工程科技面坂堆石坝设计说明书.docx
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工程科技面坂堆石坝设计说明书
摘要
本毕业设计题目为《黑河水利枢纽布置及面板堆石坝设计》,题目来源于黑河水利水利枢纽工程实际。
设计的目的及意义主要在于巩固、扩大和提高所学水利水电理论知识,使其得到实际运用,并使之系统化,锻炼和培养运用所学专业基础理论知识解决工程实际,并进行设计、计算、制图的能力,提高撰写专业技术报告的水平。
设计的主要内容有:
坝址、坝型选择和枢纽布置,调洪计算,面板堆石坝设计,泄水建筑物设计,构造设计,地基处理等。
此外还进行了混凝土面板堆石坝的断面设计以及材料分区、面板、趾板、止水构造、面板分缝等设计。
设计过程中,采用的主要方法有关于调洪计算的半图解法、坝坡稳定计算的简化毕肖普法和瑞典圆弧法、渗流计算的水力学法、坝顶垂直沉降的工程类比估算法,以及相关规范、手册所推荐的方法。
具体设计详见设计说明书,另外除了设计说明书外,还有反映本次设计成果的9张图纸,以及设计过程中攥写的开题报告、文献综述、外文翻译报告各一份。
关键词:
混凝土面板堆石坝,调洪计算,面板,趾板,枢纽布置
ABSTRACT
ThedesignisabouttheprojectlayoutoftheHeihehydrauliccomplexandconcretefacerock-filldam.ThetopicofthedesigncomesfromtheHeiheEngineering.Thepurposeofthedesignmainlyismakingtheknowledgewelearnedforwaterresourcesandhydraulicengineeringintopracticeandmakingitsystematize,andtheabilityfordesigning,computingandwriting.
Thedesignmainlyincludesdamsiteselection,choiceofdamtype,projectlayout,routing,concretefacerock-filldamdesign,outletworksdesign,structuredesignandground-handing.Besides,Ialsodealwiththeprobleminsectionofconcretefacerock-filldamdesign,zoning,faceslab,toeslab,waterstopandslabjoints.
Inprocessofthedesign,themethodsmainlyincludethehalfillustratedmanualtableforrouting,BishopandtheSwedishslip-circlemethodforthedamslopestability,thehydraulicsforseepage,andestimatingtechniquesfordamcrestverticalsettlementanddesigncode、manualofthedesignmentionedabove.
Besidesofhavingdesigninstructiontodescribethedetails,thereareninedrawingstoreflectthedesignachievements.
KEYWORDS:
concretefacerock-filldam,routing,faceslab,toeslab,projectlayout
