水 工 建 筑 物 课 程 设 计 任 务 书（Ⅱ）
学院名称： 能源与环境学院 专业： 水利水电工程 年级： 2008级
1 设计题目
黑河水利枢纽土石坝设计
2 主要内容
本工程采用混合式开发，开发任务为发电，兼顾下游环境与生态用水。该枢纽挡水建筑物为土石坝，坝体防渗体材料采用粘土；泄洪建筑物为布置在右岸的水工隧洞；引水发电隧洞亦布置在右岸。
枢纽主要工程参数：
（一）发电及水库特征
（1）、本电站装机容量_________万千瓦。
（2）、水库校核洪水位：_________m；
水库设计洪水位：_________m；
水库正常蓄水位：_________m，设计死水位：_________m；
正常蓄水位以下相应水库库容________m3。
（3）、厂房型式为引水式发电厂房。
（4）、坝底高程为 ______ ___m。
（5）、多年平均最大风速__ ___m/s，库面吹程__ ___km，风向与坝轴线垂直。
（6）、土石坝坝型为粘土__ ___堆石坝。
（二）地震设计烈度为 度。
（三）河床处坝基相对不透水层埋深_____ ___m。
（四）其他
___ __。
黑河水利枢纽设计资料说明：
黑河水利枢纽位于四川省阿坝藏族羌族自治州九寨沟县境内，是白水江河干流水电规划“一库七级”开发方案的龙头水库梯级电站。首部枢纽距九寨沟县县城约74km，厂区距九寨沟县县城约54km，若尔盖—九寨沟公路从工程区通过，对外交通方便。
（一）水文
白水江系白龙江的一级支流，发源于岷山山脉东麓，分为黑河和白河两源，两源于黑河桥汇合后始称白水江，自西北向东南流，流经九寨沟县白河乡、安乐乡、城关、双河乡，自柴门关出四川境，流入甘肃省文县，于碧口汇入嘉陵江一级支流白龙江。白水江九寨沟县境内河道长约50km。该河段南部与平武县境内的火溪河为界；西南部与松潘县岷江源头分水；西北毗邻黄河的黑河流域；北接白龙江。
白河发源于岷山弓杠岭斗鸡台，由西南向东北流经九寨沟县的上四寨、塔藏乡后折向东南，右岸纳入九寨沟，于黑河桥与西北流入的黑河相汇。白河全长57km，流域面积1334km2，流域形状呈扇形，南北长约50km，东西宽约40km，河网水系呈树枝状分布。白河河道平均比降20‰。
黑河上源称热摩柯，自南向北流，至大录汇入芝麻沟后折向东流，于玉瓦乡转向东南流，至黑河桥白河从右岸汇入。黑河全长139km，流域面积2613km2，流域形状略成矩形，平均比降13‰。
白水江流域地貌属高山峡谷类型，地势西北高、东南低，分水岭山地海拔都在4000m以上，其中以松（潘）南（坪）交界的朵尔纳最高，海拔高程为4764m。
黑河流域地处青藏高原东南缘的岷山山脉东部，地理位置界于东经103°30′至104°20′与北纬32°50′至33°40′之间，流域边缘雪峰环绕流域内山势盘错，地势高亢，坡陡谷深。河道坡降大，水流湍急，河谷多呈V型，切割较深。域内广大山地坡面皆有森林覆盖，喀斯特地貌发育，分布有大量湖泊（海子），黑河大录神仙池有10余个湖泊。黑河流域支沟众多，河系呈羽毛状分布，较大支沟有芝麻沟、八朗沟、绕纳沟、羌活沟等。
黑河电站是白水江（大录～青龙）水电规划“一库七级”中的龙头水库，混合式开发，坝、厂址均位于黑河上；电站坝址位于玉瓦乡根扎村上游，控制集水面积1311km2；厂址位于八朗沟沟口上游，控制集水面积1545km2。
（2） 气象
白水江流域位于川西北高原的东北部，毗邻青藏高原，其气候具有川西高原气候的特点。气候具有干、雨季分明，夏短冬长，日照充足，气温较低，年较差小而日较差大等高原大陆性气候特征。气候分布的总趋势是降水随海拔的增高而增大，气温随海拔的增高而降低，高山多雨湿冷、河谷少雨干暖，光照丰富，降水量少，流域西北部、西南部冷而潮润，东南部河谷、半山地带暖而干燥。
