毕业设计论文积石峡水电站枢纽布置及混凝土重力坝设计x

积石峡水电站枢纽布置及混凝土重力坝设计摘要本设计题目来源于黄河上游干流龙青段梯级规划的第五个水电站。枢纽由拦河大坝,泄洪建筑,水电站，发电站厂房等建筑物组成。主要任务就是蓄水发电。积石峡水利工程是Ⅱ等大（2）型，大坝是1级建筑物，泄水建筑物、引水发电及厂房均是2级建筑物。课题属于工程设计。此次设计的主要内容有：1．在给定的地质及水文气象等资料的条件下分析坝址并结合坝址地形进行枢纽的布置，利用单辅助线半图解法来进行调洪演算，根据以上分析就可以确定出各个特征水位与泄水建筑物的布置和尺寸。2.进行大坝建筑物的设计。非溢流坝段的设计，溢流坝段的设计和底孔坝段的设计。非溢流坝段设计的主要内容是坝基面的确定，坝顶高程的确定和坝顶的宽度。溢流坝段的设计主要内容是堰顶高程的确定，溢流面水面线确定、消能防冲的设计、溢流坝段闸门尺寸选择。3.排沙底孔的设计。选择底孔的形式，确定底孔高程以及进口椭圆曲线。4.在电力行业规范的基础上用材料力学法进行1800m高程面在正常蓄水位以及地震情况下的稳定分析以及应力计算。5.进行坝顶防浪墙，廊道系统，排水系统等构造设计和地基处理的设计。此次设计是对我四年大学学习的一次综合性考核，也是一次综合了工程实际，系统的有机的解决了工程实际问题中的实践性的教学。通过这次设计我已经基本掌握了设计水利枢纽工程的内容。通过这次毕业论文的设计，使我对大学四年学习的专业知识有了更多的了解，并且提高了我解决实际工程的能力以及动手的能力，为以后的工作积累了丰富的经验。关键字:混凝土重力坝飞溢流坝溢流坝底孔稳定及应力分析坝基处理DesignofstationlayoutandtheconcretegravitydamofJishixiaHydropowerABSTRACTThisdesignsourcesoffifthhydropowerintheYellowRiverupstreamhydropowerplanningstationlongQingperiod.ThehubThemaincontentsofthedesignare:1.Undertheconditionsofgivengeologicalandhydrologicalandmeteorologicaldataanalysisofdamsiteandbindingsiteterrainhublayout,andthenusetheauxiliaryduallinesemigraphicmethodtoadjusttheroutingaccordingtotheaboveanalysistodeterminethelayoutandsizeofeachcharacteristicwaterlevelanddischargestructures.2.thedesignofdambuilding.Thedesignofnonoverflowdam,spillwaydesignandthedesignofthedamsection.Themaincontentofthenonoverflowdamdesignistodeterminethedamfoundation,anddeterminethewidthofthecrestcrestelevation.Overflowsection,themaincontentsofdesignisthedeterminationoftopelevationoftheweiroverflowofwatersurfaceline,energydissipationanderosioncontroldesign,thespillwaysegmentgatesizeselection.3.thedesignofthebottomoutlet.Selectthebottomform,determinethebottomelevationandtheimportofellipticcurve.4.thestabilityanalysisandstresscalculationofthe1800mheightsurfaceundernormalwaterlevelandearthquakeconditionbyusingmaterialmechanicsmethodbasedontheelectricpowerindustrystandard..5.wavewall,corridorsystem,drainagesystemandotherstructuraldesignandfoundationtreatmentdesign.Thisdesignisacomprehensiveassessmentformyfouryearsofuniversitystudies,butalsoapracticalteachingofengineeringpracticeforthepracticalproblemsofthesystem..ThroughthisdesignIhavemasteredthecontentoftheprojectofthedesignofwaterconservancyproject..Throughthisgraduationthesisdesign,soIhavemoreunderstandingoffouryearsofuniversitystudyspecializedknowledge,andimprovetheIsolvepracticalengineeringabilityandhands-onability,accumulatedawealthofexperienceforfuturework.KEYWORDS:concretegravitydamspillwaydamunderportflyingstabilityandstressanalysisofdamfoundationtreatment目录第1章工程概述 11.1工程概况 11.2工程特性表 