青河雷口水利樞紐工程設計學 生： *指導老師：*三峽大學水利與環(huán)境學院摘要：重力壩設計是電站工程設計的主要組成部分，其方案合理與否，將對工程安全及投資產生極大的影響。本文主要根據所提供的地質、地形等基礎資料，對樞紐建筑物進行壩軸線、壩型的選擇，通過分析、比較，選擇合理的樞紐布置方案，最后選定設計方案為混凝土實體重力壩，并分多種荷載組合情況進行穩(wěn)定驗算和應力分析，從而得到既安全又經濟的最優(yōu)剖面。方案中重力壩設計共分兩部分，即非溢流壩段和溢流壩段。此外，為避免水流對壩體的沖刷作用，本方案還考慮設置溢流壩兩側導流墻，通過計算確定其高度及厚度等參數。Abstract: The design of Dam is the main component in the design of power station engineering, which will have a tremendous impact on the security and investment of projects,wheather its programme reasonable or not. According to the giving geological,terrain and other basic informations,this paper choose axis and style of hub buildings and through the analysis,comparison to choose the concrete gravity dam as a reasonable hub layout programme.And meanwhile it makes checking stability and stress analysis in a variety of situations,so that it gets a safety and economic profile.The design of dam is divided into two parts in the programmes, that is non-overflow dam section and overflowing dam section. In addition, in order to avoid the dam is erosioned by the impact of water, the programme also consider installing spillway diversion on both sides of the wall and through calculating to determined its height ,thickness and other parameters。關鍵字：混凝土重力壩 樞紐布置 壩型選擇 大壩設計 穩(wěn)定及應力計算Key words: concrete gravity dam layout of project selection of dam type dam design stability and stress calculation前言青河發(fā)源于元縣，流域內雨量充沛，由于河流坡度流急，每遇暴雨泛濫成災，故擬修一工程。本樞紐為一綜合利用工程，以防洪發(fā)電為主，并結合考慮灌溉任務，工程建成后可以解決該流域洪水泛濫問題，為本地區(qū)廠礦、農業(yè)、居民提供電力，灌溉青河雷口下游的農田以及解決修壩后貨物過壩問題。本書為青河雷口水利樞紐的設計說明書和計算書，內容共分十章，系統(tǒng)的介紹了青河雷口水利樞紐的設計和計算方法。第一章主要介紹了青河雷口水利樞紐的基本資料；第二章結合工程實際條件介紹了壩型選擇和樞紐布置的初步方案；第三章調洪演算及方案選擇為下兩章樞紐布置方案選擇及大壩設計提供了設計依據；第六、七、八章詳細地闡述了大壩的綜合設計，包括非溢流壩段、表孔壩段、深孔壩段；第九章細部構造設計了大壩的建造以及運用方面的細節(jié)；最后一章為地基處理的設計。同時還附有三張圖紙為大壩非溢流壩段，溢流壩段，深孔壩段的三視圖，細部構造圖以及大壩樞紐布置平面圖及立面圖。本書在闡述過程中，盡可能的配置了許多的插圖、附表和附錄，以供參閱。