溢洪道毕业设计-

内 容 摘 要笔架水库位于四川省眉山市东坡区城东南方17公里处。由于当地河流常常雨后造成山洪，常给农作物和村镇造成灾害，另外，当雨量分布不均时，又易造成干旱现象，因此有关部门对本地区作了多次勘测规划以开发这里的水利资源。经初步论证，该工程拟采用土石坝作为挡水建筑物，岸边溢洪道作为泄水建筑物。本文对土石坝的概念和设计要求进行分析和研究，并对笔架水利枢纽挡、泄水建筑物进行初步设计。关键词：笔架水库 土石坝 初步设计AbstractBiJia reservoir is located in DongPo district of MeiShan City，SiChuan province，17 kilometers to the southeast of the city. Because river there usually causes damage to thecrops and villages by the flash floods after rained, in addition, when the rainfall is not regular, it will be easy to cause drought, so the relevant departments have provided a large amount of surveys for this region to exploit waterpower resources. After generally demonstration,the project is proposed to use earth and rockfill dam as the water retaining structure, the shore spillway as the water release structure.This thesis is mainly to give a analysis and research to the concept and design requirements of earth and rockfill dam, and make a preliminary design for the water retaining structure and the water release structure.Key words: BiJia reservoir rockfill dam preliminary design目录1基本资料12水文22.1气象22.2径流22.3洪水42.4泥沙92.5水位-面积及水位-库容关系曲线103地质123.1地形地貌123.2地层岩性123.3地质构造及地震143.4库区工程地质条件143.5坝区工程地质条件及其评价143.6天然建筑材料154枢纽总体布置164.1枢纽任务164.2枢纽等别和建筑物级别164.3设计数据174.4坝型选择175土石坝设计195.1坝址选择195.2坝型选择195.3土石坝基本剖面的拟定215.4防渗体设计225.5渗流分析计算235.6抗滑稳定分析266溢洪道设计286.1设计规范和依据286.2溢洪道设计基本资料286.3溢洪道设计计算书297设计成果说明397.1文字成果397.2图纸成果40主要参考文献45致谢461基本资料眉山市东坡区位于四川盆地成都平原西南边缘，东经1024910430，北纬29303016，处于岷江中游和青衣江下游的扇形地带，成都-乐山黄金走廊中段。北靠成都，南瞰乐山，东临资阳，西望雅安，是成都平原通联川南、川西南、川西、云南的咽喉要地和南大门。拟新建笔架水库工程位于眉山市东坡区金花乡长山埂村（原笔架村），地理坐标为东经10354091035459，北纬295615295626，距四川省眉山市东坡区约东南方17公里，坝址处村村通公路，交通便利。笔架水库集雨面积0.1km2，补水渠长0.42公里，平均坡降43.3，设计总库容40万m3，最大坝高21.5米，死库容0.3万m3，死水位421.75m，正常蓄水位433.55m，正常库容37.6万m3，设计灌溉面积0.12万亩，设计洪水位433.9m，校核洪水位434m，该水库是一座以灌溉为主，兼顾补充人畜引水、防洪的小（2）型水库。枢纽由大坝、溢洪道、放水设施等几个部分组成。水库设计灌溉面积0.12万亩，其中：新增0.09万亩，改善灌面0.03万亩。新建配套渠道11km，其中：骨干工程4km，田间工程7km。工程级别级，主要建筑物级别为5级，设计洪水标准20年一遇，校核洪水标准200年一遇。由于集雨面积较小，水库的来水除了天然降雨之外，主要依靠都江堰东风渠金星支渠笔架斗渠引水。工程建设是解决农业干旱缺水和保护下游人民群众生命财产安全的需要。对进一步提高和改善水库灌区的农业生产和生活条件、增加农民收入，推动地方经济发展，推进灌区全面建设小康社会步伐将起到极其重要的作用。水库建成后，保护下游人口0.15万人，保护耕地0.16万亩，保护村道2条5Km。可解决金花乡川古村当地农民0.12万人的生产生活用水以及0.03万头大牲畜饮水。新增0.09万亩，改善灌面0.01万亩。