水利工程設(shè)計

第十一章水利工程設(shè)計11.1設(shè)計階段的劃分11.2設(shè)計所需的基本資料11.3水利工程對環(huán)境的影響11.4水利樞紐設(shè)計的主要內(nèi)容本章內(nèi)容水利樞紐工程，需要經(jīng)過勘測、規(guī)劃、設(shè)計、施工等階段，才能最后建成。水利工程開發(fā)，應(yīng)秉持可持續(xù)利用的科學(xué)發(fā)展觀，在全面規(guī)劃的基礎(chǔ)上，根據(jù)社會各方面需要，對流域綜合開發(fā)進行統(tǒng)一規(guī)劃，對河流梯級開發(fā)建設(shè)進行合理布局。水利工程一經(jīng)決定開發(fā)，設(shè)計人員必須以高度的責(zé)任感和使命感，精心做好設(shè)計。11.1設(shè)計階段的劃分五個設(shè)計階段：項目建議書、可行性研究報告、初步設(shè)計、招標(biāo)設(shè)計、施工圖；對重要或復(fù)雜大型工程，在施工圖之前，還要增加一個技術(shù)設(shè)計階段。設(shè)計工作的一般順序：①編制項目建議書（前期工作）；②項目建議書批準(zhǔn)后，委托設(shè)計單位進行可行性研究并編寫可研報告（重要前期工作）；③可研報告獲批后進行初步設(shè)計；④初設(shè)批準(zhǔn)后，即可編制招標(biāo)文件，組織招標(biāo)、投標(biāo)和評標(biāo)；⑤由施工單位進行施工圖設(shè)計。近年來電力工業(yè)部門對設(shè)計階段作了調(diào)整，分為：預(yù)可研、可研、招標(biāo)設(shè)計和施工圖四個階段。各設(shè)計階段的內(nèi)容和深度，可根據(jù)具體情況適當(dāng)調(diào)整。

一、項目建議書階段應(yīng)根據(jù)國民經(jīng)濟和社會發(fā)展規(guī)劃、地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃的總要求，在經(jīng)批準(zhǔn)的江河流域（區(qū)域）綜合利用規(guī)劃或?qū)I(yè)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，提出開發(fā)目標(biāo)和任務(wù)；對項目的建設(shè)條件進行調(diào)查和必要的勘測工作，并在對資金籌措進行分析后，擇優(yōu)選定建設(shè)項目及其建設(shè)規(guī)模、地點和建設(shè)時間；論證工程項目建設(shè)的必要性，初步分析項目建設(shè)的可行性和合理性。二、可行性研究報告階段主要任務(wù)：論證擬建工程的技術(shù)可行性、經(jīng)濟合理性，以及開發(fā)順序上的迫切性。（估算工程量和總投資）可研報告應(yīng)包括的內(nèi)容：自己看書了解。

三、初步設(shè)計階段初設(shè)報告包括以下內(nèi)容：確定工程等別和主要建筑物級別；選定各種特征水位；選定壩（閘）址、輸水線路、主要建筑物的型式、輪廓尺寸及樞紐布置；確定裝機容量，選擇機組型號和其它機電設(shè)備；確定施工導(dǎo)流方案及主體工程的施工方法、施工總體布置及總進度、對外交通和施工設(shè)施；提出建筑材料、勞動力和風(fēng)、水、電的需要量；編制工程概算；論證對環(huán)境的影響及環(huán)境保護；國民經(jīng)濟評價和財務(wù)評價。四、招標(biāo)設(shè)計階段招標(biāo)文件：由合同文件和工程文件兩部分組成。要做到投標(biāo)者能根據(jù)圖紙、技術(shù)規(guī)范和工程量表確定投標(biāo)報價。合同文件：包括投標(biāo)者須知、合同條款、合同格式和投標(biāo)書格式等；工程文件：包括技術(shù)規(guī)范和圖紙等。五、施工圖階段按國際慣例，施工圖應(yīng)由施工單位或業(yè)主委托的咨詢公司負(fù)責(zé)；我國施工圖由業(yè)主委托的設(shè)計單位提供給施工單位。施工圖一般包括：地基開挖圖、地基處理圖、建筑物結(jié)構(gòu)圖、鋼混結(jié)構(gòu)的鋼筋圖、金屬結(jié)構(gòu)及機電設(shè)備的安裝圖等。11.2設(shè)計所需的基本資料設(shè)計階段不同，所需資料的廣度和深度也不同。設(shè)計所需的基本資料包括：1.自然地理包括：工程所處地理位置、行政區(qū)域、地形、地貌、土壤植被、主要山脈、河川水系、水資源開發(fā)現(xiàn)狀及存在問題等。地形圖比例尺：應(yīng)根據(jù)規(guī)劃設(shè)計階段和工程項目的實際需要來確定：庫區(qū)1:5000~1:25000，樞紐1:2000~1:10000，壩址1:500~1:2000。2.地質(zhì)包括：區(qū)域地質(zhì)、庫區(qū)和樞紐區(qū)工程地質(zhì)條件，如：地層、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地震烈度、不良地質(zhì)現(xiàn)象，水文地質(zhì)情況，巖土的物理力學(xué)性質(zhì)，天然建筑材料的品種、分布、儲量、開采條件，工程地質(zhì)評價與結(jié)論。3.水文包括：水文站布設(shè)、資料年限、徑流、洪水、泥沙、水情以及人類活動影響等。4.氣象

