10第十章-水利工程設(shè)計(jì)

水工建筑物課件

西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院水利水電工程系教研室2007年1月第十章水利工程設(shè)計(jì)10.1設(shè)計(jì)階段的劃分10.2設(shè)計(jì)所需的基本資料10.3水利工程對(duì)環(huán)境的影響10.4水利樞紐設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本章的主要內(nèi)容：10.1設(shè)計(jì)階段的劃分一、項(xiàng)目建議書(shū)

根據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)劃與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的總要求，在經(jīng)批準(zhǔn)的江河流域（區(qū)域）綜合利用規(guī)劃或?qū)I(yè)規(guī)劃的基礎(chǔ)上提出開(kāi)發(fā)目標(biāo)和任務(wù)，對(duì)項(xiàng)目的建設(shè)條件進(jìn)行調(diào)查和必要的勘測(cè)工作，并在對(duì)資金籌措進(jìn)行分析后，擇優(yōu)選定建設(shè)項(xiàng)目和項(xiàng)目的建設(shè)規(guī)模、地點(diǎn)和建設(shè)時(shí)間，論證工程項(xiàng)目建設(shè)的必要性，初步分析項(xiàng)目建設(shè)的可行性和合理性。

二、可行性研究報(bào)告階段

主要任務(wù)是，論證擬建工程在技術(shù)上的可行性、經(jīng)濟(jì)上的合理性，以及開(kāi)發(fā)順序上的迫切性。

三、初步設(shè)計(jì)階段

按照國(guó)際慣例，施工圖應(yīng)由施工單位或業(yè)主委托的咨詢(xún)公司負(fù)責(zé)。

四、招標(biāo)設(shè)計(jì)階段

五、施工圖階段第十章水利工程設(shè)計(jì)10.1設(shè)計(jì)階段的劃分10.2設(shè)計(jì)所需的基本資料10.3水利工程對(duì)環(huán)境的影響10.4水利樞紐設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本章的主要內(nèi)容：10.2設(shè)計(jì)所需的基本資料1.自然地理

位置、行政區(qū)域、地形、地貌、土壤植被、主要山脈、河川水系、水資源開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題。地形圖：庫(kù)區(qū)1:5000～1:25000，樞紐1:2000～1:10000，壩址1:500～1:2000。詳見(jiàn)《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》SL197–97。

區(qū)域地質(zhì)、庫(kù)區(qū)和樞紐區(qū)的地質(zhì)條件，如：地層、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地震烈度、不良地質(zhì)現(xiàn)象，水文地質(zhì)情況，巖土的物理力學(xué)性質(zhì)，天然建筑材料的品種、分布、儲(chǔ)量、開(kāi)采條件，工程地質(zhì)評(píng)價(jià)與結(jié)論。2.地質(zhì)

3.水文

水文站布設(shè)、資料年限、徑流、洪水、泥沙、水情以及人類(lèi)活動(dòng)的影響。

降水、蒸發(fā)、氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速、冰霜、冰凍深度，站網(wǎng)布設(shè)和資料年限。

4.氣象

5.社會(huì)經(jīng)濟(jì)

對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀及中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃全面了解，包括：人口、土地、種植面積、品種；工業(yè)產(chǎn)品、產(chǎn)量；工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值；主要資源情況，文物古跡，動(dòng)力、交通、投資環(huán)境等。

6.規(guī)程規(guī)范第十章水利工程設(shè)計(jì)10.1設(shè)計(jì)階段的劃分10.2設(shè)計(jì)所需的基本資料10.3水利工程對(duì)環(huán)境的影響10.4水利樞紐設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本章的主要內(nèi)容：一、庫(kù)區(qū)1.淹沒(méi)

建壩后，水位在壩前壅高形成回水，在回水范圍內(nèi)，耕地、礦藏、名勝古跡等被淹沒(méi)；工廠、鐵路、公路設(shè)施需要拆遷；居民需要遷移，城鎮(zhèn)需要遷建。三峽工程移民百萬(wàn)，所采用的“以人為本”、“就地開(kāi)發(fā)性移民”，統(tǒng)籌安排生產(chǎn)和生活，是解決好庫(kù)區(qū)移民的重要舉措。2.滑坡、坍岸

