水庫水利樞紐工程重力壩設計書

1 水庫水利樞紐工程重力壩設計書 第一章 樞紐工程概況及基本資料 本章主要介紹 程的概況、工程目的和設計基本資料，包括水文分析、氣象條件、工程地質、當?shù)亟ㄖ牧?、交通條件、水位和庫容關系曲線、泥沙淤積情況、效益、淹沒、工期等方面的資料，以便在下一步的工作中可依據(jù)以上情況確定壩線、壩型、樞紐布置、剖面設計、細部處理等工作。 第一節(jié) 樞紐工程概況 擬建 址位于遷西縣灑河橋上游十公里揚查子村的灤河干流上。控制流域面積 33700庫容為 水庫樞紐由主壩、電站及泄水 底 孔等組成，水庫主要任務是調節(jié)水 量 ，供天津市和唐山地區(qū)工農(nóng)業(yè)用水、城市人民生活用水，結合引水發(fā)電，并兼顧防洪要求。工程要求 提前收益， 盡早建成。 根據(jù)水庫的工程規(guī)模及其在國民經(jīng)濟中的作用，樞紐定為一等工程，主壩為級建筑物，其它均按級建筑物考慮。 第二節(jié) 工程基本資料 一、水文資料 1、年徑流 灤河水量較充沛，潘家口站多年平均年徑流量為 全流域的 53，年內分配很不均勻，主要集中在汛期七、八月份。豐水年時占全年的 50 60，枯水年占 30 40，且年際變化也很 大。 2、洪水 洪水多發(fā)生在七月下旬至八月上旬，有峰高量大、漲落迅速的特點 。 據(jù)調查，近一百年來有六次大水，其中 1883 年最大，由洪痕估算洪峰流量約為 2440027400m3/s。實測的 45 年資料中，最大洪峰流量發(fā)生在 1962年為 18800 m3/s，洪峰歷時三天左右，由頻率分析法求得： 表 1 1 項目 千年一遇 洪水流量 萬年一遇 洪水流量 千年一遇三天 洪水流量 萬年一遇三天 洪水流量 指標 40400 m3/s 59200 m3/s 1 2 幾個重現(xiàn)期 所 對應的洪峰流量值 重 現(xiàn) 期（年） 10 20 50 100 洪峰流量（ m3/s） 7520 11700 17800 22800 三日洪量（億 1 3 枯水期洪水過程線 2 時段： 9月 1日至次年 6 月 30日 頻率： 5 日期 月、日、時 流量 m3/s 日期 月、日、時 流量 m3/s 日期 月、日、時 流量 m3/s 5 90 40 4 72 4 880 4 430 6 72 6 1010 6 420 8 79 8 772 8 400 10 79 10 730 10 390 12 86 12 690 12 380 14 123 14 660 14 360 16 123 16 610 16 350 18 130 18 560 18 330 20 137 20 520 20 310 22 188 22 490 22 300 24 231 24 450 24 280 表 1 4 設計洪水過程線表 流量：米 3/秒 重現(xiàn)期 (年 ) 日 期 10 20 50 100 7 120 195 221 5 110 180 300 340 8 254 378 576 663 11 604 1170 1290 1460 14 1504 1830 1900 2290 17 1860 2630 3750 4510 20 3790 5370 7650 9200 23 5210 7350 10450 12600 000 8150 11600 14000 5 6800 8830 12000 15200 8 7230 11400 16200 19600 11 7220 11700 17800 22800 14 7340 10400 14800 17800 17 5430 7700 11000 13200 20 3780 5350 7620 9160 3 23 2860 4040 5760 6940 100 2960 4220 5030 5 1670 2360 3360 4050 8 1440 2080 2910 3500 11 1300 1840 2620 3150 14 2270 1700 2350 2840 17 1250 1680 2200 2600 20 1100 1600 2050 2500 23 1050 1580 1830 2100 000 1450 1700 2050 5 950 1350 1600 1880 8 900 1150 1550 1850 11 870 1100 1500 1800 14 850 1045 1450 1700 17 820 1000 1400 1670 3、泥沙 本流域泥沙顆粒較粗，中值粒徑 年泥沙大部分來自汛期七、八月份，主要產(chǎn)于一次或幾次洪峰內，且年際變化很大 。 