水利水电工程与管理毕业设计范本.doc
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1、水利水电工程与管理毕业设计一、综述1.1工程概况平山水库位于湖北省某县平山河中游,该河系睦水(长辽的支流)的主要支流,全长284m,流域面积为5562,坝址以上控制流域面积4912;平山河是山区河流,河床比降为0.3%,沿河有地势较为平坦的小平原,最低高程为62.5m左右。1.2枢纽任务枢纽主要任务以灌溉发电为主,并结合防洪、航运养殖、给水等任务进行开发。1.3设计基本数据1) 正常蓄水位 113.02) 设计洪水位:113.10m;3) 校核洪水位:113.50m;4) 死水位:105.0m(发电极限工作深度8m);5) 灌溉最低库水位:104.0m;6) 总库容:2.00亿m3;7) 水库
2、有效库容:1.15亿m3;8) 发电调节保证流量Qp=7.35m3/s,相应下游水位63.20m;9) 发电最大引用流量Qmax=28 m3/s,相应下游水位68.65m;10) 经过调洪演算,溢洪道下泄流量Q1%=840 m3/s,相应下游水位72.65m。11) 校核情况下,溢洪道下泄流量Q0.1%=1340 m3/s,相应下游水位74.30m。12) 水库淤积高程85.00m。二、坝址水文特性暴雨洪峰流量Q0.05%=1860m3/s,Q0.5%=1550m3/s,Q1%=1480m3/s。多年平均流量13.34m3/s,多年平均来水量4.22亿m3。多年平均最大风速10m/s,水库吹程
3、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地区,在平山枢纽上游均为大山区,河谷山势陡峭,河谷边坡一般为6070,地势高差都在80120m,河床宽一般为400m,河道弯曲很厉害,特别枢纽布置处更为显著形成S形,沿河沙滩及两岸坡积层发育,坝址处两岸河谷呈马鞍形,其覆盖物较厚,基岩产状凌乱。靠近坝址上游是泥盆纪五通砂岩,坝下游为二迭纪石炭岩,坝轴线位于五通砂岩上面。在平山咀以南,即石灰岩与砂岩分界处,发现一大断层,其走向近东西,倾向大致向北西,在坝轴线左岸的五通砂岩特别破碎,产状凌乱,岩石隐裂隙很发育。岩石的渗水率
4、都很小,两岸多为 0.0010.01升/分,坝址处沿坝轴线是1.5-5.0m厚的覆盖层,k=10-4cm/s,浮=10kN/m3,=35坝区地震为56度,设计时可不考虑。3.2筑坝材料枢纽大坝采用当地材料筑坝,据初步勘察,土料能够采用坝轴线下游1.53.5公里的丘陵区与平原地带的土料,且储量很多,一般质量尚佳,可作筑坝之用。砂料可在坝轴线下游13公里河滩范围内及平山河出口处两岸河滩开采。石料能够用采石场开采,采石场可用坝轴线下游左岸山沟较合适,其石质为石灰岩、砂岩,质量良好,质地坚硬,岩石出露,覆盖浅,易开采。材料的性质及各项指标如下表所示土壤类别干容重 (KN/m3)最优含水率(%)孔隙率(
5、%)内摩擦角粘 着 力 (KPa)渗透系数 (cm/s)壤土15.8154224(湿)20(干)12110-5黏土15.4252520(湿)18(干)37110-6山皮土16.0233922(湿)33(干)7.5(湿)10(干)110-3覆盖层16.0350110-4砂料16.040300110-3堆石18.0333803.3力学参数基岩允许抗压强度2MPa,混凝土与基岩摩擦系数f=0.58。基岩的内摩擦系数f=0.7,粘着力C=0.5MPa,容重r=26kN/m3四、枢纽建筑物选型及枢纽总体布置4.1工程等级及主要建筑物的级别、洪水标准1)枢纽建筑物组成根据水库枢纽的任务,该枢纽组成建筑物主
6、要包括:拦河大坝、水电站建筑物、泄水建筑物、引水建筑物、水库放空隧洞(拟利用导流洞作放空洞)等。2)工程等级及主要建筑物的级别、洪水标准根据所给资料(发电、防洪、库容、灌溉面积),对照水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(SL252- )确定枢纽等别(先确定分项等级,再按最大者确定枢纽等级)和建筑物级别。(1)各效益指标等别:根据电站装机容量9000千瓦即9MW,小于10MW,属等工程;根据总库容为2.00亿m3,在101.0亿m3,属等工程。 (2)水库枢纽等别:根据规范规定,对具有综合利用效益的水电工程,各效益指针分属不同等别时,整个工程的等别应按其最高的等别确定,故本水库枢纽为等工程。 (
