杨水碾水利枢纽设计.docVIP

CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY毕业设计(论文)题目： 杨水碾水利枢纽设计（浆砌石重力坝设计方案）学生姓名： 陈潇岳学 号： 201219040520班 级: 水电1202班专 业： 水利水电工程指导教师： 胡炜2016 年 5月1 杨水碾水利枢纽设计-浆砌石重力坝设计方案杨水碾水利枢纽设计浆砌石重力坝设计方案摘要杨水碾水库位于眉山市东坡区广济乡水库村，水库坝址位于岷江水系思蒙河支流黄荆林河上游，本枢纽主要任务为发电，兼作防洪之用。水电站3台机组，装机容量2700kW，3台机满载流量90 m3/s，厂房型式为坝后式。防洪限制水位340.0m，死水位320.0m。水库正常蓄水位为343m。正常蓄水位时，水库面积为57.2km2，库容5.138亿m3，可为发展养殖创造有利条件。所发电力与珞城、河口及附近小的电站组成电力系统。本设计主要包括以下内容：1.分析地形地质、水文气象、施工条件等基本资料；2.根据枢纽建筑物的组成及施工导流等因素进行枢纽总体布置；3.调洪演算；4.非溢流坝段设计，包括剖面设计、坝段稳定及强度分析等；5.溢流坝段设计，包括消能防冲设计、溢流剖面设计、坝段稳定及强度分析等；6.细部构造设计与地基处理关键词: 重力坝；调洪演算；枢纽布置；应力分析；抗滑稳定 THE MASONRY GRAVITY DAM OF YANG SHUINIAN HYDRO JUCTION DESIGNABSTRACTThe Yang Shuinian reservoir is located in Meishan city Dongpo district Guangji village Reservoir dam is located in the Minjiang River tributary Huang Jinglin Chisholm Creek River, the main task of the hub for the power generation, flood control with the doubles. 3 hydropower units, installed capacity of 2700kW, 3 sets of machine full flow 90 m3 / s, the plant type of dam toe. Flood control level 340.0m, dead water level 320.0m. Normally, the reservoir is 343m. When the normal water level in the reservoir area of 57.2km2, capacity of 513.8 million m3, can create favorable conditions for the development of aquaculture. Power and Luo city, near the estuary and small power stations power system composed of hair.The design includes the following: 1.Basic topographic and geologic analysis, hydrometeorology, construction conditions; 2.depending on the composition and construction of diversion structures and other factors hub hub overall layout; 3.Flood Routing; 4.overflow section design, including a cross-sectional design, dam stability and strength analysis; 5.overflow section design, including energy dissipation design, the overflow cross-sectional design, dam stability and strength analysis; 6.detailed structure design and ground treatment.Key words: Gravity dam; flood routing; hub arrangement; stress analysis; stability against sliding 1 工程概况1.1 水库枢纽工程概况杨水碾水库位于眉山市东坡区广济乡水库村，水库坝址位于岷江水系思蒙河支流黄荆林河上游，本枢纽主要任务为发电，兼作防洪之用。