水电站挡水建筑物设计含混凝土重力坝均质土坝Word文档格式.docx
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水库正常蓄水位54.00m,水库总库容1.22亿m3,总灌溉面积64.55万亩,枢纽电站装机容量80MW,最大坝高34.5m。
根据中华人民共和国《防洪标准》(GB50201-94)及《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)规定,本工程属二等大
(2)型工程。
永久性主要建筑物有:
拦河坝(混凝土坝、土坝)、泄水建筑物、枢纽发电厂房、灌溉进水口等属2级建筑物。
低干渠渠首电站厂房属4级建筑物。
永久性次要建筑物有:
厂区挡土墙、消能建筑物左、右导墙属3级建筑物。
b)设计洪水标准
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)规定,本工程选定的洪水标准为:
泄水建筑物的消能防冲设计洪水标准重现期采用50年。
低干渠首电站正常运用洪水标准重现期采用20年,非常运用洪水标准重现期采用100年。
c)地震烈度
根据GB18306-2001《中国地震动参数区划图》,本区地震动峰值加速度小于0.05g(50年超越概率10%),相应本工程区地震基本烈度小于6度。
根据DL5073-2000《水工建筑物抗震设计规范》,本工程抗震设防类别为丙类,设计烈度按6度采用。
2.2基本资料
a)水文气象
坝址控制流域面积4082km2
多年平均降雨量1540mm
多年平均流量117m3/s
历史最大洪水流量(宝桥站)25400m3/s
多年平均含沙量0.193kg/m3
多年平均输沙量73.36万t
多年平均输沙率23.26kg/s
历年最高气温39.7℃(1980-04-23)
历年最低气温0.1℃(1974-01-02)
多年平均气温23.9℃
多年平均风速23.5m/s
流域平均相对湿度80%
b)水库特征
正常蓄水位54.00m
设计洪水位(P=1%)54.00m
校核洪水位(P=0.1%土坝)58.54m
校核洪水位(P=0.2%混凝土坝)56.95m
死水位48.00m
总库容1.22亿m3
坝址水位及下泄量见表2.2-1。
表2.2-1上下游水位及下泄量
水位
上游水位
(m)
下泄流量
(m3/s)
下游水位
正常蓄水位
54.00
-
27.61
死水位
48.00
设计洪水位(p=1%)
24800
38.50
校核洪水位(p=0.2%)
54.43
33800
40.32
校核洪水位(p=0.1%)
55.85
37600
41.19
50年一遇洪水位
21000
37.50
20年一遇洪水位
16000
35.547
5年一遇洪水位
8800
33.30
c)动能指标(括号内数据为低干渠渠首电站指标)
单机容量与机组台数2×
40MW(2×
1.0MW)台
多年平均发电量1.322(0.0704)亿kW·
h
保证出力4.82(0.107)MW
年利用小时数1652(3726)小时
机组特征见表1.2-2。
表1.2-2机组特性表
项目
单位
枢纽机组
低干渠机组
机组安装高程
m
23.4
31.0
单机额定流量
m3/s
205.72
7.97
机组最大水头
27.1
19.8
机组最小水头
18.2
12.4
机组额定水头
22.5
15.0
d)地基特性
坝址区岩层为前震旦系抱板群(Ptb)(抱板混合岩体的部分注入混合岩带)。
岩性以黑云斜长片麻岩为主,混合岩化花岗岩及角砾状混合岩次之;
酸性及基性岩以岩脉状产出,且以长英质岩脉为主。
坝址区地处抱板向斜的南翼,片麻岩为主,产状为走向40°
~60°
,倾向NW,倾角50°
坝址上距断裂2km左右,下距昌江-琼海断裂15km左右,断层较为发育。
坝基岩体物理力学指标及土料物理力学指标分别见表2.2-3、表2.2-4。
表2.2-3坝基岩体物理力学指标
岩石名称
项目名称
黑云斜长
片麻岩
花岗片
麻岩
含角闪黑云
斜长片麻岩
含石榴黑云
含石榴二
云片麻岩
混合岩化
花岗岩
密度Pd
(g/cm3)
2.73
2.71
2.72
2.81
2.79
2.62
ωsa(%)
0.15
0.21
0.16
0.29
0.27
饱和极限抗压强度Rw
(MPa)
97.70
69.76
56.07
45.30
29.29
51.55
软化系数KR
0.85
0.76
0.75
0.74
0.61
静弹模E50
(GPa)
38.56
40.16
34.29
44.75
22.24
20.54
