潘家口水库混凝土重力坝设计.docx

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潘家口水库混凝土重力坝设计

第一章枢纽工程概况及基本资料

本章主要介绍潘家口水库水利枢纽工程的概况、工程目的和设计基本资料，包括水文分析、气象条件、工程地质、当地建筑材料、交通条件、水位和库容关系曲线、泥沙淤积情况、效益、淹没、工期等方面的资料，以便在下一步的工作中可依据以上情况确定坝线、坝型、枢纽布置、剖面设计、细部处理等工作。

第一节枢纽工程概况

拟建潘家口水库位于河北省唐山承德两地区交界处，坝址位于迁西县洒河桥上游十公里扬查子村的滦河干流上。

控制流域面积33700Km2，总库容为25.5亿m3。

水库枢纽由主坝、电站及泄水底孔等组成，水库主要任务是调节水量，供天津市和唐山地区工农业用水、城市人民生活用水，结合引水发电，并兼顾防洪要求。

工程要求提前收益，尽早建成。

根据水库的工程规模及其在国民经济中的作用，枢纽定为一等工程，主坝为Ⅰ级建筑物，其它均按Ⅱ级建筑物考虑。

第二节工程基本资料

一、水文资料

1、年径流

滦河水量较充沛，潘家口站多年平均年径流量为24.5亿m3，占全流域的53％，年内分配很不均匀，主要集中在汛期七、八月份。

丰水年时占全年的50～60％，枯水年占30～40％，且年际变化也很大。

2、洪水

洪水多发生在七月下旬至八月上旬，有峰高量大、涨落迅速的特点。

据调查，近一百年来有六次大水，其中1883年最大，由洪痕估算洪峰流量约为24400～27400m3/s。

实测的45年资料中，最大洪峰流量发生在1962年为18800m3/s，洪峰历时三天左右，由频率分析法求得：

表1－1

项目

千年一遇

洪水流量

万年一遇

洪水流量

千年一遇三天洪水流量

万年一遇三天洪水流量

指标

40400m3/s

59200m3/s

26.1亿m3

45.4亿m3

表1－2几个重现期所对应的洪峰流量值

重现期（年）

10

20

50

100

洪峰流量（m3/s）

7520

11700

17800

22800

三日洪量（亿m3）

8.06

11.4

16.0

19.7

表1－3枯水期洪水过程线

时段：

9月1日至次年6月30日频率：

5％

日期

月、日、时

流量

m3/s

日期

月、日、时

流量

m3/s

日期

月、日、时

流量

m3/s

6.16.2

65

6.17.2

490

6.18.2

440

4

72

4

880

4

430

6

72

6

1010

6

420

8

79

8

772

8

400

10

79

10

730

10

390

12

86

12

690

12

380

14

123

14

660

14

360

16

123

16

610

16

350

18

130

18

560

18

330

20

137

20

520

20

310

22

188

22

490

22

300

24

231

24

450

24

280

表1－4设计洪水过程线表流量：

米3/秒

重现期（年）

日期

10

20

50

100

7.25.2

87

120

195

221

5

110

180

300

340

8

254

378

576

663

11

604

1170

1290

1460

14

1504

1830

1900

2290

17

1860

2630

3750

4510

20

3790

5370

7650

9200

23

5210

7350

10450

12600

7.26.2

6000

8150

11600

14000

5

6800

8830

12000

15200

8

7230

11400

16200

19600

11

7220

11700

17800

22800

14

7340

10400

14800

17800

17

5430

7700

11000

13200

20

3780

5350

7620

9160

23

2860

4040

5760

6940

7.27.2

2100

2960

4220

5030

5

1670

2360

3360

4050

8

1440

2080

2910

3500

11

1300

1840

2620

3150

14

2270

1700

2350

2840

17

1250

1680

2200

2600

20

1100

1600

2050

2500

23

1050

1580

1830

2100

7.28.2

1000

1450

1700

2050

5

950

1350

1600

1880

8

900

1150

1550

1850

11

870

1100

1500

1800

14

850

1045

1450

1700

17

820

1000

1400

1670

3、泥沙

本流域泥沙颗粒较粗，中值粒径0.0375mm，全年泥沙大部分来自汛期七、八月份，主要产于一次或几次洪峰内，且年际变化很大。

由计算得，多年平均悬移质输沙量为1825万t，多年平均含沙量7.45kg/m3。

推移质缺乏观测资料。

可计入前者的10％，这样总入库沙量为2010万t。

淤砂浮容重为0.9t／m3，内摩擦角为12°。

二、气象

库区年平均气温为10℃左右，1月份最低月平均气温为零下6.8℃，绝对最低气温达零下21.7℃（1969年），7月份最高月平均气温25℃，绝对最高气温达39℃（1955年）。

