ZF水库土石坝枢纽设计毕业设计论文.docx

1、ZF 水库土石坝枢纽设计毕业论文第一节工程概况及工程目的ZF 水库位于 QH 河干流上，水库控制流域面积 4990km2，库容 5.05108 m3。水库以灌溉发电为主，结合防洪，可引水灌溉农田 71.2104 亩，远期可发展到 104104 亩。灌区由一个引水流量为 45m3/s 的总干渠和四条分干渠组成，在总干渠首及下游 24km 处分别修建枢纽电站和 HZ 电站， 总装机容量 31.45MW，年发电量 1.129108kwh。水库防洪设计标准为百年设计，万年校核。枢纽工程由挡水坝、溢洪道、导流泄洪洞、灌溉发电洞及枢纽电站组成。本次我们的任务是设计挡水坝枢纽工程。第二节基本资料一、地形和地

2、质图ZF 坝址区地形图见附图 5，ZF 土坝坝线工程地质剖面图见附图 6。二、库区工程地质条件库区附近分水岭高程均在 820m 以上，基岩出露高程，大部分在 800m 左右，主要为紫红色砂岩，间夹砾岩、粉沙岩和砂质页岩。新鲜基岩透水性不大。未发现大的构造断裂，水库蓄水条件良好。QH 河为山区性河流，两岸居民及耕地分散，除库水位以下有一定淹没外，浸没问题不大，库区也未发现重要矿产。三、坝址区工程地质条件QH 河在 ZF 水库坝址区呈一弯曲很大的 S 形。坝段位于 S 形的中、上段。坝段右岸为侵蚀型河岸，岸坡较陡，基岩出漏。上下坝线有 300 多米长的低平山梁（单薄分水岭），左岸为侵蚀堆积岸，岸坡

3、较缓，有大片土层覆盖。右岸单薄分水岭是 QH 河环绕坝段左岸山体相对侧向侵蚀的结果。坝址区基岩以紫红色、紫灰色细砂为主，间夹砾岩、粉沙岩和少数砂质页岩。地层岩相变化剧烈，第四系除灰度不大的砂层、卵石层外，主要是黄土类土，在大地构造上处于相对稳定区， 未发现有大的断裂构造迹象。坝址区左岸有一大塌滑体，体积约 45104 m3, 对工程布置有一定影响。本区地震基本烈度为 6 度，建筑物按 7 度设防。1、上坝址上坝址位于坝区中部背斜的西北，岩层倾向 QH 河上游。河床宽约 300 米，砂卵石覆盖层平0均厚度 5m ,渗透系数 110-2 cm/s。一级阶地（Q4）表层具有中偏强湿陷性。左岸 730

4、 m 高程以上为三级阶地（Q2）具中偏湿陷性。基岩未发现大范围的夹层，基岩的透水性不大。河床中段及近右岸地段，沿 113-111-115- 104-114 各钻孔连线方向，在岩面下 21-47m 深度范围内，有一强透水带， =5.4630L/（smm），下限最深至基岩下约 80 米。基岩透水性从上游向下游有逐渐增大的趋势，左岸台地黄土与基岩交界处的砾岩（最大厚度 6 米）透水性强，渗透系数 k=10 m/d 。左岸单薄分水岭岩层仍属于中强透水性。平均 =0.48L/（smm）应考虑排水，增加岩体稳定。2、下坝址下坝址位于上坝址同一背斜的东南翼，岩层倾向 QH 河下游，河床宽约 120 米，左岸

5、为二、三级阶地，右岸 731 米高程下为基岩，以上为三级阶地。土层的物理力学性质见“工程地质剖面图”。左岸基岩有一条宽 200-250 米呈北东方向的强透水带，右岸单薄分水岭的透水性亦很大，左、右岸岩石中等透水带下限均可达岩面下 80 米左右。河床地段基岩透水性与中等透水带厚度具有从上游向下游逐渐变小的趋势。下游发现承压水，二、三级阶地砾石层透水性与上坝线相同，左岸坝脚靠近塌滑体。四、溢洪道工程地质条件上坝线方案溢洪道堰顶高程 757m，沿建筑物轴线岩层倾向下游。岩性主要为坚硬的细砂岩， 其中软弱层多为透镜体，溢洪道各部分的抗滑稳定条件是好的。下坝线溢洪道堰顶高程 750m。基础以下 10m

6、左右为砂质页岩及夹泥层，且单薄分水岭岩层风化严重，透水性大，对建筑安全不利。五、水文与水利规划1、气象流域年平均降雨量 686.1mm，70%集中在 6-9 月份，多年年平均气温 8-9，多年平均最高气温 29.1（6 月），多年平均最低气温-14.3（1 月），多年平均最大风速 9 m/s，水位 768.1 米时水库吹程 5.5km。2、水文分析（1） 洪水洪水由暴雨形成，据统计 7-8 月发生最大洪峰流量的机会占 88%。而且年际变化很大，实测最大洪峰流量 2200m3/s，最小洪峰流量 184 m3/s，相差 12 倍，流域洪水的特点是风高、历时短、陡涨陡落。一次洪水持续时间一般 3-5