包括：降水、蒸發(fā)、氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速、冰霜、冰凍深度，站網(wǎng)布設(shè)和資料年限。

5.社會經(jīng)濟

需全面了解社會經(jīng)濟現(xiàn)狀及中長期發(fā)展規(guī)劃。包括：人口、土地、種植面積、品種；工業(yè)產(chǎn)品、產(chǎn)量；工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值；主要資源情況，文物古跡，動力、交通、投資環(huán)境等。

6.規(guī)程規(guī)范一、對庫區(qū)的影響1.淹沒建壩后，在水庫回水范圍內(nèi)，耕地、礦藏、名勝古跡被淹沒；工廠、鐵路、公路需拆遷；居民需遷移，城鎮(zhèn)需遷建。三峽工程移民百萬，所采用“以人為本、就地開發(fā)性移民”措施，是解決好庫區(qū)移民的重要舉措。11.3水利工程對環(huán)境的影響水利工程特別是大型水庫的興建，將使其周圍環(huán)境發(fā)生明顯改變，帶來一定的不利影響。在水利規(guī)劃中，必須認(rèn)真研究和加以解決，將其對環(huán)境的不利影響控制在最小程度。水庫引起的環(huán)境變化，主要表現(xiàn)在如下幾個方面：2.滑坡、坍岸

岸坡浸水后，巖體抗剪強度降低；在水庫水位降落時，有可能因喪失穩(wěn)定而坍滑。3.水庫淤積

水流入庫后流速減小，挾沙能力降低，使泥沙顆粒先粗后細(xì)逐步下沉，造成淤積。淤積不僅使庫容減小，縮短水庫壽命，加大淹沒損失，還將影響電站和航運的正常運行。

4.生態(tài)變化

水庫淹沒影響陸生植物生存，破壞其生存環(huán)境。水環(huán)境變化對珍稀、瀕危生物的種群、數(shù)量、繁殖場所有致命影響。5.水溫的變化庫水溫度變幅隨水深增加而減小，在水面處大致與氣溫接近；水深10m左右，變幅較氣溫減小2~5℃；水深50~60m處，變幅只4~5℃；更深處水溫幾乎不再變化而處于常溫狀態(tài)。庫水年均溫度隨水深增加而減小，在水面處比年平均氣溫約高2~5℃；水深50~60m處等于年平均氣溫；再深即低于年平均氣溫。水庫蓄水后，由于庫區(qū)內(nèi)生物機體的分解，增加了庫水的肥力，有利于水中微生物的繁殖，對魚類生長有利。但如清庫不徹底，過多的有機質(zhì)在庫底分解，吸收深層水中的氧，產(chǎn)生硫化氫，也可使水質(zhì)變壞。流入水庫的磷、氮等鹽類，有利于植物和水生物的生長，但含量不能太高，否則，將促使藻類和水草叢生，而藻類和水草的枯死分解，又將消耗水中的氧，形成“富營養(yǎng)化”，造成水質(zhì)惡化。6.水質(zhì)變化7.氣象變化

水庫形成的水域，能改變附近地區(qū)氣候（多霧、降雨、氣溫變幅減小等），并使樞紐附近地區(qū)生態(tài)平衡發(fā)生變化。8.誘發(fā)地震

不少大水庫在蓄水后誘發(fā)了地震。當(dāng)水庫蓄水后，巖層中孔隙水壓力增加，使原來穩(wěn)定巖體中的地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，地塊活動性隨之增加。9.衛(wèi)生條件

水庫蓄水后，地下水位升高，為利用地下水創(chuàng)造了有利條件。但也帶來一些不利后果，如：耕地鹽堿化，形成沼澤地帶，孳生蚊蟲和其它有害微生物。二、對水庫下游河道的影響1.河道沖刷

