水利枢纽和主要建筑物设计[详细]

前言

通过大学近四年的系统学习,我们已经掌握了水工设计的基础知识.为了进一步培养我们理论联系实际的能力,特别是为了能使我们尽快的适应即将面临的工作,成为一名合格的水利水电工程技术人员,我们进行了历时一个学期的毕业设计.本次毕业设计是设计者根据自己所学的知识、参考许多相关的教材、设计手册和规范,并在指导教师的指导下独立完成的.通过这次毕业设计,我们提高了如下的几方面的能力:

①综合运用所学理论知识分析和解决实际问题的能力;

②培养了我们的自学能力和科学研究能力,使我们逐步具有更新和丰富自己科学知识的能力和创新能力;

③提高了我们设计、计算、绘图的能力以及编写设计说明书和计算书的能力;

④培养了我们严谨的工作作风和正确的设计思想.

由于时间仓促,水平有限,本设计中难免有些不足之处,还希望各位老师批评指正,本设计者将不胜感激.

设计者:

2006年6月3日

中文摘要

本文对湘——01水利枢纽的概况和主要建筑物设计做了详细描述,主要有一份设计说明书,附有计算说明和示意图.

设计说明书共分十章,主要内容包括湘——01水利枢纽的基本资料、主要建筑物设计、枢纽布置方案、地基处理以及施工导截流等内容.

本枢纽主要任务为防洪发电.其正常高水位为140米,发电死水位128米,装机容量为9000千瓦.经调洪演算得其设计洪水位为142.10米,校核洪水位143.08米.本枢纽主要建筑物由挡水建筑物、泄水建筑物、发电建筑物、放空建筑物组成.主要建筑物为二级,次要建筑物为三级.坝型选用混凝土实体重力坝,最大坝高为45米,坝顶宽度为4米.厂房坝段包括三个机组段和一个安装场段,厂房采用坝后式.施工导流选用两期两段的导流方法,一期由束窄河床泄流,二期由导流底孔泄流.详细说明参见正文,以及附带的计算书.

第一章概述

一.流域概况(参阅J水流域及湘-01水利枢纽位置示意图)

J水发源于山区,流经H,C等县市,而于H市附近汇入S江,其于流总长197公里,流域积3356平方公里,坝址控制流域面积711平方公里,占全流域面积的21%,J水属于山区性河流,流域内多为山区和丘陵区,起河床比降为:

上游河段:由河源至石门 1.21%

中游河段:由石门至神山头0.44%

下游河段:由神山头至河口0.24%

流域内雨量充沛,H市站多年平均雨量为1447.7公里,且雨量多集中于3~8月份,约占全年平均雨量的70%,尤以4~6月份雨量集中,每到雨季,山洪爆发,流域内中,下游地区农田(50余万)和城乡人口(30余万人)经常遭到洪水灾害和威胁,甚至造成生命财产的重大损失,在近60年内,曾发生较大洪水6次,而以1934年和1949年为最大.

年份死伤人

口

冲毁房屋冲毁耕地农作物损失

1949 ３７６

人

３６０００

间

２０.３７万

４１.６５百万

斤

1934 ／１５５４０

间

１４.２５万

１４.０９百万

斤

1952 ／４５５０间７.９５百万

斤

７.９５百万斤

本地区国民经济以农业为主,C县农业人口计64万,耕地面积约计101万,其中水田占百分之八十几,作物以水稻为主,其他作物次之.

流域内虽然雨量较充沛,但年内分配极不均匀,往往在农作物生长季节久晴无雨,形成旱灾,根据调查,历年较大旱灾如下表

年份１９４５

年

１９４６

年

１９５３

年

受灾面

积

38 27.4 15.8

解放以来,本地区修建了很多小型水利工程抗旱能力大大提高,但为了根治丘陵地区的旱灾,确保丰收,须考虑下游农田实行自流灌溉,其灌溉面积为15万.

本地区矿产比较丰富,蕴藏褐铁矿,赤铁矿,煤矿,铜矿和重晶石矿等,目前尚只限于小规模手工开采阶段,其他工业方面尚有陶瓷厂,冶炼厂和穴县厂等,这些工矿企业的发展,农附产品的加工及农村照明等,都迫切需要电力.

J水上游盛产竹木和其他物资,因为交通不便,无法运往下游,造成水路交通不便的的原因是:山区性河流,坡度陡,在洪水期,水流湍急,不便航运,枯水期水深不足,不能航运,所以,为了沟通城乡物资交流,急需发展水利事业.

