钟吕水利枢纽复合土工膜防渗面板堆石坝设计说明书（二）

- 1 -摘 要本次设计主要是为了开发利用 B 江流域的水利资源，建设一个以发电为主，同时兼顾灌溉、供水、防洪及养殖等综合利用效益的跨流域开发的水利水电枢纽工程。在明确了建设目的并具有了建设依据和条件后设计的枢纽概况如下：B 江水利枢纽为复合土工膜防渗堆石坝。最大坝高 52.8m，装机 6400KW，电站设计水头为 174m，多年平均发电量为 1700104kWh，保证出力 1461KW。本电站装2 台 3200KW 机组，正常蓄水位 276.1m。最大引用流量为 5 。sm/3本次设计主要内容为：经洪水调节确定坝顶高程；坝型的比选；第一主要建筑物的设计；施工组织设计，第一建筑物的概预算以及招标文件的编写。设计主坝长 220m 左右，上游边坡 1：1.55，下游 252 高程设马道，边坡比为 1:1.53。副坝长 90m 左右，以圆弧和主坝连接。复合土工膜防渗堆石坝是一种新的坝型，其防渗材料-复合土工膜的设计、施工、质量控制是该类坝型的技术关键，在本设计说明书第六章第三节有详细说明。设计中，根据已经定好的坝体参数，进行了施工组织设计，确定了工程的起始时间和完工时间。并根据坝体严格谨慎得计算出工程量清单，由此清单编制了第一建筑物概算表，确定第一建筑物概算金额为 8704 万元。本设计的最后一个专题是招标文件的编写，本设计参照实际工程的招标文件编制了钟吕水利枢纽的招标文件，对应上一个专题，将主坝，副坝作为一个标段进行了招标。关键词：复合土工膜、堆石坝、防渗、趾板、投标文件、主坝、副坝、施工组织设计、概算。- 2 -AbstractThis design is mainly to develop and use the drain areas wanter resource of the B river,constructing one project to generate electricity primarily,simultaneously give attention to the irrigation, the water supply, the flood prevention and the cultivation and so on ,whose comprehensive utilization benefit would cross the basin.It will proved to be an important water conservation and electricity project.Having the purpose and the environment of the construction,the project is designed as follows: The B river hydro-electric project is the compound earthwork membrane anti-seepage rock-fill dam. The dams biggest height is 53.2m, installs equipment 6400kW.The power plants design water height is 174m, which guarantees to make electricity in 1461kW,and is loaded with two 3200kW units.The normal store water level is 276.1m，and the biggest flux is 5 .sm/3The designs primary coverage is calculating the flood and confirm the crests height of the dam;comparing different styles of dams and make sure the most appropriate one;designing the first building;making the construction management plan;making the first buildings f financial estimates and making out the bidding document.The main dam long about 220m,and the upstream side slope 1:1.55, on the downstreams ,which slope 1:1.53,252 level make a rode.The side dam long about 90m,which connect with the main dam with a circle.The compound earthwork membrane anti-seepage rock-fill dam is one kind of new dam, its impervious material-the compound earthwork membranes design,construction,quality control are this kind of dams technical keys.In the design,according to the data of the dam,I make the construction