A江水利枢纽工程设计毕业论文.docx
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A江水利枢纽工程设计毕业论文
A江水利枢纽工程设计毕业论文
绪论
一、选题目的
1.通过毕业设计的教学过程，培养严肃认真的科学研究态度、实事求是的作风，培养学生将所学的理论知识运用到实际工程中的能力。
2.培养正确的设计思路，严谨的工作作风，踏实肯干和求实奋进的精神。
3.提高自己在设计、计算、查阅参考文献及资料、绘图和编写说明书等方面的能力，并掌握其技能。
4.提高运用知识处理问题的能力、实验能力、外语应用水平、计算机应用水平、科技写作能力、口头表达能力。
二、选题意义
毕业设计是大学期间重要的实践学习环节，对培养工程技术人员独立承担专业工程技术任务非常重要。
因此，毕业设计必须认真独立完成。
尤其重力坝的设计，人类筑坝的历史已经有很长一段历史，重力坝是出现最早的一种坝型。
它具有结构简单、工作可靠、易于机械化施工、使用年限长、养护费用低等优点，所以至今仍被广泛使用。
因此，了解和掌握重力坝知识对以后的工作和学习，都会是受益匪浅。
三、课题任务和设计内容
A江水利枢纽是以防洪和发电为主，兼有灌溉和渔业等功能的综合利用大型水利工程。
本设计主要是根据设计任务书和所学过的相关知识对A江水利枢纽实体重力坝进行设计、校核验算。
本设计是根据所给设计任务书进行课题设计，设计的基本内容包括，坝型选择，枢纽组成建筑物选择，工程等别和建筑物级别确定，非溢流坝剖面设计，溢流坝剖面设计，坝身泄水孔设计，电站坝段设计，细部结构设计及地基处理等。
根据设计总要求，设计内容偏重于坝型选择与主要建筑物的设计。
第一章枢纽任务及枢纽基本资料
A江是我国东南地区的一条河流，根据流域规划拟建一水电站。
其基本资料和设计要求如下。
一、枢纽任务
本工程同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合作用。
（一）发电
水电站装机容量为20万kw，多年平均发电量5.09亿度。
本电站4台5万千瓦机组。
正常蓄水位为184.25m，汛期限制水位为182m，死水位164m，4台机满载流量338立方米/秒，相应尾水位103.5米。
厂房型式为坝后式，主厂房平面尺寸为81×18平方米，发电机层高程114.8米，尾水底板高程90.8米，厂房顶高程130.5米。
副房平面尺寸为66×10平方米。
安装场尺寸为21×18平方米。
开关站尺寸为20×75平方米。
（二）灌溉
本工程建成后，可增加保灌面积50万亩。
（三）防洪
减轻洪水对A市和A平原的威胁，在遇到5000年一遇和1000年一遇的洪水时，经水库调洪后，洪峰流量由原来的14900立方米/秒、11700立方米/秒分别削减为7550立方米/秒、6550立方米/秒。
要求设计洪水时最大下泄流量限制为6550立方米/秒。
其他参数见表1.1。
表1.1洪水标准的调洪成果
洪水标准
来流量峰值（m3/s）
泄流量（m3/s）
上游水位（m）
下游水位（m）
设计（0.1%）
11700
6645.1
186.40
114.40
校核（0.02%）
14900
6924.6
189.28
115.70
（四）渔业
正常蓄水位时，水库面积为35.60平方公里，可为发展养殖创造有利条件。
（五）过木
根据林业部门的要求，木材过坝量每年为33.3万立方米。
其木材最大长度12米，大头直径为115厘米。
（六）其它
五年完工。
二、A江水利枢纽基本资料说明
（一）自然地理
1.流域概况
A江是我国东南一条河流，流向自西向东，流经A省南部地区，汇人东海，干流全长153公里，流域面积4860平方公里。
坝址以上流域面积2761平方公里，流域境内为山区，平均海拔高度为662米，最高峰达1921米，流域境内气候湿润，雨量充沛，属热带气候。
径流主要来自降雨，小部分由地下水补给，每年4~9月为汛期，其中5、6两月为梅雨季节，河道坡降上游陡，下游缓，平均坡降6.32~0.97%，因河道陡，调蓄水能力低，汇流快，由暴雨产生的洪水迅速涨落，一次洪水过程线尖瘦，属典型的山区性河流。
流域境内，以农林为主，森林茂盛，植被良好，水土流失不严重，枢纽下游为A省的重要农付业生基地A平原。
坝址下游约50公里有县级城市两座，在河流入海处，有省辖市一座。
2.气候特性
（1）气温
坝址处的多年平均气温为17.3℃，月平均最低气温5℃（1月份）、最高29℃（7月份）。
实测极端最低气温-8.2℃（1月份）、最高气温为40.6℃（7月份）。
（2）湿度
年平均相对湿度为79%左右，其中6月份87%为最大，1月份72%为最小，日变化较大。
