小型水库工程.ppt

项目四小型水库 概述 水库由挡水坝 溢洪道 放水建筑物三部分组成 通常称为水库的 三大件 挡水坝是横拦河道的挡水建筑物 用以拦蓄水量 抬高水位 溢洪道是排泄洪水的建筑物 保证大坝安全 放水建筑物包括放水洞和放水设备两部分 蓄水量在10000万立方米以上为大型水库 1000万立方米至10000万立方米为中型水库 1000万立方米以下为小型水库 坝高30米以下 一 库址选择 库址选择是水库工程中事关全局的问题 应从经济 安全 合理等方面考虑 应注意以下几个问题 1 地形要口小肚大 2 有适宜的集水面积 3 坝址和库址地质良好 基础稳固 无下陷情况 4 库址靠近灌区且比灌区高 5 坝址附近要有足够和适用的建筑材料 6 坝址附近要有适宜开挖溢洪道的山垭 7 水库上游宜草木丰茂 二 地质调查 1 调查库区 坝址区的岩石种类 性质 分布规律及岩石的透水条件 2 调查库区 坝址区范围内的地质构造 岩石的产状 岩石的节理发育 3 调查库区 坝址区的水文地质特征 在坝基处最好没有承压水或高承压水 三 地形测量 一 坝址地形测量坝址地形测量是为了正确设计枢纽建筑物和估算工程量 范围包括坝身 溢洪道及放水洞等 比例尺用1 1000 1 2000 二 集水面积测量集水面积是指向水库里汇集雨水径流的面积 又叫流域面积 它是估计水库蓄水量和洪水量的主要依据之一 求积仪法 方格法 经验公式法 梯形法 三 库容测量与计算库容测量在于绘出水库的水位 库容关系曲线 为设计提供依据 等高线法和横断面法 四 建筑材料调查建筑材料是决定坝型 工程造价 施工方法的主要因素 三 地形测量 五 水文资料的搜集与调查1 径流资料多年平均降雨量 多年平均径流深 年径流系数 径流年内分配及蒸发量 作为计算有效库容和水库调节计算的依据 2 泥沙资料作为计算死库容的参考 3 洪水资料作为设计溢洪道的参考 六 流域覆被 淹没迁移及社会经济调查1 调查库区林木生长 山坡陡缓情况 为确定年径流系数 暴雨径流系数提供资料 2 调查水库库区内的田地 成材林木及其他建筑物 作为计算淹没损失的依据 3 调查灌区面积 灌区原有水利设施在水库兴建后如何配合运用 以及灌水定额 灌溉定额 灌水次数 用水时间 灌区土壤种类 渗漏情况等 4 了解灌区主要农作物种类 面积 生长期 耕作制度等 了解灌区人口 劳力 车辆 工具及建筑材料的远近 运输条件和各种材料的单价等 分项目一水库的特征曲线和特征水位的绘制 一 水库的特征曲线水库的特征曲线是用以描述水库库区地形特征的重要曲线 包括水库面积曲线和水库容积曲线 一 水库面积曲线水库建成后 随着水库水位不同 水库的水面面积也不同 这个水位与面积的关系曲线简称为水库面积曲线 水库面积曲线的绘制可根据库区地形图进行 相应每一高程有一等高线和坝轴线间围成的面积 二 水库容积曲线表示水库各种水位与库容之间关系的曲线称为水库容积曲线 为了精确起见 可采用棱台体积公式 二 水库的特征水位 1 设计低水位 死水位 H低 保证放水建筑物泄放渠道设计流量的最低水位 同是时满足水库泥沙淤积 发电 养鱼等多方面的要求 设计低水位以下的库容称为死库容 2 设计蓄水位 H设 在设计情况下 蓄水至满库时的水位称为设计蓄水位 V兴 3 设计洪水位 H洪 在设计情况下 当水库遭遇到设计洪水溢洪时所达到的最高水位 它是设计坝高的依据 V防 4 校核洪水位 H校 在设计情况下 当水库遭遇到比设计洪水更大的校核洪水溢洪时所达到的最高水位称为校校核洪水位 V超 水库总库容 V总 V死 V兴 V防 V超 特征水位 正常蓄水位 指水库在正常运用情况下 允许为兴利蓄到的上限水位 它是水库最重要的特征水位 决定着水库的规模与效益 也在很大程度上决定着水工建筑物的尺寸 死水位 指水库在正常运用情况下 允许消落到的最低水位 防洪限制水位 指水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位 通常多根据流域洪水特性及防洪要求分期拟定 进行水库调洪计算时 可以此水位作为起算水位 防洪高水位 指下游防护区遭遇设计洪水时 水库 坝前 达到的最高洪水位 设计洪水位 指大坝遭遇设计洪水时 水库 坝前 达到的最高洪水位 校核洪水位 指大坝遭遇校核洪水时 水库 坝前 达到的最高洪水位 特征库容 特征库容 相应于某一水库特征水位以下或两个特征水位之间的水库容积 主要的特征库容有 死库容 指死水位以下的水库容积 兴利库容 亦称调节库容 指正常蓄水位至死水位之间的水库容积 