水利枢纽和主要建筑物设计详细Word格式.docx
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1934
/
15540间
14.25万
14.09百万斤
1952
4550间
7.95百万斤
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
1945年
1946年
1953年
受灾面积
38
27.4
15.8
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7.0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-B米-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1200万斤.
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(%)
0.1
0.2
0.5
1
2
6
Q米3/s)
4770
4400
3540
2990
2500
1880
2.逐月各种频率洪峰流量值如下表:
月份
3
4
5
Q1%(米3/s)
485
1140
1770
2040
2600
Q2%(米3/s)
406
956
1402
1700
2200
Q5%(米3/s)
304
716
1052
1280
1650
Q10%(米3/s)
81
191
280
500
439
7
8
9
10
11
12
1330
1100
530
770
590
400
940
445
640
492
335
825
705
480
369
251
200
188
89
128
98
67
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979.1米米/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-5.0℃
5:
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
输砂量
多年平均输砂量为15.1吨/年.
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φ=0.
六:
工程材料特征
粘土:
分布于河谷上游,距坝址约1000~1500米,γ=1.6吨/米3,φ=18°
C=0.5吨/米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.
石料:
左右岸山坡均可作为采石场,距坝址约300米
竹料
库区上游盛产楠竹和杉木,可供使用.
水泥和钢材:
水泥和钢材均需由外埠运来.
七:
施工资料
劳动力来源
主要为本省水利施工队,加上一部分民工
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
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.
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
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25~40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.
坝址地质构造
峡谷内岩石暴露整齐,覆盖层不厚(1~2),呈单斜构造,倾向为S0°
~30°
E,倾角45°
~70°
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2~5米.
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.
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0~15米,ω=0.1~0.03公升/分钟,25米以下,ω=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
永久建筑物正常运用洪水标准
2000~500
100~50
永久建筑物非常运用洪水标准
5000
临时建筑物
10~5
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.
坝型选择
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.
①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/H<1.5的深窄河谷可以修建薄拱坝,在L/H=1.5~3.0的稍宽河谷可以修建一般拱坝,在L/H=3.0~4.5的宽河谷多修建重力拱坝,而在L/H>4.5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.
②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.
③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.
④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,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.
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10%~20%,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.
②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20%~30%,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.
③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.
④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.
⑤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.
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
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,当来水量大于闸门全开时下泄量时,闸门全开.
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Q=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Q大于下泄量q后,闸门全开,作为无闸门情况对待.
初拟孔口尺寸、确定孔数
泄洪单宽流量q与地基岩石有Q关,坚硬完整的岩石q=100~130米3/秒,较好岩石q=50~80米3/秒,较差岩石q=20~50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米ax=900米3/秒,则可初步计算得溢流坝段溢流前缘宽度L0=Q米ax/q=900/60=30,孔口宽度b=15米.从而可确定孔口数n=30/15=2,取n=2.
确定堰顶高程
闸门宽高比b/h=1.2~2.0,取b/h=1.666,可算得h=b/1.666=9.闸门一般超过正常水位30~50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.
调洪演算
选用半图解法来进行调洪演算,其公式为:
(Q1+Q2)Δt/2-(q1+q2)Δt/2=V1-V2,即V2/Δt+q2/2=(Q1+Q2)/2+(V1/Δt-q1/2).
令f1(Z)=V1-q1/2,f2(Z)=V2+q2/2,f3(Z)=Q下.
式中:
Q1、Q2分别为计算时段初、末的入库流量(米3/秒)
q1、q2分别为计算时段初、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)
Δt为计算时段.取Δt=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m
BH3/2,其中B=30米.
Z—水位(米)
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)
米—流量系数
q—下泄流量(米3/秒)
Δt—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
堰顶高程
135
136
堰流前缘宽
30
设计洪水位
142.08
142.1
设计泄流量
645
校核洪水位
143.06
143.08
校核泄流量
955
960
上述两个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136米,校核洪水位为143.08米.
第四章重力坝挡水坝段剖面设计
重力坝挡水坝段剖面尺寸初拟
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.
①坝顶高程=设计洪水位+Δh设
②坝顶高程=校核洪水位+Δh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
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.
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1/10~1/20,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2~3米,可取3米左右.管内径为15~20厘米,可取20厘米左右.
实用剖面
(1)
实用剖面
(2)
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).
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0.05~0.1倍水头处,廊道地面距基岩不小
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