毕业设计(论文)-黑河心墙坝枢纽布置及安全监测设计.doc
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毕业设计(论文)
说明书
题目黑河心墙坝枢纽布置及安全
监测设计
专业水利水电工程
班级工101
学生
指导教师
2014年
黑河心墙坝枢纽布置及安全监测设计
摘要
土石坝作为最主要的坝型,不但在数量上占有绝对优势,而且在高坝中也有不错的前景。
设计说明书对黑河金盆水利枢纽进行了较为详细的设计。
大坝坝体为心墙坝,最大坝高为132.5m。
泄水建筑物为表孔溢流式的溢洪洞和深孔无压式的泄洪洞。
引水隧洞为有压式。
主要的设计内容包括:
采用半图解法进行调洪计算;枢纽布置的详细说明;详细的论述大坝剖面设计的过程;针对溢洪洞和泄洪洞,进行了详细的体形设计与水面线计算;通过水力学公式法进行渗流分析;通过采用瑞典圆弧法进行坝坡稳定计算;并结合坝址的地质特点,详细的设计了心墙、坝基开挖、截水槽、帷幕灌浆、断层破碎带的处理等;最后进行了大坝的安全监测布置。
本次设计还使用了理正软件来计算渗流、坝坡稳定、水力学和隧洞衬砌。
使用西安理工大学的衬砌计算软件计算隧洞的内力。
使用STAB2005对指定圆弧面的安全系数进行了验算。
所提交的成果包括:
计算说明书一份,CAD图纸共9张。
关键字:
黑河心墙坝;隧洞设计;渗流监测;理正软件
ThelayoutofhydrauliccomplexofHeiheearth-rockdamwithcentralsoilcoreandsafetymonitoringdesign
ABSTRACT
Earth-rockdamisdamtypeisthemostimportant,thepossessionofabsoluteadvantagenotonlyinquantity,butalsohasagoodprospectinthehighdam.ThedesignspecificationisaboutthedetaildesignofHeihejinpenhydraulicproject.Thedamwithcentralsoilcore,thedamtheheightis132.5m.Waterreleasestructureswhichareflooddischargetunnelandspillwaytunnelisfree-flowoutlet.Thediversiontunnelforpressure.
主要的设计内容包括:
采用半图解法进行调洪计算;枢纽布置的详细说明;详细的论述大坝剖面设计的过程;针对溢洪洞和泄洪洞,进行了详细的体形设计与水面线计算;并通过水力学方法进行渗流分析;通过采用瑞典圆弧法进行坝坡稳定计算;并结合坝址的地质特点,详细的设计了坝基开挖、心墙、截水槽、固结灌浆、帷幕灌浆、断层破碎带的处理等;最后进行了大坝的安全监测布置。
Thedesigncontentmainlyincludes:
floodregulatingcalculationusingsemigraphicalmethod;detailedlayoutofhydrauliccomplex;detaildamsectiondesignprocess;theoverflowinflooddischargetunnelandspillwaytunnel,wereinshapedesignandcalculationofwatersurfaceprofileindetail;andseepageanalysiswasperformedbyusinghydraulicmethod;SwedenArcMethodfordamslopestabilitycalculation;finallythesafetymonitoringofdamofthecloth.
本次设计还使用了理正软件来计算渗流、坝坡稳定、水力学和隧洞衬砌。
使用西安理工大学的衬砌计算软件计算隧洞的内力。
ThisdesignalsousedthesoftwareofLizhengtocalculatetheseepage,damslopestability,hydraulicsandtunnellining.CalculationofinternalforcesoftunnelliningbysoftwareoftheXi'anUniversityoftechnology.