由計算得，多年平均懸移質輸沙量為 1825 萬 t，多年平均含沙量 推移質缺乏觀測資料?？捎嬋肭罢叩?10 ，這樣總入庫沙量為 2010萬 t。淤砂浮容重為 摩擦角為 12 。 二、 氣象 庫區(qū)年平均氣溫為 10 左右， 1月份最低月平均氣溫為零下 ，絕對最低氣溫達零下 （ 1969 年）， 7月份最高月平均氣溫 25 ，絕對最高氣溫達 39 （ 1955年）。 多年平均氣溫見表 1 5。 表 1 5 多年平均氣溫表 （） 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 氣溫 溫 本流域無霜期較短（ 90 180天），冰凍期較長（ 120 200天），潘家口站附近河道一般 12月封凍，次年 3月上旬解凍， 封凍期約 70 100天，冰厚 邊可達 1m。流域內冬季盛行偏北風，風速可達七、八級，有時更大些，春秋兩季 4 風向變化較大，夏季常為東南風，多年平均最大風速為 s，水庫吹程 D=3 流域多年平均降雨量約為 400 700年平均降水天數(shù)及降水量見下表（表 1 6）。 表 1 6 多年月平均降水天數(shù)及降水量表 月 份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 降 水 天 數(shù) 月平 均 多天數(shù) 5 9 9 8 11 17 21 20 14 11 5 4 最少天數(shù) 0 0 0 1 1 1 4 5 1 0 0 0 降 水 量 毫米 月 平 均 大 小 0 0 0 0 0 三、工程地質 1、庫區(qū)地質 潘家口水庫庫區(qū)屬于中高山區(qū)，河谷大多為峽谷地形，只有西城峪至北臺子一帶較為寬闊，沿河兩岸階地狹窄，斷續(xù)出現(xiàn)且不對稱，區(qū)域內無嚴重的坍岸及滲漏問題。 2、壩址地質 （ 1）地貌 壩址位于揚查子村南 300低谷丘陵地區(qū)，兩岸相對高差不大，河谷開闊，寬約 600m，上下游兩公里范圍內河道順直，主河槽位于右岸。河床高程 137枯水期河床寬約 100m，由于受河流側向的侵蝕，兩岸地形不對稱。右岸坡度較陡約60 左右，左岸 較緩約 20 ，河床中除漫灘外，左岸還有三級階地發(fā)育，一、二級階地高程 自 140m 160m，三級階地與緩坡相接直達山頂。覆蓋層為 7 12m 厚的 砂礫卵石沖積層。 （ 2） 巖性 壩區(qū)主要巖性為太古界拉馬溝片麻巖，其次為第四紀松散堆積物，以及不同時期的侵入巖脈。壩區(qū)范圍內片麻巖依其巖性變化情況 可 分為六大層，其中第一、 四、 5 六層巖性較好 ， 但第一、六層因受地形限制，建壩工程很大。第四 大 巖層（ 4）為角閃斜長片麻巖，具有粗粒至中間細粒纖狀花崗變晶結構，主要礦物為斜長石、石英及角閃石，本層巖體呈厚層塊狀，質地均一 、 巖性 堅硬、抗風化力強、工程地質條件較好，總厚度 185 3、構造 壩址處雖然斷層、裂隙較多，但大部分規(guī)模較小，對工程影響不大，其中 5、 上各斷層的特性見表 1 7，所在部分參見構造分析圖。 表 1 7 編號 走向 傾向及 傾角 寬度（米） 性質 對建筑物的影響 東 85度西北 275度 南 70度 80度 扭 長約 200米一段靠近上游壩鍾。對基礎巖石力學強度及壩基完整均一性有影響。 東 20度 南東 30度 1 扭 位于溢流壩段自上游向下游斜貫 2 3 個壩段降低巖層力學強度。影響完整性和均一性。 東 10度 南東 75度 扭 斷層相距近而交匯，位于溢流壩處斜貫兩個壩段且交匯帶靠近下游側又與 F（壓扭性）相關，對基礎力學強度影響極大。 東 16度 南東 75度 扭 西320度 北東 80度 扭 斷層相距也較近 ， 之間有一號巖脈并 與 壩體成53 度夾角 相交 ，斜穿 5 6 個壩段 ，對壩體有影響地段達 120米。 西320度 北東 75度 扭 4、水文地質 壩基的透水性總的看來不大，但不均一，主要決定 于 斷裂發(fā) 育 程度和性質 。 