劍科水電站說明書

1、 本科生畢業(yè)設計 設計說明書題 目 毛爾蓋河劍科水電站樞紐設計及右岸條形山脊穩(wěn)定性分析 學 院 水利水電學院 專 業(yè) 水利水電工程 學生姓名 羅 開 泰 學 號 0543062075 年級 05級 指導教師 張 建 海 二九 年 六 月 五 日四川大學本科畢業(yè)設計 毛爾蓋河劍科水電站樞紐設計及右岸條形山脊穩(wěn)定性分析劍科水電站樞紐設計 水利水電工程專業(yè) 學生：羅開泰 指導教師：張建海 摘要劍科水電站是以發(fā)電為主，工程采用混合式開發(fā)的方式。樞紐設計內(nèi)容包括：擋水建筑物的設計，泄水建筑物的設計，引水建筑物的設計。在設計過程中，用“理正巖土”程序對典型剖面進行了多工況的滲流分析，并以滲流計算結果為依據(jù)

2、，運用“SLIDE”程序進行了多工況的穩(wěn)定分析。該工程的一個難點是泄水建筑物的布置。經(jīng)過比選，采用了豎井旋流泄洪洞和底流消能中的跌流消能方式。并根據(jù)水力學的原理對泄洪洞、導流（放空）洞、引水隧洞進行了水力計算，確定了各個隧洞的斷面尺寸以及消力池的尺寸。由于右岸條形山脊比較瘠薄，故用“川大禹衡”程序對右岸條形山脊開展多工況的穩(wěn)定分析，并用簡單條分法予以校核。關鍵詞：水電站、豎井旋流泄洪洞、導流（放空）洞、引水隧洞、消力池、跌流消能、滲流分析、穩(wěn)定分析。The Design of the Jianke Hydroelectric StationMajor：Engineering of hydrau

3、lic projectStudent: Luo Kaitai Advisor: Zhang JianhaiAbstractJianke hydroelectric station is a multi-purpose project, which takes power generation as its first task. In the project, hybrid exploitation is adopted. The design of hydraulic complex includes the following aspects: the retaining structur

4、e, water release structure, intake structure. In the process of design, “Li Zheng Rock” program is used to do the seepage analysis. And according to the result of seepage analysis, “SLIDE” program is used to do the stability analysis. The difficulty of this project is the arrangement of the water re

5、lease structure. After comparison, the methods of energy dissipation with swirling flow in shaft and drop energy dissipation in the underflow energy dissipation are chose. According to the rules of hydraulics, the calculation about flood discharge tunnel, diversion ( unwatering ) tunnel and diversio

6、n tunnel is done. On the basis of the calculation ,the size of every tunnel can be determined, so the size of the stilling basin. Because the ridge of the right bank is a little barren,“Chuan Da Yu Heng” program is used to analyze the stability of it. After this, the Simpled Slice method is used to

7、check again.Keyword: hydropower, the tunnel of energy dissipation with swirling flow in shaft, diversion(underwatering) tunnel, diversion tunnel， stilling basin, drop energy dissipation, seepage analysis, stability analysis.目 錄劍科水電站樞紐設計I摘要IAbstractII1 基本資料11.1 樞紐概況11.2 樞紐的任務11.3 地形與地質條件21.4 水文和氣象22

8、水文及水力計算42.1 工程等別及建筑物級別的確定42.2 推求設計洪水過程線42.3 調洪演算53 壩型初選113.1 混凝土重力壩方案113.2 混凝土重力拱壩方案113.3 土石壩方案124 工程總布置134.1 樞紐布置應該遵循的原則134.2 壩址選擇134.3 樞紐建筑物的布置145 壩體剖面設計155.1 壩頂高程的確定155.2 壩基高程的確定和壩基處理165.3 特征水位和特征庫容的確定175.4 壩頂構造185.5 典型剖面設計186 壩體滲流計算217 壩坡穩(wěn)定計算217.1 竣工期的穩(wěn)定計算217.2 穩(wěn)定滲流期的穩(wěn)定計算217.3 穩(wěn)定滲流加7度地震217.4 水位降

9、落期上游穩(wěn)定計算218 泄洪洞的設計219 導流（放空）洞的設計2110 引水建筑物的設計2111 發(fā)電建筑物2111.1 廠址選擇2111.2 水輪發(fā)電機組選擇2111.3 水輪發(fā)電機組的主要技術參數(shù)2112 邊坡和隧洞的襯砌與支護設計2113 專題分析21參考文獻21致 謝2149四川大學本科畢業(yè)設計 毛爾蓋河劍科水電站樞紐設計及右岸條形山脊穩(wěn)定性分析1 基本資料1.1 樞紐概況劍科水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州松潘縣境內(nèi)，是毛爾蓋河“一庫三級”梯級開發(fā)方案中自上而下的第一梯級，為“龍頭水庫”電站。工程采用混合式開發(fā)，攔河大壩位于松潘縣上八寨鄉(xiāng)雪洛溝(羊拱溝)溝口上游約0.42km，最

10、大壩高83m，水庫正常蓄水位3200m，相應庫容為1.3533億m3。校核洪水位為3201.24m，總庫容是1.4176億m3。死水位是3160m，死庫容是0.1933億m3。興利庫容是1.16億m3。汛期限制水位是3196.5m，相應的庫容是1.1957億m3，結合庫容是0.1576億m3，調洪庫容是0.2219億m3。廠址位于松潘縣下八寨鄉(xiāng)登棚溝溝口上游，壩、廠址相距約25km，左岸引水隧洞全長約18.9km，電站引用流量58.6m3/s，裝機容量3×82MW，多年平均年發(fā)電量9.287億kW·h。劍科水電站為毛爾蓋河規(guī)劃的龍頭水庫電站，具有年調節(jié)性能，工程規(guī)模適中。由

