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水利工程概论结课论文
论甘肃定西石门水库土石坝和刘家峡水电站的经济效益

定西石门水库位于与内官营镇毗邻的符家川镇,青山绿水,风景秀丽,鳜鱼遨游,珍禽翻飞。常年蓄水量达150万立方米,湖面开阔,碧波粼粼,可乘舟饱览湖光山色,可临湖垂钓颐养性情,可野炊尽享珍馐野趣,是集旅游休闲、 农业生产于一体的综合性旅游胜地。石门水库建成于1979年, 设计总库容368.5万立方米, 灌溉面积5000亩。由于建设时坝顶未达到设计高程, 溢洪道未衬砌, 水库长期低水位运行。随着新农村建设步伐日益加快和灌区蔬菜产业的快速发展, 水库蓄水已不能满足群众的要求, 加之输水洞控制系统启闭失灵, 直接影响着下游广大人民群众的生产和生活安全。水利部门充分论证, 申报了石门水库除险加固工程项目, 经省水利厅立项列为中央国债重点病险水库建设项目, 国家正式列入了投资计划。石门水库除险加固工程批复总投资455万元, 工程建设主要包括加高坝体, 设置浆砌防浪墙, 背水面加厚, 坝脚布设排水棱台, 迎水坡用干砌石护面; 溢洪道改建进口段、 控制段、 泄流段和挑流段; 闸塔加高并更换钢闸门及启闭机; 输水洞在原基础上加长, 出口设消力池。定西石门水库清澈的甘泉又重新开始滋润内官盆地广袤的土地。安定区石门、 马家岔、 韩家堡、 七一等4座水库除险加固工程全面完成建设任务并投入使用
l 以石门水库为例论土石坝
石门水库属土石坝, 土石坝是当前世界坝工建设工程中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。与其它坝型相比较, 无论从经济方面还是从施工方面, 土石坝具有绝正确优势, 据不完全统计世界土石坝占大坝总数的82.9%, 而在中国土石坝数量占到大坝总数的93%.
　　因石门水库的施工所用材料一般采用就地开采, 同时在施工中充分利用各种开挖料, 包括当地土料、 石料或混合料, 石门水库的施工即是将这些材料经过抛填、 辗压等方法堆筑成的挡水坝, 故土石坝又称作当地材料坝, 对于坝体材料以土和砂砾为主时, 称土坝; 以石渣、 卵石、 爆破石料为主时, 称堆石坝; 当两类当地材料均占相当比例时, 石门水库又是土石混合坝。
　　土石坝按施工方法的不同, 土石坝可分为: 碾压式土石坝、 冲填式土石坝、 水中填土坝和定向爆破堆石坝等。其中应用最为广泛的是碾压式土石坝, 其主要特点是对基础要求低、 适应基础变形强。
　　土石坝按坝高可分为: 低坝、 中坝和高坝。而高坝筑坝技术是近代才发展起来的。
　　碾压式土石坝按照土料在坝身内的配置和防渗体所用的材料种类, 又可分为均质坝、 土质心墙坝、 土质斜墙坝、 多种土质坝、 人工材料心墙坝、 人工材料面板坝等。
　　土石坝是历史最为悠久的一种坝型。其优点包括: 就地取材, 节省钢材、 水泥、 木材等重要建筑材料, 减少了建坝过程中的远途运输; 结构简单, 便于维修和加高、 扩建; 土石坝的坝身是土石散粒体结构, 有适应变形的良好性能, 因此对地基的要求低; 施工技术简单, 工序少, 便于组合机械快速施工。其缺点是坝身一般不能溢流, 施工导流不如混凝土坝方便, 粘性土料的填筑受气候条件影响较大等。
　　土石坝建设最大的病害即是渗流。如何控制和预防渗流是土石坝工程建设中最主要的工作之一。
