本科毕业设计黑河心墙坝枢纽布置及安全监测设计说明书.docx
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本科毕业设计黑河心墙坝枢纽布置及安全监测设计说明书
毕业设计（论文）
说明书
题目黑河心墙坝枢纽布置及安全
监测设计
专业水利水电工程
班级工101
学生马春辉
指导教师任杰
2014年
黑河心墙坝枢纽布置及安全监测设计
摘要
土石坝作为最主要的坝型，不但在数量上占有绝对优势，而且在高坝中也有不错的前景。
设计说明书对黑河金盆水利枢纽进行了较为详细的设计。
大坝坝体为心墙坝，最大坝高为132.5m。
泄水建筑物为表孔溢流式的溢洪洞和深孔无压式的泄洪洞。
引水隧洞为有压式。
主要的设计内容包括:
采用半图解法进行调洪计算；枢纽布置的详细说明；详细的论述大坝剖面设计的过程；针对溢洪洞和泄洪洞，进行了详细的体形设计与水面线计算；通过水力学公式法进行渗流分析；通过采用瑞典圆弧法进行坝坡稳定计算；并结合坝址的地质特点，详细的设计了心墙、坝基开挖、截水槽、帷幕灌浆、断层破碎带的处理等；最后进行了大坝的安全监测布置。
本次设计还使用了理正软件来计算渗流、坝坡稳定、水力学和隧洞衬砌。
使用西安理工大学的衬砌计算软件计算隧洞的内力。
使用STAB2005对指定圆弧面的安全系数进行了验算。
所提交的成果包括：
计算说明书一份，CAD图纸共9张。
关键字：
黑河心墙坝；隧洞设计；渗流监测；理正软件
ThelayoutofhydrauliccomplexofHeiheearth-rockdamwithcentralsoilcoreandsafetymonitoringdesign
ABSTRACT
Earth-rockdamisdamtypeisthemostimportant,thepossessionofabsoluteadvantagenotonlyinquantity,butalsohasagoodprospectinthehighdam.ThedesignspecificationisaboutthedetaildesignofHeihejinpenhydraulicproject.Thedamwithcentralsoilcore,thedamtheheightis132.5m.Waterreleasestructureswhichareflooddischargetunnelandspillwaytunnelisfree-flowoutlet.Thediversiontunnelforpressure.
主要的设计内容包括:
采用半图解法进行调洪计算；枢纽布置的详细说明；详细的论述大坝剖面设计的过程；针对溢洪洞和泄洪洞，进行了详细的体形设计与水面线计算；并通过水力学方法进行渗流分析；通过采用瑞典圆弧法进行坝坡稳定计算；并结合坝址的地质特点，详细的设计了坝基开挖、心墙、截水槽、固结灌浆、帷幕灌浆、断层破碎带的处理等；最后进行了大坝的安全监测布置。
Thedesigncontentmainlyincludes:
floodregulatingcalculationusingsemigraphicalmethod;detailedlayoutofhydrauliccomplex;detaildamsectiondesignprocess;theoverflowinflooddischargetunnelandspillwaytunnel,wereinshapedesignandcalculationofwatersurfaceprofileindetail;andseepageanalysiswasperformedbyusinghydraulicmethod;SwedenArcMethodfordamslopestabilitycalculation;finallythesafetymonitoringofdamofthecloth.
本次设计还使用了理正软件来计算渗流、坝坡稳定、水力学和隧洞衬砌。
使用西安理工大学的衬砌计算软件计算隧洞的内力。
ThisdesignalsousedthesoftwareofLizhengtocalculatetheseepage,damslopestability,hydraulicsandtunnellining.CalculationofinternalforcesoftunnelliningbysoftwareoftheXi'anUniversityoftechnology.
