水利枢纽挡、泄水建筑物初步设计开题报告

TS 水利枢纽挡 泄水建筑物初步设计 学 生 王鑫 指导老师 乔 娟 三峡大学科技学院 1 课题来源 本课题 TS 水利枢纽挡 泄水建筑物初步设计 是由指导老师乔娟指定的 平 山水库位于 县城西南 公里处的平山河中游 该河系睦水的主要支流 全长 28 公 里 流域面积为 556 平方公里 坝址以上控制流域面积 431 平方公里 由于平山河 为山区性河流 雨后山洪常给农作物和村镇造成灾害 另外 当雨量分布不均时 又易造成干旱现象 因此有关部门对本地区作了多次勘测规划以开发这里的水利资 源 经初步论证 该工程拟采用土石坝作为挡水建筑物 岸边溢洪道作为泄水建筑 物 2 本工程初步设计的目的和意义 通过对 TS 水利枢纽挡 泄水建筑物初步设计 使自己对土石坝的原理 特点 发展现状及设计相关知识等有深刻的认识 对土石坝地基的处理方法及施工措施有 一个全面的了解 并掌握了对 TS 水利枢纽挡 泄水建筑物初步设计的渗流分析 稳 定分析的计算方法 以及对 AUTOCAD GEO SLOPE 的熟练运用和国家水利行业标准 的熟悉 为自己以后在水利建设工作打下了坚实的基础 3 阅读的主要文献 资料名称及土石坝基本资料 发展概况 3 1 主要文献 资料名称 武汉大学 大连理工大学 河海大学合编的 水工钢结构 天津大学 大连理 工大学 西安理工大学合编的 水工建筑物 武汉大学 天津大学合编的 水利工 程施工 东南大学 浙江大学 湖南大学 苏州科技学院合编的 土力学 赵风 华 黄金林编辑的 钢结构设计原理 刘川顺编辑的 水利工程地基处理 刘志 民 王德信编辑的 水工设计手册 林昭编辑的 碾压式土石坝设计 王复来 陈洪天编辑的 土石坝变形与稳定分析 张启岳编辑的 土石坝加固技术 武 永新 吴正桥编辑的 水工建筑物设计与加固 吕秋林编辑的 画法几何及水利工 程制图 李振斌编辑的 工程 CAD 技术及应用 中国水利水电出版社出版的 中 小型水利水电工程典型设计图集 中国水利水电出版社出版的 水工设计手册 中华人民共和国水利行业标准 碾压式土石坝设计规范 SL274 2001 水利水电 工程等级划分及洪水标准 SL252 2000 溢洪道设计规范 DL T5166 2002 水利水电工程制图标准 SL 73 2 95 GEOSLOPE 软件中文学习资料 3 2 土石坝的定义 土石坝是指由当地土料 石料或混合料 经过抛填 辗压方法堆筑成的坝 是 历史最为悠久的一种坝型 是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型 3 3 土石坝的类型和特点 3 3 1 土石坝的类型 1 按坝高可分为 高度在 30m 以下的坝为低坝 高度在 30 70m 之间的坝 为中坝 高度超过 70m 的坝为高坝 2 按施工方法可分为 碾压式土石坝 充填式土石坝 水中填土坝和定向爆 破土石坝等 3 按土料在坝身内的配置和防渗体所用材料的种类可分为 均质坝 土质防 渗分区坝 非土质防渗分区坝 3 3 2 土石坝的特点 1 就地取材 降低造价 2 适应不同的地形 地质 气候条件 3 施工技术简单 工序少 便于组织机械化快速施工 4 设计理论 试验技术及相关的工程技术的发展加快了土石坝的建设步伐 5 土石坝结构简单 工作可靠 便于管理 维修和加高 扩建 6 一般需在河岸上另设泄水建筑物 7 施工导流不如混凝土坝方便 8 粘性土料的填筑受气候条件影响较大 9 坝体断面大 体积大 工程量也较大 3 4 土石坝设计的基本要求 1 具有足够的断面以保持坝的稳定 2 设置良好的防渗和排水设施用以控制渗流 3 根据现场条件选择筑坝土石料的种类 坝的结构形式以及各种土石料在坝 体内的配置 4 坝基足够稳定 5 泄洪建筑物具有足够的泄洪能力 坝顶在洪水位以上要有足够的安全超高 以防洪水漫顶 造成坝的失事 6 采取适当的结构措施 使土石坝运行可靠和耐久 3 5 土石坝的渗流分析 3 5 1 渗流分析的内容 1 确定坝体内浸润线 2 确定渗流的主要参数 渗流流速与比降 3 确定渗流量 3 5 2 渗流分析的目的 1 土中饱水程度不同 土料的抗剪强度等力学特性也相应地发生变化 渗流 分析将为坝体各部分土的饱水状态的划分提供依据 2 确定对坝坡稳定有较重要影响的渗流作用力 3 