电站取水坝头初步设计——毕业设计

XX河电站取水坝头初步设计科类工科学号毕业设计XX河电站取水坝头初步设计姓名指导老师职称学院水利水电工程建筑学院专业水利水电工程年级提交答辨日期1XX河电站取水坝头初步设计摘要XX河电站工程位于凤庆县城东北部、距县城58KM的小湾镇境内的XX河上，海拔在9872804M,年平均气温135，年平均降雨量1503MM，电站装机2000KW（21000KW），XX河电站取水坝头位于XX河上游，距厂址25公里，坝型为浆砌石重力坝，枢纽工程有溢流坝，进水闸，冲沙闸，防冲设施组成，进水闸过水能力为18M3/S，坝高62M,坝长20M,是一座无蓄水作用的取水坝。关键词初步设计XX河取水坝头ABSTRACTPANXIANGRIVERHYDROELECTRICPROJECTLIESINTHENORTHEASTOFFENGQINGCOUNTYANDSTANDSBYPANXIANGRIVERINXIAOWANTOWNWICHIS58KILOMETNOSFARFROMFENGXINGCOUNTYTHEELEVATIONABOVESEALEVEL9872084METRESYEARSAVERAGETEMPERATUE135OC,YEARSAVERAYERAINFALL1503MMMAXCONTENT2000KW21000KWPANXIANGRIVERHYDROELECTRICSTATIONMAKESUSEOFTHEWATERFROMTHEUPOFPANXIANGRIVERWICHIS25KMFARFROMITTHEFARMEISASTRONGDAMWICHISUPOFSTONESANDCONTRESTHISHUBISMADEUPOFFLOWINGDAM,INTAKEFLOODGATEDECREASINGSTONESFLOODAGEANDPROTECTINGEQUIPMENT18M3/SWATERGETSTHROUGHINTAKEFLOODGATEEVERYSECONDTHEHEIGHTOFTHEDAM62MTHELENGTH20MTHISISANOWATERSTONAGEDAMKEYWORDSPRIMARYDESIGNPANXIANGRIVREINTAKEWATERDAM目录2第一章工程概况3第一节综合说明3第二节水文气象4第三节工程地质5第二章枢纽工程设计6第一节工程等级划分6第二节水文水利计算6第三节大坝基本剖面设计15第四节大坝抗滑稳定计算18第五节大坝应力分析21第六节基础设计21第七节溢流剖面设计23第八节防冲设计25第九节水闸设计28附录I图纸32附录II参考文献36附录III致谢37第一章工程概况3第一节综合说明XX河电站工程位于凤庆县城东北部、距县城58KM的小湾镇境内的XX河上，属澜沧江水系1级支流，地理位置为东经1000353、北纬243954，海拔在9872804M,年平均气温135，年均降雨量1503MM。XX河电站取水坝头位于XX河上游，距厂址25公里,坝址山高谷深,河床成V形河谷,是一个较典型的，深切割、中山峡谷地貌，地质构造属澜沧江变质带,工程区属于多系时代不明的花岗岩、花岗片麻岩地区，为原岩浆变质而成工程区为澜沧江流域，坝址以上河道总长102KM，径流面积401KM2。地势由东南向西北倾斜，呈叶形，流域内河网水系发育。电站所在地为高山峡谷地带，属多雨区。按电站拟装机2000KW（21000KW）。在XX河上建取水坝一座，坝型为浆砌石重力坝，枢纽工程有溢流坝，进水闸，冲沙闸，防冲设施组成，进水闸过水能力为18M3/S。第二节水文气象4坝址邻近流域内，具有1977年设立观测至今的凤山水文站。由于流域海拔变化在10002766M之间，中高海拔的山区气候温凉，整个流域属中、低山地区典型的亚热带立体气候类型。流域多年平均降水量约1740MM，统计邻近流域内的凤山、搭拉箐雨量站的实测降水量资料，年降水量的80主要集中在汛期的511月份，多年平均降水日数163天，其中510MM的32天，10MM以上86天，降水时空分布极不均匀，年内具有干湿季节分明的特点。断面洪水主要是由径流区内的短历时大强度的暴雨产生。据邻近流域内搭拉箐降水站点的实测暴雨分析，暴雨多发生在79月份，短历时的多年平均最大1、6、24小时暴雨分别为312MM、542MM、829MM；最大1、6、24小时暴雨分别为489MM、876MM、1202MM。取水口处洪水特性一般为陡涨陡落的山区性洪水，起涨历时一般13小时，次洪历时一般不超过24小时，暴雨洪水基本同频。XX河电站坝址以上流域岩性多为石灰岩类，地貌形态大多为中山地貌，植被类型多为阔叶密林、针阔混交密林、灌草等。