在平面上，一級階地基巖透水性大于其它地貌單元 ； 從垂向上看，河谷內單位吸水量小于 頂板在 83 105m 高程其間之透水層厚度為 40 50m，若除開挖部分，厚度將更薄一些，兩岸透水層應以天然地下水位為下限，一般都大于 50m，具體參見地質剖面圖。 5、巖石物理力學性質 巖石容重為 和抗壓強度，弱風化和微分化巖石均在650kg/上，有 的可達 1100 kg/砼 與巖石的摩擦系數(shù)：微分化及弱風化下部，可取 f c 6、地震 6 庫區(qū)附近歷史地震活動較為頻繁，近年來微繁、弱震仍 不斷 發(fā)生。其中 1936年和 1976 年兩次發(fā)生 6 度 左右地震， 1977 年 6 月國家地震局地震地質大隊對本區(qū)域地震問題作了鑒定，水庫的基本烈度為 7 度 ，考慮到樞紐的重要性和水庫激發(fā)地震的可能性，攔河壩設防烈度采用 8度 。 四、當?shù)氐慕ㄖ牧?壩址附近主要砂石料場有七處，儲量足以建壩，各料場的物理性質、試驗指標基本滿足技術要求，可作大壩 砼 骨料使用 。 且 有 大量的粘性土及砂壤土料，可供圍堰防滲材料之用。 五、交通條件 對外交通在右岸，公路、鐵路均距壩址較近略加修改或擴建即可直通壩址，壩頂無重要交通要求。 六、水庫水位與庫容關系曲線及淤積年限 詳見表 1 8、 1 9。 表 1 8 水 庫 水 位（ m） 天 然 庫 容（億 三 角 洲 法 萬 氏 法 淤 積 年 限 十年 二十年 五十年 五十年 0 0 0 0 0 前淤積 高程（ m） 1 潘家口水庫 水 位 庫容關系表 水 位（ m） 庫 容（億 水 位（ m） 庫 容（億 水 位（ m） 庫 容（億 7 七、效益 水庫建成后與下游大黑汀、邱莊、陡河等水庫聯(lián)合運用，承擔多年調節(jié)作用。在保證率 P 75時，可調節(jié)水量 劃年補給工業(yè)及城市生活用水 7億 可灌溉農(nóng)田一百余萬畝，達到遇旱有水。電站裝機 3臺，總容量 18萬 千瓦，平均年發(fā)電量 八、淹沒損失 庫區(qū)淹沒范圍包括河北省承德、唐山兩地區(qū)的四個縣（興隆、寬城、承德和遷西），十一個公社四十一個大隊，遷移人口 20700 人，淹沒土地 33400畝，房屋 19100間，公路 25公里。 注：移民遷建標準：經(jīng)領導審查決定清河唐（據(jù)壩線約 40 公里） 以下庫區(qū)段按正常高水位加風浪浸沒安全 2m 定淹沒線，清河唐以上按計入淤積后以 1962 年洪水（相當于 50年一遇）的回水線作為移民線，以五年一遇洪水的回水線作為土地征用線。 九、 施工作業(yè)天數(shù) 本工程由水電部某工程局施工，機械化程度較高 。 施工作業(yè)天數(shù)，根據(jù)本地區(qū)氣溫及降雨等自然條件統(tǒng)計如下： 表 1 10 全年有效施工天數(shù)統(tǒng)計 季 月 項目 合計 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 砼 澆筑 8 11 19 27 27 24 20 21 25 26 28 15 251 土料填筑 0 0 13 25 24 20 13 17 23 25 27 10 197 其他工程 20 22 24 27 27 24 20 25 26 26 26 25 289 十、 工程工期 按施 工 組織設 計 得知，工程總工期為 8年。 十一、其它 施工期 ， 下游無供水要求，無需考慮通航、過木問題。 表 1 11 水庫規(guī)劃及建筑特性指標 項目 單位 指標 備注 水 位 校核洪水位 米 設計洪水位 米 =正常蓄水位 米 =汛期限制水位 米 8 死水位（發(fā)電） 米 180 校核洪水位尾水位 米 設計洪水位尾水位 米 152 正常尾水位 米 庫 容 總庫容 億立米 入十年淤積 調洪庫容 億立米 興利庫容 億立米 公用庫容 億立米 死庫容 億立米 入十年淤積 壩 體 壩 型 砼 重力壩 壩頂高程 米 228 最大壩高 米 103 壩頂長度 米 1024 壩頂溢流孔數(shù) 孔 19 堰頂高程 米 210 每孔凈寬 米 15 工作閘門尺寸 米 15形鋼閘門 啟閉機（ 2 臺 19 固定式卷揚機 設計洪水下泄能力 m3/s 