水利工程設(shè)計(jì)

第十一章水利工程設(shè)計(jì)11.1設(shè)計(jì)階段的劃分11.2設(shè)計(jì)所需的基本資料11.3水利工程對(duì)環(huán)境的影響11.4水利樞紐設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本章內(nèi)容水利樞紐工程，需要經(jīng)過(guò)勘測(cè)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、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(huì)各方面需要，對(duì)流域綜合開發(fā)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，對(duì)河流梯級(jí)開發(fā)建設(shè)進(jìn)行合理布局。水利工程一經(jīng)決定開發(fā)，設(shè)計(jì)人員必須以高度的責(zé)任感和使命感，精心做好設(shè)計(jì)。11.1設(shè)計(jì)階段的劃分五個(gè)設(shè)計(jì)階段：項(xiàng)目建議書、可行性研究報(bào)告、初步設(shè)計(jì)、招標(biāo)設(shè)計(jì)、施工圖；對(duì)重要或復(fù)雜大型工程，在施工圖之前，還要增加一個(gè)技術(shù)設(shè)計(jì)階段。設(shè)計(jì)工作的一般順序：①編制項(xiàng)目建議書（前期工作）；②項(xiàng)目建議書批準(zhǔn)后，委托設(shè)計(jì)單位進(jìn)行可行性研究并編寫可研報(bào)告（重要前期工作）；③可研報(bào)告獲批后進(jìn)行初步設(shè)計(jì)；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(píng)標(biāo)；⑤由施工單位進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)。近年來(lái)電力工業(yè)部門對(duì)設(shè)計(jì)階段作了調(diào)整，分為：預(yù)可研、可研、招標(biāo)設(shè)計(jì)和施工圖四個(gè)階段。各設(shè)計(jì)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(xiàng)目建議書階段應(yīng)根據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)劃、地區(qū)經(jīng)濟(jì)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(duì)項(xiàng)目的建設(shè)條件進(jìn)行調(diào)查和必要的勘測(cè)工作，并在對(duì)資金籌措進(jìn)行分析后，擇優(yōu)選定建設(shè)項(xiàng)目及其建設(shè)規(guī)模、地點(diǎn)和建設(shè)時(shí)間；論證工程項(xiàng)目建設(shè)的必要性，初步分析項(xiàng)目建設(shè)的可行性和合理性。二、可行性研究報(bào)告階段主要任務(wù)：論證擬建工程的技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)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(bào)告應(yīng)包括的內(nèi)容：自己看書了解。

三、初步設(shè)計(jì)階段初設(shè)報(bào)告包括以下內(nèi)容：確定工程等別和主要建筑物級(jí)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(jī)容量，選擇機(jī)組型號(hào)和其它機(jī)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(jìn)度、對(duì)外交通和施工設(shè)施；提出建筑材料、勞動(dòng)力和風(fēng)、水、電的需要量；編制工程概算；論證對(duì)環(huán)境的影響及環(huán)境保護(hù)；國(guó)民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)。四、招標(biāo)設(shè)計(jì)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(bào)價(jià)。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(guó)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(guó)施工圖由業(yè)主委托的設(shè)計(jì)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(jī)電設(shè)備的安裝圖等。11.2設(shè)計(jì)所需的基本資料設(shè)計(jì)階段不同，所需資料的廣度和深度也不同。設(shè)計(jì)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(jì)階段和工程項(xiàng)目的實(shí)際需要來(lái)確定：庫(kù)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(kù)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(chǔ)量、開采條件，工程地質(zhì)評(píng)價(jià)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(dòng)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(huì)經(jīng)濟(jì)

需全面了解社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀及中長(zhǎng)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(dòng)力、交通、投資環(huán)境等。

6.規(guī)程規(guī)范一、對(duì)庫(kù)區(qū)的影響1.淹沒建壩后，在水庫(kù)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(wàn)，所采用“以人為本、就地開發(fā)性移民”措施，是解決好庫(kù)區(qū)移民的重要舉措。11.3水利工程對(duì)環(huán)境的影響水利工程特別是大型水庫(kù)的興建，將使其周圍環(huán)境發(fā)生明顯改變，帶來(lái)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(duì)環(huán)境的不利影響控制在最小程度。水庫(kù)引起的環(huán)境變化，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：2.滑坡、坍岸

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

水流入庫(kù)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(kù)容減小，縮短水庫(kù)壽命，加大淹沒損失，還將影響電站和航運(yùn)的正常運(yùn)行。