黑河坝、厂址无任何实测气象资料，距坝址直线距离约35km处的九寨沟景区内九寨沟管理局从2000年起设立有则查洼简易气象站（台高2400m）；距坝址直线距离约60km的九寨沟县城内设有九寨沟气象站（台高1406.8m）。由于两气象站距电站较远，其间有高山阻隔，且九寨沟气象站与电站坝址高程相差较大，因此在设计中供参考使用。
查洼气象站资料表明，多年平均气温7.4℃，多年平均降水量663.5mm，多年平均相对湿度为69%，多年平均风速1.0m/s，历年最大风速12.3m/s；九寨沟县气象站资料统计，多年平均气温12.6℃，极端最高气温35.8℃，极端最低气温-10.3℃；多年平均相对湿度为65%；多年平均年蒸发量 1393.0mm；多年平均年降水量567.3mm、降水日数140.1d，最大一日降水量51.3mm；多年平均风速2.1m/s，历年最大风速13m/s，相应风向N。多年平均积雪日数全年为4.4天，最大积雪深度为7cm；最大冻土深为10cm。
（二）工程地质
（1） 水库区工程地质条件
水库正常蓄水位为2372m时，回水至八屯河坝，库长约7km。正常蓄水位以下，香扎沟口的香扎寺庙、沟对面公路旁边的两座民居及一个林场宿舍、库区沿河两岸局部少量耕地，以及左岸若～九公路库区段将被淹没。库区内无重要矿产及文物分布。
该水库属高山峡谷型水库，两岸无低于正常蓄水位的负地形；库尾八屯Ⅰ级阶地阶面高程为2374～2375m，高出正常蓄水位约3～4m，阶地组成物为含漂砂卵砾石层，毛管水作用微弱，蓄水后地下水位壅高有限，不致产生浸没危害，故水库不存在浸没问题。
库区两岸山体雄厚，相对高差为1500～2000m，附近无低于正常蓄水位的深切邻谷分布；库盆岩性以砂岩为主夹板岩、千枚岩，及少量灰岩，灰岩厚度较小，岩溶极其微弱，仅见少量溶隙、溶槽；岩体完整性较好，无区域性大断裂分布，因此，水库不存在向邻谷渗漏的问题。
库区地层走向与河谷大角度相交，主要结构面以层面为主，其次是产状为N60°E/NW∠50～60°和N12°E/SE∠65～75°两组裂隙的切割与组合，局部库岸存在不利的小型块体，水库蓄水后，可能产生小规模的塌滑失稳，但对库岸边坡的整体稳定性不会构成影响。
右岸岸坡下部堆积少量崩坡积、坡残积块碎石土，结构密实，植被发育，并且大部分处于正常蓄水位以下；左岸覆盖层分布相对较广，厚度也相对较大，主要为岸坡坡脚崩坡积块碎石土，结构松散，局部架空；各冲沟沟口附近堆积的少量洪积含漂（块）碎砾石土，结构密实，天然状态下，可形成高达10～15m的陡坎，大部分处于正常蓄水位以下。故水库蓄水后覆盖层岸坡段的边岸再造问题不突出。但左岸库尾烧古沟下游约1km和水库中段干沟下游约500m，坡体均为冰川冻融堆积含块碎石土（左岸右岸glQ3），厚度大，在库水长期消落冲刷、浪蚀作用下，可能产生塌岸，下阶段需对该库段作进一步研究。
库区左岸冬沃沟、烧古沟、干沟均为浅切冲沟，沟床坡降平缓，沟口堆积的洪积含漂块碎砾石土，结构密实，在天然状态下可形成高达10～15m的陡坎；冲沟两岸多为基岩，仅坡脚及沟底有少量松散堆积物，且植被也比较发育，亦未发现新近泥石流的活动迹象，当属衰退期古老泥石流沟，预测工程寿命期不会有大规模泥石流发生。
香扎沟位于库区中部右岸，距坝址约5km，是库内规模最大的冲沟，长约4km，汇水面积8km2，沟床平均纵坡降较大。调查表明，冲沟沟口仅为小规模洪积扇，未见大规模泥石流活动迹象；沟坡两岸以基岩为主，仅坡脚及沟底有少量崩坡积块碎石土分布；其右岸中部一带有类黄土，呈阶梯状分布，平均坡度20～30°，现为民居及耕地，坡体未见变形迹象，岸坡整体稳定，不会构成泥石流的物源。因此，香扎沟属清水沟，不具备发生大规模泥石流的地形地质条件，除携带一定量的固体径流物入库外，不会影响水库正常运行。