management plan and confirm the beginning date and the finishing date.According to the data,I make out the amount of constructing cautiously,and from these constructing amount I can find that the cost of the first constructing is about ￥870400.The last task of this design is to make a piece of bidding document.According to some bidding documents of the projects similar,I make the document of ZHONGLV hydroelectric project,in which the main dam and the side dam are seemed as the same bid.key word: The compound earthwork membrane, the rock-fill dam, the anti-seepage,toe-slab , the bidding documents, the main dam, the side dam, the constructing management plan, financial estimate.- 3 -目 录目 录 - 1 -第一章 综合说明 .- 7 -1.1 工程特性表 - 7 -1.2 建设目的和依据 - 9 -1.3 建设的条件 - 9 -1.4 建设的规模及综合利用效益 - 9 -1.4.1 建设规模 - 9 -1.4.2 综合利用效益 .- 10 -第二章 自然地理条件 - 11 -2.1 地形条件 .- 11 -2.2 水文特性 .- 11 -2.3 工程地质条件 .- 12 -2.3.1 库区工程地质 .- 12 -2.3.2 坝址工程地质 .- 12 -2.3.3 引水发电隧洞工程地质条件 .- 15 -2.4 气象、地震及其他 .- 16 -2.4.1 气象、地震 .- 16 -2.4.2 天然建筑材料 .- 16 -第三章 设计条件和设计依据 - 17 -3.1 设计任务 .- 17 -3.2 设计依据 .- 17 -第四章 洪水调节计算 - 18 -4.1 洪水调洪演算 .- 18 -4.1.1 洪水调洪演算原理 .- 18 -4.1.2 洪水调洪演算方法 .- 20 -4.2 洪水标准分析 .- 21 -4.3 泄水建筑物的型式选择 .- 21 -4.3.1 型式比较确定 .- 21 -4.3.2 溢洪道的组成部分和总体布置 .- 23 -4.4 调洪演算及泄水建筑物尺寸（孔口尺寸/堰顶高程）的确定 - 23 -4.4.1 调洪演算过程 .- 23 -4.4.2 洪水过程线的模拟 .- 23 - 4 -4.4.3 计算公式 .- 24 -4.4.4 计算结果 .- 24 -4.4.5 方案选择 .- 25 -4.4.6 坝顶高程的确定 .- 25 -第五章 主要建筑物型式选择及枢纽布置 - 29 -5.1 枢纽等别及组成建筑物级别 .- 29 -5.2 坝型选择 .- 29 -5.2.1 定性分析 .- 29 -5.2.2 定量分析 .- 34 -5.3 泄水建筑物型式选择 .- 34 -5.4 枢纽方案的综合比较 .- 35 -5.4.1 挡水建筑物 复合土工膜防渗堆石坝 .- 35 -5.4.2 泄水建筑物 正槽溢洪道 .- 35 -5.4.3 水电站建筑物 .- 35 -第六章 第一主要建筑物设计 - 36 -6.1 大坝轮廓尺寸及防浪墙设计 .- 36 -6.1.1 L 型挡墙顶高程及坝顶高程、宽度 .- 36 -6.1.2 坝体分区 .- 36 -6.1.3 L 型挡墙设计 .- 37 -6.1.4 坝坡与马道 .- 44 -6.2 堆石料设计 .- 44 -6.2.1 堆石料基本特性参数 .- 44 -6.2.2 主、次堆石料设计 .- 44 -6.2.3 垫层、过渡层设计 .- 45 -6.2.4 堆石体设计技术参数表 .- 45 -6.2.5 堆石体填筑技术参数表 .- 45 -6.3 复合土工膜设计 .- 46 -6.3.1 复合土工膜的选型和分区 .- 46 -6.3.2 土工膜强度校核 .- 47 -6.4 坝坡稳定分析 .- 49 -6.4.1 计算原理及方法 .- 49 -6.4.2 坝坡稳定分析 .- 50 -6.4.3 坝坡面复合土工膜的稳定分析 .- 51 -6.5 副坝设计 .- 53 -6.5.1 副坝及主坝的连接及副坝型式选择 .- 53 - 5 -6.5.2 副坝的坝体地基处理防渗设计 .- 56 -6.6 细部构造设计及地基处理 .- 56 -6.6.1 坝顶构造 .- 56 -6.6.2 护坡设计 .- 57 -6.6.3 分缝及止水 .- 57 -6.6.4 坝基处理 .- 58 -6.7 趾板设计 .- 61 -6.7.1 趾板的作用 .- 61 -6.7.2 坝轴线选取 .- 62 -6.7.3 趾板最大剖面设计 .- 63 -6.7.4 趾板各剖面设计 .- 64 -6.7.5 趾板分块 .- 65 -6.7.6 趾板配筋 .- 65 -6.8 坝体沉降估算 .- 66 -6.9 工程量计算 .