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1、江水利枢纽工程设计【摘要】本设计以O江流域的水文、地形、地质为基础，通过调洪演算确定了坝型及枢纽布置、大坝设计、泄水建筑物设计和施工组织设计等方面进行简略的计算。在设计中对经济、技术及安全等方面进行了详细分析与比较，拟定相应的斜心墙土石坝设计方案。【关键词土石坝设计，洪水演算，枢纽布置，土料设计，渗流计算，稳定验算，泄水建筑物，施工组织设计。ABSTRACTBaseonthedataofO-riverhydraulicproject,1designedthedamtotally,includingthelayoutofengineering,thedesignofdischargeconstr
2、uctionbystorageroutingwhichfixedonthecharacteristicstageofthereservoir.Theprogresssoftheconstructionwasplanned.thefactorsofeconomic,technologyandsafetyareconsideredinthedesign.Theoptimumplanwasfinallyselected.KEY-WORDS：earthandrockdam,damsiteselection,choiceofdamtype,soildesign,filtrationrouting,sta
3、bilityanalysis,dischargeconstruction,constructionplanning.本设计以0江流域的水文、地形、地质资料为基础，通过调洪演算确定了水库的特征水位，进行了枢纽布置；对大坝、泄水建筑物进行了比较详细的设计。通过编制施工组织计划，确定了枢纽工程各主体部分的进度。设计中考虑了经济、技术及安全等方面的因素，并对各部分可行的方案进行了比较，确定了最优方案。前言02第一章设计基本资料03第二章工程等级及建筑级别11第三章洪水调节计算12第四章坝型选择及枢纽布置14第五章大坝设计16第六章泄洪建筑物设计31第七章施工组织设计38参考书目43总结44前根据教学大
4、纲要求，学生在毕业前必须完成毕业设计。毕业设计是大学学习的重要环节，对培养工程技术人员独立承担专业工程技术任务重要。通过毕业设计可以进一步培养和训练我们分析和解工程实际问题及科学研究的能力。通过毕业设计，我们能够系统巩固并综合运用基本理论和专业知识，熟悉和掌握有关的资料、规范、手册及图表，培养我们综合运用上述知识独立分析和解决工程设计问题的能力,培养我们对土石坝设计计算的基本技能，同时了解国内外该行业的发展水平。这次我的设计任务是。江土石坝，本设计采用斜心墙坝。该土石坝斜心墙坝设计大致分为：洪水调节计算、坝型选择与枢纽布置、大坝设计、泄水建筑物的选择与设计等部分。在本次设计中，涂老师、同学给了
5、我悉心的指导、热心的帮助，在此，我真诚地感谢你们的帮助与关怀。第一章设计基本资料一、枢纽任务本工程同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合作用。1. 发电本电站装机3台0.8万千瓦机组，共装机2.4万千瓦。正常蓄水位2818.9米，死水位2796.0米。3台机满载时的流量为44.1m3s,尾水位2752.2米。厂房型式为引水式，厂房平面尺寸为32X13米，发电机层高程2760米，尾水管底高程2748米，厂房顶高程2772米。付厂房平面尺寸为32X6米。安装场尺寸为米,开关站尺寸为30X20米。2. 灌溉增加保灌面积1.5万亩。3. 防洪可减轻洪水对下游两岸的威胁，在遇1()()年一遇洪水时，经水库
