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浆砌石重力坝枢纽设计与引水发电隧洞专题设计(珊溪)

浆砌石重力坝枢纽设计与引水发电隧洞专题设计(珊溪)

本次设计主要针对珊溪水利枢纽工程进行了设计,包括挡水建筑物、引水建筑物、导流建筑物、放空洞、水电站等初步设计。

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  • 详细描述

    浆砌石重力坝枢纽设计与引水发电隧洞专题设计(珊溪)
    摘要
    对珊溪水利枢纽工程进行设计,设计中首先确定工程等别和建筑物级别,根据水文资料进行调洪演算,确定设计和校核洪水位;接下来对挡水坝段和溢流坝段进行尺寸拟定及稳定和应力分析;其次对引水发电隧洞进行了专题设计;最后对水电站厂房、导流建筑物、放空洞进行了初步设计。
    珊溪水利枢纽工程以发电灌溉为主,兼有防洪等综合利用效益。枢纽由浆砌石重力坝(挡水坝段和溢流坝段)、右岸引水系统、放空洞、发电站等组成。
    浆砌石重力坝建基面高程为23m。最大坝高143.58m,下游坡率采用1:0.75,上游面采用部分折坡坝面,坡率为1:0.2,折点高程83.0m,坝顶宽度13m,坝底宽度119m,坝顶全长483m。大坝按500年一遇洪水设计,按2000年一遇洪水校核。水库正常蓄水位160.0m,设计洪水位163.59m,相应的下泄流量4262;校核洪水位164.5m,相应的下泄流量4696。泄洪采用溢流表孔,每孔净宽12m,共4孔,堰顶高程150m。
    引水发电系统布置在右岸,它由斜墙式进水口、压力隧洞、调压井及高压钢管等主要建筑物组成。进水口中心高程为110m,底板高程为106m。隧洞以长10m渐变段与闸门孔口连接,然后以0.4%的纵坡通向调压井,全长约318m,隧洞洞径为8m,平均设计水头时流速为4左右。
    关键词:浆砌石重力坝,枢纽布置,引水发电隧洞,设计
    目录
    摘要 I
    Abstract II
    目  录 III
    第1章 工程概况 1
    1.1 流域概况 1
    1.2 气象 1
    1.3 水文 2
    1.4 水库区工程地质 3
    1.5 坝址区工程地质 4
    1.6 当地材料分布 5
    第2章 调洪演算 6
    2.1 工程等别及建筑物级别 6
    2.2 防洪库容的确定 6
    2.3 设计校核洪水位的确定 7
    2.4 淤沙水位的确定 9
    第3章 坝型选择及枢纽布置 10
    3.1 坝址选择 10
    3.2 坝型选择 10
    3.3 枢纽布置 11
    第4章 挡水坝段设计 13
    4.1 坝体布置 13
    4.2 稳定计算分析 16
    4.3 应力分析 23
    第5章 溢流坝段设计 25
    5.1 溢流坝坝型设计 25
    5.2 挑流消能设计 26
    5.3 稳定计算分析 30
    5.4 应力分析 35
    第6章 细部结构设计 36
    6.1 坝顶构造 36
    6.2 廊道系统 36
    6.3 坝体防渗面板 36
    6.4 坝体分缝和止水 37
    6.5 坝体材料 37
    6.6 地基处理设计 37
    6.7 大坝工程量计算 38
    第7章 引水发电建筑物设计 40
    7.1 压力隧洞的洞线选择 40
    7.2 洞径的计算 40
    7.3 进水口的布置与设计 40
    7.4 水力计算 43
    7.5 隧洞的衬砌设计 45
    7.6 细部构造 53
    7.7 压力管道设计 54
    7.8 调压井 56
    第8章 水电站厂房设计 59
    8.1 水电站枢纽位置选择 59
    8.2 厂房建筑物级别的确定 59
    8.3 水轮机选型 59
    8.4 主厂房各层高程的确定 63
    8.5 主厂房的长度和宽度 65
    第9章 导流建筑物设计 67
    9.1 导流方案的选择 67
    9.2 导流标准 67
    9.3 导流隧洞设计 67
    9.4 上下游围堰堰顶高程确定 68
    第10章 放空洞设计 71
    10.1 放空洞的功能 71
    10.2 设计标准 71
    10.3 放空洞的布置 71
    10.4 泄流能力计算 72
    10.5 水库放空时间计算 72
    结论 74
    珊溪水利枢纽工程特性表 75
    谢辞 80
     