多年平均气温见表1－5。

表1－5多年平均气温表（℃）

月份

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

气温

-6.8

-3.4

3.55

12.11

19.14

22.86

25.11

24.0

16.67

10.2

2.85

-4.4

水温

10.4

17.1

21.4

24.6

23.6

18.5

11.6

3.4

本流域无霜期较短（90～180天），冰冻期较长（120～200天），潘家口站附近河道一般12月封冻，次年3月上旬解冻，封冻期约70～100天，冰厚0.4～0.6m，岸边可达1m。

流域内冬季盛行偏北风，风速可达七、八级，有时更大些，春秋两季风向变化较大，夏季常为东南风，多年平均最大风速为21.5m/s，水库吹程D=3Km。

流域多年平均降雨量约为400～700mm，多年平均降水天数及降水量见下表（表1－6）。

表1－6多年月平均降水天数及降水量表

月份

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

降

水

天

数

月平均

1.7

2.5

3.6

4.6

6.7

11.0

15.5

12.6

7.1

47.3

2.6

1.1

最多天数

5

9

9

8

11

17

21

20

14

11

5

4

最少天数

0

0

0

1

1

1

4

5

1

0

0

0

降

水

量

毫米

月平均

1.4

5.6

8.2

25.7

39.0

89.1

277.3

215.2

68.8

30.1

9.2

2.0

最大

4.8

33.5

24.2

74.2

91.3

217.8

548.5

462.8

181.9

76.1

134.6

1.4

最小

0

0

0

0.9

12.5

20.0

101.1

94.2

1.7

0

0

0

三、工程地质

1、库区地质

潘家口水库库区属于中高山区，河谷大多为峡谷地形，只有西城峪至北台子一带较为宽阔，沿河两岸阶地狭窄，断续出现且不对称，区域内无严重的坍岸及渗漏问题。

2、坝址地质

（1）地貌

坝址位于扬查子村南300m处，为低谷丘陵地区，两岸相对高差不大，河谷开阔，宽约600m，上下游两公里范围内河道顺直，主河槽位于右岸。

河床高程137m左右。

枯水期河床宽约100m，由于受河流侧向的侵蚀，两岸地形不对称。

右岸坡度较陡约60°左右，左岸较缓约20°，河床中除漫滩外，左岸还有三级阶地发育，一、二级阶地高程自140m～160m，三级阶地与缓坡相接直达山顶。

覆盖层为7～12m厚的砂砾卵石冲积层。

（2）岩性

坝区主要岩性为太古界拉马沟片麻岩，其次为第四纪松散堆积物，以及不同时期的侵入岩脉。

坝区范围内片麻岩依其岩性变化情况可分为六大层，其中第一、四、六层岩性较好，但第一、六层因受地形限制，建坝工程很大。

第四大岩层（Ar，Ⅰ4）为角闪斜长片麻岩，具有粗粒至中间细粒纤状花岗变晶结构，主要矿物为斜长石、石英及角闪石，本层岩体呈厚层块状，质地均一、岩性坚硬、抗风化力强、工程地质条件较好，总厚度185m左右。

3、构造

坝址处虽然断层、裂隙较多，但大部分规模较小，对工程影响不大，其中F2、F5、F11、F26、F27、F28断层对坝体有一定的影响，以上各断层的特性见表1－7，所在部分参见构造分析图。

