【《青河雷口水利枢纽的坝型选择与枢纽布置分析案例》9000字】

青河雷口水利枢纽的坝型选择与枢纽布置分析案例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坝型选择与枢纽布置2.1工程等别及主要建筑物级别的拟定通过设计资料中的流域概况，由航运要求可知水库正常蓄水位为232.2m，查（表2）水库高程与容积、面积关系可知230m水位对应库容8.1×108m3，235m对应库容10.5×108m3,正常高水位对应的库容为2.2÷5×10.5−8.1+8.1×108=9.156×108m3,由设计资料还了解到，水库灌溉面积为100万亩，装机容量24万kw，即240MW。查水工设计手册第五卷知，按照灌溉以及库容的标准看，该枢纽为大（2）型工程规模，工程等别属于二等，按照发电标准看则是中型工程规模，工程等别属于三等，因为等别不同时按照最高等别确定，所以该枢纽为二等工程，所以枢纽之中的主要地位的建筑级别为2，枢纽之中的次要地位的建筑级别均为3，主要建筑物的正常设计重现期为1×102表2.1水利水电工程分等标准表2.2水工建筑物级别划分表2.3洪水设计标准2.2坝轴线与坝型选择坝址选定位置以及坝址处地质剖面如下图所示：图2.1坝址位置及区域地形平面图图2.2坝址地质剖面图坝址选定上图所示位置的原因如下：选址处地层是震旦纪岩层，岩体强度高，且选址附近不存在断层，基岩主要为石英片岩，岩石的摩擦系数比较高，符合有关地质要求。大坝选址于如图所示的峡谷之处，此处两岸间距离较短，工程量相对较小，选址处河流左侧岸坡有呈现鞍状的地形，水库可以四面环山，条件比较理想。坝轴线附近较开阔便于布置各建筑物，方便施工且各建筑物互不干扰。坝型选择：有土石坝、重力坝、拱坝等三种可考虑的坝型，坝型在此三种情况中作选择。土石坝：淹没要求非常洪水位在2.345×102m以下，初拟坝顶高程为2.355×102拱坝：坝址处宽高比L/H=540/49.5=11，拱坝的拱作用不大，故不采用拱坝的形式。重力坝：重力坝适应于各种地形地质条件，并适合进行机械化施工，施工速度快，有益于缩短工期，且从当地条件来看，所需钢材、水泥等物料以及人力充足，可采用重力坝的形式。综上，选择坝型为重力坝。2.3泄洪孔口尺寸确定（调洪演算）首先确定进行调洪演算的水库防洪运用方式：开始时段时，控制闸门开度，洪水来多少泄多少；达到防洪限制水位后，闸门全开进行自由出流泄水，水库水位从防洪限制水位上升。再对溢流前缘净宽L净进行初拟：根据下游黑河的泄流要求，在正常洪水的情况下安全泄量为5.3×103m3/s，非常洪水安全泄量为7.3×103当地的地质情况如下：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。坝址处的基础岩石分布如1.3坝址地质部分所示。由此处的地质情况考虑，在挖除砂质粘土及卵石后，岩质都较坚硬，可选择50～80m3/s的单宽流量，暂取75m3接下来选定孔口宽度b以及孔数n：查水工设计手册及课本水工建筑物可知，孔口宽度可选择的范围为8～16m，参考相似规模工程的经验选取孔口宽度为12m，由此孔数n=97.3312=8.11计算溢流堰顶位置：由q=mε（2g）0.5H01.5，其中q=7.5×10m3，溢流堰选用WES实用堰的型式，流量系数m在H=Hd时取m=0.502，（H为堰顶水头，Hd为堰顶设计水头）考虑闸墩收缩的系数H暂定校核洪水位为非常洪水位234.5m，所以堰顶高程为234.5-11.20=223.3m，可取223.5m处为堰顶高程，设计规范要求设计时需设计多种方案进行比较，此处设计两个堰顶高程的方案，故再选取224m作为堰顶高程。由此，两种方案的情况如下：一方案死水位215.0m，堰顶高程223.5m，正常高水位232.2m，校核洪水位234.5m。其闸门高度估算为232.2−223.5=8.7m，在加入0.5至1m的安全超高后则取为9.5m。二方案死水位215.0m，堰顶高程224m，正常高水位232.2m，校核洪水位234.5m。其闸门高度估算232.2−224=8.2m，加入0.5至1m的安全超高后则取为9.2m。以上两方案的防洪限制水位均为225.8m考虑到电站单台机组发电流量最大为33m3/s，共有三台机组，总流量为99m3/s，取其的80%作为调洪演算中的发电流量。99×0.8=79.2m3/s由以上两种方案进行两种不同工况下（校核洪水工况、设计洪水工况）的调洪演算。调洪演算采用课本《工程水文及水利计算》上提供的单辅助线法进行计算，调洪演算前先使用同倍比缩放法通过典型洪水过程得到设计洪水过程以及校核洪水过程，其计算原理的本质是对水量平衡方程的变式，水量平衡方程整理可得下式： V2∆t该式左端与右端均含有Q∆t与q2两项，可将式改写为q=fQ∆t+q2，于是，可以按照上式绘制曲线。