    第1章工程概况
    1.1流域概况
    飞云江流域位于浙江省南部,河流自西向东流入东海,全长185公里,流域面积为3550平方公里。流域形状上游较中下游宽阔,其直线长度为102公里,平均宽度为34.9公里,最大宽度为55公里,最小宽度为22.5公里,完整系数为0.34。流域内较大支流均在左岸,不对称系数为0.276。中上游绝大部分是高山区,河谷呈“V”字形,河床多有卵石或块石覆盖,河床基岩亦有局部露头。峃口以上河宽在100~250米,峃口平阳坑之间河宽150~300米。水面比降在百丈口至峃口间约为1.41‰,峃口至平阳坑间约为0.735‰,水流湍急,洪水涨落迅猛。平阳坑以下水流出谷,流入下游冲积平原,河谷为浅槽形成梯形,水面比降平缓,仅为0.03‰,下游为感潮河段,常受潮汐影响。
     珊溪水电站坝址位于飞云江干流上游段文成县珊溪公社鱼秀村附近,控制流域面积1529平方公里,占全流域面积的43.4%。
    1.2气象
    1.2.1气候概况
    本流域在峃口以上属山区,气候受地形影响显著。由于地处低纬度,距海仅83公里,故气候温和,雨量充沛,属暖温带多雨气候。
    初春季节有春雨,春末夏初为梅雨,7~9月间台风活动频繁,多热雷雨和台风暴雨,秋季降雨日数减少,冬季以晴冷为主,小量雨雪。
    1.2.2温度
    坝区气温以峃口站位代表。平均气温为19.6℃,月平均气温以7月份29.5℃为最高,1月份9.5℃为最低,极端最高气温为43.4℃,极端最低气温为-1.0℃。坝区水温根据峃口站实测,多年平均水温为20.0℃,月平均水温以7月份29.3℃为最高,1月份10.2℃为最低。极端最高水位38.5℃。极端最低水温为2.0℃。
    1.2.3湿度
    本流域气候湿润,年平均相对湿度为83%,各月平均相对湿度变化不大,变化幅度在76%~89%之间。
    1.2.4降水
    坝址以上流域多年平均降水量为1881.7mm。实测最大24小时雨量为352.6mm。流域实测最大一日降雨量为237.3mm,最大三日降雨量为351.0mm,最大五日降雨量为392.9mm。雨量年内分配不均匀,4~9月占全年降雨量的75.5%,其中5月和6月占全年降水量的28.8%,7~9月降水量占全年37.2%。
    1.2.5蒸发
    珊溪工程水库区的蒸发量以百丈口站为代表。多年平均蒸发量为898.9mm,实测最大月蒸发量为172.9mm。最小月蒸发量为24.1mm,水库年平均蒸发量经计算得898.9mm。
    1.2.6风向风力
    本流域风向受地形影响显著,在2~8月一般为南风,9~11月一般为西南风。12 月到次年1月为西风。历年平均风速为1.8,实测最大风速为26.5,风向为西风。台风期按上海中心气象台编制的华东区风压分布图,查得离地面20米,时距10分钟,六十年一遇风速为38,作为坝区设计风速。
    1.3水文
    水文资料以峃口为主。
    1.3.1径流
    珊溪坝址年平均流量,根据峃口站实测的27年资料(1950~1976年)以面积比一次方推得多年平均流量为59.7。
    1.3.2洪水
    本流域洪水变率较大,主要是受台风影响的不稳定性所致。珊溪坝址设计洪水的推求是从峃口站最大洪水系列,以面积比换成坝址洪水系列家历史洪水计算而得,本工程可能最大洪峰流量在20200~24200之间,比频率计算万年一遇增大0~23%,从相邻流域及地区上比较,认为本工程采用年最大频率计算万年一遇加 “Δ”值作为保坝设计洪水,最大洪峰流量为24400,一日洪量8.94亿,三日洪量为10.59亿。设计洪水过程经过调洪演算比较,最后确定1962年9月型作为典型洪水过程线。本流域历年10月以后至翌年4月为河流枯水期,降雨强度不大,一般不会发生大洪水,确定为施工期。
    1.3.3泥沙
    珊溪坝址处末进行泥沙测验,其资料直接采用峃口站输沙模数推算而得。经计算得坝址多年平均含沙量为0.209,多年平均输沙率为12.5,多年平均输沙量为39.3万吨。珊溪工程按实测推移质输沙率占悬移质输沙率的20%估算,即推移质输沙率为2.5,多年平均推移质输沙量为7.87万吨。珊溪坝址多年平均总输沙率为15.0,多年平均输沙总量为47.2万吨。本流域水土流失现象尚不严重,因此泥沙对水库使用不致构成严重问题。
    1.4水库区工程地质
    1.4.1水库区地质概况
     1) 地形地貌
    珊溪水库区属仙霞山系,北有百祖山与瓯江水系分界,南有雁荡山与敖江分界,西侧隔洞宫山与福建省相邻,组成库边高耸的分水岭,山脉走向北东,山高一般600米左右,分水岭主峰可高达千米以上,地势自西向东渐次递减,呈中低山峡谷地貌。上侏罗纪火山岩、次火山岩组成构造侵蚀类型的中低山,白垩纪陆相碎屑岩组成山间盆地之中的丘陵。阶地多分布于干支流交汇处,I级堆积阶地高出河水面6~10米,Ⅱ级堆积侵蚀阶地高出河水面30~60米,Ⅲ级侵蚀阶地高出河水面120~160米。