所提交的成果包括:
计算说明书一份,CAD图纸共9张。
Thesubmittedresultsinclude:
Calculationofamanual,CADtotalof9drawings.关键字:
黑河心墙坝;隧洞设计;渗流监测;理正软件
KeyWords:
heihecentralsoildam;seepagemonitoring;tunneldesign;thesoftwareofLizheng;
目录
第1章工程概述 -1-
1.1工程概况 -1-
1.2工程特征表 -1-
1.3设计说明 -3-
1.3.1设计阶段 -3-
1.3.2设计任务 -3-
1.3.3建筑物级别 -4-
1.3.4设计依据 -5-
第2章水文气象资料 -7-
2.1流域水文概况 -7-
2.1.1流域概况 -7-
2.1.2径流 -8-
2.1.3气象 -8-
2.2水文分析计算 -9-
2.2.1洪峰流量 -9-
2.2.2时段洪量 -9-
2.2.3洪水过程线 -9-
2.2.4坝址水位流量关系 -11-
2.2.5水位与库容曲线 -12-
2.2.6泥沙 -12-
第3章调洪计算 -13-
3.1调洪计算说明 -13-
3.1.1调洪计算原理及方法 -13-
3.1.2调洪方案说明 -13-
3.2调洪计算过程 -14-
3.2.1调洪计算参数 -14-
3.2.2调洪方案一 -15-
3.2.3调洪方案二 -19-
3.2.4方案选定 -21-
第4章工程地质 -23-
4.1区地质概况 -23-
4.2库区工程地质条件 -23-
4.3坝址区工程地质条件 -24-
4.3.1大坝基础工程地质条件 -24-
4.3.2右岸溢洪洞工程地质条件 -25-
4.3.3左岸泄洪洞工程地质条件 -28-
4.3.4引水洞工程地质条件 -30-
4.3.5电钻站址工程地质条件 -31-
4.4建筑材料 -31-
4.5地震烈度 -33-
4.6计算参数 -33-
第5章枢纽布置 -35-
5.1坝址比选 -35-
5.2坝轴线比选 -35-
5.3坝型比选 -36-
5.4枢纽布置 -36-
第6章建筑物设计 -39-
6.1剖面设计 -39-
6.1.1坝顶高程 -39-
6.1.2坝顶宽度 -42-
6.1.3坝高 -42-
6.1.4坝坡 -42-
6.2泄洪洞设计 -42-
6.2.1泄洪洞说明 -42-
6.2.2体型设计 -43-
6.2.3水面线计算 -46-
6.2.4挑距和冲坑计算 -49-
6.2.5衬砌设计 -50-
6.2.6细部设计 -51-
6.3溢洪洞设计 -52-
6.3.1溢洪洞说明 -52-
6.3.2体型设计 -53-
6.3.3水面线计算 -57-
6.3.4挑距和冲坑计算 -63-
6.3.5衬砌设计 -64-
6.3.6细部设计 -65-
6.4引水隧洞设计 -66-
6.5发电支洞 -67-
6.6渗流分析 -67-
6.6.1渗流分析说明 -67-
6.6.2渗流分析计算 -67-
6.6.3渗流分析结果 -69-
6.7抗滑稳定分析 -71-
6.7.1稳定分析说明 -71-
6.7.2稳定分析计算 -72-
6.7.3稳定计算结果 -74-
6.7.4理正软件计算稳定 -79-
第7章构造设计 -81-
7.1防渗体 -81-
7.2截水槽 -81-
7.3灌浆平硐 -82-
7.4坝顶构造与护坡 -82-
7.5排水沟设计 -83-
7.6坝体排水和反滤层 -83-
第8章地基处理 -85-
8.1基础开挖及处理 -85-
8.2地质缺陷处理 -86-
8.3帷幕灌浆 -86-
第9章 安全监测设计 -87-
9.1变形监测设计 -87-
9.1.1水平位移 -87-
9.1.2垂直位移 -87-
9.2渗流监测设计 -88-
9.2.1渗流压力监测 -88-
9.2.2孔隙水压力监测 -88-
9.2.3绕坝渗流监测 -88-
9.2.4渗流量监测 -89-
9.3水文及水力学监测设计 -89-
9.4监测仪器汇总 -89-
致谢 -90-
参考文献 -91-
第1章工程概述
1.1工程概况
金盆水库位于陕西省黑河峪口以上约1.5km处,距西安市86km。
黑河水利枢纽工程位于陕西省西安市周至县境内,是渭河支流黑河上的一项综合利用水利枢纽,根据流域规划和西安市社会经济发展需要,其开发任务是以城市供水为主,兼有农灌、发电、防洪等综合利用的大(Ⅱ)型水利工程。
该枢纽是继黑河引水一期开发建成后,为确保黑河引水工程全面发挥效益,促进先经济发展,保证社会稳定,改善投资环境而兴建的关键性工程,是西安人民的“生命线”工程,被陕西省委、省政府列为全省基础设施建设项目的重中之重。
本次设计确定大坝坝顶高程为602.5m,正常蓄水位为594m,总库容为2.25亿m3。
枢纽由拦河坝、泄洪洞、溢洪洞、引水洞、坝后电站及古河道防渗工程等建筑物组成。
工程建成后,每年可供给西安市城镇和工业用水3.5亿m3,基本解决西安市的供水问题,农业年供水量1.23亿m3,可使37万亩的农田灌溉用水得到不同程度的改善和补充;一级水电站装机1.5MW,多年平均发电量0.55亿KW*h;由于水库的滞洪和削峰作用,可将百年一遇的洪水减为二十年一遇,对下游防洪起到良好的作用。
本工程的综合经济效益显著,对促进西安市社会发展具有战略意义[1]司政.水利水电工程专业毕业设计指南[M].北京:
中国电力出版社,2013.9.
