楚林楚河水利樞紐設(shè)計(jì)說明書

摘要林江是我國大河流之一,其干流全長700公里,流域面積17400平方公里;楚河是林江的重要支流,流經(jīng)林江的上下游地帶,全長250公里,流域的面積為7200平方公里。楚河開發(fā)計(jì)劃是配合林江而制定的。楚河楚林水利樞紐就建立在楚河和林江匯流處的楚林。樞紐屬一等工程,以防洪和發(fā)電為主,兼有航運(yùn)等綜合效益。其主要建筑物有:混凝土實(shí)心重力壩、引水建筑物、泄洪建筑物、放空建筑物、過壩建筑物和電站廠房等樞紐按千年一遇洪水設(shè)計(jì),五千年一遇洪水校核。水庫正常蓄水位178.0米,設(shè)計(jì)洪水位179.3米,校核洪水位180.13米。電站裝機(jī)3臺2.4萬千瓦,總裝機(jī)72000千瓦。船閘可以保證80噸級駁船通航。主體建筑物實(shí)體重力壩壩頂高程182.04米,最大壩高46.04米;泄洪采用表孔,共三孔,每孔寬12米,堰頂高程170.92米;放空采用深孔,設(shè)一孔,寬3.5米,高4米,底板高程151米;電站引水采用壩內(nèi)壓力鋼管,鋼管直徑4.5米;電站廠房為壩后式。本設(shè)計(jì)對樞紐的主體建筑物進(jìn)行了認(rèn)真的方案比選和詳細(xì)的尺寸設(shè)計(jì),并對所設(shè)計(jì)的建筑物進(jìn)行了安全校核,保證建筑物的安全運(yùn)行。同時對水電站和施工導(dǎo)流進(jìn)行了簡要的設(shè)計(jì)。[關(guān)鍵詞]林江楚河楚林水利樞紐大壩AbstractLinjiangRiverisoneofthelargestreamflowinourcountry,whichhas700kilometerslong,anddrainageareacoversabout174000km2.ChuheRiver,whichisontheupstreamoftheLinjiangRiver,isthemostimportantanabranchontheLinjiangRiver,ithas500kilometerslongandit’sdrainageareacovers7200km2.ThedevelopmentplanofChuheRiverisdeterminedontheLinjiangRiver.TheChuheChulinwaterprojectplanisbuiltattheChulin,ofwhichtheaccordantjunctionofChuheRiverandLinjiangRiver.TheChuheChulinwaterprojectplanisthefirstclassproject,it’smainfunctionsarefloodcontrolandpowergeneration.Themainbuildingincludes:theconcretegravitydam,thediversionheadbuilding,theemptyingoutletbuildingandwaterpowerplantetc.Thisdesignhascomparedseveralavailableprojectsearnestlyanddesigndetailedsize.Atthesametimeitchecksthesafety,andensurethesafeoperationofthebuilding.Simultaneously,thepaperdesignthewaterpowerstationanddiversionworkbriefly.[Keywords]LinjiangRiverChuheRiverWaterprojectplanDam目錄第一章總述(1第二章基本資料(22.1壩址地形(22.2壩址地質(zhì)(22.3水文氣象(22.4當(dāng)?shù)夭牧戏植记闆r(42.5交通運(yùn)輸情況及施工條件(42.6水利水能計(jì)算資料(42.7船閘設(shè)計(jì)資料(5第三章壩型選擇與主要建筑物的選擇(63.1確定樞紐等別和建筑物的級別(63.2壩型的選擇(63.3樞紐主要建筑物的選擇(8第四章調(diào)洪演算(114.1調(diào)洪演算的目的、基本原理及方法(114.2調(diào)洪演算方案及成果(11第五章樞紐布置(135.1樞紐布置的基本原則(135.2樞紐布置方案比選(135.3樞紐的進(jìn)一步布置(13第六章?lián)跛ㄖ镌O(shè)計(jì)(156.1擋水建筑物形式的選擇(156.2剖面尺寸設(shè)計(jì)(156.3壩體經(jīng)濟(jì)剖面選擇(166.4穩(wěn)定及應(yīng)力分析(手算(176.5穩(wěn)定及應(yīng)力分析(電算(19第七章泄水建筑物的設(shè)計(jì)(227.1泄水建筑物形式的選擇(227.2溢流壩剖面設(shè)計(jì)(227.3閘門、閘墩及導(dǎo)墻設(shè)計(jì)(257.4穩(wěn)定與應(yīng)力分析(電算(28第八章放空建筑物設(shè)計(jì)(318.1深孔的作用(318.2深孔形式的選擇(318.3基本尺寸初擬(318.4深孔體型設(shè)計(jì)(318.5深孔其他設(shè)施設(shè)計(jì)(34第九章電站壩段設(shè)計(jì)(369.1電站布置形式的選擇(369.2基本尺寸擬訂(369.3深式進(jìn)水口體型設(shè)計(jì)(379.4壩內(nèi)鋼管的布置(399.5其他設(shè)施設(shè)計(jì)(40第十章通航建筑物設(shè)計(jì)(4110.1通航建筑物形式的選擇(4110.2船閘的選型(4110.3船閘基本尺寸設(shè)計(jì)(4110.4船閘在樞紐中的布置(42第十一章細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)(4311.1壩頂構(gòu)造(4311.2壩體分縫及止水(4411.3廊道系統(tǒng)(4511.4壩體排水(4711.5壩體材料分區(qū)(47第十二章基礎(chǔ)處理(4912.1地基開挖與清理(4912.2固結(jié)灌漿(4912.3帷幕灌漿(5012.4壩基排水(51第十三章施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)(5313.1導(dǎo)流方案選擇(5313.2導(dǎo)流方案(5413.3導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量確定(5413.4圍堰工程(55附錄壩址處流量-水位關(guān)系(57第八章放空建筑物設(shè)計(jì)第一章總述林江是我國大河流之一,其干流全長700公里,流域面積17400平方公里,上游95%為是山地,河床狹窄,水流湍急;中游大部分為丘陵地帶,河床較寬;下游兩岸為沖積平原,人口最密,農(nóng)產(chǎn)豐富,為重要的農(nóng)業(yè)區(qū)域,且有一個中等工業(yè)城市,但下游河床淤高,主要靠堤防水,擋水,每當(dāng)汛期,常受洪水威脅。林江流域內(nèi)的物產(chǎn)以農(nóng)業(yè)為主,有稻谷、小麥、棉花、玉米、甘薯等,礦產(chǎn)較少,燃料很缺乏。楚河是林江的重要支流,流經(jīng)林江的上下游地帶,全長250公里,平均坡降為0.0009,流域的面積為7200平方公里,河道兩岸為山地丘陵,河道狹窄,水流湍急,能量蘊(yùn)藏甚大,但洪水漲落迅速,對林江中下游的防洪相當(dāng)不利。楚河開發(fā)計(jì)劃是配合林江而制定的,為減輕楚河洪水對林江中下游農(nóng)田的威脅,且開發(fā)楚河能夠供應(yīng)林江中下游工農(nóng)業(yè)日益增長的動力需要,擬在楚河和林江匯流處的楚林興建水利樞紐,本樞紐的防洪任務(wù)為:要求設(shè)計(jì)洪水時,下泄流量不大于2000立米/秒,校核洪水時不大于2500立米/秒。樞紐的裝機(jī)容量為72000千瓦,為適應(yīng)今后國家建設(shè)事業(yè)的要求,樞紐建成后,應(yīng)能維持80噸船只的通行。