重力坝枢纽设计毕业论文.docx
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重力坝枢纽设计毕业论文
重力坝枢纽设计毕业论文
1.基本资料
1.1流域概况及枢纽任务
青龙河流域水量充沛，控制流域面积6340km2，，多年平均径流量9.6亿m3，是滦河流域较大的一条支流。
但由于降雨、径流的年际年分配极不均匀，必须修建大型控制工程调节水量，丰富的水资源才能得以充分开发利用。
该水库工程位于省青龙县与卢龙县交界处的青龙河上，距卢龙县约35km，是省重点工程建设项目之一。
该工程是以供水、灌溉、、养殖等综合利用为主的大型控制枢纽工程。
该水库建成后能收到灌溉、防洪、解决工业用水和人蓄吃水等多方面效益，是一座综合利用的水库。
一期建成，可谓是提供工农业、城市用水1.82亿m3,可使滦河中下游地区120万亩农田灌溉用水得到不同程度的改善和补充。
二期建成，可调节水量5.67亿m3,可全面解决冀东钢铁基地建设用水。
1.2坝址地形
该水库位于高山区，构造剥蚀地形。
青龙河侵蚀能力较强，沿河形成不对称河谷，由于构造运动影响，河流不断下切，形成岸边阶地、陡岸。
坝址区河谷呈不对称“U”字形，较开阔。
坝址位于河湾的下游，在坝址上游十余公里有一开阔地带，为形成水库的良好条件。
青龙河为山区性河流，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，库区亦未发现重要矿产。
1.3坝址地质
该区地质构造比较简单。
库区两岸基岩出露高程大部分在200米左右，库区左岸非可溶性岩层分布广泛，其中主要由绢云母、千枚岩、石英、砂质页岩组成。
透水性较小，也没有发现沟通库外的大断层。
库区可溶性岩层分布于青龙河右岸，从隔水层分布、熔岩发育情况分析，水库蓄水后向邻近河流渗透的可能性很小。
经过对库区断层的分析，水库向外流域及下游渗漏的可能性很小。
库区外岩层抗风化作用较强，库岸基本上是稳定的。
硅质页岩的力学性质：
（1）天然含水量时的平均容重：
2600公斤/立方米
（2）基岩抗压强度：
1000-1200公斤/平方厘米
（3）牢固系数12～15
（4）岩石与混凝土之间的的抗剪断摩擦系数为f’=0.85，抗剪断凝聚力系数c’=7.0kg/cm2；抗剪摩擦系数ｆ＝0.65。
1.4水文气象
青龙江流域水量充沛,是滦河流域水资源蕴藏较大的一条支流,年径流由年降雨产生.年径流在地区与时间上分布与年降雨量基本一致.年径流在年纪间变化悬殊,该库区实测资料1974-2000年共27年资料中丰水年1995年打21.34万立方米,枯水年1999年仅1677万立方米,相似枯水年连续发生,每年平均径流量96亿立方米。
青龙河洪水由暴雨形成。
本地暴雨历时短，强度大，地面坡度大，洪峰突然涨落。
一次洪水历时一般为3-5天，流域南部位于燕山山脉东侧的暴雨中心地带，因此洪峰高量大的特点。
本流域洪水多发生在八、九月间，出现在七月的占34%，出现在8月的占66%，桃林口平均每年6-9月份洪量占全年径流量的70%，三天洪量占六天洪量的的70%以上，大水年尤为集中。
如1962年最大六天的洪峰占全年径流量达70%。
青龙河流域植被较好，泥杀来源在地区分布和洪水分布上一致。
主要是土门子与桃林口之间，其间来沙量约占桃林口以上总输沙量的95%以上，而汛期输沙量又集中在几次大洪水上。
年际间泥沙量的变化悬殊。
由统计分析得知，桃林口占站多年平均输沙量为386万吨。
多年平均含沙量为4.0㎏/立方米，从泥沙的组成情况来看，泥沙颗粒较粗,中值粒径为0.㎜，淤沙浮容重0.9t/立方米，摩擦角为12°。
全流域属于季风大陆性气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，年平均降雨量为700㎜，且多集中在夏季七月间。
