龙林水库水利枢纽设计

本科论文本科论文 龙林水库水利枢纽设计龙林水库水利枢纽设计 目录目录 1 1 设计基本资料设计基本资料 3 3 1 1 自然地理与水文气候特性 4 1 2 工程地质情况 6 1 3 建筑材料 7 2 2 工程等别及建筑物级别工程等别及建筑物级别 9 9 3 3 洪水调节计算洪水调节计算 9 9 3 1 设计洪水与校核洪水 9 3 2 拟定水库的重复利用库容 10 3 3 调洪演算与方案选择 11 3 43 4 依据调洪演算成果修订溢流堰的尺寸 13 3 5 依据上述成果确定特征水位和特征高程 13 4 4 坝型选择及枢纽布置坝型选择及枢纽布置 1414 4 1 坝址及坝型选择 14 4 2 枢纽组成建筑物 14 4 3 枢组总体布置 15 5 5 大坝设计大坝设计 1616 5 1 土石坝坝型选择 16 5 2 大坝轮廓尺寸的拟定 16 6 6 渗流计算 渗流计算 1919 6 1 计算方法 19 6 2 渗透变形演算 19 7 7 稳定分析计算 稳定分析计算 2020 7 1 计算方法 21 7 2 计算方法 23 8 8 基础处理基础处理 2323 8 1 河床部分 23 8 2 坝肩处理 24 9 9 细部构造设计细部构造设计 2424 9 1 坝的防渗体 排水设备 24 9 2 反滤层 过滤垫层及过渡层设计 24 9 3 护坡设计 25 9 4 坝顶布置 25 9 5 马道及排水沟设计 25 9 6 排水棱体设计 25 1010 输水建筑物设计输水建筑物设计 2727 10 1 隧洞选线与布置 27 10 2 隧洞的体型设计 27 10 3 隧洞的细部构造 29 10 3 110 3 1 洞身衬砌洞身衬砌 29 1111 泄水建筑物设计泄水建筑物设计 3131 11 1 溢洪道选线与布置 31 11 2 溢洪道的体型设计 31 1414 参考文献篇目参考文献篇目 3939 1515 致谢致谢 4040 前言前言 建设龙林水库 一是有利于改善库区移民生产生活条件 这是大姚县力争 龙林水库项目的最主要目的 二是有利于提高下游大姚 双庙 大战 下各四 个乡镇的防洪能力和灌溉保证率 三是有利于加快下各集镇建设步伐 四是有 利于将大姚县丰富的水资源优势转化为经济优势 大姚县水资源总量 24 3 亿立 方米 人均水资源占有量 4980 立方米 是全省人均占有量的 2 倍左右 全市人 均占有量的 3 倍左右 水资源优势十分明显 建设龙林水库 就是化水资源优 势为经济优势 是实现大姚县经济社会可持续发展的重大战略举措 同时 龙 林水库工程实施后 为将来更好地利用我县丰富的水资源 实现串联供水 建 设大姚县淡水供应基地打下坚实基础 1 1 设计基本资料设计基本资料 因农业生产的需要 云南大姚县拟在县城东北7km 的金碧镇施永屯办事处龙 林村兴建一个土石坝型灌溉水库 其基本资料如下 1 11 1 自然地理与水文气候特性自然地理与水文气候特性 1 1 1 流域概况 龙林水库地处东经101 19 北纬25 48 位于蜻蛉河支流西河上游 蜻 蛉河属金沙江水系 为龙川江一级支流 发源于姚安 南华两县交界的照壁山 以北 流经姚安 大姚 永仁 最后在元谋县树村附近汇入龙川江 水库坝址 以上控制径流面积 10 4km2 坝址以上主河道长 4 14km 河道平均坡度比降 18 流域内最高海拔 2200m 最低坝址处绝对高程 1900m 流域平均海拔高程 2050m 形状呈扇形 8 坝顶仅施工期间有车辆通过 无其它交通需求 因附近没有法定标高作为 参考点 现以坝轴线底部 河床 最低清基位置为相对高程的参考点 指定为 相对高程 100m 约海拔 2000m 两者差值 1900m 经需水量和径流来水量测 算 确定正常蓄水位以上的防洪库容需 8 6 万 m3 水库最大供水流量 6 45m3 s 水库兴利库容为 96 5 万 m3 1 1 2 水文特征 经过水文技术人员的分析计算 1 提出龙林水库各组资料对应的汛期洪水 过程表 表 1 1 4 和汛末设计洪水过程表 表 1 2 4 水位库容曲线 表 1 3 表表 1 1 41 1 4 L01L01 组汛期洪水过程 单位 组汛期洪水过程 单位 m m3 3 s s Table1 1 4 L01Flood process Unit m3 s 时段 T 1h 0 33 0 50 3 33 5 10 20 13 783 022 862 480 940 54 29 608 603 963 482 972 54 316 3515 148 847 904 616 87 426 1124 5415 9314 4210 3334 26 582 9479 1557 1930 9143 5028 18 668 2664 9246 6942 9735 6220 32 749 8147 1733 5530 9125 6714 28 835 3733 3423 5021 7018 049 98 924 8123 2616 3515 1412 617 01 1017 3016 1711 4010 628 864 99 1112 1411 338 057 556 323 65 128 658 085 805 504 632 77 136 325 924 324 163 522 20 144 784 503 353 