某江水利樞紐堆石壩工程主要建筑物型式選擇及樞紐布置計(jì)算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u5266某江水利樞紐堆石壩工程主要建筑物型式選擇及樞紐布置計(jì)算案例 179301.1樞紐等別及組成建筑物級(jí)別 1195571.2壩頂高程計(jì)算 1181591.2.1波浪要素計(jì)算 1217351.3壩型選擇 3246851.3.1定性分析 4212451.3.2定量分析 7234411.4泄水建筑物型式選擇 85071.5樞紐方案的綜合比較 10275161.5.1擋水建筑物——混凝土面板堆石壩 102991.5.2泄水建筑物——正槽溢洪道 10205381.5.3水電站建筑物 101.1樞紐等別及組成建筑物級(jí)別本設(shè)計(jì)中校核洪水位278.64m對(duì)應(yīng)的庫(kù)容為2301.47萬(wàn)m3，根據(jù)《SL252-2017水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》查得本工程級(jí)別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型。相應(yīng)其主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)。水工建筑物為3級(jí)的洪水標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)下洪水重現(xiàn)期為100~50年，校核下洪水期為2000~1000年。1.2壩頂高程計(jì)算1.2.1波浪要素計(jì)算由于大壩所在地區(qū)為丘陵地區(qū)，所以根據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范DL5077-1997》，波浪要素宜采用鶴地水庫(kù)公式進(jìn)行計(jì)算（適用于庫(kù)水較深，V0<26.5m/s及D<7.5km）。（5-1）（5-2）式中：—累計(jì)頻率為2%的波高（m）；—平均波長(zhǎng)（m）。為水面以上10m處風(fēng)速，正常運(yùn)用條件下Ⅲ級(jí)壩采用多年平均最大風(fēng)速的1.5倍；非常運(yùn)用條件下的各級(jí)土石壩，采用多年平均最大風(fēng)速。設(shè)計(jì)波浪爬高值根據(jù)工程等級(jí)確定，3級(jí)壩采用累積頻率為1%的爬高值。先按上述公式計(jì)算出，再根據(jù)頻率法按下表可得出。表5-1設(shè)計(jì)波浪頻率爬高0.010.112451014205090<0.13.422.972.422.232.021.951.711.601.430.940.340.1~0.23.252.822.302.131.931.871.641.541.380.950.43波浪中心線高出計(jì)算靜水位按下式計(jì)算：（5-3）式中：—水深；為累積頻率1%的波高。計(jì)算結(jié)果為：表5-2各工況波浪要素計(jì)算表Lmh2%h1%Tmhz設(shè)計(jì)洪水位9.3171.1591.2582.4420.533正常蓄水位9.3171.1591.2582.4420.533校核洪水位6.2110.6410.6961.9940.245根據(jù)《SL274-2020碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，堰頂上游L型擋墻在水庫(kù)靜水位以上高度按下式確定：（5-4）式中：—壩頂超高；—最大波浪在壩坡上的爬高，按計(jì)算；—最大風(fēng)雍水面高度，按計(jì)算；—安全超高。表5-3不同級(jí)別壩的安全超高值運(yùn)用情況壩的級(jí)別ⅠⅡⅢⅣ、Ⅴ非常1.51.00.70.5正常0.70.50.40.3（5-5）通過(guò)計(jì)算：=2.492m；=1.342m；=2.492m則有：設(shè)計(jì)洪水位++0.7=279.792m校核洪水位++0.7=279.982m正常蓄水位++0.4=278.992m因此取防浪墻頂高程=280m預(yù)留沉陷(280-227.5)×(0.2%~0.4%)=0.105~0.210m，取預(yù)留沉降量為0.2m，在施工過(guò)程中考慮到預(yù)留沉降量。