本科毕业设计-D江水利枢纽设计

D江水利枢纽工程设计张霞〔甘肃农业大学工学院05级水利水电工程〕摘要：适当修建大坝可以实现一个流域地区发电、防洪、灌溉的综合效益D江位于我国西南部地区，通过对其地形地质、水文资料、气候特征的分析，结合当地的建筑材料，设计适合的枢纽工程来帮助流域地区实现很好的经济效益。根据防洪要求，对水库进行洪水调节计算，确定坝顶高程及泄洪建筑物尺寸；通过分析，对可能的方案进行比拟，确定枢纽组成建筑物的形式、轮廓尺寸及水利枢纽布置方案；详细作出大坝设计，通过比拟，确定坝的根本剖面与轮廓尺寸，拟定地基处理方案与坝身构造，进行水力、静力计算；对泄水建筑物进行设计，选择建筑物的形式、轮廓尺寸，确定布置方案，拟定细部构造，进行水力、静力计算。水库建成后，可建装机容量约为24MW的水电站，多年平均发电量可达1.05亿度；可增加灌溉面积约10万亩；水库配合下游河道整治等措施，可以很大程度的减轻洪水对下游城镇、厂矿、农村、公路、铁路以及旅游景点的威胁；可为开展养殖创造有利条件。关键字：坝型选择枢纽布置大坝设计根底处理综合说明D江是我国西南部的一条河流，根据河流规划拟建一座水库，本设计的任务是进行水库水利枢纽工程设计。水库建成后，可建装机容量约为24MW的水电站，多年平均发电量可达1.05亿度；可增加灌溉面积约10万亩；水库配合下游河道整治等措施，可以很大程度的减轻洪水对下游城镇、厂矿、农村、公路、铁路以及旅游景点的威胁；可为开展养殖创造有利条件。经对所给流域概况、地形地质条件、水文、气候和库区建筑材料进行分析，D江水利枢纽工程设计报告分5局部：1、工程等级及建筑物级别确定。分析工程级别确定因素，确定工程等级为二。2、调洪演算与泄洪方案的选择。调洪演算根据水量平衡，采用列表试算法，对不同泄洪方案进行计算，最终选定最优方案。3、坝型选择和枢纽布置。分析坝址区地形、地址条件和坝址区的建筑材料，从经济角度考虑坝型确定为砂砾石坝。对挡水建筑物、泄水建筑物和水电站建筑物，根据地形地质条件做出了总体布局。4、大坝坝型的选择。定性的分析了均质坝、堆石坝、塑性心墙坝、塑性斜墙坝和斜心墙坝的优缺点，选定斜心墙坝作为本设计的大坝形式。5、坝基处理方案。根据坝址地质条件，对不同地质条件的坝基，采用相应的处理方法。设计依据《水工设计手册〔土石坝〕》、《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准〔山区、丘陵区局部〕〔试行〕补充规定〔SDJ12-78〕》、《土石坝平安监测技术标准〔SL60-94〕》以及国家、水利颁发的现行标准，结合该水库设计、施工、竣工、运行、情况等资料，在许建老师的指导下，对设计中的不合理之处进行了进一步地修改，最后编制完成了《D江水利枢纽工程设计任务书》。1设计根本资料1.1枢纽任务及设计要求流域概况D江位于我国西南部地区，流向自西向东南，全长约122公里，流域面积为2558平方公里，在坝址以上流域为780平方公里。本流域大局部为山岭地带，山脉、盆地相互交错期间，地形变化剧烈，流域内支流很多，但多为小的河流。地表大局部为松软砂岩、页岩、玄武岩以及石灰岩的分化层，讯期河流含沙量较大，冲击层较厚，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，全区农田面积仅占全区面积的20%，林木面积占全区面积的30%，其种类有松、杉等。其余为荒山及草皮覆盖。气候特征〔1〕气温年平均气温约为℃，最高气温约为℃，发生在7月份，最低气温为℃，发生在1月份。〔2〕湿度本区域气候特征为冬干夏湿，每年11月至次年4月特别枯燥，其相对湿度在51~73%之间，夏季因降雨日较多，想对湿度随之增大，一般变化范围为67~86%。〔3〕降雨量最大年降雨量可达1213毫米，最小为617毫米，多年平均降水量为905毫米。〔4〕风力及风向一般1—4月风力较大，实测最大风速为/秒，相当于8级风力，风向为西北偏西。水库吹程为15公里。水文特征D江径流的主要来源为降水，在次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，一般是每年五月至六月初河水开始上涨，汛期开始，十月以后，洪水下降，那么枯水期开始，直到次年五月。D江洪水形状陡涨猛落，峰高而瘦，具有山区河流的特征，实测最大流量为700立方米/秒，而最小流量为0.5立方米/秒。