水利枢纽和主要建筑物设计.docx

1、水利枢纽和主要建筑物设计前 言通过大学近四年的系统学习，我们已经掌握了水工设计的基础知识。为了进一步培养我们理论联系实际的能力，特别是为了能使我们尽快的适应即将面临的工作，成为一名合格的水利水电工程技术人员，我们进行了历时一个学期的毕业设计。本次毕业设计是设计者根据自己所学的知识、参考许多相关的教材、设计手册和规范，并在指导教师的指导下独立完成的。通过这次毕业设计，我们提高了如下的几方面的能力： 综合运用所学理论知识分析和解决实际问题的能力； 培养了我们的自学能力和科学研究能力，使我们逐步具有更新和丰富自己科学知识的能力和创新能力；提高了我们设计、计算、绘图的能力以及编写设计说明书和计算书的能

2、力；培养了我们严谨的工作作风和正确的设计思想。由于时间仓促，水平有限，本设计中难免有些不足之处，还希望各位老师批评指正，本设计者将不胜感激。设计者： 2006年6月3日中文摘要本文对湘01水利枢纽的概况和主要建筑物设计做了详细描述，主要有一份设计说明书，附有计算说明和示意图。设计说明书共分十章，主要内容包括湘01水利枢纽的基本资料、主要建筑物设计、枢纽布置方案、地基处理以及施工导截流等内容。本枢纽主要任务为防洪发电。其正常高水位为140米，发电死水位128米，装机容量为9000千瓦。经调洪演算得其设计洪水位为142.10米，校核洪水位143.08米。本枢纽主要建筑物由挡水建筑物、泄水建筑物、发

3、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，最大坝高为45米，坝顶宽度为4米。厂房坝段包括三个机组段和一个安装场段，厂房采用坝后式。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。详细说明参见正文，以及附带的计算书。 第一章 概述一. 流域概况(参阅J水流域及湘-01水利枢纽位置示意图)J水发源于山区,流经H,C等县市,而于H市附近汇入S江,其于流总长197公里,流域积3356平方公里,坝址控制流域面积711平方公里,占全流域面积的21%,J水属于山区性河流,流域内多为山区和丘陵区,起河床比降为: 上游河段:由河源至石门 1.

4、21% 中游河段:由石门至神山头 0.44% 下游河段:由神山头至河口 0.24%流域内雨量充沛,H市站多年平均雨量为1447.7公里,且雨量多集中于38月份,约占全年平均雨量的70%,尤以46月份雨量集中,每到雨季,山洪爆发,流域内中,下游地区农田(50余万)和城乡人口(30余万人)经常遭到洪水灾害和威胁,甚至造成生命财产的重大损失,在近60年内,曾发生较大洪水6次,而以1934年和1949年为最大.年份死伤人口冲毁房屋冲毁耕地农作物损失1949人间.万.百万斤1934间.万.百万斤1952间.百万斤.百万斤本地区国民经济以农业为主,C县农业人口计64万,耕地面积约计101万,其中水田占百分

5、之八十几,作物以水稻为主,其他作物次之.流域内虽然雨量较充沛,但年内分配极不均匀,往往在农作物生长季节久晴无雨,形成旱灾,根据调查,历年较大旱灾如下表年份年年年受灾面积3827.415.8解放以来,本地区修建了很多小型水利工程抗旱能力大大提高,但为了根治丘陵地区的旱灾,确保丰收,须考虑下游农田实行自流灌溉,其灌溉面积为15万.本地区矿产比较丰富,蕴藏褐铁矿,赤铁矿,煤矿,铜矿和重晶石矿等,目前尚只限于小规模手工开采阶段,其他工业方面尚有陶瓷厂,冶炼厂和穴县厂等,这些工矿企业的发展,农附产品的加工及农村照明等,都迫切需要电力.J水上游盛产竹木和其他物资,因为交通不便,无法运往下游 ,造成水路交通

