水利工程枢纽布置

水利工程枢纽布置及调洪演算
西安理工大学水利水电学院
张晓飞
三峡水利枢纽
二滩水电站－－1998年竣工 流域/地址：雅砻江/四川攀枝花； 坝型：双曲拱坝； 最大坝高：240m； 总库容：58.0亿m3； 总装机容量：330万kw。
锦屏一级水电站－－在建 流域/地址：雅砻江/四川； 坝型：双曲拱坝； 最大坝高：305m； 总库容：100亿m3； 总装机容量：300万kw。
在枢纽布置允许的前提下，闸门宜选用宽而扁，宽高比 常采用 b/H≈1.0～2.0。
泄流总净宽：B=nb ：泄流总净宽根据泄洪要求及坝址 地形确定；而孔数较少时取单数。
4.溢流面体形设计
溢流面体形有三部分组成：
堰顶曲线 a～c 直线段 c～d 反弧段 d～e
b
a
c
d
e
①上游曲线段（a～b）：双圆弧、椭圆。近年来，提出 了三圆弧及下列型式的曲线
3．施工安排
坝址、坝轴线选择和枢纽布置，是与施工导流、施工 方法和施工期限密切相关的，应力求做到以最小的投资在
最短时期内顺利完成施工任务。
三峡工程大坝坝址选定在宜昌市三斗坪，坝址区河谷开阔， 两岸岸坡较平缓，江中有一小岛（中堡岛），具备良好的分期 施工导流条件。枢纽建筑物基础为坚硬完整的花岗岩体，岩体 内断层、裂隙不发育，且大多胶结良好、透水性微弱。
斜墙高于正常水位0.6～0.8m；
3.面板堆石坝的防浪墙与面板 连接问题：分缝至防浪墙顶； 止水结构至防浪墙顶水位以 上；
4.护坡 上游护坡设置至死水位以下2.5m ；下游护坡至排水体。
（二）溢洪道设计
溢洪道控制段同溢流重力坝设计类同，区别在于：溢洪 道为低堰，溢流坝为高堰；另外溢洪道控制段后接陡槽。
计算项目：泄流量计算、水面线计算、消能工水力计算 （挑流：挑距及冲坑深度计算；底流：消力池长度计算、 尾坎高度、护坦结构计算） 设计中注意：
1.各部位曲线与直线连接需切线相连； 2.进口布置与大坝应有一定距离，若距离较小，以致进 水影响大坝安全时，应布置导墙。 3.出口远离大坝坝脚，防止下泄水舌冲刷大坝坝脚。
洪任务，底孔有泄洪、排沙、放空水库的任务。 进口设置：中孔一般位于大坝1/2坝高附近； 深孔位于大坝1/2坝高以下； 底孔位于水库死水位以下。
2.泄水孔型式：有无压和有压两种 无压孔：工作闸门设在坝身。 有压孔：工作闸门设在坝体外。
3.孔口尺寸：根据承担泄洪任务确定。
有压泄水孔（单位：m） 1–通气孔；2–平压管；3–检修门槽；
瀑布沟水电站 流域/地址：大渡河/四川； 坝型：心墙堆石坝； 最大坝高：186m； 总库容：51.7亿m3； 总装机容量：330万kw。
糯扎渡电站枢纽由心墙堆石坝、左岸溢洪道、左 岸引水发电系统等组成。
玉 带 河
铜钱坝水库枢纽布置图
∶
河
带
基西
玉
① ①
① 基西
草房
草房
① ①
①
① ①
耕
河
-
地
带
水位Z（m）
铜钱坝上游水位与下泄流量关系图 620
615
610
605
600
595 0
1000
2000
3000 4000 5000 流量q（m3/s）
6000
7000
3. 水位~库容关系曲线——V=f（Z）为已知 ：将数据转换成 下图
水位(m)
640 630 620 610 600 590 580 570 560
5.闸门布置及闸墩布置
检修闸门及工作闸门之间间距：考虑检修留1～3m间距。 平面闸门：工作闸门槽深0.5～2m，宽1～4m，门槽处的闸 墩厚度≮1～1.5m； 弧形闸门闸墩的最小厚度为1.5～2m； 缝墩，墩厚要增加0.5～1m。
6.消能防冲设计 ①型式：常用挑流、底流 ②挑流
主要设计内容：反 弧半径R、挑角θ、 ▽鼻坎、水舌挑射 距离、冲坑深度
1．运用要求 枢纽布置应保证在一般条件下能正常地工作，避免运用
时相互干扰。 如灌溉取水建筑物应保证在各个时期均能按需要取出灌
溉流量； 发电取水口应水流平顺，水头损失小，下游尾水平稳； 航运建筑物进、出口水流应顺畅、流速小、水位平稳； 泄水、排沙、过鱼等要能得到合理的解决；溢洪道的布
置应保证安全泄洪，上游进口水流平顺，出口能顺利归河。 枢纽对外和内部交通线路应合理布置。
