毕业设计_TS水利枢纽挡、泄水建筑物的初步设计.docx
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作者签名：
2012年月日
导师签名：
2012年月日
内容摘要
平山水库位于G县城西南3公里处的平山河中游，该河系睦水的主要支流，全长28公里，流域面积为556平方公里，坝址以上控制流域面积431平方公里。
由于平山河为山区性河流，雨后山洪常给农作物和村镇造成灾害，另外，当雨量分布不均时，又易造成干旱现象，因此有关部门对本地区作了多次勘测规划以开发这里的水利资源。
经初步论证，该工程拟采用土石坝作为挡水建筑物，岸边溢洪道作为泄水建筑物。
本文对土石坝的概念和设计要求进行分析和研究，并对平山水利枢纽挡、泄水建筑物进行初步设计。
关键词：
平山水库土石坝初步设计
Abstract
PingShanreservoirlocatedatthemiddlereachesofthePingShanRiverwhichis3kilometerssouth-westofGcounty,theriveristhemaintributaryoftheMuRiver.Itsentirelengthis28kilometersanditsbasincovers556squarekilometers,thecontrolsdrainageareaoverthedamis431squarekilometers.BecausePingShanRiverisamountainousnatureriver,itusuallycausesdamagetothecropsandvillagesbytheflashfloodsafterrained,inaddition,whentherainfallisnotregular,itwillbeeasytocausedrought,sotherelevantdepartmentshaveprovidedalargeamountofsurveysforthisregiontoexploitwaterpowerresources.Aftergenerallydemonstration,theprojectisproposedtouseearthandrockfilldamasthewaterretainingstructure,theshorespillwayasthewaterreleasestructure.
Thisthesisismainlytogiveaanalysisandresearchtotheconceptanddesignrequirementsofearthandrockfilldam,andmakeapreliminarydesignforthewaterretainingstructureandthewaterreleasestructure.
Keywords:
PingShanreservoirrockfilldampreliminarydesign
目录
前言 1
1基本资料及设计数据 3
1.1基本资料 3
1.2设计数据 4
2枢纽布置 7
2.1枢纽的组成建筑物及等级 7
2.2各组成建筑物的选择 7
2.3枢纽总体布置方案的确定 9
3土石坝设计 10
3.1坝型选择 10
3.2土石坝基本剖面的拟定 11
3.3防渗体设计 13
3.4土石坝渗流及稳定分析计算 14
3.5顶部构造 23
3.6护坡设计 23
3.7坝顶、坝面排水设计 24
3.8坝体排水设计 25
3.9反滤层和过渡层 26
3.10地基处理及坝体与地基岸坡的连接 28
3.11裂缝处理 28
4溢洪道设计 30
