九甸峡枢纽工程碾压混凝土重力坝设计毕业设计.docx
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九甸峡枢纽工程碾压混凝土重力坝设计毕业设计
本科毕业设计
设计题目甘肃洮河九甸峡枢纽工程混凝土重力坝初步设计
本科毕业设计选题审批表
毕业设计（论文）题目
甘肃洮河九甸峡枢纽工程碾压混凝土重力坝初步设计
指导教师
职称
学生姓名
专业
农业水利工程
班级
资金来源
实习经费
内容简要：
①坝形的初步选择及工程布置；
②大坝挡水坝段设计；
③中孔泄水坝段设计；
④溢流坝段设计；
⑤消能防冲设计；
⑥大坝基础处理；
⑦大坝稳定分析；
⑧大坝细部构造设计。
要求查阅
的文献资料
1甘肃洮河九甸峡水利枢纽工程可研报告；
2混凝土重力坝设计规范；
3水工建筑物设计丛书.重力坝；
4水利计算及水资源规划；
5水工建筑物。
根据大纲要求选择要完成的项目（选中标√）
译文（）；文献综述（）；开题报告（√）；论文实验记录（）；设计（论文）说明书：
（√）其它：
（）相关图纸
设计（论文）开始日期
设计（论文）完成日期
系（教研室）主任审批意见
签字：
主管院长审批意见
签字：
甘肃农业大学二〇〇七届本科毕业设计鉴定表
学号
姓名
性别
专业
农业水利工程
班级
指导教
师情况
姓名
年龄
学历
职称
从事专业
35
本科
毕业实习地点
实习时间
毕业实习指导教师鉴定意见
该同学在毕业实习期间，工作认真，遵守纪律，能独立查阅文献，综合和正确利用各种信息，按期圆满完成规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，体现了本专业基本训练的内容。
签名：
年月日
毕业实习领
导小组意见
同意指导教师鉴定意见。
组长签名：
年月日
毕业设计
（论文）题目
甘肃洮河九甸峡枢纽工程碾压混凝土重力坝初步设计
答辩
时间
答辩委员会成员
姓名
职称
从事专业
主任
副教授
农业水利工程
成员
教授
农业水利工程
教授
农业水利工程
副教授
农业水利工程
讲师
农业水利工程
秘书
讲师
农业水利工程
指导教师
评阅意见
该设计为真题假做题目，能运用所学知识和技能及获取新知识去发现与解决实际问题；结构格式符合设计要求；文理通顺，技术用语准确、规范；图表完备、制图正确。
签名：
年月日
评阅人
评阅意见
选题达到本专业教学基本要求，难易程度，工作量大小合适；条理清楚，文理通顺；用语符合技术规范，图表清楚，书写格式规范。
签名：
年月日
答辩小
组意见
一致通过答辩。
主席签名：
年月日
指导教师
建议成绩
评阅教师
建议成绩
毕业（设计）论文成绩
摘要1
摘要
九甸峡水利枢纽工程位于甘肃省卓尼、临谭两县交界，黄河支流洮河中游的九甸峡峡口处，距兰州市约193km，是甘肃省“十一五”期间计划立项的重点建设项目之一。
洮河水资源丰富，多年平均径流量为38.25亿m3，但径流年季变化较大，年内水量分配也极不均匀，目前全流域开发利用程度较低，水资源和水力资源开发利用的潜力很大。
另一方面，甘肃中部地区干旱缺水，生态脆弱，农牧业生产条件很差，群众生活贫困，人蓄饮水十分困，水资源是制约该地区经济和社会发展的主要因素。
所以，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。
该项目建成将实现甘肃中部地区水资源的优化调度，解决中部地区水资源匮乏的问题，对改善生态环境和人民群众的生存条件，实现当地群众脱贫致富，维护社会稳定，促进经济社会可持续发展具有十分重要的意义。
该工程优先解决甘肃中部干旱地区11个国家扶贫重点县城镇的工业用水、农村人蓄饮水、生态环境用水，兼有灌溉、发电、防洪等综合利用为主的大型控制枢纽工程。