32300 校核水位下泄量 42900 限泄 27500 泄 水 孔 進口底高程 米 160 弧形鋼閘門 底孔數(shù)目 孔 4 工作閘門尺寸（寬 米 5閉 機 臺 4 設計水位泄水能力 m3/s 4340 校核水位泄水能力 m3/s 4430 電站引水管道 引水管道進口底高程 米 條引水管 管線長度 米 管徑 米 最大引水流量 m3/s 104 每條引水道 工作閘門 扇米 米 37 平板鋼閘門 工作閘門啟閉機 臺 3 240 70 噸液壓 平板檢修門 米米 5 共用一扇 檢修門啟閉機 臺 1 400 25 噸門機 電 主機房尺寸（長寬高） 米米 米 72 機組間距 米 16 水輪發(fā)電機組 臺 3 裝機容量 萬瓦 3 6=18 9 站 水輪機型號 額定出力 萬瓦 發(fā)電機型號 750 190額定出力 萬瓦 主要壓器型號 0000 /220 輸電線電壓 千伏 220 共三臺 注 :如遇 千 年一遇洪水 ,水庫最大泄量與區(qū)間同頻率洪水相遇將超過大黑汀水庫的 千年一遇設計洪水。為此需要控制下泄流量而不超過 27500 m3/s,以符合大黑汀水庫設計標準。 第二章 設計內容 本次設計的內容主要包括：壩軸線選擇、壩型選擇和樞紐布置等。設計時首先要根據(jù)已知地形、地質資料，選定壩址，對幾個待定的軸線進行分析比較，確定出壩軸線，并綜合分析，選擇壩型和樞紐的總體布置。 本 樞紐總庫容 大型工程，水庫主要任務是調節(jié)水量，供 天津市和 唐山地區(qū) 工農(nóng)業(yè)用水以及城市人民生活用水， 并結合引水發(fā)電。其所在的流域汛期具有“峰高量大，漲落迅速”的特點，并攜帶大量泥沙。根據(jù)樞紐的任務和目的，并結合灤河流域的自身特點，確定本樞紐建筑物的組成為擋 水壩、溢流壩、泄洪底孔及電站等。進行樞紐布置就是研究這些建筑物的相互位置。 第一節(jié) 壩址和壩軸線的選擇 壩址和壩軸線選擇主要是根據(jù)地形、地質和河勢等條件，綜合考慮決定的。就地形而言，壩址一般選在狹窄河谷處，以節(jié)省工程量。就地質來說，壩基必須是穩(wěn)定的，不受斷層構造的限制，壩址地基要求巖體完整，堅硬，地質構造簡單。經(jīng)過勘測人員實地勘測和調查，潘家口水庫壩址定于遷西縣灑西河橋上游 10 公里揚查子村的灤河干流上。 選擇壩軸線時應與選擇樞紐布置結合起來，一般為直線，并與河流流向近于正交。對本工程，根據(jù)壩址處的地形、 工程地質、水文地質、水流條件，建筑材料、施工條件等選擇出壩軸線，具體分析如下： 一、壩軸線選擇依據(jù) 1、地形 潘家口水庫庫區(qū)屬于中高山區(qū)，河谷大多為峽谷地形，只有西城峪至北臺子一帶較為寬闊，沿河兩岸階地狹窄，斷續(xù)出現(xiàn)且不對稱，為低谷丘陵地區(qū)。故壩軸線應布置在河谷較寬闊的地方，有利于布置電站廠房。由地形圖看，若壩軸線在兩岸山體之間保持直線，則壩頂?shù)竭_預定高程時，軸線過長；如果在兩岸改變原壩軸線方向，使大壩在較短距離到達壩高，可以減少工程量。 2、工程地質 壩區(qū)主要巖性為太古界拉馬溝片麻巖，其次為第四紀松散堆積 物，以及不同時期的侵入巖脈。壩區(qū)范圍內片麻巖依其巖性變化情況分為六大層，其中第一、 四、 10 六層巖性較好 ， 但第一、六層因受地形限制，建壩工程很大，故不宜在此建壩。第四巖層為角閃斜長片麻巖，具有粗粒至中間細粒纖狀花崗變晶結構，主要礦物為斜長石、石英及角閃石，本層巖體呈厚層塊狀，質地均一，巖性堅硬、抗風化力強、工程地質條件較好，總厚度 185m 左右。由于該壩壩高在 100m 上下，則壩底寬 90厚度足以滿足建壩要求。巖石容重為 和抗壓強度，弱風化和微分化巖石均在 650kg/ 的可達 1100 kg/表明地處的巖石是堅硬的。由此可知，無論從巖性還是物理特性上看，第四巖層均能滿足建壩的要求。雖然選擇在第四巖層有許多優(yōu)點，但第四巖層內有較多的斷層、節(jié)理、裂隙和破碎帶，其中 中 亙整個河谷，東西走向，偏南 70 80o，寬 壓扭性質，它將影響壩基的巖石力學強度及其完整性，所以壩基應避開 其是河床部位上游 00近上游壩踵，影響甚大。故 在此段上更要特別重視，壩軸線應略靠下游。其他斷層、裂隙等規(guī)模較小，也多為陡傾角，對工程影響不大，處理起來也較容易。