ZF水库土石坝枢纽施工.docx
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ZF水库土石坝枢纽施工
第一章设计内容…………………………………………………………………………………1
第二章基本资料…………………………………………………………………………………2
2.1地形和地质图…………………………………………………………………………2
2.2库区工程地质条件……………………………………………………………………2
2.3坝址区工程地质条件…………………………………………………………………2
2.4坝址区其他建筑物地段的工程地质条件……………………………………………3
2.5水文与水利规划………………………………………………………………………3
2.6建筑材料及筑坝材料技术指标的选定………………………………………………7
2.7工程效益及淹没损失…………………………………………………………………8
2.8施工条件………………………………………………………………………………9
2.9施工要求………………………………………………………………………………11
第三章设计说明书……………………………………………………………………………12
3.1坝轴线选择……………………………………………………………………………12
3.2坝型选择………………………………………………………………………………13
3.3枢纽布置………………………………………………………………………………14
3.4坝工设计………………………………………………………………………………15
3.5溢洪道设计……………………………………………………………………………32
3.6导流泻洪洞设计………………………………………………………………………40
3.7地基处理………………………………………………………………………………46
第四章结论……………………………………………………………………………………47
参考文献…………………………………………………………………………………………48
第1章设计内容
1.1坝轴线选择。
1.2坝型选择。
1.3枢纽布置。
1.4档水建筑物设计：
包括土坝断面设计、平面布置、渗流计算、稳定计算、细部构造设计、基础处理等。
1.5泄水建筑物设计：
溢洪道或导流溢洪洞设计（选其中一项），以水利计算为主。
1.6施工导流方案论证（选做内容）。
第2章基本资料
ZF水库位于QH河干流上，水库控制流域面积4990km2，库容5.05×108m3。
水库以灌溉发电为主，结合防洪，可引水灌溉农田71.2×104亩,远期可发展到10.4×105亩。
灌区由一个引水流量为45m3/s的总干渠和4条分干渠组成，在总干渠渠首及下游24km处分别修建枢纽电站和HZ电站，总装机容量31.45MW，年发电量1.129×108kW·h。
水库防洪标准为百年设计，万年校核。
枢纽工程由档水坝、溢洪道、导流泄洪洞、灌溉发电洞及枢纽电站组成。
2.1地形和地质图
ZF坝址区地形图见附图5，ZF土坝坝线工程地质剖面图见附图6。
2.2库区工程地质条件
库区两岸分水岭高程均在820m以上，基岩出露高程，大部分在800m左右，主要为紫红色砂岩，间夹砾岩、粉砂岩和砂质页岩。
新鲜基岩透水性不大。
未发现大的构造断裂，水库蓄水条件良好。
QH河为山区性河流，两岸居民及耕地分散，除库水位以下有一定淹没外，浸没问题不大，库区也未发现重要矿产。
2.3坝址区工程地质条件
QH河在ZF水库坝址区呈一弯度很大的S形。
坝段位于S形的中、上段。
坝段右岸为侵蚀型河岸，岸坡较陡，基岩出露。
上下坝线有约300m长的低平山梁（单薄分水岭），左岸为侵蚀堆积岸，岸坡较缓，有大片土层覆盖。
右岸单薄分水岭是QH河环绕坝段左岸山体相对侧向侵蚀的结果。
坝址区基岩以紫红色、紫灰色细砂岩为主，间夹砾岩、粉砂岩和少数砂质页岩。
地层岩相变化剧烈，第四系除厚度不大的砂层、卵石层外，主要是黄土类土，在大地构造上处于相对稳定区，未发现有大的断裂构造迹象。
坝址区左岸有一大塌滑体，体积约45×104m3，对工程布置有一定影响。
本区地震基本烈度为6度，建筑物按7度设防。
1.上坝址
上坝址位于坝区中部背斜的西北，岩层倾向QH河上游。
