达拉河水电站混凝土面板堆石坝设计.docx
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达拉河水电站混凝土面板堆石坝设计
达拉河水电站混凝土面板堆石坝设计
信息与工程技术学院农业水利专业张旻
(指导教师:
曾赟助教)
摘要本设计以达拉河口水电站的工程概况、水文气象、工程地质情况为基础,在设计中对技术、安全等方面进行了分析、比较。
根据这些基本资料,确定采用砼面板堆石坝方案,并完成了挡水建筑物设计、坝体稳定分析、构造设计等工作。
关键词达拉河水电站;砼面板堆石坝方案
DesignOfConcretePanelRock-fillDamIn
TheDaLaRiverPowerStation
AbstractBaseontheprojectoverview,hydrometeorologyandgeologicalsituationoftheDaLariverpowerstation,Thefactorsoftechnologyandsafetyareconsideredinthedesign.Finallyconcretepanelrock-filldamschemeisadopted.Andthenblockwaterbuildings,stabilityanalysisandconstructdesignarecompleted.
KeywordthePowerStationOfDaLaRiver;ConcretePanelRock-fillDamSchem
迭部达拉河水电站工程位于甘肃省迭部县境内的达拉河上,二零零三年九月二十六日全体员工进驻工地,十月二十八日工程正式开工,达拉河口水电站是迭部县通过招商引资建设的第一座电站,位于迭部县城东南30公里处,坝高67米,总库容1506万立方米,装机容量5.25万千瓦,年发电量2.73亿千瓦时,工程总投资3.7亿元。
迭部县水能资源丰富,蕴藏量总共为80万千瓦,目前开发不到3%。
达拉河是白龙江在迭部县境内的最大支流,发源于四川,在迭部县境内全长124公里,水流湍急,落差大,水能储量达10.4万千瓦。
迭部县与甘肃宏源电力公司经过一年多的协商,签订了开发协议。
协议签订后,宏源公司委托西北电力勘测设计院对达拉河流域进行了总体勘测,最后宏源公司计划在达拉河采用三级开发,共修建3座电站。
达拉河口水电站是该公司修建的第一座电站,也是目前甘南州最大的一座水电站,计划4~5年建成。
我的任务主要是通过达拉河口水电站的工程概况、水文气象、工程地质情况完成坝址,坝型的选择和坝体结构布置坝体材料分区设计坝坡稳定计算,坝的构造设计以及坝的地基处理。
我基本上完成了设计任务,对自己的设计成果较为满意。
1工程概述
1.1工程概况
达拉河是白龙江上游最大的一条支流,主源发源于四川省若尔盖县境内的马蹄子,穿过岷山呈南北向流入甘肃省迭部县达拉乡境内,在尼敖乡政府上游3km处汇入白龙江,河流全长约124km,流域面积2688km2,坝址处多年平均流量21.8m3/s。
在迭部县境内长约41km,境内流域面积770km2,总落差约477m,河道平均比降约11.6‰。
达拉河口水电站工程以发电为主,推荐方案枢纽布置主要有砼面板堆石坝、左岸开敞式溢洪道、右岸排砂洞等建筑物组成。
设计正常蓄水位2265m,总库容1506万m3,坝高67m,引水隧洞长8361m,总装机容量52.5MW(3×17.5MW)。
1.2工程特性表
名称
单位
数量
备注
名称
单位
数量
备注
一水文
三厂房尾水位
