本科毕业设计-D江水利枢纽设计.doc.doc

张霞：D江水利枢纽工程设计1D江水利枢纽工程设计张霞（甘肃农业大学工学院05级水利水电工程）摘要：适当修建大坝可以实现一个流域地区发电、防洪、灌溉的综合效益D江位于我国西南部地区，通过对其地形地质、水文资料、气候特征的分析，结合当地的建筑材料，设计适合的枢纽工程来帮助流域地区实现很好的经济效益。根据防洪要求，对水库进行洪水调节计算，确定坝顶高程及泄洪建筑物尺寸；通过分析，对可能的方案进行比较，确定枢纽组成建筑物的形式、轮廓尺寸及水利枢纽布置方案；详细作出大坝设计，通过比较，确定坝的基本剖面与轮廓尺寸，拟定地基处理方案与坝身构造，进行水力、静力计算；对泄水建筑物进行设计，选择建筑物的形式、轮廓尺寸，确定布置方案，拟定细部构造，进行水力、静力计算。水库建成后，可建装机容量约为24MW的水电站，多年平均发电量可达1.05亿度；可增加灌溉面积约10万亩；水库配合下游河道整治等措施，可以很大程度的减轻洪水对下游城镇、厂矿、农村、公路、铁路以及旅游景点的威胁；可为发展养殖创造有利条件。关键字：坝型选择枢纽布置大坝设计基础处理综合说明D江是我国西南部的一条河流，根据河流规划拟建一座水库，本设计的任务是进行水库水利枢纽工程设计。水库建成后，可建装机容量约为24MW的水电站，多年平均发电量可达1.05亿度；可增加灌溉面积约10万亩；水库配合下游河道整治等措施，可以很大程度的减轻洪水对下游城镇、厂矿、农村、公路、铁路以及旅游景点的威胁；可为发展养殖创造有利条件。经对所给流域概况、地形地质条件、水文、气候和库区建筑材料进行分析，D江水利枢纽工程设计报告分5部分：1、工程等级及建筑物级别确定。分析工程级别确定因素，确定工程等级为二。2、调洪演算与泄洪方案的选择。调洪演算根据水量平衡，采用列表试算法，对不同泄洪方案进行计算，最终选定最优方案。3、坝型选择和枢纽布置。分析坝址区地形、地址条件和坝址区的建筑材料，从经济角度考虑坝型确定为砂砾石坝。对挡水建筑物、泄水建筑物和水电站建筑物，根据地形地质条张霞：D江水利枢纽工程设计2件做出了总体布局。4、大坝坝型的选择。定性的分析了均质坝、堆石坝、塑性心墙坝、塑性斜墙坝和斜心墙坝的优缺点，选定斜心墙坝作为本设计的大坝形式。5、坝基处理方案。根据坝址地质条件，对不同地质条件的坝基，采用相应的处理方法。设计依据水工设计手册（土石坝）、水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（山区、丘陵区部分）（试行）补充规定（SDJ12-78）、土石坝安全监测技术规范（SL60-94）以及国家、水利颁发的现行规范，结合该水库设计、施工、竣工、运行、情况等资料，在许建老师的指导下，对设计中的不合理之处进行了进一步地修改，最后编制完成了D江水利枢纽工程设计任务书。1设计基本资料1.1枢纽任务及设计要求1.2自然地理与水文气候特征1.2.1流域概况D江位于我国西南部地区，流向自西向东南，全长约122公里，流域面积为2558平方公里，在坝址以上流域为780平方公里。本流域大部分为山岭地带，山脉、盆地相互交错期间，地形变化剧烈，流域内支流很多，但多为小的河流。地表大部分为松软砂岩、页岩、玄武岩以及石灰岩的分化层，讯期河流含沙量较大，冲击层较厚，两岸有崩塌现象。本流域内因山脉连绵，交通不便，故居民较少，全区农田面积仅占全区面积的20%，林木面积占全区面积的30%，其种类有松、杉等。其余为荒山及草皮覆盖。1.2.2气候特征（1）气温年平均气温约为12.8，最高气温约为30.5，发生在7月份，最低气温为-5.3，发生在1月份。（2）湿度本区域气候特征为冬干夏湿，每年11月至次年4月特别干燥，其相对湿度在5173%之间，夏季因降雨日较多，想对湿度随之增大，一般变化范围为6786%。