水工建筑物课程设计-九甸峡.doc

坝工课程设计 九甸峡水利枢纽设计计算说明书姓 名班 级：学 号：指导老师：完成时间： 2101 基本资料及设计数据1.1 基本资料1.1.1概况甘肃省洮河九甸峡水利枢纽及引洮供水工程（简称引洮工程）是优先解决甘肃中部干旱地区11个国家扶贫重点县城镇及工业用水、农村人畜饮水、生态环境用水，兼有灌溉、发电、防洪等综合利用功能的大型跨流域调水工程，也是甘肃省“十五”计划立项建设的重要基础设施。该项目的建成将实现中部地区水资源的优化调度，从根本上解决地区水资源匮乏的问题。对改善生态环境和人民群众的生存条件，实现当地群众脱贫致富，维护社会稳定，促进经济社会的可持续发展具有十分重要的意义。九甸峡水利枢纽工程位于甘肃省卓尼、临潭县交界处，黄河支流洮河中游的九甸峡峡口处，从坝址经由枢纽对外公路峡城会川临洮兰州市里程193km。枢纽工程是引洮工程的龙头，在规划坝址处修筑拦河大坝后，洮河水位可由2090.00m左右抬高到2166.00m（水库死水位）以上，从而为供水工程自流引水提供条件。1.1.2地质条件2.1区域地质情况工程区位于西秦岭海西褶皱带北缘，隶属秦岭昆仑纬向构造体系。区内的纬向构造特性规律受北邻的秦祁地盾的约束、中新生代以来秦祁地盾的断陷沉降影响、祁吕山字型构造体系西翼旋扭挤压干扰，并有陇西帚状构造系的介入改造和河西系的干扰影响，使构造体系复杂化。区内的地层主要为志留系灰绿青灰色的千枚状板岩、绿泥石石英片岩、变质砂岩；上泥盆下石炭统青灰色或紫红色及少许褐紫色的长石石英砂岩、砂质泥岩、石英砂岩和页岩以及少量厚、薄层灰岩；上石炭下二迭统青灰色巨厚层角砾状灰岩和生物碎屑灰岩（或称巨厚层灰岩）夹砂页岩及泥炭质灰岩；下二迭统浅灰色砾岩、长石石英砂岩、钙质砂岩、砂质页岩、泥炭质页岩及少量灰岩；上二迭统褐紫色砾岩、砂岩、泥岩、炭质页岩、薄煤层及少量灰岩；三迭系紫红色、灰绿色的石英砂岩、粉砂质泥岩、页岩、砂岩及少量薄层灰岩；侏罗系紫褐色的砾岩、砂砾岩、砂岩夹含煤粘土岩；白垩系紫红色砾岩、砂岩、砂质页岩、粉砂岩、粘土质页岩；第三系零星分布的红色湖相地层；第四系各种成因的松散沉积堆积层和分布在三迭系及其以前的老地层之中呈岩株、岩枝或岩瘤产出而零星出露的岩浆岩。经江苏省地震局地震工程研究所鉴定，九甸峡水利枢纽工程区地震基本烈度为7度，设防烈度为8度。2.2 水文地质区内的主要含水层为上泥盆三迭系地层以及第四系冲积、洪积层，地下水主要为裂隙潜水和孔隙潜水两大类型，有局部的裂隙承压水。由于本区属于陇南温带半湿润气候区，降水较充沛，地下水补给条件好，大部分地区地下水丰富，泉水露头多，水质较好。区内地下水由两岸分水岭向中间河谷汇集，最终由洮河河谷向下游排泄。 2.3 坝址区工程地质坝址区位于近东西向展布的新堡力士山复式背斜的北翼，岩层产状NW275295NE3053。断层一般破碎带宽0.20.5，局部达24m，多钙质胶结好，按其特征，可分为四组：(1)近东西向压性断层；（2）近南北向扭性断层；（3）北东向压扭性断层；（4）北东向张性断层。坝址区裂隙十分发育，宽度一般0.52cm，较宽者达35cm，其发育方向基本与断层一致。坝址处于九甸峡峡谷上段，河流从南往北流，为横向河谷。河道顺直，河床狭窄，河水面宽仅3550m，水深26m，水面高程20892092m。河谷呈左岸陡峻，右岸陡缓交替的不对称“V”字型。据河心钻孔揭示，河床下有一深槽贯穿整个峡谷，上游较宽，向下游变窄，河床覆盖层河水面以下最深达5456m。左岸F7断层以南沿河边分布崩积物构成的约40斜坡带，坡高3040m，以上为近于直立的基岩陡壁，高度40m左右，再上为4050的基岩或薄层堆积覆盖的斜坡；F7断层以北至瓦力沟河水面以上为80100m的陡崖，局部呈倒坡，陡崖以上为4050的斜坡带。右岸发育、级侵蚀堆积阶地，自然坡度3045，阶地后缘基岩坡度7580，高程21902240m为自然坡度4050基岩斜坡。左岸剖面下游300m，右岸剖面下游200m处分别发育瓦力沟、荨麻沟，沟内无长流水，植被良好，不具备产生泥石流的条件。