因设计流域内无任何实测泥沙资料，相邻流域水文站也无泥沙资料，鉴此，忙糯河电站泥沙特征值采用1999年由云南省水利水电厅、水利部天津水利水电勘测设计院航测遥感院编制的云南省土壤侵蚀图中的侵蚀模数进行估算。根据暴雨洪水资料及泥沙估算资料进行建筑物等级确定，溢流坝过水能力计算，进水闸出流计算，冲沙闸计算。第三节工程地质5工程区及其外围处于青藏滇缅印尼歹字型构造体系及纬向构造体系的复合部位，澜沧江深断裂带的南侧。地层以规模宏大的云县花岗岩基为主，呈环状产出，形成强烈的边缘混合岩化带，并有部分酸性岩脉分布；区内褶皱、断裂以东西向为主，局部部受北东向构造的复合干扰，构造线向东、北东弧形凸出，与澜沧江流向吻合；以断裂占居主要地位，褶皱很不发育，且规模小，多为北东向压扭性断裂伴生的次级构造形迹。坝址位于河床陡而河流急，高山深切河谷地貌，河谷两岸岩石陡峭，属三叠系中统忙怀组变质岩（T2M）为暗灰色、灰色黑云片麻岩、二长片麻岩、眼球状花岗片麻岩、黑云斜长变粒岩，局部为斑状黑云变粒岩，表层均全强风化呈砂土状，河谷部位有弱风化出露，第一层属于第四系残积坡，厚20米至25米左右。坝址两岸基岩出露，层理分明，节理发育，岩石硬度系数推测为F565，表面弱风化，地基承载力为F平均160210KPA。第二章枢纽工程设计6第一节工程等级划分XX河电站取水坝头是一座取水建筑物，无蓄水作用，引入流量为18M3/S，仅供21000KW机组发电，根据规范，永久建筑物的工程等级为V级，按照提高一级的设计原则，建筑物的工程等级为IV级。工程所在地处于山区，但由于坝高小于15米，上下游水位差小于10米，根据规范，防洪标准确定为10年一遇，校核为50年一遇。第二节水文水利计算一、年径流量计算1、参证站基本资料凤山站年径流量为3260万立方米，流域面积177平方KM，CV028，CS2CV。2、设计年径流量计算查150000军用地形图可得取水坝头以上流域面积为401平方KM。用水文拟法推求设计年平均径流（3260）/（3154106）23M3/S设Q参设F参7140查皮型曲线KP值表,得KP079,坝址处设计保证率P75的设计年平径流量为QPKP23079181M3/S设计年内分配的推求,由水文图集查得流域在分区枯水代表年的年内分配比,结果见下表7P75设计年径流量年内分配计算表月份年型345678910111212合计分配比0461882243443712412050100040161613年内分配M3/S0833441626743220902000703292经水文资料推求,在枯水年流域内来水能保证电站装机6个月的出力,说明来水基本能满足要求。二、设计洪水的推求1、基本资料由于流域内无洪峰流量资料，假定暴雨和洪水同频率，由暴雨资料来推求设计洪水，统计参数见表XX河电站统计参数名称1H624H1VC6V24VC取水口304662046039042XX河电站流域特征及产汇流参数表名称FKM2LKMBJCMCN取水口4501020441240600708XX河电站域特征及产汇流参数表WMMMWTMMFCMM/HRI主MME雨MM2001803061030产流相关参数流域土壤最大缺水量WM200MM流域土壤前期含水量WT180MM流域土壤平均下渗率FC30MM/H不平衡水量R60MM汇流相关参数CN、CM由下式计算产汇流参数值W0WMWTFICBJF10984476012601/NCNF0161KM1/N把有关流域特征参数及产汇流的相关参数代入公式得到W0、M1、N、K。2、产流计算由设计暴雨过程，采用初损后损法列表计算“扣损”，得各频率的产流过程，即净雨过程。（1）扣初损W0自降水第一时段起扣至满足初损量W020MM为止。（2）扣稳渗FC第一时段按扣除W0与未扣W0量的比值扣除FC，9其余时段按HTPFC时，则扣除FC，反之则扣除HTP值。（3）不平衡R与雨期蒸发E雨在扣除W0和FC余下的时段内平衡扣除。所求净雨过程见表（441）。XX河电站取水口设计净雨成果表表内单位MM频率HTP05P1P2P333P10P20T101204T11160903T1221130701T13954845738658473316T141058872593415T156148372810T1638281912T1727181004T181911043、汇流计算由以上求得汇流参数N、K值，时段T依次为0、1、2、3对应取T/K值查“水文计算图表集”的ST曲线查用表，得S1T曲线，求其1小时差值即为1小时无因次瞬时单位线1T。