枢纽工程是引洮工程的龙头，在规划坝址处拦河筑坝后，洮河水位可由2090.00m左右抬高到2166.00m（水库死水位）以上，从而为供水工程自流饮水提供条件，规划年引水量5.5亿m3。
九甸峡水利枢纽工程总库容9.43亿m3，最大坝高176.1m，大坝属于完全年调节水库；水库电站装机容量300MW，年发电量10.017亿kw.h，年利用小时数3339h，可向甘肃电网输电。
该枢纽工程主要建筑物包括：
碾压混凝土重力坝（溢流坝段和非溢流坝段）、右岸引水发电洞、右岸引洮供水工程总干渠进水口、下游引水发电站等。
本设计为碾压混凝土重力坝设计。
碾压混凝土重力坝中部设三孔表孔泄水孔，两侧为挡水坝段，在右岸挡水坝段中设一泄洪中孔，另外，设计中还就重力坝的、基础处理、消能防冲、稳定分析、大坝细部构造等问题进行了设计。
1水文
1.1流域自然地理概况
洮河是黄河上游的一条较大支流，发源于甘肃、青海两交界处的西倾北麓，由西向东流经岷县折向北流，至永靖县境内汇入黄河刘家峡水库。
洮河流域位于甘肃省东南，西起东经101°36′，东至104°19′南起北纬34°36′，北至35°55′，流域面积25527km2，东西最长处约248km，南北宽约215km，涉及碌曲、临潭、卓尼、夏河、永靖等十二个县。
洮河水系图见图1。
图1洮河流域概况与九甸峡枢纽位置示意图
洮河全长673.1km，河源高程4260m，河口处高程1629m，刘家峡建库后，实际上河口1735m以下为库区，相对高差2631m，全河平均比降为2.8‰，流域内降水主要集中在6～9月，特别是7、8月份，与降水特性相对应，径流年季变化较大，年内水量分配也极不均匀。
1.2气象
洮河流域面积较大，高程变化也较大，因此流域内气候差异甚大，上中游地区高寒阴湿，下游地区干旱温和，九甸峡位于过渡地带。
九甸峡水利枢纽工程所在地区无系统气象观测资料，枢纽正北约56km处有临洮气象站，南偏东约60km处有岷县气象站，这两站有较长系列的气象观测资料。
临洮站年平均气温7.0℃，平均最高气温14.3℃，极端最高气温34.6℃，平均最低气温1.3℃，极端最低气温-29.6℃，年降雨量565.2㎜，年蒸发量1259.3㎜，年日照时间2437.9h，多年平均相对湿度67%，最大风速15m/s。
1.3水文基本资料
九甸峡水利枢纽工程位于甘肃省卓尼、临谭两县交界处，枢纽以上集水面积17176㎡，枢纽上游89.7km处设有岷县水文站，岷～九区间集水面积2264㎡；枢纽下游54.2km,设有李家村水文站，九～李区间集水面积2517㎡，九甸峡水利枢纽工程水文计算依据的基本水文站为岷县和李家村站。
1.4径流
1.4.1设计依据站径流计算
洮河干流各水文站中以李家村资料系列最长（1947年～今），建立李～岷年平均流量相关（同步系列1957～1922年，n=36年），相关关系密切（r=0.981）。
因此，可以用李家村的长系列年径流资料延长岷县的短系列年径流资料。
1.4.2九甸峡水利枢纽径流计算
九甸峡水利枢纽工程月、年平均流量以岷县站、李家村站月、年平均流量按面积比直线内插。
调节年与黄河上、中游各站的调节年度统一为5月～次年4月。
由推算的九甸峡1947.5～2001.4年共54年资料系列，频率计算成果为：
Q=121.3m3/s，Cv=0.30，Cs=2.5Cv。
设计频率年平均流量见表1—1。
表1—1洮河九甸峡水利枢纽工程设计频率年平均流量表
P（﹪）
5
10
15
25
50
75
85
90
95
Q（m3/s）
188
170
158
143
117
94.9
84.8
78.6
70.2
W（108m3）
59.29
53.61
49.83
45.10
