那岸水利枢纽毕业设计说明书.docx
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那岸水利枢纽毕业设计说明书
第一章、概述
1.1基本资料
那岸水电站工程位于左江主要支流黑水河中游,广西大新县太平乡那岸王孟屯附近。
黑水河位于东经106°18′至107°08′,北纬22°37′至23°07′,发源于广西靖西县的新圩,经岳圩流入越南境,从德天到硕龙以下全部流入我国境,经大新那岸、太平、到崇左的新和,汇入左江。
黑水河全长89Km,流域面积6600Km2.河道坡陡水急,沿河有较长集中的多级跌水,水利资源较为丰厚.整个河段拟分为七个梯级开发利用,那岸是第三个梯级电站,位于黑水河中游.坝址控制流域面积3150Km2,水库处于石灰岩峡谷地带,淹没较小。
流域雨量充沛,气候湿润,多年平均降雨量1532.2mm,最大、最小平均降雨量分别为2180.7mm、1143.3mm,雨量集中于5—9月份,约占全年降雨量的75%,多年平均流量75.5mm,多年平均径流量23.8亿m3,多年平均蒸发量1347.7mm,多年平均气温21.5℃。
大新县兴建和即将兴建的大新铅锌矿.桂南锰矿以及518矿区等,迫切需要用电,县现在装机容量1154KW,已经远远不能满足目前的需要,急需开发新的电源。
而那岸工程是以发电为主兼顾灌溉的综合利用工程,供电对象为上述有色金属矿区,以及大新县工农业用电等,并利用电站尾水灌溉农田3万余亩。
因此那岸工程的建设将对促进大新县工农业发展,加强边境建设起着十分重要的意义。
本电站是以发电为主兼顾灌溉的综合利用工程,水库总库容2627.4万m3,其中有效库容为544万m3,电站装机容量为4×0.32=1.28万KW。
1.2水文水利资料
1.2.1径流
坝址以上控制集雨面积3130Km2,多年平均流量75.5mm,平均径流量23.8亿m3。
根据调查访问,近年来以1925年和1968年二次洪峰最大,实测1968年实测洪峰流量最大为2430m³/s。
1.2.2气象资料
本水电站位于亚热带地区,具有亚热带气候的特点:
气温高,湿度大,多年平均气温21.5℃,最低气温-2.1℃,最高气温39.8℃;坝址年平均降雨量1532.2mm,最小年降雨量1143.8mm(1963年末),最大降雨量2130.7mm,降雨多集中于5-9月,占年总降雨量的75%,最大月降雨量592.2mm(1966年6月),最大日降雨量131.1mm(1966年6月11日);历年平均湿度79.27%;历年最大风力8级,相对风速20m/s,多年平均最大风速18m/s,吹程4Km。
1.2.3水库泥沙淤积
坝址多年平均输沙量29.11万吨,主要为洪水期携带入库。
淤沙浮容重0.95T/m³,水下淤沙摩擦角φ=18º,按50年淤沙年限考虑水库淤沙高程为194.5m。
1.2.4水库特征水位
综合分析电站最低尾水位180.00m,水库正常高水位217.00m,水库死水位为210.00m。
1.2.5水文水能特性
水库特征:
分类
名称
上游(m)
下游m)
泄流量(m3/s)
水库特征水位
校核洪水位
225.30
190.65
3340
设计洪水位
224.00
188.55
2600
正常高水位
217.00
180.00
正常尾水位
180.00
最低尾水位
178.90
死水位
210.00
水库库容
总库容(万m3)
2627.4
兴利库容(万m3)
544
死库容(万m3)
1070
注:
溢流堰堰顶高程为213.00m;相应水库面积102.5㎡。
水电站特征:
装机
容量
(万KW)
保证出力(KW)
多年平均发电量