。
1.2工程特征表
根据设计规定[2]中华人民共和国行业标准,水利水电工程初步设计报告编制规程DL5021-93[S].北京:
中国水利水电出版社,1993.
,工程相关特征统计如表1-1所示:
表1-1工程特征表
名称
项目
单位
数量
备注
水文特征
设计洪量
m3/s
8000
(P=0.01%)
校核洪量
m3/s
5100
(P=0.2%)
续表1-1工程特征表
名称
项目
单位
数量
备注
水库特征
正常蓄水位
M
594
设计洪水位
M
594.52
校核洪水位
M
601.85
防洪限制水位
M
592
死水位
M
520
总库容
亿m0
2.254
调洪库容
亿m1
0.467
死库容
亿m2
0.1
兴利库容
亿m3
1.877
大坝
地震烈度
度
7
坝顶高程
M
602.5
坝顶长度
M
405.54
防浪墙顶高程
M
603.6
最大坝高
M
132.5
溢洪洞
堰顶高程
M
585
最大泄流量
m3
1587.42
隧洞形式
表孔溢流式隧洞
隧洞长度
M
448.68
消能方式
调流消能
泄洪洞
进口高程
M
515
最大泄流量
m3
3515.6
隧洞形式
深孔无压式隧洞
隧洞长度
M
731.87
消能方式
调流消能
引水建筑物
设计引用流量
m3/s
30.3
最大引用流量
m3/s
33
隧洞形式
压力隧洞
隧洞尺寸
M
R=3.5
消能方式
调流消能
闸门
工作门
弧形闸门
事故检修门
叠梁门或平板钢闸门
1.3设计说明
1.3.1设计阶段
本毕业设计为黑河心墙坝枢纽布置与安全监测设计,其中枢纽布置为初步设计阶段;而土石坝设计需达到施工图设计阶段。
1.3.2设计任务
(1)了解工程概况,熟悉设计所需的地形、地质、水文等基本资料;
(2)进行工程枢纽整体布置,确定坝轴线位置和泄水、排沙、取水、发电等建筑物的位置、形式和尺寸。
要求拟定出至少两个不同的方案并进行综合分析比较,最终选定一个方案进行深入设计。
(3)进行调洪计算与分析,确定设计、校核工况下的相应泄流量和水库设计洪水位、校核洪水位等特征水位,确定特征库容,在此基础上完成整体枢纽平面布置。
确定特征水位时,可根据具体情况采用同倍比(或同频率)放大法,绘制出两条Q-t曲线,并运用半图解法求出设计、校核情况下的相应最高洪水位。
(4)拟定大坝横断面形式与尺寸,进行坝体稳定分析和强度计算。
(5)拟定泄水建筑物的形式与尺寸,并进行相关水力计算,确保设计与校核情况下的安全泄洪能力。
(6)拟定排沙、取水等其它建筑物的形式和尺寸,并进行相关结构计算和设计。
(7)进行大坝、泄水等枢纽建筑物的结构设计和细部设计。
(8)进行专题深入部分(安全监测)的设计,从经济、安全、施工、运行管理等方面综合考虑,对黑河心墙坝工程的溢洪洞进行深入设计。
(9)绘制并提交设计图纸6~8张。
要求所有设计图纸(包括枢纽平面布置图、大坝典型横剖面图、上游立视图、下游立视图、泄水建筑物及消能设施的纵、横剖面图,各主要建筑物的细部设计图,专题深入部分细部设计图等)均采用AutoCAD绘制。
1.3.3建筑物级别
为了贯彻执行国家的技术和经济政策,达到既安全又经济的目的,应该对水利枢纽按其规模、效益极其在国民经济中的重要性进行分等。
再根据枢纽中各水工建筑物的作用大小及重要性,对建筑物进行分级。
在设计和施工中,对不同级别的水工建筑物在安全系数、洪水标准、安全超高等技术方面则区别对待[3]中华人民共和国行业标准,水利水电工程等级划分及洪水标准SL252-2000[S].北京:
中国水利水电出版社,2000.