河床宽约300m，河床砂卵石覆盖层平均厚度5m，渗透系数1×10-2cm/s。
一级阶地（Q4）表层具中偏强湿陷性。
左岸730m高程以上为三级阶地（Q2），具中偏弱湿陷性。
岩基未发现大范围的夹层，基岩的透水性不大。
河床中段及近右岸地段，沿113-111-115-104-114各钻孔连线方向，在岩面下21～47m深度范围内，有一强透水带，ω=5.46～30L/（s.m.m），下限最深至基岩下约80m。
基岩透水性从上游向下游有逐渐增大的趋势，左岸台地黄土与基岩交界处的砾岩（最大厚6m）透水性强，渗透系数K=10m/d。
左岸单薄分水岭岩层仍属于中强透水性，平均ω=0.48L/（s.m.m），应考虑排水，增加岩体稳定。
2.下坝址
位于上坝址同一背斜的东南翼，岩层倾向下游；河床宽度约120m，左岸为二、三级阶地，右岸731m高程以下为基岩，以上为三级阶地。
土层的物理力学性质见附图6“工程地质剖面图”。
左岸基岩有一条宽200～250m呈北东方向的强透水带，右岸Z沟单薄分水岭的透水性亦很大，左右岸岩石中等透水带下限均可达岩面下80m左右。
河床地段基岩透水性与中等透水带厚度具有从上游向下游逐渐变小的趋势。
下游发现承压水，二、三级阶地砾石层透水性与上坝线相同，左岸坝脚靠近塌滑体。
2.4坝址区其他建筑物地段的工程地质条件
坝址区其他建筑物包括导流泄洪洞、灌溉发电洞及枢纽电站。
按上坝线方案，导流泄洪洞、溢流道均布置在左岸单薄分水岭，灌溉发电洞则布置在左岸东凹沟附近三级阶地上。
下坝线方案溢洪道可布置在右岸Z沟，灌溉发电洞移至上坝线溢洪道轴线西侧40m左右，导流泄洪洞位置与上坝线位置相同。
1.导流泄洪洞
沿洞线周围岩石厚度大于3倍开挖洞径，出口段已避开塌滑体的东边界，沿线岩层、岩
性主要为粉砂岩、细砂岩及砾岩，岩石较为坚硬，坚固系数Fk=4，单轴弹性抗力系数Ko=20MPa/cm，弹性模量E=0.4×104MPa，透水性较大。
岩层倾向下游，出口段节理发育，应采取有效措施予以处理。
为进一步保证出口段岩体稳定，免除由内水压力引起的后果，建议该段修建无压洞。
2.溢流道
上坝线方案溢洪道堰顶高程757m，沿建筑物轴线岩层倾向下游。
岩性主要为坚硬的细
砂岩，其中软弱层多为透镜体，溢洪道各部分的抗滑稳定条件是好的。
下坝线溢洪道堰项高程750m。
基础以下10m左右为砂质页岩及夹泥层，且单薄分水岭岩层风化严重，透水性大，对建筑物安全不利。
3.灌溉发电洞及枢纽电站
上坝线方案沿线基岩以厚层粉砂岩为主，岩石完整，透水性不大，洞顶以上岩层厚度较小。
在建筑物的基岩岩面上有0～5m厚的砾岩及厚度不等的亚黏土层，电站厂房处岩石风化层厚度约5～6m，对其产生的渗漏及土体坍塌应采取必要的工程措施。
下坝线方案沿线全为基岩，工程安全比较可靠。
2.5水文与水利规划
2.5.1气温
流域年平均降雨量686.1mm，70%集中在6～9月，多年年平均气温8～90C，多年平均最高气温29.10C（6月），多年平均最低气温-14.3C（1月），多年平均最大风速9m/s，水位768.1m时水库吹程5.5km。
2.5.2水文分析
1.洪水
洪水由暴雨形成，据统计7～8月发生最大洪峰流量的机会占88%，而且年际变化很大，实测最大洪峰流量2200m3/s（1954年），最小洪峰流量184m3/s（1965年），相差12倍。
流域洪水的特点是峰高，历时短，陡涨陡落。
一次洪水持续时间一般3～5d。
2.年来水量
水量的年内分配，汛期7～10月约占全年水量的62%，水量年际变化很大，实测最大年
来水量1968×108m3（1963年7月至1964年6月）。
最小年来水量3.34×108m3（1965年7月至1966年6月），相差5.9倍。
从历年来水量过程来看约7年一个周期，其中连续枯水段为4年。
3.年输沙量
汛期7～10月的来沙量约占全年输沙量的94%，其中7、8两月约占83%。
输沙量的年际变化很大，实测最大年输沙量1240×104t（1969年7月至1970年6月），最小年输沙量173×104t，相差7倍。
4.水文分析成果表
水文分析成果见表2-1
表2-1QH河水文分析成果
序号
名称
单位
数量
备注
1
利用水文系列年限
年
22
2
代表性流量
多年平均流量
m3/s
21.9
调查历史最大流量
m3/s
3980
