1、 第十四章第十四章 水利枢纽布置水利枢纽布置布置 沈沈 长长 松松 讲授讲授河海大学水利水电工程学院中国南京2011.06 水利枢纽的设计阶段及任务水利枢纽的设计阶段及任务14.1.114.1.1设计阶段的划分设计阶段的划分 水利枢纽的建设要经过规划、勘测、设计和施工等阶段才能最后建成。水利枢纽设计必须严格按照基本建设程序办事。以往大中型枢纽设计常按三个阶段进行，14-1水利枢纽的设计阶段及任务水利枢纽的设计阶段及任务 对于工程规模大，技术上复杂而又缺乏设计经验的工程，经主管部门指定，可在初步设计阶段和施工详图设计阶段之间，增加技术设计阶段。可行性研究阶段可行性研究阶段初步设计阶段初步设计阶段
2、(技术设计阶段)施工详图设计阶段施工详图设计阶段 80年代以来，我国水利水电建设体制已发生了变化，水利水电建设阶段的划分也须适应这一形势发展的要求。为适应招标投标合同管理体制的需要，并与国家基本建设项目审批程序相协调，缩短设计周期，加快水利水电事业的发展，原电力工业部在电计1993567号文关于调整水电工程设计阶段通知中，对水电工程设计阶段的划分作如下调整。14.1.114.1.1设计阶段的划分设计阶段的划分14.1.114.1.1设计阶段的划分设计阶段的划分（l）增加预可行性研究报告阶段。（2）将原有可行性研究和初步设计两阶段合并，统称为可行性研究报告阶段，取消原初步设计阶段。（3）招标设计
3、阶段。14.1.214.1.2设计阶段的任务设计阶段的任务 1预可行性研究阶段预可行性研究阶段 预可行性研究是在江河流域综合利用规划之后，或河流（河段）水电规划以及电网电源规划基础上进行的设计阶段。主要任务主要任务：论证拟建工程在国民经济发展中的必要性、技术可行性、经济合理性。主要研究内容：主要研究内容：河流概况及水文气象等基本资料的分析；工程地质与建筑材料的评价；工程规模、综合利用及环境影响的论证；初步选择坝址、坝型与枢纽建筑物的布置方案；初拟主体工程的施工方法，进行施工总体布置、估算工程总投资，工程效益的分析和经济评价等。预可行性研究阶段的成果，作为为国家和有关部门作预可行性研究阶段的成果
4、，作为为国家和有关部门作出投资决策及筹措资金的基本依据。出投资决策及筹措资金的基本依据。2.可行性研究阶段的任务可行性研究阶段的任务 可行性研究阶段的设计任务在于进一步论证拟建工程在技术上的可行性和经济上的合理性，并要解决工程建设中重要的技术经济问题。主要设计内容包括设计内容包括：对水文、气象、工程地质以及天然建筑材料等基本资料作进一步分析与评价；论证本工程及主要建筑物的等级；进行水文水利计算，确定水库的各种特征水位及流量，选择电站的装机容量、机组机型和电气主结线以及主要机电设备；论证并选定坝址、坝轴线、坝型、枢纽总体布置及其它主要建筑物的型式和控制性尺寸；选择施工导流方案，进行施工方法、施工
5、进度和总体布置的设计，提出主要建筑材料、施工机械设备、劳动力、供水、供电的数量和供应计划；提出水库移民安置规划；提出工程总概算，进行技术经济分析，阐明工程效益。最后提交可行性研究报告文件，包括文字说明和设计图纸及有关附件。3.招标设计的任务 招标设计是在批准的可行性研究报告的基础上，将确定的工程设计方案进一步具体化，详细定出总体布置和各建筑物的轮廓尺寸、材料类型、工艺要求和技术要求等。设计深度设计深度要求:做到可以根据招标设计图较准确地计算出各种建筑材料的规格、品种和数量，混凝土浇筑、土石方填筑和各类开挖、回填的工程量，各类机械电气和永久设备的安装工程量等。根据招标设计图所确定的各类工程量和技
6、术要求，以及施工进度计划，监理工程师可以进行施工规划并编制出工程概算，作为编制标底的依据。编标单位则可以据此编制招标文件，包括合同的一般条款、特殊条款、技术规程和各项工程的工程量表，满足以固定单价合同形式进行招标的需要。施工投标单位，也可据此进行投标报价和编制施工方案及技术保证措施。4.施工详图设计阶段施工详图设计阶段 施工详图设计的主要任务是：进行建筑物的结构和细部构造设计；进一步研究和确定地基处理方案；确定施工总体布置和施工方法，编制施工进度计划和施工预算等；提出整个工程分项分部的施工、制造、安装详图；提出工艺技术要求等。施工详图是工程施工的依据施工详图是工程施工的依据 在上述各阶段的设计
