【水利水电工程重力坝枢纽设计-以S重力坝工程为例9100字（论文）】

vi摘要九龙滩位于乐山港区大渡河汇入崛之处，娘江自北南流，大渡河于右岸纳入，其交汇角度约90。该枢纽是一个大型工程，主要用来发电，并具有改善库区航运和发展旅游业的综合效益。大坝为碾压混凝土坝、左岸非溢流重力坝、坝头坝及后坝面厂房、河床溢流孔及右岸非溢流重力坝。水库正常水位290.00米，洪水位291.54米，洪水位293.6米。电站安装2台60MW，总装机容量120MW。本项目主要建筑实体重力坝坝顶高程294.307米，坝高54.307米；水溢洪道共有5个孔，宽13米，高度273.00米。下游的耗散可以用来消除排放的能量。该站位于导流坝大坝后的左岸。电站的建设使用河床停止流动，右岸隧道改道方案，总工期为33个月。中心主体经过精心的设计，并对建筑的施工进行了检查，确保了建筑的安全运行。同时，对水电站工程进行了简要的设计，并进行了施工导流。关键词：水利工程；重力坝；水利规划设计一、引言水利工程是为了控制和安排自然界中的地表水和地下水，以达到消除有害影响，帮助人类和服务人类的目的而开发的项目。在人类社会的发展中，无论是抗洪救灾还是水资源的开发利用，都必须通过节水工程来实现。人们正在建设节水工程，以控制和调节水资源，分配水资源，减少干旱和洪水的风险，实现水资源的合理开发和利用。随着水利工程的快速发展，我国水利行业获得了宝贵的知识和经验，并逐步发展和建设了一支强大的、高质量的一支科学实践队伍。同时，政府有关部门制定和完善了水利法律法规，为今后水利工程的健康发展奠定了坚实的基础。大坝是一种建在河流上的水工建筑物，对河流进行调节，以更好地开发和利用河流资源。大坝形成的水库可以提高水位，利用水资源供应，灌溉和生产水。自从人们开始了解水资源的使用，就有了一项节水工程。大坝作为水利工程的重要类型之一，对人类社会的发展起到了重要的促进作用。水利工程水工结构设计，特别是重力坝设计，是一个涉及面广的课题，具有很强的理论、实践和完备性。建设和建设大坝总是有明确的目标，有利于促进和消除损害。工程安全可靠，造价经济合理。同时，要尽可能地满足社会需求，达到人们满意的社会效益和经济效益。项目本身就是一个非常复杂的系统。我们不能孤立地谈工程，而是要把工程纳入技术、经济、社会、自然、生态环境等要素体系。本文针对九龙滩水电站重力坝进行设计，其基本要求是，首先了解基本资料，然后通过大坝的选择和枢纽的布置来设计最重要的结构（大坝和泄洪道），最后设计施工细节。二、工程项目基本概况（一）工程流域概况九龙滩水电站水库，水库总长度约35公里。库区深，山谷深。库区地层主要为寒武系、奥陶系和志留系。地质构造带相对简单，以舒缓的短轴褶皱为主，断层相对稀疏，褶皱轴向和主要断裂为北东或北东向分布，而相应的西北向拉伸或剪切断裂发育较弱。储层的面积很好地封闭，大部分地区都有相对不透水的志留系碎屑岩地层。在近坝区河段水位高于正常水位的地下水位，无相对渗透性地层分布。因此，本项目没有水库渗漏的危险。库区以基岩边坡为主，不存在大规模不稳定岩体，边坡总体稳定。没有大面积腹地、人口密集的乡镇和工矿企业，没有工业价值和矿产资源分布的重要文物，洪水损失较小，基本没有固体径流源和浸水问题。除了水库的水头外，大部分水库的水都接近自然洪水位，在地震的基本烈度下不可能引发水库的地震。（二）电站建设必要性分析河谷是深而湍急的，两岸的斜坡是陡峭的。在九龙滩上游和下游的水电站建设和建设没有通航条件。干旱河段很少有耕地，只有支流的耕地，沿河没有灌溉、供水、航运等综合利用要求，下游没有特殊的防洪目标和要求。九龙滩水电开发任务主要是电力，提高了导航、旅游开发和其他综合效益。该电站的建设主要有以下目的：（1）建设九龙滩水电站是市电力发展的需要；（2）建设九龙滩水电站是县实现脱贫致富，变资源优势为经济优势的需要；（3）建设九龙滩水电站是集团发展的需要。