面板堆石坝解析.docx
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面板堆石坝解析
摘要
本毕业设计题目为《黑河钢筋混凝土面板堆石坝枢纽设计》,题目来源于黑河水利水利枢纽工程实际。
设计的目的及意义主要在于巩固、扩大和提高所学水利水电理论知识,使其得到实际运用,并使之系统化,锻炼和培养运用所学专业基础理论知识解决工程实际,并进行设计、计算、制图的能力,提高撰写专业技术报告的水平。
设计的主要内容有:
坝址、坝型选择和枢纽布置,调洪计算,面板堆石坝设计,泄水建筑物设计,构造设计,地基处理等。
此外还进行了混凝土面板堆石坝的断面设计以及材料分区、面板、趾板、止水构造、面板分缝等设计。
设计过程中,采用的主要方法有关于调洪计算的半图解法、渗流计算的水力学法以及相关规范、手册所推荐的方法。
具体设计详见设计说明书,另外除了设计说明书外,还有反映本次设计成果的9张图纸,以及设计过程中攥写的开题报告、文献综述、外文翻译报告各一份。
关键词:
混凝土面板堆石坝,调洪计算,面板,趾板,枢纽布置
ABSTRACT
Thisgraduationprojecttopicis"HeiheReinforcedconcreteKneadingboardRock-filldamKeypositionDesign",thetopicoriginatesfromHeihewaterconservationhydro-junctionprojectreality.Thedesigngoalandthesignificancemainlylieinconsolidated,theexpansionandtheenhancementstudythewaterconservationwaterandelectricitytheoryknowledge,enableittoobtaintheactualutilization,andcausesitsystematization,theexerciseandtheraiseutilizationstudiesthespecializedbasictheoryknowledgesolutionprojectreality,andcarriesonthedesign,thecomputation,chartingability,enhancesthecompositionspecializedfitnessreportthelevel.
Thedesignprimarycoverageincludes:
Thedamsite,thedamchoiceandthekeypositionarrangement,adjustHongtocalculate,kneadingboardrock-filldamdesign,drainagebuildingdesign,structuredesign,groundprocessingandsoon.Inadditionhasalsocarriedontheconcretekneadingboardrock-filldamcrosssectiondesignaswellasthematerialdistrict,thekneadingboard,thetoeboard,stopswaterstructure,designsandsoonkneadingboardminuteseam.Inthedesignprocess,usesthemethodwhichthemainmethodhasaboutadjustswhichHongtocalculatethesemigraphicalmethod,thetransfusioncomputationwaterpowerresearchmethodaswellasthecorrelationstandard,thehandbookrecommends.
Theconcretedesignfordetailsseesthedesigninstructionbooklet,moreoverbesidesdesigninstructionbooklet,butalsohasreflectedthisdesignachievement9blueprints,aswellasinthedesignprocessgripwriteopenthetopictoreport,theliteraturesummarizes,theforeignlanguagetranslationreportseachone.
