建筑7平山水利枢纽设计1、综述1.1设计基本资料1.1.1工程概况平山水库位于湖北某县平山河中游,该河系睦水(长江的支流)的主要支流,全长28km,流域面积556m2,坝址控制面积491km2,平山河是山区性河流,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。1.1.2枢纽任务该枢纽以灌溉发电为主,并结合防洪,航运养殖,给水等进行开发1.1.3地形地质平山河流域都是丘陵及山区,河谷山坡陡竣,坡度约为60~70,地势高差为80~120m河床一般约为400m,河道弯曲,坝址处成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,履盖层较厚,基岩产状零乱。靠坝址上游是泥盆纪五通砂岩,坝址下游是二迭纪石灰岩,坝轴线位于五通砂岩上。在平山咀以南石灰岩沙岩分界处,发现一大断层,走向近东西,倾向大致北西,在坝轴线左岸的五通砂岩特别破碎,产状零乱,两岸岩石破碎,岩石的隐裂隙很发育。岩石的渗水率很小,两岸多为0.001~0.010升/分,坝址处沿坝轴线是1.5~5.0m厚的覆盖层,k=1×10-4cm/s,γ浮=10.0kN/m3,=35。1.1.4水文气象暴雨洪峰流量Q0.05%=1860m3/s,Q0.5%=1550m3/s,Q1%=1380m3/s。多年平均流量13.3m3/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,多年平均降雨天数48天/年,库区气候温和。1.1.5其他坝顶设有公路,枢纽工程的对外交通有水路、公路、铁路。坝区地震为5~6度,可不考虑。1.2设计基本参数1.2.1水库规化成果(1)正常高水位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)死水位105.0m(发电极限工作深度8m)(5)灌既最低库水位104.0m(6)水库总库容2.0亿m3(7)水库有效库容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Q=28m3/s,相应下游水位68.65m(10)通过调洪演算,溢洪道下泄流量Q=840m3/s,相应下游水位72.65m(11)校核情况下,溢洪道下泄流量Q=1340m3/s,相应下游水位74.30m(12)水库淤积高程85.00m1.2.2枢纽各建筑物设计条件(1)土坝,沿坝轴线布置;(2)溢洪道,堰项高程107.5m;(3)水电站,装机容量9000KW,机组台数3台,厂房尺寸30.09.0m2,引水隧洞直径3.50m,尾水管底板高程62.0m;建筑8(4)放空建筑物可利用导流隧洞,导流隧洞底部高70.0m,直径5.0m,上游土石围堰顶部高程85.0m,下游土石围堰项部高程70.0m。1.2.3筑坝材料坝轴线下游1.5~3.5km,土料储量丰富,质量可满足筑坝要求。砂料在坝轴线上、下游1.0~3.0km的河滩开采,石料可在坝轴线下游左岸的山沟里开采,材料的性质及各项指标如下表所示:土壤类别干容重(kN/m3)最优含水量(%)孔隙率(%)内摩擦角粘着力(kN/m2)渗透系数(cm/s)壤土15.8154224(干)12110-520(湿)粘土15.4254020(干)37110-618(湿)山皮土16.0233933(干)10(干)110-322(湿)7.5(湿)覆盖层16.0350110-4砂料16.040300110-3堆石18.0333801.2.4基岩允许抗压强度2MPa,混凝土与岩基摩擦系数f=0.58。基岩的内摩擦系数f=0.7,粘着力C=0.5MP,容重γ=26kN/m3。2、枢纽建筑物选型及枢纽总体布置2.1工程等级及主要建筑物的级别、洪水标准2.1.1枢纽建筑物组成:根据枢纽任务,该枢纽组成建筑物包括:拦河大坝、泄水建筑物、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空建筑物(隧洞)。