三、水文水能计算（一）工程等级水库正常蓄水位290.00m，相应库容1.32亿m3，总库容1.63亿m3，调节库容0.50亿m3，为季调节水库，电站总装机容量120MW，保证出力11.1MW，年利用小时3283h，年发电量3.94亿kW·h。根据《防洪标准》GB50201～94及《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》DL5180～2003的有关规定，本工程为Ⅱ等大（2）型工程。（二）水库及水能主要指标表3.1水库主要指标序号名称单位数量备注1水库水位：M2正常蓄水位M2903死水位M2844正常蓄水位时水库面积m21.325回水长度M6水库容积：亿m37总库容亿m31.638正常蓄水位以下库容亿m39调节库容亿m30.5010死库容亿m311调节特性季调节（三）枢纽的组成建筑物及工程等级1.枢纽建筑物组成根据九龙滩水电站的开发任务，该建筑包括一个大坝、一个排水建筑和一个发电厂。2.水工建筑物级别根据gb50201～94《防洪标准》和sl252型～2000“标准水利水电工程的层次结构和洪水”。比如大型水库的水库、电站的媒介。轮毂计算，建筑物的计算，混凝土制动和动力装置主楼属于二级建筑，如导墙、护岸等，二级结构为三级，临时结构为4级。（四）防洪标准各水工建筑物洪水标准见下表：表3.2永久性水工建筑物洪水标准表表3.2水工建筑物洪水标准表水工建筑物建筑物级别建筑物洪水标准p(%)设计校核溢流坝20.20.05非溢流坝20.20.05电站厂房20.50.2导墙、护岸32四、重力坝规划设计（一）剖面设计原理混凝土重力坝的设计原则是满足稳定性和强度要求，保证大坝的安全。它的目标是操作方便简单。（二）基本剖面重力坝的基本剖面是指重力、静水压力（与顶水齐平）和上升压力三个主要荷载的坝体，满足稳定性和强度的要求，并使三角剖分的最小量。根据工程经验，一般情况下，上游坝坡往往是直的；下游坝坡坡度m=0.6～0.8；底部的宽度是大坝高度的0.7～0.9倍。在本项目中，下游坝坡斜率m为0.7。根据流量和运行管理的要求，波峰应该有足够的宽度。为了防止波浪在坝顶上蔓延，应该有一定的海拔高于静水位。（三）非溢流坝段剖面设计1.坝顶高程坝顶标高应高于检查洪水位。上游坝顶标高应高于防波堤顶标高。波浪墙顶与设计洪水位或洪水水位之间的高度差可以根据以下公式计算：∆h=h1%+hz+hc式中：h1%为累计频率为1%时的波浪高度，m；hz为波浪中心线高于静水位的高度，对于山区水库，波浪要素按官厅公式计算如下：hl=0.0166V05/4DL=10.4hl0.8（4hz=（πhlH为坝前水深，m；hc为为安全加高。V0——计算风速，m/s，正常蓄水位和校核洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速的1.5～2.0倍。校核洪水位四宜用相应洪水期的多年平均风速，m/s；D——吹程。风区长度1.2km；L——波长，m表4.1安全加高表荷载组合（运用情况）坝的级别1234.5基本组合（正常情况）0.70.50.40.3特殊组合（校核情况）0.50.40.30.2本工程hc取0.5根据计算得出坝顶标高（或坝顶对波峰的高度），选取较大的值。坝顶高程=设计洪水位+Δh坝顶高程=校核洪水位+Δh表4.2坝顶高程计算成果表计算情况风速Vm/s波浪高度hl：m波浪长度L：m风壅水高hz：m安全加高hc：m静水超高m坝顶高程m设计情况16.80.748.170.210.51.45292.99校核情况8.40.253.430.0570.40.707294.307经过比较可以得到坝顶或防浪墙顶高程为294.307m，故最大坝高为：294.307～240=54.307m2.坝顶宽度为了应用和施工，波峰需要一定的宽度。