水利水电工程与管理毕业设计.pdf

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1、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 556 2，坝址以上控制流域面 积 491 2；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 113.0 2) 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)

2、总库容： 2.00 亿 m 3； 7) 水库有效库容： 1.15 亿 m 3； 8) 发电调节保证流量Qp=7.35m 3/s ，相应下游水位 63.20m； 9) 发电最大引用流量Qmax=28 m 3/s ，相应下游水位 68.65m； 10)通过调洪演算，溢洪道下泄流量Q1%=840 m 3/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 m 3/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%=1860m 3/s ，Q 0.5%=1550m 3/s ，Q 1%=1480m

3、3/s 。 多年平均流量 13.34m 3/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 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，尤其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

4、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 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 -4 cm/s，浮=10kN/m 3，=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， 土料可以采用坝轴线 下游 1.5 3.5 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

5、范围 内及平山河出口处两岸河滩开采。石料可以用采石场开采， 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/m 3) 最优含水 率 （% ） 孔隙 率 （% ） 内摩擦角 粘 着 力 (KPa) 渗透系 数 (cm/s) 壤土15.8 15 42 24（湿） 20（干） 12 110 -5 黏土15.4 25 25 20（湿） 18（干） 37 110 -6 山皮 土 16.0 23 39 22（湿） 33（干） 7.5 （湿） 10（干） 110 -3 覆盖 层 16.0

6、 35 0 110 -4 砂料16.0 40 30 0 110 -3 堆石18.0 33 38 0 3.3 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），

7、对照水利水 电枢纽工程等级划分及设计标准 （SL252-2000）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。 （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，所以本枢纽中的拦河大 坝、溢洪道、水电

8、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， 从而通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 74.30m 4.2 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、

9、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可以 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，尤其枢纽布置处更 为显著形成 S形，1#坝址处没有雄厚的山脊作为坝肩，左岸陡峭，右 岸相对平缓，峡谷不对称

10、，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可以修 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，所以采用土石坝方案。 （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，而宜采用引水式发电， 又 因装机

11、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

12、坝之间，厂房布置在开挖的基岩上，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， 土料可以采用坝轴线 下游 1

13、.5 3.5 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。石料可以用采石场开采， 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通过坝体的渗流 量，此外坝体和坝基、岸坡、及混凝土建筑物的接触渗径比较长，可 简化防渗处理。但是， 由于土料抗剪强度比用在其他坝型坝壳的石料、 砂砾和砂等材料的

14、抗剪强度小，故其上下游坝坡比其他坝型缓，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，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1.5 3.5 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

15、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：心墙位于坝体中间而不依靠在 透水坝壳上，其自重通过本身传到基础，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， 下游坝坡也可以设计得比 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

16、石坝的地基适应性强，理论上说，这几类坝都可以选用， 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 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 d 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 6 .0 1.1 a )2( 45.0h nm hc 波浪的平均波高 m坝坡坡率，初拟时取 3； n坝坡护面糙率， 干砌块石护坡 0.0275， 浆砌块石护坡

17、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 )(7 .013. 0 )(0018.0 )(7. 013.0 7 .0 2 1 2 2 7. 0 2 1 2 c v gH th v gD th v gH th v gh 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=8m H1坝前的平均水深 坝前水位壅高 2 cos 2 KV D e gH a = K综合摩阻系数，其值变化在（ 1.5 5.0）10-3 之间，计算时 一般取 K=3.610-3； v设计风速 D吹程，

18、单位 km a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1.5 1.0 0.7 0.5 非常0.7 0.5 0.4 0.3 两种情况计算成果如下 设计情况校核情况 上游静水位 (m）113.1 113.5 河底高程 (m）68 坝前水深 (m) 45.1 45.5 上游坡率3 上游糙率0.025 0.025 风速(m）10*1.8 10 吹程(m）8 平均波高 (m）0.690649 0.358410 波浪爬高1.957238 0.951334 波浪壅高0.003576 0

19、.003559 安全加高1 0.5 坝顶高程116.0608 114.9549 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=10mH 0.5 （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； 1 3.5 。 （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。 （

20、4）心墙的断面尺寸墙顶部宽度：一般不小于3m ，可取 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，

21、 渗透系数， k=10-2cm/s 两者相差 4 10 倍，可以把粘土心墙看作相对不 透水层，因此计算时可以不考虑上游坝壳损失的水头作用。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

22、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算， 以下公式来自水利计算手册 （2006，第二版）。 （ 2 )h)( q 22 1 2 TTH k Ts Hh Tk s Hh kq 44.02 2 3 2 2 2 1 q 为渗流量 将心墙看作等厚的矩形，则其平均宽度为：13.74m 2 d 21 d T=5m H1=113.1-68=45.1m H2=72.65-68=4.65 m s=d=(116.2-100)*2.5+(100-85)*3+(85-75.5)*3.25-(75.5-7

23、2. 65)*1.5-(13.74-10)/2=110.23m k1=10 -5 m/s k2=10 -8 m/s k3=10 -6 m/s 联立前面两式得h=7.22m ,q=8.59*10 -7 m 2/s 浸润线方程x s Hh y 2 22 )( xy 23.110 )65.422.7( 2 2 =0.060x 5.5 坝坡稳定计算（只作下游坡一个滑弧面的计算） 采用“瑞典圆弧法”进行计算 (1) 计算工况：上游设计水位 +下游相应水位 (2) 计算内容：确定下游坝坡的最小抗滑稳定系数，判断处理的 坡面是否满足要求 (3) 滑弧面的选择：滑动面的起点在坝顶、与心墙相交、与坝基 接近或切