1第2章水文 32.1流域概况 32.2气象 32.3水文基本资料 32.4径流 42.4.1径流系列插补延长 42.4.2年径流频率计算 42.5洪水 52.5.1洪水特性及成因 52.5.2循化水文站天然设计洪水 52.5.3区间洪水 62.5.4受上游水库调蓄后的积石峡水库频率洪水 72.5.5入库设计洪水过程线 72.5.6施工导流及渡汛流量 72.6泥沙 82.6.1入库悬移质泥沙及特性 82.6.2入库推移质泥沙 9第3章调洪演算 93.1调洪计算的目的 93.2调洪计算的原理 93.3调洪计算的过程 103.3.1设计洪水位计算 133.3.2校核洪水位计算 16第3章工程地质 193.1区域地质概况 193.1.1地层岩性 193.1.2地质构造和地震 193.2库区工程地质条件 203.2.1库区地质概况 203.2.2水库渗漏及固体径流 203.2.3水库诱发地震 203.2.4水库主要工程地质问题 203.3坝址区工程地质条件 213.3.1地形条件 213.3.2地层岩性 213.3.3地质构造 223.3.4水文地质 223.3.5岩体风化卸荷特征 223.3.6坝址区岩体质量分类及物理力学性质 22第4章枢纽布置 234.1坝址选择 234.2坝型选择 234.3枢纽布置 23第5章枢纽建筑物专题设计 24坝顶高程的确定 245.2坝基高程的确定 265.3初拟坝体剖面 275.4溢流坝段设计 28溢流坝面体型设计 285.5消能防冲计算 31闸门与闸墩 325.7溢流坝面水面线计算 335.8泄洪排沙底孔设计 37第6章非溢流坝段抗滑稳定及应力计算 396.1坝基面上的计算 406.1.1荷载计算 406.1.2荷载组合 456.1.3坝基面稳定及应力计算 466.2高程为1800m处截面上的计算 516.2.1荷载计算 516.2.2荷载组合 556.2.31800高程面稳定及应力计算 55第7章构造设计 587.1坝顶构造 587.2廊道系统 597.2.1坝基灌浆廊道 597.2.2检查和坝体排水廊道 597.3防渗与排水系统 607.4横缝构造 607.5坝体材料分区 61第8章地基处理 628.1坝基开挖及处理 628.2帷幕灌浆与固结灌浆 628.2.1坝基固结灌浆 628.2.2坝基的帷幕灌浆 638.3坝基排水 638.4断层、软基夹层处理 63参考文献： 66第1章工程概述1.1工程概况积石峡水电站位于青海省循化县境内积石峡出口处，是黄河上游干流的龙～青段梯级规划的第五个大型梯级电站，距循化县城区30km处，距西宁市区206㎞，距民和县城100㎞。积石峡水电站主要任务是发电。该工程水库为日调节水库，正常蓄水位1856m，工程规模为Ⅱ等大（2）型，大坝为1级建筑物，泄水建筑物、引水发电及厂房均为2级建筑物。大坝、泄水、引水发电建筑物按照500年一遇洪水设计，5000年一遇洪水校核的，其入库洪峰流量分别为5850m3/s和7550m3/s。厂房按200年一遇洪水设计，考虑机组参与泄洪，厂房也按5000年一遇洪水校核，泄水建筑物的消能防冲按50年一遇设计。积石峡水电站施工采用全年围堰挡水、隧洞导流、基坑全年施工的导流方式。1.2工程特性表工程名称积石峡水利枢纽工程建设地点青海省循化县境内积石峡出口处所在河流黄河上游干流Ⅰ．水文特征坝顶轴线全长345.25m流域面积146749km2地震烈度7度设计洪峰流量％)5850m3/s二.泄洪建筑物校核洪峰流量％)7550m3/s1.溢流坝Ⅱ．水库特征堰顶高程1849m正常蓄水位1856m每孔净宽12m设计洪水位(P=1％)1854.3m孔数5个校核洪水位％)1859m最大泄量(设计)7425m3/s死水位1852m消能方式挑流消能最大库容以下)26910万m32.底孔死库容(1852m以下)19340万m3孔口尺寸5m×6mⅢ.主要建筑物进口底部高程1780m一.大坝孔数3个坝型溢流重力坝最大泄量(设计)3/s坝顶高程1860.08m3.闸门及启闭型式坝基面高程1758m底孔工作门弧形、油压启闭机最大坝高102.08m事故检修门平板门、卷扬式启闭机表1-1积石峡水利枢纽工程特性第2章水文2.1流域概况伟大的黄河发源于青海巴颜喀拉山北麓各恣各雅山，经过青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东等九个省区，在山东省恳利、利津两县之间流入渤海，全长5464km，流域面积752443km2。积石峡水电站坝址位于积石峡峡谷出口处，距河源1938km。坝址以上流域面积146749km2，占全流域面积的19.5%，而水量站全流域水量38.8%。积石峡坝址的上游有已建有龙羊峡、拉西瓦、李家峡和公伯峡等水电站，首先龙羊峡水库是一个拥有多年调节性能的巨大型水库，总库容达到了275×108m3。龙羊峡水电站和下游的刘家峡水库联合一起调度运用，使积石峡径流年内分配数量趋于均匀，提高了积石峡的最大发电效益，同时大大的削减积了积石峡的入库洪水，很好的减小了积石峡水库的设计洪水位和校核洪水位。2.2气象在坝址区各气象要素均是以上游30km处的循化气象站作为设计代表站，在坝址附近和以上的流域气候干燥，雨量较少，是高原半干旱型气候。多年最高气温达到了℃，多年最低气温低到了℃，多年平均最高气温是℃，多年平均最低气温是℃，多年平均气温是8.7℃。多年各月最大风速是24m/s，最大风速是32m/s，多年各月最多风向是ESE，多年各月平均风速是。多年平均年降雨量是，多年平均年蒸发量是。2.3水文基本资料在黄河的上游干流安宁渡以上面有黄河沿、吉迈、玛曲、康乃亥、贵德、上诠、兰州、安宁度等各个水文站。上述的水文站均是国家的基本测站，观测的系列较长，资料精度也较高，资料整编很规范。其中兰州站观测的年限最长，开始于1934年。循化水文站位于积石峡坝址的上游约30km，控制流域面积达到了145459km2，与积石峡以上流域的面积相差只有0.9%。循化水文站测量断面的上下河流基本是顺直、水流流态较为顺畅，1945年开始建站观测至今。