A江水利枢纽复杂地基上双曲拱坝设计 说明书.docx

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A江水利枢纽复杂地基上双曲拱坝设计说明书

完整设计图纸请联系本人，参见豆丁备注。

摘要

A江水利枢纽同时兼有防洪，发电，灌溉，渔业等综合作用，水库正常蓄水位184.0m，设计洪水位186.9m，校核洪水位189.8m，汛前限制水位182m，死水位164m，尾水位103.5m。

水库死库容9.3亿m3，总库容12亿m3。

A江水利枢纽工程等别为一等，工程规模为大

（1）型工程，主要建筑物级别为1级，次要建筑物级别为3级，临时性建筑物级别为4级。

A江水利枢纽的主要组成建筑物有挡水建筑物，主副厂房，泄水建筑物，过木筏道等。

挡水建筑物是一变圆心变外半径的双曲拱坝，坝顶弧长353.32m，最大坝高100.3m，坝底厚26m，坝顶宽8.5m。

泄水建筑物由两个浅孔和两个中孔组成：

浅孔位于两岸，孔口宽8.5m，高8m，进口底高程为164m，出口底高程为154m；中孔位于水电站进水口两侧，孔口宽7.4m，高7.4m，进口底高程为135m，出口底高程为130m。

在坝身泄水孔的上下游侧分别布置检修闸门和工作闸门，检修闸门采用平板门，工作闸门采用弧形闸门，在每一个工作闸门的上方有启闭机房，浅孔启闭机房高程为170m，中孔启闭机房高程为150m。

泄槽支撑结构采用框架式结构。

坎顶高程为118m,浅孔反弧半径为35m,中孔反弧半径为50m。

泄槽直线段的坡度与孔身底部坡度一致,挑射角θ=20o,导墙厚度为1m,浅孔导墙高度为8.5m,中孔导墙高度为12m。

坝后式厂房装有4台5万kw的发电机组，主厂房长81m，宽18m，副厂房长66m，宽10m，安装场长21m，宽18m。

压力管道的直径为4.5m，进水口底高程为152.3m。

发电机层高程为114.8m，尾水管底高程为90.8m，厂房进水口底高程为152.3m。

为防止坝基渗漏，在坝基靠近上游侧进行帷幕灌浆，并且为了减少坝基的扬压力，在灌浆帷幕之后设置排水孔。

为了防止混凝土产生裂缝，拱坝坝体设置横缝，横缝面上需设置键槽，以咬合加固，增强坝体的抗剪能力。

当底宽在40～50m以上的拱坝，才考虑设置纵横缝，而本设计中，拱坝坝底宽为26m，小于40m，故可不设置纵缝。

Abstract

Ajianghydrocomplexplaypartsinfloodcontrol,waterpower,irrigation,waterconservancyrelatedfisheries,andsoon.Thereservoirnormalwaterlevelis184.0m,designfloodlevelis186.9m,maximumfloodlevelis189.8m,floodcontrollevelis182m,deadwaterlevelis164m,andtailwaterlevelofhydropowerstationis103.5m.Thedeadreservoircapacityis930,000,000m3,andthetotalreservoircapacityis1,200,000,000m3.

ThehydraulicengineeringgradeisGradeI.

Thehydroprojectisconsistofwaterretainingstructure,powerhouse,auxiliaryroom,sluicestructure,raftsluice,andsoon.

Thewaterretainingstructureisadoublecurvaturearchdam.Thelengthoftheaxisofcrestdamisabout353.32m.Maximumheightofthedamis100.3m,thethicknessofthebottomofthedamis26m,andthewidthofthetopofthedamis8.5m.

Thereleasestructureiscomprisedof2mid-leveloutletand2short-leveloutlet.Thewidthofthemid-leveloutletis7.4m,andtheheightis7.4m;thewidthoftheshort-leveloutletis8.5m,andtheheightis8m.Theupstreamandthedownstreamsideofeveryoutletareabulkheadgateandaoperatinggatewhichisaradialgate.Thereisaroomwhereagatehoistisputaboveeveryservicegate.Thetworoomswhichareabovethemid-leveloutletservicegateareatanelevationof150metres,andtheothertworoomsareatanelevationof170metres.Theintakeofthemid-leveloutletisatanelevationof135metres,andtheintakeoftheshort-leveloutletisatanelevationof164metres.

