黄金峡碾压混凝土重力坝设计及有限元应力计算

毕业设计（论文）说明书题目黄金峡碾压混凝土重力坝设计及有限元应力计算专业水利水电工程班级工101班学生指导教师2014年黄金峡碾压混凝土重力坝设计及有限元应力计算摘要本设计题目题目来源于在建的引汉济渭工程中的黄金峡水库工程。黄金峡水库位于汉江干流上游峡谷段，为引汉济渭工程的第一水源地。枢纽由拦河坝、泄洪建筑物、水电站及升船机等组成，主要任务是拦蓄河水，雍高水位、发电和航运。黄金峡水库工程为等工程，其主要建筑物按2级标准设计。本课题属于工程设计类。本设计主要包括以下几个方面的内容首先在给定的地质及水文气象等资料，分析选定坝址后结合坝址地形，进行了枢纽布置，然后再用双辅助线半图解法进行了调洪演算，进而确定各特征水位与泄水建筑物的布置与尺寸。其次进行大坝建筑物的设计，分别设计了非溢流坝段，溢流坝段以及底孔坝段等。非溢流坝段的设计，主要有大坝基本断面的确定、坝顶高程的确定、坝顶宽度的确定；溢流坝段的设计，主要有堰顶高程的确定、溢流面线形的确定、消能防冲计算，溢流坝闸门的选择；底孔的设计，主要有进口高程的确定和底孔形式的选择以及进口曲线的确定，在此过程中还进行了溢流坝水面线等水力计算。在设计完建筑物之后，分别在水利行业规范和电力行业规范的基础上用材料力学法进行了坝基面和410米高程面在正常蓄水位以及地震情况下的稳定分析和应力计算。之后进行了坝顶、廊道系统、排水系统等构造设计以及地基处理方面的设计和说明。最后用ANSYS软件对非溢流坝段进行了有限元应力计算，取10米宽度建立三维非溢流坝段模型，分析了各个工况下的位移及坝体应力，每个工况均提交坝体三个位移分量云图，三个应力分量云图，以及第一主应力，第三主应力的云图，并且汇总了各应力和位移的最大最小值。具体设计详见设计说明书，以及反映本次设计成果的七张CAD设计图纸，以及开题报告和外文翻译。关键词碾压混凝土重力坝；非溢流坝；溢流坝；底孔；稳定及应力分析；ANSYS有限元应力计算THEDESIGNANDFINITEELEMENTSTRESSCALCULATIONOFHUANGJIAXIARCCGRAVITYDAMABSTRACTTHEGRADUATIONDESIGNTOPICCOMESFROMTHEHUANGJINXIARESERVOIRENGINEERINGOFYINHANJIWEIPROJECTHUANGJINXIARESERVOIRISLOCATEDINTHEUPPERHANJIANGRIVERVALLEY,WHICHISTHEFIRSTWATERSOURCEOFTHEYINHANJIWEIPROJECTTHEKEYPROJECTCONSISTSOFBLOCKINGTHERIVERDAM,FLOODDISCHARGEBUILDINGS,HYDROPOWERSTATIONANDSHIPLIFTETCANDITSMAINTASKISTOHELDWATER,PROVIDEWATER,POWERGENERATIONANDSHIPPINGHUANGJINXIARESERVOIRENGINEERINGISTHESECONDGRADEENGINEERING,ANDITSMAINBUILDINGISTHESECONDGRADEBUILDINGTHISTOPICBELONGSTOENGINEERINGDESIGNCLASSTHEDESIGNINCLUDESTHEFOLLOWINGSEVERALASPECTSINTHEFIRSTPLACE,ANALYSISOFDAMSITESELECTEDANDTHEGENERALLAYOUTBASINGONGIVENGEOLOGICALANDHYDROGEOLOGICALDATAANDCOMBINEDWITHTHEDAMSITETERRAINTHENUSETHEDOUBLESEMIGRAPHICALMETHODGUIDESWEREFLOODROUTING,ANDTODETERMINETHECHARACTERISTICSOFWATERLEVELANDTHELAYOUTANDDIMENSIONSOFTHEDRAINAGEBUILDINGSTHENDESIGNEDTHEBUILDINGDAMSWHICHCONSISTOFTHENONOVERFLOWSECTION,SPILLWAYSECTION,BOTTOMDAMANDSOONTHEDESIGNOFNONSPILLWAY,MAINLYINCLUDINGTHEDETERMINATIONOFTHEBASICSECTIONOFTHEDAM,CRESTELEVATIONANDTHECRESTWIDTHTHEDESIGNOFSPILLWAY,MAINLYINCLUDINGTHECRESTELEVATIONDETERMINATION,THEOVERFLOWSURFACELINEARDETERMINATION,ENERGYDISSIPATIONCALCULATIONS,ANDTHECHOICEOFSPILLWAYGATESTHEDESIGNOFTHEBOTTOMDAM,MAINLYINCLUDINGOFTHEDETERMINATIONTHEELEVATIONOFIMPORTS,THECHOICEOFFORMOFBOTTOMHOLEANDIMPORTCURVESINTHISPROCESS,ALSOCONDUCTEDAHYDRAULICCALCULATIONSUCHASTHEWATERLINESOHTHESPILLWAYAFTERCOMPLETEDTHEDESIGNOFBUILDINGSRESPECTIVELY,ONTHEBASISOFTHEWATERINDUSTRYANDPOWERINDUSTRYSTANDARD,ANALYSISITSSTABILITYANDSTRESSCALCULATIONSONTHESURFACEAND410MHIGHDAMWITHAMECHANICALMETHODUNDERNORMALWATERLEVELANDSEISMICCONDITIONSAFTERTHISSTEP,DONETHEDESIGNANDDESCRIPTIONOFTHEGROUNDHANDLINGANDSTRUCTURALDESIGNSUCHASCREST,CORRIDORSYSTEMSANDDRAINAGESYSTEMSFINALLY,USINGANSYSSOFTWAREFORTHEFINITEELEMENTSTRESSCALCULATIONOFNONOVERFLOWSECTIONTAKE10METERSWIDTHTOBUILDATHREEDIMENSIONALMODELOFNONOVERFLOWSECTIONANALYZESTHEDISPLACEMENTANDSTRESSOFTHEDAMONVARIOUSCONDITIONSEACHCONDITION,SUBMITTEDTHREEDISPLACEMENTCOMPONENTSCLOUD,THREESTRESSCOMPONENTSCLOUD,ANDTHEFIRSTPRINCIPALSTRESS,THIRDPRINCIPALSTRESSCONTOURSOFTHEDAM,THENSUMMARYTHEMINIMUMANDMAXIMUMVALUESFOREACHSTRESSANDDISPLACEMENTTHEDETAILSOFTHEDESIGNONTHESPECIFICATIONANDSEVENOFCADDESIGNDRAWINGS,ASWELLASOPENINGREPORTANDFOREIGNLANGUAGETRANSLATIONKEYWORDSRCCGRAVITYDAM；NONSPILLWAYDAM；SPILLWAYDAM；BOTTOMDAM；STRESSANALYSISANDSTABILITYCALCULATION；FINITEELEMENTSTRESSCALCULATION目录第1章工程概述111工程概况112工程规模113工程特性表2第2章基本资料321水文气象3211流域概况3212水文资料3213泥沙7214气象922工程地质9221区域地质概况9322水库区工程地质条件10323坝址工程地质条件12324电站工程地质条件1523天然建筑材料15第3章调洪演算1631正常蓄水位确定1732初拟死水位1833起调水位的分析与选择1834调洪计算19341调洪计算的目的19342调洪计算的原理19343调洪计算的过程20第4章枢纽布置3141坝址选择32411上坝址（带阳滩）工程地质条件32412下坝址（懒人床）工程地质条件32413坝址比较意见3342坝型选择3343枢纽布置34第5章建筑物设计3651非溢流坝段设计37511坝体剖面设计3752溢流坝段设计41521溢流坝面体型设计41522闸门与闸墩46523消能防冲计算47524溢流坝面水面线计算4853泄洪排沙底孔设计5054水电站进水口53第6章非溢流坝段抗滑稳定及应力计算5461坝基面上的计算55611荷载计算55612荷载组合60613坝基面稳定及应力计算6162高程为410M处截面上的计算73621荷载计算73622荷载组合77623410高程面稳定及应力计算77第7章构造设计9071坝顶构造9172廊道系统91721坝基灌浆廊道91722检查和坝体排水廊道9273防渗与排水系统9274横缝构造9275坝体材料分区93第8章地基处理9581坝基开挖及处理9682帷幕灌浆与固结灌浆96821基岩固结灌浆96822坝基的帷幕灌浆9683坝基排水9784断层、软基夹层处理97第9章基于ANSYS的有限元应力分析9791计算条件及背景9892计算假定与模型98921计算假定98922计算模型9993荷载施加及荷载函数10094荷载组合10695荷载函数汇总107951施工工况107952正常蓄水位工况107953设计洪水位工况108954校核洪水位工况109955正常蓄水位地震工况10996计算成果及分析111961正常蓄水位工况计算结果111962正常蓄水位地震工况下计算结果114963各工况下应力位移最大最小值汇总117964成果分析118第10章设计成果总结与分析119101毕业设计成果总结120102成果分析与问题提出121致谢122参考文献123第1章工程概述11工程概况黄金峡水库位于汉江干流上游峡谷段，陕西南部汉中盆地以东的洋县境内，坝址位于石泉水电站库尾黄金峡锅滩下游2KM处，距洋县62KM，佛坪45KM，汉中市135KM，西汉高速从附近通过，为引汉济渭工程的第一水源地。枢纽由拦河坝、泄洪建筑物、水电站及升船机等组成，主要任务是拦蓄河水，雍高水位、发电和航运。