2.4径流2.4.1径流系列插补延长这次的工程是以循化水文站作为设计的代表站。该站自从1945年10月至今有实测的水文资料，其中实测最大月的平均流量是3530m3/s，这次发生在1981年的9月，历年实测的最小月平均流量是157m3/s，发生在1960年的1月。设计的径流系列采用的是1919~2000年共81年的资料，其中1来自919~1945、1949年年、月径流的是通过循化和兰州站月径流相关插补得到的。考虑到1980年以后受龙羊峡和李家峡水库的调蓄影响，特采用的是考虑河道演算合成流量法对贵德站和循化站流量的资料进行还原，然后再统计得到循化站年和月的天然径的流量。2.4.2年径流频率计算依据循化水文站1919~2000总共81年的水文年径流系列，进行频率的计算，用矩法估算参数，P-III型曲线的适线，并经过上、下游参数的平衡，得到循化水文站多年的平均流量703m3/s，4，Cs=2Cv，年径流频率计算的成果见表2-1。表2-1循化水文站年平均流量频率计算表流量单位：m3/s均值CvCv/Cs各种频率设计值（%）资料年限及说明1020507590957032926840690583497450191920002.5洪水2.5.1洪水特性及成因黄河上游的大洪水是因为大尺度天气系统造成长历时，大面积的连续降雨形成的，局部暴雨造洪影响不是很大。黄河上游的洪水特性一般就是暴雨特性在地面上的反映，所形成得洪水多由大面积的降雨所致，洪水涨落的较缓，一次洪水过程大约需要40天左右，洪型矮胖，历时较长，峰形多以单峰为主，峰、量关系对应的较好，在实测的较大洪水中洪峰出现在9月份占40%，出现在7月份占36%。1946、1967、1981年洪峰都出现在9月份，1964年和调查的1904年历史洪水洪峰出现在7月份。2.5.2循化水文站天然设计洪水根据循化水文站1946~2000年延长后的洪水系列，加入1904年历史洪水，1981年洪水作特大值处理，采用P-III型曲线适线，再次对循化站洪水进行复核，得出循化水文站天然设计洪水成果表2-2。表2-2循化水文站天然设计洪水成果表项目均值CvCv/Cs各种频率设计值（%）125Qm2520488208340768071806680552049904280W154W1542071961821711601331221062.5.3区间洪水贵~循区间洪水龙~积区间是洪水的主要部分。区间洪水采用的特征河长法和马斯京根法进行流量演算与用贵德、循化站水文站每场洪水错开传播时间相减法计算贵~循区间洪水，使区间洪水考虑河槽调蓄作用与洪水传播时间后更为准确合理。贵德、循化站水文资料延长十年后设计成果与原成果基本一致。贵~循区间洪水成果见表2-3。项目均值CvCv/Cs各种频率设计值（%）12510Qm40033080285023002070154013101010788Q日平均23031530142011601050798688543433W15d3W3d3表2-3贵循区间洪水成果表公~积区间洪水计算：采用贵~循区间及龙~李区间设计洪水按面积比折算法综合确定，见表2-4。表2-4公积区间设计洪水成果表项目各种频率设计值（%）12510Qm1060800661603464404327267W1李~积区间洪水计算：采用贵~循区间洪水按面积比直接推得李~积区间洪水，见表2-5。项目均值CvCv/Cs各种频率设计值（%）12510Qm3393261024101950175013001110855667Q日平均195313001200982889668583460367W3d3表2-5李积区间洪水成果表2.5.4受上游水库调蓄后的积石峡水库频率洪水龙羊峡水库为一巨型多年调节水库，其投入运行后已使下游天然设计洪水特性发生较大变化。积石峡水电站不同频率入库洪水的洪峰流量见表2-6。项目各种频率设计值（%）12520Qm75506050585056005400499042803160表2-6积石峡水电站不同频率入库洪水洪峰流量表2.5.5入库设计洪水过程线积石峡水库设计洪水受上游龙羊峡、李家峡、公伯峡三库调洪影响，所以其设计洪水不但要考虑龙羊峡水库而且要考虑李家峡、公伯峡两库的调洪作用。，得到积石峡水电站的入库设计洪水过程线见表2-7。2.5.6施工导流及渡汛流量积石峡施工期可以分为三个阶段，第一阶段是导流洞开挖，岩坎挡水，渡汛标准设为10年一遇洪水；第二阶段是导流洞导流，围堰挡水，导流标准设为20年一遇洪水；第三阶段是坝体挡水，渡汛标准设为100年一遇洪水。积石峡水施工洪水为10年一遇洪水2380m3/s，20年一遇的洪水2530m3/s，一百年一遇的洪水3260m3/s.对于非汛期，积石峡施工期是达不到设计水平年的，所以采用的上游李家峡的水电站机组过的流能力1460m3/s作为积石峡非汛期施工洪水的设计值，见表2-8。月份洪水标准（%）1251016//1460146071032602730253023801112//14601460表2-8积石峡分期施工洪水成果表2.6泥沙积石峡工程以循化水文站作为设计的依据站。水库入库泥沙是由上游公伯峡水库出库沙量和公~积区间来沙量两部分共同组成。2.6.1入库悬移质泥沙及特性积石峡上游公伯峡水库多年平均出库沙量为34×104t。公伯峡和积石峡区间无大支流汇入，区间悬移质输沙量由区间输沙模数和区间积水面积计算，公伯峡和积石峡坝址区间多年平均输沙量为683×104t。则积石峡水库多年平均入库悬移质沙量为717×104t。积石峡入库沙量年内分配很不均匀，主要集中在汛期，汛期6~9月沙量占全年入库沙量的91.9%。多年平均含沙量为，泥沙干容重采用1.16t/m3。积石峡水库入库泥沙颗粒级配采用循化站实测资料统计结果，其悬沙的中值粒径为，平均粒径。2.6.2入库推移质泥沙公伯峡及上游的梯级水库拦截了黄河干流的推移质泥沙，积石峡入库推移质泥沙仅来自于公伯峡~积石峡坝址区间。采用干流区间推移质输沙模数计算得积石峡年入库推移质沙量为×104t。推移质泥沙干容重采用t/m3。