水利工程设计.ppt

第十一章水利工程设计,11.1设计阶段的划分,11.2设计所需的基本资料,11.3水利工程对环境的影响,11.4水利枢纽设计的主要内容,本章内容,水利枢纽工程，需要经过勘测、规划、设计、施工等阶段，才能最后建成。水利工程开发，应秉持可持续利用的科学发展观，在全面规划的基础上，根据社会各方面需要，对流域综合开发进行统一规划，对河流梯级开发建设进行合理布局。水利工程一经决定开发，设计人员必须以高度的责任感和使命感，精心做好设计。,11.1设计阶段的划分,五个设计阶段：项目建议书、可行性研究报告、初步设计、招标设计、施工图；对重要或复杂大型工程，在施工图之前，还要增加一个技术设计阶段。设计工作的一般顺序：编制项目建议书（前期工作）；项目建议书批准后，委托设计单位进行可行性研究并编写可研报告（重要前期工作）；可研报告获批后进行初步设计；初设批准后，即可编制招标文件，组织招标、投标和评标；由施工单位进行施工图设计。近年来电力工业部门对设计阶段作了调整，分为：预可研、可研、招标设计和施工图四个阶段。各设计阶段的内容和深度，可根据具体情况适当调整。,一、项目建议书阶段,应根据国民经济和社会发展规划、地区经济发展规划的总要求，在经批准的江河流域（区域）综合利用规划或专业规划的基础上，提出开发目标和任务；对项目的建设条件进行调查和必要的勘测工作，并在对资金筹措进行分析后，择优选定建设项目及其建设规模、地点和建设时间；论证工程项目建设的必要性，初步分析项目建设的可行性和合理性。,二、可行性研究报告阶段主要任务：论证拟建工程的技术可行性、经济合理性，以及开发顺序上的迫切性。（估算工程量和总投资）可研报告应包括的内容：自己看书了解。三、初步设计阶段初设报告包括以下内容：确定工程等别和主要建筑物级别；选定各种特征水位；选定坝（闸）址、输水线路、主要建筑物的型式、轮廓尺寸及枢纽布置；确定装机容量，选择机组型号和其它机电设备；确定施工导流方案及主体工程的施工方法、施工总体布置及总进度、对外交通和施工设施；提出建筑材料、劳动力和风、水、电的需要量；编制工程概算；论证对环境的影响及环境保护；国民经济评价和财务评价。,四、招标设计阶段招标文件：由合同文件和工程文件两部分组成。要做到投标者能根据图纸、技术规范和工程量表确定投标报价。合同文件：包括投标者须知、合同条款、合同格式和投标书格式等；工程文件：包括技术规范和图纸等。五、施工图阶段按国际惯例，施工图应由施工单位或业主委托的咨询公司负责；我国施工图由业主委托的设计单位提供给施工单位。施工图一般包括：地基开挖图、地基处理图、建筑物结构图、钢混结构的钢筋图、金属结构及机电设备的安装图等。,11.2设计所需的基本资料,设计阶段不同，所需资料的广度和深度也不同。设计所需的基本资料包括：1.自然地理包括：工程所处地理位置、行政区域、地形、地貌、土壤植被、主要山脉、河川水系、水资源开发现状及存在问题等。地形图比例尺：应根据规划设计阶段和工程项目的实际需要来确定：库区1:50001:25000，枢纽1:20001:10000，坝址1:5001:2000。,2.地质包括：区域地质、库区和枢纽区工程地质条件，如：地层、岩性、地质构造、地震烈度、不良地质现象，水文地质情况，岩土的物理力学性质，天然建筑材料的品种、分布、储量、开采条件，工程地质评价与结论。3.水文包括：水文站布设、资料年限、径流、洪水、泥沙、水情以及人类活动影响等。4.气象包括：降水、蒸发、气温、风向、风速、冰霜、冰冻深度，站网布设和资料年限。,5.社会经济需全面了解社会经济现状及中长期发展规划。包括：人口、土地、种植面积、品种；工业产品、产量；工农业总产值；主要资源情况，文物古迹，动力、交通、投资环境等。6.规程规范,一、对库区的影响,1.淹没,建坝后，在水库回水范围内，耕地、矿藏、名胜古迹被淹没；工厂、铁路、公路需拆迁；居民需迁移，城镇需迁建。