所提交的成果包括：
计算说明书一份，CAD图纸共9张。
Thesubmittedresultsinclude:
Calculationofamanual,CADtotalof9drawings.关键字：
黑河心墙坝；隧洞设计；渗流监测；理正软件
KeyWords:
heihecentralsoildam；seepagemonitoring;tunneldesign;thesoftwareofLizheng;
第1章工程概述
1.1工程概况
金盆水库位于陕西省黑河峪口以上约1.5km处，距西安市86km。
黑河水利枢纽工程位于陕西省西安市周至县境内，是渭河支流黑河上的一项综合利用水利枢纽，根据流域规划和西安市社会经济发展需要，其开发任务是以城市供水为主，兼有农灌、发电、防洪等综合利用的大（Ⅱ）型水利工程。
该枢纽是继黑河引水一期开发建成后，为确保黑河引水工程全面发挥效益，促进先经济发展，保证社会稳定，改善投资环境而兴建的关键性工程，是西安人民的“生命线”工程，被陕西省委、省政府列为全省基础设施建设项目的重中之重。
本次设计确定大坝坝顶高程为602.5m，正常蓄水位为594m，总库容为2.25亿m3。
枢纽由拦河坝、泄洪洞、溢洪洞、引水洞、坝后电站及古河道防渗工程等建筑物组成。
工程建成后，每年可供给西安市城镇和工业用水3.5亿m3，基本解决西安市的供水问题，农业年供水量1.23亿m3，可使37万亩的农田灌溉用水得到不同程度的改善和补充；一级水电站装机1.5MW，多年平均发电量0.55亿KW*h；由于水库的滞洪和削峰作用，可将百年一遇的洪水减为二十年一遇，对下游防洪起到良好的作用。
本工程的综合经济效益显著，对促进西安市社会发展具有战略意义。
1.2工程特征表
根据设计规定，工程相关特征统计如表1-1所示：
表1-1工程特征表
名称
项目
单位
数量
备注
水文特征
设计洪量
m3/s
8000
（P=0.01％）
校核洪量
m3/s
5100
（P=0.2％）
续表1-1工程特征表
名称
项目
单位
数量
备注
水库特征
正常蓄水位
M
594
设计洪水位
M
594.52
校核洪水位
M
601.85
防洪限制水位
M
592
死水位
M
520
总库容
亿m0
2.254
调洪库容
亿m1
0.467
死库容
亿m2
0.1
兴利库容
亿m3
1.877
大坝
地震烈度
度
7
坝顶高程
M
602.5
坝顶长度
M
405.54
防浪墙顶高程
M
603.6
最大坝高
M
132.5
溢洪洞
堰顶高程
M
585
最大泄流量
m3
1587.42
隧洞形式
表孔溢流式隧洞
隧洞长度
M
448.68
消能方式
调流消能
泄洪洞
进口高程
M
515
最大泄流量
m3
3515.6
隧洞形式
深孔无压式隧洞
隧洞长度
M
731.87
消能方式
调流消能
引水建筑物
设计引用流量
m3/s
30.3
最大引用流量
m3/s
33
隧洞形式
压力隧洞
隧洞尺寸
M
R=3.5
消能方式
调流消能
闸门
工作门
弧形闸门
事故检修门
叠梁门或平板钢闸门
1.3设计说明
1.3.1设计阶段
本毕业设计为黑河心墙坝枢纽布置与安全监测设计，其中枢纽布置为初步设计阶段；而土石坝设计需达到施工图设计阶段。
1.3.2设计任务
（1）了解工程概况，熟悉设计所需的地形、地质、水文等基本资料；
（2）进行工程枢纽整体布置，确定坝轴线位置和泄水、排沙、取水、发电等建筑物的位置、形式和尺寸。
要求拟定出至少两个不同的方案并进行综合分析比较，最终选定一个方案进行深入设计。
（3）进行调洪计算与分析，确定设计、校核工况下的相应泄流量和水库设计洪水位、校核洪水位等特征水位，确定特征库容，在此基础上完成整体枢纽平面布置。
确定特征水位时，可根据具体情况采用同倍比（或同频率）放大法，绘制出两条Q-t曲线，并运用半图解法求出设计、校核情况下的相应最高洪水位。
（4）拟定大坝横断面形式与尺寸，进行坝体稳定分析和强度计算。
（5）拟定泄水建筑物的形式与尺寸，并进行相关水力计算，确保设计与校核情况下的安全泄洪能力。
（6）拟定排沙、取水等其它建筑物的形式和尺寸，并进行相关结构计算和设计。
（7）进行大坝、泄水等枢纽建筑物的结构设计和细部设计。