岸坡浸水后，巖體的抗剪強(qiáng)度降低，在水庫(kù)水位降落時(shí)，有可能因喪失穩(wěn)定而坍滑。10.3水利工程對(duì)環(huán)境的影響

3.水庫(kù)淤積

水流入庫(kù)后流速減小，挾沙能力降低，使泥沙顆粒先粗后細(xì)逐步下沉，造成淤積。淤積不僅使庫(kù)容減小，縮短水庫(kù)壽命，加大淹沒(méi)損失，還將影響電站和航運(yùn)的正常運(yùn)行。

4.生態(tài)變化水庫(kù)淹沒(méi)影響陸生植物生存，破壞其生存環(huán)境。水環(huán)境變化對(duì)珍稀生物的種群數(shù)量繁殖場(chǎng)所有致命影響。

5.水溫的變化

庫(kù)水溫度變幅隨水深增加而減小，在水面處大致與氣溫接近；水深10m左右，變幅較氣溫減小2～

5℃；水深50～

60m處，變幅只4～

5℃；更深處水溫幾乎不再變化而處于常溫狀態(tài)。庫(kù)水年平均溫度也隨水深增加而減小，在水面處比年平均氣溫約高2～

5℃；水深50～

60m處等于年平均氣溫；再深即低于年平均氣溫。6.水質(zhì)變化

水庫(kù)蓄水后，由于庫(kù)區(qū)內(nèi)生物機(jī)體的分解，增加了庫(kù)水的肥力，有利于水中微生物的繁殖，對(duì)魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)有利。但如清庫(kù)不徹底，過(guò)多的有機(jī)質(zhì)在庫(kù)底分解，吸收深層水中的氧，產(chǎn)生硫化氫，也可使水質(zhì)變壞。流入水庫(kù)的磷、氮等鹽類(lèi)，有利于植物和水生物的生長(zhǎng)，但含量不能太高，否則，將促使藻類(lèi)和水草叢生，而藻類(lèi)和水草的枯死分解，又將消耗水中的氧，形成“富營(yíng)養(yǎng)化”，造成水質(zhì)惡化。7.氣象變化

水庫(kù)形成一定的水域，大的水域能改變附近地區(qū)的小氣候（多霧、降雨形態(tài)變化、氣溫變幅減小等），并使樞紐附近地區(qū)的生態(tài)平衡發(fā)生變化。8.誘發(fā)地震

20世紀(jì)60年代以來(lái)，世界上有不少大水庫(kù)在蓄水后發(fā)生了地震，如：我國(guó)新豐江水電站于1962年3月19日發(fā)生誘發(fā)地震，震級(jí)M=6.1，壩址烈度達(dá)到8度。9.衛(wèi)生條件水庫(kù)蓄水后，地下水位升高，為利用地下水創(chuàng)造了有利條件。但也帶來(lái)一些不利后果，如：耕地鹽堿化，形成沼澤地帶，孳生蚊蟲(chóng)和其他有害的微生物。二、水庫(kù)下游河道1.河道沖刷

河道水流中挾帶的泥沙在庫(kù)內(nèi)沉積后，下泄清水的沖刷能力加大，將河床刷深，河水位下降，岸邊地下水位也相應(yīng)降低；同時(shí)，還可能引起主河槽的游動(dòng)，或沖刷下游橋基和護(hù)岸工程。2.河道水量變化枯水期，由于電站和灌溉用水，流量增加，對(duì)航運(yùn)有利。但當(dāng)電站擔(dān)負(fù)峰荷，泄放流量不均時(shí)，又將給航運(yùn)帶來(lái)不便。為了不使河道干涸，不過(guò)分降低下游的地下水位，保護(hù)水生動(dòng)物的生長(zhǎng)和維持河道的自然風(fēng)光，應(yīng)經(jīng)常泄放一定的水量，以保護(hù)河流的正常功能。3.河道水溫4.河道水質(zhì)