2水文2.1气象 径流笔架水库工程区地处四川盆地边缘，属热量资源较为丰富的亚热带湿润气候区。总的特点是：气候温和、四季分明，冬无严寒、夏无酷暑，雨量充沛、水热同步，霜雪稀少、干旱连年。枯水期降水量小是一大特征之一，季节性缺水较为严重，是造成长山埂村灌溉、安全饮水水源短缺、保证率低的主要原因。 据1970 -2006年37年的气象观测资料统计：东坡区气温上，多年平均气温为17.30、极端最高气温37.0、最低-3.3，月平均气温7月最高26.20、1月最低6.58；在降水量上，具有年际变化较大，年内分配不均的特点，降雨量年际变化大，最大年是最小年的2.2倍，年最大值为1691.70mm（1966年），最小值768.90mm（1969年），一日最大降雨量284.3mm（1995年8月24日），一小时最大降雨量87.3mm（2005年6月30日），多年平均径流深为482.10mm，多年平均蒸发量为786mm。雨季集中在每年6-9月，累计降水量739.61mm，占全年降水量的72.22%；多年平均年蒸发量1016.30mm；多年平均相对湿度82%；全年无霜期315天，年均霜日数7天；日照较少，属弱光照区和辐射能低值区，多年平均日照时数1155小时，日照率26%，常年多云雾，光照主要集中在春夏两季；多年平均风速1.4m/s，主导风向西北。2.2径流2.2.1 径流特征 年内分配不均，暴雨多发生在6-9月，四个月降水量约占全年的72%，洪水由暴雨形成，暴雨洪水是典型的山溪洪水，洪水历时较短，一般历时为1-2天。年径流由降水形成，所以径流的年内变化规律基本与降雨的年内变化一致。2.2.2径流计算水库位于四川省眉山市东坡区金花乡长山埂村，由于工程河段上无水文站，无法通过流量资料直接推求坝址处年径流，根据东坡区1970-2006年37年实测平均降雨资料（见图2-1），可得东坡区的多年实测平均降雨量为1028.7mm，查四川省水文手册【1】得多年平均径流系数a=0.45，可计算多年实测径流深为462.9mm。查四川省水文手册得多年平均降雨量为1025mm，查得多年平均径流深为455mm，与实测数据比较接近可用于本次设计。多年平均流量Q0=0.000317HF，可得多年平均流量为0.015m3/s。图2-1 年均降雨量2.2.3 设计径流年内分配 根据四川省水文手册附图 “多年平均径流深等值线图”可得项目区多年平均径流深为H=455mm。根据附图“年径流变差系数CV等值线图”可得变差系数CV=0.34。按照四川省水文手册规定，全省一律采用CS=2CV，一般小型水利水电工程的水文计算，通常采用保证率20%、50%、80%，运用于本工程。查表可得设计频率的皮尔逊III型曲线模比系数KP值，通过计算可得设计年净流量W20%=16.18万方，W50%=12.23万方，W80%=9.05万方。(取F=0.28km2)W=0.1FR（万方）。 根据四川省水文手册的“年径流内分配分区图”，项目区属于5区川西平原区第2类，因此，降相应的年设计年净流量按模型分配百分数分配后得到设计断面的径流年内分配过程，见表2-1。表2-1 笔架水库径流年内分配（万m3）频率（%）1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月全年200.0400.0640.0290.3810.2430.3810.9421.9181.2080.3290.1620.0815.78500.0870.0480.0740.1310.1351.0051.5640.6120.2010.3450.1090.0574.37800.0320.0290.0060.0030.1490.1391.0950.4010.7430.2970.2460.0903.232.3洪水2.3.1 暴雨笔架水库的洪水有暴雨形成，洪水发生的时间与暴雨相应。年最大流量在69月，据调查洪水多发生于7月。暴雨洪水是典型的山溪洪水，洪水历时较短，陡涨陡落，洪水过程为单峰，一般历时不到1天。2.3.2 洪水标准 笔架水库库容为40万方是小（2）型水库，根据水利水电工程枢纽的等别、水工建筑物的级别及水库工程水工建筑物的防洪标准，确定大坝防洪标准按20年一遇（P=5%）洪水设计，200年一遇（P=0.5%）洪水校核，溢洪道消能防冲洪水采用10年一遇（10%）。2.3.3 设计暴雨由于笔架水库所在地区属于无资料地区，本次设计采用四川省中小流域暴雨洪水计算手册【2】（2011年）（以下简称手册）等值线法推求设计暴雨，用推理公式法推求设计洪水。水库流域特征值 特征值流域面积F、长度L、坡降J在1:10000航测图上量取计算得到，详见表2-2。表2-2 笔架水库坝址以上特征值计算成果F(km2)L(km)J()0.10.4243.3设计点暴雨查手册该地区年最大1/6小时，1小时，6小时，24小时暴雨均值及其统计参数Cv（变差系数），对应皮尔逊III型曲线模比系数Kp值表（手册附表六上查出相应的Cv值和Cs=3.5Cv的Kp值），具体数据详见表2-3。