【《某心型土石坝水利枢纽地质条件及枢纽布置分析案例》10000字】

枢纽布置4.1枢纽组成翼河夹峪水利枢纽设计土石坝心墙工程正常运行，需布置以下建筑物，有引水建筑物（引水隧洞），发电建筑物（水电站），导流建筑物（导流隧洞）还有泄水建筑物（溢洪道）与放空建筑物（放空隧洞）此枢纽布置的挡水建筑物为（土石坝心墙坝）。4.2确定枢纽等别和建筑物级别根据工程建设任务和水文资料，工程下游350万亩农田防洪。根据洪水路径计算，本工程洪水下最大库容为15.14亿m³，依照《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）各效益指标对应的不同工程等级的最高等级，确定工程等级为Ⅰ级，工程规模大（1）型。根据工程程度和永久性水工建筑物的重要性，本工程的主要水工建筑物确定为Ⅰ级，因此，拦水坝、泄水建筑物、放空建筑物，发电建筑物和工程导流建筑物均为Ⅰ级。根据永久性水工建筑物洪水标准资料，本工程洪水重现期为一千年年，防洪重现期为一万年，即设计洪水为千年一遇，防洪为万年一遇。表4.1永久性水工建筑物级别工程等别主要建筑物次要建筑物Ⅰ13Ⅱ23Ⅲ34Ⅳ45Ⅴ55表4.3山区、丘陵区水库工程永久性水工建筑物洪水标准项目永久性水工建筑物级别12345设计/[重现期(年)]1000～500500～100100～5050～3030～20校核洪水标准/[重现期(年)]土石坝可能最大洪水(PMF)或10000～50005000～20002000～10001000～300300～200混凝土坝、浆砌石坝5000～20002000～10001000～500500～200200～100表4.2水利水电工程分等指标工程等别工程规范水库总库容/108m³防洪治涝灌溉供水发电保护人口/104人保护农田/104亩保护区当量经济/104人治涝面积/104亩灌溉面积/104亩供水对象重要性年引水量/108m³发电装机容量/MWⅠ大（1）型≥10≥150≥500≥300≥200≥150特别重要≥10≥1200Ⅱ大（2）型＜10，≥1.0＜150，≥50＜500，≥100＜300，≥100＜200，≥60＜150，≥50重要＜10，≥3＜1200，≥300Ⅲ中型＜1.0，≥0.1＜50，≥20＜100，≥30＜100，≥40＜60，≥15＜50，≥5比较重要＜3，≥1＜300，≥50Ⅳ小（1）型＜0.1，≥0.01＜20，≥5＜30，≥5＜40，≥10＜15，≥3＜5，≥0.5一般＜1，≥0.3＜50，≥10Ⅴ小（2）型＜0.01，≥0.001＜5＜5＜10＜3＜0.5＜0.3＜104.3坝轴线选择根据老师给的水库地形图资料，依据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的规定：1坝轴线的选择应根据坝区的地质和地形条件、所选坝型、坝基处理方法、坝内各种建筑物（特别是溢洪道）的建造和容纳情况，通过多种方案的技术经济比较确定；2号坝轴线应顺直，当线路断开时，曲线段应位于转折点，该线路不适用于8、9级地震烈度区；3如果坝址存在喀斯特，软粘土、重大缺陷等不良地质条件，必须尽量避免。通过对地形地质、坝基、施工条件、经济性等方面的比较，预先选定了两种方案，最终选定了最佳坝轴线。下图是两条坝轴线的示意图：图4.1两种坝轴线方案示意图两种坝轴线方案比较如下表：表4.4坝轴线比选坝轴线方案一：1-1坝轴线方案二：2-2坝轴线坝型土质心墙坝土质心墙坝地形条件1-1水库轴线位于冀河夹峪中部，两岸有岩体突起，河谷较小，有利于水库布局。2-2水库的轴线位于冀河夹峪的第一处，右岸为突起的岩体，左岸为凹陷的岩体，增加河谷的宽度，对水库的配置不利。地质条件1-1坝轴线河谷地基岩石较完整坚硬，表面的风化层较薄且两岸得岩体稳定2-2坝轴线区域河床地基岩石较坚硬完整，越往下游岩性越好，岩石风化层较薄坝基处理两岸为凸起岩体，增大坝肩的稳定性，减少坝体填筑料和地基处理。左岸凹进，坝肩岩体单薄，增加了填筑材料和地基处理，加大工程量施工条件两岸为凸起岩体，减少了坝体填筑和地基处理，减少了施工时间左岸凹进岩体，增加了坝体填筑和地基处理，导致施工时间延长枢纽布置坝轴线两岸区域均有垭口，右岸垭口可布置引水隧洞、水电站，左岸垭口处可布置溢洪道、放空隧洞、导流隧洞坝轴线两岸区域均有垭口，右岸垭口可布置引水隧洞、水电站，左岸垭口可布置溢洪道、放空隧洞、导流隧洞工程投资工程投资成本较小工程投资成本较大依据老师给的坝体图和资料，对两种方案做出了判断和确定，方案一优于方案二，考虑到经济成本与时间成本还有坝体的安全问题，固选用方案1-1作为此工程的坝轴线。