根據(jù)《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范DLT5016-2011》要求，防浪墻頂要高出壩頂1~1.2m，本設(shè)計(jì)取1.2m，則壩頂高程為278.8m。1.3壩型選擇壩型的選擇在水利工程設(shè)計(jì)中尤為重要，是第一個(gè)要敲定的問(wèn)題，因?yàn)椴煌膲涡蛯?duì)不同的地形、地質(zhì)和地貌的適應(yīng)條件也不一樣，所以在進(jìn)行壩型選擇時(shí)要結(jié)合應(yīng)有的一切資料對(duì)壩型進(jìn)行確定，進(jìn)而才能進(jìn)一步進(jìn)行其他部分的設(shè)計(jì)。1.3.1定性分析1.3.1.1各種常見壩型比較水利樞紐中的擋水建筑物常見的主要型式有：重力壩、拱壩、土石壩、支墩壩及新型壩型如碾壓混凝土壩、面板堆石壩等。下面根據(jù)本工程的地形、地質(zhì)條件和材料儲(chǔ)備情況對(duì)以上壩型進(jìn)行比較，選擇適合的壩型。（1）拱壩拱壩是在平面上呈凸向上游的擋水建筑物，借助拱的作用將上游水壓力的全部或部分傳給河谷兩岸的基巖。由于拱壩要將水壓力傳遞至巖基的受力特點(diǎn)，因此拱壩往往要建造于狹窄河谷上，同時(shí)對(duì)河谷的基巖就要求有足夠的強(qiáng)度、不透水性和耐久性，最好建于弱或微風(fēng)化巖層；兩岸拱座基巖堅(jiān)固而完整，邊坡穩(wěn)定，沒有大的斷裂構(gòu)造和軟弱夾層。而本工程地形河谷較寬，關(guān)鍵是地質(zhì)條件比較差：斷層裂隙較為發(fā)育，巖石破碎，強(qiáng)度低，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，其相對(duì)不透水層的埋藏較深，且透水層屬中等—嚴(yán)重透水層，若建造拱壩，必然會(huì)有巨大的開挖量，同時(shí)由于裂隙和破碎帶存在大壩的安全性不高，故不宜建造拱壩。（2）支墩壩支墩壩是由一系列支墩和其支承的上游擋水蓋板所組成，庫(kù)水壓力泥沙壓力等由蓋板傳給支墩，再由支墩傳給地基。由于支墩壩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)對(duì)地基要求與拱壩的地基要求幾乎無(wú)差別，在地質(zhì)較為差的本壩址處亦不宜修建。（3）重力壩重力壩工作原理：是靠自身重力與地基產(chǎn)生摩阻力，利用重力保證穩(wěn)定；二是利用壩體自重在水平面上產(chǎn)生壓應(yīng)力來(lái)抵消由于水壓所引起的拉應(yīng)力以滿足強(qiáng)度要求。對(duì)于本工程，地質(zhì)條件較差，斷層、破碎帶發(fā)育，在該處建造混凝土重力壩必然要增大底面積，增加工程量。此外由于壩址處不存在砂礫石料，最近的砂礫石料距壩址10~15km，制備混凝土需要大量砂礫石料，因此在此地也不宜修建混凝土重力壩。（4）土石壩在經(jīng)過(guò)以上的壩型分析后，結(jié)合了壩址區(qū)相應(yīng)的地質(zhì)條件后，在本工程的壩址處存在大量?jī)?yōu)質(zhì)的堆石料，同時(shí)由于土石壩對(duì)于較差的地基有著較好的適應(yīng)能力，所以在本次設(shè)計(jì)中采用當(dāng)?shù)夭牧蠅渭赐潦瘔?。土石壩的?yōu)點(diǎn)：1）筑壩材料就地取材，節(jié)省大量鋼材、水泥、木材等建筑材料。2）適應(yīng)地形變形能力強(qiáng)。土石壩的結(jié)構(gòu)具有適應(yīng)地基變形的良好條件，對(duì)地基的要求比混凝土壩的低；3）施工方法選擇靈活性大。能適應(yīng)不同的施工方法，且工序簡(jiǎn)單、施工速度快，質(zhì)量容易保證。4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，運(yùn)行管理方便，工作可靠，便于維修加高。不足之處：5）壩頂不能溢流，常需另開溢洪道；6）施工導(dǎo)流不如混凝土壩方便，因而相應(yīng)也增加了工程造價(jià)；7）壩體斷面大，土料填筑的質(zhì)量易受氣候影響。