水工建筑物--第二章水利水电枢纽工程设计方法

水工建筑物2021年12月6日赖国伟 第二章水利水电枢纽工程设计方法由于大中型水利工程规模大，工期长，技术复杂，从大的方面讲，水利工程建设的程序有：工程建设的流域规划：设计阶段：建设实施阶段：竣工验收阶段：在该阶段编制竣工决算，如实体现建设项目的实际造价，并总结经验，积累资料，不断提高工程造价管理的水平。项目后评价阶段：项目后评价阶段是建设项目竣工投产后，经过1-2年的生产运营后，要进行一次系统的项目后评价。其主要内容包括影响评价，即项目投产后对各方面的影响进行评价;其次是经济效益评价，对项目投资、国民经济效益，财务效益、技术进步和规模效益、可行性研究深度等进行评价，对项目的建成投产后的整个经济进行评价，以便总结经验，以便在以后相似项目的建设中总结经验，找到更为合理的技术和经济的组织方案，不断提高项目的决策水平和投资效果的目的。 第一节河流开发规划一、河流开发规划的任务和要求河流开发规划:根据江河流域的自然、地理、资源、社会、经济和环境条件及其特征规律，按照国家或地区近、远期国民经济发展规划，研究和确定其治理与开发的主题方针、战略部署、工程方案以及实施程序等，从而有效地开发资源，除害兴利，促进和振兴流域地区社会经济事业的发展。水资源规划分为流域规划和区域规划。流域规划：流域综合规划和流域专业规划；区域规划：区域综合规划和区域专业规划。流域综合规划和区域综合规划：根据该地区国民经济和社会发展的总体要求，同时还必须与土地利用规划、环境保护规划相协调，兼顾各流域、各地区和各行业的需要和发展。专业规划：流域或区域的水文测验规划、防洪规划、水电开发规划、治涝规划、灌溉规划、航运规划、渔业规划、水土保持规划、水资源保护规划、环境保护规划等。区域规划应当服从流域规划，专业规划服从综合规划。 二、河流水电规划的基本原则高瞻远瞩超前规划，适时修订与时俱进。以控制性工程为骨干，构成梯级开发的合理布局。贯彻水资源的综合利用原则，要使水电开发与环境保护相互促进、协调发展。慎重对待和处理土地淹没与水库移民问题。目前已经编制完成主要河流（河段）梯级水电开发或流域综合规划报告。 三峡开发总公司 金沙江中游河段开发示意图 华睿集团金安桥水电站 二滩水电开发公司 二滩水电开发公司 三、水利水电枢纽工程规划技术的发展趋势从单纯追求一个目标最优的择优准则，逐步转向到多目标综合最优的择优准则；从单一整体、功能有限的模型结构形式，逐步发展为分散的、多层次的、且能协调作用的多功能模型系统；从策略导向的个人决策模式，逐步由“决策过程导向”的模式发展。 第二节环境影响评价一、水利水电工程的环境问题跨流域调水、修建大坝导致河流水沙情势和生态环境的变化。水库淹没、移民安置和工程施工，对人群健康、自然与生态环境产生不同程度的影响。在流域综合规划或专业规划中，均应充分考虑生态平衡与环境保护的问题，力求水电工程建设与区域经济、社会的可持续发展以及生态环境良性循环相协调、相互促进。 二、主要环境影响问题分析移民安置，毁林开荒将造成水土流失。——自然环境破坏水库蓄水引起库周地下水位抬高，易导致浸没、内涝或土地盐碱化等；引起库岸崩坍，诱发水库地震。——次生环境破坏水库蓄水后，因水流变缓，水体稀释扩散能力降低，水体中污染物浓度增加；水介疾病增加。——疾病的产生和流行水库蓄水后，水温结构发生变化，可能出现分层，对下游农作物产生冷害。——作物生长环境变化多泥沙河流，水库回水末端易出现泥沙淤积，导致河床抬高，影响航运。——航运条件变化水库蓄水后，水面增加，对库区的气候可能产生影响，引起风速、湿度、降水、气温等气象要素的变化。——气候变化库区的文物古迹可能被淹没而需要迁址。 三、防止和减轻不利影响的对策对于作为供水水源的工程，要制定水源保护条例和管理办法，密切监视水库水质状况，严格控制污水排放，确保水库不受污染。对有供水任务的工程，要保证泄放基流，满足下游生活及环境用水的要求。