挡水建筑物毕业设计.docx
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挡水建筑物毕业设计
5.1设计依据
5.1.1工程等级与洪水标准
5.1.2设计基本资料
5.1设计依据
5.1.1工程等别与洪水标准
5.1.1.1工程规模
金溪电航枢纽工程是嘉陵江苍溪至合川段水电规划中的第六级,位于四川省蓬安县金溪镇附近。
本工程是一个发电与航运相结合,兼有旅游、养殖等效益的综合利用水利水电工程。
水库正常蓄水位310.00m,相应库容1.453亿m3,总库容4.602亿m3;电站为低水头河床式电站,具有日调节性能,装机容量150MW,设计水头14.5m(最大水头16.8m),引用流量1148m3/s,年发电量7.1022亿kW.h,枯水年枯期平均出力42.9MW;航道为4级,通航建筑物为船闸,其有效尺度(长×宽×吃水深)为120×16×3m,可通行船只为2×500t。
5.1.1.2工程等别及建筑物级别
按工程规模,根据《防洪标准》(GB50201-94)及《水利水电工程等级划分及洪水设计标准》(SL252-2000)的规定和《四川省计委、四川省水利厅关于金溪电航枢纽工程可行性研究报告工程技术方案的批复》(川计能源[2002]228号),本工程为Ⅱ等工程,鉴于枢纽为低闸坝挡水、水库库容为槽蓄库容,且按电站装机容量15万kW考虑,电站工程为Ⅲ等,为此其建筑物级别按降低一级设计,即主要建筑物为3级,次要建筑物为4级,临时建筑物为5级。
5.1.1.3洪水标准
根据《防洪标准》(GB50201-94)、《水利水电工程等级划分及洪水设计标准》(SL252-2000)的规定,本枢纽工程各级建筑物及洪水标准见表5-1-1。
枢纽建筑物洪水标准
表5-1-1
枢纽建筑物
洪水重现期(年)
类别及名称
级别
设计
校核
1.主要建筑物(挡水闸、坝、主厂房)
3
50
500
2.副厂房、开头站、进厂交通
3
50
200
3.消能、防冲建筑物
4
30
5.1.2设计基本资料
5.1.2.1特征水位及流量
枢纽上、下游特征水位及流量见表5-1-2。
枢纽上、下游特征水位及流量
表5-1-2
项目
特征水位(m)
流量
(m3/s)
上游
下游
正常蓄水位
310.00
294.15
排沙水位
308.00
295.05~297.88
正常发电
310.00
294.15
1148
设计洪水
313.38
311.91
30900
校核洪水
319.28
317.45
43200
两年一遇洪水
303.17
302.45
11700
十年一遇洪水
308.77
307.55
21800
5.1.2.2水文资料
(1)多年平均流量见表5-1-3。
多年平均流量
表5-1-3
月
项目
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
年
平均流量(m3/s)
216
191
218
392
696
914
1810
1550
1780
979
499
282
797
径流分配(%)
2.3
2.0
2.3
4.1
7.3
9.6
19.0
16.2
18.6
10.3
5.3
3.0
100
(2)频率洪水及相应流量见表5-1-4。
频率洪水及相应流量
表5-1-4
频率P(%)
0.2
1.0
2.0
3.33
10
20
50
流量(m3/s)
43200
34600
30900
28100
21800
17700
11700
5.1.2.3泥沙
(1)悬移质
金溪电航枢纽坝址多年平均悬移质输沙量5209万t,多年平均含沙量2.97kg/m3。
输沙量年内分配不均,主要集中在汛期(6~9月),占全年输沙量的90%以上。
金溪枢纽悬移质颗粒级配见表5-1-6。
悬移质颗粒级配
表5-1-6
粒径(mm)
0.007
0.01
0.025
0.05
0.1
0.25
0.5
1.0
小于其粒径沙重百分率(%)
20
26.8
56.2
84.4
96.2
99.5
100
100
特征粒径
最大1mm,中值0.02mm,平均:
0.033mm
(2)推移质
