【正文】 水庫(kù)土石壩樞紐 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 1 前 言 土石壩泛指由當(dāng)?shù)赝亮?、石料或混合料，?jīng)過(guò)拋填、輾壓等方法堆筑成的擋水壩。當(dāng)壩體材料以土和砂礫為主時(shí)，稱(chēng)土壩，以石渣、卵石、爆破石料為主時(shí)，稱(chēng)堆石壩；當(dāng)兩類(lèi)當(dāng)?shù)夭牧暇枷喈?dāng)比例時(shí)，稱(chēng)土石混合壩。土石壩是歷史最為悠久的一種壩型。也是世界壩工建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛、發(fā)展最快的一種壩型。 土石壩按壩高 分為：低壩、中壩和高壩。 按其施工方法 分為：碾壓式土石 壩；沖填式土石壩；水中填土壩和定向爆破堆石壩等。 碾壓式土石壩 是應(yīng)用最為廣泛的 一種壩型 。 按照土料在壩身內(nèi)的配置和防滲體所用的材料種類(lèi)，碾壓式土石壩有 以下幾種主要類(lèi)型： 均質(zhì)壩： 壩體斷面分防滲體和壩殼，基本上是由均一的黏性土料（壤土、砂壤土）筑成。 土質(zhì)防滲體分區(qū)壩 :即用透水性較大的土料作壩的主體，用透水性極小的黏土作防滲體的壩 ， 包括黏土心墻壩和黏土斜墻壩。防滲體設(shè)在壩體中央的或稍向上游且略為傾斜的稱(chēng)為黏土心墻壩 ； 防滲體設(shè)在壩體上游部位且傾斜的稱(chēng)為黏土斜墻壩，是高、中壩中最常用的壩型。 非土料防滲體壩 :防滲體由瀝青混凝土、鋼筋混凝土或其他人工材料建成的壩 ， 按其位置也可分為心墻壩和面板壩。 本次設(shè)計(jì)為 ZF水庫(kù)土壩樞紐 工程 ； ZF水庫(kù)建成后具有灌溉、發(fā)電、防洪、解決工業(yè)用水和人畜吃水等多方面的效益，是一座綜合利用的水庫(kù)。 水庫(kù)土壩樞紐工程 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 、水文地質(zhì)資料 及 其他相關(guān) 原始資料是 壩體設(shè)計(jì) 的依據(jù)， 必須全面了解設(shè)計(jì)任務(wù)，熟悉該河流的一般自然地理?xiàng)l件 、 壩址附近的水文和氣象特性 、 樞紐及水庫(kù)的地形、地質(zhì)條件 、 當(dāng)?shù)夭牧?、 對(duì)外交通及有關(guān)規(guī)劃設(shè)計(jì)的基本數(shù)據(jù)，只有在熟悉基本資料的基礎(chǔ)上才能正確地選擇建筑物的類(lèi)型，進(jìn)行樞紐布置、建筑物設(shè)計(jì)及施工組織設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)資料的了解和分析，初步掌握原始資料中對(duì)設(shè)計(jì) 和施工有較大 影響的主要因素和關(guān)鍵問(wèn)題，為以后設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行打下良好的基礎(chǔ)。 “百年大計(jì)，安全第一”，大壩的安全性， 重點(diǎn)考慮： （ 1）壩基范圍內(nèi) 地質(zhì)構(gòu)造 是否存在較大范圍的夾層和強(qiáng)透水層，地基處理的工程 范圍 和 深 度。 （ 2）黃土處理問(wèn)題。當(dāng)黃土的重度大于 ，黃土的濕陷度較小可不進(jìn)行處理；但如果黃土的重度小于 ，黃土的濕陷性和壓縮性較大，需要清除。 本次設(shè)計(jì)內(nèi)容： 壩軸線選擇； 壩型選擇 ； 樞紐布置； 擋水建筑物設(shè)計(jì)：包括土壩斷 面設(shè)計(jì)、平面布置、滲流計(jì)算、穩(wěn)定計(jì)算、細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)、基 礎(chǔ)處理等； 泄水建筑物設(shè)計(jì)： 溢洪道、 導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)，以水利計(jì)算為主 ； 灌溉發(fā)電洞及樞紐電站。 2 第一章 基本資料 第一節(jié) 工程概況及工程目的 ZF 水庫(kù)位于 QH 河干流上，水庫(kù)控制流域面積 4990km2，庫(kù)容 108 m3。