【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 .............................................................................................. 53 謝 辭 ...................................................................................................................................... 56 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 57 黏土斜心墻土石壩初步 設(shè)計(jì) 洪水 4 1 緒論 本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者是獨(dú)立的完成斜心墻土石壩初步設(shè)計(jì)的。遵循著設(shè)計(jì)規(guī)范，參照以建造完成的斜心墻土石壩的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)斜心墻土石壩進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者通過認(rèn)真的討論、精密的計(jì)算以及精心的繪圖表述了整個(gè)斜心墻土石壩的設(shè)計(jì)過程。本設(shè)計(jì)著重于大壩剖面尺寸的制定、滲流穩(wěn)定計(jì)算、邊坡穩(wěn)定計(jì)算以及土石壩細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)等章節(jié)的敘述。 分析基本資料并從其中找到有利于設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)及條件是一個(gè)設(shè)計(jì)者 的應(yīng)有的篩選能力。嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度是設(shè)計(jì)人在設(shè)計(jì)中必須要秉承的。 本設(shè)計(jì)的目的是 培養(yǎng) 培養(yǎng)學(xué)生使用有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范、手冊(cè)、參考文獻(xiàn)以及分析計(jì)算、繪圖、概算和編寫設(shè)計(jì)說明書等項(xiàng)能力 ， 使學(xué)生了 解我國(guó)現(xiàn)行基本建設(shè)程序，建立工程設(shè)計(jì)的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性的正確觀點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)是西南地區(qū)某水利工程土石壩初步設(shè)計(jì)，經(jīng)過論證設(shè)計(jì)選用斜心墻土石壩壩型。 斜心墻土石壩結(jié)合了心墻土石壩和斜墻土石壩的各項(xiàng)有點(diǎn)。斜心墻土石壩具有適應(yīng)地形地質(zhì)能力強(qiáng)、抗震性能優(yōu)良、施工受到氣候干擾小等特點(diǎn) ，適應(yīng)能力強(qiáng)，適合建在溫差大、降水頻繁、地質(zhì)條件差的設(shè)計(jì)工況壩址處 。 新中國(guó)成立后，我國(guó)水利事業(yè)得到迅速的發(fā)展。歷年來興建完成的水利樞紐除了控制水災(zāi)來保證人民切身安全及利益外，在發(fā)電、灌溉、交通等方面發(fā)揮了巨大的效益，推動(dòng)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和社會(huì)的進(jìn)步。長(zhǎng)江三峽水利樞紐的完工圓了中國(guó)人近一個(gè)世紀(jì)的夢(mèng)。長(zhǎng)江三峽水利樞紐集防洪、發(fā)電 、航運(yùn)、南水北調(diào)、養(yǎng)殖、旅游、生態(tài)保護(hù)、供水灌溉、凈化環(huán)境、開發(fā)性移民等十大效益于一體，其中每項(xiàng)效益都甚是巨大。就其環(huán)境保護(hù)來講，相比同等發(fā)電量的火電站，每年少排放 億 t 二氧化碳、 200 萬 t 二氧化硫、 37 萬 t 氮氧化合物、 1 萬一氧化碳以及大量的廢水 和廢渣。