ZF水库土石坝枢纽设计毕业设计论文.docx

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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5.05×108m3。

水库以灌溉发电为主，结合防洪，可引水灌溉农田71.2×104亩，远期可发展到104×104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1.129×108kwh。

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45×104m3,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1×10-2cm/s。

一级阶地（Q4）表层具有中偏强湿陷性。

左岸730m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，ω=5.46~30L/（s·m·m），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=10m/d。

左岸单薄分水岭岩层仍属于中强透水性。

平均ω=0.48L/（s·m·m）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9m/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184m3/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

1968×108m3（1963年7月至1964年6月）。

最小年来水量3.34×108m3（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1240×104t，最小年输沙量173×104t相差7倍。

（4）水文分析成果表

序号

名称

单位

数量

备注

1

利用水文系列年限

年

22

2

代表性流量

多年平均流量

m3/s

21.9

调查历史最大流量

m3/s

3980

设计洪水洪峰流量（p=1%）

m3/s

4000

校核洪水洪峰流量（p=0.1%）

m3/s

6550

保坝洪水洪峰流量（p=0.01%）

m3/s

9100

3

洪量

设计洪水洪量（p=1%）

m3

5.00×108

5d

校核洪水洪量（p=0.1%）

m3

7.95×108

5d

4

多年平均径流量

m3

6.94×108

5

多年平均输沙量

t

431.00×108

QH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71.2×104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600m3/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2000 m3/s；当入库洪水为千年一遇时，溢洪道单宽流量以70m3/（s·m）；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/s

2000.00

其中溢洪道815

相应下游水位

m

700.55

2

校核洪水时最大泄流量

m3/s

6830.00

其中溢洪道5600

相应下游水位

m

705.60

3

水库水位

校核洪水位（P=0.01%）

m

770.40

设计洪水位（P=1%）

m

768.10

兴利水位

m

767.20

汛限水位

M

760.70

死水位

m

737.00

4

水库容积

总库容

m3

5.05×108

校核洪水位

设计洪水库容

m3

4.63×108

防洪库容

m3

1.36×108

兴利库容

m3

3.51×108

其中公用库容

m3

1.10×108

死库容

8m3

1.05×108

5

库容系数

％

50.50

6

调节特性

多年

7

导流泄洪洞

型式

明流隧洞

工作闸门前为有压

隧洞直径

m

8×10

城门洞型压力隧洞8m

消能方式

挑流

最大泄量（P=0.01%）

m/s

1230.00

最大流速

m/s

23.10

闸门尺寸

m

7×6.50

弧形门

启闭机

t

300.00

油压启闭机

检修门

m

8×9.00

斜拉门

进口底部高程

m

703.35

8

灌溉发电隧洞

型式

压力钢管

内径

m

5.40

灌溉支洞内径

m

3.00

最大流量

m3/s

45.00

进口底部高程

m

731.64

9

枢纽电站

形式

引水式

厂房面积（长×宽）

m×m

39×16.20

装机容量

KW

5×1250

每台机组过水能力

m3/s

8.05

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0.44×10-5cm/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