流域每年气温为摄氏10℃左右，月温度变化较大，里坝址较远的迁安站实测最高气温39℃（青龙站）。
全年无霜期约180天，结冰期约120天，河道一般12月封冻，次年三月上旬解冻，冻层厚0.4-0.6m，岸边可达1.0ｍ。
每年平均最大风速23.7ｍ/ｓ，水库吹程为3㎞。
曲率分析法得洪水计算成果如下：
表1-1洪水计算成果
项目
洪峰流量
洪量（亿立方米）
24h
3天
6天
30天
特征值
均值
2000
1.4
2.2
2.8
5.37
1.35
1.35
1.35
1.25
1.0
2.5
2.5
2.5
2.5
2.5
频率%
0.01
32040
22.43
35.24
39.96
55.40
0.02
29600
20.75
32.65
36.90
51.50
0.1
22480
15.74
24.73
28.34
40.50
0.2
19680
13.78
21.65
24.92
36.20
0.5
16000
11.23
17.60
20.41
30.40
1
13280
9.30
14.50
17.14
26.16
2
10680
7.48
11.75
13.92
21.70
5
7360
5.51
8.10
9.80
16.20
10
5000
3.15
5.50
6.83
12.10
20
2920
2.04
3.21
4.71
8.18
1.5当地材料分布情况
当地天然建筑材料分布在坝址地区上、下游河滩及两岸阶地。
其中，土料主要分布在庄窝、土谷子等七处，沙砾卵石料主要有南杖子、桃林口等八处，各料厂的材料物理性质基本满足要求，可做大坝混凝土骨料及拱围堰。
砂砾料主要分布在河滩上，储量为205万立米，扣除漂石及围堰淹没部分，可利用的约100—151万立米，其颗粒级配不连续，缺少蹭粒径，根据野外29组自然坡度角试验，34组室试验分析，统计成果如下：
自然么重1.87吨/立米，软弱颗料含量2.64%。
不均匀系数561颗，颗组成见表1-2.
表1-2颗粒组成表颗料组成（毫米）%
<200
<80
<40
<20
<5
<2
<1
<0.5
<0.25
<0.5
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，且石英颗料少，细度模数很低，不宜作混凝土骨料，砂（D<2毫米）的相对紧密度为0.895。
坝址区石料较多，储量可满足需要，溢洪道、导流洞出碴也可利用。
沙石料厂设在水库下游13km的鹿尾山，大庄、薛庄，总储量1176万m3.
1.6交通运输
（1）陆路：
水库距卢龙县35Km,新建公路至工地，交通方便。
离坝址150公里处有铁路，且与公路衔接。
（2）外地材料之运输，主要靠铁路、公路，部分可用木船，运输较方便。
（3）施工动力与施工机械的供应：
施工动力大部分可由坝址下游处之县城供给，施工机械之供应是方便的。
（4）供电：
施工用电青龙山双山子变电所架设110kv输电线路供电，电力保障可靠。
（5）劳动力：
坝址所在地区，有足够的农业劳动力；在满足了农业生产的要求下，可以抽调一部分农业劳动力参加枢纽之修建工作。
1.7主要工程技术经济指标表
表1-3组要工程技术经济指标表
项目
单位
指标
备注
水位
校核洪水位
.8
ｐ=0.02%
设计洪水位
136.3
ｐ=0.1%
正常蓄水位
133.7
死水位
110.0
校核尾水位
99.7
设计尾水位
99.1
正常尾水位
89.1
坝前堆沙高程
97.6
库容
总库容
13.93
调洪库容
2.11
兴利库容
10.33
死库容
0.94
堆沙库容
1.66
主坝
坝型
混凝土实体重力坝
坝顶高程
142
最大坝高
64
坝顶长度
880.0
坝顶溢流孔数
孔
12
堰顶高称
124.9
每孔净宽
15
设计洪水下泄能力
18276
校核洪水下泄能力
24527
2.坝址、坝型的确定及枢纽布置