坝顶宽度一般为8%～10%，不小于3米。同时，为了满足需求的设备布局、操作、运输和设施，通过分析选择九龙滩水电站坝顶宽度6米的计算，外加3米（共9米宽）。3.坝面坡度坝址的岩体基本相同。岩石基底相对完整，坚硬，f和c相对较大。在上游坝面水的帮助下，大坝保持稳定，上游坝坡的坡度为直线，上游坡度系数n为0，m为0.75。上游坝坡采用直型，应根据坝段实际坝段类型、坝顶宽度、坝顶宽度、坝顶基本剖面进行计算，并选择下游坡度点。4.地基防渗与排水设施拟定由于需要防渗，坝基应设置防渗帘和排水帷幕。坝体排水管应靠近上游坝面，以尽快消除渗水，但坝面距离不得小于1/10～1/20（即坝前的水深2.577m至5.154m），为了避免渗流坡度过大，可能会对混凝土的坝面进行淋滤破坏。由于坝址的基岩相对较好，采用了重力坝的建造方法，并采用了重力坝。因此，非溢流堰仅为防渗帷幕设计，其中心线在坝基面为4m。（四）应力分析应力分析的目的是测试大坝在施工和使用期间是否满足强度要求，并研究和解决设计和施工中的一些问题，如大坝混凝土等级划分和部分加固等。重力坝应力状态与许多因素相关，如坝体维度，静荷载，基础特点，施工过程中，温度变化和地震的特点等等，由于应力分析，也明确的考虑各种因素，所以两种方法得出的结果不同水平的某种近似。应力分析有两种理论和模型试验方法。理论方法包括材料力学分析和弹性力学分析。由于材料力学方法易于计算，应用范围广，且有完整的、成熟的应力控制标准，目前广泛应用，适用于地质条件简单的中低坝。因此，设计应力分析采用材料力学方法。大坝的最大和最小主应力一般在大坝的上游和下游，计算大坝的内部。应力也需要边缘应力作为边界条件。在计算时，应根据工程规模和具体情况，沿大坝的高方向，将水平段切为横截面。水平力在上游方向是正的，直接力为正，力矩为正，正应力为正。第一个和第三个象限的剪应力在微体的拉伸对角线上是正的。大坝的最大和最小主应力一般在大坝的上游和下游，计算大坝的内部。应力也需要边缘应力作为边界条件。在计算时，应根据工程规模和具体情况，沿大坝的高方向，将水平段切为横截面。1.计算公式与方法水平段的边缘正应力。假设任意水平截面上的竖向正应力是线性分布的。计算了材料的机械偏心量。σyu=ΣW/B+6ΣM/B²（4-5）σyd=ΣW/B～6ΣM/B²（4-6）式中：—作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和，kN；—作用在计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和，kN·m；B—计算截面沿上下方向的宽度，m。图4.1不计扬压力的坝体应力计算图正常情况下的应力计算不计扬压力时（B=40.2m；=29598.478KN；=～40732.2222KNm）边缘剪应力：求出和以后，三角形微元可分别在上、下段切割。我们可以找到力的平衡条件：（4-7）（4-8）式中：—分别为计算截面处上下游坝面水压力强度（如有泥沙压力和地震动水压力时也应计算在内）；、—上下游坝面坡率，，，、为上下游坝面与铅直面的交角。本设计为n=0，m=0.75。边缘水平正应力求得τu和τd以后，由上下游坝体微元体的平衡条件可求得和。（4-9）（4-10）式中：，——分别为上下游边缘水平正应力；边际主应力：分析了坝体上部和下游的剪切应力，主要应力面，坝面的水压强度是第二次主应力。（4-11）（4-12）式中：—分别为上下游边缘第一主应力；—分别为上下游边缘第二主应力；当上游坝面倾斜时，由于，即使≥0，但如果＜，上游面主应力拉应力仍然会发生。因此，重力坝的上游坡度一般较小，甚至为零，以防止上游坝体表面的拉应力。考虑扬压力时的边缘应力计算图4.2考虑扬压力坝体应力计算图上述公式不包括在上升压力中。