36.90
29.93
26.74
24.79
22.14
1.5洪水
九甸峡水利枢纽工程设计洪水计算依据为上游岷县站和下游李家村站，1993年可研阶段已对洮河干流各站的调查洪水与实测洪水进行较详细的分析和论证，设计洪水成果较为可靠。
洪峰流量频率计算参数如下：
Q0=121.3m3/s，Cv=0.30，Cs=2.5Cv，九甸峡枢纽工程设计频率洪峰流量与时段洪量见表1—2。
表1—2九甸峡枢纽工程设计频率洪峰流量与时段洪量
项目
单位
P（％）
0.01
0.02
0.05
0.1
0.2
0.5
1
2
3.33
5
10
20
Qm
m3/s
5030
4650
4160
3790
3420
2930
2560
2200
1930
1720
1370
1020
W三日
106m3
1130
1040
934
852
770
662
578
498
438
390
311
233
W七日
106m6
2270
2100
1880
1710
1550
1330
1160
1000
881
784
626
469
W十五日
106m6
3910
3620
3240
2950
2670
2290
2000
1730
1520
1350
1080
808
W三十日
106m3
5610
5210
4690
4290
3890
3370
2980
2580
2290
2060
1670
1280
1.6泥沙
九甸峡以上流域水土流失不太严重，河流含沙量较小，多年平均含沙量1.00㎏/m3。
悬移质输沙量计算依据为岷县站和李家村站，由岷县站和李家村站以面积比内插得九甸峡枢纽工程处，多年平均悬移质年输沙量433×104t，年输沙量为39.2×104t。
2工程地质
2.1区域地质概况
枢纽工程位于西秦岭海西褶皱带之北缘,隶属秦岭～昆仑韦向构造体系,祁吕贺山字型构造系西翼弧形褶皱带及河西扭动构造体系的复合地带，地质构造较复杂。
形成本区构造骨架的区域构造线方向以NW∠282°～295°走向为主。
坝址区位于近东西向展布的新堡—力士山复式背斜的北翼，岩层产状为NW∠275°～295°NE∠30°～50°,为一单斜构造，属陡倾巨厚层状岩体区。
在多次构造运动的作用下，坝址区断裂构造发育,其中规模较大的有2组,构成坝址断裂构造的框架，即近东西向压性断层和近南北向扭性断层，受历次区域构造活动及断层的作用和影响，坝址区裂隙十分发育，使岩体完整性受到破坏。
坝址岩体由上石炭—下二迭统（C3—P1）的巨厚层灰岩构成，岩性致密坚硬，耐风化。
经兰州地震工程研究院鉴定，九甸峡水利枢纽区地震基本烈度为Ⅶ度，大坝防震烈度为Ⅷ度。
2.２水文地质
区内的主要含水层为上泥盆～三叠系地层以及第四系冲基层，地下水主要为裂隙性潜水和空隙性潜水，局部有承压水，由于本区属于陇南温带半湿润气候区降水较丰富，地下水补给条件好，泉水露头多，水质好。
区内地下水由两岸分水岭向中间河谷汇集，最终由洮河河谷向下游排泄。
2.3坝址坝线区地质
坝址区裂隙十分发育，宽度一般0.5～2㎝，较宽者达3～5㎝，发育方向基本与断层方向一致。
断层一般破碎带宽0.2～0.5m，局部达2～4m。
坝址处于九甸峡峡谷上段，河流由南向北流，为横向河谷，河道顺直，河床狭隘，河水面宽仅35～50m，水深2～6m（冬季），水面高程2089m～2092m。
河谷呈左岸陡峻，右岸陡缓交替的不对称“V”字型。
坝线处河床宽40～42m，河水位高程2090.6m，水深2～5m，正常蓄水位2202m，此处谷宽232m，坝体范围河床覆盖层厚40～50m，最深达54～56m，右岸Ⅲ级侵蚀堆积阶地基座面上松散堆积物厚度10～57m。
右岸岩性为巨厚层状灰岩，致密坚硬，弱分化深度为8～10m，左岸岩性为巨厚层状灰岩，致密坚硬，弱分化深度为5～8m。
