土石坝设计说明书

- - 1 - -1 概述1.1 教学目的（1）巩固、加深、扩大学生所学的基本理论和专业知识，并使之系统化；（2）培养学生运用所学的理论知识解决实际技术问题功能力，初步掌握设计原则、方法和步骤；（3）培养学生具有正确的设计思想，树立严肃认真、实事求是和刻苦钻研的工作作风；（4）锻炼学生独立思考、独立工作的能力，并加强计算、绘图、编写说明书及使用规范、手册等技能训练。1.2 设计内容和基本方法本毕业设计的题目是河川水利枢纽工程设计。以坝工为重点的设计包括下列几个基本组成部分。1.2.1 了解任务书和熟悉、分析原始资料1.2.2 洪水调节计算（1）选定泄洪方式和拟定泄洪建筑物孔口尺寸；（2）确定防洪库容、上游设计和校核洪水危及相应的下泄流量。1.2.3 主要建筑物形式选择和水利枢纽布置（1）确定枢纽组成建筑物及其设计等级；（2）通过不同方案的初步技术经济比较，选定坝型；（3）通过定性分析比较，选定水电站厂房及其他建筑物型式；（4）确定水利枢纽的布置方案。1.2.4 第一主要建筑物拦河坝设计一般应首先选定大坝结构布置与构造，然后进行校核计算。（1）选定坝的结构形式，拟定大坝基防渗处理形式及轮廓尺寸；- 2 -（2）进行土料设计，包括对坝身不同高程的透水料和不透水料的分区规划布置以及压实标准的确定；（3）渗流演算，计算正常、校核水位下浸润线位置，确定总渗流量与逸出坡降；（4）静力稳定计算，求出上下游坡在某一水位情况下的最小稳定安全系数，以论证选用坝坡的合理性；（5）拟定坝身细部构造，包括防渗、排水、反滤层、坝顶、护坡、马道，以及坝体与坝基、岸坡及其他建筑物的连接。1.2.5 第二主要建筑物坝外泄水道设计（1）确定结构形式和轮廓尺寸，进行建筑总体布置；（2）进行必要的水力、静力计算与结构设计，以验证建筑物的轮廓尺寸和各部分的结构尺寸是否合理；（3）拟定细部构造，包括排水、锚筋加固、灌浆、封堵体设计、掺气等。2 工程概况2.1 流域概况该江位于我国西南地区，流向自东南向西北，全长约 122 公里，流域面积2558 平方公里，在坝址以上流域面积为 780 平方公里。本流域大部分为山岭地带，山脉和盆地交错于其间，地形变化剧烈，流域内支流很多，但多为小的山区流河流，地表大部分为松软的沙岩、页岩、玄武岩及石灰岩的风化层，汛期河流的含沙量较大。冲积层较厚，两岸有崩塌现象。本流域内因山脉连绵，交通不便，故居民较少，全区农田面积仅占总面积的20，林木面积约占全区的 30，其种类有松、杉等。其余为荒山及草皮覆盖。2.2 气候特性2.2.1 气温 年平均气温约为 12.8 度，最高气温为 30.5 度，发生在 7 月份，最低气温为-5.3 度，发生在 1 月份。表 21 月平均气温统计表（度）- - 3 - -1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 年平均4.8 8.3 11.2 14.8 16.3 18.0 18.8 18.3 16.0 12.4 8.6 5.9 12.8表 22 平均温度日数日数 月份平均温度1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1206 1.2 0.3 0 0 0 0 0 0 0 0 3.1325.0 26.8 30.7 30 31 30 31 31 30 31 30 27.90 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 02.2.2 湿度 本区域气候特征是冬干夏湿，每年 11 月至次年和 4 月特别干燥，其相对湿度为 5173%之间，夏季因降雨日数较多，相对湿度随之增大，一般变化范围为6786%。2.2.3 降水量 最大年降水量可达 1213 毫米，最小为 617 毫米，多年平均降水量为 905 毫米。表 23 各月降雨日数统计表日数 月份平均降雨量1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1230mm 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 02.2.4 风力及风向 一般 14 月风力较大，实测最大风速为 19.1 米秒，相当于 8 级风力，风向为西北偏西。洪水期实测最大平均风速为 14m/s。水库吹程为 15 公里。2.3 水文特性该江径流的主要来源为降水，在此山区流域内无湖泊调节径流。根据实测短期水文气象资料研究，一般是每年五月底至六月初河水开始上涨，汛期开始，至十月以后洪水下降，则枯水期开始，直至次年五月。该江洪水形状陡涨猛落，峰高而瘦，具有山区河流的特性，实测最大流量为700 秒立米，而最小流量为 0.5 秒立米。2.3.1 年日常径流 坝址附近水文站有实测资料 8 年，参考临近测站水文记录延长后有 22 年水文系列，多年年平均流量为 17 秒立米。2.3.2 洪峰流量 经频率分析，求得不同频率的洪峰流量如下表：表 24 不同频率洪峰流量（秒立米）频率 0.05 1 2 5 10流量 2320 1680 1420 1180 1040表 25 各月不同频率洪峰流量（秒立米）月频率 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12- - 5 - -1 46 19 12 19 600 124015501210 670 390 28 372 36 17 11 15 530 112013601090 600 310 23 335 23 14 9 11 420 850 1100 830 480 250 16 2810 19 11 7 9 370 760 980 720 410 210 15 232.3.3 固体径流 该江为山区性河流，含沙量大小均随降水强度及降水量的大小而变化，平均含沙量达 0.5 公斤立米。