0 水庫混凝土重力壩設(shè)計書 第 1 章 基本資料 一、樞紐 工程 概況 ： 壩址位于 制流域面積 庫容為 P 水庫樞紐由主壩、電站及泄水底孔等組成，水庫主要任務是調(diào)節(jié)水量，供 區(qū)工農(nóng)業(yè)用水 和 城市人民生活用水，結(jié)合引水發(fā)電。并兼顧防洪，要求：盡可能使其工程提前受益，盡早建成。 根據(jù)水庫的工程規(guī)模及其在國民經(jīng)濟中的作用，樞紐定為一等工程，主壩為級建筑物，其它均按級建筑物考慮。 二、 氣象： P 庫區(qū)年平均氣溫為 10左右，一月份最低月平均氣溫為零下 絕對最低氣溫達零下 (1969年 )； 7 月份最高月平均氣溫 25，絕對最氣溫高達 39 (1955 年 )，多年平均氣溫見下表（表五）。 表 一 多年平均氣溫、水溫表 單位： 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 氣溫 溫 本流域無霜期較短 (90 180天 )，冰凍期較長 (120 200天 )， 2月封凍，次年 3月上旬解凍，封凍期約 70 100 天，冰厚 ，岸邊可達 1 米。流域內(nèi)冬季盛行偏北風，風速可達七、八級，有時更大些，春秋兩季風向變化較大，夏季常為東南風，多年平均最大風速為 s，水庫吹程 D=3 1 流域內(nèi)多年平均降雨量約為 400 700年平均降水天數(shù)及降水量見表六： 表 二 多年月平均降水天數(shù)及降水量表 單位： 、水文分析： 1、年徑流 ：欒河水量較充沛 ， 多年平均年徑流量為 占全流域的 53%。 年內(nèi)分配很不均勻，主要集中汛期七、八月份。豐水年時占全年 50 60%，枯水年占 30 40%，而且年際變化也很大。 2、洪水： 多發(fā)生在七 月下旬至八月上旬 ， 有峰高量大漲落迅速的特點，據(jù)調(diào)查 ， 近一百年來有六次大 洪 水。其中 1883 年最大，由洪痕估算洪峰流量約為 24400 27400 m3/s，實測的 45年資料中最大洪峰流量發(fā)生在 1962年為 18800 m3/s。洪峰歷時三天左右，由頻率分析法求得：幾個重現(xiàn)期所對應的洪峰流量值 （見下表 表 三 、表 四 所示） 。 表 三 項目 千年一遇洪水 流 量 萬年一遇 洪水 流 量 千年一遇三天 洪 量 萬年一遇三天 洪 量 指標 40400m3/s 59200m3/s 四 重 現(xiàn) 期 (年 ) 10 20 50 100 洪峰流量 (m3/s) 7520 11700 17800 22800 三日洪量 (億 份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 降 水 天 數(shù) 月 平 均 多天數(shù) 5 9 9 8 11 17 21 20 14 11 5 4 最少天數(shù) 0 0 0 1 1 1 4 5 1 0 0 0 降 水 量 毫 米 月平均 大 小 0 0 0 0 0 2 枯水期洪水過程線 表 五 時段： 9 月 1 日至次年 6月 30日 頻率： 5% 3 3、泥沙： 本流域泥沙顆粒較粗，中值粒徑 年泥沙大部分來自汛期七、八月份，主要產(chǎn)于一次或幾次洪峰內(nèi) 且年際變化很大，由計算得，多年平均懸移質(zhì)輸沙量為 1825 萬 t 多年平均含沙量 移質(zhì)缺乏觀測資料?？捎嬋肭罢叩?10%，這樣總?cè)霂焐沉繛?2010 萬噸。淤砂浮容重為 摩擦角為 12 。 四 、工程地質(zhì)： 1、庫區(qū)地質(zhì)： P 水庫、庫區(qū)屬于中高山區(qū)，河谷大都為峽谷地形， 只有 西城峪至北臺子一帶較為寬闊 ， 沿河兩岸階地狹窄，斷續(xù)出現(xiàn)且不對稱，區(qū)域內(nèi)無嚴重的坍岸及滲漏問題。 2、壩址地質(zhì) ： 主要工程地質(zhì)條件 地形地貌 構(gòu)造剝蝕 對稱“ U”形峽谷右岸較陡，左岸較緩，階地不發(fā)育。 壩線長 480m 覆蓋層 河床 5岸山麓堆積 層巖性 震旦系大紅峪組第一、二段為中原層石英砂與板巖互層。 巖層產(chǎn)狀 層面傾向上游 軟弱夾層 據(jù)平洞豎井資料，右岸有軟弱夾層 13 條，系順層夾泥，左岸順層夾泥 6條，青層泥 3條，建議摩擦系數(shù)為 風化情況 弱風化下限：河床 1028程：左邊 75m，右邊 55m）左岸弱風化下限為 115105地質(zhì)構(gòu)造 右岸小斷層 67條，左岸 造簡單，基本裂度為 6度 巖層透水層 壩基下部 80100m 深的范圍內(nèi) W 值均大于 需灌漿處理。 