7、 天。（2） 年来水量水量的年内分配，汛期 7-10 月约占全年水量的 62%，水量年际变化很大，实测最大年来水量1968108m3（1963 年 7 月至 1964 年 6 月）。最小年来水量 3.34108m3（1965 年 7 月至 1966 年6 月）。相差 5.9 倍。从历年来水量过程来看约 7 年一个周期，其中连续枯水段为四年。73（3） 年输沙量汛期 7-10 月的来沙量约占全年输沙量的 94%，其中 7、8 两月约占 83%。输沙量的年际变化很大，实测最大年输沙量 1240104t，最小年输沙量 173104t 相差 7 倍。（4） 水文分析成果表序号名称单位数量备注1利用水文

8、系列年限年222代表性流量多年平均流量m3/s21.9调查历史最大流量m3/s3 980设计洪水洪峰流量（p=1%）m3/s4 000校核洪水洪峰流量（p=0.1%）m3/s6 550保坝洪水洪峰流量（p=0.01%）m3/s9 1003洪量设计洪水洪量（p=1%）m35.001085d校核洪水洪量（p=0.1%）m37.951085d4多年平均径流量m36.941085多年平均输沙量t431.00108QH 河水文分析成果表3、水利计算（1） 死水位选择。为尽可能增加自流灌溉面积，并使电站水头适当增加，力求达到电源自给以及为今后水库淤积留有余地，按 20 年淤积高程考虑，并根据以后使用情况加

9、以计算调整。（2） 调节性能的选定。灌溉保证率选取 P=75%，水库上游来水，首先满足灌区工农业用水， 电站则利用余水发电。按上述原则，并按近期灌溉面积 71.2104 亩进行水库调节计算。年调节和多年调节两个方案的水量利用系数和坝高都相差不大，但是多年调节性能的水库能提供的电量和装机利用小时数都较年调节性能水库提高 20%。故确定本水库为多年调节性能水库。利用 1949年 7 月至 1971 年 6 月共 22 年插补水文系列，采用“时历法”进行多年调节计算。（3） 兴利水位的确定原则和指标。根据 QH 河洪水特性，汛期限制水位在 7、8 月为760.7m。7、8 月以后可利用一部分防洪库容

10、蓄水兴利，以防洪兼顾兴利为原则，确定 9、10 月水位为 766.1m，汛末可以多蓄水。但蓄水位按不超过百年设计洪水位考虑，确定汛末兴利水位为767.2m。电站的主要任务是满足本灌区提灌用电的要求。因此在保证灌区工农业用水的基础上，确定电站的运用原则：灌溉季节多引水发电，非灌溉季节少引水发电，遇丰水年则充分利用弃水多发电，提高年水量的利用系数。（4） 防洪运用原则及设计洪水的确定。本水库属二级工程。水库建筑物按百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核。由于采用的洪水计算数值中未考虑历史特大洪水的影响，故用万年一遇洪水作为非常保坝标准对水工建筑物进行复核。工程泄洪建筑物有溢洪道和导流泄洪洞。溢洪道净宽

11、 60 米，分设 5 孔闸门，每孔闸门净宽12 米，堰顶高程 762 米。通过施工导流、拦洪、泄洪度汛、非常时期放空水库以及在可能情况下有利于排沙等方面的综合分析和比较，泄洪洞洞径确定为 8 米，进口底高程 703.35 米。调洪运用原则：当入库洪水为 20 年一遇时，为满足下游河道保滩淤地的要求，水库控制下泄流量为 600 m3/s；当入库洪水为百年一遇时，为提高下游河道的电站、桥梁等建筑物的防洪标准，水库控制下泄流量为 2000m3/s；当入库洪水为千年一遇时，溢洪道单宽流量以 70 m3/（sm）；控制泄流；当入库洪水为万年一遇时，按下述原则操作：即库水位接近校核水位时，若水库水位仍持续

12、上涨，为确保大坝安全，溢洪道敞开泄洪，允许溢洪道局部破坏。（5） 水库排沙和淤沙计算。ZF 水库回水长 25km，河道弯曲，河床宽 300 米左右，河床比降位.2%，是个典型的河道型水库。QH 河泥沙年内 83%集中在 7、8 两个月，平均含沙量13.8kg/m3，泥沙多年平均 D50 粒径为 0.0155mm,颗粒较细。虽然本水库有可能利用异重流排沙， 但由于流域的水文特性和下游工农业对水源的要求，决定了本水库只能高水头蓄水运用。在蓄水过程中，只能用灌溉和发电的剩余水进行排沙。经计算，多年平均排沙量只能占 5.2%，其余大部分的泥沙都淤积在水库中，从而减少了兴利库容。（6） 水库工程特征值见