1第二章基本資料2.1壩址地形在本壩址地區(qū),河床狹窄,僅一百多米寬,但隨著高程之增高兩岸便趨于平坦,兩岸高度在200米以上,海拔高程在400米以上,在壩址處右岸較左岸為陡,右岸平均坡度為0.5左右,右岸為0.4左右,在壩址位于河彎的下游,在壩址上游十余公里有開闊地帶,為形成水庫的良好條件。2.2壩址地質(zhì)該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單,主要巖層為黑色硅質(zhì)頁巖和燧石,上有3~9米左右的覆蓋層,系河沙卵石,近風(fēng)化泥土層及崩石,其巖層性質(zhì)為:黑色硅質(zhì)頁巖:屬沉積巖,為硅質(zhì)膠結(jié)物之頁巖,根據(jù)勘測結(jié)果,該巖層性堅(jiān)硬致密,僅巖石上層10~18米深度存在有裂隙和節(jié)理,不很嚴(yán)重,但需加以處理。經(jīng)過壓水實(shí)驗(yàn),巖石之間單位吸水量為0.1公升/分鐘。燧石:其巖層不寬,分布于左岸,巖性較黑色硅質(zhì)巖為弱,巖層走向:左岸為南30°西,傾角為50°~70°,傾向正向上游:在壩址處,據(jù)目前資料未發(fā)現(xiàn)斷層。硅質(zhì)頁巖的力學(xué)性質(zhì):(1天然含水時的平均容重2500公斤/立方米(2極限抗壓強(qiáng)度:1000~1200公斤/立方厘米(3牢固系數(shù)f=10~12壩軸線巖層剖面圖見藍(lán)圖。2.3水文氣象本樞紐位于我國中部,氣候溫和,雨量豐富,雨量多集中于6~9月,此四個月為豐水期,多暴雨,流域及河流坡度較陡,故洪水來勢兇猛,枯水期在10~5月,1~4月為最枯季節(jié),本河流自1954年開始建立水文站,本樞紐距該站不遠(yuǎn)。表2-1多年月平均流量表2-2各種類型的洪峰值洪水期洪峰(m3/s5090560047503630330028002500枯水期洪峰(m3/s270250208表2-3各月降雨資料月份123456月份789101112表2-4氣溫記錄及冰凍情況月份123456月份789101112河道常年不結(jié)冰,在很冷的情況下,地面有冰凍情況現(xiàn)象,但歷時短。根據(jù)壩址附近水文站的統(tǒng)計(jì),本河流年平均輸沙量1.8×106米3,在河流的上游山區(qū)吹程為3.0公里,多年平均最大風(fēng)速為1.5米/秒表2-5流量流量--水位關(guān)系2.4當(dāng)?shù)夭牧戏植记闆r在壩址上下游兩岸有大量的河沙和較多的卵石,據(jù)初步調(diào)查河沙的儲量為820000立方米,滲透系數(shù)K=4×10-2厘米/秒,卵石儲量有580000立方米,大部分在上游。在壩址下游三公里左右沒有部分土壤;儲量不多,約在52000立方米,k=1×10-3厘米/秒。在本河流上游地區(qū),有部分山區(qū)森林,可做建壩所需木材之用。2.5交通運(yùn)輸情況及施工條件1交通運(yùn)輸(1水路:目前50噸木船可直通壩址(2陸路:目前已有公路通過本山區(qū),距離壩址150公里處有鐵路,且與公路銜接。外地材料之運(yùn)輸,主要靠鐵路、公路,部分可用木船,運(yùn)輸較方便。2施工動力與施工機(jī)械應(yīng)用:施工動力大部分可由壩址下游處的縣城供給,不足之?dāng)?shù)由離壩址70公里的縣城供給,施工機(jī)械之供應(yīng)是方便的。3勞動力:壩址所在專區(qū),有足夠的農(nóng)業(yè)勞動力;在滿足的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求下,可以抽調(diào)一部分參加樞紐之修建工作。2.6水利水能計(jì)算資料正常高水位178.00米148.68150.41152.1152.96汛前水位175.80米死水位166.28米水庫最高洪水不得超過181.28米設(shè)計(jì)洪水安全泄量2000米3/秒校核洪水安全泄量2500米3/秒電站總裝機(jī)容量72000千瓦電站最大引用流量240立方米/秒巖石與混凝土之間摩擦系數(shù)0.65抗剪強(qiáng)度系數(shù)f′=0.8;c′=0.5MPa2.7船閘設(shè)計(jì)資料(1過閘隊(duì)列形式(2船只尺寸拖船——船長Lt=15米Array船寬Bt=3.5米吃水深度Tt=0.6米駁船——船長LB=30米船寬BB=4.0米船高HB=4.0米吃水深度TB=0.8米每只船載重為80噸第三章壩型選擇與主要建筑物的選擇3.1確定樞紐等別和建筑物的級別為了滿足樞紐的正常運(yùn)行,充分發(fā)揮各方面的社會、經(jīng)濟(jì)效益,擬建筑物有:攔河壩、溢流壩、水電站的取水系統(tǒng)及廠房、過船建筑物。根據(jù)原水電部1978年頒布的《水利水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)山區(qū)、丘陵區(qū)部分SDJ12-78(試行》,結(jié)合楚河水利樞紐的水庫庫容、裝機(jī)容量、防洪效益等因素:正常高水位為178.00m,查“容積-水位關(guān)系曲線”圖(見藍(lán)圖得相應(yīng)庫容為13.5億立方米,達(dá)到大(1型工程規(guī)模,等別為一等;電站總裝機(jī)為72000千瓦,達(dá)到中型工程規(guī)模,等別為三等;防護(hù)對象是一中等工業(yè)城市,達(dá)到中等工程規(guī)模,等別為三等;從而確定工程等別為一等,主要建筑物為1級,次要建筑物為3級,臨時建筑物為4級。查規(guī)范可得:正常(設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期1000~500年對應(yīng)頻率:0.1%~0.2%非常(校核洪水重現(xiàn)期5000~2000年對應(yīng)頻率:0.02%~0.05%3.2壩型的選擇壩軸線的選擇應(yīng)考慮地質(zhì)條件、地形條件、建筑材料、施工條件、經(jīng)濟(jì)效益等因素。擬采用下壩線,該處地址構(gòu)造條件簡單,在巖石上層10~18米深度存在有裂痕和節(jié)理,不嚴(yán)重,可以處理。組成主要為黑色硅質(zhì)巖和燧巖,地質(zhì)堅(jiān)硬;地形條件,該處地勢平坦,便于不止施工機(jī)械和場地。雖然河床較窄,但隨高程的增高兩岸便趨于平坦,整個河谷較寬,首選時排除拱壩。參加比選的壩型有混凝土重力壩、土石壩、面板堆石壩。(1混凝土重力壩優(yōu)點(diǎn):安全可靠,設(shè)計(jì)及施工簡單,對地形和地質(zhì)條件的適應(yīng)性較好,對地基要求不太高,適于各種氣候條件下的修建,受凍害影響較小;經(jīng)驗(yàn)豐富,維護(hù)修理費(fèi)用低;施工導(dǎo)流和永久性泄洪問題容易解決。缺點(diǎn):體積大,消耗水泥、石料較多;材料強(qiáng)度不能充分發(fā)揮;壩底揚(yáng)壓力較大;混凝土水化熱較大,溫控措施較高。(2土石壩優(yōu)點(diǎn):就地取材,節(jié)約材料;能很好的適應(yīng)較差的地質(zhì)條件,抗震性較好,結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠,使用壽命長。缺點(diǎn):壩坡較小,工程量較大;壩頂不能過水,需要另加泄水建筑物;施工導(dǎo)流不方便;對壩的防滲要求較高;沉降問題存在。(3面板堆石壩優(yōu)點(diǎn):對自然條件有廣泛的適應(yīng)性,對地基要求比混凝土壩低,可適應(yīng)不均勻沉降,抗震性能好,施工不受氣候限制;就地取材,可節(jié)約水泥、木材和鋼材等重要建筑材料;機(jī)械化施工,可加速建壩,減小投資;可策劃能夠手承受水頭不太大的壩頂溢流;結(jié)構(gòu)簡單。缺點(diǎn):堆石壩屬于散粒壩體,需修建溢洪道或隧洞進(jìn)行泄洪,而這些泄洪設(shè)施會加大樞紐的投資和工程量;施工中的導(dǎo)流問題難以解決。