.
1工程概述
1.1工程概况
黑河水利枢纽工程位于西安市周至县马召镇黑河干流秦岭峪口处,北距周至县城约12km,黑河金盆水利枢纽是西安市黑河引水工程的重要水源工程,是一项以西安城市供水为主,兼顾灌溉,结合发电、防洪等综合利用的大型水源工程。
1.2工程特性表
黑河水利枢纽的工程特性列与表1-1
表1-1黑河水利枢纽工程特性表
名称
单位
数量或特性
水文泥沙
坝址控制流域面积
km2
1481
多年平均流量
亿m3
6.67
设计洪峰流量
m3
5100
校核洪峰流量
m3
7400
最大洪峰流量
m3
9100
工程等别
Ⅱ等大
(2)
主要建筑物级别
1级
水库
正常蓄水位
m
594
设计洪水位
m
593.73
校核洪水位
m
599.36
死水位
m
520
总库容
亿m3
2.1
调节库容
亿m3
0.39
大坝
坝形
混凝土面板堆石坝
地震基本烈度
Ⅷ度
坝顶高程
m
601.15
坝顶轴线长
m
453
最大坝高
m
129.15
坝顶宽度
m
12
续表1-1
溢洪洞
堰顶高程
m
578
孔口尺寸
12m×16m
设计洪水位下泄流量
m3/s
1492
校核洪水位下泄流量
m3/s
2361
消能方式
挑流消能
进水口形式
表孔溢流堰进水口
洞长
632.937
泄洪洞
进口底板高程
孔口尺寸
10m×10m
设计洪水位下泄流量
m3/s
2490
校核洪水位下泄流量
m3/s
2645
消能方式
挑流消能
进水口形式
塔式
洞长
687.609
2设计任务及意义
2.1设计任务
(1)了解黑河工程概况,熟悉设计所需的地形、地质、水文等资料进行黑河水利枢纽整体布置,确定坝轴线位置和泄水、排沙、取水、发电等建筑物的位置、形式和尺寸;
(2)进行调洪演算,确定下泄流量和水库设计洪水位、校核洪水位等特征水位,确定特征库容,初拟泄水建筑物的形式与尺寸,并进行相关水力计算,确保设计与校核情况下的安全泄洪能力;
(3)拟订排沙、取水等其它建筑物的形式和尺寸,并进行相关的结构计算和设计,在此基础上完成整体枢纽布置;(4)拟订可用的坝型方案,进行坝型方案的比较与选择;
(5)进行大坝、泄水等枢纽建筑物的结构设计和细部设计,并画出相应草图;(6)进行专题深入部分,分析确定面板坝的断面尺寸、材料分区及地基处理措施等,进行坝体断面设计、细部设计等;(7)绘制相关设计图纸。
包括:
枢纽平面布置图、大坝典型横剖面图、横剖面图,各主要建筑物的细部设计图,专题深入部分细部设计图等。
2.2设计阶段
本毕业设计为黑河水利枢纽布置及面板堆石坝设计其中黑河水利枢纽布置为初步设计阶段;面板堆石坝设计达到施工图设计阶段。
2.3设计目的及意义
(1)巩固、扩大和提高所学理论知识,并使之系统化;
(2)锻炼和培养运用所学到的专业基础理论知识解决工程实际问题的能力,并初步掌握设计水利枢纽工程的内容、原则、方法和步骤;
(3)提高工程制图能力,掌握CAD制图的基本方法,提高撰写专业技术报告的水平;
(4)掌握水利枢纽布置设计及面板坝设计的基本原理和方法;
(5)使学生进一步树立正确的设计思想,进一步树立热爱社会主义祖国、热爱祖国水利水电建设事业的高尚情操,培养学生勇于攀登高峰、刻苦钻研、实事求是、谦虚谨慎、认真负责的工作作风。
3基本资料
3.1水文气象
3.1.1流域水文概况
黑河为渭河南岸较大支流,位于东经10773~10824,北纬3342~3413之间,属于黄河二级支流,发源于秦岭太白山北麓,由西南流向东北,至周至县马召镇附近出峪,向东北汇入渭河,流域面积2258km2,干流总长125.8km,河道平均比降8.77。
流域最高为太白山主峰,海拔3767m,流域分水岭平均高程海拔为2400m。