11、于其較好的庫容條件和地理位置，以及對下游梯級電站的補償調節(jié)作用，使劍科水電站在毛爾蓋河梯級電站的開發(fā)中具有重要的地位和作用。劍科水電站采用混合式開發(fā)，利用落差約530m，興利庫容1.16億m3，裝機容量246MW，安裝三臺混流式機組。多年平均年發(fā)電量為9.287億kWh，其中枯水期(12月翌年4月)電量2.43億kWh。由于水庫的調節(jié)作用，不僅保證了本電站向系統(tǒng)提供優(yōu)質電能，而且對其下游各梯級電站的補償效益尤為顯著。劍科水庫建成后，不僅將提高其下游各梯級電站的水量利用率，增加年發(fā)電量，同時也將使各梯級電站的部分汛期電能轉化為系統(tǒng)急需的枯期優(yōu)質電能。1.2 樞紐的任務毛爾蓋河屬山區(qū)性河流，干流兩

12、岸坡陡谷深，耕地和人口多分布在海拔28003000m的半山緩坡地帶，沿河兩岸除少數(shù)場鎮(zhèn)外，居民點很少。電站所在河段屬濕潤、半濕潤區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水數(shù)量不多，無工業(yè)用水，一般生產(chǎn)生活用水均引用當?shù)匦∠獪稀⑸饺?。毛爾蓋河曾經(jīng)有過木材漂運的歷史，目前天然林砍伐和木材漂運均已明令禁止，若干年內(nèi)不再有木材漂運的任務。由于兩岸坡陡谷深，水流湍急，無通航要求。劍科水電站庫區(qū)將被淹沒的耕地和搬遷的居民分布高程較高，人畜飲水、灌溉用水均由溪溝、山泉水提供，不從毛爾蓋河引水。壩、廠址間減水河段無工、農(nóng)業(yè)及生活用水要求，在電站設計水平年內(nèi)也未規(guī)劃有綜合用水部門及用水要求。綜上所述，本電站的開發(fā)任務為發(fā)電，并兼顧下游

13、減水河段生態(tài)環(huán)保用水要求。1.3 地形與地質條件劍科水電站地處川西高原東南部，四川盆地西北部的高山峽谷地帶，海拔18005000m，相對高差3001000m，地勢北西高、南東低，屬中高山區(qū)地貌。工程區(qū)在大地構造部位上屬四川西部松潘甘孜地槽褶皺系，地處松潘甘孜印支期造山帶內(nèi)。北北西向的鮮水河斷裂帶、北東向的龍門山斷裂帶和北西西向的塔藏斷裂帶在川西北地區(qū)圍成了一個巨大的三角形斷塊，即川西北斷塊。該斷塊又以岷江斷裂、雪山斷裂和虎牙斷裂圍限的岷山斷塊為界劃分成兩個次級斷塊，西側為川青斷塊，東側為摩天嶺斷塊。工程區(qū)即位于川青斷塊的東北部，該地區(qū)最重要的構造是岷江斷裂帶和龍門山斷裂帶，其余斷裂一般規(guī)模不大

14、，活動性不強，如日嘠希斷裂、日殼斷裂、色爾古斷裂、較場弧形斷裂帶等。壩址區(qū)主要的地質構造是小型擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙。工程的主要地質問題是右岸條形山脊的防滲處理和穩(wěn)定性，以及左岸壩前堆積體的穩(wěn)定性。根據(jù)四川省地震局工程地震研究院對黑水河及毛爾蓋河各梯級工程場地進行的地震安全性評價報告，劍科水電站壩址50年超越概率10%基巖水平峰值加速度為110cm/s2，廠址為146cm/s2，動反映譜特征周期為0.45s，相應的地震基本烈度為度。劍科水電站壩址場地地面50年超越概率10%水平峰值加速度為144.9cm/s2，廠址為155.4cm/s2，相應的地震基本烈度為度。毛爾蓋河主庫區(qū)河道較順直，河水流向

15、為S45°WS，總體上河谷較平緩開闊，呈“U”型谷。兩岸谷坡基巖多裸露，左岸谷坡為45°50°，右岸3160m高程以下50°55°，3160m高程以上30°40°。河床覆蓋層厚911m，河床弱風化弱卸荷深13.517m。左岸弱風化弱卸荷深6070m。右岸條形山脊頂部有厚1315m的高階地河流沖積層，下伏基巖強卸荷深3040m，弱風化卸荷深7080m。枯水期河水面寬1050m，正常蓄水位時河水面寬度為220250m。庫區(qū)周邊山體雄厚，與相鄰河谷間的分水嶺寬厚，出露地層主要為變質砂巖、板巖夾千枚巖。水庫區(qū)不存在誘發(fā)地震及大量固體

16、徑流物質來源導致的水庫淤積等問題，主要工程地質問題為水庫淹沒及浸沒、水庫滲漏、局部庫岸穩(wěn)定等。庫區(qū)無較大規(guī)模的滑坡體和潛在不穩(wěn)定巖體分布，水庫蓄水后庫岸總體基本穩(wěn)定，但兩岸崩坡積堆積體及局部基巖庫岸可能產(chǎn)生庫岸再造。1.4 水文和氣象毛爾蓋河是黑水河流域面積最大的支流，徑流豐沛穩(wěn)定，落差集中。毛爾蓋河分北、西兩源。北源為主流，發(fā)源于四川省阿壩藏族羌族自治州松潘縣西部夏沃隆山麓；西源發(fā)源于羊拱山北麓，北、西兩源在劍科匯合后折向東南，流經(jīng)姜采、達津等地，在登棚溝溝口附近進入黑水縣境，繼續(xù)南流，經(jīng)登棚、睛朗、熱窩、西里等地，在兩河口與小黑水相匯后在西爾下游4.3km的漁巴渡注入黑水河干流。毛爾蓋河干

