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1、ZF水库土石坝枢纽毕 业 设 计学生姓名: 朱 秀 娟 学校名称:华北水利水电学院指导教师: 王 雅 伟 完成日期: 2012.6.8 前 言土石坝泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝。当坝体材料以土和砂砾为主时，称土坝，以石渣、卵石、爆破石料为主时，称堆石坝；当两类当地材料均占相当比例时，称土石混合坝。土石坝是历史最为悠久的一种坝型。也是世界坝工建设中应用最为广泛、发展最快的一种坝型。土石坝按坝高分为：低坝、中坝和高坝。按其施工方法分为：碾压式土石坝；冲填式土石坝；水中填土坝和定向爆破堆石坝等。碾压式土石坝是应用最为广泛的一种坝型。按照土料在坝身内的配置和防渗体所
2、用的材料种类，碾压式土石坝有以下几种主要类型：1、均质坝：坝体断面分防渗体和坝壳，基本上是由均一的黏性土料（壤土、砂壤土）筑成。 2、土质防渗体分区坝:即用透水性较大的土料作坝的主体，用透水性极小的黏土作防渗体的坝，包括黏土心墙坝和黏土斜墙坝。防渗体设在坝体中央的或稍向上游且略为倾斜的称为黏土心墙坝；防渗体设在坝体上游部位且倾斜的称为黏土斜墙坝，是高、中坝中最常用的坝型。 3、非土料防渗体坝:防渗体由沥青混凝土、钢筋混凝土或其他人工材料建成的坝，按其位置也可分为心墙坝和面板坝。本次设计为ZF水库土坝枢纽工程；ZF水库建成后具有灌溉、发电、防洪、解决工业用水和人畜吃水等多方面的效益，是一座综合利
3、用的水库。水库土坝枢纽工程设计任务书、水文地质资料及其他相关原始资料是坝体设计的依据，必须全面了解设计任务，熟悉该河流的一般自然地理条件、坝址附近的水文和气象特性、枢纽及水库的地形、地质条件、当地材料、对外交通及有关规划设计的基本数据，只有在熟悉基本资料的基础上才能正确地选择建筑物的类型，进行枢纽布置、建筑物设计及施工组织设计。通过对资料的了解和分析，初步掌握原始资料中对设计和施工有较大影响的主要因素和关键问题，为以后设计工作的进行打下良好的基础。“百年大计，安全第一”，大坝的安全性，重点考虑：（1）坝基范围内地质构造是否存在较大范围的夹层和强透水层，地基处理的工程范围和深度。（2）黄土处理问
4、题。当黄土的重度大于14.5kN/m3时，黄土的湿陷度较小可不进行处理；但如果黄土的重度小于14.5kN/m3时，黄土的湿陷性和压缩性较大，需要清除。本次设计内容：1、坝轴线选择；2、坝型选择；3、枢纽布置；4、挡水建筑物设计：包括土坝断面设计、平面布置、渗流计算、稳定计算、细部构造设计、基础处理等；5、泄水建筑物设计：溢洪道、导流洞设计，以水利计算为主；6、灌溉发电洞及枢纽电站。第一章 基本资料第一节 工程概况及工程目的ZF水库位于QH河干流上，水库控制流域面积4990km2，库容5.05108 m3。水库以灌溉发电为主，结合防洪，可引水灌溉农田71.2104亩，远期可发展到104104亩。
5、灌区由一个引水流量为45m3/s的总干渠和四条分干渠组成，在总干渠首及下游24km处分别修建枢纽电站和HZ电站，总装机容量31.45MW，年发电量1.129108kwh。水库防洪设计标准为百年设计，万年校核。枢纽工程由挡水坝、溢洪道、导流泄洪洞、灌溉发电洞及枢纽电站组成。本次我们的任务是设计挡水坝枢纽工程。第二节 基本资料一、地形和地质图ZF坝址区地形图见附图5，ZF土坝坝线工程地质剖面图见附图6。二、库区工程地质条件库区附近分水岭高程均在820m 以上，基岩出露高程，大部分在800m 左右，主要为紫红色砂岩，间夹砾岩、粉沙岩和砂质页岩。新鲜基岩透水性不大。未发现大的构造断裂，水库蓄水条件良好
