坝顶高程计算.pdf

工程水文及水利计算 课程设计指导书 工程水文及水利计算 课程设计指导书 赋石水库水利水电规划赋石水库水利水电规划 武汉大学水利水电学院武汉大学水利水电学院 二二 OO 五年十月五年十月 1 工程水文及水利计算 课程设计指导书 工程水文及水利计算 课程设计指导书 赋石水库水利水电规划赋石水库水利水电规划 一 设计任务一 设计任务 在太湖流域的西苕溪支流西溪上 拟修建赋石水库 因而要进行水库规划 的工程水文及水利计算 其具体任务是 1 设计年径流分析计算 2 选择水库死水位 3 选择正常蓄水位 4 计算保证出力 多年平均发电量和选择装机容量 5 推求防洪标准 设计标准和校核标准的设计洪水过程线 6 推求各种洪水特征水位和确定坝顶高程 二 设计提纲二 设计提纲 一 水文气象资料的搜集和审查 熟悉流域的自然地理情况 广泛搜集有关水文气象资料 见基本资料 经初步审查 降雨和径流等实测资料是可靠的 具有一致性的 可用于本 次设计 二 设计年径流量及其年内分配 1 设计年径流量的计算 先进行年径流量频率计算 求出频率为 85 50 15 的丰 中 枯年 径流量 2 设计年内分配 根据年 月径流资料和代表年的选择原则 确定丰 中 枯三个代表年 并按设计年径流量为控制用同倍比方法缩放各代表年的逐月径流量 推求丰 中 枯年径流量的年内分配 三 选择水库死水位 1 绘制水库水位容积曲线和水电站下游水位流量关系曲线 2 根据泥沙资料计算水库的淤积体积和水库相应的淤积高程 按百年运用估 2 计 3 根据水轮机的情况确定水库的最低死水位 4 综合各方面情况确定水库死水位 四 选择正常蓄水位 根据本地区的兴利要求 发电方面要求保证出力不低于 800 千瓦 发电保 证率为 85 灌溉及航运任务不大 均可利用发电尾水得到满足 因此 初步 确定正常蓄水位为 79 9 m 若通过水能计算后能满足保证出力要求就作为确定 的正常蓄水位 五 保证出力 多年平均发电量和装机容量的计算 先对丰 中 枯三个代表年以月为时段进行水能计算 计算出各月的水流 出力 出力系数 A 7 5 预留水头损失 HF 0 5 m 取设计枯水年供水期的平均出力为保证出力 作出出力历时曲线 以 36 个月出力值计算 并以装机年利用小时数 h装 3440 h 推求出装机容量和多年平均发电量 六 推求各种设计标准的设计洪水过程线 本水库为大 2 型水库 工程等别为 等 永久性水工建筑级别为 2 级 下游防洪标准为 5 设计标准为 1 校核标准为 0 1 需要推求 5 1 0 1 设计洪水过程线 1 按年最大值选样方法在实测资料中选取年最大洪峰流量及各历时洪量 根 据洪水特性和防洪计算的要求 确定设计历时为 7 天 控制历时为 1 天和 3 天 因而可得洪峰和各历时的洪量系列 2 7 天洪量只有 1957 1972 年 用相关分析方法延长插补 编制程序 用 计算机完成 3 对洪峰和各时段洪量系列进行频率计算 洪峰频率计算要对特大值处 理 从而可得各设计频率的洪峰和洪量值 4 洪峰和洪量成果的合理性分析 5 选择典型洪水过程线 要按照选择原则进行 并算出典型洪水过程线的 洪峰和各时段洪量值 6 用分段同频率放大法推求设计洪水过程线 包括 5 1 0 1 的 七 推求水库防洪特征水位和确定坝顶高程 3 1 泄洪规则及起调水位 根据水库下游防洪要求 等于或小于 20 年一遇的洪水 只放发电用水 17 m3 s 其余全部拦蓄在水库里 超过 20 年一遇的洪水 溢洪道和泄洪洞共同 泄洪 自由泄流 起调水位 防洪限制水位 为 78 4 m 2 防洪高水位的计算 用 20 年一遇洪水过程线 除下泄发电用水 17 m3 s 外 其余蓄在水库 则总蓄水量加在防洪限制水位上 则可得防洪高水位 3 设计洪水位的计算 在计算机上完成 用百年一遇洪水过程线 从防洪限制水位开始 先按发电流量 17m3 