坝址以上流域面积
km
2621
校核尾水位
m
2063.10
坝址多年平均径流量
亿
6.88
设计尾水位
m
2061.10
多年平均流量
21.8
正常尾水位
m
2055.13
设计洪水流量
590
四动能
校核洪水流量
922
额定水头
m
190
施工导流流量
193
坝址
电站设计流量
31.86
196
厂址
装机容量
MW
52.5
多年平均悬移质输沙量
万t
保证出力
MW
12.31
多年平均含沙量
0.64
多年平均发电量
亿kwh
2.73
多年平均推移质输沙量
万t
6.65
年利用小时数
H
5193
二水库
五主要建筑物
正常蓄水位
m
2265.00
坝顶高程
m
2271
校核洪水位
m
2268.00
最大坝高
m
67
设计洪水位
m
2266.90
溢洪道长度
m
221
死水位
m
2245.00
引水隧洞长度
m
8783.1
总库容
万
1740
排沙洞进口底板高程
m
2213
调节库容
万
1031
排沙洞出口底板高程
m
2210
调节特性
季节调
排沙洞长度
m
651.4
2水文气象
2.1流域水文概况
2.1.1流域自然地理概况
达拉河是白龙江上游最大的一条支流,发源于四川省境内南杂克喀(狼家岭),流域面积2688km2,源头至河口全长124km,河流穿行于高山峡谷之间,峡谷深窄,水流湍急。
流域内天然植被较好,森林覆盖率在60%以上,水量也相对稳定。
沿河有多条支沟加入,境内支沟主要有森多括、措玛尔曲、拉孜柯、次哇隆。
坝址位于迭部县境内的达拉河下游,流域面积2621km2。
2.1.2气象
工程位置距迭部县气象台较近,该台1973年建站,属国家基本台,观测项目齐全,精度高,年限长,可满足设计要求,因此,选择该台作为本工程气象资料代表站。
据统计资料,其主要气象要素如下:
多年平均气温7.0℃
极端最高气温35.5℃
极端最低气温-19.9℃
相应季节50年重现期的最大风速22.5m/s
相应洪水期最大风速的多年平均值15m/s
多年平均降水量595.9mm
上坝址处的风区长度(吹程)1.7km
下坝址处的风区长度(吹程)1.8km
年蒸发量1461.7mm
2.1.3水文基本资料
达拉河上无水文站,但在白龙江上游先后建有电尕寺、根古、白云、旺藏寺、麻亚寺、麻亚寺
(二)、立节、香椿沟等水文站,各站都是国家基本测站,资料精度较高。
本次设计依据站为白云、麻亚寺
(二)站,水文资料系列建站至1997年(共计36年),实测水文资料均已整编,经分析认为两站资料合理,可用于本阶段的设计。
2.1.4径流
白龙江上游径流以降水补给为主,径流年内分配与降水量年内分配基本一致,但各月分配不均匀,大部分径流集中在6~9月四个月,占全年径流量的53.6%,12~3月仅占12.9%。
白~麻区间是达拉河口坝址的设计依据区间,经过绘制白~麻区间年径流时序过程及差积曲线等的分析,认为系列具有一定的代表性。
用水文比拟法,将白~麻区间年径流设计成果按面积比折算到达拉河口坝址,得到坝址年径流成果,见表2.1.1。
表2.1.1各水文站、河口坝址年径流和枯水期径流设计成果表
流量单位:
m3/s
时段
位置
均值
Cv
Cs/CV
P(%)
10
20
50
80
90
年径流
(5-4月)
白云站
19.4
0.28
2
26.2
23.8
18.9
14.7
12.9
麻亚寺
(二)站
49.2
0.24
2
64.8
58.8
48.3
39.1
34.8
白-麻区间
30.1
0.25
2
40.1
36.2
29.5