2.1工程等别确定
因为：
1）校核洪水位为138.8m，查水位—库容曲线，总库容=13.93亿m3>10亿m3
达到大
（1）型工程规模，等别为一等；
2）电站装机容量100MW，大于50MW且小于300MW，达到中型工程规模，等别为三等；
3）防护对象是中等工业城市，达到中等工程规模，等别为三等；
综合考虑以上因素，确定工程等别为一等，主要建筑物为1级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。
2.2坝址的确定
坝址选择与枢纽布置密切相关，不同坝型轴线易采取不同的坝型和枢纽布置，同一坝址也可以有不同的坝型和枢纽布置方案，通过经济比较择优选出坝轴线位置及相应的合理坝型和枢纽布置。
坝址选择与地质条件密切相关，理想坝址地质条件是强度高，透水性好，不易风化，没有构造缺陷的岩基，但一般来说，坝址在地质上总是存在缺陷，因此，在选用坝址时应用实际出发。
不仅要慎重考虑坝基地质条件，还要求库区及坝址两岸的边坡有足够的稳定性。
坝址地形条件与坝型选择和枢纽布置有着密切关系。
除此之外，地形条件在很大程度上会影响坝址。
一般来说，坝址宜选在河谷狭窄地段，坝轴线较短，可以减少坝体工程量，还要考虑便于施工导流等等，因此需要全面分析。
结合考虑，选择最有利的坝址，对于此工程：
1．从地质条件看：
上坝线处河床高于下坝线，根据地质剖面图，上坝线处地基岩比较稳定，坝基岩为黑色硅质页岩和燧石，上面有3-9米覆盖层。
2．从施工条件看：
上坝线河床比较宽，显然相同条件下，上坝线更有利于施工导流，截流期比较短，更容易截流。
3．从水流条件看，由上、下坝线坝址水位流量关系看出，在同样情况下，上坝线更有利于抬高水位，对发电为主的枢纽是有利的。
4．从经济方面考虑，下坝线虽然相对平坦一些，且对外交通比上坝线短，但其紧邻生活区，需要迁移居民，耗资较大，不利于经济合理原则，因此，选上坝线比较好。
综合以上所有因素来看，在满足枢纽布置和施工导流的前提下，上坝线工程量较小，坝轴线构造更简单，无明显的断层，夹层和软弱破碎带。
因此，选上坝线作为坝址。
2.3坝型的选择
由地形图可看出，坝址两岸的基岩较不对称，故不宜修建拱坝，但可以修建混凝土重力坝和土石坝、面板堆石坝。
（1）混凝土重力坝
优点：
安全可靠，设计及施工简单，对地形和地质条件的适应性较好，对地基要求不太高，适于各种气候条件下的修建，受冻害影响较小；经验丰富，维护修理费用低；施工导流和永久性泄洪问题容易解决。
缺点：
体积大，消耗水泥、石料较多；材料强度不能充分发挥；坝底扬压力较大；混凝土水化热较大，温控措施较高。
（2）土石坝
优点：
就地取材，节约材料；能很好的适应较差的地质条件，抗震性较好，结构简单，工作可靠，使用寿命长。
缺点：
坝坡较小，工程量较大；坝顶不能过水，需要另加泄水建筑物；施工导流不方便；对坝的防渗要求较高；沉降问题存在。
（3）面板堆石坝
优点：
对自然条件有广泛的适应性，对地基要求比混凝土坝低，可适应不均匀沉降，抗震性能好，施工不受气候限制；就地取材，可节约水泥、木材和钢材等重要建筑材料；机械化施工，可加速建坝，减小投资；可策划能够手承受水头不太大的坝顶溢流；结构简单。
缺点：
堆石坝属于散粒坝体，需修建溢洪道或隧洞进行泄洪，而这些泄洪设施会加大枢纽的投资和工程量；施工中的导流问题难以解决。
当地天然建筑材料分布在坝址地区上、下游河滩及两岸阶地。
其中，土料分布在庄窝、土谷子等七处，沙砾卵石料主要有南杖子等八处，各料厂的材料物理性质基本满足要求，可做大坝混凝土骨料及拱围堰。
该地区石料较多，储量可满足要求，沙石料厂可设在水库下游13km的鹿尾山，大庄、薛庄，总储量1176万m3。
结合该处的地址条件简单而良好，河谷较为宽广，在经济和技术成熟的前提下，优选混凝土重力坝。
重力坝坝型的进一步选择：
