江北宁溪水利枢纽工程设计.docx
《江北宁溪水利枢纽工程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《江北宁溪水利枢纽工程设计.docx（32页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
江北宁溪水利枢纽工程设计
前言
本次毕业设计根据根据教学要求，对水利水电专业本科毕业生进行的最后一项教学环节。
本毕业设计内容为江北宁溪水利枢纽工程，它基本包括了一般水利枢纽所需进行的水工初步设计的全过程。
其基本内容包括枢纽总述，坝型选择及枢纽布置，主要建筑物设计，细部构造及地基处理等。
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，而对建筑物中电站厂房坝段的设计及施工导流设计两部分设计进行比较简单。
其中很多内容设计者采用了各种图表，力求做到设计清晰明了。
本次设计时设计者经过三个多月的辛劳而完成的，在此过程中得到了水工教研室何金平老师的悉心指导，同时也得到了水工教研室以及其他教研室各位老师的关心和帮助，在此对它们表示衷心的感谢。
由于时间限制和设计者缺乏实际的工作经验，设计的缺点及错误在所难免，敬请读者予以指正。
内容摘要
本设计分为设计说明书和计算说明书两部分。
设计说明书共有十章，分别是枢纽概况，设计资料，枢纽布置，主要建筑物的设计，细部构造及地基处理，副坝设计等。
本枢纽主要任务是防洪发电。
其正常高水位为345米，发电死水位333米，装机容量2.7万千万。
经过调洪演算得到其设计洪水位346.72米，校核洪水位349.88米，本枢纽主要建筑物由挡水建筑物、泄水建筑物、发电建筑物、放空建筑物组成。
主要建筑物为二级，次要建筑物为三级。
坝型选用混凝土实体重力坝。
厂房坝段包括三个机组段和一个安装场段，厂房采用坝内埋管式。
施工导流选用两期两段的导流方法，一期由束窄河床泄流，二期由导流底孔泄流。
其他具体设计详见设计说明书，另外除了设计说明书和计算说明书外，还有反映本次设计成果的五张图纸。
关键词：
重力坝溢流坝段地基处理方案选择初步设计枢纽布置
Abstract
ThedesignworkisfortheNingxiwaterproject,whichhasbeencarefullyintroduced.Theworkisdividedintotwoparts:
thedesigningandthecalculating.
Theworkofdesigningincludestenchaptersaltogether.Theyarethegeneralintroductionoftheproject,thebasicmaterial,layoutoftheproject,desgningofthemajorconstructureandetc.
Generatingelectricityandfloodcontrolisthemaintaskofthepivot.Normalhighwaterlevelis345,extremewaterlevelofgeneratingelectricityis333,installedcapacity27000kw.Throughadjustbigtoperformandcanberegardedasdesignflooditslocation346.72meters,checktheflood349.88metresoflocation.Thispivotmainbuildingblockdwaterbuilding,sluicebuilding,generateelectricitybuilding,settheemptybuildingfreemakeup.Themainbuildingistwograde,andthesecondarybuildingistertuart.Thedamtypeisgravitydam,entityofconcrete.Factorybuildingdamsectionincludesthreeaircrewsectionandoneinstallfieldsectionandthefactorybuildingadoptsthetypeinthedam.Waterdiversionselectstwosectionofwaterconserewancydiwersionmethodsforsue,letsoutandflowsfromonebunchofnarrowriverbedswhilebeingthefirststageof,letoutandshedbywaterconservancydiversionunderportwhilebeingthesecondstageofdesign.
Thedetailsofthedesigninstructionareinthemanualofthedesingandtherefivedrawingstoreflectthedesingachievementstill.