第3章调洪演算3.1调洪计算的目的在水库的规划阶段和以建造水库的管理运用夹断，掌握水库的调洪能力是必须要知道的。但是，由于在不同的时间段遇到的问题情况是不一样的，因此我们计算调洪的额目的也不是一样的。水库在规划阶段，我们往往是根据水库的设计洪水的下泄流量拟定出很多个泄洪的措施和方案，然后在通过调洪演算，我们可以求出下泄洪水的过程，防洪的特征库容，坝顶的高程以及可以算出整个工程的投资和后续会产生的效益问题。在调洪产生知需要了解的数据之后，我们可以合理的整理资源，通过综合比较，选择技术上可行并且在经济上是合理的水库高程、泄水建筑物尺寸、以及下游的防洪工程的规模和相关的参数。在水库的运用阶段，库容和泄水建筑物的尺寸是定值，这时的调洪计算则是根据其中某种频率的入库下泄流量的最大值，为了编制防洪调度规程、制定防洪措施提供科学依据，既要尽可能的满足下游的防洪要求，又要保证水工建筑物的安全。3.2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Q～t，求得出库流量过程q～t,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（）式。根据水库的水量平衡原理和水库的蓄泄关系（）式组成方程组（）（）用已知（设计或校核）的入库洪水过程线Q～t,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q～t,这就是调洪演算的基本原理。[9]这里采用单辅助曲线半图解法，将（）式其改写成（）式中V/△t、q/2、（V/△t-q/2）和（V/△t+q/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/△t-q/2）～f(z)、以及q～f(z),其中q～f(z)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q~t。3.3调洪计算的过程初步拟定大坝用底孔和溢流坝联合泄流，溢流坝段设闸门，堰顶高程为1849m,溢流坝段总净宽为60m，分为5孔，每孔净宽12m。底孔设3个,进口底槛高程1780m,孔口尺寸为5*6m。大坝的库水位库容Z～V关系曲线如图3-1。图3-1积石峡水库水位-库容关系曲线首先计算在个各水位条件下的溢流堰流量、底孔泄流量以及V/△t、q/2、（V/△t-q/2）和（V/△t+q/2）等参数。取△t=1H即△t=3600s。（a）溢流堰泄洪表孔泄流能力的计算溢流堰泄洪表孔下泄流量按《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）计算Q=（）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；ε—侧收缩系数，根据墩厚度及墩头形状而定，取ε；σm—淹没系数，σm=1；mZ—流量系数，取；（b）底孔泄流能力的计算底孔泄水能力按《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005)计算：（）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；μ——孔口或管道的流量系数，根据《水工设计手册》第六册知μ由以下公式取得：μ；g——重力加速度，2.。各水位下下泄Z~q以及水库Z~V/Δt+q/2、Z~V/Δt-q/2辅助曲线计算表如表3-1，表3-1下泄Z~q及水库辅助曲线计算表库水位Z(m)堰顶水头H（m)库容V（*104m3）堰上库容VΔt(m3/t)q(m3/s)q/2（m3/s)V2/Δt+q2/21854021450002193048018551224009502301015601856223690224024400295018573249203470256204170185842625048002692054701859527580613028210676018606288907440通过上述水库Z~V/Δt+q/2辅助曲线计算以及水位Z和泄量q关系可绘制调洪计算所需辅助曲线如图3-2。图3-2调洪计算单辅助线上图可分别用设计洪水过程线以及校核洪水过程线结合上述辅助曲线，可用办图解法求得水库泄流过程q~t。（从起调水位开始，每一个水位，对应一个Q1、V1、q1,如此逐时段连续计算，便可求得水库泄流过程q~t。）绘制出水库泄流过程q~t曲线后，在相应洪水过程中存在一个最大的下泄流量q，此时对应的水位即为所求的相应设计及校核水位。3.3.1设计洪水位计算设计洪水过程线如图3-3所示（P=0.2%）图3-3设计洪水过程线设计洪水计算过程如下表表3-2设计洪水计算过程表时间h入库流量m3/s平均入库流量qV/Δt+q1/2z55618563765548558375540554485532553695517105509551311552555171255175521135509551314550155051555015501165509550517551755131855175517195532205563215579557122557955792356022456025602255850572626565657532756492856255637295602设计305587315587558732558755873355875587345587558735560236560256023756253855943956105602由上表可绘制设计情况下Q-t和q-t曲线以及库水位变化曲线图3-4设计情况Q-t和q-t曲线图3-5下泄流量与水位曲线从图中可以得出，设计洪水位时的最大泄量qm=4876m3/s,由水位Z变化曲线查得，设计洪水位Z设计。