坝轴线
玉
①
①
① ①
带
① ①
草房
Ⅱ Ⅱ
开挖线
610.00 横缝
610.00 底 孔横缝
A
①
玉
①
带
①
河
①
①
① ①
玉
土 地
北
第一节 水利水电工程的设计程序
①流域（或地区）规划阶段，提出项目建议书 ②可行性研究阶段 ③初步设计阶段（技术设计阶段） ④施工图设计阶段（技施设计）
第二节 水利枢纽和枢纽布置
一、枢纽布置的一般原则和要求
（二）非溢流坝剖面形态
上游n＝0～0.2；下游m＝0.6～0.8； 坝顶宽：b=H(8–10)%， 且b≮３m 坝底宽：B/H=0.7～0.9。
（三）溢流坝
1.溢流坝堰顶高程确定：根据设闸门与否确定。
设闸门：▽堰＝▽设计－H设 不设闸门：▽堰＝▽正常
2/3
H设
q设
m 2g
式中：q设——单宽流量。
4.陡槽纵坡改变时：当坡度由陡变缓，采用圆弧连接； 当坡度由缓变陡，采用抛物线连接。
5.陡槽尽量不要设置弯道，若需要设弯道，则弯道半径要 足够大，弯曲半径R≥10b。
6.控制段基础应坐落在弱风化岩层上。 7.消能工采用挑流型式时，其挑坎基础应坐落在弱风化岩 层上。
（三）隧洞设计
1.进口高程 排沙隧洞：设置与重力坝底孔要求同。 其他泄洪隧洞：根据地形、地质条件、泄洪任务设置。
第四节 建筑物设计
一、重力坝
(一)坝顶高程的确定；
坝顶高于静水位的超高值△h ,按下式计算；
△h = hl + h0 + hc hl ——波浪高度； h0 ——波浪中心线至静水位的高度； hc——安全加高 . 坝顶高程或坝顶上游防浪墙顶高程按下式计算，并选用其 中的较大值。
坝顶高程 = 设计洪水位+△h设 坝顶高程 = 校核洪水位+△h校
流量Ｑq
Q～t
本次洪水最高水位
第五节：调洪演算
Qm qm
△V
q～t
防洪限制水位
t1 Biblioteka Baidu2
t3
库
水
Z～t
位
Ｚ
to 水库调洪示意图
t4 时间t
时间t
一、水库调洪计算的基本公式
水量平衡方程式
1 2
(Qt
Qt1 )t
1 2
(qt
qt1 )t
Vt1
Vt
（３-１）
式中：△t—计算时段； Qt、Qt+1 —t 时段初、末的入库流量； qt、qt+1 —t 时段初、末的出库流量；
图 3–56 WES 型堰面曲线
② 下游段曲线b～c）：当坝体上游面为铅直时：
x1.85
2.0H
0.85 d
y
式中：Hd——定型设计水头，一般为校核洪水位时堰顶水
头的75%～95%。
③中间直线段（c～d）
坡度与非溢流坝段的下游坡相同。
④反弧段（d～e）
挑流消能：R=（4～10）hc hc为校核洪水时反弧最低点处的水深。
4．环境影响
（1）对上游淤积、淹没、浸没和下游河床演变、水文条件以及 水温、水质等的作用和影响；
（2）减少水库淤积，延长水库寿命。措施：汛期利用泄水和取 水建筑物进行冲沙。
（3）美化枢纽周围的环境，发展旅游。
第三节 不同类型枢纽布置的一般原则
一、重力坝枢纽布置原则 （1）溢流坝布置
☆ 尽可能布置在河床中央； ☆ 尽可能采用开敞式溢流孔（溢流坝）； ☆ 泄洪建筑物在平面上的布置不应影响电站、取水建筑物、 船闸等正常运行的要求。
二、土石坝
（一）大坝设计
大坝设计内容主要有： 计算部分：坝顶高程计算、渗流分析（计算浸润线）和 大坝稳定分析等。 构造设计：坝顶、防渗体、上下游护坡、排水结构等。 需要特别注意问题： 1. 坝顶高程需满足两个条件：一是坝顶高程要求高出正 常蓄水位0.5m，二是坝顶高程要求高于校核洪水位。 2.粘土防渗墙顶高程：心墙高于正常水位0.6～0.3m，
2．技术经济条件 枢纽布置应当在技术上可能的条件下，尽量做到经济上最优。
尽量使一个建筑物担负多种任务。 例如，导流与泄水、排沙、放空水库相结合； 导流与发电、灌溉相结合等。 要减少混凝土建筑物与土坝、岸坡等的接头数目，以降低用于
边墩、导墙、刺墙等联接建筑物的费用。 应考虑枢纽尽早投入运行或部分提前投入运行的布置方案，使
图 3–62 连续式挑流鼻坝的水舌及冲刷坑示意图
