平山水利枢纽设计项目说明指导书.doc
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1、平山水利枢纽设计计算书学院:水利水电学院班级:水电5班姓名:张远金学号:目录一、综述31.1 工程概况31.2 枢纽任务31.3 设计基础资料3二、坝址水文特征4三、 枢纽及库区地形地质条件53.1 坝址、库区地形地质及水文地质53.2 筑坝材料5四、 枢纽建筑物选型及枢纽总体部署64.1工程等级及关键建筑物等级、洪水标准64.2 枢纽建筑物选型8五、土石坝设计105.1 选择土石坝类型105.2 土石坝剖面设计115.5 土石坝结构设计145.3 渗流稳定计算165.4 坝坡稳定分析计算195.6地基处理及和岸坡连接25六、正槽溢洪道设计256.1 正槽式溢洪道位置选择256.2 溢洪道孔口
2、尺寸确定266.3 溢洪道泄槽设计296.4 溢洪道消能设计336.5 溢洪道细部结构设计35一、综述1.1 工程概况 平山水库在湖北省某县平山河中游,该河系睦水关键支流,全长284公里,流域面积为556平方公里,坝址以上控制流域面积为491平方公里;平山河是山区性河流,河床比降3,沿河道有地势比较平坦小平原,地势自南向东由高变低。最低高程为62.5左右。1.2 枢纽任务 该枢纽以浇灌发电为主,并结合防洪、航运、养殖、给水等进行开发。1.3 设计基础资料1.水库计划资料(1)正常蓄水位:113.0m (2)设计洪水位:113.1m (百年一遇)(3)校核洪水位:113.5m (千年一遇)(4)
3、死水位:105.0m(发电极限工作深度为8m)(5)浇灌最低库水位:104.0m(6)水库总库容:2.0亿m (7)水库有效库容:1.15亿m(8)发电调整确保流量Q =7.35 m/s,对应下游水位63.20m;(9)发电最大引用流量Q=28 m/s,对应下游水位68.65m;(10)设计情况下,溢洪道下泄流量Q=840 m/s,对应下游水位72.65m。(11)校核情况下,溢洪道下泄流量Q=1340m3/s,对应下游水位75.30m。(12)水库淤积高程85.00m。2.枢纽组成建筑物设计条件(1)主坝:沿坝轴线部署。(2)河岸溢洪道:堰顶高程为107.5m。(3)水电站:装机容量为900
4、0kw,三台机组,厂房尺寸为30.09.0,引水隧洞直径3.50m,尾水底板高程62.0m。(4)放空建筑物可利用导水隧洞,洞底高程为70.0m,洞直径5.0m,上游土石围堰顶部高程85.0m,下游土石围堰顶部高程70.0m.3. 力学参数 基岩许可抗压强度2MPa,混凝土和基岩摩擦系数f=0.58。基岩内摩擦系数f=0.7,凝聚力C=0.5MPa,容重=26KN/m。4. 其它 坝顶设有公路,枢纽工程对外交通有水路、公路、铁路。 坝区地震烈度56度,设计时不考虑。二、坝址水文特征 暴雨洪峰流量Q=1860m/s,Q=1550 m/s ,Q=1380 m/s。多年平均流量13.34m/s,多年
5、平均水量4.22亿m,多年平均最大风速10m/s,水库吹程8km,多年平均降雨次数48次/年,库区气候温和。三、枢纽及库区地形地质条件3.1 坝址、库区地形地质及水文地质平山河流域多为丘陵山区,在平山河上游全部为大山区,河谷山势陡峭,河谷边坡通常为6070,地势高差全部在80120m,河谷冲割很深,河床通常为100m左右,河道弯曲相当厉害,枢纽部署处成S形,沿河滩及坡积层发育,在坝轴下游300m处两岸河谷呈马鞍形,起覆盖物教厚,岩基产状凌乱。靠坝址上游有泥盆五通沙岩,坝址下游有二叠纪灰岩,坝轴线在五通沙岩上。在平山咀以南,即石灰岩和沙岩分界处,发觉一大断层,其走向近东西,倾向大致向北西,在坝轴