进行坝体防渗布置与土料配置 根据坝体内部的渗流参数与渗流逸出比降 检验土体的渗流稳定性 防止发生管涌和流土 在此基础上确定坝体及坝基中防渗 体的尺寸和排水设施的容量和尺寸 4 确定通过坝和河岸的渗水量损失 并设计排水系统的容量 3 6 土石坝的稳定分析 稳定分析是确定坝的剖面和评价坝体安全的主要依据 稳定分析的可靠程度对 土石坝的经济性和安全性具有重要影响 由于土是一种具有强非线性的材料 而土 石坝是这些松散体构成 剖面大 易发生局部坝坡滑动 常见几种滑裂形式 1 曲线滑动面 滑动面为曲线面 近似圆弧 分析时以圆弧面代替 2 直线或折线滑动面 这种滑动面多数发生在非粘性土料的坝坡 3 复合滑动面 当坝基表面有软弱夹层时 滑动面上部呈弧形滑动 下部呈 直线滑动的复合滑动形式 3 7 土石坝的坝基处理 3 7 1 基岩处理 基岩处理要求考虑土石坝的特点 主要是防渗 当基岩透水性强 或是含有软 弱夹层 风化破碎带 易发生化学溶蚀带灯以致坝基漏水影响水库效益 或影响坝 体和坝基的稳定或渗流稳定时 均应进行处理 3 7 2 砂砾石地基的处理措施及施工方法 常见的砂砾石坝基 其河床段上部多为近代冲积的透水砾石层 具有明显的成 层结构特性 在这种坝基上即使建造高土石坝 其地基承载力一般也是足够的 而 且压缩性不大 如坝基土层中夹有松散砂层 淤泥层 软粘土层 则应考虑其抗剪 强度与变形特性 在地震区还应考虑可能发生的振动液化造成坝基和坝体失稳的危 险 为此 需进行专门的分析研究 必要时 可采取挖除 排水预压 抗冲加固等 措施 在砂砾石地基上建坝的主要问题是进行渗流控制 解决的方法是作好防渗和 排水 如垂直防渗设施 包括软粘土截水槽 混凝土防渗墙 灌浆帷幕等 上游水 平防渗铺盖 下游排水设施 包括 水平排水层 排水沟 减压井 透水盖重等 这些设施可以单独使用 也可以综合使用 1 粘性土截水槽 当坝基砂砾石层不太深厚时 截水槽是最常用而又稳妥可 靠的防渗设施 一般布置在大坝防渗体的底部 均质坝则多设在靠上游 1 3 1 2 坝 顶宽处 横贯整个河床并延伸到两岸 采用与坝防渗体相同的土料填筑 槽身开挖 断面呈梯形 切断砂砾石层直达岩基 岩面经处理后回填粘性土料 槽下游侧按级 配要求铺设反滤料 槽底宽应该根据回填土料的容许渗流坡降 与岩基接触面抗渗 流冲刷的容许坡降以及施工条件确定 容许比降一般对沙壤土取 3 壤土取 3 5 黏土取 5 10 截水槽上部与坝的防渗体连成整体 下部与岩基紧密结合 形成一 个完整防渗体系 2 混凝土防渗墙 深厚砂砾石地基采用混凝土防渗墙是比较有效和经济的防 渗设施 一般做法是用冲击钻分段建造槽形孔 以泥浆固壁 然后在槽孔内用水下 浇注混凝土的方法浇筑成墙 墙底嵌入弱风化基岩 深度不小于 0 5 1 0m 墙顶插 入防渗体内的深度应大于坝高的 1 10 高坝可以适当减小 低坝则不不应小于 2m 墙厚按施工条件可在 0 6 1 3m 范围内选用 一般 0 8m 左右 混凝土防渗墙 的施工技术较易掌握 对各种地层适应性强 造价较低 所以在砂砾石层地基防渗 处理中日益得到广泛的应用 3 灌浆帷幕 近年来在砂砾石冲积层中采用水泥黏土灌浆建造防渗帷幕已取 得成功的经验 砂砾石坝基的灌浆宜用水泥 黏土和膨润土等颗粒材料 其灌浆的 优点是 可以处理较深的砂砾石层 也可以处理局部不便于用其它防渗方法施工的 地层 还可以作为其它防渗结构的补强措施 其缺点是 工艺较复杂 费用偏高 地表寻加压重 否则灌浆质量达不到要求 更主要的问题是对地层的适应性差 即 这种灌浆方法是否宜于采用 取决于地层的可灌性 地层土料的颗粒级配 渗透系 数 地下水流速等都会影响到浆液渗入和凝结的难易 控制着灌浆效果的好坏和费 用的高低 对深度较大的多排帷幕 可以沿深度逐渐减薄 多排帷幕灌浆孔要求按 梅花形排列 根据帷幕厚度和孔距可以确定灌浆孔的排数 灌浆结束后 对表层未 固结好的砂砾石应予挖除 在完整的帷幕顶上填筑防渗体 必要时可以设置利于结 合的齿槽或者混凝土垫层 4 防渗铺盖 用粘性土料修筑铺盖与坝身防渗体相连接 并向上游延伸至要 求的长度 也是土石坝常用的防渗设施 铺盖的作用是延长渗径 从而使坝基渗漏 损失和渗流坡降减小至容许范围以内 当坝基覆盖层深厚 缺乏采用垂直防渗设施 的条件或其造价昂贵难以实现时 适于采用铺盖防渗 