庫(kù)水的渾濁度和水溫一樣，隨水深而異。工業(yè)和生活用水要求渾濁度不得過(guò)高。水庫(kù)中、低層水溫較低，水中溶解氧也低，對(duì)作物生長(zhǎng)和魚(yú)類(lèi)生存都不利。除溢洪道外，自水庫(kù)泄放的水流大多來(lái)自水庫(kù)深層，水溫較低且變幅小，因而，壩下的河水水溫夏季較建庫(kù)前低，冬季較建庫(kù)前高。第十章水利工程設(shè)計(jì)10.1設(shè)計(jì)階段的劃分10.2設(shè)計(jì)所需的基本資料10.3水利工程對(duì)環(huán)境的影響10.4水利樞紐設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本章的主要內(nèi)容：一、壩址和壩型選擇1.地質(zhì)條件拱壩和重力壩（低的溢流重力壩除外）需要建在巖基上；土石壩對(duì)地質(zhì)條件要求較低，巖基、土基均可；水閘多是建在土基上。幾個(gè)注意的問(wèn)題10.4水利樞紐設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容①對(duì)斷層破碎帶、軟弱夾層要查明其產(chǎn)狀、寬度（厚度）、充填物和膠結(jié)情況，對(duì)垂直水流方向的陡傾角斷層應(yīng)盡量避開(kāi)，對(duì)具有規(guī)模較大的垂直水流方向的斷層或附近有活斷層存在的河段，均不應(yīng)選作壩址；②在順向河谷（指巖層走向與河流方向一致）中，總有一岸是與巖層傾向一致的順向坡，當(dāng)巖層傾角小于地形坡角，巖層中又有軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，在地形上存在臨空面，這種岸坡極易發(fā)生滑坡，應(yīng)當(dāng)注意；

③對(duì)于巖溶地區(qū)，要掌握溶巖發(fā)育規(guī)律，特別要注意潛伏溶洞、暗河、溶溝和溶槽，必須查明巖溶對(duì)水庫(kù)蓄水和對(duì)建筑物的影響；

④對(duì)土石壩，應(yīng)盡量避開(kāi)細(xì)砂、軟粘土、淤泥、分散性土和濕陷性黃土等地基。2.地形條件

在高山峽谷地區(qū)布置水利樞紐，應(yīng)盡量減少高邊坡開(kāi)挖。壩址選在峽谷地段，壩軸線短，壩體工程量小，但不利于泄水建筑物等的布置，因此，需要綜合考慮，權(quán)衡利弊。選用土石壩時(shí)，應(yīng)注意庫(kù)區(qū)有無(wú)埡口可供布置岸邊溢洪道，上、下游有無(wú)開(kāi)闊地區(qū)，可供布置施工場(chǎng)地。對(duì)于多泥沙及有漂木要求的河道，還應(yīng)注意河流的水流流態(tài)，在選擇壩址時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮如何防止泥沙和漂木進(jìn)入取水建筑物。對(duì)于有通航要求的樞紐，還應(yīng)注意通航建筑物與河道的連接。3.施工條件

壩址附近特別是其下游應(yīng)有較開(kāi)闊的地形，以便布置施工場(chǎng)地；距交通干線較近，便于施工運(yùn)輸；可與永久電網(wǎng)連接，解決施工用電問(wèn)題。4.建筑材料

壩址附近有足夠符合要求的天然建材。料場(chǎng)分布、儲(chǔ)量、埋置深度、開(kāi)采條件以及施工期淹沒(méi)等問(wèn)題均應(yīng)認(rèn)真考慮。

5.綜合效益

綜合考慮防洪、灌溉、發(fā)電、航運(yùn)、旅游等各部門(mén)的經(jīng)濟(jì)效益。

6.其他

在選擇壩址和壩型時(shí)，還應(yīng)考慮利用主體建筑物開(kāi)挖料直接上壩的可能性與合理性。例如：國(guó)外有的工程，盡管基巖堅(jiān)硬、完整，適于修建拱壩或重力壩，但經(jīng)論證比較，最終選用了混凝土面板堆石壩，理由是，后者利用主體建筑物開(kāi)挖料直接上壩，可以縮短工期，降低造價(jià)。這種經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。二、樞紐布置的一般原則和設(shè)計(jì)方案的選定1.樞紐布置的一般原則

⑴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(jià)低。

在高山峽谷較大拐彎河段，利用河彎凸岸布置泄水建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)，樞紐布置相對(duì)簡(jiǎn)單，減輕或避免了壩與泄水、發(fā)電建筑物在施工和運(yùn)行中的相互干擾，可縮短工期，降低造價(jià)和提高效益。如：三峽水利樞紐需要在河床中布置溢流壩、水電站廠房和通航建筑物，壩址之所以選在三斗坪，原因之一是河谷較寬，便于施工，且可借助江中中堡島有利于分期導(dǎo)流。