24、入坝基、端点在坝坡脚附近。圆弧半径尽量选择为整数。 (4) 荷载计算：土坝坝体自重浸润线以上按湿容重计算，在浸润 线以下、下游水面线以上的土体按饱和容重计算，在下游水位以下的 土体，按浮容重计算。 圆弧半径为 R=140m ，对滑动面上土体进行分条编号：坝顶向下 依次为 1，2，3， 为简化分析，现只考虑自重荷载。对如图44，所示的坝坡，以 i 土条为例，其自重，式中为土条面积，为 土体容重。自重在滑动面上的切向分力起 促滑作用，法向分力在滑动面上产生摩擦 力，起抗滑作用。式中为土条底部中点所在半径与铅直线的夹角， 是土条在滑动面处的内摩擦角。 在滑动面上总滑动力为，总抗滑力为 由于坝体中渗流

25、量q 很小，所以不考虑孔隙水压力。 计算结果如表 3-4 所示： 坝坡稳定计算表 土条 编号 自重 Wi (kN) 角度 i sin i cosi Wi*sini( kN) Wi*cos i (kN) Wicos it an (kN) Li(m)Li*ci 1 885.83 41 0.656 0.755 581.154 668.541 256.49 13.36 317.0 2 5403.83 35 0.574 0.819 3099.507 4426.554 1788.328 26.77 200.8 3 7334.67 28 0.469 0.883 3443.420 6476.132 2616.

26、357 24.56 184.20 4 8248.46 19 0.326 0.946 2685.436 7799.073 3150.826 23.20 174.0 5 8370.61 11 0.191 0.982 1597.188 8216.818 3319.595 26.09 195.7 6 4211.48 4 0.070 0.998 293.778 4201.223 2940.856 17.99 0.0 7 2529.97 -3 -0.05 0.999 -132.408 2526.502 1768.551 28.31 0.0 11568.075 15841 1071.7 （5）稳定分析 碾压

27、式土石坝设计规范规定的坝坡抗滑稳定的最小安全系数 如表 3-5 所示： 表 3-5 坝坡抗滑稳定最小安全系数 运用条件 工程等级 1 2 3 4、5 正常运用条件1.30 1.25 1.20 1.15 非常运用条件一1.20 1.15 1.10 1.05 非常运用条件二1.10 1.05 1.05 1.00 本设计中K=1.462 K=1.25,安全系数满足要求。坝的稳定安 全系数偏大，但是鉴于各种因素考虑不全， 实际安全系数可能要小些， 故而不改变坝坡 5.6 地基的处理 1）地基处理 （1）河槽处：水流常年冲刷，基岩裸露，抗风化能力强，岩石 的渗水率很小，多为0.0010.010 升/ 分

28、，故只需清除覆盖层即可， 挖至基岩即可。 （2）右岸河滩：覆盖层和坡积层相对较厚，岩层裂隙较为发育， 拟采用局部帷幕灌浆，同时进行压实，加固地基。 （3）左岸山体：五通砂岩特别破碎，产状零乱，可采取适当挖 除的措施。 2）坝体与地基的连接 （1）主河槽部位：基岩透水率很小，能达到渗流控制的要求， 采用在心墙底端局部加厚的方式与地基相连。 （2）右岸河滩：坡积层、覆盖层较发育，岩层十分破碎，隐裂 隙发育，故采用截水槽的方式与基岩相连。 3）坝体与岸坡的连接 左坝肩到左滩地， 坡积层、风化层需彻底清除，左岸坡上修建混 凝土齿墙与岸坡相连接，岸坡较陡，开挖时基本与基岩大致平行。开 挖角不能太大。 六

29、、正槽式溢洪道设计 6.1 溢洪道路线选择和平面位置的确定 主要考虑：地形、地质条件，枢纽总体布置等因素。 （1）地形条件 一般来讲，溢洪道的水流入口应位于水流流畅处，并与土石坝 保持一定的距离， 避免横向水流对土石坝坝坡的冲刷影响，有利于坝 的安全。利用垭口，有利于减少开挖工程量。本工程正好有一个符合 上述条件的垭口，故在此处进行溢洪道布置。溢洪道的水流出口处， 应与坝脚或下游其它建筑物保持一定的距离，避免水流冲刷以及水流 波动的影响。 （2）地质条件 应将溢洪道尽量修建在岩基上，并力求溢洪道两岸山坡稳定。 本工程垭口处覆盖层较薄，地质条件较好，两岸山体整体稳定，符合 上述要求。 （3）枢纽总体布置 应考虑与枢纽各建筑物在总体布置上的协调。入流、出流对枢 纽其他建筑物的干扰。 6.2 溢洪道的孔口尺寸确定 （1）堰型选择 溢洪道溢流堰可采用WES 型实用堰，也可采用宽顶堰。本工程拟 采用 WES 型实用堰。 （2）堰顶高程 根据设计资料给出，堰顶高程为107.5m。 （3）溢流前缘宽度 L：分别按设计情况和校核情况进行估算。 计算情况上游水位（ m ） 下泄最大流量 (m 3/s) 相应的下游水位 (m) 设计113.10 1340 72.65