4.1溢洪道路线选择和平面位置的确定 30
4.2溢洪道基本数据 30
4.3工程布置 30
4.4溢洪道地基处理 39
5设计成果说明 40
5.1土石坝 40
5.2溢洪道 40
参考文献 41
致谢 42
前言
根据教学要求，毕业设计对水利水电工程专业学生进行的最后一项教学环节。
本次设计内容为TS水利枢纽挡、泄水建筑物的初步设计，具体设计以位于G县城西南3公里处的平山河中游的平山水库为蓝本，平山河全长28公里，流域面积为556平方公里，坝址以上控制流域面积431平方公里。
由于平山河为山区性河流，雨后山洪常给农作物和村镇造成灾害，另外，当雨量分布不均时，又易造成干旱现象，因此有关部门对本地区作了多次勘测规划以开发这里的水利资源。
经初步论证，该工程拟采用土石坝作为挡水建筑物，岸边溢洪道作为泄水建筑物。
本文将对土石坝的概念和设计要求进行分析和研究，并对平山水利枢纽挡、泄水建筑物进行初步设计。
它基本包括一般水利枢纽所需进行的水工初步设计过程。
土石坝是指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压方法堆筑成的坝，是历史最为悠久的一种坝型，是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型，全世界所建的百米以上高坝中，土石坝所占的比重在呈逐年增长趋势，20世纪50年代以前为30%，60年代接近40%，70年代接近60%，至80年代后增至70%以上。
据不完全统计，我国兴建的各种类型的坝共有8.48万余座，其中95%以上为土石坝。
由于土石坝工程施工简单、地质条件要求低、造价便宜，并可以就地取材且料源丰富，因此土石坝在我国的高坝中所占的比重也在逐年增加，目前已建成的的天生桥一级面板堆石坝，高178m，在建的瀑布沟砾石土心墙堆石坝，高186m，在建的水布垭面板堆石坝，高233m，在建的扎糯渡心墙堆石坝，高261.5m。
目前，土石坝工程建设水平和技术不断提高和发展，特别是20世纪90年代以来，我国土石坝坝高开始向300m级高度研发和建设。
目前世界最高的土石坝，同时也是世界最高的水坝是位于塔吉克斯坦共和国阿姆河支流瓦赫什河上的罗贡坝，最大坝高335m，坝顶长660m，坝顶宽20m，底宽1500m，坝体体积7550万m3，库容133亿dm3，水电装机360万kw，工程主要任务是灌溉与发电。
世界第二高坝是位于塔吉克斯坦境内瓦赫什河的布利桑京峡谷的努列克土质心墙土石坝。
最大坝高300m，坝顶长704m，库容105亿m3，为季调节水库。
随着石方填筑质量的提高，面板接缝以及面板与岸坡和坝基连接结构的改进，钢筋混凝土斜墙结构的完善，现代混凝土面板堆石坝得到了大力推广。
因为混凝土面板堆石坝不但具备了土石坝的基本特点，而且在采用同等施工技术条件下，该坝型的填方量和防渗结构的工程量最小，是所有土石坝中最经济的坝型，结构也较为合理，目前成为当前土石坝发展的主要趋势。
平山水库采用粘土心墙土石坝作为挡水建筑物，岸边溢洪道作为泄水建筑物，枢纽主要任务以灌溉发电为主，并结合防洪，航运，养鱼及供水等任务进行开发。
根据初步规划，本工程灌溉面积为20万亩（高程在102m以上），装机9万千瓦。
防洪方面，由于水库调洪作用，使平山河下游不致洪水成灾，同时配合下游睦水水利枢纽，对睦水下游也能起到一定的防洪作用，在流域规划中规定本枢纽在通过设计洪水流量时，控制最大泄流流量不超过900m3/s。
在航运方面，上游库区能增加航运里程20公里，下游可利用发电尾水等航运条件，使平山河下游四季都能筏运，并拟建竹木最大过坝能力为25吨的筏道。