三峡工程移民百万，所采用“以人为本、就地开发性移民”措施，是解决好库区移民的重要举措。,11.3水利工程对环境的影响水利工程特别是大型水库的兴建，将使其周围环境发生明显改变，带来一定的不利影响。在水利规划中，必须认真研究和加以解决，将其对环境的不利影响控制在最小程度。水库引起的环境变化，主要表现在如下几个方面：,2.滑坡、坍岸,岸坡浸水后，岩体抗剪强度降低；在水库水位降落时，有可能因丧失稳定而坍滑。,3.水库淤积,水流入库后流速减小，挟沙能力降低，使泥沙颗粒先粗后细逐步下沉，造成淤积。淤积不仅使库容减小，缩短水库寿命，加大淹没损失，还将影响电站和航运的正常运行。,4.生态变化水库淹没影响陆生植物生存，破坏其生存环境。水环境变化对珍稀、濒危生物的种群、数量、繁殖场所有致命影响。,5.水温的变化,库水温度变幅随水深增加而减小，在水面处大致与气温接近；水深10m左右，变幅较气温减小25；水深5060m处，变幅只45；更深处水温几乎不再变化而处于常温状态。库水年均温度随水深增加而减小，在水面处比年平均气温约高25；水深5060m处等于年平均气温；再深即低于年平均气温。,水库蓄水后，由于库区内生物机体的分解，增加了库水的肥力，有利于水中微生物的繁殖，对鱼类生长有利。但如清库不彻底，过多的有机质在库底分解，吸收深层水中的氧，产生硫化氢，也可使水质变坏。流入水库的磷、氮等盐类，有利于植物和水生物的生长，但含量不能太高，否则，将促使藻类和水草丛生，而藻类和水草的枯死分解，又将消耗水中的氧，形成“富营养化”，造成水质恶化。,6.水质变化,7.气象变化,水库形成的水域，能改变附近地区气候（多雾、降雨、气温变幅减小等），并使枢纽附近地区生态平衡发生变化。,8.诱发地震,不少大水库在蓄水后诱发了地震。当水库蓄水后，岩层中孔隙水压力增加，使原来稳定岩体中的地应力状态发生变化，地块活动性随之增加。,9.卫生条件,水库蓄水后，地下水位升高，为利用地下水创造了有利条件。但也带来一些不利后果，如：耕地盐碱化，形成沼泽地带，孳生蚊虫和其它有害微生物。,二、对水库下游河道的影响,1.河道冲刷,河道水流所挟带的泥沙在库内沉积后，下泄清水的冲刷能力加大，将河床刷深，河水位下降，岸边地下水位也相应降低；同时，还可能引起主河槽游动，或冲刷下游桥基和护岸工程。,2.河道水量变化,枯水期，发电和灌溉将使下泄流量增加，对下游航运有利。但当电站担负峰荷、泄放流量不均时，又将给航运带来不便。为了不使河道干涸，不过分降低下游地下水位，保护水生物生长和维持河道自然风光，须经常泄放一定的水量（称为生态流量），以保护河流的正常功能。,3.河道水温,4.河道水质,和水温一样，库水的浑浊度随水深而异。工业和生活用水要求浑浊度不得过高。水库的中、低层水温较低，水中溶解氧也低，对作物生长和鱼类生存不利。,除溢洪道外，自水库泄放的水流大多来自水库深层，水温较低且变幅小，因而大坝下游的河水水温，在夏季较建库前低，冬季较建库前高。,5.其它影响,在河道上建坝（闸），一方面为枢纽上游的航运和木材浮运创造了条件，另一方面由于河道受阻，需要设置通航、过木和过鱼的建筑物。,坝址（闸址）选择、坝型选择、枢纽布置是水利枢纽设计的重要内容，三者相互联系。既要研究枢纽区自然条件，又要考虑施工与运行条件、综合效益、投资指标和远景规划等。不同的坝轴线，可以选用不同的坝型和枢纽布置。如：河谷狭窄，地质条件良好，适宜修拱坝；河谷宽阔、地质条件较好，可以选用重力坝或支墩坝；河谷宽阔、河床覆盖层深厚或地质条件较差且土石料储量丰富，适于修建土石坝。同一条坝轴线，可考虑几种不同坝型和枢纽布置方案。,11.4水利枢纽设计的主要内容,一、坝址和坝型选择,可研阶段：主要是根据地形、地质、施工及建筑材料等条件，初选几个坝段和坝轴线以及与其相适应的坝型，经过论证，找出其中最有利的坝段和一两条比较有利的坝轴线；也可对各坝段内有代表性的坝轴线进行比较，从中选定一两条最有利的坝轴线，并进行枢纽布置。