二:枢纽任务

湘-01水利枢纽位于J水上,距C县县城约40公里,根据国民经济发展要求,本枢纽是以防洪发电为主,并考虑灌溉,航运,渔业的综合利用的水利工程.

1.防洪

修建湘-01水利枢纽后,需确保中下游50余万及30余万城乡人口的生命财产的安全.

根据地方的要求,在发生设计洪水时,上游水位不超过144.5米,下泄流量不超过下游河床的安全泄量900秒立方米.

2.发电

电站装机容量9000千瓦,确保出力2950千瓦,三台机组,每台引水最大流量为11.8秒立方米.机组间距7.0米,厂房尺寸28.0*11.2平方米.发电机层高程112.7米.水轮机安装高程107.4米.尾水管底版高程103.5米.水轮机型号为PO-266-B 米-134.引水管直径为1.75米.

3.灌溉

坝址下游灌溉面积约15万(除5万利用尾水灌溉外,其余10万由水库引水自流灌溉.干渠长度约16公里,坡降约为0.5%,渠首高程要求不低于120米,灌溉引用最大流量为11秒立方米.灌溉取水建筑物设在枢纽上游,另行设计.

4.航运

水库建成以后,改善通航里程120公里,可通航20吨木船,上游可至余天桥,下游可直达H市.枢纽设计时,仅考虑竹.木过坝建筑物.

5.渔业水产

水库简称以后,可以发展水产事业,估计可年产鱼1200万斤.

三:水文气象资料

1.峡谷处各种频率的洪峰流量值如下表:

P(%) 0.1 0.2 0.5 1 2 6 Q米

4770 4400 3540 2990 2500 1880 3/s)

2.逐月各种频率洪峰流量值如下表:

月份 1 2 3 4 5 6 Ｑ１％(米

485 1140 1770 2040 2990 2600 3/s)

Ｑ２％(米

406 956 1402 1700 2500 2200 3/s)

Ｑ５％(米

304 716 1052 1280 1880 1650 3/s)

Ｑ10％(米

81 191 280 500 500 439 3/s)

月份7 8 9 10 11 12 Ｑ１％(米1330 1100 530 770 590 400

3/s)

Ｑ２％(米

1100 940 445 640 492 335 3/s)

Ｑ５％(米

825 705 335 480 369 251 3/s)

Ｑ10％(米

200 188 89 128 98 67 3/s)

附注:洪峰历时过程图

坝址下游水位流量关系曲线

水库水位与面积关系曲线见附图

水库水与容积关系曲线

四:气象特征

1:降雨

年内雨量多集中与3-8月份,占全年雨量的70%,而以4、5、6三个月为最

多,10月至次年1月雨量最少,多年平均降雨量为1447.7毫米,日最大暴雨强度

达120.7毫米,多年平均降雨天数为120天.

2:降水量

多年平均水量为5.07亿立方米.

3:水的损失

多年平均蒸发量为979.1米米/年.

4:气温

多年平均温度为17.9℃

最高温度为46.0℃

最低温度为-5.0℃

5:水库吹程

最大风速18.5米/秒,水库吹程5公里

五:河流泥砂特征

1:输砂量

多年平均输砂量为15.1吨/年.

2:淤砂特征

淤砂高程108米,淤砂容重0.5吨/米3,淤砂内摩擦角φ=0.

六:工程材料特征

1:粘土:

粘土:分布于河谷上游,距坝址约1000~1500米,γ=1.6吨/米3,φ=18°,C=0.5吨/米2.

2:砂砾料:

分布于上、下游河流急转弯处,距坝址平均在两公里左右.

3:石料:

左右岸山坡均可作为采石场,距坝址约300米

4:竹料

库区上游盛产楠竹和杉木,可供使用.

5:水泥和钢材:

水泥和钢材均需由外埠运来.

七:施工资料

1:劳动力来源

主要为本省水利施工队,加上一部分民工

2:对外交通

(1) 在J水上游左案距坝址8公里初有公路可通H市.

(2) 在J水下游距坝址10公里初有公路可通H市

3:施工准备

省内施工队拥有拌和机、斗车及少量汽车等,其他机械有待施工时从外地调用.

4:施工动力

由施工队自带柴油发电机发电.

八:枢纽及库区地形地质条件

1:坝址地形地貌

本枢纽位于河段峡谷出口处,峡谷进口流向正东,距出口200米,即转流正南,峡谷水面宽约25~40米,峡谷长约800米左右,两岸山为泥盆纪坚硬的砾岩及砂岩构造,离出水面150米以上,河谷呈V字形,岸坡较陡峻.