Thetypeofthepowerhouseisatdamtoe.Thedimensionsofthepowerhouseandtheauxiliaryroomare81m×18mand66m×10m.Thegeneratorfloorisatanelevationof114.8metres,andthebottomofthedrafttubeisatanelevationof90.8metres,andtheintakeofhydropowerstationisatanelevationof152.3metres.

Incaseofleakageofthedamfoundation,thereisgroutingcurtainatthebaseofthedam,behindwhichtherearedrainageholeswhichdecreasetheupliftpressureofthedamfoundation.

Inradialdirectionstherearetransversejointsinwhichtherearekeys,andbecausethethicknessofthebottomofthedamissmallerthan40～50metres,thereisnolongitudinaljoint.

第一章综合说明

1.1概述

1.1.1枢纽概述

A江是我国东南地区的一条河流,流向自西向东，流经A省南部地区，汇入东海，干流全长153km，流域面积4860平方公里。

根椐流域规划拟建一水电站。

本设计任务是对A江水利枢纽进行设计。

A江水利枢纽是一项同时兼顾防洪，发电，灌溉，渔业等综合作用的水利工程。

坝址以上流域面积2761平方公里,水库正常蓄水位为184.0m，汛前限制水位为182m，死水位为164m，设计水位为186.9m，校核水位为189.8m。

电站多年平均发电量为5.08亿度，正常蓄水位时，水库面积为35.60平方公里，为发展养殖创造了有利条件，同时增加保灌面积50万亩。

A江水利枢纽的主要组成建筑物有拦河大坝，坝后式厂房，泄水建筑物，过木筏道，开关站以及上坝公路等。

拦河大坝为双曲拱坝，最大坝高为100.3m，主体工程量约为34.1万方左右，坝顶宽8.5m，坝顶长约353.32m，坝底宽26m。

坝后式厂房装有4台5万kw的发电机组，主厂房长81m，宽18m，副厂房长66m，宽10m，安装场长21m，宽18m。

压力管道的直径为4.5m，进水口底高程为152.3m。

泄水建筑物采用两个浅孔和两个中孔相结合的方案：

浅孔位于两岸，孔口宽8.5m，高8m，进口底高程为164m，出口底高程为154m；中孔位于水电站进水口两侧，孔口宽7.4m，高7.4m，进口底高程为135m，出口底高程为130m。