枯水极少，河水清彻见底，初步估算 30 年后坝前淤积高程为 2765 米。2.4 工程地质2.4.1 水库地质库区内出露的地层有石灰岩、玄武岩、火山角砾岩与凝灰岩等。经地质勘探认为库区渗漏问题不大，但水库蓄水后，两岸的坡积与残积等物质的坍岸是不可避免的，经过勘测，估计可能坍方量约为 300 万立米。在考虑水库淤积问题时可作为参考。2.4.2 坝址地质 坝址位于该江中游地段的峡谷地带，河床比较平缓，坡降不太大，两岸高山耸立，构成高山深谷的地貌特征。坝址区地层以玄武岩为主，间有少量火山角砾岩和凝灰岩穿过，对其岩性分述如下：(1) 玄武岩 一般为深灰色、灰色、含有多量气孔，为绿泥石、石英等充填，成为杏仁状构造，并间或有方解石脉、石英脉等贯穿其中，这些小岩脉都是后来沿裂隙充填进来的。坚硬玄武岩应为不透水层，但因节理裂缝较发育，透水性也会随之增加，其矿物成份为普通辉石、检长石，副成分为绿泥石、石英、方解石等，由于玄武岩成分不甚一致，风化程度不同，力学性质也不同，可分为坚硬玄武岩、多气孔玄武岩、破碎玄武岩、软弱玄武岩、半风化玄武岩和全风化玄武岩- 6 -等，其物理力学性质见表 26、表 27。渗透性：经试验得出 k 值为 4.147.36 米/昼夜。表 26 坝基岩石物理力学性质试验表岩石名称 比重容重 kN/m3建议采用抗压强度MPa半风化玄武岩 3.01 29.6 50破碎玄武岩 2.95 29.2 50-60火山角砾岩 2.90 28.7 35-120软弱玄武岩 2.85 27.0 10-20坚硬玄武岩 2.96 29.2 100-160多气孔玄武岩 2.85 27.8 70-180表 27 全风化玄武岩物理力学性质试验表压缩系数 a 浸水固结块剪天然含水率 %干容重kN/m3比重液限 l塑限 p塑性指数 pI00.5m2/kN10-634m2/kN10-6内摩擦角凝聚力kPa2.5 16.3 2.97 47.3 32.26 16.9 5.97 1.51 28.38 24(2) 火山角砾岩 角砾为玄武岩，棱角往往不明显，直径为 215 厘米，胶结物仍为玄武岩质，胶结紧密者抗压强度与坚硬玄武岩无异，其胶结程度较差者极限抗压强度低至 35MPa。(3) 凝灰岩 成土状或页片状，岩性软弱，与近似，风化后成为碎屑的混合物，遇水崩解，透水性很小。(4) 河床冲积层 主要为卵砾石类土，砂质粘土与砂层均甚少，且多呈透镜体状，并有大漂石掺杂其中。卵砾石成分以玄武岩为主，石灰岩与砂岩占极少数。沿河谷内分布：坝基部分冲积层厚度最大为 32 米，一般为 20 米左右；靠岸边最少为几米。颗粒组成以卵砾石为主，砂粒和细小颗粒为数很少。卵石最小直径一般为 10100 毫米；砾石直径一般为 210 毫米；砂粒直径 0.050.2 毫米；细- - 7 - -小颗粒小于 0.1 毫米。见表 8。冲积层的渗透性能 经抽水试验后得，渗透系数 k 值为 310-2厘米/秒110 2厘米/秒。表 28 冲积层剪力试验成果表三轴剪力（块剪）应变（拉制）（浸水固结快剪）土壤名称代号项目计算值容重（控制）kN/m3含水量（控制） 内摩擦角 凝聚力（kPa） 内摩擦 角 凝聚力（kPa）次数 17 12 8 8 2 2最大值 24.3 8.66 4715 37.0 3243 10.5最小值 22.2 4.27 3530 12.0 1755 0平均值 23.08 6.47 4034 18.2 2525 5.3含 中量细粒的砾石小值平均值3732 14.8备注三轴剪力土样备系筛去大于 4mm 颗粒后制备的。试验时土样的容重为控制容重。应变控制土样容重系筛去大于 0.1mm 颗粒后制备的。以上两种试验的土样系扰动的。(5) 坡积层 在水库区及坝址区山麓地带均可见到，为经短距离搬运沉积后，形成粘土与碎石的混合物质。2.4.3 地质构造坝址附近无大的断层，但两岸露出的岩石，节理特别发育。可以分为两组，一组走向与岩层走向几乎一致，即北东方向，倾向西北；另一组的走向与岩层倾- 8 -向大致相同。倾角一般都较大，近于垂直，裂隙清晰，且为钙质泥质物所充填。节理间距，密者 0.5 米即有一条，疏者 35 米即有一条，所以沿岸常见有岩块崩落的现象。上述节理主要在砂岩、泥灰岩与玄武岩之类的岩石内产生。2.4.4 水文地质条件本区地形高差大，表流占去大半，缺乏强烈透水层，故地下水不甚丰富，对工程比较有利。根据压水试验资料，玄武岩的透水性不同，裂隙少、坚硬完整的玄武岩为不透水层，其压水试验的单位吸水量小于 0.01 l/(minm)。夹于玄武岩中的凝灰岩，以及裂隙甚少的火山角砾岩都为不透水性良好的岩层。至于节理很发育的破碎玄武岩、半风化与全风化玄武岩都是透水性良好的岩层。正因为这些隔水的与透水的玄武岩存在，遂使玄武岩区产生许多互不连贯的地下水。一般砂岩也是细粒至微粒结构，除因构造节理裂隙较发育，上部裂隙水较多外，深处岩层因隔水层的层数多，难于形成泉水。石灰岩地区外围岩石多为不透水层，渗透问题也不存在。本地区地震烈度定为 7 度，基岩与混凝土之间的摩擦系数取 0.65。2.5 建筑材料2.5.1 料场的位置与储量各料场的位置与储量见坝区地形图。由于河谷内地地形平坦，采运尚方便。2.5.2 物理力学性质(1) 土料：见表 2-9表 212。(2) 石料：坚硬玄武岩可作为堆石坝石料，储量较丰富，在坝址附近有石料场一处，覆盖层浅，开采条件较好。2.6 经济资料2.6.1 库区经济流域内都为农业人口，多种植稻米、苞谷等。库区内尚未发现有价值可开采的矿产。淹没情况如下表：表 213 各高程淹没情况高程（米） 2807 2812 2817 2822 2827 2832- - 9 - -淹没人口（人） 3500 3640 3890 4060 5320 7140淹没土地（亩） 3000 3220 3410 3600 4600 61002.6.2 交通运输坝址下游 120 公里处有铁路干线通过，已建成公路离坝址仅 20 公里，因此交通尚称方便。