6、线左侧为五通沙岩,尤其破碎,产状凌乱,两岸岩石破碎,岩石隐裂隙很发育。 岩石渗水率全部很小,两岸多为0.0010.01升/分。坝址覆盖层沿坝轴线厚度达1.55.0m,K=10cm/s,浮容重=10.4KN/m,内摩擦角=35。3.2 筑坝材料 坝轴线下游1.53.5km,土料储量丰富,质量可满足筑坝要求,砂料在坝轴线上下游1.03.0km河滩开采,石料可在坝轴线下游左岸山谷里开采,材料性质及各项指标以下表所表示:土壤类别干容重(KN/m)最优含水率(%)孔隙率n(%)内摩擦角(干/湿)凝聚力()(干/湿)渗透系数K(cm/s)粘土15.4252520/1837110壤土15.8154224/2
7、012110坡土16.0233933/227.5/10110覆盖层16.0350110砂料16.040300110堆石18.033380四、枢纽建筑物选型及枢纽总体部署4.1工程等级及关键建筑物等级、洪水标准4.1.1 枢纽建筑物组成 依据设计资料中要求枢纽任务来确定。关键有拦洪蓄水挡水建筑物,宣泄洪水泄水建筑物,浇灌用引水建筑物,检修用放空建筑物,发电、变电、配电厂房、开关站等建筑物,等等。4.1.2 工程等级及关键建筑物等级、洪水标准 水利水电工程等别,应依据其工程规模、效益及在国民经济中关键性确定。永久性建筑物等级,应依据其所属工程等别及其关键性确定。 由水利水电枢纽工程等级划分及设计标
8、准和所给资料中指标确定工程规模、洪水标准以下: (1)分项等别:依据总库容为2.0亿m3,在101.0亿m3之间,属等工程;依据电站装机容量9000千瓦即9MW,小于10MW,属等工程;。 (2)枢纽等别:依据规范要求,对含有综合利用效益水电工程,各效益指标分属不相同别时,整个工程等别应按其最高等别确定,故本水库枢纽为等工程。 (3)水工建筑物等级:依据水工建筑物等级划分标准,等工程关键建筑物为2级水工建筑物,次要建筑物为3级水工建筑物。故本枢纽中土石坝、溢洪道、发电建筑物、导流隧洞、放空隧洞均为2级水工建筑物。 (4)水工建筑物洪水标准:依据山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准(
9、重现期),2级水工建筑物设计洪水标准为5001,土石坝校核洪水标准为5000。从经济角度考虑,选择该枢纽永久性水工建筑物设计洪水标准取1(P),校核洪水标准取(P),该水库计划结果中校核洪水位为千年一遇。4.2 枢纽建筑物选型4.2.1 坝轴线选择 依据坝址地形图中给定坝轴线部署大坝。4.2.2 枢纽各建筑物选型 1. 挡水建筑物:在该坝址可能采取坝型有重力坝、拱坝、土石坝。 (1)重力坝方案:重力坝关键依靠本身重量在地基上产生摩擦力和坝和坝基之间凝聚力来抵御坝前水压力,维持本身稳定。要求地基含有足够强度、整体性、均匀性、抗渗性、耐久性。但因为坝址处两岸坡积层发育,河谷覆盖层厚达1.55.0m
10、,若建重力坝清基开挖量大。而且重力坝体积大,需消耗大量水泥和材料,运输不便,当地材料也未能充足利用,建重力坝不经济。 (2)拱坝方案:拱坝对坝址地形地质条件要求比重力坝高。适合建于断面为“V”字形高山峡谷中,河谷对称缩窄处,以使拱座下游有较多岩体保持抗滑稳定。要求坝址岩石尽可能坚硬致密、质地均匀,两岸坝座周围边坡岩体稳定、整体性好。而该枢纽坝址处河谷宽度和最大坝高之比L/H较大,不能发挥拱作用;坝址在“S”形河湾上,下游河谷断面扩大,右岸岸坡平缓,坡积层发育,左岸下游存在一个大断层,对拱坝稳定极为不利。故不宜建拱坝。(3)土石坝方案:土石坝对地形地质要求低,几乎任何不良坝址地基和深层覆盖层经过
