水利工程枢纽布置

,西安理工大学水利水电学院张晓飞,水利工程枢纽布置及调洪演算,三峡水利枢纽,二滩水电站1998年竣工流域/地址：雅砻江/四川攀枝花；坝型：双曲拱坝；最大坝高：240m；总库容：58.0亿m3；总装机容量：330万kw。,锦屏一级水电站在建流域/地址：雅砻江/四川；坝型：双曲拱坝；最大坝高：305m；总库容：100亿m3；总装机容量：300万kw。,瀑布沟水电站流域/地址：大渡河/四川；坝型：心墙堆石坝；最大坝高：186m；总库容：51.7亿m3；总装机容量：330万kw。,糯扎渡电站枢纽由心墙堆石坝、左岸溢洪道、左岸引水发电系统等组成。,第一节水利水电工程的设计程序,流域（或地区）规划阶段，提出项目建议书可行性研究阶段初步设计阶段（技术设计阶段）施工图设计阶段（技施设计）,第二节水利枢纽和枢纽布置,一、枢纽布置的一般原则和要求,1运用要求枢纽布置应保证在一般条件下能正常地工作，避免运用时相互干扰。如灌溉取水建筑物应保证在各个时期均能按需要取出灌溉流量；发电取水口应水流平顺，水头损失小，下游尾水平稳；航运建筑物进、出口水流应顺畅、流速小、水位平稳；泄水、排沙、过鱼等要能得到合理的解决；溢洪道的布置应保证安全泄洪，上游进口水流平顺，出口能顺利归河。枢纽对外和内部交通线路应合理布置。,2技术经济条件枢纽布置应当在技术上可能的条件下，尽量做到经济上最优。尽量使一个建筑物担负多种任务。例如，导流与泄水、排沙、放空水库相结合；导流与发电、灌溉相结合等。要减少混凝土建筑物与土坝、岸坡等的接头数目，以降低用于边墩、导墙、刺墙等联接建筑物的费用。应考虑枢纽尽早投入运行或部分提前投入运行的布置方案，使之早日发挥经济效益，相应地降低枢纽造价。总之，在满足建筑物强度、稳定以及运用等要求的前提下，做到枢纽总造价最小，年运行费用最低，有优越的经济指标。,黄河苏只水电站枢纽主要由河床式发电厂房、泄洪闸、右岸堆石坝、开关站等建筑物组成。工程布置从左岸到右岸为河床式厂房坝段、泄洪闸坝段、粘土均质大坝等建筑物组成。混凝土坝最大坝高51.65米，土坝最大坝高25.5米。,3施工安排坝址、坝轴线选择和枢纽布置，是与施工导流、施工方法和施工期限密切相关的，应力求做到以最小的投资在最短时期内顺利完成施工任务。,三峡工程大坝坝址选定在宜昌市三斗坪，坝址区河谷开阔，两岸岸坡较平缓，江中有一小岛（中堡岛），具备良好的分期施工导流条件。枢纽建筑物基础为坚硬完整的花岗岩体，岩体内断层、裂隙不发育，且大多胶结良好、透水性微弱。,4环境影响（1）对上游淤积、淹没、浸没和下游河床演变、水文条件以及水温、水质等的作用和影响；（2）减少水库淤积，延长水库寿命。措施：汛期利用泄水和取水建筑物进行冲沙。（3）美化枢纽周围的环境，发展旅游。,第三节不同类型枢纽布置的一般原则,一、重力坝枢纽布置原则（1）溢流坝布置尽可能布置在河床中央；尽可能采用开敞式溢流孔（溢流坝）；泄洪建筑物在平面上的布置不应影响电站、取水建筑物、船闸等正常运行的要求。,安康水电站,（2）坝身泄水孔布置承担排沙任务的泄水孔应靠近发电（灌溉、供水）进水口，其进口高程是枢纽泄水建筑物中位置最低的；其他泄水孔的位置根据泄洪要求而定。枢纽泄水建筑物由溢流坝及泄水孔共同承担，则一般溢流坝布置于河床中央，泄水孔布置于溢流坝侧。,二、土石坝枢纽布置（一）大坝的布置形式。大坝布置于河床中央。