結(jié)合該處的地址條件簡單而良好,河谷較為寬廣,在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)成熟的前提下,優(yōu)選混凝土重力壩。混凝土重力壩有四種壩型進(jìn)行比選,分別為:實(shí)體重力壩、寬縫重力壩、空腹重力壩、預(yù)應(yīng)力重力壩,他們之間的比較列于表3-1表3-1重力壩各種壩型比較實(shí)體重力壩寬縫重力壩空腹重力壩預(yù)應(yīng)力重力壩優(yōu)點(diǎn)斷面形狀簡單;機(jī)械化施工,混凝土澆注容易;工程經(jīng)驗(yàn)豐富。揚(yáng)壓力降低,節(jié)省混凝土;散熱條件好;寬縫方便檢查和觀測。揚(yáng)壓力較小,節(jié)省混凝土;散熱條件好;壩體應(yīng)力條件改善;空腹內(nèi)進(jìn)行檢測和維修方便施加預(yù)應(yīng)力,增加壩體的穩(wěn)定;改善壩身應(yīng)力;減少壩體的方量。缺點(diǎn)底部揚(yáng)壓力大;施工散熱條件差。施工中模板數(shù)量增加,使施工復(fù)雜,難度加大;氣溫變化劇烈,易產(chǎn)生表面裂縫。結(jié)構(gòu)復(fù)雜,施工和設(shè)計(jì)難度都較大;需要的鋼筋和模板較多。施工復(fù)雜;鋼筋用量多;實(shí)踐工程較少,經(jīng)驗(yàn)缺乏。從中可看出實(shí)體重力壩構(gòu)造簡單,施工和設(shè)計(jì)的難度較小,且有大量的工程事例可供參考,經(jīng)驗(yàn)豐富。而其他的壩型都有共同的缺點(diǎn):施工復(fù)雜,設(shè)計(jì)難度大。優(yōu)先考慮使用實(shí)體重力壩。綜上所述,最后確定壩型為實(shí)體重力壩。3.3樞紐主要建筑物的選擇參與比選的泄水方案有三:河岸溢洪道、泄洪隧洞和溢流壩。分別將其特點(diǎn)和適用條件列于表3-2。表3-2泄水方式比較由于本樞紐使用的是重力壩,從經(jīng)濟(jì)和施工方面考慮,擬采用溢流壩的泄水方式來宣泄洪水。電站是樞紐的重要組成部分,是工程建成后的重要的經(jīng)濟(jì)來源。按電站的建筑物極其方式特點(diǎn)適用條件河岸溢洪道其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是地面開敞式。他具有超大的泄流能力;溢洪道檢修方便,運(yùn)行安全可靠;可充分利用地形,減少開挖量。最好能布置在埡口等有利地形處,常和土石壩聯(lián)合修建。對于本樞紐明顯不適合。泄洪隧洞在山體中開挖的一種水流信道。他作為水利樞紐的或渠首的重要組成部分,在水利樞紐中廣泛應(yīng)用,而且工程規(guī)模越來越大。泄水隧洞按進(jìn)口高低可分表孔和深孔。表孔的進(jìn)口屬于堰流,超泄流能力大,結(jié)構(gòu)簡單運(yùn)行方便可靠。而深孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對閘門的要求高,在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理方面都有一些特殊的問題,必須妥善解決。泄水隧洞總的來說開挖量較大,施工工序多、速度慢、難度大、工作量大、場地狹小、運(yùn)輸困難、易發(fā)生事故,切工程投資較大。表孔常用于要求泄水量隨水位增長而較快增長時,或需要排除表面污物時;深孔適用于要求調(diào)節(jié)水庫水位或水庫有放空要求時。他們一般常用在拱壩中,本樞紐不優(yōu)先采用。溢流壩通過壩身宣泄洪水的泄流建筑物。溢流壩結(jié)構(gòu)上簡單,檢修方便;水流平順;便于排除漂浮物,不易堵塞;超泄流潛力大;施工簡單方便。但在開始泄流是流量較小,不能適時加大泄流量來降低水位。另外他不能滿足排沙防空等要求;所以必須根據(jù)需要設(shè)置防空、排沙等設(shè)施。在重力壩樞紐中一般多用此種泄流方式。在樞紐中設(shè)置溢流壩段,可以很好的宣泄很大洪水流量;且較其他泄水方式較經(jīng)濟(jì)。特征,水電站的布置形式有壩式、河床式和引水式三種典型布置形式,對他們進(jìn)行比選:壩式廠房:壩式水電站是靠壩來集中水頭,最常見的布置方式是水電站廠房位于非溢流壩壩趾處,即壩后式水電站,這種水電常建于河流上并排布置有困難時,集中的落差為中、高水頭。當(dāng)河谷較窄而水電站機(jī)組較多、溢流壩和廠房并排布置有困難時,可將廠房布置在溢流壩下游或讓溢流水舌挑躍廠房頂泄入下游河道,成為挑躍式水電站;或者讓廠房兼做溢洪道宣泄洪水,成為廠房頂溢流式電站。當(dāng)壩體足夠大時,還可將廠房移至壩體內(nèi)空腔內(nèi),成為壩內(nèi)式廠房河床式電站:河床式電站廠房是擋水建筑物一部分,從而成為集中水頭的擋水建筑物之一,該形式多建在平原區(qū)、河流的中下游的低壩樞紐上。引水式電站:引水道較長,并用之集中水電站的全部或大部分的水頭。這種水電站多見于流量小,坡度大的河流中、上游或跨流域開發(fā)方案。由于該樞紐位于丘陵地區(qū),引流量較大,河床較窄,壩體經(jīng)過經(jīng)濟(jì)剖面選擇后壩體比較單薄,下游水位也較低,壩后式水電站優(yōu)先被采用。在重力壩樞紐中多用深孔來放空水庫。在樞紐中除了放空還擔(dān)任了泄洪、灌溉放水、施工導(dǎo)流庫及排砂等責(zé)任。根據(jù)泄水孔中的水流的狀態(tài),可分為無壓孔和有壓孔。下面就對這兩種方式進(jìn)行比選。表3-3有壓孔和無壓孔的比較由于樞紐為重力壩,相對于其他壩型壩身厚大,采用無壓管可以提高泄流能力,而通過設(shè)計(jì)可以解決氣蝕等問題,做到揚(yáng)長避短。而從目前國內(nèi)外已建成和正在建設(shè)的工程來形式項(xiàng)目有壓孔無壓孔工程布置布置靈活,水平彎角不大即可,較優(yōu)要求兩側(cè)順直,以免渦流。易高速噴射,斷面要求也高,流態(tài)不好。水流條件流速小,流態(tài)穩(wěn)定,其他問題不大,斷面要求也比無壓洞小,較優(yōu)。流速較高,流態(tài)復(fù)雜,水流摻氣、空蝕、震動問題較多。結(jié)構(gòu)條件需要斷面全襯砌,要有一定埋深,當(dāng)有外水壓或者圍堰抗力較大時經(jīng)濟(jì)無需襯砌與埋深,山巖壓力小時,較為有利。閘門設(shè)置運(yùn)行閘門分設(shè)兩處,優(yōu)缺點(diǎn)與無壓相反,隧洞末端壓力大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜工作和檢修閘門都在進(jìn)口,管理操作方便,但維修處理困難,工程量與施工一般來講有壓洞的開挖、混凝土和鋼筋量為少。在開挖立模澆筑等工序無壓洞較優(yōu)?？?無壓深孔選用較多,經(jīng)驗(yàn)豐富。決定采用無壓深孔。綜上,使用無壓深孔來作為放空建筑物?？紤]有船隊(duì)的通過和為了適應(yīng)今后國家建設(shè)事業(yè)的要求,擬訂采用船閘。第四章調(diào)洪演算4.1調(diào)洪演算的目的、基本原理及方法調(diào)洪演算的目的:確定溢洪道尺寸,滿足最大下泄流量及下游防洪要求;計(jì)算最高洪水位,確定大壩的高度,以及工程量和上游的水位和淹沒狀況;其任務(wù)是在水工建筑物或下游防護(hù)對象的防洪標(biāo)準(zhǔn)一定的情況下,根據(jù)已知的設(shè)計(jì)入庫洪水過程線,最大下泄流量,防洪庫容和水庫相應(yīng)的最高洪水位。調(diào)洪演算的基本原理是:水庫調(diào)洪是在水量平衡和動力平衡的支配下進(jìn)行的。水量平衡是用水庫水量平衡方程表示,動力平衡可由水庫蓄泄方程表示,調(diào)洪演算就是從起調(diào)開始,逐時段求解這兩個方程。(1水庫水量平衡方程:在一定時段內(nèi),入庫水量減出庫水量,應(yīng)等于該時段內(nèi)水增t?加或減少的蓄水量,由此可寫出如下的水量平衡方程:122121VVtsqqt2QQ?=??+???+式中Q1,Q2——時段始末的入庫流量,t?q1,q2——時段始末的出庫流量,t?V1,V2——時段始末的水庫蓄水量,t?