河道水流所挾帶的泥沙在庫內(nèi)沉積后，下泄清水的沖刷能力加大，將河床刷深，河水位下降，岸邊地下水位也相應(yīng)降低；同時，還可能引起主河槽游動，或沖刷下游橋基和護岸工程。2.河道水量變化

枯水期，發(fā)電和灌溉將使下泄流量增加，對下游航運有利。但當(dāng)電站擔(dān)負(fù)峰荷、泄放流量不均時，又將給航運帶來不便。為了不使河道干涸，不過分降低下游地下水位，保護水生物生長和維持河道自然風(fēng)光，須經(jīng)常泄放一定的水量（稱為生態(tài)流量），以保護河流的正常功能。3.河道水溫4.河道水質(zhì)

和水溫一樣，庫水的渾濁度隨水深而異。工業(yè)和生活用水要求渾濁度不得過高。水庫的中、低層水溫較低，水中溶解氧也低，對作物生長和魚類生存不利。

除溢洪道外，自水庫泄放的水流大多來自水庫深層，水溫較低且變幅小，因而大壩下游的河水水溫，在夏季較建庫前低，冬季較建庫前高。5.其它影響

在河道上建壩（閘），一方面為樞紐上游的航運和木材浮運創(chuàng)造了條件，另一方面由于河道受阻，需要設(shè)置通航、過木和過魚的建筑物。壩址（閘址）選擇、壩型選擇、樞紐布置是水利樞紐設(shè)計的重要內(nèi)容，三者相互聯(lián)系。既要研究樞紐區(qū)自然條件，又要考慮施工與運行條件、綜合效益、投資指標(biāo)和遠(yuǎn)景規(guī)劃等。不同的壩軸線，可以選用不同的壩型和樞紐布置。如：河谷狹窄，地質(zhì)條件良好，適宜修拱壩；河谷寬闊、地質(zhì)條件較好，可以選用重力壩或支墩壩；河谷寬闊、河床覆蓋層深厚或地質(zhì)條件較差且土石料儲量豐富，適于修建土石壩。同一條壩軸線，可考慮幾種不同壩型和樞紐布置方案。11.4水利樞紐設(shè)計的主要內(nèi)容一、壩址和壩型選擇可研階段：主要是根據(jù)地形、地質(zhì)、施工及建筑材料等條件，初選幾個壩段和壩軸線以及與其相適應(yīng)的壩型，經(jīng)過論證，找出其中最有利的壩段和一兩條比較有利的壩軸線；也可對各壩段內(nèi)有代表性的壩軸線進行比較，從中選定一兩條最有利的壩軸線，并進行樞紐布置。初設(shè)階段：隨著地質(zhì)、水文和試驗資料等的進一步深入和充實，通過比較，選定最有利的壩軸線、壩型及其它主要建筑物型式和相應(yīng)的樞紐布置方案。①對斷層破碎帶、軟弱夾層，要查明其產(chǎn)狀、寬度（厚度）、充填物和膠結(jié)情況，對垂直水流方向的陡傾角斷層應(yīng)盡量避開，對具有規(guī)模較大、垂直水流方向的斷層或附近有活斷層存在的河段，均不應(yīng)選作壩址；壩址選擇時要注意以下地質(zhì)問題：1.地質(zhì)條件地質(zhì)條件是壩址（閘址）選擇的重要條件。拱壩和重力壩需建在巖基上；土石壩對地質(zhì)條件要求較低，巖基、土基均可；水閘多建在土基上。②對于巖層走向與河流方向一致的順向河谷，總有一岸是與巖層傾向一致的順向坡，當(dāng)巖層傾角小于地形坡角，巖層中又有軟弱結(jié)構(gòu)面時，在地形上存在臨空面，這種岸坡極易發(fā)生滑坡，應(yīng)當(dāng)注意；③對于巖溶地區(qū)，要掌握溶巖發(fā)育規(guī)律，特別要注意潛伏溶洞、暗河、溶溝和溶槽，必須查明巖溶對水庫蓄水和對建筑物的影響；④對土石壩，應(yīng)盡量避開細(xì)砂、軟粘土、淤泥、分散性土和濕陷性黃土等地基。2.地形條件在高山峽谷區(qū)布置水利樞紐，應(yīng)盡量減少高邊坡開挖。壩址選擇應(yīng)綜合考慮，權(quán)衡利弊。在峽谷地段，壩軸線短，工程量小，但不利于泄水建筑物等的布置。選用土石壩時，應(yīng)注意庫區(qū)有無埡口可供布置岸邊溢洪道，上、下游有無開闊地區(qū)用于布置施工場地。對多泥沙及有漂木要求的河道，應(yīng)注意河流的水流流態(tài)，并考慮如何防止泥沙和漂木進入取水建筑物。對有通航要求的樞紐，應(yīng)注意通航建筑物與河道的連接。3.施工條件要便于施工導(dǎo)流；要便于施工場地布置，壩址附近特別是下游應(yīng)有較開闊地形；要便于施工運輸，距交通干線較近；可與永久電網(wǎng)連接，解決施工用電問題。4.建筑材料壩址附近應(yīng)有足夠數(shù)量、符合質(zhì)量要求的天然建材。應(yīng)考慮料場分布、儲量、埋深、開采、施工期淹沒等問題。5.綜合效益