Keyword:
Theconcretekneadingboardrock-filldam,adjustsHongtocalculate,kneadingboard,toeboard,keypositionarrangement
摘要1
ABSTRACT2
1工程概述3
1.1工程概况3
1.2工程特性表3
2水文气象5
2.1流域水文概况5
2.2洪水分析计算5
2.3气象8
2.4泥沙…………………….………………………………………………9
2.5坝址下游水位流量关系及库容曲线………..………………………9
3兴利调节和调洪计算……………………………….………………………11
3.1死库容确定…………………………………..………………………11
3.2起调水位的分析与选择.………………………………………………11
3.3调洪计算………………………………………….…………………11
4工程地质17
4.1区域地质概况17
4.2库区工程地质条件17
4.3坝址工程地质条件……………………………………………………18
4.4大坝基础工程地质条件………………………………………………19
5枢纽布置21
5.1坝址选择21
5.2坝轴线选择22
5.3坝型选择24
5.4枢纽布置…………………………………………………………….…25
6建筑物设计26
6.1坝体设计26
6.2溢洪洞设计28
6.3泄洪洞设计34
7构造设计45
7.1坝顶结构及坝坡40
7.2坝面排水40
7.3混凝土面板设计41
7.4趾板42
7.5分缝和止水设计42
7.6渗流计算43
8地基处理46
8.1趾板区基础开挖及处理46
8.2堆石体坝基处理46
8.3地质缺陷处理46
8.4基础固结灌浆与帷幕灌浆46
9总结与讨论48
9.1未设底孔问题48
9.2未设置坝体排水48
9.3环境评价49
10致谢50
参考文献51
1工程概述
1.1工程概况
黑河水利枢纽工程位于西安市周至县马召镇黑河干流秦岭峪口处,北距周至县城约12km,黑河金盆水利枢纽是西安市黑河引水工程的重要水源工程,是一项以西安城市供水为主,兼顾灌溉,结合发电、防洪等综合利用的大型水源工程。
1.2工程特性表
黑河水利枢纽的工程特性列与表1-1
表1-1黑河水利枢纽工程特性表
名称
单位
数量或特性
水文泥沙
坝址控制流域面积
km2
1481
多年平均流量
亿m3
6.67
设计洪峰流量
m3
5100
校核洪峰流量
m3
8000
最大洪峰流量
m3
9100
工程等别
Ⅱ等大
(2)
主要建筑物级别
1级
水库
正常蓄水位
m
594
设计洪水位
m
593.7
校核洪水位
m
598.1
死水位
m
520
总库容
亿m3
2.1
调节库容
亿m3
0.39
大坝
坝形
混凝土面板堆石坝
地震基本烈度
Ⅷ度
坝顶高程
m
598.34
坝顶轴线长
m
441
最大坝高
m
128.34
坝顶宽度
m
12
续表1-1
溢洪洞
堰顶高程
m
580
孔口尺寸
14m×16m
设计洪水位下泄流量
m3/s
1414
校核洪水位下泄流量
m3/s
2148
消能方式
挑流消能
进水口形式
表孔溢流堰进水口
洞长
m
606.48
泄洪洞
进口底板高程
540
孔口尺寸
10m×10m
设计洪水位下泄流量
m3/s
2691
校核洪水位下泄流量
m3/s
2805
消能方式
挑流消能
进水口形式
塔式
洞长
m
673.482
2.水文气象
2.1流域水文概况
黑河为渭河南岸较大支流,位于东经10773~10824,北纬3342~3413之间,属于黄河二级支流,发源于秦岭太白山北麓,由西南流向东北,至周至县马召镇附近出峪,向东北汇入渭河,流域面积2258km2,干流总长125.8km,河道平均比降8.77。
流域最高为太白山主峰,海拔3767m,流域分水岭平均高程海拔为2400m。
黑河流域为扇状,东西最大宽度约60km,主要支流有陈家河、大蟒河、清水河、太平河、板房子河、虎豹河、王家河等(支流多汇集于右岸,右岸支流集水面积约为左岸的3倍),陈家河以下黑河干流较为顺直,无较大支流汇入,流域平均宽度约6km。
