平山水利枢纽水工课程设计(使用版)

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%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，=351.1.4水文气象暴雨洪峰流量Q0.05%=1860m3/s，Q0.5%=1550m3/s，Q1%=1380m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（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.（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Q1%=840m3/s，相应下游水位72（11）校核情况下，溢洪道下泄流量Q0.1%=1340m3/s，相应下游水位74（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.（3）水电站，装机容量9000KW，机组台数3台，厂房尺寸30.09.0m2，引水隧洞直径3.50m，尾水管底板高程62.（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）12110-520（湿）粘土15.4254020（干）37110-618（湿）山皮土16.0233933（干）10（干）110-322（湿）7.5（湿）覆盖层16.0350110-4砂料16.040300110-3堆石18.0333801.2.4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。变坡一次，上部坡率取2.5，下部坡率取3，变坡处设马道。下游每隔20m变坡一次，变坡处设马道，坡率自下而上依次为2.75、2.5、2.0。3.2.4心墙的断面尺寸本土石坝的防渗体为粘土心墙。（1）位置粘土心墙位于土石坝断面的中心线，心墙底部设置齿墙。（2）心墙断面尺寸顶宽：心墙顶部的水平宽度应满足用施工机械碾压的要求，一般不小于3m。本设计中可取为4m。两侧坡度：粘土心墙，其上、下游坡度一般为1：0.15~1:0.3。可取为1:0.25。顶部高程：防渗体顶部在水库静水位以上应有超高，以防漫顶。在正常运用情况下，心墙顶超高采用0.3~0.6m；非常运用情况下，防渗体顶应不低于非常运用情况下的静水位。此处超高可取为0.5m，心墙顶部高程为113.10+0.50=113.60m。心墙厚度：心墙的底部宽度首先应满足防渗要求。粘土的允许渗透坡降[J]为6~8,上下游最大作用水头为△H=113.50-68=45.50m，故墙厚应为T≥△H/[J]=5.69~7.58。本设计中心墙底部宽度为4+2×（113.60-68）×0.25=26.75m，满足上述要求。图3-1土石坝剖面初步设计土石坝剖面设计成果详见附图二：土石坝剖面图。3.3土石坝的构造设计3.3.1防渗体粘土心墙的顶部应有保护层，防止冰冻和机械破坏，其厚度一般为1.5~2.5m。防渗体与坝壳上游连接处应设置过滤层，以缓和不同土料之间的沉陷差和减缓渗流的破坏作用；下游连接处应设置反滤层，反滤截留随渗流带出的细小颗粒，可促使粘土心墙裂缝的自愈。本设计中保护层厚度达115.1-113.6=1.5m，满足要求，具体设计见坝顶部构造。3.3.2坝体排水（1）排水设施选型常用的坝体排水有以下几种型式：贴坡排水、棱体排水、坝内排水、以及综合式排水。1）贴坡排水：不能降低浸润线，多用于浸润线很低和下游无水的情况，故不选用。2）棱体排水：可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚不受尾水冲刷，且有支撑坝体增加稳定的作用，且易于检修，是效果较好的一种排水型式。3）坝内排水：其中褥垫排水对不均匀沉降的适应性差，易断裂，且难以检修，当下游水位高过排水设施时，降低浸润线的效果将显著降低；网状排水施工麻烦，而且排水效果较褥垫排水差。坝址附近有丰富的石料可开采，且石料质地坚硬，可以利用，做堆石料棱体排水。综合以上分析选择堆石棱体排水方式。（2）堆石棱体排水尺寸堆石棱体内坡取1：1.5，外坡取1：2.0，顶宽2.0m。棱体顶部高程须高出下游最高水位，且有一定超高。对1、2级坝，超高不小于1.0m。校核情况下，上游水位113.5m，相应下游最高洪水位74.30m。超高取1.2m，所以顶部高程为74.30+1.2=75.50m。3.3.3反滤层设计（1）设计标准。