（3）降雨量
坝址以上流域的年平均降雨量为1860毫米，实测最大降雨量为2574毫米，最少为1242毫米。
雨量在年内分配不均，其中4~9月份占全年雨量的80%，5~6月占全年雨量的1/3，往往形成起伏多峰的洪水。
各月降雨量的雨型及日数统计如表1.2。
表1.2各月降雨量的雨型及日数统计表
月份项目
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
全年
实际天数
31
23
31
30
31
30
31
31
30
31
30
31
0.3-10mm雨日
3
4
5
7
12
12
10
9
8
7
6
4
10-30mm雨日
2
3
4
5
8
9
6
5
4
3
2
1
30m以上雨日m
9
1
1
8
5
6
3
2
2
1
0
0
（4）蒸发量
坝址处多年平均蒸发量为1349毫米，其中以7月份为最大，月蒸发量为217毫米，2月份为最小，月蒸发量为45.5毫米。
（5）风向风力
实测最大风速为17米/分，风向西北偏西，吹程4.5公里。
多年平均最大风速成为：
汛期为12米/分，非汛期为13米/分。
风向向基本垂直坝轴线，吹程4公里。
3.水文特性
（1）正常径流
根据资料分析，坝址处的多年平均流量为100m3/s，多年平均总量为31.5亿m3，各频率的月平均量见表1.3。
表1.3各频率的平均量（单位：
m3/s）
月
频率
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
多年
平均
1
116
267
324
490
689
679
36
263
331
102
121
113
186
5
78
179
235
364
510
537
352
177
210
73
77
73
150
50
21
49
89
141
216
277
78
44
44
26
16
16
97
80
8
19
47
73
127
184
22
15
12
13
4
5
74
95
2
5
22
36
69
121
5
4
2
6
1
1
55
（2）洪峰流量及总量
据水文资料推算，坝址处的洪峰流量及总量如下。
①洪峰流量
Q=3310m3/s，Cv=0.45，Cs=4Cv，皮Ⅲ型线。
各频率流量如表1.4所示。
表1.4各频率流量表
频率（%）
0.02
0.1
0.2
1
2
5
10
20
备注
流量（m3/s）
14900
11700
②洪峰总量
三日洪水总量的均值W=3.5亿m3，Cv=0.38，Cs=3Cv，皮IV型线。
各频率洪流量如表1.5所示。
表1.5各频率洪流量表
频率（%）
0.02
0.1
0.2
1
2
5
10
20
备注
△总量WP
7.94
6.58
亿m3
△可能最大三日洪量为15.4亿m3。
③施工期各设计洪水频率流量见表1.6。
表1.6施工期各设计洪水频率流量表
时段
频率（%）
10~4月
9~6月
10~3月
11~6月
11~2月
12~2月
备注
5
2087
1772
1367
1367
884
824
10
1673
1410
1072
1072
654
596
20
1275
1045
784
784
434
332
（3）固体径流量及水库淤积
据水文站实测资料分析，年固体径流总量为331万吨，百年后水库淤积高程115m。
淤沙浮容重为8.5kN/m3，内摩擦角为100。
（4）其它
本坝址地震烈度为70。
（二）工程地质
1.坝址工程地质
（1）地貌
坝址处的河床宽度约100m。
河底高程约100m，水深1~3m。
河床覆盖层由大块石、卵石组成。
厚度约5~6m，两岸山坡为第四系覆盖层，厚度为5~10m左右。
河谷近似梯形，两岸约400~600。
（2）岩性和工程地质
坝基为花岗斑岩，风化较浅，岩性均一，新鲜坚硬完整，抗压强度达120~200mPa。
坝址的地质构造简单，无大的地质构造，缓倾角节理延伸短，整体滑动可能性很小。
但陡倾角节理较发育，以构造节理为主，左右岸各有走向互相垂直的二组节理。
其中一组近于平行山坡等高线，方向见地形图，节理倾角约350~900，节理面无夹泥存在。
坝址处的水文地质较简单，未发现裂隙承压水。
（3）岩石的物理力学性质
岩石的物理力学性质见表表1.7。
表1.7岩石的物理力学性质表
岩性
或
地质
构造
容重
（kN/m3）
孔
隙
率
（%）
抗压强度（mPa）
弹性
模量
（mPa）
摩擦系数
粘着力
（mPa）
泊松比（u）
抗剪系数
抗剪断系数
干
湿
干
饱和
混凝土与基岩
基岩
内部
混凝土
与基岩
基岩内部
花岗
斑岩
27.3
28.1
2.3
210
190
2.2×104
0.70
0.75