年日常径流：坝址附近水文站有实测资料8年，参考邻近测站水文资料，经延长后有22年水文系列，多年平均流量为17立方米/秒。洪峰流量：经频率分析，求得不同频率的洪峰流量如下表所示表1-1流量、频率关系表频率0.05%1%2%5%10%流量23201680142011801040工程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露问题不大。但水库蓄水后，两岸的坡积与残积等物质的塌岸是不可防止的，经过勘测估计可能塌方量约为300万立方米。〔在考虑水库淤积是可作参考〕坝址位D江中游地段的峡谷地带，河床比拟平缓，坡降补台大，两峰高山耸立，构成高山峡谷的地貌特征。河床冲积层主要为砂砾石类，砂质粘土与砂层均较少，且多呈现透镜状体，并有大漂石渗杂其中。卵砾石成分以玄武岩为主，石灰岩和砂岩占极少数，沿河谷内分布。坝基局部冲基层厚度最大为32米，一般为20米左右，靠岸边最薄为几米，其颗粒组成以卵砾石为主，细少颗粒为数极少，卵石直径一般为10-100毫米，砾石直径一般为2-10毫米，细小颗粒直径小于。经抽水试验。测得冲积层渗透系数K值为3×10？-1×10？厘米/秒。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，一组走向与岩石走向几乎一致，即东北方向，倾向西北；另一组的走向与岩石倾向大致相同，倾角一般都较大，近似垂直，裂隙清晰，且为钙质泥质物所充填，节理间距密者即有一条，疏者3-5你即有一条，所以沿岸常见有岩块崩落的现象。上述节理主要在砂岩、泥灰岩及玄武岩之类的岩层中产生。本地区地形高差大，缺乏强烈水层，故地下水不丰富，对工程比拟有利。根据压水试验资料，玄武岩中透水性不同，裂隙少坚硬完整的玄武岩为不透水性，其压水试验的单位吸水量小于0.001〔min.m〕。加于玄武岩中的凝灰岩以及裂隙甚少的火山角砾岩均为不透水性岩，正因为这些隔水层与透水的玄武岩的存在，是玄武岩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，除因构造裂隙较发育，上部裂隙水较多外，深处岩层因隔水层的层次多，难以形成泉水。石灰岩地区外围岩石较多为不透水层。渗露问题不存在。水文地质条件固体径流：D江为山区性河流，含沙量大小而变化，平均含沙量达/立方米。枯水极少，河水清澈见底，初估计30年后坝前淤积高程为2765米。水文资料:〔1〕水库水位与库容关系曲线。〔2〕设计洪水位过程线和校核洪水位过程线。地震情况本地区地震烈度定为7度，基岩与砼之间的摩擦系数取0.65。料场的位置和储量见坝区地形图。由于河谷内地形平坦，采用较方便。坚硬玄武岩可作为堆石坝料，储量较丰富，在坝区附近有石料场一处，覆盖层浅，开采条件好。〔1〕坝址上游3公里处和下游2公里处各有一处砂卵石料场，储量分别为4000万立方米和2600万立方米，经实验，其砂砾含量为55~65%，干容重为2.12吨/立方米，摩擦角为31º，相对紧密度为D=0.75，渗透系数为/s。〔2〕粘土料场据库区170公里，经实验其天然干密度为1.62吨/立方米，凝聚力为/平方米。料场距公路有6公里的山路，不能满足5吨以上的汽车行驶。〔3〕距库区790公里的L市有一大型石油化工厂，生产各种型号的建筑沥青。距工地120公里的铁路干线也经过L市。库区经济库区经济：流域内都为农业人口，多种植稻米、玉米等。库区尚未发现可开采的矿产。交通运输交通运输：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，因此交通方便。其他坝区地形图一张；坝轴线附近地质剖面图〔Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ两个〕、隧洞纵剖面地质图一张；水库库容、面积与水位关系曲线、坝区流量与水位关系曲线、典型洪水过程线图各一张。2工程等级及建筑物级别根据水利电力部颁发的SDJ12-78标准规定：(1)该水库可灌溉面积为10万亩，确定工程等级为三等，大型工程。(2)装机容量为24MW，工程等级为二等，中型工程。(3)正常蓄说位时库容为3.86亿立方米，属二等大〔2〕型工程。结合该枢纽工程本身防洪要求，依据河流不同洪峰流量及设计与校核洪水位过程线，确定库容为该工程控制因素，那么确定该水利枢纽为二等大〔2〕型工程，主要建筑物级别为2级，确定永久性建筑物正常运用洪水标准为100年，相应洪峰流量，非常运用洪水标准为2000年，洪峰流量。