6、调洪后，洪峰流量由原来1680s消减为548s,要求设计洪水时最大下泄流量限制为900,s。4. 渔业正常蓄水位时，水库面积为15.6平方公里，为发展养殖创造了有利条件。5. 过木要求布置过木筏道。6. 其它引水涵洞进口高程2789.0m,出口底高程2752.3m,直径4.0m,压力钢管直径2.3m,调压井直径12.0m,放空洞洞径2.5m,能放空至水位2770.0m。二、设计要求在明确设计任务及对原始资料进行综合分析的基础上，要求：1 .根据防洪要求，对可能的方案进行洪水调节计算，确定坝顶高程及溢洪尺寸。2 .通过分析，对可能的方案进行比较，确定枢纽组成建筑物的形式、轮廓尺寸及水利枢纽布置方
7、案。3 .详细做出大坝设计，通过比较，确定坝的基本剖面与轮廓尺寸，拟定地基处理方案与坝身构造，进行水力、静力计算。4 .进行大坝设计，选择建筑物的型式与轮廓尺寸，确定布置方案，拟定细部构造,进行水力、静力计算。5 .决定枢纽的施工导流方案，安排施工的控制性进度。关于水利枢纽的布置：进行水利枢纽布置设计，设计应至少有23个方案比较，方案中应包括施工方案的考虑，并整理成设计计算书和说明书，绘制枢纽总体布置图1:1000。关于建筑物设计：建筑物设计可选择水电站建筑物或水工建筑物。水电站建筑物以厂房和引水系统等为主。水工建筑物以挡水建筑物和泄水建筑物为主。对于水工建筑物设计内容主要有：确定建筑物的剖面
8、形状及尺寸；坝体的应力分析或渗流计算；坝体稳定设计和地基处理；泄水建筑物的过水能力分析；泄水建筑物的消能防冲设计；建筑物的主要构件的结构设计；建筑物的构造设计；设计、计算时，必须以规范为依据，所有计算分析要整理成设计计算书和说明书，并绘制结构平面图、剖面图、上下游立面图（1：200）和细部详图（1：50）关于施工组织设计：初步拟定施工导流方案、截流渡汛方案、工程分期、主要水工建筑物的施工程序、施工方法和控制性进度，并将计算分析整理成设计计算书和说明书及绘制施工总体平面布置图。三、0江水利枢纽设计资料说明流域概况O江位于我国西南地区，流向自东向西北，全长约122公里，流域面积2558平方公里，在
9、坝址以上流域面积为780平方公里。本流域大部分为山岭地带，山脉、盆地相互交错于其间，地形变化剧烈，流域内支流很多，但多为小的山区河流，地表大部分为松软沙岩、页岩、玄武岩及石灰岩的风化层，汛期河流含沙量较大，冲积层较厚，两岸有崩塌现象。本流域内因山脉连绵，交通不便，故居民较少，全区农田面积仅占总面积的20%,林木面积约占全区的30%,其种类有松、杉等。其余为荒山及草皮覆盖。气候特性（1）气温：年平均气温约为12.8C,最高气温为30.5C,发生在7月份，最低气温5.3,发生在1月份。月平均气温统计表（C）表1月份123456789101112平均气温4.88.311.214.816.318.01
10、8.818.316.012.48.65.912.8平均温度日数表2Jnn12345678910111230000000000000(2)湿度：本区域气候特征是冬干夏湿，每年11月至次年四月特别干燥，其相对湿度在51%73%之间，夏季因降雨日数较多，相对湿度随之增大，一般变化范围为67%86%o(3)降水量：最大年降水量可达1213毫米，最小为617毫米，多年平均降水量为905毫米。各月降雨日数统计表表3日月1234567891011125mm2.62.24.34.27.08.611.58.59.69.54.84.35-IOmm0.30.20.21.42.02.42.72.72.62.40.80
11、.11030mm().10.10.70.52.34.64.93.S2.21.30.60.1(4)风力及风向：一般14月风力较大，实测最大风速为15米/秒，风向为西北偏西，水库吹程为12公里。(三)水文特性O江径流的主要来源为降水，在此山区流域内无湖泊调节径流。根据短期水文气象资料研究，一般是每年五月底至六月初河水开始上涨，汛期开始，至十月以后洪水下降,则枯水期开始，直至次年五月。江洪水形状陡涨猛落，峰高而瘦，具有山区河流的特性，实测最大流量为700秒m/S,而最小流量为0.5m3/$。多年平均流量17s经频率分析，求得不同频率的洪峰流量见下表。频率0.0512510流量（mys）2320168