3.3.2校核洪水位计算校核洪水计算过程如下表：表3-3校核洪水计算过程表时间h入库流量m3/s平均入库流量qV/Δt+q1/2z57110710567120711577120712087140713097180716010720071901172007200127230721513723072301475507390157300742516729072951772607275187230724519721072202072107210217210721022721072102372107210247230722025723072302672607245校核18592772207240287240723029722072303072407230317240724032721072253371907200347170718035715071603671507150377150715038715071503971507150由上表可绘制校核洪水情况下Q-t和q-t曲线以及库水位变化曲线图3-6校核情况Q-t和q-t曲线图3-7校核情况下库水位变化曲线从图中可以得出，校核洪水位时的最大泄量qm=7425m3/s,由水位Z变化曲线查得，设计洪水位Z设计=1859m。调洪计算成果汇总表如表3-4：表3-4调洪计算成果汇总表调洪计算成果汇总表P(%)Zm（m）qm（m3/s）下游水位（m）0.2(设计）（校核）1859第3章工程地质3.1区域地质概况3.1.1地层岩性前震旦系(AnZ)：仅出露上亚群，分布于库区锁通坡及坝址区以南关门至马尔坡一带。岩性以暗绿色黑云角闪片岩、斜长角闪片岩为主，偶夹石英岩及不纯的大理岩。白垩系（K）：仅出露下统河口群，分布于坝址区和索通至循化川一带，是库坝区的主要地层。岩性为紫红~紫灰色砾岩、含砾砂岩、砂岩夹泥质粉砂岩、砂质泥岩等。3.1.2地质构造和地震本区在大地构造单元上隶属于与松潘、甘孜印支褶皱系交界地带的祁连—加里东褶皱带的拉脊山优地槽内，南与双朋西—清水隆起带为邻，北与拉脊山褶皱带相连，阿勤卡金山—当蕊五台山隆起带以NW345°方向恒于地区中部，东侧为民和—临夏盆地，西侧为化隆盆地。区域内构造线方向以NWW向和NNW向为主，且河西系构造行迹表现尤为明显，控制着库址区构造发育的方向和规模。NWW向断裂主要有拉脊山活动断裂带和隆务河—大夏河断裂，全新世以来无明显的活动迹象或断裂活动显著减弱。NNW向断裂主要有大河家—关滩断裂、马尔坡—乌龙沟断裂、协拉断裂、循化断裂，自晚更新世中晚期以来活动性已明显降低。积石峡工程场址位于化隆与临夏两盆地之间当蕊五台山隆起中。对关门断层和锁通断层距坝址较近，对工程区稳定有重要意义，为此进行专门的研究。关门断层（F15）位于坝址下游㎞的关门忖附近，总体走向SNW∠65°~70°,北端被北西向断裂所截，延伸长约20余㎞。断层破碎带宽数十米，岩性破碎，挤压特征明显。该断裂晚更新世以来无明显活动。锁通断层（F13）位于坝址上游约5㎞处锁通坡，总体走向NW300°，呈一向南西凸出的弧形，可见长度不足10㎞。该断层规模较小，与北邻两条断层组成一小型“帚”状构造，涉及范围仅13㎞2。该断层自晚更新世以来已进入相对稳定的状态。积石峡工程基本场址地震基本烈度为七度，坝址50年超越概率5%和100年超越概率2%的基本水平加速度峰值分别为和。3.2库区工程地质条件3.2.1库区地质概况当正常蓄水位1856m时，水库回水全长约3㎞，库盆由峡谷和川地两部分组成。3.2.2水库渗漏及固体径流积石峡电站水库两岸山体雄厚，无通向下游的大断裂，无低于库水位的邻谷和低地。黄河为区域最低排泄基准面，两岸地下水补给河水。周边均为不透水岩层，封闭条件良好。3.2.3水库诱发地震库区内无发真构造的地质背景，属外围地震波及影响区。除库尾有循化冲断层分布外，库区其它部位无区域性断裂通过。3.2.4水库主要工程地质问题库岸稳定和水库区的浸没、塌岸问题是水库两大主要的工程地质问题。库岸稳定问题库区发育有7处较大的滑坡，分布在峡谷段，其中库首段有Ⅰ＃、Ⅱ＃滑坡，库中段分布有Ⅲ＃、Ⅵ＃Ⅴ＃、Ⅵ＃及Ⅶ＃滑坡。从滑坡表面地形、滑床形态、物质组成、剪出口位置、稳定计算等方面综合分析认为：水库蓄水后，库区滑坡是整体稳定的，但岸边再造不可避免，破坏方式均以小方量的崩塌形式为主，在水库内不可能形成大的涌浪及二道坝。即使按极端情况考虑，假定Ⅲ＃、Ⅵ＃、Ⅵ＃及Ⅶ＃滑坡一次性最大方量崩塌同时入库，产生的水库涌浪传递到坝时的最大浪高只有，对大坝的安全不构成危害。3.3坝址区工程地质条件3.3.1地形条件积石峡选定上坝址，积石峡峡谷出口河道转弯处，该处河流流向自SW200°转向SE160°，形成左凸右凹的河湾，河湾下游河道相对顺直。3.3.2地层岩性坝址区出露基岩主要为白垩系下统河口群，按岩性组合共分五大层（K11~K51）。岩层走向NE24°~30°，倾向SE，倾角11°~12°，在坝址区呈平缓皱曲，上坝址倾左岸偏下游。K11层：深灰色杂色砾岩，上部夹粗中粒砂岩。主要分布在上游木场村一带。K21层：紫红色中细砂岩，砖红色泥质粉砂岩，砖红色泥铁质粉砂岩，灰色砾岩。该层岩性软弱，力学强度较低，软弱夹层及裂隙较发育，主要分布于坝址区河床及两岸较低部位及木场村一带。。3.3.3地质构造白垩系地层构造变动轻微，岩层倾角变化7°~24°内，上、下坝址间岩层似呈一不完整的宽缓向斜褶曲，即上坝址倾左岸偏下游，下坝址倾左岸偏上游。坝址区共有断层29条，规模较小，一般长在100~140m，个别大于400m，无顺河向断层。3.3.4水文地质经坝趾区两岸地下水位观测孔观测，地下水位均高于河水，为地下水补给河水。坝基岩体的渗水性具有一定的规律，河床地带由于二次应力集中，在一定深度内最大主应力近于水平，垂直于河床方向上的最小主应力呈现一定范围的拉应力区，河床岩体卸荷，加之断裂切割和风化等影响，透水性较强。3.3.5岩体风化卸荷特征坝址岩体风化卸荷除受河谷下切、斜坡回弹和风化应力的影响外，还受到坝区各结构面与斜坡的交切关系控制。左岸岩体岩层倾向岸坡内，卸荷及风化程度较轻。3.3.6坝址区岩体质量分类及物理力学性质坝址区岩体为白垩系砂砾岩层，岩向变化较大，岩体质量差别显著，根据岩层厚度、断裂发育程度，结合岩体单轴和饱和抗压强度、纵坡速度等将坝区岩体分为四类。其中Ⅰ类、Ⅳ类分布较少，Ⅱ类较多，Ⅲ类次之。