【正文】 水庫土石壩樞紐畢 業(yè) 設 計前 言土石壩泛指由當?shù)赝亮?、石料或混合料，?jīng)過拋填、輾壓等方法堆筑成的擋水壩。當壩體材料以土和砂礫為主時，稱土壩，以石渣、卵石、爆破石料為主時，稱堆石壩；當兩類當?shù)夭牧暇枷喈敱壤龝r，稱土石混合壩。土石壩是歷史最為悠久的一種壩型。也是世界壩工建設中應用最為廣泛、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。碾壓式土石壩是應用最為廣泛的一種壩型。按照土料在壩身內的配置和防滲體所用的材料種類，碾壓式土石壩有以下幾種主要類型：均質壩：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。防滲體設在壩體中央的或稍向上游且略為傾斜的稱為黏土心墻壩；防滲體設在壩體上游部位且傾斜的稱為黏土斜墻壩，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。本次設計為ZF水庫土壩樞紐工程；ZF水庫建成后具有灌溉、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。水庫土壩樞紐工程設計任務書、水文地質資料及其他相關原始資料是壩體設計的依據(jù)，必須全面了解設計任務，熟悉該河流的一般自然地理條件、壩址附近的水文和氣象特性、樞紐及水庫的地形、地質條件、當?shù)夭牧?、對外交通及有關規(guī)劃設計的基本數(shù)據(jù)，只有在熟悉基本資料的基礎上才能正確地選擇建筑物的類型，進行樞紐布置、建筑物設計及施工組織設計。通過對資料的了解和分析，初步掌握原始資料中對設計和施工有較大影響的主要因素和關鍵問題，為以后設計工作的進行打下良好的基礎?！鞍倌甏笥?，安全第一”，大壩的安全性，重點考慮：（1）壩基范圍內地質構造是否存在較大范圍的夾層和強透水層，地基處理的工程范圍和深度。（2）黃土處理問題。，黃土的濕陷度較小可不進行處理；，黃土的濕陷性和壓縮性較大，需要清除。本次設計內容：壩軸線選擇；壩型選擇；樞紐布置；擋水建筑物設計：包括土壩斷面設計、平面布置、滲流計算、穩(wěn)定計算、細部構造設計、基礎處理等；泄水建筑物設計：溢洪道、導流洞設計，以水利計算為主；灌溉發(fā)電洞及樞紐電站。第一章 基本資料第一節(jié) 工程概況及工程目的ZF水庫位于QH河干流上，水庫控制流域面積4990km2，108 m3。水庫以灌溉發(fā)電為主，結合防洪，104畝，遠期可發(fā)展到104104畝。灌區(qū)由一個引水流量為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，108kwh。水庫防洪設計標準為百年設計，萬年校核。樞紐工程由擋水壩、溢洪道、導流泄洪洞、灌溉發(fā)電洞及樞紐電站組成。本次我們的任務是設計擋水壩樞紐工程。第二節(jié) 基本資料一、地形和地質圖ZF壩址區(qū)地形圖見附圖5，ZF土壩壩線工程地質剖面圖見附圖6。二、庫區(qū)工程地質條件庫區(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、粉沙巖和砂質頁巖。新鮮基巖透水性不大。未發(fā)現(xiàn)大的構造斷裂，水庫蓄水條件良好。QH河為山區(qū)性河流，兩岸居民及耕地分散，除庫水位以下有一定淹沒外，浸沒問題不大，庫區(qū)也未發(fā)現(xiàn)重要礦產。三、壩址區(qū)工程地質條件QH河在ZF水庫壩址區(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側向侵蝕的結果。壩址區(qū)基巖以紫紅色、紫灰色細砂為主，間夾礫巖、粉沙巖和少數(shù)砂質頁巖。地層巖相變化劇烈，第四系除灰度不大的砂層、卵石層外，主要是黃土類土，在大地構造上處于相對穩(wěn)定區(qū)，未發(fā)現(xiàn)有大的斷裂構造跡象。壩址區(qū)左岸有一大塌滑體，體積約45104 m3, 對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)1102 cm/s。