12、0142011801040各月不同频率洪峰流量：（7s）表41234567891011121%4619121960012401550121067039028372%3617111553011201360109060031023335%2314911420850HOO830480250162810%1911793707609807204102101523固体径流：O江为山区性河流，含沙量大小均随降水强度及降水量的大小而变化，平均含沙量达0.5公斤/立米。枯水期极小，河水清澈见底，初步估算30年后坝前淤积高程为2765米。（四）工程地质（1）水库地质：库区内出露的地层有石灰岩、玄武岩、火山角砾岩与
13、凝灰岩等。经地质勘探认为库区渗漏问题不大，但水库蓄水后，两岸的坡积与残积等物质的坍岸是不可避免的，经过勘测，估计可能塌方量约为300万立米，在考虑水库淤积问题时可作为参考。（2）坝址地质：坝址位于。江中游地段的峡谷地带，河床比较平缓，坡降不太大,两岸高山耸立，构成高山深谷的地貌特征。坝址区地层以玄武岩为主，间有少量火山角砾岩和凝灰岩穿构，对其岩性分述如下:玄武岩：一般为深灰色、灰色、有含泥量气孔，为绿泥石、石英等充填，成为杏仁状构造，并间或有方解石石脉，石英脉等穿其中，这些小脉都是后来沿裂隙充填进来的。坚硬玄武岩应为不透水层，但因节理裂缝较发育，透水性也会随之增加，其矿物成份为普通辉石、检长石
14、、副成分为绿泥石、石英、方解石等。由于玄武岩成分不甚一致，风化程度不同，力学性质亦异，可分为坚硬玄武岩、多孔玄武岩，破碎玄武岩、软弱玄武岩、半风化玄武岩和全风化玄武岩。其物理力学性质见下表。坝基岩石物理力学性质试验表表5岩石名称比重A容重丫(KNm3)采用抗压强度（MPa）半风化玄武岩3.0129.650破碎玄武岩2.9529.250-60火山角砾岩2.9028.735-120软弱玄武岩2.8527.010-20坚硬玄武岩2.9629.2100-160多气孔玄武岩2.8527.870-180全风化玄武岩物理力学性质试验表表6天然含水率W%干容重YKN/比重液限Wl塑限Wf塑性指数Wn压缩系数Q
15、浸水固结块剪力0-0.5cm3KN3-4cm3KN内摩擦角凝聚力KPa2.516.32.9747.332.2616.90.05970.015128.3824.0渗透性：经试验得出发值为4.147.36米/昼夜。火山角砾岩：角砾为玄武岩，棱角往往不明显，直径为215厘米，胶结物仍为玄武岩质，胶结紧密者抗压强度与坚硬玄武岩无异，其胶结程度较差者极限抗压强度低至350kgcm2o凝灰岩：成土状或页片状，岩性软弱，与砂质粘土近似，风化后成为粘土碎屑的混合物，遇水崩解，透水性很小。河床冲积层：主要为卵砾石类土,砂质粘土与砂层均甚少，且多呈透镜体状，并有大漂石渗杂其中，卵砾石成分以玄武岩为主，石灰岩和砂岩
16、占极少数，沿河谷内分布。坝基部分冲积层厚度最大为32米，一般为20米左右。靠岸边最少为几米。颗粒组成以卵砾石为主，砂粒和细小颗粒为数很少。卵石最小直径一般为10100毫米；砾石直径一般为210毫米；砂粒直径0.050.2毫米；细小颗粒小于0.1毫米。冲积层剪力试验成果表表7土壤名称容重（控含水量三轴剪力（块剪）应变控制浸水固结快剪目计算值制）KNZm3（控制）内摩擦角凝聚力KPa内摩擦角凝聚力KPa含中量细粒的砾石次数17128822最大值24.38.664715，37.0325410.5最小值22.24.27353012.01755,0平均值23.086.47403418.225255.3小