混凝土重力坝有四种坝型进行比选，分别为：
实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝、预应力重力坝，他们之间的比较列于表2-1
表2-1重力坝各种坝型比较
实体重力坝
宽缝重力坝
空腹重力坝
预应力重力坝
优点
断面形状简单；
机械化施工，混凝土浇注容易；
工程经验丰富。
扬压力降低，节省混凝土；
散热条件好；
宽缝方便检查和观测。
扬压力较小，节省混凝土；
散热条件好；
坝体应力条件改善；
空腹进行检测和维修方便
施加预应力，增加坝体的稳定；
改善坝身应力；
减少坝体的方量。
缺点
底部扬压力大；
施工散热条件差。
施工中模板数量增加，使施工复杂，难度加大；
气温变化剧烈，易产生表面裂缝。
结构复杂，施工和设计难度都较大；
需要的钢筋和模板较多。
施工复杂；
钢筋用量多；
实践工程较少，经验缺乏。
从中可看出实体重力坝构造简单，施工和设计的难度较小，且有大量的工程事例可供参考，经验丰富。
而其他的坝型都有共同的缺点：
施工复杂，设计难度大。
优先考虑使用实体重力坝。
综上所述，最后确定坝型为实体重力坝。
2.4大坝枢纽建筑物的布置
2.4.1挡水建筑物
由2.2分析知，采用实体重力坝。
2.4.2泻水建筑物
参与比选的泄水方案有三：
河岸溢洪道、泄洪隧洞和溢流坝。
分别将其特点和适用条件列于表2-2。
表2-2泄水方式比较
方式
特点
适用条件
河岸溢洪道
其结构特点是地面开敞式。
他具有超大的泄流能力；溢洪道检修方便，运行安全可靠；可充分利用地形，减少开挖量。
最好能布置在垭口等有利地形处，常和土石坝联合修建。
对于本枢纽明显不适合。
泄洪隧洞
在山体中开挖的一种水流信道。
他作为水利枢纽的或渠首的重要组成部分，在水利枢纽中广泛应用，而且工程规模越来越大。
泄水隧洞按进口高低可分表孔和深孔。
表孔的进口属于堰流，超泄流能力大，结构简单运行方便可靠。
而深孔结构复杂，对闸门的要求高，在设计、施工和运行管理方面都有一些特殊的问题，必须妥善解决。
泄水隧洞总的来说开挖量较大，施工工序多、速度慢、难度大、工作量大、场地狭小、运输困难、易发生事故，切工程投资较大。
表孔常用于要求泄水量随水位增长而较快增长时，或需要排除表面污物时；深孔适用于要求调节水库水位或水库有放空要求时。
他们一般常用在拱坝中，本枢纽不优先采用。
溢流坝
通过坝身宣泄洪水的泄流建筑物。
溢流坝结构上简单，检修方便；水流平顺；便于排除漂浮物，不易堵塞；超泄流潜力大；施工简单方便。
但在开始泄流是流量较小，不能适时加大泄流量来降低水位。
另外他不能满足排沙防空等要求；所以必须根据需要设置防空、排沙等设施。
在重力坝枢纽中一般多用此种泄流方式。
在枢纽中设置溢流坝段，可以很好的宣泄很大洪水流量；且较其他泄水方式较经济。
由于本枢纽使用的是重力坝，从经济和施工方面考虑，拟采用溢流坝的泄水方式来宣泄洪水。
2.4.3输水建筑物
为满足下游城市的用水需要，从上游至下游许布置压力钢管，压力钢管的布置应顺直，尽量避免转弯，以造成水头损失，取水口采取相应措施使其不致被泥沙淤塞，也不致被漂浮物及木材堵塞，进水口前应使水流顺畅，水头损失小，不发生旋涡及横向水流。
压力钢管遂洞径为6m，灌溉支洞的径为3m。
2.5大坝总体布置
2.5.1溢流坝的布置
由该库区坝址的地形可知，库区河谷较开阔，呈不对称“U”字型，由于河床左岸平缓，右岸形成陡壁，故初步将压力管道布置在左岸，由于河道较为宽阔，泄水重力坝应布置在河道主河槽上，以利于顺畅泻流，水流消能，下泄水流归槽与下游水流妥善衔接以及减少土石方开挖等，故将溢流坝布置在中间，溢流坝段长230m，分为12个坝段，堰顶安装工作闸门和检修闸门。
工作闸门为弧形闸门，闸门宽×高=15m×15m。
堰顶设有10个中墩，其厚度为4m，2个边墩，厚为3m，横缝设在闸墩上，溢流堰面采用WES曲线，过堰水流采用连续式鼻坎底流消能，坎顶高程为122.32m。