17、流草原鄉(xiāng)河口全長96km，流域面積3230km2，流域略呈南北向的扇狀分布，水系呈羽狀發(fā)育。毛爾蓋河流域地處四川盆地西緣山地，西接青藏高原東緣，東鄰成都平原。為盆地到高原的過渡帶。屬川西高原氣候區(qū)。具有典型的山地季風氣候特點：冬季寒冷干燥、晴朗少雨，夏季炎熱濕潤、雨季明顯，日照充足，氣溫年較差小而日較差大等高原大陸性氣候的共同特征。由于域內(nèi)地形起伏較大，因此氣候具有明顯的地域差異和垂直分布的變化。總的趨勢是，降雨量隨海拔的增高而增大，氣溫隨海拔的增高而降低。流域東南部氣候溫和，西北部氣候寒冷，高山多雨冷濕，河谷少雨干暖。流域內(nèi)降雨在年內(nèi)分配不均勻，雨量集中于汛期。510月降雨量占年雨量的80%

18、以上，123月枯水期只占年總量的8%。劍科水電站壩址處的多年平均徑流量是24.8m3/s。多年平均徑流量是億m3。水庫的庫容系數(shù)。根據(jù)一般規(guī)律，當庫容系數(shù)在8%30%之間時，可以進行年調節(jié)。毛爾蓋河流域位于黑水縣，流域內(nèi)無氣象觀測資料。據(jù)黑水縣氣象站氣象要素統(tǒng)計，多年平均氣溫9，極端最高氣溫33.5，極端最低氣溫-14.4，多年平均年降水量835.3mm，集雨面積是1395.8m2。最大一日降水量52.3mm，多年平均蒸發(fā)量1459.4mm，多年平均相對濕度64%，多年平均風速1.9m/s，最大風速15.0m/s(相應風向SSN、S)，平均降雪日數(shù)39.4d，最大積雪深14cm。2 水文及水力

19、計算2.1 工程等別及建筑物級別的確定根據(jù)水利水電工程等級劃分及洪水標準（SL2522000）分等指標確定水工建筑物的級別。擬定的正常蓄水位是3200m，相應的庫容是1.3533億m3。水庫的總庫容約1.4億m3。裝機容量為246MW，共有3臺82MW的混流式水輪機。由于總庫容V（1.0億m3，10億m3），裝機容量Q（5萬kW,30萬kW），該工程具有“庫容較大、裝機容量較小”的特點。故確定出劍科水電站的工程等別是等，主要建筑物是2級，次要建筑物是3級，臨時性建筑物是4級。2.2 推求設計洪水過程線設計洪水包括設計洪峰流量、不同時段設計洪量及設計洪水過程線三個要素。推求設計洪水的方法有兩種類

20、型，即由設計洪水的方法有兩種類型，即由流量資料推求設計洪水和由暴雨資料推求設計洪水。根據(jù)水利水電工程等級劃分及洪水標準（SL2522000），對位于山區(qū)的2級土石壩的永久性水工建筑物，其設計洪水的重現(xiàn)期為500100年，校核洪水的重現(xiàn)期為50002000年。根據(jù)本工程洪峰流量較小，洪水歷時不太長，選擇設計洪水的重現(xiàn)期為100年，校核洪水的重現(xiàn)期為2000年。在設計資料中已經(jīng)直接給出了典型洪水過程線、設計洪水過程線、校核洪水過程線。只需要推求導流標準洪水的過程線。初期導流選用枯水期20年一遇洪水作為導流設計洪水。因為礫石土土心墻壩方案的基坑施工有開挖、廊道等項目，且礫石土心墻填筑受氣溫、降雨等因

21、素影響較大，不具備在一個枯水期內(nèi)將壩體填筑到防洪度汛高程的條件。所以，初期導流時段采用全年，相應的設計洪水量為278m3/s。典型洪水的洪峰流量是430.17m3/s。導流標準的洪水過程線根據(jù)典型洪水過程線，采用峰量同倍比方法推求出導流洪水過程線。放大倍比值選用“以峰控制”，其放大倍比為： 其中， 設計頻率的洪峰流量典型洪水過程線的洪峰流量初期導流選用枯水期20年一遇洪水作為導流設計洪水。因為礫石土土心墻壩方案的基坑施工有開挖、廊道等項目，且礫石土心墻填筑受氣溫、降雨等因素影響較大，不具備在一個枯水期內(nèi)將壩體填筑到防洪度汛高程的條件。所以，初期導流時段采用全年，相應的設計洪水量為278m3/s

22、。由此計算可得：導流洪水放大倍比為，通過excel表格進行同倍比放大，得出了導流洪水的過程線。將典型洪水過程線、設計洪水過程線、校核洪水過程線、導流洪水過程線繪圖如下：圖21 洪水過程線2.3 調洪演算水庫的調洪作用，在于對入庫洪水的滯洪，使出庫洪水過程線變平坦，洪水歷時拉長，洪峰流量減小。而影響水庫洪水調節(jié)的主要因素，主要是入庫洪水、泄流建筑物形式和尺寸以及汛期水庫的控制運行方式和下游的防洪要求。若泄流建筑物尺寸減小，同一水位的下泄流量也將減小，所需的調洪庫容增大。反之，則正好相反。因此，入庫洪水、泄流建筑物尺寸、調洪方式和調洪庫容之間是相互關聯(lián)的、相互影響的。在規(guī)劃設計階段，調洪演算的主要