17、值平均值3732,0.148备注三轴剪力土样控制系筛去大于4颗粒后制备的。试验时土样的容重为控制容重。应变控制土样的容重系筛去大于0.1后制备的。以上两种试验的土样系扰动的。冲积层的渗透性能：经抽水试验后得渗透系数K值为0.03cms-0.01Cm/S。坡积层：在水库区及坝址区山麓地带均可见到，为经短距离搬运沉积后，形成粘土与碎石的混合物质。（3）地质构造坝址附近无大的断层，但两岸露出的岩石、节理特别发育，可以分为两组，一组走向与岩层走向几乎一致，即北东方向，倾向西北；另一组的走向与岩层倾向大致相同，倾角一般都较大，近于垂直，裂隙清晰，且为钙质泥质物所充填，节理间距密者0.5米即有一条，疏者3
18、-5米即有一条，所以沿岸常见有岩块崩落的现象。上述节理主要在砂岩、泥灰岩与玄武岩之类的岩石内产生。（4）水文地质条件本区地形高差大，表流占去大半，缺乏强烈透水层，故地下水不甚丰富，对工程比较有利。根据压水试验资料，玄武岩中透水性不同，裂隙少且坚硬完整的玄武岩为不透水层，其压水试验的单位吸水量小于O.Olkg/min。夹于玄武岩中的凝灰岩，以及裂隙甚少的火山角砾岩都为良好的不透水性岩层，正因为这些隔水的与透水的玄武岩存在逐使玄武岩区产生许多互不连贯的地下水，一般砂岩也是细粒至微粒结构，除因构造节理裂隙较发育，上部裂隙水较多外，深处岩层因隔水层的层次多，难于形成泉水，石灰岩地区外围岩石多为不透水层
19、，渗透问题也不存在。（5）本地区地震烈度定为7度，基岩与碎之间磨擦系数取0.65。五、建筑材料(1)料场的位置和储量见坝区地形图，由于河谷内地形平坦，采运尚方便。沙砾料料场坝址上下游各有四个，总量达1850万方。粘性土料上游有三个料场,下游二个料场，总量190万方。料场距坝址2km左右。石料(坚硬玄武岩)总储量450万方。石料距坝址较进，开采条件较好。(2)物理力学性质土料：见下表8。砂砾石：(a)颗粒级配表8300-100100-6060-2020-2.52.5-1.21.2-0.60.6-0.30.3-0.1510特别重要的城市、工矿区50015075二大（2）型101重要城市、工矿IX5
20、00-100150-5075-25三中型1-0.1中等城市、工矿区100-3050525-2.5四小（1）型0.10.01一般城市、工矿区305-0.52.50.05五小（2）型0.01-0.0010.50.05水工建筑物在SDJ12T978第五条规定，该类大（2）型的主要水工建筑物为2级,次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。水工建筑物级别的划分工程等别永久性建筑物的级别临时性建筑物的级别主要建筑物次要建筑物123二234三345四455五555永久性水工建筑物的洪水标准：永久性挡水建筑物和泄水建筑物正常洪水（设计时）的重现期为1OO年，非常运用洪水（校核时）的重现期为2OOO年；水电站厂房正
21、常与非正常运用洪水标准分别为50年和500年；临时性水工建筑物采用洪水标准为2030年。永久性挡水和泄水建筑物正常运用洪水期标准建筑物级别12345洪水重现期（年）500100503020永久性挡水和泄水建筑物正常运用洪水期标准不同坝型的枢纽工程建筑物的级别12345土坝、堆石坝、干砌石坝10000或可能最大洪水20001000500200混凝土坝、浆砌石坝50001000500200100第三章洪水调节计算一.设计洪水与校核洪水本河流属典型山区河流，洪水暴涨暴落，设计洪峰流量取100年一遇.即。设=1680加3s,（p=l%）,校核洪峰流量取2000年一遇.即。校二232（3s,（p=0.0