水平截面上的正常应力假设任何水平截面的垂直应力都是线性分布的。计算了材料的机械偏心量。σyu=ΣW/B+6ΣM/B²σyd=ΣW/B～6ΣM/B²式中：—作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和，kN；—作用在计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和，kN·m；B—计算截面沿上下方向的宽度，m。考虑扬压力时（B=40.2m；=16877.768KN；=～53881.9818KNm）边缘剪应力为：边缘正应力为：上游边缘主应力为：下游边缘主应力为：式中—分别为上下游边缘的扬压力强度；其余符号同上。在检查条件下的应力计算。在检查时，应力的计算与正常情况类似。2.计算结果设计计算部分主要是坝基面，计算条件是正常的，并检查两种情况。计算点为上游和下游边缘点。经计算应力结果见表4.3（坝基面）。表4.3非溢流坝段坝基面应力分析计算结果表工况不计扬压力正常情况585.05887.510453.29505.61623.09585.051227.48505.61283.12校核情况511.04981.910510.34525.816684.215511.041364.66525.816301.46工况考虑扬压力正常情况219.79619.90469.9250348.69219.79968.5900校核情况126.75696.080522.060391.545126.751087.625003.应力计算结果分析基于材料力学方法的应力控制标准（坝基表面应力控制标准）：各种负载条件下的组合（除了地震荷载）和最大垂直正应力边缘的下游的坝基基岩表面应小于许用压应力（包括在浮力和不包含在浮力）的最小垂直正应力在大坝的上游优势基础上应大于0（包括浮力），也就是说，产生的拉应力不会，在情况下，坝体和地基接触表面分开，防渗帷幕将被摧毁。下游坝基的竖向正常应力允许有大于0.1mpa的拉伸应力。根据坝基的抗压强度和坝基的地质条件，根据坝基的安全系数，确定了上述坝基的许用压应力。高强度、断裂基岩的压应力安全系数为20～25，中等强度为10～20。5～10为基岩和半基岩，强度低，裂缝少。以上情况的计算结果比风化带的弱承载力特征值小得多（2000～2500kpa），也没有出现比混凝土极限承载力特征值（2000～2500kpa）更大的压应力，从而满足应力的要求。五、溢流坝段（一）溢流坝设计溢流重力坝不仅要满足稳定性和强度的要求，而且还要满足排水的要求。因此，必须有足够的孔隙大小和良好的堰的大小来满足排水的要求。水流平稳，无汽蚀损伤。有两种主要的排水方式：1.开放的溢出除泄洪外，还可以排除冰或其他漂浮物。障碍可以设置防洪闸。不设置门，堰顶高程等于水库的正常水位，水当水位显示高，因此增加了洪水损失，但结构简单，管理方便，适用于水量不大，小洪水损失中小工程；设置门的计算，门顶高程大致与正常的高水位齐平，低堰坝顶高程，可在水位和流量下利用库的闸门开启高度调整，适合大型工程和重要的介质工程。2.孔溢出为了降低堰门的高度，增加泄流量，可以使用胸壁的溢流堰。这类溢流孔可根据洪水预报提前放水，从而释放大水库容量和洪水，提高水库防洪能力，并优先考虑开式溢流孔。本项目经分析比较后，采用开式，溢流溢洪道闸口，浇口高度高于正常蓄水位，采用不同的闸门开孔调整水平面下的辊筒，减少上游洪水损失。图5.1非溢流坝剖面尺寸图（二）溢流孔口布置及孔口尺寸的计算1.洪水标准采用了500年的洪水标准设计和2000年的洪水检查。2.流量的确定根据水文和水利第一章，溢流坝的最大流入流量为13000m3/s，最大流量为12833.14m3/s。3.孔口净宽拟定从之前的计算中可以看出，溢出网宽度B=65m，初始孔数n=5，则净宽度B=B/n=1300m。4.