292 801 84 153 783 592 742 742 351 63 163 143 012 362 402 071 51 172 752 662 332 211 921 46 182 532 462 342 121 851 44 192 412 362 412 101 831 46 202 362 332 382 111 851 49 212 362 342 342 151 891 56 222 432 412 052 231 961 56 232 382 382 132 241 971 51 242 482 482 152 341 991 58 洪峰 m3 s 82 9479 1557 1952 6843 5034 26 24h 洪量 万 m3 141 42133 6294 888 3672 0455 67 表表 1 2 41 2 4 汛末 枯期 设计洪水成果 汛末 枯期 设计洪水成果 L04L04 组 组 Table1 2 4 Flood at the end dry period Design Flood L04 group 频 率 0 333 3 33 5 10 20 洪峰流量 m3 s 6 074 023 74 3 152 54 24h 洪量 万 m3 11 19 7 777 336 07 4 83 表表 1 31 3 水位 水位 m m 库容 万库容 万 m m3 3 关系 关系 Table1 3 Water level m storage capacity million m3 relations 水位水位101101102102103103104104105105106106107107108108109109110110 库容库容000 40 81 6357 49 813 水位水位111112113114115116117118119120 库容库容16202428 5133 5538 6144 2950 2958 8663 91 水位水位121122123124125126127128129130 库容库容74 4883 4192 99103 4114 7134 1160 6195 1230 6267 1 1 1 3 其他相关的水文成果 水库吹程 0 52km 多年平均最大风速 17 0m s 风向垂直于坝轴线 平均 每年泥沙淤积量约 0 09 万 m3 1 21 2 工程地质情况工程地质情况 1 2 1 区域地质情况 测区属于大姚地西北面外围的低中山构造侵蚀狭窄河谷地貌 河谷呈 U 型 山脊呈长垄状 山顶浑圆 出露地层为 滇中红层 之白垩系杂色泥岩 粉砂岩夹钙质泥岩 地表覆盖第四系残坡积 冲洪积层 为含砾低液限粘土夹 碎石土 水库位于云南山字型构造前弧构造西翼内侧 盾地北端 属大姚 楚雄 上叠坳陷三级构造单元 3 测区在大姚 姚安褶皱带上 该区以褶皱为主 断 裂构造不发育 区域构造线呈 NW NNW 展布 岩层走向近似 EW 倾向 348 358 倾角15 65 受区域构造和局部应力场影响 岩体较破碎 节理裂隙发育 区 域上无大断裂通过 距元谋活动性断裂约60km 龙林水库区域构造基本稳定 4 1 2 2 水库工程地质 库区出露白垩系江底河组三段 四段 K2j3 K2j4 上覆第四系松散土体 库区处于大姚盆地西北向外围低中山地带 为一向斜的翘起端 断裂构造不发育 岩层总体倾向NW 走向NW SW 倾向348 358 倾角15 65 地层岩性较 为简单 库区无断裂构造通过 地下水以碎屑岩裂隙溶孔水为主 库区两岸植 被覆盖一般 水土流失较轻 龙林水库库盆区两岸山体厚实 分布泥岩 粉砂质泥岩 为相对隔水层 未发现通向库外的透水构造 库盆为斜向谷 岩层中缓倾上游偏左岸 本次查 勘未发现库水向邻谷及向下游渗漏问题 但坝区岩体风化强烈 岩体破碎 透 水性好 存在坝基及绕坝渗漏条件 水库库岸为岩质边坡 两岸坡上缓下陡 植被发育 右岸呈凸形 坡度 28 42 为逆向坡 左岸呈折线形 坡度 30 45 库区河谷为横向谷 岩 层倾角大于坡角且岩层倾向与坡向交角较大 不存在大的不利结构面组合 岸 坡岩体节理 裂隙较发育 存在局部剥落 水库库岸总体稳定性较好 龙林水库周围植被覆盖一般 水土流失较轻 水库淤积不严重 1 2 3 坝址地质条件 坝址处于河谷窄变的过渡 河谷呈 NW 向延伸 河床海拔高程约 1880m 自西向东迳流 库岸坡度变化较大 上缓下陡 坝址区岩层主要为白 垩系上统江底河组上段 K2j3 岩性为杂色粉砂质泥岩夹钙质泥岩 泥灰岩 薄 厚层状 岩层走向与坡向近于直交 倾向上游偏左岸 倾角 33 45 坝 址区无断裂构造通过 岩体较稳定 基本没有坝基 坝肩的稳定问题 坝基河床表层为第四系冲 洪积红褐 灰黑色含砾粉质粘土夹砾砂 厚 1 3 10 85m 坝址区基岩上部强风化岩体透水性较强 坝基 坝肩均存在较严 重的渗漏问题 坝址区域的地形地质平面图和各相关剖面图详见附图 共 5 张 1 2 4 地震情况 根据国家 地震局颁布的1 400 万 中国地震烈度区划图 1990 和据国 家质量技术监督局发布的 中国地震动参数区划图 GB18306 2001 工程地区 地震基本烈度为 度 50 年超越概率 10 的地震动峰值加速度为 0 10g 地震动 反应谱特征周期 0 45 秒 4 1 3 建筑材料建筑材料 1 