边墩向下游延伸成导水墙，其高度为4m。
2.5.2非溢流坝的布置
非溢流坝一般布置在河岸部分并与岸坡相连，非溢流坝与溢流坝或其他建筑物相连处，常用导墙隔开。
连接处尽量使迎水面在同一平面上，以免部分建筑物受侧向水压力作用改变坝体的应力。
在宽阔河道上以及岸坡覆盖层、风化层极深时，非溢流坝段也可采用土石坝。
本设计的非溢流坝段长650米，坝顶宽度为6m，坝顶两侧各设一人行道，人行道宽1m。
坝顶上下游侧均设置1.2m栏杆和灯柱。
坝的其他尺寸为：
上游坡度为1：
0.2，下游坡度为1：
0.8，上游折坡点高程为108，下游折坡点高程为131.3m。
3.重力坝非溢流坝段设计
非溢流坝段主要是挡水建筑物。
设计的主要容是，剖面设计、稳定分析，应力分析，构造设计。
3.1坝顶高程
根据交通和运行管理的需要，坝顶应有足够的宽度。
为防波浪漫过坝顶，在静水位以上应留有一定的超高。
3.1.1坝顶高程的确定
坝顶高程=设计洪水位+△h设=136.3+2.65=.95m
坝顶高程=校核洪水位+△h校=.8+2.45=141.25m
波浪要素按官厅公式计算：
hl=0.0166VoD1/3m；
L=10.4（hl）0.8；
hz=（πhc2/L）cth（2πh/L）（3—1）
L—波长，m；
D—风区长度，m；
H—坝前水深，m；
hl—波浪高度，m；
hz—波浪中心线高于静水面的高度，m；
Vo—计算风速，设计洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速的1.5～2.0倍；校核洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速，m/s。
坝顶或防浪墙高程=设计洪水位+△h设
坝顶或防浪墙高程=设计洪水位+△h校
h=hl+hc+hz（3—2）
△h—坝顶高于静水位的超高值；
hc—坝顶安全超高（查非溢流坝坝顶安全超高表3-1）。
表3－1安全超高hc
相应水位
坝的安全级别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
正常蓄水位
0.7
0.5
0.4
校核洪水位
0.5
0.4
0.3
波高hl，当gD/V02=20—250时，为累计频率的5%的波高h5%；当gD/V02=250—1000为累计频率10%的波高h10%。
h1%=1.24h5%=1.55
h设=h1%+hc+hz=1.55+0.3947+0.7=2.65m
△h校=h1%+hc+hz=1.55+0.3947+0.5=2.45m
分设计情况和校核情况分别计算，计算成果见表3-2
表3-2坝顶高程计算成果表
计算情况
风速V
波浪高度
波浪长度
安全加高
坝顶高程
设计情况
23．7
1.25
12.43
0.7
.95m
校核情况
23．7
1.25
12.43
0.5
141.25m
经过比较可以得出坝顶高程为141.25m，考虑水库综合利用情况取142m，则坝顶高程位142-78=64m
3.1.2坝顶宽度
考虑交通要求，坝顶宽度取6m。
3.1.3坝面坡度
上游坝采用折线面，起坡点在（1/3～2/3）H处，其高程为108m，坡度为1：
0.2；下游剖面采用基本三角形顶点与校核洪水位齐平的剖面形式，则有折坡处向上延伸与校核洪水位相交。
取下游边坡系数为1：
0.8，那么下游起坡点高程为131.3m。
3.1.4坝底宽度
由上下游起坡点高程、坡度、边坡系数等条件通过几何关系可得坝底宽度为54.64m，在（0.7～0.9）坝高=44.8～57.6围。
说明坝底宽度符合要求。
图3-1非溢流坝剖面示意图（单位：
m）
3.2荷载组合及其计算（以下各组合情况均取单位坝长计算）