7、中，必须有和它的设计精度相适应的勘测调查资料。这些资料包括：社会经济资料：社会经济资料：枢纽建成后库区的淹没范围及移民、房屋拆迁等；枢纽上下游的工业、农业、交通运输等方面的社会经济情况；供电对象的分布及用电要求；灌区分布及用水要求；通航、过木、过鱼等方面的要求；施工过程中的交通运输、劳动力、施工机械、动力等方面的供应情况。勘测资料：勘测资料：水库和坝区地形图、水库范围内的河道纵断面图、拟建的建筑物地段的横断面图等；河道的水位、流量、洪水、泥沙等水文资料；库区及坝区的气温、降雨、蒸发、风向、风速等气象资料；岩层分布、地质构造、岩石及土壤性质、地震、天然建筑材料等的工程地质资料；地基透水层与不透水
8、层的分布情况、地下水情况、地基渗透系数等水文地质资料；需要指出需要指出:工程地质条件工程地质条件直接影响到水利枢纽和水工建筑物的安全，对整个枢纽造价和施工期限有决定性的影响。但是地质构造中的一些复杂问题，常由于勘探工作不足，而没有彻底查清，造成隐患。有些工程在地基开挖以后才发现地质情况复杂，需要进行的地基处理工作十分困难和昂贵，以至把工期一再延长；有的甚至被迫停工或放弃原定坝址，造成严重的经济损失。有些工程由于未发现库区的严重漏水问题，致使建成后影响水库蓄水。也有些工程由于库区或坝址的地质问题而失事，产生严重的后果。科学试验科学试验往往是大中型水利枢纽设计的重要组成部分。14-214-2 蓄水
9、枢纽的布置蓄水枢纽的布置 坝址和坝型选择坝址和坝型选择 坝址和坝型选择与枢纽布置密切相关，不同坝轴线适于选用不同的坝型和枢纽布置，同一坝址也可能有不同的坝型和枢纽布置方案。例如：河谷狭窄，地质条件良好，可考虑采用拱坝，若在坝上布置泄洪孔或溢洪道，水电站厂房则可能布置为坝后式、厂房顶溢流式或地下式等；如二滩水电站。河床覆盖层较深，地质条件较差，且有适宜筑坝的土石料，则可以考虑选用土石坝，这时以何种泄洪方式及何种水电站厂房型式相配合，也要根据具体条件作出相应考虑。可见，坝址和坝型选择是一项非常复杂的工作，影响因素很多，必须根据综合利用要求，结合地形、地质条件，选择不同的坝址和相应的坝轴线，作出不同
10、坝型的各种枢纽布置方案，进行技术经济比较，然后才能择优选出坝轴线位置及相应的合理坝型和枢纽布置。在选择坝址和坝型时应考虑以下条件。二滩拱坝 H=240m在选择坝址和坝型时应考虑以下条件 1 地质条件地质条件 坝址地质条件是水利枢纽设计的重要依据之一，对坝型选择和枢纽布置往往起决定性的作用。随着坝型和坝高的不同，对地基地质条件要求也有所不同。例如，拱坝拱坝对地质要求最高，支墩坝和重力坝支墩坝和重力坝次之。而土石土石坝坝则要求最低；坝的高度越大当然对地基要求也越高。坝址最好的地质条件是强度高、透水性小、不易风化、没有构造缺陷的岩基。但理想的天然地基是很少的，一般来说，坝址在地质上总是存在这样或那样
11、的缺陷。选择坝址时，不仅要慎重考虑坝基地质条件，还要对库库区及坝址两岸的地质情况区及坝址两岸的地质情况予以足够的重视。既要使库区及坝址两岸尽量减少渗漏水量；又要使库区及坝址两岸的边坡有足够的稳定性，以防因蓄水而引起滑坡现象。2.地形条件地形条件 地形条件与坝型选择和枢纽布置有着密切的关系，不同坝型对地形的要求也不一样。拱坝拱坝要求宽高比小的狭窄河谷；土石坝土石坝则要求岸坡比较平缓的宽河谷，且附近两岸有适于布置溢洪道的位置。一般来说，坝址选在河谷狭窄地段，坝轴线较短，可以减少坝体工程量。对一个具体枢纽来说，还要考虑坝址是否便坝址是否便于布置泄洪、发电、通航等建筑物于布置泄洪、发电、通航等建筑物以