坝基基础岩石为巨厚层状灰岩，完整性好，岩性坚硬，强度高，抗分化能力强，岩体弱分化深度Ⅲ级阶地基座面以下8～10m，河床部位4～6m，坝址区岩层层理不显，走向与坝轴线近于平行，无构成潜在滑移面的岩层层面。
3工程任务和规模
3.1工程任务
九甸峡水利枢纽工程是甘肃省“十一五”期间计划立项的重点建设项目之一。
该工程优先解决甘肃中部干旱地区11个国家扶贫重点县城镇的工业用水、农村人蓄饮水、生态环境用水，兼有灌溉、发电、防洪等综合利用为主的大型控制枢纽工程。
该项目建成将实现甘肃中部地区水资源的优化调度，解决中部地区水资源匮乏的问题，改善生态环境和人民群众的生存条件，实现当地群众脱贫致富，维护社会稳定，促进经济社会可持续发展。
3.2工程规模
九甸峡水利枢纽工程总库容9.43亿m3，最大坝高176.1m，大坝属于完全年调节水库；水库电站装机容量300MW，年发电量10.017亿kw.h，可发展灌溉面积近7万hm2（105万亩）。
水库死水位2166.0m，正常蓄水位2202.0m（与汛限水位同高），设计洪水位2204.5m，校核洪水位2205.11m。
3.3工程等级及洪水标准
九甸峡水利枢纽总库容9.43亿m3，电站装机容量300Mw，根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》SL252-2000[10]的规定，工程规模为大
（2）型，工程等别为Ⅱ等，大坝按Ⅰ级建筑物设计，辅助建筑物按2级设计，次要建筑物按3级设计，临时建筑物按4级设计。
相应大坝设计洪水标准采用100年一遇，校核洪水标准采用1000年一遇。
其余建筑物设计洪水标准采用100年一遇，校核洪水标准采用500年一遇。
4枢纽布置
4.1坝型和坝址选择
4.1.1坝型选择
在坝型选择上，从地形条件看，本坝址不适合建拱坝，但可修建混凝土重力坝、面板堆石坝、支墩坝。
由于支墩坝比较单薄侧向稳定性差，特别是受到地震荷载作用时，容易侧向倾倒或开裂；且设计和施工都比较复杂，因此，选择混凝土重力坝和面板堆石坝作为基本坝型进行比较。
比较结果见表4—1。
表4—1混凝土重力坝和混凝土面板堆石坝比较结果表
坝型
优点
缺点
混凝土重力坝
①结构作用明确，设计方法简便，安全可靠。
②对地形，地质条件适应性强。
③枢纽泄洪问题容易解决，不必另行布置河岸溢洪道等泄水建筑物。
④便于施工导流。
⑤施工方便，维护和管理方便。
①坝体剖面尺寸大，材料用量多。
②坝体应力较低，材料强度不能充分发挥。
③坝体与地基接触面积大，相应坝底扬压力大，对稳定不利。
④坝体体积大，易产生温度应力和收缩应力，因此，在浇注混凝土时，需要有较严格的温度控制措施。
混凝土面板堆石坝
①可以就地取材，节省大量水泥、木材和钢材，减少运输量，降低造价，比其他坝型经济。
②适应不同的地形、地质、气候条件，任何不良地基，经处理均可筑坝。
③结构简单，便于维修、加高和扩建。
①坝身一般不能溢流，需另设溢洪道。
②施工导流不如混凝土坝方便。
③粘性土料的填筑受气候条件影响。
由于两种坝型各有优缺点，很难直接确定，本设计初步确定基本坝型为混凝土重力坝，最后与本组设计中的面板堆石坝设计比对。
4.1.2坝址选择
坝址选择与地形地质条件、坝型枢纽布置及施工导流等因素有关，在满足枢纽布置和施工导流要求的前提下，坝轴线应尽可能短，以节省工程量。
碾压混凝土重力坝线选在靠近左岸分布河床深槽（深54～56m）处，靠近深槽的岩体边坡近于直立，河谷两岸不对称。
此处河床宽40～42m。
两岸岩石坚硬完整，耐分化，是坝址区比较理想的混凝土重力坝坝线。
4.2枢纽主要建筑物
主要建筑物有：