2:坝址地质构造

峡谷内岩石暴露整齐,覆盖层不厚(1~2),呈单斜构造,倾向为S0°~30°E,倾角45°~70°,构造不复杂,河床亦无构造通过,但节理裂隙较发育,夹有较弱的砂质页岩.

坝址基础岩石情况:

（1）下泥盆纪:极坚硬的砾状厚层硅质砂岩及石英岩夹少许薄层碰质页岩,其抗压强度100兆帕以上,摩擦系数为0.65.

（2）下泥盆纪:坚硬的中厚曾中细粒紫色铁质砂岩夹铁质泥质砂岩,抗压强度在100兆帕以上,摩擦系数为0.65.

（3）砂砾石,在河床低部有第四纪砂砾石覆盖层,厚约2~5米.

3:地震烈度

坝址地区地震基本烈度为6度,设计时可不考虑地震影响.

4:坝址水文地质

峡谷地下水以裂隙水与空隙水为主,前者呈不连续分布,主要埋藏在硅质砾岩、石英岩及石英砂岩中,涌水量少,后者呈连续分布,以冲积沟中坡积层最为发达,涌水量变化较大,两者均为大气降雨补给,然后补给河水,地下水出露高程在▽130米以上,故可见峡谷无漏水危险.

地表面以下0~15米,ω=0.1~0.03公升/分钟,25米以下,ω=0.01升/分.

第二章枢纽位置确定及各建筑物级别

一:确定工程等别和各建筑物的级别

根据库容的要求,水电站正常高水位为140米,水库最高水位不得超过

143.08米,查水利电力出版社的《重力坝设计》(潘家铮编写)中的水利水电枢纽

工程的分等指标可确定工程等别为二等.

根据发电要求,电站装机容量为9000千瓦,查分等指标可确定工程等别为三

等.

综合以上所述的库容和发电的要求,工程等别需要取最高等别,即该工程等

别为二等.根据水工建筑物级别划分可查得主要建筑物为2级,次要建筑物为3

级,临时建筑物为4级.(见下表)

二:坝轴线选择

原始资料给定2条坝轴线提供选择,见附图,轴线I和轴线II,最终定问轴线I,因为混凝土重力坝轴线I,处于河谷的拐角处,而且轴线I垂直于上游河道,相对于轴线II,摆放的枢纽建筑物更稳定,轴线更短,可以节省材料.

三:坝型选择

1:坝型的初步选择

在坝型的选择上存在拱坝、支墩坝、土石坝、混凝土重力坝等.

①拱坝

拱坝是基本坝型里最晚发展起来的.其优点是利用拱作用于坝体上的水压力传至坝肩两岸的岩体中,坝内的主要应力为压应力,从而充分利用了混凝土抗压的性能,而且可以利用拱座下游的岩体抗历来维持坝的抗滑稳定,最终达到节约材料的目的;且拱座是整体性的空间结构,超载能力较强,坝体比较轻韧,弹性较好,只要基岩稳定,拱坝的抗震能力就比较高;因拱坝较薄,扬压力也较小.但其也存在许多缺点,如拱坝的修建对河谷的形状要求较高,对两岸的岩石完整性要求较高,对坝体材料的强度和防渗要求及施工要求都比较严格,温度应力是它的主要应力,施工过程也较其它坝型困难.

拱坝的修建对地形条件和河谷的要求比较高.河谷的形状特征常用坝定高程处的河谷宽度L与坝高H的比值,即“宽高比”L/H来表示.在宽高比较小的河谷,拱坝的弧弦长相对于坝高较小,拱的作用能更好的发挥,大部分荷载通过拱的作用传至两岸,仅有小部分荷载通过梁的作用传至坝基,故坝体可以修建的较薄.根据工程经验,在L/H＜1.5的深窄河谷可以修建薄拱坝,在L/H=1.5～3.0的稍宽河谷可以修建一般拱坝,在L/H=3.0～4.5的宽河谷多修建重力拱坝,而在L/H＞4.5的宽浅河谷,拱的作用已经很小,梁的作用将成为主要的传力系统,一般认为只能修建重力坝或拱形重力坝较为适合.

②支墩坝

支墩坝由一系列支墩和盖板所组成.至墩沿坝轴线排列,前面设有盖板,形成挡水面.库水压力由盖板传给支墩,在由支墩传给地基.支墩坝可以节约混凝土方量,随受力情况调整厚度,从而充分利用混凝土的容许抗压强度,从而充分利用材料强度.但其侧向稳定性差,对地基要求严格,钢筋用量也较大,施工条件难易并存,溢流要慎重.由于支墩坝应力复杂,并存在许多问题未得到解决,且近几年的工程中已经很少采用支墩坝了 ,故本工不采用支墩坝.