作用是指外界环境对水工建筑物的影响，进行结构分析时，如果开始即可用一个明确的外力来代表外界对环境的影响，如此作用（外力）可称为荷载。
一部分作用在结构分析开始时不能作用力来代表，他的作用力及其产生的作用效应只能在结构分析同步求出，如温度作用，地震作用等。
作用分为：
①永久作用，如结构物自重，土压力；②可变作用，如各种水荷载，温度作用；③偶然作用，如地震作用，校核洪水。
重力坝承受的荷载与作用主要有：
①自重（包括固定设备重）；②静水压力；③扬压力；④动水压力；⑤波浪压力；⑥泥沙压力；⑦地震作用等。
自重W=［（30×6）/2+64×6+（42.64×53.3）/2］×24=38469KN
3.2.1设计情况
上游设计洪水位为136.3m，相应下游洪水位为99.1m，坝基设有防渗帷幕和基础排水措施。
要求抗滑安全系数Ks≧1.1。
计算成果见表3-3（附后）。
（1）水压力
由水力学可知，作用在没米坝上的总水压力为
P=Υ0H2/2（3—3）
式中：
Υ0——水的容重
H——水深
（2）泥沙压力
淤沙的容重及摩擦角于淤积物的颗粒及沉积过程有关。
淤沙逐渐固结，容重于摩擦角也逐年变化，而且各层不同，使得泥沙压力不易准确算出，一般按土压力公式计算。
Ps=1/2【Υsbhs2tg2（450-ρs/2）】（3—4）
式中：
Ps——坝面单位宽度上水平泥沙压力
Υsb——淤沙的浮容重
hs——坝前淤积厚度
ρs——淤沙的摩擦角
（3）波浪压力
水库蓄水后，库面空阔，在风力作用下形成波浪，对坝面产生波浪压力，这是由于波浪与坝反射，产生高度超过浪高一倍的立波所造成的，采用官厅公式进行计算
式中：
hl=0.0166VoD1/3m；
L=10.4（hl）0.8；
hz=（πhc2/L）cth（2πh/L）（3—5）
L—波长，m；
D—风区长度，m；
H—坝前水深，m；
hl—波浪高度，m；
hz—波浪中心线高于静水面的高度，m；
Vo—计算风速，设计洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速的1.5～2.0倍；校核洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速，m/s。
（4）扬压力
重力坝挡水后，由于上下游水位差的作用，库水将通过坝基向下游参透，并在坝底产生参透压力，通常把坝底水平面承受垂直向上的总水压力称为坝体扬压力，他包括上下游水头差产生的参透压力和下游水深产生的浮托力。
由于扬压力会引起削减坝体自重的作用，应次对重力坝的稳定是不利的，为了降低扬压力，则在坝锺附近进行帷幕灌浆，并在帷幕后设置排水孔，前这用以阻挡参水，延长参径，削减水头，后者可以使参透水流通过排水孔溢出，进一步降低参透压力。
图2-2扬压力计算简图
H1,H2——上下游水深
ά——扬压力折减系数
3.2.2校核情况
3.2.2.1设计洪水位情况下发生7度地震。
要求抗滑安全系数Ks≧1.0。
计算成果见表3-4（附后）。
地震荷载
由于本地区地震基本烈度为六级，建筑物按七度设防，且坝高小于70m，可采用拟静力法。
混凝土重力坝沿高度作用于质点i的水平向地震惯性力代表值Fi可按下式计算
Fi=άhέGEiάi/g（3—6）
式中：
Fi——作用于质点i的水平向地震惯性力代表值
άh——水平向设计地震加速度代表值0.1g
έ——地震作用的效应折减系数0.25
GEi——集中在质点i的重力作用标准值
άi——质点i的动态分布系数
g——重力加速度
其中
（3—7）
n——坝体计算质点总数
H——坝高
hi,hj——分别为质点i,j的高度
GEj——集中在质点j上的重力作用标准值
GE——产生地震惯性力的建筑物总重力作用标准值
图2-3地震惯性力计算简图（单位：
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