单宽流量的选择单宽流量是确定孔口的重要指标。单一宽度的宽度越大，孔的宽度越小，从而减少溢流坝的长度和桥梁的施工成本。然而，单宽流动越大，单位宽度的流量中所含的能量越大，消散越困难，下游局部冲刷就越严重。它甚至危及大坝的安全。如果你选择一个小的单宽流量q，它会增加溢流堰的成本和枢纽布局的难度。因此，单一宽度流动的选择应考虑到地质条件、枢纽布局和能量耗散的设计，并在技术经济比较后确定。工程实践表明，溢流坝的单宽应采用软岩或裂缝发育岩体，q=20~50m3/（s.m）；较好的岩石，q=50~70m3由于本工程工程地质及岩石条件较好，所以取m35.溢流坝段总长度根据经验，初步确定了闸门墩的厚度，中间墩厚度d=4m，边长为4m，溢流坝总长度为B0：B0=nb+4×4+4×2=65+16+8=89m堰顶高程的确定根据已知资料，本设计取堰顶高程为273.00m。6.闸门高度的确定门高H=正常高水位～堰顶高程+（0.1～0.2）=290～273+（0.1～0.2）=17.1m，按规范取闸门高为H=17.1m。检修闸门：因为孔口b=13m，所以检修闸门宽13m，高17.1m的平板钢闸门。工作门：弧形钢门，宽1300米，高17.1米。因为它是开顶门，所以从液压结构可以看出门板的曲率半径R与门高H的比值，建议为1.1～1.5，曲率半径为1.2。7.定型设计水头的确定堰上最大水头Hmax=校核洪水位-堰顶高程即：Hmax=293.6-273=20.6m定型设计水头Hd为Hd=（75%～95%）Hmax=20.6×75%～20.6×95%=15.45～19.57，取Hd=18m。（三）溢流坝段剖面设计溢流重力坝的基本剖面也是三角形的。这个设计比较后，上游面导致的脸，溢出表面由顶部的溢出部分和弧段(由于设计的低实用堰溢流堰，溢出部分在设计与弧段线段，忽略切连接)。顶部的曲线：在溢流堰的顶部，可以使用开式溢流、动力曲线和椭圆曲线，如图5.2所示。图5.2溢流坝顶部曲线示意图溢流坝顶上游面曲线段OA：该工程的溢流堰采用WES型实用堰，而堰的上游曲线采用弧形曲线的三段，尺寸为：a=0.175Hd，R1=0.5Hd；b=0.276Hd，R2=0.2Hd；c=0.282Hd，R3=0.02Hd。Hd=18m，所以：a=3.15m，R1=9mb=4.968，R2=3.6mc=5.076m，R3=0.72m2）OC段WES曲线方程：（5-1）式中：—定型设计水头，按堰顶最大作用水头的75%～95%计算；=18m.、—与上游坝面坡度有关的系数和指数，当坝面铅直时，，；当坝面坡度为3：1时，，。本工程上游坝面铅直，，，。，，（5-2）即y=0.043x^1.85按上式算得坐标值如表5.1所示：表5.1堰顶O点下游WES曲线坐标值计算表X（m）12345678910Y（m）0.0430.1540.3270.5570.8421.1791.5682.0082.4973.034X（m）11121314151617181920Y（m）3.6194.2514.9295.6546.4237.2388.09799.94710.937图5.3WES曲线坡度m=0.75的下游直线CD与曲线相切与C点，CD点的坐标xcyc求的堰面曲线一介导数，y=0.043x^1.85，y'=0.08x^0.85.直线CD的坡度为1/m=1/0.75联立上二式0.08x^0.85=1/0.75x=27.39y=0.043x^1.85=19.63所以切点C的坐标为（27.39，19.63）确定反弧段圆心及半径：反弧半径按下式近似取值：R10x/3.28（5-3）x（3.28v21H16）/（11.8H64）（5-4）式中H—堰上水头，H=293.6-270.73=22.87（m）；v—收缩断面流速，v26.68m/s，详见消能防冲计算。