4.4调洪演算、确定洪水位及溢洪道长度4.4.1确定闸孔及堰顶高程确定控制段闸孔的宽度 通常泄水建筑物有深孔，中孔、表孔式，其孔口总净宽建议设置在40米～50米范围。本工程采用了表孔方案来进行泄水，控制断面溢流堰为实用堰，结合坝址附近地区地形图。为经济时间成本考虑减少工程量不深挖，将溢流堰上孔口闸门改为宽浅式孔闸门。（二）堰顶高程的确定堰顶高程的确定需要设计水位减去相应的最大堰顶水头，最大堰顶水头是参照堰流的基本计算公式且在最大下泄流量情况下求得。即： H=Qσ式中：Q—允许最大下泄流量，m3/s，设计工况取5800m3/s，校核工况取9000m3/s；H—堰顶水头，m；B—初步拟定孔口总净宽，m，取50m；m—流量系数，取0.502；g—重力加速度，9.81m/s²；σs—淹没系数，取1；σc—侧收缩系数，根据公式

计算，其中ξk为边墩系数取0.7，ξ用迭代法计算最终确定设计堰顶高程为186.4m校核堰顶高程为180.9m。4.4.2调洪演算的计算原理及方法调洪演算主要是为了确定设计洪水和校核洪水对应的设计洪水位和校核洪水位，以及确认不同劳情况下的下泄量是否符合防洪标准。另外，通过调洪演算计算出的下泄流量，对于选定排水建筑物的排水方式和孔口尺寸很方便。水库的调洪演算是在水量平衡方程和动力平衡方程的条件下进行。所谓水量平衡方程式，是指在某一期间内，从人库的水量中减去出库水量，相当于在该期间内水库增加或减少的蓄水量。水量平衡的方程式如下。 Q1+Q式中：Q1，Q2——该计算时段Δt的始、末入库流量，m3/s；q1，q2——该计算时段Δt的始、末出库流量，m3/s；V1，V2——该计算时段Δt的始、末水库蓄水量，m3；Δt——计算时段，s；动力平衡方程是指泄洪建筑物的泄流能力q与水库库容V成函数关系，即：q=fV以上动力平衡方程式与水量平衡方程式这两种计算方式可以进行调洪演算，用入库的洪水流量求下泄流量过程，在此计算过程中需要用到Excel单变量求解进行迭代辅助的计算，在此次设计中用列表式算法来进行调洪演算。4.4.3确定洪水位（一）基本资料图4.2洪水过程线图4.3水位-库容曲线此次翼河夹峪水利枢纽设计主要任务是防洪，其次是发电。因老师给定的资料与要求得知，在调洪演算中需筹备制定两种方案。在设计洪水时和校核洪水时的最高水位与允许的下泄流量分别为，设计洪水时最高水位不能超过202米，允许的下泄流量为5800m³/s在校核情况下为最高水位不得超过203米，允许下泄流量为9000m³/s，由资料给出确定起调水位选正常高水位191.8米。方案一：堰顶高程取186.4m，孔口净宽取50m方案二：堰顶高程取180.9m，孔口净宽取50m（二）调洪演算成果表4.5调洪演算成果方案计算工况堰顶高程m溢流前缘总净宽m最高洪水位m最大下泄流量m³/s方案一设计洪水186.450199.794736.83校核洪水186.450202.926423.80方案二设计洪水180.950196.915557.70校核洪水180.950200.267402.31根据公式和计算确定了两种方案的堰顶高程，选定好了溢流前缘总净宽度与最高洪水为还有最大下泄流量。由资料给出设计最高洪水位与校核最高洪水位最大不能超过202米和203米，选定出的两种方案均未超过枢纽防洪要求，下泄流量均未超过防洪要求（设计洪水5800m³/s，校核洪水9000m³/s）。设计洪水位分别为199.79米与196.91米，校核洪水位分别为202.92米与200.26米都符合。下泄流量也均未超过枢纽防洪要求（故两种方案均满足枢纽防洪要求）。由于方案二的地形地貌原因，高程比方案一低，增加了工程量，时间成本和经济成本。综合考虑，选择方案一为最终调洪演算成果。调洪演算最终选定结果如表4.5。表4.6调洪演算成果汇总堰顶高程溢流前缘总净宽设计洪水位校核洪水位最大下泄流量（m）（m）(m)(m)(m3/s)186.450199.79202.924736.83（设计）/6423.80(校核)图4.4设计洪水调洪演算成果图图4.5校核洪水调洪演算成果图4.5建筑物类型选择及枢纽布置方案4.5.1建筑物类型选择水库所在的岩体和基岩几乎都是片麻岩花岗岩。