3洪水调节计算一典型洪水过程线，采用同倍比放大法将其放大成一条设计洪水过程线和一条校核洪水过程线。对于设计洪水采用频率为1%的洪水过程，将频率为1%的洪水最大流量和典型洪水最大流量相除得到一放大倍比〔14.06〕，用这个比值将典型洪水过程线放大成设计洪水过程线；同理，采用频率为0.05%的洪水过程线得到校核洪水过程线，放大倍比为19.41。3.2调洪演算及方案选择泄洪方式及水库运用方式(1)泄洪方式坝址附近及上游均无适宜的马鞍形垭口来布置溢洪道，所以假设布置溢洪道须采用开挖方式，根据坝址地形，坝址位于河床较平缓的峡谷地带，坡降不太大，两峰高山耸立，右岸等高线较平顺，左岸等高线弯曲，开挖量太大，经济上不合理，所以本案泄洪方式可采用水工遂洞，沿右岸布置，穿过右峰，利用左岸凸出地形，排向下游河道，且此方案与施工导流结合在一起，初期开挖遂洞，用于施工导流，工程完工后在适当高程开挖泄洪遂洞与导流遂洞相通，再将前段堵塞，形成“龙抬头”的导流泄洪结合的遂洞。(2)水库运用方式当洪水来临时来多少泄多少，当来水量小时，采用闸门控制，使得来水量等于下泄量。闸门随着来水量的增大而增大，直至全开，当最大下泄流量到达下游允许的平安泄量时，采用闸门控制使得最大下泄流量不大于下游允许的平安泄量。来水量变小后闸门逐渐关小，当来水量再次等于下泄量时，水库水位到达最高，闸门也不再关小，水库继续泄水，水库水位逐渐回降。防洪限制水位的选择由于D江洪水形状陡涨猛落，峰高而瘦，具有山区河流特性，那么采用防洪库容和兴利库容完全分开的方法。从防洪平安要求出发，应按洪水最迟来临情况预留防洪库容。此时，水库正常蓄水位既是防洪限制水位。调洪演算(1)洪水调节计算原理：水库水量平衡方程：〔3–1〕蓄泄方程：〔3–2〕泄流方程：〔3–3〕其中：、—时段初入库、出库流量；、—时段末入库、出库流量。、—时段初、末水库蓄水量。B—溢洪道净宽。h—堰上水头。m—流量系数。m=0.502。根据所选曲线型实用堰的剖面形式，流量系数m取决于上游堰高与剖面定型设计水头之比P/h和堰上全水头与堰剖面定型设计水头之比H/h。由经验和条件确定。ε—侧收缩系数。ε=0.86。WES剖面型实用堰的侧收缩系数可由下经验公式ε=1-0.2[ξk+(n-1)ξ0]H/b确定ξk、ξ0—边墩、闸墩形状影响系数〔本设计中边墩、闸墩取尖角型〕H、b—堰上全水头和闸孔的宽度n—堰顶闸孔数(2)计算方法对于假定的Δt时段内，Q、Q2、q、V，欲求q2、V2。假定一个V2，在库容—水位曲线上可以查得与V2相对应的Z2，由选定的堰顶高程Δ得h=Z2-Δ，代入式〔3–3〕求得q2，再将q2代入式〔3–1〕中反算出V2′，假设V2=V2′，那么试算完成。否那么重新假定V2，直到满足为止，再转入下一时段计算，此即采用的列表试算法表3-1计算方案方案一二三四堰顶高程Δ〔m〕2809281028112810堰顶宽度B〔m〕7788堰顶高程及泄洪形式的选择：〔1〕由于本水库属大(2)型枢纽，所以，采用有闸门控制的泄洪道。〔2〕本设计中取ε=0.86、m=0.502。〔3〕具体调洪演算过程见表3-3至表3-10。方案选择方案工况q(m³/s)V(×105上游水位正常蓄水位超高2809一1%590392870.05%691.641762810二1%396570.05%63742302811三1%560400080.05%42262810四1%602392880.05%41762822.90从表3-2中可以看出，校核情况下，溢洪道宽度增大，那么水库的最高洪水位越低，最大下泄流量越大。本工程下游防洪要求较小，所以对所取的B=8m、7m，都满足允许最大单宽流量要求。从经济上分析工程存在溢洪道越宽，闸门及溢流体等费用增加超过坝高降低带来的费用减少情况。既希望溢洪道宽度越小越经济，所以满足要求又费用最小的方案一B=7m、Δ=2809m为所选。表3-2调洪演算结果汇总表表3-3方案一p=1%调洪演算过程表时段Ｑ(m³/s)(m³/s)q(m³/s)(m³/s)ΔV(105V(105Z(m〕(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)3600192379227319.914004065111096820684416171056004166528-334564133403666．