对于被保护土的第一层反滤料，考虑安全系数为1.5~2.0，按太沙基准则确定，即D15/d85≤4D15/d15式中：D15为反滤料粒径，小于该粒径的土占总土重的15%；d85为被保护土粒径小于该粒径的土占总重的85%；d15为选择第二层反滤料时采用与以上相同的准则，只是应以第一层反滤料作为被保护土，其余类推。按此标准，天然砂砾料一般不能满足要求，须对土料进行筛选。（2）设计结果由于设计资料中未提供各土、砂、石料的颗粒级配情况，无法用计算的方法进行反滤层的设计，只能参考相关规范和以往工程经验进行初步设计。初步拟定结果如下：1）防渗体周边部位第一层：d50=0.45mm，厚20cm；第二层：d50=2.0mm，厚202）排水部位第一层：d50=30mm，厚20cm；第二层：d50=90mm，厚40坝顶及心墙反滤层，棱体排水及反滤层详图见图纸。3.3.4马道、护坡、坝面排水设计（1）马道设置马道有利坝坡稳定，便于观测和检修、设置排水设备，也可作为交通之用，考虑这些因素其宽度取2.0m。（2）护坡设计上游坝坡采用较常用的浆砌块石护坡，因其抵御风浪的能力较强。护坡范围从坝顶一直到坝脚，厚度为40cm，下部设厚度均为20cm的碎石和粗砂垫层。下游坝面直接铺上40cm的碎石作为护坡。（3）坝面排水设计①布置在下游坝坡设纵横向排水沟。纵向排水沟（与坝轴线平行）设在各级马道内侧。沿坝轴线每隔200m设置1条横向排水沟（顺坡布置，垂直于坝轴线），横向排水沟自坝顶直至棱体排水处的排水沟，再排至坝趾排水沟。纵横向排水沟互相连通，横向排水沟之间的纵向排水沟应从中间向两端倾斜，坡度取0.2%，以便将雨水排向横向排水沟。坝体与岸坡连接处应设置排水沟，以排除岸坡上游下来的雨水。②排水沟尺寸及材料尺寸拟定：由于缺乏暴雨资料，所以无法用计算的方法确定断面尺寸，根据以往已建工程的经验，排水沟宽度及深度一般采用20～40cm，本设计取30cm。材料：排水沟通常采用浆砌石或混凝土预制块。综合考虑选用浆砌石块石。3.3.5坝顶布置坝顶高程高出心墙顶部1.5m，可做心墙保护层。分为两层，上层碎石厚度为50cm，下3.9渗流稳定计算3.9.1计算方法及计算假定选择水力学方法求解土石坝渗流问题。根据坝内各部分渗流特点，将坝体分为若干段，应用达西定理近似解土坝渗流问题，计算假定任一过水断面内各点渗透坡降均相等。计算简图如图3-2所示：图3-2有限深透水地基心墙土坝渗流计算简图本设计按有限深透水地基上的心墙土坝计算：可将心墙化为等厚δ的矩形，δ=δ由于心墙的渗透系数kc<<坝体k，故可认为上游浸润线水平(与库水位同高)q=q=k式中δ—心墙平均厚度L0k1k—坝体的渗透系数k0h—心墙下游边线处的浸润线高度H1H2T—透水地基厚度联立两方程，即可求得q、h：h=其中，A=kB=C=坝体下游浸润线方程为：y=3.9.2计算断面及计算工况本设计仅对河槽处最大坝高断面进行渗流计算。假设地基为不透水地基。按规范规定，渗流计算一般应计算四种工况。一上游正常高水位与下游相应的最低水位；

二上游设计洪水位与下游相应的最高水位；三上游校核洪水位与下游相应的最高水位；

四库水位降落时对上游坝坡稳定最不利的情况；本设计仅计算一种工况：上游设计洪水位+下游相应水位。3.9.3计算过程及计算结果H1=113.10-68.00=45.10H2=72.65-68.00=4.65δ=δ1+δ22=（4+26.L0=5+7.1×2+2+20×2.5+2+12.5×2.75-（7.5-4.65）×1.5-15.375/2=106.6125根据设计资料，k0取1×10-6m/s，k1取1×10-8m/s，k取1×10-5计算结果见表3-3：表3-3渗流计算成果表计算工况HHδLTkkkhqmmmmmm/sm/sm/sm1×10-7m3/(s⋅m)设计工况45.14.6515.375106.611.51×10-61×10-81×10-55.996.879总渗流量Q=mLq，从地形地质平面图上可大致量得大坝沿坝轴线长L=400m，式中m是考虑到坝宽、坝厚、渗流量沿坝轴线的不均匀性而加的折减系数，取m=0.8。Q=0.8×400×6.879×10-7=2.20×10-4m3/s坝体浸润线方程：y=h2-（h3.10坝坡稳定计算3.10.1滑动面选择心墙坝的下游坝坡拟采用山皮土料，其内摩擦角=33°，粘聚力c=10kN/m2，为粘性土。稳定计算采用瑞典圆弧滑动法，首先须确定最危险滑动圆弧位置。本次设计只做一个滑动面的稳定计算（滑动面的起点在坝顶、与心墙相交、与坝基接近或切入坝基、端点在坝坡脚附近、圆弧半径尽量选择为整数），滑动面如图3-3所示：图3-3坝坡稳定计算图3.10.2计算工况选择本设计只计算一种工况：上游设计洪水位+下游相应水位。