⑵滿(mǎn)足各個(gè)建筑物在布置上的要求，保證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(yùn)行期間互相干擾。例如：將船閘與溢流壩、電站盡量分開(kāi)布置，在溢流壩泄水時(shí)，引航道不產(chǎn)生過(guò)大的橫向流速，以使船隊(duì)（舶）順利駛?cè)腴l室，下游出口，必要時(shí)應(yīng)設(shè)導(dǎo)墻，使引航道與溢流壩或水電站廠房隔開(kāi)。當(dāng)廠房與溢流壩相鄰時(shí)，兩者之間應(yīng)設(shè)足夠長(zhǎng)的導(dǎo)流墻，以防止泄洪對(duì)發(fā)電的不利影響；還應(yīng)注意廠房、變電設(shè)備及開(kāi)關(guān)站等需離泄洪射流一定距離，以免霧化水流影響安全運(yùn)行。又如：土石壩樞紐泄水和引水建筑物進(jìn)、出口附近的壩坡和岸坡，應(yīng)有可靠的防護(hù)措施，出口應(yīng)采取妥善的消能措施，并使消能后的水流離開(kāi)壩腳一定距離，避免水流沖刷和回流淘刷等。

⑶滿(mǎn)足建筑物強(qiáng)度和穩(wěn)定，降低樞紐總造價(jià)和年運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。

例如：為了提高重力壩的穩(wěn)定性，常將壩的上游面做成傾向上游（坡度不宜過(guò)緩），利用壩面上的水重來(lái)提高壩的抗滑穩(wěn)定性；重力壩壩體內(nèi)各部位應(yīng)力各不相同，為了節(jié)約與合理使用水泥，壩體按不同部位分區(qū)，采用不同標(biāo)號(hào)的混凝土。又如：拱壩樞紐的泄水方式與布置宜首先研究采用壩身泄洪的可行性，以及優(yōu)化拱壩體形以降低總造價(jià)。拉西瓦拱壩壩高250m，用優(yōu)化方法求得拋物線、橢圓和對(duì)數(shù)螺旋線等6種拱形的最優(yōu)布置，并從中選定了對(duì)數(shù)螺旋線水平拱圈的布置方案，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，節(jié)省混凝土20萬(wàn)m3，節(jié)省基巖開(kāi)挖13萬(wàn)m3。

⑷樞紐布置緊湊，盡量將同一工種的建筑物布置在一起，以減少聯(lián)結(jié)建筑，也便于管理。

對(duì)大流量、高水頭、窄河谷的水利水電樞紐，由于河谷狹窄，在泄水建筑物與電站廠房布置上的矛盾十分突出，采用泄水建筑物與電站廠房重迭布置，如新安江的溢流式廠房，烏江渡、漫灣的挑越式廠房。此種布置非常緊湊，整體安全性好，工程量省，建設(shè)周期短，經(jīng)濟(jì)效益顯著。又如：都江堰根據(jù)“深淘灘、低作堰”治水六字訣采用魚(yú)咀分水、寶瓶口正面引水與飛沙堰側(cè)面排沙，樞紐建筑物組成合理，布置緊湊，起到了分水、泄洪、引水和排沙的作用，運(yùn)行至今已有二千二百多年，收到了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

⑸盡量使一個(gè)建筑物發(fā)揮多種用途或臨時(shí)建筑物和永久建筑物相結(jié)合，充分發(fā)揮綜合效益。

在峽谷河段筑壩，一般采用隧洞導(dǎo)流，將臨時(shí)性的導(dǎo)流洞封堵改建為永久泄洪隧洞，是減少泄洪洞工程量、節(jié)約投資的合理措施。在我國(guó)將導(dǎo)流洞改建為龍?zhí)ь^式無(wú)壓泄洪洞的有：劉家峽、碧口、石頭河和紫坪鋪等工程。將導(dǎo)流洞改建為有壓隧洞的有：響洪甸、南水、馮家山、小浪底等工程。對(duì)中、低水頭樞紐有時(shí)也可采用泄洪洞與發(fā)電洞和發(fā)電洞與灌溉隧洞合一布置的型式。