可見其綜合效益是無可替代的。 近年來 斜心墻土石壩在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速。自 1991 年 9 月開始興建至 2021 年底竣工的黃河小浪底土石壩水利樞紐就是斜心墻土石壩的典型代表。 工程建成后，以防洪、防凌、減淤為主，兼顧著供水、灌溉和發(fā)電，是綜合效益較強(qiáng)的水利樞紐。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)水資源開發(fā)量?jī)H為總開發(fā)量的十分之一以及江河的防洪能力 ，同時(shí)與發(fā)達(dá)國(guó)家水平有一定距離，故在我國(guó)水利水電建設(shè)事業(yè)任重而道遠(yuǎn)。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 第一章 工程概況 工程流域概況 我國(guó)西南地區(qū)的某江河，自東南向西北的流向，全部長(zhǎng)度 122 千米 ，流域面積 2558平方千米，有 780 平方千米的流域面積處于壩址處以上。 山嶺地帶，山脈和盆地交織于其間，地形變化猛烈。支流不少，但多為小山區(qū)流域的河道。柔軟的沙巖、頁巖、玄武巖及石灰?guī)r的風(fēng)化層分布在地殼。汛期來臨時(shí)河道內(nèi)河水?dāng)y帶著大量的泥沙。同時(shí)沖積層較厚，兩岸有崩塌現(xiàn)象。 當(dāng)?shù)貧夂蛱卣? 年平均氣溫約為 度，在 7 月份 會(huì)有 度的最高氣溫 ，在 1 月份 氣溫最低可達(dá)到 度。本區(qū)域 的 氣候特征是冬干夏濕，每 一 年 11 月至次年 的 4 月 格外 干燥，其相對(duì)濕度為 45~62％ 之間，夏 天 降雨 天 數(shù) 不少 ，相對(duì)濕度 很大 變化范圍為 67~86％ 。多年 均衡 降水量為 900毫米 ，實(shí)測(cè)出 1256毫米 、 652毫米 分別是降雨量最多年份和降雨量最少年份的降水量 。 風(fēng)力和風(fēng)向情況。一般 1~4 月風(fēng)力較大，實(shí)測(cè)最大風(fēng)速為 m/s，相當(dāng)于 8 級(jí)風(fēng)力，風(fēng)向?yàn)槲鞅逼鳌Ｋ畮齑党虨?15 千米 。實(shí)測(cè)多年平均風(fēng)速 14m/s。 洪峰流量資料 實(shí)測(cè)分析后，不同頻率的洪峰流量如下表 11。 表 11 不同頻率洪峰流量（秒立米） 頻率 流量 壩址地質(zhì)資料 壩址位居該江中游地段的峽谷地帶，高山深谷的地貌特征，河床平緩， 兩岸高山聳立。 玄武巖是壩址地層的主要成分，地層中間有少許的火山角礫巖和凝灰?guī)r。 河床有沖積層。卵礫石類土是沖積層的主體成分，砂質(zhì)粘土與砂質(zhì)土的含量極少。沖積層沿河谷內(nèi)分布，其中壩基部最大厚度的沖積層達(dá)到 32 米，一般為 20 米左右，靠岸邊的至少有幾米深的沖積層。 黏土斜心墻土石壩初步 設(shè)計(jì) 洪水 4 3 地震資料 本地區(qū)地震烈度定為 7 度，基巖與混凝土之間的摩擦系數(shù)取 。 建筑材料 壩址附近供建壩材料豐富，主要分石料和土料。 石料場(chǎng)中 儲(chǔ)量較豐富 的 堅(jiān)硬 的 玄武巖可作為 堆石壩石料 ， 石料場(chǎng)距離壩址不遠(yuǎn)，覆蓋層很淺，開采條件非常好 。 土 料分布于壩址附近的各個(gè)料場(chǎng)， 其詳細(xì)資料見 表 1表 1 表 13。 交通狀況 鐵路干線距離壩址的下游有 120 千米，且壩址附近 20千米通有高速公路，交通尚稱便利。 樞紐特征 水庫情況 正常蓄水位為 米，汛限水位為 米，死水位為 米，壩址處河底高程 2765 米，庫容 454500000 立方米。 發(fā)電 發(fā)電站多年平均 發(fā)電量 是 億度。本電站 總裝機(jī) 24MW， 裝 3 臺(tái) 8MW 機(jī)組。 防洪 洪水來臨時(shí)，大壩可抵抗 100 年一遇和 2021 年一 遇的洪水，大大降低了庫區(qū)下游受到洪水的威脅。泄洪時(shí)最大下泄流量為 900 秒立米。 校核洪水位不得超過正常蓄水位的 米。 灌溉 增加保灌面積 萬畝。