【《青河雷口水利枢纽主要建筑物的设计案例》6400字】

青河雷口水利枢纽主要建筑物的设计案例1水利枢纽设计资料1.1流域概况与枢纽任务青河的水源来自于元县，河流通过三叉口县、张谷县、米城县、康镇等地点流至合县的西南面，从此处注入黑河（图1.1），河流长约230km，青河的总流域面积约为5000km2。该河流地处山区，河流区域为山岭地形，基本不存在平原地形，只在元县及康镇的附近有一小片平原。三叉口县上游河流坡降为1/600，下游坡降为1/1000。流域降雨丰富，合县的雨量多年平均计算后为1000mm，所以河流水量充足，多年平均后河流流量为100图1.1枢纽位置河流两岸居住人口较为集中，区域内共有4.1×105人，97%的居民是农业人口。农业用地在大坝上游约有在河流上游的山区发现了铜、银、锌、镁、铝等一系列的丰富矿藏。但该地区没有能源生产，矿藏都仍在使用土法进行开采。又因为地区内交通不便，公路仅在合县至元县之间，其他地点仅有人行道，道路运输仅能依靠人力与畜力。张谷下游水运可行运20吨以下的小型船只。上游少有森林，且没有筏运要求，河流左岸交通相对于右岸而言比较方便，在右岸仅有山间小道。雷口枢纽位于合县上游4km处。根据经济情况进行的流域总体规划的要求，本枢纽将设计作为一项综合利用型工程，以防洪、发电为主要作用，并综合考虑改善当地灌溉。（1）防洪：预防上游洪水威胁，保证下游居民及产业安全，这是设计该枢纽的其中一个主要任务。下游泄流的要求是，在上游按照设计标准来水的情况下其安全泄流量为5.3×103m3/s（2）发电：设计用价格较低的能源来开发矿产，这是整体计划中近期的主要任务之一，电站生产的电力将用于采矿以及当地居民用电。电站的总装机容量为2.4×108W，设置三台水轮机机组，每台机组最大引用流量为3.3×10m3/s。初步估计计算电站厂房的尺寸为宽13m长48m，占地总面积624平方米。机组之间的距离为10.45m，水轮机安装高程为（3）灌溉:灌区位于坝址下游的右岸,区域内农作物主要有小麦、玉米、水稻等粮食作物以及棉花等原材料作物，农田面积约共有7.5×105亩。一部分农田区域所在地的高程较低，可用电站发电排出的尾水灌溉，但仍存在一些地理位置较高的农田区域不能使用尾水，这些较高的农田区域所需的流量如下表1.1所示。根据灌溉的技术要求，灌渠起点处的水面位置在引水流量最大时不得低于灌溉时间4月中旬4月下旬5月中旬5月下旬6月中旬6月下旬7月中旬灌溉流量（立米/秒）22.116.723.51519.51916表1.1灌区所需灌溉流量（4）航运：为方便商船通过大坝，通航建筑物需要设置驳道，其最小的宽度为5000mm。根据有关水利部门以及实际情况的要求，确定水库的正常蓄水位为2.322×102m，防洪限制水位为2.258×1.2坝址地形枢纽坝址经设计研究后选择布置在河道上的雷口峡谷处，此处位置附近的河谷地形较为宽阔，坝轴线2.35×102m高程处的两岸距离约5.4×102图1.2坝址地形图图1.3坝址地质剖面图水库的高程与容积以及面积的关系如表1.2所示高程（米积（106平方米）0.22.65.47.819.230.6容积（108立方米）0.080.150.350.681.352.65高程（米）220225230235240面积（106平方米）37.041.043.043.544.0容积（108立方米）4.156.18.110.512.8表1.2水库高程与容积、面积关系1.3坝址地质坝址处的地层属于震旦纪时期的岩层，因为岩层年代较久，至今已经历经了很多的地层运动，岩层的层内结构较为细密紧凑，但也因为如此，其内部节理发达，且有石英岩侵入岩层，该岩层的强度受到一定影响，其走向大致与河道流向相平行，并且没有发现较为明显的断层。选址处基础的岩层分布如图1.3所示，其中：(f为摩擦系数)(a)绢绿石英片岩——主要分布于选址处的左岸以及河床处，岩层质地非常坚固，其抗压强度为0.9～1t/cm2，(b)云母石英砂质片岩——分布在选址处的右岸，在表层有些微的风化，强度仍然较好，抗压强度为0.6～0.8t/cm2，(c)片状石英岩——风化程度很轻，分布在河床的底部，与绢绿石英片岩间隔存在，层厚约3000～5000mm。抗压强度为0.9～1t/cm2，(d)片岩——主要分布在马鞍状地形地区下部，地层岩石的强度较高，但其节理非常发达，并且有一些风化。(e)砂质粘土及卵石——分布在河床底部，在粘土层上第四纪砂卵石覆盖层，厚度为2000mm；马鞍状上部覆盖层为粘土，厚度为5000～10000mm；右岸为砂质粘土覆盖层，厚度为6000～10000mm。由于岩层走向大致与河流平行，层内层间的节理裂隙比较发达，沿层面裂隙方向易于发生渗漏，同时对开挖沿河流顺流方向的隧洞也比较不利。