- 10 -表 29 粘土的物理力学性质物 理 性 质 力学性质 化学性稠度 颗粒级配（成分%，粒 径 d） 击实 剪力自然容重 砂砾粗中 细 粉粘土湿 干料场名称自然含水量% kN/m3比重孔隙率%孔隙比流限%塑限%塑性指数饱和度2mm20.5mm0.50.05mm0.050.005mm0.005mm最大干密度g/cm3最优含水量%渗透系数10-6cm/s内摩擦角deg凝聚力kPa固结压缩系数cm2/kg有机含量灼热法%可溶盐含量%1#下 24.8 18.9115.16 2.6742.260.73442.6023.1419.46 0.93 7.47 5.9517.8735.4833.23 1.6022.074.31724.67 24.0 0.021 1.730.0702#下 24.2 18.9115.18 2.6741.900.72143.9022.2021.70 0.91 7.25 4.1514.3541.7532.25 1.6521.02 4.8025.50 23.0 0.020 1.900.0191#上 25.6 17.3513.03 2.6549.800.99049.5725.0024.57 0.87 8.83 8.0017.5031.0034.67 1.5622.30 1.9023.17 25.0 0.026 2.200.1102#上 26.3 16.3712.84 2.7452.301.09349.9026.3023.50 0.69 4.50 4.3320.6736.2034.30 1.5423.80 3.9621.50 38.0 0.033 0.250.110- - 11 - -3#下 15.9 19.1116.64 2.7037.000.58034.0020.0014.00 0.67 6.40 9.0012.0035.0019.60 1.8016.90 3.0028.00 17.0 0.010 1.900.080- 12 -表 210 砂砾石的颗粒级配颗 直粒 径mm含量料场300100100606020202.52.51.21.20.60.60.30.30.150.151#上 5.2 18.6 21.4 12.3 18.6 13.9 5.4 4.6 0.32#上 4.8 17.8 20.3 14.1 17.8 14.8 4.6 5.3 0.53#上 3.8 15.4 18.5 15.3 16.4 20.5 3.5 6.2 0.44#上 6.0 18.3 19.4 16.4 15.6 16.7 4.8 2.5 0.31#下 4.5 14.1 20.1 23.2 14.9 7.2 8.6 7.2 0.22#下 3.9 19.2 22.4 18.7 19.1 8.3 5.7 2.8 0.13#下 5.0 23.1 19.1 14.2 18.4 8.9 6.3 4.1 0.94#下 4.1 22.4 18.7 14.1 17.9 14.4 4.1 3.6 0.7表 211 砂砾石的物理性质名称 1#上 2#上 3#上 4#上 1#下 2#下 3#下 4#下容重，kN/m3 18.6 17.9 19.1 19.0 18.6 18.5 18.4 18.0比重 2.75 2.74 2.76 2.75 2.75 2.73 2.73 2.72孔隙率，% 32.5 34.7 31.0 31.5 32.5 32.2 32.5 33.8软弱颗粒，% 2.0 1.5 0.9 1.2 2.5 0.8 1.0 1.2有机物含量 淡色 淡色 淡色 淡色 淡色 淡色 淡色 淡色注：各砂砾石料场渗透系数 k 值为 2.010-2厘米/秒左右。最大孔隙率 0.44，最小孔隙率0.27。表 212 各料场天然休止角- 13 -料场名称 最小值 最大值 平均值1#上 3430 3550 35102#上 3500 3710 36003#上 3440 3640 35404#上 3510 3740 36301#下 3410 3630 35202#下 3520 3800 36403#下 3430 3710 35504#下 3600 3820 37103 洪水调节计算本河流属于典型山区河流，洪水暴涨暴落，设计洪峰流量 Q 设 = 1680m/s（P=1%） ，校核洪峰流量 Q 校 = 2320 m/s（P=0.05%） 。3.1 洪水调节计算原理3.1.1. 工程等别、建筑物级别及洪水标准水利水电工程的等别应根据其工程规模效益及在国民经济中的重要性按水利水电工程分等指标确定；永久性水工建筑物的级别根据其所在工程的等别和建筑物的重要性按永久性水工建筑物级别指标确定；施工期使用的临时性挡水和泄水建筑物的级别应根据保护对象的重要性失事后果使用年限和临时性建筑物规模按临时性水工建筑物级别指标确定；永久性水工建筑物的洪水标准应按山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准确定。枢纽工程等级、建筑物的等级不同，对其规划，设计，施工运行管理的要求也不同，等级越高者要求越高。本工程正常蓄水位 2821.6m，相应库容为 3.72106m3；（调洪计算后确定总库为 4.16106m3）灌溉面积 1.5 万亩；装机 2.4104kW；保护下游城镇及工矿企业的重要性为一般。 根据 SL2522000水利水电工程等级划分标准及洪水标准，由水库总库容指标定为大（2）型；由防洪效益指标定为小（1）型；由灌溉面积指标定为小（1）型；由装机容量等指标定为小（1）型。根据“各指标分属不同标准时，采用其中最高级别来控制”的原则，最终由水库总库容确定该工程规模为大（2）型；工程等别为等。永久建筑物级别：主要建筑物为 2 级，次要建筑物为 3 级，临时建筑物为 5 级。