表2-3 笔架水库不同历时暴雨设计值时段（mm）CvCs/CvKp（0.5%）Kp(5.0%)Kp (10.0%)1/6h190.323.52.061.571.401h52.50.353.52.291.671.476h870.473.52.791.881.6024h1280.63.53.342.091.72通过手册公式得出设计频率年最大1/6小时，1小时，6小时，24小时暴雨量H，成果见表2-4。表2-4 笔架水库不同历时设计暴雨计算成果表P()H1/6(mm)H1(mm)H6(mm)H24(mm)0.535.02114.5228.78384.1526.6983.5154.16240.351023.873.5131.2197.82.3.4设计洪水根据设计暴雨计算成果，使用手册推理公式推求设计洪水。基本公式为：式中：Q最大流量，m3/s；洪峰径流系数；s暴雨雨力，mm/h；流域汇流时间，h；n暴雨公式指数；F流域面积，km2。其中洪峰径流系数的计算公式【3】为：当时 =1- ；当时 = ；式中：产流历时 ； 内地表的平均入渗能力；暴雨递减指数；1h的设计平均雨量，亦称雨力，单位mm/h； 根据地区区域情况使用手册中公式计算产汇流参数如下：产流参数；（ Cr=0.18，Cs=0.35Cr）流域特征系数：汇流参数：根据暴雨计算成果由手册推理公式法计算出的设计洪水各参数见表2-5。表2-5 推理公式参数P()mnSp。0.52.1270.4670.399120.2250.49111.5230.9210.50352.1270.4670.41487.6750.5359.8130.9050.551102.1270.4670.41977.1750.5549.2930.8970.572根据设计暴雨计算成果，使用手册推理公式推求设计洪水。最大流量：根据所选取的产汇流计算参数，用上述公式计算出各频率设计洪峰流量。笔架水库各设计频率洪峰流量见表2-6。表2-6 笔架水库坝址以上设计洪水P(%)0.5510Q(m3/s)4.052.832.412.3.5校核根据手册规定，用所求的最大流量Q反求m值， 看m值与前面所求的汇流参数m是否十分相近，两者应十分接近，若不是则需要重新进行校核计算。校核参数：经计算m=0.504，与前面m值基本一致。2.3.6设计洪水过程线按手册中东部地区单峰洪水（1）过程线概化模型，利用求得的设计洪峰流量及洪水总量按峰量控制放大推求设计洪水过程线。见表2-7，图2-2。表2-7 笔架水库设计洪水计算校核洪水（P=0.5%）设计洪水（P=5%）t(h)Qt(m3/s)t(h)Qt(m3/s)0.0000.0390.0000.0390.6360.2420.5540.1800.8270.4440.7210.3221.0820.8490.9430.6041.2731.6591.1091.1691.5912.4681.3861.7341.9733.2781.7192.2982.3863.8852.0792.7222.8644.0882.4952.8633.1183.8852.7172.7223.4683.2783.0222.2983.9462.4683.4381.7344.5821.6593.9921.1695.6960.8494.9630.6046.6820.4445.8220.3227.5730.2426.5980.1809.8640.0398.5940.039图2-2 笔架水库设计洪水过程线2.3.7施工设计洪水根据施工要求，需提供笔架水库施工期分期洪水。洪水标准采用10年一遇或5年一遇。设计流域无实测流量资料。本次设计收集到东坡区岳沟河水利防洪工程设计资料，该资料已通过相关部门审查，该资料中提供了眉山伏龙站的分期设计洪水成果，见表2-8。结合暴雨洪水特性分析可知，河流洪水随降雨变化，有明显的季节性，每年5月进入汛期前过渡期，洪水量级显著增大，69月为主汛期，10月为汛后过渡期，11月至翌年2月为稳定的推水期。根据洪水年内变化规律，结合施工要求，将全年划分为123、4、5、69、10、11月共7个时段进行统计。主汛期（69月）采用年最大洪峰流量计算成果，其余各分期按枯水期及汛前、汛后过渡期采用水文比拟法，将伏龙站分期洪水成果按集水面积比的n次方移至核桃堰水库，枯水期n=1，汛前、汛后过渡期n=0.8。笔架水库分期洪水计算成果见表2-9，介于洪水的随机性，分期设计洪水成果应提前或错后10天使用，以策安全。表2-8 伏龙站分期洪水成果表分期月份各频率设计值（m3/s）备注P=10%P=20%枯水期12翌年3月11.08.0伏龙站控制集水面积271km2过渡期汛前4月66.038.05月80.045.0汛后10月54.032.011月26.018.0表2-9 笔架水库分期洪水计算成果表分期月份各频率设计值（m3/s）P=10%P=20%枯水期12翌年3月0.0040.003过渡期汛前4月0.0440.0255月0.0530.03汛后10月0.0360.02111月0.0170.0122.4泥沙工程附近无实测泥沙资料，故泥沙计算采用四川省水文手册规定的公式计算。根据四川省水文手册多年平均侵蚀模数等值线图，查得设计流域的多年平均侵蚀模数为480t/km2，坝址以上流域面积为0.1km2，由下列计算得设计流域的悬移质年输沙量为48t。