青河雷口水利樞紐設計是在老師的悉心指導和同學的熱心幫助下完成的。限于本人的水平和時間的倉促，以及以前從未進行過工程實踐，特別是對本設計的工程所在地也未進行過實地考察，因此，設計成果與實際難免會產生一些偏差，書中如有不當和錯誤之處，懇望各位老師和領導不吝賜教及時給予斧正。1 水利樞紐設計資料1.1 流域概況青河發(fā)源于元縣，流徑三叉口，張谷，米城，康鎮(zhèn)等地至合縣西南注入黑河。全長230 公里，流域面積 5000 平方公里。青河屬山區(qū)河道，流域內多高山峻嶺，平原范疇甚小。只在北支上游元縣附近及下游康鎮(zhèn)附近有小平原。三叉口以上河床坡度平均均為1/600，下游平均坡度約 1/1000。流域內雨量充沛，合縣多年平均雨量為 1000 毫米，因之青河水量較豐富，年平均流量接近 100 立米/秒。但河流破陡流急。暴雨集流時間很短，每遇暴雨，山洪暴發(fā)，水勢兇猛，泛濫成災。區(qū)域內人口分布在河谷兩岸，計 410000 人，其中農業(yè)人口占 97%，雷口以上耕地面積約 100 萬畝，水田僅占 1.5%。其余均為地勢較高之旱地。但在雷口以下黑河右岸有大片平原耕地，缺水灌溉。根據試驗資料，在有水灌溉之后，這些耕地可有大幅度增產。青河上游山區(qū)已發(fā)現銅，銀，鋅，鎂，鋁等礦蘊藏豐富。因該地區(qū)無動力來源，各礦都用土法開采。本流域交通不便。除合縣至元縣有公路外，其余只有人行大道，陸路僅靠人力蓄力。水路在張谷以下可通 20 噸小船。上游缺乏森林資源，無筏運要求，青河左岸交通較方便，右岸僅有山區(qū)小道。1.2 樞紐任務雷口水利樞紐位于合縣青河上游 4 公里處。根據國民經濟情況及流域規(guī)劃的要求。本樞紐為一綜合利用工程，以防洪發(fā)電為主，并結合考慮灌溉任務。（1）防洪：免除洪水威脅為本樞紐的主要任務之一。根據下游黑河的泄流要求，在正常洪水的情況下安全泄量為 5800 米 3/秒，非常洪水安全泄量為 7300 米 3/秒。根據上游城鎮(zhèn)礦山的位置及減少農業(yè)淹沒損失，建議非常洪水位在 234.5 米以下。（2）發(fā)電：利用廉價電力開發(fā)青河流域礦藏，為國民經濟計劃的近期主要任務之一，電廠建成后并可供應合縣地區(qū)廠礦農村居民的用電問題。電廠裝機容量 24kw，三臺機組，每臺最大引用流量 33 米 3/秒。按初步估算：廠房尺寸 4813 米 2。機組間距 10.45 米，水輪機安裝高程 191.60 米，尾水管底版高程 185.0 米,引水管管徑 3 米。（3）灌溉:灌區(qū)位于青河雷口以下黑河右岸地區(qū),本區(qū)灌溉作物以小麥,棉花,玉米,水稻為主，灌溉田地共約 750000 畝。除一部分灌區(qū)位置較低可利用發(fā)電尾水灌溉而外，右岸尚有一些位置較高的灌區(qū)不能利用發(fā)電尾水，這些位置較高的灌區(qū)所需灌溉流量如下表，根據灌區(qū)設計要求，渠道起點外的水面高程在最大引水用流量時不低于 208.5 米。表 11灌溉時間 4 月中旬 4 月下旬 5 月中旬 5 月下旬 6 月中旬 6 月下旬 7 月中旬灌溉流量（立米/秒） 22.1 16.7 23.5 15 19.5 19 16（4）航運：為便利貨物過壩，須設置駁道，駁道寬度 5 米。根據各水利事業(yè)部門的要求，須確定水庫正常高水位為 232.2 米，訊前水位為 225.8 米，死水位為 215.0 米。1.3 水文資料青河屬雨源河流，由于雨量較充沛，河流水量較豐富，每年 710 月為洪水期，因坡陡水急，洪峰漲落時間很短，一般僅 23 天，現將壩址處月平均流量，最大洪峰流量，實測的洪峰過程，列表于后：表 12 19501975 年月平均流量月 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3流量（立米/秒） 60 80 91 183 140 170 135 35 22 15 14 32表 13 各種頻率的最大洪峰流量（立米/秒）頻率（%） 0.1 0.5 1 2 5 10夏秋季 11580 9800 9050 8500 7450 6450冬春季 340 300表 14 1954 年實測洪峰過程時間（小時） 0 4 8 12 16 20 24流量（立米/秒） 59 451 1205 2400 5400 6500 5700時間（小時） 28 32 36 40 44 48 52流量（立米/秒） 4850 4150 3450 2760 2208 1730 1295時間（小時） 56 60 64 68 72 流量（立米/秒） 980 699 435 234 79 壩址水位流量關系，見附圖。