[硕士论文精品]江水利枢纽工程设计

第0页共43页O江水利枢纽工程设计【摘要】本设计以O江流域的水文、地形、地质为基础，通过调洪演算确定了坝型及枢纽布置、大坝设计、泄水建筑物设计和施工组织设计等方面进行简略的计算。在设计中对经济、技术及安全等方面进行了详细分析与比较,拟定相应的斜心墙土石坝设计方案。【关键词】土石坝设计，洪水演算，枢纽布置，土料设计，渗流计算，稳定验算，泄水建筑物，施工组织设计。【ABSTRACT】BASEONTHEDATAOFORIVERHYDRAULICPROJECT,IDESIGNEDTHEDAMTOTALLY,INCLUDINGTHELAYOUTOFENGINEERING,THEDESIGNOFDISCHARGECONSTRUCTIONBYSTORAGEROUTINGWHICHFIXEDONTHECHARACTERISTICSTAGEOFTHERESERVOIRTHEPROGRESSSOFTHECONSTRUCTIONWASPLANNEDTHEFACTORSOFECONOMIC,TECHNOLOGYANDSAFETYARECONSIDEREDINTHEDESIGNTHEOPTIMUMPLANWASFINALLYSELECTED【KEYWORDS】EARTHANDROCKDAM,DAMSITESELECTION，CHOICEOFDAMTYPE,SOILDESIGN，FILTRATIONROUTING，STABILITYANALYSIS，DISCHARGECONSTRUCTION，CONSTRUCTIONPLANNING本设计以O江流域的水文、地形、地质资料为基础，通过调洪演算确定了水库的特征水位，进行了枢纽布置；对大坝、泄水建筑物进行了比较详细的设计。通过编制施工组织计划，确定了枢纽工程各主体部分的进度。设计中考虑了经济、技术及安全等方面的因素，并对各部分可行的方案进行了比较，确定了最优方案。第1页共43页目录第一章工程等级及建筑级别1第二章洪水调节计算2第三章大坝设计11第四章泄水建筑物设计34第五章施工组织设计第2页共43页第一章工程等别及建筑物的级别水利水电工程的等别，在SDJ121978水利水电枢纽工程等级划分设计标准（山区，丘陵区部分）之中作出的规定，将水利水电枢纽工程根据其工程规模效益及在国民经济中的重要性划分为五类，综合考虑水库的总库容、防洪库容、灌溉面积、电站的装机容量等，工程规模有库容决定，由于该工程正常蓄水位高程M，库容约为亿M3，估计校核情况下的库容不会超过亿M3，最终由库控制，属于大（）型。表21水利水电枢纽工程分等指标分等指标防洪工程等别工程规模水库库容（亿M3）保护城市及工矿区保护农田（万亩）灌溉面积（万亩）电站装机容量（万KW）一大（1）型10特别重要的城市、工矿区50015075二大（2）型101重要城市、工矿区500100150507525三中型101中等城市、工矿区100305052525四小（1）型01001一般城市、工矿区O2THEN60LETX375LSINP/TANOLCOSPLETY375GOTO6160LETX3LSINPKCLCOSP/KAKCLETY3KAX361LETX1LSINPKDLCOSP/KAKDLETY1KAX1LETX2LSINPKBLCOSP/KAKBLETY2KAX2LETDOESQRY1Y1X1X1IFOO2THEN63LETDCDSQR75Y275Y275M1X275M1X2GOTO6463LETDCDSQRY3Y2Y3Y2X3X2X3X264LETDOCSQRY2Y2X2X2LETDBESQRY1LSINPY1LSINPX1LCOSPX1LCOSPIFHO2THEN65LETW15DBEDCD75LSINPX375M1GRR1LETW25DOCDBEGRR1GOTO10065LETW15DBEDCDGRR1LETW25DOCDBEGRR1GOTO10070IFHO2THEN71LETX5H/KALETX6HLSINP/TANO2LCOSPLETX7HLSINP/TANOLCOSPLETW15DBEDCD75LSINPX3第28页共43页75M1GR5Y3HX6X5X7X6HLSINPGR1LETW25DOCDBEGRR1GOTO10071LETX7HLSINP/KCLCOSPLETX6H/KALETW15DBEDCDGR5Y3HX7X6GR1LETW25DOCDBEGRR1GOTO10080IFHO2THEN81LETX5H/KALETX6HLSINP/KBLCOSPLETX7HLSINP/TANOLCOSPLETW15DBEDCD75LSINPX375M1GR5Y2HX6X5X7X6HLSINPGR1LETW25DOCDBEGRR1GOTO10081LETX5H/KALETX6HLSINO/KBLCOSOLETX7HLSINO/KCLCOSOLETW15DBEDCDGR5HYBX7X6R1GLETW25DOCDBEGR5YCHX6X5GR1GOTO10090IFX50THEN100IFOO2THEN91