水电站3台机组，装机容量2700kW，3台机满载流量90 m3/s，厂房型式为坝后式。防洪限制水位340.0m，死水位320.0m。水库正常蓄水位为343m。正常蓄水位时，水库面积为57.2km2，库容5.138亿m3，可为发展养殖创造有利条件。所发电力与珞城、河口及附近小的电站组成电力系统。1.2 自然地理与水文气候特性1.2.1 流域状况杨水碾水库位于眉山市东坡区广济乡境内，岷江一级支流思蒙河支流黄荆木河上。地处四川成都平原西南边缘，主要显现构造剥蚀及侵蚀堆积低山地貌类型。地形坡度较陡，地形起伏较大，沟谷发育。区内海拔高程最高点连鳌山顶600余m，库区高程500580 m之间，相对高80 m左右。河沟呈树枝状，库区河床纵坡约16.5。区内沟深谷窄，阶状斜坡发育。山顶多较圆缓，斜坡中下部多陡坎。斜坡面覆盖少量残坡积土及坡洪积土，植被茂盛。谷底有一级阶地分布，未见崩塌、滑坡、泥石流，主要物理现象有岩石风化严重，泥岩强风化带厚25m，中风化层厚度大于15m。黄荆林河中、上游河道曲折，流经于山地之间，两岸高地环列，到坝址处缩窄成瓶口，河宽仅百余米。流域内大部分以农业为主，无主要的矿产和工业城市。1.2.2 水文气象资料（1）气温特征本流域气候属于温和地区，植物全年均可生长，很少降雪，冬季平均温度为8.5，河水无冰冻现象，夏季平均气温为27.4，7、8月最高平均为28.6，最高温度44.0，最低温度-2.5，各月温度如表1-1。表1-1 气温情况表（）月份123456789101112多年平均温度7.99.913.418.623.225.329.739.825.419.314.70.1最高温度19.525.030.038.03839.742.244.042.038.830.119.0最低温度-0.3-2.50.54.512.915.51615.013.57.50.80.0（2）河流特征本河流域降雨为洪水之成因，一般在五月间即开始涨水，最大洪水量多发生在七月，每年5、6、7三个月降水占全年的48%，比较集中，洪水期为5-10月，1-3月为最枯水期，P=50%洪水量仅为120 m3/s，P=90%洪水流量为85 m3/s；11-4月P=5%的洪水流量为420 m3/s，P=10%的洪水流量为360 m3/s。（3）洪峰流量根据水文分析，各频率下的洪峰流量如表1-2。表1-2 各频率下的洪水流量表频率p%210.20.10.05流量（m3/s）16782500310836004310（4）洪峰单位过程线依据观测资料，推测五天历时的洪峰单位过程线如表1-3、1-4。表1-3 校核洪水过程线表时段(h)051015202526.430354045流量(m3/s)4401575276940025299669371006371558849264364时段(h)50556065707580859095100流量(m3/s)38913491314028202518222419401681145812801152表1-4 设计洪水过程线表时段(h)051015202526.430354045流量(m3/s)4401071174224123080388940203677314927322448时段(h)50556065707580859095100流量(m3/s)2201195317141496131211701065986922862798（5）多年平均降雨天数、中水年月流量如表1-5表1-5 多年平均降雨天数、中水年月流量表项目123456789101112中水年月流量（m3/s）207060180470790810800320530200160多年平均降雨天数(d)1.231 .335565443.23.2（6）库水位面积、库水位库容关系如表1-6表1-6 库水位面积，库水位库容关系表水位（m）315320325330335340345350面积（km2）6.311.818.526.736.950.568.5容积（亿m3）0.1580.3420.7621.462.393.895.978.79（7）其它资料 河流较清、淤沙较少，含沙量仅为流量的0.9%； 水库最大吹程：10km。多年平均风速：11m/s。 淤沙高程312.0m，淤沙浮容重7.59.0kN/ m3，淤沙内摩擦角1014。1.3 坝址工程地质坝址处河床宽度约为100 m，坝址处为震旦纪砂岩，右岸风化较严重，深约3-4 m，且夹有页岩，水层岩岩层为向斜之一翼为倾向上游。1.4 筑坝材料1.4.1 当地材料勘测结果如下（1）砂河砂A：在坝址下游3-5km处，颗粒较粗，其主要颗粒在1-0.5mm间，d50=0.65mm，不均匀系数=d60/d30=21。砂均在正常河水位附近，含泥量均3.5%，沿河有公路可通。河砂B：在坝址下游20 km处，粒径较小，d50=0.32mm，不均匀系数=20。