23.7
21.0
河口坝址
21.8
29.0
26.2
21.4
17.2
15.2
枯期径流(12-3月)
白云站
9.0
0.22
2.5
11.6
10.6
8.82
7.30
6.61
麻亚寺
(二)站
20.5
0.18
2.5
25.4
23.5
20.2
17.3
16.0
白-麻区间
11.5
0.20
2.5
14.8
13.4
11.3
9.53
8.70
河口坝址
8.33
10.7
9.70
8.18
6.90
6.30
Cv:
变差系数Cs:
偏态系数P:
指定频率
2.2洪水分析
2.2.1洪水
(1)暴雨洪水特点
本地区暴雨一般发生在5~10月间,大暴雨多出现在7~8月间,一日雨量占三日雨量的80%左右。
暴雨可分为霖暴雨和雷暴雨,秋季大面积连阴雨中的暴雨,历时长强度小,造成洪水机会较多,属霖暴雨。
在夏季一般是雷暴雨,笼罩面积小,但强度大,常造成局部地区洪水。
白龙江上游植被较好,洪水涨落平缓,一次洪水过程一般在三~五天,峰型较肥胖。
达拉河的原始森林茂盛,植被良好,流域为羽状,一次洪水过程一般三天左右,洪水过程较矮平,多为单峰型。
2)历史洪水
达拉河河段及白龙江上游有关历史洪水调查资料,是来自1983年6月出版的甘肃省水利厅刊印的《甘肃省洪水调查资料》。
本次确定1904年洪水是从1904年以来至今最大的洪水,其重现期定为100年,1935年洪水为100年来的第二位,重现期定为50年。
(3)设计洪水
将白~麻区间设计洪水成果,按面积比的2/3次方,折算到达拉河口坝址,得到坝址洪水成果,见表2.2.1
表2.2.1各站及坝址设计洪水成果表
流量单位:
m3/s,洪量单位:
106m3
位置
项目
均值
CV
CS/CV
P(%)
0.1
0.2
1
2
5
白云站
Qm
132
0.78
3.5
836
746
539
451
339
麻亚寺
(二)站
Qm
290
0.77
3.5
1810
1610
1170
980
739
白~麻区间
Qm
175
0.80
3.5
1140
1020
731
611
456
W1
10.7
0.62
3.5
51.4
46.5
35.2
30.4
24.0
W3
29.7
0.60
3.5
137
125
94.9
82.1
65.4
河
口
坝址
Qm
141
922
821
590
493
368
厂址
Qm
144
937
835
600
501
374
2.3特征水位
(1)水库特征水位表
表2.3.1水库特征水位表
特征水位
单位
水位高程
正常蓄水位
m
2265.00
设计洪水位
m
2266.90
校核洪水位
m
2268.00
死水位
m
2245.00
(2)坝址区下游水位(见表)
设计泄流能力表
洪水标准
上游水位
设计下游泄流
下游水位
泄水建筑物泄流量(m3/s)
(m)
量(m3/s)
(m)
溢洪道
泄洪排沙洞
设计洪水(P=1
)
2266.9
525
2207.5
267
258
校核洪水位(P=0.1
)
2268
822
2208.7
561
261
P=20
2238
193
2205.6
193
P=50
2245
97.6
2204.7
97.6
(3)发电水头及厂房尾水位
最大水头:
211.1m
最小水头:
173.8m
加权平均水头:
198.6m
设计水头:
190m
3台机发电引用流量30.90m3/s,相应尾水位2055.10m。
3工程地质
3.1水库区工程地质条件
3.1.1库区基本地质条件
1地形地貌