（3）降雨量最大年降雨量可达1213毫米，最小为617毫米，多年平均降水量为905毫米。张霞：D江水利枢纽工程设计3（4）风力及风向一般14月风力较大，实测最大风速为19.1米/秒，相当于8级风力，风向为西北偏西。水库吹程为15公里。1.2.3水文特征D江径流的主要来源为降水，在次山区流域内无湖泊调节径流。根据实测短期水文气象资料研究，一般是每年五月至六月初河水开始上涨，汛期开始，十月以后，洪水下降，则枯水期开始，直到次年五月。D江洪水形状陡涨猛落，峰高而瘦，具有山区河流的特征，实测最大流量为700立方米/秒，而最小流量为0.5立方米/秒。年日常径流：坝址附近水文站有实测资料8年，参考邻近测站水文资料，经延长后有22年水文系列，多年平均流量为17立方米/秒。洪峰流量：经频率分析，求得不同频率的洪峰流量如下表所示表1-1流量、频率关系表1.3工程地质及水文地质1.3.1工程地质库区内出露的地层有石灰岩、玄武岩、火山角砾岩与凝灰岩等。经地质勘探认为库区渗露问题不大。但水库蓄水后，两岸的坡积与残积等物质的塌岸是不可避免的，经过勘测估计可能塌方量约为300万立方米。（在考虑水库淤积是可作参考）坝址位D江中游地段的峡谷地带，河床比较平缓，坡降补台大，两峰高山耸立，构成高山峡谷的地貌特征。河床冲积层主要为砂砾石类，砂质粘土与砂层均较少，且多呈现透镜状体，并有大漂石渗杂其中。卵砾石成分以玄武岩为主，石灰岩和砂岩占极少数，沿河谷内分布。坝基部分冲基层厚度最大为32米，一般为20米左右，靠岸边最薄为几米，其颗粒组成以卵砾石为主，细少颗粒为数极少，卵石直径一般为10-100毫米，砾石直径一般为2-10毫米，砂粒直径0.05-0.2毫米，细小颗粒直径小于0.1毫米。经抽水试验。测得冲积层渗透系数K值为310？-110？厘米/秒。坝址附近无大的断层，但两岸露出的岩石节理特别发育，可以分为两组，一组走向与岩频率0.05%1%2%5%10%流量23201680142011801040张霞：D江水利枢纽工程设计4石走向几乎一致，即东北方向，倾向西北；另一组的走向与岩石倾向大致相同，倾角一般都较大，近似垂直，裂隙清晰，且为钙质泥质物所充填，节理间距密者0.5米即有一条，疏者3-5你即有一条，所以沿岸常见有岩块崩落的现象。上述节理主要在砂岩、泥灰岩及玄武岩之类的岩层中产生。本地区地形高差大，缺乏强烈水层，故地下水不丰富，对工程比较有利。根据压水试验资料，玄武岩中透水性不同，裂隙少坚硬完整的玄武岩为不透水性，其压水试验的单位吸水量小于0.001（min.m）。加于玄武岩中的凝灰岩以及裂隙甚少的火山角砾岩均为不透水性岩，正因为这些隔水层与透水的玄武岩的存在，是玄武岩产生许多互不连贯的地下水。一般砂岩也是细粒至微粒结构，除因构造裂隙较发育，上部裂隙水较多外，深处岩层因隔水层的层次多，难以形成泉水。石灰岩地区外围岩石较多为不透水层。渗露问题不存在。1.3.2水文地质条件固体径流：D江为山区性河流，含沙量大小而变化，平均含沙量达0.5公斤/立方米。枯水极少，河水清澈见底，初估计30年后坝前淤积高程为2765米。水文资料:（1）水库水位与库容关系曲线。（2）设计洪水位过程线和校核洪水位过程线。1.3.3地震情况本地区地震烈度定为7度，基岩与砼之间的摩擦系数取0.65。1.4建筑材料料场的位置和储量见坝区地形图。由于河谷内地形平坦，采用较方便。坚硬玄武岩可作为堆石坝料，储量较丰富，在坝区附近有石料场一处，覆盖层浅，开采条件好。（1）坝址上游3公里处和下游2公里处各有一处砂卵石料场，储量分别为4000万立方米和2600万立方米，经实验，其砂砾含量为5565%，干容重为2.12吨/立方米，摩擦角为31，相对紧密度为D=0.75，渗透系数为0.003cm/s。