Keywordsgravitydamoverflowsectionground-handling
schemeoptionpreliminarydesignprojectlayout
江北宁溪水利枢纽工程设计
第一部分设计说明书
1.基本资料：
1.1枢纽概况：
江北河为我国某一大河的一条支流，全长约170公里，中、上游河道曲折，流经于山地之间，两岸高地环列，到坝址处缩窄成瓶口，河宽仅百余米，坝址至下游六公里一段，河床窄，水流急，再经3公里以后，河槽渐宽水流渐缓，又经7公里以后，河道又转陡，自坝址至下游50公里，落差达150米，且集中于三处，为本河流梯级开发创造了有利条件，宁溪水利枢纽即列为第一梯级。
下游至河口河长20公里左右为河口平原。
流域面积共3200平方公里，共计人口65万人，中上游地处山脉丘陵地带，大部分以农业为主，在流域内无主要的矿产和工业城市。
仅在河口有一中等城市，有轻工业及加工业，离坝址90公里处之珞城，是我国一主要工业城市，所发电力与珞城、河口及附近小的电站组成电力系统。
本枢纽主要任务为发电，兼作防洪之用。
1.2水文气象资料：
．河流特征：
本河流域以降雨为洪水之成因，一般在五月间即开始涨水。
最大洪水量多发生在七月，每年5、6、7三月降水占全年的48%，比较集中，洪水期为5~10月，1~3月为最枯水期，P=50%洪水量仅为120立方米/秒，p=10％洪水流量为85立方米/秒；11~4月同P=5%的洪水流量为420立方米/秒，p=10%的洪水流量为360立方米/秒。
．洪峰流量:
根据水文分析，各频率下的洪水流量列于下表：
表1各频率下的洪水流量表
频率p%
2
1
0.2
0.1
0.05
流量m3/s
3150
4050
6100
7000
7900
．依据观测资料，推测五天历时的洪峰单位过程线列于下表:
表2五天历时的洪峰单位过程线表
时段（天）
0
1
1.06
2
3
4
5
流量（%）
10
89
100
57
32.5
19
12
．多年平均降雨天数、中水年月流量
表3多年平均降雨天数、中水年月流量表
项目
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
中水年月流量
20
70
60
180
470
790
810
800
320
530
200
160
多年平均降雨天数
1.2
3
1.3
3
5
5
6
5
4
4
3.2
3.2
．坝址处水位流量关系:
表4
项目
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
中水年月流量
20
70
60
180
470
790
810
800
320
530
200
160
多年平均降雨天数
1.2
3
1.3
3
5
5
6
5
4
4
3.2
3.2
．库水位~面积；库水位~容积曲线”:
表5
水位（m）
315
320
325
330
335
340
345
350
面积（km2）
6.3
12.8
23.5
31.7
40.9
57.5
68.5
容积（亿m3）
0.158
0.342
0.762
1.66
2.89
4.63
7.15
9.99
．气温情况:
本流域气候属于温和地区，植物全年均可生长，甚少降雪，冬季平均温度为8.5℃，河水无冰冻现象，夏季平均气温为27.4℃，7、8月最高平均为28.6℃，各月温度见下表：
表6气温情况表
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
多年平均温度℃
7.9
9.9
13.4
18.6
23.2
25.3
29.7
39.8
25.4
19.3
14.7
0.1
最高温度
19.5
25.0
30.0
38.0
38
39.7
42.2
44.0
42.0
38.8
30.1
19.0
最低温度
-0.3
-2.5
0.5
4.5
12.9
15.5
16
15.0
13.5
7.5
0.8
0.0
．其它资料:
a.河流较清、淤沙较少，含沙量仅为流量的0.9%。
b.水库最大吹程：
10公里。
多年平均风速：
16米/秒。
其它资料见蓝图。
2坝址及地形情况：
坝址处河床较窄，其宽度仅为160米（普通洪水流量时）死水滩，坝址附近河床坡度甚陡，水流湍急，有小瀑布，右岸地势较高，有起伏之山头。
坝址处为震旦纪砂岩，右岸风化严重，深达3~4米，且夹有页岩。
水层岩岩层为向斜之一翼为倾向上游。
坝址处水流急，故无砂卵石等淤积物。
无侵蚀地下水。