s 下泄 其余蓄在水库里 待蓄至防洪高水位后 即打开溢洪道闸门和泄洪洞闸 门 自由泄流 通过调洪演算 得设计洪水位 拦洪库容和相应最大下泄流量 4 校核洪水位的计算 在计算机上完成 方法与设计洪水计算相同 只是用1000年一遇设计洪水过程线来进行计算 5 坝顶高程计算 根据现行 碾压式土石坝设计规范 SDJ218 84 坝顶在水库静水位以 上的超高按下式确定 y R e A 式中 y 坝顶在水库静水位以上的超高 m R 波浪在坝坡上的爬高 m e 坝前静水位因风浪引起的涌高 m A 安全超高 按坝的等级及运用情况从表 1 查算 表 1 永久性挡水建筑物安全超高 m 永久性挡水建筑物级别 建筑物类型及运用情况 1 2 3 4 5 设计 1 5 1 0 0 7 0 5 土石坝 校核 山区 丘陵区 0 7 0 5 0 4 0 3 平均波浪爬高 h m kk R w 2 1 式中 k 斜坡的糙率渗透性系数 根据大坝迎水坡护面类型确定 8 0 k 4 kw 经验系数 与 gH V 的大小有关 按表 2 查算 V 为风速 H 为坝 前水深 表 2 经验系数 kw gH V 1 1 5 2 0 2 5 3 0 4 0 5 kw 1 1 02 1 08 1 16 1 25 1 28 1 30 h 平均波高 m 平均波长 m m 斜坡的坡度系数 按官厅水库波高公式计算波高为 h 0 0166V4 5D1 3 按上式计算的波高与平均波高的关系为 hh71 1 按鹤地水库波长公式计算平均波长 0 389VD1 3 设计波浪爬高值按工程等级确定 对 级土石坝取累计概率 P 1 时的爬高值 R1 查 碾压式土石坝设计规范 附表 1 7 可得 R1 R 2 23 风浪涌高 cos 2 0036 0 2 gH DV e 最后确定坝顶高程为 Z坝 Max Z坝 设 Z坝 校 坝坡为块石护面 糙率渗透性系数8 0 k 斜坡的坡度系数 m 3 0 取风 向与坝轴线法线方向的夹角 30 库区汛期多年平均最大风速 Vm 17m s 设计情况下取 V 1 5 Vm 校核情况下取 V Vm 吹程 D 6km 三 设计说明书三 设计说明书 设计说明书 主要应包括以下内容 1 设计任务 2 流域自然地理简况 流域水文气象资料概况 3 设计年径流量及其年内分配的推求 4 水库死水位的选择 5 5 水库正常蓄水位的选择 6 水能计算和装机容量选择 7 设计洪水的推求 8 水库洪水特征水位的确定和坝顶高程的计算 9 附表 附图 最后装订成册 说明书的重点是对计算成果的说明和合理性分析以及其它有关问题讨论 说明书要力求文字通顺 简明扼要 图表要清楚整齐 每个图 表都要有名称 和编号 并与说明书中内容一致 最后成果图要字体工整 合订时 说明书在 前 附表和附图分别集中 依次放在后面 四 基本资料四 基本资料 1 流域和水库情况简介 西苕溪为太湖流域一大水系 流域面积为 2260km2 发源于浙江省安吉县 天目山 干流全长 150km 上游坡陡流急 安城以下堰塘遍布 河道曲折 排 泄不畅 易遭洪涝灾害 又因流域拦蓄工程较少 灌溉水源不足 易受旱灾 根据解放后二十多年的统计 仅安吉县因洪涝旱灾每年平均损失稻谷 1500 万 斤 严重的 1961 63 年 连续三年洪水损失稻谷 9300 万斤 冲毁耕地万余亩 赋石水库为根治西苕溪流域水旱灾害骨干工程之一 位于安吉县丰城以西 十公里 控制西苕溪主要支流西溪 坝址以上流域面积 328km2 流域内气候温 和 湿润 多年平均雨量孝丰站为 1450mm 国民经济以农 林业为主 流域 内大部为山区 小部为丘陵 平地较少 流域水系及测站分布见图 1 水库以防洪为主 结合发电 灌溉 航运及水产 是一座综合利用水库 库区位于区域的斜构造内 周边岩石多为不透水或弱透水的砂页岩 仅在 局部地区有奥陶纪石灰岩及钙质页岩 但因层薄 并有砂页岩隔层 岩溶现象 