7、3)水工建筑物的级别:根据水工建筑物级别的划分标准,等工程的主要建筑物为2级水工建筑物,因此本枢纽中的拦河大坝、溢洪道、水电站建筑物、灌溉管道、水库放空隧洞为2级水工建筑物;次要建筑物筏道为3级水工建筑物。确定枢纽建筑物的的等级的目的是要确定设计和校核洪水标准,从而经过调洪演算来进一步确定设计洪水位和校核洪水位。设计洪水位113.1m(百年一遇),Q1%=840m3/s,下游水位72.65m设计洪水位113.5m(千年一遇),Q0.1%=1340m3/s,下游水位74.30m4.2枢纽建筑物选型1)坝轴线的选择坝轴线综合考虑地形地质条件,土石坝坝轴线一般选在河道转弯下游处,地质条件良好,且与料
8、场的距离适宜。2)枢纽各建筑物选型(1)挡水建筑物在岩基上有三种类型:重力坝、拱坝、土石坝。 a、重力坝方案 从枢纽布置处地形地质平面图及坝轴线地质剖面图上能够看出,坝址基岩为上部为五通砂岩,下面为石英砂岩和砂质叶岩,覆盖层沿坝轴线厚1.55.0m,五通砂岩厚达3080m,若建重力坝清基开挖量大,修建重力坝所需水泥、钢筋等材料运输不方便,且不能利用当地筑坝材料,故修建重力坝不经济。b、拱坝方案 修建拱坝理想的地形条件是左右岸地形对称,岸坡平顺无突变,在平面上向下游收缩的河谷段;而且坝端下游侧要有足够的岩体支撑,以保证坝体的稳定。该河道弯曲相当厉害,特别枢纽布置处更为显著形成S形,1#坝址处没有
9、雄厚的山脊作为坝肩,左岸陡峭,右岸相对平缓,峡谷不对称,成不对称的“U”型,下游河床开阔,建拱坝的造价过高,不宜修筑。 c、土石坝方案土石坝对地形、地质条件要求低,几乎在所有的条件下都能够修建,且施工技术简单,可实行机械化施工,也能充分利用当地建筑材料,覆盖层也不必挖去,因此造价相对较低,因此采用土石坝方案。(2)泄水建筑物型式的选择土石坝最适合采用岸边溢洪道进行泄洪,在坝轴线下游300m处的两岸河谷呈马鞍形,右岸有马鞍形垭口,采用正槽式溢洪道泄洪,泄水槽与堰上水流方向一致,水流平顺,泄洪能力大,结构简单,运行安全可靠,适用于各种水头和流量。(3)水电站建筑物 因为土石坝不宜采用坝式水电站,而
10、宜采用引水式发电,又因装机容量为9000kw,装机容量小,台数为三台,故采用单元供水式引水发电。(4)放空建筑物施工导流洞及水库放空洞,均采用有压式。为便于检修大坝和其它建筑物,拟利用导流隧洞作放空洞,洞底高程为70.00m,洞直径为5.0m。4.3枢纽总体布置方案的确定根据枢纽布置的基本原则,结合本工程的市级情况,主要确定各建筑物的相对位置,并绘制平面布置图。 挡水建筑物土石坝(包括副坝在内)放在主河床,布置呈直线;泄水建筑物溢洪道布置在大坝右岸的天然垭口处;灌溉引水建筑物引水隧洞紧靠在溢洪道的右侧布置;水电站建筑物引水隧洞、电站厂房、开关站等布置在右岸(凸岸),在副坝和主坝之间,厂房布置在
11、开挖的基岩上,开关站布置在厂房旁边;水库放空洞布置在右岸的山体内。综合考虑各方面因素,最后确定枢纽布置直接绘制在蓝图上(地形地质平面图)。五、土坝设计 5.1坝型选择影响土石坝坝型选择的因素有:1.坝高;2.筑坝材料;3.坝址区的地形地质条件;4.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、初期度汛等施工条件;5.枢纽布置、坝基处理型式、坝体与泄水引水建筑物等的连接;6.枢纽的开发目标和运行条件;7.土石坝以及枢纽的总工程量、总工期和总造价。枢纽大坝采用当地材料筑坝,据初步勘察,土料能够采用坝轴线下游1.53.5公里的丘陵区与平原地带的土料,且储量很多,一般质量尚佳,可作
12、筑坝之用。砂料可在坝轴线下游13公里河滩范围内及平山河出口处两岸河滩开采。石料能够用采石场开采,采石场可用坝轴线下游左岸山沟较合适,其石质为石灰岩、砂岩,质量良好,质地坚硬,岩石出露,覆盖浅,易开采。 从建筑材料上说,均质坝、心墙坝、斜墙坝均可。 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,渗透比降比较小,有利于渗流稳定和减少经过坝体的渗流量,另外坝体和坝基、岸坡、及混凝土建筑物的接触渗径比较长,可简化防渗处理。可是,由于土料抗剪强度比用在其它坝型坝壳的石料、砂砾和砂等材料的抗剪强度小,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,有效工日会减少
13、,工期延长,故在寒冷及多雨地区的使用受限制。 2)斜墙坝。由于不透料(土料)位于上游,不便于土料上坝;土质斜墙靠在透水坝壳上,如果坝壳沉降大,将使斜墙开裂;与岸坡及混凝土建筑物连接不如心墙坝方便,斜墙与地基接触应力比心墙小,同地基结合不如心墙坝;断面较大,特别是上游坡较缓,坝脚伸出较远,填筑工程量较心墙大。 3)心墙坝。用作防渗体的土料位于坝下游1.53.5公里的丘陵区与平原地带的土料,且储量很多,一般质量尚佳,可作筑坝之用;用作透水料的砂土可从坝上下游0.33.5公里河滩上开采,储量多,可供筑坝使用,这样便于分别从上下游上料,填筑透水坝壳,使施工方便,争取工期。心墙坝的优点还有:心墙位于坝体