左右岸存在局部的不穩(wěn)定巖體，將影響壩體的穩(wěn)定，故壩軸線應避開此處。左岸下游壩腳處與第三巖層體之間間距較近，而第三大巖體巖石條件較差，也將影響壩的穩(wěn)定性，應使左岸與第三巖層保持一定的距離，同時還要避開 3、水文地質 壩基的透水性不大，但不均一，主要由斷裂發(fā)展程度和性質 決定 。在平面上，一級階地基巖透水性大于其它地貌單元。從垂向上看，河谷內單位吸水量小于 頂板在 83 105m 高程其間之透水層應以天然地下水位為限，一般均大于50m，具體參見地質剖面圖。 4、水流條件 應盡量使壩線和水流方向垂直，避免水流產(chǎn)生渦流，沖刷邊坡，造成不利影響。 5、建筑材料 壩址附近應有足夠的符合質量要求的建筑材料，對于料場的分布、開采條件、埋藏深度和施工淹沒均應考慮。 6、施工條件 為便于導流，要求壩址附近特別是下游有較開闊的地形，以便于布置施工場地，滿足交通便利的要求。 二、壩軸線選擇原則 1、本次設計的為 砼 重力壩，地基應全部坐落在第四大巖層上。 第四巖層為角閃斜長片麻巖，具有粗粒至中間細粒纖狀 花崗變晶結構，巖體呈厚塊狀，地質均一，巖性堅硬，從地質條件上看本地區(qū)有大的節(jié)理和裂隙，應上避斷層，下避第三大巖層。從地形條件上看，應避開兩個山頭，壩軸線為避開巖性不好的地方，做成彎折的，可以縮短壩軸線，節(jié)約 砼 用量，降低工程造價。 2、在河床部分要使上游壩踵避開 保持一定距離。 00巖基力學強度及壩基完整均一性有影響， 11 它在河床及其附近，都會對壩體有一定的影響。 3、左岸壩址與第三大巖層保持一定距離。 第三大巖層緊挨第四大巖層，而第三大巖層有節(jié)理和裂隙，其強度低，可 能對壩基產(chǎn)生不均勻沉陷，其透水性也比較好，如不保持一定距離，會危及大壩安全。 4、在河流右岸，壩軸線應避開局部不穩(wěn)定巖體。 不穩(wěn)定巖體位于河流右岸，我們考慮大壩應坐落在穩(wěn)定、堅固的地基上，故應避 開不穩(wěn)定巖體。 5、為縮短壩軸線，減少工程量，降低造價，兩岸壩軸線應彎折。 壩軸線定為直線，則壩軸線較短，施工比較容易，但受地形地質條件的限制，為了避開斷層及不穩(wěn)定巖體，故在左岸壩軸線向南偏折 30 ，在右岸壩軸線向北偏折 40 ，這樣使壩軸線對著山頂與陡坡相交，可縮短壩軸線， 減小工程量，降低造價 。 綜上所述，定出壩軸線如下： 壩軸線詳見地形圖 圖中所標各點坐標和偏折角如下： 河床段壩軸線 30 x y 點 x y 端以 圓心，半徑 R 1609 10 切點： x y 點 x y C 走向 40 左端以 圓心 ,轉角 36 o 切點： x y 向 30 具體布置如下圖： 點 x y 點 x y A 二節(jié) 壩型選擇 壩型的選擇要根據(jù)壩址的地形、地 質、建筑材料、渲泄洪水的能力及抗震性能 12 等特點，通過定性分析，對各壩型進行技術 經(jīng)濟 比較，選出既滿足工程要求，又比較經(jīng)濟的壩型。壩型從建壩材料上可分為：土石壩和 砼 壩。 一、土石壩 土石壩又稱當?shù)夭牧蠅?，是土壩、堆石壩、土石混合壩的總稱，是人類最早建造的壩型，具有悠久的發(fā)展歷史，在全國使用都極為普遍。它主要是利用壩址附近的土料、石料及砂礫料填筑而成，筑壩材料基本來源于當?shù)?。下面分土石壩和堆石壩分別進行分析。 土石壩 土石壩 堆石壩 1、土石壩 土石壩 在實踐中之所以被廣泛采用并得到不斷發(fā)展，主要 原因 具有以下幾方面的優(yōu)點： （ 1）筑壩材料就地取材，運輸成本低，能節(jié)省大量的鋼材、水泥和木料等建筑材料。 （ 2）對地質條件要求較低，適應地基變形能力強，可以建在軟基上。土石壩體中的散粒結構能較好的適應地基的變形，對地基的要求在各種壩型中是最低的。 （ 3）儲存量是使用量的兩倍。 （ 4）構造簡單，施工技術容易掌握，便于組織機械化施工。 （ 5）運用管理方便，工作可靠，壽命長，維修加固和擴建均比較容易。 但是與其他壩型一樣，土石壩自身也有不足的一面： （ 1）施工導流不方 便 ，會相應的增加工程造價。 （ 2）壩頂不能溢流， 需 另設溢洪道。受散粒體材料整 體 強度的限制，土石壩壩身通常不允許過流，因此需在壩外單獨設置泄水建筑物。 （ 3）壩體填筑工程量大，且土料的填筑質量受氣候條件影響較大等。 根據(jù)當?shù)亟ú馁Y料可知，該地可用于建土石壩的土料不充足。同時，根據(jù)水文資料顯示，該地區(qū)的洪水具有“峰高量大”的特點，而土石壩又不允許溢流，要另設溢洪道，但潘家口兩岸山峰連綿，壩址附近又無修建溢洪道的天然條件，需要開挖山體，會大大增加工程造價，不經(jīng)濟，故不適宜修建土石壩。 2、堆石壩 堆石壩是土石壩的一 種，主要有堆石支撐體、過濾墊層和防滲體組成。 由于堆石壩散粒材料的整體抗剪強度相對較低，因而堆石壩在設計時大多是不允許過水的。又根據(jù)基本資料，壩址地質巖石巖性較好，而堆石壩對地基的要求不是很高，采用堆石壩壩型不能充分發(fā)揮地基（巖體）的承載力，故此處不宜修建堆石壩。 二、 砼 壩 砼 壩可分為 砼 拱壩、 砼 支墩壩和 砼 重力壩等。 a. 砼 砼 拱壩 砼 重力壩 b. 砼 支墩壩 實體重力壩 c. 砼 重力壩 寬縫重力壩 13 空腹重力壩 1、 砼 拱壩 拱壩 是固接于基巖的空間殼體結構，在平面上呈 凸向上游 的拱形，其拱冠剖面呈豎直的或向上游凸出的曲線形， 壩體結構既有拱作用又有梁作用，其所承受的水平荷載一部分通過拱的作用壓向兩岸、另一部分通過豎向梁的作用傳到壩底基巖。壩體的穩(wěn)定主要依靠兩岸拱端的反力作用，并不全靠壩體自重來維持。由于拱是一種主要承受軸向壓力的推力結構，拱內彎矩較小，應力分部較為均勻，有利于發(fā)揮材料的強度。 拱壩是利用筑壩材料的抗壓強度和兩岸拱端巖體來支撐 拱端推力，是一種經(jīng)濟性和安全性均很優(yōu)越的壩型。拱壩具有以下特點： （ 1） 拱的作用利用得愈充分，材料抗壓強度高的特點就愈能充分發(fā)揮，從而壩體厚度可以減薄，節(jié)省工程量。拱壩的體積比同一高度的重力壩大約可節(jié)省 1/32/3。 （ 2）利用兩岸巖體維持穩(wěn)定。故拱壩對壩址地形地質要求較高，對地基處理的要求也較為嚴格。 （ 3）超載能力強，安全度高。 （ 4）抗震性能好。 （ 5）壩身泄流布置復雜。 基于拱壩的結構特點，拱壩的地形條件往往是決定壩體結構形式、工程布置和經(jīng)濟性的主要因 素 。所謂地形條件是針對開挖后的基巖面而定的，常 用壩頂高程處的河谷寬度和壩高之比（稱為寬高比 L/H）及河谷斷面形狀兩個指標表示。 河谷的寬 高 比 L/H 值越小，說明河谷越窄深，拱壩水平拱圈跨度相對較短，懸臂梁高度相對較大，即拱的剛度大，拱作用容易發(fā)揮，可將荷載大部分通過拱作用傳給兩岸，壩體可設計的薄些。反之， L/H 值越大，河谷越寬淺，拱作用越不易發(fā)揮，荷載大部分通過梁的作用傳給地基，壩斷面必須設計的厚些。根據(jù)經(jīng)驗，當 L/H 修建薄拱壩； L/H 可修建中厚拱壩； L/H 修建厚拱壩。 L/H 更大時，一般認為修建拱壩 已趨于不利。 拱壩對地質、地形條件要求嚴格，理想的地形條件是左右岸對稱，岸坡平順無突變，在平面上是向下游收縮的峽 谷 段，呈“ V”字型。壩端下游要有足夠的巖體支撐，以保證壩體的穩(wěn)定。理想的地質條件是基巖比較均勻 、堅固完整、 有足夠的強度 、 透水性小 、能抵抗水的侵蝕、耐風化、岸坡穩(wěn)定、沒有大斷裂等。 本次設計的壩址為丘陵地區(qū)，兩岸相對高差不大，河谷開闊且不對稱，河谷寬約 600m，壩高 在 100m 左右 ，則寬 高 比為 600/100 6此時拱的作用已經(jīng)很小，工程量較大，從而失去了拱壩的優(yōu)越性，所以，不宜修建拱壩。 2、 砼 支墩壩 支墩壩是一種由一排相隔一定距離的支墩和擋水面板組成的依靠自重維持穩(wěn)定的壩型。 支墩壩具有以下特點：作用于支墩底部的揚壓力很??；比重力壩節(jié)省工程量；是一種結構比較單薄的輕型壩，可以充分利用材料的強度。但支墩壩的應力較大，對地基的要求較高；由于支墩單薄，側向穩(wěn)定性較差，抗震能力低，受穩(wěn) 定 變化影響大；設計和施工較復雜，不適合大型機械化施工，施工時需立模，用人工多，工期相對較長。 由于本樞紐位于承德、唐山地區(qū)，屬多震區(qū)。樞紐地震設計烈度為 8 度 ，不宜修建支墩壩。同時，本地區(qū)屬寒冷地區(qū)（一月份最低月平均氣 溫為零下 ） ,不 14 能滿足施工溫控要求。