防洪库容 指防洪高水位至防洪限制水位之间的水库容积 调洪库容 指校核洪水位至防洪限制水位之间的水库容积 重叠库容 指正常蓄水位至防洪限制水位之间的水库容积 这部分库容既可用于防洪 也可用于兴利 防洪库容与兴利库容完全重叠时 正常蓄水位即为防洪高水位 防洪库容与兴利库容完全分开时 正常蓄水位即为防洪限制水位 总库容 指校核洪水位以下的水库容积 它是划分水库等级的主要依据之一 混凝土重力坝 刘家峡水库 重力坝 土坝 重力式拱坝 拱水坝 高橡胶坝 混凝土连拱坝 支墩坝 死库容和死水位的确定 以灌溉为主的小型水库 死库容主要满足两个要求 一 死水位应保证水库自流灌溉死水位即设计低水位 主要是由灌区高程控制条件所决定 由灌溉区规划可推算出渠首设计引水高程 也就是放水建筑物的下游水位 见图8 8上的B点高程 然后加上泄放渠道设计流量时放水建筑物所必须的最小水头Hmin 即可得到设计低水位 在规划阶段 Hmin可依经济指标估计 在技术设计阶段 则应根据渠道设计流量及放水建筑物的形式 尺寸进行详细的水力学计算推出 在特枯年份的抗旱季节 往往不能按正常流量放水 只要水库有水就应尽量泄放 故设计低水位以下到放水建筑物进口底槛A点高程之间的水库库容也是可以利用的 真正的死库容是放水建筑物进口底槛高程以下的那部分无法自流的库容 见下图 二 死库容应满足泥沙淤积的要求以灌溉为主的水库 主要要求满足上述的条件 但对于多沙性河流 必须校核死库容能否满足泥沙淤积的要求 一般小型水库可按下列3种方法计算年淤积量及水库使用年限 一 当有泥沙观测资料时1 年淤积量计算公式式中 Vm 0 多年平均年淤积量 m3 a 0 多年平均含沙量 kg cm3 0 多年平均年径流总量 m3 m 库中泥沙沉积率 淤积体之孔隙率 0 3 0 4 s 淤积体积的重量 kg m3 该式仅对悬移质而言 若推移质所占比重较大 应进行专门的计算 2 水库使用年限T计算公式式中 V死 水库拟定的死库容 二 当无泥沙观测资料时1 悬移质多年平均输沙量的估算 1 参证站水文比拟法当水库所在河流无实测泥沙资料时 可选择一个气候 土壤 植被 地形 水文地质等旧然地理特征相似的参证流域来估算本水库坝址以上流域的悬移质输沙量 式中 R0 本流域多年平均年悬移质输沙量 t 0参 参证流域多年平均年悬移质输沙模数 t km2 F 本流域集水面积 km2 2 经验公式法一些地区的观测资料证明 悬移质输沙量与河床平均比降 年径流总量及侵蚀系数有关 可列出如下的经验公式 式中 J 河床平均比降 0 多年平均径流总量 m3 侵蚀系数 一般可按下列资料选取 冲刷极微的流域 0 5 1 0冲刷轻微的流域 1 2冲刷中等的流域 2 6冲刷极强的流域 6 10 3 查等值线图查各省水文手册中绘制的多年平均侵蚀模数等值线图 可得值 代替 8 5 式中 0参 计算多年平均输沙量 t a 2 推移质多年平均输沙量的估算一般按推移质与悬移质有一定比例关系估算 即 式中 S0 多年平均年推移质输沙量 t a R0 多年平均年悬移质输沙量 t a 推移质输沙量与悬移输沙量的比值 在一般情况下 可采用下列数值 平原地区河流 0 01 0 05丘陵地区河流 0 05 0 15山区河流 0 15 0 30 3 年淤积量及水库淤积年限的估算年淤积量式中 Wm o 平均年淤积量 t a m 库中泥沙沉积率 淤积年限为 式中 T 淤积年限 a V垫 拟定的死库容 m3 d 淤沙体的干容重 t m3 一般取1 1 1 3t m3 三 用坝前淤高估算水库使用年限水库泥沙实际淤积情况 并不是首先在垫底库容中淤积 然后在兴利库容中淤积 由于入库水流流速逐渐减小 水流挟带的大粒径泥沙 如卵岩 砾石等 首先在库尾淤积 形成所谓 翘尾巴 的现象 接着是粗沙 细沙淤积 到坝前粒径很细的泥沙也沉积下来 形成了从库尾到坝前的 淤积带 见图8 9所示 258页 当坝前泥沙淤积高程达到取水口高程时 取水口已开始被泥沙堵塞 水库无法再发挥兴利调节作用 因此 坝前泥沙淤积高度决定了水库的使用年限 坝前淤积高度的计算 可采用参证站水文比拟法 式中 h1 设计水库坝前年平均淤高 m a h2 参证水库坝前平均淤高 m a F1 设计水库流域面积 km2 F2 参证水库流域面积 km2 V1蓄 设计蓄水库容 即兴利库容与死库容之和 以万m3或亿m3计 V2蓄 参证水库的设计蓄水库容 以万m3或亿m3计 m n 指数 一般m 1 38 n 1 29 水库使用寿命按下式计算 