巖溶 壩線上游 2，馬圈子電站附近見溶洞 穩(wěn)定性 右壩肩上下游存在 I、號不穩(wěn)定巖體。 技術(shù)指標 石英砂巖室內(nèi)指標：抗壓強度 134338性模量 5001000 4 桑值 巖層層面摩擦系數(shù)的估計建議值： （ 1） 石英砂巖層面摩擦系數(shù)為 聚力 2） 板巖層摩擦系數(shù)為 聚力 3） 層面夾泥摩擦系數(shù)為 聚力為 4） 切層泥摩擦系數(shù)為 聚力為 五 、當?shù)亟ㄖ牧希?壩址附近主要砂石料場有七處，儲量足以建壩，各料場的物理性質(zhì)、試驗指標，基本滿足技術(shù)要求，可作大壩混凝土骨料使用。且無大量的粘性土及砂壤土料，可供圍堰防滲材料之用。 六 、交通條件： 對外交通在右岸，公路、鐵路均距壩址較近 ， 略加修改或擴建即可直通壩址，壩頂無重要交通要求。 七、效益： 水庫建成與下游大黑汀、邱莊、陡河等水庫聯(lián)合運用，承擔 多年調(diào)節(jié)作用，在保證率 P=75%時，可調(diào)節(jié)水量 立米，計劃年補給工業(yè)及城市生活用水 7 億立米，并可灌溉農(nóng)田一百余萬畝，達到遇旱有水、電站裝機 3 臺，總?cè)萘?18 萬千瓦，平均年發(fā)電量 度。 5 八、 水庫規(guī)劃及建筑特性指標 項目 單位 指標 備注 水位 校核供應水 m =設(shè)計洪水位 m =正常儲水位 m 死水位 m 電 校核尾水位 m 設(shè)計尾水位 m 正常尾水位 m 壩前堆砂高程 m 庫容 總庫容 108調(diào)洪庫容 108興利庫容 108死庫容 108堆沙庫容 108主壩 壩型 砼實體重力壩 壩頂高程 m 最大壩高 m 壩頂長度 m 壩頂溢流孔數(shù) 孔 15 堰頂高程 m 每孔凈寬 m 工作閘門尺寸 m * m 啟閉機（ 2*45t 固定式） 臺 15 設(shè)計洪水下泄能力 校核洪水下泄能力 進水口 進口底高程 m 底孔數(shù)及尺寸 孔、 m * m 4、 5*6 弧形工作閘門 m * m 4、 5*6 工作門啟閉機 臺 4 設(shè)計水位泄水能力 584 校核水位泄水能力 663 如遇千年一遇洪水，水庫最大泄量與區(qū)間同頻率洪水相遇將超過大黑汀水庫的千年一遇設(shè)計洪 水。為此需要控制下泄流量而不超過 27500 立米 /秒以符合大黑汀水庫設(shè)計標準。 6 第 2 章 壩軸線、壩型選擇和樞紐布置方案比較 對樞紐布置首先當然是選擇壩址，確定壩軸線。壩址和壩軸線的選擇是否適當，將在很大的程度上影響工程設(shè)計是否經(jīng)濟合理，甚至決定工程的成敗。所以選擇時必須審慎進行。決定壩址所考慮的條件，首先應該是地質(zhì)、地形和樞紐布置上的問題，其次則為施工條件和施工后的運行條件。 一 、 壩軸線的選擇 壩址的選擇要考慮：地形條件，地質(zhì)條件，水能利用，樞紐布置，施工條件，交通等條件。 就地形而言，壩址一般以選在狹 窄河谷處，節(jié)省工程量；但對于一個具體的樞紐來說，必須從各個方面綜合考慮：是否便于布置泄洪、發(fā)電建筑物，是否便于施工導流，技術(shù)可行，經(jīng)濟合理等綜合衡量。壩址地質(zhì)條件是水利樞紐設(shè)計的重要依據(jù)之一，對壩型的選擇和樞紐的布置起著決定性作用。壩址最好的地質(zhì)條件是強度高、透水性小、不易風化、沒有構(gòu)造缺陷的巖基。但理想的天然地基很少，因而在選擇壩址時應從實際出發(fā)，針對不同的情況采取不同的地基處理方式，來滿足工程需要。亦可通過選擇不同的壩型或?qū)屋S線轉(zhuǎn)折以適應地質(zhì)條件，同時應考慮兩岸的地質(zhì)因素，使庫區(qū)及兩岸邊坡有足夠的穩(wěn)定 性，以防止因蓄水而引起的滑坡現(xiàn)象。就河勢來說，壩址要選在河流順直段，靠近壩址上、下游河流如有急灣最不利 ， 應 予避免；樞紐兩岸壩肩的山體要較雄厚，并盡可能離上下游兩岸的沖溝遠一些；水庫周緣應沒有難處理的缺口。 通過 對 P 水庫壩址區(qū)域基本地質(zhì)、地形等資料的研究和分析，確定要選擇合理的壩軸線，必須具備以下四個原則： 1、 壩基全部坐落在第四大巖層上 根據(jù) P 水庫 地質(zhì)基本資料知 ： 壩區(qū)主要巖性為太古界拉馬溝片麻巖 ，其次為第四紀松散堆積物 ， 以及不同時期的侵入巖脈 ， 壩區(qū)范圍內(nèi)片麻巖依其巖性變化情況可分為六大層 ， 其中 第一 、 四 、 六層巖性較好 ， 但第一 、 7 六層因受地形限制建壩工程很大 ， 而第四大巖層 (角閃斜長片麻巖 ，具有粗粒至中間細粒纖狀花崗巖變晶結(jié)構(gòu) ， 主要礦物為斜長石 、 石英及角閃石 ， 本層巖體呈厚層塊狀 ， 質(zhì)地均勻 ， 巖性堅硬 ， 抗風化力強 ， 解理裂隙較少 ， 透水性小工程地址條件好 ， 總厚度 185 其特性均滿足建壩要求 ， 故壩基建在第四大巖層之上 ， 有利于壩體穩(wěn)定 。 