13、下表水库工程特征值序号名称单位数量备注1设计洪水时最大泄流量m3/s2 000.00其中溢洪道 815相应下游水位m700.552校核洪水时最大泄流量m3/s6 830.00其中溢洪道 5 600相应下游水位m705.603水库水位校核洪水位（P=0.01%）m770.40设计洪水位（P=1%）m768.10兴利水位m767.20汛限水位M760.70死水位m737.004水库容积总库容m35.05108校核洪水位设计洪水库容m34.63108防洪库容m31.36108兴利库容m33.51108其中公用库容m31.10108死库容8m31.051085库容系数50.506调节特性多年7导流泄洪

14、洞型式明流隧洞工作闸门前为有压隧洞直径m810城门洞型压力隧洞 8m消能方式挑流最大泄量（P=0.01%）m/s1 230.00最大流速m/s23.10闸门尺寸m76.50弧形门启闭机t300.00油压启闭机检修门m89.00斜拉门进口底部高程m703.358灌溉发电隧洞型式压力钢管内径m5.40灌溉支洞内径m3.00最大流量m3/s45.00进口底部高程m731.649枢纽电站形式引水式厂房面积（长宽）mm3916.20装机容量KW51 250每台机组过水能力m3/s8.05六、建筑材料及筑坝材料技术指标的选定库区及坝址下游石料丰富，有利于修建当地材料坝。1、土料坝址上、下游均有土料场，储量

15、丰富，平均运距小于 1.5km。根据 155 组试验成果统计，土料平均粘粒含量为 26.4%，粉粒 55.9%，粉沙 17.6%，其中 25%属粉质粘土，60.7%属重粉质壤土，14.3 %属中粉质壤土。平均塑性指数 11.1，比重 27.5。最大干重度 16.7kN/m3，最优含水量 20.5%， 渗透系数 0.4410-5cm/s。具有中等压缩性，强度特性见下表。土料的强度特性试验方法统计方法抗剪强度指标/（o）C/(KNcm-2)饱和固结快剪（25 组）算术平均23.272.80算术小值平均20.961.93快剪（82 组）算术平均21.542.93算术小值平均21.302.93快剪（1

16、8 组）算术平均21.302.93算术小值平均21.001.94算术平均22.685.83算术小值平均20.033.56算术平均22.505.83算术小值平均23.803.56快剪（8 组）算术平均28.804.51算术小值平均25.752.93算术平均29.004.51算术小值平均28.702.93三轴不排水剪（10 组）算术平均20.002.88算术小值平均25.201.30三轴不排水剪（6 组）算术平均13.302.80算术小值平均25.200.80三轴饱和固结不排水剪（6 组）算术平均18.204.20算术小值平均22.303.50野外自然坡度角（29 组）算术平均35.70算术小值平

17、均31.20室内剪切算术平均31.10算术小值平均29.10试验算术平均31.00算术小值平均29.002、砂砾料主要分布在河滩上，储量为 205104m3，扣除漂时石及围堰淹没部分，可利用的砂砾料约（100151）104m3。其颗粒级配不连续，缺少中间粒径，根据野外 29 组自然坡度角试验和 34 组室内试验分析，统计成果如下：天然重度 18.7kN/ m3，软弱颗粒含量 2.64%。颗粒组成见下表。砂砾料颗粒组成表粒径2008040205210.50.250.05含量83.774.257.746.238.634.632.829.724.74.9砂的储量很少，且石英颗粒少，细度模数很低，不宜

18、作混凝土骨料，砂（D2mm）的相对紧密度为 0.895。3、石料坝址区石料较多，运距均在 1 公里内，为厚层砂岩储量可满足需要。溢洪道、导流洞的出渣也可利用。4、筑坝材料技术指标的选定经过试验，并参考有关文献资料及工程的经验，最后选定其筑坝材料的各项指标，见下表筑坝材料技术指标筑坝材料坝体坝基土料砂砾料堆石砂砾料黄土比重27.527.0重度湿重度/（KN/m3）16.518.018.018.016.0饱和重度/（KN/m3）19.819.1干重度/（KN/m3）10.411.010.510.2孔隙率 n0.33内摩擦角施工期总应力1031403120有效应力22稳定渗流期有效应力23水位降落有

19、效应力23粘聚力 C/( KN/cm2)2.0渗透系数 K/( cm/s)110-6110-2110-2110-5初始孔隙水压力系数0.3七、工程效益及淹没损失本水库建成后具有灌溉、发电、防洪、解决工业用水和人畜吃水等多方面的效益，是一座综合利用的水库。水库近期可灌溉农田 71.2104 亩，远期发展到 104104 亩。枢纽电站和 HZ 电站总装机容量为 31450KW，年发电量 1.129108KWh，除满足农业提水浇灌用电外，还剩余0的电力供工农业用电。防洪方面，本水库控制流域面积 4990km2，占全流域面积的 39%，对下游河道防洪、削减洪峰、减轻防汛负担也有一定的作用，可将下游 1

