面混凝土面板堆石坝设计说明书水利水电大学论文.doc

大学学士学位论文大学学士学位论文面混凝土面板堆石坝设计说明书摘 要本文为面混凝土面板堆石坝设计说明书，根据所给基本资料及面板堆石坝的特点进行调洪演算，本设计中一共选取了四种方案，经过调洪演算并结合下游防洪要求及经济因素等的考虑，最终选择方案四，即选择堰宽为75m的方案。本设计主要进行了调洪演算、坝体分区设计、溢洪道设计、溢洪道水面线计算、坝体渗流分析及坝体稳定计算等几个方面。本设计中河岸溢洪道布置在河流右岸，为正槽溢洪道。大坝高71.3m，上游坝坡坡度为1.4，下游坡度为1.3坝轴线长度为449.4m，布置在河流转弯处。经坝体稳定分析和渗流计算，本方案满足要求。关键词：混凝土面板堆石坝 调洪演算 坝体设计 渗流计算 稳定验算 河岸溢洪道IIABSTRACTThis paper for the surface of concrete face rockfill dam design specifications, according to the basic information and given the characteristics of concrete face rockfill dam for flood regulating calculation, the total selection in the design of the four kinds of solutions, through the combined with the downstream flood control requirements for flood regulating calculation, and economic factors, finally four options, which chooses the plan of dam is 75 m wide.This design mainly for flood regulating calculation, design, design of spillway, the surface spillway dam partition line, dam seepage analysis and dam body stability calculation. The design and arrangement of the spillway in the Banks of the river on the right bank of the river, spillway was right in the groove. 71.3 m high dam, the upstream dam slope degree is 1.4, the downstream slope 1.3 dam axis length of 449.4 m, decorate in the bend. This scheme by the dam seepage calculation, stability analysis and meet the requirements.Keywords: concrete face rockfill dam, flood routing, design of dam body ,seepage calculation, Stability calculation, The bank spillwayII目 录摘要IABSTRACTII第1章 工程基本资料11.1 流域概况及枢纽任务11.2 设计要求21.3 枢纽设计基本资料2第2章 调洪计算92.1调洪演算92.2方案选取15第3章 坝址选择及枢纽布置173.1 坝址及坝型选择173.2 枢纽总体布置183.3土石坝坝型选择183.4大坝轮廓拟定193.5混凝土面板、趾板设计253.6分缝止水设计27第4章 坝体计算294.1渗流分析294.2坝体稳定分析364.3坝体沉降计算46第5章 坝基处理495.1基础处理495.2 细部构造设计50第6章 溢洪道设计536.1泄水方案选择536.2溢洪道选线536.3溢洪道设计536.4溢洪道水力计算56结 语65专题：河岸溢洪道的适用条件67外文文献及翻译71Fuzzy Earthwork Dynamic Allocation and Optimization for Construction of High Concrete Face Rockfill Dam71高混凝土面板堆石坝施工过程中土石方分配的模糊优化75参考文献79谢 辞81第1章 工程基本资料1.1 流域概况及枢纽任务1.1.1流域概况虞江位于我国西南地区，流向自东向西北，全长约122公里，流域面积2558平方公里，在坝址以上流域面积为780平方公里。