③土石坝

土石坝是土坝和堆石坝的总称.土石坝历史悠久,在国内为广泛采用.因为它可以就地取材,节约水泥、木材和钢筋等重要的建筑材料;对地质要求较低,能适应地基变形;结构简单,便于维修和加高、扩建;施工技术较简单,工序少,便于

组织机械化快速施工;有较丰富的修建经验.但其抵御洪水漫顶的能力差,坝身一般不能溢流,需另设溢洪道;施工导流不如混凝土坝方便;粘性土料的填筑受气候条件的影响较大.在甲坝轴线上,没有垭口,不能设置溢洪道,因此不适合选用土坝.

④混凝土重力坝

岩基上的重力坝在水压力作用下,主要依靠坝体自重产生的抗滑力维持稳定.与常用坝型比较,混凝土重力坝具有如下优点:重力坝设计和建造的经验比较丰富,安全可靠,剖面尺寸大,应力较低,筑坝材料强度高,耐久性好,因而抵抗水的渗漏、洪水漫顶、地震和战争的能力较强,使用年限较长,养护费用较低;由于坝体作用于地基面上的压应力不高,对地形、地质条件适应性强,任何形状的河谷都可以修建重力坝;重力坝可以做成溢流的,也可以在坝内设置泄水孔,一般不需要另外设置溢洪道或泄水隧洞,枢纽布置紧凑,泄洪问题容易解决;便于施工导流,在施工期可以利用坝体导流,一般不需要另开导流隧洞;大体积混凝土可以采用机械化施工,在放样、立模和混凝土浇捣方面都比较简便;重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段,各坝段独立工作,结构作用明确,应力分析和稳定计算都比较简单;在严寒地区,与拱坝或支墩坝相比,受到冻害的影响较小.但是由于依靠自身重力维持稳定,所以坝体的体积较大,要消耗大量的水泥;坝体应力较低,材料强度不能充分发挥;坝体与地基的接触面积大,因而坝底的扬压力较大,对稳定不利;由于坝体体积大,施工期混凝土的温度应力和收缩应力较大,在施工期对混凝土温度控制的要求较高.

经过以上几种坝型相比较,本工程适合选用拱坝和重力坝,由于毕业设计需要,先进行混凝土重力坝的枢纽设计,便于做经济比较.

2:坝型的进一步选择

在重力坝中根据坝的横断面的结构型式可分为实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝、预应力重力坝、碾压混凝土重力坝等.

①宽缝重力坝

一般重力坝沿坝轴线所设横缝很宽,又称实体重力坝.宽缝重力坝是在实体重力坝的基础上,将横缝扩宽成为空腔而成的.设置宽缝后,坝基的渗透水可从宽缝中排出,所以扬压力显著降低,作用面积也相应减小;由于宽缝重力坝所受的扬压力小,坝体混凝土方量可较实体重力坝节省10％～20％,甚至更多;宽缝增加了坝体的侧向散热面,加快了坝体混凝土的散热过程.但是宽缝重力坝增加了摸板用量,尤其是倒坡部分更增加了立模的复杂性;在某些部为上存在局部的不利应力分布,温度应力问题也较多;施工比较复杂,需要的人工多,且施工进度慢.因此本工程可不考虑宽缝重力坝.

②空腹重力坝

空腹重力坝是在坝内布置大型空腔,空腔下面不设底板,坝底所受的荷载直接由所谓的前后腿传到地基上.空腹重力坝坝体内的空腔减小了坝基扬压力,因而混凝土方量可较实体重力坝节省20％～30％,并且可以节省坝基开挖量;上游坝踵的应力较大,扬压力可进一步得到降低;可以适应某些不利的地质条件(例如坝修建在具有软弱断层的地基上,可用空腹越过软弱层)同时尚可利用空腹布置水电站的厂房等.它的缺点是在空腹附近的应力分布较复杂,可能存在一定的拉应力,须配置较多的钢筋,应力分析及施工过程比较复杂在实际工程中很少采用.因此,本工程不选空腹重力坝方案.

③预应力混凝土重力坝

坝的特点是利用预加应力措施来增加上游部分的压应力,以增加坝体的稳定性,并有效地改善坝身应力,从而可以大大消减坝体的断面,达到节约混凝土的用量.但这种坝也同样存在施工复杂钢筋用量多的缺点,在实际工程中很少采用.因此,本工程不选预应力重力坝方案.