一級階地（Q4）表層具有中偏強濕陷性。左岸730 m高程以上為三級階地（Q2）具中偏濕陷性?；鶐r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，有一強透水帶，ω=~30L/（smm），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，左岸臺地黃土與基巖交界處的礫巖（最大厚度6米）透水性強，滲透系數(shù)k=10 m/d 。左岸單薄分水嶺巖層仍屬于中強透水性。平均ω=（smm）應考慮排水，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、三級階地，右岸731米高程下為基巖，以上為三級階地。土層的物理力學性質見“工程地質剖面圖”。左岸基巖有一條寬200250米呈北東方向的強透水帶，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。下游發(fā)現(xiàn)承壓水，二、三級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。巖性主要為堅硬的細砂巖，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?；A以下10m左右為砂質頁巖及夾泥層，且單薄分水嶺巖層風化嚴重，透水性大，對建筑安全不利。五、水文與水利規(guī)劃氣象，70%集中在69月份，多年年平均氣溫89℃，℃（6月），℃（1月），多年平均最大風速9 m/s。水文分析（1）洪水洪水由暴雨形成，據(jù)統(tǒng)計78月發(fā)生最大洪峰流量的機會占88%。而且年際變化很大，實測最大洪峰流量2200m3/s，最小洪峰流量184 m3/s，相差12倍，流域洪水的特點是風高、歷時短、陡漲陡落。一次洪水持續(xù)時間一般35天。（2）年來水量水量的年內分配，汛期710月約占全年水量的62%，水量年際變化很大，實測最大年來水量1968108m3（1963年7月至1964年6月）。108m3（1965年7月至1966年6月）。從歷年來水量過程來看約7年一個周期，其中連續(xù)枯水段為四年。（3）年輸沙量汛期710月的來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，實測最大年輸沙量1240104t，最小年輸沙量173104t相差7倍。（4）水文分析成果表QH河水文分析成果表序號名稱單位數(shù)量備注1利用水文系列年限年222代表性流量多年平均流量m3/s調查歷史最大流量m3/s3 980設計洪水洪峰流量（p=1%）m3/s4 000校核洪水洪峰流量（p=%）m3/s6 550保壩洪水洪峰流量（p=%）m3/s9 1003洪量設計洪水洪量（p=1%）m31085d校核洪水洪量（p=%）m31085d4多年平均徑流量m31085多年平均輸沙量t108水利計算（1）死水位選擇。為盡可能增加自流灌溉面積，并使電站水頭適當增加，力求達到電源自給以及為今后水庫淤積留有余地，按20年淤積高程考慮，并根據(jù)以后使用情況加以計算調整。（2）調節(jié)性能的選定。灌溉保證率選取P=75%，水庫上游來水，首先滿足灌區(qū)工農業(yè)用水，電站則利用余水發(fā)電。按上述原則，104畝進行水庫調節(jié)計算。年調節(jié)和多年調節(jié)兩個方案的水量利用系數(shù)和壩高都相差不大，但是多年調節(jié)性能的水庫能提供的電量和裝機利用小時數(shù)都較年調節(jié)性能水庫提高20%。故確定本水庫為多年調節(jié)性能水庫。利用1949年7月至1971年6月共22年插補水文系列，采用“時歷法”進行多年調節(jié)計算。（3）興利水位的確定原則和指標。根據(jù)QH河洪水特性，汛期限制水位在8月以后可利用一部分防洪庫容蓄水興利，以防洪兼顧興利為原則，確定汛末可以多蓄水。但蓄水位按不超過百年設計洪水位考慮。