第4章枢纽布置4.1坝址选择积石峡选定上坝址，积石峡峡谷出口河道转弯处，该处河流流向自SW200°转向SE160°，形成左凸右凹的河湾，河湾下游河道相对顺直。坝址区河谷断面呈开阔“V”字，两岸不对称，右岸陡峭，自然边坡60°~80°。左岸较缓，除Ⅰ坝线处岸坡较陡外，其余部位都较缓，自然边坡30°~60°，残留Ⅱ、Ⅲ级侵蚀阶地的台面，其高程1800~1820m，宽约100m。平水期河水位1783~1782m，水面宽60~70m，水深9~17m，正常蓄水位1856m时，河谷宽255~291m。坝址区两岸山顶岩石高出水面200~400m。4.2坝型选择通过比较重力坝、拱坝、土石坝三种坝型所要求的地形地质条件和各自的优缺点选择本次设计的坝型：（1）重力坝有以下几方面的优点：结构作用明确、设计方法简单、安全可靠；对地形、地质的适应性都较强；枢纽泄洪问题容易得到解决；便于施工导流。在施工期可以用坝体导流，一般不需要再另设导流隧洞；施工方便。（2）拱坝对地形地质条件、坝址河谷形状及地基都要求较高，从本次设计的地质地形条件来看，修建拱坝的难度是很大的，因此不予以考虑。（3）土石坝主要优点是可以就地就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，减少工地的外线运输量，能适应各种不同的地形、地质和气候条件。=通过上述的比较，我认为重力坝对地形、地质条件适应性强，对地质条件的要求也较拱坝低。。4.3枢纽布置根据积石峡的实际情况和以上枢纽布置应遵循的原则，具体布置方案如下：本设计中积石峡水利枢纽主要由挡水非溢流坝段、泄水溢流坝段、泄洪排沙底孔组成。大坝为混凝土重力坝，上游面铅直，下游面坡率。最大坝高。溢流坝段位于原河槽中间部位，为坝顶开敞式溢流，初步拟尺寸总长为60m，分为5孔，毎孔净宽12m，堰顶高程1849m，设6个闸墩，每个宽，下泄时采用鼻坎挑流消能的方式。两侧为非溢流坝段。排沙底孔设3个，在紧接着溢流坝段处连续设置三个排沙底孔，进口底部高程为1780米，初拟孔口尺寸为5×6m（宽×高）。溢流坝段每隔18m就设一条横缝，非溢流坝段部分分缝距离也跟溢流坝段一样设置成18m。水电站部分位于大坝中部。第5章枢纽建筑物专题设计坝顶高程的确定根据《混凝土重力坝坝设计规范》（SL319-2005）规定：坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游设置防浪墙顶的高程应高于波浪顶高程，其与正常蓄水位或校核洪水位的高差，可由式（）计算，应选择两者中防浪墙顶高程的高者作为选定高程。△h=hl%+hz+hc（）其中：△h为水库静水位以上的超高；hl%——累计频率为1%时的波浪高度；hz——波浪中心线至静水位的高度；hc——安全加高，按表6-1选用表5-1安全加高安全加高hc相应水位坝的级别Ⅰ（1）Ⅱ(2、3)Ⅲ（4、5）正常洪水位校核洪水位坝顶上游防浪墙顶高程按式（）计算，并选用其中较大值。防浪墙顶高程=设计洪水位+△h设防浪墙顶高程=校核洪水位+△h校（）由调洪计算可知设计和校核水位如下：表5-2调洪计算成果汇总表调洪计算成果汇总表P(%)Zm（m）qm（m3/s）下游水位（m）0.2(设计）0.02（校核）1859下面分别计算设计和校核情况下防浪墙顶的高程：影响波浪形成的因素有很多，目前主要用半经验公式确定波浪要素。根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）对峡谷水库介绍了适用公式。官厅水库公式：hl05/4D1/3（）L=10.4(hl)（）hz=(πhl2/L)cth(2πH/L)（）式中：hl为波高，当时为累计频率为5%的波高h5%,;当时为累计频率为10%的波高h10%,；V0为计算风速，m/s，水库水位为正常蓄水位和设计洪水位时，采用相应季节50年重现期最大风速，校核洪水位时宜采用相应洪水期最大风速多年的平均值。D为风作用于水域的长度，称为吹程（km）。H为坝前水深（m）。；L为波长（m）。H为坝前水深（m）。hz即为波浪中心线至静水位的高度（m）。积石峡设计情况时风作用于水域长度是2km，校核情况时风作用于水域长度是，故设计情况吹程为2km,校核情况吹程为，重现期为50年的年最大风速32m/s，多年平均最大风速24m/s。设计洪水时宜采用相应季节50年重现期的最大风速，即是32m/s，校核情况宜采用最大风速的多年平均值，即是24m/s。计算过程如下表：表5-3坝顶高程计算成果汇总表计算情况单位正常设计校核备注风速Vm/s32.0032.0024.00设计情况下gD/V02=20～25，故hl%为累计频率为5%的波高h5%,hl%5%吹程Dkm2.002.002.20波高hlm1.591.591.15gD/v219.1619.1637.47波长Lm15.0815.0811.60坝基高程m1758.001758.001758.00坝前水深Hm98.0096.30101.00hzm0.530.530.36h1%m1.971.971.42安全加高hcm0.700.700.50△hm3.203.202.28相应静水位m1856.001854.301859.00防浪墙顶高程m1859.201857.501861.28相应坝顶高程m1858.001856.301860.08防浪墙高可见校核洪水情况所要求坝顶高程是控制高程，由于防浪墙高为1.2m,故采用坝顶高程为，满足规范中规定的坝顶应高于校核洪水位1859m，坝顶上游防浪墙顶的高程应高于波浪顶高程。故取坝顶高程为，相应防浪墙顶高程为。5.2坝基高程的确定根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）中坝基处理中规定：坝高超过100m时，可建在新鲜、微风化至弱风化下部基岩上；坝高100m～50m时，可以建在微风化至弱风化中部基岩上；坝高小于50m时，可建在弱风化中部至上部基岩上。两岸地形较高部位的坝段，可适当放宽。根据积石峡坝址处地质地形图，选定坝基高程为1758m。