3 1 土料 挖取水库两岸的强风化泥岩类 荒坡为坝体主料 储量超过 150 万m3 物 理力学指标如表 1 4 及 土工试验成果总表 所示 3 1 3 2 粘土料 在坝址下游约200 400m 处有适合制作防渗体的粘土料场 储量达9 万 m3 其物 理力学指标如表 1 4 及 土工试验成果总表 所示 表表 1 4 各分区物理力学指标建议值各分区物理力学指标建议值 Table 1 4 partitions the physical and mechanical indicators recommended value 物 理 力 学 指 标 坝 基 冲洪积层 坝体主料防渗体料棱体石料 湿容重 g cm3 1 902 021 912 02 干容重 d g cm3 1 511 611 49 饱和容重 sat g cm3 2 24 比重Gs 平均值 2 702 692 72 孔隙比E大值均值0 8940 6840 864 天然含水量 26 1925 3628 24 液限 L 35 636 637 4 塑限 p 22 021 722 9 塑性指数Ip13 614 914 5 压缩系数a1 2 MPa 1 0 370 380 51 压缩模量Es MPa 平均值 4 95 03 9 渗透系数k cm s 2 29 10 52 38 10 41 69 10 6 28 9120 5927 3 c kPa 平均值 29 430 5528 99 20 2918 6824 96 统 计 法 c kPa 小值均值 27 8722 1024 14 抗 剪 强 度 指 标 建议值 20 2918 68 24 9634 0 1 3 3 灌浆粘土料 在水库右岸与坝顶高差约 80 100m 的山坡上选定一个粘土料场 经取样 测试 该土料 20 2mm 粒径占 11 2 0 005mm 粒径占 55 5 0 005mm 粒径占 34 5 最大干密度 1 67g cm3 最优含水量 18 955 渗透系数 1 16 10 6cm s 符合灌浆粘土料的质量要求 该料场面积为 3820m2 平均厚度 1 5m 储量 0 4 万 m3 剥离系数 2 5 料场的开采方式以平采为主 运距约 400 500m 已有现成土路可以使用 倘若采用水泥沙浆进行帷幕灌浆 其渗透系数 6 96 10 8cm s 可初选单 排孔 孔距 2m 注意帷幕的深度以及向两坝肩的延伸长度应当满足要求 1 3 4 块石及碎石料 水库周围大面积分布泥岩类岩层 无合适的石料可用 区外至水库距离最 近的新街石料场 石料岩性为白垩系江底河组第四段 K2j4 紫红色厚层状粉 砂岩 运距 25km 含泥质 力学性能稍差 3 选定石料场为赵家店料场 岩性为白垩系赵家店组 K2z 紫红色厚层状 细 粗粒长石石英砂岩 储量 10 万 m3 开采运输较为方便 主要物理力学 指标 比重 2 68g cm3 容重 2 44g cm3 孔隙率 8 96 最大吸水率 3 22 软 化系数 0 39 干抗压 70 8 102MPa 1 3 5 水泥 在县城可以购买正规厂家生产的水泥 运距约 7km 交通较为方便 1 3 6 砂料 库区附近天然砂料分布少 经实地踏勘调查 含泥量大 且颗粒细小达不 到工程质量要求 建议不采用 建议采用大姚龙街砂 该砂为灰白色石英砂 细度摸数 1 95 含泥量 4 6 砂料是多年来县城和乡镇建筑一直用砂料场 质量较好 储量富足 完 全可以满足工程要求 其它资料和材料参数见 土工试验成果总表 并可参考有关设 计手册和规范中的推荐值选取 8 2 2 工程等别及建筑物级别工程等别及建筑物级别 根据 SL 2000 水利水电工程枢纽等级划分及设计标准 综合考虑水库 总库容 防洪效益 灌溉面积 工程规模 工程等别为四等 2 主要建筑物为 4 级 设计洪水标准 50 30 年 校核洪水标准 1000 300 年 次要建筑物为 5 级 临时建筑物为 6 级 永久性水工建筑物洪水标准 正常运用 设计 洪水频率为 3 33 重现期为 30 年 非常运用 校核 洪水频率为 0 333 重现期为 300 年 施工期的特殊应用频率为 0 5 重现期为 200 年 3 3 洪水调节计算洪水调节计算 3 1 设计洪水与校核洪水设计洪水与校核洪水 1 本河流属典型山区河流 洪水暴涨暴落 设计洪峰流量 Q 4 02m s P 3 33 校核洪峰流量 Q 6 07m s P 0 333 采用以峰 设 3 校 3 控制的同倍比放大法对典型洪水进行放大 分别得到设计洪水与校核洪水过程 线 见图 3 1 与图 3 2 所示 设计洪水过程线 0 20 40 60 80 04812162024 时段 24h 流量Q 立方米每秒 Q 图图 3 1 设计洪水过程线设计洪水过程线 Figure 3 1 Design flood hydrograph 校核洪水过程线 0 20 40 60 80 100 120 04812162024 时段 24h 流量Q 立方米每秒 Q 图图 3 2 校核洪水过程线校核洪水过程线 Figure 3 1 check flood hydrograph 3 2 拟定水库的重复利用库容拟定水库的重复利用库容 重复利用库容是指正常蓄水位到堰顶之间的库容 其目的在于汛末抬高水 位 充分利用汛期 增加第二年的灌溉量 扩大经济效益 