泄槽支撑结构采用框架式结构。

坎顶高程为118m,浅孔反弧半径为35m,中孔反弧半径为50m。

泄槽直线段的坡度与孔身底部坡度一致,挑射角θ=20o,导墙厚度为1m,浅孔导墙高度为8.5m,中孔导墙高度为12.0m。

过木筏道位于右岸。

根据林业部的要求，每年木材过坝量为33.3万立方米，其木材最大长度为10m，大头直径为100cm。

开关站长20m，宽75m，位于左岸。

1.1.2设计要求

在明确设计任务及对原始资料进行综合分析的基础上，要求：

1.根据防洪要求，对水库进行洪水调节计算，确定坝顶的高程和泄水建筑物孔口尺寸。

2.通过分析，对可能的方案进行比较，确定枢纽组成建筑物的形式，轮廓尺寸及水利枢纽布置方案。

3.详细做出大坝设计，并通过比较确定坝的基本剖面和轮廓尺寸，拟定地基处理方案和坝身构造，进行水利计算、静力计算。

4.对泄水建筑物进行设计，选择泄水建筑物的形式与轮廓尺寸，确定布置方案，拟订细部构造，进行水利计算、静力计算。

5.对A江水利枢纽各组成建筑物进行总体布置以及细部构造设计。

1.2工程特性表

表1-1工程特性表

水库特性

水库水位

死水位

高程164.00米

汛前限制水位

高程182.00米

正常蓄水位

高程184.00米

设计洪水位

高程186.90米

校核洪水位

高程189.80米

主要建筑物

大坝资料

大坝级别

Ⅰ级

大坝型式

变半径变中心角双曲拱坝

坝顶高程

192.3米

坝底高程

92.0米

最大坝高

100.3米

坝顶弦长

306米

坝顶厚度

8.5米

坝底厚度

26.0米

混凝土方量

341000立方米

泄水建筑物

泄洪方式

/

孔口尺寸

进口高程

出口高程

两浅孔

8.5×8.0㎡

164.0m

154.0m

两中孔

7.4×7.4m2

135.0m

130.0m

闸门形式

检修闸门

平板闸门，设在进口处

工作闸门

弧形闸门，设在出口处

消能方式

滑雪道式泄槽挑流对撞消能

P=1‰下泄流量

6520m3/s

P=0.2‰下泄流量

7000m3/s

厂房

最大引用流量

338m3/s

装机容量

4×5.0万千瓦

引水道

型式

钢管

数量

4条

内径

4.5米

第二章设计资料

A江是我国东南地区的一条河流，根据流域规划拟建一水电站。

本设计的任务是对A江水利枢纽进行设计，其基本设计要求如下。

2.1枢纽任务

本工程同时兼有防洪，发电，灌溉，渔业等综合利用。

水电站装机容量为20万kW，多年平均发电量5.08亿度。

正常蓄水位184.0m，汛前限制水位182m，死水位164m,4台机满载时的流量338m3/s，尾水位103.5m，厂房形式为坝后式。

本工程建成后，可增加保灌面积50万亩，减轻洪水对A江A市和A平原的威胁，在遇到P=0.02%和P=0.1%频率的洪水时，经水库调洪后，洪峰流量由原来的14900m3/s、11700m3/s分别削减为7550m3/s、6550m3/s，要求设计洪水时最大下泄流量限制为6550m3/s，正常蓄水位时，水库面积为35.60平方公里，可为发展养殖创造有利条件。

此外，根据林业部的要求，每年木材过坝量为33.3万立方米，其木材最大长度为10m，大头直径为100cm。

2.2基本资料

2.2.1自然地理

2.2.1.1流域概况

A江是我国东南部的一条河流，流向自西向东，流经A省南部地区，汇入东海，干流全长153km，流域面积4860平方公里。

坝址以上流域面积2761平方公里，流域境内是山区，平均高度为662m,最高山峰达1921m，流域境内气候湿润，雨量丰沛，属热带气候。

径流主要来自降雨，小部分由地下水补充，每年4～9月份为汛期，其中5、6两月为梅雨期，河道坡降上游陡，下游缓，平均坡降6.32%～0.97%，因河道陡，调蓄水能力低，汇流快，由暴雨产生的洪水迅速涨落，一次洪水过程线尖瘦，属典型的山区河流。

流域境内，以农林为主，森林茂盛，植被良好，水土流失不严重，枢纽下游为A省的重要农副业生产基地——A平原。

坝址下游约50公里有县级城市两座，在河流入海处，有省辖市一座。

2.2.1.2气候特征

（1）气温

坝址处的多年平均气温为17.3°，月平均最低气温（1月份）5°C，最高气温（7月份）29°C。

实测极端最低气温（1月份）-8.2°C，最高为（7月份）40.6°C。

（2）湿度

年平均相对湿度为79%左右，其中以6月份87%为最大，1月份72%为最小，日变化较大。

（3）降雨量

坝址以上流域的年平均降雨量为1680mm，实测最大年降雨量为2389mm，最少为1380mm，雨量在年内分布不均，其中4～9月份占全年降雨量的75%，而5、6两月占全年的1/3。