基本公式为：式中：G 悬移质年输沙量（吨）； 悬移质年输沙模数（t/km2）； F 集水面积（km2）。推移质泥沙采用占悬移质泥沙的比例系数法推求，本工程所在区域属于山丘区，所以本工程推移质泥沙按悬移质输沙量的15%估算，坝址推移质输沙量7.2t。年输沙总量为悬移质输沙量与估算的推移质输沙量之和，总输沙量55.2t。水库泥沙年平均淤积总量为：式中：水库泥沙年平均淤积总量（m3）； 水库泥沙淤积容重（取1.3 t/m3）； 推移质占悬移质泥沙的百分率。计算得水库泥沙年平均淤积总量为42.46 m3。2.5水位-面积及水位-库容关系曲线笔架水库的水位-面积及水位-库容关系曲线由1:500的实测库区地形图量取得。见表2-10，图2-3、2-4。表2-10 笔架水库水位面积库容曲线表水位（m）421422423424425426427428429430431432433434面积(万m2)00.81.11.51.933.33.63.94.14.54.74.95.11库容(万m 3)00.41.352.654.356.89.9513.417.221.1525.4530.0534.8540图2-3 笔架水库水位面积曲线图图2-4 笔架水库水位库容曲线3地质3.1地形地貌东坡区在地形上属总岗山（西部）和龙泉山（东部）前缘所挟持的岷江河谷平原（中部）地形中极小的一部分，低山、丘陵、平原为基本地形。岷江由北而南纵贯全区，其平原为地势最低处；东西两侧丘陵、低山，为地势较高和最高部位；台地为其间过渡地形。因此，总体地势由河谷向两侧渐次增高，最高点位于西部低山万胜镇繁荣村与蒲江交界的大梧树，海拔948.5m，最低点位于南部永寿镇岷江阀子渡河心，海拔391.4m，相对高差557.1m。东部丘陵最高点位于南部柳圣乡莲花村桐子岭，海拔561m，与全区最低点比仅高169.6m，与最高点比则低387.5m。3.2地层岩性工区内主要出露地层为白垩系上统灌口组（K2g）、第四系上更新统（Q4）和第四系人工堆积层（Q4ml）。根据沉积旋回，可将水库区地层由老至新分别描述如下：1 白垩系上统灌口组（K2g）：棕红色粉砂质泥岩与泥质粉砂岩互层，厚度400700m。广泛分布在工程区。2 第四系残坡堆积层（Q4el+dl）：主要黄褐色粘土，层厚为0m5m，分布于山前台地。3 第四系坡崩积、坡积堆积层（Q4col+el）：主要为粘土夹块石，结构松散，层厚为0m3.0m，分布于坡脚、台地、缓坡。4 第四系冲、洪积堆积层（Q4al+pl）：主要为砂土、亚砂土、粘土、亚粘土夹砂卵砾石透镜体组成，厚3m70m，分布冲积扇平原。5 第四系人工堆积层（Q4ml）：主要为素填土和耕土，系筑坝时堆积而成，黄褐色、紫红色粘土，密实、稍湿、可塑。局部含少量角砾和碎石，回填时间已久，厚度为0.526.1m。各实验成果如下表所示：表3-1 标准贯入试验成果表岩土名称频数(次)范围值（击）平均值（击）标准差（）变异系数（）修正系数标准值（击）粘土13 5.776.38 0.497 0.078 0.934 5.96 表3-2 粘土土工试验成果表 指 标项 目频数n范围值平均值m标准差f变异系数修正系数i修正值k含水率（）8 21.529.224.350 3.046 0.125 1.085 26.408 土粒比重Gs8 2.712.732.720 0.009 0.003 0.998 2.714 孔隙比e4 0.6420.7130.671塑限P（%）4 18.520.519.050 液限L（%）4 29.732.530.725 塑性指数IP4 11.112.211.675 液性指数IL4 0.260.330.300 压缩系数vo.10.2(MPa-1)4 0.260.40.308 压缩模量ES（MPa）4 4.36.45.600 内聚力C（kPa）4 27.1439.0634.838 内摩擦角（）4 16.7220.8218.237 表3-3 中风化粉砂质泥岩物理力学指标试验结果统计表 项 目指 标范围值平均值标准差变异系数修正系数标准值天然含水率W0%)4.36.75.417 0.926 0.171 0.859 4.652 天然密度（g/cm3）2.432.582.477 0.057 0.023 0.981 2.430 抗压强度(MPa)天然抗压强度8.6316.412.050 3.418 0.284 0.766 9.228 干抗压强度20.6849.9738.160 11.127 0.292 0.759 28.974 饱和抗压强度3.317.865.587 1.924 0.344 0.716 3.998 软化系数0.10.20.152 0.042 0.278 0.771 0.117 根据试验资料和区域地质资料，中风化粉砂质泥岩内聚力C取0.6MPa，内摩擦角取40度。3.3地质构造及地震东坡区地质构造属新华夏系第三沉降带中四川沉降褶皱带中极小一部分，主要构造形迹为走向北北东北东的熊坡背斜、盐井沟背斜、三苏背斜、眉彭向斜，里仁向斜及其成生的断层和节理裂隙。根据资料，东坡区自中更新世以来，新构造运动升降幅度在减小，因此从总体上讲新构造运动对东坡区地质灾害的发育的影响和控制是一个渐变的、由量的积累到质的突变的一个缓慢的过程。