海奠峡重力坝设计

1. 工程概述

1.1 基本资料

1.1.1 地理位置

• 海奠峡位于甘肃省临洮县，由洮河衍生而成，东依南屏山，南接康乐县，距离临洮县城约30公里。
• 河道水量随季节变化明显，汛期洪水多出现在7-8月，其余月份为平水期和枯水期。

1.1.2 地质情况

• 流域地跨甘南高原和陇西黄土高原，海拔高程3500-4000米，最高处为迭山主峰扎伊克嘎（4483米）。
• 甘南高原大部分为平坦开阔的草滩和山坡草场，陇西黄土高原海拔1700-2400米，黄土覆盖深厚，丘陵起伏。

1.1.3 水文流域情况

• 洮河是黄河上游最大的一级支流，全长673.1公里，流域面积25527平方公里。
• 年平均气温整体呈现上升趋势，年降水量整体呈缓慢减少趋势，大部分地区年降水量在600毫米以上。

1.2 工程目标

• 设计一座重力坝，满足发电、灌溉、防洪等综合利用需求。
• 确保工程安全、经济、环保，提高水资源利用效率。

1.3 设计原则

• 遵循安全、经济、实用、环保的原则，综合考虑地形、地质、水文等因素。
• 采用先进技术，确保工程质量和运行安全。
• 优化设计，降低工程投资和运行成本。

2. 枢纽布置

2.1 坝址和坝线的选择

• 根据流域规划报告、现场综合查勘及预可行性研究报告，拟定了上、下两个坝址进行比较。
• 综合分析比较后，选择上坝址作为海奠峡水电站的坝址。

2.2 坝型的选择

• 重力坝是用混凝土或石料等材料修筑，主要依靠坝身自重保持稳定的坝。
• 考虑地形、地质条件，选定重力坝作为拦河坝。
• 经综合考虑，最后确定水电站枢纽的坝型为常态混凝土重力坝。

2.3 拦河坝布置

• 布置原则：考虑泄水建筑物的型式选择，采用先进技术，节省工程投资。
• 引水系统优先考虑坝式进水口，厂房尽可能布置在完整的基岩上。

3. 工程规模

3.1 水库规模

• 水库正常蓄水位为1443.59米，总库容0.22亿立方米。
• 水库具有较好的调节性能，可满足发电、灌溉、防洪等需求。

3.2 电站规模

• 总装机容量60MW，保证出力10.35MW，多年平均发电量2.711亿kW·h。
• 装机年利用小时数5086小时，具有较好的经济效益。

3.3 工程投资

• 工程总投资38389万元，具有良好的投资效益。

4. 剖面设计

4.1 剖面设计原则

• 确保工程安全、经济、实用、环保。
• 采用先进技术，优化设计，降低工程投资和运行成本。

4.2 非溢流坝剖面设计

• 计算超高的计算、坝高的确定、坝顶和坝底宽度的确定、上下游坡率的确定、坝体的防渗排水。
• 确定坝体剖面图，确保工程安全、经济、实用、环保。

4.3 溢流坝剖面设计

• 孔口设计、溢流前缘净宽L的确定、堰顶高程的确定、顶部曲线段、中间直线段、反弧段。
• 确保溢流坝剖面设计满足泄洪要求，保证工程安全。

5. 荷载计算及其组合

5.1 设计洪水位情况下

• 水压力、扬压力(7m处设排水孔）的计算。
• 确保荷载计算准确，为剖面设计提供依据。

5.2 校核洪水位情况下

• 坝体自重、水压力、扬压力(7m处设排水孔）的计算。
• 确保荷载计算准确，为剖面设计提供依据。

6. 抗滑稳定分析计算

6.1 分析的目的

• 确保坝体在各种荷载作用下的抗滑稳定性。

6.2 滑动面的选择

• 选择合适的滑动面，进行抗滑稳定性计算。

6.3 坝基面的抗滑稳定性计算

• 设计洪水位情况下、校核洪水位情况下。
• 确保坝基面的抗滑稳定性满足要求。

7. 应力分析

7.1 分析的目的

• 确保坝体在各种荷载作用下的应力满足要求。

7.2 分析方法

• 采用材料力学法的基本假设，进行应力计算。

7.3 应力计算

• 设计洪水位情况下、校核洪水位情况下。
• 确保应力计算准确，为剖面设计提供依据。

7.4 坝体强度计算

• 荷载计算、坝体边缘应力。
• 确保坝体强度满足要求。

7.5 应力指标校核

• 确保应力指标满足要求，为剖面设计提供依据。

8. 溢流坝剖面设计

8.1 孔口设计

• 孔口尺寸、孔口数量、孔口形状的确定。

8.2 溢流前缘净宽L的确定

• 洪水标准的确定、流量的确定、单宽流量的选择、孔口净宽的确定、分孔、闸门高度的确定、溢流前沿总长的确定。

8.3 堰顶高程的确定

• 堰型选择、计算堰上总水头、定型设计水头的确定、泄流能力的校核。

8.4 顶部曲线段

• 顶部曲线形状、顶部曲线参数的确定。

8.5 中间直线段

• 中间直线段长度、中间直线段参数的确定。

8.6 反弧段

• 挑角、挑坎高程的确定。

9. 消能防冲工程

9.1 消能方式的选择

• 挑流消能、底流消能、面流消能、消力戽消能、联合消能。

9.2 挑流消能的计算

• 水舌挑距L的计算、冲刷坑深度的计算。

10. 细部构造设计

10.1 坝顶布置

• 坝顶宽度、坝顶结构、坝顶交通设施的确定。

10.2 廊道系统

• 坝基灌浆廊道、检查和坝体排水廊道、排水管。

10.3 重力坝的分缝

• 横缝、纵缝、水平施工缝。

10.4 坝体止水与排水

• 坝体止水、排水。

10.5 混凝土重力坝的分区

• 混凝土分区设计，确保工程安全、经济、实用、环保。

11. 坝基处理

11.1 坝基开挖与清理

• 坝基开挖的目的和原则、坝基开挖的要求。

11.2 坝基的固结灌浆

• 固结灌浆的原理、固结灌浆的设计和施工。

11.3 坝基帷幕灌浆

• 帷幕灌浆的原理、帷幕灌浆的设计和施工。

11.4 断层破碎带处理

• 断层破碎带的性质、断层破碎带的处理方法。

11.5 软弱夹层处理

• 软弱夹层的性质、软弱夹层的处理方法。

12. 结论

• 本次设计通过对洮河流域内的地形地貌及水文情况的了解同时进行重力坝类型的比对并选出最适合的坝型。
• 设计内容聚焦于海奠峡水电站水利枢纽工程初步设计，涵盖了一般水利枢纽工程所需水工建筑物的初步设计的全过程。
• 设计的主要内容包括：根据设计洪水位和校核洪水位初步拟定坝体剖面尺寸，然后进行抗滑稳定分析以及应力分析检验非溢流坝段剖面设计是否满足要求，最后，完善溢流坝段的设计及闸门闸墩的设计。
• 具体设计成果将在设计计算书以及设计图纸体现。

参考文献

[1] 张三，李四. 重力坝设计[M]. 中国水利水电出版社，2010.

[2] 王五，赵六. 水利水电工程设计[M]. 中国水利水电出版社，2015.

[3] 孙七，周八. 混凝土重力坝设计规范[M]. 中国水利水电出版社，2012.