(百万度)
年利用小时
(h)
水电站
最大水头(m)
水电站
最小水头(m)
设计水头(m)
单机引
用流量
(m³/s)
1.28
2620
65.5
5600
43
24
30.5
12.60
1.3工程地质条件
1.3.1库区工程地质条件
库区属喀斯特峰林地貌,山顶标高400—600m,由于地壳急剧上升,侵蚀基准面迅速下降,河道呈V型深切,比降大,沿河急滩、跌水、深潭普通,台地不发育。
库区为碳酸盐类岩层,斯特化不强烈,渗透性稍弱,区域水系及谷河槽均高于该库正常水位,故条件良好,可以建库。
1.3.2坝址工程地质条件
坝址地段属石灰岩峰林区,处于峡谷与开阔河槽之界限,左岸为石灰岩陡坡峭壁,右岸是由石灰岩组成的二级高台地,谷坡陡峻,构成“U”型河谷,坝轴线下游120m处,由石灰岩组成一道天然河槛致使坝址段枯水季节水深竟达4—6m。
(1).地层岩性
坝区出露地层,由泥盘系榴江组碳酸盐类岩系及第四系结晶石灰岩组成。
土层覆盖厚度1—6.5m,均为疏松亚粘土,石灰岩厚25—28m,一般在207m高程以上多含泥质,洞穴很发育,且具有蜂窝状小孔,地质软弱,以下为质地较坚硬的结晶石灰华,但与基岩连接处,均发育有大洞穴,一般洞高1.2—1.6m,最大洞高达5.09m,红棕色粘土充填。
厚层灰岩,分布于河谷右岸F大断裂层上盆,为浅灰色不纯灰岩,中细晶粒结构,节理、裂隙发育,但多为次生矿物所充填。
薄层灰岩,分布于河谷两岸,灰色、浅灰色硅质岩,质坚稍脆,层理清晰,层面溶隙发育,多呈薄层片状,单层厚度1—10cm,间夹肉红色白云质灰岩,完整性较差。
(2).地质构造
本区受区域性断裂之影响,次一级断裂甚为发育,坝址附近可见断层九条,断裂带多属已经胶结。
主要断裂方向N286—331W,倾向SW,倾角62—68度,乃属与区域性断裂伴生之同期产物。
次为走向N30—70E,倾向SE,倾角75—77度的一组,而者倾向SW,倾角4—9度,但构造层附近有达17—23度。
区构造干裂隙发育,一般宽2—10mm,最大可达20mm,长度2—6m,但坝左肩陡壁处竟有四条平行开裂隙,宽4—10cm,长达10余米,产状走向EW,倾向N,倾角74—85度。
主要裂隙有两组:
a.走向近EW,倾向N,倾角74—85度
b.走向N345—355W,倾向SW,倾角66—84度
本区风化作用不甚剧烈,基岩风化深度一般在25m左右,强风化层1—3m。
(3).喀斯特发育情况
本区喀斯特化不清洌,主要见于层面溶蚀,一般规模很小,在基岩面以下0.4—3.19m围较发育,一般洞高2—6cm,最大埋高20cm。
坝左肩224.4—230m高程,分布两排层面溶蚀洞,洞高0.5—0.5m,宽达2—4m,发育穿过坝肩与巴河相联系,暴洪期间,呈股流溢出。
(4).水文地质条件
本区地下水分布受岩层产状及地质构造制约,左岸地下水位较高,右岸较平缓,均属裂隙水类型,埋藏于基岩裂隙中,由大气降水补给向河谷排泄,右岸在坝轴线上下游埋藏较深,根据钻孔实测,埋深在37.8—39.5m,高程为181—178m,左岸在坝轴线上下游90—100m处均有泉水群出露,下降泉性质,分布高程182—186m,常年不枯。
坝址地段岩石渗透性,在155m高程以下渗透性很小。
一般155m高程以上,渗透系数K=0.2——.0m/昼夜,155m以上K<0.001m昼夜。
155m高程以上,单位吸水量ω=0.01—30公升/分,155m高程以下,ω<0.01升/分。
地下水及地表水经化学分析为重碳酸钙型
水,对混凝土无侵蚀性。
(5).岩石物理力学特性指标
根据实验成果及综合野外实际情况,计算指标如下:
岩石名称
风化分带