2、 左岸與第三大巖層保持一定距離 從“壩址河谷段構(gòu)造分析圖”中 ， 可知 ： 第四大巖層 ， 自右岸至左岸逐步向北偏移 ， 且寬度略變窄 ， 若壩軸線垂直水流方向 直接伸向左岸， 則壩軸線將 與第三大巖層相接 。 由地質(zhì)資料可知 ： 第三大巖層較軟弱 ， 不宜建壩 ， 故壩軸線需偏移 ， 使之與第三大巖層保持一定距離。 根據(jù)地質(zhì)剖面資料分析，壩軸線在左岸時向上游 推移，避開軟弱的第三大巖層，為以后壩體的穩(wěn)定運行作好基礎(chǔ)。 3、 避開大的斷層 壩址河谷段構(gòu)造分析圖可知 ： 壩址處 雖然 斷層裂隙較多 ， 但大部分規(guī)模較小 ， 對工程影響不大 。 其中 它走向為北東 85 75， 傾向南 ， 傾角 70 寬度 屬壓扭斷層 。 長約 200m，一段靠近上游壩踵 ， 對基礎(chǔ)巖石力學強度及壩基完整均一 性有影響 ， 故 壩軸線應該 避開 層 ， 并保持一定距離。 4、 避開右岸不穩(wěn)定巖體 由壩址河谷段構(gòu)造分析圖可知 ： 在右岸 層的上方有一塊由 成的不穩(wěn)定的巖體 ， 而庫區(qū)附近歷史地震活動較為頻繁 ， 近年來微繁 ， 弱震仍不斷發(fā)生 。 由此 ， 壩軸線 需避開右岸 陡岸的局部 不穩(wěn)定巖體 ，在右岸向 上 游 方向 折彎，對大壩日后的安全有利。 綜上所述 ： 為同時滿足壩基坐落在第四大巖層上 ， 左岸與第三大巖層保持一定距離 ， 右岸避開不穩(wěn)定巖體 ， 河床部位使上游壩踵避開 個選擇壩軸線的基本原則。 另外 ， 左岸為避開 右岸的 8 下游多為破碎帶 ， 故向上游偏移 ， 致使壩軸線傾斜 ， 偏離兩岸山頭 ； 為了節(jié)省工程造價 ， 減少工程量 ， 使兩岸壩軸線彎折 ， 右岸 （西） 為避開不穩(wěn)定巖體需做一圓弧 ， 延伸至山頭 ， 左岸 （東） 則折線延伸至山頭 ； 由此 ，水流方向與壩軸線斜交 ， 雖然會產(chǎn)生橫向水流 ， 對壩體 ， 岸坡有影響 ， 但水庫蓄水后 ， 庫容較大 ， 致使壩前水流流速 幾近 為零 ， 這樣受到橫向水流影響就很小 ， 故此壩軸線 選擇 合理可行。 根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造圖對壩軸線有以下要求： 1、 壩基應全部座落在第四大巖層（ 第四大巖層為角閃斜長石，石英及角閃石，本巖體成厚層塊狀，質(zhì)地均一，巖性 堅硬，抗風化能力強，工程地質(zhì)條件好，總厚度 185 米左右，適宜建壩。 2、 壩線應避開大的節(jié)理和斷層，并保持一定距離，由壩址河谷段構(gòu)造分析圖，河谷上游有一大的斷層破碎帶 向北東 850 西北 2750，傾向及傾角為南 70 800，寬度 壓扭性斷層，對基礎(chǔ)巖石力學強度及壩基完整均一性有影響，壩體應避開，壩軸線可向下游移動。 3、 河岸右岸有不穩(wěn)定巖體，壩線布置應避開，保證右壩肩穩(wěn)定，因此右岸壩線應向上游移動。 4、 河谷左岸有第 3 大巖層分布，其巖性比較軟弱，應避開，所以左岸壩線應向上 游移動。 5、 因受以上條件限制，壩線如果采用直線，將不能通過兩岸山頭，若要滿足擋水要求，工程量將很大，材料用量多，為此 ， 將壩軸線兩岸段用彎折線或圓弧與兩岸山頭相連 ，即左岸向下游 折向，右岸向上游圓弧狀彎折伸向山體 。 結(jié)論： 可見給定壩軸線滿足以上要求，壩軸線選擇是合理的。 9 二 、 壩型選擇 1、綜述 壩址的選擇要考慮：地形條件，地質(zhì)條件，水能利用，樞紐布置，施工條件，交通等條件 以及抗震性等特點，通過定性分析，初步選擇兩種壩型進行較詳細的技術(shù)比較，選取既滿足工程要求，又比較經(jīng)濟的壩型，經(jīng)濟比較只要求對壩體的砼 方量及三材用量作粗略的計算和比較。 以下分別就各種壩型進 行 比較分析。 2、壩型選擇方案 （一）土石壩 土石壩又稱當?shù)夭牧蠅?，是歷史最為悠久的一種壩型。土石壩主要分為：均質(zhì)壩、心（斜）墻壩、土石混合（堆石壩）壩等。 1、 土石壩優(yōu)點 （ 1） 可以就地、就近取材，節(jié)省大量水泥、木材和鋼材，減少工地的外線運輸量，幾乎任何土石料均可筑壩。 （ 2）能適應各種不同的地形、地質(zhì)和氣候條件。任何不良的壩址地基，經(jīng)處理后均可筑壩。 （ 3）大容量、多功能、高效率施工機械的發(fā)展，提高了土石壩的施工質(zhì)量，加快了進度，降低了造價，促進了 高土石壩的發(fā)展。 （ 4）由于巖土力學理論、試驗手段和計算技術(shù)的發(fā)展，提高了大壩分析計算的水平，加快了設(shè)計進度，進一步保障了大壩設(shè)計的安全可靠性。 （ 5）土石壩 適應地基變形，施工方便，而且我國擁有豐富的建壩經(jīng)驗。土石壩與砼壩相比，其造價為砼壩的 1/10，工程量為砼壩的 4 倍，由此可見土石壩經(jīng)濟性優(yōu)于砼壩 。 2、 缺點 由所給 P 水庫基本 資料可知，壩址附近主要 的 砂石 大 料場 有七處 ，且儲量 足以建壩，各料場的物理性質(zhì)、試驗指標，基本滿足技術(shù)要求，可作 10 為大壩混凝土骨料使用。 從材料方面看可以建土石壩。但土石壩有它本身的特點，就 是壩身不能過水，泄水建筑物需另設(shè)溢洪道 。 由本樞紐 基本 資料知，兩岸 均 為高山，山峰綿綿，沒有崖口，沒有合適地形布置溢洪道，因此，從這方面看，不宜建土石壩。 由于 壩址附近無大量的粘性土及砂壤土料，只可供應圍堰防滲材料之用。 不能滿足土石壩所需的大量粘性土 和砂壤土料，因此，從這方面考慮，此處建設(shè)土石壩條件不足。 綜合上述優(yōu)缺點， 故本次設(shè)計不采用土石壩， 而 采用 混凝土 壩。 （二）混凝土壩 選擇 如果選擇砼壩應考慮采用拱壩、支墩壩還是重力壩， 1、拱壩優(yōu)缺點 優(yōu)點： 拱壩是 高次超凈定 空間整體結(jié)構(gòu)， 壩體的 穩(wěn)定性 主要依靠兩岸拱端 山 體 反力作用來 維持 ，并不全靠壩體自重來維持。由于拱是一種主要承受軸向壓力的推力結(jié)構(gòu)，拱內(nèi)彎矩較小，應力分布較均勻，有利于發(fā)揮材料的強度，從而壩體厚度可以減薄，節(jié)省工程量。 拱壩的體積比同一高度的重力壩大約可節(jié)省 1/3 2/3，從經(jīng)濟意義上講，拱壩是一種很優(yōu)越的壩型。且 較好的超載能力可達設(shè)計荷載的 5 11 倍，具有很強的抗震能力 。 缺點： 建筑拱壩要求河谷的寬高比小于 水庫壩軸線工程地質(zhì)剖面圖量得河谷長為 820 米，高 87 米， L/H為寬淺形河道， 不宜修建拱壩 ； 而且拱壩對壩肩的巖體要求堅固完整，但從壩址 河谷段構(gòu)造分析圖可發(fā)現(xiàn)河谷左岸有大的斷層，右岸又存在一個滑坡體，也不宜選擇拱壩 ；理想的拱壩地形應是左右岸對稱，岸坡平順無突變，在平面上向下游收縮的峽谷段。而此壩址處河段順直，兩岸由于受斷層、軟弱地帶的影響，壩軸線 為折線形，不適宜建拱壩。 綜合上述，本壩址處不適宜建混凝土拱壩。 2、支墩壩優(yōu)缺點 11 優(yōu)點： 支墩壩，自重較輕，壩體工程量小， 其中連拱壩與平板壩可節(jié)省 1060工程量； 支墩可隨受力情況調(diào)整厚度， 能充分利用圬工材料的抗壓強度； 節(jié)省壩基開挖量和固結(jié)灌漿工作量，可加快施工速度 ；由于壩體較薄，施工散熱條件 較好。 缺點： 支墩本身單薄，側(cè)向剛度比縱向剛度低，在遭遇垂直水利流向的地震作用時，抗震能力明顯低于重力壩； 支墩的應力較大，對地基要求比重力壩高； 施工期壩體對溫度變化較敏感，容易產(chǎn)生裂縫 ；模板較復雜且用量較大，混凝土標號要求高，單方混凝土鋼筋用量多，施工存在難度； 而且支墩壩有一個致命的缺點，抗壓性差，據(jù)資料顯示庫區(qū)附近歷史上地震活動較為頻繁， 1977年 6 月國家地震局地震地質(zhì)大隊對本區(qū)與地震問題作了鑒定，水庫的基本烈度為 7 度，考慮到樞紐的重要性和水庫激發(fā) 的 地震的可能性，攔河壩設(shè)防烈度采用 8 度，基于此種情況，當 地是不能選用支墩壩的。 綜合上述，本壩址處不適宜建支墩壩。 3、重力壩 重力壩壩身可以過水，對地形地質(zhì)條件適應性強，樞紐泄洪問題容易解決，可以大型機械化施工，施工速度快，故本樞紐選擇重力壩 壩型 。 重力壩又分為寬縫重力壩、空腹重力壩、實體重力壩。 需對三種壩型進行比較做出結(jié)論： （ 1）寬縫重力壩優(yōu)缺點： 寬縫重力壩，壩體設(shè)置寬縫后，壩基的滲透水可自寬縫排出，減小了滲透壓力，但寬縫壩增加了模板用量，立模也較復雜，分期導流不便，而且由資料可知當?shù)責o霜期較短（ 90 180 天）冰凍期較長（ 120 200天），對寬縫壩需 要采取保溫措施，工程造價大大增加且不能大型機械化施工， 12 工期較長， 因此 不宜選用 寬縫重力壩 。 （ 2）空腹重力壩優(yōu)缺點： 空腹壩與實體壩相比具有以下優(yōu)點： 1）由于空腹下部設(shè)底板，減小了壩底面上的揚壓力，可節(jié)省壩體砼方量 20%左右； 2）減小了壩基開挖量； 3）壩體前后腿嵌固于巖體內(nèi)，有利于壩體的抗滑穩(wěn)定； 4）前后腿應力分布均勻，壩踵壓應力較大； 5）便 于 砼散熱； 6）壩體施工可不設(shè)縱縫； 7）便于監(jiān)測和維修； 8）空腹內(nèi)可以布置水電站廠房。 缺點有： 1）施工復雜； 2）鋼筋用量大； 3）如在空腹內(nèi)布置水電站 廠房，施工干擾大，基于以上缺點，將難以進行大型機械化施工，不能實現(xiàn)機械化程度較高的快速施工，選此壩型不夠經(jīng)濟合理。 因此不適宜建空腹重力壩 。 （ 3） 結(jié)論 實體重力壩 由于結(jié)構(gòu)簡單， 安全可靠，對地形、地質(zhì)條件適應性強，樞紐泄洪問題容易解決，便于施工導流，可以大型機械化施工，施工方便且速度快，結(jié)構(gòu)作用明確 ，適合建高壩。 基于以上各種壩型的比較分析，本水庫采用砼重力壩 較為合理 。 三 、 樞紐布置方案 樞紐布置應遵循一般原則：（ 1）壩址、壩基及其它建筑物的形式選擇和樞紐布置要做到施工方便、工期短、造價低。（ 2）樞紐布置應當滿 足各 13 個建筑物在布置上的要求，保證其在任何工作條件下都能正常工作。（ 3）在滿足建筑物強度和穩(wěn)定的條件下，降低樞紐總造價和年運轉(zhuǎn)費用。（ 4）樞紐中各建筑物布局緊湊，盡量將一工種的建筑物布置在一起，以減少連接建筑物。（ 5）盡可能使樞紐中的部分建筑物早期投產(chǎn)，提前發(fā)揮效益。（ 6）樞紐的外觀與周圍的環(huán)境協(xié)調(diào)，在可能的條件下注意美觀。 首先根據(jù)樞紐的任務及要求確定樞紐建筑物的組成，然后根據(jù)地質(zhì)、地形等條件，擬定二到三個樞紐布置方案，并畫出草圖，通過定性分析確定較合理的樞紐方案。 水利樞紐布置的任務是合理地確定樞紐中各組成 建筑物之間的相互位置。 1、綜述 P 水利樞紐的主要任務是調(diào)節(jié)水量，結(jié)合引水發(fā)電并兼顧防洪。包括溢流壩段、底孔壩段、電站壩段和擋水壩段；擋水壩段在河的兩岸，溢流壩段的位置與電站的位置有關(guān)。樞紐功能及其相應的水工建筑物， P 水庫樞紐的主要任務是調(diào)節(jié)水量，供天津市和唐山地區(qū)工農(nóng)業(yè)城市人民生活用水，結(jié)合引水，并兼顧防洪。 因干流水量年內(nèi)分配很不均勻，汛期主要集中在七、八月份，而且年際變化也很大，所以樞紐設(shè)計應具有多年調(diào)節(jié)能力，能將豐水年水量調(diào)到枯水年運用。建壩攔河蓄 水 所形成的水頭，滿足供水之余可建電站，結(jié)合引水發(fā)電充 分利用水頭提高工程效益，電站可裝機 18 萬千瓦，由三臺發(fā)電機組發(fā)電，并用三條引水管引水。與電站配合運行 的 還有開關(guān)站、尾水渠等建筑物。 根據(jù)樞紐功能需要，工程具有擋水壩段、電站壩段、底孔壩段、溢流壩段等建筑物。 樞紐布置主要應考慮：廠房段，底孔段，溢流壩段，擋水壩段的布置。 2、 各類建筑物樞紐布置的要求 擋水壩 14 攔截水流，形成水庫，將其布置在河岸的兩邊。 通常布置成直線，這樣壩軸線較短，壩身體積小，對建筑物的受力狀態(tài)有利，并便于與相鄰建筑物的聯(lián)結(jié)。但有時受地質(zhì)和地形條件的限制，可將壩軸線布置成折線，本樞紐 即是如此。 溢流壩 溢流壩起泄洪作用，前緣應正對上游來水的河流 主流方向 ，下游出口方向最好與主河槽水流方向一致。溢流壩應坐落在堅硬結(jié)實的巖基上，減少下泄水流對其建筑物的影響 ，以解決下游消能防沖問題 。 為減少下泄水流對其它建筑物的影響， 有時常在溢流壩和這些建筑物之間布置導墻。本樞紐中，溢流壩的尺寸大概如下：由資料可得萬年一遇洪水流量為59200m2/s，假設(shè)單寬泄水流量為 200m2/s，需凈寬約 300孔尺寸寬約 15m，共需 20孔，假如泄洪時，底孔開啟輔助泄洪，可代替一個溢流孔還需 19 孔。中墩 和邊墩厚取 3m。橫縫設(shè)在每個溢流孔中間。故每個溢流段的寬為 18m。總溢流段寬為 18 19+3=345m。 泄洪底孔壩段 泄洪底孔進口高程常接近水庫死水位，或靠近河床，隨時可以放水。其作用有：預泄庫水，增大水庫的調(diào)蓄能力；放空水庫以便檢修大壩；排放泥沙，減少水庫淤積；隨時向下游放水，滿足航運或灌溉要求；也起施工導流、 洪水期泄洪、人防作用。 