——計(jì)算時段。t?(2水庫蓄泄方程水庫下泄流量在溢洪道尺寸一定的情況下僅與堰頂水頭有關(guān)即q=f(H同時泄流水頭H是庫中蓄水量V的函數(shù)即H=f(V,所以下泄流量是蓄水量的函數(shù)q=f(V,由此二方程可建立來流量,出流量和庫容的關(guān)系及其曲線,從而可推求最高洪水位Hmax和最大出流量Qmax。調(diào)洪演算的方法:定幾組溢洪道尺寸,建立出流量和水位的關(guān)系,水位和來流量的關(guān)系,水位和庫容的關(guān)系,以及他們和時段的關(guān)系,從而找到預(yù)期目標(biāo)。常用方法有列表試算法和半圖解法。此處采用列表試算法(電算。4.2調(diào)洪演算方案及成果水位-流量曲線(見附圖1;水位-面積曲線(見藍(lán)圖;水位-容積曲線(見藍(lán)圖;起調(diào)水位:175.8m;參加泄洪的不包括放空流量,要求計(jì)入發(fā)電的流量.;總共有兩個方案,詳細(xì)情況列于表4-1。表4-1根據(jù)基本資料和限制條件,利用列表試算法調(diào)洪演算(詳細(xì)計(jì)算見計(jì)算書第1章,將計(jì)算成果列于表4-2。表4-2調(diào)洪演算成果表在考慮設(shè)計(jì)和校核允許下泄流量的情況下,只有方案二才能滿足限制條件,選用該方案,即堰頂高程170.92,設(shè)3個孔,每孔12米的方案。此時,樞紐的設(shè)計(jì)、校核和正常工況情況下上游水位、庫容、最大下泄流量和下游水位(根據(jù)最大下泄流量由流量-水位曲線差得,曲線見附圖1列于表4-3。表4-3經(jīng)調(diào)洪演算得到的水利水能資料堰頂高程(m孔寬(m孔數(shù)方案一170.92123方案二170.92113方案孔寬(m起調(diào)流量工況qmax(m3/svmax((m3zmax(mqmax+q電方案一36804.51校核33979.551900.315.45179.842068.3上游水位(m180.1315.52278.66147.13第五章樞紐布置5.1樞紐布置的基本原則(1擋水建筑物,擋水建筑物通常布置成直線,使壩軸線最短,壩身體積最小;(2泄水建筑物,對于溢流壩,其前沿應(yīng)正對上游來水主方向,以使壩前流速均勻分布。如果和電站相連接,二者之間還須設(shè)置導(dǎo)墻,隔開水流,減小干擾;(3水電站建筑物,要求進(jìn)口前水流順暢,水頭損失小。廠房尾水能通暢的排出,避免因尾水雍高而減小發(fā)電水頭;(4過壩建筑物,為了避免互相干擾,船閘和電站應(yīng)盡可能的分置于兩岸,并注意安排交通路線和泊船碼頭。應(yīng)保證上下游引航道有足夠的寬度和深度,并可與原河道順暢銜接,以利通航。5.2樞紐布置方案比選根據(jù)上述基本原則,現(xiàn)擬訂兩個方案:表5-1樞紐布置方案比較經(jīng)過上面的比較,方案一明顯優(yōu)于方案二。選用方案一。5.3樞紐的進(jìn)一步布置根據(jù)樞紐布置的基本原則,對選定的樞紐布置方案進(jìn)行進(jìn)一步布置。各壩段的尺寸見后面的詳細(xì)設(shè)計(jì)。具體的布置見設(shè)計(jì)圖冊。方案方案一(如圖11-1方案二(如圖11-2特點(diǎn)溢流壩居于中間,左岸布置船閘,右岸依次布置深孔和電站壩段。溢流壩居于中間,左岸布置電站,右岸依次布置深孔和船閘。優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)有公路在右岸,方便進(jìn)廠公路的修建;右岸地勢平坦,便于布置生活區(qū)等設(shè)施;左岸地勢較陡,有利于船閘的閘室穩(wěn)定和混凝土澆注量的減少。電站所在一側(cè)較陡,有利于廠房邊坡的穩(wěn)定;溢流壩所在位置比較居中。缺點(diǎn)右岸地勢較緩,電站開挖會進(jìn)一步加大;深孔泄水影響電站的尾水。電站所在一側(cè)無公路,需要從新開路作為進(jìn)場公路。右岸地勢較緩,船閘開挖會很大,閘室所需要的混凝土澆注量較大;溢流壩泄水影響電站的尾水。圖5-1樞紐布置方案一圖5-2樞紐布置方案二表5-1主體建筑物寬度(單位:米船閘15115電站15345深孔12112溢流15345壩段寬度個數(shù)總寬第六章?lián)跛ㄖ镌O(shè)計(jì)6.1擋水建筑物形式的選擇由4.2節(jié)確定壩型為實(shí)體重力壩。6.2剖面尺寸設(shè)計(jì)根據(jù)強(qiáng)度和穩(wěn)定的要求,基巖上的重力壩在基本荷載作用下,理論剖面是一個以上游水位為頂點(diǎn)的三角形,但實(shí)際上,為了防止水流漫溢壩頂,常需一定的壩頂超高;為了滿足一定的要求,也需要一定的壩頂寬度;為了有更好的穩(wěn)定及應(yīng)力條件和滿足一些其他的要求,壩體常呈如圖6-1所示的復(fù)式梯形。本樞紐的重力壩采用如圖6-1所示的形式,即上游面上部鉛直,而下部是傾斜的,這是因?yàn)樵撎幍牡鼗^好,做出斜面以利用一部分水重來協(xié)助自身的抗滑穩(wěn)定。2h1高度;hc為一等知;經(jīng)過計(jì)算程為由河谷地形圖上量得河谷高程(除掉河沙卵石為138m。取開挖的深度為2m,則壩基面面高程為Z基=138-2=136m;壩高為H=Z頂-Z基=182.04-136=46.04m(3壩頂寬度的確定在無特殊要求的前提下,壩頂寬度約為壩高的8%~10%,一般不小于2米,有交通要求時候應(yīng)按交通要求布置。壩高H=46.04米,壩頂寬度要求有46.04×0.1=4.6米。考慮可能有的通車要求,取B=6米。(4上游折坡點(diǎn)高程為盡量利用水重來提高抗滑穩(wěn)定,在滿足應(yīng)力的前提下,上游坡應(yīng)盡可能的緩。同時也應(yīng)考慮電站進(jìn)水口閘門攔污珊的操作便利。一般的情況下,折坡點(diǎn)高度頂在壩高的1/3~2/3處?，F(xiàn)擬定折坡點(diǎn)高程為:Z折u=136+15=151m(5上下游邊坡坡度n、m上游邊坡n一般要求在0.15~0.35之間,上游邊坡m在0.5~0.7之間。同時在滿足穩(wěn)定和應(yīng)力條件的情況下,取能使整個壩的工程量最小的n和m值?，F(xiàn)初步擬定為:n=0.2m=0.7最后確定的坡度需要經(jīng)過壩體的經(jīng)濟(jì)剖面計(jì)算后方能確定,見6.3的計(jì)算成果。(6下游折坡點(diǎn)根據(jù)基本三角形理論,基本三角形的頂點(diǎn)應(yīng)在上游校核水位處。由此確定下游折坡點(diǎn)高程為H折2=172.97米6.3壩體經(jīng)濟(jì)剖面選擇非溢流壩段的斷面在任何水平截面上均能滿足穩(wěn)定和應(yīng)力的要求,而整個壩體的混凝土方又最小的斷面稱經(jīng)濟(jì)斷面。為了獲得經(jīng)濟(jì)合理的壩剖面,必須遵循以下三個原則:(1壩體沿最危險(xiǎn)破壞面的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于規(guī)范規(guī)定值;(2壩體上游面最小主壓應(yīng)力不小于規(guī)定值;(3壩體總工程量為最小。本次設(shè)計(jì)主要對非溢流壩剖面進(jìn)行優(yōu)化。對最常用的剖面形狀,共有5個參數(shù),即壩頂寬度B,上游壩坡n,上游起坡點(diǎn)高程y1,下游壩坡m和下游起坡點(diǎn)高程y2,控制條件主要是壩基面和上游起坡點(diǎn)兩個水平截面上的穩(wěn)定和應(yīng)力條件。一般壩頂寬度B對壩體混凝土方量影響極微,可根據(jù)構(gòu)造或交通要求預(yù)先定出,其它4個參數(shù)可按下述方法求得:即在壩基面和上游折坡點(diǎn)的街截面上,取應(yīng)力和穩(wěn)定安全系數(shù)為最小的允許值,分別列出一個穩(wěn)定方程式和一個應(yīng)力方程式,共4個方程式,可解出4個未知數(shù)n,m,y1,y2,此時,位于中間的剖面就是經(jīng)濟(jì)剖面。