6、不便的的原因是:山区性河流,坡度陡,在洪水期,水流湍急,不便航运,枯水期水深不足,不能航运,所以,为了沟通城乡物资交流,急需发展水利事业.二:枢纽任务湘-01水利枢纽位于J水上,距C县县城约40公里,根据国民经济发展要求,本枢纽是以防洪发电为主,并考虑灌溉,航运,渔业的综合利用的水利工程.1.防洪修建湘-01水利枢纽后,需确保中下游50余万及30余万城乡人口的生命财产的安全.根据地方的要求,在发生设计洪水时,上游水位不超过144.5米,下泄流量不超过下游河床的安全泄量900秒立方米.2.发电电站装机容量9000千瓦,确保出力2950千瓦,三台机组,每台引水最大流量为11.8秒立方米.机组间距7

7、.0米,厂房尺寸28.0*11.2平方米.发电机层高程112.7米.水轮机安装高程107.4米.尾水管底版高程103.5米.水轮机型号为PO-266-BM-134.引水管直径为1.75米.3.灌溉坝址下游灌溉面积约15万(除5万利用尾水灌溉外,其余10万由水库引水自流灌溉.干渠长度约16公里,坡降约为0.5%,渠首高程要求不低于120米,灌溉引用最大流量为11秒立方米.灌溉取水建筑物设在枢纽上游,另行设计.4.航运水库建成以后,改善通航里程120公里,可通航20吨木船,上游可至余天桥,下游可直达H市.枢纽设计时,仅考虑竹.木过坝建筑物.5.渔业水产水库简称以后,可以发展水产事业,估计可年产鱼1

8、200万斤.三:水文气象资料1.峡谷处各种频率的洪峰流量值如下表:P(%)0.10.20.5126Qm3/s)4770440035402990250018802.逐月各种频率洪峰流量值如下表:月份123456(m3/s)48511401770204029902600(m3/s)4069561402170025002200(m3/s)304716105212801880165010(m3/s)81191280500500439 月份789101112(m3/s)13301100530770590400(m3/s)1100940445640492335(m3/s)82570533548036925

9、110(m3/s)200188891289867附注:洪峰历时过程图 坝址下游水位流量关系曲线 水库水位与面积关系曲线 见附图 水库水与容积关系曲线四：气象特征1：降雨年内雨量多集中与3-8月份，占全年雨量的70%，而以4、5、6三个月为最多，10月至次年1月雨量最少，多年平均降雨量为1447.7毫米，日最大暴雨强度达120.7毫米，多年平均降雨天数为120天。2：降水量多年平均水量为5.07亿立方米。3：水的损失多年平均蒸发量为979.1mm/年。4：气温多年平均温度为17.9最高温度为46.0最低温度为-5.05：水库吹程最大风速18.5米/秒，水库吹程5公里五：河流泥砂特征1：输砂量多年

10、平均输砂量为15.1吨/年。2：淤砂特征 淤砂高程108米，淤砂容重0.5吨/米3，淤砂内摩擦角=0。六：工程材料特征1：粘土：粘土：分布于河谷上游，距坝址约10001500米，=1.6吨/米3，=18，C=0.5吨/米2。2：砂砾料：分布于上、下游河流急转弯处，距坝址平均在两公里左右。3：石料：左右岸山坡均可作为采石场，距坝址约300米4：竹料库区上游盛产楠竹和杉木，可供使用。5：水泥和钢材：水泥和钢材均需由外埠运来。七：施工资料1：劳动力来源主要为本省水利施工队，加上一部分民工2：对外交通（1） 在J水上游左案距坝址8公里初有公路可通H市。（2） 在J水下游距坝址10公里初有公路可通H市3