23、任務，是根據(jù)水文分析計算提供的各種標準的設計洪水，對于已經(jīng)擬定的泄流建筑物型式和尺寸方案，遵循水庫汛期的控制運行規(guī)則，進行水庫的蓄泄調節(jié)計算，推求泄流過程和最大下泄流量，并確定有關防洪的特征水位和特征庫容。在運行管理階段，調洪演算的任務，是根據(jù)入庫的洪水，在泄洪建筑物類型和尺寸已定的情況下，通過蓄泄調節(jié)計算，來預報水庫達到的最高庫水位和最大下泄流量。水庫調洪計算的直接目的，在于求出水庫逐時段的蓄水、泄水變化過程，從而獲得調節(jié)本次洪水后的水庫最高洪水位和最大下泄流量，以供進一步的防洪計算分析之用。水庫調洪演算的基本原理，是逐時段的聯(lián)立求解水庫的水量平衡方程和水庫的蓄泄方程。水量平衡方程：蓄泄方程

24、： 時段中的平均入庫流量；時段中的平均下泄流量；，時段初、末的入庫流量（m3/s）；， 時段初、末的出庫流量（m3/s）；，時段初、末的水庫蓄水量（m3）；計算時段（s）；時段水庫蓄水量變化值（m3）；下泄流量（m3/s）；庫容（m3）。調洪演算的實質就是求解這個方程組。當已知，和時段初的，利用上述方程組，便可求出時段末的，。在壩址處右岸的條形山脊，本來是布置開敞式溢洪道的有利地形。但由于右岸條形山脊存在一個“沙窩會議”會址的保護問題，還會增加移民的安置問題，因此選擇在左岸山體中布置泄洪洞。為了兼顧防洪和發(fā)電兩方面的要求，采用降低堰頂高程，弧形閘門擋水的方式。初步擬定的進口閘室是底板高程為31

25、90m的坎高為0，寬度為7m的寬頂堰。弧形閘門的半徑是15m，支撐鉸高程是3200m，弧形閘門尺寸是7m×10.5m（寬×高）。根據(jù)不同閘門開度，根據(jù)水力學公式： 支撐鉸到閘底板的距離；弧形閘門半徑；閘門開度；閘門下緣與水平方向的夾角。對于不同的閘門開度，求解出對應的，并查表確定出相應的垂直收縮系數(shù)，列表如下：表2-1 弧形閘門開度及對應的垂直收縮系數(shù)e(m)2.02.53.03.54.04.55.05.56.0（。）57.776062.1864.3266.4268.4970.5372.5474.530.6870.6780.6710.6640.6570.6510.6450.

26、6400.636按自由出流的條件進行水位流量計算。按水力學公式，。其中，-下泄流量；-流量系數(shù)；-閘孔寬度；-閘門開度；-閘前水頭。流量系數(shù)按弧形閘門的經(jīng)驗公式進行計算。即：上式的適用范圍是，。對于不同的閘門開度，經(jīng)驗公式適用所需要的閘前最低水深是。對于不同的閘門開度，閘前最低水深列表如下：表2-2 不同開度對應的閘前最低水深e(m)2.02.53.03.54.04.55.05.56.03.083.854.625.386.156.927.698.469.23根據(jù)以上的控制條件，初擬了六個汛期運行方式：方式1. 汛期限制水位3196.5m，弧形閘門開度為3.5m；方式2. 汛期限制水位3196.

27、5m，弧形閘門開度為4m；方式3. 汛期限制水位3197m，弧形閘門開度為4m；方式4. 汛期限制水位3197m，弧形閘門開度為4.5m；方式5. 汛期限制水位3196m，弧形閘門開度為3.5m；方式6. 汛期限制水位3195.5m，弧形閘門開度為3.5m。對運行方案1，對設計洪水用列表試算法進行了調洪演算。列表試算的基本方法是：由起始條件已知時段的，和，假設時段末的，進一步根據(jù)水量平衡方程求出時段末水庫的蓄水增量 ，而。而查前面確定的水位流量曲線，得出相應的下泄流量。將初步估計的和查出的相比較，若兩者相等，則所設定的同時滿足水量平衡方程和蓄泄方程，即為所求。否則，要重新假定一個，重復上述計算

28、，直至兩者相等或很接近為止，這樣，便完成了一個工作時段的計算工作。接下去，把這一時段末的，作為下一時段的，再進行下一時段的試算。如此連續(xù)下去，便可求出整個泄流過程。對于設計洪水，在方案1的運行方式下運用列表試算法進行調洪演算。由于洪水歷時較長，達到了7天，故計算時段取為6h。調洪后的最大下泄流量是215.67，相應的調洪最高水位是3201.15m。用半圖解法運用程序對初擬的6個汛期運行方式進行調洪演算。為了使結果更精確，計算時段取小一些，即0.1h。6種方案的調洪結果列表如下：表23 半圖解法調洪結果方案方案1方案2設計標準設計洪水校核洪水設計洪水校核洪水起調水位（m）3196.53196.5

29、3196.53196.5調洪最高水位（m）3200.693201.243200.563201.05最大下泄流量（m3/s）209.86216.81230.49237.62最大庫容（萬m3）13833.6814175.5913818.514076.81滯洪庫容（萬m3）1941.972233.681876.592134.9方案方案3方案4設計標準設計洪水校核洪水設計洪水校核洪水起調水位（m）3197319731973197調洪最高水位（m）3200.973201.423200.093201.32最大下泄流量（m3/s）236.49242.84243.39263.48最大庫容（萬m3）14034.