葛洲坝水利枢纽通过修建船闸解决了船只过坝问题；采取人工孵化放流的办法，取代鱼梯，较好地解决了中华鲟产卵的问题。制订移民安置区环境保护规划，对库区各地的污水处理、生活垃圾处理以及蓄水前库底清理等提出了明确的要求，以保护水库的水质。 第三节工程水文研究一、工程水文研究的意义水文科学是研究水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律和运用这些规律为人类服务的学科体系。工程水文是以地表水和地下水的分布、运动和变化规律以及水与环境的相互作用和影响为研究内容，通过测验、计算和模型试验等，预测河流水量、水质的变化，并能为开发利用水资源，控制洪水和保护水环境等提供基本依据的学科。工程水文是流域防洪规划、水资源利用规划以及水能开发规划中最重要的基础性工作，水文资料、水文信息及其分析计算成果也是水利水电工程建设和运行管理的重要依据。 二、采集水文信息的手段和方法目前，收集、获取基本水文资料信息的途径主要有：从水文总站获得水位、流量、流速、泥沙、雨量或蒸发等观测资料。进行野外调查，以获得特大暴雨、特大洪水、特枯流量及其水位等资料。考证历史文献及碑文石刻，以获得历史洪水等水文信息。采用考古手段和方法，获得古洪水信息。利用航测照片及卫星遥感资料。 三、水文分析计算的主要内容水库水量平衡计算。设计径流计算：用于确定正常蓄水水位和兴利库容。设计洪水计算：用于确定最高洪水水位和防洪库容。厂、坝区水位流量关系。水文预测预报。泥沙分析计算。在多沙河流上，泥沙淤积是影响水库使用年限和水电站效益的关键性问题。其他水文工作。包括水质分析、下游不稳定流分析以及溃坝洪水分析等，均需视具体情况而确定计算分析的要求。 第四节工程地质研究一、基本概念水利水电工程地质是工程地质中专门研究与水利水电工程建设有关地质问题的学科，研究工程区域的地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、物理地质现象、岩土物理力学参数，研究工程地质条件与建设工程及各建筑物的相互作用和影响。 二、主要工程地质问题区域构造稳定区域构造稳定主要是指活断层和可能发生的地震对工程的影响。基本内容有：区域构造背景分析：确定库坝区基本地震烈度及基岩地震水平峰值加速度等。工程区构造稳定性评价：研究断层分布及活动性。建筑物工程地质勘察：场地工程地质条件的详细勘察。水库工程地质水库蓄水后，库区周围的工程水文地质条件将发生较大的变化，同时将产生一系列的水文工程问题，如水库渗漏、浸没、坍岸、淤积和诱发地震等。 三、坝基岩体稳定性问题软弱夹层软弱夹层是指遇水易软化、力学强度低的薄层，它是影响水工建筑物整体稳定、变形稳定以及渗透稳定的关键条件，常常成为设计研究中的重点。坝基岩体工程地质分类目前国家标准（GB50287-1999）中，坝基岩体工程地质分类主要考虑了岩体强度、岩体结构、结构面性状等因素，坝基岩体划分为Ⅰ类～Ⅴ类。Ⅰ类岩体完整，Ⅴ类岩体破碎。坝基岩体稳定性分析坝基抗滑稳定性是指坝基岩体在建坝后的各种作用下，抵抗发生剪切滑动破坏的可能性。其破坏形式主要有三种类型，即表面滑动、浅层滑动和深层滑动。 四、地质勘测新技术航天航空遥感技术：利用卫星遥感图象进行一些区域地质和地貌的宏观研究。钻探技术：钻探是坝址工程地质研究的主要手段，通过钻进岩层取出岩芯式样。物理勘测技术：在钻孔中观测和定位各种地质现象，如钻孔彩色电视。弹性波CT技术：地球物理层析成像技术。GPS和GIS技术：卫星定位技术。 五、典型工程的地质研究乌江渡水电站——石灰岩地区兴建高坝的先例乌江渡水电站位于乌江中游，混凝土重力拱坝，坝高165m，坝址出为石灰岩地区，岩溶发育，但坝址上下游均有厚层页岩作为防渗依托。采用混凝土防渗墙、防渗帷幕及高压悬喷灌浆构成封闭的防渗系统。长江葛洲坝水利枢纽——软弱夹层研究的成功范例长江葛洲坝水利枢坝址中软弱夹层数量多、厚度薄，变位大。处理方法主要有：固结灌浆为主的加固处理措施、强透水带的深孔固结灌浆处理及全封闭的防渗排水措施。