动弹模Ed
59.53
65.89
66.96
70.76
46.01
41.52
泊松比μ
0.23
0.25
0.20
0.22
0.28
表2.2-4土料物理力学指标
项目
单位
坝体填土
坝基风化土
设计干密度γd
g/cm3
1.52
1.64(天然)
最优含水量ωau
%
23
18.4(天然)
孔隙比e
0.83
0.64
孔隙率n
45.3
39
天然容重γ
1.87
1.94
饱和容重γm
1.97
2.00
浮容重γb
0.97
1.00
渗透系数K
cm/s
6.2×
10-6
5.0×
10-4
临界坡降J
2.3
抗
剪
强
度
总应
力法
Φu
(°
)
17.9
25.5
Cu
kPa
58.0
10.2
Φcu
18.4
Ccu
34.0
有效
应力法
Φ′
29.5
C′
13.0
e)设计采用的主要技术规范
SL252-2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》
DL5073-2000《水工建筑物抗震设计规范》
SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》
SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》
SL253-2000《溢洪道设计规范》
DL/T5398-2007《水电站进水口设计规范》
SL285-2003《水利水电工程进水口设计规范》
SL266-2001《水电站厂房设计规范》
DL/T5057-2009《水工混凝土结构设计规范》
GB50086-2001《锚杆喷射混凝土支护技术规范》
DL5077-1997《水工建筑物荷载设计规范》
DL/T5178-2003《混凝土坝安全监测技术规范》
2.3枢纽工程量
枢纽建筑物主要工程量汇总见表2.3。
表2.3枢纽建筑物主要工程量汇总表
序号
项目名称
数量
备注
1
混凝土重力坝
1.1
坝基土方明挖
1.2
坝基石方明挖
m3
115540
1.3
消力池石方明挖
34430
1.4
基础回填混凝土C15
2080
1.5
溢流坝砼C20
79420
1.6
非溢流坝砼C20
100400
1.7
闸墩C30
65270
1.8
挡墙砼C25
8774
1.9
护坦砼C20
19070
1.10
门机轨道梁预制砼C40
931
1.11
公路桥预制砼C40
900
表2.3(续)
1.12
其它结构构件砼C30
872
1.13
消力池底板砂浆锚杆(Φ32,L=10m)
根
1660
外露2.0m,锚入基岩8m
1.14
钢筋制安
t
4659
1.15
紫铜片(δ=1.2mm,宽600mm)
680
1.16
固结灌浆(孔径φ46,L=3m)
9573
1.17
帷幕灌浆(孔径φ59,L=12m)
4134
1.18
排水孔(孔径φ110,L=6m)
1920
2
均质土坝
2.1
45180
2.2
土方填筑
25860
浆砌石M7.5
3812
2.4
中砂
11380
2.5
抛石
19610
粒径30~70cm
2.6
碎石
7425
2.7
土工织物
m2
20180
300g/m2
2.8
混凝土C25
562
2.9
草皮护坡(下游坝坡)
11990
3重力坝
3.1坝体布置
混凝土重力坝分右岸非溢流坝段、河床溢流坝段、左岸非溢流坝段及插入式混凝土接头坝段。
其中①~⑧坝段为右岸非溢流坝段,总长116.7m;
⑨~
坝段为溢流坝段,由12个溢流坝段组成,溢流孔尺寸为17m×
16.5m(宽×
高),总长256.5m;
~
坝段为左岸混凝土重力坝段,总长133.8m;
为混凝土接头坝段,采用圆锥形土坝裹头包住混凝土坝接头,混凝土接头总长55.0m。
3.2坝体结构设计
3.2.1坝顶高程复核
水电站混凝土重力坝为2级建筑物,依据调洪演算成果,正常蓄水位54m时起调洪水,设计洪水位为54m(p=1%),校核洪水位(p=0.1%)为57.37m。
水库区的多年平均年最大风速为15.20m/s,基本组合时采用重现期为50年的年最大风速为34.0m/s,最大吹程1.2km。
属平原、滨海地区水库,混凝土坝防浪墙顶高程按《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)附录B中的蒲田试验站公式计算风浪波长、波高、波浪中心线至水库静水位的高度。
坝顶防浪墙顶高程为正常蓄水位或校核洪水位加上相应的高差,取两者中的较大值,具体计算成果见混凝土坝坝顶高程计算表2.2-1。
计算公式如下:
Δh=h1%+hz+hc(3.2-1)
式中:
△h——防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差,m;
h1%——波高,m;
hz——波浪中心线至正常或校核洪水位的高差,m;
hc——安全超高,正常蓄水位取0.5m,校核洪水位取0.4m。
表3.2-1混凝土坝坝顶高程计算表单位:
计算工况
正常蓄水位工况
校核洪水位工况
水位
54
57.37
高差Δh
安全超高hc
0.5
0.4
波浪爬高hz
0.3447
0.1458
波高h1%
1.418
0.594
h1%+hz+hc
2.263
1.1398
计算坝顶防浪墙顶高程
56.263
58.51
根据坝顶高程计算成果,结合坝顶结构布置,在保证坝顶结构不阻水的情况下,确定混凝土坝坝顶高程58.5m,防浪墙顶高程59.7m。
3.2.2右岸非溢流坝段
右岸混凝土重力坝段,坝顶宽6m,坝上游面铅直,下游面坡比1:
0.70,起坡点高程51.0m。
坝内灌浆、排水及交通廊道宽2.5m,高3m,呈城门洞型,廊道距上游坝面3m,距基岩不小于3m。
右岸非溢流坝从右至左9个坝段长分别为:
17m、20m、20m、20.7m、22m、22m、20m、20m、12m。
①、②坝段基础开挖高程51.0m,最大坝高7.5m。
其中①坝段与右岸岸坡相接,为结合右岸坝端布置回车场的需要,将①坝段设为刺墙式接头,坝基开挖范围采用粘土回填至坝顶。
③、④坝段长分别为20m、20.7m,为适应右岸坝址区地形地貌的需要,在③、④坝段间坝轴线向上游偏转35.335℃。
灌浆排水廊道在④坝段下游面桩号坝右0+512.250m、高程44.0m处设有一出口,作为灌浆排水廊道在右岸的交通进出口及通风口,并通过上坝楼梯与坝顶公路相连。
上坝楼梯布置在④坝段下游坝面,宽1.5m,为筋混凝土板梁结构,混凝土强度等级为C20,楼梯外侧设钢护栏。
⑤、⑥、⑦、⑧坝段坝顶宽6m,坝上游面铅直,下游面坡比1∶0.7,起坡点高程51.0m。
⑥、⑦坝段基础座落在F4、F10断层交汇影响带上,基础最低开挖高程为25.0m,相应的最大坝高为33.5m。
实际开挖过程中,揭示的地质情况相对较好,根据实际情况相应的抬高大坝建基面。
3.2.3左岸非溢流坝段
左岸非溢流坝由
共7个坝段组成,各坝段长分别为:
19.8m、20m、20m、20m、20m、15m、20m,总长134.8m,坝基最低开挖高程26.0m,最大坝高32.5m。
坝段与厂房①机组段进水口左边墩联结成整体,联合受力。
灌浆排水廊道在桩号坝右0+108.550m处中心线由坝0+004.250m折变为坝0+007.250m,采用竖井1.5m×
2.5m(宽×
高)与厂房灌浆排水廊道相通,通过排水管将左岸非流坝段渗水集中排往厂房集水井。
该坝段基础最低开挖高程为26.0m,最大坝高32.5m。
坝段坝顶高程58.5m,顶宽11.5m,坝上游面铅直,下游面坡比1:
0.70,起坡点高程43.143m,顶部设坝顶配电房。
、
坝段坝顶宽6m,坝上游面铅直,下游面坡比1∶0.70,起坡点高程51.0m。
该部位地质情况较好,坝基开挖高程29.0m,最大坝高为29.5m。
灌浆排水廊道在
坝段桩号坝右0+045.000m处设有左岸唯一的交通进出口或通风口,并与厂区回车场(高程34.3m)相通。
在
坝段间,坝轴线向上游偏转24.242º
,以适应左岸坝址区地形地貌的需要。
坝段设有低干渠进水口,中心桩号为坝右0+024.000m,为坝式进水口,该进水口兼有发电、灌溉及施工期灌溉取水三种功能。
进水口总宽度17.0m,伸出上游坝面9.0m,设有检修门槽,孔口尺寸为3.0m×
5.0m(宽×
高)。
进水口后为坝内埋管,首段为3.0m长的渐变段,由2.6m×
2.6m的矩形横断面渐变为直径2.6m的圆形,其后接内径2.6m的坝内埋管,由上弯段、斜段、下弯段及下平段组成,立面弯段的转弯半径均为7.5m,埋管全长约26.85m。
3.2.4插入式混凝土接头坝段
插入式混凝土接头坝段由
坝段组成,具体布置如下:
左岸混凝土接头坝段共3个坝段,总长55.0m,从右至左前两坝段长20.0m,其上游面由垂直渐变为
1∶0.1的坡,下游面坡比由高程51.0m起坡的1∶0.7渐变为1∶0.55。
坝段坝顶长15.0m,其中插入土坝段长5.0m,前10.0m坝段其上游面由垂直渐变为1∶0.1的坡,下游面由高程51.0m起坡的1∶0.55渐变为1∶0.5;
后5m坝段其上游面由高程58.0m按1∶0.1放坡,下游面由高程51.0m按1∶0.5放坡,靠近土坝侧由高程58.0m按1∶0.3放坡,该坝段按坝底长计算为23.7m,采用圆锥形土坝裹头包住混凝土坝的端部。