表1－7

编号

走向

倾向及倾角

宽度（米）

性质

对建筑物的影响

F2

北东85度－西北275度

南70度－80度

2.5－12.5

压扭

长约200米一段靠近上游坝锺。

对基础岩石力学强度及坝基完整均一性有影响。

F5

北东20度

南东30度

1－8.0

张扭

位于溢流坝段自上游向下游斜贯2－3个坝段降低岩层力学强度。

影响完整性和均一性。

F11

北东10度

南东75度

1.5－2.5

张扭

F11与F26两断层相距近而交汇，位于溢流坝处斜贯两个坝段且交汇带靠近下游侧又与F（压扭性）相关，对基础力学强度影响极大。

F26

北东16度

南东75度

0.3－1.2

张扭

F27

北西320度

北东80度

0.3－0.6

张扭

F27与F28两断层相距也较近，之间有一号岩脉并与坝体成53度夹角相交，斜穿5－6个坝段，对坝体有影响地段达120米。

F28

北西320度

北东75度

1.3

张扭

4、水文地质

坝基的透水性总的看来不大，但不均一，主要决定于断裂发育程度和性质。

在平面上，一级阶地基岩透水性大于其它地貌单元；从垂向上看，河谷内单位吸水量小于0.01kg/min的顶板在83～105m高程其间之透水层厚度为40～50m，若除开挖部分，厚度将更薄一些，两岸透水层应以天然地下水位为下限，一般都大于50m，具体参见地质剖面图。

5、岩石物理力学性质

岩石容重为2.68～2.70t/m3，饱和抗压强度，弱风化和微分化岩石均在650kg/cm2以上，有的可达1100kg/cm2。

砼与岩石的摩擦系数：

微分化及弱风化下部，可取f＝1.10，c＝7.5kg/cm2。

6、地震

库区附近历史地震活动较为频繁，近年来微繁、弱震仍不断发生。

其中1936年和1976年两次发生6度左右地震，1977年6月国家地震局地震地质大队对本区域地震问题作了鉴定，水库的基本烈度为7度，考虑到枢纽的重要性和水库激发地震的可能性，拦河坝设防烈度采用8度。

四、当地的建筑材料

坝址附近主要砂石料场有七处，储量足以建坝，各料场的物理性质、试验指标基本满足技术要求，可作大坝砼骨料使用。

且有大量的粘性土及砂壤土料，可供围堰防渗材料之用。

五、交通条件

对外交通在右岸，公路、铁路均距坝址较近略加修改或扩建即可直通坝址，坝顶无重要交通要求。

六、水库水位与库容关系曲线及淤积年限

详见表1－8、1－9。

表1－8

水库水位（m）

天然库容（亿m3）

三角洲法

万氏法

淤积年限

十年

二十年

五十年

五十年

136.0

0

0

0

0

0

150.0

0.31

0.21

0.10

0

0

160.0

1.03

0.87

0.65

0.19

0

170.0

2.36

2.13

1.86

1.03

0

180.0

4.46

4.16

3.85

2.71

0.04

190.0

7.4

7.01

6.53

5.00

1.23

200.0

11.25

10.63

9.83

7.76

4.23

210.0

16.09

16.06

14.01

11.07

8.94

220.0

22.00

20.50

19.20

15.4

14.83

230.0

29.19

27.65

26.28

22.10

22.02

坝前淤积

高程（m）

141.2

144.0

153.8

177.5

表1-9潘家口水库水位－库容关系表

水位（m）

库容（亿m3）

水位（m）

库容（亿m3）

水位（m）

库容（亿m3）

136.0

0

164.0

1.50

192.0

8.10

139.0

0.01

166.0

1.78

194.0

8.90

141.2

0.03

168.0

2.10

195.0

9.20

143.0

0.07

170.0

2.36

200.0

11.25

145.0

0.11

172.0

2.75

210.0

16.09

147.0

0.19

174.0

3.20

220.0

22.00

148.0

0.22

176.0

3.60

150.0

0.31

178.0

4.00

152.0

0.42

180.0

4.46

154.0

0.55

182.0

5.00

156.0

0.70

184.0

5.65

158.0

0.85

186.0

6.20

160.0

1.03

138.0

6.90

162.0

1.20

190.0

7.40

七、效益

水库建成后与下游大黑汀、邱庄、陡河等水库联合运用，承担多年调节作用。

在保证率P＝75％时，可调节水量20.05亿m3，计划年补给工业及城市生活用水7亿m3，并可灌溉农田一百余万亩，达到遇旱有水。

电站装机3台，总容量18万千瓦，平均年发电量3.45亿度。

八、淹没损失

库区淹没范围包括河北省承德、唐山两地区的四个县（兴隆、宽城、承德和迁西），十一个公社四十一个大队，迁移人口20700人，淹没土地33400亩，房屋19100间，公路25公里。