0.75
1.20
0.5
基岩与砼
0.20
节理面
0.65
0.75
1.0
基岩内
相对隔水层离基岩表面深15m。
2.库区工程地质
库区岩性以火山岩和沉积岩为主，皱褶规模不大，均为背斜，两翼地层平缓，且不对称。
有较大的断层二条，这些皱褶和断层呈北东向展开，以压扭性为主，倾角较陡，延伸长度达几到几十公里，断层单宽1米左右，个别达10米以上。
断层破碎都已胶结。
库区水文地质简单，以裂隙水为主，地下分水岭高程均高出库水位以上。
（三）筑坝材料
1.石料
坝区大部分为花岗斑岩，基岩埋深浅，极易开采，且河床覆盖层中的块石、卵石亦可利用，因此筑坝石料极易解决。
2.砂料
在坝下游勘探6个砂料场，最远料场离坝约9公里，以石英破碎带的料料场为主，初估砂料储量约430万m3。
经质量检验，砂石料符合规范要求。
坝址处缺乏筑坝的土料。
（四）库区经济
库区除有小片盆地外，其余多为高山峡谷地带。
耕地主要分布在小片盆地上，高山上森林茂密。
在正常蓄水位时，需迁移人口21444人，拆迁房屋19240间，淹没、浸没耕地16804亩，淹没森林面积18450亩，淹没县乡建造的二座小型水电站（装机2210kW）等，共需赔偿费4120万元。
（五）其他
1.对外交通
本坝址上游左岸30公里处有铁路干线、车站，另有公路与坝址下游50公里的两座县于相通，两县城有公路和水路与河流入海处的省辖市相连，对外交通较为方便。
2.附属工厂和生活建筑区
坝址下游两岸有较大的冲积台地，地形平缓面积较大，适宜布置附属工石和生活建筑区。
3.负荷位置
本电站主要供应坝下游A平原的农村生产用电及省辖市的工业用电，并担负A电网的部分调峰任务。
4.坝顶有双线公路布置的要求。
第二章建筑物形式的选择
一、枢纽的建筑物组成
本枢纽的主要任务是防洪发电，主要建筑物有挡水建筑物，泄水建筑物，引水建筑物，过鱼过木建筑物和电站建筑物。
二、工程等别和建筑物级别
根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》以及该工程的一些指标确定工程等级如下：
（1）各效益指标等别
根据枢纽灌溉面积50万亩，判断属于Ⅱ等工程；根据电站装机容量20万千瓦，判断属于Ⅲ等工程；根据保护城镇的重要性，判断属于Ⅱ等工程。
（2）水利枢纽等级
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的等别时，整个工程的等级应按其最高的等别确定，故本水利枢纽为Ⅱ等工程。
（3）水工建筑物的级别
根据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，所以本枢纽中挡水坝段、溢流坝段、泄水底孔坝段、电站坝段及其建筑物为2级水工建筑物，次要建筑物为3级水工建筑物。
注1：
水利水电工程分等指标见表2.1。
表2.1水利水电工程分等指标
工程等别
工程
规模
水库总库容（108m3）
防洪
治涝
灌溉
供水
发电
保护城镇及工矿企业重要性
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（104kw）
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
注2：
永久性水工建筑物的级别见表2.2。
表2.2永久性水工建筑物的级别
工程等级
永久性建筑物的级别
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
三、建筑物形式的选择
（一）挡水建筑物形式的选择
即坝型的选择，大坝一般有混凝土坝和土石坝。
土石坝能就地取材，还能适应地形地质条件，而且施工简单，但施工导流问题难以解决，雨期施工难。
该河流位于热带地区，温湿多雨，气候条件不适合土石坝施工，且土石坝不允许坝顶漫流，而本枢纽工程大坝泄流能力要求较高，下泄流量较大，且坝址处缺乏筑坝的土料，故不考虑土石坝。
混凝土重力坝设计和建造的经验比较丰富，安全可靠，剖面尺寸大，应力较低，筑坝材料强度高，耐久性好，因而抵抗水的渗漏、洪水漫顶、地震和战争的能力较强，使用年限较长，养护费用较低；对地形、地质条件适应性强；便于施工导流，在施工期可以利用坝体导流，一般不需要另开导流隧洞。
并且坝址处砂石料充足且质量符合规范要求，所以选择混凝土重力坝。
拱坝的工作条件好，超载能力强，抗震能力强，但修建拱坝对地形地质的要求较高。
本枢纽的大坝坝址处地形不对称，故不考虑拱坝。
而在重力坝中，有实体重力坝，宽缝重力坝。
实体重力坝就是一般重力坝，沿坝轴线设置的横缝很窄。
其结构作用清楚，施工技术容易掌握；运行维护较简单。