永久建筑物洪水标准：设计情况下洪水重现期- 14 -为 2000 年；校核情况下洪水重现期为 100 年。3.1.2.坝轴线选择坝轴线应根据坝址区的地形地质条件、坝型、坝基处理方式、枢纽中各建筑物（特别是泄洪建筑物）的布置和施工条件等，经多方案的技术经济比较确定。因地制宜，宜采用直线。当坝址处存在有喀斯特、大断层、或软粘土等不良地质条件时，应研究避开的可能性。比较，两条较有利的坝轴线， （a）从工程量角度，两轴线处河床覆盖层平均厚度及河床中部最宽度大致相同，大坝工程量基本相同。 （b）从地质角度，剖面处破碎带纵横交错，岩性复杂，地基处理很困难，而且必然渗流情况很严重，因此选择剖面比较合理。 （c）从地形角度，剖面截得的河流宽度比剖面截得的河流宽度窄，那么从工程量，造价，工期来分析剖面有明显的优势。综上，选择剖面更合理。3.1.3.坝型选择坝型选择应综合考虑坝址区的河势地形、坝址基岩、覆盖层特征、地震烈度，筑坝材料的种类、性质、数量、位置、运输条件，施工导流，坝高，枢纽布置，运行条件、工程造价等。本工程所选坝轴线处河床冲积层较深，两岸岩石破碎，透水性大，存在软弱夹层和断层；坝基覆盖层较厚，基岩不完整，且强度低，透水性比较大。拱坝 从地质条件看，拱坝对地形及地质条件有独特的要求，地质条件要求岩基坚硬，整体性好，强度高，透水性小；拱坝主要依靠两岸坝肩岩体维持稳定，故应该避免两岸边坡有软弱夹层或倾向河床方向的断层；适于修建拱坝的河谷断面宽高比应较小，它不像重力坝那样全靠自重维持，而是利用筑坝材料强度承担以轴向压力为主的拱内力，并由两岸拱端岩体来支撑拱端推力，地形地质条件好是一种经济性和安全性相对优越的坝型。本工程地质复杂不宜建拱坝。混凝土重力坝本工程坝体高度大于 70m，较高的混凝土重力坝要求建在岩性地基上，且该工程河床覆盖层较厚，坝基岩石不完整，若建混凝土重力坝地基处理及防渗工程量大。故不宜建重力坝。土石坝 适应地基变形能力强。本工程地质复杂多变宜造土石坝。且可以就地取材，降低运输成本，节省“三材” 。均质坝 均质坝结构简单，施工方便，但对于抗渗性能好的土料，因其抗剪强度低，且施工碾压困难，在多雨地区受含水量影响更难压实，高坝中一- 15 -般不采用此种形式。本江地处西南地区，多雨受含水量影响更难压实，且坝高超过 70m，属高坝，因而不宜采用均质坝。 堆石坝 堆石体孔隙率大，在承受水压力后变形大，抗剪强度低，发生地震时沉降量更大，故不宜采用。斜墙坝 斜墙防渗体在施工时与坝体的施工干扰相对较小，坝体上升速度快，但上游坡较缓，填筑工程量较大，且对坝体沉陷变形比较敏感，抗震性能也差，易产生裂缝。故本次设计不采用斜墙坝。心墙坝 施工时要求心墙与坝体同步上升因而两者相互干扰大，影响施工进度。虽然心墙内易产生“拱效应”形成裂缝，但与斜墙坝相比工程量较小，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。故本工程采用心墙坝。3.1.4.组成建筑物本枢纽工程同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合作用，为饮水式电站。枢纽组成建筑物有挡水建筑物、泄水建筑物、水电站进水建筑物、水电站饮水及尾水建筑物、水电站平水建筑物、发电、变电和配电建筑物、以及其他建筑物。3.2 调洪演算3.2.1 确定洪水标准该工程为土石坝二等大（2）型，故永久建筑物洪水标准：正常运用（设计）洪水重现期 100 年；非常运用（校核）洪水重现期 2000 年；消能防冲建筑物洪水重现期为 50 年一遇；电站厂房洪水标准：正常运用（设计）洪水重现期为100 年，非常运用（校核）为 500 年；临时渡汛为 200 年一遇（大于 100 年） 。3.2.2 泄水孔口型式及尺寸泄洪方式：本工程挡水建筑物拟定为土石坝，坝顶不允许过水，而且没有天然垭口，故需设置河岸溢洪道，使土石坝在泄洪时受水体流动影响较小。正槽溢洪道是以面向水库上游的宽顶堰或实用堰作溢流控制堰的坝外表孔溢洪道，- 16 -开敞式正面进流，过堰水流与泄槽方向一致，泄流量大，过流能力强，水流条件平顺稳定，结构简单可靠,运用安全可靠。广泛应用于拦河坝为土石坝的水利枢纽。由于明渠开挖量大，故接隧洞泄流。剖面形状：拟用 WES 实用堰，边墩型式为圆弧形。尺寸：由试算确定。水库运用方式：洪水来临时用闸门控制下泄流量等于来流量，水库保持汛前限制水位不变，当来流量继续加大，则闸门全开，下泄流量随水位的升高而加大，流态为自由泄流。防洪限制水位的选择：防洪限制水位取与正常蓄水位重合，这是防洪库容与兴利库容完全不结合情况，因为山区河流的特点是暴涨暴落，整个汛期内大洪水随时都可能出现，故在任何时候都预留一定的防洪库容。3.2.3 调洪演算原理 采用以峰控制的同倍比放大法对单位洪水过程线进行放大，得出设计与校核洪水过程线分别如下图所示。 拟定几组不同堰顶高程及孔口宽度 B 的方案。由堰顶自由泄流公式和 3 台机组的满发流量 44.1 m /s 可确定设计洪水和BHgmQ2/30泻 3校核洪水情况下的起调流量 起 ，由 起 开始，假定四条泄洪过程线（为简便计算，假设都为直线） ，在洪水过程线上查出 Q 泄 ，并求出相应的蓄水库容 V，根据库容水位关系曲线可得相应的库水位 H，由四组（Q 泄 ，H）绘制的 QH 曲线流量6h校 核 洪 水 过 程 线流量6h设 计 洪 水 过 程 线- 17 -与由 绘制的 QH 曲线相交，所得交点即为所对应洪水过程2/3gmQ线下的下泄流量及相应水位。注：公式 中B2/30泻H ：堰上水头，H H+ , 为行近流速，在计算时忽略 ，即00gv0v0vH H 。0：淹没系数，本次设计中为自由出流，故 1。m: 流量系数，与堰高 a,总水头 H ，设计水头 H 有关，范围为0d0.420.50，本次设计取为 0.50。