它在塑造以西山为主的山、丘地形差异中就为东坡区地质灾害的发育提供了必要的地形条件。据中国地震动参数区划图【4】（ GB18306-2001）坝址区地震动参数加速度为0.10g，对应地震基本烈度为度。3.4库区工程地质条件3.4.1渗漏条件坝址位于成都平原边缘地带，属低山浅丘区，岸坡为坡状，地形坡度较缓。库区地质构造简单，工程区内主要出露地层为白垩系上统灌口组（K2g）棕红色粉砂质泥岩和泥质粉砂岩互层、第四系上更新统（Q4）黄色粘土。岩体中裂隙不发育，岩石透水性弱，库区范围内未发现断层构造形迹，不存在邻谷渗漏问题。因此，库区不存在水库渗漏问题。3.4.2水库浸没笔架水库正常蓄水位高程为433.7m，水库蓄满水后高程大概早433.7434.3之间可能存在浸没，经实地勘查，该范围内为山体，不存在淹没问题。库区地下水位埋藏深，水库蓄水后不会抬高地下水位到地表附近，通过多年运行调查发现，水库不存在浸没问题。3.4.3库岸稳定水库岩坡主要由缓倾角产出的软硬相间岩层组成，坡角陡，不存在岸坡再造问题。3.5坝区工程地质条件及其评价3.5.1 大坝工程地质条件及其评价（一）坝体土料的物理力学特性本水库为均质土坝，土料为黄色粘土，填土均匀密实，岩土渗透性分级属弱透水性土类（K 10-5m/s）。（二）渗漏1、坝体渗漏（1）根据我的计算结果，三种计算工况：正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位在下游无水时，计算浸润线均在合理位置。（2）三种工况下通过坝体的单宽渗流量很小，坝体不存在大的渗漏问题。2、坝基、坝肩渗漏坝基为白垩系上统灌口组（K2g）棕红色粉砂质泥岩和泥质粉砂岩互层，根据水库运行观测和现场勘察，坝基未出现渗漏现象；坝肩坡体宽厚，不存在绕坝渗漏现象。3.5.2 坝肩工程地质条件及其评价坝址处左、右坝肩均出露白垩系上统灌口组（K2g）棕红色粉砂质泥岩和泥质粉砂岩互层，稳定且不存在绕坝渗漏。3.5.3 溢洪道工程地质条件及其评价 溢洪道出露白垩系上统灌口组（K2g）棕红色粉砂质泥岩和泥质粉砂岩互层，工程地质条件较好。根据钻探显示和地质调查，中风化粉砂质泥岩埋深较浅约3.5m。（根据试验资料和区域地质资料，中风化粉砂质泥岩内聚力C取0.6MPa，内摩擦角取40度。）3.6天然建筑材料土石坝因其诸多优势逐渐发展成为世界上坝工建设中发展最快的坝型,并在实际的设计施工当中,逐渐形成了采用砾质粘土来代替纯粘土作为心墙料的土石心墙坝。由天然砾质粘土或粘土和砾石按照一定比例掺合而成的砾质粘土经碾压后一般均可获得较高的密度及强度、较低的压缩性,同时仍具有较好的防渗性能和施工性能,极大地弥补了纯粘土心墙土石坝的缺陷【5】。选定岷江河砂石料场，运距24Km,累计储量：砂10104 m3，卵砾石12104 m3。其砂粒度中等，含泥量、云母含量、有机质含量等均符合砼细骨料的技术规范要求，其砾样试验结果与砼用细骨料质量技术指标关系表如下：比重2.67g/cm3（2.55），干松溶重d=16.1KN/m3（15），孔隙率38.6%（40%），云母含量微量（1%），含泥量4.5%（5%），活性骨料含量无，硫酸盐及硫化物含量少许，有机质含量合格，粒度：粒变模数2.21（2.53.5为宜），平均粒径0.39（0.360.50为宜）。年产量超过8104 m3；卵砾石储量亦相当丰富，其成分以灰岩、砂岩、岩浆岩为主，软弱颗粒含量很小，圆状，分选性较，级配合适，粒径最大15cm左右，厚度38m，地质储量超过6104 m3。4枢纽总体布置4.1枢纽任务笔架水库位于眉山市东坡区金花乡川古村8组，集雨面积1.8平方公里，设计总库容40万方，最大坝高15米，死库容2万m3，设计灌溉面积0.12万亩，该水库是一座以灌溉为主，均有防洪、养殖等功能的小（二）型水库。枢纽由大坝、溢洪道、放水设施组成。水库设计灌溉面积0.1万亩，其中：新增0.09万亩，改善灌面0.01万亩。新建配套渠道11km，其中：骨干工程4km，田间工程7km。水库需占地50亩，拆迁人口2户7人。工程建设是解决农业干旱缺水和保护下游人民群众生命财产安全的需要。对进一步提高和改善水库灌区的农业生产和生活条件、增加农民收入，推动地方经济发展，推进灌区全面建设小康社会步伐将起到极其重要的作用。4.2枢纽等别和建筑物级别4.2.1水库建筑物组成笔架水库工程由水库枢纽（大坝、溢洪道和放水设施）和渠系二大工程组成。水库枢纽工程包括大坝、溢洪道及放水设施、库内提灌站等建筑物；渠系工程为新建配套渠道12km（骨干工程4km，田间工程8km）及建筑物140处。4.2.2工程规模根据水利水电枢纽工程等级划分及设计标准【6】以及该工程的一些指标确定工程规模如下：1）各效益指标等别：根据设计枢纽灌溉面积为0.12万亩，小于0.5万亩，属于小（二）型水库规模，属V等工程；根据总库容为40万m3，在0.010.001亿m3，属V等工程。2）水库枢纽等别：根据规范规定，对具有综合利用效益的水电工程，各效益指标分属不同等别时，整个工程的等别应按其最高的等别确定，故本水库枢纽为V等工程。3）水工建筑物的级别：根据水工建筑物级别的划分标准，V等工程的主要建筑物为5级水工建筑物，该水库是一座小（二）型水库,所以本枢纽中的大坝、溢洪道、放水设施、均为5级水工建筑物。