（8）进行专题深入部分（安全监测）的设计，从经济、安全、施工、运行管理等方面综合考虑，对黑河心墙坝工程的溢洪洞进行深入设计。
（9）绘制并提交设计图纸6~8张。
要求所有设计图纸（包括枢纽平面布置图、大坝典型横剖面图、上游立视图、下游立视图、泄水建筑物及消能设施的纵、横剖面图，各主要建筑物的细部设计图，专题深入部分细部设计图等）均采用AutoCAD绘制。
1.3.3建筑物级别
为了贯彻执行国家的技术和经济政策，达到既安全又经济的目的，应该对水利枢纽按其规模、效益极其在国民经济中的重要性进行分等。
再根据枢纽中各水工建筑物的作用大小及重要性，对建筑物进行分级。
在设计和施工中，对不同级别的水工建筑物在安全系数、洪水标准、安全超高等技术方面则区别对待。
具体划分依据为中华人民共和国行业标准SL252-2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》中的有关规定确定。
结合枢纽任务（供水、灌溉、发电、防洪），考虑水库库容（最大库容）、
供水对象重要性、防洪要求（保护重要城市），根据表1-3，确定黑河水利枢纽定为Ⅱ等大
（2）型工程。
根据表1-2永久性水工建筑物级别，及表1-4水库大坝提级指标，本枢纽为Ⅱ等，其主要建筑物（大坝、溢洪洞、泄洪洞）属于1级，次要建筑物（导流墙、工作桥、护岸等）属于2级，临时性建筑物（围堰、导流隧洞等）属于3级。
根据枢纽等别和建筑物级别，根据表1-5山区、丘陵区水利水电程水工建筑物洪水标准，确定本枢纽的设计洪水标准为500年一遇，校核洪水标准为10000年一遇。
表1-2永久性水工建筑物级别
工程等别
主要建筑物
次要建筑物
Ⅰ
1
3
Ⅱ
2
3
Ⅲ
3
4
Ⅳ
4
5
Ⅴ
5
5
表1-3水利水电工程分等指标
工程等别
工程规模
防洪
治涝
灌溉
供水
发电
水库总库容（108m3）
保护对象的重要性
保护农田（104亩）
治涝面积（104亩）
灌溉面积（104亩）
供水对象重要性
装机容量（WM）
Ⅰ
大
（1）型
≥10
特别重要
≥500
≥200
≥150
特别重要
≥120
Ⅱ
大
（2）型
10～1.0
重要
500～100
200～60
150～50
重要
120～30
Ⅲ
中型
1.0～0.1
中等
100～30
60～15
50～5
中等
30～5
Ⅳ
小
（1）型
0.1～0.01
一般
30～5
15～3
5～0.5
一般
5～1
Ⅴ
小
（2）型
0.01～0.001
＜5
＜3
＜0.5
＜1
表1-4水库大坝提级指标
级别
主要建筑物
坝高
2
土石坝
90
混凝土坝、浆砌石坝
130
3
土石坝
70
混凝土坝、浆砌石坝
100
表1-5山区、丘陵区水利水电工程水工建筑物洪水标准
运用情况
水工建筑物级别
1
2
3
4
5
洪水重现期
设计情况
1000～500
500～100
100～50
50～30
30～20
校核情况
土石坝
可能最大洪水或10000～5000
5000～2000
2000～1000
1000～300
300～200
混凝土坝、浆砌石坝
5000～2000
2000～1000
1000～500
500～200
200～100
1.3.4设计依据
SL252－2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》
SL274－2001《碾压式土石坝设计规范》
SL203－97《水工建筑物抗震设计规范》
SL297－2002《水工隧洞设计规范》
SL253－2000《溢洪道设计规范》
DL5077－1997《水工建筑物荷载设计规范》
第2章水文气象资料
2.1流域水文概况
2.1.1流域概况
黑河为渭河南岸较大支流,位于东经107°43′～108°24′,北纬33°42′～34°13′之间,属黄河二级支流,发源于秦岭太白山北麓,由西南流向东北,至周至县马召镇附近出峪,向东北汇入渭河,流域面积2258Km2,干流总长125.8Km，河道平均比降8.77‰。
流域最高为太白山主峰，海拔3767米，流域分水岭平均高程海拔2400m。
