金山峡挡泄水建筑物设计-学位论文.doc

兰州交通大学博文学院毕业设计题 目： 金山峡挡泄水建筑物设计学 院： 兰州交通大学博文学院专 业： 水利水电班 级： 11级水利水电2班姓 名： 张童指导教师： 魏永健 目 录 1 金山峡水利枢纽基本资料11.1 工程设计基本资料1.1.1流域概况1.1.2气象、水文1.1.3泥沙11.1.4工程地质资料11.3.5动能指标32 坝轴线、坝型选择和枢纽布置方案比较32.1 坝轴线的选择32.2 坝型选择42.2.1综述42.2.2坝型选择方案42.3 枢纽布置方案62.3.1综述62.3.2枢纽布置应遵循以下原则62.3.3各类建筑物枢纽布置的要求73 坝工设计83.1 坝工设计综述83.2 挡水坝剖面设计93.2.1挡水坝剖面初步拟定93.2.2坝基高程设计103.2.3坝高拟定103.2.4剖面尺寸拟定133.2.5坝顶宽度拟定133.2.6基础灌浆廊道尺寸拟定133.2.7坝基防渗和排水设计143.3 挡水坝稳定计算143.3.1 荷载计算及其组合143.3.2稳定分析183.4 溢流坝及冲沙闸剖面拟定203.4.1 孔口设计203.4.2堰顶高程的确定203.4.3闸门高度的确定203.4.4溢流坝剖面设计213.4.5冲沙闸尺寸设计223.5 溢流坝稳定及应力计算223.5.1荷载计算223.5.2 削能防冲设计243.5.3闸门的设置284 细部构造设计294.1 坝顶构造294.2 分缝止水294.2.1分缝的作用294.2.2缝间距294.2.3止水设计304.3 排水304.3.1坝体排水304.3.2基础排水304.4 廊道系统304.4.1基础灌浆廊道314.4.2检查及坝体排水廊道314.4.3其他廊道315 地基处理315.1 清基开挖315.1.1开挖设计原则315.1.2开挖设计325.1.3处理措施325.2 防渗措施325.2.1帷幕灌浆目的325.2.2帷幕灌浆范围325.2.3帷幕灌浆设计33参考文献34致 谢35兰州交通大学博文学院毕业设计1 金山峡水利枢纽基本资料1.1 工程设计基本资料1.1.1 流域概况金沙峡水电站位于黄河二级支流大通河干流中游的甘青交界段（河流左岸为甘肃省天祝藏族自治县，右岸为青海省互助土族自治县），拟定开发的河段位于大通河金沙峡至羊脖子弯段，由于受地形、公路、淹没等条件限制，水电站采用低坝径流引水式开发。金山峡水电站工程为低坝引水径流式电站,装机容量为70MW,根据水利水电工程等级划分及洪水标准(SL252-2000)的规定,本工程属等工程,主要建筑物按3级设计，次要建筑物及临时性建筑物为5级。设计水头72.5m，设计引用流量116m3/s，装机容量320 Mw +10 Mw =70Mw。1.1.2 气象、水文历年各月极端最高气温 30C历年各月极端最低气温-28C多年平均气温3C多年平均最大风速21m/s最大冻土深度1.48m多年平均流量81.7m3/s.1.1. 3 泥沙多年平均悬移质输沙率63.1 kg/s多年平均含沙量0.76kg/m3多年平均悬移质输沙量199万t1.1.4 工程地质资料（2） 工程区地震动峰值加速度为0.20g，地震设防烈度度1.1.4.1 坝址工程地质推荐坝址位于上游，河道顺直，河床狭窄，河水面宽约6065m，河谷宽约90100m。