1.3.1.2土石壩各壩型比較由于我國(guó)幅員遼闊，存在各樣的地質(zhì)地形，不同的地質(zhì)條件就會(huì)產(chǎn)生不同的壩體的布置可能，地質(zhì)條件的優(yōu)劣和地層巖性的不同也會(huì)有適宜其條件的不同土石壩，在土石壩設(shè)計(jì)時(shí)也不應(yīng)拘泥于現(xiàn)有存在的壩型，也應(yīng)該因地制宜的利用當(dāng)?shù)氐牟牧虾蜅l件，設(shè)計(jì)更適合當(dāng)?shù)貤l件的壩型。土石壩的典型的壩型為均質(zhì)壩、土質(zhì)防滲體心墻和斜墻壩，還有一些特殊的壩型如碾壓混凝土壩、土工膜防滲體壩等。（1）均質(zhì)壩、土質(zhì)防滲體的心墻壩和斜墻壩在本設(shè)計(jì)中，壩區(qū)附件幾乎沒有粘性土料，僅有的一些粘性土料還是民用耕地，如要利用粘性土料就必須將附近農(nóng)民進(jìn)行移民搬遷，這除了會(huì)引起工程總成本的提升以外，還需要注意對(duì)當(dāng)?shù)厝嗣袂榫w的安撫和補(bǔ)償，即便可以使農(nóng)民搬遷，僅有的耕地粘土料對(duì)于整體壩體的填筑來(lái)說(shuō)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此綜合考慮不采用土壩方案。（2）堆石壩堆石壩主要是以堆石體作為壩體填筑材料的壩，屬于土石壩的一種，整體的堆石壩體一般可分為三個(gè)區(qū)域：防滲區(qū)、過(guò)渡區(qū)和堆石區(qū)，由于堆石體有著較好的力學(xué)特性因此堆石壩的坡度相較于土壩的坡度較小，從而有著更小的剖面和工程量，此外由于堆石材料的特性，堆石壩的造價(jià)也較低，施工速度很快，抗震能力強(qiáng)。在本工程壩址區(qū)有著大量?jī)?yōu)質(zhì)的弱風(fēng)化和微新千枚巖，是良好的堆石體材料，因此在本工程中優(yōu)先考慮堆石壩方案。堆石壩的壩型通?？梢园凑辗罎B材料、防滲體位置、堆石施工方法以及壩頂是否過(guò)水進(jìn)行劃分：1）按防滲體材料分類：最常見的堆石料防滲體是土料、瀝青混凝土、鋼筋混凝土及新興的復(fù)合土工膜；2）按防滲體位置分類：心墻堆石壩，斜墻堆石壩，斜心墻堆石壩，混凝土（或復(fù)合土工膜防滲）面板堆石壩；3）按堆石施工方法分類：有堆石、砌石、定向爆破等；4）按壩體是否過(guò)水分類：絕大多數(shù)堆石壩是不過(guò)水的，中小型工程雖有壩體過(guò)水的實(shí)例，但其數(shù)量相對(duì)較少。1.3.1.3幾種堆石壩壩型定性分析。（1）混凝土面板堆石壩在上述幾種壩型中，新型面板堆石壩得到了迅速發(fā)展，在工程中得到廣泛運(yùn)用，之所以能如此迅速發(fā)展，與下述優(yōu)點(diǎn)密切有關(guān)：1）可以充分利用當(dāng)?shù)夭牧现?，大量?jié)省三材和投資；2）面板設(shè)于堆石體上游面，整個(gè)壩體都是受力結(jié)構(gòu)，水壓力在上游面的鉛直分力有助于壩的穩(wěn)定，壩體工程量是土石壩中最小的；3）振動(dòng)碾壓導(dǎo)致的高密實(shí)度堆石體變形小，面板抗裂防滲有了保證，壩的運(yùn)行安全度也被認(rèn)為是很高的，而且經(jīng)論證，即使面板少許漏水，也不會(huì)危及堆石體的穩(wěn)定和壩的安全；4）面板兼起護(hù)坡防滲作用，經(jīng)濟(jì)合理；5）運(yùn)行安全，維修方便，面板在上游面，便于檢查維修，即使水庫(kù)不能放空也便于潛水檢修；6）壩體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壩體填筑沒有粘性土填方，施工干擾小，便于機(jī)械化施工作業(yè)，氣候影響也小，基本可全年施工，加快施工進(jìn)度。由于面板堆石壩自身的特性，在其優(yōu)點(diǎn)突出的同時(shí)，其缺點(diǎn)也很明顯，因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候也應(yīng)充分考慮對(duì)缺點(diǎn)的處理方案，由于其面板的特殊性，因此面板安全是面板堆石壩安全的重中之重，由于面板的整體性，就使其對(duì)壩體基礎(chǔ)的沉降較為敏感，要著重考慮地基沉降不均的方案；此外由于面板長(zhǎng)期暴露在上游，庫(kù)區(qū)的漂浮物或冰凌會(huì)對(duì)面板造成不小的傷害，在運(yùn)行中也要著重防護(hù)。