该阶段选定黄金峡水库正常蓄水位450M，死水位440M，河床式电站装机容量75MW，多年平均发电量252108KWH。黄金峡枢纽工程属等工程，主要建筑物按2级建筑物设计。112工程规模根据1988年编制的汉江上游干流梯级开发规划报告（黄金峡将军河）、1990年编制的汉江上游黄金峡至夹河河段综合利用规划及汉中市水利发展“十一五”规划等规划报告，在不考虑黄金峡抽水入三河口水库的情况下，规划提出黄金峡枢纽的正常蓄水位450M，死水位440M，电站装机100MW。本次在考虑调水的情况下，分析论证黄金峡特征水位和装机规模。黄金峡水库工程为等工程，其永久泄水建筑物按2级标准设计。正常运用的设计洪水标准为100年一遇，非常运用的校核洪水标准为1000年一遇。113工程特性表表11黄金峡碾压混凝土重力坝工程特性表工程名称黄金峡水利枢纽工程建设地点陕西南部汉中盆地以东的洋县境内所在河流汉江干流水文特征坝顶轴线全长34325M流域面积159000KM2地震烈度6度设计洪峰流量P120100M3/S二泄洪建筑物校核洪峰流量P0129000M3/S1溢流坝水库特征堰顶高程441M正常蓄水位450M每孔净宽15M设计洪水位P145148M孔数9个校核洪水位P0145592M最大泄量设计9435M3/S死水位440M消能方式挑流消能最大库容45592M以下27012万M32底孔死库容440M以下8417万M3孔口尺寸10M112M主要建筑物进口底部高程400M一大坝孔数4个坝型碾压混凝土重力坝最大泄量设计9904M/S坝顶高程45597M3闸门及启闭型式坝基面高程380M底孔工作门弧形、油压启闭机最大坝高7597M事故检修门平板门、卷扬式启闭机第2章基本资料21水文气象211流域概况汉江系长江左岸一级支流，发源于陕西省宁强县境内，干流自西向东流经汉中、安康两市，至安康白河县进入湖北省，在武汉汉口汇入长江。全流域地跨陕西、四川、重庆、河南、湖北五省（市），流域面积159104KM2，全长1577KM。汉江在陕西省省界以上流域面积为66670KM2，其中省内面积62263KM2。黄金峡坝址位于汉江干流洋县水文站（朱家村）下游72KM处，控制流域面积17070KM2，占省内流域面积的274。212水文资料汉江黄金峡坝址处无实测水文资料，上游72KM处设有洋县（朱家村）水文站，控制流域面积14192KM2，该站原为1953年6月设立的贯溪铺水文站，1967年3月上迁至朱家村，1996年又下迁至汉江大桥上游，一直观测至今。洋县至黄金峡坝址支流党水河设有石山村水文站，酉水河设有酉水街水文站。汉江洋县以上干、支流设有武候镇、汉中等13个水文站；黄金峡坝址以上现有90个雨量站，另有7个气象站。2121径流黄金峡坝址径流量由3部分组成即洋县水文站历年实测径流量，洋县黄金峡坝址区间历年径流量，黄金峡坝址以上历年还原水量。洋县水文站历年实测径流量根据水文站测站变化情况和流域面积的变化折算到同一断面。洋县到黄金峡坝址区间较大支流有党水河、酉水河、金水河。党水河设有石山村水文站，控制流域面积239KM2。自19561967年共有11年流量资料（1959年缺测）。为延长资料系列，采用邻近流域湑水河升仙村为参证站，根据石山村升仙村19561958、19601967年11年同步观测资料，建立径流相关方程，插补出石山村相应年份年径流量。根据插补延长后的石山村19542005年52年径流系列，计算出石山村多年平均径流量为0993108M3。采用流域面积比，求得党水河全流域径流量为123108M3。酉水河设有酉水街水文站，控制流域面积911KM2。该站自19592005年共有47年实测流量资料。为了与洋县站资料同步，故需插补延长酉水街19541958年径流系列。其参证站选用邻近流域湑水河升仙村站。依据酉水街升仙村19592005年47年同步观测资料，建立径流相关方程，插补出酉水街相应年份径流量，计算出酉水街多年平均径流量4293108M3。金水河流域无实测径流资料，但有岳坝、秧田坝等雨量站。借用邻近流域酉水河降雨径流关系，由金水河流域历年面雨量，求得相应年份径流深，经计算，金水河19542005年52年平均径流量为352108M3。洋县黄金峡坝址区间除了以上3条河流控制的面积外，尚有879KM2，这些区间面积大部分为汉江两岸平川段和低山丘陵区，其中低山丘陵区居多，为径流深低值区，故采用党水河低山丘陵区径流深计算。党水河径流深为4155MM，计算出其他区间面积径流量为365108M3。由于洋县及石泉水文站径流系列采用19542005年，故还原水量计算系列为19542005年。还原计算采用分项调查法，历年还原水量主要考虑农业灌溉用水、工业和生活用水径流。农业灌溉用水根据拟定的灌溉定额、灌溉水回归系数及调查的灌溉面积，计算出农业灌溉净耗水量。工业和生活用水径流根据汉江上游各地区工业结构，参照有关资料，考虑历史条件等因素，对汉江上游各地区城市、工业、乡镇企业耗水量采用用水定额进行计算。经计算，洋县站19542005年实测平均径流量为5849108M3，洋县黄金峡坝址区间径流量为1298108M3，黄金峡坝址以上还原水量为739108M3。黄金峡坝址合计径流量为7886108M3。2122洪水（1）暴雨洪水特性汉江上游流域地处大巴山以北，秦岭以南。