黑河流域为扇状，东西最大宽六十余公里，主要支流有陈家河、大蟒河、清水河、太平河、扳房子河、虎豹河、王家河等（支流多汇集于右岸，右岸支流集水面积约为左岸的三倍），陈家河以下黑河干流较为顺直，无较大支流汇入，流域平均宽度约六公里。
峪口以上干流长91.2Km，控制流域面积1481Km2，约占全流域面积的65%，干流经高山深谷，河床比降大，约为14.7‰。
峪口以上为秦岭林区，流域内植被良好，森林覆盖率为46.5%，含沙量小，水质无污染，符合国家饮用水标准。
黑河流域于1938年10月在黑峪口设立水文站，基本断面位于峪口黑惠渠首上游800米处，即黑峪口
（二）站，1939年内下移500m，又恢复至
（二）断面，1966年下移100米，即黑峪口（三）断面，观测至今，黑河水库水文站基本断面位于黑惠渠首上游700m处。
累计观测资料47年。
黑河流域先后设有13个雨量站，系列长短不一，早在1940年黑峪口水文站就有雨量观测资料，1953年设立板房子雨量站，1954年设立小王涧雨量站，1955年设立金井、老水磨、庙哑子、厚畛子、钓鱼台等雨量站，另外1960年设立双庙气象站，观测降雨、气温、湿度等项目。
2.1.2径流
黑峪口水文站实测径流资料较长，但解放前有四年共21个月资料缺。
由于黑河径流主要由降雨形成，降雨径流过程对应较好，因此采用降雨资料相关插补。
统计结果如表2-1所示：
表2-1设计频率年径流值表
统计参数
频率P%
ω0
Cv
Cs/Cv
5
25
50
75
95
6.67
0.37
3
11.3
8.1
6.2
4.9
3.5
代表年
81～82
75～76
80～81
74～75
69～70
2.1.3气象
黑河流域，属暖温带半干燥、半湿润大陆性气候，山川气温相差较大，山区气温较低，据双庙气象站资料统计，多年平均气温6.4℃，最低气温-19℃，最高气温29.7℃，出山口后平川地区气温较高，据周至县气象站资料统计，年平均气温13.2℃，最低气温-18.1℃，最高气温42.4℃。
多年平均最大风速20m/s，主风向为WNW，最大冻土深度24cm。
流域内降雨量南多北少，山区年降雨900mm以上，黑峪口水文站多年平均降雨量841.3mm,周至县年平均降雨为670mm，为黑峪口降雨的80.2%。
多年平均径流深473.8mm。
降水年内分配很不均匀，据统计多年平均7～10月四个月内降水为全年降雨量的60%，实测月最大降雨为342.9mm。
由黑峪口水文站水温资料，多年平均水温11.3℃，最高温度36℃，最低温度0℃。
由32年蒸发资料统计，蒸发皿多年平均蒸发量1100.5mm，折算水面蒸发强度825.4mm。
2.2水文分析计算
2.2.1洪峰流量
黑峪口水文站实测最大洪峰流量Q=3040m3/s（发生于1980年7月2日），再加上历史调查洪水，经过频率分析得到洪水特征参数及各种频率的洪水值如2-2所示：
表2-2洪峰流量统计参数及频率值
统计参数
频率P%
Qo
Cv
Cs/Cv
0.01
0.1
0.2
0.5
1
2
5
820
0.85
3.5
800
5800
5100
4300
3600
3000
2200
2.2.2时段洪量
洪量设计采用24小时及72小时作为设计时段。
另外采用1940～1953年一日及三日洪量插补出相应年份的24小时,72小时洪量,使洪量资料延长至42年。
统计参数及频率计算值如表2-3所示：
表2-3洪量统计参数及频率值
项目
统计参数
频率P%
Wo
Cv
Cs/Cv
0.01
0.1
0.2
0.5
1
2
W24
0.46
0.65
3.0
2.881
2.206
2.003
1.734
1.53
1.326
W72
0.802
0.55
2.5
3.807
3.034
2.808
2.481
2.238
1.991
2.2.3洪水过程线
设计洪水过程线选择1980年7月2日洪水过程线作为放大典型，采用分时段同频率控制放大法，绘制出K～t关系曲线，放大过程及结果如表2-4和图2-1所示：
表2-4洪水过程线
时间
p=0.2%Q（m3/s）
p=0.01%Q（m3/s）
月日
时分
72
10
0.00
200
240
12
2.00
300
340
14
4.00
900
1000
16
6.00
1400
18
8.00