但是体积大，浪费材料，扬压力较大。
宽缝重力坝是在实体重力坝的基础上，将横缝扩宽成为空腔而成的。
设置宽缝后，坝基的渗透水可从宽缝中排出，所以扬压力显著降低，作用面积也相应减小；但宽缝重力坝施工比较复杂，需要的人工多，且施工进度慢。
因此本工程可不考虑宽缝重力坝。
故挡水建筑物形式为实体重力坝。
（二）泄水建筑物形式的选择
本枢纽为实体重力坝，泄水建筑物采用为溢流坝为主，坝身泄水孔为辅
常用的泄水建筑物有岸边溢洪道，泄洪隧道，溢流坝，坝身泄水孔。
溢洪道是一种最常见的泄水建筑物。
用于宣泄规划库容所不能容纳的洪水，防止洪水漫溢坝顶，保证大坝安全。
适用于土石坝，堆石坝以及某些轻型坝。
混凝土坝一般适于经坝体溢洪或泄洪，所以此处不采用岸边溢洪道。
泄水隧洞所承受的水头较高，流速较大，如果体型设计不当或施工存在缺陷，可能引起空化水流而导致空蚀；水流脉动会引起闸门等建筑物的振动；出口单宽流量大，能量集中会造成下游冲刷。
要求围岩具有足够的厚度和必要的衬砌。
施工条件差，工期一般较长。
所以此处不作考虑。
坝身泄水孔是指位于水面以下一定深度的中空或底孔，一般以靠近坝体半高或更高处的为中孔，多用于泄洪；位于坝体下部的为底孔，多用于放空水库，辅助泄洪，排沙以及施工导流。
溢流坝孔口形式有大孔口溢流式和开敞溢流式。
大孔口溢流式上部设胸墙，堰顶高程较低。
这种形式的溢流孔可根据洪水预报提前放水，加大蓄洪库容，从而提高调洪能力。
开敞溢流式，这种形式的溢流孔除宣泄洪水外，还能用于排除冰凌和其他漂浮物。
不设闸门的溢流孔适用于洪水量较小，淹没损失不大的中小型工程。
通常大中型工程的溢流坝均设有闸门。
（三）水电站建筑物形式的选择
根据地形地质条件分析河道为梯形河道，流量较大，上下游水位差较大。
因此，电站厂房采用坝后式厂房。
（四）其他建筑物形式的选择
取水建筑物，鱼道，过木建筑物。
过木建筑物有筏道，漂木道，过木机，此处选用过木机。
第三章各主要建筑物设计
一、挡水坝剖面设计
设计原则：
①设计断面要满足稳定和强度要求；
②力求剖面较小；
③外形轮廓简单；
④工程量小，运用方便，便于施工。
1.基本剖面
（一）基本剖面
重力坝的基本剖面是指在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面，如图，在已知坝高H、水压力P、抗剪强度参数f、c和扬压力U的条件下，根据抗滑稳定和强度要求，可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。
根据工程经验，一般情况下，上游坝坡坡率N=0～0.2，常做成铅直或上部铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m=0.6～0.8；底宽约为坝高的0.7～0.9倍
图3.1重力坝的基本剖面图示
（二）实用剖面
实用剖面1实用剖面2实用剖面3
图3.2非溢流重力坝实用剖面
选择实用剖面：
（1）适合于地基条件较好,坝体与基岩间摩擦系数较大的情况，坝体剖面由强度条件控制；
（2）坝体剖面由稳定条件控制，同时有利于利用水重和布置坝体泄水孔；（3）适合于地基条件较差,坝体与基岩间摩擦系数较小的情况，坝体剖面由稳定条件控制。
综合考虑坝址的条件选择采用实用剖面2。
（三）坝顶高程
坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差Δh，可按（3.1）式计算。
△h=h1%+hz+hc（3.1）式中：
Δh—防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m；
h1%—累计频率为1%时的波浪高度，m；
hz—波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差，m；
hc—安全加高，按下表采用,对于Ⅱ级工程，设计情况hc＝0.5m，校核情况hc=0.4m。
坝的安全加高hc
运用情况
坝的级别
1
2
3
设计情况（基本情况）
0.7
0.5
0.4
校核情况（特殊情况）
0.5
0.4
0.3
下面按官厅公式（3.2）~（3.4）~（3.4）计算波高hl、L、
、：
hl=0.0166V05/4D1/3（3.2）
L=10.4（hl）0.8（3.3）
（3.4）
式中：
V0为计算风速m/s。
设计洪水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。
正常蓄水位和设计洪水位时，采用重现期为50年的最大风速17m/s，吹程D=4.5km。
校核洪水位时，采用多年平均风速13m/s,吹程D=4km.