基岩的机械、物理性质：
砂岩：
rc=2150吨/立方米；比重：
G=2.7；极限抗压强度：
（干燥时）1300公斤/平方厘米；f=0.62；渗透系数k=1.0×10-5厘米/秒
砂质页岩:
rc=255吨/立方米；比重G=2.75；渗透系数k=1.2×10-5厘米/秒；极限抗压强度（干）=700公斤/平方厘米，（湿）=350公斤/平方厘米
坝基岩经过水实验，吸水率均低于0.05公斤/分
砂岩与页岩间磨擦系数f=0.45
1.3筑坝资料及施工动力、机械、劳动力情况：
1.3.1筑坝资料:
．当地材料勘测结果:
砂：
河砂A，在坝址下游3~5公里处，颗粒较粗，其主要颗粒在1~0.5毫米间，d50=0.65mm,不均匀系数η=d60/d30=21。
砂均在正常河水位附近，含泥量均3.5%，沿河有公路可通。
河砂B：
在坝址下游20公里处，粒径较小，d50=0.32mm,不均匀系数η=20。
石料：
有泥盆石英砂岩，位置见附图，蕴藏量480万方，平均覆盖层2.5米厚。
岩石机械物理性质为：
比重2.65
干抗压极限强度1400kg/cm2
饱和抗压极限强度1050kg/cm2
经过25次冻融后抗压极限强度1050kg/cm2
土料：
有粘土、沙壤土及山皮土风化料，其分布及储量见蓝图，其性质见下表：
表7建筑材料性能表
土壤名称
土壤特性
河砂A
河砂B
粘土
砂壤土
山皮土
土壤干容重（吨/立方米）γc
1.60
1.60
1.70
1.66
1.60
空隙率gn
0.45
0.42
0.35
0.38
0.398
内摩擦系数（自然含水量）f
0.60
0.55
0.35
0.30
0.60
内摩擦系数（饱和含水量）f
0.60
0.55
0.24
0.28
0.50
粘着力（公斤/平方厘米）C
0
0
1.00
1.00
0
渗透系数（厘米/秒）K
2×10-3
6×10-3
4×10-7
1×10-5
1×10-3
天然含水量%
20
17
最优含水量%
19
18
22.5
压缩模量（公斤/平方厘米）E
120
100
卵石：
在本支流入干流河口处有卵石80万方，粒径在1~20厘米，质地良好，可做混凝土骨料。
．外来材料：
水泥：
水库下游珞城有一大水泥厂，可供给本工程以足量的水泥。
钢筋：
可取自珞城，其它钢材则由千里之外之城市运来。
木材：
具工地70公里之专区，可大量供应。
．交通情况：
本支流由于险滩阻隔，无法通行较大船，但有公路可达干流河口，而干流可通过大船直达珞城，与铁路相联系，很方便。
1.3.2施工动力、机械、劳动力情况：
坝址下游20公里，有火电站，可供应足够的动力。
施工可考虑半机械化：
土料上坝、碾压可使用机械，砂料开采，混凝土的制作、运输、捣固、石料的加工可以使用机械化，土料的运输、石料开采、土料开挖、用人工或简单机械。
当地民工比较多，尤以农闲时为甚，但技术工人则要从珞城调用。
2坝型选择
2.1枢纽等别和建筑物级别的确定
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和效益的大小进行分等，对枢纽中的建筑物再按其作用和重要性的大小进行分级，并对不同级别的建筑物规定有不同的要求，根据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》
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（104kw）
Ⅱ
大
（2）型
10~1.0
重要
500~100
200~60
150~50
重要
120~30
Ⅲ
中型
1.0~0.10
中等
100~30
60~15
50~5
中等
30~5
Ⅳ
小
（1）型
0.10~0.01
一般
30~5
15~3
5~`0.5
一般
5~1
结合枢纽任务（发电、防洪、库容），考虑发电装机容量，枢纽为Ⅳ等;考虑防洪要求（保护中等城市），枢纽为Ⅲ等；考虑库容（最大为9.99亿立方米）枢纽定为Ⅱ等，综合考虑三者，枢纽定为Ⅱ等。
根据表2永久性水工建筑物级别，本枢纽为Ⅱ等，其主要建筑物（大坝、溢洪道）属于2级，次要建筑物（导流墙、工作桥、护岸等）属于三级，临时性建筑物（围堰、导流隧洞等）属于4级。
根据枢纽等别和建筑物级别，对照规范，见附录一表3山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准，确定设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1000年一遇。