当正常蓄水位2265m时,上、下坝址水库全长约6Km,回水至勾结寺一带。
两坝址库区地形为中高山峡谷地貌,两岸山体雄厚,分水岭高程都在2600m以上,相对高差300~500m。
库区两岸冲沟较发育,较大者有库首的次哇沟和库中段的拉孜沟,均发育在右岸。
冲沟沟底不甚开阔,底坡较大,单沟延长10km左右。
其中拉孜沟沟内有常年流水,为沟源雪水和地下水出露。
其它冲沟规模均较小。
水库区两岸发育有Ⅰ、Ⅱ级堆积阶地,Ⅰ级阶地高出河水面6~10m;Ⅱ级堆积阶地高出河水面15~20m左右。
阶地堆积物上部为0.5~1.0m的坡积碎石土,下部为冲积砂卵砾石层。
2地质构造
水库区未发现有较大规模断裂通过,构造相对简单。
断层主要以层间挤压带为主,破碎带宽度一般为20~40cm,多发育在板岩带中;裂隙亦基本以层面裂隙为主,宽度0.2~0.3cm,充填岩粉、岩屑及钙质等,裂面波状起伏,延伸长度一般大于15m。
3水文地质条件
库盘由相对不透水的地层组成,水文地质条件较简单。
库区地下水类型按埋藏条件分为孔隙潜水和基岩裂隙水两类。
4物理地质现象
水库区基岩岸坡未发现较大规模的变形体和滑坡,物理地质现象主要表现为浅表部的松动卸荷或轻微倾倒变形,但水库内两岸岸坡及坡脚处广泛分布有大量的崩、坡积堆积体,当正常蓄水位2265m时,前缘部位将淹没在水下。
上坝址前崩、坡积体自然稳定状态较好,前缘部位在库水的浸泡下将产生局部的坍岸。
3.2基本工程地质条件
3.2.1物理地质现象
(1)岩体风化
上、下坝址岩体风化较浅,两岸强风带岩体厚度4~6m,河床基本无强风化岩体;弱风体岩体两岸厚度5~25m,河床10m左右。
局部因地形原因,钻孔揭露弱风化岩体较深,主要分布在下坝址两坝肩部位,深度达37.0m。
(2)卸荷及边坡变形
上、下坝址区边坡变形主要表现为浅部的卸荷拉裂和倾倒,根据两岸勘探硐揭露,坝区两岸卸荷带厚度在3~5.0m,倾倒岩体主要分布在下坝址左坝肩溢洪道下游侧岸坡,厚度5~10.0m,分布高程2290.0~2220.0m。
3.2.2水文地质条件
(1)地下水类型
坝址区地下水按其埋藏类型可分为基岩裂隙水及松散堆积层孔隙性潜水。
(2)岩体透水性
坝址区岩体透水性主要受岩性、构造发育情况等因素的影响和控制。
3.2.3岩(土)体力学参数建议值
①岩体物理力学参数建议值
野外变形和抗剪(断)试验成果基本反映了不同位置、不同工程特性的岩体力学特性。
对于各质量级别的岩体,原则是依据试验成果为基础,考虑本工程的规模和工程特性,结合岩体的工程地质特征和岩体力学特性综合选取各物理力学参数建议值。
因两岸岩体未揭露Ⅱ级岩体,因此在参数选取上采用其它工程相同岩性已使用的参数进行类比给出,详见表3.2.1。
表3.2.1坝址区岩石(体)物理力学参数建议值表
岩
石
名
称
岩
体
类
别
风化程度
物理指标
力学指标
密度
孔隙率
吸水率
抗压强度
(MPa)
软化系数
模量值
(Gpa)
泊桑比
μ
抗剪(断)强度
变形
模量
E0
弹性模量Es
抗剪断
(砼/岩石)
抗剪
(砼/岩石)
g/cm3
%
干
湿
f′
C′
(MPa)
f
C
(MPa)
变质砂岩
Ⅱ
微风化
2.73
0.7
∫
1.0
0.10
∫
0.12
110
∫
130
80
∫
90
0.70
∫
0.88
8.0
∫
15.0
10
∫
20
0.27
1.0
∫
1.1
1.0
∫
1.1
0.80
∫
0.90
0
变质砂岩夹长石石英砂岩
Ⅲ
弱∫微
2.70
1.0
∫
1.45
0.25
∫
0.32
90
∫
110