金溪电航枢纽河段推移质年输沙量为9.7万t,河床质最大粒径200mm,中数粒径26mm,平均粒径40mm。
5.1.2.4气象
根据蓬安县气象站资料统计,多年逐月平均气象要素及极值见表5-1-7。
多年平均气象要素及极值
表5-1-7
月
项目
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
年
气温(℃)
6.4
8.3
12.5
17.8
22
24.8
27.4
27.7
22.6
17.7
12.8
7.9
17.3
降雨量(mm)
13.3
15.1
31.9
75.4
124
131
185
150
142
84.7
37.9
16.9
1008
相对湿度(%)
83
79
76
76
75
78
79
77
83
85
84
84
80
风速(m/s)
1
1.3
1.6
1.7
1.6
1.5
1.5
1.4
1.4
1.1
1.1
0.9
1.4
最大风速(m3/s)
10.7
11
15
13.7
13.3
14
10.7
18.7
11.7
14.7
13.3
11.3
18.7
极值:
最高气温(℃)
40.5
最低气温(℃)
-4.3
5.1.2.5工程地质资料
(1)上坝线河床坝基砂卵石力学性成果见表5-1-8。
(2)岩体物理力学指标见表5-1-9。
5.1.2.6地震基本裂度
根据国家标准(GB1806-2001)1:
400万《中国地震动参数区划图》,金溪电航枢纽工程区地震动峰值加速度0.05g,地震动反应谱特征周期0.35(S),相应地震基本烈度小于Ⅵ度,根据《水工建筑物振震设计规范》(DL5073-2000),本工程不进行抗震计算。
但根据毕业设计要求,按8级烈度设计本大坝。
地震水平动峰值加速度0.2g,地震竖直动峰值加速度0.133g
5.1.2.7枢纽建筑物安全系数
(1)抗滑稳定安全系数,岩基上的挡水建筑物其抗滑稳定安全系数见表5-1-10。
岩基建筑物抗滑稳定安全系数
表5-1-10
建筑物级别
计算方法及名称
及荷载组合
3级
4级
重力坝
闸
主厂房
翼墙
挡墙
挡墙
抗剪
基本组合
1.05
1.08
1.10
1.08
1.05
特殊组合
1
1.00
1.03
1.05
1.03
1.0
抗剪断
基本组合
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
特殊组合
1
2.5
2.5
2.5
2.5
2.5
(2)抗浮稳定安全系数
主厂房抗浮稳定安全系数:
K=1.10
(3)抗倾稳定安全系数
基本荷载组合时:
K0=1.5
特殊荷载组合时:
K0=1.3
上坝线河床坝基砂卵石力学性成果汇总表
表5-1-8
项
目
相对密度试验
天然状态
试样状态
压缩试验
渗透试验
三轴试验
最
大
干
密
度
最
小
干
密
度
干
密
度
含
水
率
干
密
度
含
水
率
比
重
孔
隙
率
P5
含
量
垂直压力(Mpa)
压
缩
系
数
压
缩
模
量
临
界
坡
降
渗
透
系
数
试
验
方
法
周围压力(Mpa)
凝
聚
力
内
摩
擦
角
0.0
0.1
0.2
0.4
0.8
a0.1~0.2
E0.1~0.2
0.2
0.4
0.6
0.8
g/cm3
g/cm3
%
g/cm3
%
%
%
孔隙比
Mpa-1
MPa
cm/s
主应力差MPa
MPa
度
实验组数
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
平均值
2.25
1.96
2.21
6.2
2.21
6.2
2.65
16.7
15.4
0.2023
0.1988
0.198
0.1968
0.1951
0.008
152
0.36
2.62×
10-1
CD
1.51
2.59
3.30
4.14
0.16
43.0
CU
1.49
2.53
3.21
3.93
0.17
41.9
最大值
2.28
1.99
2.25
7.1
2.25
7.1
2.68
18.3
15.7
0.2237
0.2196
0.2188
0.2177
0.2161
0.009