（2）粘土料场据库区170公里，经实验其天然干密度为1.62吨/立方米，凝聚力为0.4千克/平方米。料场距公路有6公里的山路，不能满足5吨以上的汽车行驶。（3）距库区790公里的L市有一大型石油化工厂，生产各种型号的建筑沥青。距工地120公里的铁路干线也经过L市。张霞：D江水利枢纽工程设计51.5库区经济及其他1.5.1库区经济库区经济：流域内都为农业人口，多种植稻米、玉米等。库区尚未发现可开采的矿产。1.5.2交通运输交通运输：坝址下游120公里处有铁路干线通过，已建成公路离坝址仅20公里，因此交通方便。1.5.3其他坝区地形图一张；坝轴线附近地质剖面图（-、-两个）、隧洞纵剖面地质图一张；水库库容、面积与水位关系曲线、坝区流量与水位关系曲线、典型洪水过程线图各一张。2工程等级及建筑物级别根据水利电力部颁发的SDJ12-78规范规定：(1)该水库可灌溉面积为10万亩，确定工程等级为三等，大型工程。(2)装机容量为24MW，工程等级为二等，中型工程。(3)正常蓄说位时库容为3.86亿立方米，属二等大（2）型工程。结合该枢纽工程本身防洪要求，依据河流不同洪峰流量及设计与校核洪水位过程线，确定库容为该工程控制因素，则确定该水利枢纽为二等大（2）型工程，主要建筑物级别为2级，确定永久性建筑物正常运用洪水标准为100年，相应洪峰流量31680/Qms正常，非常运用洪水标准为2000年，洪峰流量32320/Qms非常。3洪水调节计算3.1设计洪水及校核洪水已知一典型洪水过程线，采用同倍比放大法将其放大成一条设计洪水过程线和一条校核洪水过程线。对于设计洪水采用频率为1%的洪水过程，将频率为1%的洪水最大流量和典型洪水最大流量相除得到一放大倍比（14.06），用这个比值将典型洪水过程线放大成设计洪水过程线；同理，采用频率为0.05%的洪水过程线得到校核洪水过程线，放大倍比为19.41。3.2调洪演算及方案选择3.2.1泄洪方式及水库运用方式(1)泄洪方式坝址附近及上游均无合适的马鞍形垭口来布置溢洪道，所以若布置溢洪道须采用开挖方张霞：D江水利枢纽工程设计6式，根据坝址地形，坝址位于河床较平缓的峡谷地带，坡降不太大，两峰高山耸立，右岸等高线较平顺，左岸等高线弯曲，开挖量太大，经济上不合理，所以本案泄洪方式可采用水工遂洞，沿右岸布置，穿过右峰，利用左岸凸出地形，排向下游河道，且此方案与施工导流结合在一起，初期开挖遂洞，用于施工导流，工程完工后在适当高程开挖泄洪遂洞与导流遂洞相通，再将前段堵塞，形成“龙抬头”的导流泄洪结合的遂洞。(2)水库运用方式当洪水来临时来多少泄多少，当来水量小时，采用闸门控制，使得来水量等于下泄量。闸门随着来水量的增大而增大，直至全开，当最大下泄流量达到下游允许的安全泄量时，采用闸门控制使得最大下泄流量不大于下游允许的安全泄量。来水量变小后闸门逐渐关小，当来水量再次等于下泄量时，水库水位达到最高，闸门也不再关小，水库继续泄水，水库水位逐渐回降。3.2.2防洪限制水位的选择由于D江洪水形状陡涨猛落，峰高而瘦，具有山区河流特性，则采用防洪库容和兴利库容完全分开的办法。从防洪安全要求出发，应按洪水最迟来临情况预留防洪库容。此时，水库正常蓄水位既是防洪限制水位。3.2.3调洪演算(1)洪水调节计算原理：水库水量平衡方程：12122122QQqqttVV（31）蓄泄方程：qf（V）（32）泄流方程：3/22qmBgh（33）其中：1Q、1q时段初入库、出库流量；2Q、2q时段末入库、出库流量。1V、2V时段初、末水库蓄水量。B溢洪道净宽。h堰上水头。m流量系数。m=0.502。根据所选曲线型实用堰的剖面形式，流量系数m取决于上游堰高与剖面定型设计水头之比P/h和堰上全水头与堰剖面定型设计水头之比H/h。