- 66 -6.9.1 工程量计算的依据及项目划分 .- 66 -6.9.2 主坝工程量计算 .- 67 -6.9.3 副坝工程量计算 .- 68 -6.9.4 趾板工程量 .- 68 -6.9.5 工程量清单 .- 68 -第七章 施工组织设计 - 71 -7.1 基本资料分析 .- 71 -7.1.1 工程概况 .- 71 -7.1.2 施工条件 .- 71 -7.1.3 有效工日分析 .- 71 -7.2 施工导流 .- 73 -7.2.1 导流标准 .- 73 -7.2.2 施工导流方案及大坝施工分期 .- 74 -7.2.3 导流建筑物规划布置 .- 74 -7.3 主体工程施工 .- 77 -7.3.1 堆石体施工 .- 77 -7.3.2 混凝土施工 .- 81 -7.3.3 导流隧洞施工 .- 83 -7.4 施工交通运输道路布置 .- 87 -7.4.1 布置原则 .- 87 - 6 -7.4.2 布置说明 .- 87 -7.5 施工总进度 .- 87 -第八章 第一建筑物概算 - 89 -8.1 工程基本概况 .- 89 -8.1.1 工程概况 .- 89 -8.1.2 施工项目 .- 89 -8.2 投资主要指标 .- 89 -8.3 编制依据 .- 89 -8.4 基础单价及相关费率 .- 90 -8.4.1 人工工时概算价格 .- 90 -8.4.2 施工用风、水、电概算价 .- 90 -8.4.3 主要材料与次要材料概算价格 .- 90 -8.4.4 取费标准 .- 91 -8.4.5 基本预备费及价差预备费 .- 91 -8.4.6 工程概算表 .- 91 -8.5 补充说明 .- 92 -8.6 概算正表 .- 92 -8.7 概算附表 .- 93 -8.7.1 部分建筑工程单价表 .- 93 -8.7.2 部分机械台时费表 - 108 -8.7.3 砂石料计算表 - 111 -参考文献 - 118 - 7 -第一章 综合说明1.1 工程特性表表 1-1 工程特性表序号及名称 单 位 数 量 备 注一、水库流域面积 km2 33正常高水位 m 276.1死水位 m 248.0汛前限制水位 m 274.0设计洪水位 m 278.1校核洪水位 m 279.6设计泄洪流量 m3/s 172.5校核泄洪流量 m3/s 265.9总库容 万 m3 2326死库容 万 m3 172.0兴利库容 万 m3 1749.0有效库容 万 m3 2154.0二、大坝坝型 复合土工膜防渗堆石坝坝顶高程 m 280.3防浪墙顶高程 m 281.5坝顶宽度 m 8.0最大坝高 m 52.8上游坝坡 11.55下游坝坡 11.53马道高程 m 252.0主坝坝轴线长 m 220副坝型式 重力式挡墙副坝坝轴线长 m 90导流洞型式 圆形导流洞进口底高程 m 227.5- 8 -导流洞出口底高程 m 226.5导流洞半径 R m 2.4导流洞长度 m 200三、溢洪道溢流前缘净宽 m 10堰顶高程 m 274设计流量 m3/s 172.5校核流量 m3/s 265.9闸门型式 平板闸门尺寸（宽高） m2 106四、厂房系统1动能指标最大净水头 m 174.0额定水头 m 174.0最小水头 m 143.0引用流量 m3/s 5.0额定出力 kW 6400保证出力 kW 14612厂房厂房型式 地面式厂房面积 m2 31.515.7主厂房宽度 m 10.8机组台数 2机组安装高程 m 103.0水轮机型号 HL110-WJ-76发电机型号 SFW-J3000-6/1480开关站面积 m2 11.527.25五、引水系统进水口型式 塔式进水口高程 m 244.7压力钢管直径 m 1.2管壁厚度 mm 10有压隧洞洞径 m 1.8衬砌厚度 cm 50- 9 -钢衬厚度 mm 4调压井最高涌浪水位 m 280.0调压井最低涌浪水位 m 226.32六、工程量1主坝基础开挖量 m3 78479.3堆石料填筑量 m3 512361.9混凝土方量(L 型挡墙) m3 1003.1混凝土方量（趾板） m3 566.94混凝土方量（现浇混凝土保护层） m3 1149.82副坝基础开挖量 m3 2738.2混凝土方量 m3 5711.63溢洪道溢洪道开挖量 m3 16979.53混凝土衬砌方量 m3 2883.251.2 建设目的和依据B 江水利枢纽工程是以发电为主，同时兼顾了灌溉、供水、防洪及养殖等综合利用效益的跨流域开发的水利枢纽工程。1.3 建设的条件建设资金基本到位，施工准备工作已经就绪。1.4 建设的规模及综合利用效益1.4.1 建设规模本电站装机 6400 kW，保证出力 1461kW。厂房总面积为 31.515.7。开关站尺寸为 11.527.25。水库总库容（校核洪水位以下的全部库容）为 2154.8 万 m3。- 10 -1.4.2 综合利用效益1.4.2.1 发电装机 6400kW，电站设计水头为 174m，多年平均发电量为1700104kWh，保证出力为 1461kW。本电站装 2 台 3200kW 机组，正常蓄水位为 276.1m，引水式发电，引水隧洞布置在右岸山体中，最大引用流量为5m3/s。厂房位于段莘水江湾湖山村左岸下游 340m 处，地面式，总面积为31.515.7，其中主厂房宽 10.8m，主厂房内安装二台 HL110-WJ-76，配SFW-J3000-6/1480 的水轮发电机组，机组安装高程为 103m，开关站位于厂房的左上侧，尺寸为 11.527.25。1.4.2.2 灌溉下游利用发电尾水灌溉，上游增加灌溉面积 1.0 万亩。