表2-1各月降雨量的雨型及日数统计表

月份

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

全年

实际天数

31

28

31

30

31

30

31

31

30

31

30

31

0.3-10mm雨日

3

4

5

7

12

12

10

9

8

7

6

4

10-30mm雨日

2

3

4

5

8

9

6

5

4

3

2

1

30mm以上雨日

9

1

1

8

5

6

3

2

2

1

0

0

（4）蒸发量

坝址处多年平均蒸发量为1349mm，其中7月份最大，月蒸发量为217mm，2月份为最小，月蒸发量为45.4mm。

（5）风向风力

实测最大风速17m/s，风向西北偏西，吹程4.5km。

多年平均最大风速为：

汛期为12m/s，非汛期为13m/s，风向基本垂直坝轴线，吹程4km。

（6）水库水温

据资料分析，各层水温的多年平均水温（TH）及年变幅（△Tc）按下列公式计算：

=

（2-1）

△Tc＝

（2-2）

其中：

H为水深。

2.2.1.3水文特性

（1）正常径流

根据资料分析，坝址处的多年平均流量为100m3/s，多年平均径流总量为31.5亿m3，各频率的月平均量见下表。

表2-2月平均流量

频率（%）

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

多年平均

1

116

267

324

490

689

679

346

263

331

102

121

113

186

5

78

179

235

364

510

537

352

177

210

73

77

73

150

50

21

49

89

141

216

277

78

44

44

26

16

16

97

80

8

19

47

73

12

134

22

15

12

13

4

5

74

95

2

5

22

36

69

121

5

4

2

6

1

1

55

23

65

103

162

215

295

115

61

67

31

24

24

100

（2）洪峰流量及总量

据水文资料推算，坝址处的洪峰流量及总量如下：

洪峰流量Q=3310m3/s，Cv=0.45，Cs=4Cv，皮Ⅲ型线，各频率流量为：

P=0.02%，Q=14900m3/s；P=0.1%，Q=11700m3/s。

洪峰总量：

三日洪水总量的均值W=3.5亿m3，Cv=0.38，Cs=3Cv，皮Ⅳ型线，各频率洪量：

P=0.02%，三日洪水总量Wp=7.94亿m3；P=0.1%，三日洪水总量Wp=6.58亿m3。

可能最大三日洪量为15.4亿m3。

施工期各设计洪水频率流量见下表:

表2-3施工期设计洪水频率流量表

频率

10—4月

9—6月

10—3月

11—6月

11—2月

12—2月

备注

5

2087

1772

1367

1367

884

824

10

1673

1410

1072

1072

654

596

20

1275

1045

784

784

434

332

（3）体径流量及水库淤积

据水文站实测资料分析，年固体径流总量为331吨，百年后水库淤积高程115m，淤沙容量为8.5kN/m3，内摩擦角10°。

2.2.1.4其他

本坝址地震烈度为7˚。

2.2.2工程地质

2.2.2.1库区工程地质

库区岩性以火山岩和沉积岩为主，褶皱规模不大，均为背斜，两翼地层平缓，并且不对称。

有较大的断层二条，这些褶皱和断层呈北东向展布，以压扭性为主，倾角较陡，延伸长度达几直几十公里，断层单宽1米左右。

个别达10米以上。

断层破碎都已胶结。

库区水文地质简单，以裂隙水为主，地下分水岭均高出库水位以上。

2.2.2.2坝址工程地质

（1）地貌

坝址处的河床宽度为100m。

河底高程100m，水深1～3m，河谷近似“V”型，两岸约４０°～６０°。

河床覆盖层由大理石，卵石组成。

厚度约５～６m，两岸山坡为第四系覆盖层，厚度为５～１０m左右。

（2）岩性和工程地质

坝基为花岗岩，风化较浅，岩性均一，新鲜坚硬完整，抗压强度达120——200MPa。

坝址的地质构造简单，无大的地质构造，缓倾角节理延伸短，整体滑动可能性小，但陡倾角节理较发育，以构造节理为主，左右岸各有走向互相垂直的二组节理。

其中一组近似于平行山坡等高线，方向见地形图，节理倾角约35°～90°，节理面无夹泥存在，坝址处的水文地址较简单，未发现裂隙承压水。

岩石的物理力学性质见下表。

岩石的物理力学性质表

表2-4岩石的物理力学性质表

岩性或地质构造

容重（kN/m3）

孔隙率

%

抗压强度（MPa）

弹性模量MPa

摩擦系数

粘着力（MPa）

泊

松

比

μ

抗剪系数

抗剪断系数

干

湿

干

饱和

混凝土基岩

内部

混凝土基岩

内部

花岗斑岩

27.3

28.1

2.3

210

190

2.2×104

0.70

0.75

0.75

1.20

0.5基岩与混凝土

0.20

节理面

0.65

0.75

1.0基岩内

相对隔水层离基岩表面深15m。

2.2.3筑坝材料

2.2.3.1石料

坝区大部分地区为花岗斑岩，基岩埋深浅，极易开采，且河床覆盖层中的块石、卵石可利用，因此筑坝石料极易解决。

2.2.3.2砂料

在坝下游勘探6个砂料场，最远料场离坝约9km，以石英破碎带的料场为主，初估砂料储量430万m3。

经质量检验，砂石料符合规范要求。

坝址处缺乏筑坝的土料。

2.2.4库区经济及其它

2.2.4.1库区经济

库区除有小片盆地外，其余多为高山峡谷地带。

耕地主要分布在小片盆地上，高山上的森林茂密。

在正常蓄水位时，需迁移人口21444人，拆迁房屋19240间，淹没，浸没耕地16804亩，淹没森林面积18450亩，淹没县社建造的二座小型水电站（装机2210kw）等，需赔偿费4120万元。

2.2.4.2其它

（1）对外交通

本坝址上游左岸30km处有铁路干线车站，另有公路与坝址下游50km的两座县城相通，两县城有公路与水路与河流入海处的省辖市相连，对外交通较为方便。

（2）附属工厂和生活建筑区

坝址下游两岸有较大的冲积台地，地形平缓面积较大，适宜布置工厂和生活建筑区。

（3）负荷位置

本电站主要供应坝下游A平原的农村生产用电及省辖市的工业用电，并担负A电网的部分调峰任务。

（4）坝顶有双线公路布置的要求。

（5）水库水位——容积关系曲线、坝址处水位——流量关系曲线、设计洪水（三日）过程线和坝址地形图见附图。

第三章枢纽主要建筑物的型式与总体布置

3.1工程等级及技术规范设计标准

3.1.1工程等级

在工程安全与经济之间存在着矛盾，为使工程的安全可靠性与其造价的经济合理性适当统一起来，水利枢纽及其组成建筑物要分等分级，即先按工程的规模，效益及其在国民经济中的重要性，将水利枢纽分等，而后再对各组成建筑物按其所属枢纽等别，建筑物作用及重要性进行分级。

本工程校核水位为189.8m，查库容曲线得相应库容为12亿m3>10亿m3，根据我国水利部颁发的现行规范——《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（山区、丘陵区部分）》，确定A江水利枢纽工程等别为一等，工程规模为大

（1）型工程，主要建筑物级别为1级，次要建筑物级别为3级，临时性建筑物级别为4级。

3.1.2技术规范

混凝土拱坝设计规范（SD145-85）规定：

对于基本荷载组合，允许拉应力为1.2Mpa，安全系数为4.0；对于特殊荷载组合，允许拉应力为1.5Mpa，安全系数为3.5；当考虑地震荷载时，允许拉应力可适当提高，但不超过30%。

3.1.3洪水标准

设计洪水标准为千年一遇，校核洪水标准为五千年一遇。

3.2调洪演算及设计基本数据

3.2.1调洪演算的目的

（一）根据防洪要求，对水库进行洪水调节计算，以确定上游不同洪水标准下的下泄流量，然后确定出设计洪水位和校核洪水位。

（二）根据调洪演算得出设计水位下的下泄流量，以选定泄洪方式和拟定泄洪建筑物的孔口尺寸。

3.2.2调洪演算的原理

洪水在水库中行进时，水库沿程的水位、流量、过水断面、流速等均随时间变化，其流态属于明渠非恒定流。

根据水力学明渠非恒定流的基本方程，即圣维南方程组为：

连续性方程：

（3-1）

运动方程：

-

（3-2）

式中：

ω——过水断面面积（m2）

t——时间（s）

Q——流量（m3/s）

s——沿水流方向的距离（m）

Z——水位（m）

g——重力加速度（m/s）

v——断面平均流速（m/s）

k——流速模量（m3/s）

通常，采用简化的瞬态法来解这个方程组。

瞬态法将上式进行简化而得出基本公式，在结合水库的特有条件对基本公式进一步简化，则得出专用于水库调洪计算的实用公式：

（3-3）

式中：

Q1，Q2——分别为计算时段初、末的入库流量（m3/s）

——计算时段中的平均入库流量（m3/s），它等于（Q1+Q2）/2