樞紐布置4.1樞紐組成翼河夾峪水利樞紐設(shè)計土石壩心墻工程正常運行，需布置以下建筑物，有引水建筑物（引水隧洞），發(fā)電建筑物（水電站），導(dǎo)流建筑物（導(dǎo)流隧洞）還有泄水建筑物（溢洪道）與放空建筑物（放空隧洞）此樞紐布置的擋水建筑物為（土石壩心墻壩）。4.2確定樞紐等別和建筑物級別根據(jù)工程建設(shè)任務(wù)和水文資料，工程下游350萬畝農(nóng)田防洪。根據(jù)洪水路徑計算，本工程洪水下最大庫容為15.14億m3，依照《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2017）各效益指標對應(yīng)的不同工程等級的最高等級，確定工程等級為Ⅰ級，工程規(guī)模大（1）型。根據(jù)工程程度和永久性水工建筑物的重要性，本工程的主要水工建筑物確定為Ⅰ級，因此，攔水壩、泄水建筑物、放空建筑物，發(fā)電建筑物和工程導(dǎo)流建筑物均為Ⅰ級。根據(jù)永久性水工建筑物洪水標準資料，本工程洪水重現(xiàn)期為一千年年，防洪重現(xiàn)期為一萬年，即設(shè)計洪水為千年一遇，防洪為萬年一遇。表4.1永久性水工建筑物級別工程等別主要建筑物次要建筑物Ⅰ13Ⅱ23Ⅲ34Ⅳ45Ⅴ55表4.3山區(qū)、丘陵區(qū)水庫工程永久性水工建筑物洪水標準項目永久性水工建筑物級別12345設(shè)計/[重現(xiàn)期(年)]1000～500500～100100～5050～3030～20校核洪水標準/[重現(xiàn)期(年)]土石壩可能最大洪水(PMF)或10000～50005000～20002000～10001000～300300～200混凝土壩、漿砌石壩5000～20002000～10001000～500500～200200～100表4.2水利水電工程分等指標工程等別工程規(guī)范水庫總庫容/108m3防洪治澇灌溉供水發(fā)電保護人口/104人保護農(nóng)田/104畝保護區(qū)當量經(jīng)濟/104人治澇面積/104畝灌溉面積/104畝供水對象重要性年引水量/108m3發(fā)電裝機容量/MWⅠ大（1）型≥10≥150≥500≥300≥200≥150特別重要≥10≥1200Ⅱ大（2）型＜10，≥1.0＜150，≥50＜500，≥100＜300，≥100＜200，≥60＜150，≥50重要＜10，≥3＜1200，≥300Ⅲ中型＜1.0，≥0.1＜50，≥20＜100，≥30＜100，≥40＜60，≥15＜50，≥5比較重要＜3，≥1＜300，≥50Ⅳ?。?）型＜0.1，≥0.01＜20，≥5＜30，≥5＜40，≥10＜15，≥3＜5，≥0.5一般＜1，≥0.3＜50，≥10Ⅴ?。?）型＜0.01，≥0.001＜5＜5＜10＜3＜0.5＜0.3＜104.3壩軸線選擇根據(jù)老師給的水庫地形圖資料，依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）的規(guī)定：1壩軸線的選擇應(yīng)根據(jù)壩區(qū)的地質(zhì)和地形條件、所選壩型、壩基處理方法、壩內(nèi)各種建筑物（特別是溢洪道）的建造和容納情況，通過多種方案的技術(shù)經(jīng)濟比較確定；2號壩軸線應(yīng)順直，當線路斷開時，曲線段應(yīng)位于轉(zhuǎn)折點，該線路不適用于8、9級地震烈度區(qū)；3如果壩址存在喀斯特，軟粘土、重大缺陷等不良地質(zhì)條件，必須盡量避免。通過對地形地質(zhì)、壩基、施工條件、經(jīng)濟性等方面的比較，預(yù)先選定了兩種方案，最終選定了最佳壩軸線。