（2）石料有泥盆石英砂岩，蕴藏量480万m3，平均覆盖层2.5m厚。岩石机械物理性质为：比重 2.65干抗压极限强度 1400kg/cm2饱和抗压极限强度 1050 kg/cm2经过25次冻融后抗压极限强度 1050 kg/cm2（3）土料有粘土、沙壤土及山皮土风化料，其分布、储量及性质如表1-7、表1-8。表1-7 当地材料分布及储量表部位材料石料砂壤土粘土石料位置坝址上游2km右岸坝址上游1km左岸坝址上游1.3km左岸坝址上游3.5km右岸可开采量15万m38万m35万m310万m3表1-8 建筑材料性能表土壤名称土壤特性河砂A河砂B粘土砂壤土山皮土土壤干容重c（t/ m3） 1.601.601.701.661.60空隙率gn 0.450.420.350.380.398内摩擦系数f（自然含水量）0.600.550.350.300.60内摩擦系数f（饱和含水量）0.600.550.240.280.50粘着力C（kg/ cm3）001.001.000渗透系数K（cm/s） 210-3610-3410-7110-5110-3天然含水量 %2017最优含水量 %191822.5压缩模量（kg/cm2）E120100（4）卵石在本支流入干流河口处有卵石80万m3，粒径在120cm，质地良好，可做浆砌石骨料。（5）坝基面坝体与基础抗剪断摩擦系数取为0.9，抗剪断凝聚力为0.80 MPa。1.4.2 外来材料水泥：水库下游城区有一大水泥厂，可供给本工程以足量的水泥。钢筋：可取自城区，其它钢材则由千里之外之城市运来。木材：具工地70 km之专区，可大量供应。1.4.3 交通情况本支流由于险滩阻隔，无法通行较大船，但有公路可达干流河口，而干流可通过大船直达城区，与铁路相联系，很方便。1.5 施工动力、机械、劳动力情况坝址下游20 km，有火电站，可供应足够的动力。施工可考虑半机械化：砂料开采，浆砌石的制作、运输、捣固、石料的加工可以使用机械化，石料开采用人工或简单机械。2 枢纽总体布置2.1拱坝方案由于拱坝主要依靠两岸拱端的反力作用保持稳定，对坝肩的地质条件要求较高，对于施工质量、建筑材料强和防渗要求等都较重力坝严格；拱坝剖面较薄，坝体的几何形状复杂，施工难度大，对坝体材料强度及防渗要求较高，受温度变化影响大，基岩变形的影响比较显著。根据资料分析，本设计的两岸地形和地质条件不宜修建拱坝。2.1土石坝方案土石坝可就地、就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，减少工地的外线运输量。能适应各种不同的地形、地质和气候条件，大容量、多功能。土石坝的主要有缺点：坝顶不能溢流，施工导流不如浆砌石坝方便，坝体的断面大，土料填筑的质量易受气候的影响。土石坝坡度较缓，土石方量明显增加许多，且坝址处断层破碎带较严重，在坝前长期高水头的作用下防渗处理工作量大，且需设专门的溢洪道，以解决泄洪问题。因而在此次设计中，不再考虑土石坝方案。2.1重力坝方案重力坝主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求；同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求。重力坝之所以得到广泛应用，是因为其具有以下几个方面的优点： 安全可靠。对地形、地质条件适应性强。便于施工导流。综上比较，选用重力坝。本坝址地形较凌乱，不适宜建拱坝，考虑本工程以防洪为主，而且在校核洪水位时的流量和泄流量都很大，需要开敞式的坝体泄流枢纽，土石坝不可以坝顶溢流，所以本枢纽设计选用重力坝。2.2 重力坝选型重力坝的形式比较多，主要可分为碾压浆砌石重力坝、实体重力坝、浆砌石重力坝、宽缝重力坝等。下面介绍比较常用的几种坝型，它们各自的优缺点如下：（1）碾压浆砌石重力坝与常态浆砌石重力坝相比，具有以下特点：可快速施工，缩短工期，提前发挥工程效益；胶凝材料用量少，又特别是水泥用量减少；简化了温控措施；不设纵缝，节省了模板和灌浆等费用；可使用大型施工机械设备，提高浆砌石运输和填筑的工效。但也有一定缺点，如：坝体浆砌石分区；各区域内浆砌石的级。（2）实体重力坝的特点：结构相对比较简单，施工比较方便，并且有丰富的经验技术，施工过程中质量容易控制。不足之处就是坝体体积较大，扬压力也比较大，施工时不利于浆砌石的散热。（3）浆砌石重力坝的特点：便于就地取材，节省水泥；节省模板，减少脚手架，因而减少木材用量，同时减少施工干扰；施工技术容易掌握。缺点：砌体质量不易均匀；不易采用机械化施工，需要大量劳动力；砌体本身防渗性能差，需另作防渗处理。（4）宽缝重力坝具有以下优点：充分利用其浆砌石抗压强度；宽缝坝由于底面积减小，扬压力显著降低；设置宽缝后，水平截面形状接近工字形，可以改善坝体应力。缺点：增加了模板用量，立模也较复杂；分期导流不便；在严寒地区，对宽缝需要采取保温措施，而且散热比较好，一般情况下，坝体内部浆砌石不易由于膨胀而破坏坝体的稳定。