    2) 地层岩性
    地层分布主要为侏罗纪上统磨石山组火山岩及火山碎屑岩和白垩纪下统馆头湖相碎屑岩及朝川组碎屑岩与火山岩。区间尚有少量第四系中、上更新统一全新统的近代冲、洪积层和残坡积层。
    岩浆活动仅见燕山运动晚期第三侵入的花岗岩和花岗斑岩,以及第四次侵入的闪长岩,分别出露于本区的西北和东南隅、岩脉发育,酸性——中性——基性岩脉均有所见。多属燕山运动早晚两期,且与晚期侵入为主,本区各处均有分布。
    3) 地质构造
    水库区广布着新华夏系或华夏式构造体系的断裂和断陷盆地所控制的火山杂岩和湖相沉积盖层,以及相伴生的中——酸性侵入岩体。在这套盖层中继续形成对华夏系继承和改造的新华夏系,华夏式和山字型构造形迹,嗣后进入了侵蚀,剥蚀为主的均衡补偿地质时期,其中更新式形成了河谷,山间盆地的松散堆积,以及晚近期隆起上升的构造形迹。
    4) 水文地质
    飞云江流域气候温和,雨量充沛,降雨沿裂隙和空隙下渗,为地下径流主要来源。因地面径流渲泄通畅,所见泉水露头涌水量仅0.11~0.1,且常易干涸。泉水出露高程一般在水库水线以上,表征了地下水补给河水。
    5) 地震地质
    水库及枢纽区位处东南沿海地震区的政和——海丰地震亚带与泉州——汕头地震带之间,历史上破坏性地震少,小震也不多,强度和频度均较低,珊溪水库坝址区未来100年内地震基本烈度为6度。
    1.4.2水库区工程地质条件与评价
    1) 渗漏
    水库为高约数百米的群山环抱,除坝址左岸有一高程187.23米的垭口地形外,库区两岸分岭山体雄厚。水库无永久渗漏之处。松散地层与基岩裂隙所造成的暂时渗漏,初估尚不及总库容的百分之一,对蓄水无影响。
    2) 浸没
    水库位于山间河谷之中,库边正常蓄水位附近无大中型工矿企业及较大居民点,仅有零星分布的梯田,目前尚未发现有开采价值的矿点。因此水库蓄水后除淹没部分村落、农田外,不存在浸没和防护等问题。
    3) 库岸稳定
    水库周边多位坚质、块状的火山岩和沉积组成的沿岸,目前未发现大规模边坡失稳现象。可以预测水库蓄水后亦不致产生大规模的库岸再造。
    1.5坝址区工程地质
    1.5.1坝址区工程地质条件
    1) 地形与地貌特征
    坝址上游河段岩性软硬相同,河谷开阔,常水位时,高约200m,水流偏左岸冲刷,岸坡较缓,且覆盖层广布。拟建坝的河谷地段,岩性坚硬,河谷狭窄,地形较对称。左岸有沙滩分布,水流偏右岸冲刷,平水位谷宽160m,最窄处140m。高程160m时,谷宽约450m,岸坡陡峻,右岸平均坡角40~45°,呈凸形坡;有岸坡角约35~40°岸坡略呈阶梯状。坝趾下游河谷又渐趋开阔。由于坝趾上下游均有深切冲沟发育,可供选择建坝的河段仅长200m左右。坝址河段水流湍急,一般水深4~5m,最深达10余米。两岸山体雄厚,左右岸地形分水岭高程均在200m以上。在勘Ⅱ线上,下游附近分布有Ⅰ级堆积阶地,在坝址区的上下游两岸尚有较高一级的侵蚀或剥蚀阶地分布。
    2) 地层、岩性
    坝址区主要地层为中生界侏罗系上统磨石山组c、b两段共13层、勘Ⅰ线上游岩性复杂,其下游为岩性大一的流纹斑岩;其次为新生界第四系中更新统全新统的冲积、洪积层和残积、坡积层。
        3) 构造断裂与裂隙
    坝址区地质构造主要受华夏系与泰顺山字型东翼复合体系控制。并为新华夏系构造所继承和构造,磨石山组c段地层呈倾角10~350的平缓单斜构造横跨河谷。磨石山组d段地层侧为古火山构造。均依北东方向展布。
    原生裂隙以火山颈相流纹岩内较发育,裂隙呈断续的环状或放射状展布,以及由两组高倾角裂隙构成柱状裂隙。卸荷裂隙近地表发育,以顺坡向为主,裂隙内多充填泥质。
    4) 水文地质特征
    坝址区主要含水层可划分为二个类型:孔隙性含水量类型和裂隙性含水层类型。
    1.6当地材料分布
    1.6.1砂砾料
    砂砾料场位于坝址区上游五公里至下游9公里的河段内,大部分料场分布在河流两侧凸岸漫滩上,根据历次勘探成果,十四个料场砂砾混合储量总计1548.7万,其中坝址上游储量74.98万,水下储量25.74万,合计100.72万,坝址下游水上储量561.13万,水下储量886.86万,合计1447.799万。
    1.6.2石料
    坝址下游左岸溢洪道沟或者右岸牛坑沟内,有裸露的流纹斑岩分布可选作开采石料的场地。引水洞、导流洞、溢洪道施工开挖中所弃置的石渣。也多为微风化或未风化流纹斑岩。这些石料岩性坚硬,抗风化能力强,容重大于2.55,抗压强度大于1800-2000,软化系数不小于0.8~0.9可称优质。