碾压混凝土重力坝（溢流坝段和非溢流坝段）右岸引水发电洞、右岸引洮供水工程总干渠进水口、引水发电厂房等。
碾压混凝土重力坝中部设三孔表孔泄水孔，两侧为挡水坝段，在右岸挡水坝段中设一泄洪中孔。
枢纽建筑物布置见附图１。
4.3枢纽建筑物布置
本枢纽正常蓄水位2202.0m，坝顶高程2206.5m，最大坝高176.1m，最大坝底宽124m。
大坝由左岸挡水坝段、溢流坝段、右岸挡水坝段组成。
其中，左岸非溢流坝段长79.76m,溢流坝段长30m，右岸坝段长119.79m，坝顶总长度251.95m。
共分9个坝段，坝段编号由右向左排1#—9#。
4.３.１碾压混凝土重力坝
①右岸挡水坝段：
包括：
1＃、2＃、3＃、4＃坝段，长度分别为29.19m、30m、30m、30m。
坝顶宽度为12m，上游直立，下游坡为1:
0.7，起坡点高程2187.70m。
5＃坝段长23m，布置一泄洪中孔，用以泄洪和放空水库，后期可兼作排沙用。
坝顶宽度为12m，上游直立，下游坡为1:
0.7，起坡点高程2187.70m。
泄洪中孔进口底板高程2129.0m。
在坝后设弧形工作门，孔口尺寸为5×5m（宽×高），由液压启闭机控制。
进口设事故检修平板门一道，尺寸为5×6m（宽×高），由坝顶固定卷扬式启闭机控制。
中孔工作门后为明渠，平坡，长24.2m，底宽5m，末端采用鼻坎挑流消能，将水流挑入主河床中。
②溢流坝段：
6＃坝段主要为河床溢流坝段，长度为30m。
堰顶宽度为25m，坝顶交通桥设在下游侧。
堰顶高程为2192.0m，堰面曲线直线段坡度为1:
0.7，起坡点高程2180.001m。
消能形式采用挑流鼻坎消能，鼻坎高程2096.1m，挑角35°，出口采用收缩断面形式。
三孔开敞式溢流堰顶设有弧形工作门。
孔口尺寸为10×10m（宽×高），采用液压式弧门启闭机操作。
③左岸挡水坝段：
包括：
7＃、8＃、9＃坝段，长度分别为23m、30m、26.76m。
坝顶宽度为12m，下游坝坡和起坡点高程同右岸挡水坝段。
在7＃挡水坝段左侧，坝轴线下游11.5m～22.0m处布置电梯及楼梯井，平面尺寸为2.6×9.5m，高度均为170m，分别联通灌浆廊道及各层排水、观测、交通廊道。
4.3.2溢洪表孔
溢洪设3个表孔，孔口尺寸为10×10m（宽×高），每孔装有弧形工作阀门，液压式弧门启闭机操作。
边墩厚1.5m，中墩厚3m，堰顶高程为2192m。
为了减轻下游的冲刷，采用连续式挑流鼻坎消能。
坎顶高程2096.0m，挑角35°，出口为收缩断面型式。
经水利学计算，各种泄量情况下，水流都不会对大坝坡脚、泄洪建筑物等造成危害。
计算最大挑距222～282.72m，下游冲坑深度44.47m，最深点高程2043.53m。
4.3.3泄洪中孔
泄洪中孔为1孔，底板高程为2129.0m，进口设事故平板闸门，孔口尺寸为5×6m（宽×高），由坝顶固定卷扬式启闭机启闭。
坝体下游面设有弧形工作门，孔口尺寸为5×5m（宽×高），由液压启闭机启闭。
工作门前为有压流，后为明渠，槽宽5m，无压平段长24.2m后接反弧段，反弧半径25m，挑角20°，鼻坎高程2130.51m，最大挑距135.15～198.51m，最大冲坑深63.11m，最深点高程2024.89m。
中孔作为泄洪及放空水库之用，并兼作后期排沙。
大坝建筑物布置见附图2、附图3
5非溢流坝段剖面设计
5.1剖面设计原则
①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；
②工程量少，造价低；
③外形轮廓简单，便于施工；
④满足运行要求。
5.2基本剖面
重力坝承受的主要荷载是静水压力、扬压力和自重，控制剖面尺寸的主要因素是稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面。