22、5%）o采用以洪峰控制的同倍比放大法对典型洪水进行放大，得设计洪水与校核洪水过程线。如下图所示二.调洪演算与方案选择1 .泄洪方式及水库运用方式本枢纽拦河大坝初定为土石坝，需另设坝外泄水建筑物。由于坝址两岸山坡陡峻，如采取开敞溢洪道的方案，可能造成开挖量太大而不经济，因而采用隧洞泄洪，并考虑与施工导流结合。水库运用方式：洪水来临时用闸门控制下泄流量等于来流量，水库保持汛前限制水位不变，当来水流量继续加大，则闸门全开，下泄流量随水位的升高而加大，流态为自由泄流。2 .防洪限制水位的选择防洪限制水位取与正常水位重合，这是防洪库容与兴利库容全不结合的情况，因为山区河流特点是爆涨爆落，整个汛期内大洪水
23、随时都可能出现，任何时刻都须留一定的防洪库容是必要的。3 .调洪演算本设计拟订四组方案进行比较，调洪演算成果见下表调洪演算成果表方案孔口尺寸工况Qmi/sV(106w3)上游水位Z超高Z-z=2810mB=7m设计5653982821.721.62校核6694202823.082.98二z-2809mB=7m设计648398282L721.62校核7404182822.912.81三z=2810mB=8m设计6533972821.61.5校核7504132822.772.67四z=2811mB=8m设计6003992821.871.77校核6984212823.13.004 .方案选择以上方案
24、均能满足泄流量Q900fs,上游水位最高4Z73.08/5=14.616m.参考以往工程的经验，斜心墙的顶部宽度取为5m（满足大于3m机械化施工要求）,粘土斜心墙的上游坝坡的坡度为1:0.41:1.0之间，根据第十一届国际大坝会议上瑞典和南斯拉夫等论文介绍，斜心墙的上游坡度为1:0.41:0.6之间较好，最后本设计取为1:0.6,下游坡度取为1:0.2,底宽取34.94m,大于14.616m.粘土斜心墙的顶部高程以设计水位加一定的超高（超高0.6M）并高于校核洪水位为原则，最终取其墙顶高程为2823.1m,墙顶的上部预留有1.9m的保护层，并将粘土斜心墙稍斜向上游.（2） .坝基防渗体河床中部
25、采用沥青混凝土防渗墙，两岸坡同样用混凝土防渗墙，厚度取0.8m（由强度和防渗条件定），防渗墙伸入心墙的长度由接触面允许渗透坡降而定.上下游最大水头差为67.9m（正常水位时），取J=5.0,则L=67.95=13.58m,设计伸入7.5m.这样接触面长度为2x7.5+0.8=15.8根防渗墙位置在心墙底面中心中部偏上，岸坡混凝土防渗墙底厚沿岸坡，逐渐变化，大坝的剖面图如下图所三.土料设计筑坝材料的设计与土坝的结构设计、施工方法及工程造价有关，一般力求坝体内的材料分区简单，就地就近取材，因材设计。土料设计的主要目的是确定粘土的填筑干容重、含水量，砾质土的砾石含量、干容重、含水量，砂砾料的相对密度
26、和干容重等指标,同时要使材料具有较高的强度，以减小坝体断面尺寸，防渗体较小的渗透性，以保证渗透稳定。1.粘性土料的设计（1）计算公式：粘壤土用南京水利科学研究所标准击实仪做击实试验求最大干容重、最优含水量（一般采用25击，其击实功能为86.3tmm3）0由于最优含水量随压实功能的大小而变，故在土料的设计中常根据土料的实际施工机具的压实功能，选择相应的最优含水量作为填筑土料的含水量。根据国内外的筑坝经验，常将粘土的填筑含水量控制在最优含水量的附近，其上下偏离最优含水量不超过（2%3%）。根据以上的击实次数和击实功能，得出的多组平均最大干容重O恤和平均最优含水量%设计干容重。为：Q=m“ax式中rd设计干容重，(g/cm3)；二在相应击实功能下的平均最大干容重。m施工条件系数(或称压实系数)。对于一二级高坝，m的值采用0.960.99之间，三四级坝或低坝可采用0.930.96,本设计取m=0.96;粘性土的填筑含水量W为：W=Wl+B-Ip式中WP土的塑限；IP土的塑性指数；B稠度系数，对高坝可取-0.l0.1之间，低坝可取0.1-0.2之间，本设