11、：施工准备省内施工队拥有拌和机、斗车及少量汽车等，其他机械有待施工时从外地调用。4：施工动力由施工队自带柴油发电机发电。八：枢纽及库区地形地质条件 1：坝址地形地貌 本枢纽位于河段峡谷出口处，峡谷进口流向正东，距出口200米，即转流正南，峡谷水面宽约2540米，峡谷长约800米左右，两岸山为泥盆纪坚硬的砾岩及砂岩构造，离出水面150米以上，河谷呈V字形，岸坡较陡峻。2：坝址地质构造峡谷内岩石暴露整齐，覆盖层不厚（12），呈单斜构造，倾向为S030E，倾角4570，构造不复杂，河床亦无构造通过，但节理裂隙较发育，夹有较弱的砂质页岩。坝址基础岩石情况：（1） 下泥盆纪：极坚硬的砾状厚层硅质砂岩及石

12、英岩夹少许薄层碰质页岩，其抗压强度100兆帕以上，摩擦系数为0.65。（2） 下泥盆纪：坚硬的中厚曾中细粒紫色铁质砂岩夹铁质泥质砂岩，抗压强度在100兆帕以上，摩擦系数为0.65。（3） 砂砾石，在河床低部有第四纪砂砾石覆盖层，厚约25米。3：地震烈度坝址地区地震基本烈度为6度，设计时可不考虑地震影响。4：坝址水文地质峡谷地下水以裂隙水与空隙水为主，前者呈不连续分布，主要埋藏在硅质砾岩、石英岩及石英砂岩中，涌水量少，后者呈连续分布，以冲积沟中坡积层最为发达，涌水量变化较大，两者均为大气降雨补给，然后补给河水，地下水出露高程在130米以上，故可见峡谷无漏水危险。地表面以下015米，=0.10.0

13、3公升/分钟，25米以下，=0.01升/分。第二章 枢纽位置确定及各建筑物级别一：确定工程等别和各建筑物的级别根据库容的要求，水电站正常高水位为140米，水库最高水位不得超过143.08米，查水利电力出版社的重力坝设计（潘家铮编写）中的水利水电枢纽工程的分等指标可确定工程等别为二等。根据发电要求，电站装机容量为9000千瓦，查分等指标可确定工程等别为三等。综合以上所述的库容和发电的要求，工程等别需要取最高等别，即该工程等别为二等。根据水工建筑物级别划分可查得主要建筑物为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。（见下表） 建筑物级别洪水重现期134永久建筑物正常运用洪水标准2000500100

14、50永久建筑物非常运用洪水标准5000500临时建筑物105二：坝轴线选择 原始资料给定2条坝轴线提供选择，见附图，轴线I和轴线II，最终定问轴线I，因为混凝土重力坝轴线I，处于河谷的拐角处，而且轴线I垂直于上游河道，相对于轴线II，摆放的枢纽建筑物更稳定，轴线更短，可以节省材料。三：坝型选择1：坝型的初步选择在坝型的选择上存在拱坝、支墩坝、土石坝、混凝土重力坝等。 拱坝拱坝是基本坝型里最晚发展起来的。其优点是利用拱作用于坝体上的水压力传至坝肩两岸的岩体中，坝内的主要应力为压应力，从而充分利用了混凝土抗压的性能，而且可以利用拱座下游的岩体抗历来维持坝的抗滑稳定，最终达到节约材料的目的；且拱座是

15、整体性的空间结构，超载能力较强，坝体比较轻韧，弹性较好，只要基岩稳定，拱坝的抗震能力就比较高；因拱坝较薄，扬压力也较小。但其也存在许多缺点，如拱坝的修建对河谷的形状要求较高，对两岸的岩石完整性要求较高，对坝体材料的强度和防渗要求及施工要求都比较严格，温度应力是它的主要应力，施工过程也较其它坝型困难。拱坝的修建对地形条件和河谷的要求比较高。河谷的形状特征常用坝定高程处的河谷宽度L与坝高H的比值，即“宽高比”L/H来表示。在宽高比较小的河谷，拱坝的弧弦长相对于坝高较小，拱的作用能更好的发挥，大部分荷载通过拱的作用传至两岸，仅有小部分荷载通过梁的作用传至坝基，故坝体可以修建的较薄。根据工程经验，在L