正是由于混凝土面板壩所具有的這些突出優(yōu)點(diǎn)：工程量較小，施工方便，攔洪渡汛簡(jiǎn)單。因此對(duì)于在我國(guó)水利資源豐富的西南、西北高山峽谷區(qū)有著更強(qiáng)的適應(yīng)能力，因此混凝土面板堆石壩在該區(qū)域建壩更有重要意義。在具備大型振動(dòng)碾等設(shè)備的條件下，也是很有競(jìng)爭(zhēng)力的壩型。壩殼材料既可用堆石，也可用砂礫石料。總之，這一新型壩優(yōu)點(diǎn)很突出，值得大力推廣應(yīng)用，但設(shè)計(jì)時(shí)仍要仔細(xì)考慮充分發(fā)揮其優(yōu)越性。（2）其他形式堆石壩其他形式堆石壩有以瀝青混凝土作為防滲體的堆石壩、定向爆破堆石壩以及土工薄膜防滲的土石壩。瀝青混凝土斜墻壩具有與混凝土面板相同的特點(diǎn)，又可稱為瀝青混凝土面板壩。已建的以瀝青混凝土作為防滲體的堆石壩中，面板壩的數(shù)量居多。定向爆破筑壩是在地形、地質(zhì)條件適當(dāng)?shù)暮庸鹊囊话痘騼砂恫贾谜ㄋ幨?。使爆破產(chǎn)生的巖快大部分拋擲到預(yù)定的位置堆積成壩，攔截河道。采用這種方法筑壩，一次爆破可得石方數(shù)萬(wàn)、數(shù)十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)立方米，爆破拋射出的石塊下落時(shí)以高速填入堆石體，緊密度較大，孔隙率可在28%以下，從而可節(jié)約大量人力、物力和財(cái)力。但爆破對(duì)山體的破壞作用較大，使巖體內(nèi)的裂縫加寬，有時(shí)可形成繞壩滲流通道，并可使隧洞、溢洪道周圍的地質(zhì)條件以及岸坡的穩(wěn)定條件惡化。此外，爆破后填平補(bǔ)齊、整修清理的工作量仍然很大，壩基處理與防滲體施工均有一定困難。因此，這種壩型主要適用于山高、坡陡、窄河谷以及地質(zhì)條件良好的中、小型工程。土工薄膜防滲施工更加快捷方便，同時(shí)克服了面板對(duì)基礎(chǔ)沉陷很敏感的缺點(diǎn)，但是土工膜受一定的氣候條件限制，氣溫過(guò)低就不能發(fā)揮作用，同時(shí)土工膜在施工過(guò)程中易被尖銳的物體刺破，要注意對(duì)土工膜的保護(hù)工作。1.3.2定量分析以下選用兩個(gè)最合理的方案進(jìn)行優(yōu)選：方案一：鋼筋混凝土面板堆石壩；方案二：復(fù)合土工膜防滲面板堆石壩。從三方面對(duì)上述兩方案進(jìn)行具體比較：1）從樞紐布置方面來(lái)看，因?yàn)槎紝俣咽瘔?，只是防滲體有所不同，故在樞紐布置中，兩方案并無(wú)差異；2）從施工角度來(lái)看，兩方案堆石體部分無(wú)差別，相比較而言，鋼筋混凝土面板堆石壩的面板比復(fù)合土工膜的工作量大。就防滲體而言，復(fù)合土工膜施工比較方便快捷，且沒有分縫、止水要求，但是土工膜易被尖銳的東西破壞，施工時(shí)需注意做好土工膜的保護(hù)工作；而鋼筋混凝土面板可以利用滑模進(jìn)行機(jī)械化施工。3）從工程造價(jià)角度看：面板總面積：13891m2①鋼筋混凝土面板方案：鋼筋混凝土面板單價(jià)：550元/m3；鋼筋混凝土面板造價(jià)：229.2萬(wàn)元；止水單價(jià)：40元/m；止水造價(jià)：12.1萬(wàn)元；鋼筋混凝土面板方案總造價(jià)：241.3萬(wàn)元。②復(fù)合土工膜造價(jià)無(wú)砂混凝土單價(jià)：500元/m3；無(wú)砂混凝土造價(jià)：69.5萬(wàn)元；水泥砂漿單價(jià)：200元/m3；水泥砂漿造價(jià)：=1.6萬(wàn)元；復(fù)合土工膜單價(jià)：50元/m2；復(fù)合土工膜造價(jià)：69.5萬(wàn)元；現(xiàn)澆混凝土單價(jià)：400元/m3；現(xiàn)澆混凝土保護(hù)層造價(jià)：1.6萬(wàn)元；復(fù)合土工膜方案總造價(jià)：200.2萬(wàn)元。由上可知，復(fù)合土工膜方案造價(jià)略小于鋼筋混凝土面板方案。但考慮到土工膜方案一旦發(fā)生破損而未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將會(huì)造成不必要的額外損失，且修復(fù)工作難以進(jìn)行，所以本工程壩型擬定為鋼筋混凝土面板堆石壩。