左岸陡峻，坡度约78，右岸为级阶地，级阶地阶面高出河水位约16.0m，阶面宽约135145m，河谷呈不对称“U”型谷。据坝线处物探测试结果，河床覆盖层厚2223m。坝址地层岩性从老至新为前震旦系马啣山群花岗片麻岩和冲洪积、崩坡积、坡洪积等不同成因的松散堆积物。河床覆盖层岩性为含漂石砂卵石层，粒径最大约80100cm，一般约1520cm，分选性较差，结构松散，渗透性及富水性较好，其渗透系数为2025m/d，允许渗透坡降为0.125。(alplQ34)含漂石砂卵石层的允许承载力0.350.4MPa，变形模量5060MPa，建议开挖边坡采用1:1.251:1.5。1.1.4.2 引水线路工程地质线路经过地段地形较为完整，植被茂盛，无大的冲沟切割，但局部地段存在岸坡岩土体的浅部滑移和垮塌现象。线路区的地下水为第四系松散堆积物孔隙水，受大气降水补给，向河床排泄。沿线地下水埋藏较浅，对普通混凝土无腐蚀性。压力管道所经地貌单元主要为沟谷内侧山坡坡脚、河漫滩。各镇支墩地基主要为崩坡积块碎石夹粉质壤土，这些土体地面以下3m中等密实，承载力和变形指标可满足设计要求，但存在侧向边坡稳定和地下水丰富等问题，建议施工过程中加强基坑临时支护和排水措施，另外，为避免岸坡岩土体崩塌掉块危及管道安全，建议采用埋管处理，管顶埋深大于2m。1.1.4.3 厂址区工程地质厂址区河段左岸岸坡地形坡度为2030，后缘为山坡整体稳定性较好。区内地面高程26962725m，未见基岩出露，主要由洪冲积与崩坡积组成，其中洪冲积厚5065m，为中粗砂砾(卵)石夹孤块石、漂石，砂砾(卵)石成份主要为灰岩、玄武岩，砾径一般13cm，含量4050%，漂石直径0.40.8m，局部孤块石直径1.23.5m，含量510%，该层除表部45m结构较松散，以下中等密实。崩坡积(Qcol-dl)厚3550m，为块碎石夹粉质壤土。下伏基岩为二迭系下统第3段(P13)浅灰灰色含泥砂质结晶灰岩、结晶灰岩夹蚀变玄武岩、炭硅质板岩，和第4段(P14)中厚层结晶灰岩、生物碎屑灰岩夹炭质板岩。1.3.5 动能指标正常蓄水位： 2166.9m；电站装机容量（台数单机容量） 320110MW发电引用流量 1.92m3/s最大水头 84.2m最小水头 69.9m额定水头 72.5m保证出力(有调节) 7.9MW年利用小时数 4044h2 坝轴线、坝型选择和枢纽布置方案比较2.1 坝轴线的选择坝址和轴线的选择是根据地形、地质、河流走势等条件综合考虑决定的。就地形而言，坝址一般以选在狭窄河谷处，节省工程量；但对于一个具体的枢纽来说，必须从各个方面综合考虑：是否便于布置泄洪、发电建筑物，是否便于施工导流，技术可行，经济合理等综合衡量。坝址地质条件是水利枢纽设计的重要依据之一，对坝型的选择和枢纽的布置起着决定性作用。坝址最好的地质条件是强度高、透水性小、不易风化、没有构造缺陷的岩基。但理想的天然地基很少，因而在选择坝址时应从实际出发，针对不同的情况采取不同的地基处理方式，来满足工程需要。亦可通过选择不同的坝型或将坝轴线转折以适应地质条件，同时应考虑两岸的地质因素，使库区及两岸边坡有足够的稳定性，以防止因蓄水而引起的滑坡现象。就河势来说，坝址要选在河流顺直段，靠近坝址上、下游河流如有急湾最不利 ，应予避免；枢纽两岸坝肩的山体要较雄厚，并尽可能离上下游两岸的冲沟远一些；水库周缘应没有难处理的缺口。