【《某水库土质心墙土石坝的枢纽布置设计计算案例》4300字】

某水库土质心墙土石坝的枢纽布置设计计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u31943某水库土质心墙土石坝的枢纽布置设计计算案例 1125941.1枢纽组成 1287951.2枢纽工程等别及建筑物级别确定 163191.3坝轴线选择 3150641.4调洪演算 4238721.4.1调洪演算的目的 440481.4.2调洪演算的基本原理及计算方法 5198281.4.3溢流堰尺寸估算 5277691.4.4调洪演算方案及计算成果 9163291.5枢纽布置方案 10194991.5.1建筑物选择 1035181.5.2枢纽布置方案选择 111.1枢纽组成根据冀河夹峪水利枢纽的流域规划及枢纽任务，该工程主要由斜墙土石坝（挡水建筑物）、溢洪道（泄水建筑物）、电站厂房（发电建筑物）、引水隧洞（引水建筑物）、放空隧洞（放空建筑物）组成。1.2枢纽工程等别及建筑物级别确定根据冀河流域概况资料，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017），确定枢纽等别和建筑物级别。（1）各分项等级确定根据流域概况基本资料和表1.1可知：水库总库容15.19亿立方米≥10亿立方米，故为Ⅰ等工程，工程规范为大（1）型；电站总装机容量1.8万KW，介于10MW至50MW之间，为Ⅳ等工程，工程规范属于小（1）型；结合防洪任务（保护人口、农田和当量经济）要求，枢纽为Ⅱ工程等别，工程规模属于大（2）型；（2）工程等别确定根据规范要求和该水利水电工程的特性，取各项目指标中最高等别作为该工程的最终等别。故本枢纽工程为Ⅰ等工程，工程规模为大（1）型；（3）水工建筑物的级别确定根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）得永久性水工建筑物级别的划分如表1.2所示。本枢纽工程确定为Ⅰ等工程，故该枢纽中的主要建筑物级别均为1级。（4）永久性水工建筑物洪水标准确定根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）得山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准如表1.3所示。对本次工程中的所有1级永久性建筑物，设计洪水重现期取1000年，校核洪水重现期取10000年。表1.1水利水电工程分等标准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＜10表1.2永久性水工建筑物级别的划分工程等别主要建筑物次要建筑物Ⅰ13Ⅱ23Ⅲ34Ⅳ45Ⅴ55表1.3山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准[重现期（年）]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5000～20002000～10001000～500500～200200～1001.3坝轴线选择根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274——2020），坝轴线选择应满足以下要求：（1）坝轴线应进行多方案比选，以坝址区地形地质条件、坝基处理方式、坝型、枢纽中各建筑物的布置和施工等内容作为选择的依据；（2）坝址选择应尽可能避开不良地质条件；（3）应采用直线作为坝轴线。如若必须选用折线时，应用曲线将转折处光滑连接。地区的设计地震烈度高达8度或者9度时不宜采用折线。通过对流域地形地质、坝型坝基、施工条件、经济等各方面进行比对，初步选定两种方案，最终选定出最佳的坝轴线。表1.4是两种方案坝轴线的比较方案：表1.4坝轴线方案比较表方案一方案二坝轴线1-1坝轴线2-2坝轴线坝型土质斜墙坝土质斜墙坝地形地质条件1-1坝轴位于河流上游，为河谷收缩段。左岸有一凹形山谷，不利于坝体布置。河床基岩完整坚硬，其岩性越往下游越好，岩石风化层较薄。2-2坝轴线在1-1坝轴线下游侧，坝轴线相较后者短，河谷基岩也更为完整坚硬，两岸山体厚实，岩石风化层薄，利于坝体布置坝基处理坝址左岸为一凹形山谷，两岸山体单薄，增大填筑料和坝基处理工作量两岸为凸形山体，山体厚实，岩性完整坚硬，填筑料和地基处理工作量小枢纽布置坝址区左右岸有两个垭口，左岸垭口可布置溢洪道，右岸垭口有较深的岩石风化，强度较差，可在右岸垭口处布置导流隧洞、引水隧洞、放空隧洞和电站厂房等坝轴线两岸区域均有垭口，右岸垭口可布置引水隧洞和水电站，左岸垭口处可布置溢洪道、放空隧洞和导流隧洞结合工程投资较大较小总工程量较大较小由表1.4中两种坝轴线方案比选结果，方案二较方案一地形地质条件更好，工程投资和总工程量也相对更小，选择方案二坝轴线为最终的坝轴线。1.4调洪演算1.4.1调洪演算的目的（1）通过调洪演算，判断不同工况下的水库水位及其对应的下泄流量是否满足工程的防洪需求；（2）通过调洪演算下泄流量的计算结果，确定溢洪道的泄洪方式及其孔口尺寸。1.4.2调洪演算的基本原理及计算方法跟据《工程水文及水力计算》（第二版），水库的调洪演算是基于水量平衡方程和动力平衡方程条件进行的。水量平衡方程指的是，在某段时间内，水库蓄水量的变化值应等于该段时间内入库水量与库水量差值。水量平衡方程式如式（1.1）所示： （1.1）式中：，——该计算时段的始、末入库流量，；，——该计算时段的始、末出库流量，；，——该计算时段的始、末水库蓄水量，；——计算时段，s。动力平衡方程是指泄洪建筑物的泄流能力与水库库容成函数关系，动力平衡方程式如式（1.2）所示： （1.2）通过联立（1.1）、（1.2）两个方程进行调洪演算，在入库洪水基础上推求水库下泄流量过程。本次调洪演算采取列表试算法，利用Excel进行迭代计算，计算结果精度精确到0.001。1.4.3溢流堰尺寸估算1.4.3.1溢流堰孔口宽度溢流堰孔口净宽度可按式1.3初步拟定： （1.3）式中：——满足下游河道防洪标准的最大允许下泄流量，m³/s；——由坝址地质条件确定的允许单宽流量，m³/s。由于缺少工程数据，需对溢流堰孔口宽度进行估算。溢流坝孔口净宽取值在40-50m之间。根据工程经验以及冀河夹峪水利枢纽水库地形图。