：侧收缩系数， 10.2（n-1） ,n 为溢流孔数，本k0nb0次设计中 n=1，b 为每孔宽度， 为闸墩系数，与闸墩头部形状有关（本次设计0中没有闸墩） ， 为边墩系数，与边墩平面形状有关，本次设计为半圆形，故k0.7。 kg:重力加速度，9.81m/s 。 2拟定不同堰顶高程及孔口宽度 B 时，堰顶高程如果取的太低，孔口总净宽选的大，则泄流能力加大，所需水库防洪库容可较小，挡水建筑物高度也可较小，上游淹没损失也较小，但是这时隧洞本身工程量及造价会较高；如果堰顶高程取的高，孔口总净宽选的小，则结果与上述相反，坝高加大，上游淹没损失加大，造成移民费用加大，因此堰顶高程要选择适当。选择堰顶高程和孔口宽时，要求校核下泄流量不大于 900m /s，且校核洪3水位不得高于正常蓄水位 3.5 米。3.2.4 方案假设与结论要得到堰顶高程与孔口尺寸的最佳方案，应在技术可行前提下，结合泄水隧洞以及挡水建筑物在内的枢纽总造价最小来优，通过各种可行方案的经济比较决定。设计中参照已建工程经验，初步拟定三组堰顶高程与孔口尺寸如下：方案一： 堰顶高程=2810m，堰宽 B=7m。设计下泄流量为 669.1 m /s，3设计水位为 2823.2m;校核下泄流量为 710.1 m /s，校核水位为 2823.6m.3- 18 -方案二：堰顶高程=2808m, 堰宽 B=7m。设计下泄流量为 799.1 m /s，3设计水位为 2822.7m；校核下泄流量为 842.1 m /s，水位为 2823.2m。3方案三：堰顶高程=2807.5m，堰宽 B=7m。设计下泄流量为 819.1 m /s，3设计水位为 2822.6m；校核下泄流量为 875 m /s，校核水位为 2823.1m。 3计算过程详见计算书。从调洪演算结果来看，初拟的三组方案均能满足校核下泄流量 Q900 m3/s,校核水位与正常蓄水位之差 Z3.5m 的要求。为充分发挥隧洞的下泄能力，在本设计中我们考虑隧洞的下泄流量接近于上限值，以降低工程造价。综上所述，最终确定堰顶高程=2807.5m，堰宽 B=7m。3.3 枢纽布置3.3.1 挡水建筑物挡水建筑物是粘土心墙坝，用来拦截河流，集中落差，形成水库，同时，用于错峰，便于下游在汛期防洪。坝轴线按直线布置，布置在河弯地段上。3.3.2 泄水建筑物泄水建筑物包括泄洪隧洞及放空洞，其中泄洪隧洞与施工期的导流隧洞结合。泄洪隧洞主要用于在洪水期渲泄洪水，以降低水库水位，防止满顶。由于泄洪隧洞进口高程较高，故需另设置放空洞用以将水库水位泄放到一定低水位。布置泄洪隧洞时，为缩短长度、减小工程量，泄洪隧洞布置在凸岸，这样水流经隧洞流出直接入主河道，对流态也有利。考虑到电站引水发电洞也布置在凸岸，泄洪隧洞布置应以远离坝脚和厂房为宜。同时为减小泄洪时引起的电站尾水波动，以及防止冲刷坝脚，进出口相距 3040m 以上。3.3.3 水电站建筑物引水隧洞、电站厂房布置在凸岸，在泄洪隧洞与大坝之间，由于风化岩层较厚，厂房布置在开挖后的坚硬玄武岩上，开关站布置在厂房附近。4 大坝设计4.1 坝型轮廓尺寸确定- 19 -4.1.1 坝顶高程坝顶高程由水库静水位加风浪壅高、坝面波浪爬高及安全超高等决定。坝顶超出静水位以上的超高由公式 Y = R + e + A 计算。 注：公式 Y = R + e + A 中，R：坝顶在水库静水位以上的超高，m。R= mLhK21m：单坡的坡度系数，该式适用于 m1.55.0 的情况，本次设计中m2.5。， ：斜坡的糙率渗透系数和经验系数。该坝上游拟用砌石护坡，K故糙率渗透系数 为 0.750.80，本次设计取为 0.78；经验系K数 与 有关，本次设计中 1，故经验系数取为gHWgHW1.0。， ：平均波长和波高。mLh对于内陆峡谷水库，在风速 W20m/s、吹程 D2000m 时，波浪的平均波长和波高可采用官厅公式：31212 )(076.WgDWgh75.31215.223.Lm式中，D：风区长度，m H ：坝前水深，mW ：同上，计算风速, m/s。在正常运用条件（正常蓄水位或设计洪水位）下，采用相应洪水期多年平均最大风速的1.52.0 倍（本次设计取为 1.5） ，在非常运用条件（校核洪水位）下，采用相应洪水期多年平均最大风速。e：最大风浪壅高， m。可由公式 e0.0036 计算。式中 为计gHDW2cos算风向与坝轴线的夹角，本次设计取为 22.5，其余符号同前。- 20 -A：安全加高，由坝的等级和运用情况决定。2 级坝在正常运用情况下的安全加高为 1.0m，在非常运用情况下安全加高为 0.5m。坝顶高程的计算应同时考虑以下四种情况：1、设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高；2、正常蓄水位加正常运用情况的坝顶超高；3、校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高；4、正常蓄水位加非常运用条件下的坝顶超高再加地震区安全加高（地震超高一般取为 0.51.5m，本次设计取为 1.0m） 。本次设计坝顶需设置防浪墙，故以上四种情况下的最大值为沉降稳定后的防浪墙顶高程，拟定防浪墙高为 1.5m，故以上情况求得的最大值减去 1.5m 后即为坝顶设计高程。计算成果如下表所示：计算情况计算项目设计洪水位+正常运用情况正常蓄水位+正常运用情况校核洪水为+非正常运用情况正常蓄水位+地震+非正常运用情况上游静水位(m) 2822.6 2821.6 2823.1 2821.6河底高程(m) 2750坝前水深(m) 72.6 71.6 73.1 71.6吹程 D(Km) 15风向与坝轴线夹角() 22.5风浪引起坝前壅高e(m) 0.011349 0.011507 0.005009 0.005114护坡粗糙系数 0.78上游坝面坡角() 21.8波浪沿坝坡爬高(m) 2.322025 2.322025 1.471051 1.471051安全超高(m) 1 1 0.5 0.5地震超高(m) 0 0 0 1.0坝顶高程(m) 2824.433 2823.434 2823.576 2823.076由上表知，坝顶高程由设计情况来控制，最终确定坝顶高程为 2824.5m。