水庫(kù)以灌溉發(fā)電為主，結(jié)合防洪，可引水灌溉農(nóng)田 104畝，遠(yuǎn)期可發(fā)展到 104 104畝。灌區(qū)由一個(gè)引水流量為 45m3/s 的總干渠和四條分干渠組成，在總干渠首及下游 24km 處分別修建樞紐電站和 HZ電站，總裝機(jī)容量 ，年發(fā)電量 108kwh。水庫(kù)防洪設(shè)計(jì)標(biāo) 準(zhǔn)為百年 設(shè)計(jì) ，萬(wàn)年 校核 。樞紐工程由擋水壩、溢洪道、 導(dǎo)流泄洪洞、灌溉發(fā)電洞及樞紐電站組成。 本次我們的任務(wù)是設(shè)計(jì)擋水壩 樞紐 工程。 第二節(jié) 基本資料 一、 地形和地質(zhì)圖 ZF壩址區(qū)地形圖見(jiàn)附圖 5， ZF土壩壩線工程地質(zhì)剖面圖見(jiàn)附圖 6。 二、 庫(kù)區(qū)工程地質(zhì)條件 庫(kù)區(qū)附近分水嶺高程均在 820m 以上，基巖出 露 高程，大部分在 800m 左右，主要為紫紅色砂巖，間夾礫巖、粉沙巖和砂質(zhì)頁(yè)巖。新鮮基巖透水性不大。 未 發(fā)現(xiàn)大的 構(gòu)造 斷裂，水庫(kù)蓄水條件良好。 QH 河為山區(qū)性河流，兩岸居民及耕地分散，除庫(kù)水位以下有一定淹沒(méi)外， 浸 沒(méi)問(wèn)題不大 ，庫(kù)區(qū)也 未 發(fā)現(xiàn)重要礦產(chǎn)。 三、 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件 QH河在 ZF水庫(kù)壩址區(qū)呈一彎曲很大的 S形。壩段位于 S形的中 、 上 段 。壩段右岸為侵蝕型河岸，岸坡較陡，基巖出漏。上下壩線有 300多米長(zhǎng)的低平山梁（單薄分水嶺），左岸為侵蝕堆積岸，岸坡較緩，有大片土層覆蓋。右岸單薄分水嶺是 QH 河環(huán)繞壩段左岸山體相對(duì)側(cè)向侵蝕的結(jié)果。 壩址區(qū)基巖以紫紅色、紫灰色細(xì)砂為主，間夾礫巖、粉沙巖和少數(shù)砂質(zhì)頁(yè)巖。地層巖相變化劇烈，第四系除灰度不大的砂層、卵石層外，主要是黃土類(lèi)土，在大地構(gòu)造上處于相對(duì)穩(wěn)定區(qū)，未發(fā)現(xiàn)有大的斷裂構(gòu)造跡象。 壩址區(qū)左岸 有一大塌滑體，體積約 45 104 m3, 對(duì)工程布置有一定影響。 本區(qū)地震基本烈度為 6度，建筑物按 7度設(shè)防。 上壩址 上壩址位于壩區(qū)中部背斜的西北，巖層傾向 QH河上游。河床寬約 300米，砂卵石覆蓋層平均厚度 5m ,滲透系數(shù) 1 102 cm/s。一級(jí)階地（ Q4）表層具有中偏強(qiáng)濕陷性。左岸 730 m高程以上為三級(jí)階地（ Q2）具中偏濕陷性。 基巖未發(fā)現(xiàn)大范圍的夾層，基巖的透水性不大。河床中段及近右岸地段，沿113111115104114各鉆孔連線方向，在巖面下 2147m深度范圍內(nèi)，有一強(qiáng)透水帶，ω =~30L/ 3 （ s m m），下限最深至基巖下約 80米。基巖透水性從上游向下游有逐漸增大的趨勢(shì)，左岸臺(tái)地黃土與基巖交界處的礫巖（最大厚度 6米）透水性強(qiáng)，滲透系數(shù) k=10 m/d 。左岸單薄分水嶺巖層仍屬于中強(qiáng)透水性。平均ω =（ s m m）應(yīng)考慮排水，增加巖體穩(wěn)定。 下壩址 下壩址位于上壩址同一背斜的東南翼，巖層傾向 QH河下游，河床寬約 120米，左岸為二、三級(jí)階地，右岸 731米高程下為基巖，以上為三級(jí)階地。土層的物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)“工程地質(zhì)剖面圖”。 左岸基巖有一條寬 200250米呈北東方 向的強(qiáng)透水帶，右岸單薄分水嶺的透水性亦很大，左、右岸巖石中等透水帶下限均可達(dá)巖面下 80米左右。河床地段基巖透水性與中等透水帶厚度具有從上游向下游逐漸變小的趨勢(shì)。下游發(fā)現(xiàn)承壓水，二、三級(jí)階地礫石層透水性與上壩線相同，左岸壩腳靠近塌滑體。 四、 溢洪道工程地質(zhì)條件 上壩線方案溢洪道堰頂高程 757m，沿建筑物軸線巖層傾向下游。