LETKETANPLETX6H/KALETX7H/KELETW15DBEDCD75LSINPX375M1GRLETW25DOCDBEGR5YCHX7X6GR1GOTO10091LETKETANPLETX6H/KALETX7H/KELETW15DCDDBEGRLETW25DOCDBEGR5HX7X6GR1100FORK5TO2STEP001IFLL0THEN102第29页共43页V15ATNTANV11/KIFV10THEN103102V1ATNTANV11/K103V2ATNTANV21/KV3ATNTANV31/KLETMW1SINOV15W1COSOV1/COSV2SCOSOV1SINV2SSINOV1W2SINV3P3125W2COSV3P/COSV2SCOSV3PSINV2SSINV3PIFABSMKMINTHEN120LETKMINK120NEXTONEXTSNEXTLNEXTPPRINT“I“IPRINT“KMIN“KMINEND上下游坝坡稳定计算成果见表下表由计算可知各种工况下的安全系数均满足要求，正常运用情况大于13，正常地震时大于1054稳定成果分析由于上游坝坡较缓，稳定渗流期以及库水位降低期，不考虑地震时，KMIN131，考虑地震时，KMIN108；下游坡情况也类似，正常情况KMIN158,非常情况KMIN152，坝的稳定安全系数偏大，就此而言，可考虑加陡坝坡以减小工程量鉴于各种因素考虑不全，实际安全系数可能要小些，故而不改变坝坡，维持原拟订的剖面部位组合情况最小安全系数（KMIN）1/3坝高水深H25M134死水位2796M131正常蓄水位28201M13正常蓄水位地震108上游坡死水位地震108正常蓄水位时275222158设计洪水时275488158下游坡正常地震152第30页共43页五基础处理1河床部分（1）渗流控制方案，条件允许是优先考虑垂直防渗方案。在透水层较浅（1015M以下）时，可采用回填粘土截水墙方案，由于坝址处河床冲积层平均深20M最大达32M，施工比较困难而不予采用又由于河床有孤石采用钢板桩也比较困难，造价也高帐幕灌浆在此地存在可灌性问题混凝土防渗墙方案，施工快，材料小、防渗效果好，对于这种深度透水层是比较合适的，决定采用这种主案按混凝土的允许坡降及水头定出厚度为08M防渗墙深入河床冲积层，底部嵌入基岩，上部则与斜心墙连接由于防渗墙两侧冲积层易沉陷，引起防渗墙顶部粘土心墙与两侧粘土心墙的不均匀沉陷而导致裂缝为此防渗墙顶部作成劈尖状，两侧以高塑性粘土填筑，伸入斜心墙的深度已经三角确定为75M，底部深入基岩05M,劈尖顶宽025宽，详见下文的构造设计（2）防渗墙的型式，材料及布置，根据以往经验，对于透水层厚度为3060M的情况，采用槽板式混凝土防渗墙比较合适，设计中采用这种型式混凝土防渗墙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析现象而且能在水下施工防渗墙布置于斜心墙之下，从防渗角度来看仿上游为好，但从防裂角度看偏下游一侧好，综合考虑布置于心墙底面中心偏上2坝肩处理坝肩两岸为覆盖层及全风化岩石深约20M，性质较差，为良好的透水料，底部为半风化岩石性质良好，但由于节理的作用，透水性也较强。针对以上情况作以下处理，同样设置沥青防渗墙与河床部分防渗墙相连，在墙下设置灌浆孔，详见细部构构造设计六细部结构设计1坝的防渗体、排水设备坝体防渗体为斜心墙，斜心墙上下游设置反滤层；坝基防渗体为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；下游戗道设置排水沟，并在坝坡设置横向排水沟以汇集雨水，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。2反滤层设计反滤层的作用是滤土排水，防止渗透水流从坝体或坝基处逸出将土体的细粒带走而形成管涌。而且反滤层还是防止渗透变形的有效措施。第31页共43页反滤层的设计要求1相邻两层中，粒径较小一层的颗粒不得穿过粒径较大一层的孔隙；2各层内的颗粒不得发生移动；3被保护土层的颗粒不得穿过反滤层，但允许小于01的细小粒颗粒被渗流带走，因为只要土壤的骨架不被破坏，就不致发生渗透变形；4反滤层不能被堵塞，而且应具有足够的透水性，以确保排水的通畅；5应保证耐久、稳定，在使用期间不会随时间推移和环境的影响而改变其性能。设计标准为了满足上述要求，可以采用比较均匀而且抗风化的砂、砾、卵石或碎石构成反滤料，要达到各层反滤料较均匀，则要对天然的砂砾料进行筛分。在实际工程中选择级配适宜的天然砂砾料作为反滤层，其具体要求是通常规定反滤料的不均匀系数应小于58，即D60/D1058式中D60、D10分别为粒径系按颗粒分布曲线（按重量计的），为小于某粒径的土重含量的60与10。同时反滤土料中，易被冲刷的粒径小于01的小颗粒含量不应超过5。对于保护层的反滤料，考虑安全系数为1520之间，且D4060/D4060810来确定，按太沙基准则确定，即D15/D8545D15/D155式中D15为颗粒较粗的一层，按重量计小于此料占15的粒径；D15,D85分别为较细的一层，即被保护层土料，按重量计小于该粒径各占15和85的粒径。