    结论
    设计中首先确定了工程等别和建筑物级别,根据给定的水文资料进行调洪演算,确定了设计和校核洪水位;接下来对选定的浆砌石重力坝进行了定性的可行性分析。其次对溢流坝段和非溢流坝段进行了尺寸的拟定,同时对坝体进行了稳定验算和应力计算。在非溢流坝段设计时,坝高、坝顶宽度以及上下游坝坡均严格采用水工设计的相关规范进行了设计。在溢流坝段设计时,采用了开敞溢流式,此法流量系数较高,泄流能力大,且水流平顺,不易产生不利的负压和空蚀破坏。由于坝体较高,水流下泄时流速大,故在溢流坝段尾部设置挑流消能。挑流消能通过鼻坎可以有效地控制射落入下游河床的位置、范围和流量分布,结构简单,施工、维修方便,工程量小,设计结果符合规范要求,具有较高的可靠性。在抗滑稳定分析时,采用以坝基面为分析截面。抗滑稳定的计算方法采用了抗剪强度公式和抗剪断强度公式,分别计算了正常、设计、校核三种工况,计算结果均满足抗滑稳定要求。在应力分析时采用材料力学法,分别计算了正常、设计、校核和施工期四种工况,通过分析计算结果得出坝踵垂直应力不出现拉应力,坝址垂直应力小于坝基容许压应力。在细部构造时,对溢流坝和非溢流坝坝顶构造进行了设置,同时对闸门的选择,闸墩的布置,坝体分缝,坝体止水按照水工设计规范进行了设计。因此本工程在技术上是可行的。
    引水发电隧洞洞径确定采用经济流速法,衬砌计算时,采用结构力学方法计算,根据SL 27 9-2 0 0 2《 水工隧洞设计规范》按双层钢筋混凝土衬砌限裂设计,配筋计算采用公式法,计算配筋面积为负值,按最小配筋率配筋。由于隧洞洞径较大,规范建议采用有限元进行计算。本次设计并未采用有限元进行分析计算,这也是本次设计还需进一步收入研究的地方。
    本工程在坝型选择时并未进行多种坝型的综合比较,只是定性分析了浆砌石重力坝的可行性;本工程在进行导流建筑物设计时,未进行围堰,导流隧洞的经济最优选择;泄空洞的布置,是布置成坝身式,还是导流隧洞改建而成,布置成有压还是无压,也是需要进行技术、经济、环境比较的。本次设计只是选取一种方式进行了初步设计,这些都是本工程还需要进一步研究的地方。
     
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