1.4.2.3 供水供钟吕村及其下游村民生活用水。1.4.2.4 防洪可减轻洪水对钟吕村及下游江湾镇的威胁，要求设计洪水最大下泄量限制为 245m3/s。1.4.2.5 渔业水库蓄水后，正常蓄水位时水库面积 1.09km2，为发展养鱼等水产养殖业创造了有利条件。- 11 -第二章 自然地理条件2.1 地形条件钟吕水库位于江西婺源县乐安河一级支流晓港水的钟吕村上游约 160m 处，坝址以上控制流域面积 33km。晓港水在钟吕村上游约 300m 处，由两支水系汇合而成，其中东支发源于石耳山，南支发源于清湾头尖，河流在晓港村汇入乐安河，本流域上游为中低山区，山势陡峭，中下游为低山丘陵区，山体凌乱，冲沟发育。2.2 水文特性据水文资料推算，坝址处多年平均流量 1.28m/s，多年平均总径流量 4040万 m，p=0.1%的洪峰流量为 551.5m/s,三日洪量为 1569 万 m，p=2%的洪峰流量为 364.5m/sec,三日洪量为 965 万 m。流域多年平均降雨值 2047.7mm。正常蓄水位 276.1m，对应库容 V 正=1921 万 m。死水位 248m，对应 V 死=172 万 m。流域河段多年平均输砂量为 0.29 万吨，泥沙容重估算为 1.3t/m。估计水库淤积年限与高程关系（见表 2-1）：表 2-1 淤积年限与高程关系表淤积年限（年） 泥沙淤积量（万 m） 淤积高程（m）50 11.05 236.08100 22.1 237.78水库水位库容关系曲线（见表 2-2）：表 2-2 水库水位库容关系曲线表水位（m） 227.5 236.08 237.78 248 276 278.11库容（10 4m） 0 11.05 22.1 172.0 1910.0 2145.2坝址水位-流量关系曲线（见表 2-3）：- 12 -表 2-3 坝址水位-流量关系曲线表2.3 工程地质条件2.3.1 库区工程地质库区属构造剥蚀低山地貌，山势陡峭，分水岭雄厚，地形封闭，植被良好，未见滑坡等不良物理地质现象。组成库岸及库盆的地层岩性主要为前震旦系板溪群的千枚状绿泥绢云母板岩，千枚岩和变质砂岩。库区岩石受多次构造运动的影响，断层和裂隙发育，岩石的褶皱和挠曲也很常见，构造行迹以北东向压扭性为主，常见有北西向张扭性断裂和近东西向平推断层，未见有较大的导水断裂连通库外。库区地下水类型主要为第四系松散堆积物孔隙潜水和基岩裂隙水，受大气降水补给，排泄于河谷与河床，库岸山体地下水位较高，一般在 300m 高程以上，组成库岸及库盆的岩石表部透水性强，但深部岩石透水性微弱，属相对不透水层。库区工程地质良好，水库蓄水后，不存在永久渗漏、岸边再造、浸没及水库诱发地震等问题。2.3.2 坝址工程地质2.3.2.1 地貌 坝址区属构造剥蚀低山地貌，山顶高程为 280450m ，坝区河床较宽，约2050m，为一“U”型河谷，两岸山坡不对称，左岸山体雄厚，山坡角3040 度，右岸山体较为单薄，山坡角 2030 度，且在右岸有一低矮垭口，顶高程约 276m，坝址区冲沟发育，且切割较深，未见滑坡等不良物理地质现象，自然边坡稳定。2.3.2.2 地质岩性水位(m) 227.5 228.0 228.5 229.0 229.5 230.0 230.5流量(m/s) 0 6.0 28.9 66.77 121.97 196.05 281.78- 13 -坝址区出露的地层岩性为前震旦系板溪群第四段绿泥绢云母千枚岩夹变质砂岩，第四系松散堆积物及变质辉常岩，其岩性特征为：1、泥绢云母千枚岩：灰绿色，主要矿物成分为绢云母、石英、长石、绿泥石等，千枚状构造，其余碎屑显微鳞片状构造，岩石挠曲和褶皱常见，片理极发育，岩层产状 N4060E，NW0.7；弱风化岩石0.55；饱和抗压强度：微新岩石40MPa；弱风化岩石25MPa；- 15 -表 2-4 堆石试验参数表组别 试验干密度 （g/cm） C pko K n Rf G F DA 2.10 47 38.58 80 0.35 0.82 0.46 0.20 1.5B 2.05 60 37.72 60 0.32 0.81 0.43 0.18 1.8（2）复合土工膜试验参数（见表 2-5）表 2-5 复合土工膜试验参数表项 目 单 位 量 值 备 注单位面积质量 g/m2 11001300 350/0.4/350350/0.6/350250m 高程以上 mm 0.4250m 高程以下 mm 0.6膜 厚周边缝等处 mm 0.8周边缝、水平缝、分缝处强度 kN/m 1518 350/0.4/350350/0.6/350宽条纵向拉伸 伸长率 % 50强度 kN/m 1518 350/0.4/350350/0.6/350窄条纵向拉伸 伸长率 % 50与水泥砂浆 0.577摩 擦 系 数与现浇砼 0.6粘 结 力 kg/cm2 0.1渗 透 系 数 cm/s 110-112.3.3 引水发电隧洞工程地质条件引水发电隧洞通过地段属低山地貌区，山顶高程 300400m 相对高程100200m，隧洞区冲沟发育，山体切割较深且较零乱，地表植被发育，未见有不良物理地质现象。隧洞围岩由绢云母千枚岩、变质粉砂岩、凝灰质千枚岩与粉砂质板岩 层。绢云母千枚岩偶夹粉砂质板岩及粉砂质板岩等组成。岩石层面裂隙极发育、褶皱、挠曲严重，断层发育切规模大，性状差，其中绢云母千枚岩、凝灰质千枚岩水理性质较差，且遇水易软化，软化系数低，凝灰质千枚岩成分复杂，还易- 16 -于风化。绢云母千枚岩与凝灰质千枚岩在洞线出露的长度占洞线总长的 19%，说明洞线围岩大部分由绢云母千枚岩与凝灰质千枚岩构成。