30、9214274.0213577.3314217.4滯洪庫容（萬m3）1882.052121.141424.462064.52方案方案5方案6設計標準設計洪水校核洪水設計洪水校核洪水起調水位（m）319631963195.53195.5調洪最高水位（m）3201.083201.483200.653201.11最大下泄流量（m3/s）214.86219.76209.47215.26最大庫容（萬m3）14091.8414304.1113887.2114108.7滯洪庫容（萬m3）2357.142596.422336.62578.1比較列表試算法和半圖解法的調洪結果，發(fā)現(xiàn)對于同一運行方案1，用列表試算

31、法得出的最大下泄流量和調洪高水位都比半圖解法的大。經(jīng)分析，認為是由于列表試算法的調洪時段較長（6h），精度不夠造成的。因此，采用半圖解法的調洪結果進行綜合比選，確定出最終的運行方式。經(jīng)過綜合比選，決定采用方案1的運行方式，即起調水位3196.5m，閘門開度為3.5m的運行方式。方案2和方案1的起調高水位相同，但閘門的開度較大，調洪后的特征水位降低得不多，但最大下泄流量增加得較大，不利于泄洪建筑物的布置。方案3和方案4與方案1相比較，起調水位稍高，有利于發(fā)電，但是調洪高水位較方案1略高，且下泄流量增加較大，不利于泄洪建筑物的布置。并且行洪初期會出現(xiàn)水位下降到起調水位以下，這就要求在一次洪水過程中

32、，反復啟閉閘門，對水庫的運行造成不利影響。方案5和方案6和方案1相比較，調洪后的最大下泄流量和最大庫容相差不多，但是起調水位略低，不利于發(fā)電。由此，決定采用方案1的運行方式。方案1的起調水位是3196.5m，設計洪水位是3200.69m，校核洪水位是3201.69m，最大下泄流量216.81m3/s，最大庫容14175.59萬m3，滯洪庫容2233.68萬m3。查壩址下游天然河道的水位流量關系曲線，相應于最大下泄流量的下游水位是3133.5m。相應于設計洪水的下泄流量209.86m3/s，下游水位是3133.43m。根據(jù)調洪結果和毛爾蓋河的暴雨洪水特性，確定水庫的運行方式。毛爾蓋河的暴雨主要集

33、中在59月，特別集中在6、7月，洪水發(fā)生季節(jié)與暴雨一致。由此確定水庫的運行方式為：在4月底，水庫消落到死水位3160m；從汛期5月初開始，水庫開始蓄水到汛期限制水位3196.5m；當遭遇洪水時，將弧形閘門的開度確定為3.5m泄洪；到9月底汛期結束時，將水庫蓄至正常蓄水位3200m；從10月初開始，水庫水位由3200m逐漸下降，到第二年枯期結束時，水位消落到死水位3160m。如此循環(huán)進行。對于導流（放空）洞，進水口的底板高程是3135m，出口處的底板高程是3132.5m。導流（放空）洞以工作閘門井為界，前一段是直徑為3.8m的有壓洞段，后一段是312.97m的無壓洞段。在有壓洞段的出口處布置壓坡

34、段，壓坡段出口斷面尺寸為3m×3m（寬×高）。有壓洞的出口處的底板高程是3134.06m。有壓段的底坡是i=0.003，無壓段的底坡是i=0.005。在導流（放空）洞的水力計算過程中，采用簡化計算。當水位低于進口底板高程時，下泄流量為0。當水位達到進口底板高程而低于洞頂高程時，按明渠均勻流進行計算，即。是過流面積，是謝齊系數(shù)，是水力半徑，是底坡。當水位淹沒洞頂以后，按自由出流的簡單管道進行計算，即。是流量系數(shù)，是沿程阻力系數(shù)，是有壓洞長度，d是洞徑，沿程阻力系數(shù)，在此不計入。沿程阻力系數(shù)可以通過聯(lián)立謝齊公式和曼寧公式來計算，即，是水力半徑，是粗糙系數(shù)，按水力學取為0.014

35、。導流洪水經(jīng)過調蓄后，最高水位是3156.46m，最大下泄流量是149.6m3/s。查壩址下游天然河道的水位流量關系曲線，對應的水位是3133m。3 壩型初選壩型選擇是水利水電工程設計中，不可或缺的重要組成部分。壩型選擇要根據(jù)當?shù)氐木唧w條件，因地制宜，進行技術經(jīng)濟比較，選擇出技術上可行，經(jīng)濟上合理的壩型。壩型選擇主要應考慮下列因素：（1）壩址區(qū)的地形、地質條件，包括：河谷地形，壩基巖石性質，覆蓋層的厚度、分層及其性質，地震烈度等；（2）筑壩材料的物理力學性質、儲量、位置、開采運輸和填筑條件（包括樞紐建筑物開挖出來的渣料）；（3）工程的總體布置及壩體與泄洪、輸水建筑物的連接；（4）壩基處理方式；

36、（5）施工條件，包括施工期壩址區(qū)氣象和水文條件、場地布置條件、施工技術水平和經(jīng)驗等；（6）工程量及投資。初選的壩型包括混凝土重力壩，混凝土重力拱壩，土石壩三種?，F(xiàn)將三種壩型的特點羅列如下：3.1 混凝土重力壩方案該壩型結構作用明確，設計方法簡便，安全可靠。重力壩沿壩軸線用橫縫分成若干壩段，各壩段獨立工作，結構作用明確，穩(wěn)定和應力計算都比較簡單。重力壩剖面尺寸大，壩內(nèi)應力較低，而筑壩材料強度高，耐久性好，因而抵抗洪水漫頂、滲流、地震和戰(zhàn)爭破壞的能力都比較強。重力壩對地形、地質條件的適應性強。因為壩體作用在地基面上的壓應力不高，所以對地質條件的要求也較拱壩低。重力壩的泄流問題容易解決。重力壩可以做

37、成溢流的，也可以在壩身不同高度設置泄水孔，一般不需要另設溢洪道或泄水隧洞，樞紐布置緊湊。在施工期，重力壩可以利用壩體導流，施工導流比較方便，一般不需要另設導流洞。重力壩的施工比較方便，大體積混凝土可以采用機械化施工，在放樣、立模和混凝土澆筑方面都比較簡單，并且補強、修復、維護和擴建都比較方便。但是，重力壩由于壩體剖面尺寸大，材料用量多。壩體內(nèi)的應力較低，材料強度不能充分發(fā)揮。壩體和地基接觸面大，壩底的揚壓力大，對穩(wěn)定不利。壩體的體積較大，由于施工期混凝土的水化熱和硬化收縮，將產(chǎn)生不利的溫度應力和收縮應力，因此，在澆筑混凝土時，需要采取較嚴格的溫度控制措施。3.2 混凝土重力拱壩方案重力拱壩是重