④碾压式混凝土重力坝

要考虑渗透和层与层之间的接触问题且施工复杂,因为我们现在的水平有限,不能作出很好的论证,因而放弃此种很好的坝型.

⑤实体重力坝

实体重力坝是最原始也是最简单的型式.其优点是施工,计算,设计均较简

单,应分布也较明确和有利.但其缺点是扬压力大,端面面积和工程量大.

本工程所在坝址的地质条件比较好,因而也无须建空腹重力坝,从而减少施工难度;由于宽缝重力坝对扬压力的减少不明显,且其应力也复杂,故也无须修建宽缝重力坝;预应力重力坝的钢筋用量大,施工复杂,在此也不宜选用此重力坝;而实体重力坝其优点及本枢纽所在的地形地质条件(地质较好,河谷的宽高比较大)决定了实体重力坝是重力坝里的最佳坝型.

最终方案采用混凝土实体重力坝.

四:建筑物类型拟定

本枢纽的主要任务是防洪发电,主要建筑物有挡水建筑物,泄水建筑物,放空建筑物和电站建筑物.

泄水建筑物:常用的坝身泄水建筑物有坝身泄水道(包括溢流坝、中孔泄洪孔、深式泄水孔、坝下涵管等)和河岸泄水道(包括河岸溢洪道和泄水隧洞等).

河岸泄水道多用于土石坝的水利枢纽中,并且因为没有垭口,不适合用河岸溢洪道.本工程选用的是实体重力坝,坝身可过水,无需采用泄水隧洞.实体重力坝可做成溢流的形式,坝顶溢流式除宣泄洪水外,也能用于排除冰凌和飘浮物.由于坝顶闸门承受的水头较小,空口尺寸可以较大,随着库水位的升高,下泄量也迅速增大.因此,当遭遇意外洪水时,可有较大的超泄能力,而且闸门启闭操作方便,易于检查修理,工作安全可靠,所以本工程的泄水建筑物可选用溢流坝形式.

电站建筑物:由于本枢纽处于河段峡谷出口处,坝宽相对狭窄,流量较小,为了便于摆放枢纽建筑物,此时可采用地下式厂房.

放空建筑物:坝下涵管通常布置在土石坝下部,本枢纽采用混凝土重力坝,则不必采用涵管. 隧洞需开挖山体,工程量较大,不宜采用.本工程采用深孔作为放空建筑物.

第三章调洪演算

一:选择泄洪方式

本水库选择表孔泄洪,表孔和深孔相结合的放空方式.当来水量较小时,采取对称开启或局部开启,当来水量大于闸门全开时下泄量时,闸门全开.

二:闸门操作方式

水库的运用方式是在洪水来临时,先用闸门控制使来洪量Ｑ=下泄量q,来多少洪水泄多少洪水,此时,水库保持防洪限制水位不变;当来洪量继续加大,在来洪量Ｑ大于下泄量q后,闸门全开,作为无闸门情况对待.

三:初拟孔口尺寸、确定孔数

泄洪单宽流量q与地基岩石有Ｑ关,坚硬完整的岩石q=100～130米3 /秒,较好岩石q=50～80米3/秒,较差岩石q=20～50米3/秒.本坝坝址处岩石较好,可选单宽流量q=60米3/秒,允许最大设计下泄流量

米ax

=900米3/秒,则可初步计算得溢流

坝段溢流前缘宽度L

0=Ｑ

米ax

/q=900/60=30 ,孔口宽度b=15米.从而可确定孔口数

n=30/15=2,取n=2.

四:确定堰顶高程

闸门宽高比b/h=1.2～2.0,取b/h=1.666,可算得h=b/1.666=9.闸门一般超过正常水位30～50厘米,但不到坝顶.正常高水位为140米,可确定闸门顶部高程为140.5米 ,从而闸门顶部高程为140.5-10=130.5米.

五:调洪演算

选用半图解法来进行调洪演算,其公式为:(Ｑ

1+Ｑ

2

)Δt/2-(q

1

+q

2

)Δ

t/2=V

1-V

2

,即V

2

/Δt+q

2

/2=(Ｑ

1

+Ｑ

2

)/2+(V

1

/Δt-q

1

/2).

令f

1(Z)=V

1

-q

1

/2, f

2

(Z)=V

2

+q

2

/2, f

3

(Z)=Ｑ

下

.