形成该流域降水的暖湿空气主要来自孟加拉湾和西太平洋。该流域山高坡陡，岩层透水性小，洪水汇流速度快，具有陡涨陡落的特点。分析洋县站19542005年52年实测洪水资料，洪水最早出现在3月，但洪峰流量较小，最大洪水多出现在79月，11月由于受霖雨的影响，亦有洪水发生。实测洪水的最大洪峰流量为13800M3/S1981年，一次洪水过程为35天。（2）历史洪水及重现期从汉江上游洪水发生的情况分析，洋县、贯溪铺、渭门河段最大洪水发生在1903年，洪峰流量分别为13800M3/S、14500M3/S和17800M3/S。洋县河段次大洪水发生在1981年，洪峰流量为13800M3/S，排位第三、第四的洪水分别发生在1949年和1962年，洪峰流量13500M3/S、13200M3/S，四场洪水量级基本相同。贯溪铺、渭门河段次大洪水发生在1949年，其量级也与1903年最大洪水相当。石泉河段最大洪水发生在1949年，洪峰流量为20400M3/S，次大洪水发生在1903年，洪峰流量为19600M3/S，属同一量级洪水，排位第三的洪水发生在1955年，洪峰流量17100M3/S。（3）设计洪水黄金峡坝址处无实测洪水资料，故采用水文比拟法计算设计洪水，参证站选用洋县站。黄金峡坝址设计洪水根据洋县站设计洪水计算成果按面积比拟法计算。洪峰流量的面积比指数为064076，本次计算洪峰流量面积比指数采用067，时段洪量采用10，计算得到黄金峡坝址不同频率的洪峰流量、时段洪量。从洋县站实测洪水过程线中选择1983年7月30日、1956年6月25日两场洪水作为典型。采用分时段同频率控制放大法，即用同一频率的洪峰流量和各时段洪量控制放大典型过程线，洪量控制时段采用24、72、120小时，黄金峡坝址不同频率的洪峰流量、时段洪量计算成果见表21。洪水过程线见图51512。上坝址水位流量曲线见图71。表21黄金峡坝址设计洪水计算成果表P特征值00200501020330512335QMM3/S35100316002900026400243002290020100174001550013900W24108M3230208191174162152135118105950W72108M3440398366334310292260227203184W120108M3518471435398372350313275247224（4）施工洪水根据洋县站的洪水特性和施工组织设计的要求，将全年划分为以下4个期，分期设计洪水计算方法同全年最大洪水计算，选择洋县站作为参证站，计算系列采用19532005年52年，计算成果见表22。表22黄金峡坝址分期洪水成果表QMM3/S213泥沙黄金峡坝址处无实测泥沙资料，采用洋县水文站泥沙资料推求黄金峡坝址泥沙特征值。根据洋县站19562005年50年泥沙系列，计算出多年平均输沙量为515104T，相应含沙量为088KG/M3。洋县黄金峡坝址区间多年平均输沙量为648104T，因此黄金峡坝址断面多年平均频率（）分期23335102010月次年5月7830671058304360294012月次年3月20日5334394153272383月21日5月6780624059903280165010月11月5890499042903120202069月174001550013900112008370输沙量为580104T。汉江上游干支流无实测推移质资料，故采用比例系数估算推移质。根据流域地形、自然地理、植被和水沙条件，参照石泉、安康、丹江口和汉江支流岚河蔺河口等已建水库的设计资料分析估算，黄金峡推悬比采用10。黄金峡坝址多年平均悬移质输沙量为580104T，故推移质为58104T。2131汉江干流河道水沙分析黄金峡水库库区河道狭窄，从堰坝村以下到坝址是44KM的黄金峡峡谷段，河道蜿蜒曲折，是典型的河道型水库。水库库区由汉江和主要支流金水河、酉水河组成，库区长约60KM，水面宽一般为200300M，最大水面宽为1230M。根据实测的库区纵横断面成果统计，此段河道纵比降为115，河床为砂卵石河床。良心沟在坝址上游15KM处汇入干流，金水河在坝址上游106KM处由左岸汇入汉江，水面宽50100M，纵比降为248，为砂卵石河床。黄金峡水库是以调水为主、兼顾水能利用和航运的日调节水库。正常蓄水位450M时，水库面积122KM2。黄金峡水库上游有洋县（汉江），酉水街（酉水河）等入库水文站，下游有石泉水文站。汉江洋县站控制流域面积和年径流占坝址的83。而控制年沙量占坝址的88。支流中，金水河和酉水河年径流、输沙量基本相当，年径流量占坝址的10，沙量仅占坝址的4，洋县站至坝址区间干流径流量占坝址的7，沙量仅占坝址的73，所以坝址的产沙来源主要来自洋县站以上的干流。据19562005年洋县站和酉水街的同步水沙实测系列统计分析黄金峡坝址处多年平均悬移质年沙量为580104T，折合4462104M3。本河段未进行过推移质测验。参考汉江干流已建水库的资料，采取入库悬移质泥沙输沙量的10作为推移质泥沙的年输沙量，即黄金峡坝址多年平均推移质输沙量为58104T，折合387104M3，故坝址年输沙量为485104M3。2132泥沙淤积计算（1）计算条件和计算方法库区纵横断面资料根据水库泥沙冲淤及回水计算的需要，陕西省水电设计院测量队2007年在本河段干流上布设有63个断面，断面间距011158KM。