38、力作用較為顯著的拱壩，在平面上呈凸向上游的拱形，其拱冠剖面是豎直的。一般情況下，重力拱壩常建于較寬的河谷，其厚度較大，厚高比常在0.35以上。重力拱壩形式隨拱壩形式隨河谷形狀而而異。對較寬的U形或梯形河谷，常采用定中心定半徑拱壩,與重力壩接近。對較寬的 V形河谷常采用變中心變半徑拱壩（即雙曲拱壩）。重力拱壩在拱壩中屬較厚實的一種壩型。它的主要優(yōu)點是：（1）兼有拱壩及重力壩的優(yōu)點，安全性較高，對抗御超標準洪水或意外荷載潛力較大；（2）便于在壩體內(nèi)布置泄水孔及壩頂溢流；（3）便于在壩下游面設置廠房；（4）壩體應力及滲透壓力比降較低（5）有時為適應地形、地質上的需要，還可調整體型結構，降低壩基應力，

39、以滿足壩址地質要求。重力拱壩的應力及穩(wěn)定分析方法與拱壩相同，因壩體厚度較大，溫度及滲透壓力對壩體影響較大，一般應予考慮。由于重力拱壩主要依靠梁的作用即以重力作用為主，故穩(wěn)定問題顯得更重要。但這種壩型的結構及體型比較復雜，壩體應力計算分析及施工要增加一定的難度。3.3 土石壩方案土石壩是當前世界壩工建設中應用最為廣泛和發(fā)展最快的一種壩型。土石壩可以就地、就近取材，節(jié)省大量的水泥、木材和鋼材，減少工地的外線運輸量。由于土石壩設計和施工技術的發(fā)展，放寬了對筑壩材料的要求，幾乎任何土石料均可筑壩。土石壩能適應各種不同的地形、地質和氣候條件。除極少數(shù)例外，幾乎任何不良地基，經(jīng)過處理后均可修建土石壩。隨著

40、大容量、多功能、高效率施工機械的發(fā)展，提高了土石壩的壓實密度，減小了土石壩的斷面，加快了施工進度，降低了造價。由于巖土力學理論、試驗手段和計算技術的發(fā)展，分析計算的水平得到了提高，設計的進度也得到加快。另外，高邊坡、地下工程結構、高速水流消能防沖等土石壩配套工程設計和施工技術的綜合發(fā)展，推動了土石壩的發(fā)展。但是，土石壩的壩身一般不能泄流，施工導流不如混凝土壩方便，粘性土料的填筑受氣候條件的影響較大。根據(jù)壩址處的地形地質條件，由于右壩肩風化卸荷較深，左壩肩F1斷層的存在，如果修筑混凝土重力壩河混凝土重力拱壩，都存在壩體“肥胖”的問題。由此將導致工程投資增大。在壩址區(qū)附近的筑壩材料充足，且土石壩與

41、兩岸的連接也不是太困難，因此選擇土石壩壩型。壩基新鮮基巖的滲透系數(shù)為5.00×10-4cm/s，弱風化弱卸荷基巖的滲透系數(shù)是1.00×10-2cm/s，屬于中等透水層。在基礎處理時，可以采用防滲帷幕進行處理。為了形成連續(xù)的防滲區(qū)域，要在壩址右岸條形山脊中進行帷幕灌漿。4 工程總布置4.1 樞紐布置應該遵循的原則（1）壩址、壩及其他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，造價低；（2）應滿足各個建筑物在布置上的要求，保證其在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行期間相互干擾；（3）在滿足建筑物強度和穩(wěn)定的條件下，降低樞紐總造價和年運行費用；（4

42、）樞紐中各建筑物布置緊湊，盡量將同一工種的建筑物布置在一起，以減少連接建筑物，且便于管理；（5）盡量使一個建筑物發(fā)揮多種用途或臨時建筑物和永久建筑物相結合，充分發(fā)揮綜合效益；（6）盡量使樞紐中的部分建筑物早期投產(chǎn)，提前發(fā)揮效益（如提前蓄水、早期發(fā)電或灌溉）；（7）樞紐的外觀應與周圍環(huán)境相協(xié)調，在可能的條件下注意美觀。4.2 壩址選擇在預可研階段，參加比選的壩址有上壩址和下壩址兩個。上壩址位于雪洛河和毛爾蓋河的匯口以上0.42km處，該處河道較順直，枯期河水面高程是31333136m，水面寬1520m，谷底寬3040m，河谷橫斷面為一比較對稱的“V”型河谷。3190m高程時河谷寬180220m，

43、寬高比約是3.2，具有較好的建壩條件。河段左岸山體雄厚，右岸因雪洛河的切割形成一單薄山脊，山脊頂高程31803220m，寬2030m。勘探顯示右岸條形山脊卸荷強烈，山脊高階地沖積層厚1418m，為含漂砂卵礫石和粉土、粉質粘土層，建壩的壩肩條件略差。壩址區(qū)出露地層為三疊系新都橋組(T3x)變質砂巖及燕山中期花崗閃長巖侵入體(53)，巖石致密堅硬，河床覆蓋層淺(最大厚11.07m)，主要由含漂砂卵礫石組成，建壩無深厚覆蓋層問題。下壩址附近兩岸山體雄厚，地形完整，沖溝不發(fā)育，山脊高程33503450m，水庫封閉條件良好。且在距離雪洛溝匯口下游1.3km處河道微彎，有利于泄水建筑物布置。河段枯水期河水