选址处基岩的单位吸水率一般为0.0167～0.83ml/s，左岸片岩区达11.67ml/s，河流右岸的砂质粘土覆盖层的渗透系数k=0.005cm/s。对于流域所在地区，根据中国科学院的多年统计数据资料，其地震强度为5度左右。混凝土与基岩接触的抗剪断摩擦系数为f‘=0.6，其抗剪断粘结力为c’1.4水文气象1.4.1.水文资料青河的主要水来源为流域降雨，由于雨量丰富，故河流水量较大，河流年平均流量接近1×102m月456789101112123流量（立米/秒）6080911831401701353522151432表1.31950—1975年月平均流量时间（小时）04812162024流量（立米/秒）5945112052400540065005700时间（小时）28323640444852流量（立米/秒）4850415034502760220817301295时间（小时）5660646872流量（立米/秒）98069943523479表1.41954年实测洪峰过程根据大坝选址处附近的水文测站记录的数据及对历史洪水的调查，综合考虑气象、地理等影响因素，确定各频率下最大的洪峰流量见表1.5。频率（%）0.10.512510夏秋季1158098009050850074506450冬春季340300表1.5各种频率的最大洪峰流量（立米/秒）大坝选址处的水位与流量关系，见图1.4所示。另外，河流在枯水期的最大流量为1100m图1.4坝址水位流量关系1.4.2.气候情况流域气候较为温润，年平均温度为1.7×10摄氏度，最低月平均温度为5摄氏度,很少会出现河流冻结的现象，最高的月平均温度不超过3×10摄氏度，夏季也不会太过炎热。根据测站记录，选址地的平均气温、最高（低）温度如表1.6所示。月份123456月平均温度4.661217.123.4255最高温度20.121.829.535.638.140.2最低温度-9.5-9-3.1-3.15.111.6月份789101112月平均温度28.529.223.115.111.88最高温度4036.836.532.122.119.7最低温度16.111.79.93-6-9.3备注单位°C表1.6平均气温、最高（低）温度流域内最大的年降雨量出现在1954年，为1357mm，最小的年降雨量发生在1934年，为372mm，单日最大暴雨雨量为196mm，降雨主要集中在7、8两个月，除12月和1月外，其他月份降雨的天数均比较多。流域平均降雨量、降雨天数如表1.7所示。月份123456全年平均雨量（毫米）10.734.244.156.9135.164.5平均雨量976（毫米）降雨日数108（天）降雨日数（天）58.68.68.29.89.4月份789101112平均雨量（毫米）191.6182.590.495.954.417.1降雨日数（天）12.011.410.611.010.85.4表1.7平均降雨量、降雨日数1.5河流泥沙及风力情况页岩风化形成的产物造就了最主要的泥沙构成，泥沙颗粒比较细，其中易于移动的物质也非常丰富。多年平均输沙量为3.35×106t/y（即215×区域内的最大风力等级为8级，最大风速为14m/s，水库吹程为3km。1.6当地材料分布情况当地主要有以下材料：（1）石料——在选址地的上、下游，河道右边岸坡的云母石英片岩是非常好的筑坝材料，且露出的岩石具有层间节理清晰，方便采集，同时石料储量充足，位置距坝址1km。（2）砂料——在选址地下游左岸1～3km处，有河道中的沙石可以采取，颗粒直径比较小，但仍可以用于充当混凝土骨料，蕴藏量约有3×10（3）卵石——在选址地下游12km处，约5×10（4）粘土——在选址地上游右岸4km处有高度在230m处的粘壤土区，土层层厚6～8m，蕴藏量达1.5×10抽取土场受到震动影响后的物理特性如表1.8所示。材料土体干容重（吨/米3）孔隙率（%）摩擦系数粘结力（公斤/厘米2）渗透系数（厘米/秒）天然含水量（%）最优含水量（%）相对紧密度蕴藏量（万方）运程（公里）自然含水量时饱和含水量时砂1.650.360.550.520410-38120.65301～3粘壤土1.600.380.380.342410-67201504表1.8土场扰动后土壤物理技术特性其他需要他地运输的材料：水泥以及钢材——需要从赋中运输而来，赋中距施工现场约160km，顺河道可行驶600t以下的船只，赋中为国内某省的重要城市。区域内交通情况：顺河道可行驶600t以下的船只，合县至张谷可行驶20t以下的小船，合县与元县之间有公路，其轴线距离选址处的左岸坡有3km左右。1.7交通运输情况及施工条件顺河道可行驶600t以下的船只，合县至张谷可行驶20t以下的小船，合县与元县之间有公路，其轴线距离选址处的左岸坡有3km左右。但场地附近无施工能源的来源，大型机械可从赋中运输而来，施工人员可由当地供应30000人，合县有几百技术人员，所差人员可从赋中移用。