根據(jù)本樞紐基本資料，擬利用泄洪底孔作為二期導流通道， 參照已建工程孔口尺寸定為 5 m 寬 7 m 高， 共 設(shè)四孔，每兩孔口為一個壩段，其中兩個底孔壩段中間隔墩厚 4 m。所以每 個底孔壩段的寬度為 2 5+3 4=22 m，泄洪底孔的總寬為 2 22=44m。 電站廠房壩段 水電站廠房壩段布置原則：要求 水電站進口水流應該平穩(wěn)，不發(fā)生旋渦和橫向水流，尾水應順暢 ；當溢流壩于廠房并列布置時，應盡量將前者布置在河道深槽，以保證泄水順暢；為減少下泄水流對發(fā)電和航運的不利 15 影響，常在溢流壩 與其它建筑物之間設(shè)置導墻；當河流含沙量大，壩前淤積嚴重時，應采取排沙措施，沖沙孔或排沙洞常布置在廠房進水口附近，其高程應滿足運用要求。壩后式廠房應盡可能靠近壩體，以減小引水管路的工程量和水頭損失，對河床式電 站，由于泄水建筑物占據(jù)了主河槽，廠房多布置在岸邊，但應防止由于泥沙淤積造成尾水壅高，降低發(fā)電水頭 。 廠房壩段與泄洪底孔段并排布置有以下優(yōu)點：（ 1）可保證電站經(jīng)常引用活水，不會有泥沙淤積。（ 2）可以共用起閉設(shè)備，節(jié)省投資。 本樞紐 擬定 裝機 3臺， 每臺機組段寬為 16m， 電站廠房壩段 總長為 48m。 本樞紐電站廠房壩段位置選擇是整體樞紐布置的關(guān)鍵，先擬定兩種方案進行比較，通過論證比較，選擇最優(yōu)方案，以達到技術(shù)上先進和可能，投資少，工期短，運行可靠，管理方便等目的。 3、 樞紐布置 方案比較 根據(jù)以上考慮，初步擬定以下兩種方 案： （ 1） 方案一： 電站廠房布置在右岸主河槽 ， 可減少 基礎(chǔ) 開挖 量， 獲得高水頭 ， 本地區(qū)主要用電戶在右岸方向，利于就近輸送電力， 比較經(jīng)濟 。但是，電站尾水位較高，發(fā)電水頭小，尾水有橫向水流存在，影響下游岸坡穩(wěn)定。 因本地 河流 泥沙量大，泄水底孔緊靠廠房，用于排沙泄水，以免泥沙淤積 而 降低電站效率，挨著底孔 壩段向左 為溢流壩段，為了不影響電站尾水 在下游 設(shè)置導墻，其余為擋水壩段。 （ 2） 方案二： 電站廠房布置在左岸，然后自左向右為底孔 壩段 ，溢流壩 段 ，擋水壩 段 。 這種方案雖溢流水流不會影響電站尾水，電站尾水流態(tài)好 ，但開挖量大，才能保 證發(fā)電水頭和裝機，不經(jīng)濟。 因此，選擇 方案一較合理。 經(jīng)濟技術(shù)比較 從經(jīng)濟角度考慮，本電站不宜采用引水式，因為引水式電站需另設(shè)隧洞，引水管線，工程成本高，而壩后式電站可采用壩內(nèi)埋管引水，更為經(jīng) 16 濟，壩后式廠房應盡可能靠近壩體，以減小引水管路的工程量和水頭損失，廠房多占據(jù)主河槽，可減小開挖量，獲得高水頭并靠近岸邊。 泄水底孔一般設(shè)在河床部位的壩段內(nèi)，進口高程、尺寸、孔數(shù)、孔型是應根據(jù)其主要用途來選擇，狹窄河谷宜與溢流壩段結(jié)合，寬敞河谷兩者可分開布置，布置在非溢流壩段內(nèi)的排沙孔應盡量靠近發(fā)電進水口、船閘閘首等需要 排沙的部分，放空水庫的孔口高度應設(shè)置較低高程，當在高壩上，泄水孔可采用無壓孔或有壓孔，但應避免交替出現(xiàn)有壓流與無壓流，近年趨向采用無壓孔，用泄水孔泄洪或向下游供水一般不經(jīng)濟。底孔也應設(shè)在主槽來滿足排沙要求。 選擇 溢流壩位置時，應考慮是下泄洪水，排冰時水流能與下游平順連接，不直接 沖淘壩基和其他建筑物的基礎(chǔ)，其流態(tài)和沖淤不致影響其它建筑物的使用，為此溢流壩也應設(shè)在主槽，否則應在溢流壩的兩側(cè)設(shè)導墻，來控制水流流態(tài)，導墻的高度應高出溢流水面。 根據(jù)資料，對外交通在右岸，公路、鐵路均距壩址較近，略加修改或擴建既可直通 壩址，若選擇第二方案，因用電戶聚集在右岸，需耗費大量電纜，而且電站的安裝維修也不便，從經(jīng)濟合理角度看應選第一種方案。對方案一所存在的問題，用以下方法進行處理： 1. 陡峭的不穩(wěn)定巖體開挖成緩坡，并進行噴錨支護。 2. 電站與底孔之間設(shè)導墻，直至尾水影響較小。 3. 對第三巖層進行特殊處理，以確保安全。 從地質(zhì)剖面圖可以看出，為減少電站開挖和便于安裝間的布置，將電站壩段設(shè)在 06 處，底孔壩段設(shè)在 54 和 18 之間，溢流壩壩段直到 72 處。開挖線基本上按建議開挖線，兩種 方案設(shè)計的下游立視圖如下： 最終選擇方案一。 17 18 第 3 章 壩床剖面設(shè)計 一 、 壩頂高程確定 1、 為了妥善解決工程安全和經(jīng)濟的矛盾，使工程的安全可靠性與其造價的經(jīng)濟合理性統(tǒng)一起來，需對該工程及其組成的建筑物進行分等分級。 