心墙土石坝设计及泄水建筑物水面线计算

- 1 -摘 要本设计是粘土心墙土石坝水利枢纽设计。本设计根据碾压式土石坝设计规范和水工隧洞设计规范编写。在对西南某江流域的自然地理，水文气候特性，工程地质等各方面情况分析的基础上，通过调洪演算得到堰顶高程及溢流堰孔口净宽，并得到设计水位及其流量，校核水位及其流量。通过对坝址的地质地形料场位置的分析，定出坝轴线的位置。经过几种比较方案的技术可能性和经济合理性定性分析，其坝型定为心墙土石坝。在此基础上定性地对枢纽总体进行布置。第一主要建筑物的设计工作主要有以下几个方面。通过方案比较，选定坝的结构型式，拟定坝基防渗处理的形式及坝的主要尺寸。通过计算及土料各方面特性的分析确定粘土料场及沙砾料场的选用。选用坝体中间断面和左右坝肩各一断面进行渗流计算，确定渗透流量和逸出水深，并绘制流网图，验算渗透坡降是否满足要求。土石坝易于发生滑动失稳，故要对其稳定性进行计算。使用简单折线法通过编程计算在几种水位工况下上下游坝坡的最小安全系数，与规范比较验证其稳定性。最后拟定坝身构造，包括防渗，排水反滤层设施，坝顶，护坡等。本设计考虑其地理位置等因素确定采用隧洞泄洪。隧洞先确定结构型式及主要尺寸（进口段，平洞段和消能段） ，进行建筑总体布置。通过隧洞水力计算（主要为能量守恒的水面线计算）最终确定洞身尺寸及结构尺寸。最后对隧洞细部及放空洞进行设计。土石坝设计是坝工毕业设计的重要内容之一。本设计共历时 9 周完成。本坝工设计过程中得到了王玲玲老师的指导和帮助，在此致谢。对于本设计中的不妥及错误之处，恳请批评指正。关键词：土石坝 心墙 隧洞 水面线- 2 -AbstractThe design is clay core embankment dam design Water Control Project. According to the design “of roller compacted earth dam design specifications“ and “Code for Design of hydraulic tunnel“ to prepare. In the southwest of the physical geography of a river, hydro-climatic characteristics, such as engineering geology analysis of all aspects on the basis of the calculus has been through the flood elevation and the top weir overflow weir orifice width, and the design water level and flow, school nuclear level and flow.Through geological terrain of the site location analysis yard, set the location of the dam axis. After comparing several technical and economic rationality of the possibility of qualitative analysis, the dam type for core wall of earth-rock dam. On this basis the overall characterization of the hub to set up their equipment.The first design of the main buildings in the following areas. Through the program compared to the structure of the selected type of dam, impervious foundation to deal with the development of the form and size of the main dam. By calculating and soil characteristics of all aspects of the analysis of clay and sand yard yard Selection. Selection of dam cross-section and about the middle of a cross-section of the abutment seepage calculation to determine the penetration depth of flow and escape, and the mapping of network