　　所谓渗流, 即是指由于填筑土石坝的土料和坝基的砂砾是散粒体结构, 颗粒间存在大量的孔隙, 因此具有一定的透水性。当水库蓄水后, 在水压力的作用下, 水流必然会沿着坝身土料、 坝基土体和坝端两岸地基中的孔隙渗向下游, 造成坝身、 坝基和绕坝的渗漏。假如这种渗流是在设计控制之下, 大坝任何部位的土体就不会产生渗透破坏, 则为正常渗流, 此时渗流量一般较小, 水质清澈透明, 不含土壤颗粒, 对坝体和坝基不致造成渗透破坏; 反之对能引起土体渗透破坏, 或渗流员过大且集中, 水质浑浊, 透明度低, 使坝体或坝基产生管涌, 流土和接触冲刷等渗透破坏, 这种影响蓄水兴利的渗流则为异常渗流。
　　渗流控制的控制理论是在工程实践中的发展和运用起来的, 是实践反馈的结果, 其中渗流的基本原理、 渗流场的分析方法、 土体渗透稳定性三大部分, 是渗流控制理论的基础。而渗流控制技术是渗流基础理论的实施措施, 它主要包括灌浆技术、 反滤坝技术、 土石坝坝坡滑动破坏加固技术、 土石坝坝体灌注粘土浆加固技术、 坝体和坝基的密度加固技术、 土工合成材料加固技术以及防渗墙及其坝体坝基加固技术等。
　　总结起来产生异常渗流的原因有以下几个方面: ①坝体填土与排水体之间的反滤层设计不正确, 层间系数过大, 或施工时有错断混层现象, 或填土不够密实, 过大的渗流使填土向排水体流失, 都会造成反滤层破坏失效。反滤层在整个防渗体系中是尤为关键的环节, 即使前面的防渗体裂缝或出现渗漏通道, 只要反滤层工作正常, 排水降压, 渗漏破坏就不会扩大。②防渗体没有直达基岩或底部连续可靠的粘土层, 在开挖截水槽时, 因施工困难, 半途而废, 从而留下隐患。③土石坝两岸岸坡产生台阶状。应该开抢成较平顺的坡度, 为减少开挖能够变坡, 在上下两坡度转折处, 两坡角之差不应大于15°～20°, 若有平台, 则平台处填土高度与平台的两端的填土高度, 高差悬殊沉陷量突变, 容易产生裂缝, 导致渗透破坏。
　　如何组织科学有序的施工, 提高工程质量, 控制渗流是整个过程成败的关键。我认为土石坝过程在施工中应从以下几个方面进行控制:
　　①做好基础处理, 必须万无一失。很多大型土石坝, 必须要满足坝基承载力及基础防渗的情况下, 完成基础处理的稳固后, 方可进行填筑施工, 特别是在深覆盖层上修建工程, 基础处理工程量大、 不可预见因素多, 需要经常采用防渗墙、 振冲、 帷幕灌浆、 固结灌浆等对地基进行综合处理。
　　②掌握当地地质、 水文气象资料, 控制好施工工期的季节性土石坝对水文气象的因素极为敏感, 在雨季, 土料的含水量影响极大, 直接制约着大坝填筑, 施工强度将受到影响; 冬季, 土料上冻, 如不采取积极措施, 也无法进行填筑, 且冬雨季填筑施工, 存在着高投入、 低产出的窘境。对于度汛期的施工, 应编制具有针对性的施工方案。土石坝工程, 一般不允许漫顶过流, 故土石坝工程”施工高峰期”应控制在工程实施截流后第一个汛前达到拦洪度汛断面挡水这一阶段, 截流后均需加快施工进度, 以确保在汛前将坝体全断面或度汛小断面填筑至拦洪度汛高程。因此给坝体填筑的施工工期有限, 在北方地区采用冬季施工时, 当月平均气温在0℃以下, 有些地区河流结冰、 土层冻结, 对开挖工程、 混凝土工程、 灌浆工程以及填筑工程均有不利的影响, 因此必须要提高月填筑强度, 方能按安全渡汛的要求按期达到拦河高程。
　　③确保工程所用料场开采土、 石料的材料质量料场对土石坝的重要性不言而喻, 却也是最容易影响大坝顺利填筑的软肋。根据工程实践, 一般而言, 料场的地质勘探工作深度远不如坝址, 特别是填筑量最大的堆石料, 往往仅靠几个探洞或地形勘查进行地质描述, 进场后, 与招标文件发生变化的可能性很大, 无法形成大规模开采( 或台阶开采) 条件, 直接影响大坝填筑级配是否得到保证。在防渗土料方面, 含水量的高低也成为大坝能否快速填筑的关键, 因此, 完善而慎重地进行料场复查及复勘工作显得尤为重要, 搞好料场复查和储量计算, 做到心中有数。