根据工程类比可知：千枚岩的单轴饱和抗压强度为 1640Mpa，软化系数0.630.93，属半坚硬较软化，抗水性较差的片状（薄层状）岩体。2.4 气象、地震及其他2.4.1 气象、地震流域内气候：流域内多年平均气温 16.7，以一月份平均气温 4.6为最低，七月份平均气温 28为最高，历年极端最高气温 41，极端最低气温-11。风速及吹程：多年平均最大风速 12.6m/s，吹程 1.6km。地震烈度：坝址及库区地震烈度属度以下，设计时可不考虑地震荷载。降 雨 量：流域多年平均降雨均值 2047.7mm。2.4.2 天然建筑材料2.4.2.1 砂砾石料坝址流域砂砾石料贫乏，但在江湾水和段莘水流域有梨苗场和古玩料场，距大坝约 1015km,有公路相通，运输方便。梨苗场 、古玩料场均为砂卵（砾）石混合料，砂卵（砾）石储量丰富，质量良好，满足工程要求。2.4.2.2 堆石料坝址附近广泛分布绿泥绢云母千枚岩，弱至微风化岩石，岩性较坚硬，力学强度较高，质量较好，储量丰富，可作为大坝堆石料。坝址附近粘土很少，坝址上下游有一定的粘土分布，均为当地农民耕地。- 17 -第三章 设计条件和设计依据3.1 设计任务在对原始材料进行综合分析的基础上，并结合本次设计的专题研究，要求：（1）根据防洪要求，对水库进行洪水调节计算，确定坝高程及岸坡溢洪道尺寸；（2）通过分析，对可能的方案进行比较，确定枢纽组成建筑物型式，轮廓尺寸及水利枢纽布置方案；（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，拟定地基处理方案和坝身结构，进行水力、静力计算；（4）进行专题的设计：施工组织设计，进行第一建筑物的概预算，编写招标公告及其它招标文件。3.2 设计依据包括相关参考文献、主要设计规范以及上级机关批文。1、中华人民共和国水利部.混凝土面板堆石坝设计规范.北京:中国水利水电出版社，19982、中华人民共和国水利部.水利水电工程土工合成材料应用技术规范（SL/T225-98）.北京：中国水利水电出版社，19983、中华人民共和国水利部.水工建筑物荷载设计规范.北京：中国水利水电出版社，19984、中华人民共和国水利部.水利水电工程等级划分.北京：中国水利水电出版社，20005、中华人民共和国水利部.水工挡土墙设计规范.北京：中国水利水电出版社，2007- 18 -第四章 洪水调节计算4.1 洪水调洪演算4.1.1 洪水调洪演算原理洪水在水库中运行时，水库沿程的水位、流量、过水断面、流速等均随时间而变化，其流态属于明渠非恒定流。根据水力学，明渠非恒定流的基本方程，即圣维南方程组为：连续性方程： （4-0sQt1）运动方程： （4-21Ksvgsz2）式中： 过水断面面积 (m2)； 时间（s） ；t 流量（ m3/s） ；Q 沿水流方向距离（m） ；s 水位（ m） ；Z 重力加速度 (m/s2)；g 断面平均流速(m/s)；v 流量系数(m 3/s)。K一般采用简化的近似解法，长期以来，普遍采用瞬时法，即用有限差值来代替微分值，并加以简化，以近似地求解一系列瞬时流态。瞬时流态法将式(41) 进行简化而得出基本公式，再结合水库的特有条件对基本公式进行简化，得出用于水库调洪计算的实用公式：（4-tVtqQq 12121)()(3）- 19 -式中： ， 分别为计算时段初、末的入库流量(m 3/s)；1Q2 计算时段中的平均入库流量(m 3/s) ， =( + )/2；Q12， 分别为计算时段初、末的下泄流量(m 3/s)；1q2 计算时段中的平均下泄流量(m 3/s)， ；/21q， 分别为计算时段初、末水库的蓄水量(m 3)；1V2 与 之差；12 计算时段。t公式(4-3)表示为一个水量平衡方程式，表明：在一个计算时段内，水库水量与下泄水量之差即为该时段中水库蓄水量的变化。显然，公式中并未计入洪水入库处至泄洪建筑物间的行进时间，也未计入沿程流速变化和动库容等影响，这些因素均是其近似性的一个方面。当已知水库入库洪水过程线时， 、 、 均为已知， 、 ，则是计算1Q21Vq时段 开始时的初始条件。于是，式(4-3)中的未知数仅剩下 、 ，当前一时t 2段的 、 求出后，其值即成为后一时段的 、 值，使计算能逐步地连续进2Vq1Vq行下去。仅一个方程来求解 、 是不可能的，必须再有一个方程式2Vq，与式(4-3)联立，才能同时解出 、 的确定值，假定暂不计及自2()f 2水库取水的兴利部门泻向下游的流量，则下泻量 是泄水建筑物泻流水头 的qH函数，而当泄洪建筑物的型式、尺寸等已确定时(4-4)BqfHA式中： 系数，与泄洪建筑物的型式、尺寸、闸孔开度及淹没系数有关；A 指数，对于堰流 B 一般等于 3/2，对于闸孔出流一般 B=1/2。B根据水力学公式， 与 的关系曲线可求。若是堰流 即为库水位 Z 与堰qH顶高程之差；若是闸孔出流 即为库水位 Z 与闸孔中心线高程之差。因此可以H根据 与 的关系曲线求出 Z 与 的关系曲线 ，并且由库水位 Z，又Hq qf可借助于水库容积特性曲线 ，求出相应的水库蓄水容积 ，则式(4-4)VfV可用下泄流量 与库容 的关系曲线代替，即 ，与式(4-3)联立方程组，f求解 、 。2Vq当水库承担下游防洪任务时，要求保持 不大于下游允许的最大下泄流量q- 20 -时，就要利用闸门控制流量 ，但计算的基本公式和方法与上述一致。maxqq本设计泄水建筑物是正槽溢洪道。采用闸门全开式泄洪，故下泄流量是， 即为库水位 Z 与堰顶高程之差，由于资料有限仅有 0.1%和 2%的32AH流量及其对应的三日洪峰流量，无法描绘出洪水过程线，故采用三角形法拟画出洪水过程线（具体做法见本章 4.4 节） 。