3.3坝体稳定及应力计算
3.3.1工程地质条件
混凝土重力坝总长608.1m,其中河床溢流坝段长256.5m,右岸非溢流坝段长173.7m,左非溢流坝段坝长177.9m,混凝土接头坝段55.0m。
枯水期河床宽约310m,基岩裸露,其高程为25.8m~28.7m,局部深槽达22.2m~22.7m。
弱风化岩体下限深1m~2m,局部深度2.5m~4m,其下为微风化~新鲜岩体,岩性致密较坚硬,但完整性相对较差。
根据《水利水电工程地质勘察规范》中坝基岩体工程地质分类标准,河床坝基范围内:
AⅡ类(Vp>5000m/s)岩体占26%,AⅢ1类(Vp=4200m/s~5000m/s)岩体58%,AⅢ2类(Vp=3500m/s~4100m/s)岩体16%。
坝基内共有15条断层通过,除F4、F9、F10断层规模较大外,其余断层规模均较小,且胶结良好,对工程无大影响。
F9断层沿河床深槽展布,地表未见出露,是一条依据钻孔资料查明的断层,断层两侧平行断层的节理发育,岩体完整性差,地表波速Vp=3500m/s~4000m/s,相对隔水层顶板(q≤5Lu)埋深30m,F9断层是形成河床深槽的主要地质因素,经钻孔查明,槽底基岩高程一般为21m~23m,局部深坑(拟建坝线下游22m处)16m~18m,F9断层及河床深槽是溢流坝的主要工程地质问题。
F4与F10断层在右岸坡相交形成宽50m~60m(沿坝线方向),深10m~20m的风化槽,槽内岩石破碎,地震波速Vp=3600m/s,相对隔水层顶板(q≤5Lu)埋深45m~50m,断层及风化深槽构成右岸混凝土坝基的主要工程地质问题。
坝基岩石抗剪强度建议值见表3.3-1。
表3.3-1坝基岩石抗剪强度建议值
磨擦面
抗剪强度
抗剪断强度
f
c
MPa
f′
c′
混凝土/岩石(新鲜)
0.71
1.05
岩石/岩石
1.57
3.76
缓倾角节理面
0.48
0.11
坝基缓倾角节理主要发育于右岸河边及河床深槽右侧,其它部位零星分布。
据现场26个点及2550m2面积统计:
坝基范围内右岸河边一带,缓倾角节理的线连通率为30%~40%,面连通率为45%;
深槽右侧地带线连通率为30%左右,面连通率30%~35%;
其他部位的连通率为15%左右。
坝基可能滑动面有沿建基面和浅层缓倾角结构面两种型式。
缓倾角结构面的连通率建议按50%取用,该复合浅层滑动面力学指标的加权平均值为f′=0.83、c′=0.62MPa。
建议两岸混凝土坝坝基开挖至弱风化带上部岩体,河床应清除被节理裂隙切割松动的弱风化岩块;
断层及较大裂隙(风化深槽)部位用刻槽回填混凝土处理;
缓倾角结构面需锚固和部分清除;
节理密集带加强固结灌浆,以提高其整体性;
防渗帷幕灌浆一般可按一排设置,右岸和河床深槽部位需加深加密并按二排设置,灌浆深度应深入相对隔水层(q≤5Lu)下3m~5m,并辅以排水措施。
坝基岩(土)体开挖边坡坡比建议值见表3.3-2。
表3.3-2坝基岩(土)体开挖边坡坡比建议值
岩体风化程度
永久边坡
临时边坡
全风化
1∶1
1∶1.25
边坡高度大于10m~15m需设
马道
强风化
1∶0.5
1∶0.75
弱风化
1∶0.3
微风化
1∶0.25
3.3.2计算荷载及组合
坝体稳定与应力计算荷载包括:
坝体自重、上下游面的静水压力、上游淤沙压力、浪压力、坝基扬压力、坝顶活荷载等。
按照SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》,以抗剪断强度公式和材料力学法进行计算与验算。
选取坝高最大的典型剖面分别计算坝体沿坝基面的稳定和应力以及沿缓倾角节理面的抗滑稳定。
计算工况为:
①持久状况基本组合(正常蓄水位情况)
上游正常蓄水位54m,下游无水。
荷载组合:
自重+静水压力+扬压力+淤沙压力+浪压力+坝顶桥上活荷载
②偶然状况偶然组合(校核洪水情况)
上游水位56.95m,下游水位40.36m。
自重+上、下游静水压力+扬压力+淤沙压力+浪压力+坝顶桥上活荷载+上、下游水重
③因坝址区存在缓倾角节理面,勘测统计出共分如下3组
(一)N35°
~55°
W,SW∠5°
(二)N65°
~75°
E,NW∠5°
~12°
(三)N60°
~80°
W,NE∠10°
缓倾角节理的线连通率为30%~40%,面连通率为45%;
深槽右侧地带线连通率为30%左右,面连通率30%~35%
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