6、。QH河为山区性河流，两岸居民及耕地分散，除库水位以下有一定淹没外，浸没问题不大，库区也未发现重要矿产。三、坝址区工程地质条件QH河在ZF水库坝址区呈一弯曲很大的S形。坝段位于S形的中、上段。坝段右岸为侵蚀型河岸，岸坡较陡，基岩出漏。上下坝线有300多米长的低平山梁（单薄分水岭），左岸为侵蚀堆积岸，岸坡较缓，有大片土层覆盖。右岸单薄分水岭是QH河环绕坝段左岸山体相对侧向侵蚀的结果。坝址区基岩以紫红色、紫灰色细砂为主，间夹砾岩、粉沙岩和少数砂质页岩。地层岩相变化剧烈，第四系除灰度不大的砂层、卵石层外，主要是黄土类土，在大地构造上处于相对稳定区，未发现有大的断裂构造迹象。坝址区左岸有一大塌滑体，体
7、积约45104 m3, 对工程布置有一定影响。本区地震基本烈度为6度，建筑物按7度设防。1、上坝址上坝址位于坝区中部背斜的西北，岩层倾向QH河上游。河床宽约300米，砂卵石覆盖层平均厚度5m ,渗透系数110-2 cm/s。一级阶地（Q4）表层具有中偏强湿陷性。左岸730 m高程以上为三级阶地（Q2）具中偏湿陷性。基岩未发现大范围的夹层，基岩的透水性不大。河床中段及近右岸地段，沿113-111-115-104-114各钻孔连线方向，在岩面下21-47m深度范围内，有一强透水带，=5.4630L/（smm），下限最深至基岩下约80米。基岩透水性从上游向下游有逐渐增大的趋势，左岸台地黄土与基岩交界
8、处的砾岩（最大厚度6米）透水性强，渗透系数k=10 m/d 。左岸单薄分水岭岩层仍属于中强透水性。平均=0.48L/（smm）应考虑排水，增加岩体稳定。2、下坝址下坝址位于上坝址同一背斜的东南翼，岩层倾向QH河下游，河床宽约120米，左岸为二、三级阶地，右岸731米高程下为基岩，以上为三级阶地。土层的物理力学性质见“工程地质剖面图”。左岸基岩有一条宽200-250米呈北东方向的强透水带，右岸单薄分水岭的透水性亦很大，左、右岸岩石中等透水带下限均可达岩面下80米左右。河床地段基岩透水性与中等透水带厚度具有从上游向下游逐渐变小的趋势。下游发现承压水，二、三级阶地砾石层透水性与上坝线相同，左岸坝脚靠
9、近塌滑体。四、溢洪道工程地质条件上坝线方案溢洪道堰顶高程757m，沿建筑物轴线岩层倾向下游。岩性主要为坚硬的细砂岩，其中软弱层多为透镜体，溢洪道各部分的抗滑稳定条件是好的。下坝线溢洪道堰顶高程750m。基础以下10m左右为砂质页岩及夹泥层，且单薄分水岭岩层风化严重，透水性大，对建筑安全不利。五、水文与水利规划1、气象流域年平均降雨量686.1mm，70%集中在6-9月份，多年年平均气温8-9，多年平均最高气温29.1（6月），多年平均最低气温-14.3（1月），多年平均最大风速9 m/s，水位768.1米时水库吹程5.5km。2、水文分析（1）洪水洪水由暴雨形成，据统计7-8月发生最大洪峰流量
10、的机会占88%。而且年际变化很大，实测最大洪峰流量2200m3/s，最小洪峰流量184 m3/s，相差12倍，流域洪水的特点是风高、历时短、陡涨陡落。一次洪水持续时间一般3-5天。（2）年来水量水量的年内分配，汛期7-10月约占全年水量的62%，水量年际变化很大，实测最大年来水量1968108m3（1963年7月至1964年6月）。最小年来水量3.34108m3（1965年7月至1966年6月）。相差5.9倍。从历年来水量过程来看约7年一个周期，其中连续枯水段为四年。（3）年输沙量汛期7-10月的来沙量约占全年输沙量的94%，其中7、8两月约占83%。输沙量的年际变化很大，实测最大年输沙量12