根据实际需要，又在1/5000实测地形图上剖取了6个横断面，支流金水河测有6个断面，剖取了5个横断面，断面间距03411KM；酉水河测有4个断面，剖取了1个横断面，断面间距0811KM，基本代表了河道断面的变化。泥沙冲淤计算主要依据水电水利工程泥沙设计规范（DL/T50891999）和泥沙设计手册计算方法和公式，采用经验法判别淤积形态和计算淤积量，并依据已建石泉电站的淤积情况进行类比。（2）泥沙淤积形态判别黄金峡水库系河道型水库。入库洪水大，库容小，河床比降小。库内水流流速较大，而入库含沙量一般不饱和。水库运行初期为三角洲淤积，远期冲淤平衡后的淤积形态为锥体淤积。已建石泉电站的淤积形态也为三角洲淤积，综合判定黄金峡枢纽的运行初期的淤积形态为三角洲淤积。当三角洲推移到坝前时，便呈现锥体淤积形态。（3）泥沙淤积计算黄金峡坝址的产沙来源主要来自洋县站以上的干流，参照已运行30余年的石泉电站多年平均年淤积量443104T，多年平均排沙率58，本阶段黄金峡排沙率也按58考虑，多年平均的库容淤损率为13，用水库淤积上延距离法计算枢纽运行20年后的淤积量、淤积形态及库区各横断面的淤积厚度。水库淤积20年后的淤积量为4074104M3，淤积末端距坝址的距离为662KM，淤积坡段比降为117，试算法结合石泉电站的库容损失率得坝前淤积厚度93M。抽水泵站所在的良心沟位于汉江右岸，距离坝址15KM，河道顺直，有利于异重流推到坝前。坝址处河道稍有弯曲，右岸泥沙淤积明显，结合良心沟口的位置，泄流排沙洞布置于右岸，对控制良心沟口处汉江干流的淤积高程有利。本阶段综合考虑底槛高程、泄量、排沙期，参考石泉电站的排沙洞布置和实际运行的排沙效率，建议本阶段泄流排沙洞底槛高程不宜高于413M。泥沙浮容重按80KG/M3计算，内摩擦角取为14。214气象黄金峡坝址处无气象资料，借用洋县气象站（海拔高程4686M）资料说明。据洋县气象站19612006年气象资料统计，多年平均气温145，极端最高气温394（2006年7月21日），极端最低气温119（1991年12月28日）；多年平均日照时数1720H，多年平均降水量8064MM，多年平均风速12M/S，多年平均最大风速107M/S，重现期为50年的年最大风速163M/S。（1987年8月11日），多年平均水面蒸发量10656MM（20CM蒸发皿）。正常蓄水位和设计洪水位时风作用于水域的长度为35KM，校核洪水位时风速作用于水域的长度为40KM。122工程地质221区域地质概况工程区位于秦岭中低山区，地势北高南低，地面高程9001200M。汉江由西向东穿行于秦岭与巴山之间，河流蜿蜒曲折，河谷狭窄，两岸山高坡陡，阶地不甚发育。工程区位于秦岭褶皱系中的南秦岭印支褶皱带中部。较大规模有大龙山秧田坝倾伏背斜；黑峡子阳庄河街倒转倾伏向斜；龙山三岔庵倾伏背斜；长许家台铁炉乡复向斜；汤坪东河背斜；宁陕太山庙向斜；佛平县东复背斜朝阳庙向斜；构造线方向北西300310。发育区域二级构造断裂8条，断层破碎带宽数十至数百米，糜棱岩、压碎岩和断层角砾岩。工程区外围分布的活动断裂有风镇山阳活动断裂；阳平关洋县断裂，饶峰麻柳坝钟宝断裂。距坝址较远。工程区无4级以上地震记录；最大的影响烈度不超过度。构造形迹以褶皱挤压变形为主，属相对稳定的地区，适宜兴建水利枢纽工程。根据中国地震动参数区划图（GB183062001）标准，工程区地震动峰值加速度为0067G，地震动反应谱特征周期为045S，相应的地震基本烈度为度。322水库区工程地质条件3221基本地质条件（1）地形地貌工程区按地貌形态可分为两大地貌类型，一类为构造盆地地貌，一类为中低山地貌。东村以上为洋县盆地区，约占库区回水长度的6，地形开阔平坦，两岸发育有级阶地，东村下游为中低山区，约占库区回水长度的90，河谷多呈“V”型。多急流险滩，两岸山峰高程6001000M，基岩大多裸露，仅有缓坡地带及坡脚处分布有第四系松散堆积物，厚度510M。（2）地层岩性库区出露地层有太古下元古界（ARPT1）、志留系、石炭系的变质地层及下元古界（PT1）、蓟县系、青白口系、三叠系的侵入岩和第四系的松散堆积地层。（3）地质构造水库区位于秦岭造山带与杨子陆块结合部（东村以下侵入岩区，东村以上断陷盆地），构造形式以脆性断裂为主。库区测绘共发现8条断层，其中区域性大断裂2条金水酉水断层、潭家湾玉河断层，走向近EW向，断带宽约20100M，其余为小规模的断层。（4）水文地质条件库区两岸地下水分水岭高于库水位，地下水均受大气降水补给，向河谷排泄。（5）物理地质现象库区共发育滑坡7处，以第四系松散层滑坡为主，单个滑坡方量一般2070104M3。崩塌体共4处，规模较小，方量一般1030104M3，且多位于库水位以下，对水库安全运行无影响。3222主要工程地质问题（1）水库渗漏。库盆周边山体雄厚，岩体由侵入岩组成，岩性较致密，可视为相对隔水层。库区虽有断层横穿库盆，但沿断层带分布有泉水，其分布高程远高于库水位，因此不会沿断层带形成渗漏。两岸地下水位较高，均向河水排泄，分水岭远高于库水位。最近的邻谷为杨柳沟，沟内有泉水分布，高程高于470M，直线距离达3KM，岩性为火成岩，故不存在向邻谷渗漏的地形、地质条件。