4.生態(tài)變化

水庫(kù)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(duì)珍稀、瀕危生物的種群、數(shù)量、繁殖場(chǎng)所有致命影響。5.水溫的變化庫(kù)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(kù)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(kù)蓄水后，由于庫(kù)區(qū)內(nèi)生物機(jī)體的分解，增加了庫(kù)水的肥力，有利于水中微生物的繁殖，對(duì)魚類生長(zhǎng)有利。但如清庫(kù)不徹底，過(guò)多的有機(jī)質(zhì)在庫(kù)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(kù)的磷、氮等鹽類，有利于植物和水生物的生長(zhǎng)，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(yíng)養(yǎng)化”，造成水質(zhì)惡化。6.水質(zhì)變化7.氣象變化

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

水庫(kù)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(lái)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(duì)水庫(kù)下游河道的影響1.河道沖刷

河道水流所挾帶的泥沙在庫(kù)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(shí)，還可能引起主河槽游動(dòng)，或沖刷下游橋基和護(hù)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(duì)下游航運(yùn)有利。但當(dāng)電站擔(dān)負(fù)峰荷、泄放流量不均時(shí)，又將給航運(yùn)帶來(lái)不便。為了不使河道干涸，不過(guò)分降低下游地下水位，保護(hù)水生物生長(zhǎng)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(hù)河流的正常功能。3.河道水溫4.河道水質(zhì)

和水溫一樣，庫(kù)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(guò)高。水庫(kù)的中、低層水溫較低，水中溶解氧也低，對(duì)作物生長(zhǎng)和魚類生存不利。

除溢洪道外，自水庫(kù)泄放的水流大多來(lái)自水庫(kù)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(kù)前低，冬季較建庫(kù)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(yùn)和木材浮運(yùn)創(chuàng)造了條件，另一方面由于河道受阻，需要設(shè)置通航、過(guò)木和過(guò)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(jì)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(yùn)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(chǔ)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(jì)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(gè)壩段和壩軸線以及與其相適應(yīng)的壩型，經(jīng)過(guò)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(duì)各壩段內(nèi)有代表性的壩軸線進(jìn)行比較，從中選定一兩條最有利的壩軸線，并進(jìn)行樞紐布置。初設(shè)階段：隨著地質(zhì)、水文和試驗(yàn)資料等的進(jìn)一步深入和充實(shí)，通過(guò)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(duì)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(duì)垂直水流方向的陡傾角斷層應(yīng)盡量避開，對(duì)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(shí)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(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)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(duì)水庫(kù)蓄水和對(duì)建筑物的影響；④對(duì)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(shí)，應(yīng)注意庫(kù)區(qū)有無(wú)埡口可供布置岸邊溢洪道，上、下游有無(wú)開闊地區(qū)用于布置施工場(chǎng)地。對(duì)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(jìn)入取水建筑物。對(duì)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(chǎng)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(yùn)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(chǎng)分布、儲(chǔ)量、埋深、開采、施工期淹沒等問題。5.綜合效益

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

在選擇壩址和壩型時(shí)，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(jì)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(jià)低。Eg.1在高山峽谷較大拐彎河段，進(jìn)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(yùn)行中的相互干擾，可縮短工期，降低造價(jià)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(jìn)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(yùn)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(shí)，引航道不產(chǎn)生過(guò)大的橫向流速，以使船隊(duì)（舶）順利駛?cè)腴l室，下游出口，必要時(shí)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(shí)，兩者之間應(yīng)設(shè)足夠長(zhǎng)的導(dǎo)流墻，以防止泄洪對(duì)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(yùn)行。再如：土石壩樞紐泄水和引水建筑物進(jìn)、出口附近的壩坡和岸坡，應(yīng)有可靠的防護(hù)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(qiáng)度和穩(wěn)定條件下，降低樞紐總造價(jià)和年運(yùn)行費(fèi)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(guò)緩），利用壩面上的水重來(lái)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(hào)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(jià)。拉西瓦拱壩壩高250m，用優(yōu)化方法求得拋物線、橢圓和對(duì)數(shù)螺旋線等6種拱形的最優(yōu)布置，并從中選定了對(duì)數(shù)螺旋線水平拱圈的布置方案，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，節(jié)省混凝土20萬(wàn)m3，節(jié)省基巖開挖13萬(wàn)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(duì)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(jì)效益顯著。又如：都