2.1.2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、灌溉面积等)对照《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2000)确定工程等别和建筑物级别。1)各分项等级:电站装机容量9000千瓦,小于10MW,属Ⅴ等工程,工程规模为小(2)型;总库容为2.00亿m3,在10~1.0亿m3范围内,属Ⅱ等工程,工程规模为大(2)型;2)工程等别:根据规范规定,对具有综合利用效益的水电工程,各效益指标分属不同等别时,整个工程的等别应按其最高的等别确定,初估本枢纽工程属Ⅱ等工程,工程规模为大(2)型。3)水工建筑物的级别:根据永久性水工建筑物级别的划分标准,Ⅱ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、泄水建筑物、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空隧洞均为2级水工建筑物。永久性水工建筑物洪水标准(已给定):正常运用(设计)洪水重现期100年;非常运用(校核)洪水重现期1000年。2.2枢纽建筑物选型2.2.1坝轴线选择本设计中坝轴线位置已选定,不作考虑。建筑92.2.2枢纽各建筑物的选型(1)挡水建筑物的选型本枢纽位于山区性河流,考虑重力坝、拱坝、土石坝三种方案,进行方案比选。①重力坝方案混凝土重力坝的优点比较明显:如坝身可以开孔过流,不需要另建泄洪建筑物,导流方便等。但重力坝水泥用量较多,造价高(相较于拱坝、土石坝)。坝址附近无合适的石料,混凝土骨料不能充分利用当地材料,不经济。本枢纽坝址处基岩覆盖层较厚,沿河沙滩及两岸坡积层发育,坝轴线左岸的五通砂岩特别破碎,产状零乱,两岸岩石破碎,岩石的隐裂隙很发育。坝基条件较差,增加了坝基处理的成本。故重力坝方案经济性较差,不宜采用。②拱坝方案拱坝体型较薄,大大减少混凝土方量,节省造价。但拱坝是一个高次超静定结构,对地形有较高要求。建造拱坝理想的地形条件应是左右两岸对称,岸坡平顺无突变,在平面上向下游收缩的峡谷段。坝端下游侧要有足够的岩体支承,以保证坝体的稳定。理想的地质条件是基岩均匀单一、完整稳定、强度高、刚度大、透水性小和耐风化等。该枢纽河道较弯曲,尤其坝址处处显著呈S形,两岸山体呈马鞍形,没有厚实的岩体作为坝肩,左岸陡峭,右岸相对平缓,峡谷不对称,下游河床开阔,无建拱坝的有利地形。且两岸岩石破碎,岩石的隐裂隙很发育,基岩地质条件较差,不适宜修建拱坝。③土石坝方案相较于以上两种方案,土石坝方案优势很明显。土石坝适应性强,对地形、地质条件要求低,几乎在所有的条件下都可以修建,建基面覆盖层可不必挖去,节省成本。且土石坝施工技术简单,可实行机械化施工,缩短工期。坝轴线下游1.5~3.5km,土料储量丰富,质量可满足筑坝要求,避免了长途运输,因此土石坝造价相对较低。所以采用土石坝方案。(2)泄水建筑物型式的选择对土石坝,泄水建筑物可考虑岸边溢洪道和水工隧洞。本枢纽坝趾下游300m处的两岸河谷呈马鞍形,右岸有马鞍形垭口,极适宜修建岸边溢洪道泄洪,可大大减少开挖量,降低造价。岸边溢洪道结构简单,运行安全可靠,且超泄能力强,适用于各种水头和流量。故本设计泄水建筑物采用岸边溢洪道。(3)水电站建筑物土石坝不宜采用坝式水电站,而宜采用引水式发电,所以这里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3.50m。2.3枢纽总体布置挡水建筑物(土石坝):位于主河床,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。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,厂房布置在开挖的基岩上,开关站布置在厂房旁边。放空建筑物:待定布置在左岸的山体内。综合考虑各方面因素,最后确定枢纽布置直接绘制地形地质平面图,见附图一。建筑103土石坝设计3.1选择土石坝的类型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,最后决定技术上可靠,经济上合理的坝型。