98-563504077表3-4方案一p=0.05%调洪演算过程表时间Ｑ(m³/s)(m³/s)q(m³/s)(m³/s)ΔV(105V(105Z(m〕〔1〕〔2〕〔3〕〔4〕〔5〕〔6〕〔7〕〔8〕3600126167951137261649283890365673926493-204193906368-443173862281245表3-5方案二p=1%调洪演算过程表时间Ｑ(m³/s)(m³/s)q(m³/s)(m³/s)ΔV(105V(105Z(m〕〔1〕〔2〕〔3〕〔4〕〔5〕〔6〕〔7〕〔8〕3600133168037331785183911505733961-83953-343213919284247表3-6方案二p=0.05%调洪演算过程表时段Ｑ(m³/s)(m³/s)q(m³/s)(m³/s)ΔV(105V(105Z(m〕(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)36001942250379418602901470408411591218484205733216184226542-214664205413-453604160表3-7方案三p=1%调洪演算过程表时间Ｑ(m³/s)(m³/s)q(m³/s)(m³/s)ΔV(105V(105Z(m〕〔1〕〔2〕〔3〕〔4〕〔5〕〔6〕〔7〕〔8〕360013444037332821819503914515753965-74245323958373525-333225183925表3-8方案三p=0.05%调洪演算过程表时段Ｑ(m³/s)(m³/s)q(m³/s)(m³/s)ΔV(105V(105Z(m〕(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)36001912150379118252891500408011801228604202740216204223545-224706444221-473634174表3-9方案四p=1%调洪演算过程表时间Ｑ(m³/s)(m³/s)q(m³/s)(m³/s)ΔV(105V(105Z(m〕〔1〕〔2〕〔3〕〔4〕〔5〕〔6〕〔7〕〔8〕360012651137262821649303890750345703924495-214205863903370-453203858283246表3-10方案四p=0.05%调洪演算过程表时段Ｑ(m³/s)(m³/s)q(m³/s)(m³/s)ΔV(105V(105Z(m〕(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)360019223103792187027414034066113096830416236057074165530-364554129-5935440704大坝选择及枢纽布置坝址选择〔1〕地形、地貌条件分析地形平面图，D江在I-I剖面处形成峡谷，河床比拟平缓，坡降不太大，两岸高山耸立，构成高山深谷的地貌特征。上游地形开阔，有利于形成较大库容的水库。下游地形平坦，有利于布置发电厂房和各类水工建筑物。该处地形适宜于修建高坝。〔2〕地质条件分析地质剖面图，I-I地质面图显示：该断面河床冲积层以碎石为主，砂质粘土层和砂层均较少，且多呈透镜体状并有大漂石掺杂其中，卵砾石以玄武岩为主，石灰岩和砂砾岩占极少数，最大冲积层厚度为32米，平均厚度20米左右，靠岸边最薄为几米，冲积层下部岩层以坚硬的玄武岩为主我，夹杂少量破碎玄武岩和火山角砾岩，是较为理想的土石坝地基。综合地质、地形条件，坝址选在I-I剖面较为理想坝型选择〔1〕拱坝拱坝主要是利用了拱形结构的特点，获得平安经济的效果，拱的作用越大，拱坝的优越性越大。拱的作用发挥得是否充分，在很大程度上取决于地形和地质条件。〔a〕地形条件修建拱坝的理想地形，应该是狭窄而对称的河谷断面，岸坡平顺无突变，在平面上顺水流方向呈漏斗形，两岸岩体雄厚。(b)地质条件拱坝对地质条件的要求比其他任何坝型都高，两岸岩体必须能够承受拱端的巨大推力，在任何情况下都应保持稳定，以确保大坝平安。且修建拱坝的理想地质条件应该是比拟均匀、完整、地质构造简单、抗压强度高、抗水性能好和不易变形的巩固岩石地基，尤其必须特别注意两岸拱座岩石的稳定性。但这样理想的地基是不多的。(2)重力坝重力坝是主要依靠自身重量保持坝体稳定和满足强度要求，与其他坝型比拟具有以下的主要特点。(a)泄洪和施工导流比拟容易解决。