3非粘性土上反滤料的设计下游校核洪水下泄流量为669M3/S,查QH曲线图，下游最高水位275488根据水工建筑物堆石棱体超高须大于1M，堆石棱体设计，取堆石棱体顶高27560M。其内坡取115，外坡取120，顶宽取2M。堆石棱体构造图和其它细部构造见细部构造详图（附后）。反滤层可分为渗流自上而下和自下而上两种型式，本设计主要考虑自上而下型。非粘性土反滤料层采用碎石（带棱角的颗粒）,坝体排水部位的反滤料设计为两层不同的砂砾石铺填而成，层面与渗流方向垂直，沿渗流方向的渗透性逐渐增大，如下设计同理。当D501035时的碎石土料时，土层厚度取HC20，当D5035时，反滤料的厚度按下式计算HC6D50，对于均匀颗粒料的反滤层，反滤层土料D50与被保第32页共43页护层土料之比应为D50/D50510非黏性土料选取上料场为主料场,根据料场的级配曲线可得D85669,D508,D15086坝体排水部位的反滤层第一层土料的设计由D1543D5040故选取D155MMD5025MM则厚度取为20CM同理第二层反滤层土料的设计以第一层反滤料土料为被保护对象由D15（45）D85D155D15得反滤层的D1525；D50/D50810得反滤层的D50255125故选取D1530MMD5090MM则HC690540MM厚度取为HC600MM60CM4黏性土上反滤料的设计小于某粒径的土粒含量粘性土料粒径分布曲线上DMM土粒粒径下上下下粘性土料选取下料场为主料场,根据料场的级配曲线可得D85018,D500013,D150002坝体斜心墙部位的反滤层第一层土料的设计由D15（45）D85得反滤层的D150065013之间；取D5001MM厚度取为HC20CM同理第二层反滤层土料的设计以第一层反滤料土料为被保护对象由D15（510）D85得反滤层的D15051之间；第33页共43页D155D15得反滤层的D1505；于是选择反滤层第二层土料为取D5010，厚度取为HC30。反滤层设计成果汇总表2护坡设计干砌石护坡在最大浪压力作用下的计算直径HMMHMRRRKDWRW20181210181398/21089812521/2/252522670624M干砌石块计算重量35250DRQW05252308062432944KN干砌石护坡厚度KDT6711670624/1308M注经计算对167的系数不作修改。上游护坡用于砌石，因其抵御风浪的能力较强；下游坝面直接铺上20CM的碎石作为护坡。上游护坡做至坝顶，下做至死水位以下（加设计浪高），为方便起见做至27900M高程。3坝顶设计坝顶设置黄泥灌浆碎石路面，坝顶向下游设1横坡以便汇集雨水，并设置纵向排水沟，经坡面排水排至下游。坝顶设置拦杆以策安全，见图。第四章泄水建筑物设计（一）泄水方案选择坝址地带河谷较窄，山坡陡峻，山脊高，经过比较枢纽布置于河弯地段。由第一层第二层层数类型D50MM厚度HCD50MM厚度HC粘性土反滤层土料01201030非粘性土反滤层土料25209060第34页共43页于两岸山坡陡峻，无天然垭口如采取明挖溢洪道的泄洪方案，开挖量大，造价较高，故采用了山坡陡峻，无天然垭口如采取明挖溢洪道的泄洪方案，开挖量大，造价较高，故采用了隧洞泄洪方案。隧洞布置于岸（右岸），采取“龙抬头”无压泄洪的型式与施工导流洞结合。为满足水库放空水位放至27700M高程要求还与导流洞结合设置了放空洞。（二）隧洞选择与布置枢纽布置于河弯地段，从地形上来看隧洞应当布置于这样不仅工程量省，而且水力条件也较好。从地质来看这个山梁除表面有一层较深的风化岩外，。下部大部分为坚硬水力条件也较好。从地质来看这个山梁除表面有一层较深的风化岩外，下部大部分为坚硬玄武岩，强度较高，岩体中夹杂着几条破碎带，但走向大都与隧洞轴线成较大的角度。因此将泄洪洞、放空洞连同引水发电隧洞均布置于右岸凸出的山梁里面，见图。（三）隧洞的体型设计1进口建筑物由于进口岸坡地质条件较差，覆盖层较厚，因而采用塔式进口，塔顶设置操作平台。（1）进口喇叭口平面上不扩散，而立面上洞顶以椭圆方程120222BYLX连接。L渐变段的长度0B进口洞顶到隧洞顶的高程差由规范可知L取隧洞本身段宽度的23倍，结合本工程L取16米0B取4米，最后椭圆方程为14162222YX（2）进口堰面曲线，采用WES型堰面曲线，方程YHXD85085102为不影响泄流能力，堰高取10M，定型设计水头511110088MAXHHD取MHD511，所以曲线方程为85185051121XY。进口上游段为椭圆曲线12222DDDBHYBHAHXA028030取300AABA3870取16950B第35页共43页所以椭圆曲线方程为180253951902511/222YX（3）闸门型式及尺寸。工作及检修闸门均采用平板门，设在进口处，闸门宽7M，高为125M（正常水位减堰顶高程加浪高）2洞身断面型式和尺寸根据以往工程经验，本无压隧洞采用门洞型断面。