式中 h 坝前取水口以下水深 m 在设计低水位及坝前取水口以下水深已知时 可用上述诸公式求出年淤积量及使用年限 一般小型水库的淤积年限可考虑为20 50年 如果所设计的死库容不能满足淤积要求 还应抬高设计低水位及取水口高程 增加死库容或坝前取水口以下水深 分项目二水库兴利调节计算及设计蓄水位的确定 设计低水位选定以后 就可依据水库来水及用水资料进行兴利调节计算 求出兴利库容 根据水库容积曲线 就可换算成设计蓄水位 若灌溉面积大 天然径流量小 则还有一个经济比较的问题 即先拟定几个方案进行调节计算 选择出经济合理的灌溉面积 从而定出设计蓄水位 一 水库的调节性能由对水库的来水和用水的特性分析可知 来水和用水之间 往往不相适应 这种不适应性 有的反映在1年之内 如有的月份来水远远大于用水 有的月份来水小于用水 但整个年的来水量还是能满足年用水量要求 有的则不仅在年内 同时还存在于年与年之间 即丰水年的年来水量大于年用水量 而枯水年的年来水量小于年用水量 为了满足用水部门一定设计保证率下的用水要求 对于前一种情况 只要对径流的年内变化按用水要求作重新分配便可解决 这种调节周期不超过1年的调节称为年调节 对后一种情况 不但要对径流的年内变化 而且要对年与年之间的径流变化按用水量要求进行重新分配才能解决 此时径流调节周期超过1年 这种称为多年调节 如图表示某水库来水W和用水M的频率曲线 二线在S点相交 其交点所对应的频率为Ps 若来水与用水呈函数关系 当水库的设计保证率P设1Ps 则年来水量小于年用水量 要满足枯水年份的用水 仅对该枯水年的径流年调节已不符合要求 必须对径流进行多年调节 S点称为完全调节点 调节计算所需要解决的问题是 在来水 用水及灌溉设计保证率已定的情况下 计算所需的兴利库容 有时也可以在兴利库容已知时 求水库在灌溉设计保证率下的供水能力 灌溉面积 或在供水能力 灌溉面积 一定的情况下 所能达的设计保证率 二 年调节水库 一 调节计算原理调节计算的原理是把调节周期分为若干计算时段 并按时序进行逐时段的水库水量平衡计算 则可求得水库的蓄泄过程及所需的兴利库容 对于某一时段 t的水库水量平衡方程可由下式表示式中 V 计算时段出内水库蓄水量的增减值 蓄水量增加时为正 蓄水量减小时为负 Q入 计算时段出内流入水库的流量 即来水量 q出 计算时段 t内从水库流出的流量 包括各用水部门的用水量和各种水量损失 如蒸发 渗漏等 有时还有弃水或冰冻 计算时段 t的长短 对计算精度有一定影响 对年调节计算来说 一般可取1个月为一个计算时段 有时在来水量变化较大或灌溉用水量变化较大时 可取半月或一旬作为一个计算时段 精度要求高 则时段就要划分短些 在具体计算时 一般是从蓄水期 来水大于用水 有余水蓄在水库里 开始作为调节计算的起点 也就是说 调节计算是按调节年度进行的 所谓调节年度 就是水库从蓄水期开始作为调节年度的起点 水库蓄满后又经供水期将水库放空为调节年度的终结 也是下一调节年度的开始 这样经历的1年称为调节年 它不是按从1月1日到12月31日为1年的日历年 下图为水库运用一次的情况 图中Q t代表来水过程 q t代表用水过程 也就是说 水库在一个调节年度内 充满一次 泄空一次 在这种情况下 V2 图中阴影部分面积 是惟一的来水不足量 只要水库能蓄这么多水 就能保证这一年用水需要 故水库兴利库容为V V2 下图为水库运用两次的情况 在左图中的情况 V1 V2 V3 V4 即每次的余水都超过了每次的不足水量 水库的两次运用是独立的 不互相影响 因此 水库的兴利库容应取两个不足水量中的较大者 即V V4 只要兴建兴利库容等于V4的水库 就能保证水库在两次运用中都能满足用水要求 而对于右图中的情况 V1 V2 V3 V4 显然 由于V3 V4 要满足V4时期的用水要求 必须事先存蓄一部分水量 也就是要存蓄V3所不能满足的那一部分水量 V4 V3 这时候 水库的兴利库容应为V V2 V4 V3 4 兴利库容的确定先进行每年的调节计算 可得到每年所需的年调节库容 则有多少年资料就可求得多少个年调节库容 然后按由小到大的次序排列 按经验频率公式求出相应于每一库容的频率 点绘库容与频率的关系曲线 见图8 13 根据给定的灌溉设计保证率 例如P 80 查该曲线即可求得相应的年调节兴利库容 V兴 3500万m3 5 小型水库兴利库容的估算方法小型水库兴利库容的估算方法 可用列表计算法 但需要的资料较多 计算也比较复杂 应用于小型水库有一定的困难