電站的主要任務是滿足本灌區(qū)提灌用電的要求。因此在保證灌區(qū)工農業(yè)用水的基礎上，確定電站的運用原則：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）防洪運用原則及設計洪水的確定。本水庫屬二級工程。水庫建筑物按百年一遇洪水設計，千年一遇洪水校核。由于采用的洪水計算數(shù)值中未考慮歷史特大洪水的影響，故用萬年一遇洪水作為非常保壩標準對水工建筑物進行復核。工程泄洪建筑物有溢洪道和導流泄洪洞。溢洪道凈寬60米，分設5孔閘門，每孔閘門凈寬12米，堰頂高程762米。通過施工導流、攔洪、泄洪度汛、非常時期放空水庫以及在可能情況下有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。調洪運用原則：當入庫洪水為20年一遇時，為滿足下游河道保灘淤地的要求，水庫控制下泄流量為600 m3/s；當入庫洪水為百年一遇時，為提高下游河道的電站、橋梁等建筑物的防洪標準，水庫控制下泄流量為2000 m3/s；當入庫洪水為千年一遇時，溢洪道單寬流量以70 m3/（sm）；控制泄流；當入庫洪水為萬年一遇時，按下述原則操作：即庫水位接近校核水位時，若水庫水位仍持續(xù)上漲，為確保大壩安全，溢洪道敞開泄洪，允許溢洪道局部破壞。（5）水庫排沙和淤沙計算。ZF水庫回水長25km，河道彎曲，河床寬300米左右，%，是個典型的河道型水庫。QH河泥沙年內83%集中在8兩個月，,顆粒較細。雖然本水庫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業(yè)對水源的要求，決定了本水庫只能高水頭蓄水運用。在蓄水過程中，只能用灌溉和發(fā)電的剩余水進行排沙。經(jīng)計算，%，其余大部分的泥沙都淤積在水庫中，從而減少了興利庫容。（6）水庫工程特征值見下表水庫工程特征值序 號名 稱單 位數(shù) 量備 注1設計洪水時最大泄流量m3/s2 其中溢洪道815相應下游水位m2校核洪水時最大泄流量m3/s6 其中溢洪道5 600相應下游水位m3水庫水位校核洪水位（P=%）m設計洪水位（P=1%）m興利水位m汛限水位M死水位m4水庫容積總庫容m3108校核洪水位設計洪水庫容m3108防洪庫容m3108興利庫容m3108其中公用庫容m3108死庫容8m31085庫容系數(shù)％6調節(jié)特性多年7導流泄洪洞型式明流隧洞工作閘門前為有壓隧洞直徑m810城門洞型壓力隧洞8m消能方式挑流最大泄量（P=%）m/s1 最大流速m/s閘門尺寸m7弧形門啟閉機t油壓啟閉機檢修門m8斜拉門進口底部高程m8灌溉發(fā)電隧洞型式壓力鋼管內徑m灌溉支洞內徑m最大流量m3/s進口底部高程m9樞紐電站形式引水式廠房面積（長寬）mm39裝機容量KW51 250每臺機組過水能力m3/s六、建筑材料及筑壩材料技術指標的選定庫區(qū)及壩址下游石料豐富，有利于修建當?shù)夭牧蠅?。土料壩址上、下游均有土料場，儲量豐富。根據(jù)155組試驗成果統(tǒng)計，%，%，%，其中25%屬粉質粘土，%屬重粉質壤土，%屬中粉質壤土。，%，105cm/s。具有中等壓縮性，強度特性見下表。土料的強度特性試驗方法統(tǒng)計方法抗剪強度指標φ/（o）C/(KNcm2)飽和固結快剪（25組）算術平均算術小值平均快剪（82組）算術平均算術小值平均快剪（18組）算術平均算術小值平均算術平均算術小值平均算術平均算術小值平均快剪（8組）算術平均算術小值平均算術平均算術小值平均三軸不排水剪（10組）算術平均算術小值平均三軸不排水剪（6組）算術平均算術小值平均三軸飽和固結不排水剪（6組）算術平均算術小值平均野外自然坡度角（29組）算術平均算術小值平均室內剪切試驗算術平均算術小值平均算術平均算術小值平均砂礫料主要分布在河灘上，儲量為205104m3，扣除漂時石及圍堰淹沒部分，可利用的砂礫料約（100~151）104m3。其顆粒級配不連續(xù)，缺少中間粒徑，根據(jù)野外29組自然坡度角試驗和34組室內試驗分析，統(tǒng)計成果如