高度确定导墙要求高于掺气水面线（当弗氏系数Fr〉2时候考虑掺气水深）1~2米，以保证水流不会漫溢。当弗氏系数Fr〉2时，应考虑波动及掺气后水面升高的影响。掺气水深公式：式中：h——未计入波动及掺气的水深，m；hb——计入波动及掺气的水深，m；V——未计入动及掺气断面上的平均流速，m/s;——修正系数，一般取1.0~1.4，s/m，当流速大于20m/s时取大值。8.4坝体材料分区重力坝的建筑材料主要是混凝土，水工的混凝土要求具有一定的抗渗、抗冻、抗冲刷、抗侵蚀、低热、抗裂等性能。应符合《混凝土重力坝设计规范》中的规定。混凝土的强度随着龄期的增长而增长，因此，在规定设计标号时应同时规定设计龄期。坝体混凝土的强度一般采用90天龄期，对于有其他要求的混凝土的龄期，可根据需要确定。坝体各部位工作条件不同。为了节约和合理利用水泥，通常将坝体混凝土按不同部位和不同工作条件分区，采用不同标号，一般可分为下列各分区（如图7-2，7-3所示）。Ⅰ区—上、下游水位以上坝体外部表面混凝土；Ⅱ区—上、下游水位变化区的坝体外部表面混凝土；Ⅲ区—上、下游最低水位以下坝体外部表面混凝土；Ⅳ区—坝体基础混凝土；Ⅴ区—坝体内部混凝土；Ⅵ区—抗冲刷部位的混凝土（例如溢流面、泄水孔、导墙和闸墩等）；选定各区混凝土强度标号，除应满足所在部位的应力要求外，为了防止施工期间发生温度裂缝，还应减少整个水利枢纽中不同混凝土标号的类别，这样也便于施工。相邻区的混凝土的强度标号不宜超过两级，以避免引起坝内应力重分布或产生裂缝。分区厚度尺寸最小为2m～3m。图8.2非溢流坝体混凝土分区图8.3溢流坝体混凝土分区8.5廊道系统在混凝土坝中，为了灌浆、排水、观测、检查及交通要求，必须在坝体内设置各种廊道，这些廊道在坝体内互相连通，构成廊道系统。8.5.1基础灌浆廊道帷幕灌浆廊道常在坝体浇注到一定高程后开始进行，以便用混凝土的压重来提高灌浆压力，保证灌浆质量，并加强坝基接触面上的抗渗和抗剪能力。因此，常需在坝内靠近上游坝踵处设置一个专门的基础灌浆廊道。其上游距坝面0.05~0.1倍水头，且不小于4~5米，也不宜距坝踵过远，以免降低减小扬压力的作用，基础灌浆廊道底板混凝土厚度不宜小于3米。在360米高程建一灌浆廊道，距坝基底面厚度为5米。灌浆廊道的断面一般采用上圆下方的城门洞的型式，宽度约为2.0~2.5米。高度为2.02~3.5米，以满足钻孔灌浆工作空间的需要。廊道与基岩应保持一定的距离，而且最好不要小于1.5倍的廊道宽度。在廊道下游侧应能钻孔设排水及扬压力观测孔。基础灌浆廊道是沿地形向两岸逐渐提高的。两岸斜坡段的坡度不宜大于400~450，以便于钻孔灌浆操作和搬运操作。灌浆廊道应由设在两岸设置的横向廊道接出坝外。8.5.2检查排水廊道为了便于巡视，常在靠近坝体上游面处每隔30米左右设置一个检查廊道，一般还兼做排水廊道。该廊道也多用上圆下方的型式，最小宽度为1.2米，最小高度为2.2米，至上游面的距离应不小于0.05~0.07倍水头，且不小于3米，上游侧设排水沟。图8.4基础灌浆廊道示意图8.6坝体排水在坝体各种接缝面内虽已经设置了止水系统，但渗水仍在所难免。为了减小渗水的有害影响，还要设置相应的排水系统，将坝体和坝基的渗水有排水管排入廊道，再由廊道汇入集水井，自流或用抽水机排到下游。坝身排水管应该靠近上游面，以便及早排除渗水，但与坝面距离一般不得小于坝前水深的1/10~1/12，且不小于2米。以免渗透迫降过大，导致坝面混凝土溶滤破坏。由此计算对于灌浆廊道处L=（396-376）×0.1=2米，取3米。坝体排水管的间距一般为2~3米；管内径为15~25cm，管径太小排水减压效果差，且容易杜塞。排水管常用预制多孔混凝土管，在浇注混凝土时埋入坝内。排水管和廊道的连通形式如图7-4所示。