本流域大部分为山岭地带，山脉、盆地相互交错于其间，地形变化剧烈，流域内支流很多，但多为小的山区河流，地表大部分为松软沙岩、页岩、玄武岩及石灰岩的风化层，汛期河流含沙量较大，冲积层较厚，两岸有崩塌现象。本流域内因山脉连绵，交通不便，故居民较少，全区农田面积仅占总面积的20%，林木面积约占全区的30%，其种类有松、杉等。其余为荒山及草皮覆盖。1.1.2枢纽任务本工程同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合利用。1）发电装机24MW，多年平均发电量为1.05亿度。本电站装3台8MW机组。正常蓄水位为270m，汛期限制水位可取与正常蓄水位相等，3台机组满发时的流量为44.1 m/s，尾水位为218.7m，河底高程为216m。厂房形式为引水式厂房，厂房平面尺寸为3213mm，发电机高程为221m，尾水管底高程为219m，厂房顶高程为233m，副厂房平面尺寸为356m10m，开关站尺寸为3020m15m。2）灌溉增加保灌面积10万亩。3）防洪可减轻洪水对下游城镇、厂矿和农村的威胁。根据防洪要求，设计洪水时最大下泄流量限制为1500 m/s。4）渔业正常蓄水位时，水库面积为180 km，为发展养殖业创造了有利条件。5）其它引水隧洞进口底高程为250m，出口底高程为214m；引水隧洞直径为4m，压力钢管直径为2.3m，调压井直径为12.0m；放空洞直径为2.5m，可放空水库至水位230m。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）根据地质、地形条件和枢纽建筑物的作用进行坝线、坝型的选择，枢纽布置方案比较通过初步分析确定。绘制枢纽平面布置及下游立视图。2）进行泄水建筑物的剖面设计（2个剖面形式，进行技术经济比较分析确定），内容包括：拟定断面，水力计算稳定应力分析等，并绘制设计图纸。3）进行挡水建筑物的剖面设计（23个剖面形式，进行技术经济比较分析确定），内容包括：拟定挡水坝剖面，稳定应力分析等，并绘制设计图。4）进行细部构造设计和地基处理设计，包括：混凝土标号分区、分缝、止水、廓道、排水以及开挖、清理、灌浆、断层处理等，并绘制有关设计图。 1.3 枢纽设计基本资料1.3.1 气候特性（1）气温：年平均气温约为12.8，最高气温为30.5，发生在7月份，最低气温-5.3，发生在1月份。各月平均气温见表1-1，各平均气温天数见表1-2。表1-1 月平均气温统计表（）月份123456789101112平均气温4.88.311.214.816.318.018.818.316.012.48.65.912.8表1-2 平均温度天数 月份天数气温123456789101112061.20.3000000003.10302526.830.7303130313130313027.930000000000000（2）湿度：本区域气候特征是冬干夏湿，每年11月至次年四月特别干燥，其相对湿度在51%73%之间，夏季因降雨日数较多，相对湿度随之增大，一般变化范围为67%86%。（3）降水量：最大年降水量可达1213毫米，最小为617毫米，多年平均降水量为905毫米。各月降雨天数见表1-3。表1-3 各月降雨天数统计表 月份天数气温1234567891011125mm2.62.24.34.27.08.611.58.59.69.54.84.3510mm0.30.20.21.42.02.42.72.72.62.40.80.11030mm0.10.10.70.52.34.64.93.82.21.30.60.14）风力及风向：一般14月风力较大，实测最大风速为18米/秒，风向为西北偏西，水库吹程为15公里。1.3.2 水文特征径流年内分配极不均匀，每年6月11月为汛期，径流量占年径流量的80%以上，12月翌年5月为枯水期，径流量不足年径流量的20%，其中尤以3月4月份最枯，径流量不足年径流量的4%。附近A站最丰水年年平均流量为315m/s，最枯水年年平均流量为89.2m/s，丰枯水年径流比3.53倍; 附近B站最丰水年年平均流量507m/s(1971年6月1972年5月)，最枯水年年平均流量为180m/s(1980年6月1981年5月)，丰枯水年径流比2.82倍。该坝址设计代表年径流年内分配成果见表1-4，设计洪水成果见表1-5，分期设计洪峰成果见表1-6。 