16、/H1.5的深窄河谷可以修建薄拱坝，在L/H=1.53.0的稍宽河谷可以修建一般拱坝，在L/H=3.04.5的宽河谷多修建重力拱坝，而在L/H4.5的宽浅河谷，拱的作用已经很小，梁的作用将成为主要的传力系统，一般认为只能修建重力坝或拱形重力坝较为适合。 支墩坝支墩坝由一系列支墩和盖板所组成。至墩沿坝轴线排列，前面设有盖板，形成挡水面。库水压力由盖板传给支墩，在由支墩传给地基。支墩坝可以节约混凝土方量，随受力情况调整厚度，从而充分利用混凝土的容许抗压强度，从而充分利用材料强度。但其侧向稳定性差，对地基要求严格，钢筋用量也较大，施工条件难易并存，溢流要慎重。由于支墩坝应力复杂，并存在许多问题未得到

17、解决，且近几年的工程中已经很少采用支墩坝了，故本工不采用支墩坝。 土石坝土石坝是土坝和堆石坝的总称。土石坝历史悠久，在国内为广泛采用。因为它可以就地取材，节约水泥、木材和钢筋等重要的建筑材料；对地质要求较低，能适应地基变形；结构简单，便于维修和加高、扩建；施工技术较简单，工序少，便于组织机械化快速施工；有较丰富的修建经验。但其抵御洪水漫顶的能力差，坝身一般不能溢流，需另设溢洪道；施工导流不如混凝土坝方便；粘性土料的填筑受气候条件的影响较大。在甲坝轴线上，没有垭口，不能设置溢洪道，因此不适合选用土坝。 混凝土重力坝岩基上的重力坝在水压力作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力维持稳定。与常用坝型比较

18、，混凝土重力坝具有如下优点：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；由于坝体作用于地基面上的压应力不高，对地形、地质条件适应性强，任何形状的河谷都可以修建重力坝；重力坝可以做成溢流的，也可以在坝内设置泄水孔，一般不需要另外设置溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑，泄洪问题容易解决；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；大体积混凝土可以采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇捣方面都比较简便；重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段，各坝段独立工作，结构作用明

19、确，应力分析和稳定计算都比较简单；在严寒地区，与拱坝或支墩坝相比，受到冻害的影响较小。但是由于依靠自身重力维持稳定，所以坝体的体积较大，要消耗大量的水泥；坝体应力较低，材料强度不能充分发挥；坝体与地基的接触面积大，因而坝底的扬压力较大，对稳定不利；由于坝体体积大，施工期混凝土的温度应力和收缩应力较大，在施工期对混凝土温度控制的要求较高。经过以上几种坝型相比较，本工程适合选用拱坝和重力坝，由于毕业设计需要，先进行混凝土重力坝的枢纽设计，便于做经济比较。2：坝型的进一步选择在重力坝中根据坝的横断面的结构型式可分为实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝、预应力重力坝、碾压混凝土重力坝等。1 宽缝重力坝一

20、般重力坝沿坝轴线所设横缝很宽，又称实体重力坝。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；由于宽缝重力坝所受的扬压力小，坝体混凝土方量可较实体重力坝节省1020，甚至更多；宽缝增加了坝体的侧向散热面，加快了坝体混凝土的散热过程。但是宽缝重力坝增加了摸板用量，尤其是倒坡部分更增加了立模的复杂性；在某些部为上存在局部的不利应力分布，温度应力问题也较多；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。 空腹重力坝空腹重力坝是在坝内布置大型空腔，空腔下面不设底板，坝底所受的荷载直接由