初设阶段：随着地质、水文和试验资料等的进一步深入和充实，通过比较，选定最有利的坝轴线、坝型及其它主要建筑物型式和相应的枢纽布置方案。,对断层破碎带、软弱夹层，要查明其产状、宽度（厚度）、充填物和胶结情况，对垂直水流方向的陡倾角断层应尽量避开，对具有规模较大、垂直水流方向的断层或附近有活断层存在的河段，均不应选作坝址；,坝址选择时要注意以下地质问题：,1.地质条件地质条件是坝址（闸址）选择的重要条件。拱坝和重力坝需建在岩基上；土石坝对地质条件要求较低，岩基、土基均可；水闸多建在土基上。,对于岩层走向与河流方向一致的顺向河谷，总有一岸是与岩层倾向一致的顺向坡，当岩层倾角小于地形坡角，岩层中又有软弱结构面时，在地形上存在临空面，这种岸坡极易发生滑坡，应当注意；对于岩溶地区，要掌握溶岩发育规律，特别要注意潜伏溶洞、暗河、溶沟和溶槽，必须查明岩溶对水库蓄水和对建筑物的影响；对土石坝，应尽量避开细砂、软粘土、淤泥、分散性土和湿陷性黄土等地基。,2.地形条件,在高山峡谷区布置水利枢纽，应尽量减少高边坡开挖。坝址选择应综合考虑，权衡利弊。在峡谷地段，坝轴线短，工程量小，但不利于泄水建筑物等的布置。选用土石坝时，应注意库区有无垭口可供布置岸边溢洪道，上、下游有无开阔地区用于布置施工场地。对多泥沙及有漂木要求的河道，应注意河流的水流流态，并考虑如何防止泥沙和漂木进入取水建筑物。对有通航要求的枢纽，应注意通航建筑物与河道的连接。,3.施工条件,要便于施工导流；要便于施工场地布置，坝址附近特别是下游应有较开阔地形；要便于施工运输，距交通干线较近；可与永久电网连接，解决施工用电问题。,4.建筑材料,坝址附近应有足够数量、符合质量要求的天然建材。应考虑料场分布、储量、埋深、开采、施工期淹没等问题。,5.综合效益,对不同坝址，应综合考虑防洪、灌溉、发电、航运、旅游等各部门的经济效益。,6.其它,在选择坝址和坝型时，还应考虑利用主体建筑物开挖料直接上坝利用的可能性与合理性。,二、枢纽布置的一般原则和设计方案选定,1.枢纽布置的一般原则,合理安排枢纽中各水工建筑物的相互位置，称为枢纽布置。应遵循以下原则：,（1）坝址、大坝及其它主要建筑物的型式选择和枢纽布置要做到：施工方便，工期短，造价低。Eg.1在高山峡谷较大拐弯河段，进行裁弯取直，利用河弯凸岸布置泄水建筑物和引水发电系统，减轻或避免坝与泄水、发电建筑物在施工和运行中的相互干扰，可缩短工期，降低造价和提高效益。Eg.2三峡水利枢纽需在河床布置溢流坝、厂房和船闸，坝址选在三斗坪，原因之一是河谷宽，便于施工，且可借助江中中堡岛进行分期导流。,（2）满足各建筑物在布置上的要求，保证任何工作条件下都能正常工作。,要避免枢纽中各建筑物在运行期间互相干扰。例如：将船闸与溢流坝、电站尽量分开布置，在溢流坝泄水时，引航道不产生过大的横向流速，以使船队（舶）顺利驶入闸室，下游出口，必要时应设导墙，使引航道与溢流坝或水电站厂房隔开。又如：当厂房与溢流坝相邻时，两者之间应设足够长的导流墙，以防止泄洪对发电的不利影响；还应注意厂房、变电设备及开关站等需离泄洪射流一定距离，以免雾化水流影响安全运行。再如：土石坝枢纽泄水和引水建筑物进、出口附近的坝坡和岸坡，应有可靠的防护措施，出口应采取妥善的消能措施，并使消能后的水流离开坝脚一定距离，避免水流冲刷和回流淘刷等。,（3）在满足建筑物强度和稳定条件下，降低枢纽总造价和年运行费用。,例如：为了提高重力坝的稳定性，常将坝的上游面做成倾向上游（坡度不宜过缓），利用坝面上的水重来提高坝的抗滑稳定性；重力坝坝体内各部位应力各不相同，为了节约与合理使用水泥，坝体按不同部位分区，采用不同标号的混凝土。又如：拱坝枢纽的泄水方式与布置宜首先研究采用坝身泄洪的可行性，以及优化拱坝体形以降低总造价。拉西瓦拱坝坝高250m，用优化方法求得抛物线、椭圆和对数螺旋线等6种拱形的最优布置，并从中选定了对数螺旋线水平拱圈的布置方案，与传统设计相比，节省混凝土20万m3，节省基岩开挖13万m3。