3.10.3计算过程及成果圆弧半径为R=230m，对滑动面上土体进行分条编号：b=0.1R=23m，从圆心作垂线为0号土条的中心线，向上依次为1，2，3，…；向下依次为-1，-2，…。为简化分析，现只考虑自重荷载。对如图4—4，所示的坝坡，以i土条为例，其自重Wi=γibHi，式中Hi为土条高度，b为土条宽度，式中αi为土条底部中点所在半径与铅直线的夹角，φi是土条在滑动面处的内摩擦角。滑弧li长度上的凝聚力cil在滑动面上总滑动力为Wisinαi，总抗滑力为WicosαitanφK=由于坝体中渗流量q很小，所以不考虑孔隙水压力。计算结果如表3-4所示：表3-4坝坡稳定计算表瑞典圆弧法验算坝坡稳定计算表工况：设计洪水位圆弧半径：230m土条宽度：23m滑坡位置：下游坡土条编号wαsinαcosαwicoswicosαiwisinllkN°kNkNkNmkN1224.998930.05230.9986224.690890.781111.769623.0500172.875021984.300490.15640.98771959.8951791.8498310.256923.3000174.750033547.3226150.25870.96603426.57232225.2447917.659923.8500238.500043823.8112210.35820.93363570.08992318.44621369.668024.6500246.500053411.1920270.45380.89113039.76421974.04831547.922625.9000259.000061708.1120340.55890.82921416.3763919.8066954.738127.7600277.6000∑13637.38868320.17685112.01511369.2250K=3.10.4稳定分析《碾压式土石坝设计规范》规定的坝坡抗滑稳定的最小安全系数如表3-5所示：表3-5坝坡抗滑稳定最小安全系数运用条件工程等级1234、5正常运用条件1.301.251.201.15非常运用条件一1.201.151.101.05非常运用条件二1.101.051.051.00本设计中K=1.895>[K]=1.25,安全系数满足要求。坝的稳定安全系数偏大，但是鉴于各种因素考虑不全，实际安全系数可能要小些，故而不改变坝坡。3.11地基处理及坝体与地基、岸坡的连接3.11.1地基处理（1）河槽处：水流常年冲刷，基岩裸露，抗风化能力强，岩石的渗水率很小，多为0.001~0.010升/分，故只需清除覆盖层即可，挖至基岩即可。（2）右岸河滩：覆盖层和坡积层相对较厚，岩层裂隙较为发育，拟采用局部帷幕灌浆，同时进行压实，加固地基。（3）左岸山体：五通砂岩特别破碎，产状零乱，可采取适当挖除的措施。3.11.2坝体与地基的连接（1）主河槽部位：基岩透水率很小，能达到渗流控制的要求，采用在心墙底端局部加厚的方式与地基相连。（2）右岸河滩：坡积层、覆盖层较发育，岩层十分破碎，隐裂隙发育，故采用截水槽的方式与基岩相连。3.11.3坝体与岸坡的连接左坝肩到左滩地，坡积层、风化层需彻底清除，左岸坡上修建混凝土齿墙与岸坡相连接，岸坡较陡，开挖时基本与基岩大致平行。4正槽式溢洪道设计4.1溢洪道的位置选择主要考虑：地形、地质条件，枢纽总体布置等因素。（1）地形条件应将溢洪道尽量布置在与水库正常蓄水位高程相近的马鞍形垭口上。这样溢洪道与坝分开，有利于坝的安全；利用垭口，有利于减少开挖工程量。本工程正好有一个符合上述条件的垭口，故在此处进行溢洪道布置。（2）地质条件应将溢洪道尽量修建在岩基上，并力求溢洪道两岸山坡稳定。本工程垭口处覆盖层较薄，地质条件较好，两岸山体整体稳定，符合上述要求。（3）枢纽总体布置应考虑与枢纽各建筑物在总体布置上的协调。入流、出流对枢纽其他建筑物的干扰。一般来讲，溢洪道的水流入口应位于水流流畅处，并与土石坝保持一定的距离，避免横向水流对土石坝坝坡的冲刷影响；溢洪道的水流出口处，应与坝脚或下游其它建筑物保持一定的距离，避免水流冲刷以及水流波动的影响。4.2溢洪道线路选择河岸溢洪道主要有正槽式、侧槽式、竖井式、虹吸式等。综合考虑各条件因素，本设计采用开敞式正槽溢洪道。4.3溢洪道的孔口尺寸确定4.3.1堰型选择溢洪道溢流堰可采用WES型实用堰，也可采用宽顶堰。本工程拟采用WES型实用堰。4.3.2堰顶高程根据设计资料给出，堰顶高程为107.5m。堰厚p拟取8m。4.3.3溢流前缘宽度L：分别按设计情况和校核情况进行估算。