本设计历时五个月，在此过程中参考近二十本相关图书，运用Geo-slope软件进行渗流计算和稳定计算，运用AutoCAD软件将设计结果图像化，更加直观明白的表现出设计成果，同时毕业设计辅导老师乔娟老师给予我相关指导和帮助，在此表示衷心的感谢。
由于本人水平有限，设计不可能完全妥当，对设计中的疏误或不当之处，敬请指正。
1基本资料及设计数据
1.1基本资料
1.1.1概况
平山水库位于G县城西南3公里处的平山河中游，该河系睦水的主要支流，全长28公里，流域面积为556平方公里，坝址以上控制流域面积431平方公里；沿河道有地势比较平坦的小平原，地势比较平坦的小平原，地势自南向东由高变低．最低高程为62.5m左右，河床比降3‰，河流发源于苏塘乡大源锭子，整个流域物产丰富，土地肥沃，下游盛产稻麦，上游蕴藏着丰富的木材，竹子等土特产。
由于平山河为山区性河流，雨后山洪常给农作物和村镇造成灾害，另外，当雨量分布不均时，又易造成干旱现象，因此有关部门对本地区作了多次勘测规划以开发这里的水利资源。
1.1.2枢纽任务
枢纽主要任务以灌溉发电为主，并结合防洪，航运，养鱼及供水等任务进行开发。
根据初步规划，本工程灌溉面积为20万亩（高程在102m以上），装机9万千瓦．防洪方面，由于水库调洪作用，使平山河下游不致洪水成灾，同时配合下游睦水水利枢纽，对睦水下游也能起到一定的防洪作用，在流域规划中规定本枢纽在通过设计洪水流量时，控制最大泄流流量不超过900m3/s。
在航运方面，上游库区能增加航运里程20公里，下游可利用发电尾水等航运条件，使平山河下游四季都能筏运，并拟建竹木最大过坝能力为25吨的筏道。
1.1.3地形、地质概况
地形情况：
平山河流域多为丘陵山区，在平山枢纽上游均为大山区，河谷山势陡峭，河谷边坡一般为60°~70°,地势高差都在80~120m，河谷冲沟切割很深，山脉走向大约为东西方向，岩基出露很好，河床一般为100m左右，河道弯曲相当厉害，尤其枢纽布置处更为显著形成S形，沿河沙滩及坡积层发育，尤以坝址下游段的平山嘴下游一带及坝下陈家上游一带更为发育，其他地方则很少，在坝轴下游300m处的两岸河谷呈马鞍形，其覆盖物较厚，岩基产状凌乱。
地质情况：
靠上游有泥盆五通砂岩靠下游为二叠纪灰岩，几条坝轴线皆落在五通砂岩上面。
地质构造特征有：
在平山嘴以南，即石灰岩与砂岩分界处，发现一大断层，其走向近东西，倾向大致向北西，在第一坝轴线左肩的五通砂岩，特别破碎，在100多米范围内就有三，四出小断层，产状凌乱，坝区右岸破碎达60米的钻孔岩芯获得率仅为20%，可见岩石裂隙十分发育。
岩石的渗水率都很小，右岸一般为0.001~0.01，个别达到0.07~0.08，而左岸多为0.001~0.01。
坝区下游石灰岩中，发现两处溶洞，平山嘴大溶洞和大泉眼大溶洞，前者对大坝及库区均无影响，但后者朝南东方向延伸的话，则可能通向库壁，待将来蓄水后，库水有可能顺着溶洞漏到库外，为此，目前正在加紧地质勘探工作，以便得出明确的结论和提出处理意见。
坝址覆盖层沿坝轴线厚度达1.5~5.0m，K=1×10-4cm/s，浮容重γ=10.7kN/m3，内摩擦角Φ=35˚。
1.1.4水文，气象
1）水文：
由于流域径流资料缺乏，设计年月径流量及洪水流量不能直接由实测径流分析得到，必须通过降雨径流间接推求．根据省水文站由Ｃ城站插补延长得三天雨量计算频率：
1000年一遇雨量498.1mm，200年一遇雨量348.2mm，50年一遇雨量299.9mm，暴雨洪峰流量Q0.1%＝1860m3/s，Q0.5%=1550m3/s，Q1%=1480m3/s，多年平均来水量为4.55亿m3。
。
2）气象：
多年平均风速15m/s，水库吹程D＝10Km，多年平均降雨量430mm/年，库区气候温和，年平均气温16.9˚C，年最高气温40.5˚C，年最低气温-14.9˚C，平均冻土深度1.3m。