不甚发育 加之山体宽厚 其高程一般均在 200m 以上 故库区渗漏问题可以 不考虑 西苕溪流域受洪水灾害 25 万亩 其中安吉 9 万亩 长兴 15 万亩 吴兴 3 万亩 水库建成后 可使 20 年一遇洪水减轻到 5 年一遇以下 使圩区淹没面积 11 3 万亩减至 4 万亩 使 3 万亩圩区农田免除洪水直接威胁 其它十几万亩可 以不同程度的减轻洪水危害 6 水库兴建后 可灌溉赤坞 安城等地区的水田计 4 万亩 溪滩还田 3000 亩 河道整治还田 4000 亩 旱改水 3000 亩 共计可灌溉 5 万亩 航运发电水产方面 可解决上游每年 200 万支毛竹的水路运输以及水运康 山的煤 化肥等 发电装机容量约 3750 千瓦 年发电量为 14000 度 补充电源 不足 水库建成后 增加了 6000 亩水面面积 可以发展水产 库区包括有耕地 5766 亩 3310 户人家 征用地 5610 亩 迁移居民 1500 户 人口 7400 人 房屋 6910 间 还有国家粮库 商店等房屋约 300 间 有两 条公路需要改线 总长 11 公里 2 水文气象资料情况 流域内有天锦堂 坑垓 权岱三个雨量站 分别从 1956 年 1961 年和 1962 年开始观测到今 流域附近有潜渔站 1954 年开始观测 章村站 1961 年开始观 测 孝丰站有较长的资料 1922 年开始观测 但中间有缺测年份 因此可以利 用孝丰站的雨量资料来延长流域雨量资料 在坝址下游 1 公里处设有潜渔水文站 自 1954 年开始有观测的流量资料 通过频率计算 得各设计频率的设计年径流量 选择典型年 计算缩放倍比 成果见表 3 通过典型缩放得丰 P 15 中 P 50 枯 P 85 设计年径 7 流过程 见表 4 表 3 设计年径流及典型年径流量 代表年 设计频率 设计年径流量 m 3 s 典型年 典型年径流量 m 3 s 缩放倍比 枯水年 P 85 5 56 1973 5 35 1 039 中水年 P 50 7 50 1957 7 11 1 055 丰水年 P 15 10 37 1967 9 95 1 042 表 4 潜渔站设计年径流过程 设计枯水年 设计中水年 设计丰水年 月份 典型年 Q 设计年 Q 典型年 Q 设计年 Q 典型年 Q 设计年 Q 3 14 00 14 56 6 47 6 82 11 10 11 58 4 18 60 19 34 6 93 7 31 12 80 13 35 5 19 50 20 28 20 80 21 94 23 00 23 99 6 1 31 1 36 8 24 8 69 27 60 28 79 7 5 21 5 42 21 80 23 00 3 97 4 14 8 06 06 5 50 5 80 1 24 1 29 9 04 04 4 32 4 56 23 20 24 20 10 41 43 2 81 2 96 7 65 7 98 11 1 70 1 77 1 42 1 50 1 36 1 42 12 75 78 3 60 3 80 44 46 1 70 73 1 10 1 16 84 88 2 1 88 1 96 2 33 2 46 6 11 6 37 64 16 66 73 85 32 90 119 31 124 45 根据调查 1922 年 9 月 1 日在坝址附近发生一场大洪水 推算得潜渔站洪峰 流量为 1350m3 s 这场洪水是发生后至今最大的一次洪水 缺测年份内 没有 大于 1160m3 s 的洪水发生 4 根据地区用电要求和电站的可能情况 发电要求为保证出力不能低于 800 千瓦 发电保证率为 85 灌溉和航运任务不大 均可利用发电尾水得到满足 8 5 水库水位容积曲线如表 5 表 5 水位容积曲线 水位 m 48 50 52 55 60 65 容积 106 m3 0 0 1 0 6 2 3 8 0 18 