(b)材料强度一般不能充分发挥。(c)受扬压力影响较大。(d)水泥用量多、需要温控散热措施。(e)对地形地质的适应性较好。地形条件对重力坝影响不大，几乎任何形状的河谷断面均可建造重力坝。重力坝对地基的要求虽比土石坝高，但一般强度岩基均可满足要求，因为重力坝在沿坝轴线的方向被横缝分割成假设干独立的坝段，所以能很好的适应岩石物理情况的变化和各种非均质的地基。(3)土石坝土石坝的适应变形能力较强，对地基的要求低，几乎在任何地基上都可修建。在适宜修建混凝土高坝的优良坝址越来越少的情况下，土石坝将得到更大的开展。〔a〕土石坝的抗冲能力低，决不允许水流漫坝，〔b〕必须采取防渗措施〔c〕土石坝体积庞大，一般不会产生整体滑动〔d〕在自重及水压力作用下，会有较大的沉陷库区有丰富的土石坝筑坝材料，坝基冲积层的渗透系数小，可以做混凝土防渗墙或粘土截水墙来进行坝基防渗，因而采用土石坝。〔1〕挡水建筑物：土石坝。〔2〕泄水建筑物：包括泄洪洞和放空洞，均与导流隧洞结合。〔3〕水电站建筑物：包括引水隧洞、调压井、压力管道、电站厂房等。挡水建筑物挡水建——土石坝挡水建筑物按直线布置，坝布置在河弯地段上。泄水建筑物泄洪隧洞泄水建筑物——泄洪隧洞泄洪采用隧洞方案，为缩短长度、减小工程量、泄洪隧洞布置在凸岸，这样对流态也较为有利，考虑到引水发电洞也布置在凸岸，泄洪隧洞布置以远离坝址和厂房为宜。为减少泄洪时影响发电，引水发电洞和泄洪隧洞进出口需相距一定距离。水电站建筑物引水隧洞、电站厂房布置于凸岸，在泄洪隧洞与大坝之后，由于风化岩层较深，厂房布在开挖后的坚硬玄武岩上，开关站布置在厂房的旁边。综合考虑各方面因素，最后确定枢纽布置。5大坝设计影响土石坝选型的主要因素有：坝址附近的筑坝材料、地形地质条件、气候条件、施工技术条件、地基处理方法、抗震要求等。选择几种比拟优秀的坝型进行工程量、工期、造价的比拟，最后选择技术上可行、经济上合理的坝型由于本设计限于资料条件所以只作定性分析，确定适宜的土石坝坝型。〔1〕均质坝均质坝坝体根本上由一种透水性较弱的粘性土料〔如壤土、砂壤土等〕填筑而成，整个坝体起防渗作用。均质坝材料单一，施工方便简单。但坝体对材料的要求较高〔一般渗透系数k<1×10-4cm/s〕。对本工程来说，没有足够的材料来作均质坝，故该方案不于选用〔2〕堆石坝堆石坝由堆石体、防渗体、和它们之间的过渡层组成，包括心墙防渗堆石坝和斜墙防渗堆石坝。堆石坝的剖面小，工程量少，施工期受气候条件影响较小。在施工期一定的条间下，坝身可以过水，从而在一定程度上缓解了土坝的施工导流困难，并且抗震性能好。在本设计中，坝址附近有坚硬的玄武岩石料厂，开采条件良好，从材料角度可以考虑堆石坝。但是，由于河床地质条件较差，冲积层厚，堆石坝需建造在不透水层上。因此，做堆石坝将导致大量的开挖。从工程期限和经济角度来衡量，此方案不予考虑。〔3〕塑性心墙坝塑性心墙坝由透水性较小的粘性土筑成防渗体，设置于坝体的中央或靠上游部位。塑性心墙坝的工程量较小，适应于不均匀地形变化，抗震性能好。但要求心墙与坝壳同时上升，施工干扰大，工期长。〔4〕塑性斜墙坝塑性斜墙坝由透水性较小的粘性土筑成防渗体，设置于坝体的上游面。斜墙坝的防渗斜墙和坝体两者施工干扰较小，施工期短。但上游坝坡较缓，防渗体和坝体工程量均较大。斜墙对坝体和坝基的沉降敏感，容易产生纵向裂缝。斜墙的抗震性能较弱。〔5〕斜心墙坝心墙设置于坝体偏上游部位，心墙向下游有一定的偏角。斜心墙坝综合了心墙坝与斜心墙坝的优点，克服了它们的缺点。心墙有足够的斜度，坝壳对心墙的拱效应作用减弱，斜心墙对下游支撑体的沉降敏感度降低，应力状态好。综合分析以上各坝型特点，结合筑坝材料、地形地质条件、施工、导流等因素，最终选定斜心墙坝作为本设计的大坝形式。坝顶宽度坝顶宽度根据坝高、施工、构造、交通、防洪、抢险要求以及以往工程统计资料,坝顶宽度采用10米。坝坡及栈道土石坝坝坡的坡度取决于坝型、坝高、筑坝土料性质、地质条件及地震情况等因素。本设计根据选定的坝型，参照已建工程处步选定为：上游采用自下而上38米处变坡一次，上部坡率采用0.25，下部采用3.0，变坡处设置马道。下游坝坡自坝体排水体顶向上每隔25米采用一次变坡，变坡坡率自下而上采用2.2、2.25和2.5变坡处设置马道。为了便于观测、维修、拦截坝坡雨水并兼作交通之用，马道宽度设为。坝顶高程为保证库水位不溢过或溅过坝顶，坝顶高程在水库正常应用和非常应用的静水位以上应有足够的超高。