岩体除沿断裂构造带有强风化外，一般无强风化带，弱风化深度一般左岸58m，河床46m，右岸级阶地810m，阶地后缘以上58m，遇到断裂破碎带时一般加大25m。河床下有一深槽贯穿整个坝址，平面展布形态与现河道基本一致。一般深度4050m，最大5456m，一般宽度3040m。深槽左岸基岩边坡陡峻，一般坡度8085，深槽右岸基岩呈陡缓交替的折线型边坡，在高程20602075m为一缓坡带，基岩边坡2535，陡坡段基岩边坡约70，为左斜的不对称“V”字型。深槽覆盖层上部为崩坡积块石碎石土，厚度617m；中层为冲积块石砂砾卵石，厚度513m，以块石碎石为主，渗透系数K=80150m/d，干密度一般为1.952.05g/cm3，允许承载力R=0.30.4MPa，变形模量=3035MPa，剪切波速430460m/s，剪切模量38.8344.44Mpa，泊松比0.330.37，属中等密实。下层为冲积砂砾卵石，厚度1237m，为卵石和砾石，渗透系数K=3080m/d，干密度一般为2.052.12g/cm3，允许承载力R=0.50.6MPa，变形模量=4060MPa，剪切波速410480m/s，剪切模量35.348.38Mpa，泊松比0.380.39，孔隙比0.260.32，属密实中等密实状态。左岸在正常蓄水位以下，中等透水带1050m，弱透水带60165m，其中局部有中等透水带，以下为微透水。河床趾板线基岩面以下100130m 范围为弱透水，仅局部有中等透水带，以下岩体基本为微透水。右岸级阶地基座面以下1015m范围基本为中等透水，140160m基本为弱透水，其中局部断裂发育地段为中等透水，大于160m深度为微透水；级阶地后缘及以上岩体正常蓄水位以下4090m范围基本为中等透水，局部有弱透水微透水层，150175m范围基本为弱透水层，局部断裂发育地段存在中等强透水，大于175m深度基本为微透水。坝基基础岩石为巨厚层状灰岩，完整性好，岩性坚硬，强度高，抗风化能力强，岩体弱风化深度级阶地基座面以下810m，河床部位46m。坝址区岩层产状NW282285NE3237，层理不显，岩层走向与坝线近于平行，无构成潜在滑移面的岩层层面。左岸2215m高程以上边坡3035，22152170m高程边坡7075，21702140m高程边坡约30，2140m高程以下边坡85左右，局部呈负坡。岩性为巨厚层状灰岩，致密坚硬，弱风化深度一般58m。岩体中断裂较发育，在坝线2170m高程处有断层F7，走向与坝线呈23角斜交，倾向上游偏岸外。1.1.3径流九甸峡水利枢纽工程月、年平均流量以岷县站、李家村站月、年平均流量按面积比直线内插。调节年度与黄河上、中游各站的调节年度统一为5月次年4月。由推算得的九甸峡1947.52001.4共54年资料系列，频率计算成果为：Qo=121.3 m3/s，Cv=0.30，Cs=2.5Cv。根据年水量、枯水期（12月次年4月）水量都较接近设计频率水量、对用水偏于不利的原则，对典型年进行了重新复核，选择的典型年如下： 丰水年（P=10%）1955.51956.4 平水年（P=50%）1948.51949.4枯水年（P=75%）1969.51970.4（P=90%）1995.51996.4九甸峡枢纽工程设计频率的径流年内分配采用各时段同频率控制多倍比缩放的方法计算，控制时间为：13月；12月次年4月；全年。1.1.4 洪 水 九甸峡枢纽工程洪水复核九甸峡水利枢纽工程设计洪水计算的依据站为上游岷县站与下游李家村站，1993年可研阶段已对洮河干流各站的调查洪水与实测洪水进行了较为详尽的分析与论证，设计洪水成果较为可靠。根据2002年3月项目建议书审查意见，在2002年9月可行性研究阶段主要对洪水成果进行了复核，洪水资料使用至2001年，洪峰流量与时段洪量比93年可研成果略小，偏小幅度5%。经分析后确定：设计洪水成果不作调整，2002年9月23日进行可行性研究审查时得到专家肯定。因此洮河九甸峡水利枢纽工程初步设计阶段的设计洪水仍采用1993年可行性研究阶段计算成果。洪峰流量频率计算参数如下：QM0=747m3/s、Cv=0.65、Cs/Cv=3.5。