通过对金山峡水电站坝址区域基本地质、地形等资料的研究和分析，确定要选择合理的坝轴线：推荐坝址地处上游，河道顺直，河床狭窄，河水面宽约6065m，河谷宽约90100m。左岸陡峻，坡度约78，右岸为级阶地，级阶地阶面高出河水位约16.0m，阶面宽约135145m，河谷呈不对称“U”型谷。据坝线处物探测试结果，河床覆盖层厚2223m。坝址区均为第四系洪冲积层与崩坡积层覆盖，其中洪冲积层厚5055m，为中粗砂砾(卵)石夹孤块石、漂石，中粗砂砾(卵)石成份主要为灰岩、玄武岩，砾径一般13cm，含量4050%，漂石直径0.40.8m，局部孤块石直径1.23.5m，含量510%，该层除表部45m结构较松散，以下中等密实。坝址区附近植被茂盛，无冲沟切割，地形完整，坡体稳定，无崩塌、滑坡、泥石流等不良地质作用存在。2.2 坝型选择2.2.1 综述坝型选择应根据当地地质、地形条件，施工条件，建筑材料，综合效益，宣泄洪水能力，以及抗震性等特点，通过定性分析，初步选择两种坝型进行较详细的技术比较，选取既满足工程要求，又比较经济的坝型，经济比较只要求对坝体的砼方量及三材用量作粗略的计算和比较。以下分别就各种坝型进行比较分析。2.2.2 坝型选择方案2.2.2.1 土石坝土石坝又称当地材料坝，是历史最为悠久的一种坝型。土石坝主要分为：均质坝、心（斜）墙坝、土石混合（堆石坝）坝等。（1）可以就地、就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，减少工地的外线运输量，几乎任何土石料均可筑坝。（2）能适应各种不同的地形、地质和气候条件。任何不良的坝址地基，经处理后均可筑坝。（3）大容量、多功能、高效率施工机械的发展，提高了土石坝的施工质量，加快了进度，降低了造价，促进了高土石坝的发展。（4）由于岩土力学理论、试验手段和计算技术的发展，提高了大坝分析计算的水平，加快了设计进度，进一步保障了大坝设计的安全可靠性。（5）土石坝适应地基变形，施工方便，而且我国拥有丰富的建坝经验。土石坝与砼坝相比，其造价为砼坝的1/10，工程量为砼坝的4倍，由此可见土石坝经济性优于砼坝。2.2.2.2 混凝土坝如果选择砼坝应考虑采用拱坝、支墩坝还是重力坝，1、拱坝优缺点优点：拱坝是高次超净定空间整体结构，坝体的稳定性主要依靠两岸拱端山体反力作用来维持，并不全靠坝体自重来维持。由于拱是一种主要承受轴向压力的推力结构，拱内弯矩较小，应力分布较均匀，有利于发挥材料的强度，从而坝体厚度可以减薄，节省工程量。拱坝的体积比同一高度的重力坝大约可节省1/32/3，从经济意义上讲，拱坝是一种很优越的坝型。且较好的超载能力可达设计荷载的511倍，具有很强的抗震能力。缺点：建筑拱坝要求拱坝地形应是左右岸对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的峡谷段。而此坝址处河段顺直，不适宜建拱坝。综合上述，本坝址处不适宜建混凝土拱坝。2、重力坝重力坝坝身可以过水，对地形地质条件适应性强，枢纽泄洪问题容易解决，可以大型机械化施工，施工速度快，故本枢纽选择重力坝坝型。重力坝又分为宽缝重力坝、空腹重力坝、实体重力坝。需对三种坝型进行比较做出结论：（1）宽缝重力坝优缺点：宽缝重力坝，坝体设置宽缝后，坝基的渗透水可自宽缝排出，减小了渗透压力，但宽缝坝增加了模板用量，立模也较复杂，分期导流不便，而且由资料可知当地气温低、冬季长，无霜期较短，冰冻期较长，对宽缝坝需要采取保温措施，工程造价大大增加且不能大型机械化施工，工期较长，因此不宜选用宽缝重力坝。