maps, checking whether or not to meet the requirements of penetration gradient. Prone to sliding of earth-rock dam failure, the result will be to calculate its stability. Line method through the use of simple programming in the several conditions on the downstream water level of the minimum safety factor of slope, validation and standardization of its stability. Finalization of the dam body structure, including the anti-seepage, drainage facilities filter layer, the top of the dam, slope protection and so on.The design considerations and other factors to determine its location using the flood discharge tunnel. Tunnel to determine the structure and main dimensions (Import paragraph, Ping-dong, and energy dissipation), the overall layout of the construction. Hydraulic calculation through the tunnel (mainly for conservation of energy of the water line) to determine the final hole size and body size. Finally, empty tunnel release details and design. Earth-rock dam design is an important aspect of graduation, one of the design. During the design of a total of nine weeks to complete. The design process of the dam - 3 -has been Wang Lingling teachers guidance and help in this thanks. For the design inappropriate and wrong, the urge criticism.Key words: earthdam core wall tunnel water line- 4 -目 录摘 要 - 1 -ABSTRACT .- 2 -第一章 前言 .- 8 -1.1 毕业设计主要目的和作用 .- 8 -1.2 设计的对象和背景 .- 8 -1.3 设计过程和方法 .- 8 -1.3.1 了解任务书和熟悉、分析原始资料 - 8 -1.3.2 洪水调节计算 - 8 -1.3.3 主要建筑物形式选择和水利枢纽布置 - 8 -1.3.4 第一主要建筑物 拦河坝设计 - 8 -1.3.5 第二主要建筑物 坝外泄水道设计 - 9 -1.4 预期效果 .- 9 -第二章 工程概况 - 10 -2.1 流域概况 .- 10 -2.2 气候特征 .- 10 -2.2.1 气温 - 10 -2.2.2 湿度 - 10 -2.2.3 降水量 - 11 -2.2.4 风力及风向 .- 11 -2.3 水文特征 .- 11 -2.3.1 年日常径流 .- 11 -2.3.2 洪峰流量 .- 12 -2.3.3 固体径流 .- 12 -2.4 工程地质 .- 12 -2.4.1 水库地质 .- 12 -2.4.2 坝址地质 .- 12 -2.4.3 地质构造 .- 15 -2.4.4 水文地质条件 .- 15 -2.4.5 地震 .- 15 -2.5 建筑材料 .- 15 -2.5.1 料场的位置与储量 .- 15 -2.5.2 物理力学性质 .- 16 -2.6 经济资料 .- 19 -2.6.1 库区经济 .- 19 -2.6.2 交通运输 .- 19 -2.7 枢纽任务 .- 19 -2.8 枢纽特征 .- 19 -2.8.1 发电 .- 19 - 5 -2.8.2 灌溉 .- 20 -2.8.3 防洪 .- 20 -2.8.4 渔业 .- 20 -2.8.5 其它 .