由经验和已知条件确定。侧收缩系数。=0.86。WES剖面型实用堰的侧收缩系数可由下经验张霞：D江水利枢纽工程设计7公式=1-0.2k+(n-1)0H/b确定k、0边墩、闸墩形状影响系数（本设计中边墩、闸墩取尖角型）H、b堰上全水头和闸孔的宽度n堰顶闸孔数(2)计算方法对于假定的t时段内，已知Q、Q2、q、V，欲求q2、V2。假定一个V2，在库容水位曲线上可以查得与V2相对应的Z2，由选定的堰顶高程得h=Z2-，代入式（33）求得q2，再将q2代入式（31）中反算出V2，若V2=V2，则试算完成。否则重新假定V2，直到满足为止，再转入下一时段计算，此即采用的列表试算法表3-1计算方案堰顶高程及泄洪形式的选择：（1）由于本水库属大(2)型枢纽，所以，采用有闸门控制的泄洪道。（2）本设计中取=0.86、m=0.502。（3）具体调洪演算过程见表3-3至表3-10。3.2.4方案选择从表3-2中可以看出，校核情况下，溢洪道宽度增大，则水库的最高洪水位越低，最大下泄流量越大。本工程下游防洪要求较小，所以对所取的B=8m、7m，都满足允许最大单宽流量要求。从经济上分析工程存在溢洪道越宽，闸门及溢流体等费用增加超过坝高降低带来的费用减少情况。既希望溢洪道宽度越小越经济，所以满足要求又费用最小的方案一B=7m、=2809m为所选。表3-2调洪演算结果汇总表方案一二三四堰顶高程（m）2809281028112810堰顶宽度B（m）7788方案工况q(m/s)V(105m)上游水位正常蓄水位超高2809一1%59039282821.522819.52.0270.05%691.641762822.902819.53.402810二1%537.639652821.742819.52.2470.05%63742302823.152819.53.652811三1%56040002822.002819.52.5080.05%648.942262823.152819.53.652810四1%60239282821.522819.52.0280.05%775.1541762822.902819.53.40张霞：D江水利枢纽工程设计8表3-3方案一p=1%调洪演算过程表表3-4方案一p=0.05%调洪演算过程表时段(m/s)Q(m/s)q(m/s)q(m/s)V(105m)V(105m)Z(m）(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)7.9455.24455.2436002819.51382.72493.4819213.92310.2531.7237922820.641855.1589.9627319.91400648.240652822.341110666.19625.982068441612822.8710684.85531.9600685.741662822.813528681.65-3337.9456677.641332822.7440366698-5643.9350648.3540772822.4时间(m/s)Q(m/s)q(m/s)q(m/s)V(105m)V(105m)Z(m）（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）8.97455.24455.2436002819.51067.12483.1212614.97167951137262820.351303.5543.216420.97928575.438902821.3747.5582.43626.97567589.439262821.5493584.5-2032.97419579.639062821.33368570