21、所谓的前后腿传到地基上。空腹重力坝坝体内的空腔减小了坝基扬压力，因而混凝土方量可较实体重力坝节省2030，并且可以节省坝基开挖量；上游坝踵的应力较大，扬压力可进一步得到降低；可以适应某些不利的地质条件（例如坝修建在具有软弱断层的地基上，可用空腹越过软弱层）同时尚可利用空腹布置水电站的厂房等。它的缺点是在空腹附近的应力分布较复杂，可能存在一定的拉应力，须配置较多的钢筋，应力分析及施工过程比较复杂在实际工程中很少采用。因此，本工程不选空腹重力坝方案。 预应力混凝土重力坝坝的特点是利用预加应力措施来增加上游部分的压应力，以增加坝体的稳定性，并有效地改善坝身应力，从而可以大大消减坝体的断面，达到节约混

22、凝土的用量。但这种坝也同样存在施工复杂钢筋用量多的缺点，在实际工程中很少采用。因此，本工程不选预应力重力坝方案。 碾压式混凝土重力坝要考虑渗透和层与层之间的接触问题且施工复杂，因为我们现在的水平有限，不能作出很好的论证，因而放弃此种很好的坝型。 实体重力坝实体重力坝是最原始也是最简单的型式。其优点是施工，计算，设计均较简单，应分布也较明确和有利。但其缺点是扬压力大，端面面积和工程量大。本工程所在坝址的地质条件比较好，因而也无须建空腹重力坝，从而减少施工难度；由于宽缝重力坝对扬压力的减少不明显，且其应力也复杂，故也无须修建宽缝重力坝；预应力重力坝的钢筋用量大，施工复杂，在此也不宜选用此重力坝；而

23、实体重力坝其优点及本枢纽所在的地形地质条件（地质较好，河谷的宽高比较大）决定了实体重力坝是重力坝里的最佳坝型。最终方案采用混凝土实体重力坝。四：建筑物类型拟定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，放空建筑物和电站建筑物。泄水建筑物：常用的坝身泄水建筑物有坝身泄水道（包括溢流坝、中孔泄洪孔、深式泄水孔、坝下涵管等）和河岸泄水道（包括河岸溢洪道和泄水隧洞等）。河岸泄水道多用于土石坝的水利枢纽中，并且因为没有垭口，不适合用河岸溢洪道。本工程选用的是实体重力坝，坝身可过水，无需采用泄水隧洞。实体重力坝可做成溢流的形式，坝顶溢流式除宣泄洪水外，也能用于排除冰凌和飘浮物。由于坝顶

24、闸门承受的水头较小，空口尺寸可以较大，随着库水位的升高，下泄量也迅速增大。因此，当遭遇意外洪水时，可有较大的超泄能力，而且闸门启闭操作方便，易于检查修理，工作安全可靠，所以本工程的泄水建筑物可选用溢流坝形式。电站建筑物：由于本枢纽处于河段峡谷出口处，坝宽相对狭窄，流量较小，为了便于摆放枢纽建筑物，此时可采用地下式厂房。放空建筑物：坝下涵管通常布置在土石坝下部，本枢纽采用混凝土重力坝，则不必采用涵管。 隧洞需开挖山体，工程量较大，不宜采用。本工程采用深孔作为放空建筑物。第三章 调洪演算一：选择泄洪方式本水库选择表孔泄洪，表孔和深孔相结合的放空方式。当来水量较小时，采取对称开启或局部开启，当来水量

25、大于闸门全开时下泄量时，闸门全开。二：闸门操作方式水库的运用方式是在洪水来临时，先用闸门控制使来洪量=下泄量q,来多少洪水泄多少洪水，此时，水库保持防洪限制水位不变；当来洪量继续加大，在来洪量大于下泄量q后，闸门全开，作为无闸门情况对待。三：初拟孔口尺寸、确定孔数泄洪单宽流量q与地基岩石有关，坚硬完整的岩石q=100130米3 /秒，较好岩石q=5080米3/秒，较差岩石q=2050米3/秒。本坝坝址处岩石较好，可选单宽流量q=60米3/秒，允许最大设计下泄流量max=900米3/秒，则可初步计算得溢流坝段溢流前缘宽度L0=max/q=900/60=30 ,孔口宽度b=15米。从而可确定孔口数