44、面高程31213124m，水面寬1525m，谷底寬3040m，河谷橫斷面為一較對稱的“V”型谷，右岸谷坡陡峻，左岸谷坡3200m高程以下較陡，以上地形較緩，3190m高程時谷寬約220230m，寬高比約為3.4，從地形上看具有較好的建壩條件。壩址區(qū)出露地層為三疊系新都橋組(T3x)變質砂巖與深灰至灰黑色板巖互層，河床覆蓋層淺（厚9.7516.4m），主要由含漂砂卵礫石組成，局部夾砂層透鏡體，建壩的地基條件較為理想，無深厚覆蓋層問題?？偲饋碚f，上下壩址都具有較好的筑壩條件，下壩址的筑壩條件略優(yōu)于上壩址。但是，當在下壩址筑壩時，上游條形山脊側的“沙窩會議”會址將被淹沒。異地遷建保護有不能成立，最終

45、選擇上壩址。4.3 樞紐建筑物的布置劍科水電站樞紐建筑物由擋水建筑物，泄水建筑物，引水建筑物，發(fā)電建筑物及其他水工建筑物組成。 選定的壩址位于毛爾蓋河和雪洛河匯口以上0.42km處。根據(jù)壩軸線和計算得出的壩頂高程，以及設計的壩體典型剖面，在壩軸線兩側進行布置。壩頂高程是3205m，壩頂寬10m，壩軸線長230m。由于右岸條形山脊比較瘠薄，另外為了更好的保護“沙窩會議”會址，在左岸山體中布置泄洪洞、導流（放空）洞。布置引水隧洞時，比較了左、右岸兩種引水方案。現(xiàn)場地質調查表明，引水隧洞區(qū)兩岸地形地貌、地層巖性、地質構造以及物理地質現(xiàn)象等基本地質條件均無較大的差異，但因左岸方案隧洞僅穿越兩條大溝雜桿

46、苦溝和姜采溝，右岸方案需穿越五條大溝，且洞線將相應增長約2.75km，因此采用左岸引水線路方案。5 壩體剖面設計根據(jù)初選的壩型，擬采用土石壩。根據(jù)當?shù)氐木唧w條件進一步確定具體的壩型。根據(jù)預可研資料，工程區(qū)防滲土料較少，且各料場分布較分散、儲量小，開采條件較差。在預可研階段對上壩址壩前、上壩址壩后、劍科和阿基壩徐谷等四個礫石土料場開展了初查工作，共查明勘探儲量約103.1萬m3，可以滿足劍科大壩的填筑要求。壩殼填筑料料源較豐富，擬選兩個料場。劍科料場位于壩址上游左岸壩肩以前約700m，巖石為花崗閃長巖，有用儲量900萬m3。近札雅依額料場位于壩址下游約5.22km，巖石為變質砂巖夾板巖，有用儲量

47、850萬m3。兩料場均有四級碎石公路與壩址相通，運輸方便。天然砂礫石料主要分布在壩址上游，四個料場總儲量共113.7萬m3，均為河谷兩岸漫灘和級階地堆積的砂卵礫石，質量較好。廠址附近天然砂礫石料貧乏，混凝土骨料可采用登棚溝右岸的黑云母二長花崗巖，儲量>80萬m3，開采條件較好，也可利用洞挖黑云岡二長花崗巖料。根據(jù)壩料的儲量和分布，礫石土心墻壩和混凝土面板堆石壩都是具有較強的競爭力。本設計就礫石土心墻壩方案進行設計。5.1 壩頂高程的確定根據(jù)調洪結果，在選定的汛期運行方式下，校核洪水位是3201.24m，調蓄后的最大下泄流量是216.81 ；設計洪水位是3200.69m，調蓄后的最大下泄流

48、量是209.86 。根據(jù)碾壓式土石壩設計規(guī)范（SL2742001），壩頂高程等于水庫靜水位與壩頂超高值和，應按以下4種運用條件計算，取其大值：1. 設計洪水位加正常運用條件的壩頂超高；2. 正常蓄水位加正常運用條件的壩頂超高；3. 校核洪水位加非常運用條件的壩頂超高；4. 正常蓄水位加非常運用條件的壩頂超高，再加上地震安全加高。水庫在靜水位以上的超高按下式確定：y=R+e+Ay壩頂超高，m；R最大波浪在壩坡上的爬高，m；e最大風雍水面高度，m；A安全加高，m。由于缺乏吹程的相關數(shù)據(jù)，不能計算波浪爬高和風雍水面高度，故直接采用資料所給出的數(shù)據(jù)。對于安全加高，按規(guī)范取值。表51 壩頂超高計算結果表

49、計算情況風 雍高 度波 浪爬 高安全加高正常運用非常運用地震涌浪正常運用+設計洪水位0.0044.5901.00正常運用+正常蓄水位0.0044.5901.00非常運用+校核洪水位0.0012.0900.50非常運用+正常蓄水位+地震0.0012.0900.501.00根據(jù)以上數(shù)據(jù)，確定出的壩頂高程是3206.3m。考慮在壩頂設置防浪墻，以減小壩體的填筑方量。最終確定的壩頂高程是3205m，防浪墻頂高程是3206.3m。5.2 壩基高程的確定和壩基處理河床底部主要由三層構成，表層的含漂砂卵礫石覆蓋層、弱風化基巖、新鮮基巖。含漂砂卵礫石覆蓋層的滲透系數(shù)是（28）×10-2cm/s，為了

50、防滲的要求，將心墻底部的約10m厚的含漂砂卵礫石層全部挖除，直到3121m高程，切斷含漂砂卵礫石層直到弱風化基巖上部。基坑開挖的寬度約為60m，開挖邊坡的坡度是1：1.5。在開挖后的槽中，回填礫石土，形成防滲體。就具體的形式，考慮了設置倒梯形的截水槽和將心墻直接延伸直到槽底的方式。為了便于施工，減小開挖，采用了將心墻直接延伸到槽底的防滲方式。為了防止心墻和基巖直接接觸發(fā)生接觸沖刷，在心墻底部設置1m厚的鋼筋混凝土C20墊層，將基巖與土質防滲體隔開，并兼做灌漿墊層。弱風化、弱卸荷基巖的滲透系數(shù)是1.00×10-2cm/s，新鮮基巖的滲透系數(shù)是5.00×10-4cm/s，屬于中