2.2枢纽组成
根据枢纽任务，本枢纽由挡水建筑物，泄水建筑物，发电建筑物和放空建筑物组成。
2.3坝型的初步选择
坝址附近土料极少，可以首先排除土石坝。
根据坝址地形图3，假设坝顶高程为350m，那么坝高约为350-300=50m，（考虑基础开挖），而此时河谷宽度为2500*28=70000cm=700m2500为比例尺，28为图上所测距离），即此时宽高比为L/H=700/50=14，远远大于4.5，拱的作用已经很小，故不能修建拱坝。
对于碾压混凝土坝，由于考虑坝体泄洪，因此坝体泄洪设施和廊道等坝内结构较复杂又难以避免，也一般不应用。
大头坝比之重力坝，虽能克服材料不能充分利用的缺点，但施工复杂，同时还有抗震性差的缺点及侧向稳定和弹性稳定问题。
对于堆石坝，堆石坝虽然对自然条件有广泛的适应性，可以就地取材，在经济上有较大的优越性，可以承受水头不大的坝顶漫流，但是堆石坝毕竟属于散粒体，对溢洪道的泄洪能力要求较高、泄洪设施的造价比重较大，导流问题比较难解决，所以也不宜修堆石坝。
混凝土重力坝虽有坝体体积大，材料强度不能充分利用的缺点，但是同样优点也很明显：
坝身可以开孔泄流，不需另建泄洪建筑物，导流方便，断面形状简单，混凝土浇筑简易，便于机械化施工，模板数量少，地基要求低，同时设计制造的经验比较丰富，工作可靠，使用年限长，养护费用低。
而且从材料来讲，本支流入河口有卵石80万方，粒径1~20，质地较好，可以作混凝土骨料，外来材料水泥、钢筋、木材等都很方便。
2.4坝型的进一步选择
宽缝重力坝施工复杂，本地技术人员不足，同时模板用量较大，且宽缝设置不好容易产生裂缝。
空腹重力坝有也有施工复杂，钢筋用量较多的缺点。
预应力重力坝也是如此。
因此实体重力坝是最佳选择。
2.5主要建筑物的型式选择
2.5.1泄水建筑物：
首先，泄水隧洞是在山体中开凿的一种水流通道，可用于引水、排水、排砂、预泄洪水、施工导流，虽然隧洞比较节约地方，有时也可以“一洞多用”，即导流、泄洪、放空、发电等综合利用一条隧洞，比较经济，但是它也有不少工作特点
受力方面：
山体开洞，围岩变形，需要支护
水流方面：
不仅有外水压力，而且有内水压力，还存在高速水扰
施工方面，场地狭窄，工序多，干扰大，事故可能性大，加固检修困难，该地区坝址处为震旦纪砂岩，左岸风化较严重，地质条件并非很好，不太适宜修泄水隧洞。
其次，河岸泄水道实用于两种情况①坝型为土石坝，因为土石坝一般不允许坝身过水，多数情况是在地形较好的地方如垭口处修河岸泄水道来泄水。
②坝型为重力坝，但河谷狭窄，布置坝身泄水道有困难时。
本工程坝型已选为重力坝，并且设大量泄洪要求，河谷也较宽阔，不需要采用河岸泄水道的形式。
虽然在所选主坝址附近有一垭口，但在那里修一土石副坝，在主坝处采用坝身泄水道更经济、更有效。
2.5.2电站建筑物：
因坝址河段坡降并不大，不适宜用引水式厂房；水电站水头较大，流量不大，也不宜采用河床式厂房，综合考虑，用坝挡水，将厂房置于坝后，采用坝后式厂房。
2.5.3放空建筑物：
放空建筑物是为了防洪和检修等目的要放空水库而布置的建筑物，有深孔、隧洞和涵管等。
①隧洞因其施工量大，施工难度大，速度慢，施工场地狭窄，容易出现事故，且施工和材料的费用巨大，一般情况下尽量不采用隧洞的放空建筑物的形式，而且隧洞对地质条件要求较高，需要坚硬的地质条件下才能施工。
②涵管一般用于土石坝中，它是将涵管埋在土石坝的河床底部，以避免高速水流冲刷，且涵管费用较高，安装困难。
③本工程河床比较宽阔，经过初步估计能够布置下深孔放空建筑物和电站坝段，而且我们已经拟订了实体重力坝的坝型方案，重力坝中预留空洞，前期可作导流洞，后期作放空洞，这样是比较经济的。
3调洪演算：
3.1调洪演算的目的：
无论在水库的规划阶段还是在已建水库的管理运用阶段,水库的调洪计算总是必须的.不过,由于不同阶或同一阶段所遇到的具体情况不同,其计算目的是不同的.水库在规划阶段,往往是根据水库的设计洪水,拟订若个泄洪措施方案,通过调洪计算,分别求出下泄洪水过程、防洪特征库容、特征水位、坝顶高程以及投资、效益等,然后在通过综比较,选择技术上可行且经济合理的水库、泄洪建筑物及下游防洪工程的规模和有关参数;而在水库的运用管理阶段,库容和泄洪建筑物的尺寸是定值,这时的调洪计算是根据某种频率的入库洪水或预报的入库洪水,在不同防洪限制水位时,求出水库的洪水位与最大下泄流量Qmax,为编制防洪调度规程、制订防洪措施提供科学依据,既要尽可能满足下游防洪要求,又要保证水工建筑物的安全.