（2）空腹重力坝优缺点：空腹坝与实体坝相比具有以下优点：1）由于空腹下部设底板，减小了坝底面上的扬压力，可节省坝体砼方量20%左右；2）减小了坝基开挖量；3）坝体前后腿嵌固于岩体内，有利于坝体的抗滑稳定；4）前后腿应力分布均匀，坝踵压应力较大；5）便于砼散热；6）坝体施工可不设纵缝；7）便于监测和维修；8）空腹内可以布置水电站厂房。缺点有：1）施工复杂；2）钢、用量大；3）如在空腹内布置水电站厂房，施工干扰大，基于以上缺点，将难以进行大型机械化施工，不能实现机械化程度较高的快速施工，选此坝型不够经济合理。因此不适宜建空腹重力坝。（3）结论实体重力坝由于结构简单，安全可靠，对地形、地质条件适应性强，枢纽泄洪问题容易解决，便于施工导流，可以大型机械化施工，施工方便且速度快，结构作用明确，适合建高坝。基于以上各种坝型的比较分析，本水库采用砼重力坝较为合理。2.3 枢纽布置方案首先根据枢纽的任务及要求确定枢纽建筑物的组成，然后根据地质、地形等条件，拟定二到三个枢纽布置方案，并画出草图，通过定性分析确定较合理的枢纽方案。水利枢纽布置的任务是合理地确定枢纽中各组成建筑物之间的相互位置。2.3.1 综述根据河流规划拟在青海省一河流上修建一座水电站，本设计任务是进行水利枢纽及电站进行设计，水库建成后，可建装机容量约为装机容量4MW的水电站。包括溢流坝段、挡水坝段；挡水坝段在河的两岸，溢流坝段的位置在中部。因干流水量年内分配很不均匀，汛期主要集中在六到九月份，所以枢纽设计应具有年调节能力，能将丰水期水量调到枯水期运用。建坝拦河蓄水并引水至下游发电所形成的水头，满足电站要求，结合引水发电充分利用水头提高工程效益，由四台发电机组发电，并用四条引水管引水。与电站配合运行的还有开关站、尾水渠等建筑物。根据枢纽功能需要，工程具有挡水坝段、溢流坝段等建筑物。枢纽布置主要应考虑：溢流坝段，挡水坝段的布置。2.3.2 枢纽布置应遵循以下原则1、坝址、坝段及其他主要建筑物的形式选择和枢纽布置要做到施工方便，工期短，造价低。2、枢纽布置应当满足各个建筑物在布置上的要求，各建筑物之间能协调、无干扰地工作，保证其他任何工作条件下都能正常工作，满足枢纽运用管理的要求。3、在满足建筑物强度和稳定的条件下，降低枢纽总造价和年运转费用。4、枢纽中各建筑物紧凑，尽量将同一工种的建筑物布置在一起，以减少联结建筑。5、尽可能使枢纽中的部分建筑早期投产，提前发挥效益（如提前蓄水，早期发电或灌溉）。6、枢纽的外观应与周围环境相协调，在可能条件下注意美观。2.3.3 各类建筑物枢纽布置的要求1、挡水坝拦截水流，形成水库，将其布置在河岸的两边。通常布置成直线，这样坝轴线较短，坝身体积小，对建筑物的受力状态有利，并便于与相邻建筑物的联结。2、溢流坝溢流坝起泄洪作用，前缘应正对上游来水的河流主流方向，下游出口方向最好与主河槽水流方向一致。溢流坝应坐落在坚硬结实的岩基上，减少下泄水流对其建筑物的影响，以解决下游消能防冲问题。为减少下泄水流对其它建筑物的影响，有时常在溢流坝和这些建筑物之间布置导墙。3、冲沙闸冲沙闸建在多泥沙的河流上，用于排除进水闸及节制闸前沉积的泥沙，减少引水水流的泥沙量，防止渠道和闸前河道淤积。冲沙闸常建在水闸的一侧的河道上，设置在进水闸旁边。