14、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,使得沿心墙与地基接触面产生较大的接触应力,有利于心墙与地基结合,提高接触面的渗透稳定性;当库水位下降时,上游透水坝壳中水分迅速排泄,有利于上游坝坡稳定,使上游坝坡比均质坝或斜墙坝陡;下游坝壳浸润线也比较低,下游坝坡也能够设计得比较陡;在防渗效果相同的情况下,土料用量比斜墙坝少,施工受气候影响相对小些;位于坝轴在线的心墙与岸坡及混凝土建筑物连接比较方便。 由于土石坝的地基适应性强,理论上说,这几类坝都能够选用,具体考虑到当地两岸的坝坡较陡峭,因此选用较能够适应陡峭坝坡地形的心墙坝作为首选坝型。5.2坝体剖面设计
15、土石坝的剖面设计指坝坡、坝顶宽度、坝顶高程。1)坝顶高程坝顶高程等于不同运行情况下的水库静水位加上超高之和,并分别按以下运用情况计算,取较大值:设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高;校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高 d=风吹的壅高e+波浪爬高ha+安全加高波浪的平均波高坝坡坡率,初拟时取3;坝坡护面糙率,干砌块石护坡0.0275,浆砌块石护坡取0.025,沥青和混凝土0.0155,本设计采用砌石块石护坡由莆田水电站公式v多年平均最大风速,正常运行时取1.5-2.0倍,非正常运行时取v=10m/s,非正常运行时取v=18m/s。D风的有效吹程D=8mH1坝前的平均水深坝前水位壅高 综合摩阻系数,
16、其值变化在(1.55.0)10-3之间,计算时一般取K=3.610-3;v设计风速D吹程,单位km风向与水域中线(或坝轴线的法线)方向的夹角。安全加高,m,根据坝的等级和运用情况,按表1-1确定。 安全加高 (单位:m)运用情况坝的级别、正常1.51.00.70.5非常0.70.50.40.3两种情况计算成果如下设计情况校核情况上游静水位(m)113.1113.5河底高程(m)68坝前水深(m)45.145.5上游坡率3上游糙率0.0250.025风速(m)10*1.810吹程(m)8平均波高(m)0.6906490.358410波浪爬高1.9572380.951334波浪壅高0.003576
17、0.003559安全加高10.5坝顶高程116.0608114.9549坝顶高程取正常运行和非正常运行中较大值,取116.2m可满足要求(2)坝顶宽度坝顶宽度应满足交通要求、施工条件、防汛抢险等要求,坝顶宽度取10m,B=10mH0.5(3)上下游坡度的确定 因最大坝高约116.20-68.00=48.20m,故采用上级坝坡二级变坡,下游三级坝坡。 (1)上游坝坡:从坝顶至坝踵依次为13; 13.5。 (2)下游坝坡:从坝顶至坝趾依次为12.5;13,13.25。 (3)马道:第一级马道高程为85,第二级马道高程100m,马道宽度取2.0m。(4)心墙的断面尺寸墙顶部宽度:一般不小于3m,可取
18、5m。心墙顶部高程:心墙顶部高程以设计水位加0.6m超高并高于校核水位,取113.7m,上部留有2.5m的保护层厚度。心墙两侧坡度:可取1:0.15-1:0.3,取1:0.2心墙的位置:位于坝中心线,心墙底部设齿墙,与不透水层相接5.3坝体排水设施布置采用堆石棱柱体排水,棱柱体顶面高程应高出下游最高水位1m,取75.5m,堆石棱体内坡取1:1.5,外坡取1:2.0,坝顶取2.0m。5.4土坝渗流计算和分析1)渗流计算的基本假定 (1)心墙采用粘土料,渗透系数k=10-6cm/s,坝壳采用砂土料,渗透系数,k=10-2cm/s两者相差倍,能够把粘土心墙看作相对不透水层,因此计算时能够不考虑上游坝
19、壳损失的水头作用。下游设有棱体排水,可近似的假设浸润线的逸出点为下游水位与堆石棱体内坡的交点。下游坝壳的浸润线也较平缓,接近水平,水头主要在心墙部位损失。 (2)土体中渗流流速不大且处于层流状态,渗流服从达西定律,即平均流速v等于渗透系数K与渗透比降i的乘积,v=Ki。 (3)发生渗流量时土体孔隙尺寸不变,饱和度不变,渗流为连续的。 2)渗流计算条件 渗流计算应考虑如下组合,取其最不利者作为控制条件:1)上游正常高水位,下游相应的最低水位;2)上游设计或校核洪水水位,分别相应的下游水位。计算设计洪水位113.10m,相应下游的最低水位72.65。 3)渗流分析的方法采用水力学法进行土石坝渗流计
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