因为作用于上游面的水压力呈三角形分布，故重力坝的基本剖面应是顶部与上游水位齐平的三角形（见图2）。
重力坝基本剖面呈三角形，在平面上坝轴线通常呈直线。
时为了适应地形地质条件或为了枢纽布置上的要求，也可成折线或折率不大的拱向上游的拱形。
根据工程经验，一般情况下，上游坡率n=0～0.2，常作成铅直或上部铅直下部向上游倾斜。
此设计中上游取铅直（ψ＝0°）。
5.3实用剖面设计
5.3.1坝顶高程确定
根据调洪演算成果，水库设计洪水位为2204.5m，校核洪水位为2205.11m，正常蓄水位为2202.0m，《混凝土重力坝设计规范》[10]规定，坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，其与正常蓄水位或校核洪水位的高度差由下式计算，取其高者作为选定高程。
Δh=2hl+hz+hc（5—1）
式中：
Δh——坝顶距水库静水位的高度，m；
2hl——波浪高度，m；
hz——波浪中心线至水库静水位的高度，m；
hc——坝顶超高，m。
波浪高度2hl公式为：
2hl=0.0166×V。
5/4×D1/3（5—2）
式中：
V——计算风速，本工程中V设=30m/s，V校=15m/s；
D——水库吹程，本工程中D设=1.5km，D校=1.5km
波浪中心线至水库静水位的高度hz的公式为：
（5—3）
式中：
L——波长，m，由公式L=10.4（2hl）0.8计算；
H1——坝前水深，m。
以上
（2）（3）计算公式采用的是：
官厅水库半经验公式，本工程是峡谷型水库，适用上公式。
安全超高hc采用表5—1。
表5—1安全超高hc（单位：
m）
荷载组合（运用情况）
坝的级别
1
2
3
4、5
基本组合（正常运用）
0.7
0.5
0.4
0.3
特殊组合（非常运用）
0.5
0.4
0.3
0.2
此工程枢纽建筑物为Ⅰ级工程，则在设计情况和校核情况下，安全超高分别取0.7m和0.5m。
④由以上
（1）、
（2）、（3）三式联立，得坝高计算成果表5—2。
表5—2坝高计算成果表
控制参数
L
2hl
hz
hc
Δh
坝高H
设计情况
13.1
1.34
0.89
0.7
2.3
174.63
校核情况
6.55
0.56
0.35
0.5
1.39
176.1
确定坝顶高程为：
2206.5m。
坝顶高度H取为：
176.1m。
5.3.2坝顶宽度确定
坝顶宽度一般取坝高的6%～10%，且不小于2m，当在坝顶布置移动式起闭机时，坝顶宽度要满足安装门机轨道的要求。
由于施工及运行要求，坝顶应有足够的宽度，考虑到本工程坝顶无交通要求，结合以上坝顶高程，坝顶高度H取176.1m，
则坝顶宽取值范围为：
176.1×（6%～10%）=10.57～17.6m
初步取12m。
5.3.3坝底宽度的确定
根据工程经验，下游坝坡坡率m=0.6～0.8；底宽约为坝高的0.7～0.9倍。
本工程中：
下游坝坡坡率m取0.7，坝底宽度取值范围为：
176.1×（0.7～0.9）=123.27～158.49m，坝底宽初步选定为124m。
综上初步选择，挡水坝段剖面如图3，挡水坝段设计详图见附图4。
6溢流坝段设计
6.1溢流坝段工作特点
有足够的孔口尺寸以满足泄洪要求。
溢流面及闸墩有较好的体形，以便使水流平顺流过坝体，不产生不利的负压和振动，避免产生空蚀现象。
下游不产生危及坝体及其他建筑物安全的冲刷。
泄流不影响枢纽中其他建筑物的正常运行。
有灵活控制水流下泄的机械设备。
如闸门、启闭机等。
6.2溢
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