两侧的编织岩石层相对较薄。河流表面有细砾，左岸岩体表面有薄层黄土，总体上保护区岩石较坚硬，矿物含量很少，所以具有良好的保护基础，可以修建混凝土坝和土石大坝（一）重力坝重力坝主要通过水库自身的重量和水库的摩擦阻力和水库和地基的凝集力共同抵抗水库前的水压，保持水库的防滑稳定。重力水库的上游是斜面的情况下，也可以利用上游的一部分水体重量来提高水库的稳定性。重力水坝被广泛使用的理由是，重力水坝从水坝的屋顶流出，在工程中可以从底部和低洼水坝流出。重力坝的建设对气候条件的要求不高，在寒冷地区重力水库的结冰性比水库和支柱水库好。重力水库形状的断面简单，混凝土容易流入，机械化工程容易，工作效率提高。重力坝的建筑经验和设计比较丰富，同时重力坝的使用年限长，工作可靠性高，后期修理费用低。地基比土石坝高。重力坝的主要缺点：由于水库的比体积大，需要大量的混凝土，导致材料的强度不能充分利用，由于重力水坝的底面积大，水坝的扬压大，水坝的有效重量减少，对水坝的稳定不利，重力坝的成本比土石坝要高很多。拱坝拱坝是一种壳体空间结构，在水平拱顶的上游形成一个弓形拱圈，在纵断面上是一个以坝址为基础的梁系，拱坝可视为一个由半径和圆弧组成的体系，在垂直方向上，可分为若干垂直梁，梁的下端以坝为基础支撑；在水平方向上，可分为若干弧形环。拱圈的两端由岩石底座支撑。拱形坝上的荷载一部分通过拱的作用转移到两侧岩体上，另一部分通过梁的作用转移到坝基上。拱坝的优点：拱坝是一种统计上不确定的结构，具有巨大的超载能力和很强的应力控制能力；拱坝的体积比水泥坝小，在同一高度下，拱坝的水泥体积比重力坝少1/3～2/3左右；拱坝是一个完整的空间结构，具有良好的弹性和韧性。当坝体稳定时，拱坝的抗震能力较高。拱坝的缺点是：拱坝对坝址和河谷地面的地质要求较高，一般以V型谷相适应，因此对两岸坝岩体的稳定性要求较高；拱体形状复杂，施工要求高，坝段薄，对坝料的抗力和防渗要求高；拱坝的应力受岩体变形和温度变化的强烈影响；拱坝施工的偏斜比重力坝施工的偏斜更为复杂，必须一次截流，另开一条导流隧洞。土石坝土石坝是利用土、石和当地混合料经碾压、倾倒而成的一种维护坝，故又称之为材料坝，其有着几千年的筑坝传承，是最早的坝体之一，接下来通过资料分析得到的土石坝的属性。土石坝的主要优点：土石坝是最古老的一种坝型，当地很多土料都可以当成建筑材料，所以减少了筑坝材料的长途运输和经济成本，土石坝坝体为土石颗粒结构，对各种因素环境要求比较低。且施工起来简单不复杂，便于联合机械快速施工，大坝结构相对简单，对于建成后的扩建和维护都很便利。工期短，经过多个大坝研究，高土石坝他的抗震性能远远超越混凝土坝。土石坝的缺点：坝身不能溢流，施工导流不如混凝土坝方便，粘性土料的填筑受气候等条件影响较大，影响工期，坝身需定期维护，增加了运行管理费用。根据本工程坝址区域地质地形图，右岸较陡，左岸较平坦。该区河谷不对称，不符合V形河谷的要求和修建弧形坝的条件；坝区基岩坚硬，岩性好，适合重力坝施工。但由于混凝土单价高，基础处理要求比土石坝高，重力坝的建设不是一个好的选择；坝区附近重料场、碎石料场较多，库容较大。各料场土质平坦开阔，开采运输条件好，降低了土料运输成本，土石坝的修建有利于节约工程造价，土石坝具有相当的优越性，因此最终确定本工程的水利结构为土石坝。4.5.2其他建筑物类型选择水电站由老师给定的材料得出，因翼河夹峪水利枢纽坝址地形地貌原因不宜设置成坝式水电站，此次设计水电站类型布置为引水式水电站，并选用引水隧洞式引水建筑物。泄水建筑物因水库的地形地貌原因，其左岸有天然的垭口，适合修建泄水建筑物，故本枢纽工程采用岸边式溢洪道；水库放空建筑物选用有压式隧洞，导流建筑物采用隧洞导流：为了省区时间成本和经济成本可以减少隧洞的开挖量并且，可以考虑与导流隧洞结合使用。（二）水电站因为土石坝不宜布置为坝式水电站，故本设计中采用引水式水电站。引水建筑物选用引水隧洞。4.6最优枢纽布置方案的选定4.6.1枢纽布置方案翼河夹峪水利枢纽土石坝心墙设计中，主要的建筑物有七种，其中包涵设置在左岸右岸的土石坝（挡水建筑物）电站厂房（水电建筑物）因水库的地址原因