1.1.5其他
1）坝顶无交通要求
2）对外交通情况
水路：
由B城至溪口为南江段上水，自溪口至C城系睦水主流，为内河航运，全长256公里，可通行3～6吨木船，枯水季只能通行3吨以下船只，水运较为困难。
公路：
附近公路线为AF干道，B城至C城段全长365KM，晴雨畅通无阻，但C城至坝址尚无公路通行。
铁路：
D城为乐万铁路车站，由B城至D城180KM,至工地有53公里。
3）地震：
本地区为5～6度，设计时可不考虑。
1.2设计数据
1.2.1水库规划资料
1）正常蓄水位：
112.6m；
2）设计洪水位：
114.3m；
3）校核洪水位：
116m；
4）死水位：
103.8m（发电极限工作深度8m）；
5）灌溉最低库水位：
103.2m；
6）总库容：
2.00亿m3；
7）水库有效库容：
1.15亿m3；
8）库容系数：
0.575；
9）本设计以校核洪水时指定的下泄流量为泄水建筑物设计依据，即通过校核洪水位流量时，溢洪道泄水量q=1000m3/s，相应下游最高洪水位70m。
通过设计洪水位流量时，相应下游最高洪水位68.5m。
当上游水位降到死水位时，相应的下游水位是64.5m。
1.2.2筑坝材料
1）土料：
主要有粘土和壤土，可采用坝下1.5-3.0km丘陵区与平原地带，储量多，质量尚佳，可作为筑坝材料，其性能见表1.1。
2）砂土：
可从坝上下游0.5-3.5km河滩上开采，储量多，可供筑坝使用，其性能见表1.2。
3）石料：
可在坝址下游附近开采，石质为石灰岩及砂岩，质地坚硬，储量丰富，其性能见表1.3。
表1.1土料特性表
土壤类别
浮容重γ’
（KN/m3）
湿容重γ
（KN/m3）
土粒比重GS
干容重γd
（KN/m3）
最优含水率W（％）
孔隙率
n（％）
有效内摩擦角Φ’
内摩擦角Φ
有效粘聚力Ｃ’（Ｋpa）
粘聚力Ｃ（Ｋpa）
渗透系数Ｋ（cm/s）
粘土
13
19
2.62
16
25
30
17°
19°
18
40
1×10-7
壤土
14
17.8
2.6
15.8
14.5
32
20°
22°
10
14
1×10-5
坡土
15
18.6
2.73
16.6
22.5
39.8
22°
28°
6.5
7.5
1×10-3
表1.2砂土特性表
干容重
γd（KN/m3）
孔隙率n（％）
有效内
摩擦角Φ’
内摩擦角Φ
有效粘聚力Ｃ’（Ｋpa）
粘聚力Ｃ（Ｋpa）
渗透系数Ｋ（cm/s）
湿容重γ
（KN/m3）
土粒比重
GS
浮容重γ′（KN/m3）
18
39
20°
30°
5
12
1×10-2
20.5
2.92
12.06
表1.3石料特性表
干容重
γd（KN/m3）
孔隙率n（％）
有效内
摩擦角Φ’
内摩擦角Φ
有效粘聚力Ｃ’（Ｋpa）
粘聚力Ｃ（Ｋpa）
渗透系数Ｋ（cm/s）
湿容重γ
（KN/m3）
土粒比重
GS
浮容重γ′（KN/m3）
19
41
24°
38°
3
10
1×10-1
21.5
3.1
13.5
2枢纽布置
2.1枢纽的组成建筑物及等级
2.1.1水库枢纽建筑物组成
根据水库枢纽的任务，该枢纽组成建筑物包括：
拦河大坝、溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空隧洞（拟利用导流洞作放空洞）、筏道。
2.1.2工程规模
根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》以及该工程的一些指标确定工程规模如下：
1）各效益指标等别：
根据枢纽灌溉面积为20万亩,在5~50万亩范围之间，属Ⅲ等工程；根据电站装机容量为9万kW，在5~30万kW之间，属Ⅲ等工程；根据总库容为2.00亿m3，在1~10亿m3，属Ⅱ等工程。