11、40104t，最小年输沙量173104t相差7倍。（4）水文分析成果表QH河水文分析成果表序号名称单位数量备注1利用水文系列年限年222代表性流量多年平均流量m3/s21.9调查历史最大流量m3/s3 980设计洪水洪峰流量（p=1%）m3/s4 000校核洪水洪峰流量（p=0.1%）m3/s6 550保坝洪水洪峰流量（p=0.01%）m3/s9 1003洪量设计洪水洪量（p=1%）m35.001085d校核洪水洪量（p=0.1%）m37.951085d4多年平均径流量m36.941085多年平均输沙量t431.001083、水利计算（1）死水位选择。为尽可能增加自流灌溉面积，并使电站水头适当
12、增加，力求达到电源自给以及为今后水库淤积留有余地，按20年淤积高程考虑，并根据以后使用情况加以计算调整。（2）调节性能的选定。灌溉保证率选取P=75%，水库上游来水，首先满足灌区工农业用水，电站则利用余水发电。按上述原则，并按近期灌溉面积71.2104亩进行水库调节计算。年调节和多年调节两个方案的水量利用系数和坝高都相差不大，但是多年调节性能的水库能提供的电量和装机利用小时数都较年调节性能水库提高20%。故确定本水库为多年调节性能水库。利用1949年7月至1971年6月共22年插补水文系列，采用“时历法”进行多年调节计算。（3）兴利水位的确定原则和指标。根据QH河洪水特性，汛期限制水位在7、8
13、月为760.7m。7、8月以后可利用一部分防洪库容蓄水兴利，以防洪兼顾兴利为原则，确定9、10月水位为766.1m，汛末可以多蓄水。但蓄水位按不超过百年设计洪水位考虑，确定汛末兴利水位为767.2m。电站的主要任务是满足本灌区提灌用电的要求。因此在保证灌区工农业用水的基础上，确定电站的运用原则：灌溉季节多引水发电，非灌溉季节少引水发电，遇丰水年则充分利用弃水多发电，提高年水量的利用系数。（4）防洪运用原则及设计洪水的确定。本水库属二级工程。水库建筑物按百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核。由于采用的洪水计算数值中未考虑历史特大洪水的影响，故用万年一遇洪水作为非常保坝标准对水工建筑物进行复核。工程
14、泄洪建筑物有溢洪道和导流泄洪洞。溢洪道净宽60米，分设5孔闸门，每孔闸门净宽12米，堰顶高程762米。通过施工导流、拦洪、泄洪度汛、非常时期放空水库以及在可能情况下有利于排沙等方面的综合分析和比较，泄洪洞洞径确定为8米，进口底高程703.35米。调洪运用原则：当入库洪水为20年一遇时，为满足下游河道保滩淤地的要求，水库控制下泄流量为600 m3/s；当入库洪水为百年一遇时，为提高下游河道的电站、桥梁等建筑物的防洪标准，水库控制下泄流量为2000 m3/s；当入库洪水为千年一遇时，溢洪道单宽流量以70 m3/（sm）；控制泄流；当入库洪水为万年一遇时，按下述原则操作：即库水位接近校核水位时，若水
15、库水位仍持续上涨，为确保大坝安全，溢洪道敞开泄洪，允许溢洪道局部破坏。（5）水库排沙和淤沙计算。ZF水库回水长25km，河道弯曲，河床宽300米左右，河床比降位.2%，是个典型的河道型水库。QH河泥沙年内83%集中在7、8两个月，平均含沙量13.8kg/m3，泥沙多年平均D50粒径为0.0155mm,颗粒较细。虽然本水库有可能利用异重流排沙，但由于流域的水文特性和下游工农业对水源的要求，决定了本水库只能高水头蓄水运用。在蓄水过程中，只能用灌溉和发电的剩余水进行排沙。经计算，多年平均排沙量只能占5.2%，其余大部分的泥沙都淤积在水库中，从而减少了兴利库容。（6）水库工程特征值见下表水库工程特征值序 号名 称单 位数 量备 注1设计洪水时最大泄流量m3/s2 000.00其中溢洪道815相应下游水位m700.552校核洪水时最大泄流量m3/s6 830.00其中溢洪道5 600相应下游水位m705.60