5.3初拟坝体剖面由上述坝顶高程，坝底高程为1758m。由此可确定坝高为H=1860.08-1758=102.08m,按规范要求坝顶宽取b=H(8–10)%,即×(8-10)％=(8.1664-10.208)m，并且常态混凝土重力坝坝顶最小宽度为3米；碾压混凝土坝坝顶最小宽度是5m，由于坝顶有交通要求，故取坝顶宽度为9m，溢流坝段设交通桥与两侧坝顶互相连接。坝底宽：～，所以坝底宽B=（）m。若上游坝坡要做折坡，折坡点高程应结合应力控制标准和坝内、泄水孔等建筑物的进口高程来一起考虑，起坡点高程一般位于（1/3-1/2）H处（H为基本三角形的高度）。一般情况上游坝坡坡率，下游坝坡坡率m=0.6~0.8.[4][11]方案一：上游坝坡采用，下游坝坡坡率m取为0.7,基本三角形顶点高程取为校核洪水位1859m，从而很容易算得坝底宽度。图5-1非溢流坝断面剖面5.4溢流坝段设计溢流坝段既要挡水又要泄水，是重力坝枢纽中的一个最重要泄水建筑物，它不仅要满足稳定和强度上的要求，还必须要满足足够的泄流要求。因此，溢流坝段必须要有足够多的宣泄校核洪水对应的下泄流量，并且要具有较好的堰型，使水流平顺，不会产生空蚀。此外，还需要较好的消能防冲措施，以免对下游河床造成严重冲刷产生相应的破坏。溢流坝面体型设计本工程采用开敞式溢流坝，溢流坝曲线由顶部曲线段、中间直线段和下部反弧段三部分组成，以下分别对着三部分进行设计。（1）顶部曲线段顶部曲线形式较多，对于开敞式溢流式，由于wes曲线的流量系数较大且剖面较瘦，工程量省，坝面曲线用方程控制，所以多年以来我国多采用wes曲线，本工程的溢流面曲线亦采用wes曲线，如下图Hd为设计水头，按照堰顶最大作用水头Hmax的75％-95％计算（一般选取校核洪水位时堰上水头的75％-95％）。图5-2WES型堰面曲线WES型溢流堰顶部曲线以堰顶为界，分为上游段和下游段两部分，目前上游曲线多采用三段圆弧，下游多采用幂曲线，坐标原点设在堰顶最高点，上游段采用三段圆弧，当坝体上游面为铅直时，下游面曲线可按下式计算：（5-6）式中：Hd为定型设计水头，一般为校核洪水位时堰顶水头的75%-95%。根据调洪计算可知，水库校核洪水位1859m，溢流坝堰顶高程1849m，校核情况下堰顶最大作用水头：Hmax=10m，取（5-7）则WES型溢流堰顶部曲线上游段（三段圆弧）尺寸如下：表5-4三段圆弧参数值R1dx1dR2dx2dR3dx3dWES型溢流堰顶部曲线下游段，按下式计算：可得堰面曲线见表5-5：备注（切点计算方法见直线段部分）表5-5WES曲线坐标表点编号X取值Y取值100213243546576切点中间直线段中间直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切，坡度与非溢流坝段的下游坝坡相同，由于非溢流坝段的下游坝坡坡率为，则WES曲线下接1：的直线段（其斜率为。切点计算具体过程如下：因为WES曲线方程为则令得：x=7.01再代入可得故曲线段与直线段连接点坐标为（），如上表中的切点坐标。直线段斜率为，直线段长度的取值结合反弧段以及下游水位而定。反弧段直线段后接反弧段，溢流坝面的反弧段是溢流面水流平顺转向的工程措施，本工程采用圆弧曲线，消能措施采用挑流消能。根据DL5108-1999《混凝土重力坝设计规范》规定：对于挑流消能，反弧段为了保证挑流条件，反弧半径R=（4～10）hc。hc为校核洪水闸门全开是反弧段最低点处的水深。挑流鼻坎高程取1798m（下游最高水位为），挑角取。求hc过程如下：由能量方程得：鼻坎断面处流速v1（）（）其中：S1——校核情况水库水位到鼻坎的高差，即1859-1798=61mh1——鼻坎断面处水深q——单宽流量，校核洪水位下溢流堰的下泄流量3/s，溢流堰净宽B=60m,所以3/s*m。——流量系数，采用长江流域规划办公室整理的经验公式：（）则取用迭代法可算出hc=h1，反弧半径R=(4~10)hc，故R的取值范围为（～）取反弧半径取R=15m，此时反弧最低点高程为: 图5-3溢流坝剖面图5.5消能防冲计算本设计采用挑流消能，以下为消能防冲计算。挑流鼻坎坎定处水流平均流速按下式计算:V=q/h1（）挑流鼻坎水舌挑射距离L按水舌外缘计算，其计算公式为（）式中L水舌挑距，m；挑射角度，本设计为24°；V1坎顶水面流速，m/s，取鼻坎处平均流速的倍，即V1；h1坎顶平均水深h在铅直方向的投影；h2坎顶至河床面的b高差，；下游河床高程可以由剖面地质图读出来。将以上数据代入公式求得： m最大冲坑水垫厚度计算公式为：（）（）式中tk水垫厚度，自由面至坑底，m；tk冲坑深度，m；a冲坑系数，取；q单宽流量,；H上下游水位差，；H2下游水深，m，H2。将以上数据代入公式求得：水垫厚度则冲坑深度为符合要求，则不会对坝体安全造成影响。闸门与闸墩考虑经济使用因素本设计采用弧形闸门作工作闸门，用平板闸门作检修闸门，平板闸门采用12×10m，弧形门门高按设计洪水位考虑，设计门高H=（正常蓄水位-溢流堰堰顶高程）+（～），故选定弧形闸门门高为，宽为孔宽12m，弧形门半径R按规范～1.5,计算得弧形门半径R的范围为～，取R=9m。支铰位置一般在1/2～3/4倍门高处即～的位置，支铰位置取为，高程为。弧形门最低点位置距堰顶靠后一段布置以保证水流沿堰面下泄闸墩的作用：①将溢流坝分成若干孔，以便控制水流；②用来支承和引导堰顶，控制闸门及承受水压力；③支承坝顶的工作和交通桥，闸墩的尺寸和外形均需按这些要求设计。闸墩中检修门门槽深d=0.5~2.0m,取门槽宽w/d=1.6~1.8m,在——之间，取w=1m闸墩长度按各部分要求设为22m，闸墩宽2m,头部使用椭圆形，尾部使用流线型，闸墩高与非溢流坝顶齐平。边墩与导墙厚度取1m。5.7溢流坝面水面线计算为了设计闸墩高度，边墙顶高程及选定弧形闸门门轴高程，需要知道水面线，水面以上的安全超高可采用，对非直线段，宜适当增加。