172
0.84
7.55×
10-1
CD
1.56
2.73
3.43
4.45
0.18
44.7
CU
1.54
2.64
3.33
4.17
0.18
43.1
最小值
2.33
1.93
2.19
4.6
2.19
4.6
2.64
14.8
15.0
0.1778
0.1745
0.1736
0.1725
0.1708
0.007
131
0.1
1.04×
10-2
CD
1.42
2.39
3.02
3.65
0.13
40.5
CU
1.41
2.34
2.95
3.55
0.16
40
枢纽区岩、土体物理力学建议参数表
表5-1-9
层
位
岩性
干
密
度
比
重
抗压强度
抗剪强度
抗剪断强度
(砼/岩石)
变形特征
泊
桑
比
允许
承载力
渗透
系数
允
许
坡
降
边坡比
干
湿
软化系数
摩擦
系数
凝聚力
摩擦
系数
凝聚力
弹模
变模
压模
rd
△
Rc
Rw
tgφ
C
tgφ′
C′
E50
E0
Es
[R]
K
永久
临时
g/cm3
MPa
MPa
MPa
GPa
Mpa
m/d
Q41+2al
粉质粘土
1.6
2.70
0.28
0.01
0.15
0.1~0.3
Q41+2al
Q43al
卵砾石砂
2.2
2.65
0.50~0.55
0
0.05
0.3~0.5
25~30
0.15~0.20
1:
1.5
1:
1.0
J3p
泥质粉砂岩
弱风化
2.53
2.72
54
8.2
0.15
0.35~0.40
0
0.60~0.65
0.3~0.4
0.5~0.6
0.3~0.4
0.35
0.6~0.8
1:
1.0~1:
1.25
1:
0.75
新鲜
2.51
2.72
56
8.8
0.16
0.40~0.45
0
0.65~0.70
0.4~0.5
0.6~0.8
0.4~0.5
0.30
0.8~1.0
1:
1.0~1:
0.75
1:
0.75
砂岩
弱风化
2.32
2.67
70
24.2
0.35
0.55~0.60
0
0.70~0.80
0.4~0.5
2~3
1~1.5
0.28
1.2~1.5
1:
0.75~1:
1.0
1:
0.5~1:
0.75
新鲜
2.41
2.69
82
36.1
0.45
0.65~0.70
0
0.8~1.0
0.5~0.7
3~4
1.5~2.0
0.27
1.5~2.0
1:
0.75
1:
0.75
J3S
粉砂质泥岩
弱风化
2.44
2.78
48
7.2
0.16
0.32~0.35
0
0.45~0.50
0.1~0.2
0.4
0.2
0.40
0.4~0.5
1:
1.5~1:
1.75
1:
1.25~1:
1.5
新鲜
2.49
2.74
50
7.3
0.16
0.35~0.40
0
0.50~0.55
0.1~0.3
0.4~0.5
0.2~0.3
0.38
0.5~0.6
1:
25~
1:
1.50
1:
1~
1:
1.25
泥夹岩屑型软弱夹层
2.72
0.2~0.22
0.25~0.30
0.01
岩块夹岩屑型软弱夹层
2.69
0.25~0.30
0.30~0.35
0.01
5.2坝轴线选择
5.2.1坝轴线拟定
根据毕业设计的要求,初步设计阶段除以可行性研究阶段推荐的下坝址坝轴线作为下坝线外,并在金溪河口以上约600m处根据通航建筑物布置要求拟定了1条坝线作为上坝线,进行比较选择。
5.2.2两坝轴线枢纽布置
5.2.2.1枢纽布置遵循的共同条件
(1)枢纽泄流建筑物规模一致
枢纽泄流建筑物采用泄洪闸,经比较上、下坝线均采用19孔,孔宽12.00m的开敞式水闸。
(2)通航建筑物布置在主河槽
通航建筑物采用船闸。
为满足船闸工程布置和上、下游航道的衔接,船闸工程均布置在河流主河道一侧。
(3)电站装机容量及机型一致
为使电站工程的工程量及投资不致因机组、机型、装机容量不一致而受到影响,上、下坝线比较时均采用贯流式机组,装机4台,装机容量150MW。
(4)正常蓄水位相同
上、下坝线正常蓄水位均为310.00m。
5.2.2.2上坝线枢纽布置
(1)上坝线枢纽布置方案
1)电航分岸布置方案