表1-4 坝址设计代表年径流年内分配成果表 单位：m/s频率设计代表年径流年内分配6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月4月5月10%27057884269541671526316210178.178.012725%35336898349446233522015011771.552.182.550%27752761851032519816813397.362.057.760.175%37234842335919230716510079.344.457.729.090%15037250130918711510167.274.149.851.452.5表1-5 坝址设计洪水成果表频率0.05%1%2%5%10%流量（m/s）23201680142011801040表1-6 分期设计洪水洪峰成果表站名（坝址）分 期各级频率P(%）设计值（m/s）5102050虞江坝址3个月（2月4月）4873712721654个月（1月4月）5184143172065个月（1月5月）12109467083666个月（12月翌年5月）149012008964407个月（12月翌年6月）237017701310843西南某河为多沙性河流，流域内植被破坏较严重，水土流失现象较为普遍。泥沙年际、年内变化较大，有90%以上的泥沙集中于汛期。坝址处多年平均悬移质输沙量4080万吨，多年平均含沙量5.35kgm，最大年平均悬移质含沙量11.8 kgm（1986年），最小年平均悬移质含沙量2.75 kgm（1980年）。推移质输沙量按悬移质输沙量的7%计为286万吨，则该坝址多年平均输沙总量为4370万t。泥沙特征值统计见表1-7。表1-7 坝址泥沙特征值统计表（1973年2003年系列）集 水面积(km）多年平均流量(m/s）多年平均年悬移质输沙量(万t）多年平均年推移质输沙量(万t）多年平均悬移质含沙量(kg/ m）最大年平均 悬移质含沙量最小年平均悬移质含沙量含沙量(kg/ m）年份含沙量(kg/ m）年份28875265(242）4240(4080）63.6(286）5.08(5.35）11.819862.7519801.3.3 工程地质1）设计采用地质资料及参数坝区N14a(线)岩组泥岩碎屑较多或泥岩碎屑为主，以钙泥质胶结为主，岩石强度较低：弱风化砾岩、砂砾岩单轴湿抗压强度Rb=18.725.0MPa，=21.8MPa，软化系数0.620.81，平均0.68，属软岩。 N14b(线)以灰岩碎屑为主，以钙质胶结为主，岩石强度较高：弱风化上部（180m高程以上）单轴湿抗压强度Rb=25.739.1MPa，=31.5MPa，软化系数0.440.60，平均0.52，属偏软的中硬岩；（180m高程以下）弱风化下部微风化带岩石单轴湿抗压强度Rb=37.880.9MPa，=56.7MPa，软化系数0.540.92，平均0.72，属偏硬的中硬岩。N15灰岩角砾岩弱风化带岩石Rb=49.6MPa，软化系数0.500.93，平均0.71，为中硬岩，微风化带岩石Rb=62.4MPa，软化系数0.74，为坚硬岩。1.3.4交通条件对外交通以公路运输为主。目前坝址左岸有公路通过，为2级公路，该公路高程约239m，为混凝土路面，路宽约55.5m；坝址右岸有公路与外界联系。施工前期，利用右岸公路与外界联系，后期计划围堰作为跨河通道，主要利用左岸原有公路与外界联系。对外交通计划需新修公路2km，扩建公路4km，加固桥梁一座。1.3.5水库水位与库容关系曲线及水位流量关系水库水位关系见表1-8，水位流量关系见表1-91。表1-8 水库水位库容曲线 高程（m）211215220225230235240245250255260265270275面积（万m2）01.16491141972723484555486487498519581065库容（万m3）02.32128536131524884038604685541154415035190332355528612表1-9 洪峰流量和时间表时间（t）洪峰流量（m/s）时间（t）洪峰流量（m/s）048.6391250354421000663.4545750976.95485001297.25135015137.75430018234.9572502145960216241147.563175.5272592661353019506994.53316507256.73614501.3.6效益及淹没损失通过现场调查，落实淹没实物指标为：库区淹没影响4个村，居民170户762人；淹没影响居民房屋共计31649.56m；淹没土地总面积为12721.72亩,其中农用地5559.76亩(耕地1089.97亩,园地1278.08亩,草地1350.09亩,林地1841.25亩；鱼塘0.37亩),建设用地126.35亩，未利用土地7035.61亩(包括河流水面3661.07亩)；淹没的专项设施有：四级公路2.84km，吊桥一座，10kV输电线路7.02km,光缆线路2.97km，供水管线0.28 km，库区内有12个铅锌矿平洞和8个铁矿平洞被淹。