下圖是兩條壩軸線的示意圖：圖4.1兩種壩軸線方案示意圖兩種壩軸線方案比較如下表：表4.4壩軸線比選壩軸線方案一：1-1壩軸線方案二：2-2壩軸線壩型土質(zhì)心墻壩土質(zhì)心墻壩地形條件1-1水庫軸線位于冀河夾峪中部，兩岸有巖體突起，河谷較小，有利于水庫布局。2-2水庫的軸線位于冀河夾峪的第一處，右岸為突起的巖體，左岸為凹陷的巖體，增加河谷的寬度，對水庫的配置不利。地質(zhì)條件1-1壩軸線河谷地基巖石較完整堅硬，表面的風(fēng)化層較薄且兩岸得巖體穩(wěn)定2-2壩軸線區(qū)域河床地基巖石較堅硬完整，越往下游巖性越好，巖石風(fēng)化層較薄壩基處理兩岸為凸起巖體，增大壩肩的穩(wěn)定性，減少壩體填筑料和地基處理。左岸凹進，壩肩巖體單薄，增加了填筑材料和地基處理，加大工程量施工條件兩岸為凸起巖體，減少了壩體填筑和地基處理，減少了施工時間左岸凹進巖體，增加了壩體填筑和地基處理，導(dǎo)致施工時間延長樞紐布置壩軸線兩岸區(qū)域均有埡口，右岸埡口可布置引水隧洞、水電站，左岸埡口處可布置溢洪道、放空隧洞、導(dǎo)流隧洞壩軸線兩岸區(qū)域均有埡口，右岸埡口可布置引水隧洞、水電站，左岸埡口可布置溢洪道、放空隧洞、導(dǎo)流隧洞工程投資工程投資成本較小工程投資成本較大依據(jù)老師給的壩體圖和資料，對兩種方案做出了判斷和確定，方案一優(yōu)于方案二，考慮到經(jīng)濟成本與時間成本還有壩體的安全問題，固選用方案1-1作為此工程的壩軸線。4.4調(diào)洪演算、確定洪水位及溢洪道長度4.4.1確定閘孔及堰頂高程確定控制段閘孔的寬度 通常泄水建筑物有深孔，中孔、表孔式，其孔口總凈寬建議設(shè)置在40米～50米范圍。本工程采用了表孔方案來進行泄水，控制斷面溢流堰為實用堰，結(jié)合壩址附近地區(qū)地形圖。為經(jīng)濟時間成本考慮減少工程量不深挖，將溢流堰上孔口閘門改為寬淺式孔閘門。（二）堰頂高程的確定堰頂高程的確定需要設(shè)計水位減去相應(yīng)的最大堰頂水頭，最大堰頂水頭是參照堰流的基本計算公式且在最大下泄流量情況下求得。即： H=Qσ式中：Q—允許最大下泄流量，m3/s，設(shè)計工況取5800m3/s，校核工況取9000m3/s；H—堰頂水頭，m；B—初步擬定孔口總凈寬，m，取50m；m—流量系數(shù)，取0.502；g—重力加速度，9.81m/s2；σs—淹沒系數(shù)，取1；σc—側(cè)收縮系數(shù)，根據(jù)公式

計算，其中ξk為邊墩系數(shù)取0.7，ξ用迭代法計算最終確定設(shè)計堰頂高程為186.4m校核堰頂高程為180.9m。4.4.2調(diào)洪演算的計算原理及方法調(diào)洪演算主要是為了確定設(shè)計洪水和校核洪水對應(yīng)的設(shè)計洪水位和校核洪水位，以及確認不同勞情況下的下泄量是否符合防洪標準。另外，通過調(diào)洪演算計算出的下泄流量，對于選定排水建筑物的排水方式和孔口尺寸很方便。水庫的調(diào)洪演算是在水量平衡方程和動力平衡方程的條件下進行。所謂水量平衡方程式，是指在某一期間內(nèi)，從人庫的水量中減去出庫水量，相當于在該期間內(nèi)水庫增加或減少的蓄水量。水量平衡的方程式如下。 Q1+Q式中：Q1，Q2——該計算時段Δt的始、末入庫流量，m3/s；q1，q2——該計算時段Δt的始、末出庫流量，m3/s；V1，V2——該計算時段Δt的始、末水庫蓄水量，m3；Δt——計算時段，s；動力平衡方程是指泄洪建筑物的泄流能力q與水庫庫容V成函數(shù)關(guān)系，即：q=fV以上動力平衡方程式與水量平衡方程式這兩種計算方式可以進行調(diào)洪演算，用入庫的洪水流量求下泄流量過程，在此計算過程中需要用到Excel單變量求解進行迭代輔助的計算，在此次設(shè)計中用列表式算法來進行調(diào)洪演算。