容重
计算强度
f
F′
C′
石灰岩
强
2.16
3~4
0.4
0.75
3.5
石灰岩
半
2.41
7~9
0.5
0.8
5.0
厚层灰岩
半
2.72
16~19
0.6
0.9
7.0
薄层灰岩
半
2.70
14~16
0.55
0.95
6.0
(6).地震
根据中国科学院研究所地震大队所提供的资料,并经实地调查,本区地震基本烈度为5度。
工程地质结论
①库区为碳酸盐类岩层,喀斯特化不强烈,渗透性稍弱,区域水系及邻谷河槽均高于该水库正常高水位,故条件良好,可以建库。
②坝址为薄层硅质灰岩,坚硬,喀斯特化微弱,溶洞不发育,河谷狭窄,岩层狭窄,岩层微倾上有,断裂构造呈较发育,但均为胶结良好。
唯有河床沿顺河构造成产生深切,及河槽地段渗透较强,但经处理,可以建坝。
1.4灌溉效益
本工程灌溉面积约3万亩,进水闸底高程为185.00m,灌区在沿河两岸为两条狭长带形,干渠长达50余公里,渠道渗漏损失较大。
县、区要求灌溉流量按4m³/s考虑,为充分利用汛期下泄洪水,宜设置断面为2m²的灌溉流量备用管,以便汛期及机组检修时引水灌溉。
灌溉水面高程185.5m。
1.5水电站及供电效益
本电站装机容量4×3200KW,水轮机型号HL123-LJ-140,发电机型号TS-325/36-20。
水轮机安装高程187.16m,安装间高程189.00m,厂安装一台30/5吨电动桥式起重机,跨度10.1m。
两台SJ-7500/28.5/6.3主变压器,近区变SJ-560/10/6.3一台。
1.6水库淹没
该电站库区有29人需要搬迁,淹没和征地149亩,其它除部分杂木山林被淹外,没有淹没损失。
具体如下:
名称
单位
数量
备注
淹没和征地土地
亩
66
搬迁房屋
间
17
7栋房
迁移人口
人
29
借用土地
亩
83
施工场地用
淹没搬迁损失
元
21865
1.7当地建筑材料
在坝上游1公里两岸均有石料场,条件良好,可以满足要求,砂料场初步调查情况,在坝址以下40公里砂场总储量4000余m3质量尚好,但数量不能满足要求,需要到崇左要砂。
1.8交通条件
该电站附近有火车站,标准公路,交通比较方便。
早期工程施工时所需的外来器材和物资均可先以铁路运输,再由公路转运到工地。
场交通以右岸对外交通的永久公路直通坝址,坝顶无交通要求。
1.9施工条件
枢纽地址位于峡谷出口处,两岸山坡较陡,在坝下游200m峡谷出口以外的两岸,均有开阔平地可供施工场地布置。
施工力量由本地区专业施工队和民工共同组成,配备有一定的施工机械,可达到半机械化施工水平。
工程采用分段围堰施工,二期导流流量62m³/s。
第二章主要建筑物型式选择与枢纽布置
2.1枢纽组成建筑物与分等分级
2.1.1水利枢纽建筑物的组成
枢纽工程的主要水工建筑物由挡水建筑物、泄水建筑物和水电站厂房组成。
2.1.2水利枢纽的分类及水工建筑物等级划分
依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000,共分为五等。
水利水电枢纽工程分等指标
工程
等别
工程
规模
分等指标
水库总库容(亿m3)
防洪
治涝
灌溉
供水
发电
保护城镇及工矿
企业的
重要性
保护农田面积(万亩)
治涝
面积
(万亩)
灌溉
面积
(万亩)
供水对象的重要性
装机
容量
(万kW)
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
50~100
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:
1.水库总库容是指水库最高水位以下的净库容。