本设计中进行调洪演算是为了定出设计、校核水位及相应的下泄流量，已知下泄量与水头的关系曲线（即式 4-4） ，通过假定下泄流量 ，可利用洪水过程线计算出水库蓄水量 ，通过q V可查出对应的水位，得到 曲线，通过两条 q-Z 曲线即得到设VfZqfZ计、校核水位及相应流量。4.1.2 洪水调洪演算方法进行洪水调节计算的方法很多，目前常用的是：列表试算法，半图解法。由于本工程是以发电为主要任务的枢纽工程，故本设计中以引水发电流量作为起调流量（5m 3/s） 。但是因其较小，故而在实际操作中会出现先放水再拦洪的情况。鉴于本工程等别较低且没有足够的水文资料，所以采用近似的方法简化三角形法，即高切林法。首先用三角形法模拟出相应的设计和校核工况的洪水过程曲线，初步拟定堰顶高程 和堰宽 ，在曲线上取起调流量为 5m/s。选定一组不同的最大下1H1B泄流量 ，则对应可得一组库容增量 。由堰顶高程可知起调水位，432,qV查水位库容曲线可得起调库容 ，又由 可得此时的总库容，由总库V总容又可得到对应的水位 。这样，便得到一条 曲线。又由qH，可得另一条 曲线，二者的交点便是对应堰顶高程 和321()qmq 1H堰宽 下的相应工况的水位和下泄流量。取不同的堰顶高程和堰宽，便可得到1B不同的交点，根据实际运用工况选择恰当的一组，便可得到相应的设计工况和校核工况。下面列出设 B=7m 时，不同堰高的不同计算简图。- 21 -洪水计算简图4.2 洪水标准分析由给定的资料情况，采用以下洪水标准：设计情况，采用 50 年一遇的洪水标准P=2%的洪峰流量为 364.5 m3/s,三日洪量为 965 万 m3。校核情况，采用千年一遇的洪水标准p=0.1%的洪峰流量为 551.5 m3/s,三日洪量为 1569 万 m3。4.3 泄水建筑物的型式选择4.3.1 型式比较确定水利枢纽中的泄水建筑物一般包括设于河床的溢流坝、泄水闸、泄水孔，设于河岸的溢洪道、泄水隧洞等。本设计采用坝型为复合土工膜防渗堆石坝（具体见 5.2 节） ，因此泄水建筑物一般不布置在河床。下面根据本工程的地形、地质条件，对正槽溢洪道、侧槽溢洪道及泄水隧- 22 -洞这三种泄水建筑物进行比较选择。泄水隧洞布置得一般原则是：地质条件好，路线短，水流顺畅，与枢纽其他建筑无相互不良的影响。洞线宜选择在沿线地质构造简单、岩体完整稳定、岩性坚硬，上覆岩体厚度大，水文地质条件有利和施工方便的地段。避开围岩破碎、地下水位高或渗水量很大的岩层和可能坍塌的不稳定地带，同时防止洞身离地表太浅。本工程坝址区地处华夏系及新华夏系构造复合部位，坝址区断层裂隙发育，岩石破碎，岩层坍塌和挠曲常见。坝址区岩石的透水性及相对不透水层经先导孔压水试验，左岸相对不透水层埋深 1024 米，上部透水层 q 值为 6.7196.7Lu ，大者达到 341.7Lu，属中等-严重透水层。本工程最大坝高 53.0 米，正常蓄水位 276.3 米，因此要避开透水层而布置泄水隧洞，工程量显然很大，而且本工程地质条件不好，故不采用隧洞泄洪。河岸溢洪道是布置在拦河坝坝肩或拦河坝上游水库库岸的泄洪通道，上游水库多余的来洪经此泄往下游河床，常以堰流方式泄水，有较大的超泄能力。包括两种型式：正槽溢洪道过堰水流方向与堰下泄槽纵轴线方向一致和侧槽溢洪道水流过堰后急转近 90，再经泄槽下泄。从地质条件上来说，溢洪道应力争位于较坚硬的岩基上，但较泄洪隧洞要求较低，但在地基条件差的基岩上，要注意衬砌和防冲的设计。同时对于堆石坝而言，河岸溢洪道可与坝体相接，从而既可减少溢洪道的开挖量，也可以减少坝体的填筑量。因此，本工程泄水建筑物采用河岸溢洪道。正槽溢洪道在水力学上的特点是，泄流能力完全由堰的型式、尺寸以及堰顶水头决定，过堰流量稳定于某一值后，泄槽各断面的流量也随之都达到同一值，故水流平顺稳定，运用安全可靠，另外，结构简单、施工方便。侧槽溢洪道在当水利枢纽的拦河坝难以本身溢流，且河岸陡峭，布置正槽溢洪道将导致巨大的开挖量时，可能成为比较经济的泄水建筑物。与正槽溢洪道相比，侧槽溢洪道前缘可少受地形限制，而向上游库岸延伸，由增加溢流前缘宽度而引起开挖量增加较少，从而可以以较长的溢流前缘宽度换取较低的调洪水位，或换取较高的堰顶高程。本工程的溢洪道布置在左岸（说明见 5.5 节） ，岸坡较陡优选侧槽溢洪道，但是，溢洪道的兴建需要注意和解决的问题是，高水头、大流量及不利地形地质条件下，高速水流引起的一系列水力学和结构问题，而侧槽溢洪道的水流现象复杂，进槽水流须立即转弯近 90，再顺槽轴线下泄，对每一个不同的侧槽断面，其所通过的流量是不相同的，然而，侧槽内的水流现象的复杂性，并不仅仅表现在流量的沿程的变化上，水流自堰跌入侧槽后，在惯性的作用下，冲- 23 -向侧槽对岸壁，并向上翻腾，然后再重力作用下转向下游流去，在槽中形成一个横轴螺旋流。考虑到侧槽溢洪道水流现象的复杂，而且本工程坝址区地处华夏系及新华夏系构造复合部位，出露的地层古老，经历了多次构造运动，坝址区断层裂隙发育，岩石破碎，岩层褶皱和挠曲常见。若采用侧槽溢洪道，考虑侧槽内流态复杂，则侧槽及泄水段的衬砌工程含量很大；同时考虑到堆石坝溢洪道可紧靠坝体布置这一优点，同时由于本枢纽的坝体不是很高，正槽溢洪道的开挖量不会增加很大。综上所述，结合本工程的地形、地质条件，泄水建筑物采用正槽溢洪道，布置于左岸与坝体相接。4.3.2 溢洪道的组成部分和总体布置本工程中溢流堰采用实用堰的形式；消能方式为挑流消能。根据调洪演算所选方案，实用堰堰顶高程为 274m，挑出高程为 231.0m。