- 20 -第三章 设计条件和设计依据 213.1 设计任务 .213.1.1 洪水调节计算 213.1.2 主要建筑物型式选择和水利枢纽布置 213.1.3 第一主要建筑物 大坝设计 213.1.4 第二主要建筑物 泄水建筑物设计 213.2 设计依据 .21第四章 洪水调节计算 224.1 洪水调节计算原理 .224.1.1 工程等别及建筑物级别 224.1.2 泄洪方式与水库运用方案 .224.1.3 调洪演算原理 234.2 堰顶高程及泄洪孔口的选择 .234.2.1 堰顶高程及孔口尺寸选择原则 234.2.2 方案拟定 234.3 调洪演算结果与方案选择 .234.3.1 调洪演算结果 244.3.2 方案选择 24第五章 坝型选择及枢纽布置 265.1 坝址及坝型选择 265.1.1 坝址选择 .265.2.1 坝型选择 265.2 枢纽组成建筑物 295.2.1 挡水建筑物 295.2.2 泄水建筑物 295.2.3 水电站建筑物 305.3 枢纽总体布置 .315.3.1 挡水建筑物 315.3.2 泄水建筑物 325.3.3 水电站建筑物 34第六章 大坝设计 356.1 土石坝坝型选择 356.1.1 土石坝坝型综述 356.1.2 该江水利枢纽工程坝型选择 356.2 大坝的轮廓尺寸与排水防渗体 .36- 6 -6.2.1 坝顶宽度 366.2.2 坝坡与戗道 366.2.3 坝顶高程 366.2.4 坝体排水 386.2.5 坝内防渗体 396.2.6 坝基防渗 406.2.7 护坡 406.2.8 坝面排水 426.3 土料设计 .426.3.1 粘性土料设计 466.3.2 坝壳砂砾料设计 506.4 渗流计算 .526.4.1 渗流计算方法 526.4.2 计算断面与计算情况 536.4.3 计算结果 556.4.4 渗透稳定分析 556.4.5 成果分析与结论 566.5 稳定分析计算 .566.5.1 计算方法 576.5.2 计算程序流程图 586.5.3 工况选择与稳定计算成果 596.5.4 稳定成果分析 596.6 大坝基础处理 .606.7 细部构造设计 .616.7.1 防渗体和排水设施 616.7.2 反滤层设计 616.7.3 护坡设计 636.7.4 坝顶布置 646.7.5 细部布置图 64第七章 泄水建筑物设计 677.1 泄水方案选择 .677.2 泄水隧洞选线与布置 .677.3 隧洞的体型设计 .707.3.1 进口建筑物 707.3.2 洞身断面型式和尺寸 717.3.3 出口消能段 717.4 隧洞水力计算 .727.4.1 设计条件 737.4.2 平洞段底坡 737.4.3 洞内水面曲线 737.4.4 出口消能计算 747.5 隧洞的细部构造 .75- 7 -7.5.1 洞身衬砌 767.5.2 衬砌分缝、止水 767.5.3 灌浆、防渗与排水 767.5.4 掺气槽 787.5.5 锚筋加固 797.6 放空洞设计 .80第八章 施工组织设计 818.1 导流方案 818.2 施工分期 818.3 导流工程规划布置 818.4 施工控制性进度 83参考文献 85- 8 -第一章 前言毕业设计是我们大学在校期间最后一个全面性、总结性、实践性的教学环节，它既是运用所学知识和技能，解决某一工程具体问题的一项尝试，也是我们走向工作岗位的前的一次“实战演习” 。1.1 毕业设计主要目的和作用（1）巩固、联系、充实、加深、扩大所学基本理论和专业知识，并使之系统化；（2）培养综合运用所学知识解决实际问题的能力，初步掌握设计原则、方法和步骤；（3）形成正确的设计思想，树立严肃认真、实事求是和刻苦认真的工作作风。（4）锻炼独立思考、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 设计的对象和背景本设计的对象和背景是为位于我国西南地区某江，进行以坝工为设计重点的工程设计。1.3 设计过程和方法1.3.1 了解任务书和熟悉、分析原始资料1.3.2 洪水调节计算用图解法确定防洪库容、设计（校核）洪水位与相应的下泄流量，为确定大坝高度和下游消能防冲设施提供设计依据。1.3.3 主要建筑物形式选择和水利枢纽布置对选定的坝型和枢纽布置方式，做技术可能性和经济合理性的论证。1.3.4 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。- 9 -1.选定坝的结构形式；拟定坝基防渗处的型式以及坝的主要尺寸。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 浸润线位置，确定总渗流量与逸出坡降。4.静力稳定计算，用折线法求出上下游坡在某一危险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。1.3.5 第二主要建筑物坝外泄水道设计1.