4.1.2 坝顶宽度- 21 -坝顶宽度主要取决于交通、运行、施工、构造、抗震、防汛及其他特殊要求。参考已建工程经验和规范规定高坝顶宽取 1015m，本设计中采用坝顶宽度为 10m。4.1.3 坝坡土石坝坝坡的缓陡直接影响工程的安全性和和经济性,因而在选择时应特别重视。坝坡的确定常需综合考虑坝型、坝高、坝的等级、坝体、及坝基材料的性质、所承受的荷载、施工和运用条件等因素。设计时一般可先参照已建成坝的实际经验或用近似方法初拟坝坡，然后经稳定计算来确定经济的坝体断面。土石坝上游坝坡长期浸泡于水中，土的抗剪强度下降，会降低坝体的稳定性，故材料相同时，上游坡常比下游坡缓，对于同一侧的坝坡，水下部分常比水上部分缓。本工程土坝为 2 级坝，坝高 74.5m。参照已建工程的实践经验初步拟定上下游坝坡如下：上游在 =2800m 处变坡一次，上部坡率取 1：2.5，下部坡率取为1：2.75，变坡处设马道；下游坡，在=2800m 和=2775m 处各变坡一次并设置马道，坡率自下而上依次是：1：2.0，1：2.25 ，1：2.50。马道有利于坝坡的稳定，便于施工、检修及坝体观测工作，同时可在马道处设置排水设备。土石坝的下游边坡，一般可沿高程每隔 10-30m 设置不小于1.5-2.0m 的马道，用于观测，检修及交通。此处设 2m 马道。4.1.4 防渗体设计本工程采用土质心墙作为坝体防渗体，心墙稍偏向上游并略倾斜，顶部与防浪墙结合。心墙顶部高程应高于正常运用情况下的静水位 0.3m0.6m，且不低于非常运用情况下的静水位。当防渗体顶部设有防浪墙时，防渗体顶部高程可不受上述限制，但不得低于正常运用的静水位。为了防止心墙冻裂，顶部应设置砂性保护层，厚度按冰冻深度确定，且不小于 1.0m。心墙至上而下逐渐加厚，两侧边坡一般在 1：0.151：0.30 之间，顶部厚度按构造和施工要求常不小于 3.0m，底部厚度根据土料的允许渗透坡降来确定，应大于四分之一水头。心墙与上下游坝体间应设置反滤层，以起反滤和排水的作用。综上，粘土心墙的顶部高程为 2822 m，顶部砂性保护层厚度为 2.5 m，顶宽取 3.0m，满足了 3.0m 的机械施工要求。上、下游坡率均为 1：0.2。心墙底部厚度为 31.8 m，满足允许渗透坡降的要求。4.1.5 排水设备- 22 -土石坝设置坝身排水主要目的：（a）降低坝体浸润线及孔隙压力，改变渗流方向，增加坝体稳定；（b）防止渗流逸出点的渗透变形，保护坝坡和坝基；（c）防止下游波浪对坝坡的冲刷及冻胀破坏，保护下游坝坡。坝体排水设备应该具有足够的排水能力，应按反滤原则设计，保证坝体和地基土不发生渗透破坏，设备自身不被淤堵，且便于观测和检修。设计时需综合考虑坝型，坝基地质，下游水位，材料供应和施工条件等因素，通过技术经济比较确定(a) 棱体排水适用于下游有水情况。这种形式排水效果好，除了能降低坝体浸润线防止渗透变形外。还可以支撑坝体，增加坝体的稳定性和保护下游坝脚免遭淘刷。多用于下游有水和石料丰富的情况。本工程坝脚处有水且石料储存丰富，故坝脚处选择棱体排水。(b) 贴坡排水，不能降低浸润线，但能提高坝坡的抗渗稳定性和抗刷能力。这种排水结构简单，便于维修。(c) 褥垫排水，下游有水时，能有效地降低坝体浸润线，但对增加下游坝坡的稳定性不明显，常用于下游水位较低或无水情况。综上分析，本工程坝脚处有水且石料储存丰富，故坝脚处选择棱体排水。由于褥垫排水对增加下游坝坡稳定性不明显所以不采用，两岸下游采用贴坡排水。按规范 2 级坝棱体排水的顶部高程应超出下游最高水位至少 1m，校核流量下泄时，下游洪水位为 2755.48 米。综上确定出堆石棱体顶高程为2756.48m。棱体排水顶部不作道路用，以免排水堵塞，其顶部宽度根据施工条件及检查观测需要确定，本工程中取为 2.0m。棱体排水的坡率选取参考已建工程，内坡取 1：1.75，外坡取 1：75。棱体排水依照反滤要求，设反滤层。 4.1.6 坝基处理坝基处理应满足渗流控制（包括渗透稳定和控制渗流量） 、静力和动力稳定、允许沉降量和不均匀沉降量等方面要求，保证坝的安全运行。本工程为砂砾石坝基，渗流控制可选择垂直防渗、上游防渗铺盖、下游排水设备及盖重等有效措施。根据坝高、坝型、水库的用途等选用垂直防渗，设置在坝的防渗体底部。规范垂直防渗措施的选择原则规定：砂砾石层厚度在 15m 以内，宜采用明挖回填粘土截水槽；砂砾石层厚度在 80m 以内，可采用混凝土防渗墙。本工程河床中部和左部覆盖层较厚，约为 28m，故采用混凝土防渗墙；右岸覆盖层逐渐变薄，且右岸下部为全风化和半风化的玄武岩，故可将全风化的玄武岩进行- 23 -清基处理，再采用黏性土截水槽方案，结构简单，工作可靠，防渗效果好。河床中部和左岸混凝土防渗墙的厚度应满足渗透稳定要求（主要取决于允许水力坡降，水力坡降随混凝土抗渗标号提高而提高） ，机械施工条件，混凝土在渗水作用下的溶蚀速度等。参照我国已建和在建工程，混凝土防渗墙厚度一般为 0.61.3m，本次设计取为 0.8m。同时为增加混凝土的柔性，使之适应较大的变形而不发生裂缝，可在混凝土中掺入适量的粘土。混凝土防渗墙顶部应与坝体防渗体结合，接触渗径应满足允许坡降。按规范，防渗墙插入土质防渗体高度应符合结合处允许渗透坡降要求，混凝土与粘土结合处的允许渗透坡降为 4，故混凝土防渗墙插入坝身防渗体 8.5m。防渗墙的底部嵌入弱风化基岩深度不宜小于 0.51.0m，本次设计取为 1.0m。部分防渗墙底部有风化玄武岩，需进行灌浆处理。为使防渗墙与坝体防渗体连接良好，将防渗墙顶端做成楔形体与坝体防渗体结合。