7 对山区河流 汛期一般是每年的 5 10 月 枯期是 10 月到来年的 5 月 在溢流堰的堰顶设置两个闸门 将正常蓄水位由设闸前的堰顶高程变为闸 门上的某一高程 从而将溢流堰高度降低 减少了建设费用 缺点就是多了一 个部件 增加出故障的几率 由于在堰顶设闸 从而可能导致设计洪水位有可能比正常蓄水位低 其原 因是设计洪水位是从堰顶高程起算 设闸门后 正常蓄水位就高于堰顶高程 从而设计洪水位低于正常蓄水位 查水位库容曲线可得 3 96 5 1 8 98 3VVVm 正兴死 万 123 5Zm 正 闸门底部即为堰顶 设闸门高度为 1 5m 有堰顶高程为 122m 查得 堰 有 3 98 3Vm 正 万 3 83 41Vm 堰 万 3 98 3 83 41 13 09VVVm 正堰重复 万 小型水库一般满足下列条件之一即可 枯季校核洪峰流量 输水隧 洞的设计流量 枯季设计频率对应的 24h洪水量 正常水位以上的 库容 枯季校核频率对应的 24h洪水量 正常水位以上的库容 输 水隧洞 24h的放水量 查资料 由于该水库的校核洪水频率取0 333 故取0 333 时的洪 峰流量作为枯期 汛末 校核洪峰流量 取11 19m s 而输水隧洞的设 3 计流量为水库的最大供水量为 6 45m s 满足条件 枯季校核洪峰流量 3 输水隧洞的设计流量 可知 当汛末发生 300年一遇的洪水时 输水隧洞就可以承担泄洪作用 完全不需要打开堰顶闸门 该重复利用库容的假定是合理的 3 33 3 调洪演算与方案选择调洪演算与方案选择 3 3 1 泄洪方式 本枢纽拦河大坝初定为土石坝 需另设坝外泄水建筑物 溢流堰堰顶高程 122m 由于隧洞不参加调洪演算 只做枯季泄洪 溢流堰上的闸门也只 堰 在枯季挡水用 不参与调洪演算 故本调洪演算按溢流堰堰顶算起 无闸门控 制溢洪道的形式进行 取堰顶断面宽度为 b 4m 3 3 2 防洪限制水位的选择 防洪限制水位取与正常蓄水位重合 这是防洪库容与兴利库容全不结合的 情况 因为山区河流特点是暴涨暴落 整个汛期内大洪水随时都可能出现 任 何时刻都预留一定的防洪库容是必要的 1 3 3 调洪演算调洪演算 表表 3 1 调洪演算成果调洪演算成果 Table 3 1 Flood calculus achievements 频率最高水位 m 溢洪道最大流量 m s 3 校核频率 0 33 125 4352 5 设计频率 3 33 124 6836 3 施工期非常运用频率 0 5 125 32850 2 3 43 4 依据调洪演算成果修订溢流堰的尺寸依据调洪演算成果修订溢流堰的尺寸 12 一般中小型水库采用的是宽顶堰 3 取对堰顶入口处为圆角的宽顶 1 P h 堰 取流量系数 m 0 32 假定宽顶堰堰宽 b 4m 进行调洪演算获得以上成果 由上表可以看出校核 洪水位大于以前假定的校核洪水位 现在的防洪库容 校核洪水位对应的库容 正常蓄水位对应的库容 123 04 98 3 24 74 万 8 6 万 3 m 3 m 3 53 5 依据上述成果确定特征水位和特征高程依据上述成果确定特征水位和特征高程 通过调洪演算 我们可以确定以下特征参数 表表 3 2 特征参数表特征参数表 Table 3 2 characteristic parameter table 死水位 m 105 24总库容 万 m3 123 04 堰顶高程 m 122兴利库容 万 m3 96 5 正常蓄水位 m 123 5防洪库容 万 m3 24 74 设计洪水位 m 124 68重复利用库容 万 m3 13 09 校核洪水位 m 125 43死库容 万 m3 1 8 4 4 坝型选择及枢纽布置坝型选择及枢纽布置 4 1 坝址及坝型选择坝址及坝型选择 4 1 1 坝址选择 大坝坝轴线的选择应以以下几点考虑 第一 大轴线一般选择河谷的较狭 窄 且呈 V 形的河段 第二 坝轴线的相对地质条件相对较好 坝基坝肩相 对较稳定 3 8 从地质剖面图上可以看出 A A 剖面与其他剖面相比较具有以下优点 1 区域无断裂构造通过 岩体较稳定 基本没有坝基和坝肩的稳定问题 2 坝轴线以 NS 走向 轴线下游平坦 有良好的施工条件 3 地质构造总体良好 对土石坝而言 综合考虑以上因素考虑 坝轴线选在 A A 处 4 1 2 坝型选择 根据相关地质水文资料可以得知 当地建筑材料以土料为主 可挖取水库 两岸的强风化泥岩类慌坡作为坝体主料 在坝址下游约 200 400m 处有适合制 作防渗体的粘土料场 在水库右岸与坝顶高差约 80 100m 的山坡上选定一个粘 土料场 水库周围大面积分布泥岩类岩层 无合适的料场可用 区外至水库距 离最近的新街石料场 石料含泥质 力学性能稍差 选定石料场为赵家店料场 购买县城的水泥 运距大约 7km 交通方便 库区附近天然砂料分布少 不适 宜作混凝土或砂浆原料 3 8 修建拱坝的理想地形是左右岸对称 岸坡平顺无突变 从地质条件看不易 修建拱坝 支墩坝本身应力较高 对地基要求也高 在这种地质条件下修建支 墩坝也是不可以的 较高的混凝土重力坝也要求建在基岩上 需要对基础进行 大量的清基 清基的深度甚至超过了坝高 而且在此建重力坝不能利用当地筑 坝 造价高 不经济 通过各种坝型进行定性分析 综合考虑地形 地质条件 建筑材料 施工条件 综合效益等因素 最终选择土石坝方案 