巖性主要為堅(jiān)硬的細(xì)砂巖，其中軟弱層多為透鏡體，溢洪道各部分的抗滑穩(wěn)定條件是好的。下壩線溢洪道 堰頂 高程 750m。基礎(chǔ)以下 10m左右為砂質(zhì)頁(yè)巖及夾泥層，且單薄分水嶺巖層風(fēng)化嚴(yán)重，透水性大，對(duì)建筑安 全不利。 五、 水文與水利規(guī)劃 氣象 流域年平均降雨量 ， 70%集中在 69 月份，多年年平均氣溫 89℃，多年平均最高氣溫 ℃（ 6 月），多年平均最低氣溫 ℃（ 1月），多年平均最大風(fēng)速 9 m/s，水位 時(shí)水庫(kù)吹程 。 水文分析 （ 1）洪水 洪水由暴雨形成，據(jù)統(tǒng)計(jì) 78月發(fā)生最大洪峰流量的機(jī)會(huì)占 88%。而且年際變化很大，實(shí)測(cè)最大洪峰流量 2200m3/s，最小洪峰流量 184 m3/s，相差 12倍，流域洪水的特點(diǎn)是風(fēng)高、歷時(shí)短、陡漲陡落。一次洪水持續(xù)時(shí)間一般 35天 。 （ 2）年來(lái)水量 水量的年內(nèi)分配，汛期 710 月約占全年水量的 62%，水量年際變化很大，實(shí)測(cè)最大年來(lái)水量1968 108m3（ 1963年 7月至 1964年 6 月）。最小年 來(lái)水量 108m3（ 1965年 7月至 1966 年 6月） 。相差 。從歷年來(lái)水量過(guò)程來(lái)看約 7年一個(gè)周期，其中連續(xù)枯水段為四年。 （ 3）年輸沙量 汛期 710月的來(lái)沙量約占全年輸沙量的 94%，其中 8兩月約占 83%。輸沙量的年際變化很大，實(shí)測(cè)最大年輸沙量 1240 104t， 最小年輸沙量 173 104t相差 7倍。 （ 4）水文分析成果表 4 QH河 水文分析成果表 序號(hào) 名稱(chēng) 單位 數(shù)量 備注 1 利用水文系列年限 年 22 2 代表性流量 多年平均流量 m3/s 調(diào)查歷史最大流量 m3/s 3 980 設(shè)計(jì)洪水洪峰流量（ p=1%） m3/s 4 000 校核洪水洪峰流量（ p=%） m3/s 6 550 保壩洪水洪峰流量（ p=%） m3/s 9 100 3 洪量 設(shè)計(jì)洪水洪量（ p=1%） m3 108 5d 校核洪水洪量（ p=%） m3 108 5d 4 多年平均徑流量 m3 108 5 多年平均輸沙量 t 108 水利計(jì)算 （ 1）死水位選擇。為盡可能增加自流灌溉面積，并使電站水頭適當(dāng)增加，力求達(dá)到電源自給以及為今后水庫(kù)淤積留有余地，按 20年淤積高程考慮，并根據(jù)以后使用情況加以計(jì)算調(diào)整。 （ 2）調(diào)節(jié)性能的選定。灌溉保證率選取 P=75%，水庫(kù)上游來(lái)水，首先滿(mǎn)足灌區(qū)工農(nóng)業(yè)用水，電站則利用余水發(fā)電。按上述原則，并按近期灌溉面積 104畝進(jìn)行水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算。年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)兩個(gè)方案的水量利用系數(shù)和壩高都 相差不大，但是多年調(diào)節(jié)性能的水庫(kù)能提供的電量和裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)都較年調(diào)節(jié)性能水庫(kù)提高 20%。故確定本水庫(kù)為多年調(diào)節(jié)性能水庫(kù)。利用 1949年7月至 1971年 6月共 22年插補(bǔ)水文系列，采用“時(shí)歷法”進(jìn)行多年調(diào)節(jié)計(jì)算。 （ 3）興利水位的確定原則和指標(biāo)。根據(jù) QH河洪水特性，汛期限制水位在 8月為 。 8月以后可利用一部分防洪庫(kù)容蓄水興利，以防洪兼顧興利為原則，確定 10月水位為 ，汛末可以多蓄水。但蓄水位按不超過(guò)百年設(shè)計(jì)洪水位考慮，確定汛末興利水位為 。 電站的主要任務(wù)是滿(mǎn)足本灌區(qū) 提灌用電的要求。