水利部制定的 2000 設(shè)計標準，總庫容 08定本工程等級為一等，工程規(guī)模為大（ L）型（查教材水工建筑物 1），主要建筑物按一類設(shè)計，次要建筑物按三級設(shè)計，臨時建 筑物按四級設(shè)計（查教材水工建筑物 3）。 根據(jù)教材水工建筑物表 2 11 2 16，本設(shè)計的系數(shù)見下表： 建筑物名稱 級別 安全級別 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) 設(shè)計狀態(tài)系數(shù) 材料性能系數(shù) 構(gòu)系數(shù) 持久狀況 偶然 狀況 摩擦系數(shù)接力界穩(wěn)定狀態(tài) 砼抗壓極限狀態(tài) 擋水壩 1 注 不考慮 短暫 狀況 砼 /基巖 接觸面 基本偶數(shù)、組合 系數(shù)相同 注：材料性能分項 系數(shù) rm=計值 fR= 由基本資料已知，壩基建于弱風化巖層，故 基面抗剪斷摩擦系數(shù)設(shè)計值 基面抗剪斷摩擦系數(shù) 19 設(shè)計值 最大擋水壩剖面的永久作用和可變作用分項系數(shù)。 作用類別 自重 靜水壓力 滲透壓力 浮托力 淤沙壓力 液壓力 分項系數(shù) ：動水壓力、冰壓力、地震壓力、木壓力等作用不考慮。 面尺寸設(shè)計 根據(jù)重力壩剖面原理，要滿足穩(wěn)定和強度要求，又使得壩床工程量最小，外 形輪廓簡單，施工方便，運行可靠的剖面，具體設(shè)計如下： （ 1）初擬基本剖面：由于重力壩承受的主要荷載的作用在上游面，靜水壓力是三角形分布，所以重力壩承受的基本剖面也是三角形。 根據(jù)壩體按應力和穩(wěn)定控制條件確定的基本剖面和參考已完建筑工程進行初步擬定基本剖面尺寸，現(xiàn)取三角形頂點為校核洪水位 游面為鉛直面， n=0（ =0） ,下游面坡比 M 取 據(jù)已知工程地質(zhì)條件，風化下限河床部位高程左邊 75M，右邊 55M，去風華 下限高程為 70M，則高 H=圖： 校核 常 H=n=0 20 （ 2）確定實用剖面的壩頂高程及壩頂寬度： 基本剖面只考慮了壩體的承受作用主要荷載，沒有考慮在運用方面的要求，因此需要對基本剖面進行優(yōu)化設(shè)計。 1）壩頂寬度 B：考慮壩頂設(shè)備布置、 檢修運行、施工及交通等方面的要求，壩頂寬度無特殊要求時，常態(tài)砼壩頂最小寬度為 3m，碾壓砼壩頂最小寬度為 5m，一般取壩高的 1/8 1/10，本設(shè)計取 8m。 2）壩頂高程或壩頂防滲墻頂高的確定： 按水工建筑物 63 式分別計算，公式為： 壩頂高程 =設(shè)計洪水位（或正常蓄水位） + k 設(shè) /正 壩頂高程 =校核洪水位 + k 核 式中： k 設(shè) /正為計算的壩頂（或防滲墻頂）距設(shè)計洪水位（或正常蓄水位） k 的高度。 k 設(shè)為計算壩頂（或防滲墻頂），距校核洪水位的高差。 因在計算壩頂超出靜水位 h 時，所采用的風速計算 值及安全超高值不一樣，所以再決定壩高程時，應按正常蓄水位情況和校核洪水位情況分別求出壩頂高程，然后選取最大值。 安全超高 h=21%） =h2=中： 21%） m。 m。 m。 根據(jù)水工建筑物 2安全級別為級的壩，安全超高正常蓄水位時 核洪水時 21 因本工程位于山區(qū)，故波浪計算采用官廳水庫公式計算浪高 2長221m，公式取自水工建筑物 2-7 g（ 2（ 81/3 g（ 2（ 2） 1/中： 2d/0250 時，為累積頻率為 5%的浪高，當2=2501000 時，為累積頻率為 10%的浪高，而設(shè)計規(guī)范規(guī)定應用累積頻率為 1%的浪高，對應于 5%的浪高，應乘以 應 10% 計情況采用 30 年一遇或采用相應多年平均最大風速的 ；校核情況先采用多年最大風速，本設(shè)計多年平均最大風速為 作為校核情況；設(shè)計情況取 2 倍的 s，即為 47.4 m/s。 m，設(shè)計情況和校核情況為 3000m。 （ 3）壩坡 根據(jù)工程經(jīng)驗考慮，利用水重增加壩體穩(wěn)定，上游壩面采用折坡，起坡點按要求為 1/32/3 壩高，該工程折坡點高程取死水位，即 部為鉛直，下部為 1： 游壩破取 1： 本三角形頂點位于壩頂，防浪墻及折坡點已修筑成整體，且上游面為鉛直面。 