而且，支墩壩不能滿足泄洪要求，故不應修建支墩壩。 3、 砼 重 力 壩 砼 重力壩是一種古老而應用很廣的壩型，它因主要依靠壩體自重產(chǎn)生的抗滑力維持穩(wěn)定而得名。 重力壩是在水壓力及其他荷載的作用下，依靠壩體自身重量產(chǎn)生的抗滑力來滿足穩(wěn)定的要求；同時依靠壩體自重在水平截面上產(chǎn)生的壓應力來抵消由于水壓力所引起的拉應力，以滿足強度的要求。 重力壩 之所以得到廣泛采用，是因為其 具有以下優(yōu)點： （ 1） 安全可靠。重力壩剖面尺寸大，壩內應力較低，筑壩材料強度高，耐久性好，因而抵抗洪水漫頂、滲漏 、地震和戰(zhàn)爭破壞的能力都比較強。據(jù)統(tǒng)計，在各種壩型中，重力壩的失事率是較低的。 （ 2） 對地形、地質條件適應性強。任何形狀的河谷都可以修建重力壩。因為壩體作用于地基面上的壓應力不高，所以對地質條件的要求也較低，甚至在土基上也可以修建高度不大的重力壩。 （ 3） 樞紐泄洪問題容易解決。重力壩可以做成溢流的，也可以在壩內不同高程設置泄水孔，一般不需另設溢洪道或泄水隧洞，樞紐布置緊湊。 （ 4） 便于施工導流。在施工期可以利用壩體導流，一般不需要另設導流隧洞。 （ 5） 施工方 便。大體積砼，可以采用機械化施工， 在放樣、立模和砼 澆筑方面都比較簡單， 并且補強、修復、維護或擴建也比較方便。 （ 6）結構作用明確。重力壩沿壩軸線用橫縫分成若干壩段，各壩段獨立工作，結構作用明確，穩(wěn)定和應力計算都比較簡單。 與此同時， 重力壩 也存在 以下缺點： （ 1） 壩體剖面尺寸大，材料用量多 。 （ 2） 壩體應力較低，材料強度不能充分發(fā)揮。 （ 3） 壩體與地基接觸面 積 大， 相應壩底揚壓力大，對穩(wěn)定不利。 （ 4）壩體體積大，由于施工期砼的水化熱和硬化收縮，將產(chǎn)生不利的溫度應力和收縮應力 ， 因此在澆筑砼時，需要有較嚴格的溫度控制措施。 砼 重力壩按壩體結構形式分為：實體重力壩 、寬縫重力壩和空腹重力壩。 實體應力壩 砼 重力壩 寬縫應力壩 空腹重力壩 （ 1）實體重力壩 ：適應于大型機械化作 業(yè) ，施工速度快，工期短，符合本工程提前 受益 、盡早建成 的要求，早日供水發(fā)電。 （ 2）寬縫重力壩 ：與實體重力壩相比可節(jié)省 砼 10 20%以上，且應力條件好，壩體 砼 散熱快。但其施工模板用量多，且寬 縫 的側坡倒懸模板部分立模比較困難，分期導流不便；在嚴寒地區(qū)，要對寬縫采取保溫措施，防止表面產(chǎn)生溫度裂縫，因而施工干擾大，工期長。 （ 3）空腹 重力壩 ：較實體重力壩節(jié)省 砼 20 30%，并具有節(jié)省壩基開挖量，利于 砼 散熱，可在空腹中布置電站廠房等優(yōu)點；但空腹重力壩設計繁難，施工復雜，工期長，鋼筋和模板用量較實體重力壩多，且應力情況比較復雜。 三、 壩體 選型 由上述可知，土石壩、 堆石壩、 砼 拱壩、 砼 支墩壩、 砼 實體重力壩、 砼 寬縫重力壩和 砼 空腹重力壩各有優(yōu)缺點。綜合考慮各種壩型，并結合本次設計要求（ 提前 15 受益 ，使工程 盡早建成 ），選擇 砼 實體重力壩 作 為本次設計的壩型。 第三節(jié) 樞紐布置 水利樞紐布置的任務就是根據(jù)組成建筑物的形式、功能和運行方式研究各種建筑物的相互 位置。影響樞紐布置的因素有自然因素和社會因素兩種，包括地形、地質、水文、施工運行條件等，是設計工作中一項復雜而具有全局性的工作。選擇合理的樞紐布置對工程的經(jīng)濟效益和安全運行有決定作用。所以，需在充分掌握基本資料的基礎上，認真分析各種具體條件下各種因素的變化和相互影響，研究壩址和主要建筑物的適宜形式，擬定若干可能的布置方案，從設計、施工、運行、經(jīng)濟等方面進行論證、綜合比較，選擇最優(yōu)的布置方案。 本樞紐總庫容為 大型工程，水庫主要任務是調節(jié)水 量 ，供天津市和唐山地區(qū)工農(nóng)業(yè)用水、城市人民生活用水， 其所在流域汛期具有“峰高量大、漲落迅速”的特點，并攜帶有大量泥沙。根據(jù)樞紐的任務和目的，并結合灤河流域的自身特點，確定本樞紐建筑物的組成為：擋水壩、溢流壩、取水建筑物、泄洪底孔及電站等。進行樞紐布置就是研究這些建筑物的相互位置。 