另外 选择土 石坝还可以就地取材 节约工程量 4 2 枢纽组成建筑物枢纽组成建筑物 1 挡水建筑物 土石坝 2 泄水建筑物 溢洪道 3 输水建筑物 输水隧洞 4 运行水库所需要的房院 4 3 枢组总体布置枢组总体布置 4 3 1 挡水建筑物 土坝 挡水建筑物按直线布置 坝布置在河流弯段上 4 3 2 输水建筑物 输水隧洞 灌溉渠道上的输水隧洞一般为无压隧洞 它一般设在溢洪道的另一半 这 样可以避免两者的干扰 输水隧洞不采用明渠形式 他的位置比溢洪道低 只 要功能是 泄洪排沙 以及向水库的下游供水 经比较以后 采用左岸的 DD 线作为输水隧洞的中心线 4 3 3 泄洪建筑物 溢洪道 设置溢洪道主要用来防止自然洪水以及大坝溃缺时产生的洪灾 溢洪道一 般采用明渠形式 布置在左岸 主要根据以下条件决定 坝肩附近的山坡应比 较平缓 并有宽度足够的开敞地段以设置溢流堰 而溢洪道和坝端之间要有一 定空间以设置边墩和上下游导水墙 地质条件上 要求山坡稳定 地基可靠 不能有难于处理的断层 破碎带 以确保大坝安全 溢洪道进口的后面要有较 长的 台地 以设置泄水渠 以避免在暴雨期间泄洪时因地表洪水和地下渗水 的作用 使山坡崩塌 对大坝造成严重威胁 设计溢洪道应根据 直 顺 平 的原则 直 溢洪道的中线应尽 量布置成直线 顺 力求做到水流顺畅 溢洪道的过口要开敞而平顺 宽度 不允许突收 突放 突转弯 平 表面平整 经综合考虑 因为 左岸的地形平缓 而右岸有山坡起伏 左岸的断面 CC 是直线 故综合考虑以后选择在左岸的 CC 断面作为溢洪道的中线 4 3 4 运行水库所需要的房院 房院应布置在地形平坦的地方 而且要尽量靠近大坝和公路 这样方便运 行人员对大坝的观测以及针对事故情况及时采取措施 5 5 大坝设计大坝设计 5 1 土石坝坝型选择土石坝坝型选择 选择原因 由于当地的第四季冲积层覆盖较厚 建造重力坝 拱坝对地质要求比较 高 开挖量较大 当地建造土坝的材料比较容易获得 由于当地地震烈度为 度 建造土石斜墙坝会产生不均匀沉降 坝址附近可以找到条件较好的心墙粘土料 心墙坝在防渗和稳定性方面 均比均质坝优越 5 2 大坝轮廓尺寸的拟定大坝轮廓尺寸的拟定 大坝剖面轮廓尺寸包括坝顶高程 坝顶宽度 上下游坝坡 防渗体及排水 设备等 5 2 1 坝坡与马道 上游坝坡坡度取 1 3 下游坝坡为 1 2 4 马道高程为 113 宽 0 8 米 同时 设置排水沟宽 0 3 米 深 0 3 米 5 2 2 坝顶高程 坝顶高程根据正常运行和非常运行时的静水位加相应的超高确定 分别按 以下四种条件进行计算 取其中的最大值 13 以清基高程 100m 为基础 正常蓄水位 正常运用条件 设计洪水位 正常运用条件 校核洪水位 非常运用条件 正常蓄水位 非常运用条件及地震安全 表表 5 1 坝顶高程计算成果坝顶高程计算成果 Table 5 1 crest elevation calculated results 运行条件 水位 m 坡率地震超 高 h m 波浪爬 高 ha m 风浪引起 坝前水位 雍高 e 10 3 m 安全加 高 A m 坝顶高 程 m 123 53 00 00 3961 1730 5124 40 124 683 00 00 3961 1730 5125 58 125 433 00 00 3961 1730 3126 23 123 53 00 00 3961 1730 3124 20 坝顶高程取正常情况和非常情况即以上三种情况中的最大值 Z扒顶 126 23m 为了减少施工量 可在坝顶设置防浪墙 故可以用防浪墙的顶部高程代替 坝顶高程 防浪墙伸出坝顶的高度为 0 60 米 深入心墙 1 0 米 总高度为 1 6 米 现在坝顶高程为 126 23 米 坝高为 26 23 米 5 2 3 坝顶宽度 坝高为 26 23 米 小于 30 米 属低坝 由于坝顶施工期间有车辆通过 无 其他交通要求 经综合考虑 取坝宽为 4 米 5 2 4 坝体排水 采用的坝体排水有以下几种 贴坡排水 棱体排水 褥垫式排水贴坡排水 不能降低浸润线多用与浸润线很低和下游无水的情况 12 棱体排水可降低浸润 线 防止坝坡冻胀和渗透变形 保护下游不受尾水淘刷 且有支撑坝体增加稳 定的作用 本地区石料比较丰富 采用堆石棱体排水比较适宜 参考以往工程 堆石棱体内坡取 1 1 5 外坡取 1 2 0 顶宽 1m 高度为 3 0m 棱体与坝体 以及土质地基之间设反滤层 在棱体上游坝脚处应尽量避免出现锐角 5 2 5 防渗体 防渗体的尺寸以满足构造 施工以及防止开裂等要求为原则 也要满足稳 定要求 坝的防渗体为粘土心墙 参考以往工程 心墙顶宽取 3m 上游坡率 m1 0 4 下游坡率 m2 0 4 底宽 23 6m 心墙顶高程为 125 73m 防渗体下部 嵌入河床 3m 大坝剖面图如图 5 1 所示 图图 5 1 大坝剖面图大坝剖面图 Figure 5 1 dam profile 6 渗流计算渗流计算 6 1 计算方法计算方法 选择水力学方法解土坝渗流问题 18 根据坝内各部分渗流状况的特点 将 坝体分为若干段 应用达西定理近似解土坝渗流问题 计算假定任一铅直过水 断面内各点渗透坡降均相等 通过防渗体心墙渗流量 22 1 2 22 22 13 2 20 44 HThT qK hHhH qKK