闸孔一般设计为奇数孔，分别对闸孔设计为5×8、5×9、5×10进行设计计算。结合1.4.3.2堰顶高程进行计算。经计算可得三种方案计算结果，最终选取溢流坝孔口净宽为50m。1.4.3.2溢流堰堰顶高程计算堰顶高程计算采用设计水位减去相应最大堰顶水头，通过实用堰流量的基本公式得出最大堰顶水头计算公式1.4如下： （1.4）式中：QUOTEQ——允许下泄流量，m3/s，设计工况为5800m³/s，校核工况为9000m³/s；——堰顶水头，m；——初步拟定孔口总净宽，m，取40m（8×5）、45m（9×5）、50m（10×5）分别进行试算；——流量系数，取0.502；——重力加速度，9.81m/s²；——淹没系数，取1.0；——侧收缩系数，根据公式（1.5）计算，其中闸孔数=5，闸孔净宽分别取8m、9m和10m进行试算，边墩系数=0.7，中墩系数=0.45，为堰顶水头。联立式1.4、式1.5进行迭代计算，分别对孔宽40m、45m、50m进行计算。计算结果如表1.5、1.6所示。为减少开挖量，最终选定溢流堰孔口尺寸为10m×5，溢流堰孔口净宽为50m，为宽浅式闸门。取堰顶高程为186.4m。表1.5溢流堰堰顶高程计算表（设计工况）设计工况：流量Q=5800m³/s净宽B=40净宽B=45净宽B=50堰顶水头侧收缩系数堰顶水头计算公式计算堰顶水头侧收缩系数堰顶水头计算公式计算堰顶水头侧收缩系数堰顶水头计算公式计算1.00000.99000016.31551.00000.99000015.08341.00000.99000011.060316.31550.83684518.249915.08340.84916616.708111.06030.85939715.450918.24990.81750118.536716.70810.83291916.924715.45090.84549115.619918.53670.81463318.580216.92470.83075316.954115.61990.84380115.640718.58020.81419818.586816.95410.83045916.958115.64070.84359315.643318.58680.81413218.587816.95810.83041916.958615.64330.84356715.643618.58780.81412218.587916.95860.83041416.958715.64360.84356415.643718.58790.81412118.588016.95870.83041316.958715.64370.84356315.643718.58800.81412018.588016.95870.83041316.958715.64370.84356315.6437设计堰顶高程183.4120设计堰顶高程185.0413设计堰顶高程186.3563表1.6溢流堰堰顶高程表（校核工况）校核工况：流量Q=9000m³/s净宽B=40净宽B=45净宽B=50堰顶水头侧收缩系数堰顶水头计算公式计算堰顶水头侧收缩系数堰顶水头计算公式计算堰顶水头侧收缩系数堰顶水头计算公式计算1.00000.99000021.86811.00000.99000020.21661.00000.99000018.845321.86810.78131925.606420.21660.79783423.344818.84530.81154721.515525.60640.74393626.457223.34480.76655223.975721.51550.78484522.000826.45720.73542826.660823.97570.76024321.108122.00080.77999222.091926.66080.73339226.710221.10810.75891921.136222.09190.77908122.109226.71020.73289826.722121.13620.75863821.142122.10920.77890822.112426.72210.73277926.725121.14210.75857921.143422.11240.77887622.113026.72510.73274926.725821.14340.75856621.143722.11300.77887022.113226.72580.73274226.725921.14370.75856321.143722.11320.77886822.113226.72590.73274126.726021.14370.75856321.143722.11320.77886822.113226.72600.73274026.726021.14370.75856321.143722.11320.77886822.1132校核堰顶高程176.2740校核堰顶高程178.8563校核堰顶高程180.88681.4.4调洪演算方案及计算成果1.4.1.1调洪演算方案方案一：溢流堰净宽B=50m，堰顶高程186.4m；方案二：溢流堰净宽B=50m，堰顶高程180.9m。1.4.1.2调洪演算计算结果表1.7调洪演算方案计算结果对比表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根据流域基本资料可知：设计工况下的最高洪水位为202.0m，校核工况下最高洪水为203.0m。对应最大下泄流量分别为5800m³/s和9000m³/s。表1.5中方案一和方案二两种工况的最高洪水位和最大下泄流量计算结果均在枢纽防洪任务要求内，均可采用。但是相较方案二，方案一堰顶高程较高，能够有效减少工程量，缩短工程时间；而且堰顶闸门能够很好满足宽浅式闸门准则。综合上述考虑，选择方案一作为调洪演算结果。图1.2和图1.3分别方案一的调洪过程线。图1.2方案一设计洪水调洪演算过程线图1.3方案一校核洪水调洪演算过程线通过调洪演算，在方案一设计工况下，溢洪道下泄流流量=4736.83m³/s，对应下游水位148.89m；校核工况下，溢洪道下泄流流量=6423.80m³/s，对应下游水位149.35m；正常蓄水位对应的下游水位146.30m。1.5枢纽布置方案1.5.1建筑物选择坝型选择挡水建筑物的坝型主要有重力坝