。
具体划分依据为中华人民共和国行业标准SL252-2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》中的有关规定确定。
结合枢纽任务(供水、灌溉、发电、防洪),考虑水库库容(最大库容)、
供水对象重要性、防洪要求(保护重要城市),根据表1-3,确定黑河水利枢纽定为Ⅱ等大
(2)型工程。
根据表1-2永久性水工建筑物级别,及表1-4水库大坝提级指标[4]许百立.中国的坝工建设[J].水利水电科技进展,1999
,本枢纽为Ⅱ等,其主要建筑物(大坝、溢洪洞、泄洪洞)属于1级,次要建筑物(导流墙、工作桥、护岸等)属于2级,临时性建筑物(围堰、导流隧洞等)属于3级。
根据枢纽等别和建筑物级别,根据表1-5山区、丘陵区水利水电程水工建筑物洪水标准,确定本枢纽的设计洪水标准为500年一遇,校核洪水标准为10000年一遇。
表1-2永久性水工建筑物级别
工程等别
主要建筑物
次要建筑物
Ⅰ
1
3
Ⅱ
2
3
Ⅲ
3
4
Ⅳ
4
5
Ⅴ
5
5
表1-3水利水电工程分等指标
工程等别
工程规模
防洪
治涝
灌溉
供水
发电
水库总库容(108m3)
保护对象的重要性
保护农田(104亩)
治涝面积(104亩)
灌溉面积(104亩)
供水对象重要性
装机容量(WM)
Ⅰ
大
(1)型
≥10
特别重要
≥500
≥200
≥150
特别重要
≥120
Ⅱ
大
(2)型
10~1.0
重要
500~100
200~60
150~50
重要
120~30
Ⅲ
中型
1.0~0.1
中等
100~30
60~15
50~5
中等
30~5
Ⅳ
小
(1)型
0.1~0.01
一般
30~5
15~3
5~0.5
一般
5~1
Ⅴ
小
(2)型
0.01~0.001
<5
<3
<0.5
<1
表1-4水库大坝提级指标
级别
主要建筑物
坝高
2
土石坝
90
混凝土坝、浆砌石坝
130
3
土石坝
70
混凝土坝、浆砌石坝
100
表1-5山区、丘陵区水利水电工程水工建筑物洪水标准
运用情况
水工建筑物级别
1
2
3
4
5
洪水重现期
设计情况
1000~500
500~100
100~50
50~30
30~20
校核情况
土石坝
可能最大洪水或10000~5000
5000~2000
2000~1000
1000~300
300~200
混凝土坝、浆砌石坝
5000~2000
2000~1000
1000~500
500~200
200~100
1.3.4设计依据
SL252-2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》
SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》
SL203-97《水工建筑物抗震设计规范》
SL297-2002《水工隧洞设计规范》
SL253-2000《溢洪道设计规范》
DL5077-1997《水工建筑物荷载设计规范》
第2章水文气象资料
2.1流域水文概况
2.1.1流域概况
黑河为渭河南岸较大支流,位于东经107°43′~108°24′,北纬33°42′~34°13′之间,属黄河二级支流,发源于秦岭太白山北麓,由西南流向东北,至周至县马召镇附近出峪,向东北汇入渭河,流域面积2258Km2,干流总长125.8Km,河道平均比降8.77‰。
流域最高为太白山主峰,海拔3767米,流域分水岭平均高程海拔2400m。
黑河流域为扇状,东西最大宽六十余公里,主要支流有陈家河、大蟒河、清水河、太平河、扳房子河、虎豹河、王家河等(支流多汇集于右岸,右岸支流集水面积约为左岸的三倍),陈家河以下黑河干流较为顺直,无较大支流汇入,流域平均宽度约六公里。
峪口以上干流长91.2Km,控制流域面积1481Km2,约占全流域面积的65%,干流经高山深谷,河床比降大,约为14.7‰。
峪口以上为秦岭林区,流域内植被良好,森林覆盖率为46.5%,含沙量小,水质无污染,符合国家饮用水标准[5]韩玙、叶林.水利水电工程学习指导[M].陕西:
陕西人民出版社,2005.