当上游有天然铺盖或坝前淤 积物较厚可以利用时更值得考虑 铺盖不能像垂直防渗设施那样可以完全截阻渗流 其防渗效果有一定限度 故多在中 小工程中使用 对高坝多和其他防渗设施配合 使用 铺盖的防渗性能取决于其长度 厚度和透水性 一般应通过计算和试验研究 来合理确定各顶参数 铺盖土料的渗透系数至少应比地基砂砾石的相应值小 100 倍 以上 最好达 1000 倍 铺盖长度超过 6 8 倍水头以后 防渗效果增长缓慢 铺盖前 缘的最小厚度不宜小于 0 5 1 0m 末端与心墙或斜墙连接处的厚度按容许坡降确定 由于天然冲积层大多数不是很均匀的 单纯依靠铺盖难以完全达到预期的效果 因 而常和下游坝基的排水减压设施同时使用 以便有效地控制渗流 保证坝的稳定 5 下游排水减压设施 设置排水的目的是为了防排结合 控制渗流 排水有 水平排水与竖向排水两种形式 坝后反滤盖重由透水材料作成 用以平衡坝基扬压 力 其长度和高度根据计算确定 通常从坝脚处向下游延伸 与坝基土层之间按要 求设置反滤层 对于成层结构的砂砾石地基 单纯采用水平防渗设施 常常不能有 效地降低渗透压力 特别是当下游坝基有较不透水的土层覆盖时 在其下卧的砂砾 石层中可能产生较大的扬压力 导致管涌 流土以及下游沼泽化 这种情况即使采 用垂直防渗设施 如果防渗效果不够彻底 也有类似情况发生 此时 可采用排水 沟或减压井 当下游侧表层土较薄时 可开挖排水沟深入下部透水层 沟底及边坡 设反滤层 表面用块石砌护或做成暗管式 当表层土较厚或坝基深部有强透水层时 则采用减压井较为有效 减压井是深入坝基透水层中的连续并排 井径一般大于 15cm 井的出口高程宜尽量降低 但应高于排水沟底面 井周设置反滤层 减压井 的缺点是加了坝基渗水量 减压井与其它防渗排水设施共同使用时 应统一考虑 权衡利弊 3 8 土石坝的发展现状和趋势 3 8 1 国内土石坝的发展现状 据不完全统计 我国兴建的各种类型的坝共有 8 48 万余座 其中 95 以上为土 石坝 由于土石坝工程施工简单 地质条件要求低 造价便宜 并可以就地取材且 料源丰富 因此土石坝在我国的高坝中所占的比重也在逐年增加 目前已建成的的 天生桥一级面板堆石坝 高 178m 在建的瀑布沟砾石土心墙堆石坝 高 186m 在 建的水布垭面板堆石坝 高 233m 在建的扎糯渡心墙堆石坝 高 261 5m 目前 土石坝工程建设水平和技术不断提高和发展 特别是 20 世纪 90 年代以来 我国土 石坝坝高开始向 300m 级高度研发和建设 3 8 2 国外土石坝的发展现状 全世界所建的百米以上高坝中 土石坝所占的比重在呈逐年增长趋势 20 世纪 50 年代以前为 30 60 年代接近 40 70 年代接近 60 至 80 年代后增至 70 以 上 目前 在美国等发达国家 已建土石坝的数量几乎是混凝土坝的 100 倍 其中目前 世界最高的土石坝 同时也是世界最高的水坝是位于塔吉克斯坦共和国阿姆河支流 瓦赫什河上的罗贡坝 最大坝高 335m 坝顶长 660m 坝顶宽 20m 底宽 1500m 坝体体积 7550 万 m3 库容 133 亿 dm3 水电装机 360 万 kw 工程主要任务是灌溉 与发电 世界第二高坝是位于塔吉克斯坦境内瓦赫什河的布利桑京峡谷的努列克土 质心墙土石坝 最大坝高 300m 坝顶长 704m 库容 105 亿 m3 为季调节水库 3 8 3 土石坝的发展趋势 随着石方填筑质量的提高 面板接缝以及面板与岸坡和坝基连接结构的改进 钢 筋混凝土斜墙结构的完善 现代混凝土面板堆石坝得到了大力推广 因为混凝土面板 堆石坝不但具备了土石坝的基本特点 而且在采用同等施工技术条件下 该坝型的填方 量和防渗结构的工程量最小 是所有土石坝中最经济的坝型 结构也较为合理 目前成 为当前土石坝发展的主要趋势 4 设计的主要内容及成果形式 4 1 主要内容 1 将纸质版地形图转换为 AUTOCAD 电子版地形图 2 进行坝体设计 其中渗流及稳定计算要求由 GEO SLOPE 软件完成 3 进行泄水建筑物设计 含钢闸门结构的设计及启闭机的选择 4 各结构设计过程要求有方案论证过程 4 2 成果形式 1 开题报告一份 2 译文一篇 3 TS 水利枢纽挡 泄水建筑物初步设计计算书一份 4 TS 水利枢纽挡 泄水建筑物初步设计说明书一份 5 枢纽