演算的具体过程如下所示：对起始时段，由水库的来水过程线和初始条件可得到Q1、Q2绘制的两种不同堰顶高程的q=fQ图2.3堰顶223.5m时的q=fQ∆t+q2图2.4堰顶224m时的q=fQ∆t+q2两种方案的两种工况的计算结果以及查坝址水位库容曲线的结果如下：表2.4调洪演算计算结果由以上两种方案的两种不同工况的计算可以得到，第二种方案在设计洪水的情况下，其泄流量超下游防洪的设计流量标准，而第一种方案有一定的的余量，且校核工况下也满足上下游的防洪标准，所以综合比较下，选择第一种方案。综上，确定方案的死水位为215.0m，堰顶高程为223.5m，水库正常蓄水时的水位为232.2m，设计洪水位为2.3188×102m泄洪孔口尺寸由以上的调洪演算得到，尺寸如下：孔数9，单孔孔宽：12m，堰顶高程223.5m，闸门高度为232.2−223.5+0.8=9.5m。在设计洪水位工况下，上游水位为2.3188×102m，与之对应的下游设计水位为1.9834×1022.4主要建筑物轮廓尺寸拟定由1.2坝址地形可知，坝轴线235m高程处宽度为540m，所以大坝总体暂拟定分为32个坝段，一个坝段的宽度为17m，17×32=544m。2.4.1.挡水坝段轮廓尺寸坝顶高程的确定：先对波浪三要素（波长、波高、波浪壅高）进行计算：此重力坝所在位置位于山区峡谷之中，查水工设计手册知可用官厅水库公式进行计算。由官厅水库公式有： ghp gLm hz=当gDV2=20~250时，波浪高度等于频率0.05当gDV2=250~1000时，波浪高度等于频率0.1hpLmV为水域上空10000mm高度处平均风速的年最大值；D为库面波浪吹程，m；H1累积频率为P的波高hp与hm表2.5累积频率为P的波高hp与hm波浪均波长Lm与波平均周期T Lm=对于深水波，即当H1 Lm=使波浪破碎的临时水深Hk Hk=坝高计算公式如下： ∆h=h1%式中：h1%he为水浪的波轴线高于平静水面水位的高度（即计算的hhc表2.6安全超高选用标准防浪墙高度计算公式如下：h防浪墙顶计算所需的水库的有关数据如下：设计情况下：风速V=14m/s，吹程D=3000m，坝前水深H1校核情况下：风速V=14m/s，吹程D=3000m，坝前水深H1由于两种工况下的数据相差不大，故两者的波浪三要素基本相同，计算后可认为三要素都为以下数据。hp=1.87m（累积频率波高），Lm=7.35m（平均波长），防浪高程为频率0.01的波高加上水浪的波轴线高于平静水面水位的高度再加上为安全而设置的加高，防浪墙顶的高程为正常蓄水位或校核洪水位加上防浪高程。故设计情况下∆h=2.26+1.49+0.7=4.45m，坝顶防浪墙高程为232.2+4.45=236.65m；校核情况下∆h=2.26+1.49+0.7=4.45m，坝顶防浪墙高程为233.81+4.45=238.26m。淤沙高程：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215×104查水工设计手册第五卷混凝土坝可知，岩基上实体重力坝的上游折坡坡度一般采用垂直或5，如果有坡度一般先有一段垂直再有折坡，下游坡度一般采用1.538或1.25，重力坝基本断面的上下游坝坡可以参照已建重力坝的实例初步选定。此处重力坝坝高238.26m，防浪墙高度取为1.2m，上游坝坡选用折坡的形式，折坡点位于深孔底板处，折坡坡度暂拟定为1：0.2，下游坝面坡度由同类型工程对比后暂定选为1：0.75，坝基处高程为185m，故坝高为238.26−1.2−185=52.06m，下游长度为52.06×0.75=39.045m，取整为40m。上游折坡至坝基高差为210−185=25m，上游宽度为25×0.2=5m，因为坝顶宽度不小于0.1倍坝高，0.1×52.06=5.206m，由同类型工程经验暂取为6m。利用计算程序对非溢流断面按抗剪断公式进行剖面经济优化后可知上游折坡点在210m处，上游折坡坡度为0.1，下游面坝坡为1：0.775，下游起坡点224.26m。单位长度方量为920.34m3。图2.5重力坝非溢流断面形态挡水建筑物（非溢流）：共18个坝段，分为右岸5个坝段，左岸13个坝段。2.4.2.溢流坝段轮廓尺寸由调洪演算结果可知溢流堰堰顶高程为223.5m，工作闸门高度9.5m，由非溢流坝段的基本三角形可知上游折坡点在210m处，上游折坡坡度为0.1，下游面坝坡为1：0.775，溢流堰下游曲线与直线段的衔接采用WES曲线，溢流堰上游堰面采用1/4椭圆弧曲线。溢流前缘总净宽为9×12=108m，查《溢洪道设计规范SL253-2018》以及水工设计手册，可知闸墩型式有直角形、半圆形、楔形、尖圆形四种，如下图所示。图2.6闸墩的几种形式边墩采用圆弧形，中墩采用半圆形形状，分缝采用墩中分缝的形式（即缝墩），取d=4m，闸墩总宽度4×9=36m，溢流坝段总宽度由此可得为36+108=144m。分为9个坝段，共153m。2.4.3.深孔坝段轮廓尺寸由同类型工程经验，深孔取一孔，4×3m，考虑深孔坝段与其他坝段建筑物应有一定间隔，占据宽度17m，即一个坝段的长度。水库放空计算：