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 表 11 土料數(shù)據(jù) 黏土斜心墻土石壩初步 設(shè)計(jì) 洪水 4 5 表 12 砂礫料的顆粒配級(jí) 顆粒 直徑 料場(chǎng) 300 ~ 100 100 ~ 60 60 ~ 20 20 ~ ~ ~ ~ ~ 1上 2上 3上 4上 1下 2下 3下 4下 表 13 砂石料的物理數(shù)據(jù) 名稱 1上 2上 3上 4上 1下 2下 3下 4下 容重 kN/m3 比重 孔隙率 % 軟 弱粒 % 有機(jī)物 淡色 淡色 淡色 淡色 淡色 淡色 淡色 淡色 注：砂礫石料的滲透系數(shù) k 值為 102米 /秒左右。最大孔隙率 ，最小孔隙率 。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第二章 壩型選擇及樞紐布置概述 壩型的選擇與樞紐布置密切相關(guān)。針對(duì)相同的壩址可能有不同的壩型和樞紐布置方案。結(jié)合地形、地質(zhì)，水利，等條件，擬定出不同壩型的各種樞紐布置方案要符合水利樞紐的綜合利用要求。經(jīng)過多方面的比較，選取出最適宜的壩型和相應(yīng)的樞紐合理布置。 壩型的選 擇 壩型選擇是大壩設(shè)計(jì)中的首要問題，整個(gè)樞紐的工期、投資和工程量等都會(huì)因?yàn)閴涡偷倪x取不一樣而產(chǎn)生差異。壩型選擇會(huì)受到地形、地質(zhì)、氣候、壩高、筑壩材料、施工以及運(yùn)行條件等重要因素的影響。 水利樞紐中的攔河壩的型式主要有：重力壩、支墩壩、拱壩、土石壩及新型壩型如碾壓混凝土壩等。上述壩型需要進(jìn)行地形、地質(zhì)條件和材料儲(chǔ)備情況的比對(duì)，制定出最適宜的壩型。 （ 1） 重力壩 重力壩對(duì)地形地質(zhì)條件的適應(yīng)性能比較好，比較簡(jiǎn)單的壩體結(jié)構(gòu)使壩體抗沖刷能力變得很強(qiáng)。大量的材料使用降低了壩內(nèi)壓應(yīng)力，但材料強(qiáng)度不能充分發(fā)揮。壩體與地基的 接觸面大，導(dǎo)致壩體受到揚(yáng)壓力也大，對(duì)壩體的穩(wěn)定不利。重力壩需要澆筑混凝土方量很大，混凝土水化產(chǎn)生的熱量高，散熱措施難度大。 較高的混凝土重力壩要求建在巖性地基上， 本工程地基承載能力較低，地質(zhì)條件差、已知弱風(fēng)化巖 與混凝土之間的摩擦系數(shù)較小 ，因此不宜選用建造重力壩。 （ 2） 支墩壩 支墩壩是由支墩和所支承的上游擋水蓋板所組成。支墩壩結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，本身應(yīng)力較高，對(duì)地基要求也很高，尤其是連拱壩不能適應(yīng)不均勻的地基變形，對(duì)地基 要求更為嚴(yán)格，支墩壩的側(cè)向穩(wěn)定性差， 其抗側(cè)向傾覆能力較差。而本工程地基強(qiáng)度低，且不完整，易產(chǎn)生不 均勻沉陷，且壩區(qū)有 7 級(jí)地震。所以本工程不選用支墩壩的型式。 （ 3）拱壩 拱壩是三面固結(jié)于基巖上的拱向上游凸出且不設(shè)永久性分縫的空間殼結(jié)構(gòu)，屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)。 它的工作特點(diǎn)：水壓力的全部或部分作用力通過拱的力傳遞作用傳遞給河谷兩岸的基巖，以便拱壩維持穩(wěn)定。 拱壩是不設(shè)永久性橫縫的整體超靜定結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮壩體應(yīng)力會(huì)受到地基位移和溫度變化的影響。另外，拱壩的設(shè)計(jì)施工難度大，對(duì)施工的質(zhì)量、防滲要求和筑壩材料強(qiáng)度，以及對(duì)地質(zhì)地形條件及地基的處理要求都比較高。因此本設(shè)不考慮拱壩的壩型。 黏土斜心墻土石壩初步 設(shè)計(jì) 洪水 4 7 （ 4） 土石壩 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、 造價(jià)低 廉的土石壩工作性能可靠，其運(yùn)行的操作及管理比較方便。按照施工的進(jìn)度，土石壩能適應(yīng)不同的施工方法，高效率施工的同時(shí)土石壩的質(zhì)量可以得到保證。土石壩的 筑壩材料 可以就地取材，大量鋼材、水泥、木材等得到了節(jié)省，降低了工程量和成本 。 適應(yīng)地形變形能力強(qiáng) 是土石壩一大特點(diǎn)， 土石壩 的 三立體結(jié)構(gòu)具有適應(yīng)地基變形的良好條件，對(duì)地基的要求比混凝土壩的低。 