L=Q/qq为单宽流量q=mm为流量系数，在设计水头下取为0.502；H0为计算结果如表4-1表4-1溢流前缘宽度计算计算情况上游水位泄量堰上水头流量系数单宽流量溢流前缘宽度(m)Q(m3/s)H0(m)mm(m2/s)L(m)设计情况113.18405.60.50229.4528.52校核情况113.513406.00.50232.6641.02由此可计算得溢流前缘宽度为41.02m。4.3.4单孔宽度b的确定孔数n取为整数。b=L/n。b应为整数。选择5孔，则单孔宽为8.204m，取单孔宽为9m。4.3.5闸门可采用弧形闸门或平板闸门。本设计中选用平板闸门。根据《水利水电工程钢闸门设计规范SL74-95》，闸门尺寸取为9m×6.5m（宽×高），宽高比为9/6.5=1.38，满足按规范规定的露顶式闸门宽高比（1.0～1.5）。4.3.6闸墩根据溢流堰的构造要求，闸室中墩宽度取为2.5m，中墩分缝，边墩宽度取为3m，由此计算可得溢流堰宽B：B=4.4溢洪道泄槽设计4.4.1泄槽的平面布置泄槽在平面布置上，沿水流方向呈直线、等宽、对称布置，这样可使水流平顺、结构简单、施工方便。避免弯道或断面尺寸的变化，以防止高速泄流引起的波动、掺气、空蚀等现象。4.4.2泄槽的纵断面底坡泄槽纵断面的布置与地形、地质条件关系密切。泄槽底坡尽可能采用单一的坡度，一坡到底，且满足i＞由地形地质平面图上量得堰顶到下游74.30m高程处的水平距离为120m，高差为33.20m，故从堰顶到下游水面连一直线，直线的斜率大约等于0.25。为减少挖方，初步拟定泄槽坡率i=1/4。泄槽衬砌初拟选用石灰浆砌块石水泥浆勾缝型式，查阅有关文献，浆砌块石糙率一般为0.025。取α=1.0，近似计算临界水深h故其临界底坡：ii4.4.3泄槽的断面尺寸溢洪道处于岩基，可采用矩形或接近矩形的断面，使流量和流速分布都比较均匀，对下游消能有利。本设计采用矩形断面宽b=90m，长L约为1+424.4.4边墙高度的确定边墙的高度采用推求水面线的方法确定。泄槽水面线根据能量方程，用分段求和法计算，计算公式如下：△lJ式中，△l1-2h1、hv1、vα1、αθ为泄槽底坡的倾角；i为泄槽底坡，i=tanθ；J为分段内平均摩阻坡降；n为泄槽槽身糙率系数，可查相应规范；v为分段平均流速，m/s；R为分段平均水力半径，R=按《溢洪道设计规范SL253-2000》，泄槽段起始断面水深h1小于hkhq为计算断面以上单宽流量，m2/s;H0为计算断面以上总水头，HΦ起始计算断面流速系数，取0.95；计算得到h1=本设计计算简图如图4-1。计算采用校核洪水情况，按水深进行分段，用上述方法计算泄槽水面线。图4-1水面线计算简图计算结果如表4-2所示：断面hACRvvRnJi-J△LLmm2mmm/sm/smmm1-12.26131.0862.522.09710.2230.0250.024340.225660.002-22.00116.0062.001.87111.55210.8871.9840.0250.029720.220285.755.753-31.80104.4061.601.69512.83512.1931.7830.0250.042980.207026.7312.484-41.6092.8061.201.51614.44013.6371.6060.0250.061830.1881710.3922.875-51.4081.2060.801.33616.50215.4711.4260.0250.093210.1567917.1440.016-61.3075.4060.601.24417.77217.1371.2900.0250.130730.1192714.2554.267-71.2069.6060.401.15219.25318.5121.1980.0250.168290.0817123.8178.078-81.1063.8060.201.06021.00320.1281.1060.0250.221370.0286345.01123.08表4-2水面线计算成果边墙顶的高程：根据上述计算结果，考虑掺气水深△h、安全超高△h’’来确定。根据《溢洪道设计规范SL253-2000》，泄槽段水流掺气水深△h可按下式计算：△h为泄槽计算断面水深，m；v为不掺气情况下的泄槽计算断面流速；ζ为修正系数，可取1.0~1.4s/m；本设计取1.0s/m。《溢洪道设计规范SL253-2000》规定，泄槽段边墙高度，应根据计入波动及掺气后的水面线，再加上0.5~1.5m的超高。本设计中安全超高△h’’取0.5m。边墙高度计算结果如表4-3：表4-3边墙高度计算断面泄槽计算断面水深hv掺气水深△h安全超高△h’’边墙高度mm/smmm1-12.2610.220.2310.52.992-22.0011.550.2310.52.733-