片上水库导流隧洞设计毕业设计(共96页).doc

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Reservoir area of cross-strait mainly diabase, diabase distribution of elevation just below the reservoir water level in the local section, 170m below the leakage problem. Construct of the area, widely developed in the two sets of tectonic fissures, a group toward the north-east about 70 degrees, a group of 300-340 degrees toward the northwest, are high-angle cracks.Diversion spillway tunnel along the tunnel line of the surrounding rock thickness greater than three times the excavation hole diameter and outlet sections to avoid the eastern boundary of the landslide body, along the rock lithology is limestone (local metamorphism into marble) folder sericite schist, rock hard. 1 The tunnel design should be the basic data for analysis. Roughly analyze the task of the tunnel and the department's geological conditions, topography, near the river's hydrological and meteorological characteristics, materials and external transport situation. 2. According to the principle of selection of the hole in the line of the tunnel, combined with the actual conditions of the project to determine the location of the hole line, according to local conditions, such as geology, topography, hydrology, construction, combined with the technical and economic comparison, find the prescribed in accordance with local conditions hole type and layout programs, and ultimately identified two options: (1) free-flow tunnel program, (2) the pressure tunnel program. This design is the design of free-flow tunnel program.The overall arrangement of tunnel, and the corresponding hydraulic calculation and structural calculation as expressly stated below. And for detail structure. To ensure design completedKeywords: reservoir hydraulic calculation calculation of the structure The detailed structure第一章 基本资料 1.1 流域概况 片上水库是河海流域大清河北支流拒马河上的一座大（二）型综合利用水利工程。