根据上述地质环境及水文地址条件，库区不存在永久性渗漏问题。（2）水库岸坡稳定问题水库回水总长度65KM，库岸总长约130KM，可分为三类基岩岸坡、滑坡岸坡、第四系松散堆积岸坡。基岩岸坡属基本稳定岸坡，总长度约92KM，约占岸坡总长度的71，其组成岩性主要为早期的侵入岩，分布广范。水库畜水后岸坡整体稳定性较好，仅局部因岩体风化卸荷，会产生小规模的崩塌现象，对水库蓄水无影响。滑体岸坡测区共发育七个滑坡，其中1滑坡位于坝下游，3、6滑坡位于库水位以上，仅有2、4、5、7四个滑坡前缘位于库水中，属整体稳定性差的滑坡，水库蓄水后，在动水压力作用下可能产生再次滑动，对库岸造成破坏。滑体岸坡总长度约16KM；约占库岸坡总长度的12，滑坡塌岸累计总方量约210104M3。第四系松散堆积岸坡可分为三类阶地堆积岸坡，崩坡积岸坡，冲洪积岸坡。阶地堆积岸坡库岸长约25KM，约占库岸总长度的19；经初步估算蓄水后坍塌宽度约3665M，塌岸方量约210104M3。崩坡积岸坡库岸长约15KM，约占岸坡总长度的12，蓄水后坍塌宽度约2662M，塌岸方量约120104M3。冲、洪积岸坡主要由卵石或块石构成，岸坡长约103KM，约占岸坡总长度的78，主要分布于库尾庞家湾以上，基本不存在塌岸。以上塌岸累计总方量约540104M3。（3）淹没及浸没库区以峡谷地形为主，金水镇居民众多，存在淹没，其它地方均为零散居民。淹没耕地约360亩。正常蓄水位附近无较大面积的耕地分布，水库回水区浸没范围甚小。（4）水库固体径流库区多为基岩，植被覆盖率高，固体径流物质贫乏，淤积物质来源主要库岸坍塌堆积，对水库正常运行影响轻微。1323坝址工程地质条件黄金峡水库工程在规划阶段共选有史家村、带阳滩、懒人床、高白沙共四个坝址进行比较论证。经对初选的四个坝址进行综合分析,本阶段在对四个坝址进行初步比较的基础上，最终确定相距约2KM的带阳滩上坝址及懒人床下坝址作为重点比较。3231地形地貌上坝址位于良心沟下游约15KM处，坝轴线处谷底宽度1800M，高程4030M4140M。下坝址距离上坝址约14KM，河谷相对较宽为2600M。上、下坝址区地貌形态属中低山区，汉江呈SN向，河床高程400M405M，两岸天然坡度4045，河谷呈开阔的“V”型谷，两岸发育多条小冲沟。3232地层岩性坝址区出露地层主要有太古下元古界的变质岩、青白口纪晚元古代碾子沟组竹园沟段及杜家沟段的侵入岩以及第四系松散堆积层。（1）太古下元古界后河群响洞子岩组（ARPT1）X岩性为二云斜长片麻岩夹少量变粒岩，仅在下坝址下游高白沙村对岸出露。（2）青白口纪晚元古代碾子沟组侵入岩岩性为中细粒花岗片麻岩，出露于上下坝址汉江河谷，成为坝址工程区主要地层岩性。（3）第四系松散堆积层主要有中更新统冲积堆积、上更新统冲积堆积、全新统冲积堆积、全新统洪积堆积、全新统坡积堆积、全新统崩积堆积。3233地质构造坝区出露地层为古老的侵入岩系，地质构造简单，主要构造形迹有断层、裂隙，坝区发育断层17条，均规模较小。裂隙三组第一组走向NW340350,倾向SW（NE），第二组走向NE2030,倾向NW（SE），第三组走向4070，倾向NW（SE）。多为高倾角，裂面多平直、光滑，发育间距0520M,多闭合，少量张开者一般210MM，多充填岩粉及泥质。3234物理地质现象受区域地质构造、地层岩性以及水文地质条件的控制，坝址区物理地质作用以岩体风化、卸荷为主，分述如下（1）岩体风化岩体具有明显的球状或囊状风化的特点，风化深度变化较大，展布不均匀。勘探揭示强风化最大水平深度达47M（下坝址右岸PD4平硐），铅直厚度可达30M。而相对低洼地形段，风化深度较浅，风化水平深度一般1020M。（2）岩体卸荷探洞揭示上坝址卸荷带水平深度6M8M，下坝址卸荷带水平深度13M24M。3235水文地质条件（1）地下水类型及分布特征基岩裂隙水主要分布于坝区岩体裂隙中，向河谷方向排泄。第四系孔隙潜水在河床及漫滩的松散层中分布，受河水及基岩裂隙水的双重补给，并向河流排泄。（2）环境水化学特征根据水质分析成果，地下水类型为HCQ3CA2MG2型水，地表水和泉水对混凝土无腐蚀性。3236岩石（体）物理力学性质及地质参数建议值（1）岩石的物理力学性质坝址区岩性为中细粒花岗片麻岩。试验弱风化岩石饱和抗压强度平均值为56MPA，软化系数平均值为071；微风化饱和抗压强度平均值为7146MPA，软化系数平均值为072；属中硬岩坚硬岩。（2）岩体质量分级依据工程岩体分级标准（GB5021894）进行岩体质量分级见表23。表23岩体质量分级表计算参数质量指标坝址岩性风化程度RCKVBQ基本质量级别弱风化56059405上坝址微风化71068473弱风化56053390下坝址花岗片麻岩微风化71072483（3）岩石（体）物理力学性质建议值见表24。表24岩石体物理力学指标建议值表岩体力学参数建议值岩石密度岩石抗压强度岩石抗剪强度岩体抗剪断强度岩/砼抗剪断强度岩体抗剪强度变模弹模泊松比岩体承载力RBFCFCFCFCE0EEF岩性名称岩体风化程度岩体基本质量级别G/CM3MPAMPAMPAMPAMPAGPAGPAMPA弱风化280560913090808070602467002820花岗片麻岩微风化2857109523121211510070410013002530324电站工程地质条件电站地貌单元为高漫滩，地面高程408414M,上部为厚约80140M卵石层,下伏基岩高程约398399M，岩性花岗片麻岩，强风化层厚度13M。