綜上所述，本工程設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土面板堆石壩方案。1.4泄水建筑物型式選擇隧洞一般要求布置在地質(zhì)條件好的位置，同時(shí)要求隧洞線路段且直以保障隧洞內(nèi)水流平順通暢，同時(shí)不能與其他樞紐建筑物產(chǎn)生相互影響、相互干擾。隧洞軸線的確定應(yīng)充分考慮地質(zhì)條件，盡量在地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單、巖體相對(duì)完整、巖性堅(jiān)硬和深入地下的位置，應(yīng)避免其上覆蓋層較薄的位置。同時(shí)在隧洞施工時(shí)也應(yīng)盡量避免中高透水層、以免出現(xiàn)滲水等其他的不穩(wěn)定情況。由于本工程壩址區(qū)地處華夏系及新華夏系構(gòu)造復(fù)合部位，壩址斷層裂隙發(fā)育，巖石破碎，巖層坍塌和撓曲常見。在前期準(zhǔn)備階段，在壩址區(qū)進(jìn)行了壩區(qū)巖石透水性及相對(duì)不透水層先導(dǎo)孔壓水實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得到左岸相對(duì)不透水層埋深10~24m，左岸上層透水層q值為6.7~196.7Lu，大者達(dá)到341.7Lu，屬中等嚴(yán)重透水層。由于本工程最大壩高52.5m，正常蓄水位276.5m，水位對(duì)于山體來(lái)說(shuō)相對(duì)較高，由于其相對(duì)不透水層埋深很大，地質(zhì)條件較差，因此要布置隧洞的話，隧洞要挖在相對(duì)不透水層以下，這就會(huì)延長(zhǎng)隧洞的長(zhǎng)度，同時(shí)加大開挖難度和工程量，所以不宜布置泄洪隧洞。溢洪道一般布置在河岸，分為正常溢洪道和非常溢洪道，非常溢洪道由于存在自潰的特性，因此在此不作討論亦不進(jìn)行布置。正常溢洪道的位置可以布置在攔河壩的壩肩，也可以布置在離壩體較遠(yuǎn)的適宜泄水的位置，具體位置應(yīng)按地質(zhì)資料確定。同時(shí)正常溢洪道也主要分為兩種布置形式，正槽溢洪道和側(cè)槽溢洪道，其中正槽溢洪道其過(guò)堰水流方向與下游泄槽軸線方向一致，其水力特性相對(duì)較好，受力容易分析；側(cè)槽溢洪道的特點(diǎn)是水流經(jīng)過(guò)溢流堰后要進(jìn)行90°的轉(zhuǎn)彎，再經(jīng)過(guò)泄槽下泄，由于軸線的轉(zhuǎn)折，就導(dǎo)致側(cè)槽溢洪道的受力條件較為復(fù)雜，在設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行論證分析。溢洪道由于其受到下泄水流的力，因此溢洪道的穩(wěn)定對(duì)其尤為重要，更因此溢洪道要布置在堅(jiān)硬的基巖上，如果只能布置在較差的地基上，要做好防護(hù)和襯砌，有條件的話應(yīng)該遠(yuǎn)離壩體，下泄水流對(duì)壩體的穩(wěn)定造成影響。對(duì)于堆石壩由于堆石體有著較好的受力能力，較低的彈性模量，因此將溢洪道與堆石壩體相連布置，是可行的。因此，在本設(shè)計(jì)中為滿足泄流要求，在結(jié)合了地形地質(zhì)條件后泄水建筑物采用河岸溢洪道。在河岸溢洪道的選擇中，正槽溢洪道由于其水力特性簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易布置，往往是在布置中作為首選，缺點(diǎn)是在某些地形條件下，溢洪道的開挖工程量可能會(huì)偏大。側(cè)槽溢洪道的特點(diǎn)在于由于其對(duì)過(guò)堰水流方向較為寬松，就可以將側(cè)槽溢洪道布置在離壩體較遠(yuǎn)且避免山體較陡的部位，同時(shí)由于其布置位置的靈活性，就可以更好的利用地質(zhì)條件來(lái)減少開挖工程量，可以通過(guò)控制溢流前緣寬度來(lái)控制壩頂高程等參數(shù)，其缺點(diǎn)在于受力條件復(fù)雜，如果設(shè)計(jì)不慎在工程容易產(chǎn)生高速水流從而產(chǎn)生空化空蝕等水力學(xué)問(wèn)題。通過(guò)地形地質(zhì)的