确定结构形式和主要尺寸，进行建筑总体布置。2.进行必要的水力计算和静力计算，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。1.4 预期效果绘出 3 张工程设计图，并自行编制说明书与计算书，并编写中、英文的摘要。- 10 -第二章 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 气候特征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 2-21 月平均气温统计表（度）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 2-22 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 27.9- 11 -300 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 2-23 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。水库吹程为 15 公里。实测多年平均风速 14m/s。2.3 水文特征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- 12 -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 2-31 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 2-32 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 11 121 46 19 12 19 600 1240 1550 1210 670 390 28 372 36 17 11 15 530 1120 1360 1090 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 - 13 -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等，其物理力学性质见表 2-41、表 2-42。渗透性：经试验得出 k 值为 4.147.36 米/昼夜。表 2-41 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 2-42 全风化玄武岩物理力学性质试验表- 14 -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；细小颗粒小于 0.1 毫米。见表 2-43。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。(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。表 2-43 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含 中量细粒最小值 22.2 4.27 3530 12.0 1755 0- 15 -平均值 23.08 6.47 4034 18.2 2525 5.3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。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。2.4.5 地震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。- 16 -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 2-51表 2-54）(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。- 17 -表 2-51 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 24.818.9115.162.6742.260.73442.6023.1419.460.937.475.9517.8735.4833.231.6022.074.31724.6724.0 0.0211.730.0702#下 24.218.9115.182.6741.900.72143.9022.2021.700.917.254.1514.3541.7532.251.6521.02 4.80 25.5023.0 0.0201.900.0191#上 