黑河流域为扇状,东西最大宽度约60km,主要支流有陈家河、大蟒河、清水河、太平河、板房子河、虎豹河、王家河等(支流多汇集于右岸,右岸支流集水面积约为左岸的3倍),陈家河以下黑河干流较为顺直,无较大支流汇入,流域平均宽度约6km。
峪口以上干流长91.2km,控制流域面积1481km2,约占全流域面积的65%,干流经高山深谷,河床比降大,约为147‰峪口以上为秦岭林区,流域内植被良好,森林覆盖率为46.5%,含沙量小,水质无污染,符合国家饮用标准。
黑峪口水文站实测径流资料较长,但解放前有4年21个月资料缺失。
由于黑河径流主要是由降雨形成,降雨径流对应较好,因此采用降雨资料相关插补。
黑河径流主要由降雨形成,据43年的实测资料统计,实测年最大径流量12.2亿m3,最小年径流量量3.04亿m3,多年平均径流量6.67亿m3,径流年内分配不均匀,7~9月的径流量占全年径流量的50.2%,实测最大流量3040m3/s,最小流量1.0m3/s,多年平均流量21.0m3/s。
3.1.2洪水分析计算
(1)洪峰流量
黑河流域洪水主要由暴雨形成,洪水最早出现在4~5月,但一般洪峰较小。
年最大洪水出现在7~8月。
10月亦有洪水发生。
黑屿口水文站43年实测资料中,最大洪峰流量为Q=3040m3/s(发生于1980年7月2日),相当于50年一遇洪水,再加上历史调查洪水,经过频率分析得到洪水特征参数及各种频率得计算值见表3-1。
表3-1洪峰流量统计参数及频率值单位:
m3/s
统计参数
频率P%
Q0
CV
CS/CV
0.01
0.02
0.1
0.2
0.5
1
2
5
820
0.85
3.5
8000
7400
5800
5100
4300
3600
3000
2200
(2)洪水总量
洪量设计采用24小时及72小时作为设计阶段。
另外采用1940~1953年1日及3日洪量插补出相应年份的24小时,72小时洪量,使洪量资料延长至42年。
统计参数及频率计算见表3-2。
表3-2洪水统计参数及频率值单位:
亿m3
项目
统计参数
频率P%
W0
CV
CS/CV
0.01
0.1
0.2
0.5
1
2
W24
0.46
0.65
3.0
2.881
2.206
2.003
1.734
1.53
1.326
W72
0.802
0.55
2.5
3.807
3.034
2.808
2.481
2.238
1.991
(3)分期设计洪水
分期设计洪水按不跨期原则选取年最大值法。
根据洪水季节变化规律及施工期防洪需要分别计算枯水期11~3月,春汛及夏枯4~6月以及10月三个时段的洪水量值。
详见表3-3。
(4)可能最大洪水估算
设计暴雨采用典型暴雨水汽与效率放大求得。
典型暴雨选取1980年7月2日与1981年8月21日两场(相应为实测最大洪水及次大洪水的暴雨)。
可能最大暴雨及频率计算值见表3-4。
由可能最大暴雨,经产汇流计算求得最大可能洪水及洪水总量:
PMFQ=9100m3/s
72小时洪水总量W72=4.37亿m3
24小时洪水总量W24=3.62亿m3。
表3-3分期洪水计算成果表单位:
m3/s
分期
时段
统计参数
频率P%
Q0
CV
CS/CV
0.5
1
2
3.3
5
10
4~6月
235
0.96
Cs/Cv
0.5
1
2
3.3
5
10
10月
160
1.20
2.5
1270
1090
917
840
690
520
11月~次年3月
40
1.15
2.5
1110
940
765
690
540
390
表3-4可能最大暴雨及频率计算值雨量单位:
mm
项目
可能最大
频率计算法
“80.7典型
均值
CV
CS/CV
0.01
0.1
H24
295
57