　　另外材料的碾压试验也是非常重要的一项工作。对土石坝而言, 碾压试验是填筑前最为重要的技术参数论证工作, 也是确定大坝能否顺利填筑及确保大坝安全的重要环节。碾压试验工作的好坏, 直接影响坝体的填筑。
　　碾压试验中还需对防渗土料的含水量进行确定及调节, 同时还应确定好对堆石料洒水量。另外, 为确保土石坝填筑质量, 土石坝工程的施工必须要求进行试坑取样, 只有在填筑面碾压合格并能过验收后方可进行上一层填筑。
　　④确定合理的坝面分区, 是填筑工作施工的关键由于土石坝体型较大, 为坝面分区流水作业提供了必要的场面, 土石坝工程一般在填筑工序上分为铺料、 摊铺、 洒水、 压实、 质检等工作。在坝面分区流水作业中, 防渗土料的施工应根据填筑的需要, 应根据实际情况合理划分填筑区域和进行流水作业, 以及采用的机械设备及填筑情况进行调整。对采用平起填筑与临时断面填筑的土石坝工程, 不可为一味减少临时断面填筑量而影响大型机械的正常施工, 必须要确保填筑质量。
　　⑤根据工程实际情况确定并采用坝体坝基加固技术, 主要指采用的土石坝坝体灌注粘土浆加固技术, 包括灌浆设计、 灌浆工艺采用等。
以上即是本人对土石坝工程及其工程施工中的一些认识和看法。
l 以刘家峡为例论水库的经济效益
　　黄河干流上以发电为主, 兼有防洪、 灌溉、 防凌、 航运、 养殖等效益的大型水利枢纽。位于中国甘肃省永靖县境内, 1974年建成。坝后及地下厂房安装22.5万千瓦机组3台; 25万千瓦和30万千瓦机组各1台, 总装机容量122.5万千瓦, 年发电量55.8亿千瓦时。水库总容量57亿立方米, 控制流域面积173000平方公里,多年平均流量834秒立米,设计洪水流量8720秒立米,总库容60.9亿立米, 采用混凝土重力坝, 最大坝高147米, 长204米, 顶宽16米。左右岸各有混凝土副坝和溢流堰连接, 主要泄洪方式为溢洪道和隧洞。大坝总长840米。水库经过蓄洪补枯调节, 可提高该电站及其下游的盐锅峡、 八盘峡、 青铜峡各级电站枯水期出力, 改进甘肃、 宁夏和内蒙等省( 区) 105万公顷农田灌溉条件。

刘家峡水电站
1975年2月4日, 刘家峡水电站建于甘肃永靖县境内。宏伟的拦洪大坝高147米, 把峡口两岸的险峰紧紧抱在一起, 它把上游水位升高, 造成100米的落差, 让黄河水失去水轮发电机发出强大的电力。大坝的溢洪道、 泄洪道每秒能泄水7400多立方米, 即使上游出现特大洪水, 也能确保安全。
　　刘家峡水电站中央排列着五台大型国产水轮发电机组, 分别担负着供给陕西、 甘肃、 青海等省用电的作用。该电站厂房宽约25米, 长约180米, 有20层楼高, 全部是中国自行设计施工的。刘家峡水电站可蓄水57亿立方米, 年发电量为57亿度。
电量效益
　　刘家峡水电厂在西北电网中主要承担发电、 调峰、 调频和调压任务, 是西北电网的骨干电站, 在西北电力系统中处于十分重要的地位。运行21年来共发电883亿kW·h, 供电882亿kW·h。从1975年5台机组全部投入运行到1990年多年平均发电量为48亿kW·h。1975～1990年平均发电成本4.78元/( MW·h) , 从1982～1990年共上缴税金4.0177亿元。按电力系统发电企业1990年不变价格计算, 电站累计产值69.678亿元, 相当于电站总投资的10.92倍。按甘肃省1990年平均每千瓦小时电量创国民生产

刘家峡水电站
总值1.6元计算, 累计创国民生产总值1411.2亿元。