峪口以上干流长91.2km,控制流域面积1481km2,约占全流域面积的65%,干流经高山深谷,河床比降大,约为147‰峪口以上为秦岭林区,流域内植被良好,森林覆盖率为46.5%,含沙量小,水质无污染,符合国家饮用标准。
黑峪口水文站实测径流资料较长,但解放前有4年21个月资料缺失。
由于黑河径流主要是由降雨形成,降雨径流对应较好,因此采用降雨资料相关插补。
黑河径流主要由降雨形成,据43年的实测资料统计,实测年最大径流量12.2亿m3,最小年径流量量3.04亿m3,多年平均径流量6.67亿m3,径流年内分配不均匀,7~9月的径流量占全年径流量的50.2%,实测最大流量3040m3/s,最小流量1.0m3/s,多年平均流量21.0m3/s。
2.2洪水分析计算
(1)洪峰流量
黑河流域洪水主要由暴雨形成,洪水最早出现在4~5月,但一般洪峰较小。
年最大洪水出现在7~8月。
10月亦有洪水发生。
黑屿口水文站43年实测资料中,最大洪峰流量为Q=3040m3/s(发生于1980年7月2日),相当于50年一遇洪水,再加上历史调查洪水,经过频率分析得到洪水特征参数及各种频率得计算值见表2-1。
表2-1洪峰流量统计参数及频率值单位:
m3/s
统计参数
频率P%
Q0
CV
CS/CV
0.01
0.02
0.1
0.2
0.5
1
2
5
820
0.85
3.5
8000
7400
5800
5100
4300
3600
3000
2200
(2)洪水总量
洪量设计采用24小时及72小时作为设计阶段。
另外采用1940~1953年1日及3日洪量插补出相应年份的24小时,72小时洪量,使洪量资料延长至42年。
统计参数及频率计算见表2-2。
表2-2洪水统计参数及频率值单位:
亿m3
项目
统计参数
频率P%
W0
CV
CS/CV
0.01
0.1
0.2
0.5
1
2
W24
0.46
0.65
3.0
2.881
2.206
2.003
1.734
1.53
1.326
W72
0.802
0.55
2.5
3.807
3.034
2.808
2.481
2.238
1.991
(3)分期设计洪水
分期设计洪水按不跨期原则选取年最大值法。
根据洪水季节变化规律及施工期防洪需要分别计算枯水期11~3月,春汛及夏枯4~6月以及10月三个时段的洪水量值。
详见表2-3。
(4)可能最大洪水估算
设计暴雨采用典型暴雨水汽与效率放大求得。
典型暴雨选取1980年7月2日与1981年8月21日两场(相应为实测最大洪水及次大洪水的暴雨)。
可能最大暴雨及频率计算值见表2-4。
由可能最大暴雨,经产汇流计算求得最大可能洪水及洪水总量:
PMFQ=9100m3/s
72小时洪水总量W72=4.37亿m3
24小时洪水总量W24=3.62亿m3。
表2-3分期洪水计算成果表单位:
m3/s
分期
时段
统计参数
频率P%
Q0
CV
CS/CV
0.5
1
2
3.3
5
10
4~6月
235
0.96
Cs/Cv
0.5
1
2
3.3
5
10
10月
160
1.20
2.5
1270
1090
917
840
690
520
11月~次年3月
40
1.15
2.5
1110
940
765
690
540
390
表2-4可能最大暴雨及频率计算值雨量单位:
mm
项目
可能最大
频率计算法
“80.7典型
均值
CV
CS/CV
0.01
0.1
H24
295
57
0.47
3.5
256
202
H12
235
43
0.49
3.5
203
159
(5)洪水过程线
选择1980年7月2日洪水过程线作为放大典型,采用分时段同频率控制放大法,绘制处K~t关系曲线,放大过程及结果见图2-1。
图2-1洪水过程线
2.3气象
黑河流域于1938年10月在黑峪口设立水文站,基本断面位于峪口黑惠渠首上游800m处,即黑峪口
(二)站,1939年内下移500m,又恢复至
(二)断面,1966年下移100m,即黑峪口(三)断面,观测至今。
黑河水库水文站基本断面位于黑惠渠首上游700m处。
累计观测资料47年。
黑河流域先后设有13个雨量站,系列长短不一,早在1940年黑峪口水文站就有雨量观测资料,1953年设立板房子雨量站,1954年设立王涧雨量站,1955年设立金井、老水磨、庙哑子等雨量站,另外1960年设立双庙气象站,观测降雨、气温、湿度等项目。