土石壩壩型的缺點(diǎn)也很多。它的 工程造價(jià) 會(huì)因?yàn)?施工導(dǎo)流不如其它壩型方便 而增加。此外 ， 土石壩 需另開泄洪隧洞或溢洪道 因?yàn)?土石壩 的 壩頂不能溢流。 綜合考慮地形、地質(zhì)條件、建筑材料 、施工條件、綜合效益等因素 進(jìn)行壩型的 定性分析，最終選擇土石壩方案。 樞紐的總體布置 擋水建筑物 擋水建筑物 即為土石壩，土石壩 按直線布置，壩布置在河彎地段上。 泄水建筑物 泄洪采用隧洞方案。泄洪隧洞布置在凸岸以達(dá)到 縮短 隧洞 長(zhǎng)度、減小 工程量的目的。為了對(duì)壩區(qū)流域的流態(tài)不產(chǎn)生大的影響，水流經(jīng)隧洞流出必須直接入主河道 。 同時(shí) 泄洪隧洞 要以遠(yuǎn)離壩腳和廠房為原則進(jìn)行布置，電站引水發(fā)電洞要布置在凸岸 。 水流的 進(jìn)出口相距 30~40m以上 ，以達(dá)到減小泄洪時(shí)引起的電站尾水波動(dòng)，以及防止沖刷壩腳的目的 。 水電站建筑物 在泄洪隧洞與大壩之間布置引水隧洞和電站廠房，其位置位于凸岸。 在開挖后的堅(jiān)硬玄武巖上 設(shè)置廠房， 廠房附近 設(shè)置開關(guān)站 。 總之，為了確保 工程效益達(dá)到最理想值 ，樞紐布置的考慮因素涉及到方方面面。樞紐布置要以 綜合效益最大，有害影響最小 為宗旨，綜合 防洪、 航運(yùn)、發(fā)電、灌溉等部門的經(jīng)濟(jì)效益以及 庫區(qū)的淹沒損失和樞紐上下游的生態(tài)影響等 因素進(jìn)行考慮 。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第三章 洪水調(diào)節(jié)計(jì)算 工程等別及建筑物等級(jí)的判定 本工程正常蓄水位 對(duì)應(yīng) 的 水庫庫容為 106 m3，裝機(jī) 24MW。按照規(guī)范由 水庫總庫容 指標(biāo) ， 定為大 （ 2） 型；由防洪效益，灌溉面積，裝機(jī)容量等指標(biāo)定為小 （ 1） 型。工程的規(guī)模應(yīng)按照 “各指標(biāo)分屬不同標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，采用其中最高級(jí)別來控制”的原則 來確定，因此 由水庫庫容確定該工程規(guī)模為大 （ 2） 型。 樞紐的主要建筑物級(jí)別為 2 級(jí)，次要建筑物為 3 級(jí)，臨時(shí)建筑物為 4 級(jí)。 洪水標(biāo)準(zhǔn)的確定 根據(jù)建筑物級(jí)別查得永久建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)：正常運(yùn)用時(shí) 洪水重現(xiàn)期 是 100年；非常運(yùn)用時(shí) 洪水重現(xiàn)期 是 2021 年。設(shè)計(jì)洪峰流量 Q 設(shè) = 1680m3/s（ P=1%），校核洪峰流量Q 校 = 2320 m3/s（ P=%）。 泄 洪方式的確定 本擋水建筑物 為土石 壩需要設(shè)泄水建筑物，以達(dá)到減小土石壩在泄洪時(shí)遭受洪水的沖擊擠壓的影響。 對(duì)各種 河岸泄水建筑物作以 下討論 ： （ 1） 側(cè)槽溢洪道 建于山高坡陡且水流條件復(fù)雜的河道的 河岸 上的側(cè)槽溢洪道，采用的是表孔泄流，它的泄水流量超大。 溢流堰下游接開敞式溢洪道或明流隧洞。 側(cè)槽溢洪道 必須經(jīng)水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證。 （ 2） 井式溢洪道 超泄能力小、水流不穩(wěn)定、 易發(fā)生旋渦洪水 的 井式溢洪道 的下泄洪水過程是：水流首先通過環(huán)形溢流堰進(jìn)入直井，然后水流在直井內(nèi)由明流轉(zhuǎn)為有壓流，最后經(jīng)過一個(gè) 隧洞 泄水口 泄往下游。井式溢洪道 需 要的 水力學(xué)條件復(fù)雜 ，其泄流能力與溢流堰、過渡段、隧洞段三者的泄流能力相關(guān) 。 （ 3） 正槽溢洪道 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠 的 正槽溢洪道 泄流能力大，水流條件平順。是以寬頂堰或各種實(shí)用堰來控制泄流的 河岸溢洪道。 綜上