1）设计情况：
hl=0.0166V05/4D1/3=0.0166×175/4×4.51/3=0.946m
L=10.4（hl）0.8=10.4×0.9460.8=9.95m
=3.14×0.95×0.95/9.98=0.28m
gD/V02=9.8×4500/172=152.60
当gD/V02=20~250时，hl为累计频率5%的波高h5%
所以：
h1%=1.24h5%=1.24×hl=1.24×0.95=1.18m
所以：
△h=h1%+hz+hc=1.173+0.28+0.5=1.96m
2）校核情况：
hl=0.0166V05/4D1/3=0.0166×135/4×41/3=0.65m
L=10.4（hl）0.8=10.4×0.650.8=7.37m
=3.14×0.652/7.37=0.18m
gD/V02=9.8×4000/132=231.95
当gD/V02=20~250时，hl为累计频率5%的波高h5%
所以：
h1%=1.24h5%=1.24×hl=1.24×0.65=0.81m
所以：
△h=h1%+hz+hc=0.81+0.18+0.4=.1.39m
坝顶上游防浪墙顶高程按下式计算，并取较大值：
防浪墙顶高程=设计洪水位+△h设
防浪墙顶高程=校核洪水位+△h校
设计坝顶高程=186.40+1.96=188.36m
校核坝顶高程=189.28+1.39=190.69m
所以：
取上游防浪墙顶高程为190.6m，
取防浪墙高度1.2m
所以：
坝顶高程190.69-1.2=189.4m，取189.49m。
河底高程约100m，河床覆盖层由大块石，卵石组成，厚度约5~6m，确定开挖深度6.5m，确定坝基开挖高程94.49m，所以坝高为189.49-94.49=95.0m
（四）坝顶宽度
根据工程经验，坝顶宽度一般可取为最大坝高的8%～10%，最小尺寸宜大于2~3m，本工程坝顶有双线公路布置的要求。
取双线公路7m，两边人行道各1.5m，再考虑防浪墙等设施的布置，可取坝顶宽度11m。
（五）坡率确定：
上游坝坡宜采用坡率N=0~0.2，折坡点高程应结合水电站进水口，泄水孔等布置，一般起坡点在坡高的1/3~2/3处，折点高程取157.5m，N=0.1。
下游坝坡坡率m=0.6~0.8，下游坝坡坡率取m=0.70。
（六）坝底宽度：
坝底宽度约为坝高的0.7~0.9倍，本工程坝高为96.0m，通过已经确定的上下游的坝坡率，确定坝底宽为（149.49-94.49）×0.1+（189.49-94.49）×0.70=72m
初步拟定坝体形状剖面尺寸图如下
图3.3重力坝实体剖面（单位：
m）
二、非溢流坝稳定分析
（一）荷载计算
计算工况选择，应按承载能力极限状态计算荷载的基本组合和偶然组合，基本组合有：
正常蓄水位情况，设计洪水位情况；偶然组合：
校核洪水位情况，地震情况。
本设计以坝基面为计算截面，分别计算四种情况：
图3.4重力坝荷载计算示意图（单位：
m）
1.自重W
自重W按式（3.5）计算：
W=Vrc（kN）（3.5）
V—坝体体积，m3；取1m坝长，可以用断面面积代替；
rc—坝体混凝土重度24kN/m3
自重：
W1=24×0.5×55×5.5×1=3630kN
W2=24×12×（189.49-94.49）×1=27360kN
W3=24×0.5×（6605
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