经技术经济比较，最后选择浆砌石重力坝。2.3 工程等别和建筑物级别的确定由工程资料中的水库库容，装机容量等数据, 查水利水电工程等级划分及洪水标准SL252-2000可知，属大（2）型工程，工程等别为II等，主要建筑物等别2级，次要建筑物级别3级。，水库吹程10.0km，宜按官厅水库公式进行计算。官厅水库公式适用于( 20m/S 及D L/2 时，波浪运动不受库底的约束。这样条件下的波浪为深水波。水深小于半波长而大于临界水深，即HL/2时，波浪运动受到库底的影响，称为浅水波。水深小于临界水深，即HLm/2，波浪运动不受库底的约束为深水波，P可分为P11和P12计算： （4-13） （4-14） （4-15）代入数据，得 校核洪水位情况坝前水深H1=52.6m，波长Lm=8，H1Lm/2，波浪运动不受库底的约束为深水波。 4.2.4.2 以1/3坝高计算（1）自重 W1=2436.28=5224.3kN S=9.9 W2=24(25.8-6)9.9/0.75=6272.6kN S=0.3 W=11497kN（3） 静水压力正常蓄水位情况水平水压力：代入数据，得 S=9.3 校核洪水位情况水平水压力：代入数据，得 S=11.5 (3)扬压力正常蓄水位情况渗透压力： 校核洪水位情况渗透压力： （5）淤沙压力根据规范，由资料知=8，0m 故无泥沙淤积压力（6） 浪压力 正常蓄水位情况 坝前水深H1=27.9m，波长Lm=16，H1Lm/2，波浪运动不受库底的约束为深水波，P可分为P11和P12计算： 代入数据，得 校核洪水位情况坝前水深H1=34.5m，波长Lm=8，H1Lm/2，波浪运动不受库底的约束为深水波。 第 65 页 共 65 页 晒北滩水利枢纽工程大坝设计-碾压浆砌石重力坝方案表4-3 基本组合（1）时荷载计算成果计算高程297m 上游水位：343m表4-4 特殊组合（1）时荷载计算成果计算高程297m 上游水位：349.6m 下游水位：303m表4-5 基本组合（2）时荷载计算成果计算高程315.4m 上游水位：343m 下游水位：302m表4-5 特殊组合（2）时荷载计算成果计算高程315.4m 上游水位：349.6m 下游水位：303m晒北滩水利枢纽工程大坝设计-碾压浆砌石重力坝方案 4.3抗滑稳定分析4.3.1 分析的目的抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重要内容，其目的是核算坝体沿坝基面或坝基内部缓倾角软弱结构面抗滑稳定的安全度。4.3.2 抗滑稳定计算方法抗滑稳定分析是重力坝设计中一项重要的内容，其目的是核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。为此需对坝基面进行抗滑稳定分析。常用的稳定计算方法有：抗剪强度公式（将坝体与基岩间看成是一个接触面，而不是胶结面）、抗剪断强度公式（考虑坝体与基岩间的胶结力）、抗滑稳定极限状态计算法。本设计采用砌石坝设计规范进行抗滑稳定分析。具体的计算表达式如下： （416）式中： 接触面以上的总铅直力 接触面以上的总铅直力; U 作用在接触面上的扬压力; f 抗剪断摩擦系数; c 抗剪断凝聚力; A接触面面积;由资料：f =0.9，,c =0.8MPa,A=39.45m24.3.2.1 坝基面（1） 坝基面校核洪水位情况下 由表格4-1可知 ，=20263KN,U=5609KN,=14012KN 则 故校核洪水位情况下，坝基面满足强度稳定极限状态要求。（2） 坝基面正常蓄水位情况下 由表格4-1可知 ，=20972KN,U=4859KN,=10945KN 则 故正常蓄水位情况下，坝基面满足强度稳定极限状态要求。4.3.3 应力分析及边缘应力计算为检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求，同时也为研究、解决设计和施工中的某些问题提供依据，需进行应力分析。在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，所以，在重力坝设计规范中规定，首先应校核坝体边缘应力是否满足强度要求。本设计的应力计算根据砌石坝设计规范实体重力坝的应力计算公式进行计算。