11、处理后全部可填筑土石坝,可就地取材,节省大量水泥、钢材,施工速度快,经济效益好。该枢纽坝址周围砂土石料储量丰富,质量满足筑坝要求。 经过上述论证,综合考虑地形地质、水文特征、建筑材料、施工周期等,挡水建筑物选择土石坝。2. 泄水建筑物 对于土坝,不宜经过坝身泄流,可考虑采取溢洪道或隧洞泄水。因为该枢纽坝址右岸有一垭口,故适宜在垭口处修建溢洪道。采取正槽式溢洪道,过堰水流和泄槽轴线方向一致,水流平顺,泄洪能力大。结构简单,施工运行方便。3. 水电站建筑物 土石坝坝身不能开孔,不宜建坝式水电站,很好方案是建引水式水电站。4. 放空建筑物 为部署方便和减小开挖量,可利用导流隧洞作为水库放空洞,均为有
12、压隧洞。洞底高程70.0m,直径5.0m。 4.3 枢纽总体部署挡水建筑物即土石坝,在主河床,直线部署在地形图所表示坝址线处;泄水建筑物,即溢洪道部署在大坝右岸天然垭口处;发电建筑物中,厂房部署在大坝下游右岸地势较平坦经开挖基岩上,开关站部署在厂房旁边; 施工导流洞及水库放空洞:部署在右岸山体内,以减小隧洞长度和避开断层。协调各建筑物部署要求,最终确定枢纽部署,绘制在平面部署图上(见坝址地形图)。五、土石坝设计5.1 选择土石坝类型土石坝依据施工方法分为碾压式土石坝、水力冲填坝、水中倒土坝。其饭中碾压式土石坝便于机械化施工,速度快、缩短工期,质量易确保,是应用最广泛坝型,故采取碾压式土石坝。碾
13、压式土石坝又分为均质坝、心墙坝、斜墙坝等。现结合本工程实际情况对多种坝型优缺点分析以下: 1.均质坝:坝体材料单一,施工工序简单,干扰少;坝体防渗部分厚大,渗透比降较小,有利于渗流稳定和降低坝体渗流量,另外坝体和坝基、岸坡及混凝土建筑物接触渗径比较长,可简化防渗处理。不过,因为土料抗剪强度比其它坝型坝壳石料、砂砾和砂等材料抗剪强度小,故其上下游坝坡比其它坝型缓,填筑工程量比较大。坝体施工受严寒及降雨影响,有效工日会降低,工期延长,故在严寒和多雨地域使用受限制,故不选择均质坝。2.斜墙坝:斜墙坝和心墙坝,通常优缺点无显著差异,粘土斜墙坝沙砾料填筑不受粘土填筑影响和牵制,沙砾料工作面大,施工方便;
14、考虑坝址地质条件,因为坝基有破碎带和覆盖层,截水槽开挖和断层处理要花费很多时间,而且不轻易正确估计,斜墙截水槽靠近坝脚,处理时不影响下游沙砾料填筑,处理坝基和填筑沙砾料全部有充裕时间,工期较心墙坝有把握;土料及石料储量丰富,填筑材料不受限制。 3.心墙坝:心墙在坝体中间而不依靠在透水坝壳上,其自重经过本身传到基础,不受坝壳沉降影响,依靠心墙填土自重,使得沿心墙和地基接触面产生较大接触应力,有利于心墙和地基结合,提升接触面渗透稳定性;使其因坝主体变形而产生裂缝可能性小,粘土用量少,受气候影响相对小,粘土心墙冬季施工时暖棚跨度比斜墙小。移动和升高较便利。综合以上分析,最终选择粘土心墙坝。5.2 土
15、石坝剖面设计土石坝断面尺寸确定包含坝顶宽度、上下游坝坡坡度、坝顶高程、坝高、心墙断面尺寸、排水设施设置等。1.坝顶宽度 土石坝坝顶宽度依据运行、施工、结构、交通和人防等方面要求综合研究后确定。该工程坝顶宽度取为10m。2.坝顶高程土坝坝顶高程=水库静水位(设计洪水位或校核洪水位)+坝顶超高(1)坝顶超高=风吹壅高+波浪爬高+安全超高(2)波浪爬高可按以下经验公式计算:式中:风浪波高,m;设计洪水位时,取库面风速为洪水期多年平均最大风速1.5倍,即,水库吹程; 土坝上游坡度,计算时取为3; 上游护坡糙率,对浆砌块石护坡取0.025,对砌块石护坡取0.0275。(3)风浪引发坝前水位壅高计算公式:
16、式中:综合摩阻系数,通常取值范围为,计算时取; 风向和坝轴线法线方向夹角,计算中取最不利情况,即; 坝前水域平均水深,由对应水位减高程得,m;(4)安全超高 依据坝等级和运行情况按下表选择安全超高: 表1-1 安全加高取值坝等级1234、5正常运行1.51.00.70.5很运行0.70.50.40.3现将水库正常利用和很利用情况,即设计洪水位和校核洪水位下计算结果列于下表: 表1-2 坝顶高程计算表 (单位:m)运行情况水库静水位波浪爬高风吹壅高安全超高坝顶超高坝顶高程考虑0.3%沉降后坝高正常运行113.11.340.0051.02.34115.44115.79很运行113.50.770.0
17、050.71.47114.97115.31 由表中计算结果,坝顶高程应取正常运行、很运行二者中较大值,即115.80m。3.上下游坝坡坡度坝坡选择取决于坝型、坝高、坝等级、坝体及坝基材料性质、承受荷载、施工和运行等原因。对粘土心墙坝,上下游坝坡在1:2、1:4之间选择,通常上游坝坡比下游坝坡稍缓;沿坝高2030m改变一次坡度,设置一级马道,坡度相差0.250.5。依据坝高采取一次变坡、一级马道。 (1)上游坝坡坡度:从坝顶至坝底依次为1:2.75、1:3.25(2)下游坝坡坡度:从坝顶至坝底依次为1:2.5、1:3.0(3)马道:马道宽度取为2m;上游一级马道高程:115.8m-30m=85.
18、8m下游一级马道高程:115.8m-25m=90.8m5.5 土石坝结构设计1. 防渗体防渗体类型有土质防渗体、沥青混凝土或钢筋混凝土防渗体。因为坝址周围有丰富防渗涂料,故选择土质防渗体,并采取心墙坝。(1)心墙位置:土石坝断面中心线部位;(2)心墙顶部宽度:应满足施工机械碾压要求,通常大于3m,取为4m。(3)心墙顶部高程:心墙顶部在水库静水位以上应有超高,正常运行条件下,超高0.30.6m,顶部高程113.4113.7m;非正常运行条件下,应不低于对应水库静水位,即应大于113.5m。综合考虑,心墙顶部高程取为113.6m。(4)心墙两侧坡度:土质心墙上下游两侧坡度通常为1:0.151:0
19、.25,取为1:0.2。(5)心墙底部宽度:;另外,心墙顶部应有保护层,预防冰冻和机械破坏,厚度通常为1.52.5m,取为2m。和上游连接处设置过渡带,以缓解不一样土料之间沉陷差和减缓渗流破坏作用;下游连接处设置反滤层,反滤截留随渗流带出细小颗粒,促进心墙裂缝自愈。2. 坝体排水坝体排水作用是控制引导渗流,降低浸润线,加速孔隙水压力消散,预防渗流逸出处土渗流破坏,增强坝稳定性;在严寒地域,保护下游坝坡免遭冻胀破坏。要求有充足排水能力,设有反滤层保护坝体和坝基土,便于观察和检修。坝体排水方法有坝趾棱体排水、坝址贴坡排水、褥垫排水层等,本工程采取堆石棱体排水。(1) 棱体顶部高程:棱体顶部高程应超
20、出下游最高水位,对于2级土石坝,超出高度应大于波浪爬高(1.3m)且大于1.0m,取棱体顶部高程=下游最低水位(74.30m)+超高(1.4m)=75.7m;(2) 棱体顶部宽度及内外坡:顶部宽度不应小于1.5m,内坡坡度通常为1:1.01:1.5,外坡1:1.51:2.0;取顶部宽度3m,内坡坡度1:1.25,外坡坡度1:1.75;3.护坡 为预防坝上下游面被波浪淘刷、顺坡水流冲刷、冰层和漂浮物撞击、冻胀干裂等,需在上下游坝面设置护坡。该枢纽坝址处有堆石料可利用,故上下游护坡均采取堆石护坡。 (1)上游护坡: 采取堆石护坡,厚度为50cm堆石,护坡下设置碎石垫层30cm。护坡范围自坝顶起延伸
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