第2章 调洪计算2.1调洪演算2.1.1水库资料1. 洪水过程线 图2-1设计洪水过程线 图2-2校核洪水过程线2.水库容积特性曲线 图2-3水库容积特性曲线2.1.2基本原理1利用单辅助线法进行调洪计算。根据库容曲线Z-V，拟订的泄洪建筑物形式、尺寸，用水力学公式确定算Q-Z关系为。本设计拟订五组方案进行比较，其计算方法如下所示。计算公式： （2-1）式中：计算时段中的平均入库流量（m/s），它等于； 计算时段初的下泄流量（m/s）； 计算时段末的下泄流量（m/s）； 计算时段初水库的蓄水量（m）； 计算时段末水库的蓄水量（m）； 计算时段，一般取2-6小时，需化为秒数,本设计取1小时。式中q、（v/t+q/2）均可与水库水位建立函数关系。因此，可根据选定的计算时段t值、已知的水库水位容积关系曲线，以及根据水力学公式算出的水位与下泄流量关系曲线，然后计算并绘制曲线：q-f（v/t+q/2）和q-z关系曲线即是水位下泄流量关系曲线。具体的计算方法参考水利水能规划书。2将入库洪水Q-t和计算的q-t点绘在一张图纸上，二者的交点即为所求的下泄洪水流量最大值qm。3根据公式即可求得此时对应的水头H和上游水位Z。4计算工况：计算工况分为校核和设计两种。5水位流量关系曲线的确定：本工程泄洪方式采用WES堰流曲线。水位流量关系曲线由下式确定： （2-2）式中：H为堰顶以上水头；流量系数：M1；溢流孔宽：B待拟定。2.1.3演算方案方案：正常蓄水位270；溢洪道宽度B=75m。表2-1 水库单辅助线计算表库水位Z（m）总库容V总 （万m3）堰顶以上库容V（万m3）V/t (m3/s)q (m3/s)q/2 (m3/s)V/t+q/2 (m3/s)27019033.0 00.00 44.10 22.05 22.05 27119947.4 914.4 846.67 164.10 82.05 928.72 27220848.8 1815.8 1681.30 383.51 191.76 1873.05 27321816.2 2783.2 2577.04 667.64 333.82 2910.86 27422465.6 3432.6 3178.33 1004.10 502.05 3680.38 27523555.0 4522.0 4187.04 1385.74 692.87 4879.91 27624586.4 5553.4 5142.04 1807.73 903.87 6045.90 27725537.8 6504.8 6022.96 2266.53 1133.27 7156.23 27826569.2 7536.2 6977.96 2759.39 1379.70 8357.66 27927630.6 8597.6 7960.74 3284.10 1642.05 9602.79 28028612.0 9579.0 8869.44 3838.83 1919.42 10788.86 依据上表画出单辅助线所用曲线，即：q-f（v/t+q/2）关系曲线和q-z关系曲线见图2-4和图2-5。 图2-4 q-f（v/t+q/2）关系曲线 图2-5q-z关系曲线 表2-2 设计洪水情况下，水库半图解法调洪计算表调洪计算表(P=1%)时间t（h）入库流量Q(m3/s)平均入库流量(m3/s)V/t+q/2 (m3/s)q (m3/s)库水位Z（m）089.91 109.77 368.17 89.91 270.48 3129.63 190.27 388.03 91.04 270.48 6250.90 275.47 487.26 99.80 270.52 9300.04 328.79 662.93 123.73 270.60 12357.54 375.31 867.98 174.31 270.79 15393.08 421.31 1068.98 224.87 270.98 18449.53 471.49 1265.41 275.22 271.16 21493.44 547.80 1461.68 326.45 271.34 24602.17 764.73 1683.03 385.34 271.55 27927.29 1007.27 2062.42 489.01 271.91 301087.24 1238.83 2580.68 636.20 272.42 331390.42 1474.05 3183.31 815.46 273.01 361557.69 1599.50 3841.90 1021.34 273.66 391641.32 1660.66 4420.06 1210.66 274.23 421680.00 1545.66 4870.07 1363.56 274.67 451411.33 1291.10 