式中:Ｑ

1、Ｑ

2

分别为计算时段初、末的入库流量(米3/秒)

q

1、q

2

分别为计算时段初、末的下泄流量(米3/秒)

V

1、V

2

分别为计算时段初、末水库的蓄水量(米3/秒)

Δt为计算时段.取Δt=5小时=18000秒.

下泄流量q为泄洪能力与发电流量之和,其中发电流量为35.4米3/秒,泄洪能力计算公式为ｍg

2BH3/2,其中B=30米.

Z —水位(米)

V —库容(亿米3)

V

上

—堰顶以上库容(亿米3)

H —堰顶以上水头H(米)

米—流量系数

q —下泄流量(米3/秒)

Δt —时间间隔,

详细计算过程参见计算书第一章.

两个方案的结果如下表:

上述两个方案的下泄流量均满足要求,且由于坝高较低,两个方案各项数据相差均较小,作为安全考虑,因此选取的方案II作为最后方案,堰顶高程既定为136米,校核洪水位为143.08米.

第四章重力坝挡水坝段剖面设计

一:重力坝挡水坝段剖面尺寸初拟

1:坝顶高程的确定

根据天津大学编的《水工建筑物》可查得坝顶高程可按以下两个公式计算,并选用其中较大值.

①坝顶高程=设计洪水位+Δｈ

设

②坝顶高程=校核洪水位+Δｈ

校

经计算,设计情况下坝顶高程为146.633米,校核情况下坝顶高程为145.810米.比较取较大值,坝顶高程最终取为147米.具体计算过程详见设计计算书第二章

2:坝顶宽度的确定

无交通要求时,坝顶宽度可采用坝高的8%～10%,一般不小于2米.坝基面高程为102米,坝高为147-102=45米,所以坝顶宽度可取为4米.取上游边坡系数

n 1=01,下游边坡系数n

2

=0.7.根据资料给定淤沙高程为108米.上游边边坡系数为

零,下游折坡点高程可根据校核水位选取为138米.

3:排水管位置及尺寸的确定

为了减小渗水对坝体的不利影响,在靠近上游面处需要布设排水管.排水管距上游面距离一般不小于坝前水深的1/10～1/20,且在坝顶处排水管据上游坡面的距离不能小于2米,以使渗透坡降在许可范围以内.因此排水管可选在距上游坡面3米处.坝体排水管的间距一般为2～3米,可取3米左右.管内径为15～20厘米,可取20厘米左右.

实用剖面(1) 实用剖面(2) 实用剖面(3)

图5.1 非溢流重力坝实用剖面

选择实用剖面:(1)适合于地基条件较好,坝体与基岩间摩擦系数较大的情况,坝体剖面由强度条件控制;(2)坝体剖面由稳定条件控制,同时有利于利用水重和布置坝体泄水孔;(3)适合于地基条件较差,坝体与基岩间摩擦系数较小的情况,坝体剖面由稳定条件控制.

综合考虑坝址的条件选择采用实用剖面(1).

4:灌浆廊道位置及尺寸的确定

帷幕灌浆需要在坝体浇筑到一定高程后进行,以便于利用混凝土压重提高灌浆压力,保证灌浆质量,为此需在坝踵部位设置灌浆廊道.廊道断面一般采取城门洞形,由于坝高限制,廊道底宽取为2米,高可取为3米.距上游面的距离可取0.05～0.1倍水头处,廊道地面距基岩不小于1.5倍基岩宽度,因此廊道底面距基岩不小于4米,可取4米.

5:检查排水廊道的确定

为了检查巡视和排除渗水,常在靠近坝体上游面设置检查廊道,断面形式多采取城门洞形,最小宽度为1.2米,最小高度为2.2米,距上游面的距离应不小于0.05～0.07倍水头,且不小于3米.考虑本枢纽尺寸较小的问题,宽度可以取为1米,高度可以取为1.5米. 非溢流坝剖面可见附图

二:重力坝挡水坝段经济剖面的设计

剖面优化为电算过程,计算结果附于设计计算书最后.经过剖面优化,可确定上游边坡系数为零,下游折坡点高程为138.30米,下游边坡系数n 2=0.725,单位

宽度最小体积VOL=650.80米3,经济剖面见附图.

坝体稳定和坝基边缘应力的具体计算过程详见设计计算书第二章.