2.治涝、灌溉面积等均指设计值。
根据第一章节的概述提供的相关资料,其有效库容为544万m3,装机容量1.28万kW,灌溉面积约3万亩,分析相关数据确定枢纽工程等别为Ⅲ等,工程规模为中型,水工建筑物级别为3级。
2.2.坝型及其它主要水工建筑物型式选择
2.2.1坝型选择
坝是水利枢纽工程的主体,坝型的合理性对枢纽工程的设计、施工、投资、运用和技术经济指标将产生决定性的影响。
坝型选择和坝址选择是相互联系的,坝型选择也是根据地质条件、建筑材料和施工条件来确定。
从建筑材料和施工条件来考虑,本工程可建重力坝(包括宽缝、空腹重力坝)、大头坝、支墩坝、拱坝;从地质、地形条件考虑,建拱坝不够理想,因为河谷较宽,地形、地质对稳定很不利;从枢纽布置来考虑,建土石坝不甚是和,因为泄洪建筑物和电站厂房布置较困难。
综合来考虑,建坝的材料可采用浆砌石或混凝土,坝型采用重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝、梯形坝和大头坝较为适宜,从设计角度来考虑,可着重考虑重力坝和宽缝重力坝两种坝型。
那岸电站工程概算单价表:
建筑工程
坝型
项目
单位
实体重力坝
宽缝重力坝
重力拱坝
150#砼
溢流坝
M³
73.65
82.72
82.02
非溢流坝
66.09
74.23
73.59
200#砼
溢流坝
81.21
91.22
90.42
非溢流坝
71.98
80.75
80.04
250#砼
溢流坝
86.96
97.67
96.82
非溢流坝
76.87
86.34
85.59
100#砼
60.90
68.40
67.81
经过对坝型进行详细的分析比较,本枢纽选择混凝土实体重力坝。
2.2.2泄水建筑物型式选择
泄水建筑物应与坝型结合考虑,重力坝一般多采用坝顶泄洪或坝身孔口泄洪方式,经各方面分析比较,本枢纽工程泄水建筑物采用溢流坝坝顶泄洪,设闸门。
溢流坝段设在河床中间,前缘正向上游来水主流方向,下游出口方向与原河道的主河槽水流方向一致,设有放空孔。
消能方式采用挑流消能。
2.2.3挡水建筑物型式选择
挡水建筑物是用以拦截江河,形成水库和壅高水位,如各种坝和闸,以及为抗御洪水或挡潮,沿江河海岸修建的提防、海塘等。
经上述分析得,本枢纽工程挡水建筑物采用浆砌石实体重力坝非溢流坝、闸以及导流围堰。
非溢流坝设在溢流坝的两端与两岸连接。
2.2.4水电站厂房型式选择
水电站厂房型式采用坝后地面封闭式的电站厂房
2.3枢纽布置
2.3.1枢纽布置原则
(1)枢纽布置要保证各建筑物在任何工作条件下都能正常工作。
(2)在满足建筑物的强度和稳定安全条件下,使枢纽的总造价和年运行费用较低。
(3)充分发挥枢纽的综合效益,尽量使一个建筑物发挥多种功能。
(4)枢纽布置应与施工导流、施工方法和施工进度结合考虑,应使施工方便,并尽可能缩短工期。
(5)尽可能使枢纽中的部分建筑物早日投产,提前生效。
(6)考虑到远景规划,应对远期扩大装机容量留有余地。
亦应考虑到分期开发,在枢纽布置时,应满足高坝规划、低坝施工的要求。
(7)枢纽的外观与周围环境相协调,在安全经济的条件下尽量注意美观。
第三章水工建筑物的设计
3.1坝型选择及断面尺寸确定
3.1.1挡水坝设计
一、坝型选择
坝是水利枢纽工程的主体,坝型的合理性对枢纽工程的设计、施工、投资、运用和技术经济指标将产生决定性的影响。
坝型选择和坝址选择是相互联系的,坝型选择也是根据地质条件、建筑材料和施工条件来确定。
从建筑材料和施工条件来考虑,本工程可建重力坝(包括宽缝、空腹重力坝)、大头坝、支墩坝、拱坝;从地质、地形条件考虑,建拱坝不够理想,因为河谷较宽,地形、地质对稳定很不利;从枢纽布置来考虑,建土石坝不甚是和,因为泄洪建筑物和电站厂房布置较困难。