1400
20
10.00
2600
21
11.00
2240
3440
23:
12
13.20
5100
8000
0:
12
14.20
5100
8000
73
6
20.00
2200
2920
8
22.00
2200
10
24.00
1300
11
25.00
1500
14
28.00
920
1200
16
30.00
960
18
32.00
860
20
34.00
740
74
2
40.00
600
620
12
50.00
500
520
20
58.00
420
460
75
10
72.00
320
860
图2-1洪水过程线
2.2.4坝址水位流量关系
水位流量关系采用黑峪口水文（三）断面1966～1983年共十八年实测的水位流量资料及1980年洪水（3040m3/s）、1981年洪水（2530m3/s）及
1983年洪水（1510m3/s）时的过水断面面积、最大水深、水面比降及糙率等资料。
断面糙率n=0.035
水面比降J=39.5‰0
断面水深h=6.2m
断面流速V=7.4m/s
黑河水文（三）断面水位流量关系曲线见图2-3。
黑河泄洪建筑物出口距水文（三）断面距离分别为180～300m，而此段河流平顺，过水断面变化不大，因此水文（三）断面的水深按39.5‰0的水面比降上抬1m即代表泄洪建筑物处的水位流量关系。
图2-3下游水位与流量关系曲线
2.2.5水位与库容曲线
黑河水库水位—库容、水位—面积曲线见表2-6和图2-2所示：
表2-6水位与库容、面积关系表
水位（m）
489
500
510
520
530
540
550
560
570
580
590
面积（万m2）
0
32
57
90
118
153
196
240
285
349
428
库容（万m3）
0
150
400
1000
2050
3400
5150
7300
9990
13150
17000
图2-2水位与库容关系曲线
2.2.6泥沙
黑峪口站有自1956年至1983年共28年的实测泥沙资料。
由于黑河流域植被良好，河流清澈，含沙量很小，多年平均输沙量30.6万吨，年平均含沙量0.387kg/m3，实测年最大输沙量151万吨（1981年）。
实测年最小输沙量为0.75万吨（1979年）。
第3章调洪计算
3.1调洪计算说明
3.1.1调洪计算原理及方法
调洪计算的基本原理是对水库水量平衡方程和水库蓄泄方程进行联立求解，方程组如下所示：
（3.1）
（3.2）
该方程组概括了水库防洪调节计算的基本原理。
以上述方程为原理，调洪计算的具体方法有很多种，如列表计算试算法、半图解法和简单三角形法等，在本次调洪计算中，采用半图解法中的双辅助线法。
3.1.2调洪方案说明
经过初步的试算，由于黑河洪峰流量集中，泄流能力要求高，所以泄流方式和泄流建筑物的尺寸均按较大值取定，无需进行调洪比较。
只需在水库的运行方式上进行调洪方案比较即可，本次调洪计算分为方案一和方案二。
方案一与方案二的相同之处在于泄洪建筑物的布置，即泄流能力是相同的：
泄洪洞位于左岸，为深孔无压式隧洞，进口底板高程515.0m，工作弧门孔口尺寸为10m×10m。
溢洪洞布置在右岸，为表孔溢流式隧洞，进口堰顶高程585.00m，堰宽12m。
方案一与方案二的不同之处在于起调水位不同，方案一的起调水位为593.00m，方案二的起调水位为592.00m。
3.2调洪计算过程
3.2.1调洪计算参数
洪水过程线，见工程基本资料图2-1。
库容曲线，见工程基本资料图2-2。
泄流能力计算：
在枢纽布置中已经确定了泄流建筑物的基本形式。
泄洪洞为深孔无压式泄水隧洞，其泄流能力不受洞长影响，而受进口控制。
进口段为有压短进口段。
其泄洪能力的计算参照《水工设计手册》第六卷——泄水与过坝建筑物，（27-7-1）式：
（3.3）
（3.4）
其中：
ψ——流速系数；
ε——水流垂向收缩系数；
B——进口段后的隧洞宽度；
H——水面高程到进口底板高程；
h——进口段后的隧洞高度；
根据设计手册，在初步阶段，ψ≈1，ε取值为0.9。
根据枢纽布
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