4.3设计数据4.3.1工程等别：根据防洪标准【7】GB50201-94有关规定，水库总库容40万方，工程为小(2)型工程，工程等级为V等，主要建筑物为5级建筑物，次要建筑物为5级。4.3.2水库规划资料：1)正常蓄水位：433.55m；2)设计洪水位：433.90m；3)校核洪水位：434.00m；4)死水位：426.00 m；5)总库容：40万 m3；6)死库容：2万m3；7)兴利库容33万m3 ；8)设计灌溉面积0.12万亩；4.4坝型选择4.4.1 挡水建筑物型式的选择： 挡水建筑物型式的选择关系到整个地形的工程量、投资的工期，除筑坝材料是坝型选择的主要因素外，还要根据地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理方案、抗震要求等各种因素进行研究比较，最后选定技术上可靠、经济上合理的坝型。工程中主要的挡水建筑物型式有重力坝、拱坝、土石坝，现对各种坝型进行比较【8】：1）由于拱坝剖面较薄，坝体几何形状复杂。因此，对于施工质量、筑坝材料强度和防渗要求等都较重力坝严格。建拱坝理想的地形应是左右岸对称，呈“V”字型，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的峡谷段。坝肩两岸山体要有足够的岩体支撑，以保证坝体的稳定。总之，拱坝的设计、施工较复杂，费用较高。2）尽管重力坝有安全可靠，对地形、地质条件适应性强等优点，但也存在以下一些缺点：（1）坝体剖面尺寸大，材料用量多。（2）坝体应力较低，材料强度不能充分发挥。（3）坝体与地基接触面积大，相应坝底扬压力大，对稳定不利。（4）坝体体积大，由于施工期混凝土的水化热和硬化收缩，将产生不利的温度应力和收缩应力。因此，在浇筑混凝土时，需要有较严格的温度控制措施。3）土石坝包括均质坝、混凝土斜墙坝、面板堆石坝、混凝土心墙坝、粘土心墙坝、粘土斜墙坝等，土石坝具有的优势如下：（1）可以就地、就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，减少工地的外界运输量。（2）能适应各种不同的地形、地质和气候条件。（3）大容量、多功能、高效率施工机械的发展，提高了土石坝的施工质量，加快了进度，降低了造价，促进了高土石坝建设的发展。（4）由于岩土力学理论、试验手段和计算技术的发展，提高了大坝分析计算的水平，加快了设计进度，进一步保障了大坝设计的安全可靠性。（5）高边坡、地下工程结构、高速水流【9】消能防洪等土石坝配套工程设计和施工技术的综合发展，对加速土石坝的建设和推广也起到了重要的促进作用。综合以上各因素以及工程区的地形、地质、建筑材料、气候、施工和工程量、投资等条件，该地区适宜建土石坝。4.4.2泄水建筑物的选择物土石坝最适合采用岸边溢洪道进行泄洪，本工程采用正槽式溢洪道泄洪，泄水槽与堰上水流方向基本一致，水流平顺，泄洪能力大，结构简单，运行安全可靠，适用于各种水头和流量。5土石坝设计5.1坝址选择根据笔架水库的地形、来水条件和蓄水量等因素选择坝址。经过现场踏勘，目前有两个坝址可供选择，第一个是在黄莲冲西南方向最狭窄的部位，称为坝1；第二个坝址是在黄莲冲西南方向，在坝1下游约100m的位置，称为坝2。坝址1、坝址2达到正常蓄水位时坝宽分别为144m、160.7m，沟谷谷底均为坡、洪积堆积物，厚度相近，下伏基岩为粉砂质泥岩，沟谷两岸均分布厚度较大的砂岩，呈夹层状产出，两坝线风化卸荷相似，岩层产状偏缓，均倾下游偏右岸，顺层局部发育软弱夹层，其余地质条件类似。坝1是笔架水库最狭窄的地段，在这个位置修筑大坝可缩短大坝长度，节约材料，并且由于大坝长度缩短，减少了大坝的施工难度，客观上提高了大坝的安全性。与坝1相比，坝2的地势相对开阔，并且增大了水库的集雨面积。但这增加了大坝的长度，耗费更多的材料，增加了施工难度。综合两种方案的优劣势，选取坝1作为优选坝址。5.2坝型选择（1）粘土心墙坝大坝主体采用土石填筑结构，上游采用C20混凝土预制块护坡。粘土心墙坝顶高程434.50m，最低坝基开挖高程412.89m，最大坝高21.5m，坝顶设C20砼路面，坝顶宽5m，坝顶长144m。下游坝坡为1：3。下游设反滤过度料，反滤层顶高程为421.00m，棱体下游坡为1：1.6。粘土心墙上下游坡比为1：0.25。坝体自上游至下游采用C20混凝土预制块护坡，厚8cm，砂砾石垫层区厚20cm，粘土心墙两侧铺设50cm厚过度料粗砂，下游石碴区为砂岩石碴填筑，排水棱体采用干砌块石填筑。坝体下游采用C15砼格栅草皮护坡。大坝左岸设溢洪道，溢流堰为宽顶堰，堰宽3m，堰顶高程433.55m，溢洪道边墙高1m，全长98.70m。以砂砾料作为坝壳，以粘土料作为防渗体设在坝剖面中部做心墙。与斜墙相比工程量较小，适应不均匀变形、抗震性能都较好，土料在总方量中所占比重不大，施工受气候和季节影响也不大。放水涵管位于大坝坝身右侧，距大坝最右侧距离34m，为钢筋混凝土涵卧管型式。（2）均质坝坝体材料单一，施工简单，上游采用浆砌卵石作防渗。均质坝坝顶高程434.50m，最大坝高21.5m，坝顶设C20砼路面，坝顶宽5m，大坝坝长144m。