由于其中有大量重復(fù)的計(jì)算,由電算進(jìn)行來進(jìn)行,計(jì)算程序是由武漢大學(xué)水利水電學(xué)計(jì)算工況:1-正常洪水位+揚(yáng)壓力;2-設(shè)計(jì)洪水位+揚(yáng)壓力;3-校核洪水位+揚(yáng)壓力。程序輸入和輸出見計(jì)算說明書附錄一。從輸出結(jié)果中找到滿足前面的三個原則的經(jīng)濟(jì)剖面為:n=0.3m=0.7。其對應(yīng)的壩體體積V=780.63m3,上游折坡點(diǎn)151,下游折坡點(diǎn)172.67。其他計(jì)算結(jié)果匯總于表6-1。表6-1經(jīng)濟(jì)剖面計(jì)算結(jié)果注:表中單位為噸.米。6.4穩(wěn)定及應(yīng)力分析(手算在任何可能出現(xiàn)的荷載組合的情況下,重力壩都必須保持穩(wěn)定。而巖基混凝土重力壩的失穩(wěn)破壞一般有以下兩種類型:①壩沿抗剪能力不足的面產(chǎn)生滑動,包括沿壩基面或沿附近巖體的表層或淺層破壞以及沿基巖體內(nèi)方向不利而又連續(xù)延伸的軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生深層滑動;②壩可能伴隨著在上游壩踵以下出現(xiàn)斜拉裂縫以及在下游壩趾以下出現(xiàn)巖石受壓屈服區(qū),兩者逐漸開展,直至連通,壩體連同部分地基產(chǎn)生傾倒或滑移而破壞?？够€(wěn)定分析主要就是核算壩體沿壩基面或地基深層軟弱結(jié)構(gòu)面抗滑穩(wěn)定的安全度。主要計(jì)算方法有兩種:抗剪斷強(qiáng)度公式(Ksh抗剪強(qiáng)度公式(Ksl,根據(jù)我國1984年頒布的《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范SDJ21—78(試行補(bǔ)充規(guī)定》中規(guī)定,除中型工程中的中低壩外,應(yīng)按抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算壩基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。此工程屬于大(一型工程,因此采用抗剪斷強(qiáng)度公式?？辜魯鄰?qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為:K’=б∑∑+?HAcUVf'('式中f’——抗剪斷摩擦系數(shù);c’——抗剪斷凝聚力;KN/m2計(jì)算工況垂直應(yīng)力σy上游第二主應(yīng)力σ2u0.830.20110.633.05A——滑動面面積,m2;U——作用于滑動面上的揚(yáng)壓力;∑H——作用于滑動面上壩體的力在水平方向的投影的代數(shù)和;∑V——作用于滑動面上壩體的力在垂直方向的投影的代數(shù)和?；竞奢d有:壩體自重、上游水壓力、下游水壓力、泥沙壓力、浪壓力、揚(yáng)壓力、壩頂設(shè)備重量。表6-2穩(wěn)定計(jì)算(手算成果抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)設(shè)計(jì)校核K’3.137(>3.03.048(>2.5可知上面設(shè)計(jì)的壩體滿足穩(wěn)定要求。強(qiáng)度和穩(wěn)定是表征建筑物安全兩個重要方面。而應(yīng)力分析是校核強(qiáng)度和穩(wěn)定的前提。重力壩的應(yīng)力分析是在壩體斷面業(yè)已初步擬訂的情況下進(jìn)行的,其目的是為了判定壩體運(yùn)用期和施工期是否滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定方面的要求,同時也為研究與設(shè)計(jì)和施工有關(guān)的其他問題(如確定壩體混凝土標(biāo)號分區(qū)以及在某些部位配置鋼筋等提供依據(jù)。設(shè)計(jì)的壩體斷面需要滿足規(guī)定的應(yīng)力條件:在基本荷載組合下,重力壩壩基面的最大垂直正應(yīng)力應(yīng)小于壩基允許壓應(yīng)力,最小垂直正應(yīng)力應(yīng)大于零;對于壩體應(yīng)力,在基本荷載組合下,下游面最大主壓應(yīng)力不大于混凝土的允許壓應(yīng)力值,上游面的最小主壓應(yīng)力應(yīng)大于零。應(yīng)力的計(jì)算方法很多,可歸納為理論計(jì)算和模型實(shí)驗(yàn)兩大類。設(shè)計(jì)時一般使用理論計(jì)算的方法,理論的計(jì)算方法有材料力學(xué)法、彈性理論和彈塑性理論的方法。對于中等高度(60~70m以下的重力壩,一般只用材料力學(xué)計(jì)算方法即可,他計(jì)算方法簡單,原理明確,計(jì)算比較準(zhǔn)確。計(jì)算截面為壩基面;計(jì)算工況為設(shè)計(jì)和校核情況;計(jì)算內(nèi)容是壩踵和壩趾處兩點(diǎn)的應(yīng)力值。表6-2應(yīng)力計(jì)算(手算成果表注:單位為噸.米。可知上面設(shè)計(jì)的壩體尺寸滿足應(yīng)力要求。6.5穩(wěn)定及應(yīng)力分析(電算由于用材料力學(xué)法進(jìn)行應(yīng)力分析的計(jì)算量較大且屬于重復(fù)性計(jì)算,在實(shí)際的工作中一般利用程序來進(jìn)行應(yīng)力分析,迅速而準(zhǔn)確。這里使用的是武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水工教研室提供的SAOGD1程序。應(yīng)力計(jì)算的三個工況為:正常洪水位+揚(yáng)壓力;設(shè)計(jì)洪水位+揚(yáng)壓力;校核洪水位+揚(yáng)壓力;程序的輸入數(shù)據(jù)輸出結(jié)果見附錄二將計(jì)算成果整理成表6-3?？梢妷误w內(nèi)部應(yīng)力條件良好:沒有出現(xiàn)應(yīng)力為負(fù)值的,即拉應(yīng)力的情況,也沒出現(xiàn)壓應(yīng)力超過混凝土極限承載能力的情況!由程序的輸出結(jié)果繪制得到正常水位情況下的應(yīng)力分布圖(圖6-2和主應(yīng)力分布圖(圖6-3。表6-3非溢流壩應(yīng)力計(jì)算(電算成果整理表①計(jì)算工況:正常水位+揚(yáng)壓力工況設(shè)計(jì)校核σx35.3372.150.47110.036.1873.8351.68107.43高程σxσyτxyσ1σ2minmaxMinmaxminmaxminmaxminmax172.676.5432.969.9767.27-1.1347.0910.31100.2310.84②計(jì)算工況:設(shè)計(jì)水位+揚(yáng)壓力②計(jì)算工況:校核水位+揚(yáng)壓力注:max代表最大值;min代表最小值;表中單位均以噸.米計(jì);計(jì)算結(jié)果中值非常小的以0計(jì)高程σxσyτxyσ1σ23.8931.668.8064.6150.656.2107.8008.51高程σxσyτxyσ1σ25.7236.380.8374.251.6151.98第七章泄水建筑物的設(shè)計(jì)7.1泄水建筑物形式的選擇在7.2溢流同。溢流壩頂部溢流曲線,應(yīng)使水流平順的通過堰頂,在堰面不產(chǎn)生過大的負(fù)壓,溢流能力較大。(1溢流堰面曲線(bc段。有兩種曲線可供選擇使用:克-奧曲線和WES曲線。但最近的工程實(shí)例證明WES曲線比克-奧曲線瘦,宜與壩面連接,計(jì)算切點(diǎn)位置及放樣均方便的多,與上游面可呈坡形連接,按定型水頭設(shè)計(jì)此堰面曲線時,在不同水頭下,可增加泄流量,因此我國“混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范”薦采用WES曲線。故擬訂采用WES曲線。