水库总库容7.16亿立米，死库容0.44亿立米可进行防洪、兴利的调节库容6.72亿立米。 拒马河发源于河北省涞源县，流经涞源、易县、涞水山峡地区，至北京房山县张坊镇流入平原，并分南北两支。南拒马河经涞水至北河店与易水汇流至新城白沟镇，北拒马河汇合胡良河、琉璃河后在涿州县东茨村入白沟河，往南流至白沟镇汇合南拒马河后为大清河。拒马河位于太行山东麓，流域面积约10000km2。地形特点，西部为山区，流域面积约5000km2，东部为平原。山区多为石质山区，植被较少，坡度较陡。仅上游涞源以上分水岭处于黄土高原边缘地区。平原河槽较窄，坡度很缓。本流域且为华北暴雨中心所在，因此洪水大，危害较为严重。本工程可为东部平原房、涞、涿灌区的一百多万亩农田灌溉、北京生活及工业用水提供水源。1.1.1气象本流域处于山区，夏季炎热多雨。附近张坊站平均年降雨量740mm，年平均气温约为11.6，年内气温变化较大，最高温度达43.5，最低温度-26。降雨主要集中在七、八月份，多年平均降雨量470mm，占全年降雨量的65%，七、八月降雨又主要集中在几次暴雨上，特点是强度大，雨量集中。由于天气系统及地形抬升的相互影响，张坊上游的紫荆关一带极易形成暴雨，如1950年8月上旬、1955年8月中旬、1956年、1963年8月上旬均出现日降雨量大于100mm的暴雨。暴雨过程一般为2-3天。1.1.2洪水本流域洪水均为暴雨洪水，主要发生在七、八月份，一次洪水历时5天左右。较大洪水多是单峰型，陡涨陡落，双峰或多封不多，且为小水年。据实测20年资料统计，洪峰流量最大为9920m3/s（1963年），最小洪水为45m3/s（1965年）相差220倍。三天洪量最大为5.67亿立米（1963年），最小洪量0.08亿立米（1965年）相差77倍（实测洪水系表列从略）。本流域调查到的最大洪水为1801年，经计算得洪峰流量为20000m3/s。考虑到下游为宽阔平原，并有京广铁路经过，大坝为土坝等情况，取19000m3/s作为校核大坝的校核洪水，以校核水位190.1m，取11400m3/s作为设计洪水流量，相应水位186.8m，依次选定泄水建筑物尺寸。洪水实测资料中，以1963年最大，1956年次之，洪峰流量分别为9920m3/s和4200m3/s，以1963年、1956年的的平均概化过程线为典型，按洪峰流量比值放大计算得设计洪水、校核洪水过程线（见图1.1）。图1.1 片上水库设计、校核洪水过程线1.1.3 年径流按规划，本水库上游拟建紫荆关水电站，系跨流域水电站。年径流按紫荆关-张坊站区间的径流量计算，紫-张区间年径流量最大为14.55亿立米（1956-1957年），最小为1.27亿立米（1965-1966年），相差11倍，1951-1970年19年系列平均值为5.74亿立米。1.1.4 泥沙 本流域泥沙主要集中在汛期，汛期沙量占全年的99%。据实测资料计算，紫-张区间多年平均输沙量为46万吨，推移质占总沙量的20%。经计算，紫荆关水电站建成后，本水库多年平均来沙量为55万吨。1.2特征水位及库容1.2.1设计洪水考虑到本水库应有一定的防洪库容以拦蓄洪水，若降低洪水位对防洪、兴利效益大为不利，而若提高洪水位，可能降低京-原铁路标准或进行局部改建，协调二者，本水库设计洪水位定位186.8m（P=1%）。1.2.2校核洪水京-原铁路在拒马河左侧穿越，有十余座桥涵通过库区，桥梁高程最低者为190.44m，墩顶高程为190.26m。考虑在校核洪水时不影响铁路正常通车，校核洪水定位190.1m（P=0.1%），相应库容为7.16亿立米，坝顶高程192.0m（仅供设计参考）。1.2.3死水位本水库为综合利用水利枢纽，死水位确定应考虑工业、给水、灌溉、发电等用水要求。工业给水保证程度要求较高，工业给水隧洞进口高程已定为125.0m，本水库电站拟采用的抽水蓄能机组，水轮机最小工作水头为28m，灌溉用水，为了尽量利用水库水量，希望取水口高程低些。考虑以上各用水部门要求，死水位定为130.0m。1.2.4汛限水位遇1955年洪水限泄1300m3/s时，洪水不漫滩；遇1963年洪水限泄3000m3/s，不超过现有河道行洪能力；遇到校核洪水时，限泄最大流量7000m3/s；当水位达到190m时，相应最大泄量为18000m3/s。根据上述分级标准和相应洪水过程线，调洪计算按分级控制确定防洪库容，求得设计洪水位以下防洪库容2.98亿立米，设计洪水位至190m为强迫库容0.56亿立米。