φ/（o）

C/（KN·cm-2）

饱和固结快剪

（25组）

算术平均

23.27

2.80

算术小值平均

20.96

1.93

快剪

（82组）

算术平均

21.54

2.93

算术小值平均

21.30

2.93

快剪

（18组）

算术平均

21.30

2.93

算术小值平均

21.00

1.94

算术平均

22.68

5.83

算术小值平均

20.03

3.56

算术平均

22.50

5.83

算术小值平均

23.80

3.56

快剪

（8组）

算术平均

28.80

4.51

算术小值平均

25.75

2.93

算术平均

29.00

4.51

算术小值平均

28.70

2.93

三轴不排水剪

（10组）

算术平均

20.00

2.88

算术小值平均

25.20

1.30

三轴不排水剪

（6组）

算术平均

13.30

2.80

算术小值平均

25.20

0.80

三轴饱和固结

不排水剪（6组）

算术平均

18.20

4.20

算术小值平均

22.30

3.50

野外自然坡度角

（29组）

算术平均

35.70

算术小值平均

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

29.00

2、砂砾料

主要分布在河滩上，储量为205×104m3，扣除漂时石及围堰淹没部分，可利用的砂砾料约

（100~151）×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

＜200

＜80

＜40

＜20

＜5

＜2

＜1

＜0.5

＜0.25

＜0.05

含量

83.7

74.2

57.7

46.2

38.6

34.6

32.8

29.7

24.7

4.9

砂的储量很少，且石英颗粒少，细度模数很低，不宜作混凝土骨料，砂（D＜2mm）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

27.5

27.0

重度

湿重度/（KN/m3）

16.5

18.0

18.0

18.0

16.0

饱和重度/（KN/m3）

19.8

19.1

干重度/（KN/m3）

10.4

11.0

10.5

10.2

孔隙率n

0.33

内摩擦

角

施工期

总应力

10

31

40

31

20

有效应力

22

稳定渗流期

有效应力

23

水位降落

有效应力

23

粘聚力C/（KN/cm2）

2.0

渗透系数K/（cm/s）

1×10-6

1×10-2

1×10-2

1×10-5

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71.2×104亩，远期发展到104×104亩。

枢纽电站和HZ电站总装机容量为31450KW，年发电量1.129×108KW·h，除满足农业提水浇灌用电外，还剩余５0％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100年一遇的洪水流量6010 m3/s削减到

3360m3/s，相当于17年一遇；可将50年一遇洪水由6000m3/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0.63×108m3。

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

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

多年平

均气温

4.5

1.1

4.6

11.3

18.1

21.7

23.6

21.7

16.4

10.3

18.9

2.1

多年最

高气温

4.6

7.2

17.0

22.2

25.0

29.1

23.0

26.5

30.1

22.4

18.9

8.1

多年最

低气温

-4.3

0.0

5.8

1.0

3.1

10.5

18.9

14.4

1.9

1.9

0.7

0.0

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

5～10mm天数

平均日降雨

5～10mm天数

平均日降雨

5～10mm天数

平均日降雨

5～10mm天数

平均日降雨

>10mm天数

1月

0.62

2月

0.37

0.13

3月

1.00

0.08

0.25

4月

1.00

0.63

0.50

0.25

0.13

5月

2.00

1.12

0.25

0.50

0.25

6月

1.37

1.00

0.63

0.25

1.00

7月

2.75

1.88

1.00

1.00

1.38

8月

1.37

2.27

0.25

0.25

2.6

9月

1.45

0.88

0.13

0.63

0.75

10月

0.87

0.88

0.38

0.25

0.13

11月

0.73

0.88

0.13

12月

0.13

各种频率的设计洪水过程线

时间/h

流量/（m3·s-1）

时间/h

流量/（m3·s-1）

P=1%

P=5%

P=5%（10月）

P=1%

P=5%

P=5%（10月）

1

222

133

39

45

1670

1002

3

302

181

42

47

1520

912

5

340

204

51

49

1500

900

7

500

300

55

51

1400

830

9

700

420

66

53

1280

768

11

847

503

81

55

1220

13

950

550

105

57

1160

15

975

650

105

59

1080

648

17

1350

810

174

61

1020

19

1760

1060

220

63

980

21

2270

1362

202

65

920

23

2900

1740

178

67

900

540

25

4000

2360

160

69

875

27

3350

2010

148

71

849

29

2960

1770

138

73

800

480

31

2670

1602

130

75

780

33

2470

1380

101

77

760

35

2300

1380

101

79

720

37

2160

1290

98

81

700

420

39

2020

1210

81

83

676

41

1930

1150

76

85

43

1820

1090

3、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2248.6×104m3，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/m

746-805

720-760

710-749

722-778

储量/104m3

913.6

855.7

119.9

359.4

2248.6

（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