第五章 溢流坝段设计

一:溢流坝段剖面形状的确定

堰形选择:溢流堰堰面曲线以往国内多采用克—奥曲线.从我国工程采用的克—奥曲线情况看,有些工程并不符合该曲线的边界条件.近年来的一些工程中溢流坝段堰顶采用了 WES 曲线,该曲线比克—奥曲线瘦,易与坝面连接,计算切点位置及放样均方便的多,与上游面成坡形连接,按定型水头设计此堰面曲线时,在不同水头下可增加泄流量.因此我国“混凝土重力坝设计规范”推荐该曲线.所以本工程溢流坝堰顶可采用WES 曲线.具体计算详见设计计算书第三章.

经计算,反弧半径R=10米.挑角θ=25o.

当溢流坝剖面超出基本剖面时,为节约坝体工程量并满足泄流条件,可以将堰顶做成悬臂式,悬臂高度应大于

2

堰顶最大水头=3.9米.可取为10米.

二:下游消能方式选择

底流消能可适用于高、中、低水头,大、中、小流量的各类泄水建筑物,对地质条件要求较低,对尾水变幅的适应性较好,但当应用于高水头、大流量泄水建筑物时工程费用较大,且还需注意空蚀问题和抗磨损问题.

面流消能适用于下游尾水位较深,单宽流量变化范围较小,且水位变幅不大或有漂流的情况.但面流式消能坝下游有波浪发生,甚至几公里范围内的水面都不稳定,对电站及航运不利,容易冲刷两岸.

戽流消能有较好的效能效果和较小的冲刷范围,工程量也较小,适用于尾水较深、变幅较小的情况.但消力戽的底部旋滚会把下游河床沙石带入戽内,并随戽内旋滚运动,磨损消力戽及坝面,增加了维修养护费用,下游水面波动绵延较长的范围,易冲刷河岸,对航运不利.

挑流消能利用鼻坎将泄下的高速水流向空中抛射,使水流在空中扩散,并掺入大量空气,然后跌入下游河床水垫中,一般不需对下游河床设保护工程,可大大节省工程费用,同时设计与施工均较方便简单,运用也较安全可靠.只要有足够的水头,能保证水舌有一定的挑距,使冲坑远离建筑物,一般适用于基岩比较坚固的高坝或中坝.

比较以上四种消能方式,可采取挑流式消能方式.

通过计算的出挑流消能水舌的挑射距离L=35.63米,冲刷坑深度Tk=11.2米具体的消能计算详见设计计算书第三章,经过计算,冲刷坑深度不会危及主体建筑物的安全.

三:闸门、闸墩及导墙设计

1:闸门的选择

直升式平板闸门的门叶结构简单,便于制造、安装和运输;闸门可吊出孔口,便于检修和维护;互换性好,各孔闸门可以互换,工作们可以兼做检修门用;布置紧凑,所需闸墩长度或闸门井尺寸较小,闸墩受力条件好,配筋简便;启闭设备构造简单,便于使用移动式启闭机.但平板闸门启门力较大,需要较大的启闭设备;由于启门高度较大,工作桥的支墩或支承排架较高;由于设置了门槽,闸墩较厚;过闸水流产生低压漩涡,易造成闸门槽空蚀.

弧形闸门启闭省力,可降低启闭设备的造价;弧门无需门槽,可减薄墩厚,水流条件也较好,但由于闸门支承较长,故闸墩较长;闸墩设计较复杂,钢筋用量较多,制作安装也较平板门复杂,由于弧形闸门不能提出孔口,故检修维护不如平板门方便,不能用于检修门.本工程中工作闸门选定为弧形闸门,检修闸门可以选用平板闸门.

2:闸墩的确定

墩中分缝可避免地基的不均匀沉降所引起的止水不严问题,但闸墩厚度需要增大,本工程坝轴线出地基情况良好,不会发生严重的不均匀沉降,因此溢流坝段采取跨中分缝.

本枢纽的工作闸门采用弧形闸门,根据需要,可以不设置门槽,但工作闸门为平板闸门,需要设置门槽,长和宽都初步定为1米,墩长定为15米.

闸墩的断面形状应使水流平顺,减小孔口水流的侧收缩,闸墩的上游可采用半圆形,墩尾逐渐收缩为流线型.

3:边墩和导墙

边墩设在溢流坝的两侧,以分隔溢流坝段和非溢流坝段,并作为边跨桥梁和闸门的支承体.为了防止坝面水流向两侧漫溢,边墩应向下游延伸形成导墙,导墙的墙顶应高于掺气后溢流水面1～1.5米.经计算,导墙高度为3.99米,反弧段可以做成水平的.具体计算过程详见设计计算书第三章.