黑河流域属于暖温带半干旱、半湿润大陆性气候,山川气温相差较大,山区气温较低,据双庙气象站资料统计,多年平均气温6.4℃,最低气温19℃最高气温29.7℃。
出山口后平川地区气温较高,据周至县气象站资料统计,年平均气温13.2℃。
最低气温-18.1℃,最高气温42.4℃。
多年平均最大风速20m/s,主风向为WNW,最大冻土深度24cm。
流域内降雨南多北少,山区年降雨900mm以上,黑峪口水文站多年平均降雨量841.3mm,周至县年平均降雨为670mm,为黑峪口降雨的80.2%。
多年平均径流深472.8mm。
降水年内分布很不均匀,据统计多年平均7~10月四个月内降水为全年降雨量的60%。
实测月最大降雨为342.9mm(1981年8月)。
由黑峪口水文站水文资料,多年平均水温11.3℃,最高水温36℃,最低水温为℃。
由32年蒸发资料统计,蒸发皿多年蒸发量1100.5mm,折算水面蒸发强度825.4mm。
黑河流域属于暖温带半干旱、半湿润大陆性气候,山川气温相差较大,山区气温较低,据双庙气象站资料统计,多年平均气温6.4℃,最低气温-19℃最高气温29.7℃。
出山口后平川地区气温较高,据周至县气象站资料统计,年平均气温13.2℃。
最低气温-18.1℃,最高气温42.4℃。
多年平均最大风速20m/s,主风向为WNW,最大冻土深度24cm。
流域内降雨南多北少,山区年降雨900mm以上,黑峪口水文站多年平均降雨量841.3mm,周至县年平均降雨为670mm,为黑峪口降雨的80.2%。
多年平均径流深472.8mm。
降水年内分布很不均匀,据统计多年平均7~10月四个月内降水为全年降雨量的60%。
实测月最大降雨为342.9mm(1981年8月)。
由黑峪口水文站水文资料,多年平均水温11.3℃,最高水温36℃,最低水温为℃。
由32年蒸发资料统计,蒸发皿多年蒸发量1100.5mm,折算水面蒸发强度825.4mm。
2.4泥沙
黑河流域植被良好,河水清澈,河流悬移质的含量较小,泥沙主要为推移质。
据黑屿口水文站1956~1983年实测悬移质泥沙资料统计,多年平均输沙量30.62万t,每年平均含沙量0.387kg/m2,实测年最大输沙量151万t,年最小输沙量0.75万t,泥沙的年际变化较大,年内分布不均,主要集中在汛期的大洪水中。
悬移质泥沙的测验符合水文测验规范。
黑河多年平均输沙量39.78万t,其中推移质9.81万t。
推移质及悬移质年输沙量28.8万m3。
2.5坝址下游水位流量关系及库容曲线
(1)坝址下游水位流量关系曲线
水位流量关系采用黑峪口水文(三)断面1966~1983年共十八年实测的水位流量资料及1980年洪水(3040m3/s)、1981年洪水(2530m3/s)及1983年洪水(1510m3/s)时的过水断面面积、最大水深、水面比降及糙率等资料。
断面糙率n=0.035
水面比降J=39.5‰0
断面水深h=6.2m
断面流速V=7.4m/s
黑河水文(三)断面水位流量关系曲线见图2-2。
黑河泄洪建筑物出口距水文(三)断面距离分别为180~300m,而此段河流平顺,过水断面变化不大,因此水文(三)断面的水深按39.5‰0的水面比降上抬1m即代表泄洪建筑物处的水位流量关系。
图2-2下游河道水位~流量关系曲线
(2)库容曲线
黑河水库水位—库容曲线见图2-3。
图2-3黑河水库~库容曲线
3兴利调节和调洪计算
3.1死库容确定
死库容的确定考虑城市暗渠引水高程要求为510.0m,又考虑水库淤积的要求,取死水位为520.0m。
3.2起调水位的分析与选择
在不影响水库正常正常供水,不增加坝高的前提下,使用部分有效库容滞洪并给泄水建筑物争取一段开闸准备时间,需设汛限水位,并作为调洪验算的起调水位。
此水位的选择应兼顾水库防洪与兴利的结合问题。
确定防洪限制水位591m,水库正常蓄水位为594m,死库容520m,兴利库容1.73亿m3,重叠库容0.13亿m3。
3.3调洪计算
3.3.1调洪计算的目的:
无论在水库的规划阶段还是在已建水库的管理运用阶段,水库的调洪计算总是必须的。