25.617.3513.032.6549.800.99049.5725.0024.570.878.838.0017.5031.0034.671.5622.30 1.90 23.1725.0 0.0262.200.1102#上 26.316.3712.842.7452.301.09349.9026.3023.500.694.504.3320.6736.2034.301.5423.80 3.96 21.5038.0 0.0330.250.1103#下 15.919.1116.642.7037.000.58034.0020.0014.000.676.409.0022.0035.0027.601.8016.90 3.00 28.0017.0 0.0101.900.080- 18 -表 2-52 砂砾石的颗粒级配颗 直径粒 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 2-53 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 2-54 各料场天然休止角料场名称 最小值 最大值 平均值- 19 -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 37102.6 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 2-61 各高程淹没情况高程（米） 2807 2812 2817 2822 2827 2832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。2.7 枢纽任务本工程同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合作用。2.8 枢纽特征- 20 -枢纽的特征尺寸与主要设备特性如下。2.8.1 发电装机 24 MW，多年平均发电量 1.05 亿度。本电站装 3 台 8MW 机组。正常蓄水位为 2823.2 米，限制洪水位为 2823.2 米，死水位为 2796.0 米，3 台机组满发时的流量为 44.1 秒立米，尾水位为 2752.2 米。厂房型式为引水式，厂房平面尺寸为 3213(米米)，发电机高程为 2760米，尾水管底高程为 2748 米，厂房顶高程为 2772 米。副厂房平面尺寸为326(米米)。安装场平面尺寸为 813(米米),开关站尺寸为 3020(米米)。2.8.2 灌溉增加保灌面积 1.5 万亩。2.8.3 防洪可减轻洪水对水库下游的威胁，过 100 年一遇和 200 年一遇洪水时，经水库调洪后，洪峰流量由原来 1680 秒立米和 2320 秒立米分别削减为 750 秒立米和825 秒立米。要求设计洪水时最大下泄流量限制为 900 秒立米, 校核洪水位不超过正常蓄水位 3.5 米。2.8.4 渔业正常蓄水位时，水库面积为 15 平方公里，为发展养殖业创造了有利条件。2.8.5 其它引水隧洞进口底高程为 2789.00 米，出口底高程为 2752.30 米；引水隧洞直径为 4 米，压力钢管直径 2.3 米，调压井直径为 12.0 米；放空洞直径为 2.5 米。可放空水库至水位 2770.00 米。21第三章 设计条件和设计依据3.1 设计任务在对原始资料进行综合分析的基础上，掌握设计意图，明确设计任务。3.1.1 洪水调节计算根据防洪要求，对水库进行洪水调节，选定泄洪方式和拟定泄洪建筑物的孔口尺寸；通过洪水调节计算确定防洪库容、上游设计和校核水位及相应的下泄流量。3.1.2 主要建筑物型式选择和水利枢纽布置本阶段任务包括：确定枢纽组成建筑物及其设计等级；通过不同方案的初步经济技术比较，选定坝型；确定水利枢纽的布置方案。3.1.3 第一主要建筑物大坝设计该阶段任务有：通过比较分析，确定大坝基本剖面型式和轮廓尺寸；拟定地基处理方案与坝身构造；进行水力和静力计算；进行细部结构设计。3.1.4 第二主要建筑物泄水建筑物设计本阶段要求确定泄水建筑物结构型式和轮廓尺寸，进行总体布置；拟定细部构造；进行必要的水力、静力计算与结构设计。3.2 设计依据设计过程中主要参考了以下文献：1. 碾压式土石坝设计规范2. 水工设计手册土石坝分册3. 土石坝地基防渗墙设计和计算4. 水工隧洞设计规范5. 国内土石坝资料汇编6. 水工建筑物 22第四章 洪水调节计算4.1 洪水调节计算原理本河流属于典型山区河流，洪水暴涨暴落。4.1.1 工程等别及建筑物级别一项水利枢纽的成败对国际民生有直接影响。但不同规模工程影响程度也不同。为使工程的安全可靠性与其造价的经济合理性适当统一起来，水利枢纽及其组成建筑物要分等分级，即先按工程的规模，效益及其在国民经济中的重要性，将水利枢纽分等，而后再对个组成建筑物按其所属枢纽级别，建筑物作用及重要性进行分级。枢纽工程，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。