下游设马道。马道高程为427.00m，马道宽2m，马道顶铺设C20砼路面。上下游坝坡均为1：3，坝基开挖最低高程为421.00m。大坝上游死水421.75m，以下采用利用料进行压重。整个坝体起防渗左右并保持自身的稳定，土料场在坝址附件选取。壤土的渗透系数为3.0110-6cm/s，远小于渗透系数，满足大坝的防渗条件。但坝坡较缓，剖面大，大坝土料受气候影响大，坝体空隙水压力大。大坝左岸设开敞式溢洪道，堰宽3m，堰顶高程433.55m，溢洪道边墙高1m，全长98.7m。放水设施位于库区内上游左岸，为钢筋混凝土涵卧管型式。（3）面板堆石坝大坝主体采用石碴坝填筑结构，上游采用钢筋混凝土面板防渗。混凝土面板坝顶高程434.50m，最大坝高21.5m，坝顶设C20砼路面，坝顶宽5m，坝顶长144m。坝顶上游侧设置防浪墙，上、下游设马道。马道高程为427.00m，马道宽2m，马道顶铺设C20砼路面。上、下游坝坡均为1：3，最低坝基开挖高程421.00m。大坝上游死水421.75m。坝体自上游至下游分成五个区，特殊垫层区，垫层区，过渡区，上游石碴区，下游石碴区。面板采用C25钢筋砼结构，厚0.3m，垫层区水平宽度2m，过渡区水平宽度3m，上下游石碴区为砂岩石碴填筑。大坝左岸设溢洪道，溢流堰为宽顶堰，堰宽3m，溢洪道边墙高1m，全长98.7m。放水设施位于库区内上游左岸，为钢筋混凝土涵卧管型式。面板堆石坝剖面小，坝坡较陡，施工快，且施工干扰相对较小，造价低。坝址附近没有足够的石料，并且坝址地区有较厚的风化层，选择堆石坝可能导致很大开挖量。面板堆石坝抗震性能较差，对基础沉陷非常敏感，因此不予采用此坝型【10】。综上，选择粘土心墙坝作为笔架水库的坝型。5.3土石坝基本剖面的拟定土石坝基本剖面包括上下游坝坡、坝顶宽度、坝顶高程等。5.3.1上下游坝坡土石坝坝坡的大小取决于坝型、坝高、筑坝材料、荷载、坝基性质等因素，且直接影响到坝体的稳定和工程量大小。根据SL2742001碾压式土石坝设计规范【11】规定：高度在30m以下的为低坝，高度在3070m之间的土石坝坝高为中坝，高度超过70m的为高坝。由于笔架水库属V等工程，小（2）型水库，以防洪灌溉为主，坝高13.5m，校核洪水位为434.00m，水库最低高程为421m，为低坝，故本坝坝坡设计如下：1）上游坝坡坡率：1：32）下游坝坡坡率：1：33）马道：土石坝上下游分别设置一级马道，马道高程为427.0m，马道宽度取2.0m。5.3.2坝顶宽度 坝顶宽度根据运行、施工、构造、交通和地震等方面的综合研究后确定。本坝属于低坝，坝顶无交通要求，SL2742001碾压式土石坝设计规范规定：中低坝的坝顶宽度可选510m。为便于心墙的施工及节约投资，本设计坝顶宽度取B=5.0m，高程434.50m。5.3.3 坝顶高程坝顶高程指坝顶在水库静水位以上的超高：d=ha+e+A式中：d水库静水位以上的超高（m）；ha波浪在坝坡上的爬高（m），ha=0.45hl/mn0.6；hl设计波浪高（m），丘陵水库hl=1.346103V01.4583D1/3；V计算风速（m/s），非正常运用情况下取多年平均最大风速14m/s，正常运用情况取1.5倍最大风速即为21m/s；D吹程（km），约为1.5km；hl=1.34610-3141.45831.51/3=0.072m；m坝坡坡率，查水工建筑物【12】上游坝壳采用堆石时，取为2；n坝坡护面糙率，其值为：抛石0.035，干砌石0.0275，浆砌石并勾缝0.025，沥青和混凝土0.0155，取为0.0275；ha=0.450.0722-10.0275-0.6=0.14me坝前库水位因风浪引起的壅高（m），e=KV2Dcosa/2gH；K综合磨阻系数，其值范围为（1.55）10-3，计算时可取3.610-3；H水库水域得平均水深（m），设计水位时H=（433.9-421）/2=6.45m校核水位时H=（434-421）/2=6.5m；a风向与坝轴线法线方向的夹角，本次设计取为0。e=3.610-3212/（29.86.45）=0.012me=3.610-3212/（29.86.5）=0.012m根据大坝等级查表5-1确定A值。表5-1 安全加高（m）坝的级别、正常运行1.51.00.70.5校核山区、丘陵0.70.50.40.3平原、海滨1.00.70.50.3在正常运行时：d=0.14+0.012+0.5=0.652m；在非正常运行时：d=0.14+0.012+0.3=0.452m；根据碾压式土石坝设计规范中满足挡水要求下的坝顶高程等于水库水位与坝顶超高之和，应按以下运用条件计算，取最大值：A、正常蓄水位加正常运行条件的坝顶超高：H坝=433.55+0.652=434.202mB、设计洪水位和正常运行条件的坝顶超高：H坝=433.9+0.452=434.352m若不设防浪墙，则坝顶高程为434.35m，如设防浪墙，墙顶应高于坝顶1.001.20m，取墙高0.95m，为确保大坝安全，取坝顶高程434.50m。5.4防渗体设计本土石坝的防渗体为粘土心墙，做成上下游面对称。