为了防止出现温度裂缝,沿导墙每隔15米作一道伸缩缝,在护坦部分可和护坦分缝一致.缝可做成铅直的,缝内做简单的止水设备.导墙顶部厚度为0.5～2.0米,可取为1.5米.

第六章深孔坝段设计

一:深孔型式

根据泄水孔中水流的流动状态可将泄水孔分为有压和无压两大类型.

①从水力学条件考虑,无压深孔泄流能力大,沿程损失比有压深孔小,可略而不计.但无压泄水孔的无压段,因流速大,压力小,带来了高速水流的掺气、气蚀以及明满流交替出现等问题,流态相对较压力管段复杂,因此孔内净空余幅要求大,对体型布置及衬砌不平整度要求较高.有压深孔内阻力大,流速小,过流断面大,而且孔内压力比较稳定,气蚀可能较小,水流流态较好.

②从运行条件考虑,无压深孔水力学条件较复杂,有掺气、气蚀等问题,在体型设计或施工上稍有疏忽运行中就可能出现问题.工作门和检修门均布置在进口段,管理、操作虽然比较方便,但若工作门处发生问题,维修处理困难.有压深孔内压力稳定,一般不会出现气蚀问题.工作门和检修门虽分设两段,管理操作不甚方便,但同时出现事故的可能性较小,而且易于控制洞内泄流条件.

③从结构要求考虑,无压深孔结构受力明确,工作闸门能承受水压力,门后为无压孔段,没有内水压力的作用,对坡段防渗、稳定均较有压深孔压力管道简单.

④从施工条件考虑,有压深孔带有长的无压明流泄水道,采用矩形或城门洞形,放样控制、浇筑、施工均较便利,有利于加快施工.无压深孔采用圆形断面或矩形断面带隅角加圆,有的还加全断面钢板衬护,与无压深孔相比,施工较复杂.

从目前国内外已建工程或正在设计施工的工程来看,无压深孔选用较多.本工程也可选用无压坝内泄水道方式.

二:放空计算

要求在一个月内将库水位由正常高水位放空至发电死水位.

深孔底部高程由淤沙高程和发电死水位决定.淤沙高程为108米,发电死水位为正常高水位减最有利工作深度.本工程的正常高水位为140米,最有利工作的发电死水位为128米,进口中心线高程为111米.深孔断面可取为正方形,初拟孔口尺寸为3×2米2(宽×高),共计2个泄水深孔.经计算放空总时间T=21.3天＜30天,符合放空要求.具体的计算详见设计计算书第四章.

三:坝身泄水孔的体型设计

无压坝身泄水孔包含有较短的压力段和较长的无压段.压力段又分为进口段、事故检修门槽和压坡段三个部分,压坡段下游侧设工作闸门.检修闸门采用平板门,工作闸门多采用弧形门.明流段自上游至下游按顺序布置直线段、抛物

线段和反弧段.

1:进口型式

根据中国电力出版社出版的《混凝土重力坝设计规范》中所介绍的,进口段各部分的体型可按如下方式设计.

① 顶曲线AB 段采用椭圆曲线,长半轴可取为进口段末端的孔高h 1,短半

轴可取为长半轴的1/3.h 1=6米,所以AB 段的曲线可表示为

12

622

22=+y x . ② BC 段为AB 段在B 点处的切线,其坡度J 1一般取为1:4.5～1:6.5,可取

J 1= 1:5.5.

③

AC 段的长度约为0.8～1.0h 1,可近似取AC 段长为4.8米. ④ AC 段侧面曲线可采用1/4椭圆,短半轴b 2可取为(0.22～0.27)B,B 为泄

水孔的正常宽度,由放空计算的B=4.5米.取b 2=1米,a 2=3b 2=3米.

⑤

上游面A 切点以上的垂直高度不一小于1倍进口末端的孔高. ⑥

CD 段为一条空口,其宽度约为5倍止水宽度米. ⑦

当底孔的底板高于河床时,可采用图示之半圆连接. ⑧

点C 与点E 位于同一高程,点E 处可稍加圆角. ⑨ EF 为压坡段,其坡顶取稍低于BC 段的顶坡,坡度J 2可取为1:4.0～

1:6.0, EF 段水平长度最小可为h 2.

⑩

当事故检修闸门的止水为下游止水时,应在EF 段的段首设置通

2:泄水孔无压段和反弧段

无压段紧接在短有压段之后,无压段泄水孔的底缘曲线常设计为抛物线,抛物线方程一般可采用0

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H K x φ. 明流段的反弧段一般采用单圆弧式,末端为挑坎.鼻坎高程可取略高于下游