0 水位 m 70 75 80 81 82 83 容积 106 m3 35 7 60 3 94 4 102 8 111 3 120 0 水位 m 84 85 86 87 88 89 容积 106 m3 129 0 138 6 148 3 158 8 170 0 181 5 水位 m 90 91 容积 106 m3 194 5 207 0 6 水电站下游水位流量关系曲线如表 6 表 6 水位流量关系曲线 水位 m 46 0 46 2 46 4 46 6 46 8 47 0 47 2 流量 m3 s 0 1 0 3 6 7 3 11 9 16 2 20 5 7 根据实测泥沙资料得多年平均含沙量237 0 0 kg m3 泥沙干容重 1650 kg m3 泥沙沉积率 m 90 孔隙率 p 0 3 推移质与悬移质淤积量 之比值 15 加安全值 2 米 8 本省生产的机型有 HL263 LJ 100 即混流式 263 型 主轴金属锅壳 转轮直径 1 米 单机容量为 1250 千瓦 适应最小水头为 16m 9 赋石水库属 级建筑物 因此设计洪水标准为 1 校核洪水标准为 0 1 水库下游保护地区防洪标准为 5 10 赋石水库原设计采用雨量资料推求设计洪水 现采用流量资料来推求设 计洪水 以作比较 历年洪峰 一天洪量 三天洪量 七天洪量如表 7 所示 11 典型洪水过程线如表 8 所示 12 泄洪建筑物型式尺寸 溢洪道 实用堰型 净宽 110m 堰顶高程 88 3m 泄洪洞 洞径 5m 进口底高程 48 5m 根据以上尺寸计算得泄流曲线如表 9 所示 9 13 泄洪规则及起调水位 遇小于或等于二十年一遇洪水 只放发电用水 17m3 s 其余全部拦蓄 超过二十年一遇洪水 溢洪道和泄洪洞共同泄洪 泄洪洞闸门全开 起调水位 78 4m 相应库容 83 5 108m3 表 7 潜渔站洪峰及定时段洪量统计表 年 洪峰 Qm m3 s 24 小时洪量 W 106m3 三天洪量 W 106m3 七开洪量 W 106m3 1954 702 27 94 58 40 1955 284 8 17 13 30 1956 748 29 80 36 00 1957 402 22 80 37 19 52 46 1958 200 8 72 15 85 22 15 1959 237 11 13 19 80 32 90 1960 478 15 70 20 80 33 20 1961 659 52 50 79 10 88 20 1962 585 43 70 49 20 53 10 1963 1160 55 60 86 60 95 90 1964 409 14 32 31 70 40 70 1965 510 15 62 24 40 27 00 1966 232 9 50 14 00 25 40 1967 244 11 82 19 00 28 00 1968 167 9 90 18 40 35 50 1969 387 20 90 32 80 48 40 1970 305 17 20 31 90 35 60 1971 500 23 40 31 80 35 30 1972 108 5 34 10 20 12 23 1973 484 19 87 42 85 1974 287 16 16 39 05 1975 166 11 58 22 05 1976 119 8 29 19 95 1977 238 7 61 20 45 10 表 8 典型洪水过程线 1963 年 时段 t 1h 流量 m3 s 时段 t 1h 流量 m3 s 时段 t 1h 流量 m3 s 0 6 34 1060 67 130 1 7 35 950 68 118 2 7 36 864 69 118 3 8 37 760 70 103 4 15 38 660 71 97 5 23 39 617 72 92 6 34 40