20、00 年一遇的洪水流量 6010m3/s 削减到3360m3/s，相当于 17 年一遇；可将 50 年一遇洪水由 6000 m3/s 削减到 2890m3/s，相当于 12 年一遇，另外，每年还可供给城市及工业用水 0.63108m3。由于库区沿岸山峰重叠，村庄零散，耕地不多，淹没损失较小。按库区移民高程 770m 统计， 共需迁移人口 3115 人，淹没耕地 12157 亩，房屋 1223 间，窑洞 1470 孔。八、施工条件1、施工区地质地形条件ZF 水库的右岸坡较陡，坡度为 30 度左右，大部分基岩出漏高程在 770-810m，主河槽在右岸， 河宽约 100 米左右；左岸为堆积岸，台地宽

21、 200 米左右，山岭高程在 775 米左右，岸坡较平缓， 大都为土层覆盖。水库枢纽处施工场地狭窄，枢纽建筑物全部布置在左岸施工布置较为困难。坝区为上二叠系石千峰组的紫红色、紫灰色细砂岩，间夹同色砾岩及砂质页岩等岩层。右岸全部为基岩，河床砂卵石层总厚度约 50m。覆盖层厚度约 5m，高漫滩表层亚砂土厚 5-15m，左岸728m 高程以下为基岩。基岩面向下游逐渐降低，土层增厚。砂卵石层透水性不会很强，施工开挖排水作业估计不会很困难。2、施工区气象与水文条件ZF 水库坝址处没有建立水文气象站，根据附近气象站 1958 年至 1963 年和 1970 年至 1972 年共 9 年资料统计分析，最高气

22、温 29.1（6 月），最低气温-14.3，多年平均日气温 4-24。历年各月气温特征值见下表各月气温特征值 (单位：)月份1 月23456789101112多年平均气温4.51.14.611.318.121.723.621.716.410.318.92.1多年最高气温4.67.217.022.225.029.123.026.530.122.418.98.1多年最低气温-4.30.05.81.03.110.518.914.41.91.90.70.0根据以上的气象资料统计分析，得出多年的平均各月降雨天数及各种频率的设计洪水过程线分见下两表多年平均各月降雨天数项目月份平均日降雨510mm 天数平均

23、日降雨510mm 天数平均日降雨510mm 天数平均日降雨510mm 天数平均日降雨10mm 天数1 月0.622 月0.370.133 月1.000.080.254 月1.000.630.500.250.135 月2.001.120.250.500.256 月1.371.000.630.251.007 月2.751.881.001.001.388 月1.372.270.250.252.69 月1.450.880.130.630.7510 月0.870.880.380.250.1311 月0.730.880.1312 月0.13各种频率的设计洪水过程线时间/h流量/ （m3s-1）时间/h流量

24、/ （m3s-1）P=1%P=5%P=5%(10 月)P=1%P=5%P=5%(10 月)122213339451670100233021814247152091253402045149150090075003005551140083097004206653128076811847503815512201395055010557116015975650105591080648171350810174611020191760106022063980212270136220265920232900174017867900540254000236016069875273350201014871849

25、29296017701387380048031267016021307578033247013801017776035230013801017972037216012909881700420392020121081836764119301150768543182010903、当地建筑材料（1） 土料。根据当地建筑材料调查报告，土料场有 5 个。根据试井和钻孔情况，从 1：2000 地形图初步计算 4 个土料场的总储量为 2248.6104m3，为需要量的 4 倍多。各土料场的储量如下表各土料场的储量土料场南坪沟川坡上山大河滩合计高程/m746-805720-760710-749722-778储

26、量/104m3913.6855.7119.9359.42248.6（2） 砂砾料。根据调查，坝址附近的三个砂砾场，开采总量约（100-151）104m3(水上部分)不够使用。（3） 石料。未进行石场储量的调查试验工作。在坝址右岸有两个石料场。石场空间不够开阔，运输困难。（4） 骨料。沿河调查，本地砂只能用于浆砌石和混凝土，其它用砂需外运。4、施工区对外交通、供电、通讯及房屋情况水库地处山区，对外交通条件差，主要靠公路运输。水库附近没有较大的电源。最近的电源设备容量不大，只能供应水库 1000KW，电量不足。水库开工后，应要求有关部门予以解决。水库开工后，要求架设专用通讯线路。住房问题也必须因地制宜解决。九、施工要求QH 河灌区工程规模大，全部工程分水库枢纽、HZ 电站、渠道三部