则x=（3.2821）R=10x/3.28=(10^1.749)/3.28=17.105取R=17m反弧段曲线圆心点计算，圆心坐标O’（x0，y0）x0xcma(H2yc)rcot（）y0H2r式中：H2为下游堰高，取H2=273-246=27mma=41.42my0=27-17=10m圆心坐标O’（41.42，10）设E点为反弧段与下游堰的切点，坐标为E（xE，yE）xE=x0=41.42yE=H2=27E（41.42，27）D点坐标（xD，yD）Xd=x0-rsinａ=41.42-17*sin53.13º=27.82myD=y0+rcosａ=10+17*cos53.13º=20.20mD（xD，yD）=（27.82，20.20）六、坝基处理设计（一）地基开挖与清理基坑开挖是为了消除天然基岩的覆盖层、承载力和抗剪强度。基础表面的重力坝设计规范应根据大坝稳定、坝基应力、岩体物理力学性质、类别、基础变形和岩体的稳定性，上部结构要求的基础上，地基加固，效果和施工技术，施工周期和成本等因素通过技术经济比较确定。为了满足坝基的强度和稳定性，可以考虑降低开挖体积。当大坝超过1米的时候，它可以用新鲜的和微风的方式建在脆弱的风化基岩上；当大坝为100m～50m时，可以在微风中对弱风化的中间基岩进行建造。当大坝高度小于50m时，可以建立在弱风化层的上基岩上。九龙滩水电项目的最高大坝属于中坝，因此应将地基挖掘到弱风化的中间基岩中计算，引水大坝高度中等，河床坝基弱风化岩体中部，两岸的计算上弱风化岩体坝基，基础表面海拔植物结构控制的要求，工厂根据弱风化岩石下方的身体新鲜岩石。河床底面高度为240.00m，开挖深度为100m～13.0m，左岸深度为7.0m～19.0m，右岸深度为11.0m～2.4m。岩体开挖的边坡为：1：25～1：1.5，强风化岩体1：0.75，弱风化岩体1：0.5，风对新岩体1：0.2～1：0.3。坡度为15.0米～20.0米，有一个2米宽的马路。在非溢洪道右侧边坡开挖后，采用喷射混凝土处理，混凝土喷射混凝土厚度为0.1m。基坑的清理：在清理废墟的过程中，在松散的岩石块放置之前，它将被摧毁和凸起，有干净的水炮，勘探和钻孔，原始的，也必须堵住溢出的槽孔。（二）帷幕灌浆帷幕灌浆的目的是减少坝体底部的渗流压力，减少坝体渗流，防止坝基渗流，降低坝基的渗流压力，使坝基的渗流压力达到允许值。帷幕灌浆通常设置在坝踵1/10～1/15的高度。帷幕灌浆孔的方向：原则上，应尽可能通过最大的裂缝和岩石水平，上游倾斜角度小于10，应根据高坝坝基的渗透性来确定帷幕灌浆的深度。一般坝基的相对不透水层不深，应将帷幕置于相对不透水层之下。当坝基相对不透水层深埋时，帷幕的深度为（0.3～0.7）H。孔径一般为50～80mm。通过分析计算，在本设计中，将帷幕灌浆孔从基础排水廊道的上游端抽取出来，向上游倾斜9处。注浆深度确定为41m，孔径为80mm。（三）坝基排水为了减少压力，节约工作量，在坝基上设置排水系统是必要的。主要的排水洞通常设置在大坝上。排水管通常是垂直的，在帷幕灌浆孔的下游，两者应该至少相隔200米。排水管的孔径通常为100～150mm，孔深0.4～0.6倍于主帷幕灌浆孔。垂直排水的设计，基础排水洞，排水管道位于走廊，下游端垂直排放水，这样，下水道上游坝面平行，远处的走廊空间从上游面+走廊部分宽度=4+2=6米，浮力的计算，浮力减少上游L=6米的距离。七、结论通过这一设计，通过对四年来所学知识的全面认识和利用，提高了我的实践能力，增强了我的综合思维能力，增强了理论联系实际的实践能力。了解水利水电工程建设的有关知识，在实际工程中应用水位和工程地质，选择坝址和枢纽布置，特别是大坝、溢流坝设计和应力计算。液压部分的配置。在本次设计中，主要应用了在设计中遇到的知识有待解决的问题，辅以教师的耐心指导，细致的回答，同时参考咨询信息和参考资料的建设。九龙滩水电站重力坝的毕业设计使我掌握了水利水电学