當(dāng)上游面垂直時,WES曲線方程如下:85.0s85.1H2xy=式中:x,y——堰頂曲線的水平和垂直坐標(biāo),原點(diǎn)為堰頂?shù)淖罡唿c(diǎn);Hs——定型設(shè)計(jì)水頭,按堰頂最高水頭的75~95%計(jì)算。經(jīng)計(jì)算確定該曲線方程為85.1x0915.0y?=(2上游曲線(ab段。堰頂上游面為1/4橢圓曲線,其方程為:1hb(yhb(ha(x2s2s2s2=???+?式中:a、b——分別為橢圓的長短軸系數(shù);Hs——定型設(shè)計(jì)水頭。最后確定該橢圓方程為113131.1y(21.2x22溢流壩的中部為直線段,要求和非溢流壩的基本三角形的下游邊相重合,上端和堰頂曲線相切,下端和反弧相切,其作用是使水流平順的按要求的消能方式與下游水位銜接。經(jīng)過計(jì)算(詳細(xì)見計(jì)算書3.2節(jié)得切點(diǎn)位置為(12.3,9.5,其坡度和非溢流壩保持一致,為1:0.7。表7-1消能形式極其比較消能形式原理及特點(diǎn)適用情況底流消能基本原理是使水流產(chǎn)生臨界水躍,通過表面漩滾消能;他常需要護(hù)坦、消力池等措施,對于基巖往往不夠經(jīng)濟(jì)。常用于水閘。挑流消能挑流消能,利用鼻坎將自溢流面下泄的高速水流向空中拋射,使水流擴(kuò)散并卷如大量的空氣,然后落入下游河床水墊中。水流在同空氣摩擦的過程中,消耗了約20%的能量。拋射到下游水墊后,形成強(qiáng)烈的旋滾區(qū),沖刷河床形成沖坑,同時消耗掉大部分的能量。它一般適用于基巖上的水工建筑物,特別是高水頭、大流量的泄水建筑物。面流消能原理是將高速水流挑至尾水面,在表層主流和河床之間形成逆流旋渦和躍波,通過旋渦和主流擴(kuò)散而消能。水流在表面可減輕對壩下河床的沖刷,但可能水滾裹挾石塊,磨損壩腳地基。它適用于下游尾水較深,流量變化范圍小,水位變幅不大的情況,由于表層水流速很大,對下游的電站和航運(yùn)有影響。消力戽消能它將鼻坎設(shè)置在水下,不形成自由水舌,水流在戽內(nèi)產(chǎn)生漩滾,經(jīng)鼻坎將高速主流挑射至水流表面,消耗大量動能。它一般實(shí)用于尾水較深,變幅較小,無航運(yùn)要求,且地基條件比較好的情況。(1消能形式及原理:重力壩的下泄水流具有很大能量,如不能妥善的消殺水流的能量,將沖刷建筑物及河床基巖,危機(jī)建筑物的安全。常用的消能形式有底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等,他們的比較列于表7-1。由于該樞紐河床地質(zhì)條件較好,且水頭較高,同時有通航和發(fā)電要求。擬采用挑流消能。(2挑流設(shè)計(jì)挑流設(shè)計(jì)的要求:選擇合適的鼻坎型式、反弧半徑、鼻坎高程和挑射角度,使挑射水流形成的沖刷坑不會影響到壩體的安全。①常用的鼻坎型式有連續(xù)式和差動式。連續(xù)式構(gòu)造簡單,射程遠(yuǎn),水流平順,一般不會產(chǎn)生空蝕,施工方便;差動式消能效果好,沖刷坑較小,但有空蝕問題存在,施工難度較連續(xù)式大。由于本樞紐的地基條件較好,考慮到施工的方便使用連續(xù)式鼻坎,同時也避免了空蝕的問題,但要保證沖坑不會危及到壩體的安全。②連續(xù)式的挑流鼻坎的挑射角,根據(jù)我國的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),以20°~25°為宜,擬定采用25°的挑射角。④鼻坎高程,為了保證挑流的效果,必須要求挑流要高于下游水面。一般情況下鼻坎高程以高于下游水位1~2米為宜。設(shè)計(jì)出來的鼻坎高程為148.74米,高出下游水位:m⑤水力校核,鼻坎設(shè)計(jì)完畢后,還需驗(yàn)算該挑流消能是否會危及建筑物的安全,常用沖坑上游坡做為標(biāo)準(zhǔn),即:ckiLti<=式中tk——沖坑深度(米;L——沖坑最深深度距建筑物距離;i——沖坑上游坡;ic——安全臨界坡,可取1/3~1/4。計(jì)算工況為設(shè)計(jì)和校核情況。計(jì)算(詳細(xì)計(jì)算見計(jì)算書3.4節(jié)得校核時:4設(shè)計(jì)時:4Ltk均滿足安全要求。綜上,擬訂的挑流消能的鼻坎型式為,連續(xù)式鼻坎;反弧半徑R=17.21m;挑射角度θ=25°;鼻坎高程頂部148.74m。7.3閘門、閘墩及導(dǎo)墻設(shè)計(jì)(1閘門形式的型式選擇比較常見的閘門形式是平板門和弧形門。平板直升閘門能滿足各種類型的泄水孔道的要求,所以它是應(yīng)用最為廣泛的一種閘門形式;弧形門也是一種應(yīng)用十分廣泛的門型,它一般可用于泄洪道和無壓泄水孔的泄水形式。二者具體特性如表7-1所示:表7-1閘門型式及其優(yōu)缺點(diǎn)通過比較二者各有優(yōu)劣,但當(dāng)二者均為方案選擇時,優(yōu)先考慮使用弧形門。故工作門擬采用弧形閘門,而檢修門為了保證工作的可靠,采用平板門。(2工作閘門基本尺寸擬訂①門高。工作閘門要求可以在正常水位的情況下完全擋水,在校核水位時則打開閘門優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)平板門①可封堵相當(dāng)大面積的孔口;②建筑物順流方向尺寸較小;③閘門結(jié)構(gòu)簡單,其制造、安裝和運(yùn)輸工作相對來說比較方便;④門頁可以出孔口,便于檢修維護(hù);⑤門頁可在孔口間互用;⑥門葉可為數(shù)段,有利于泄洪、排沙;⑦閘門啟閉設(shè)備比較簡單,對對移動式起門機(jī)適應(yīng)性較好。①需要較高和較厚的閘墩;②具有影響水流的門槽特別在水頭較高的情況,門槽會帶來很多的麻煩;③需要啟閉力較大,故須選用超大的門機(jī)。弧形門①可封閉相當(dāng)大面積的孔口;②所需閘墩高度和厚度較小;③沒有影響水流流態(tài)的門槽;④所需的啟閉力較小;⑤埋件數(shù)量小。①需要較長的閘墩;②閘門所占空間較大;③不能提出孔口以外進(jìn)行維修;④閘門所承受的總水壓力較大,不能在孔口間互換。放水,即門高H為正常水位的堰上水深加上浪高(浪高見計(jì)算書2.1節(jié)和一定的超高。Z正-Z頂+H浪=178.0-170.92+1.68=8.76米加上一定超高為9.4米。一般為徑R擊的高程,頂式閘門,3/4度處,的要求。面線節(jié),且閘門開啟的之后也可保證在水面線上一定的超高,如圖7-1所示。(3檢修門基本尺寸擬訂檢修門采用平板門,門槽厚度為1~4米,門高和工作門一致。故擬訂門槽寬為1米,門高9.4米。要求檢修們和工作門之間要有1~2米的間距,以保證工作人員能夠進(jìn)入進(jìn)行檢修和維護(hù)。此處二者間距擬訂為1.2米。(1閘墩的作用將溢流前緣分分隔為若干個孔口,便于設(shè)置閘門,同時承受閘門傳來的水壓力,也是壩頂橋梁的支承體。(2閘墩體型設(shè)計(jì)閘墩的長度主要取決于壩頂橋面的交通和閘門的受力條件。壩頂交通主要有交通橋、工作橋和便橋,閘門受力牛腿后同樣需要一定的混凝土厚度以保證可以承受閘門傳來的力。因?yàn)槭褂檬腔⌒伍T,按照上面的要求所的閘墩很長,考慮如圖7-2所示布置形式,即在牛腿的斜下方和水面線以上向內(nèi)收縮。這樣可以減小閘墩的長度,增大溢流面寬度,減小水流流速;同時保證閘門的受力牛腿布置在一個平面上,有較好的受力條件。對于弧形門閘墩最小厚度為1.5~2.0m,最大可達(dá)3~3.5m。考慮到墩縫,墩厚初擬定為3m。(1導(dǎo)墻的作用及位置。邊墩設(shè)在溢流壩的兩側(cè),以分隔溢流壩和非溢流壩,并做為邊跨橋梁和閘門的支承體,為了防止壩面水流向兩側(cè)漫溢,邊墩應(yīng)向下游延伸形成導(dǎo)墻。延伸的長度應(yīng)根據(jù)樞紐的布置而定。由于本樞紐采用挑流消能,所以和非溢流壩或溢流壩間的導(dǎo)墻至少要延伸到鼻坎末端,和鼻坎端部平齊;和電站壩段之間的導(dǎo)墻為了和壩后式廠房分割開,不影響電站尾水,保證不影響電站的正常運(yùn)行,導(dǎo)墻應(yīng)延伸到廠房后20~30h0(h0為下游水臨界水深。