另外，枯水期最大流量為 1100 米 3/秒。1.4 氣候情況本流域內，氣候溫和，年平均溫度均為 17C，最低月平均溫度為 4.6C,極少冰凍現象，最高月平均溫度不超過 30C，故夏季亦不太熱。表 15月份 1 2 3 4 5 6月平均溫度 4.6 6 12 17.1 23.4 255最高溫度 20.1 21.8 29.5 35.6 38.1 40.2最低溫度 -9.5 -9 -3.1 -3.1 5.1 11.6月份 7 8 9 10 11 12月平均溫度 28.5 29.2 23.1 15.1 11.8 8最高溫度 40 36.8 36.5 32.1 22.1 19.7最低溫度 16.1 11.7 9.9 3 -6 -9.3備注 單位C 本流域內最多年雨量發(fā)生在 1954 年，計 1357 毫米，最少年雨量發(fā)生在 1934 年，計372 毫米，日最大暴雨達 196 毫米，雨量大多集中在 7，8 兩月，除 12 月和 1 月外，各月降雨日數甚多。表 16 平均降雨量，降雨日數如下表：月份 1 2 3 4 5 6 全年平均雨量（毫米） 10.7 34.2 44.1 56.9 135.1 64.5降雨日數（天） 5 8.6 8.6 8.2 9.8 9.4月份 7 8 9 10 11 12平均雨量（毫米） 191.6 182.5 90.4 95.9 54.4 17.1降雨日數（天） 12.0 11.4 10.6 11.0 10.8 5.4平均雨量976（毫米）降雨日數108（天）1.5 河流泥沙及風力情況泥沙大部分為頁巖風化產物，顆粒很細，推移質也很豐富。多年平均輸沙量為 335萬公噸/年（即 215104 米 年） ，由于該流域內水土保持的開展，泥沙將逐漸減少，水3/土保持生效年限可初步確定為 35 年。本區(qū)最大風力為 8 級，風速 14 米/秒（吹程可由附圖中量得） 。1.6 壩址地形及地質情況（1）地形：本工程壩段經研究比較，選擇在雷口峽谷處，壩軸線 235 米高程處兩岸相距約 540 公米，左岸山坡平均坡度為 2：1，右岸平均坡度為 1.8：1.0。壩址左岸有馬鞍形地形，水庫處在四面群山環(huán)抱中，腹大口小，甚為理想。表 17 水庫高程與容積，面積關系如下表：高程（米） 190 195 200 205 210 215面積（10 6平方米） 0.2 2.6 5.4 7.8 19.2 30.6容積（10 8立方米） 0.08 0.15 0.35 0.68 1.35 2.65高程（米） 220 225 230 235 240 面積（10 6平方米） 37 41 43 43.5 44 容積（10 8立方米） 4.15 6.1 8.1 10.5 12.8 （2）地質壩址地質屬震旦紀巖層，因系老巖層，經過多次地殼變動，使其組織趨于細致，因為受力之次數甚多，節(jié)理甚發(fā)達，又有石英脈侵入，致影響其強度，巖層走向大致與河流平行，壩址附近沒有發(fā)現斷層。壩址基礎巖石情況： (a)絹綠石英片巖在壩址左岸及河床處，地質極堅，抗壓強度為 900-1000 公斤/（厘米） 2，摩擦系數為 0.65。(b)云母石英砂質片巖云母石英砂質片巖，分布在壩址右岸，表層有些風化，強度仍佳，抗壓強度為 600-800 公斤/（厘米） 2，摩擦系數為 0.62。(c)片狀石英巖風化很輕，分布在河床底部，與絹綠石英片巖相間存在，層厚約 30-50 米?？箟簭姸葹?900-1000 公斤/（厘米） 2，摩擦系數為 0.65。(d)片巖主要分布在左岸馬鞍形地區(qū)下部，強度較高，但節(jié)理甚發(fā)達，并有些風化。(e)砂質粘土及卵石在河床底部，有第 4 紀砂卵石覆蓋層，厚度為 2 米，右岸為砂質粘土覆蓋層，厚度為 6-10 米。據中國科學院的統(tǒng)計資料，該地區(qū)地震強度約為 5 度。