典型的正槽溢洪道，从上游到下游依次由引水渠段、控制堰段、泄槽段、消能段、尾水渠段等部分组成。另外，根据以往的工程经验，溢洪道在大多数情况下很难用到，且工程造价较高，因此，本工程采用 50 年一遇标准(设计洪水标准) 进行溢洪道设计。4.4 调洪演算及泄水建筑物尺寸（孔口尺寸/堰顶高程）的确定4.4.1 调洪演算过程通过洪水资料，由三角形法作出设计情况和校核情况下的洪水过程线；假定堰高、堰宽，确定各情况下的起调流量；假定不同的下泄流量 q，由洪水过程线求出库容 ，由库容 ，查水位库容曲线，找出相应的水位 ，从而对V H于每一组情况下可作出一条 QH 曲线；根据公式 ,又可作出23gmBQ一条 QH 曲线；对应于每一种情况，可从 QH 图中确定相应交点的 Q 和 H值。4.4.2 洪水过程线的模拟由于本设计中资料有限，仅有 p=2%、p=0.1% 的流量及相应的三日洪水总量，无法准确画出洪水过程线。按照规范，洪水过程线应用 P型曲线拟合，但实际操作过程中较难，故本设计中采用三角形法模拟洪水过程线，并在曲线形状上尽量拟合为 P型。根据洪峰流量和三日洪水总量，可作出一个三角形- 24 -（如图中虚线） ，根据水量相等原则，对三角形进行修正，得到一条模拟的洪水过程线（如图中的实线） 。4.4.3 计算公式计算采用公式：（4-5）3/2QmBgH式中：侧收缩系数， =0.9；m流量系数，m=0.502 ；B溢流孔口净宽；H堰上水头。注：1、由于在初步设计是不考虑淹没出流的情况，故淹没系数直接取为1。2、由水力学书可知 。单孔闸门，则 ，圆BHnk00)1(2. 1n弧边墩，则 ，由上可得上述公式简化为： 。0.7k 01.44.4.4 计算结果计算结果见表 4-1： 表 4-1 调洪方案汇总表堰宽B（m）堰顶高程（m）设计洪水位设计下泄流量 校核洪水位校核下泄流量270 275 149.9 277.03 231.47272 276.825 143 278.835 223.3图 4-1 三角形法 图 4-2 洪水过程线 图 4-3 调洪演算- 25 -274 278.695 137.9 280.63 214.9276 280.495 129.9 282.4 205.6270 274.755 163.5 276.605 251.6272 276.595 155.9 278.435 243.2274 278.485 150.9 280.26 234.68276 280.31 142.5 282.06 224.9270 274.545 175.4 276.25 268.8272 276.395 167.4 278.095 260.2274 278.305 166.2 279.94 251.49276 280.145 153.8 281.76 241.4270 274.36 185.9 270.94 283.6272 276.225 177.5 277.81 275.2274 278.145 172.5 279.6 265.910276 280.005 164 281.5 255.94.4.5 方案选择由于设计洪水位不适合小于本设计的正常蓄水位 276.1m，故舍弃堰顶高程为 270m 的各组方案。各组方案的设计下泄流量均小于 245m3/s，为增大下泄能力，适于选择下泄流量比较大的方案。一般情况下坝高是由校核情况控制的，坝高则大坝工程量加大；B 大则增加隧洞的开挖及其它工程量，而 Q/B 即单宽流量越大消能越困难，衬砌要求也高。堰顶宽 7m 和 8m 的方案其 Q/B 值较大，而 10m 方案较小。综合比较之后，定为以下方案：即堰顶高程 274m，溢流孔口净宽 10m；该方案设计洪水位 278.1m，设计下泄流量 172.5m3/s，校核洪水位279.6m，校核泄洪量 265.9m3/s。4.4.6 坝顶高程的确定4.4.6.1 工程等别及建筑物级别和洪水标准的确定由校核洪水位 279.6m 查得相应水库的总库容为 2326 万 m3，水电站装机容量为 6400kW, ,根据我国水利部颁发的现行规范 水利水电工程等级划分及洪水标准 （SL252-2000） ，本工程，即钟吕水利枢纽工程：工程等别为三等，控制属于中型工程，主要建筑物级别为 3 级、次要建筑物级别为 4 级、临时建筑物级别为 5 级。水工建筑物为 3 级的洪水标准：设计下洪水重现期为10050 年，校核下洪水重现期为 20001000 年。4.4.6.2 波浪要素计算本工程位于江西省南部，库区属于低山丘陵地貌， ，26.5vms- 26 -， 按碾压式土石坝设计规范 SL2742001 ，波浪要素的计算可采7.5Dms用鹤地水库公式进行：（4-6）115%32020.76()ghgDvv（4-7）112.53.750200.3()mL上式中： 累积频率为 2%的波高，m；%2h 平均波长，m。L 波浪中心线对应静水位超高，m。z为水面以上 10m 处的风速，正常运用条件下级坝，采用多年平均最大0V风速的 1.5 倍；非常运用条件下的各级土石坝，采用多年平均最大风速。设计波浪爬高值根据工程等级确定，3 级坝采用累积频率为 1%的爬高值。按上述公式算出的为 ，再根据频率法按下表可得出 。%1h%2h%1h表 1-7 不同累积频率下的波高与平均波高比值（ ）/pmh%p/pmh0.010.1 1 2 4 5 10 14 20 50 900.1 3.422.972.422.232.021.951.711.6 1.430.940.370.10.2 3.252.822.3 2.131.931.871.641.541.380.950.43波浪中心线高出计算静水位 hz按下式计算：（4-mzLHcth2%18）式中： 为水深； 为累积频率 1%的波高。