建议将电站基础放置在弱风化基岩上，弱风化岩石饱和抗压强度RB56MPA，地基承载力为F20MPA，电站基坑开挖坡比砂卵石层水上114；水下1175。23天然建筑材料调查的天然建材类型主要有混凝土粗、细骨料、块石料及围堰用土料。其中混凝土骨料约320104M3，土料约24104M3。根据水利水电工程天然建筑材料勘察规程的要求，勘察储量可满足要求。初选的混凝土骨料以坝址区为中心分别在上、下游选择了主河道的冲积砂、卵石（Q42AL）。砂砾石料场共四个，沿河道呈带状分布，料场地貌单元及岩性成分特征基本一致，地貌单元属汉江漫滩，根据取样试验成果，料场的质量和储量都可满足设计要求。各料场开采条件好，但受下游石泉水库回水影响，各料场地下水位较浅，大部分砂砾料均为水下开采。所选四处料场都位于坝址附近3KM范围以内，运距较短，但各料场与坝址之间仅有简易的小道相通，交通不便。勘察的石料场共三处，岩性为细粒角闪岩，中粒花岗岩，岩石坚硬，质量满足规范要求，山坡表层覆盖薄层坡积物，开采条件较好，运距534KM。选择的土料为汉江右岸史家村周围的坡洪积碎石质壤土（Q4DLPL）及阶地表层的冲积砂壤土（Q4AL），为库水淹没区。土料岩性主要为壤土及粉质粘土,呈硬塑状,含少量碎石、块石,含量不大于10，固结后阻水性能较好，可作为围堰防渗土料。料场距离上坝址仅05KM，开采及运输条件较好。根据所调查的各料场规模及试验资料，所选的四处砂砾石料场混凝土粗细骨料总储量可满足工程需求。黄金峡水电枢纽工程石料用量较小，所选石料场，可满足工程建设需要。所选的土料场储量、质量、开采及运输条件较好，可满足工程要求。1第3章调洪演算31正常蓄水位确定正常蓄水位变化不仅影响枯水期电量，也影响汛期电量，为此，在初选黄金峡水库死水位为4400M时，拟定了445M、450M、455M方案，分别与三河口水库正常蓄水位643M，汛限水位641M，死水位为5880M，受水区地下水进行联合调节计算，装机容量按装机与保证出力倍比基本相同拟定。各正常蓄水位比较的装机容量分别按65MW、75MW、85MW，机组台数采用3台。按同一坝型和相同的施工强度估算其工程投资。按供水与发电费用分摊后，用水库分摊的发电费用进行不同正常蓄水位方案的比较。从满足调水任务分析，黄金峡水库正常蓄水位4450M、死水位4400M方案与三河口水库正常蓄水位643M、汛限水位641M、死水位为5880M，受水区地下水进行联合调节计算，不能满足引汉济渭设计水平年2020年调水任务供水保证率95的要求；黄金峡水库正常蓄水位4500M、死水位4400M与水库正常蓄水位4550M、死水位4400M方案分别与三河口水库正常蓄水位643M、汛限水位641M、死水位为5880M，受水区地下水进行联合调节计算，均能满足引汉济渭设计水平年2020年调水任务供水保证率95的要求。从水库淹没损失分析，各正常蓄水位的水库淹没实物指标不同，4450M方案的淹没损失投资为11129468万元，4500M方案的淹没损失投资为11885084万元，4550M方案的淹没损失投资为53640745万元，正常蓄水位从4450M抬高到4500M，淹没损失投资增加755616万元；正常蓄水位从4500M抬高到4550M，淹没损失投资增加4175566万元；足以说明正常蓄水位4550M方案在满足调水任务情况下，对上游的洋县有巨大的淹没损失，因此，从水库淹没损失方面分析，正常蓄水位以4500M相对较优。从黄金峡水库分摊的发电投资的动能经济指标分析，正常蓄水位4450M的单位千瓦投资为586426元/KW、单位电能投资为155元/KWH；正常蓄水位4500M的单位千瓦投资为577854元/KW、单位电能投资为152元/KWH；正常蓄水位4550M的单位千瓦投资为608959元/KW、单位电能投资为161元/KWH；以正常蓄水位4500M的单位动能指标最低。从动能经济性分析，正常蓄水位4500M相对较合适。综合引汉济渭设计水平年调水任务供水保证率要求、黄金峡水库淹没损失和发电投资的动能经济指标分析，确定黄金峡水库正常蓄水位为4500M。332初拟死水位死水位的选定本阶段主要考虑黄金峡泵站布置、排防沙及枢纽布置的要求，结合汉江梯级开发规划、河道泥沙淤积及上游防洪要求，综合考虑运行期抽水和发电的效益等因素综合确定。据黄金峡坝址19562005年50年同步水沙系列统计，多年平均径流量7077108M3，悬移质输沙量580104T，多年平均含沙量为0812KG/M3，汉江属少沙河流。根据黄金峡水库水工布置和规划的死水位进行淤积形态分析与计算，水库淤积20年后的淤积量为4074104M3，满足泥沙淤积库容要求的最低死水位为4305M。按照黄金峡水库死水位440M，经东西线泵站站址方案比选，东线方案良心河站址的泵站工程与隧洞工程总投资比西线方案金水河站址节省447108元。从工程经济性方面分析，初步确定黄金峡死水位440M与东线方案良心河站址作为水库水位与站址输水线路的代表方案。14在满足调水任务情况下，兼顾水能利用，结合本阶段泵站站址位置与黄三隧洞线路比选的代表方案结论，确定黄金峡水库死水位为4400M。