(2導(dǎo)墻的高度確定。導(dǎo)墻要求高于摻氣水面線(當(dāng)弗氏系數(shù)Fr>2時候考慮摻氣水深1~2米,以保證水流不會漫溢。表7-2溢流面水面線計(jì)算結(jié)果水深h5.394.794.354.013.973.753.052.97經(jīng)水面線計(jì)算(見計(jì)算書3.4節(jié)得溢流面摻氣水面線如表7-2和圖7-3所示。并按照1~2米的超高設(shè)計(jì)導(dǎo)墻,為了施工的方便,將導(dǎo)墻設(shè)計(jì)為如圖7-3所示的折線形式。(3導(dǎo)墻厚度及截面的確定導(dǎo)墻斷面按受力條件決定,墻頂寬度不小于50~60cm。導(dǎo)墻的重要外力來自水壓力,其受力如圖7-2(b所示呈三角形分布。故將導(dǎo)墻截面做成梯形,以更好的承受水壓力。梯形頂邊寬1米,底邊寬2米,起坡點(diǎn)在水面線處,如圖7-2(b所示。7.4穩(wěn)定與應(yīng)力分析(電算溢流壩雖然是在基本剖面的基礎(chǔ)上修改而來,但剖面的樣式已經(jīng)改變,前面擋水壩段的穩(wěn)定應(yīng)力分析的結(jié)果已不在適用于此,必須對該壩段重新進(jìn)行穩(wěn)定應(yīng)力分析。分析的基本方法為材料力學(xué)法。由于計(jì)算十分煩瑣復(fù)雜,此處利用武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水工教研室提供的穩(wěn)定應(yīng)力分析程序SAOGD1來進(jìn)行分析計(jì)算的工況:正常洪水位+揚(yáng)壓力;設(shè)計(jì)洪水位+揚(yáng)壓力;校核洪水位+揚(yáng)壓力要求計(jì)算出3~5個不同高程截面的正應(yīng)力σxσy、剪應(yīng)力τxy和主應(yīng)力σ1σ2,分析壩體的應(yīng)力條件。程序的輸入數(shù)據(jù)輸出結(jié)果見附錄二。將計(jì)算結(jié)果整理為表7-3。表7-3溢流壩應(yīng)力計(jì)算(電算成果整理表從程序的計(jì)算結(jié)果(見附錄二可以看出,除壩基面反弧段下方出現(xiàn)拉應(yīng)力外,其余各截面應(yīng)力條件良好。壩基面反弧段下方之所以出現(xiàn)拉應(yīng)力,是因?yàn)橐缌鲏芜^長導(dǎo)致?lián)P壓力過大而造成的,可以在基本三角形的頂點(diǎn)處設(shè)置一永久縱縫,以消除拉應(yīng)力,并可以起到降低該處過大的剪應(yīng)力的作用。關(guān)于縱縫的設(shè)置見11.2節(jié)。截面高程σxσyτxyσ1σ2上游面下游面上游面下游面上游面下游面上游面下游面上游面7.7122.9445.09-5.0224.4545.096.2截面高程σxσyτxyσ1σ2上游面下游面上游面下游面上游面下游面上游面下游面上游面7.6121.8343.88-4.6923.2443.886.2截面高程σxσyτxyσ1σ27.4520.0744.53-4.1621.3244.536.20第八章放空建筑物設(shè)計(jì)8.1深孔的作用在水利樞紐中為滿足泄洪、灌溉放水、施工導(dǎo)流、防空水庫及排砂等要求,常在壩體中設(shè)置泄水孔。位于水面線下壩體中、下部的泄水孔,習(xí)慣上稱為深孔。8.2深孔形式的選擇8.3基本尺寸初擬(1孔口尺寸及數(shù)量擬訂初擬定為3.5×4;考慮到要求排砂,底板高程定在151米高程;擬訂為一孔。經(jīng)過放空計(jì)算(見計(jì)算書4-1,知在最枯季節(jié)(1~4月和溢流壩聯(lián)合放水從正常高水位放空到死水位需要32天,完全滿足在40天內(nèi)防空的要求。(2壩段寬度確定要求在孔兩邊各有一定的厚度的混凝土保護(hù)層,一般為孔口寬度,則深孔壩段寬度擬訂為3×4=12米。8.4深孔體型設(shè)計(jì)無壓深孔從上游至下游可分為:進(jìn)口段、壓坡段、閘門段、無壓段、反弧段和挑流鼻坎。其中前三段共同構(gòu)成短的有壓段,其長度要求為2~3倍的有壓段出口的高度。(1進(jìn)口段(ac段進(jìn)口的上下唇都可用橢圓曲線,側(cè)壁也可采用橢圓曲線。他們的曲線方程分別為:03/03/2222=??????+??????=??????+??????BzBxDyDx式中x,y和z——正交坐標(biāo)系的坐標(biāo)值,x與水流平行,y(上下向和z(水平向與水流垂直;D——壓坡段(de段進(jìn)口的高度,為4.7米(見壓坡段的設(shè)計(jì);B——壓坡段進(jìn)口的寬度,為3.5米。22左、右唇上、下唇以上為坡度為左右。米,為D1bc0.1,在b米。要求d點(diǎn)在bc(4無壓段接,022HKxy?=式中:x,y——以拋物線起點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系的坐標(biāo)值;H0——流速水頭,為v2/2g,v為拋物線起點(diǎn)斷面的平均流速又因?yàn)?則H0=μ2H=0.95×(178-1532=20.25米;2k2gHAvμ=K——為防止產(chǎn)生負(fù)壓的安全系數(shù),一般取4.8~6.4,擬取5.5;φ——流速系數(shù),初設(shè)取0.95。則無壓段的拋物線方程為:y=x2/5.5×0.952×20.25=0.009949x2(5下游消能防沖設(shè)計(jì)①消能形式的選擇:由于該樞紐河床地質(zhì)條件較好,且水頭較高,擬采用挑流消能。它利用鼻坎將自溢流面下泄的高速水流向空中拋射,使水流擴(kuò)散并卷如大量的空氣,然后落入下游河床水墊中。水流在同空氣摩擦的過程中,消耗了約20%的能量。拋射到下游水墊后,形成強(qiáng)烈的旋滾區(qū),沖刷河床形成沖坑,同時消耗掉大部分的能量。②鼻坎設(shè)計(jì)連續(xù)式的挑流鼻坎的挑射角,根據(jù)我國的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),以20°~25°為宜,定采用20°的挑射角。鼻坎反弧段半徑R以4~10倍的hc為宜,hc為鼻坎上的水深,經(jīng)計(jì)算(見計(jì)算書4.4節(jié)得R=21.86米。該反弧上游必須和無壓段的拋物線銜接并相切。根據(jù)以上求得鼻坎最高點(diǎn)高出下游最高水位1.72米,滿足高出下游最高水位1~2米的設(shè)計(jì)要求,可以保證挑流的形成。③水力校核鼻坎設(shè)計(jì)完畢后,和溢流壩一樣,還需驗(yàn)算該挑流消能是否會危及建筑物的安全,常用沖坑上游坡做為標(biāo)準(zhǔn),即:ckiLti<=式中tk——沖坑深度(米;L——沖坑最深深度距建筑物距離;i——沖坑上游坡;ic——安全了解臨界坡,可取1/3~1/4。計(jì)算工況為設(shè)計(jì)和校核情況。計(jì)算(詳細(xì)計(jì)算見計(jì)算書4.5節(jié)得設(shè)計(jì)時:3均滿足要求。(6孔頂板設(shè)計(jì)無壓孔頂可做為折線的,但孔的高度應(yīng)考慮高速水流摻氣后水深增加的因素,留有安全余度,以保證水流為無壓流,孔頂距水面的高度可取最大流量時的不摻氣水深的30%~50%?？讉?cè)仍然是平行的,寬度為B。對于深孔,最大流量就是正常水位時對應(yīng)的流量,此時水面線計(jì)算成果如表8-1所示(計(jì)算過程見計(jì)算書4.4節(jié):表8-1深孔水面線計(jì)算成果表注:此處水深為垂直底板方向上的水深8.5深孔其他設(shè)施設(shè)計(jì)在深孔進(jìn)行充水或放空過程,閘門后需要排氣和補(bǔ)氣,特別是當(dāng)動水下門時,問題更為嚴(yán)重,會引起壓力管內(nèi)局部真空形成負(fù)壓。依據(jù)水利水電鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范于泄水管道中的工作閘門或事故閘門,其后通氣孔面積可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:a≥[]VAv09.0??