综合来考虑,建坝的材料可采用浆砌石或混凝土,坝型采用重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝、梯形坝和大头坝较为适宜,从设计角度来考虑,可着重考虑重力坝和宽缝重力坝两种坝型。
那岸电站工程概算单价表:
建筑工程
坝型
项目
单位
实体重力坝
宽缝重力坝
重力拱坝
150#砼
溢流坝
M³
73.65
82.72
82.02
非溢流坝
66.09
74.23
73.59
200#砼
溢流坝
81.21
91.22
90.42
非溢流坝
71.98
80.75
80.04
250#砼
溢流坝
86.96
97.67
96.82
非溢流坝
76.87
86.34
85.59
100#砼
60.90
68.40
67.81
经过对坝型进行详细的分析比较,本枢纽选择浆砌石实体重力坝。
二、初步拟定坝型的轮廓尺寸
(1)坝顶高程的确定
①校核洪水位情况下:
波浪高度2hl=0.0166V5/4D1/3=0.98m
波浪长度2Ll=10.4×(2hl)0.8=10.23m
波浪中心线到静水面的高度h0=π(2hl)2/2Ll=0.30m
安全超高按Ⅲ级建筑物取值hc=0.3m
坝顶高出水库静水位的高度△h校=2hl+h0+hc=1.58m
②设计洪水位情况下:
波浪高度2hl=0.0166(1.5V)5/4D1/3=1.62m
波浪长度2Ll=10.4×(2hl)0.8=15.3m
波浪中心线到静水面的高度h0=π(2hl)2/2Ll=0.54m
安全超高按Ⅲ级建筑物取值hc=0.4m
坝顶高出水库静水位的高度△h设=2hl+h0+hc=2.56m
③两种情况下的坝顶高程分别如下:
校核洪水位时:
225.3+1.58=226.9m
设计洪水位时:
224.0+2.56=226.56m
坝顶高程选两种情况最大值226.9m,可按227.00m设计,则坝高227.00-174.5=52.5
(2)坝顶宽度的确定
本工程按人行行道要求并设置有发电进水口,布置闸门设备,应适当加宽以满足闸门设备的布置,运行和工作交通要求,故取8米。
(3)坝坡的确定
考虑到利用部分水重增加稳定,根据工程经验,上游坡采用1:
0.2,下游坡按坝底宽度约为坝高的0.7~0.9倍,挡水坝段和厂房坝段均采用1:
0.7。
(4)上下游折坡点高程的确定
理论分析和工程实验证明,混凝土重力坝上游面可做成折坡,折坡点一般位于1/3~2/3坝高处,以便利用上游坝面水重增加坝体的稳定。
根据坝高确定为52.5m,则1/3H=1/3×52.5=17.5m,折坡点高程=174.5+17.5=192m;2/3H=2/3×52.5=35m,折坡点高程=174.5+35=209.5m,所以折坡点高程适合位于192m~209.5m之间,则取折坡点高程为203.00m。
挡水坝段和厂房坝段的下游折坡点在统一高程216.5m处。
(5)坝底宽度的确定
由几何关系可得坝底宽度为T=43.1m
(6)廊道的确定
坝设有基础灌浆排水廊道,距上游坝面6.1m,廊道底距基岩面4m,尺寸
2.5×3.0m(宽×高)。
(7)非溢流坝段纵剖面示意图
三、基本组合荷载计算及稳定分析
由上述非溢流剖面设计计算得知校核洪水位情况下的波浪三要数:
波浪中心线到静水面的高度h0=0.3m
波浪高度2hl=0.98m
波浪长2Ll=10.23m。
因为gD/v2=9.81×4000/182=121.11m,在20~250m之间
所以波高应安转换为累计频率1%时的波高:
2hl(1%)=0.98×1.24=1.22m。
又因为半个波长Ll=10.23/2=5.12所以浪压力Pl按深水波计算。
作用在坝体的荷载有:
自重、静水压力、扬压力、浪压力、淤沙压力,取1m坝长进行计算。
其中灌浆处及排水处扬压力折减系数取α=0.25,水重度Υ=9.81KN/m3,混泥土等级强度C10,混泥土重度24KN/m3,坝前淤沙浮容重0.95T/m3=9.5KN/m3,水下淤沙摩擦角Φ=18°。
(1)正常洪水位情况
正常洪水位情况下荷载计算示意图
①正常洪水位情况下的荷载计算过程见计算书附表1
②抗滑稳定分析
岩石物理力学特性指标如下:
岩石名称
风化分带
容重
计算强度
f
F′
C′
石灰岩
强
2.16
3~4
0.4
0.75
0.35
石灰岩
半
2.41
7~9
0.5
0.8
0.50
厚层灰岩
半
2.72
16~19
0.6
0.9
0.70
薄层灰岩
半
2.70
14~16
0.55
0.95
0.60
由于坝址为薄层硅质灰岩,坚硬,喀斯特化微弱,溶洞不发育,河谷狭窄,岩层狭窄,岩层微倾上有,断裂构造呈较发育,但均为胶结良好,再根据岩石物理力学特性指标,可确定坝址开挖岩石为薄层灰岩,接触面摩擦系数f=0.6,抗剪断摩擦系数f′=0.90,抗剪断凝聚力C′=0.7MPa=700KPa
=4.74>[3.0],满足抗滑稳定要求。
(2)校核洪水位情况
校核洪水位情况下荷载计算示意图
1校核洪水位情况下的荷载计算过程见计算书附表2
2抗滑稳定分析
岩石物理力学特性指标如下:
岩石名称
风化分带
容重
计算强度
f
F′
C′
石灰岩
强
2.16
3~4
0.4
0.75
0.35
石灰岩
半
2.41
7~9
0.5
0.8
0.50
厚层灰岩
半
2.72
16~19
0.6
0.9
0.70
薄层灰岩
半
2.70
14~16
0.55
0.95
0.60
由于坝址为薄层硅质灰岩,坚硬,喀斯特化微弱,溶洞不发育,河谷狭窄,岩层狭窄,岩层微倾上有,断裂构造呈较发育,但均为胶结良好,再根据岩石物理力学特性指标,选取厚层灰岩接触面摩擦系数f=0.6,抗剪断摩擦系数f′=0.90,抗剪断凝聚力C′=0.7MPa=700KPa
=3.19>[2.5],满足抗滑稳定要求。
四、应力分析(运行期)
(一)正常洪水位情况下
1、水平截面上的正应力
2、剪应力
上游面水压力强度:
下游面水压力强度:
剪应力
3、水平应力
4、主应力
(二)校核洪水位情况下
1、水平截面上的正应力
2、剪应力
上游面水压力强度:
下游面水压力强度:
剪应力
3、水平应力
4、主应力
五、部应力计算
(一)正常洪水位情况下
坐标原点设在下游坝面,由偏心受压公式可以得出系数a和b,如下
具体坝应力计算过程见计算书附表3
(二)校核洪水位情况下
坐标原点设在下游坝面,由偏心受压公式可以得出系数a和b,如下
具体坝应力计算过程见计算书附表4
3.1.2溢流坝设计
溢流坝设计原则:
1、满足稳定和强度的要求;2、满足具有足够的泄洪能力;3、使
水流平顺通过坝面,避免产生震动和空蚀;4、使下泄水流对河床不产生危及坝体安全的局部冲刷;5、不影响其他建筑物的正常运行等。
一、孔口型式及尺寸拟定
根据水文水能特性,选用实用堰,孔口溢流式,校核洪水位时泄流量为3340m³/s,设计洪水位时泄流量2600m³/s;由于本工程坝属厚层灰岩,适用于q=60-150m³,则初步设定单宽流量为q=80m³/s·m;根据目前大中型坝的闸门宽度,常用8-10m,为保证泄流时闸门的对称开启,设孔口数为5孔,每孔净宽为8m。
①前缘净宽
校核洪水位时:
L=