以下根据《水力计算手册》第6卷进行水面线计算：（1）首先确定自然掺气开始发生点的位置由经验公式计算：（其中q为单宽流量，3/s）求曲线段的长度Lc对于WES型堰面，Lc可按《水工设计手册》（第六卷）图27-2-7按X/Hd查得，这里X是从堰顶开始向下游计算的，当取X/Hd=Xt/Hd时查的便是曲线段总长度Lc,t,本次设计中切点坐标为（）即，，X/Hd=0.83,查得当时，Lc,t/Hd=1.201,所以堰顶上游段的曲线长度，。L=Lc,u+Lc,t=12.27+2.64=14.91.则：LK>lcu故溢流坝面上不会发生自然掺气情况。坝头水面线计算坝头部水面线的确定：已知H=1859-1849=10m，，则，坝头部水面线坐标X/Hd和Y/Hd的值可由《水工设计手册》第六卷(表27-2-5)插值计算。具体计算过程见表5-6表5-6坝头部水面线坐标计算过程表H/Hd1X/HdY/Hd终值Y/HdYX-10-101直线段水深由于本设计鼻坎高程较高，不设值直线段，有WES曲线与下游反弧段直接相接。3.直线段上的不掺气水面线的计算：（1）切点坐标（X1，Y1）由前面确定为（，）。（2）求曲线段长度：由《水工设计六》图27-2-7查得所以曲线段总长为堰顶上游段的曲线长度为(3)求直线段长度Ls：从切点到直线段上任意一点（xi，yi）的距离为（6－22）其中sina＝sin51º＝（4）从堰顶曲线起点到点（xi，yi）的坝面距离为（5）计算边界层厚度δ，按韩立公式（6－23）计算：（6－23）式中：K为坝面粗糙高度，对于混凝土坝面，K＝～，所以取K＝。边界层厚度的坐标计算如表6-6所示。表6－6边界层厚度坐标YiLδ(6)计算单宽流量：查得所以单宽流量（7）按式（6－24）用试算法推求势流水深hp：代值化简后得（8）正交于坝面的坝面水深为：（6－25）计算出的坝面水深见表6－7。表6－7坝面水深坐标Yi(m)δ(m)hp(m)h(m)3反弧段水深坎顶水深溢流坝段边墙高度的确定《混凝土重力坝设计规范》（DL5108-1999）中规定,堰顶曲线处的边墙高度应高出水面线1.5m,直线段的边墙高度应高出水面线1m，反弧段的边墙高度高出挑坎水深1m（以上均指高出水面线的最高点）。本设计有直线段，采用堰顶曲线处的边墙高度应高出水面线1.5m,直线段高出水面线1m，反弧段的边墙高度高出挑坎水深。[11][13]5.8泄洪排沙底孔设计重力坝底孔有排沙、宣泄部分洪水、预泄洪水、放空水库的功能。本设计将底孔设在溢流坝段两侧上，左右分别设置一个和两个，进口底槛高程为1780m。底孔设为无压泄水孔，根据<<混凝土重力坝设计规范>>（SL319-2005），底孔包含有进口段、孔身段和出口段。工作门布置在出口，闸门采用弧形闸门。事故检修门设在进口段之后，检修闸门采用平板闸门。压坡段位于工作门上游，事故检修门槽段与压坡段之间设有较长的有压平坡段。进口段。泄水口进口曲线应满足水流平顺，水头损失小的要求，进口段形状应尽可能符合流线变化规律。根据水工建筑物的设计要求，进口段的曲线采用1/4椭圆，其方程为：（）式中a——椭圆长半轴，由于本设计泄洪排沙底孔进口设为矩形，故顶面曲线a采用孔高h，侧面曲线为孔宽B;b——椭圆短半轴，当进口为矩形时，顶面曲线b=（1/3-1/4）a，侧面曲线b=a/5。本次设计中出口控制尺寸（即压坡段之后）为宽5m、高9m。平坡段尺寸为宽5m，高6m。故顶面曲线中a为孔高，取a=6m，b=（1/3-1/4）a=(3-4)m，取。侧面曲线中a为孔宽B，取a=5m，b=a/5=1m。由以上取值可知：进口顶部曲线方程为；进口两侧壁曲线方程为。底部形式：进口底部水平设置，具体见设计图纸。事故检修闸门与门槽在进口段之后设置检修闸门，启闭机用卷扬式启闭机，检修闸门为平板闸门,门槽深度取为，由于门槽宽深比，取门槽宽为1m，平板闸门的尺寸取为：宽，高，厚1m。工作闸门的设定，由于出口被水淹没因此不能按照常规设计工作闸门，因此设置液压式启闭机，支铰设置高高度8m，弧形门的半径，支铰出位于距离下游渐变段10m处。平压管和通气孔为了减小检修闸门的启门力，应当在检修闸门和工作闸门之间设置与水库相连通的平压管。开启检修闸门前，在工作闸门和检修闸门之间充水，这样就可以在静水中开启检修闸门。平压管直径应根据设计充水时间来确定，控制阀门可布置在廊道内。取平压管直径为。通气孔的断面面积一般取0.5%~1.0%的泄水孔断面面积，同时应大于等于平压管的过水面积。取通气孔直径为。通气孔的下端应尽量靠近闸门折后的最高位置，上端的进口必须与闸门的启闭机室分开，平压管与水库相通，通气孔布置在检修闸门和工作闸门之间，在距坝顶处转向，最后与坝下游相通，具体见设计图。(4)平坡段（孔身）平坡段断面采用矩形，其断面尺寸设为5×6m。(5)压坡段（渐变段）根据《混凝土重力坝设计规范SL319-2005》，压坡段孔顶坡度一般采用1:4-1:6，面积收缩比一般为可参照实际工程确定，可以在宽度方向不做改变，仅是在孔顶压坡。本次设计坡度采用1：5，面积收缩比采用，收缩前孔口尺寸为5×6m，收缩后变为5×，则可得压坡段长度为4m。(6)出口消能段由于底孔为淹没出流，故无需设置消能防冲设施，直接采用平坡。第6章非溢流坝段抗滑稳定及应力计算本设计分别用<<混凝土重力坝设计规范DL5108-1999>>以及<<混凝土重力坝设计规范SL319-2005>>两个规范，选取计算在基本组合（正常蓄水位情况下），和特殊组合（地震情况下）时的抗滑稳定及应力。并分别选取坝基面和高程为1800m的截面作为计算截面。计算时基本资料及参数取值如下：混凝土容重：r=8.0kN/m3水的容重:rwkN/m3校核洪水位（P=0.2%）上游：1859m下游：设计洪水位（P=0.02%）上游：1854.3m下游：1754.56m正常蓄水位上游：1856m下游：河床基岩面高程：1750m坝顶高程：1860.02m死水位：1852m坝前淤沙厚度：9.3m坝前淤沙高程：淤沙的浮容重：8.0kN/m3泥沙内摩擦角：14度坝基与基岩的抗剪断摩擦系数：f′坝基与基岩的抗剪断凝集力：c′混凝土层面抗剪断摩擦系数：f′混凝土层面抗剪断凝集力：c′采用C10碾压混