由净雨和瞬时单位线1T计算各频率标准的洪水成果见表10XX河电站（取水口）设计洪水过程成果表T（H）P02P05P2P333P10P20000200200200050005000511691132332101469802448374245203203134335631321528619812943132751512861751135224196102257147950615513467322012178671069114431829866448737623292148798527952243319912064543310377305143961524359112792191107744303011221316091462635725813167120736511301225141349525974232602011511080249035622918516912782408306207181178227523462691921791879274230024318917519795732266224183174207827222422131821732176271222521118217022752692217206182166237326822132051781662472267821120317616325712672210203175162266926522062001731612769264220520017316028692612204199172292031983020219831202197322013319934QMAXM3/S356313245220154116W24P104M3553477365324225173114、设计洪水成果的合理性检查（1）、用邻近流域内的搭拉箐雨量站实测暴雨资料检查搭拉箐雨量站19912004年（N14）实测的1、6、24小时短历暴雨均值，分别为312MM、542MM、829MM，与设计流域“手册法”查得的比较看1、6小时暴雨量均值比较接近，相对误差分别为38、15，24小时误差为25。两种方法比较，短历时暴雨比较接近，小流域洪水主要由短历时暴雨形成，说明“手册法”推求的设计洪水成果基本合理。（2）、与暴雨频率分析成果比较把“手册法”推求的本次设计洪水成果见表，换算为对应于设计暴雨的径流深进行比较，各时段各频率的洪水深均小于相应的暴雨深，各频率各时段间雨洪深协调，径流系数随设计频率的增大而逐渐减小，符合暴雨洪水的一般规律，成果合理。12XX河电站取水口雨洪深比较表表内单位MM畔香河设计流域项目P02P05P2P333P10P20H1961851684621483393Q1267235146131617466H6127114942867700587Q6970847651578397300H24183163133122967801Q24123106813719501384径流系数067065061059052048三、泥沙计算泥沙计算方法确定因设计流域内无任何实测泥沙资料，相邻流域水文站也无泥沙资料，鉴此，忙糯河电站泥沙特征值采用1999年由云南省水利水电厅、水利部天津水利水电勘测设计院航测遥感院编制的云南省土壤侵蚀图中的侵蚀模数进行估算。多年平均侵蚀模数估算XX河电站流域岩性多为石灰岩类，地貌形态大多为中山地貌，植被类型多为阔叶密林、针阔混交密林、灌草等。XX河电站取水口以上流域内分布无明显侵蚀区、轻度侵蚀区和中度侵蚀区。经量算，无明显侵蚀区（模数小于500T/KM2）的面积为13321KM2；轻度侵蚀区（模数5002500T/KM2）的面积为0KM2；中度侵蚀区（模数25005000T/KM2）的面积为129KM2。根据流域森林植被、流域坡度等综合考虑，对无明显侵蚀区模数取400T/KM2，轻度侵蚀区取1500T/KM2，中度侵蚀区取3750T/KM2。由此可求得XX河河电站取水口多年平均输沙量。根据下列公式，对设计断面多年平均输沙量进行估算。沙W沙MF沙SBBS式中、推）。多年平均输沙量（悬沙W多年平均侵蚀模数沙M侵蚀模数对应面积F质、推移质输沙量。分别为多年平均悬移、BSB为推移质与悬移质比例，据流域情况B取范围015030，本流域取020。14XX河电站取水口多年平均输沙量估算表项目位置多年平均输沙量W沙104T多年平均推移质输沙量104TWB多年平均悬移质输沙量104TWS取水口451075376多年平均固体径流估算XX河电站取水口多年平均固体径流按下式进行估算。（/）/固QSWRBR式中悬移质泥沙容重，取125T/M3SRSR推移质泥沙容重，取176T/M3BB忙糯河电站取水口多年平均固体径流745104M3。