4.4.3確定洪水位（一）基本資料圖4.2洪水過程線圖4.3水位-庫容曲線此次翼河夾峪水利樞紐設(shè)計主要任務(wù)是防洪，其次是發(fā)電。因老師給定的資料與要求得知，在調(diào)洪演算中需籌備制定兩種方案。在設(shè)計洪水時和校核洪水時的最高水位與允許的下泄流量分別為，設(shè)計洪水時最高水位不能超過202米，允許的下泄流量為5800m3/s在校核情況下為最高水位不得超過203米，允許下泄流量為9000m3/s，由資料給出確定起調(diào)水位選正常高水位191.8米。方案一：堰頂高程取186.4m，孔口凈寬取50m方案二：堰頂高程取180.9m，孔口凈寬取50m（二）調(diào)洪演算成果表4.5調(diào)洪演算成果方案計算工況堰頂高程m溢流前緣總凈寬m最高洪水位m最大下泄流量m3/s方案一設(shè)計洪水186.450199.794736.83校核洪水186.450202.926423.80方案二設(shè)計洪水180.950196.915557.70校核洪水180.950200.267402.31根據(jù)公式和計算確定了兩種方案的堰頂高程，選定好了溢流前緣總凈寬度與最高洪水為還有最大下泄流量。由資料給出設(shè)計最高洪水位與校核最高洪水位最大不能超過202米和203米，選定出的兩種方案均未超過樞紐防洪要求，下泄流量均未超過防洪要求（設(shè)計洪水5800m3/s，校核洪水9000m3/s）。設(shè)計洪水位分別為199.79米與196.91米，校核洪水位分別為202.92米與200.26米都符合。下泄流量也均未超過樞紐防洪要求（故兩種方案均滿足樞紐防洪要求）。由于方案二的地形地貌原因，高程比方案一低，增加了工程量，時間成本和經(jīng)濟成本。綜合考慮，選擇方案一為最終調(diào)洪演算成果。調(diào)洪演算最終選定結(jié)果如表4.5。表4.6調(diào)洪演算成果匯總堰頂高程溢流前緣總凈寬設(shè)計洪水位校核洪水位最大下泄流量（m）（m）(m)(m)(m3/s)186.450199.79202.924736.83（設(shè)計）/6423.80(校核)圖4.4設(shè)計洪水調(diào)洪演算成果圖圖4.5校核洪水調(diào)洪演算成果圖4.5建筑物類型選擇及樞紐布置方案4.5.1建筑物類型選擇水庫所在的巖體和基巖幾乎都是片麻巖花崗巖。兩側(cè)的編織巖石層相對較薄。河流表面有細礫，左岸巖體表面有薄層黃土，總體上保護區(qū)巖石較堅硬，礦物含量很少，所以具有良好的保護基礎(chǔ)，可以修建混凝土壩和土石大壩（一）重力壩重力壩主要通過水庫自身的重量和水庫的摩擦阻力和水庫和地基的凝集力共同抵抗水庫前的水壓，保持水庫的防滑穩(wěn)定。重力水庫的上游是斜面的情況下，也可以利用上游的一部分水體重量來提高水庫的穩(wěn)定性。重力水壩被廣泛使用的理由是，重力水壩從水壩的屋頂流出，在工程中可以從底部和低洼水壩流出。重力壩的建設(shè)對氣候條件的要求不高，在寒冷地區(qū)重力水庫的結(jié)冰性比水庫和支柱水庫好。重力水庫形狀的斷面簡單，混凝土容易流入，機械化工程容易，工作效率提高。重力壩的建筑經(jīng)驗和設(shè)計比較豐富，同時重力壩的使用年限長，工作可靠性高，后期修理費用低。地基比土石壩高。重力壩的主要缺點：由于水庫的比體積大，需要大量的混凝土，導(dǎo)致材料的強度不能充分利用，由于重力水壩的底面積大，水壩的揚壓大，水壩的有效重量減少，對水壩的穩(wěn)定不利，重力壩的成本比土石壩要高很多。