不过,由于不同阶或同一阶段所遇到的具体情况不同,其计算目的是不同的.水库在规划阶段,往往是根据水库的设计洪水,拟订若个泄洪措施方案,通过调洪计算,分别求出下泄洪水过程、防洪特征库容、特征水位、坝顶高程以及投资、效益等,然后在通过综比较,选择技术上可行且经济合理的水库、泄洪建筑物及下游防洪工程的规模和有关参数;而在水库的运用管理阶段,库容和泄洪建筑物的尺寸是定值,这时的调洪计算是根据某种频率的入库洪水或预报的入库洪水,在不同防洪限制水位时,求出水库的洪水位与最大下泄流量Qmax,为编制防洪调度规程、制订防洪措施提供科学依据,既要尽可能满足下游防洪要求,又要保证水工建筑物的安全。
3.3.2调洪计算的原理
根据水库的水量平衡原理和水库的蓄池关系组成方程组
(3.1)
(3.2)
用已知(设计或预报)的入库洪水过程线Q~t,由起调水位开始,逐时段连续求解方程组,从而求得水库出流过程q~t,这就是调洪演算的基本原理。
这里采用双辅助曲线半图解法,
(3.3)
将改写成式(3-3)改写成
(3.4)
式中、
、
、(
)和(
)均可与水库水位Z建立函数关系,因此,可根据选定的计算时段
值、已知的水库水位容积关系曲线,以及根据水力学公式算出的水位下泄流量关系曲线,事先计算并绘出曲线组:
、
、
其中
即是水位下泄流量关系曲线,其余两条是半图解法所必需的两根辅助线,黑河水位~库容曲线见图3-1。
图3-1黑河水库~库容曲线
3.3.3调洪计算的方案
根据坝址地址条件,为减少开挖量,泄洪建筑物选用水工隧洞的形式。
考虑城市供水建筑物需要布置于右岸且城市暗渠引水高程要求为510m,故右岸不宜设进口高程较低的泄洪洞。
为此在右岸设一进口高的溢洪洞,在左岸设进口较低的泄洪洞。
考虑施工技术、运行等条件,隧洞尺寸不宜过大,具体设计如下。
左岸单薄分水岭上布设泄洪洞,进口高程540m,孔口尺寸10×10m。
右岸布设溢洪洞,堰顶高程580m,孔口尺寸14×16m。
其中,右岸溢洪洞进口为WES型实用堰,计算堰流流量系数n=0.467~0.476,设计选用0.45;左岸泄洪洞,计算进口压力短管孔流流量系数μ=0.885~0.89,设计选用0.85。
泄流公式如下:
溢洪洞:
泄洪洞:
式中:
B——溢流堰顶宽度(m);
W——工作门孔口面积(m2);H溢
H——孔口底以上水头;
h——孔口高度。
调洪过程:
起调水位选为防洪限制水位591m,来洪量=下泄量之前,由闸门控制,先打开泄洪洞闸门,再打开溢洪洞闸门,使来多少泄多少水位保持在591m。
在来洪量>下泄量后,闸门全开,作为无闸门情况对待,水库水位逐渐上升到最高水位,随之水库水位回落,当水位降至591m时,由闸门控制,使水位保持在591m。
对设计洪水情况,当下泄洪水流量>5100m3/s时,利用调洪库容滞洪,保护下游安全;对校核洪水情况,则重点在保坝,保持闸门全开,不考虑下游安全泄量。
调洪计算表见表3-1、3-2、3-3、和3-5,计算图见图3-2。
表3-1流量单位:
m3/s
水库水位(m)
590
591
592
593
594
595
596
597
598
599
600
库容
17000
17660
18320
18980
19640
20300
20960
21560
22160
22820
23500
H溢(m)
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
H泄(m)
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
q溢
882
1018
1159
1307
1461
1620
1785
1955
2130
2310
2495
q泄
2592
2619
2646
2673
2699
2725
2751
2777
2802
2827
2852
Q总
3474
3637
3805
3980
4160
4345
4536
4732
4932
5137
5347
表3-2
曲线(V/Δt-q/2)=f1(Z)和(V/Δt+q/2)=f2(Z)的计算
库水位Z(m)
库容V(万m3)
下泄流量(m3/s)
q/2(m3/s)
V/Δt(m3/s)
V/Δt-q/2(m3/s)
V/Δt+q/2(m3/s)
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