。
黑河流域于1938年10月在黑峪口设立水文站,基本断面位于峪口黑惠渠首上游800米处,即黑峪口
(二)站,1939年内下移500m,又恢复至
(二)断面,1966年下移100米,即黑峪口(三)断面,观测至今,黑河水库水文站基本断面位于黑惠渠首上游700m处。
累计观测资料47年。
黑河流域先后设有13个雨量站,系列长短不一,早在1940年黑峪口水文站就有雨量观测资料,1953年设立板房子雨量站,1954年设立小王涧雨量站,1955年设立金井、老水磨、庙哑子、厚畛子、钓鱼台等雨量站,另外1960年设立双庙气象站,观测降雨、气温、湿度等项目。
2.1.2径流
黑峪口水文站实测径流资料较长,但解放前有四年共21个月资料缺。
由于黑河径流主要由降雨形成,降雨径流过程对应较好,因此采用降雨资料相关插补。
统计结果如表2-1所示:
表2-1设计频率年径流值表
统计参数
频率P%
ω0
Cv
Cs/Cv
5
25
50
75
95
6.67
0.37
3
11.3
8.1
6.2
4.9
3.5
代表年
81~82
75~76
80~81
74~75
69~70
2.1.3气象
黑河流域,属暖温带半干燥、半湿润大陆性气候,山川气温相差较大,山区气温较低,据双庙气象站资料统计,多年平均气温6.4℃,最低气温-19℃,最高气温29.7℃,出山口后平川地区气温较高,据周至县气象站资料统计,年平均气温13.2℃,最低气温-18.1℃,最高气温42.4℃。
多年平均最大风速20m/s,主风向为WNW,最大冻土深度24cm。
流域内降雨量南多北少,山区年降雨900mm以上,黑峪口水文站多年平均降雨量841.3mm,周至县年平均降雨为670mm,为黑峪口降雨的80.2%。
多年平均径流深473.8mm。
降水年内分配很不均匀,据统计多年平均7~10月四个月内降水为全年降雨量的60%,实测月最大降雨为342.9mm。
由黑峪口水文站水温资料,多年平均水温11.3℃,最高温度36℃,最低温度0℃。
由32年蒸发资料统计,蒸发皿多年平均蒸发量1100.5mm,折算水面蒸发强度825.4mm。
2.2水文分析计算
2.2.1洪峰流量
黑峪口水文站实测最大洪峰流量Q=3040m3/s(发生于1980年7月2日),再加上历史调查洪水,经过频率分析得到洪水特征参数及各种频率的洪水值如2-2所示:
表2-2洪峰流量统计参数及频率值
统计参数
频率P%
Qo
Cv
Cs/Cv
0.01
0.1
0.2
0.5
1
2
5
820
0.85
3.5
800
5800
5100
4300
3600
3000
2200
2.2.2时段洪量
洪量设计采用24小时及72小时作为设计时段。
另外采用1940~1953年一日及三日洪量插补出相应年份的24小时,72小时洪量,使洪量资料延长至42年。
统计参数及频率计算值如表2-3所示:
表2-3洪量统计参数及频率值
项目
统计参数
频率P%
Wo
Cv
Cs/Cv
0.01
0.1
0.2
0.5
1
2
W24
0.46
0.65
3.0
2.881
2.206
2.003
1.734
1.53
1.326
W72
0.802
0.55
2.5
3.807
3.034
2.808
2.481
2.238
1.991
2.2.3洪水过程线
设计洪水过程线