,（4）枢纽布置紧凑，尽量将同一工种的建筑物布置在一起，以减少连接建筑，也便于管理。,对大流量、高水头、窄河谷的水利水电枢纽，由于河谷狭窄，在泄水建筑物与电站厂房布置上的矛盾十分突出，采用泄水建筑物与电站厂房重迭布置，比如新安江的溢流式厂房，乌江渡、漫湾的挑越式厂房，此种布置非常紧凑，整体安全性好，工程量省，建设周期短，经济效益显著。又如：都江堰根据“深淘滩、低作堰”治水六字诀采用鱼咀分水、宝瓶口正面引水与飞沙堰侧面排沙，枢纽建筑物组成合理，布置紧凑，起到了分水、泄洪、引水和排沙的作用，运行至今已有2260多年，收到了良好的社会效益和经济效益。,（5）尽量使一个建筑物发挥多种用途或临时建筑物和永久建筑物相结合，充分发挥综合效益。,在峡谷河段筑坝，一般采用隧洞导流，将临时性的导流洞封堵改建为永久泄洪隧洞，是减少泄洪洞工程量、节约投资的合理措施。对中、低水头枢纽有时也可采用泄洪洞与发电洞和发电洞与灌溉隧洞合一布置的型式。将导流洞改建为龙抬头式无压泄洪洞的工程：刘家峡、碧口、石头河和紫坪铺等。将导流洞改建为有压隧洞的工程：响洪甸、南水、冯家山、小浪底等。,（6）尽可能使枢纽中的部分建筑物早期投产，提前发挥效益（如提前蓄水，早期发电或灌溉）。,碾压混凝土坝施工工艺简单，可采用大型机械，大仓面浇筑混凝土，能缩短工期，提前投产，及早发挥效益，如坑口坝、龙门滩坝、天生桥二级工程的工期均提前一年。施工导流问题和工期也是选择布置方案的主要因素之一，有时为了缩短工期，提前发电，将厂房布置在河滩一侧以简化导流。在重力坝底部设置多孔、大孔径的导流底孔，取代坝体留导流缺口已成发展趋势，边蓄水、边施工以争取提前发电、防洪、供水、灌溉等综合利用效益，如19802000年间建设的岩滩、水口、五强溪、三峡等大型水电站，首批机组发电一般都在工程截流后46年。,（7）外观与周围环境相协调，注意美观。,水库景观涉及水利工程、环境、水土保持、生物、生态和美学等诸多方面。应保护库区自然植被、生态体系和树种，使人获得回归自然的感受。水利工程雄伟的建筑物和水库形成宽阔的平静水面，是一种难得的景观资源，可以开展生产、生活、业余及教育等活动。因此，经过必要的设计，营造宜人的生存环境，可以使水利枢纽和库区环境成为旅游胜地。,2.水利枢纽设计方案的选定,需要通过论证比较，选出技术可行、投资少、工期短、运行可靠、管理方便的最优方案。对设计方案进行比选分析的内容包括：,（1）主要工程量,如：土石方工程、混凝土和钢筋混凝土工程、金属结构、机电安装、帷幕灌浆、砌石工程等。,（2）主要建筑材料用量,如：钢筋、钢材、水泥、砂石、木材、炸药等。,（3）施工条件,包括：施工导流、施工场地布置、施工工期、发电日期、施工难易程度、施工机械化水平等。,（4）运行管理条件,如：发电、通航、泄洪等有无干扰；建筑物检查维修、闸门及启闭设备的控制运用是否方便；对外交通是否便利等。（5）环境生态条件从环境生态保护角度分析是否存在工程开发的重大制约因素。,（6）经济指标,计算工程总投资、总造价、年运行费、单位千瓦投资、电能成本、灌溉单位面积投资、通航能力等综合效益，并应采用包括利息在内的“动态分析”方法进行分析。,三、水利枢纽布置实例,1韶山灌区洋潭引水枢纽,位于湘江支流涟水的中游，以灌溉为主，兼防洪、发电、航运、供水等综合效益，图11-1。,图111韶山灌区洋潭引水枢纽平面布置图（单位：m）1导航堤；2机房；3斜面升船机；4重力坝；5泄洪闸；6溢流坝；7水电站；8土坝；9洋潭支渠进水口；10进水闸,2二滩水电站,位于四川雅砻江干流下游河段上，下距攀枝花市46km。以发电为主，兼有其他综合利用效益，装机330万kW，是我国20世纪末建成投产的最大水电站。枢纽由混凝土双曲拱坝、左岸引水发电地下厂房系统、泄水建筑物（包括坝身孔口和右岸两条泄洪洞）