船闸布置在左岸主河槽一侧,电站布置在右岸滩地。
沿坝轴线自左至右依次布置左岸接头坝、船闸、连接溢流坝、泄洪冲沙闸、冲沙廊道、电站主厂房(机组间、安装间)、右岸非溢流坝等,副厂房及户外开关站位于右坝肩上(非溢流坝下游)。
见金溪电航(初)7-1-1。
2)电航同岸布置方案
船闸和电站集中布置于左岸主河槽中。
沿坝轴线从左至右依次布置左岸接头坝、船闸、电站主厂房(安装间、机组间)、冲沙廊道、泄洪冲沙闸、右岸非溢流坝等。
副厂房、开关站(GIS)布置在主厂房和下游防洪墙之间的尾水管顶部。
见金溪电航(初)7-2-1。
(2)上坝线枢纽布置方案比较
枢纽布置方案比较见表5-2-1。
上坝线枢纽布置方案比较
表5-2-1
项目
单位
枢纽布置方案
电航分岸布置
电航同岸布置
1.布置特点
(1)电航工程位置
航运工程位于河流左岸主河道中,电站位于河道右岸滩地。
航运工程和电站均位于河流左岸主河道中。
(2)设备进厂方式
安装间下游公路直接进厂
安装间上游吊物竖井进厂
(3)开关站及副厂房位置
右坝肩上(开关站为户外式)
尾水平台上(开关站为户内式)
(4)泄流情况分析
泄流建筑物位于河道中部,水流顺畅
泄流建筑物位于河道右中部,水流情况不如分岸布置方案顺畅。
(5)下游冲刷分析
主流在河道中部,对两岸冲刷相对较弱
主流在河道中右部,对右岸冲刷较强
(3)上坝线枢纽布置方案选择
通过表5-2-1的比较分析,在工程布置上电航分岸布置方案无论是水流条件、进厂交通、副厂房及开关站布置等均优于同岸布置方案;在工程施工上,分岸布置方案施工布置容易,主厂房可形成小基坑施工,能够缩短工期。
综合分析可知,电航分岸布置方案具有布置合理、施工有利、工期短、见效快、收益大等优点,故采用电航分岸布置方案。
5.2.2.3下坝线枢纽布置
(1)下坝线枢纽布置方案
1)电航分岸布置方案
船闸布置在右岸主河槽一侧,电站布置在左岸滩地。
沿坝轴线自左至右依次布置左岸接头坝、电站主厂房(安装间、机组间)、冲砂廊道、泄洪冲沙闸、连接溢流坝、船闸、右岸接头坝等。
副厂房及开关站布置在左坝肩(接头坝下游)。
见图金溪电航(初)7-3-1。
2)电航同岸布置方案
船闸和电站集中布置在右岸主河槽中。
沿坝轴线自左至右依次布置左岸接头坝、泄洪冲沙闸、冲沙廊道、电站主厂房(机组间、安装间)、船闸、右岸接头坝等。
副厂房和开关站布置在主厂房和下游防洪墙之间的尾水管顶部。
见金溪电航(初)7-4-1。
(2)下坝线枢纽布置方案比较
枢纽布置方案比较见表5-2-2。
下坝线枢纽布置方案比较
表5-2-2
项目
单位
枢纽布置方案
电航分岸布置
电航同岸布置
1.布置特点
(1)电航工程位置
航运工程位于河流右岸主河道中,电站位于河道左岸滩地。
航运工程和电站均位于河流右岸主河道中。
(2)设备进厂方式
安装间下游公路直接进厂
安装间上游吊物竖井进厂
(3)开关站及副厂房位置
左坝肩上(开关站为户外式)
尾水平台上(开关站为户内式)
(4)泄流情况分析
泄流建筑物位于河道中部,水流顺畅
泄流建筑物位于河道左中部,水流情况不如分岸布置方案顺畅。
(5)下游冲刷分析
主流在河道中部,对两岸冲刷相对较弱
主流在河道中左部,对左岸冲刷较强
(3)下坝线枢纽布置方案选择
通过表5-2-2的比较和综合分析,下坝线枢纽布置方案仍采用电航分岸布置方案。
5.2.3坝轴线选择
5.2.3.1上、下坝线比较
上、下坝轴线综合比较见表5-2-3。
上、下坝线综合比较
表5-2-3
项目
单位
上坝线
下坝线
电航分岸布置
电航分岸布置
1.地形、地质条件
(1)河槽形状
U型河槽,两岸不对称,主河槽在左岸,左坝肩下缓上陡,右岸为Ⅱ级阶地。
U型河槽,两岸基本对称,主河槽位于右岸,两岸均残存有Ⅱ级阶地。
(2)河槽宽度
m
494
513
(3)坝基岩性
砂岩
粉砂质泥岩
(4)基岩出露最低高程
m
271.78
271.51
(5)基岩承载能力
MPa
1.5
0.5
地形地质条件评价
上坝线优于下坝线
2.动能指标
(1)装机容量
MW
150
150
(2)设计水头
m
14.5
14.5
(3)设计流量
m
1148
1148
(4)量大/最小水头