對不同壩址，應(yīng)綜合考慮防洪、灌溉、發(fā)電、航運、旅游等各部門的經(jīng)濟效益。6.其它

在選擇壩址和壩型時，還應(yīng)考慮利用主體建筑物開挖料直接上壩利用的可能性與合理性。二、樞紐布置的一般原則和設(shè)計方案選定1.樞紐布置的一般原則合理安排樞紐中各水工建筑物的相互位置，稱為樞紐布置。應(yīng)遵循以下原則：（1）壩址、大壩及其它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。Eg.1在高山峽谷較大拐彎河段，進行裁彎取直，利用河彎凸岸布置泄水建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)，減輕或避免壩與泄水、發(fā)電建筑物在施工和運行中的相互干擾，可縮短工期，降低造價和提高效益。Eg.2三峽水利樞紐需在河床布置溢流壩、廠房和船閘，壩址選在三斗坪，原因之一是河谷寬，便于施工，且可借助江中中堡島進行分期導(dǎo)流。（2）滿足各建筑物在布置上的要求，保證任何工作條件下都能正常工作。要避免樞紐中各建筑物在運行期間互相干擾。例如：將船閘與溢流壩、電站盡量分開布置，在溢流壩泄水時，引航道不產(chǎn)生過大的橫向流速，以使船隊（舶）順利駛?cè)腴l室，下游出口，必要時應(yīng)設(shè)導(dǎo)墻，使引航道與溢流壩或水電站廠房隔開。又如：當(dāng)廠房與溢流壩相鄰時，兩者之間應(yīng)設(shè)足夠長的導(dǎo)流墻，以防止泄洪對發(fā)電的不利影響；還應(yīng)注意廠房、變電設(shè)備及開關(guān)站等需離泄洪射流一定距離，以免霧化水流影響安全運行。再如：土石壩樞紐泄水和引水建筑物進、出口附近的壩坡和岸坡，應(yīng)有可靠的防護措施，出口應(yīng)采取妥善的消能措施，并使消能后的水流離開壩腳一定距離，避免水流沖刷和回流淘刷等。（3）在滿足建筑物強度和穩(wěn)定條件下，降低樞紐總造價和年運行費用。例如：為了提高重力壩的穩(wěn)定性，常將壩的上游面做成傾向上游（坡度不宜過緩），利用壩面上的水重來提高壩的抗滑穩(wěn)定性；重力壩壩體內(nèi)各部位應(yīng)力各不相同，為了節(jié)約與合理使用水泥，壩體按不同部位分區(qū)，采用不同標(biāo)號的混凝土。又如：拱壩樞紐的泄水方式與布置宜首先研究采用壩身泄洪的可行性，以及優(yōu)化拱壩體形以降低總造價。拉西瓦拱壩壩高250m，用優(yōu)化方法求得拋物線、橢圓和對數(shù)螺旋線等6種拱形的最優(yōu)布置，并從中選定了對數(shù)螺旋線水平拱圈的布置方案，與傳統(tǒng)設(shè)計相比，節(jié)省混凝土20萬m3，節(jié)省基巖開挖13萬m3。（4）樞紐布置緊湊，盡量將同一工種的建筑物布置在一起，以減少連接建筑，也便于管理。

對大流量、高水頭、窄河谷的水利水電樞紐，由于河谷狹窄，在泄水建筑物與電站廠房布置上的矛盾十分突出，采用泄水建筑物與電站廠房重迭布置，比如新安江的溢流式廠房，烏江渡、漫灣的挑越式廠房，此種布置非常緊湊，整體安全性好，工程量省，建設(shè)周期短，經(jīng)濟效益顯著。又如：都