因此在保證灌區(qū)工農(nóng)業(yè)用水的基礎(chǔ)上，確定電站的運(yùn)用原則：灌溉季節(jié)多引水發(fā)電，非灌溉季節(jié)少引水發(fā)電，遇豐水年則充分利用棄水多發(fā)電，提高年水量的利用系數(shù)。 （ 4）防洪運(yùn)用原則及設(shè)計(jì)洪水的確定。本水庫(kù)屬二級(jí)工程。水庫(kù)建筑物按百年一遇洪水設(shè)計(jì)，千年一遇洪水校核。由于采用的洪水計(jì)算數(shù)值中未考慮歷史特大洪水的影響，故用萬(wàn)年一遇洪水作為非常保壩標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水工建筑物進(jìn)行復(fù)核。 工程泄洪建筑物有溢洪道和導(dǎo)流泄洪洞。溢洪道凈寬 60米，分設(shè) 5孔閘門(mén)，每孔閘門(mén)凈寬 12米，堰頂高程 762 米。通過(guò)施工導(dǎo)流、攔洪、泄洪度汛、非 常時(shí)期放空水庫(kù)以及在可能情況下有 5 利于排沙等方面的綜合分析和比較，泄洪洞洞徑確定為 8米，進(jìn)口底高程 。 調(diào)洪運(yùn)用原則：當(dāng)入庫(kù)洪水為 20年一遇時(shí)，為滿(mǎn)足下游河道保灘淤地的要求，水庫(kù)控制下泄流量為 600 m3/s；當(dāng)入庫(kù)洪水為百年一遇時(shí)，為提高下游河道的電站、橋梁等建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn)，水庫(kù)控制下泄流量為 2020 m3/s；當(dāng)入庫(kù) 洪水為千年一遇時(shí)，溢洪道單寬流量以 70 m3/（ s m）；控制泄流；當(dāng)入庫(kù)洪水為萬(wàn)年一遇時(shí)，按下述原則操作：即庫(kù)水位接近校核水位時(shí)，若水庫(kù)水位仍持續(xù)上漲，為確保大壩安全，溢洪道敞 開(kāi)泄洪，允許溢洪道局部破壞。 （ 5）水庫(kù)排沙和淤沙計(jì)算。 ZF 水庫(kù)回水長(zhǎng) 25km，河道彎曲，河床寬 300 米左右，河床比降位 .2%，是個(gè)典型的河道型水庫(kù)。 QH河泥沙年內(nèi) 83%集中在 8兩個(gè)月，平均含沙量 ，泥沙多年平均 D50粒徑為 ,顆粒較細(xì)。雖然本水庫(kù)有可能利用異重流排沙，但由于流域的水文特性和下游工農(nóng)業(yè)對(duì)水源的要求，決定了本水庫(kù)只能高水頭蓄水運(yùn)用。在蓄水過(guò)程中，只能用灌溉和發(fā)電的剩余水進(jìn)行排沙。經(jīng)計(jì)算，多年平均排沙量只能占 %，其余大部分的泥沙都淤積在水庫(kù)中，從而減少了興 利庫(kù)容。 （ 6）水庫(kù)工程特征值見(jiàn) 下 表 水庫(kù)工程特征值 序 號(hào) 名 稱(chēng) 單 位 數(shù) 量 備 注 1 設(shè)計(jì)洪水時(shí)最大泄流量 m3/s 2 其中溢洪道 815 相應(yīng)下游水位 m 2 校核洪水時(shí)最大泄流量 m3/s 6 其中溢洪道 5 600 相應(yīng)下游水位 m 3 水庫(kù)水位 校核洪水位（ P=%） m 設(shè)計(jì)洪水位（ P=1%） m 興利水位 m 汛限水位 M 死水位 m 4 水庫(kù)容積 總庫(kù)容 m3 108 校核洪水位 設(shè)計(jì)洪水庫(kù)容 m3 108 防洪庫(kù)容 m3 108 興利庫(kù)容 m3 108 其中公用庫(kù)容 m3 108 死庫(kù)容 8m3 108 5 庫(kù)容系數(shù) ％ 6 6 調(diào)節(jié)特性 多年 7 導(dǎo)流泄洪洞 型式 明流隧洞 工作閘門(mén)前為有壓 隧洞直徑 m 8 10 城門(mén)洞型壓力隧洞 8m 消能方式 挑流 最大泄量（ P=%） m/s 1 最大流速 m/s 閘門(mén)尺寸 m 7 弧形門(mén) 啟閉機(jī) t 油壓?jiǎn)㈤]機(jī) 檢修門(mén) m 8 斜拉門(mén) 進(jìn)口底部高程 m 8 灌溉發(fā)電隧洞 型式 壓力鋼管 內(nèi)徑 m 灌溉支洞內(nèi)徑 m 最大流量 m3/s 進(jìn)口底部高程 m 9 樞紐電站 形 式 引水式 廠房面積（長(zhǎng)寬 ） m m 39 裝機(jī)容量 KW 5 1 250 每臺(tái)機(jī)組過(guò)水能力 m3/s 六 、建筑材料及筑壩材