根据 SDJ1278水利水电工程等级划分及设计标准（山区、丘陵部分） ，由水库总库容指标（正常蓄水位为 2823.2m,其相应水库库容为 4.23 亿 m3，估计校核情况下库容不会超过 10 亿 m3）定为大（2）型；由防洪效益，灌溉面积，装机容量（24MW）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，最终由水库库容确定该工程规模为大（2）型（二等） 。主要建筑物为 2 级，次要建筑物为 3 级，临时建筑物为 4 级。永久建筑物洪水标准：根据防洪标准 GB50201-94 查出，正常运用（设计）洪水重现期 200100 年，取 100 年，对应设计洪峰流量 Q 设 = 1680m3/s（P=1%） ；非常运用（校核）洪水重现期 50002000 年，取 2000 年，对应校核洪峰流量 Q校 = 2320 m3/s（P=0.05%） 。4.1.2 泄洪方式与水库运用方案泄洪方式：由于地形条件的限制（无垭口） ，且泄流量不大，为减小工程开挖量，采用隧洞泄洪方案。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23随时都可能出现，任何时候都预留一定的防洪库容是必要的。4.1.3 调洪演算原理 采用以峰控制的同倍比放大法对典型洪水进行放大，得出设计与校核洪水过程线。拟定几组不同堰顶高程 及孔口宽度 B 的方案。堰顶自由泄流公式Q=m（2g） 1/2H3/2 可确定设计洪水和校核洪水情况下的起调流量 Q 调 ，由 Q 调开始，假定三条泄洪过程线，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，由三组（Q 泄 ，H）绘制的QH 曲线与由 Q=m（2g） 1/2H3/2 绘制的 QH 曲线相交，所得交点即为所要求的下泄流量及相应水位。 4.2 堰顶高程及泄洪孔口的选择调洪演算时需拟定几组不同堰顶高程 及孔口宽度 B 的方案，进行比较分析，取其优者。4.2.1 堰顶高程及孔口尺寸选择原则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很高，而且本工程下游允许流量为 900 m3/s，这样过大的下泄流量为下游所不能允许。如果堰顶高程取的高，孔口总净宽取的小，则结果与上述相反。4.2.2 方案拟定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化，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，初步拟定五组堰顶高程与孔口尺寸如下（采用两孔泄洪）：方案一： =2813m，B=7m；方案二： =2814m, B=7m方案三： =2812m, B=8m；方案四： =2811m, B=8m 方案五： =2810m，B=8m； 244.3 调洪演算结果与方案选择4.3.1 调洪演算结果本设计中拟定四组方案进行比较，成果见表 4-1。表 4-1 调洪演算成果方 案堰顶高程孔口尺寸(m)工 况流量 Q (m3/s)调节库容V(106m3)上游水位 (m)超高Z (m)=2813设计 552 459.00 2824.93 1.731B=7 校核 632 484.76 2826.07 2.87=2814设计 488 464.20 2825.16 1.962B=7 校核 576 489.96 2826.30 3.10=2812设计 687.5 450.42 2824.55 1.353B=8 校核 762.5 473.24 2825.56 2.36=2811设计 750 447.00 2824.40 1.204B=8 校核 825 467.40 2825.30 2.10=2810设计 808 442.60 2824.20 1.005B=8 校核 900 463.50 2825.13 1.93注：发电引水量 Q=44.1 m3/s，与总泄量相比较小，调洪演算未作考虑，仅做安全储备，Z为正常蓄水位以上超高。4.3.2 方案选择25从调洪演算结果来看，拟定的五组方案均能满足流量 Q 不超过 900 m3/s,上游水位超高 Z3.5m 的要求 ,从这个角度看五组方案都是可以的。因而方案的选择要通过技术经济比较选定(本设计中仅作定性说明),同时也应考虑与导流洞相结合的问题。方案 1 与方案 4 相比，方案一 Q/B 较小，可降低闸门及启闭设备造价，但Z大造成主体工程量大而不予采用；方案 2 与方案 4 相比，方案二 Q 较小，不利于泄洪，且Z 大造成主体工程量大，故不予采用；方案 3 与方案 4 相比，方案三较大，故隧洞开挖量较小，但Z 大，主体工程量较大，也不予采用；方案 5 与方案 4 相比，方案五 Q 过大，接近下游泄流承受能力，安全度不够故不予采用。