H%1h计算结果为：- 27 -表 4-3 各工况下波高、波长及波浪中心线高出计算静水位的距离4.4.6.3 挡墙顶高程的确定根据碾压式土石坝设计规范公式(5.3.1),堰顶上游 L 型挡墙在水库静水位以上高度按下式确定：AeRy%1 （4-9）式中：y坝顶超高；R最大波浪在坝坡上的爬高，按 h1%算；e最大风雍水面高度，按下式算：（4-10）20.36cosvDegHA安全超高。 碾压式土石坝设计规范5.3.1 规定的安全加高值见下表：表 4-4 土坝坝顶安全超高值(m)坝 的 级 别 1 2 3 4、5设 计 1.50 1.00 0.70 0.50山区、丘陵区 0.70 0.50 0.40 0.30校 核平原、滨海区 1.00 0.70 0.50 0.30可由以上公式算出三种情况下的坝顶高程：正常蓄水位 + 正常运用下的超高 = 278.16 m ；设计洪水位 + 正常运用下的超高 = 280.9m ；校核洪水位 + 非常运用下的超高 = 281.46 m ；考虑施工方便和施工的精度，故可选防浪墙顶高程为 281.5m，根据混凝h2% hm h1% Lm hz正常水位下 1.31069 0.587753 1.422363 9.316968 0.682176设计水位下 1.31069 0.587753 1.422363 9.316968 0.682176校核水位下 0.713449 0.319932 0.774237 6.211312 0.303189- 28 -土面板堆石坝设计规范5.4.4 要求，防浪墙顶高于坝顶 1.2m，则坝顶高程为防浪墙顶要高出坝顶 11.2m，本设计取 1.2m,则坝顶高程为 280.3m。4.4.6.4 闸门设计堰宽 B=10m，单扇闸门挡水，选用平板闸门。闸门的高度由挡正常蓄水位确定，取 6m；则其宽高比 10/6=1.7，在 1.6 至 2.0 的范围之内，满足闸门定型制造要求。另外布置时将闸门放在堰顶偏下游一些，以压低水舌使其贴着堰面下泄。闸墩(边墩 )的长度应满足工作桥、交通桥及启闭机等布置要求，取 8m。闸墩高度取决于闸门和启闭机的形式，应保证开启后的闸门底缘高出水库最高洪水位，并留有一定安全超高，取为 8m，闸墩厚度取 2.0m。- 29 -第五章 主要建筑物型式选择及枢纽布置5.1 枢纽等别及组成建筑物级别由上一章经过调洪演算得，校核洪水位为 279.6m，水电站装机容量为6400kW,水库总库容为 2326 万 m3,根据我国水利部颁发的现行规范水利水电工程等级划分及洪水标准 （SL252-2000） ，本工程等别为三等。B 江水利枢纽工程：工程等别为等；主要建筑物级别：3 级；次要建筑物级别：4 级；临时建筑物级别：5 级。5.2 坝型选择坝型选择是坝工设计中首先要解决的一个重要问题，因为它关系到整个枢纽的工程量、投资和工期。坝高、筑坝材料、地形、地质、气候、施工和运行条件等都是影响坝型选择的主要因素。5.2.1 定性分析5.2.1.1 各种常见坝型比较水利枢纽中的挡水建筑物拦河坝常见的主要型式有：重力坝、拱坝、支墩坝、土石坝及新型坝型如碾压混凝土坝、面板堆石坝等。下面根据本工程的地形、地质条件和材料储备情况对以上坝型进行比较，选择适合的坝型。1、拱坝拱坝是在平面上呈凸向上游的挡水建筑物，借助拱的作用将上游水压力的全部或部分传给河谷两岸的基岩。拱坝的工作原理：一是依靠拱的作用，将荷载传给拱座；二是依靠悬臂梁的作用将荷载传给基岩。其主要特点：（1） 受力条件好，河谷形状深窄较好；（2） 坝体积小，主要依靠拱作用维持稳定，自重作用影响不大；（3）超载能力强，安全度高；（4）抗震性能好；- 30 -（5）施工技术要求高，地基处理要求严格。根据拱坝的特点，要求建造于狭窄河谷上；对地质较理想的条件是岩石尽量密致，质地均匀，有足够的强度、不透水性和耐久性；两岸拱座基岩坚固而完整，边坡稳定，没有大的断裂构造和软弱夹层。而本工程地形河谷较宽，特别是地质条件较差：断层裂隙发育，岩石破碎，强度低，根据实验，相对不透水层埋藏较深，透水层属中等严重透水层，若建造拱坝，则开挖量必然巨大，且大坝的安全性不高，故不宜建拱坝。2、支墩坝支墩坝是由一系列支墩和其支承的上游挡水盖板所组成，库水压力泥沙压力等由盖板传给支墩，再由支墩传给地基。支墩坝结构较复杂，且对地质条件和拱坝一样高，故对本工程，不宜采用支墩坝的型式。3、重力坝重力坝工作原理：一是依靠自重在坝基面上产生摩阻力来抵抗水平水压力以达到稳定要求；二是利用坝体自重在水平面上产生压应力来抵消由于水压所引起的拉应力以满足强度要求。重力坝的主要特点：（1）抗冲刷能力强；（2）结构简单；（3）对地形地质条件适应性能好；（4）坝体与地基的接触面积大，受扬压力影响大；（5）重力坝的剖面尺寸较大；（6）坝体体积大，水泥用量多，混凝土水化热高，散热条件差。对于本工程，地质条件差，地基承载能力较低，且弱风化岩与混凝土之间的摩擦系数 f=0.50.6,为达到稳定要求必然增加断面面积，增加工程量，而且，用来拌和混凝土的砂砾石料只有在离坝址 1015km 处才有料场，这样会大大增加工程造价，不合理，故不宜选用重力坝。4、土石坝通过以上几种坝型分析，并结合本工程坝址附近具有储量丰富且质量较好的堆石料的情况，建议采用土石坝（又称为当地材料坝）的型式。土石坝的优点：（1）筑坝材料就地取材，节省大量钢材、水泥、木材等建筑材料。（2）适应地形变形能力强。土石坝的结构具有适应地基变形的良好条件，