〔5-1〕H=H1+△h〔5-2〕其中平安加高，m在坝前引起静水位的最大风雍高度，m波浪在坝坡上的爬高，mH1调洪演算得出的上游设计与校核静水位，m〔1〕确实定该工程为2级工程，所以正常情况取=，校核情况取=。〔水工建筑物表3-1〕〔2〕e确实定(5-3)综合摩阻系数,一般可取.吹程,15千米.H坝前水的平均水深，米。正常情况下H=2821.52-2750=非常情况下H=2822.90-2750=风向与水域中线或坝轴线的法线间的夹角,取=25º按《碾压土石坝设计标准》第条规定:正常运用情况下采用多年平均最大风速的1.5~2.0倍,×19.1=/s;非常运用情况下采用多年平均最大风速=19.1m/s正常情况：=非常情况：=〔3〕确实定平均爬高按莆田试验站公式计算〔适用于n=1.5～5.0坝坡〕〔5-4〕—0.80，本设计取0.78。经验系数。是由风速v、坝前水深H、重力加速度g所组成的无量纲。本设计中：设计情况查表得校核情况查表得=1坝坡系数。=ctgα=2.5，α为坝坡与水平面的夹角。平均波高。按官厅水库公式可以计算出波高，〔5-5〕其计算值可以近似的认为是平均波高的1.71倍，即=/1.71〔5-6〕平均波长，在初步设计时，可以按照鹤地水库公式计算,〔5-7〕①、设计情况：=/sD=15Km所以，波浪在坝坡上的爬高②、校核情况：=/sD=15Km==〔4〕坝顶高程确实定①、设计情况超高=2.28+0.041+1=坝顶高程H=H1+=2821.52+3.321=2824.841m×0.4%=②、校核情况超高=1.212+.0.012+0.5=1.724m坝顶高程H=H1+=2822.9+1.724=2824.624m×0.4%=2824.915m比拟两种情况，最后确定坝顶高程为H=2826m具体计算结果见下表5-1表5-1坝顶高程计算成果表计算情况计算工程设计情况校核情况上游静水位〔m〕河底高程〔m〕2750坝前水深〔m〕71.52吹程D〔km〕15风向与坝轴线的夹角βº25风浪引起坝前雍高e〔m〕风速V〔m/s〕波浪沿坝高爬高〔m〕护坡粗糙系数上游坝坡护角tg-1平均波高〔m〕平安超高〔m〕坝顶高程〔m〕增加4%沉陷后坝顶高程〔m〕坝体排水，本工程取，下游校核洪水时下游水为，最后确定取为2755.0，堆石内坡为1：1.2，外坡为1：1.8，顶宽为。下游水位以上采用贴坡排水，以防止坝坡土发生渗流破坏，保护坝坡免受下游波浪淘刷。防渗体〔1〕坝体防渗坝体防渗除需满足减少通过坝体渗漏量外，防渗体尺寸还应满足构造、施工以及防止开裂的要求，并有利于稳定。本工程坝体防渗采用粘土斜心墙，斜心墙位于坝体稍偏上游，正常运用情况下，斜心墙顶部在静水位以上的超高高于，非常运用情况下斜心墙顶部不低于非常运用的静水位，正常运用情况静水位为，非常运用情况静水位为，所以，最后斜心墙顶部高程定为，上留保护层。粘土允许坡降取「J」=5，承受最大水头，所以墙厚须大于72.9/「J」=，参考以往工程，斜心墙顶宽取4.0m〔满足于3m机械化施工要求〕，上游坡率m1=0.6，下游坡率m2=0.3。计算底宽为，大于，符合要求。〔2〕坝基防渗，最厚取。本设计取。防渗墙应伸入斜心墙，插入深度按接触面积和允许坡降确定，上下游正常水位时，最大水头差为。取[J]。设计伸入，选择接触面积长度为2×6.5+0.8=，防渗墙位置在心墙底中部偏上。岸坡截水槽底厚按承受最大水头及粘土允许坡降[J]=5确定，并且沿岸坡厚度逐渐变化。粘土料设计筑坝土料设计是影响土石坝设计、施工及造价的主要因素。土料设计的一般原那么是就地取材，因材设计。土料设计要查明坝址附近的土料种类、储量、分布、开挖运输条件，确定粘壤土的填筑干容重、含水量，砂质土的砂石含量、干容重、含水量，砂砾料的相对密度和干容重等指标。〔1〕粘性土压实的设计指标是设计填筑干容重及相应的含水量。计算公式：①设计干容重按压实密度计算〔5-8〕设计干容重压实度。Ⅰ、Ⅱ级坝及高坝=0.96-0.99，本设计取标准击实功能下的平均最大干容重②设计最优含水量〔5-9〕由击实实验确定③填筑含水量〔5-10〕填筑含水量，以小数计土料的塑性指数塑限制含水量④浮容重〔5-11〕比重水的密度孔隙比⑤湿容重〔5-12〕⑥用粘土料的理论干容重作校核参考〔5-13〕⑦填土的设计干容重校核〔5-14〕料场的自然干容重〔2〕计算结果表5-2粘性土料设计成果料场比重△s(KN/m3)W0(﹪)rd(KN/m3)WpIp填筑含水量W孔隙比erw(KN/m3)rb(KN/m3)φ粘聚力渗透系数〔10-6cm/s24o40′25o30′23o10′21o30′〔3〕土料的选用已经探明上下游共有四个料场，总储量为190万m3。