51、等透水層，為了防止發(fā)生滲透破壞，減小水庫的滲漏損失，對基巖進行帷幕灌漿。帷幕設在混凝土板下與心墻相對應的部位，采用水泥粘土漿來進行灌漿。這種方法可以處理較深基巖，施工經(jīng)驗也比較充足。通過設置帷幕，可以減小壩基的滲流量，降低壩底的滲透壓力，保證基礎的滲透穩(wěn)定。灌漿直到3072m，帷幕深度為49m，帷幕厚3m。灌漿孔在平面上呈網(wǎng)格狀交錯布置，采用雙排帷幕，孔排距都采用2m，鉆孔直徑為80mm。施工過程中，要遵循逐序加密的原則進行鉆灌作業(yè)，先灌下游排，后灌上游排，一序孔間距為8m，二序孔間距為4m，三序孔間距為2m。為了防止灌漿和壩體填筑發(fā)生沖突，在心墻底部設置灌漿廊道，廊道采用城門洞型，寬3m，高

52、4m，厚1m，頂部是半徑為1.5m的圓弧段。為了協(xié)調廊道混凝土和心墻礫石土之間的變形，在廊道外側設置高塑性粘土。為了提高基巖的整體性與強度，并降低基礎的透水性，在混凝土板下對基巖進行固結灌漿。1m厚的混凝土板作為壓重，可以防止基巖表面冒漿。在固結灌漿時，可以采用較大的灌漿壓力，提高灌漿效果。鉆孔直徑為80mm，孔深6m，孔排距都采用3m。在對基巖進行灌漿處理時，要遵循“先固結，后帷幕”順序，嚴格按照灌漿的施工流程來進行。為了提高灌漿效果，對于較深的帷幕灌漿采用循環(huán)式的灌漿方式，對于較淺的固結灌漿采用純壓式的灌漿方式。對于壩殼料以下的河床覆蓋層 ，采取挖除表面的淺部覆蓋層的方式進行處理。上游挖除

53、到3130.5m高程，下游挖除到3129.5m高程。5.3 特征水位和特征庫容的確定根據(jù)水電站出力的要求和壩址區(qū)的地質條件，擬定正常蓄水位為3200m。為了兼顧泄洪、發(fā)電兩方面的要求，擬定的泄洪洞進口閘室的堰頂高程為3190m。經(jīng)過調洪演算比選出的汛期水庫運行方式是“起調水位3196.5m，閘門開度3.5m”，經(jīng)過水庫調蓄，校核洪水位是3201.24m，設計洪水位是3200.69m。在施工期，當遭遇枯水期20年一遇的導流標準的洪水時，在選定的導流方式下，即“導流洞進口底板高程是3135m，導流洞直徑為3.8m”，經(jīng)過調蓄后的最高水位是3156.46m，最大下泄流量是149.6 m3/s。查壩址

54、下游天然河道的水位流量關系曲線，對應的水位是3133m。根據(jù)泥沙資料，在壩址處的多年平均含沙量為243g/ m3，小于1 kg/ m3，屬于少沙河流。毛爾蓋河的多年平均懸移質輸沙量為15.03萬噸，多年平均推移質輸沙量為2.69萬噸。年輸沙總量為17.72萬噸。按飽和容重為20kN/m3進行估算。則每年泥沙占據(jù)的庫容是V沙=17.72×9.8/20=8.683萬m3。根據(jù)泥沙設計手冊，在單純考慮水、沙的豐、枯水年的變化規(guī)律，最好考慮50年的水平。在不考慮開啟放空洞沖沙的情況下，經(jīng)過50年，水庫淤積達到434.15萬m3，查水位庫容曲線，淤沙高程是3146.5m。在實際運行中，在汛期開

55、啟放空洞泄洪沖沙，淤沙高程在50后不會達到3146.5m高程。據(jù)此確定進水口底板高程為3150m。為了保證引水隧洞的進水口保持一定的淹沒深度，將死水位定為3160m。則消落深度為40m。為了充分利用臨時建筑物，將上下游圍堰和壩體結合布置。因為水庫的死水位是3160m，為了便于檢修，將上游圍堰頂部高程定為3162m，頂寬9m。此高程既能滿足圍堰擋水的要求，又能滿足水庫檢修的要求。根據(jù)以上特征水位，查水位庫容曲線得，總庫容是1.4176億m3，死庫容是0.1933億m3，興利庫容是1.16億m3，調洪庫容是0.2219億m3，結合庫容是0.1576億m3。5.4 壩頂構造根據(jù)碾壓式土石壩設計規(guī)范（

56、SL2742001），防滲體頂部的水平寬度不宜小于3.00m。由于無特殊要求，心墻頂寬取為3m。根據(jù)規(guī)范，防滲體頂部超高按下表取定：表52 正常運用情況下防滲體頂部超高（m）防滲體結構形式 超高防滲體結構形式 超高斜墻 0.800.60 心墻 0.600.30根據(jù)初擬的心墻頂高程3203.5m，相對于設計洪水位3200.69m的超高為2.81m。相對于校核洪水位3201.24m的超高為2.26m。在校核洪水時，風浪可能達到的最大高程是3203.331m。故認為將心墻頂部高程定位3203.5m是合理的。因為上游水位在有的工況下，會超過心墻頂高程，這就要求防浪墻和心墻頂部緊密結合，防止漏水，保證壩體的穩(wěn)定。壩頂上游側的防浪墻高1.3m，厚0.5m，采用鋼筋混凝土澆筑。防浪墻與心