70
∫
80
0.5
∫
0.7
5.0
∫
8.0
8
∫
12
0.30
0.8
∫
1.0
0.8
∫
0.9
0.60
∫
0.80
0
变质砂岩夹板岩
Ⅳ
强风化
2.68
1.5
0.4
30
∫
50
<25
0.5
∫
0.3
2.0
∫
3.0
3
∫
5
0.34
0.5
∫
0.6
0.3
∫
0.4
0.40
∫
0.55
0
②覆盖层工程特性及力学参数建议值
上、下坝址所涉及的覆盖层主要为Ⅰ级阶地、河床砂卵砾石层和崩、坡积物,在参数取值上主要通过类比其他工程资料,给出的参数建议值,见表3.2.2。
③开挖边坡建议值
各类岩(土)体开挖边坡建议值见表3.2.3。
表3.2.2覆盖层主要参数建议值
岩性
渗透参数
参数建议值
允许承载力
变形模量
抗剪指标
允许渗
透坡降
cm/s
MPa
f′
C′MPa
冲积
10-2
0.4
∫
0.45
40
∫
45
0.5
∫
0.55
0
0.10
∫
0.15
崩坡积
10-2
0.3
∫
0.35
35
∫
40
0.4∫
0.5
0
0.15
∫
0.20
表3.2.2覆盖层主要参数建议值
岩性
渗透参数
参数建议值
允许承载力
变形模量
抗剪指标
允许渗
透坡降
cm/s
MPa
f′
C′MPa
冲积
10-2
0.4
∫
0.45
40
∫
45
0.5
∫
0.55
0
0.10
∫
0.15
崩坡积
10-2
0.3
∫
0.35
35
∫
40
0.4∫
0.5
0
0.15
∫
0.20
表3.2.3工程建筑物开挖边坡值表
岩石名称
风化程度
开挖边坡值
永久
临时
水上
水下
水上
水下
变质砂岩
夹板岩
强
1:
0.75~1:
1.1
1:
1.25~1:
1.5
1:
0.75~1:
0.5
弱
1:
0.4~1:
0.5
1:
0.5
1:
0.4
微
1:
0.3~1:
0.4
1:
0.4
1:
0.3
崩坡积块碎石
及碎石土
/
1:
1.0~1:
1.75
1:
1.5~1:
2.0
1:
1.0~1:
1.5
1:
1.5
冲积砂
卵砾石层
/
1:
1.0~1:
1.5
1:
1.5~1:
2.0
1:
1.0
1:
1.75
4坝址、坝型选择
4.1坝址选择
4.1.1坝址拟定
根据《达拉河高则回水湾以下河段水电规划设计》推荐的三级开发方案中的第三级达拉河口电站作为一期开发梯级。
国电公司西北勘测设计研究院多次组织各专业设计人员对该河段进行实地踏勘,从地形、地质条件及岩石的出露情况,从工程难易、技术条件复杂程度和工程投资考虑,结合业主对电量的质量、数量和投资效益等要求,经综合技术经济比较分析,拟定在次哇沟口下游450——950m河段开展坝址坝线比较工作。
次哇峡谷河段总长约500m,上游受左岸Ⅰ#崩塌堆积体限制(距次哇沟口约450m),下游以峡谷出口为限;该河段有两处适合作为坝址,一处是次哇沟口下游500m处,为上坝址;另一个处是距次哇沟口下游830m处,为下坝址。
4.1.2坝址选择
(1)上、下坝址首部枢纽布置
根据上、下坝址的地形、地质条件,并结合首部枢纽各水工建筑物的布置特点,上坝址适合布置拱坝,各类泄水、引水建筑物可紧凑布置在坝体上。
下坝址适合布置砼面板堆石坝,可利用左岸的山梁布置溢洪道。
由于两坝址相距较近,为了在技术、经济上有可比性,两坝址均以正常蓄水位2265.00m、死水位2245.00m、采用右岸引水的方案进行设计布置。
上坝址枢纽布置:
大坝采用碾压砼双曲拱坝,为一变圆心、变半径等厚的双曲拱坝,坝顶高程2269.00m,最大坝高94m,坝顶宽度6m,坝底宽28m。