设计洪水洪峰流量（P=1%）
m3/s
4000
校核洪水洪峰流量（P=0.1%）
m3/s
6550
保坝洪水洪峰流量（P=0.01%）
m3/s
9100
3
洪量
设计洪水洪量（P=1%）
m3
5.00×108
5d
校核洪水洪量（P=0.1%）
m3
7.95×108
5d
4
多年平均径流量
m3
6.94×108
5
多年平均输沙量
t
431×104
2.5.3水利计算
1.死水位选择
为尽可能增加自流灌溉面积，并使电站水头适当增加，力求达到电源自给以及为今后水库淤积留有余地，按20年淤积高程考虑，并根据今后运用情况加以计算调整。
2.调节性能的选定
灌溉保证率选取P=75%，水库上游来水，首先满足灌区工农业用水，电站则利用余水发电。
按上述原则，并按近期灌溉面积71.2×104亩进行水库调节计算。
年调节和多年调节两个方案的水量利用系数和坝高都相差不大，但是多年调节性能的水库能提供的电量和装机利用小时数都较年调节性能水库提高20%。
故确定本水库为多年调节性能水库。
利用1949年7月至1971年6月共22年插补水文系列，采用“时历法”进行多年调节计算。
3.兴利水位的确定原则和指标
根据QH河洪水特性，汛期限制水位在7，8月定为760.7m。
7、8月以后可重复利用一
部分防洪库容蓄水兴利，以防洪为主，兼顾兴利为原则，确定9、10月限制水位为766.1m，汛末可以多蓄水。
但蓄水位按不超过百年设计洪水位考虑，确定汛末兴利水位为767.2m。
电站的主要任务是满足本灌区提灌用电的要求。
因此在保证灌区工农业用水的基础上，确定电站的运用原则：
灌溉季节多引水发电，非灌溉季节少引水发电，遇丰水年则充分利用弃水多发电，提高年水量的利用系数。
4.防洪运用原则及设计洪水的确定
本水库属二级工程。
水库建筑物按百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核。
由于采用的
洪水计算数值中未考虑历史特大洪水的影响，故用万年一遇洪水作为非常保坝标准对水工建筑物进行复核。
工程泄洪建筑物有溢洪道和导流泄洪洞。
溢洪道净宽60m，分设5孔闸门，每孔闸门净宽12m，堰顶高程757m。
通过施工导流、拦洪、泄洪度汛、非常时期放空水库以及在可能情况下有利于排沙等方面的综合分析和比较，泄洪洞洞径确定为8m，进口底高程为703.35m。
调洪运用原则：
当入库洪水为20年一遇时，为满足下游河道保滩淤地的要求，水库控制下泄流量为600m3/s；当入库洪水为百年一遇时，为提高下游河道的电站、桥梁等建筑物的防洪标准，水库控制下泄流量为2000m3/s；当入库洪水为千年一遇时，溢洪道单宽流量以70m3/s控制泄洪；当入库洪水为万年一遇时，按下述原则操作：
即库水位接近校核水位时，若水库水位仍然持续上涨，为确保大坝安全，溢洪道敞开泄洪，允许溢洪道局部破坏。
5.水库排沙和淤沙计算
ZF水库回水长25km，河道弯曲，河床宽300m左右，河床比降为2.2%，是个典型的河道型水库。
QH河泥沙年内的83%集中在7、8两个月，平均含沙量为13.8kg/m3，泥沙多年平均D50粒径为0.0155mm，颗粒较细。
虽然本水库有可能利用异重流排沙，但由于流域的水文特性和下游工农业对水源的要求，决定了本水库只能高水头蓄水运用。
在蓄水过程中，只能用灌溉和发电的剩余水进行排沙。
经计算，多年平均排沙量只占5.2%，其余大部分的泥沙都淤积在水库中，从而减少兴利库容。
6.水库工程特征值
水库工程特征值见表2-2。
表2-2ZF水库工程特征值
序号
名称
单位
数量
备注
1
设计洪水时最大泄流量
m3/s
2000.00
其中溢洪道815
相应下游水位
m
700.55
2
校核洪水时最大泄流量
m3/s
6830.00
其中溢洪道5600
相应下游水位
m
705.60
3
水库水位
校核洪水位（P=0.01%）
m
770.40
设计洪水位（P=1%）
m
768.10
兴利水位
m
767.20
汛限水位
m
760.70
死水位
m
737.00
4
水库容积
总库容
m3
5.05×108
校核洪水位
设计洪水位库容
m3
4.63×108
防洪库容
m3
1.36×108
兴利库容
m3
3.51×108
其中共用库容
m3
1.10×108
死库容
m3