T ssT 式中 K1 渗透系数 K2 防渗体的渗透系数 K3 坝基冲洪积层渗透系数 H1 从坝基到正常蓄水位的高度 H2 下游溢出点高度 h 心墙溢出点的高度 T 截水槽深度 S 渗流区长度 假设 1 渗流为缓变流动 等势线和流线均缓慢变化 2 不同渗透系数的竖向条带土层或水平条带土层均可以等效为均质土层代 替 3 对于岸坡断面 下游水位在坝底以下 水流从上往下流时由于横向落差 此时实际上不为平面渗流 但计算仍按平面渗流计算 近似认为下游水位为零 由于河床冲积层的作用 岸坡实际不会形成逸出点 计算时假定浸润线末端即 为坝趾 6 2 渗透变形演算渗透变形演算 确定渗透变形的类型 为保持坝的渗流稳定 应查明坝体与坝基内的管涌 土 易渗流变形土及其范围 确定使其发生渗流变形的临界坡降 相应的容许 坡降以及不致造成危害的可被流水带走的细粒土的百分比 6 2 1 管涌 选择 ZK 1 4 的土样绘制级配曲线 13 由该图可查得 d60 0 05mm d10 0 004mm d17 0 00475mm 又 5 12 1060 dd 孔隙率 代入公式得 4 40 n 土体中渗流通过的最大孔隙为 cmd n n d000236 0 1 057 0 1 445 0 17 6 1 0 可被渗流水带走的最大颗粒mmcmddc00182 0 000182 0 77 0 0 计算能将粒径 dc的土粒带走的渗流 临界坡降 icr icr vk ng dc o o 8 30sin 5 0062 0 8 182 0 1 06 0 0 0 n r rs 091 0 16 26 s r 3 mkN 3 0 81 9 mkNr scmk 1038 2 4 代入公式得 0 59 rc i 07 0 4295 0 2 ocr tgJ i Jc 实 所以不会发生管涌 6 2 2 流土验算 由土力学知识得引起流土的临界坡降 24 1 1 004 1 c G J e 实际坡降07 0 L h i 取安全系数 Fs 2 5 则允许渗透坡降 0 4 c s J J F 07 0 i 所以不会发生流土 7 7 稳定分析计算稳定分析计算 7 1 计算方法计算方法 采用瑞典圆弧法 在标准剖面上验算上游坝坡和坝基 在7 度地震作 用下由正常蓄水位骤降至死水位工况下滑移面的稳定安全系数 成果为标 准剖面示意图上的最危险滑弧 只画3 条 计算安全系数与规范值的比 较表 并据此对大坝的标准断面作相应的修改 7 1 1 最危险滑弧位置的确定 首先按照一定比例画出坝体的横剖面图 坝高为 H 28 6 m 上游坝坡为 1 3 在坝坡中点 C 作一铅锤线及另一与坝坡成角的直线 同时根据坝坡坡 0 85 度 在下表中选取两个半径 21 RR 和 与坝坡坡度的关系 2121 RR 坝坡坡度1 11 21 31 41 5 1 0 28 0 26 0 25 0 25 0 25 角度 2 0 37 0 35 0 35 0 36 0 37 1 R0 75H0 75H1 0H1 50H2 2H 半径 2 R1 50H1 75H2 3H3 75H4 8H 选取坝坡坡度为 1 3 的角度和半径 即 mHRmHR78 65 6 283 23 2 6 280 1 35 25 21 0 2 0 1 试算时 在的延长线上取 5 个圆心为圆心 每个圆心 21M M 321 OOO 对应 5 个半径 作相应的圆弧 求出各滑弧的稳定安全系数 最小值即为 s F s F 所求坝坡的最小安全系数 7 1 2 坝坡稳定计算 列表计算 24 计算简图如下图所示 o4 O M 由计算简图 可查得以下各个值进行计算 圆心角 半径 R b 0 1R 并查得内摩擦角 凝聚力 由下式进行计 c 算 ii iiiii s lc b tg F sin 1 cos 表表 7 1 土坝边坡抗滑稳定的最小安全系数土坝边坡抗滑稳定的最小安全系数 Table 7 1 earth dam slope stability against sliding 工 程 等 级 运行条件 1234 5 基本组合1 31 251 21 15 特殊组合 I1 21 151 11 05 特殊组合 1 11 051 051 0 7 2 计算方法计算方法 由表 7 1 查得要求查得正常运行条件 级建筑物的最小安全系数 24 故以此为判别标准 计算过程见计算书 本人计算的情况是下游 15 1 Fs 坝坡在水库校核洪水位作用下的稳定 计算结果为 故下游坝坡和坝基在水库校核洪水位24 1 min F15 1 Fs 作用下工况下滑移面的稳定满足要求 同时 本次设计中 参照本组其它几位成员的滑弧最小安全系数 min F 分别为 计算工况上游下游 1 1751 24 1 891 18 1 441 2 由上表可知 每种工况下其最小安全系数均能满足滑弧要求 故大坝设计 可行 8 8 基础处理基础处理 3 8 8 18 1 河床部分河床部分 8 1 1 渗流控制方案 条件允许时优先考虑垂直防渗方案 在透水层较浅 10 15m 以下 时 可采用回填粘土截水槽方案 由于坝址处河床冲积层较厚 施工比较困难而不 予考虑 又由于河床可能存在有孤石 采用钢板桩也比较困难 造价也较高 帷幕灌浆在此地地基和各种其它因素的考虑下 存在有可灌性 因此决定采用 帷幕灌浆 8 1 2 防渗墙的型式 材料及布置 