33起调水位的分析与选择在不影响水库正常供水，不增加坝高的前提下，使用部分有效库容滞洪并给泄水建筑物争取一段开闸准备时间，在汛前预留出一定的库容以备拦蓄洪水，需设汛限水位，并作为调洪验算的起调水位。此水位的选择应兼顾水库防洪与兴利的结合问题。在根据黄金峡水库水位库容关系及基础上，本次设计选择起调水位为449M。34调洪计算341调洪计算的目的无论在水库的规划阶段还是在已建水库的管理运用阶段,水库的调洪计算总是必须的。不过,由于不同阶或同一阶段所遇到的具体情况不同,其计算目的是不同的水库在规划阶段,往往是根据水库的设计洪水,拟定若干个泄洪措施方案,通过调洪计算,分别求出下泄洪水过程、防洪特征库容、特征水位、坝顶高程以及投资、效益等,然后在通过综合比较,选择技术上可行且经济合理的水库、泄洪建筑物及下游防洪工程的规模和有关参数；而在水库的运用管理阶段,库容和泄洪建筑物的尺寸是定值,这时的调洪计算是根据某种频率的入库洪水或预报的入库洪水,在不同防洪限制水位时,求出水库的洪水位与最大下泄流量QMAX,为编制防洪调度规程、制订防洪措施提供科学依据,既要尽可能满足下游防洪要求,又要保证水工建筑物的安全。9342调洪计算的原理水库调洪是在水量平衡和动力平衡（即水力学所说的连续方程和运动方程）的原理下进行的。水量平衡可以表示为水库水量平衡方程，动力平衡可由水库蓄泄方程（或蓄泄曲线）来反映。从起调水位开始，逐时段连续求解这两个方程即可由入库流量过程QT，求得出库流量过程QT,这就是水库调洪计算所遵循的基本原理。在某T时段内，入库水量减去出库流量，应等于时段内增减或减少的蓄水量，对此可写出如下的水量平衡方程（31）式。根据水库的水量平衡原理和水库的蓄泄关系（32）式组成方程组（31）TVQQ12121（32）FZ用已知（设计或校核）的入库洪水过程线QT,由起调水位开始，逐时段连续求解方程组，从而求得水库出流过程QT,这就是调洪演算的基本原理。9这里采用双辅助曲线半图解法，将（31）式其改写成（33）22112QTVTQ式中V/T、Q/2、（V/TQ/2）和（V/TQ/2）均可与库水位Z建立函数关系。因此，可以选定的计算时段T值、已知的水库水位容积曲线，以及根据水力学公式算出的水位下泄流量关系曲线，绘制曲线组（V/TQ/2）FZ、（V/TQ/2）FZ以及QFZ,其中QFZ即水位下泄流量关系曲线，其余两曲线是所介绍的两根辅助线。从起调水位开始每一个水位，对应一个Q1、V1、Q1,而对于下一时段，上时段末的Q2、V2、Q2即为本时段初的Q1、V1、Q1，于是重复同样步骤，又可求的下一时段末的Z2、Q2。如此逐时段连续计算，便可求得水库泄流过程QT。343调洪计算的过程初定大坝采用底孔和溢流坝联合泄流，溢流坝设闸门，堰顶高程为441M,溢流坝段总净宽为135M，分成9孔，每孔净宽15M。底孔设4个,进口底槛高程405M,孔口尺寸为11210M。大坝的库水位库容ZV关系曲线以及水位面积ZF关系曲线如图31，大坝下游河道水位流量ZQ关系曲线如图32。图31黄金峡水库水位库容、水位面积关系曲线图32黄金峡坝址下游水位流量关系曲线首先计算在个各水位条件下溢流堰流量、底孔泄流量以及V/T、Q/2、（V/TQ/2）和（V/TQ/2）等参数。取T24H即T8640S。（A）溢流堰泄洪表孔泄流能力计算溢流堰泄洪表孔下泄流量按混凝土重力坝设计规范（SL3192005）计算Q（34）2/3WSHGBCM式中Q流量，M3/S；B溢流孔净宽M；HZ溢流堰顶作用水头M；C上游面坡度影响修正系数，当上游面为铅直面时，C取10；侧收缩系数，根据墩厚度及墩头形状而定，取093；M淹没系数，M1；MZ流量系数，取MZ05；（B）底孔泄流能力计算底孔泄水能力按混凝土重力坝设计规范（SL3192005计算（35）WKGHAQ2式中Q下泄流量，M3/S；AK出口处的面积，M2；HW自由泄流时为孔口中心线处的作用水头，淹没泄洪时为上、下游水位差，M；孔口或管道的流量系数，根据水工设计手册第六册知由以下公式取得,/12ICMJ计算得取089；G重力加速度，G981M/S2。各水位下下泄ZQ以及水库ZV/TQ/2、ZV/TQ/2辅助曲线计算表如表31，表31辅助曲线ZV/TQ/2、ZV/TQ/2计算表库水位/Z堰顶水头/H库容/V总V/T溢流坝流量Q1底孔流量Q2Q总Q总/2V/TQ总/2V/TQ总/2（M）（M）（104M3）（M3/S）（M3/S）（M3/S）（M3/S）（M3/S）（M3/S）（M3/S）4443113424131281445864710092504680821817444541221101413322258826110505525860819658446513141715210310990001211060559155212654476141397163654087917213259663097362299544871521121760651509340144917245103602485144981636421894062939505157987899110412683945091760902038075099668171778588117922896945110189578219428794982818622931112