拱壩拱壩是一種殼體空間結(jié)構(gòu)，在水平拱頂?shù)纳嫌涡纬梢粋€弓形拱圈，在縱斷面上是一個以壩址為基礎(chǔ)的梁系，拱壩可視為一個由半徑和圓弧組成的體系，在垂直方向上，可分為若干垂直梁，梁的下端以壩為基礎(chǔ)支撐；在水平方向上，可分為若干弧形環(huán)。拱圈的兩端由巖石底座支撐。拱形壩上的荷載一部分通過拱的作用轉(zhuǎn)移到兩側(cè)巖體上，另一部分通過梁的作用轉(zhuǎn)移到壩基上。拱壩的優(yōu)點：拱壩是一種統(tǒng)計上不確定的結(jié)構(gòu)，具有巨大的超載能力和很強的應(yīng)力控制能力；拱壩的體積比水泥壩小，在同一高度下，拱壩的水泥體積比重力壩少1/3～2/3左右；拱壩是一個完整的空間結(jié)構(gòu)，具有良好的彈性和韌性。當壩體穩(wěn)定時，拱壩的抗震能力較高。拱壩的缺點是：拱壩對壩址和河谷地面的地質(zhì)要求較高，一般以V型谷相適應(yīng)，因此對兩岸壩巖體的穩(wěn)定性要求較高；拱體形狀復(fù)雜，施工要求高，壩段薄，對壩料的抗力和防滲要求高；拱壩的應(yīng)力受巖體變形和溫度變化的強烈影響；拱壩施工的偏斜比重力壩施工的偏斜更為復(fù)雜，必須一次截流，另開一條導(dǎo)流隧洞。土石壩土石壩是利用土、石和當?shù)鼗旌狭辖?jīng)碾壓、傾倒而成的一種維護壩，故又稱之為材料壩，其有著幾千年的筑壩傳承，是最早的壩體之一，接下來通過資料分析得到的土石壩的屬性。土石壩的主要優(yōu)點：土石壩是最古老的一種壩型，當?shù)睾芏嗤亮隙伎梢援敵山ㄖ牧希詼p少了筑壩材料的長途運輸和經(jīng)濟成本，土石壩壩體為土石顆粒結(jié)構(gòu)，對各種因素環(huán)境要求比較低。且施工起來簡單不復(fù)雜，便于聯(lián)合機械快速施工，大壩結(jié)構(gòu)相對簡單，對于建成后的擴建和維護都很便利。工期短，經(jīng)過多個大壩研究，高土石壩他的抗震性能遠遠超越混凝土壩。土石壩的缺點：壩身不能溢流，施工導(dǎo)流不如混凝土壩方便，粘性土料的填筑受氣候等條件影響較大，影響工期，壩身需定期維護，增加了運行管理費用。根據(jù)本工程壩址區(qū)域地質(zhì)地形圖，右岸較陡，左岸較平坦。該區(qū)河谷不對稱，不符合V形河谷的要求和修建弧形壩的條件；壩區(qū)基巖堅硬，巖性好，適合重力壩施工。但由于混凝土單價高，基礎(chǔ)處理要求比土石壩高，重力壩的建設(shè)不是一個好的選擇；壩區(qū)附近重料場、碎石料場較多，庫容較大。各料場土質(zhì)平坦開闊，開采運輸條件好，降低了土料運輸成本，土石壩的修建有利于節(jié)約工程造價，土石壩具有相當?shù)膬?yōu)越性，因此最終確定本工程的水利結(jié)構(gòu)為土石壩。4.5.2其他建筑物類型選擇水電站由老師給定的材料得出，因翼河夾峪水利樞紐壩址地形地貌原因不宜設(shè)置成壩式水電站，此次設(shè)計水電站類型布置為引水式水電站，并選用引水隧洞式引水建筑物。泄水建筑物因水庫的地形地貌原因，其左岸有天然的埡口，適合修建泄水建筑物，故本樞紐工程采用岸邊式溢洪道；水庫放空建筑物選用有壓式隧洞，導(dǎo)流建筑物采用隧洞導(dǎo)流：為了省區(qū)時間成本和經(jīng)濟成本可以減少隧洞的開挖量并且，可以考慮與導(dǎo)流隧洞結(jié)合使用。（二）水電站因為土石壩不宜布置為壩式水電站，故本設(shè)計中采用引水式水電站。引水建筑物選用引水隧洞。4.6最優(yōu)樞紐布置方案的選定4.6.1樞紐布置方案翼河夾峪水利樞紐土石壩心墻設(shè)計中，主要的建筑物有七種，其中包涵設(shè)置在左岸右岸的土石壩（擋水建筑物）電站廠房（水電建筑物）因水庫的地址原因