坝顶设3孔泄洪表孔,尺寸为3-5×6m(宽×高),采用挑流消能;坝身2230m高程设1孔泄洪排沙底孔,尺寸为3×3m;坝身右侧2235m高程设电站进水口,坝后经砼明涵进入引水隧洞。
施工期导流隧洞布置在右岸。
下坝址枢纽布置:
大坝采用砼面板堆石坝,坝顶高程2271.00m,最大坝高67m,坝顶宽度8m,上游坝坡1:
1.4,下游坝坡1:
1.88(综合);河床部位趾板底部设0.8m厚的砼防渗墙伸入基岩,最大深度23m。
溢洪道为岸边开敞式,布置在左岸坝肩,消能方式为混合消能;发电引水隧洞进水塔设在右岸,相邻布置泄洪排沙洞,施工期作为导流洞,进口高程2213.00m,洞径4.5m。
(2)上、下坝址比较
上、下坝址相距400m左右,两坝址地质条件基本相同,均未发现大规模构造出露。
也未发现大规模的不稳定变形岩体,均具备修建中等规模挡水坝的工程地质条件。
上坝址地形适合修建砼拱坝,但左岸上游侧Ⅰ#崩塌堆积体,距坝线较近,在拱坝基础及坝肩开挖中将触及Ⅰ#崩塌堆积体下游侧缘,需结合坝肩开挖,进行一定的防护处理,开挖处理量较大;上坝址河床覆盖层厚35m左右,修建砼拱坝基础开挖量较大,同等规模工程坝高增加较大,也增加了工程设计、施工的技术难度。
下坝址地形地质条件,适合修建当地材料坝。
下坝址河床覆盖层厚度20m左右,较上坝址覆盖层浅,河床防渗体工程量小;上游库区Ⅰ#崩塌堆积体距坝线较远,对库岸稳定影响较小;左岸坝肩山梁较单薄,利用左岸山梁可布置溢洪道,下坝址满足修建混凝土面板坝要求。
上坝址两岸地形地质条件好,枢纽布置简单紧凑,砼拱坝超载能力强,安全度高,但施工技术要求高,受气候条件制约影响工期,需要人工骨料和人工制砂且运距远(坝址下游约15km),费用较高。
下坝址砼面板堆石坝施工工艺简单,不受气候条件的影响,风区长度约为1.8km(坝前风向到对岸的距离),计算风向与坝轴线法线的夹角为60°,相应季节50年重现期的最大风速为22.5m/s,相应洪水期最大风速的多年平均值为15m/s。
工期有保证,堆石料场在坝址下游5km处,运距相对较近,且还可利用开挖料,费用较低。
综上所述,下坝址砼面板堆石坝具有施工简单、工期有保证、投资小等优点,经综合比较后,选定下坝址为推荐坝址。
4.2坝型选择
根据选定下坝址的地形地质条件,设计上进行坝型选择。
由于下坝址左坝肩岩体比较单薄,故不宜修建砼拱坝;且天然建材缺乏,宜采用当地材料坝,在当地材料坝中,又因粘土料缺乏。
因此,在同一坝线上设计进行沥青砼心墙土石坝与砼面板堆石坝的比较。
4.2.1坝型比较
(1)两种坝型用同一坝线,地形条件及场内外交通条件基本相同;
(2)坝体防渗:
砼面板坝优于沥青心墙坝,沥青砼施工工艺要求高,两岸插入岸坡岩石,施工复杂;面板位于堆石体的表面,面板与趾板连接,形成坝体防渗体系,施工质量易保证。
(3)筑坝材料:
筑坝材料均为堆石料,主堆石为开采石料,次堆石为利用开挖石料。
面板坝工程量小,还可以充分利用溢洪道开挖料。
所以,砼面板坝优于沥青心墙坝。
(4)施工条件:
面板坝优于沥青心墙坝,砼面板坝的坝体填筑与砼面板、趾板、基础砼防渗墙、帷幕灌浆的施工,干扰小或不存在干扰。
沥青心墙坝,沥青心墙与两侧过渡料一起同时上升,沥青心墙与基础灌浆的施工相互干扰、坝体填筑与基础砼防渗墙的施工工期存在干扰。
(5)运行条件:
砼面板坝水荷载直接作用于面板上,坝体为整体
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