5052.17 1426.82 274.85 481170.88 1071.04 4916.46 1379.60 274.72 51971.20 892.27 4607.90 1273.89 274.41 54813.34 725.53 4226.28 1146.31 274.04 57637.71 600.07 3805.50 1009.69 273.62 60562.44 524.28 3395.88 880.78 273.22 63486.12 457.37 3039.39 771.86 272.86 66428.62 400.40 2724.90 678.31 272.56 69372.17 2446.99 597.61 272.29 表2-3 校核洪水情况下，水库半图解法调洪计算表调洪计算表(P=1%)时间t（h）入库流量Q(m3/s)平均入库流量(m3/s)V/t+q/2 (m3/s)q(m3/s)库水位Z（m）0124.16 151.59 626.95 124.16 270.61 3179.02 262.75 654.38 121.65 270.60 6346.48 380.41 795.49 156.31 270.73 9414.34 454.04 1019.58 212.36 270.93 12493.74 518.28 1261.26 274.15 271.16 15542.83 581.80 1505.40 337.99 271.38 18620.78 651.10 1749.21 403.17 271.62 21681.42 742.05 1997.14 470.92 271.85 24802.69 1041.62 2268.27 546.70 272.11 271280.55 1390.99 2763.19 689.57 272.59 301501.43 1710.77 3464.61 902.12 273.28 331920.10 2035.59 4273.25 1161.82 274.08 362151.09 2208.84 5147.02 1460.08 274.94 392266.58 2293.29 5895.78 1730.24 275.67 422320.00 2134.49 6458.83 1942.26 276.20 451948.97 1782.95 6651.06 2016.39 276.38 481616.93 1479.05 6417.62 1926.48 276.16 511341.18 1232.18 5970.19 1757.82 275.74 541123.19 1001.92 5444.55 1565.82 275.23 57880.65 828.67 4880.65 1367.21 274.68 60776.70 724.01 4342.11 1184.66 274.15 63671.31 631.61 3881.45 1034.04 273.70 66591.91 552.93 3479.03 906.62 273.30 69513.95 3125.34 797.84 272.95 经以上计算，将设计和校核洪水过程线和下泄流量过程线画在同一张图纸上（见图2-6以及图2-7），可以发现两线交点为q-t曲线的最高点，此最高点就是下泄最大流量，依据此流量在q-z曲线中查出相应的水位即为设计或校核水位高程。图2-6该水库设计洪水过程线于下泄流量过程线图2-7该水库校核洪水过程线于下泄流量过程线在图2-6和2-7上可以查出：设计状况下：最大下泄流量为qm=1250 m/s，对应上游水位z=277.4m。校核状况下：最大下泄流量为qm=1765 m/s，对应上游水位z=279.4m。2.2方案选取表2-4 对拟定方案进行比较方案溢流坝宽度B工况Q（m3/s）上游水位高Z（m）超高z（m）一38设计1250277.47.4校核1750279.49.4二50设计1310276.46.4校核1851278.28.2三60设计1370275.95.9校核1950277.47.4四75设计1427274.94.9校核2020276.46.4以上四个方案都符合要求，由于该方案采用河岸溢洪道泄洪，因此要综合考虑溢洪道泄洪时的水流条件、溢洪道开挖量、经济因素及泄洪时对下游的影响。综合考量之后，我决定选择方案四。第3章 坝址选择及枢纽布置3.1 坝址及坝型选择3.1.1坝址选择混凝土面板堆石坝的坝轴线选择，既要考虑坝址的地形地质条件，又要考虑面板堆石坝的特点，且有利于其他建筑物的布置。重点是选择较理想的趾版线位置，使趾版地基尽量置于坚硬、非冲蚀性和可灌的岩基上，尽量避开断裂发育、强烈风华、夹泥、岩溶等不利地址因素，使趾板开挖量和趾板地基处理工作量减少。