黑河埃沟切割较浅，沟口狭窄，两岸以基岩为主，仅坡脚及沟底堆积少量崩坡积块碎石土，植被也非常发育，以灌木林为主，夹直径约20～30cm乔木。其右岸中上部黑河埃一带分布有少量灰黄～浅黄类黄土，呈阶梯状分布，地形坡度20～30°，分布面积较小，平均厚度仅2m左右，坡体未见变形迹象，整体稳定，不致构成泥石流的物源条件，调查中，也未发现任何泥石流的迹象。因此，该沟不具备发生大规模泥石流的可能性。
库内不存在区域性断裂，不具备水库诱发构造地震的地质条件。库区岩体总体透水性微弱，库水入渗条件差，水库蓄水对库盆岩体孔隙水压力改变的影响微弱，因此，因孔隙水压力改变而诱发地震的可能性不大；该水库最大壅水高105m，库容为5622万m3，蓄水后库盆上覆水荷载增加，有诱发水库地震的“荷载改变”条件，但据工程类比，预计诱发水库地震的可能性不大。
（2） 坝址工程地质条件
坝址区位于黑河埃沟下游1.7km的河弯段，河道呈蛇形弯曲，右岸山脊单薄，河谷总体上与地层走向呈大角度相交，属横向谷。枯水期河水位高程2249m，河水面宽度10～20m，两岸地形完整，山体浑厚，无较大的冲沟发育，但地形坡度变化较大，右岸及左岸上部多呈陡崖，坡度约50～70°，右岸下部坡度一般为30～40°，河谷呈不对称“V”型谷。
区内出露的基岩地层为二叠系下统黑河组下段第五层（P1h15）青灰长石石英砂岩为主，夹少量板岩和千枚岩，厚度250～300m。下部（P1h15-1）为厚层块状长石石英砂岩，厚约150m；上部（P1h15-2）为中～薄层长石石英砂岩夹板岩和千枚岩，厚度约200m左右。
河床覆盖层厚度33.55m，右岸大多基岩裸露，仅表部零星分布少量坡残碎石土层，厚度较小，一般2～5m，而左岸及下游段覆盖层分布范围较广，厚度较大。
坝址区在构造上位于陵江～大录背斜北东冀，为单斜构造，地层产状：N40～50°W/NE∠60～80°，产状较稳定。
区内构造简单，除局部发育次级褶曲外，小断层、层间及层内错动带、构造破碎带不甚发育，岩体较完整，结构面以层面裂隙为主，其次有两组优势节理：①N50～70°E/SE∠70～75°；②N40～60°E/NW∠70～80°。区内山体浑厚，地形较完整，无冲沟分布，未见滑坡、变形体、泥石流等不良物理地质现象，局部段有崩塌危岩体分布，但规模不大。
工程区水质类型为HCO3-Ca型水，PH=8.1～8.3，均对混凝土无腐蚀性。坝址区工程岩、土物理力学参数指标建议值见表1。
表1 坝区覆盖层物理力学参数建议值表
分 类 名 称 | 天然 密度 | 允许承 载 力 | 压 缩 模 量 | 渗透系数 | 抗剪指标 | 允许比降 | ||
凝聚力 | 摩擦角 | |||||||
ρd | F［R］ | ES | k | c | φ | |||
g/cm3 | kPa | MPa | cm/s | MPa | 度 | |||
③ | 崩坡积块碎石土层 | 2.05 | 250～300 | 15～20 | 5.16×10-3 | 0 | 25～27 | 0.1～0.12 |
② | 含漂砂卵砾石层 | 2.1 | 250～350 | 20～30 | 1.0×10-1 | 0 | 27～29 | 0.07～0.1 |
① | 含块碎砾石夹土层 | 2.15 | 400～500 | 30～40 | 4.27×10-3 | 0 | 23～25 | 0.15～0.2 |
（三）筑坝材料
距黑河电站挡水土石坝比较近的防渗土料料场共有9个可供选用，其力学性能参见表2和表3所示。
表2 黑河电站防渗土料室内力学性试验成果汇总表
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