注：

移民迁建标准：

经领导审查决定清河唐（据坝线约40公里）以下库区段按正常高水位加风浪浸没安全2m定淹没线，清河唐以上按计入淤积后以1962年洪水（相当于50年一遇）的回水线作为移民线，以五年一遇洪水的回水线作为土地征用线。

九、施工作业天数

本工程由水电部某工程局施工，机械化程度较高。

施工作业天数，根据本地区气温及降雨等自然条件统计如下：

表1－10全年有效施工天数统计

季

月

项目

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

合计

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

砼浇筑

8

11

19

27

27

24

20

21

25

26

28

15

251

土料填筑

0

0

13

25

24

20

13

17

23

25

27

10

197

其他工程

20

22

24

27

27

24

20

25

26

26

26

25

289

十、工程工期

按施工组织设计得知，工程总工期为8年。

十一、其它

施工期，下游无供水要求，无需考虑通航、过木问题。

表1－11水库规划及建筑特性指标

项目

单位

指标

备注

水位

校核洪水位

米

227.2

设计洪水位

米

224.7

P=0.01%

正常蓄水位

米

224.7

P=0.1%

汛期限制水位

米

216.0

死水位（发电）

米

180

校核洪水位尾水位

米

156.8

设计洪水位尾水位

米

152

正常尾水位

米

138.4

库容

总库容

亿立米

25.5

计入十年淤积

调洪库容

亿立米

7.4

兴利库容

亿立米

19.5

公用库容

亿立米

5.6

死库容

亿立米

4.2

计入十年淤积

坝体

坝型

砼重力坝

坝顶高程

米

228

最大坝高

米

103

坝顶长度

米

1024

坝顶溢流孔数

孔

19

堰顶高程

米

210

每孔净宽

米

15

工作闸门尺寸

米x米

15x15

弧形钢闸门

启闭机（2x70吨）

台

19

固定式卷扬机

设计洪水下泄能力

m3/s

32300

校核水位下泄量

42900

限泄27500

泄水孔

进口底高程

米

160

弧形钢闸门

底孔数目

孔

4

工作闸门尺寸（宽x高）

米x米

5x7

启闭机

台

4

设计水位泄水能力

m3/s

4340

校核水位泄水能力

m3/s

4430

电站引水管道

引水管道进口底高程

米

170.0

三条引水管

管线长度

米

121.0

管径

米

5.0

最大引水流量

m3/s

104

每条引水道

工作闸门

扇－米×米

3-5×7

平板钢闸门

工作闸门启闭机

台

3

240×70吨液压

平板检修门

米×米

5×8.5

式共用一扇

检修门启闭机

台

1

400／25吨门机

电

站

主机房尺寸（长×宽×高）

米×米×米

72×19.1×39.00

机组间距

米

16

水轮发电机组

台

3

装机容量

万瓦

3×6=18

水轮机型号

HL702－

LJ-330

额定出力

万瓦

6.18

发电机型号

TS－750／

190-36

额定出力

万瓦

6.0

主要压器型号

SSPL－80000

/220

输电线电压

千伏

220

共三台

注:

如遇千年一遇洪水,水库最大泄量与区间同频率洪水相遇将超过大黑汀水库的千年一遇设计洪水。

为此需要控制下泄流量而不超过27500m3/s,以符合大黑汀水库设计标准。

第二章设计内容

本次设计的内容主要包括：

坝轴线选择、坝型选择和枢纽布置等。

设计时首先要根据已知地形、地质资料，选定坝址，对几个待定的轴线进行分析比较，确定出坝轴线，并综合分析，选择坝型和枢纽的总体布置。

本枢纽总库容25.5亿m3，属大Ⅰ型工程，水库主要任务是调节水量，供天津市和唐山地区工农业用水以及城市人民生活用水，并结合引水发电。

其所在的流域汛期具有“峰高量大，涨落迅速”的特点，并携带大量泥沙。

根据枢纽的任务和目的，并结合滦河流域的自身特点，确定本枢纽建筑物的组成为挡水坝、溢流坝、泄洪底孔及电站等。

进行枢纽布置就是研究这些建筑物的相互位置。

第一节坝址和坝轴线的选择

坝址和坝轴线选择主要是根据地形、地质和河势等条件，综合考虑决定的。

就地形而言，坝址一般选在狭窄河谷处，以节省工程量。

就地质来说，坝基必须是稳定的，不受断层构造的限制，坝址地基要求岩体完整，坚硬，地质构造简单。

经过勘测人员实地勘测和调查，潘家口水库坝址定于迁西县洒西河桥上游10公里扬查子村的滦河干流上。

选择坝轴线时应与选择枢纽布置结合起来，一般为直线，并与河流流向近于正交。

对本工程，根据坝址处的地形、工程地质、水文地质、水流条件，建筑材料、施工条件等选择出坝轴线，具体分析如下：

一、坝轴线选择依据

1、地形

潘家口水库库区属于中高山区，河谷大多为峡谷地形，只有西城峪至北台子一带较为宽阔，沿河两岸阶地狭窄，断续出现且不对称，为低谷丘陵地区。

故坝轴线应布置在河谷较宽阔的地方，有利于布置电站厂房。

由地形图看，若坝轴线在两岸山体之间保持直线，则坝顶到达预定高程时，轴线过长；如果在两岸改变原坝轴线方向，使大坝在较短距离到达坝高，可以减少工程量。

2、工程地质

坝区主要岩性为太古界拉马沟片麻岩，其次为第四纪松散堆积物，以及不同时期的侵入岩脉。

坝区范围内片麻岩依其岩性变化情况分为六大层，其中第一、四、六层岩性较好，但第一、六层因受地形限制，建坝工程很大，故不宜在此建坝。

第四岩层为角闪斜长片麻岩，具有粗粒至中间细粒纤状花岗变晶结构，主要矿物为斜长石、石英及角闪石，本层岩体呈厚层块状，质地均一，岩性坚硬、抗风化力强、工程地质条件较好，总厚度185m左右。

由于该坝坝高在100m上下，则坝底宽90m左右，此厚度足以满足建坝要求。

岩石容重为2.68～2.70t/m3，饱和抗压强度，弱风化和微分化岩石均在650kg/cm2以上，有的可达1100kg/cm2，这表明地处的岩石是坚硬的。

由此可知，无论从岩性还是物理特性上看，第四岩层均能满足建坝的要求。

虽然选择在第四岩层有许多优点，但第四岩层内有较多的断层、节理、裂隙和破碎带，其中F2、F5、F11、F26、F27、F28断层对坝体有一定的影响，其中F2断层位于第四岩层的上部，横亘整个河谷，东西走向，偏南70～80o，宽2.5～12.5m，呈压扭性质，它将影响坝基的岩石力学强度及其完整性，所以坝基应避开F2断层，尤其是河床部位上游F2断层长约200m的这一段，靠近上游坝踵，影响甚大。

故在此段上更要特别重视，坝轴线应略靠下游。

其他断层、裂隙等规模较小，也多为陡倾角，对工程影响不大，处理起来也较容易。

左右岸存在局部的不稳定岩体，将影响坝体的稳定，故坝轴线应避开此处。

左岸下游坝脚处与第三岩层体之间间距较近，而第三大岩体岩石条件较差，也将影响坝的稳定性，应使左岸与第三岩层保持一定的距离，同时还要避开F2断层。

3、水文地质

坝基的透水性不大，但不均一，主要由断裂发展程度和性质决定。

在平面上，一级阶地基岩透水性大于其它地貌单元。

从垂向上看，河谷内单位吸水量小于0.01kg／min的顶板在83～105m高程其间之透水层应以天然地下水位为限，一般均大于50m，具体参见地质剖面图。

4、水流条件

应尽量使坝线和水流方向垂直，避免水流产生涡流，冲刷边坡，造成不利影响。

5、建筑材料

坝址附近应有足够的符合质量要求的建筑材料，对于料场的分布、开采条件、埋藏深度和施工淹没均应考虑。

6、施工条件

为便于导流，要求坝址附近特别是下游有较开阔的地形，以便于布置施工场地，满足交通便利的要求。

二、坝轴线选择原则

1、本次设计的为砼重