坝型有均质土坝、粘土均质坝、粘土斜墙坝、混凝土面板堆石坝、沥青防渗心墙（斜墙）土石坝等。（二）土坝枢纽泄水建筑物布置泄水建筑物一般由溢洪道和隧洞组成。溢洪道布置位置在岸边，有正槽和侧槽两种布置形式。溢洪道布置尽量利用垭口地形（如铜钱坝）；堰顶高程一般较高，主要任务为泄洪。隧洞任务有泄洪、排沙、放空水库等，故其布置高程需根据其承担任务设置，其中排沙及放空水库隧洞进口高程较低。,第四节建筑物设计一、重力坝,(一)坝顶高程的确定；坝顶高于静水位的超高值h,按下式计算；h=hl+h0+hchl波浪高度；h0波浪中心线至静水位的高度；hc安全加高.坝顶高程或坝顶上游防浪墙顶高程按下式计算，并选用其中的较大值。坝顶高程=设计洪水位+h设坝顶高程=校核洪水位+h校,（二）非溢流坝剖面形态,上游n00.2；下游m0.60.8；坝顶宽：b=H(810)%，且bm坝底宽：B/H=0.70.9。,（三）溢流坝,1.溢流坝堰顶高程确定：根据设闸门与否确定。,设闸门：堰设计H设不设闸门：堰正常,式中：q设单宽流量。,2.单宽流量q设选取:,单宽流量的选取与地质条件有关：一般软弱岩石：q=3050m3/（sm）；较好岩石：q=5070m3/（sm）；坚固岩石：q=70130m3/（sm）；,3.泄水宽度设计:单孔孔口宽：一般情况：b（816）m；当有排浮要求时，可加大到（1820）m。在枢纽布置允许的前提下，闸门宜选用宽而扁，宽高比常采用b/H1.02.0。泄流总净宽：B=nb：泄流总净宽根据泄洪要求及坝址地形确定；而孔数较少时取单数。,上游曲线段（ab）：双圆弧、椭圆。近年来，提出了三圆弧及下列型式的曲线,下游段曲线bc）：当坝体上游面为铅直时：,式中：Hd定型设计水头，一般为校核洪水位时堰顶水头的75%95%。,中间直线段（cd）坡度与非溢流坝段的下游坡相同。反弧段（de）挑流消能：R=（410）hchc为校核洪水时反弧最低点处的水深。,5.闸门布置及闸墩布置,检修闸门及工作闸门之间间距：考虑检修留13m间距。,平面闸门：工作闸门槽深0.52m，宽14m，门槽处的闸墩厚度11.5m；弧形闸门闸墩的最小厚度为1.52m；缝墩，墩厚要增加0.51m。,6.消能防冲设计型式：常用挑流、底流挑流,主要设计内容：反弧半径R、挑角、鼻坎、水舌挑射距离、冲坑深度,反弧半径R（810）h，h为鼻坎上水深；挑角：=2025坎顶应高出下游水位以的12m为宜。挑射距离L与最大冲刷坑深度做为指标，一般要求L/tk2.55.0。,底流设计主要内容：池长计算、尾坎高计算、护坦结构计算。,（四）泄水孔1.泄水孔进口高程确定：根据承担任务设置。泄水孔分中孔、深孔、底孔。其中，中孔和深孔承担泄洪任务，底孔有泄洪、排沙、放空水库的任务。进口设置：中孔一般位于大坝1/2坝高附近；深孔位于大坝1/2坝高以下；底孔位于水库死水位以下。2.泄水孔型式：有无压和有压两种无压孔：工作闸门设在坝身。有压孔：工作闸门设在坝体外。3.孔口尺寸：根据承担泄洪任务确定。,无压泄水孔（单位：m）1启闭机廊道；2通气孔,有压泄水孔（单位：m）1通气孔；2平压管；3检修门槽；4渐变段；5工作闸门,4.进口体型：喇叭口顶板曲线、侧曲线均为椭圆曲线,矩形断：顶面曲线，A为孔高，1/31/4两侧曲线，A为孔宽，1/4底部边界线可以采用圆弧。5.孔身高度：无压孔根据水面线设置，有压孔根据泄流量确定。6.通气孔（补气孔）设置7.