右岸黏性土截水槽应采用与坝体防渗体相同的土料填筑，压实度不应小于坝体同类土料，开挖边坡约为 1：1.5；顶宽为与防渗心墙厚度相协调；底部宽度应根据回填土料的允许渗透坡降而定，且为便于施工，不应小于 3m；槽底部与基岩连接时应把风化层挖除，并深入相对不透水的弱风化岩层 0.51.0m。故黏性土截水槽用心墙防渗土料回填，顶宽与心墙底部厚度相同，两侧开挖边坡约为 1：1.5，底宽需满足允许渗透坡降（粘土允许渗透坡降一般为 510）和不小于 3m 的施工要求。4.1.7 护坡设计按规范，坝表面为土、砂、砂砾石等材料时应设专门护坡。护坡的形式、厚度及材料粒径应根据坝的等级、运用条件和当地材料情况比较确定。经比较，本次设计中上游护坡采用砌石，下游护坡采用草皮。上游面护坡的覆盖范围上部自坝顶起，与防浪墙连接，下部至死水位以下 2.5m。下游护坡由坝顶护至排水棱体。护坡厚度和粒径以及是否需设置反滤层经计算确定（见细部构造部分） 。4.2 土料设计在当地有多种适于筑坝的土石料石，应进行技术经济比较后选用。在选择时应具有或经加工处理后具有与其使用目的相适应的工程性质，并具有长期稳定性；就地、就近取材，减少弃料，少占或不占农田，优先考虑枢纽建筑物开挖料的利用；便于开挖、运输和压实。- 24 -4.2.1 防渗体料场选择及填筑标准设计防渗土料选用粘土，按规范应满足：渗透系数：均质坝不大于 110 cm/s，心墙和斜墙不大于 110 cm/s。水溶盐含量（指易溶盐和中溶盐，按质量计）不大于 3%。有机质含量（按质量计） ，均质坝不大于 5%，心墙和斜墙不大于 2%，超过此规定的需进行论证。有较好的塑性和渗透稳定性。浸水与失水时体积变化小。塑性指数大于 20 和液限大于 40%的冲积粘土不宜作为坝体的防渗体填筑材料。施工填筑含水率控制为最优含水率的2%+3%范围内。粘性土料的填筑密度以压实干容重为设计指标，并按压实度确定：/ dPmax式中： 填土的压实度；设计填筑干容重；一般为 16 17KN/m 。d 3标准击实试验最大干容重。max对、级坝和各种等级的高坝 应不低于 0.981；对、级坝（高P坝除外）应不低于 0.960.98。本次设计采用 0.99。各料场的压实干容重和施工填筑含水率列表计算如下：- 25 -表 42 粘土料场填筑标准表综上，防渗体土料料场选为 3#下，1#下为备用料场，其中 3#下的设计干重度 为 17.48 KN/m ，1#下的设计干重度 为 15.54 KN/m 。d3 d34.2.2 坝壳料场选择料场开采和建筑物开挖的无粘性土（包括砂、砾石、卵石、漂石等） 、石料和风化料、砾石土等均可以作为坝壳料，并根据材料性质用于坝壳的不同部位。地震区不宜采用均匀中、细砂及粉砂。采用风化石料和软岩填筑坝壳时，应按压实后的级配研究确定材料的物理力学指标，并考虑浸水后抗剪强度的降低、压缩性增加等不利情况。对软化系数低，不能压碎成砾石土的风化石料和软岩宜填筑在干燥区。下游坝壳水下部位和上游坝壳水位变动区应采用透水材料填筑。应优先选用不均匀和连续级配的砂石料，一般认为不均匀系数 /60d30 100 时较易压实，而当 510 时不易压实。30d坝壳砂砾料填筑的设计指标以相对密实度表示如下：)/()(minaxmaxeeDr式中： 相对密实度；比重Gs最大干密度(g/cm3)最大干容重(KN/m3)设计干容重(KN/m3)流限（%）塑限（%）塑性指数天然含水量（%）渗透系数(10-6cm/s)有机含量(%)可溶盐含量(%)2.67 1.60 15.70 15.54 42.60 23.14 19.46 24.80 4.32 1.73 0.072.67 1.65 16.19 16.02 43.90 22.20 21.70 24.20 4.80 1.90 0.022.65 1.56 15.30 15.15 49.57 25.00 24.57 25.60 1.90 2.20 0.112.74 1.54 15.11 14.96 49.90 26.30 23.50 26.30 3.96 0.25 0.112.70 1.80 17.66 17.48 34.00 20.00 14.00 15.90 3.00 1.90 0.08- 26 -最大孔隙比；maxe最小孔隙比；in填筑的砂、砂卵石或地基原状砂、砂卵石的设计孔隙e比。施工控制指标用干重度 表示，其中 。ddminaxi)1(drdrD式中： 、 为沙砾料的最大、最小干重度，其余符号同前。maxdind在地震情况下，浸润线以上坝壳料要求填筑相对密实度 Dr 不低于 0.7，浸润线以下坝壳料要求填筑相对密实度 Dr 不低于 0.750.85，故本次设计中相对密实度取为 0.78。各料场砂砾石填筑标准计算如下：表 43 各砂砾石料场填筑标准表料场比重Gs d60 emax d10不均匀系数 emin设计孔隙比 e设计干重度天然e1 上 2.75 30 0.786 0.59 50.85 0.370 0.461 18.46 0.4812 上 2.74 24 0.786 0.58 41.38 0.370 0.461 18.39 0.5313 上 2.76 18 0.786 0.6 30.00 0.370 0.461 18.53 0.4494 上 2.75 27 0.786 0.7 38.57 0.370 0.461 18.46 0.4601 下 2.75 19 0.786 0.36 52.78 0.370 0.461 18.46 0.4812 下 2.73 29 0.786 0.7 41.43 0.370 0.461 18.33 0.4753 下 2.73 33 0.786 0.53 62.26 0.370 0.461 18.33 0.4814 下 2.72 30 0.786 0.69 43.48 0.370 0.461 18.26 0.511由各料场的级配曲线和不均匀系数可将主要砂砾石料场选为 1#下，2#下和4#上作为备用料场。