1.7 工程材料當地材料：（1）石料在壩址上游及下游，沿青河右岸之云母石英片巖為良好之建筑材料，因巖石露頭具有層理與節(jié)理，便于開采，石場距壩址 1 公里。（2）砂料在壩址下游左岸 1-3 公里處，有河沙可供取用，粒徑稍小，約有 30萬立米。（3）壩址下游 12 公里處有卵石，約 50 萬方。（4）粘土在壩址上游右岸 4 公里處有高程為 230 米的粘土區(qū)，約 150 萬立米。表 18 取土場擾動后土的物理技術特性：土體干容重（噸/米3）孔隙度（%）自然含水量時飽和含水量時粘著力（公斤/厘米2）滲透系數（厘米/秒）天然含水量（%）最優(yōu)含水量（%）相對密度蘊藏量（萬方）運程（公里）砂 1.65 0.36 0.55 0.52 04 10-38 12 0.65 30 1-3粘土1.60 0.38 0.38 0.34 2 4 10-6 7 20 150 4外來材料：水泥及鋼材須至賦中運來，賦中距合縣約 160 公里，沿黑河可通行 600 噸輪船，賦中為我國某省重要城市。交通情況：賦中至合縣可通 600 噸輪船，合縣至張谷可通 20 噸木船，合縣至元縣有公路，公路線距壩址左岸約 3 公里。1.8 施工資料附近無施工動力，施工機械可由賦中供給，普通工人可由當地供給三萬人，技術工人在合縣有數百人，不足之數可自賦中調用。2 樞紐布置和設計2.1 工程等別和主要建筑物級別的擬定本工程為綜合利用水利水電工程，根據水利水電樞紐工程等級劃分及設計標準（山區(qū)、丘陵部分）SDJ12-78 及其補充規(guī)定的規(guī)定，非常洪水位在 234.5 米以下，該高程對應的水庫容積為 9.752 億 m3，屬一等；裝機容量為 2.4 萬 kw,屬四等;保障了合縣的重要工廠及居民生命安全,屬二等；灌溉田地共約 75 萬畝,屬二等。根據規(guī)范規(guī)定,對具有綜合利用效益的水電工程,各效益指標分屬不同等別時,整個工程的等別應按其最高的等別確定,故本樞紐工程為二等工程。由于設計地區(qū)為山區(qū),丘陵地區(qū)故采用百年一遇設計(P=1%),千年一遇校核(P=0.1%)根據水工建筑物級別的劃分標準，二等工程的主要建筑物為 2 級水工建筑物，次要建筑物為 3 級水工建筑物。2.2 壩軸線合理性論證壩型的選擇與樞紐布置密切相關，不同的壩軸線適于不同的壩型和樞紐布置。同一壩址也可以有不同的樞紐布置可供選擇。在壩址確定的情況下通常是選擇不同的壩軸線作出不同壩型的各種樞紐布置方案并通過技術經濟比較優(yōu)先選出壩軸線位置及相應的合理壩型和樞紐布置。本工程 A-B 壩軸線有以下優(yōu)點：(1)壩址地質屬震旦紀巖層，強度較高，壩址附近沒有發(fā)現斷層，壩址基礎巖石為石英片巖，強度高且摩擦系數較大，符合地質條件。(2)壩段位于雷口峽谷處，壩軸線短，壩體工程量小。壩址左岸有馬鞍形地形，水庫處在四面群山環(huán)抱中，腹大口小，甚為理想。(3)壩軸線地區(qū)開闊便于布置各種水工建筑物，施工方便，相互沒有干擾。2.3 壩型選擇壩址地質條件是水利樞紐設計的重要依據之一。對壩型的選擇和樞紐的布置往往起決定作用。（1）土石壩方案：由于非常洪水位在 234.5 米以下，因此將壩頂高程初步擬定為 235.5 米，該壩的壩基面最低高程取為 185 米。土石壩的壩坡與壩型，壩高，填筑料情況和壩基性質等有關，壩坡的平均坡度一般在 1：21：4 左右，取為 1：2。壩高 H 在 100 米以下時，壩頂最小寬度可取 H/10,并不得小于 3m，取壩頂寬度為 5m，計算所需土體體積為 289 萬 m3,因此若選用均質壩和心墻壩從筑壩材料來看當地材料不足。從筑壩材料來看，由于在壩址上游及下游石料蘊藏量十分豐富，且便于開采，修建面板堆石壩可行。但修建面板堆石壩要采用全段圍堰法進行施工導流，另外水電站廠房也必須是引水式廠房，增加了工程量，此設計也不采用。（2）拱壩方案：修建拱壩理想的地形條件是左右岸地形對稱，岸坡平順無突變，在平面上向下游收縮的河谷段。但該河谷斷面寬且淺，寬高比 L/H=540/49.5=11，拱的作用很小，此設計也不采用。（3）重力壩方案：混凝土重力壩對地形，地質條件適應性強，任何形狀的河谷都可以修建重力壩，樞紐泄洪問題容易解決，不需另設溢洪道；大體積混凝土可以采用機械化施工，施工方便，施工速度較快，能夠縮短工期。另外，修建重力壩所需的水泥及鋼材等材料及