本设计取闸净宽1.5m，边墩0.5m。4.进水口工程上常将开敞式进水口布置在河道主流比较集中，河床稳定，河岸坚固的河段上，防止因主流左右摆动影响取水，进水口中心线与河道交角3045。从防沙考虑，将进水口设在河道凹岸。这样布置可以利用河湾处的横向环流，使进水口引进表层较清的水，而底沙则由底流带向突岸。在选择进水口时，还应避开上游有浅滩、急滩的地点，因为它们容易搅浑底沙和形成冰凌。图2-1枢纽布置图3 坝工设计3.1 坝工设计综述剖面设计是重力坝设计的重要环节，主要任务是选择一个既要满足稳定和强度的要求，又使得坝体工程量最小，外形轮廓简单，施工方便，运行可靠的剖面，影响剖面设计的因素很多，如荷载、地形、地质、运用要求、筑坝材料、施工条件等。本次设计首先考虑坝体的主要荷载，按照安全和经济的要求拟定基本剖面，然后根据剖面的设计原则，进行承载能力极限状态和正常使用极限状态计算，校核坝体强度和抗滑稳定性能，反复修改，最后确定经济合理的坝体剖面。重力坝剖面的设计原则是：满足稳定和强度要求，保证大坝安全；工程量小；运用方便；便于施工。重力坝剖面设计包括的主要工作有：（1）拟定剖面尺寸 参照已建成的条件相近的工程，检验和设计工程的坝体要求，或通过简化计算初步拟定剖面尺寸。（2）稳定分析 在持久状况和偶然状况下进行承载能力极限状态稳定计算，保证坝体不至沿坝基面或地基中的软弱结构面产生滑动。（3）应力分析 使坝体应力在承载能力和正常使用极限状态下满足设计要求，保证坝体和地基不产生强度破坏。（4）确定设计剖面 在满足设计原则条件下的经济剖面确定为设计剖面。（5）构造设计 根据施工和运用要求确定坝体的构造，如廊道系统、排水系统、分缝、止水等。（6）地基处理 包括地基防渗、排水、断层破碎带的处理等。混凝土重力坝设计规范（DL51081999）就坝体断面设计的原则作了如下规定：“混凝土重力坝一般以材料力学和刚体极限平衡计算成果作为确定坝段面的依据。”一般采用数学规划和优化设计方法求得最优剖面。本次设计应用材料力学和可靠度理论进行坝体设计。重力坝的基本剖面是指在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面，如图31，在已知坝高H、水压力P、抗剪强度参数f、c和扬压力U的条件下，根据抗滑稳定和强度要求，可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。对于完整、坚硬的基岩，f、c值较大，剖面尺寸主要由上游面不出现拉应力的条件控制，上游坝坡较陡，甚至可做成倒坡（n4.7m，所以下游曲线段与直线段无切点，可直接接下游的反弧段。（2）直线段由于溢流重力坝较低，其坝面顶部曲线段可以直接与反弧段直接连接，而无中间直线段（3）反弧段一般情况下，对于岩基上的坝体，当H5m时，可取r=(0.250.5)( Hd +Hmax). 本设计取r=0.5(4.5+4.2)=4.35m.（4） 反弧段坐标确定交点 坐标（xc，yc）满足方程圆心O xo2.84+2.4=5.21m相对 根据 以上的公式和数据，就可以确定溢流坝曲面了。下图就是本次设计的溢流坝曲面。从而 可以知道溢流坝L=1.269+2.84+2.4=6.5m(4)hl 应大于0.5 Hmax,，本设计2.5m.(5)为了保持与非溢流坝相一致，上游折坡点