因此，防洪总库容为3.54亿立米，相应汛限水位为168m。在上述标准下，本水库能使中小洪水尽可能拦蓄，削减洪峰47-70%削减洪量20.8-32.5%。1.3兴利调节防洪、兴利总库容6.72亿立米，其中防洪库容3.54亿立米，汛期可以进行兴利调节的库容3.18亿立米，考虑淤积后，汛期兴利库容为3亿立米。根据规划，本水库工业需水4.0m3/s。农业灌溉毛定额按400m3/亩计算。水库蒸发损失350万立米/年。径流调节依据紫-张区间多年实测径流量（水库多年平均来水量为6.01亿立米），加上紫荆关水电站汛期弃水量（多年平均弃水量为0.27亿立米），进行调节计算。时历法求得调节流量保证曲线及平、枯水年调节流量如图1.2及表1.1所示。图1.2 片上水库流量保证率曲线表1.1 调节流量表标准毛调节流量秒立米折合毛水量亿立米净调节水量亿立米工业用水量亿立米灌溉用水量亿立米平水年14.74.634.531.263.27枯水年10.53.313.211.261.95按表1.1调节后，平水年可用于灌溉的水量为3.27亿立米，按毛灌溉定额400立米/亩计算，可灌溉82万亩，遇到枯水年，则可灌溉49万亩。1.4 汛后最高蓄水位 根据调节计算后分配给灌溉的用水量，结合各月用水比例（表1.2），进行用水的月分配。在9-11月内灌溉用水量不大，一般天然来水略大，故水库可一回蓄一部分。在4-6月份灌溉用水较多，届时天然来水较小，水库水位则逐渐下降，据统计，在19年中有10年消落到死水位，其他年份则高于死水位。对每年汛后水位也有高有低，见表1.3。表1.2 各月灌溉用水比例表月份678910111212345全年比例%20120808000122020100表1.3 最高蓄水位出现的次数表最高蓄水位/m185m以上184m以上180m以上179m以上172m以上19年中出现的次数12467从表1.3可知蓄水位：在180m以上，多年中出现的次数很少，占19年的21%（即不足5年一次），在179m以上，多年中出现的次数较多，占19年的32%（即近3年一次）后者亦即相应提高了水库蓄水的保证程度，也不会影响水库兴利的效益。因此选定汛后最高蓄水位179m是适宜的，相应汛后兴利库容为4.74亿立米，其中防洪、兴利共用库容1.58亿立米。1.5 水电站1.5.1灌溉给水电站片上水库库容较大，发电隧洞较短，具有修建水电站的有利条件。另一方面，由于水库的兴利任务，主要是农业灌溉和工业给水，所以发电服从灌溉和给水，在灌溉和工业引水出口各修建一座水电站，利用灌溉和工业供水发电。灌溉给水电站为季节性发电，引水流量33m3/s，采用2台机组，总装机容量1.6万千瓦。由于库水位变化较大，汛后最高蓄水位186.8m，死水位130m，电站尾水位为105.0109.6m，水头变化范围大，在最大最小水头时，采取提高转速或增大机组容量等措施来解决给水发电问题。1.5.2工业给水小电站工业给水结合发电，引水流量为4m3/s，装机2台机组，总装机容量2500千瓦，电站尾水高程为110.3m。由于水头变化范围较大，当库水位在149m以下时，机组受最小水头限制不能运行，工业用水用旁通管下泄，机组可在这时进行检修。当库水位在149m以上时，机组均能正常运行。小电站年发电量约1400万度，设备年利用小时数约5600小时。1.6水库淤积淹没及渗漏1.6.1水库淤积 片上水库为河道型水库，库水位变幅大，回水末端变化范围大长，来沙量少，而且主要集中在汛期，多年平均含沙量约1kg/m3，库区河道纵坡约为2.5%。由于库水位变幅大，使入库沙量不易集中落淤，参考大伙房丰满等河道型水库淤积形式，本水库定为带状均匀淤积，认为淤积前后的河底比降基本不变，坝前淤积高程按异重流淤沙量确定。水库淤积按50年考虑，上游紫荆关水库未修建前，入库沙量按片上水库全流域来沙量计算，紫荆关水库修建后，按紫荆关-片上区间来沙量加上紫荆关出库沙量计算，本次计算按建库后，前10年全流域来沙量1200万立米，后40年紫荆关建库后，片上水库来沙量为2500万立米，则50年淤沙量为3700万立米，并根据各高程的淤积量，修改库容曲线，见图1.3。图1.3 片上水库水位库容、面积曲线推移质由于缺乏实测资料，参考大伙房等水库，采用推移质输沙量占总沙量的20%，其淤积范围分配80%在尾部段，20%淤积在有效库容内。1.6.2水库淹没水库主要由基岩组成，第四纪堆积物不多，故没有坍岸及浸没问题，水库两岸冲沟发育，沟内均有居民点分布，耕地主要分布在阶地上和冲沟边。