龙羊峡水电站——复杂地质条件的典型工程龙羊峡水电站为重力拱坝，存在坝肩岩体的抗滑稳定问题和库岸岸坡的滑坡问题。处理方法主要有：对两岸不稳定岩体进行预应力锚索和抗剪力洞塞处理，岸坡设置锚杆、锚桩，排水孔和表面衬砌。 向家坝水电站挡河大坝采用混凝土重力坝，坝顶高程383.00m，最大坝高161.00m，坝顶长度909.26m。 T32-3T32-5JC2-7JC2-8层理JC2-6 第五节建筑材料研究一、基本概念建筑材料是指水利水电工程各建筑物施工所需要的材料。建筑材料通常分为三大类：第一类为矿物质材料:包括天然土料、天然石料、烧土制品、无机胶凝材料、混凝土以及水泥砂浆等。第二类为有机质材料:包括木材、竹材、沥青、土工合成材料等。第三类为金属材料:包括钢筋、钢板及各种有色金属材料。在水利水电工程建设中，应用较多的是天然建筑材料、水泥、混凝土、钢材、木材、沥青以及土工合成材料等。 二、天然建筑材料需要按照勘察试验规程规定进行必要的地质测绘、勘探、试验及研究等工作，包括开展天然建筑材料料场方案的综合比较等，探明其储量、质量、开采方法和运输条件等。三、水工混凝土混凝土是以水泥、砂、骨料和水为主要原料，按适当比例配合而成，经搅拌、浇筑、振捣、硬化而形成的建筑材料。水工混凝土在拌和、运输、浇筑、养护过程中，除有与一般普通混凝土相同的质量控制要求外，有时还有一些专门要求，如：①控制混凝土浇筑温度。②对混凝土浇筑的分缝尺寸、分块高度、相邻坝块的高差及浇筑间歇时间等，均应根据具体施工条件加以限制。碾压混凝土是一种以碾压方式密实的干硬性混凝土(rollercompactedconcrete，RCC)。碾压混凝土中高比例的粉煤灰掺量,一方面使混凝土具有良好的可碾性，满足了连续、快速、高强的施工要求；另一方面使其温度特性、变形特性、强度特性与常规混凝土(conventionalmassconcrete，CMC)有较大的不同。水工混凝土：配合比设计控制混凝土浇筑温度分缝分块浇筑间歇时间 第六节经济评价分析一、经济评价的要求经济评价是对建设项目的投入与产出进行分析，评价其社会效益和经济效益以及适应市场需要和抵御各种风险的能力，为建设项目的方案比选和决策提供科学依据。二、经济评价内容水电建设项目经济评价的主要内容分为国民经济评价和财务评价两大部分。三、国民经济评价方法国民经济评价是在合理配置国家资源的前提下，从国家全局角度，分析计算水电建设项目对国民经济的净贡献，据以判断建设项目的经济合理性。国民经济评价的一般方法指国民经济盈利能力分析，以经济内部收益率为主要评价指标。 四、财务评价方法财务评价是根据国家现行财税制度、价格体系和建设机制，分析计算建设项目直接发生的费用和产出效益，据以判别项目的财务可行性。财务评价方法以动态分析为主、静态分析为辅，财务评价的主要参数为行业的财务基准收益率、基准投资回收期等。五、经济评价的发展趋势经济评价的依据：原国家计委和建设部于1993年4月发布了《建设项目经济评价方法与参数（第二版）》、《建设项目经济评价方法》、《建设项目经济评价参数》、《中外合资经营项目经济评价方法》等有关规定。中国水利水电项目财务评价的发展趋势是：保持与经济体制改革同步。 第七节设计阶段划分目前，中国存在水利工程勘察设计阶段划分和水电站工程勘察设计阶段划分两种提法。一、水利工程设计阶段划分水利工程勘察设计的全过程可分为五个阶段：项目建议书：可行性研究报告：初步设计：招标设计：施工图设计：二、水电站工程设计阶段划分对大中型水电站前期设计阶段划分调整为四个设计阶段。预可行性报告研究：预可行性研究经主管部门审批后，即可编报项目建议书。可行性研究报告：是将原可行性研究与初步设计两阶段合并。招标设计：施工图设计： 第七节设计阶段划分目前，中国存在水利工程勘察设计阶段划分和水电站工程勘察设计阶段划分两种提法。一、水利工程设计阶段划分水利工程勘察设计的全过程可分为五个阶段：1、项目建议书：（1）概述项目建设的依据，提出开发目标和任务。