0.47
3.5
256
202
H12
235
43
0.49
3.5
203
159
(5)洪水过程线
选择1980年7月2日洪水过程线作为放大典型,采用分时段同频率控制放大法,绘制处K~t关系曲线,放大过程及结果见图3-1。
3.1.3气象
黑河流域于1938年10月在黑峪口设立水文站,基本断面位于峪口黑惠渠首上游800m处,即黑峪口
(二)站,1939年内下移500m,又恢复至
(二)断面,1966年下移100m,即黑峪口(三)断面,观测至今。
黑河水库水文站基本断面位于黑惠渠首上游700m处。
累计观测资料47年。
黑河流域先后设有13个雨量站,系列长短不一,早在1940年黑峪口水文站就有雨量观测资料,1953年设立板房子雨量站,1954年设立王涧雨量站,1955年设立金井、老水磨、庙哑子等雨量站,另外1960年设立双庙气象站,观测降雨、气温、湿度等项目。
图3-1洪水过程线
黑河流域属于暖温带半干旱、半湿润大陆性气候,山川气温相差较大,山区气温较低,据双庙气象站资料统计,多年平均气温6.4℃,最低气温19℃最高气温29.7℃。
出山口后平川地区气温较高,据周至县气象站资料统计,年平均气温13.2℃。
最低气温-18.1℃,最高气温42.4℃。
多年平均最大风速20m/s,主风向为WNW,最大冻土深度24cm。
流域内降雨南多北少,山区年降雨900mm以上,黑峪口水文站多年平均降雨量841.3mm,周至县年平均降雨为670mm,为黑峪口降雨的80.2%。
多年平均径流深472.8mm。
降水年内分布很不均匀,据统计多年平均7~10月四个月内降水为全年降雨量的60%。
实测月最大降雨为342.9mm(1981年8月)。
由黑峪口水文站水文资料,多年平均水温11.3℃,最高水温36℃,最低水温为℃。
由32年蒸发资料统计,蒸发皿多年蒸发量1100.5mm,折算水面蒸发强度825.4mm。
黑河流域属于暖温带半干旱、半湿润大陆性气候,山川气温相差较大,山区气温较低,据双庙气象站资料统计,多年平均气温6.4℃,最低气温-19℃最高气温29.7℃。
出山口后平川地区气温较高,据周至县气象站资料统计,年平均气温13.2℃。
最低气温-18.1℃,最高气温42.4℃。
多年平均最大风速20m/s,主风向为WNW,最大冻土深度24cm。
流域内降雨南多北少,山区年降雨900mm以上,黑峪口水文站多年平均降雨量841.3mm,周至县年平均降雨为670mm,为黑峪口降雨的80.2%。
多年平均径流深472.8mm。
降水年内分布很不均匀,据统计多年平均7~10月四个月内降水为全年降雨量的60%。
实测月最大降雨为342.9mm(1981年8月)。
由黑峪口水文站水文资料,多年平均水温11.3℃,最高水温36℃,最低水温为℃。
由32年蒸发资料统计,蒸发皿多年蒸发量1100.5mm,折算水面蒸发强度825.4mm。
3.1.4泥沙
黑河流域植被良好,河水清澈,河流悬移质的含量较小,泥沙主要为推移质。
据黑屿口水文站1956~1983年实测悬移质泥沙资料统计,多年平均输沙量30.62万t,每年平均含沙量0.387kg/m2,实测年最大输沙量151万t,年最小输沙量0.75万t,泥沙的年际变化较大,年内分布不均,主要集中在汛期的大洪水中。
悬移质泥沙的测验符合水文测验规范。
黑河多年平均输沙量39.78万t,其中推移质9.81万t。
推移质及悬移质年输沙量28.8万m3。
3.1.5坝址下游水位流量关系及库容曲线
(1)坝址下游水位流量关系曲线
水位流量关系采用黑峪口水文(三)断面1966~1983年共十八年实测的水位流量资料及1980年洪水(3040m3/s)、1981年洪水(2530m3/s)及1983年洪水(1510m3/s)时的过水断面面积、最大水深、水面比降及糙率等资料。