第9章基础处理重力坝的坝基应具有足够的强度和承载能力。但地基总是存在着种种的缺陷，为了能在具有某些缺陷的岩基上修建重力坝，应对基岩进行必要的处理，以保证大坝的安全。坝基处理的目的在于提高其强度、稳定性、耐久性和抗渗能力，具体的措施通常包括开挖、清理、灌浆、排水和特殊软弱带的处理等。9.1地基的开挖与清理坝基的开挖就是把覆盖层缓和风华破碎的岩石挖掉，使大坝直接建筑在坚实的岩石上。重力坝地基的开挖深度，一般应根据岩石强度及完整性，并结合上部结构对地基的要求来确定。对于本枢纽的中坝来说，可建在微风化至若风化层的上部基岩上。开挖的边坡必须稳定。各坝段的地基面上下游高差不宜过大，两岸岸坡坝段的地基开挖面形状，在平行坝轴线方向上，如岸坡平缓则开挖要求与河床坝段形同，如岸坡较陡，因坝段有侧向稳定的问题，宜开挖成有足够宽度的太阶段。具体的开挖线和开挖面参阅设计图纸。基岩开挖后，在浇注混凝土前，需进行彻底的清理和冲洗，包括：清除一切松动的岩快，打掉突出的尖角，基坑中原有的勘探钻井、孔、洞等均应回填封堵。开挖爆破不能损害设计开挖线以下基岩的质量；当基岩为易风化的岩石，如页岩、粘土岩等时，在设计开挖线或边线以上宜留有保护层0.2~0.3米，待混凝土浇注时才随挖浇注。9.2固结灌浆固结灌浆的目的是提高基岩的整体性和弹性摸量，减少基岩受力后的变形，提高岩基的抗压、抗剪强度，减低坝基的的渗透性，减少渗流量。在防渗帷幕灌浆的范围内先压力以不掀动岩基为原则而取尽量较大值。固结灌浆一般布置在坝基受力较大的部位和强度较低的部位以及对改善坝体应力有利的部位。通常以布置在坝址附近为宜。一方面能加固受力较大的坝址附近岩体；另一方面可以改善坝踵应力，使之不出现或少出现拉应力。至于坝踵附近，在帷幕灌浆和防渗要求允许的情况下，从改善和坝踵应力考虑，以不布置或少布置固结灌浆为宜。灌浆范围从坝踵上游0.1~0.15倍坝高考试，到坝址0.15~0.2倍坝高为止。按照该要求从坝踵前7米开始到坝址下游11米结束。灌浆孔常布置成梅花形或井字形。孔距从10~20米开始，采用内插逐步加密，最终孔距2~4米。孔深一般为5~15米，应根据地质情况并参照灌浆实验确定。孔径一般为15~38mm。图9.1固结灌浆孔的布置9.3帷幕灌浆帷幕灌浆的目的：降低坝底的渗透压力，减少绕坝渗漏，防止坝基内产生渗透破坏，使帷幕后的坝基面渗透压力降至允许值以内。灌浆材料最常用的是水泥浆，有时也采用化学浆。化学灌浆可灌性好，抗渗性强，但较昂贵，且污染地下水质。因此，采用水泥灌浆。防渗帷幕布置于靠近上游面坝轴线附近，自河床向两岸延伸。由于是中坝，一般情况下可只设一排帷幕孔。钻孔的方向一般为铅直，必要时也可有一定的斜度，以便穿过主节理裂隙，但角度不宜太大，一般在10°以下，以便施工。防渗帷幕的深度根据作用水头和基岩的工程地质、水文地质情况确定。当地基内的透水层厚度不大时，帷幕可穿过透水层深入相对隔水层3~5m。本设计灌到相对隔水层以下4m，帷幕深度为（0.3～0.7）H，本设计取20m，孔距为3.0m。9.4坝基排水帷幕灌浆不能完全截断渗流。为了进一步的降低坝底渗透压力，常需设置坝基排水设施。由于本坝为宽缝重力坝，可利用宽缝进行排水，不需要再进行特别排水设施。

致谢毕业设计是我们大学生涯的最后一课，是我们作为一名即将毕业的大学生对自己大学四年的总结和检验，毕业设计将我们四年以来学习的知识融汇到一起，在近三个月的日子里，我学习到了很多以前并未深入研究的问题，真的是受益匪浅。从刚刚步入校园对水利水电工程专业的一无所知，到如今在老师的帮助下完成了第一个完整的电站枢纽设计，我对所学的专业有了更深的了解，同时也对自己的知识框架有了一个较为清晰的梳理，同时，在做毕业设计的过程中，我也学习了很多知识，如AutoCAD，Word和E