（2）调查项目所在地区的自然经济条件，收集水文、地质等勘测资料，论证工程项目建设的必要性。（3）初选建设项目的建设规模、建设方案、建设地点、建设时间和主要建筑物布置，初步估算项目的总投资额。2、可行性研究报告（1）明确拟建项目的任务和主要效益。（2）确定主要水文参数，查清主要地质问题，选定工程场址；确定工程等级，初选工程布置方案。提出主要工程量、施工工期。（3）初步确定淹没、用地范围和补偿措施。对环境影响进行评价。（4）估算工程投资，进行经济、财务分析评价等。 在此基础上提出项目是否可行的结论性意见。 3、初步设计：可行性研究论证了水利工程的可行性，而初步设计要具体地落实水利工程的工程方案和技术措施。（1）取得气象、水文、地形、地质建筑材料、经济、综合利用要求等更多、更详实的基本资料，进行更为详细的调查、勘测和实验研究工作。（2）确定或选定拟建项目的综合开发目标、工程及主要建筑物等级、总体布置、主要建筑物型式和轮廊尺寸、主要机电设备形式和布置等。（3）确定总工程量、施工方法、施工总进度和总概算，论证在指定地点和规定期限内进行建设的可行性和合理性。4、招标设计：是制定编制施工招标文件和施工规划的基础，根据上述规定，其工作内容暂按原技术设计要求进行设计工作，即在初步设计的基础上，进一步完善设计，确定或优化设计方案，并据此对概算进行修正，满足施工招标工作的需要。（注→技术设计阶段：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，可在初步设计和施工详图设计之间，增加技术设计阶段。）5、施工图设计：施工详图设计是根据初步设计或技术设计成果，设计和绘制施工详图，供施工使用。（1）完成建筑物地基开挖图、地基处理图、建筑物体形图、钢筋图，金属结构的结构图和大样图，机电设备、埋件、管道、线路的布置安装图等工程图纸的绘制。（2）施工图中应说明选用材料的型号规格、施工方法或加工工艺、质量要求和其他注意事项。施工图是现场建筑物施工、设备制作、选用、埋设和安装的依据。 二、水电站工程设计阶段划分对大中型水电站前期设计阶段划分调整为四个设计阶段。1、预可行性报告研究：（增加预可行性研究报告阶段。）（1）根据河流规划的审批意见，对拟开发的工程着重研究工程建设的必要性、在电力系统中的任务、作用、主要特征水位和工程规模、综合利用要求。（2）提出初步的水文计算资料，枢纽区和库区工程地质条件初步评价。（3）提出水库淹没实物指标、从环境角度初步分析工程建设的可行性。（4）初拟坝址、坝型和枢纽布置方案、估算土建工程量。（5）初拟单机容量、送出工程、电气主接线及主要设备（含金属结构）。（6）初拟主体工程施工方法、导流方案、及施工总进度。（7）估算工程投资，提出资金筹措设想；进行初步的国民经济评价及财务评价，测算上网电价等。其勘测设计工作深度低于原可行性研究报告要求。预可行性研究经主管部门审批后，即可编报项目建议书。2、可行性研究报告：将原可行性研究与初步设计两阶段合并，其设计深度仍应达到原初步设计深度。对于装机规模较大、涉及面较广的重大工程或地质条件复杂的工程，可在可行性研究报告中间提出选坝报告，经审查认定后，再全面开展可行性研究报告工作。    可行性研究报告待主管部门审批后，可向国家编报可行性研究报告（即原设计任务书）。 3、招标设计：需在批准的可行性研究报告基础上进一步优化设计。按原技术设计要求进行勘测设计工作，在此基础上编制招标文件。确定各枢纽建筑物的土建和机电等细部设计、主要材料及设备选型，达到编制招标设计文件及土建工程标书和机电设备采购标书（发包设计）的要求。    设计深度除满足原技术设计的深度要求外，还应提供标书所需的工程量报价表、相关的、详细的技术规范要求和机电设备采购技术要求等。4、施工图设计：配合工程施工进度提出土建、机电安装等施工图纸。 第八节设计研究报告的编制按相应设计阶段的规范要求编写。