根据前述初步分析,这里着重比较土石坝的几种坝型:均质坝、心墙坝和斜墙坝。(1)均质坝均质坝材料单一,施工简单、方便,干扰少。但均质坝坝身黏性较大,雨、冬季施工较为不方便,不利于加快进度,缩短工期[1]。同时均质坝坝坡较缓,工程量大,需要大量足够适宜的的土料,该处土料储量丰富,但多为砂料、山坡土、覆盖层,不能渗透系数的要求,故而不考虑均质坝。(2)斜墙坝斜墙坝的坝壳可以超前于防渗体进行填筑,而且不受气候条件限制,也不依赖于地基灌浆施工的进度,施工干扰小。但由于抗剪强度较低的防渗体位于上游面,故上游坝坡较缓,坝的工程量相对较大(相比于心墙坝)。斜墙对坝体的沉降变形也较为敏感,与陡峻河岸的连接也比较困难,而本枢纽坝址处左岸岸坡较陡,故不宜选用。(3)心墙坝心墙坝的防渗体位于坝体中央,适应变性的条件较好,特别是当两岸坝肩很陡(与本枢纽适应)时,较斜墙坝优越。其优点还有:①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;②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;③下游坝壳浸润线也比较低,下游坝坡也可以设计得比较陡;④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;⑤位于坝轴线上的心墙与岸坡及混凝土建筑物连接比较方便。从材料方面来看,用作防渗体的土料可采用坝轴线下游1.5~3.5km的丘陵区与平原地带的粘土料,且储量较多,一般土质尚佳,可作筑坝之用。用作透水料的砂土可从坝上、下游0.5~3.5km河滩上开采,储量很多,可供筑坝使用,而且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。故本枢纽选择粘土心墙坝。3.2土石坝的剖面设计土石坝的剖面设计包括坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡以及心墙的断面尺寸。3.2.1坝顶高程坝顶高程分别按设计情况和校核情况计算,取两者之大者,并预留一定的沉降值。土坝坝顶高程=水库静水位(设计水位或校核水位)+坝顶超高d坝顶超高d=风吹的雍高e+波浪的爬高h+安全加高δ风吹的雍高e=(2-1)式中:K为综合摩阻系数,不同研究者所建议的K值有所不同,一般取值范围为1.5×10-3~5×10-3,计算时可取3.6×10-3;V为设计风速,m/s;D为吹程,km;H为水库水域的平均水深,m;α为风向与坝轴线法线方向的夹角。波浪在坝坡上的爬高h可按以下经验公式计算:建筑11h=045()(2-2)式中:2h为波高,2h=00166VD,m;m为土坝上游坝坡坡率,初拟时可取为3;n为上游糙率,上游拟采用浆砌块石护坡,取为0.025。安全加高δ根据坝的等级和运用情况,按表2-1确定。表3-1安全加高δ的取值(m)坝的级别1级2级3级4、5级设计1.510.70.5校核山区、丘陵区0.70.50.40.3平原、滨海区1.00.70.50.3该枢纽拦河大坝属于2级水工建筑物,安全加高δ分别取:正常运用情况下1.0m,非常运用情况下0.5m。坝顶高程计算成果见表3-2,坝顶高程由设计情况控制,设计竣工时坝顶高程为115.1m。表3-2坝顶高程计算成果表计算项目设计情况校核情况上游静水位m113.1113.5河底高程m68坝前水深Hm43.143.5吹程Dkm8风向与坝轴线的夹角(°)45风速Vm/s10风浪引起雍高em0.00330.0032波高2hm0.5900.590土坝上游坝坡坡率m3上游糙率n0.025波浪沿坝坡爬高hm0.7680.768安全超高δm10.5坝顶高程m114.87114.77坝顶高程加0.4%沉陷m115.06114.96注:由于设计资料中未给出风向与坝轴线的夹角,拟取45°。3.2.2坝顶宽度土石坝坝顶宽度根据运行、施工、构造、交通和人防等方面的要求综合研究后确定。本枢纽中坝顶设有公路,可取为1