断面糙率n=0.035
水面比降J=39.5‰0
断面水深h=6.2m
断面流速V=7.4m/s
黑河水文(三)断面水位流量关系曲线见图3-2。
黑河泄洪建筑物出口距水文(三)断面距离分别为180~300m,而此段河流平顺,过水断面变化不大,因此水文(三)断面的水深按39.5‰0的水面比降上抬1m即代表泄洪建筑物处的水位流量关系。
图3-2下游河道水位~流量关系曲线
(2)库容曲线
黑河水库水位—库容曲线见图3-3。
图3-3黑河水库~库容曲线
3.2工程地质
3.2.1区域地质概况
(1)地形地貌:
该区位于秦岭北麓,地势南高北低,相对高差500m~1000m,属侵蚀中高山区。
区内河溪深断而众多,河谷狭窄,案坡陡峻,河流发育有残缺不全的1~5级侵蚀堆积基座阶地。
在斜坡地带分布有3000多个崩塌和滑坡后重力堆积地形;在桃李坪和金盆村附近由于河流蛇曲作用而形成的古河道地形。
(2)地层岩性:
库区的地层岩性主体为前震旦系宽坪群教场组(AnZKj),甘峪湾组(AnZKg)及坝址区大镇沟组(AnZKd)变质片岩层,在库尾有二迭、三迭和侏罗系的沉积碎屑岩层。
坝址区大镇沟组的主要岩性为:
云母石英片岩(Se),绿泥石片岩,钙质石英岩(Qu)。
水库区地层岩性除第四系覆盖层外,基岩主要为前震旦系宽坪群教场组、口屿湾组及大镇沟组,浅变质的片岩夹少量钙质石英岩;在库尾有前震旦系秦岭群东流水组、双磨组变质较深片岩和混合岩。
(3)地质构造:
该区只位于秦岭纬向构造体系中段北部,主要受南北向压力作用。
故近东西向的构造形际组成主体骨架,复式皱褶,断层及岩浆的出露,大多呈东西向延伸。
(4)水文地质:
河谷两岸地下水以基岩裂隙水为主,地下水一般补给河水,以下降泉形式出露。
该处水质无污染源。
据水质分析,河水和地下水均属于低矿化水,水质良好,适合工业,农业和生活用水。
(5)区域稳定性评价:
库坝区地震基本烈度为Ⅶ度。
据分析认为水库不大可能发生诱发地震,即使发生,其地震基本烈度不可能达到Ⅶ度,其理由是:
a.库区无近期构造和活动性断层;b.无深大断层和温泉;c.无明显地貌反差;d.无深层渗漏问题;e.库区可溶岩不发育;f.库容小,仅2亿m3。
3.2.2库区工程地质条件
库区基岩大多裸露,且植被良好,水库上游是森林区,水量下充沛,含沙量低,基本无污染,水质优良,适合工农业和生活用水,为良好的天然供水源地。
水库淹没损失小,基本无渗漏问题。
(1)东岭,位于古河道与黑河左岸之间,分水岭最大宽450m~500m,正常蓄水位处宽240m,主要地质岩性为云母石英片岩(Se),绿泥石片岩(Sc)和钙质石英片岩(Qu),呈互层状分布,岩层走向85°~110°,与东岭走向基本正交,易沿层面产生渗漏邻谷渗漏。
另外钙质石英岩中多有溶蚀洞及溶蚀裂隙,建库后形成漏水通道,危及大坝及泄洪洞安全。
主要断层破碎带有F5、F20、F37、F75等,一般宽3~5m,其中、F37、F75宽10~20m,最大单位吸水量ω=20~30L/min·m·m,沿断层破碎带可能发生集中渗漏。
(2)北岭,位于金盆古河道北端,地形上有一凹槽,宽130m~150m,槽内地面最低高程593.0m,基岩顶板最低高程568.3m。
凹槽中心钻孔ZK23及ZK77间有一条南北向发育的断层,宽度约60~70m,北岭天然豁口的形成与该断层破碎带的发育有关。
覆盖层为壤土及砂卵石,基岩强风化层很厚,且有发育宽大的断层破碎带,岩层渗透性较强,ω=0.037~0.157L/min·m·m,局部ω=20~30L/min·m·m槽内地下水位高程539~549m,低于水库正常蓄水位,故必须构筑副坝挡。