库区每人平均耕地0.75亩，农作物主要是玉米，其次是小麦、谷子、白薯等。沿库区左岸有京原铁路，张坊至浦洼公路和输电线等穿过。水库淹没面积在校核洪水位190m时为20km2，汛期最高蓄水位179m时为16.3km2。初步调查，需移民12000人，淹没耕地8900亩，淹没公路约30km，输电线约50km。1.6.3 库区渗漏问题在右岸，沿库边有辉绿岩墙从付坝垭口向上游一直延伸到六渡村对岸，自然形成了库区良好隔水墙，辉绿岩分布高程只在局部地段低于库水位（即沈家阉村西的南水沟一带）。170m以下不存在渗漏问题，170m以上与库水接触范围较短，约为400-500m，渗径约为3km，水头压力小，因此渗漏是很微小的。在左岸，存在库内湾子沟向库外邻谷的渗漏问题。从湾子沟地下水位看，沟的上游高于下游，补给河水，其次湾子沟与邻谷之间分水岭宽度约3-5km，山体内有北东压向性南水沟断层带及部分夹有片岩的直立岩层存在，可起阻水作用，加之本区溶岩不发育，因此向邻谷不会产生大面积渗漏，沿局部裂隙的渗漏量较微小。总观，库区渗漏性质属局部岩溶裂隙性渗漏，但量较小，不致严重影响水库蓄水和效益。1.7 工程地质条件1.7.1地质条件本区除第四系地层外，均为中震旦系，雾迷山组地层（Z2w），分层、厚度及岩性见表1.4。此外尚有燕山期辉绿岩墙侵入体。表1.4 地层厚度及岩性编号岩性厚度/m相应坝区分层编号备注Z52w板状、厚层状白云岩夹少量页岩、石英岩、底部为杂色石英砾岩400Z42w厚层白云岩180-200Z32w硅质条带灰岩夹硅质白云岩220-250Z22w硅质条带状、斑点状白云质灰岩（局部变质成大理岩）夹绢云母片岩（在与辉绿岩接触处滑石化）300-400Z2wZ2wZ2w本层为坝基地层Z12w厚层硅质白云岩约250编号岩性厚度/m相应坝区分层编号备注Z52w板状、厚层状白云岩夹少量页岩、石英岩、底部为杂色石英砾岩400Z42w厚层白云岩180-200Z32w硅质条带灰岩夹硅质白云岩220-250 Z22w 硅质条带状、斑点状白云质灰岩（局部变质成大理岩）夹绢云母片岩（在与辉绿岩接触处滑石化）300-400Z2wZ2wZ2w本层为坝基地层Z12w厚层硅质白云岩约250辉绿岩和片岩透水性甚微，是本区相对隔水层。本区构造，普遍发育有两组构造裂隙，一组为走向北东70度左右，一组为走向北西300-340度，均为高角度裂隙。本区地震烈度，根据中科院地质研究所鉴定为度。1.7.2工程等级及地震烈度本工程等别为大二型，主要建筑物：拦河坝、溢洪道、隧洞、厂房、引水洞为2级建筑物。设计洪水标准为百年一遇，校核洪水标准为千年一遇。本区基本地震烈度为7度，设计烈度提高1度，按8度考虑。正常情况，计算风速选用25m/s，校核情况计算风速选用18m/s。水库吹程采用2.5km。1.8坝址工程地质条件（1）河床覆盖层河床宽600余米为第四系冲积砂卵石层所覆盖，厚度一般为15-28m，以卵石层为主。地下水位高程一般105-106m。7个孔的抽水试验资料，渗透系数K最小为24.07m/昼夜，最大739.66m/昼夜，一般为200-500m/昼夜，应作防渗处理。另外，在砂卵石层中，有砂质黏土基细沙夹层，高程一般89-91m，厚度1.5-1.8m，这些夹层顺河方向延伸稍长，以窄条带状分布在河床西侧漫滩边缘。右岸发现有含碎石卵石的砂质黏土层，属岩石的风化残积层，范围不广，厚度一般1-2m，一般位置较深，因此对坝体稳定影响不大，但应摸清具体分布范围，以便确定处理措施。（2）岩溶、渗漏问题从岩性看，本区灰岩均系硅质和白云质灰岩（白云岩），结晶程度较好，相对不易被溶蚀。据钻孔资料分析，本区岩溶发育，一是在坝址区高程70-90m较多发育，二是在片岩层的上下层面处较多发育，但溶洞很少，也很小。深层岩溶问题是不存在的，主要表现为岩溶裂隙。据压水试验资料统计，单位吸水量算术平均值为3.2升/分，大值平均值为14.5升/分。说明坝基岩石透水性大，对坝基渗漏是不利因素。但在坝下基岩中第2层绢云母片岩，隔水性好，又是防渗的有利条件。据钻孔资料，第2层绢云母片岩在坝下普遍分布，只有厚度变化的差别（厚度3-7m）没有间断现象。因此顺河断层是不存在的。据野外及钻孔资料分析，第2层绢云母片岩，在坝基下是稳定的连续的，并具有良好的隔水性。河床右岸部分，第2层片岩厚度相对较薄，约3m作左右。在砂卵石层下，第2层片岩出露部分风化较严重，帷幕灌浆线应稍靠上游，且应伸入基岩内3-5m，在片岩新鲜处与其相接。