因地理位置不同，各料场的物理性质、力学性质和化学性质也存在一定的差异，土料的采用以“近而好”为原那么。×10-6cm/s)不予采用。其余3个料场土料物理力学性质相差不太大，根本上能满足筑坝要求，料场塑性指数小于20〔其余均大于20〕，从碾压的角度宜采用料场的粘土料，应选用料场为主料场，其余两个料场作为辅助及备用坝壳砂砾料设计〔1〕计算公式坝壳砂砾填筑的设计指标以相对密实度表示如下：Dr=或Dr=式中为最大孔隙比，=；为最大孔隙比，=；e为填筑的砂、砂卵石或地基原状砂、砂卵石的孔隙比，e=;△s为砂砾比重；、为最大、最小干容重，由试验求得；为填筑的砂、砂卵石或地基原状砂、砂卵石的干容重。设计相对密实度要求不低于0.70~0.75，地震区为防震动液压，浸润线以下局部土体设计密度不低于0.75~0.85。〔2〕计算本钱砂砾料设计本钱见下表：表5-3坝壳砂砾料成果表料场不均匀系数η大于5mm砾石含量﹪比重设计干容重(KN/m3)设计孔隙比保持含水量湿容重(KN/m3)浮容重(KN/m3)内摩擦角粘聚力C(g/m3)渗透系数(10-2cm4345536o30′024548535o10′024546536o20′023442536o40′′022840536o50′02〔3〕砂砾料场选用除了料场砂砾料的不均匀系数不满足要求外〔η=28﹤30〕，其余几个料场的土料渗透系数、砾石含量、不均匀系数均满足要求，故而都可作为筑坝砂砾料。施工时可考虑上游料填在坝的上游侧，下游料填在下游侧，这样有利于施工，减小干扰。从颗粒级配曲线上可以看出、料场砂砾料的颗粒级配明显较好，物理力学指标也较高，设计中优先选用。砂砾料场上下游共8处，总量为1850万m3,大坝工程在400万m3左右，用两个料场可能数量不够，可以将、料场作为辅助料场。计算方法运用土力学方法进行渗流计算，认为坝体内渗透水流属于层流运动，符合达西定律，且渗透水流过水断面上的各点坡降和流速都为常数。计算简图见附图1和附图2。通过斜心墙及地基防渗墙的渗流量：〔5-15〕通过下游坝壳和地基的渗流量：〔5-16〕假定：〔1〕心墙上游浸润线位置与水库的水位相同。〔2〕通过斜心墙及地基防渗墙的渗流量等于通过下游坝壳和地基的渗流量。〔3〕浸润线逸出点在下游水面与堆石内坡的交点处。计算断面及计算情况的选择取河床左端Ⅰ-Ⅰ断面、中间Ⅱ-Ⅱ、右端Ⅲ-Ⅲ断面三个典型断面进行渗流计算。〔1〕Ⅰ-Ⅰ断面渗流计算：K1=×10-6cm/sK2=×10K3=2×10-2cm/sK4=×10-2T=3m×(11.35+5)=8.175m正常蓄水位时：H1=21mt=0mL1=67.975-0.3hmL2=69.563m设计蓄水位时：H1=23.02mt=0mL1=67.975-0.3hmL2=69.563m结果：正常蓄水位时：h=0.058mq×10-6m设计蓄水位时：h=0.066mq×10-6m〔2〕Ⅱ-Ⅱ断面渗流计算：14.32K1=×10-6cm/sK2=4..19×10K3=2×10-2cm/sK4=×10-2T=D=正常蓄水位时：H1=69.5mt=4.66mL1=183.354-0.3hmL2=210m设计蓄水位时：H1=71.52mt=4.91mL1=67.975-0.3hmL2=210m结果：正常蓄水位时：h=5.114mq×10-5m设计蓄水位时：h=5.380mq×10-5m〔3〕Ⅲ-Ⅲ断面渗流计算：14.32K1=×10-6cm/sK2=×10K3=2×10-2cm/sK4=×10-2T=3.54mD=12m正常蓄水位时：H1=34.1mt=0mL1=101.38-0.3hmL2=103m设计蓄水位时：H1=36.12mt=0mL1=101.38-0.3hmL2=103m结果：正常蓄水位时：h=0.395mq×10-6m设计蓄水位时：h=0.438mq×10-6m计算结果表5-4渗流计算汇总表计算工程计算情况正常蓄水位设计蓄水位上游水深〔m〕Ⅰ-Ⅰ21Ⅱ-ⅡⅢ-Ⅲ下游水深〔m〕Ⅰ-Ⅰ00Ⅱ-ⅡⅢ-Ⅲ00逸出水深〔m〕Ⅰ-ⅠⅡ-ⅡⅢ-Ⅲ渗流量〔〕Ⅰ-Ⅰ×10-4×10-4Ⅱ-Ⅱ×10-3×10-3Ⅲ-Ⅲ×10-4×10-4总渗流量〔〕渗透稳定演算结果分析及结论，与同类工程相比拟显然是很小的。