根据以往工程经验和本地材料特点 采用混凝土防渗帷幕 混凝土防渗帷幕要求材料有足够的抗渗能力及耐久性 能防止环境水的侵 蚀和溶蚀 有一定的强度 满足压应力 拉应力 剪应力等各项强度要求有良 好的流动性 和易性以便在运输中不发生离折现象 而且能在水下施工 防渗帷幕从防渗角度考虑布置在心墙之下偏上游为好 但从防裂角度考虑 偏下游为好 综合考虑布置于心墙底面中心偏上 具体布置见大坝设计图 8 28 2 坝肩处理坝肩处理 坝肩两岸为覆盖层较厚及全风化岩石 性质较差 为良好的透水料 底部 透水性也较强 针对以上情况做以下处理 挖粘土截水槽至风化较弱的岩石 与粘土接触面设置混凝土齿墙 齿墙与河床部分防渗墙相连 在齿墙下设置灌 浆孔 9 9 细部构造设计细部构造设计 9 1 坝的防渗体 排水设备坝的防渗体 排水设备 坝体防渗体为心墙 心墙上下游设置反滤层 坝基防渗体为混凝土防渗墙 和粘土截水墙 坝体排水为棱体排水 在排水体与坝体 坝基之间设置反滤层 下游马道处设置排水沟 并在岸坡与坝坡交接处也设置排水沟 以汇集岸坡雨 水 防止雨水淘刷坝坡 9 2 反滤层 过滤垫层及过渡层设计反滤层 过滤垫层及过渡层设计 9 2 1 设计标准 对于被保护土的第一层反滤料 考虑安全系数为 1 5 2 0 按太沙准则确 定 即 15 85 4 5 D d 15 15 5 D d 式中 为反滤料粒径 小于该粒经土占总土重的 15 为被保护土 15 D 85 d 粒径 小于该粒径的土占总土重的 85 为被保护土粒径 小于该粒径的 15 d 土占总土重的 15 第二 三层反滤料的选择也按上述办法进行 按此标准天然砂砾料不能满足要求 须对土料进行筛选 9 2 2 设计结果 上游坝坡 坝顶 马道垫层 50 9020dmmcm 厚 心墙上游侧反滤层 50 0 47550dmmcm 厚 心墙下游侧过渡层 50 0 47550dmmcm 厚 棱体与坝壳料间过滤层 50 3050dmmcm 厚 9 3 护坡设计护坡设计 上游护坡采用厚度为 40cm 干砌块石 下设 20cm 碎石垫层 因其抵御风浪 的能力较强 下游坝面设厚度为 10cm 草皮护坡 下设 20cm 腐植土层 比较廉 价 上游护坡覆盖全上游坡 下游护坡上至坝顶 下至排水棱体处 详见大坝 设计图 9 4 坝顶布置坝顶布置 坝顶设置浆砌石块防浪墙 防浪墙伸出坝顶为 0 6m 伸入心墙 1m 坝顶 宽为 4 m 坝顶路面采用 20cm 厚混凝土 下垫 20cm 碎石层 并在下游侧设路 肩石 为排出雨水 坝顶面向下游面倾斜 3 的坡度 详见细部构造图 9 1 9 5 马道及排水沟设计马道及排水沟设计 马道宽 2m 内侧设置浆砌石排水沟 其底宽 0 5m 深 0 4m 浆砌石层厚 20cm 下设 10cm 碎石垫层 详见细部构造图 9 2 9 6 排水棱体设计排水棱体设计 排水棱体为干砌石块 顶宽 1m 底宽 11 5m 内坡 1 1 5 外坡 1 2 0 于坝壳料层间设 50cm 反滤层 详见细部构造图 9 3 图图 9 19 1 坝顶布置坝顶布置 Figure 9 1 crest layout 图图 9 29 2 马道设计马道设计 Figure 9 2 Ma Road Design 图图 9 39 3 棱体排水棱体排水 Figure 9 3 prism drainage 10 输水建筑物设计输水建筑物设计 10 1 隧洞选线与布置隧洞选线与布置 灌溉渠道上的输水隧洞一般为无压隧洞 它一般设在大坝无溢洪道的另一 侧 这样可以避免两者的干扰 输水隧洞不采用明渠形式 他的位置比溢洪道 低 主要功能是 泄洪排沙 以及向水库的下游供水 经比较以后 采用左岸 的 DD 线作为输水隧洞的中心线 15 10 2 隧洞的体型设计隧洞的体型设计 10 2 1 进口段 采用竖井式隧洞 具有结构简单 不受风浪和冰的影响 抗震和稳定性 较好 当地形地质条件适应时 工程量较小 造价较低等一些优点 15 其设计图如下所示 如上图 各部分设计如下 1 顶部椭圆曲线方程为 式中 为检修闸门孔高度 1 2 1 2 2 1 2 b y a x 1 a 1 h 1 30m 0 433m 1 h 3 1 1 a b 1 433 0 30 1 2 2 2 2 yx 2 椭圆部分后接一渐变段 该段宽度不变 高度方向由进口处的 2 7m 收缩至 1 8m 渐变段至检修闸门前 3 5m 处总长为 19 7m 3 检修闸门段 检修闸门尺寸为 2 6m 2m 闸门采用前止水 护墩 0 4m 0 5m 该段长为 1 3m 4 收缩段 检修闸门后接收缩段 使断面由 1 8m 2 0m 收缩至 0 65m 0 6m 该段长 2 1m 5 工作闸门段 工作闸门尺寸为 0 8 m 0 8 m 隧洞的泄流能力由该段控 制 隧洞在工作闸门之后形成射流 该段尺寸由隧洞进水口的泄流公式计算得 为 0 6 m 0 65 m 该段长为 1 5m 10 2 2 过渡段 1 扩散段 工作闸门之后隧洞水流由有压流变为无压流 而形成射流处 断面尺寸较小 无压隧洞要求在无压段水面不与隧洞顶拱相接触 因此先取一 段 5m 的扩散段 此处纵向方向扩散至 1 8m 横向方向扩散至 1 8m 之后扩散 段在纵向扩散 由 1 8m 扩散至 2 7m 包括 0 9m 的半圆形预留高度 2 衔接段 由于洞身段底坡较小 