1.05×108
5
库容系数
50.50%
6
调节特性
多年
7
导流泄洪洞
形式
明流隧洞
工作闸门前为有压
隧洞直径
m
8
城门洞型压力隧洞8m
消能方式
挑流
最大泄量（P=0.01%）
m3/s
1230.00
最大流速
m/s
23.10
闸门尺寸
m×m
7×6.50
弧形门
启闭机
t
300.00
油压启闭机
检修门
m×m
8×9.00
斜拉门
进口底部高程
m
703.35
8
灌溉发电隧洞
形式
压力钢管
内径
m
5.40
灌溉支洞内径
m
3.00
最大流量
m3/s
45.00
进口底部高程
m
731.64
9
枢纽电站
形式
引水式
厂房面积（长×宽）
m×m
39×16.20
装机容量
kW
5×1250
每台机组过水能力
m3/s
8.05
2.6建筑材料及筑坝材料技术指标的选定
库区及坝址下游土石料丰富,有利于修建当地材料坝。
1.土料
坝址上、下游均有土料场，储量丰富，平均运距小于1.5km。
根据155组试验成果统计，土料平均黏粒含量为26.4%，粉粒55.9%，粉砂17.6%,其中25%属粉质黏土，60.7%属重粉质壤土,14.3%属中粉质壤土。
平均塑性指数11.1，最大干重度16.7kN/m3，最优含水量20.5%，渗透系数0.44×10-5cm/s。
具有中等压缩性，强度特性见表2-3。
表2-3土料的强度特性
试验方法
统计方法
抗剪强度指标
ψφ/（0）
c/kPa
饱和固结快剪（25组）
算术平均
23.27
28.0
算术小值平均
20.96
19.3
快剪（82组）
算术平均
21.54
29.3
算术小值平均
21.30
29.3
快剪（18组）
算术平均
21.30
29.3
算术小值平均
21.00
19.4
算术平均
22.68
58.3
算术小值平均
20.03
35.6
算术平均
22.50
58.3
算术小值平均
23.80
35.6
快剪（8组）
算术平均
28.80
45.1
算术小值平均
25.75
29.3
算术平均
29.00
45.1
算术小值平均
28.70
29.3
三轴不排水剪（10组）
算术平均
20.00
28.8
算术小值平均
25.20
13.0
三轴不排水剪（6组）
算术平均
13.30
28.0
算术小值平均
25.20
8.0
三轴饱和固结不排水剪（6组）
算术平均
18.20
42.0
算术小值平均
22.30
35.0
野外自然坡度角（29组）
算术平均
35.70
算术小值平均
31.20
室内
剪切
试验
算术平均
31.10
算术小值平均
29.10
算术平均
31.00
算术小值平均
29.00
2.砂粒料
主要分布在河滩上,储量为205×104m3，扣险漂石及围堰淹没部分，可利用的砂砾料约（100～151）×104m3。
其颗粒级配不连续，缺少中间粒径，根据野外29组自然坡度角试验，34组室内试验分析，统计成果分析如下：
天然重度18.7kN/m3，软弱颗粒含量2.64%。
颗粒组成见表2-4。
表2-4砂砾料颗粒组成
粒径/mm
＜200
＜80
＜40
＜20
＜5
＜2
＜1
＜0.5
＜0.25
＜0.05
含量/%
83.7
74.2
57.7
46.2
38.6
34.6
32.8
29.7
24.7
4.9
砂的储量很少,且石英颗粒少,细度模数很低,不宜作混凝土骨料,砂（D＜2mm）的相对紧密度为0.895。
3.石料
坝址区石料较多，运距均在1km以内，为厚层砂岩，储量可满足需要。
溢洪道、导流洞出碴也可利用。
4.筑坝材料技术指标的选定
经过试验，并参考有关文献资料及其他工程的经验，最后选定其筑坝材料的各项技术指
标，见表2-5。
表2-5筑坝材料技术指标
筑坝材料
坝体
坝基
土料
砂砾料
堆石
砂砾料
黄土
重度
湿重度/（kN.m-3）
16.5
18.0
18.0
18.0
16.0
饱和重度/（kN.m-3）
19.8
19.1
干重度/（kN.m-3）
10.4
11.0
10.5
10.2
孔隙度n
0.33
内摩擦角
施工期
总应力
10
31
40
31
20
有效应力
22
稳定渗流期
有效应力
23
水位降落
有效应力
23
黏聚力c/kPa
20
渗透系数K/（cm.s-1）
1×10-6
1×10-2
1×10-2
1×10-5