综上所述，采用方案 4，即堰顶高程 =2811m，溢流孔口净宽 B=8m。该方案的设计水位 设 =2824.40m，设计泄洪流量 Q 设 =750 m3/s；校核水位 校 =2825.30m，校核泄洪流量 Q 校 =825m3/s。 26第五章 坝型选择及枢纽布置坝址和坝型选择与枢纽布置密切相关，不同坝轴线适用于不同的坝型和枢纽布置。同一坝址也可能有不同的坝型和枢纽布置方案。必须根据综合利用要求，结合地形、地质条件，选择不同的坝址和相应的坝轴线，作出不同坝型的各种枢纽布置方案，进行技术经济比较，然后才能择优选择出坝轴线位置及相应的合理位置和枢纽布置。5.1 坝址及坝型选择5.1.1 坝址选择经过比较选择地形图所示河弯地段作为坝址，并选择-、-两条较有利的坝轴线，两轴线河宽基本相近，从而大坝工程量基本相近。从地质图上可以看出：-剖面，河床覆盖层厚平均 20m，河床中部最大 34m，坝肩除了 10m 左右范围的风化岩外，其余为坚硬玄武岩，地质构造总体良好。-剖面出与-剖面具有大致相同厚度的覆盖层及风化岩外，底部玄武破碎带纵横交错，渗流比较严重，需要进行的地基处理工程量大。综合考虑以上因素，坝轴线选在-剖面处。而且挡水建筑物按直线布置，坝轴线布置于河床较窄处，以尽量减少工程量，减低工程造价。5.2.1 坝型选择坝型选择是坝工设计中首先要解决的一个重要问题，因为它关系到整个枢纽的工程量、投资和工期。坝高、筑坝材料、地形、地质、气候、施工和运行条件等都是影响坝型选择的主要因素。5.1.1.1 各种常见坝型比较水利枢纽中的挡水建筑物拦河坝常见的主要型式有：重力坝、拱坝、支墩坝、27土石坝及新型坝型如碾压混凝土坝、面板堆石坝等。下面根据本工程的地形、地质条件和材料储备情况对以上坝型进行比较，选择适合的坝型。（1）拱坝拱坝是在平面上呈凸向上游的挡水建筑物，借助拱的作用将上游水压力的全部或部分传给河谷两岸的基岩。拱坝的工作原理：一是依靠拱的作用，将力传给拱座；二是依靠悬臂梁的作用将力传给基岩。其主要特点：1)受力条件好，河谷形状深窄较好；2)坝体积小，主要依靠拱作用维持稳定，自重作用影响不大;3)超载能力强，安全度高；4)抗震性能好；5)施工技术要求高，地基处理要求严格。根据拱坝的特点，要求建造于狭窄河谷上；对地质较理想的条件是岩石尽量密致，质地均匀，有足够的强度、不透水性和耐久性；两岸拱座基岩坚固而完整，边坡稳定，没有大的断裂构造和软弱夹层。而本工程地形河谷较宽，特别是地质条件较差：断层裂隙发育，岩石破碎，强度低，根据实验，相对不透水层埋藏较深，透水层属中等严重透水层，若建造拱坝，则开挖量必然巨大，且大坝的安全性不高，故不宜建拱坝。（2）支墩坝支墩坝是由一系列支墩和其支承的上游挡水盖板所组成，库水压力泥沙压力等由盖板传给支墩，再由支墩传给地基。支墩坝结构较复杂，且对地质条件要求和拱坝一样高，故对本工程，不宜采用支墩坝的型式。（3）重力坝重力坝工作原理：一是依靠把体自重在靶机面上产生摩阻力来抵抗水平水压力以达到稳定要求；二是利用坝体自重在水平面上产生压应力来抵消由于水压所引起的拉应力以满足迁都要求。重力坝的主要特点：1)抗冲刷能力强；2)结构简单；3)对地形地质条件适应性能好；4)坝体与地基的接触面积大，受扬压力影响大；5)重力坝的剖面尺寸较大；286)坝体体积大，水泥用量多，混凝土水化热高，散热条件差。对于本工程，地质条件差，地基承载能力较低，且弱风化岩与混凝土之间的摩擦系数 f=0.50.6,为达到稳定要求必然增加断面面积，增加工程量，而且，用来拌和混凝土的砂砾石料只有在理坝址 1015km 处才有料场，这样会大大增加工程造价，不合理，故不宜选用重力坝。（4）土石坝通过以上几种坝型分析，并结合本工程坝址附近具有储量丰富且质量较好的堆石料和河谷内地地形平坦采运方便的情况，建议采用土石坝（又称为当地材料坝）的型式。土石坝的特点：1) 筑坝材料就地取材，节省大量钢材、水泥、木材等建筑材料。2) 适应地形变形能力强。土石坝三立体结构具有适应地基变形的良好条件，对地基的要求比混凝土坝的低；3) 施工方法选择灵活性大。能适应不同的施工方法，且工序简单、施工速度快，质量容易保证。4) 结构简单，造价低廉，运行管理方便，工作可靠，便于维系加高。不足之处：1) 坝顶不能溢流，常需另开溢洪道或泄洪隧洞；2) 施工导流不如混凝土坝方便，因而相应也增加了工程造价；3) 坝体断面大，土料填筑的质量易受气候影响。5.1.1.2 土石坝各坝型比较我国幅员辽阔，各种自然条件、土料特性等千差万别，需要根据具体情况，发展和选择适宜形式的土石坝。（1） 均质坝、土质防渗体的心墙坝和斜墙坝均质坝、土质防渗体的心墙坝和斜墙坝可以适应任意的地形、地质条件；对筑坝土料的要求逐渐放宽；既可采用先进的施工机械进行建造，在条件不具备时，也可采用比较简单的施工机械修筑，因而对我国的中小型工程是值得优先考虑的坝型。