12、及是否便于施工导流施工导流，经济与否要由枢纽总造价来衡量。对于多泥沙及有漂木要求的河道，要考虑坝址位置是否对取水防沙取水防沙及漂木漂木有利；对有通航通航要求的枢纽，还要注意布置通航建筑物对河道水流形态的要求，坝址位置要便于上下游引航道与通航建筑物衔接；对于引水灌溉枢纽引水灌溉枢纽，坝址位置要尽量接近用水区，以缩短引水渠的长度，节省引水工程量。2.地形条件3.建筑材料建筑材料 在坝址上下游附近地区，是否贮藏着足够数量和良好质量的建筑材料，直接关系到坝址和坝型的选择。对于混凝土坝，要求坝址附近有足够供混凝土用的良好骨料；对于土石坝，除需要足够的砂石料外，还应有适于作防渗体的粘性土料或其他代用材料。
13、因此，对建筑材料的开采条件开采条件、料场位置料场位置、交通运输交通运输、数量和质量数量和质量，以及施工期淹没施工期淹没等情况均应调查清楚，并认真考虑。4.施工条件施工条件 不同坝址和坝型的施工条件不同坝址和坝型的施工条件:是否便于布置施工场地和内外交通运输，是否易于进行施工导流等。坝址附近，特别是坝轴线下游附近最好要有开阔的场地，以便于布置场内交通、附属企业、生活设施及管理机构。在对外交通方面，要尽量接近交通干线。施工导流直接影响着枢纽工程的施工程序、进度、工期及投资，在其他条件相似的情况下，应选择施工导流方便的坝址。三峡一期导流布置图三峡一期导流布置图三峡二期导流布置图三峡二期导流布置图三峡
14、三期导流布置图三峡三期导流布置图 三三 峡峡 截截 流流 葛葛 洲洲 坝坝 截截 流流小小 浪浪 底底 截截 流流5.综合效益综合效益 对不同坝址及相应的坝型选择，不仅要综合考虑防洪、发电、灌溉、航运等各部门的经济效益，还要考虑库区的淹没损失和枢纽上下游的生态影响等，要做到综合效益最大，有害影响最小。蓄水枢纽布置的要求蓄水枢纽布置的要求1 1 运用方面的要求运用方面的要求 枢纽布置应首先满足各建筑物正常工作的要求，同时在各建筑物之间应避免相互干扰，保证在任何工作条件下，都能完成枢纽所担当的任务。灌溉取水建筑物在枢纽中的位置视灌区或用水部门位置而定，应保证按照水量及水质的需要供给灌溉量，如从水库
15、取较冷的深层水对农作物生长不利时，则应采用分层取水口，以便取用水库表层水。溢洪道或泄洪隧洞的布置应保证安全泄洪，进口水流应平顺，出口水流最好与原河道主流方向一致，应尽量减少对其他建筑物正常运行的影响。水电站枢纽布置主要应保证电站运用可靠，水头损失较小，因此要求进口水流平顺，尾水能通畅地排出。1.运用方面的要求运用方面的要求 对通航建筑物的布置应能使船只顺利通航，有足够的过船能力，船闸的进出口要求水流平顺和水位平稳。如船闸引航道进口有明显的横向流速或泥沙淤积，都对行船不利，应设置导墙或导堤，使其与溢流坝或其他泄水建筑物分开，避免相互干扰。过鱼建筑物应根据鱼类的洄游习性进行布置，要求能诱导鱼类顺利
16、地通过鱼道、鱼闸等过鱼建筑物。过木建筑物的布置也应满足其运用要求，筏道最好布置在水电站的另一岸，以免漂浮木材对电站进水口和尾水口带来不利的影响。此外，枢纽对外和内部交通线路也要合理布置。2.施工方面的要求施工方面的要求 枢纽布置应与施工导流、施工方法和施工进度结合考虑，力求施工方便，技术落实，工期短、劳动力省。施工设计时要尽可能采用在洪水季节不中断施工的导流方案。要较好地安排各建筑物的施工程序和施工期限。使枢纽中的部分建筑物及早投入运行，尽快发挥其效益。要合理安排施工场地的运输路线，避免相互干扰。3.环境方面的要求环境方面的要求 水利枢纽的兴建将使周围环境发生明显的改变。特别是大型水库的形成为
17、发展水电、灌溉、供水、养殖、旅游等水利事业和防止灾害创造了有利条件，同时也带来一些不利的影响。水利枢纽布置要尽量避免或减轻对周围环境的不利影响，并充分发挥有利的影响。对于蓄水枢纽要认真分析泄水和输水方式对上游淤积、淹没、浸没，以及下游河床演变等影响。在汛期要充分利用泄水和输水建筑物进行排沙，以减少水库淤积，延长水库寿命。布置泄水和输水建筑物也要便于配合使用，以减小淹没和浸没损失、降低防洪投资。对于采用挑流或面流消能的溢流坝，在布置上也要采取适当措施，以减轻下游河床冲刷、淤积、回流等对尾水的影响。在可能的条件下，还要注意建筑物的美观，使枢纽的外观与周围环境相协调。3.环境方面的要求环境方面的要求