调洪演算时已经气话定溢流孔口尺寸157（为保证无压泄流，由校核洪水位减堰顶高程加相应浪高而得,取15M,由于水流经堰顶马上跌落,所拟洞宽不变，而高度则以斜段为11，坡按COS450折减，则洞身尺寸为7M105M具体通过水面典线计算以后确定进口以后与斜洞连接，根据以往经验以11坡度连接，反弧段以600M半径圆弧相连接，见图（四）隧洞的水力计算水力计算包括洞内水面线及出口消能计算两部分。1设计条件设计洪水位282172M,下泄流量565M3/S；校核洪水位282308M,下泄流量669M3/S；堰顶高程2810M因在宣泄校核洪水时也要满足各项要求，因而对校核情况进行水力计算。2平洞段底坡的确定对于矩形断面HC可用下列公式计算MGBQHC92839789669051322322又00441058821329056966913290588201301158827282395695697928392222261612CCCCCCCCRCAQIRNCRMBHA计算得到临界坡降004410CI；由于泄流时水流流速较大，为不影响隧洞的泄流能力，隧洞应做成陡坡，鉴于坡度太大施工不便，底坡取0060CI。3洞内水面曲线由能量方程222CCCHHGQHH计算求第36页共43页MHHHMHPHHPSMQMPCCC8342933208925795486948694560813933200813456015501015501/57957669456627532810222113所以收缩断面水深MHC8342以收缩断面为起始位置，依次向下游计算平洞段水面曲线；已知随洞底坡I0006洞宽B7M起始断面水深HC2834M粗糙度N00130断面流速不均匀系数051计算水深为21,HH两个断面的特性流量21,KK和均匀流时的特性流量0K用下式RACIQK均匀流的特征性流量1110074004416690IQK又计算得PCPCPGBCIJ222004508970060051第一、第二两断面间的距离111221XFXFJXXAILFX在水工隧洞的设计理论和计算表17中查找两断面的特性流量）水深为212102201121,HHKKKKXKKXXXA1212HHXXA146690412407716761LM第37页共43页8658104936037516582LM9168004952098716333LM6061580992107215984LM96815409879062715685LM581760494038815506LM用内插法求IXF查表17水工隧洞的设计理论和计算202702002043020270255402002501XF207201XF202702002208020270255402002501XF224602XF202702002409020270255402002503XF245803XF25540250261302554030950250304XF267604XF309503030303095036540303505XF312905XF3095030345503095036540303506XF360406XF365403503670036540423703504007XF385207XF4掺气后水深AHHHHA第38页共43页322GAPQKHGRVKHHKK取0006P湿周Q校核流量A掺气前过水断面面积当ML000时MHMHA094483422612618381989668126698342006032当ML14669时MHMHA15394431539411539412189136693006032当ML011151时MHMHA245442304541045414228941366923006032当ML927231时MHMHA35374439537953708238981366943006032当ML533390时MHMHA60774838077408077406268961466983006032当ML501545时MHMHA897434246974406974404298941566924006032当ML082622时MHMHA052544652065208308981566944006032第39页共43页计算表（一）H米A72HPPAR61R611RNCR2834198412671566107882895125143021131615410832833231271322241341671610894838129334238138172461095184238131323826614618219110515850121349842294154190911113885676138174430815819494111778597513962计算表（二）HRACK0KKXXFPC2C1212HHXXAPC2J282420581020430207230222397022080224612835831096907110099453814624217322427120240902458132835615698252010055289823804