3.2调洪演算的原理：
根据水库的水量平衡原理和水库的蓄池关系组成方程组
及
，
用已知（设计或预报）的入库洪水过程线Q～t,由起调水位开始，逐时段连续求解方程组，从而求得水库出流过程q～t,这就是调洪演算的基本原理。
3.3调洪演算的方案
根据坝址地址条件，确定大致的泄洪单宽流量q为80m3/s.m（一般80~120）,按允许最大设计流量Qmax1%为百年一遇2800m3/s及确定的单宽流量q，初步计算溢流坝段前缘宽度B=Q/q=2800/80=35米。
选定溢流堰堰顶高程H1，取为337米。
选定起调水位H0起调水位一般选为防洪限制水位，但本工程未给出防洪限制水位，故从发挥工程效益的角度考虑，可取起调水位为正常水位，即H1=345米。
选定调洪过程（方案①：
起调水位为345米，再来洪量=下泄量之前，由闸门控制，来多少泄多少。
在来洪量＞下泄量后，闸门全开，作为无闸门情况对待。
对设计洪水情况，当下泄洪水流量＞2800m3/s；对校核洪水情况，则重点在保坝，保持闸门全开，不考虑下游安全泄量。
方案②起调水位为堰顶高程，闸门全开，作为无闸门情况对待，但设计洪水情况在下泻洪水流量＞2800m3/s时，则控制闸门开度使下泻量保持2800m3/s。
以上两方案均可行，推荐使用方案②。
）
这里采用双辅助曲线半图解法，
将
改写成
式中
、
、（
）和（
）均可与水库水位Z建立函数关系，因此，可根据选定的计算时段
值、已知的水库水位容积关系曲线，以及根据水力学公式算出的水位下泄流量关系曲线，事先计算并绘出曲线组：
、（
、
其中
即是水位下泄流量关系曲线，其余两条是半图解法所必需的两根辅助线
WES堰的设计水头Hd，按坝顶最大工作水头Hmax的0.75~0.95采用，由于最高水位不得超过350米，即有Hmax=350-337=13米，Hd=13*0.8=10.4米。
堰高P＞1.33Hd，即为高堰，流量系数m只与H/Hd有关，根据m=f（H/Hd），查得从345米开始，即H=345-337=8米开始，对应的每个m值。
通过WES堰流量公式，根据《水利水电工程钢闸门设计规范》，露顶式泄洪道闸门的孔口尺寸，在孔高为8米时，孔口宽度可取8，9，10，12，14，16，18，20米，列出几组方案代入公式计算，得出闸门在不同水头下的泄水量，参考下表：
水位
水深H
流量系数m
350
13
0.514
349
12
0.508
348
11
0.502
347
10
0.494
346
9
0.486
345
8
0.48
同时考虑水轮机引用流量（由于不可能总是三台机组同时工作，故只考虑一台机组引用流量），得出该枢纽的下泻洪水流量。
采用半图解法进行调洪演算，得出以下几组方案。
3.4调洪演算的结果及分析
方案
孔宽
孔数
最大泄量
最高水位
一
设计
14
3
2600
346.72
校核
14
3
4010
349.88
二
设计
8
5
2440
346.9
校核
8
5
〉3840
350.xx
三
设计
9
5
2650
346.6
校核
9
5
4120
349.54
3.5设计洪水位和校核洪水位的确定
由上表可知，方案一较佳，一方面充分利用了下游防洪设施的防洪能力，另一方面可使投资最省，所以设计洪水位与校核洪水位分别是346.72米和3
升级会员 