初始孔隙水压力系数
0.3
2.7工程效益及淹没损失
本水库建成后具有灌溉、发电、防洪、解决工业用水和人畜吃水等多方面的效益，是一座综合利用的水库。
水库近期可灌溉农田71.2×104亩（1hm2=15亩），远期发展到104×104亩。
枢纽电站和HZ电站总装机容量为31450kW，年发电量为1.129×108kW.h，除满足农业提水浇灌用电外，还剩余50%的电力供工农业用电。
防洪方面，本水库控制流域面积4990km2，占全流域面积的39%，对下游河道防洪、削减洪峰、减轻防汛负担也有一定的作用，可将下游100年一遇的洪水流量由6010m3/s削减到3360m3/s，相当于17年一遇；可将50年一遇洪水由6000m3/s削减到2890m3/s，相当于12年一遇。
另外，每年还可供给城市及工业用水0.63×108m3。
由于库区沿岸山峰重叠，村庄零散，耕地不多，故淹没损失较小。
按库区移民高程770m统计，共需迁移人口3115人，淹没耕地12157亩，房屋1223间，窑洞1470孔。
2.8施工条件
2.8.1施工区地质地形条件
ZF水库的右岸坡较陡，坡度为300左右，大部分基岩出露高程为770～810m。
主河槽在右岸，河宽约100m左右；左岸为堆积岸，左岸台地宽200m左右，山岭高程在775m左右，岸坡较平缓，大都为土层覆盖。
水库枢纽处施工场地狭窄，枢纽建筑物全部布置在左岸，施工布置较为困难。
坝区为上二迭系石千峰组的紫红色、紫灰色细砂岩，间夹同色砾岩及砂质页岩等岩层。
右岸全部为基岩，河床砂卵石层总厚度约50m，覆盖层厚度约5m。
高漫滩表层亚砂土厚5～5m，左岸728m高程以下为基岩。
基岩面向下游逐渐降低，土层增厚。
砂卵石层透水性不会很强，施工开挖排水作业估计不会很困难。
2.8.2施工区气象与水文条件
ZF水库坝址处没有建立水文气象站，根据附近气象站1958年至1963年和1970年至1972年共9年资料统计分析，最高气温29.10C（6月）,最低气温-14.30C（1月），多年平均日气温4～240C。
历年各月气温特征值见表2-6。
表2-6各月气温特征值
月份
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月
多年平均气温
4.5
1.1
4.6
11.3
18.1
21.7
23.6
21.7
16.4
10.3
18.9
2.1
多年最高气温
4.6
7.2
17.0
22.2
25.0
29.1
23.0
26.5
30.1
22.4
18.9
8.1
多年最低气温
-4.3
0.0
5.8
1.0
3.1
10.5
18.9
14.4
1.9
1.9
0.7
0.0
根据坝址附近一气象站1958年至1963年和1970年至1972年共9年资料统计分析,得出多年的平均各月降雨天数见表2-7。
表2-7多年平均各月降雨天数
月份\项目
平均日降雨5～10mm天数
平均日降雨10～20mm天数
平均日降雨20～30mm天数
平均日降雨30～40mm天数
平均日降雨＞40mm天数
1月
0.62
2月
0.37
0.13
3月
1.00
0.08
0.25
4月
1.00
0.63
0.50
0.25
0.13
5月
2.00
1.12
0.25
0.50
0.25
6月
1.37
1.00
0.63
0.25
1.00
7月
2.75
1.88
1.00
1.00
1.38
8月
1.37
2.27
0.25
0.25
2.6
9月
1.45
0.88
0.13
0.63
0.75
10月
0.87
0.88
0.38
0.25
0.13
11月
0.73
0.88
0.13
12月
0.13
各种频率的设计洪水过程线见表2-8。
表2-8各种频率的设计洪水过程线
时间/h
流量/m3·s-1
时间/h
流量/m3·s-1
P=1%
P=5%
P=5%（10月）
P=1%
P=5%
P=5%（10月）
1
222
133
39
45
1670
1002
3
302
181
42
47
1520
912
5
340
204
51
49
1500
900
7
500
300
55
51
1400
830
9
700
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