式中:a——通氣孔斷面面積(m2;[V]——通氣孔允許風(fēng)速(m/s,對于中小型工程一般取50;v——閘孔孔口水流速(m/sA——閘門后管道面積iXi(mYi(m角度α水深h(m流速V(m/s114.72.15203.76422.06a≥0.09×3.5×4/50=0.52m2/aπ對應(yīng)孔直徑為D==0.8m2(1工作門,深式無壓泄誰孔應(yīng)設(shè)置工作閘門,工作閘門應(yīng)布置在短有壓段出口處,如圖8-1所示。工作門可采用平板門或弧形門。弧形門的優(yōu)點(diǎn)是啟門力較小,不需要門槽。不足之處是壩體內(nèi)要留較大的空室,以便于閘門開啟。由于重力壩壩體較大,所以擬訂選用弧形門。由于啟門力一般要求較大,開時要拉,關(guān)時要壓,選用油壓啟閉機(jī)操作,所以所要求的啟閉室也較小。(2檢修門工作門上游要設(shè)置檢修門。如果工作門不能及時開啟,就不能即使泄洪或泄水,會造成不良后果,所以必須加強(qiáng)檢修。所以要求檢修門能在動水下關(guān)閉,在靜水下開啟。一般檢修門用平板門,一般布置在進(jìn)口喇叭口段的下游,閘門槽通至壩頂。啟閉設(shè)備設(shè)置在壩頂。高速水流經(jīng)過閘門的門槽時,突然變化,空穴或負(fù)壓,對矩形門槽進(jìn)行改進(jìn),以防止空蝕。和尺寸如圖8-3。第九章電站壩段設(shè)計(jì)在重力壩樞紐中水電站是重要的組成部分,他擔(dān)負(fù)著整個水利樞紐的主要經(jīng)濟(jì)來源的重任。9.1電站布置形式的選擇9.2基本尺寸擬訂(1引水管直徑的確定電站的總裝機(jī)容量72000千瓦,擬采用三臺機(jī)組,每臺容量24000千瓦。電站最大引用流量240m3/s,則每臺的引用流量為q=240/3=80m3/s。鋼管的直徑應(yīng)根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。一般鋼管內(nèi)的經(jīng)濟(jì)流速為4~6m/s,擬采用5m/s的經(jīng)濟(jì)流速。此時管徑為:π×=D=80m5.45/4(2壩段寬度確定鋼管在壩內(nèi)布置要求在壩段的中間,管的直徑不超過壩段寬度的1/3。則壩段寬度最小為4.5×3=13.5,擬訂取15米一個壩段。(3進(jìn)水口高程的確定進(jìn)水口的進(jìn)口高程應(yīng)按水電站運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的最底水位決定,應(yīng)在引水道頂部以上有一定的淹沒深度,以保證不進(jìn)入空氣和不產(chǎn)生漏斗狀吸氣旋渦,同時,進(jìn)水口閘門第坎還應(yīng)在淤沙高程以上,以免影響水電站的正常運(yùn)行。最小淹沒深度采用高登(J.LGordon建議的經(jīng)驗(yàn)公式:2/1?=h?vca式中h——門頂最小淹沒深度,即相對死水位(166.28m的最小淹沒深度;c——經(jīng)驗(yàn)系數(shù),為0.55~0.73之間,對稱進(jìn)水口的進(jìn)口取小值,側(cè)面進(jìn)水的進(jìn)口取大值,此處取為0.6;v——閘門斷面流速,為4.5m/s;a——閘門空口高度,為4m。則最小淹沒深度為h=0.6×5×4.51/2=6.36m則門頂高程最高為166.28-6.36=159.92m即門頂高程須在151.5m(淤沙高程~159.92m,擬訂為159米。(4水輪機(jī)的選用及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算水輪機(jī)是水電站中最重要的動力設(shè)備之一,它關(guān)系到水電站的工程投資、安全運(yùn)行、功能指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)效益等重大問題。水輪機(jī)的選擇、在確定水輪機(jī)的型號和有關(guān)參數(shù)時,應(yīng)結(jié)合樞紐布置、工期安排以及水輪機(jī)的制造、運(yùn)輸、安裝和維護(hù)等方面的因素,力求選出技術(shù)上先進(jìn)可靠,經(jīng)濟(jì)上合理的水輪機(jī)。水輪機(jī)的最大工作水頭為hmax=180.13-147.13=33m,當(dāng)水輪機(jī)的最大工作水頭小于40米時,為了節(jié)約鋼材,多采用混凝土蝸殼,它的斷面多采用梯形斷面,這種混凝土蝸殼特別實(shí)用于軸流式水輪機(jī);又本樞紐的單管流量為80m3/s,流量較大,而水頭較低,優(yōu)先選用軸流式水輪機(jī)。故擬訂用軸流式水輪機(jī)。確定水輪機(jī)的具體型號需要確定水輪機(jī)的工作水頭范圍,上面已經(jīng)計(jì)算了最大工作水頭為33米,下面計(jì)算最小工作水頭。最小工作水頭為死水位情況下只有一臺機(jī)組工作時候?qū)?yīng)的工作水頭,此時下游水位為80m3/s對應(yīng)的水位,差水位-流量曲線(附圖1得140.79米,此時工作水頭為hmin=166.28-140.79=25.49m,即工作水頭范圍在25.49~33米,據(jù)此選用水輪機(jī)型號為ZZ440。經(jīng)計(jì)算(見計(jì)算書5.1節(jié)確定相關(guān)基本尺寸如下:水輪機(jī)直徑D:3.8m;導(dǎo)葉高度b0:1.425m;吸出高h(yuǎn)s:-3.86m;安裝高程:137.64m;?t廠房地面高程:147.93m;廠房寬度:15m;廠房長度:63m.9.3深式進(jìn)水口體型設(shè)計(jì)深式進(jìn)水口的水電站引水系統(tǒng)的首部工程,其主要作用是在規(guī)定的水位變化范圍內(nèi)引進(jìn)發(fā)電所需要的水量,并可攔截泥沙和污物,提高水質(zhì),保證水電站的正常運(yùn)行。深式進(jìn)水口的組成包括:進(jìn)口段、閘門段、漸變段、操作平臺及交通橋和其他附屬設(shè)備。(1進(jìn)口段為了保證水流的平順,壩式進(jìn)水口一般為一很短的喇叭形進(jìn)口段,其長度視不同的布置而定。進(jìn)口段頂板廣泛采用四分之一橢圓曲線,而為了便于施工,頂板也常做成斜坡形式;兩側(cè)邊墻輪廓可用橢圓或圓弧等曲線。①頂板的橢圓方程b=1/3D~1/2D,采用b=1/3B=4.5/3=1.5m.即兩側(cè)的橢圓方程為15.1y5.4x2222=+(2閘門段由于為有壓流,工作閘門采用平板門。閘門段是引水道和進(jìn)口段的連接段,其體形主要根據(jù)所采用的閘門、門槽形式以及結(jié)構(gòu)受力條件而決定。閘門孔口常做成矩形,其寬度一般等于或稍小于壓力管道直徑D,高度一般等于或稍大于管道直徑。閘門段的長度通常取決于閘門及啟閉設(shè)備的需要,并考慮引水道檢修通道的要求。現(xiàn)擬訂閘門門高h(yuǎn)為5米,門寬B為4.5米。(3漸變段漸變段是由閘門段(通常為矩形斷面到壓力引水管道(通常為圓形的過渡段,其斷面面積和流速應(yīng)逐漸變化,使水流不產(chǎn)生渦流并盡量減少水頭損失。由矩形變到圓形斷面通常采用在四角加圓角過渡,圓弧中心的位置和圓角的半徑均按直線規(guī)律變化。漸變段的長度根據(jù)經(jīng)驗(yàn),一般為壓力隧洞直徑的1.5~2.0倍,收縮角一般不超過10°,以6°~8°為宜。對于壩式進(jìn)水口的漸變段長度為了適應(yīng)壩體的結(jié)構(gòu)布置的要求,一般取為壓力管道直徑的1.0~1.5倍鋼管直徑,因管道短,漸變段軸線通常為直線,也可常用;垂直的用在高差較大,而水平距離較小的情況;水平的則相反,用于水平距離較大,垂直高差較小的情況。本樞紐的電站采用的是壩后式電站,水平和垂直距離相當(dāng),故采用傾斜式的布置。傾斜式的壩內(nèi)管布置要求在平面上盡量布置在壩段的中間。在剖面上,應(yīng)盡量使管軸攔污珊的功用是防止污物進(jìn)入進(jìn)水口。攔污珊可布置成直線和