计算得砂砾石设计孔隙比 e0.46，料场 1#下的 为d18.46 KN/m ，料场 2#下的 为 18.33 KN/m ，料场 4#上的 为 18.46 KN/m 。4.3 渗流分析土石坝渗流分析的目的是：（a）确定坝体浸润线和下游逸出点位置，绘制- 27 -坝体及地基内的等势线或流网图；（b）计算坝体和坝基渗流量，以便估算水库的渗漏损失和确定坝体排水设备的尺寸；（c）确定坝坡出逸段和下游地基表面的出逸比降，以及不同土层之间的渗透比降，以判断该处的渗透稳定性；（d）确定库水位降落时上游坝壳内自由水面的位置，估算孔隙压力，供上游坝坡稳定分析用；（e）确定坝肩的等势线、渗流量和渗透比降。4.3.1单宽渗透流量计算原理渗流计算方法应根据工程等级、地质条件和设计阶段等因素考虑。本次设计中用水力学进行渗流分析，根据坝内各部分渗流状况的特点，将坝体分为若干段，应用达西定理近似解土坝渗流问题，首先应做如下假定：1、坝体土是均质的，坝内各点在各方向的渗透系数相同；2、渗透水流为二元稳定层流状态，符合达西定律；3、渗透水流是渐变的，任一铅直过水断面内各点的渗透坡降和流速相等。进行渗流计算时，应考虑水库运行中可能出现的不利情况，常需计算以下几种水位组合情况：1、上游正常高水位与下游相应的最低水位；2、上游设计洪水位与下游相应的最高水位；3、上游校核水位与下游相应的最高水位；4、库水位降落时对上游坝坡稳定最不利的情况。本次设计中，在左岸、河床中部和右岸各取一个断面（左右两个断面取在高程2785m处） ，就前三种水位组合情况进行渗流分析，用有限深透水地基上土石坝的渗流计算来求解。假设：不考虑防渗体上游侧坝壳内的水头损失作用（坝壳的渗透系数 K=210cm/s，心墙的渗透系数 K =310 cm/s，混凝土防渗墙渗透系数 K =1102 06 1cm/s，则可看出防渗墙的渗透系数 K 比心墙的渗透系数以及坝壳土料的渗透9 1系数 K 、K 小很多） 。0由于砂砾料渗透系数较大且下游有排水，则认为逸出水与下游水位相差不大，认为不会形成逸出高度；将心墙简化成等厚度的矩形断面；对于岸坡断面，下游水位在坝底以下，水流从上往下流时由于横向落差，此时实际上不为平面渗流，但计算仍按平面渗流计算，近似认为下游水位为零，由于河床冲积层的作用，岸坡实际不会形成逸出点，计算时假定浸润线末端即- 28 -为坝址；考虑到截水墙下面的玄武岩是坚硬的，渗透系数较小，所以认为墙下基岩表层的绕坝渗漏量为零。沿坝轴线所取断面如下图所示。断面11和22采用混凝土防渗墙，故通过心墙防渗体和混凝土防渗墙的单宽渗透流量：10211 )()(ThHKhq通过防渗体后的单宽渗透流量：1222 )()4.(LhTLhKqt式中： 心墙粘土的渗透系数，本次设计中为 310 m/s；0K 8上游水深；1H通过心墙后浸润线高度；h心墙厚度；0混凝土厚度，本次设计中为 0.8m ；1混凝土防渗墙渗透系数,本次设计中为 110 m/s；K 9T透水地基的深度；地基的渗透系数；t- 29 -下游水深；2H坝壳的渗透系数，本次设计中为 210 m/s；K4墙后段透水地基渗径长度；L墙后段坝壳渗径长度；1断面 33 地基处理采用粘性土截水槽，故通过防渗心墙和地基截水槽的单宽渗透流量 022101 )()(ThHKq墙后段的单宽渗流量LhTLqt2)4.(2公式中的符号意义同前。根据水流连续条件 q ，可求得心墙后水深 h 和单宽渗透流量 q。124.3.2 总渗透流量计算由于沿坝轴线的各断面形状及地基地质条件并不相同，因此在计算通过坝体的总渗透流量时，可根据具体情况将坝体沿坝轴线划分为若干段，分别计算出每个断面的单宽流量，然后按下式计算全坝的总渗流量。 1121).()(2 nnlqqlqlQ式中： 、 断面 1、2、n 的单宽渗流量；1n、 、 相邻两断面之间的距离。l2l计算成果如下表所示：工况断面上游水头H1(m)心墙后水头h(m)下游水头H2（m）心墙厚度 0(m)透水层厚度T(m)坝基渗径L(m)心墙后坝壳渗径 L1(m)坝前渗透量 q1坝后渗透量 q2总渗透量(m 3/天)1-1 36 0.06 0 10.4 24 88.05 93.952.95E-062.95E-06正常水 2- 71.6 3.21 3.03 17.4 32 160.4 151 7.15 7.15E129.2- 30 -2 E-06 -06位3-3 36 0.30 0 10.62 3 87.94 87.942.13E-062.13E-061-1 37 0.06 0 10.4 24 88.05 93.953.08E-063.08E-062-2 72.6 5.55 5.3876 17.4 32163.39 153.997.2E-067.2E-06设计水位 3-3 37 0.32 0 10.62 3 87.94 87.942.24E-062.24E-06132.091-1 38 0.07 0 10.4 24 88.05 93.953.22E-063.22E-062-2 73.3 5.64 5.4738 17.4 32 163.5 154.17.31E-067.31E-06校核水位 3-3 38 0.33 0 10.62 3 87.94 87.942.36E-062.36E-06135.694.3.3 渗透稳定分析由上表知，大部分水头消耗于坝身防渗体部分，心墙之后的水头很小，而渗径较长，故心墙后的坝壳发生渗透破坏的可能性不大；坝身防渗体与混凝土防渗墙以及粘土截水槽之间的连接是按允许防渗坡降设计的，故发生渗透破坏的可能性也不大。而在坝身防渗体（心墙）内，有较大的水头降落，渗透坡降较大，故需验证其渗透稳定。本次设计中采用流网法进行验证。在渗流区某一网格的平均水力坡降 SHJ式中， ：相邻等势线之间的水位差，为负值；H：网格的平均流线长度。S为满足渗透稳定，须使各点的平均水力坡降 允许渗透坡降 JJ