4.3.3.1坝基面 不计扬压力：计算上下游边缘应力和 （417） （418）式中计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，KN 作用于计算截面以上的全部荷载的界面垂直水流流向形心轴的力矩总和KN T坝体计算截面上、下游方向的宽度，m由表格知：=25831KN,=13221KN,T=39.45m 则 剪应力计算 （419） （420）式中：上游面水压力强度，kpa 下游面水压力强度，kpa （421） （422）代入数据得： 则 水平正应力计算 （423） （424） 代入数据得: （425） （426） （427） （428）代入数据得: （2） 计入扬压力 计算上下游边缘应力和 由表格3-1可知 ，=20972KN,T=39.45KN 则 其他应力计算如下 （429） （430） 又 （431） （432） 则 （433） （434） （435） （436） （437） （438）（2）坝基面校核洪水位情况下 不计扬压力：计算上下游边缘应力和由表格知：=25871KN,=62075KN,T=39.45m 则 剪应力计算 式中：上游面水压力强度，kpa 下游面水压力强度，kpa 代入数据得： 则 水平正应力计算 代入数据得: 代入数据得: （二）计入扬压力 计算上下游边缘应力和 由表格3-1可知 ，=20263KN,=96069KN,T=39.45KN 则 其他应力计算如下 又 则 3.3.3.2 距底面1/3坝高处 不计扬压力（正常蓄水位）： 计算上下游边缘应力和由表格知：=11497KN,=15529KN,T=25.8m 则 剪应力计算 则 水平正应力计算 代入数据得: 代入数据得: （二）计入扬压力 计算上下游边缘应力和 由表格3-1可知 ，=10785.24KN,=114336.95KN,T=19.5KN 则 其他应力计算如下 又 则 3.4 应力分析要求根据砌石坝设计规范规定，重力坝坝基面应力应符合下列要求： （1）运用期： 1）在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力。 2）在地震荷载作用下，坝踵，坝趾的垂直应力应符合规范的要求。 （2）施工期：坝趾垂直应力应允许有小于0.1MPa的拉应力。3.5小结本章对非溢流坝进行设计根据砌石坝设计规范确定坝顶的高程和坝顶宽度及斜坡坡率，通过计算各种工况下对两个个截面的荷载验算坝的稳定和应力，可得出如下结论，非溢流坝坝基面和坝层面的稳定满足规范要求。5 溢流坝段设计5.1 孔口设计由前面调洪演算知溢流坝采用开敞式孔口，5孔，堰顶高程338m。拟定中墩3m，边墩3m，则溢流坝段总长度为63m。5.2 消能防冲设计5.2.1 消能方式选择通过溢流坝顶下泄的水流，具有很大能量，所以要采取有效的消能措施，保护下游河床免受冲刷。消能设计的原则：消能效果好，结构可靠，防止空蚀和磨蚀，以保证坝体和有关建筑物的安全。设计时应根据坝址地形，地址条件，枢纽布置，坝高、下泄流量等综合考虑。 溢流坝常用的消能方式是：挑流消能和底流消能，挑流消能又分连续式挑流消能和差动式挑流消能。 连续式挑流消能：构造简单，施工方便，水流平顺，射程较远，一般不易产生空蚀，且其利用溢流坝下游的挑流鼻坎将从坝顶下泄的高速水流抛向空中，使水流扩散、掺气，然后跌入下游河床的水垫中，水流在同空气摩擦的过程中可消耗一部分能量于冲坑中，这种方式比较经济。 差动式挑流消能：冲坑最深点距坝脚较近，鼻坎上水流流态复杂，在高速水流作用下，容易引起空蚀破坏。底流消能：土石方开挖量和混凝土浇筑量一般都较大，与挑流消能比较，底流消能在经济方面往往不利。 根据工程条件本次设计采用连续式挑流消能。5.3.2.3 反弧挑角的选定 根据规范规定，宜采用1535。根据工程经验此取 = 25o5.3.2.4 反弧半径的确定溢流坝面反弧段是使沿溢流面下泄水流平顺转向的工程设施，通常采用圆弧曲线。鼻坎处水流平均流速为： （5-3）因为Q=AV=bhv，所以鼻坎平均水深H为： （5-4） 式中：j堰面流速系数，取0.96 库水位至坎顶高差，m 校核洪水时溢流坝下泄流量, 鼻坎处水面宽度，m则 5.3.2.5 水舌的挑距L 及可能最大冲坑深度的估算连续式挑流鼻坎的水舌挑距L 按水舌外边缘计算如图5-1，其估算公式为： （5-5） 式中：坎顶水面流速，取 则 代入数据得：最大冲坑水垫厚度估算公式： （5-6） 式中： 由此可见，挑流消能形成的冲坑不影响大坝安全5.4 溢流面拟定溢流坝的基本剖面为三角形，上游面与非溢流坝段一样为折面，溢流面由顶部曲线段、中间直线段和反弧段三部分组成。设计要求： 有较高的流量系数，泄流能力大； 水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏； 体形简单、造价便宜，便于施工等。（1）顶部曲线段溢流坝顶部曲线是控制流量的关键部位，其形状多与锐缘堰泄流水舌下缘曲线相吻合，否则会导致泄流量减少或堰面产生负压。常用的有克-奥曲线和WES 曲线。由于WES 坝面曲线的流量系数较大且剖面较瘦，工程量较省，坝面曲线用方程控制，比克-奥曲线用给定坐标值的方法设计施工方便。所以采用WES 剖面曲线。WES 型溢流堰顶部曲线以堰顶为界分上游段和下游段两部分。上游段采用三圆弧曲线，上游堰面垂直。下游曲线采用WES幂曲线。 幂曲线方程： （5-7） 式中： 因上游面铅直，查砌石坝设计规范表A.1.