15第三节大坝基本剖面设计基本资料电站引水渠长15KM，比降为1/1000，压力前池进水口高程为1547M。一、水位库容曲线根据坝址地形进行水位库容计算水位（M）154715481549155015511552合计库容（M3）116148850112662621457191194水位库容曲线位10M位MZQ曲线16二、大坝尺寸确定根据浆砌石重力坝设计规范（SL2591）进行设计。由于工程所在地石料储量丰富，并对工区内的石料进行抗压强度试验，其强度超过100MPA，符合规范要求，坝型采用溢流浆砌石重力坝。1、初拟剖面尺寸大坝坝坡前坝坡为了左岸闸门的布置，上游坝坡为10。后坝坡为106，按规范,坝宽取810坝高,坝型属溢流坝,初拟坝顶宽15M。2、坝顶高程确定根据基本资料，前池进水口高程为1547,引水渠进水口高程为15485,水闸出水口采用陡坡消能,初拟高差为1M水闸进水口底板高程为15495M因大坝无储水作用,所以在设计中不考虑淤积,影响过水的淤积设冲砂闸进行解决,淤积高程为15495M根据测量地形图显示,现形河床高程为1547M,泥沙淤积厚度约为25M,坝基开挖至砂砾石层的高程为15445M,即大坝坝趾高程为15445M3、水闸闸孔尺寸确定由资料可知出孔流量Q18M3/S初拟闸孔尺寸1212M,经水文计算可知年平均径流量为181M3/S,按自由出流计算能满足引水渠流量要求H01M,HC1E,查资料得,101017Q020CHHGBE/H02040506075106206306450660705Q031521852125经计算,水闸闸孔1212M满足流量要求因大坝属溢流坝,且积水面积较小,因此在设计中不考虑风浪高度和安全超高,坝顶高程为154951215507M,坝高62M溢流坝堰上水头确定由洪水资料显示,防洪标准为10年一遇的流量为154M3/S,下游水位15465M,溢流坝段长20M假定P/HD133故可略去行近流速水头,即H0HHD,则设计水头下游流量系数为MMD0502,查水力手册,假定7K250HS/H020,所以是正确的。由于HS/H0105PUWF09357610非常情况K10F842、按抗剪断强度公式计算根据规范,50,9CF正常情况K30PAUW879053241769非常情况K25CF84经计算,初设的大坝基本剖面满足稳定要求第五节应力分析边缘应力计算本设计在应力分析中按工程运行期不利情况进行分析，在应力分析中,主要对坝趾,坝踵进行分析,只考虑坝基面的应力情况,在分析计算中不计入扬压力1、内力计算上游边缘43617173417621186M9807465167779521490KNM下游边缘22436173474176211808465167980712445MKNM2、水平截面上的正应力26TWSY6412590643（下游边缘受压）2MXIY2323、剪应力计算上游坝面41738900NPSYS下游坝面36029806222MXIXI经计算,上、下游坝面无剪应力水平正应计算上游边缘4170417NPSSX下游边缘98222061234MXIXI4、边缘主应力计算因上、下游坝面无剪应力，主应力面，作用在坝面上的水压力强度即为第二主应力值7412PS89XI上、下缘第一主应力141464146221PNSYS2349360892360112222MPXIYXI经分析计算,满足规范要求第六节坝体基础设计一、河床渗流分析由于大坝建立在河床的砂砾石层上，因此在透水层中有自由液面的渗流运动，为降低坝体基面的扬压力，防止出现基础的不均匀沉陷，对基础进行防渗处理。由于坝体是混凝土，所以坝基下的砂砾石层为平面渗流，淤积高度量5M,上游坝坡的渗流水头H（X、Y）H135M为等水头线,下游坝坡的渗流水头H为等水头线。L35422107M,根据MYX2规范,渗透系数取K006CM/S。根据平面势流流网特性,流场内平面流网的成正方形，每相邻两等势线间的势函数增量相等,等势线就是等水头,流函数增量等于两流线间所通过的单宽流量,两流线间的单宽流量保持相等,因此以坝体的淤积平面作为基准面,假设在坝基透水层内有10条等势线，有4条流线。任意网格内的等势线水头MH5091水力坡度4071/5/LHJ两等势线间距离JSI7平均渗透流速SCMMKU/140956124单宽流量MSCULQII/014073坝踵的渗透压强HIA23511坝体中心处渗透压强MB706坝趾的渗透压强MIC1831渗流流线下游水位上游水位泥沙淤积高程不透水基础砂砾石二、基础处理措施经渗流分析，砂砾石层下的岩基渗透坡降较小，渗流量不大，不会对坝体产生渗透变形，因此只对砂砾石层进行处理。