　　刘家峡水电站装机容量122.5万kW, 设计年平均发电量为57亿kW·h。电站以发电为主, 兼有防洪、 灌溉、 防凌、 供水、 养殖等综合利用效益。电站于1968年10月蓄水, 1969年4月1日首台机组并网发电, 1974年12月5台机组全部投入运行。工程总投资6.38亿元, 平均每千瓦投资520.8元。
容量效益
　　近几年来西北电网的峰谷差冬季超过100万kW, 而刘家峡水电厂就承担90万kW, 即使汛期水电大发时, 根据系统需要, 还得担负约40万kW的峰谷差的调节任务。年调峰电量达33亿kW·h, 占多年平均实发电量的68.75%。
　　西北电网正常负荷波动约12万kW左右, 由于刘家峡水电厂单机容量大, 一直担负着西北第一调频厂的任务, 其日平均调频容量达12万kW, 充分利用水能资源, 使火电机组在最佳经济区运行, 节约了煤炭, 保证了电网的电能质量。
　　刘家峡水电站还担负着西北电网的事故备用任务, 其备用容量达该电站总装机容量的20%, 为减少系统事故损失起了十分重要的作用。如1980年秦岭电厂3号机发生事故, 甩负荷20万kW, 当时立即启动刘家峡电站4号机, 维持了电网出力平衡, 减少了事故损失。为了系统事故备用, 1990年该电站机组空转就达10049h, 相当于1台22.5万kW机组全年空转。事故备用效益按社会产值计算为78.23亿元。
灌溉效益
　　刘家峡水电站的建成, 每年为甘肃、 宁夏、 内蒙古的春灌补充水量8亿m3, 使灌溉保证率由原来的65%提高到85%, 灌溉面积由1000万亩增加到1600万亩。其中: 甘肃100万亩, 宁夏500万亩, 内蒙古1000万亩。由于水源有了保证, 使灌溉保证率大幅度提高, 3省( 区) 农业连年丰收, 粮食每年平均增产150万t, 20年粮食共增产3000万t, 每公斤粮食按0.6元计算, 累计效益为180亿元。
防洪防凌能力
　　刘家峡水库总库容57亿m3, 有效库容41.5亿m3, 为不完全年调节水库。水库的投运提高了下游梯级电站及兰州市的防洪标准, 使盐锅峡水电站10 一遇标准提高到 一遇。兰州市1 一遇的洪峰流量从8080m3/s减少为6500m3/s。
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　　凌灾是黄河多年存在的自然灾害, 每年春天解冻时, 水鼓冰裂, 浮冰卡坝, 造成河水泛滥, 堤防决口的严重冰凌灾害。刘家峡水库投入后, 特别龙羊峡水库蓄水后, 两库联合运行, 使凌汛期刘家峡水库的泄水流量控制在兰州不超过500m3/s, 能够解除下游宁夏、 内蒙古约700km地段黄河解冻期的冰凌危害, 近20年来没有发生大的冰凌灾害。
l 总结: 在拟定的坝段范围内, 紧密结合工程的地形条件、 地质条件、 建材条件、 施工条件, 根据拟定的坝高等有关参数,选择合适的坝址、 坝型,提出各主要建筑物的形式、 尺寸及布置方案, 并据此研究施工方案, 包括施工方法、 施工导流方式、 对外交通运输方式和施工期限的初步研究。力求达到: ①在满足各项任务的前提下发挥最大效益, 并尽可能避免带来不良影响; ②保证枢纽在设计条件下正常工作; ③在保证工程安全和运行条件的前提下做到经济上合理; ④有利于施工安排、 施工管理,尽量缩短工期,降低工程造价; ⑤在经济、 实用的前提下, 使结构形式、 使用的建材与周围景观相协调。
参考文献:
1. 《甘肃定西石门水库大坝裂缝分析与处理措施以及该地区水库工程病害分析》
2. 《甘肃定西石门水库大坝渗水浅析水库优化调度浅析》
3. 《刘家峡水库的防渗措施兴建刘家峡水库的必要性分析》
4. 《刘家峡水库的野外调查和分析刘家峡水库分段控制水位效益研究》