坝基下砂卵石层、断层破碎带及基岩表层和互状溶洞区,均为渗漏通道。
3.2.3坝址工程地质条件
(1)地质概况:
A.地质岩性:
基岩为变质岩,岩性主要有云母片岩(Se)
绿泥石片岩(Sc)、和钙质石英岩(Qu)三种。
第四系覆盖分布较广,其中河床卵石层厚8m~13m,一级阶地卵石厚2m~5m,上部壤土层厚2m~10m;二级阶地卵石厚2m~10m,上部壤土层较厚;其他还有坡积和重力堆积土。
B.地质构造:
坝址区位于西骆岭~田峪北斜南翼,岩层走向近东西,倾向上游,倾角30°~40°;据统计坝区有81条。
大多属层间错动挤压形成的逆断层,断层破碎带宽度一般0.2m~5m,大者可达到10m~20m,主要为泥质角砾及碎岩组成。
节理裂隙主要有NE、NW、近SN走向和一组缓倾角裂隙共四组。
C.水文地质:
地下水类型可分三种
a.孔隙水。
含水层为河床砂卵石,含水量大,透水性强,厚度8~17m左右。
渗透系数K=88.5~91.7m/d。
b.基岩裂隙水。
受大气降水补给,该水层水量不大且不均一,分布高程不等,沿裂隙断层带渗水呈下降泉出露。
c.基岩承压水。
该含水层多以断层破碎岩为主,是局部存在,补给来源仍是两岸山体,水头高出河床0.34m~25m,但流量甚微,由于埋深(44m~100m)较大,故对建筑物不会产生影响。
地下水、地表水对混凝土均无侵蚀性。
D.物理地质现象:
根据野外观察、平硐资料及声波测试等手段分析金盆坝址岩体风化特征如下:
滑坡,坝区滑坡体共16处,其中以1#、2#滑坡规模较大。
岩石中以云母石英片岩抗风化能力最低,绿泥石片岩次之,钙质石英岩最强。
一般而言坝区右岸强风化深达16~20m,河床部位3~5m,左岸7~20m。
弱风化层厚度27m~90m,卸荷裂隙发育带的卸荷带。
另外由于平行岸边的高倾角构造裂隙Ⅱ及同时发育的两组缓倾角裂隙Ⅵ、Ⅶ组,形成了不利于岸坡稳定的结构面。
(2)大坝基础岩石物理力学性质
据试验资料,弱风化基岩干密度:
ρd=2.77g/cm3~2.39g/cm3,其中片岩(Se,Sc)湿抗压强度Rw>35MPa,钙质石英岩(Qu)Rw>100MPa。
坝基岩体渗透性:
据钻孔压水试验成果,坝基岩体渗透性很不均一,其中绿泥片石岩单位吸水率ω=0.13~0.163L/L/min·m·m,云母石英片岩ω=0.02~0.94L/min·m·m,钙质石英岩ω=0.522L/min·m·m,断层破碎带ω=0.029~0.152L/min·m·m。
3.2.4其他主要建筑工程地质条件
(1)溢洪洞:
进口引渠段位于2#滑坡上,地基不稳定,进口洞脸岩层裂隙发育,岩性破碎,洞室段岩性主要为云母石英片岩,绿泥石片岩,钙质石英岩。
洞室围岩按分类均为稳定性和极不稳定岩体。
均在弱风化岩体中,但因岩体发育5组裂隙和6条断层破碎带,结构面互相结合,使洞顶及左侧洞壁切割成契形体,开挖时易发生塌方。
(2)泄洪洞:
围岩岩性主要为云母石英片岩,绿泥石片岩和中厚层钙质石英岩,呈互层状分布,片理和裂隙很发育,主要断层有F4F5F20F21F23F31等。
(3)引水洞
该洞与溢洪洞相距很近,地层岩性基本相同,主要断层为F4F53F82F38和F5~31共计13条,围岩分类为稳定性差到极不稳定岩体均有,一般地下水高于洞顶。
(4)坝后电站
发电支洞围岩岩性为云母石英片岩,受断层影响,极不稳定岩体较多。
电站站址位于二级阶地与山坡之间坡斜带,厂房基土不均一,为强风化云母石英片岩及断层破碎带。
3.2.5库区滑坡及不稳定岩体
库区滑坡及不稳定岩体特征见表3-5。
表3-5库区滑坡及不稳定
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