18、4.经济方面的要求经济方面的要求 枢纽布置应在技术上可行的条件下，力求经济上最优。在不影响运用且不互相矛盾的前提下，要尽量发挥各建筑物的综合利用功能。例如，利用导流洞改建为泄洪洞、尾水洞；导流底孔改建为深式泄水洞，兼起放空水库的作用；利用排沙洞泄洪等。在河床狭窄，并列布置溢流坝和水电站厂房有困难时，可以考虑采用坝内式厂房、厂房顶溢流或地下式厂房等布置型式。这些型式可以简化枢纽布置，减少工程量，降低造价，但结构较为复杂。要力求缩短枢纽建设工期，考虑提前发电的可能性和分期实施的合理性。在尽可能的条件下，尽量采用当地材料，节省水泥、钢材和木材用量，减少外来物资的运量，以及注意采用新技术，新材料等，也
19、可有效地降低工程造价。总之，枢纽布置应在满足建筑物的稳定、强度、运用及远景规划等要求的前提下，做到枢纽的总造价和年运转费用最低。4.经济方面的要求经济方面的要求三号船闸 二号船闸 三江冲沙闸 二江厂房 二江泄水闸 大江厂房 水工建筑物总复习考试方式:闭卷 2小时做完题目类型:是非题(15%)选择题(20%)简答题(25%)论述题(10%)填空题(20%)识别标注(10%)复习范围:所有讲授内容一、综合概念水资源水工建筑物水利枢纽水工建筑物的类别水工建筑物的特点水利枢纽及水工建筑物的分等分级解决水工问题的方法二、作用在水工建筑物上的荷载及其组合自重静水压力动水压力扬压力风浪压力泥沙压力冰压力温度
20、荷载(拱坝)地震荷载(惯性力、激荡力、动土压力)山岩压力弹性抗力不平衡剪力荷载组合三、水工建筑物的结构设计三、水工建筑物的结构设计1.各种建筑物的工作原理及其特点 地形特点、地质特点、水流特点、施工特点、结构特点、荷载特点等2.剖面拟定 重力坝的基本剖面、实用剖面 拱坝的拱冠梁剖面 不同拱圈型式及中心角大小对稳定应力的 影响 土石坝上下游边坡的一般规律3.3.稳定计算稳定计算重力坝的抗滑稳定分析沿坝基面 深层 岸坡坝段 增稳措施拱坝的坝肩稳定分析可能滑动面分析 增稳措施土石坝的局部稳定分析滑坡型式 计算方法 增稳措施水闸的抗滑稳定分析增稳措施三、水工建筑物的结构设计三、水工建筑物的结构设计4.
21、4.应力分析应力分析分析方法计算假定基本公式适用条件 重力坝材力法 拱 坝圆筒法、纯拱法、拱梁法、拱冠梁法 水 闸倒置梁法、弹性地基梁法 隧洞衬砌衬砌型式 厚壁筒理论、结构力学法三、水工建筑物的结构设计三、水工建筑物的结构设计四、水工建筑物的水力设计溢流坝剖面设计WES曲线、定型设计水头溢洪道引水渠 控制段 堰型,m的变化 泄槽-收缩段、扩散段、弯曲段 坡度 由陡变缓用反弧 由缓变陡用射流曲线 消能段 尾水渠隧洞的设计线路选择,拐弯 进口喇叭口、渐变段、平压管、通气孔、压坡段泄水建筑物消能防冲设计挑流消能 扭曲挑坎 斜切挑坎五、水工建筑物的防渗排水设计混凝土坝的防渗排水帷幕灌浆 坝基排水 坝身
22、排水土石坝的防渗:防渗体的型式 渗流分析(三要素)水力学方法 矩形土体的渗流分析土石坝的排水:排水设备的型式及特点水闸的防渗与排水地下轮廓线的布置(不同地基)排水孔设置渗透变形类型、产生条件 防止措施六、水工建筑物的地基处理 (与防渗结合考虑)主要解决承载力和防渗两个问题混凝土坝混凝土坝:岩基 软弱风化挖除,固结灌浆 断层、破碎带的处理混凝土塞土土 石石 坝坝:从防渗考虑截水墙、砼防渗墙、铺盖等 从承载能力考虑清基挖除、沙井加固 爆破振动、淤泥层反压水水 闸闸:软土地基予压加固、换土垫层、桩基(群 桩)振冲、强夯、沉井七、水工建筑物的构造七、水工建筑物的构造重力坝重力坝:横缝、止水、纵缝、廊道、坝顶 (非荷载因素对应力的影响)拱拱 坝坝:横缝(封拱)、周边缝、坝后桥、重力墩土石坝土石坝:坝顶、护坡、反滤层(目的、设置部位)排水棱体水水 闸闸:隧隧 洞洞:NoImageNoImage