在进水口后隧洞过渡到洞身段时 有较大的落差 9 17m 因此采用一过渡段 过渡段长 17 0m 与上下游的连 接处均采用 R 13m 的圆弧段连接 该段的设计在施工上有一定的难度 但当隧 洞有放空任务时 该段下可设放空洞 且该段可与施工导流洞结合在一起 故 综合考虑采用衔接段以形成龙抬头 15 10 2 3 洞身段 确定洞身断面形状和尺寸及隧洞洞身段纵坡 9 10 参考 水工隧洞设计规范 中小型水库输水隧洞洞身段采用 门 框 型 再由规范 4 3 6 知横断面的最小尺寸除应满足运行要求外 还应 符合施工要求 非圆形断面的高度不宜小于1 8m 宽度不宜小于 1 5m 由 水利水电工程毕业指南 查得无压引水道经济流速 V 1 5 2m s 现取 V 2 0m s 则断面面积 取最大流量 V Q F Q 则smQ 345 6 max 2 225 3 2 45 6 m V Q F 由规范 4 3 7 在低流速无压隧洞中 若通气条件良好 在恒定流情况下 洞内水面线以上的空间不宜小于隧洞断面积的15 且高度不宜小于 400mm 此处考虑施工方便 取 4 512洞身断面 的 实 F 22 2 8 1 2 1 8 1 2 m 由上述所设计的洞身断面 求得水力半径 R 0 599m 并由谢才公式求得经济流 速设计底坡 临界底坡 若按经济流速设计底坡设计 则0023 0 1 i0079 0 k i 洞内水面将为壅水曲线 产生缓流 使水流淤积 考虑水流不淤不冲 k ii 1 且不影响过流能力 则取略大于 取 0 0085 使洞内水流为急流 且流 实 i k i 实 i 速不宜过快 对应实际流速 3 39m s 实 V 10 3 隧洞的细部构造隧洞的细部构造 10 3 1 洞身衬砌 12 1 衬砌型式 本工程无压输水隧洞流量和流速不是很大 采用城门 型洞形断面 整体式单层混凝土衬砌 2 衬砌厚度 根据工程经验 计算取 1 12 洞径 即为 0 25m 考虑施 工和稳定因素 综合考虑后取 0 4m 10 3 2 衬砌分缝 止水 10 21 为适应施工能力 防止混凝土干缩和温度应力而产生的裂缝 沿洞轴线 方向设置永久性横向伸缩缝 分缝间距为10 0m 缝间设止水 详见下图 隧洞通过断层破碎带部位 衬砌厚度加大一倍 为防止不均匀沉降而开裂 衬砌突变处设横向缝 10 3 3 灌浆 由于该水利枢纽工程地质条件较差 因此洞顶处和围岩均进行回填灌浆 使之紧密结合 共同工作 改善传力条件和减少渗漏 9 其间隔布置见下图 10 3 4 排水 为降低外水压力设置径向排水孔 孔径 20cm 孔距 400cm 孔深 400cm 布置在隧洞中心断面处 如上图所示 10 3 5 锚筋加固带 反弧段岩体 四面临空比较薄弱 以锚筋加固 详见下 图 1111 泄水建筑物设计泄水建筑物设计 11 1 溢洪道选线与布置溢洪道选线与布置 设置溢洪道主要用来防止自然洪水以及大坝溃缺时产生的洪灾 溢洪道一 般采用明渠形式 布置在右岸 主要根据以下条件决定 坝肩附近的山坡应比 较平缓 并有宽度足够的开敞地段以设置溢流堰 而溢洪道和坝端之间要有一 定空间以设置边墩和上下游导水墙 地质条件上 要求山坡稳定 地基可靠 不能有难于处理的断层 破碎带 以确保大坝安全 溢洪道进口的后面要有较 长的 台地 以设置泄水渠 以避免在暴雨期间泄洪时因地表洪水和地下渗水 的作用 使山坡崩塌 对大坝造成严重威胁 11 设计溢洪道应根据 直 顺 平 的原则 16 直 溢洪道的中线应 尽量布置成直线 顺 力求做到水流顺畅 溢洪道的过口要开敞而平顺 宽 度不允许突收 突放 突转弯 平 表面平整 经综合考虑 因为 右岸的地形平缓 而左岸有山坡起伏 右岸的断面 CC 是直线 故综合考虑以后选择在右岸的 CC 断面作为溢洪道的中线 11 2 溢洪道的体型设计溢洪道的体型设计 对于土石坝或坝体泄流能力受到限制的混凝土坝来说 常常设置岸边溢洪 道泄流能力 防止洪水漫溢坝顶 保证及其他建筑物的安全 17 溢洪道除了应具备足够的泄流能力外 还要保证其在工作期间的自身安全 和下泄水流获得妥善的衔接 岸边溢洪道形势有正槽式溢洪道 侧槽式溢洪道 和虹吸式溢洪道等 正槽式溢洪道通常有引水渠 溢流堰 控制段 泄槽 出 口消能段是溢洪道的主体 11 2 1 引水渠进口段 由于地质条件的限制 需在溢流堰前开挖引水渠 将在库水平稳的引向水 渠 溢流堰不能紧靠水库 需在溢流堰前开挖引水渠 将水流平顺地引向溢流 堰 17 将溢流堰两侧的边墩向上游延伸构成导水墙或梯级边段 高度大于最高 水位 引水渠在平面上如需转弯其轴线的转弯半径不小于 4 倍的渠宽 弯道至 溢流堰间应有适当的直线段 在进水渠与控制堰之间设 1m 渐变段 采用圆弧 连接 半径 R 1m 流速应大于悬泥质不於流速 小于渠道中的不冲流速 一般流速 v 4m s 因为行进水深大 流量系数也就大 泄放相同流量的堰顶长度要小 因此渠底高程应低些 引水渠采用矩形边坡 宽为 6m 1 平面布置 原则 应力要求平顺 避免断面突然变化和水流流向的急 剧转变 以合理的开挖降低渠中流速及水头损失为原则 2 引渠底坡 0 J 常采用平坡或反坡 本设计中采用平坡 引渠终点底高程 121 50m 0 J 3 引渠横断面 该设计为地质条件较差的土基地基 因此采用矩形断面 4 流速控制 由于引渠离坝较近 所以渠内流速应控制