26、n=30/15=2,取n=2。四：确定堰顶高程闸门宽高比b/h=1.22.0,取b/h=1.666，可算得h=b/1.666=9。闸门一般超过正常水位3050厘米，但不到坝顶。正常高水位为140米，可确定闸门顶部高程为140.5米 ，从而闸门顶部高程为140.5-10=130.5米。五：调洪演算选用半图解法来进行调洪演算，其公式为：（1+2 ）t/2-（q1+q2）t/2=V1-V2，即V2/t+q2/2=（1+2）/2+（V1/t-q1/2）。令f1（Z）=V1-q1/2, f2（Z）=V2+q2/2, f3（Z）=下。式中：1、2分别为计算时段初、末的入库流量（米3/秒） q1、q2分别为

27、计算时段初、末的下泄流量（米3/秒） V1、V2分别为计算时段初、末水库的蓄水量（米3/秒） t为计算时段。取t=5小时=18000秒。下泄流量q为泄洪能力与发电流量之和，其中发电流量为35.4米3/秒，泄洪能力计算公式为BH3/2,其中B=30米。Z 水位（m）V 库容(亿米3)V上 堰顶以上库容（亿米3）H 堰顶以上水头H(米)m 流量系数q 下泄流量(米3/秒)t 时间间隔，详细计算过程参见计算书第一章。两个方案的结果如下表：方案12堰顶高程135136堰流前缘宽3030设计洪水位142.08142.1设计泄流量705645校核洪水位143.06143.08校核泄流量955960上述两个

28、方案的下泄流量均满足要求，且由于坝高较低，两个方案各项数据相差均较小，作为安全考虑，因此选取的方案II作为最后方案，堰顶高程既定为136m，校核洪水位为143.08m。第四章 重力坝挡水坝段剖面设计一：重力坝挡水坝段剖面尺寸初拟1：坝顶高程的确定根据天津大学编的水工建筑物可查得坝顶高程可按以下两个公式计算，并选用其中较大值。坝顶高程=设计洪水位+设坝顶高程=校核洪水位+校经计算，设计情况下坝顶高程为146.633米，校核情况下坝顶高程为145.810米。比较取较大值，坝顶高程最终取为147米。具体计算过程详见设计计算书第二章2：坝顶宽度的确定无交通要求时，坝顶宽度可采用坝高的8%10%，一般不

29、小于2米。坝基面高程为102米，坝高为147-102=45米，所以坝顶宽度可取为4米。取上游边坡系数n1=01,下游边坡系数n2=0.7。根据资料给定淤沙高程为108米。上游边边坡系数为零，下游折坡点高程可根据校核水位选取为138米。3：排水管位置及尺寸的确定为了减小渗水对坝体的不利影响，在靠近上游面处需要布设排水管。排水管距上游面距离一般不小于坝前水深的1/101/20，且在坝顶处排水管据上游坡面的距离不能小于2米，以使渗透坡降在许可范围以内。因此排水管可选在距上游坡面3米处。坝体排水管的间距一般为23米，可取3米左右。管内径为1520厘米，可取20厘米左右。实用剖面（1） 实用剖面（2）

30、实用剖面（3）图5.1 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（1）。4：灌浆廊道位置及尺寸的确定帷幕灌浆需要在坝体浇筑到一定高程后进行，以便于利用混凝土压重提高灌浆压力，保证灌浆质量，为此需在坝踵部位设置灌浆廊道。廊道断面一般采取城门洞形，由于坝高限制，廊道底宽取为2米，高可取为3米。距上游面的距离可取0.050.1倍水头处，廊道地面距基岩不小于1.5倍基岩宽度，因此廊道底面距