2）水库枢纽等别：
根据规范规定，对具有综合利用效益的水电工程，各效益指标分属不同等别时，整个工程的等别应按其最高的等别确定，故本水库枢纽为Ⅱ等工程。
3）水工建筑物的级别：
根据水工建筑物级别的划分标准，Ⅱ等工程的主要建筑物为2级水工建筑物，所以本枢纽中的拦河大坝、溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空隧洞为2级水工建筑物；次要建筑物筏道为3级水工建筑物。
2.2各组成建筑物的选择
2.2.1挡水建筑物型式的选择
挡水建筑物型式的选择关系到整个地形的工程量、投资的工期，除筑坝材料是坝型选择的主要因素外，还要根据地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理方案、抗震要求等各种因素进行研究比较，最后选定技术上可靠、经济上合理的坝型
工程中主要的挡水建筑物型式有重力坝、拱坝、土石坝，现对各种坝型进行比较：
1）重力坝方案
重力坝基本剖面呈三角形，在水压力及其他荷载作用下主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求，同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消水压力所引起的拉应力来满足强度要求。
重力坝的优点：
①筑坝材料强度高，耐久性好，抵抗洪水漫顶，渗漏冲刷，地震破坏等的能力强；②对地质、地形条件适应性强，一般建与基岩上；③重力坝可做成溢流的，也可在坝内设置泄水孔，枢纽布置紧凑；④结构作用明确；⑤施工方便。
重力坝的缺点：
①由于坝体剖面尺寸往往由于稳定和坝体拉应力强度条件控制而做的较大，材料用量多，坝内压应力较低，材料强度不能充分发挥，且坝底面积大，因而扬压力也较大，对稳定不利；②因坝体体积较大，施工期混凝土温度收缩应力也较大，为防止温度裂缝，施工时对混凝土温度控制的要求较高。
2）拱坝方案
拱坝是固接于基岩的空间壳体结构，在平面上呈向上游的拱坝，其拱冠剖面呈竖直的或向上游凸出的曲面形。
坝体结构既有拱作用又有梁作用，其承受的荷载一部分通过拱的作用压向两岸，另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩。
拱坝的优点：
①具有双向传力的性能；②拱是推力结构；③拱坝具有较高的超载能力；④拱坝轻韧，富有弹性而整体性好，借助岩基对地质功能的吸收，它又具有较强的抗震能力。
拱坝的缺点：
①拱坝是不设永久性横缝的整体朝静定结构，设计时需计入温度变化和地基位移对坝体应力的影响；②拱坝体形复杂；③设计施工难度大，对施工质量、筑坝材料强度和防渗要求，以及对地形地质条件及地基要求均较高。
3）土石坝方案
土石坝是指由当地土料石料或土石混合料填筑而成的坝。
土石坝的优点：
①就地取材，与混凝土坝相比，节省大量水泥、钢材和木材，且减少了筑坝材料运输费用；②对地质、地形条件要求较低，任何不良地基经处理后也可筑土石坝；③施工方法灵活，技术简单，且管理方便，易于加高扩建。
土石坝的缺点：
①不允许坝顶溢流，一般需在河岸上另设泄水建筑物；②在河谷狭窄，洪水流量大的河道上施工导流较混凝土坝困难；③采用粘性土料施工受气候条件影响较大。
本设计中，从枢纽布置处地形地质平面图及1#坝轴线地质剖面图上可以看出，坝址基岩为上部为五通砂岩，下面为石英砂岩和砂质页岩，覆盖层沿坝轴线厚1.5～5.0m，五通砂岩厚达30～80m，若建重力坝清基开挖量大，目前C城至坝址尚无铁路、公路通行，修建重力坝所需水泥、钢筋等材料运输不方便，且不能利用当地筑坝材料，故修建重力坝不经济。