消能工设计：主要有挑流和底流两种，要求与溢流坝同。,二、土石坝（一）大坝设计大坝设计内容主要有：计算部分：坝顶高程计算、渗流分析（计算浸润线）和大坝稳定分析等。构造设计：坝顶、防渗体、上下游护坡、排水结构等。需要特别注意问题：1.坝顶高程需满足两个条件：一是坝顶高程要求高出正常蓄水位0.5m，二是坝顶高程要求高于校核洪水位。2.粘土防渗墙顶高程：心墙高于正常水位0.60.3m，斜墙高于正常水位0.60.8m；,3.面板堆石坝的防浪墙与面板连接问题：分缝至防浪墙顶；止水结构至防浪墙顶水位以上；,4.护坡上游护坡设置至死水位以下2.5m；下游护坡至排水体。,（二）溢洪道设计溢洪道控制段同溢流重力坝设计类同，区别在于：溢洪道为低堰，溢流坝为高堰；另外溢洪道控制段后接陡槽。计算项目：泄流量计算、水面线计算、消能工水力计算（挑流：挑距及冲坑深度计算；底流：消力池长度计算、尾坎高度、护坦结构计算）设计中注意：1.各部位曲线与直线连接需切线相连；2.进口布置与大坝应有一定距离，若距离较小，以致进水影响大坝安全时，应布置导墙。3.出口远离大坝坝脚，防止下泄水舌冲刷大坝坝脚。,4.陡槽纵坡改变时：当坡度由陡变缓，采用圆弧连接；当坡度由缓变陡，采用抛物线连接。5.陡槽尽量不要设置弯道，若需要设弯道，则弯道半径要足够大，弯曲半径R10b。6.控制段基础应坐落在弱风化岩层上。7.消能工采用挑流型式时，其挑坎基础应坐落在弱风化岩层上。,（三）隧洞设计1.进口高程排沙隧洞：设置与重力坝底孔要求同。其他泄洪隧洞：根据地形、地质条件、泄洪任务设置。2.布置注意：（1）进口布置与大坝应有一定距离，若距离较小，以致进水影响大坝安全时，应布置导墙。（2）出口远离大坝坝脚，防止下泄水舌冲刷大坝坝脚。（3）对无压隧洞，洞身轴线尽量布置为直线，避免弯道；对有压隧洞，则无需此要求。（4）进水塔与岸边设置交通。3.计算项目：泄流量计算、水面线计算（无压隧洞）、消能工计算。,第五节：调洪演算,本次洪水最高水位,流量q,库水位,时间t,时间t,t1,to,t3,t2,t4,Zt,qt,Qt,Qm,qm,V,水库调洪示意图,防洪限制水位,一、水库调洪计算的基本公式水量平衡方程式,（-）,式中：t计算时段；Qt、Qt+1t时段初、末的入库流量；qt、qt+1t时段初、末的出库流量；Vt、Vt+1t时段初、末水库库容。由该公式可知，要进行调洪演算，需要以下资料：入库洪水过程线、枢纽泄水建筑物泄流曲线、水库库容曲线。,1.入库洪水过程线：Qt曲线（1）资料直接给出设计标准的洪水过程线；（2）资料给出典型洪水过程线可采用同倍比方法将典型洪水过程线放大至设计洪水过程线及校核洪水过程线。放大比例=Q设计/Q典型,2.泄流曲线q=f（Z）,3.水位库容关系曲线V=f（Z）为已知：将数据转换成下图,二：水库调洪计算的半图解法1.绘制辅助曲线（3条）水量平衡方程：Q平均+（V1/t-q1/2）=（V2/t+q2/2)式中V、q均可与库水位建立关系，即库容水位关系曲线V=f（Z）、泄量水位关系曲线q=f（Z）。故可根据选定的计算时段t做以下工作：制作相关计算表；根据计算表绘制三条辅助曲线,曲线（V/t-q/2）=f（Z）、（V/t+q/2）=f（Z）计算表,根据上表得到：（1）（V/t-q/2）=f（Z）（2）（V/t+q/2）=f（Z）（3）q=f（Z）,2.计算步骤（1）确定起调时间、计算时段t、