为了减少渗流量，降低渗流对坝基基底的扬压力，加强坝体的抗滑稳定性，在坝踵和坝趾处设齿墙，根据渗透压强计算，前齿墙深度为3M,后齿墙深度为23M,根据规范,厚度为05M,后坡比为101,因大坝建在砂砾石层上,25为增强坝基的抗压强度,避免基础出现不均匀沉陷,在砂砾层上设03M的砼垫层,使整个基础连成一个整体。第七节溢流坝坝顶剖面设计经计算，堰上水头HD23M,上游坝面垂直面,堰顶原点下游曲线坐标方程为8510DDXY堰顶原点坐标DH7,堰顶曲线与下游斜坡线相切点坐标17096MXD1725HYD曲线坐标X0508121518202225283035Y00701603505207308910513416518825原点02,0,切点27,1426上游水位第八节、下游防冲设计为防止水流对下游河床的冲刷，影响坝体的稳定，在下游必须设置消力防冲设施，因河床的落差较小，所以在本设计中采用底流消能。一、消力池的水力计算由计算得，Q77M3/SM,堰上水头H23M,总水头T085M临界水深MGQHK821973227收缩水深试算求解HCCGQTH20流速系数取9试算成果表HC108070650691T04736638319488502第二共扼水深MGQHCC5831692087126012332池末水深MCT548消力池深度池外下游水位按堰流公式计算32GMBQHSD根据规范，M0502,下游河床B15M,50,7K1S001201BK经试算，MHT13池深MDTC940154设，即上游总水头5DT4HCCGQTH20经试算MC65328第二共扼水深MGQHCC9316508971265308123232出池水流水面落差计算，流速系数HGQZCT170930513950287122222MZDTC1305与假设数值接近，故采用池深D4消力长度计算自由水跃长度MHLCJ3165093696池长LJK481807采用消力池长为ML二、下游防冲细部设计消力池段池底与坝体垫层砼相接，厚度为03M,边墙为浆砌石,沿河床开挖岸坡支砌,顶宽04M,外坡为103,高度为15M,既是消力池墙,又是岸坡重力式挡墙,有保护两岸山体稳定的作用。在消力池外设一护坦，坡降为2，长15M，宽度以河床确定，采用浆砌石支砌，厚度为03M，在护坦末采用乱石消能。第九节、水闸基本尺寸确定按水闸设计规范（SL2652001）进行设计一、水闸高程确定根据工程枢纽布置的要求，水闸进水底板高程为15495M,为满足引水渠流量的要求,闸孔为1212M，闸墩顶高程为1553M,坝顶堰上29水头为23M,即闸门启闭高程为15535M,为保淤积不影响进水的要求,并对防洪提供保障,冲砂孔为1515M,冲砂闸底高程为15492M。二、水孔型式根据进水闸孔流量及洪水期堰上水头的要求，为了满足泄洪和引水要求，采用胸墙孔口型式。三、底板型式由于水闸闸室建在大坝的坝体浆砌石上，基础的受力分布均匀，抗滑稳定性良好，底板型式采用整体式底板，初拟底板长15H525M,取底板长为5M,因水闸底板在坝体浆砌石上,能满足强度和刚度要求,底板厚度取03M。闸底板与坝体的连接设前后齿墙,齿深05M。四、闸墩尺寸确定根据引水流量的要求，水闸为单孔出流，进水闸和冲砂闸在一岸连续性布置。为满足水力条件的要求，闸墩引水口为流线形，闸门为平板闸门，由于该流域的流量在枯水期较小，在枯期检修进水闸门，冲砂闸能满足泄水要求，在本设计中不必考虑检修闸门。根据规范，初拟闸墩尺寸，中墩厚度取1M，边墩取06M,门槽深度取02M,宽度取08M,流线段长075M。胸墙采用楔形板，厚度02M,胸墙与启闭设备的支承桁架连接在一起,形成固结式胸墙。闸门启闭设备采用螺杆式启闭机,为满足启闭设备操作和进水口烂渣的处理,在胸墙顶缘设一工作桥,采用悬臂式,宽度为2M,厚度02M。为防止漂浮物进入引水渠，引起渠道堵水，影响过水能力，因此在进30水口设一拦污栅，尺寸为1213M，倾角为15O。五、消能防冲措施为了防止在洪水期出闸的高速水流冲刷引水渠道，影响过水，在水闸下游设置消能设施，消力设施的主要作用是使高速水流平缓进入引水渠，因此只能采用底流消能，主要有消力池，海漫和防冲槽组成。由计算得，Q15M3/SM,堰上水头H35M临界水深MGQHK610895322收缩水深试算求解CCT20流速系数取9试算成果表HC050403020207T0106128187374351第二共扼水深MGQHCC3812078951207182332池末水深MCT4501消力池深