均质坝坝体材料单一，施工方便，当坝址附近有数量足够的适宜土料时可以选用。这种坝所用的土料的渗透系数较小，施工期坝体内会产生孔隙水压力，影响土料的抗剪强度，所以，坝坡较缓，工程量大。一般适用于中、低高度的坝，但近年来也有向高坝发展的趋势，特别是在具有较大内摩擦角的含粘性的砂质和29砾质土的情况下，由于在坝的中部设置竖向和水平排水，可以大大降低坝体内的浸润线，并减少孔隙水压力。心墙坝和斜墙坝的土质心墙和斜墙便于与坝基内的垂直和水平防渗体系相连接，心墙和斜墙坝可以在深厚的覆盖层上修建。这种坝型不仅适宜于建低坝，也适宜于建高坝。斜墙坝的坝壳可以超前于防渗体提前进行填筑，而且不受气候条件限制，也不依赖于地基灌浆施工的进度，施工干扰小。但斜墙坝由于抗剪强度较低的防渗体位于上游面，故上游坝坡较缓，坝的工程量较大。斜墙对坝体的沉降变形也较为敏感，与陡峻河岸的连接较困难，故高坝中斜墙坝所占的比例较心墙坝为小。高度超过 100m 的斜墙坝，绝大多数采用内斜墙，即斜墙坡度变陡，斜墙上游还填筑一部分坝壳。目前世界上已建的高 200300m 级的土石坝几乎都是心墙坝。碾压技术的进步和采用砾石土作为防渗体为建造高心墙坝创造了条件。心墙的坡度超过 1:0.5 时，会影响坝坡的稳定，需将坝坡放缓。近年的发展趋势是采用薄心墙，这样有利于降低孔隙水应力。心墙土料的压缩性较坝壳料高，易产生拱效应，对防止水力劈裂不利，对坝的安全有影响。为此，很多高坝都采用斜心墙，其上游坡设计成 1:0.51:0.6，以利于克服拱效应和两侧坝壳平起上升，施工干扰大，受气候条件的影响也大，这是其弱点。高的心墙坝和斜墙坝多作成分区坝或多种土质坝，从防渗体到坝壳料，颗粒由细到粗逐步过渡，这对于充分利用土石料，增加坝的稳定性和抗震能力都是有利的。就本工程而言，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，且坝址位于该江中游地段的峡谷地带，河床比较平缓，坡降不大，两岸高山耸立。构成高山深谷的地貌特征。因而土石坝必须充分考虑坝体与陡峭的河岸的连接稳定问题，而且坝址周围粘土料储量丰富。所以，本工程采用粘土心墙土石坝。5.2 枢纽组成建筑物5.2.1 挡水建筑物枢纽挡水建筑物选用心墙土石坝方案。5.2.2 泄水建筑物本设计采用的坝型为粘土心墙土石坝，因此泄水建筑物不能布置于河床，根据本工程的地质、地形条件，对正槽溢洪道、侧槽溢洪道及泄水隧洞进行比较选择。30泄水隧道布置的一般原则是：地质条件好，路线短，水流顺畅，与枢纽其它建筑物无相互不良影响。洞线宜选择在沿线地质构造简单，岩体完整稳定，岩石坚硬，上覆岩层厚度大，水文地质条件有利和施工方便的地段。避开围堰破碎地下位很高或渗水量很大的岩层和可能坍滑的不稳定地带，同时防止洞身离地表太浅。正槽溢洪道：以宽顶堰或各种实用堰为溢流控制的河岸溢洪道，蓄水时控制堰（设闸门或不设闸门）与拦河坝一起组成挡水前缘，泄洪时堰顶高程以上的水可自堰顶溢流而下，并经一条顺过堰流向的陡坡泄槽泄往下游河道。水力学上的特点是：泄流能力完全由堰的型式、尺寸以及堰顶水头决定，过堰流量稳定于某一值后，泄槽各断面流量也随之都达到同一值，故水流平顺稳定，运用安全可靠。结构简单，施工方便，因而为大中小型工程广泛采用，尤其是拦河坝为石土坝的水库。但应注意，在高水头、大流量以及不利的地形、地质条件下，溢洪道的兴建要解决高速水流所引起的一系列水力学和结构问题。从地形条件说，溢洪道应位于路线短和土石方开挖量少的地段；从地质条件说，溢洪道应力争位于较坚硬的岩基上。侧槽溢洪道：当拦河坝难以本身溢流，且两岸陡峭，布置正槽溢洪道将导致巨大开挖量时，侧槽溢洪道可能成为经济合理的泄洪建筑物。与正槽溢洪道相比，侧槽溢洪道的前缘可少受地形限制，而向上游库岸延伸，由增加溢流前缘长度而引起的开挖量增加减少，从而可以较长的溢流前缘换取较低的调洪水位，或者换取较高的堰顶高程。当无闸门控制时后者突然增加了兴利库容，对中小型工程尤有利。侧槽溢洪道的水流现象相对复杂。泄洪时沿溢流前缘全长同时进水，进槽水的水流并须立即弯近 90，顺槽轴线流向下游，对不同的侧槽横断面，其所通过的流量不同。在侧槽范围内水流是沿程变量的非均匀流。侧槽的水流现象复杂，并不仅表现在流量的沿程变化上，水流自侧槽堰跌入侧槽之后，在惯性作用下冲向侧堰对岸壁，并向上翻腾，然后在重力作用下转弯向下游流去。这样在槽中就形成一个横轴螺旋流。泄水建筑物包括泄洪隧洞和放空洞，均与导流隧洞结合。本工程由于坝址处较窄，山坡陡峭，山脊高，且两岸山坡没有天然垭口 ，如采用明挖溢洪道的方案，则会造成开挖量大，造价较高。因而通过以上比较采用隧洞泄洪，并考虑与施工导流洞相结合。5.2.3 水电站建筑物包括引水隧洞、调压井、压力管道、电站厂房、开关站等。装机容量 24MW，多年平均发电量 1.2 亿度。本电站装 3 台 8 MW 机组。正常