给出粘土心墙坝坝坡参考值【13】如下表5-2所示：表5-2心墙坝坝坡参考值坝高（m）心墙部分顶宽（m）边坡151.51：0.215252.01：（0.150.25）25352.51：（0.150.25）5.4.1防渗体尺寸1）心墙顶宽按照规范及考虑机械化施工的要求，本心墙顶宽设计为5m。2）心墙底宽按照心墙坡率1：0.25计算，考虑到坝体安全，并参考相关类似工程经验，本坝心墙底宽设计为13.50.252+5=11.75m。 3）防渗体超高防渗体顶部在正常蓄水位或设计洪水位以上的超高，在正常运行条件下，心墙应为0.30.6m；在非常运行情况下，均不应低于该工况下的静水位，并应计算风浪爬高的影响，以防风浪形成的壅水通过防渗体顶部渗向下游。当防渗体顶部设有稳定、坚固、不透水且与防渗体紧密结合的防浪墙时，可将防渗体顶部高程放宽至正常运用静水位以上即可。本坝防渗体将于防浪墙紧密结合，故防渗体高程设计为434.00m。5.4.2防渗体保护层心墙顶部应设保护层，防止冰冻和干裂。保护层可采用砂、砂砾或碎石，其厚度不小于该地区的冻深或干燥深度，本工程厚度采用0.5m。5.4.3坝顶路面高程确定因粘土心墙高程为434.0m，心墙保护层为0.5m，故坝顶路面高程为434.50m。与前面所计算的坝顶高程无误。5.5渗流分析计算5.5.1 渗流计算的基本假定1）心墙采用粘土料，渗透系数k =1.010-6cm/s ,坝壳采用砂土料，渗透系数K= 1.010-2cm/s ,两者相差104倍，可以把粘土心墙看做相对不透水层，因此计算时可以不考虑上游楔行降落水头的作用【14】；2）土体中渗流流速不大，且处于层流状态，渗流服从达西定律平均流速v 等于渗透系数与渗透比降i 的乘积，v=Ki；3）发生渗流时土体的空隙体积不变，饱和度不变，渗流为连续的；4）计算方法：采用理正渗流分析软件中的渗流公式法进行渗流计算分析。5.5.2 渗流计算情况选择：流计算时应考虑以下组合情况，取其最不利情况作为控制条件：工况一：上游正常高水位433.55m时形成的稳定渗流情况；工况二：上游设计洪水位433.90m时形成的稳定渗流情况；工况三：上游校核洪水位434.00m时形成的稳定渗流情况；5.5.3笔架水库心墙土坝的渗流计算过程5.5.3.1坝址位于成都平原边缘地带，属低山浅丘区，岸坡为坡状，地形坡度较缓。库区地质构造简单，工程区内主要出露地层为白垩系上统灌口组（K2g）棕红色粉砂质泥岩和泥质粉砂岩互层、第四系上更新统（Q4）黄色粘土。岩体中裂隙不发育，岩石透水性弱，库区范围内未发现断层构造形迹，不存在邻谷渗漏问题。因此，库区不存在水库渗漏问题。综合上述渗流条件，采用水力学法进行土坝渗流计算。将坝内渗流分为若干等份，应用维尔金斯公式和水流连续方程求解渗流流量和浸润线方程。 5.5.3.2计算断面及公式本设计仅对河槽截面处进行最大断面的渗流计算，并假设地基为不透水。采用的公式：- (5.1) (5.2) (5.3)5.5.3.3计算成果见下表5-3表5-3 坝体渗流计算成果工况上游水位（m）下游水位（m）单宽渗流量（m3/d.m）1433.55421.750.2782433.9421.750.3023434.0421.750.309坝体渗流计算浸润线：见图5-1，图5-2，图5-3。 图5-1 笔架水库正常蓄水位浸润线 图5-2 笔架水库设计洪水位浸润线图5-3 笔架水库校核洪水位浸润线5.5.3.5成果分析（1）根据计算结果，三个计算工况：正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位在下游无水时，计算浸润线在合理位置。（2）三种工况下通过坝体的单宽渗流量很小，坝体不存在大的渗漏问题。5.6抗滑稳定分析1）安全系数根据碾压式土石坝设计规范（SL2742001）规定，对于5级建筑物，采用计及条间作用力的瑞典圆弧法计算，最小安全系数见表5-4。项目区地震烈度为度，故需要考虑地震工况。表5-4 坡抗滑稳定最小安全系数运用条件最小安全系数瑞典圆弧法最小安全系数*8%正常运用条件1.251.15非常运用条件1.151.058非常运用条件1.101.0122）坝体材料的物理力学指标坝体土容重采用试验成果平均值，坝体土的抗剪强度指标采用土工试验成果中计算参数建议值。各种材料的力学指标采用情况见表5-5。表5-5 筑坝材料主要物理力学计算指标参数材料重度（kN/m3）饱和重度(kN/m3)粘聚力（kPa）内摩擦角（度）坝体土18201020坝基土182020353）计算工况（1）上游坝坡工况一：上游库水位由正常蓄水位433.55m，降至死水位421.75m时形成的非稳定渗流情况；工况二：上游库水位由设计洪水位433.9m降至死水位421.75m时形成的非稳定渗流情况；工况三：上游库水位由校核洪水位434m骤降至正常蓄水位433.7mm再降至死水位421.75mm时形成的非稳定渗流情况。（2）下游坝坡工况一：正常蓄水位433.55m形成的稳定渗流期；工况二：设计洪水位433.9m形成的非稳定渗流期；工况三：校核洪水位434m形成的非稳定渗流期。（3）计算安全系数Kc，按下式计算： (5.4) (5.5) (5.6)4）计算方法及计算成果根据碾压式土石坝设计规范（SL2742001）的要求，对坝坡的稳