反弧半径R＝（8～10）h，h为鼻坎上水深； 挑角：θ= 20°～25° 坎顶应高出下游水位以的1～2m为宜。 挑射距离L与最大冲刷坑深度做为指标，一般要求
L/tk >2／.5～5.0。
③底流 设计主要内容：池长计算、尾坎高计算、护坦结构计算。
（四）泄水孔 1.泄水孔进口高程确定：根据承担任务设置。 泄水孔分中孔、深孔、底孔。其中，中孔和深孔承担泄
板堆石坝、沥青防渗心墙（斜墙）土石坝等。 （二）土坝枢纽泄水建筑物布置 泄水建筑物一般由溢洪道和隧洞组成。
溢洪道布置位置在岸边，有正槽和侧槽两种布置形式。
溢洪道布置尽量利用垭口地形（如铜钱坝）；堰顶高程 一般较高，主要任务为泄洪。
隧洞任务有泄洪、排沙、放空水库等，故其布置高程需 根据其承担任务设置，其中排沙及放空水库隧洞进口高程 较低。
2.布置注意： （1）进口布置与大坝应有一定距离，若距离较小，以致进水 影响大坝安全时，应布置导墙。 （2）出口远离大坝坝脚，防止下泄水舌冲刷大坝坝脚。 （3）对无压隧洞，洞身轴线尽量布置为直线，避免弯道；对 有压隧洞，则无需此要求。 （4）进水塔与岸边设置交通。 3.计算项目：泄流量计算、水面线计算（无压隧洞）、消能工 计算。
0
5000
10000
15000
20000
25000
库容(万m3)
二：水库调洪计算的半图解法
1.绘制辅助曲线（3条） 水量平衡方程：
Q平均+（V1/△t-q1/2）=（V2/△t+q2/2)
式中V、q均可与库水位建立关系，即库容～水位关系曲线V=f（Z）、 泄量～水位关系曲线q=f（Z）。故可根据选定的计算时段△t做以下 工作：
安康水电站
（2）坝身泄水孔布置
☆承担排沙任务的泄水孔应靠近发电（灌溉、供水）进 水口，其进口高程是枢纽泄水建筑物中位置最低的；
☆其他泄水孔的位置根据泄洪要求而定。 ☆枢纽泄水建筑物由溢流坝及泄水孔共同承担，则一般 溢流坝布置于河床中央，泄水孔布置于溢流坝侧。
二、土石坝枢纽布置 （一）大坝的布置形式。 大坝布置于河床中央。 坝型有均质土坝、粘土均质坝、粘土斜墙坝、混凝土面
2.单宽流量q设选取:
单宽流量的选取与地质条件有关： 一般软弱岩石： q=30～50m3/（s·m）； 较好岩石： q=50～70m3/（s·m）； 坚固岩石： q=70～130m3/（s·m）；
3.泄水宽度设计: 单孔孔口宽：一般情况：b＝（8～16）m；当有排浮
要求时，可加大到（18 ～ 20）m。
Vt 、Vt+1—t 时段初、末水库库容。
由该公式可知，要进行调洪演算，需要以下资料：入库 洪水过程线、枢纽泄水建筑物泄流曲线、水库库容曲线。
1.入库洪水过程线：Q~t曲线 （1）资料直接给出设计标准的洪水过程线； （2）资料给出典型洪水过程线 可采用同倍比方法将典型洪水过程线放大至设计洪 水过程线及校核洪水过程线。 放大比例=Q设计/Q典型
流量Q（m3/s）
5000 4000 3000 2000 1000
0
同倍比放大推求铜钱坝洪水过程线
Q(m3/s)
时间t（h） 设计（P=1%）
校核(P=0.1%)
2.泄流曲线 q=f（Z）
Z
底孔(中孔、隧洞) 表孔（溢洪道、溢流坝）
流量q1(m3/s)
流量q2(m3/s)
总下泄量 Σq(m3/s)
之早日发挥经济效益，相应地降低枢纽造价。 总之，在满足建筑物强度、稳定以及运用等要求的前提下，做
到枢纽总造价最小，年运行费用最低，有优越的经济指标。
黄河苏只水电站枢纽主要由河床式发电厂房、泄洪闸、右 岸堆石坝、开关站等建筑物组成。工程布置从左岸到右岸为河 床式厂房坝段、泄洪闸坝段、粘土均质大坝等建筑物组成。混 凝土坝最大坝高51.65米，土坝最大坝高25.5米。
4–渐变段；5–工作闸门
无压泄水孔（单位：m） 1–启闭机廊道；2–通气孔
4.进口体型：喇叭口
顶板曲线、侧曲线均为椭圆曲线
x2 y2 1
A2 (A) 2
矩形断：顶面曲线，A为孔高， α＝1/3～1/4 两侧曲线，A为孔宽， α＝1/4
底部边界线可以采用圆弧。 5.孔身高度：无压孔根据水面线设置，有压孔根据泄流 量确定。 6.通气孔（补气孔）设置 7.消能工设计：主要有挑流和底流两种，要求与溢流坝 同。