⑹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）。

例如：碾壓混凝土壩施工工藝簡(jiǎn)單，可采用大型機(jī)械，大倉(cāng)面澆筑混凝土，能縮短工期，提前投產(chǎn)，及早發(fā)揮效益，如坑口壩、龍門(mén)灘壩、天生橋二級(jí)工程的工期均提前一年。施工導(dǎo)流問(wèn)題和工期也是選擇布置方案的主要因素之一，有時(shí)為了縮短工期，提前發(fā)電，將廠房布置在河灘一側(cè)以簡(jiǎn)化導(dǎo)流。目前在重力壩底部設(shè)置多孔、大孔徑的導(dǎo)流底孔，取代壩體留導(dǎo)流缺口已成發(fā)展趨勢(shì)，邊蓄水、邊施工以爭(zhēng)取提前發(fā)電、防洪、供水、灌溉等綜合利用效益，如1980~2000年間建設(shè)的巖灘、水口、五強(qiáng)溪、三峽等大型水電站，首批機(jī)組發(fā)電一般都在工程截流后4~6年。

⑺外觀與周?chē)h(huán)境相協(xié)調(diào)，注意美觀。

建成一座水庫(kù)，便造就一個(gè)新的環(huán)境。水庫(kù)景觀涉及水利工程、環(huán)境、水土保持、生物、生態(tài)和美學(xué)等諸多方面。保護(hù)庫(kù)區(qū)自然植被、生態(tài)體系和樹(shù)種，使人獲得回歸自然的感受。水利水電雄偉的建筑物和水庫(kù)形成寬闊的平靜水面，是一種難得的景觀資源，可以開(kāi)展生產(chǎn)、生活、業(yè)余及教育等活動(dòng)?？傊?jīng)過(guò)必要的設(shè)計(jì)，營(yíng)造宜人的生存環(huán)境，使水利樞紐和庫(kù)區(qū)環(huán)境成為旅游勝地。2.水利樞紐設(shè)計(jì)方案的選定

水利樞紐設(shè)計(jì)需要通過(guò)論證比較，選出最優(yōu)方案（技術(shù)上先進(jìn)和可能，投資少，工期短，運(yùn)行可靠，管理方便）。分析比較的內(nèi)容有：

（1）主要工程量

土石方工程、混凝土和鋼筋混凝土工程、金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)電安裝、帷幕灌漿、砌石工程等。

（2）主要建筑材料用量鋼筋、鋼材、水泥、砂石、木材、炸藥等。

（3）施工條件

施工導(dǎo)流、施工場(chǎng)地布置、施工工期、發(fā)電日期、施工難易程度、施工機(jī)械化水平等。

（4）運(yùn)行管理?xiàng)l件

發(fā)電、通航、泄洪等有無(wú)干擾，建筑物檢查維修是否方便，閘門(mén)及啟閉設(shè)備是否便于控制運(yùn)用，對(duì)外交通是否便利等。（5）環(huán)境生態(tài)條件

（6）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

總投資、總造價(jià)、年運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用、電站單位千瓦投資、電能成本、灌溉單位面積投資及通航能力等綜合利用效益，并應(yīng)采用包括利息在內(nèi)的“動(dòng)態(tài)分析”方法進(jìn)行分析。三、水利樞紐布置實(shí)例1．韶山灌區(qū)洋潭引水樞紐

韶山灌區(qū)洋潭引水樞紐位于湘江支流漣水的中游，上距水府廟水庫(kù)18km，是一座以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、航運(yùn)和供水等效益的綜合利用水利樞紐，見(jiàn)圖11-1。2．三峽水利樞紐

三峽水利樞紐是一座具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)等綜合效益的多目標(biāo)開(kāi)發(fā)工程，主要由攔河壩、水電站廠房、通航建筑物等三大部分組成。泄洪段位于河床主河槽部位，兩側(cè)為電站壩段和非溢流壩段，另在右岸留有后期擴(kuò)機(jī)的地下廠房位置，通航建筑物位于左岸。見(jiàn)圖11–2。3．二灘水電站

二灘水電站位于四川省雅礱江干流下游河段上，下距攀枝花市約46km。二灘水電站以發(fā)電為主，兼有其他綜合利用效益，電站裝機(jī)容量330萬(wàn)kW，是我