两岸帷幕灌浆处理深度，据压水试验资料，左岸应20-60m（伸入基岩中），右岸岩石透水性较小，处理深度可取25m。（3）地下水动态据地下水位观测，坝址区地下水位坡降较小，在右岸为地下水补给河水。但左岸地下水有一“凹陷带”，从钻孔资料看，主要是因为该段为古河床主流线部位，砂砾石层中孤石较多，因而透水性大，致使该段地下水位稍低。考虑两岸地下水位较低，一般工程在106-110m左右，因此存在绕渗问题，建议适当向两岸适当延长帷幕线，以减少绕渗量。特别是右岸，为防止渗流改变工程地质条件，建议筑坝帷幕与溢洪道帷幕相接，使其连成一体。（4）左岸崩坡积物的工程地质条件左岸坝肩部分，分布有一崩坡积物，顺河方向长约1000余米，宽约120余米，表面以30°坡倾向河谷。在高程140米处厚度最大，约47米，以上逐渐变薄。坡积物下基岩地形呈阶梯状。坡积物主要为土、碎石及大块石，从表层坑井看，土的含量较多，约占50%形成图夹碎石和块石，碎石、块石不起骨架作用，只局部地段块石较多。经试验分析知，属中等失陷性，浸水下沉问题不严重，但厚度较大，总下沉量也是不小的。野外试验变形模量值（算术平均值）为681kg/cm2，压缩性不严重。渗透系数为10-3cm/s，下部透水严重。因此筑坝时可以不挖除，但必须做好防渗处理以免蓄水后因渗漏恶化其工程地质条件。1.9 其他建筑物的工程地质条件1.9.1垭口付坝垭口，在坝高192m高程处，谷宽230m，谷底宽60m，谷底高程141.0m。谷底有砂质黏土覆盖，厚度6-8m。在谷底右侧沿断层有辉绿岩墙侵入体，走向为北西330-340度，倾向南西，倾角80度，宽52m。辉绿岩风化严重，全风化带约10m，半风化带15m左右。辉绿岩中可见有缓倾角压扭性破碎带，并发育有一组缓倾角裂隙，走向北东20-50度，倾向东南，倾角16度。辉绿岩与灰岩接触处透水性大，并可见溶蚀现象，东侧较差，单位吸水量0.09-4.3升/分，西侧稍好，单位吸水量为0.05升/分。垭口在高程145-157米处分布有两层片岩，下边一层已滑石化，极软弱，遇水崩解。垭口为一断层，此处承载力低，抗滑性能较低，不利地质条件比较集中，修建高大的砼溢洪道是不利的，而在此修建土石付坝问题不大。但应进行防渗处理，尤其是灰岩与辉绿岩接触带，建议处理深度右侧采用30m，左侧15-20m。1.9.2溢洪道在付坝左侧山坡上开挖布置溢洪道。该地段岩层产状平缓，微倾向上游，倾角6-10度，地面以下约27m处（高程约129m）有第4层片岩分布，因埋藏较深，对稳定影响不大，该层片岩在溢洪道闸线下游220m处，于溢洪道斜坡段底板下出露，只需局部处理。总观，除开挖量大外，溢洪道工程地质条件良好，但在闸底板处北西向裂隙较为发育，为增强地基强度，地基岩石应进行固结灌浆处理。因此处山体较薄（160m高程处仅300余米），为防止渗漏，表层20m范围内应做防渗帷幕灌浆处理。1.9.3灌溉引水发电洞该洞位于主坝右岸山脊下部，洞线方向，前段为北西300度，后段为北西278度，在桩号0+187.5m处为洞线转折点。洞线横穿缓背斜轴部，岩层产状平缓，近水平，但岩石新鲜、坚硬、完整，透水性小，单位吸水量为0.004-0.008升/分，地下水位高程约110.6-105.6m，低于洞身。该段主要发育有两组高倾角裂隙，进口段洞顶以上约20m处，有第6层片岩，因距离较远，并不影响稳定。在斜井段以后至出口，洞顶部位遇第5层片岩，可挖除。在斜井段下部，高程约170m处，洞线穿过第5层片岩，应加强衬砌，以防漏水使片岩工程地质条件恶化。洞身与坝体最近处（桩号0+187.5m），岩体厚度约50m，是洞径的5倍。此处发育有北西裂隙，同时考虑水头较大（约0.7MPa），为防止漏水，此段加厚衬砌，并坝体设计时，考虑排水措施，以免影响坝体稳定。进出口洞脸均为岩石边坡，工程地质条件是良好的。1.9.4导流洞该洞位于右岸，工程地质条件与发电洞基本相同，在桩号0+360-560段，洞顶约15-10m处，分布有第6层片岩，及在桩号0+770-1+050段，第4层片岩与洞顶相交或在洞顶以上约10m处分布。特别是在桩号0+770-0+800段，有北东向高角度裂隙密集带，岩层产状近水平，对洞顶稳定不利，山岩压力可能大，设计时应采取相应措施。1.9.5工业给水洞位于左岸，洞线方向北西313度。洞身位于地下水位以上，岩层产状近水平，但新鲜完整，多与洞线近垂直，影响较小，但进口为崩坡积物，其内摩擦角为27度，应做好洞口左右两侧边坡的衬砌保护，以免在水下坍塌，影响给水管路的正常运行。1.10筑坝材料与其