3頂高程計算表 適用情況 坡前 靜水位 設(shè)計風速 吹程m 2 （ 2） 1/3 2 持久狀況 000 然狀況 000 22 g（ 2（ 5%） （ 2） 1/g（ 2（ 1%） h2 h 壩頂高程 m ：（ 1）持久狀態(tài)： 2 所以 （ 2 2/2 4）壩頂高程（防浪墻頂高），后本設(shè)計取防浪墻頂高程 浪墻高 頂高程取 （ 5）壩底寬度的確定 根據(jù)以往工程經(jīng)驗，規(guī)定壩底寬約為壩高的 ，底寬在 間，因此取 70m。 （ 6）匯總 最后采用的實用剖面尺寸為：壩基高程 70m，壩頂高程 23 壩頂寬度 8m， 上游折坡 1： 游坡 1： 底寬度 70m，上游折坡點高程 110m，下游折坡點高程 混凝土重力壩剖面圖）。 分析地基條件，采取防滲灌漿帷幕和排水幕，以利大壩防滲及壩體穩(wěn)定，灌帷幕中心線距上游壩踵 6m，排水孔中心線距防滲墻帷幕中心線 道斷面為城門洞形，寬度為 3m，高度為 4m，廊道底部距壩基 6m，其對滲透壓力強度的折減系數(shù) =體重力壩河床段）。 壩頂上下游兩側(cè)均設(shè)防浪墻，墻高 壩體筑成整體，防浪墻內(nèi)側(cè)各設(shè) 1m 寬人行道，兩人行 道之間為 5m 公路，設(shè)起重機軌道及壩體排水管（見壩頂構(gòu)造圖）。 24 二 、 擋水壩結(jié)構(gòu)計算 1、 作用及其組合 1. 持久狀況 荷載及組合：設(shè)計洪水位情況的荷載組合 自重 +靜水壓力 +淤砂壓力 +揚壓力（滲透壓力 +浮托力） +液壓力沿壩軸 線取單位壩長度 1 1）自重：將壩體剖面分成兩個三角形和長方形計算其標準值，跟防浪墻、 廊道的影響不計入在內(nèi)。 2）靜水壓力：按設(shè)計洪水位時的上下游水壓力斜面上的垂直水壓力分別計算其標準值，即上游 游 3）揚壓力：揚壓力強度在壩踵處為 水孔中心線上為（ H），壩趾處為 取 4）淤砂壓力：分水平和垂直方向計算，已知泥砂重度為 93，泥砂淤積厚度為 砂內(nèi)摩擦角為 用教材水工建筑物公式 2 5）浪壓力：壩前水深大于 1/2浪長（ 1）采用水工建筑物公式2壓力 工建筑物公式 2載作用標準值和設(shè)計值成果見下表： 3載計算表組合情況 荷載 計算式 重 作用每一壩段 /臂 /m 力矩 /（ 25 自重 *54*4 度 水平（ H） 垂直（ V） + - 自重 *54*4 24 50220 8 401760 自重 *4 24 16800 23 386400 自重 *8*40*24 24 3740 31 119040 上游水平水壓力 *10*0 游水平水壓力 *10*0 9 32805 上游垂直壓力 8*10*1/2 10 5096 31 157976 上游垂直壓力 *10*27*0 托力 7*70*1 10 18900 0 滲透力 （ 0 10 滲透力 （ 0 10 平泥砂壓力 *6*45） 9 直泥砂壓力 *9* 1 壓力 *10*（ 125+*125 10 壓 力 *10*1252 10 小計 合計 用設(shè)計值計算表 作用 名稱 作用分作用標準值（ 作用設(shè)計值（ 力矩標準值 （ 力矩設(shè)計值 （ 垂直力 水平力 垂直力 水平力 26 項系數(shù) + - + - 自重 0220 50220 401760 40176 自重 6800 16800 386400 386400 自重 840 3840 119040 119040 上游水平壓力 游水平壓力 3645 32805 32805 上游垂直壓力096 5096 157976 157976 下游垂直壓力 托力18900 滲透壓力 滲透壓力 平泥砂壓力 直泥砂壓力 浪壓力 壓力 合計 計 791833 . 抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)計算壩體抗滑 極限狀態(tài) 屬于承載能力極限狀態(tài)，核算時，其作用和材料性能從設(shè)計值代入?；窘M合時 r= =200算采用水工 27 建筑物式（ 2 24） r s（） Q（） / 1。 式中： 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，見表 2 11，取 設(shè)計狀態(tài)系數(shù)，且表 2 12，取 （） 作用效應函數(shù) Q（） 結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗力系數(shù) 基本組合結(jié)構(gòu)函數(shù)，見表 2 15，取 的左邊 =的右邊 =（ 1/*00*70*1=55960 36124.1以壩址基巖抗壓強度極限狀態(tài)可免于校核。 第 4 章 溢流壩剖面設(shè)計及其計算 溢流重力壩既是擋水建筑物，又是泄水建筑