m
16.8/10.4
16.8/10.8
(5)全年加权平均水头
m
15.40
15.61
(6)汛期加权平均水头
m
14.95
15.17
(7)多年平均发电量
万kW.h
71022
71888
(8)多年平均利用小时
h
4735
4793
动能指标评价
下坝线优于上坝线
5.2.3.2坝轴线选择
根据上、下两条坝轴线的对比分析,可以看出:
上坝线工程地质条件优于下坝线,建基面基岩为砂岩。
而下坝线建基面基岩为粉砂质泥岩;
上坝线不及下坝线的是表现在年发电量方面,上坝线较下坝线年发电量少。
综合分析比较上、下两条坝线建设条件、技术经济指标,特别是坝基岩性、库区淹没等方面上坝线明显优于下坝线,故推荐上坝线为金溪电航枢纽工程轴线。
5.3工程总布置
5.3.1枢纽布置方案比较
经坝线方案比较后,推荐选择坝轴线为上坝线,上坝线枢纽布置为满足船闸工程布置与上、下游引航道的衔接,船闸布置在左岸,电站厂房分右岸与左岸两种布置方式,由此形成电航分岸布置与同岸布置两方案。
两方案布置情况与比较在本报告5.2.2中已作详细叙述,此不再赘述。
两方案优缺点见表5-3-1。
5.3.1.1电航分岸布置方案
见图金溪电航(初)7-1-1。
电航分岸布置方案沿坝轴线从左至右依次布置左岸接头坝、船闸、连接溢流坝、泄洪冲沙闸、冲沙廊道(兼导墙)、电站(依次为机组间、安装间)、右岸非溢流坝等。
船闸和连接溢流坝位于主河槽深槽地带。
泄洪冲沙闸位于主河槽右侧,靠连接溢流坝约6孔闸范围内,覆盖层较厚,基岩出露高程较低,因而闸底板较厚。
冲砂廊道(兼作导墙)位于右岸滩地边沿。
电站主厂房位于右岸滩地,基岩出露高程较高,主厂房分两个机组段和安装间段。
厂房上、下游均设防洪墙。
右岸非溢流坝位于右岸滩地。
副厂房布置在右岸,其长轴垂直于坝轴线。
主变场和220kV开关站布置在右岸和副厂房平行排列。
设备进厂交通为公路直接进厂。
运行人员通道为设在主、副厂房内的楼梯、电梯。
生产管理区和生活区,以及生产、消防、生活水池等布置在右坝肩上游
5.3.1.2电航同岸布置方案
见图金溪电航(初)7-2-1。
电航同岸布置方案沿坝轴线从左至右依次布置左岸接头坝、船闸、电站(依次为安装间、机组间)、冲沙廊道、泄洪冲沙闸、右岸非溢流坝等。
左岸接头坝和船闸布置位置和电航分岸布置方案相同。
电站冲沙廊道(导墙)位于左岸主河道中。
泄洪冲沙闸位于河道及右岸滩地。
右岸非溢流坝位置与电航分岸布置方案相同。
由于电站与左岸间隔一船闸,左岸坝肩坡度较陡,布置副厂房、开关站等难度较大,如将副厂房、开关站布置在安装间下游、船闸闸室右侧,则因该处位于河流主河道深槽之中,要将其填高利用,防洪墙(挡土墙)高约40m,工程量较大,故将副厂房、主变场及开关站(GIS)布置在主厂房和下游防洪墙之间的尾水管顶上。
设备进厂交通为设在安装间上游侧的吊物竖井,通过厂房进口门机将设备吊入(出)厂房。
竖井不用时用盖板盖住。
运行人员通道为设在安装间上游侧的楼梯、电梯和设在主厂房右端下游侧副厂房内的楼梯间进出。
生产管理区布置在左岸接头坝下游船闸以左的条形回填区内,面对左岸公路。
生产、消防用水池布置在左坝肩山坡上。
生活区在金溪场镇择地布置。
5.3.1.3枢纽布置方案比较
(1)枢纽布置方案对比见表5-2-1。
(2)枢纽布置方案优、缺点见表5-3-1。
枢纽布置方案优、缺点
表5-3-1
项目
电航分岸布置
电航同岸布置
优
点
1.船闸与电站分岸布置,各自独立、互不干扰。
2.船闸位于主河槽,泥砾淤积问题小,引航道较短。
3.泄洪闸位于河槽中部,进出流条件较好,对下游冲刷较轻。
4.副厂房、开关站布置在右坝肩,采光通风条件好,出线方便。
5.汽车可直接进厂,较吊物竖井方便。
6.施工条件较好。
1.船闸与电站紧邻,布置紧凑。
2.电站、船闸均位于主河槽,淤积问题小,电站开挖量小。
3.副厂房、开关站布置在尾水管上,布置紧凑,电缆短。
缺
点
1.船闸位于深槽、右边墙工程量大。
2.部分泄洪闸段基岩出露高程较低,增加了底板工程量
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