另一方面要选择有利的地形，使坝轴线采用直线形式，并尽可能与直线正交，以节省坝体工作量和方便施工。3.1.2坝型选择坝型选择应综合考虑下列因素，经技术经济比较确定：1坝址区河势地形、坝址基岩、覆盖层特征及地震烈度等地形地质条件；2筑坝材料的种类、性质、数量、位置和运输条件；3施工导流、施工进度与分期、填筑强度、气象条件、施工场地、运输条件和初期度汛等施工条件；4坝高：高坝多采用土质防渗体分区坝，低坝多采用均质坝，条件合适时宜采用混凝土面板堆石坝；5枢纽布置、坝基处理以及坝体与泄水、引水建筑物等的连接；6运行条件：如对渗漏量要求高低，上、下游水位变动情况，分期建设等；7坝及枢纽的总工程量、总工期和总造价。所选坝轴线处河床冲积层较深，两岸风化岩透水性深，基岩强度低，且不完整。从地质条件看不宜修建拱坝。支墩坝本身应力较高，对地基的要求也很高，在这种地质条件下修建支墩坝也是不可行的。较高的混凝土重力坝也要求建在岩石地基上。通过对各种不同的坝型进行定性分析，综合考虑地形、地质条件、建筑材料、施工条件、综合效益等因素，最终选择土石坝方案。3.2 枢纽总体布置3.2.1枢纽建筑物组成本设计根据当地的地形、地址以及水文等多方面的因素，最终选定枢纽的建筑物组成为：1挡水建筑物：面板堆石坝2泄水建筑物：河岸溢洪道3水电站建筑物：包括引水隧洞、调压井、压力管道、电站厂房、开关站等。3.2.2枢纽布置1挡水建筑物面板堆石坝挡水建筑物按直线布置，坝布置在河湾地段上。2泄水建筑物河岸溢洪道泄洪采用河岸溢洪道方案，溢洪道布置在大坝右岸。3水电站建筑物引水隧洞、电站厂房布置于凸岸，由于风化岩层较深，厂房布置在开挖后的坚硬玄武岩上，开关站布置在厂房旁边。3.3土石坝坝型选择影响土石坝坝型选择的因素很多，最主要的是坝址附近的筑坝材料，还有地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理、抗震要求等。应选择几种比较优越的坝型，拟定剖面轮廓尺寸，进而比较工程量、工期、造价，最后选定技术上可靠、经济上合理的坝型。本设计限于资料只作定性分析确定土石坝坝型选择。均质坝材料单一，施工简单，但坝身粘性较大，冬雨季施工较为不便，且无足够适宜的土料来作均质坝，故均质坝方案不可行。塑性斜墙坝（用砂砾料作为坝壳，以粘土料作防渗体设在坝体的上游做斜墙）的斜墙与坝壳两者施工干扰相对较小，工期较短，但对坝体、坝基的沉降比较敏感，抗震性能较差，易产生裂缝；塑性心墙坝（用砂砾料作为坝壳，以粘土料作防渗体设在坝剖面的中部做心墙）与斜墙坝相比工程量相对较小，适应不均匀变形，抗震性能较好，但要求心墙粘土料与坝壳砂砾料同时上升，施工干扰大、工期长。由于本地区粘性土料自然含水量较高，不宜大量采用粘性土料，故本设计中不考虑。鉴于该河流本流域大部分为山岭地带，山脉、盆地相互交错于其间，地形变化剧烈，流域内支流很多，但多为小的山区河流，地表大部分为松软沙岩、页岩、玄武岩及石灰岩的风化层，汛期河流含沙量较大，冲积层较厚，两岸有崩塌现象。堆石坝坝坡较陡，工程量较小，施工干扰相对较小且对不同坝址气候条件和地形地质条件都具有较强的适应性；又为利用当地的天然建筑材料等有效资源，减少外来建筑材料的供应，故本工程采用面板堆石坝坝型的设计。3.4大坝轮廓拟定大坝剖面轮廓尺寸包括坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡、面板和趾板设计等。3.4.1坝体剖面设计1.坝顶高程根据碾压式土石坝设计规范（SL2742001）（以下简称“规范”）规定，坝顶高程分别按照:正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高、设计水位加正常运用条件下的坝顶超高、校核水位加非常运用下的坝顶超高进行计算，因该地区地震烈度为7，故还需考虑正常蓄水位加非常运用时的坝顶超高再加上地震涌浪高度，最后取以上四种工况最大值，同时并保留一定的沉降值。涉及的坝顶高程是针对坝沉降以后的情况而言的，因此，竣工时的坝顶高程应预留足够的沉降量。根据以往工程经验，土石坝预留沉降量一般为坝高的0.4%。 坝顶高程在水库正常运用和非正常运用期间的静水位以上应当有足够的超高，以保证水库不漫顶，其超高值h由下式而定： （3-1）式中：h坝顶在水库静水位以上的超高，m； R最大波浪在坝坡上的爬高，m； e最大风浪引起坝前壅高，m； A安全超高，m。（1）最大波浪爬高R由官厅水库公式： （3-2） （3-3） （3-4） 式中： 该流域最大风速，取18m/s； 该流域最大吹程，取15km； 波浪入射角的折减系数取0.96； 混凝土护面取0.9； 查表得取1.1。 的表达式如下： （3-5） （3-6） （3-7）拟取定m=1.4，经计算得=