一、樞紐布置的一般原則 （ 1） 壩址、壩及其他主要建筑物的型式選擇和樞紐布置要做到：施工方便，工期短，造價低。 （ 2）樞紐布置應 當 滿足各個建筑物在布置上的要求，保證 其 在任何工作條件下都能正常工作。 （ 3）在滿足建筑物強度和穩(wěn)定的條件下，降低樞紐總造價 和 年運 轉 費 用 。 （ 4）樞紐中 各 建筑 物布置緊湊 ，盡量將同一工種的建筑物 布置在一起，以減少聯(lián)結建筑。 （ 5）盡可能使樞紐中的部分建筑物 早期投產(chǎn) ， 提前 發(fā)揮效益 （如提前蓄水、早期發(fā)電或灌溉） 。 （ 6） 樞紐的 外觀 應與周圍環(huán)境相協(xié)調， 在可能的條件下，注意美觀。 二、各類建筑物的具體要求 1、擋水壩 主要是攔截水流，形成水庫，將其布置在河岸的兩邊。 2、溢流壩 主要起泄洪作用，前緣應正對上游來水的主流方向，下游出口方向最好與主流槽水流方向一致。溢流壩應建在堅硬完整的巖基上，為減少下泄水流對其他建筑物的影響，有時需在溢流壩與這些建筑物之間布置導墻，沖沙孔常 布置在廠房進水口附近，其高程應滿足運用要求。本樞紐中，溢流壩的尺寸大概估算如下：洪水資料顯示，萬年一遇洪水流量為 59200m3/s，泄水孔在設計資料中設定有 19 孔，單寬流量為 208 m3/s，泄洪底孔有 4個，起輔助泄洪、排沙、放空水庫等作用。 3、泄洪底孔 即深式泄水孔，起輔助泄洪、排沙、放空水庫等作用。 4、電站 水電站進口水流應順直，不發(fā)生旋渦和橫向水流，尾水應順暢。 廠房壩段與底孔并排布置，有以下優(yōu)點： （ 1）可以保證電站經(jīng)常引用活水，不會有泥沙淤積。 （ 2）將電站壩段與底孔壩段同寬布置，可以共用啟閉 機設備，節(jié)省投資。 16 （ 3）便于管理、維修。 三、方案比較 現(xiàn)擬定兩個樞紐布置方案進行比較分析：方案一是將擋水壩段布置在河岸兩邊，電站、底孔布置在右岸，溢流壩段布置在偏左岸。方案二是將擋水壩段布置在河岸兩邊，電站、底孔布置在左岸，溢流壩段布置在右岸。比較如下： 1、方案一 此方案有如下優(yōu)點： （ 1）交通便利，對外交通在右岸，上壩及運送機組等較為方便。 （ 2）出線省，節(jié)省投資。因電力用戶在右岸，可以縮短出線線路， （ 3）進口水流條件好，無旋渦及橫向水流。 （ 4）壩址處的主河床在右岸，電站布置在主 河床，開挖量少。 （ 5）底孔緊靠電站壩段，有利于電站排沙，減少泥沙對水輪機的沖刷，且底孔閘門和電站進水口共用一臺啟閉機，減少啟閉設備。 但也存在以下缺點： （ 1）右岸地勢較狹窄，且有不穩(wěn)定巖體，對布置廠房不利。 （ 2）溢流壩溢流時，側向水流影響下游尾水。 （ 3）靠右岸的溢流壩挑流時，影響第三巖層的穩(wěn)定性。 2、方案二 該方案有如下優(yōu)點： （ 1）左岸地勢開闊，便于布置電站廠房和開關站。 （ 2）泄洪時，水流均在河槽中，可保證兩岸免受沖刷。 （ 3）河床沖刷問題易解決。 主要缺點如下： （ 1）對外交通和電力用戶均在 右岸，電站供電需架設專門線路過壩，且必須在工程建成之后，這樣就延誤了機組的發(fā)電時間，使工程不能提前收益。 （ 2）尾水渠的開挖量太大。安裝高程是通過尾水位來確定的，為了充分利用水頭，尾水位必須與下游天然水位一致，而左岸階地較高，需要開挖一部分，并且尾水渠出口也不能在附近與天然河床相接，這樣，容易被底孔沖砂填塞，而必須開挖很長一段，才能進入主河槽。 3、分析 對上述兩個方案，結合本工程必須 提前受益， 盡早 建 成的要求，并從施工、經(jīng)濟等各方面對比，選擇方案一比較符合工程要求。對方案一所存在的問題，可用以下方法進行處理 ： （ 1）陡峭的不穩(wěn)定巖體開挖完成緩坡，并進行噴錨支護。 （ 2）電站與底孔之間設導墻，直至尾水影響較小處。 17 （ 3）對第三巖層進行特殊處理，以確保安全。 四、結論 綜合考慮比較，結合本工程的實際，選方案 第三章 壩體剖面設計 剖面設計是重力壩設計的重要環(huán)節(jié)，主要任務是選擇一個即滿足穩(wěn)定和強度要求，又使得壩體工程量最小，外形輪廓簡單，施工方便，運行可靠的剖面。 重力壩剖面設計的原則是： （ 1）滿足穩(wěn)定和強度要求，保證大壩安全； （ 2）工程量最少； （