在设计中为了计算方便，并没有考虑绕坝渗流及基岩透水；混凝土的抗渗等级取W8，可能偏小，以及许多不定因素的存在，估计实际渗流量要比计算值大。但坝的渗透坡降仍然能满足设计要求〔工程经验认为渗透坡降[J]=5~10即可满足工程要求〕。计算方法由于土石坝采用土料，水上水下土的物理力学性能不同，既土的容重不同，所以坝坡滑动时滑动面是以与水平面齐平的一点为折点的折面。计算时以铅直线？将坍塌体分为两局部，两局部相互作用的推力为P1，假设不同的、及上下游水位，利用折线法求出不同水位不同角度的稳定平安系数，然后取其中最小的为该坝坡的稳定平安系数。上下游坝坡折线滑动法稳定计算(1)计算公式〔5-17〕〔5-18〕坝坡的稳定平安系数坍塌体两局部相互作用力φ内摩擦角，=36°30′、分别为坍塌体两局部重量、分别为坍塌体两局部与水平面的夹角由以上二式联立，可以求得平安系数，令=;sin=;cos=;sin=;sin=从而可得：=式中A=B=C=平安系数Kc=(2)计算过程〔当=1.8，=2.8时〕∵×2×××2-82〕××82××2××22〕××〔30.4+144.4〕××382×=×2.05+×××1.24=798.95=×2.05+××2.05+724.81.24=927.68又∵∴==∴稳定分析成果表5-5稳定分析成果水位情况〔〕〔〕平安系数〔KC〕死水位1/3坝高正常蓄水位√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√稳定计算成果见表16，由于上游坝坡=1.937。坝的平安系数偏大，就此而言，可考虑适当增大坝坡斜率以节省工程量，但各种因素考虑不全，诸如地震影响，坝体、坝基不均匀沉降等不稳定因素的存在，实际平安系数可能要小些，故而不改变坝坡，维持原拟订剖面，以满足坝体的平安。河床局部〔1〕渗流控制方案条件允许时优先选择垂直防渗方案。在透水层较浅〔10~15m以下〕时可采用回填粘土截水槽方案，由于坝址处河床冲击层平均厚20m，最大达32m，施工比拟困难而不予采用。又由于河床为孤石，采用钢板桩也比拟困难，造价也高。帷幕灌浆在此存在可灌性问题。混凝土防渗墙方案，施工快，材料省，防渗效果好，对于这种深度透水层是比拟适合的。决定采用这种方案，按混凝土的允许坡降及水头定出厚度为。〔2〕防渗墙的型式选择厚度为，深入防渗斜心墙的混凝土防渗墙，防渗墙顶部接高塑性粘土，侧面设柔性钢板。坝肩处理坝肩两岸为覆盖层及全风化岩石，深约20m，性质较差，为很好的透水料，底部为半风化岩石，性质较好，但由于节理的作用，透水性也比拟强。针对以上情况做以下处理：挖粘土截水槽至半风化基岩，基岩与粘土接触面设混凝土齿墙，齿墙与河床局部防渗墙相连，在齿墙下设灌浆孔。坝的防渗体、排水设施坝体防渗体为斜心墙，斜心墙上下游设置反滤层〔反滤层的设置见反滤层设计章节〕；坝基防渗体为防渗墙与粘土截水墙〔详细情况见第五章第二节〕。坝体排水为棱体排水，在排水体与坝体、坝基之间设置反滤层；下游戗道设置排水沟，并在坝坡设置横向排水沟以聚集雨水，岸坡与坝坡交接处也设置排水沟以设置排水沟以聚集雨水，防止雨水淘刷坝坡。细部构造详图见图SD-2。反滤层〔1〕设计标准。对于被保护土的第一层反滤层，考虑平安系数为1.5-2.0，按太沙基准确定，即反滤层粒径，小于该粒径土占总土量的15%被保护土粒径，小于该粒径的土占土总重的85%被保护土粒径，小于该粒径的土占土总重的15%第二、第三层反滤层的选择也按上述方法进行。按此标准天然砂砾料不能满足要求，须对土料进行筛选。〔2〕设计结果粘土〔防渗体周边〕部位：第一层=厚20cm第二层=厚30cm排水部位：第一层=30mm厚20cm第二层=90mm厚60cm护坡设计上游护坡用于砌石，砌石下铺20cm碎石垫层，因其抵御风浪的能力较强；下游坝面直接铺上20cm的碎石作为护坡，坝肩设置100cm厚、400cm长的砌石护肩。上游护坡上做至坝顶，下做至死水位以下〔加波浪高〕，为方便起见做至高程。坝顶布置坝顶设置碎石路面，下面铺40cm碎石垫层，坝顶向下游设2%横坡以便聚集雨水，设置50cm×50cm乱石截水沟，经坡面排水排至下游；为了坝顶行走平安，设置护栏。6泄水建筑物〔略〕7施工组织设计本设计采用全段围堰法，在靠近坝址处的右岸开凿泄流隧洞。在施工期间为了满足通航、筏运、供水、灌溉或生态保护，可以和上游区或邻近流域区共同协作，帮助分担施工期间遇到的问题根据本工程的规模，参考国内同类工程的施工经验确定施工总工期为42月，其