修建拱坝理想的地形条件是左右岸地形对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的河谷段，而且坝端下游侧要有足够的岩体支撑，以保证坝体的稳定。
该河道弯曲相当厉害，尤其枢纽布置处更为显著形成S形，1#坝址处没有雄厚的山脊作为坝肩，左岸陡峭，右岸相对平缓，峡谷不对称，成不对称的“U”型，下游河床开阔，不适合拱坝的建设。
土石坝对地形、地质条件要求低，几乎在所有的条件下都可以修建，且施工技术简单，可实行机械化施工，也能充分利用当地建筑材料，覆盖层也不必挖去，因此造价相对较低，所以采用土石坝方案是选定技术上可行，经济上合理的坝型。
2.2.2泄水建筑物型式的选择
土石坝最适合采用岸边溢洪道进行泄洪，在坝轴线下游300m处的两岸河谷呈马鞍形，右岸有马鞍形垭口，采用正槽式溢洪道泄洪，泄水槽与堰上水流方向一致，水流平顺，泄洪能力大，结构简单，运行安全可靠，适用于各种水头和流量。
2.3枢纽总体布置方案的确定
挡水建筑物：
土石坝（包括副坝在内）按直线布置在河弯地段的1#坝址线上。
泄水建筑物：
溢洪道布置在大坝右岸的天然垭口处。
综合考虑各方面因素，最后确定枢纽布置直接绘制地形地质平面图，见附图。
3土石坝设计
3.1坝型选择
影响土石坝坝型选择的因素有：
坝高；筑坝材料；坝址区的地形地质条件；施工导流、施工进度与分期、填筑强度、气象条件、施工场地、运输条件、初期度汛等施工条件；枢纽布置、坝基处理型式、坝体与泄水引水建筑物等的连接；枢纽的开发目标和运行条件；土石坝以及枢纽的总工程量、总工期和总造价。
枢纽大坝采用当地材料筑坝，据初步勘察，土料可以采用坝轴线下游1.5～3.5公里的丘陵区与平原地带的土料，且储量很多，一般质量尚佳，可作筑坝之用。
砂料可在坝轴线下游1~3公里河滩范围内及平山河出口处两岸河滩开采。
石料可以用采石场开采，采石场可用坝轴线下游左岸山沟较合适，其石质为石灰岩、砂岩，质量良好，质地坚硬，岩石出露，覆盖浅，易开采。
各种材料的特性见表1.1－1.3。
从建筑材料上说，该枢纽坝型选择均质坝、多种土质分区坝、斜墙坝、心墙坝均可。
1）均质坝。
坝体材料单一，施工工序简单，干扰少；坝体防渗部分厚大，渗透比降比较小，有利于渗流稳定和减少通过坝体的渗流量，此外坝体和坝基、岸坡、及混凝土建筑物的接触渗径比较长，可简化防渗处理。
但是，由于土料抗剪强度比用在其他坝型坝壳的石料、砂砾和砂等材料的抗剪强度小，故其上下游坝坡比其他坝型缓，填筑工程量比较大。
坝体施工受严寒及降雨影响，有效工日会减少，工期延长，故在寒冷及多雨地区的使用受限制。
故不选择均质坝。
2）多种土质分区坝。
该坝型虽然可以因地制宜，充分利用包括石渣在内的当地各种筑坝材料；土料用量较均质坝少，施工受气侯的影响也相对小一些，但是由于多种材料分区填筑，工序复杂，施工干扰大，故也不选用多种土质分区坝。
3）斜墙坝。
斜墙坝与心墙坝，一般的优缺点无显著差别，粘心斜墙坝沙砾料填筑不受粘土填筑影响和牵制，沙砾料工作面大，施工方便。
但到考虑坝址的地质条件，坝基有破碎带和覆盖层，截水槽开挖和断层处理要花费很多时间，并且不易准确预计，故不应选择斜墙坝。
4）心墙坝。
心墙位于坝体中间而不依靠在透明水壳上，其自重通过本身传到基础，不受坝壳沉降影响，依靠心墙填土自重，使得沿心墙与地基接触面产生较大的接触应力，有利于心墙和地基的结合，提高接触面的渗透稳定性，使其因坝主体的变形而产生裂缝的可能性小，粘土用量少，受气候影响相对小，粘土心墙施工受季节气候的影响也比其他坝型小得多
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