2主要建筑物设计2.1溢流坝段设计坝基高程185m，坝顶高程237.06m，防浪墙的高度取为1.2m，堰顶高程222.5m，闸门高9.5m，上游折坡段的折坡点位置高度为210m，折坡坡度10，位于下游的坝面坡度为1.29。溢流段的工作闸门选择使用弧形闸门，检修作用的闸门选用平板钢闸门。原因如下：平板闸门门叶结构简单，便于制造、安装、运输，并且可以移出孔口，便于检修与维护且闸门间可互换，一个检修门可以检修多个孔口同时启闭方便。但平板闸门所需启闭力大于弧形闸门，所以平常主要运用的闸门适合于使用弧形闸门，仅在检修时使用的闸门适合于使用平板闸门。溢流堰堰面上游采用1/4椭圆弧曲线，曲线计算公式如下： x2（a式中Hda、b为设计系数，由下图选取：表2.1设计系数a、b选用表于是bHd=0.282×6.7015=1.8898m，a溢流堰下游堰面曲线由下式计算： x1.85=2×堰顶最大水头为233.81−223.5=10.31m，设计水头Hd暂取最大水头的65%，即H y=x1.85由堰面曲线与直线段相切的原理可计算出切点，y‘=0.099×1.85x0.85=0.1832x0.85。令y平均流速为： v=φ2gH=0.95×坎顶水深为： h=Qbv=R=4～10h，即10.71m～26.8m，取R=5×2.68=13.4m，挑流出射的角度取为25度。由设计规范可知，挑流鼻坎坎顶的位置需要高于下游最高水位1000mm～2000mm，鼻坎顶部高程暂定为2.01×10溢流坝段导墙由掺气水深而定，掺气水深计算结果如下：表2.2掺气水深计算结果表中ha即为掺气水深，由作图法得到的反弧段可知反弧段最低高程为198.06m，可知反弧段最低点处的水深近似为3m，同时，挑流鼻坎处坎顶水深为2.68m，故可确定导墙高度为3m。导墙厚度要小于边墩厚度，由水工设计手册参考相似工程经验取导墙厚度为1m。作出溢流坝段剖面图如下：图2.1溢流坝段剖面图2.2深孔坝段设计深孔泄水采用短式有压泄水孔（即无压泄水孔）的形式。深孔工作闸门采用弧形闸门的形式，因为深孔平板闸门的门槽很容易被破坏。图2.2短式有压泄水孔典型布置短式有压进水口分为如下几段：2.2.1.进口段：1、上图之中的AB段：建议使用1/4椭圆弧曲线，长半轴等于深孔孔高，短轴等于长轴的三分之一，用公式可表示为： x2（k式中：x、y为坐标轴；k为设计系数，一般数值为1；h1为深孔孔高，m。由于进口段孔高为3m。故该方程可化为： x292、图中的BC段：直线为上一段段的椭圆弧在B点处的切线，切点具体位置可由如下两式联立解得： x3（k x2（kJ1为切线BC的坡度，一般取1：4.5～1：6.5。此处取为1：5方程组一式可化为： x9−x联立可求解坐标为：x=0.588m，y=0.981m4、侧面曲线：侧面曲线可采用1/4椭圆曲线，曲线方程式如下： x2a式中：a2、b2为椭圆的长轴与短轴，b2取值范围为（0.22～0.27）B，a2B为深孔宽度由此，侧面曲线方程式如下： x23.245、底部形式：根据设计情况布置。6、上游椭圆弧切点以上的垂直长度，不应该比深孔高度小。但深孔往上是上游垂直坝面，不必特意考虑此问题。2.2.2.事故检修门槽：分为CD段与DE段，出现事故时需要使用的闸门的门槽要选取体型好，空化相关系数比较小的门槽，CD间一处空隙间隔，大小约等于止水宽的五倍。C、E应在同一高程。查混凝土重力坝设计规范及教科书水工建筑物可知，止水宽度为300mm-500mm。取为300mm，则CD宽度为1.5m2.2.2.压坡段：EF为压坡段，根据要求该段不能出现负压，其顶部的坡度要比BC段的坡度略微陡峭，可相应采用0.167～0.25；水头高时取较大值，取为0.2。。其两端口的面积的比值可参照有关工程经验来确定。检修门的止水设置方式为在下游设止水时，必须要在其初始段设置通气孔。2.2.4.明流段：明流段在图中的F点之后，它的垂直方向的曲线样式主要设计为抛物线，设计抛物线的通用方程如下： y=g2代入数据为： y=9.82=1.27×式中：θ是抛物线在直线段开始时与水平方向的夹角，水平时取θ=0v为孔口断面的平均流速，m/s；g为重力加速度；k为考虑到预防负压出现的系数，数值可在一点二到一点六的范围选取，大多可选择使用1.6。一般使用只有单个圆弧存在的反弧，在它的末端设置有挑坎，鼻坎坎顶的高程必须要高于下游的最高水位保证以自然的流态泄出水流。绘出深孔坝段剖面如下图：图2.3深孔坝段剖面图2.3电站坝段设计由1.1流域概况与枢纽任务可知初步估计计算电站厂房的尺寸为48×13m2。机组之间的距离为10.45m，水轮机安装高程为191.60m，尾水管底板高程为185.0m,引水管直径为电站采用混流式机组，由引流量（33m³