1.1.5气 象 洮河流域面积较大，自河源而下高程变化也较大，因此流域内气候差异甚大，上、中游地区高寒阴湿，下游地区干旱温和，九甸峡水利枢纽处于过渡地带。 九甸峡水利枢纽工程所在地区无系统气象观测资料，枢纽正北约56km处有临洮气象站，南偏东约60km处有岷县气象站，临洮气象站和岷县气象站都有较长系列的气象观测资料。九甸峡水利枢纽工程以临洮气象站作为代表站。据临洮气象站多年观测资料统计：多年平均气温7.0，多年平均最高气温14.3，极端最高气温34.6，多年平均最低气温1.3，极端最低气温29.6，平均年降水量565.2mm，年蒸发量1259.3mm，年日照时数2437.9h，多年平均相对湿度67%，最大风速15m/s。据九甸峡水文专用站1989年实测资料，年平均气温7.3，极端最高气温32.5，极端最低气温17.2，降水量469.7mm，年蒸发量996.5mm。1.1.6 建筑材料4.1 堆石料 砼面板堆石坝方案的堆石材料选有三个产地勘察进行了详查。1#堆石料产地位于坝线上游约1km处右岸引洮平台以上山坡（见附图九初地91、92）， 2350m高程以上，地形陡峻，岩体裸露，仅局部有零星的坡积物覆盖，2350m高程以下，地形坡度3040，局部略缓，由坡洪积块石碎石土覆盖。料层岩性为上石炭下二迭巨厚层灰岩，成分由钙质、生物碎屑和角砾组成，方解石细脉或团块较多，碎屑结构，巨厚层状构造，层理不明显，岩性致密坚硬、抗风化能力强。经取样室内试验，天然密度2.69g/cm3，比重2.72，饱和吸水率0.21，单轴饱和抗压强度78Mpa，软化系数0.77，纵波速40005000m/s，冻融损失率0.090.2%。经室内检测，岩石化学成分以方解石为主，含量占98100%，石英、泥质、磁（褐）铁矿含量占12%，无碱活性，质量满足堆石料技术要求。料场内无较大断裂和破碎带发育，但卸荷裂隙发育。料场分布范围广（面积15.23万m2），可采厚度大（最大220m，平均151.2m），勘察储量为2303.26万m3，根据实际开采条件和需用量可向东或北东方向延伸。该料场距离坝址近，开采场地较为开阔，但开采时，随地形高度的增加，给料场开采和运输带来不便。2#堆石料产地位于坝址左岸瓦力沟口下游山体（见附图九初地93、94），距坝线0.50.7km，2180m高程以上地形陡峻，岩体裸露，2180m高程以下为由崩坡积块石碎石土构成的约3045斜坡；构成堆石料的岩性均为上石炭下二迭巨厚层灰岩，成分由钙质、生物碎屑和角砾组成，方解石细脉或团块较多（特别是在断裂带及其附近），碎屑结构，巨厚层状构造，层理不明显，岩性致密坚硬，抗风化能力强，一般弱风化深度58m。料场内断裂发育，局部岸坡高陡地段卸荷裂隙发育，岩体完整性较差。经取样室内试验，天然密度2.69g/cm3，比重2.71，饱和吸水率0.22，单轴饱和抗压强度76Mpa（范围值52105MPa），软化系数0.76，泊松比0.22，纵波速40005000m/s，冻融损失率0.090.2%。经室内检测，岩石化学成分以方解石为主，含量占98100%，石英、泥质、磁（褐）铁矿含量占12%，无碱活性，质量满足堆石料技术要求。料场岩体出露面积广，可采厚度大，从23002120 m高程（堆料平台），按1:0.25边坡开挖，勘察储量为295万m3，根据工程需用量，可向岸里和下游扩大开采，开采运输条件方便。3#堆石料产地位于坝线下游右岸约200m的荨麻沟右侧23502400m高程以上地形陡峻，岩石露头良好，2350m高程以下为坡积、洪积成因的块石碎石土，地形坡度2030。岩性均为上石炭下二迭巨厚层灰岩，成分由钙质、生物碎屑和角砾组成，方解石细脉或团块较多，碎屑结构，巨厚层状构造，层理不明显，岩性致密坚硬，抗风化能力强，一般弱风化深度58m。料场内较大断裂和破碎带发育稀疏，但裂隙发育，特别是近岸局部地段卸荷裂隙发育较多，岩体完整性较差。经取样室内试验，天然密度2.69g/cm3，比重2.72，饱和吸水率0.21，单轴饱和抗压强度76Mpa，软化系数0.76，泊松比0.22，纵波速40005000m/s，冻融损失率0.090.2%。经室内检测，岩石化学成分以方解石为主，含量占98100%，石英、泥质、磁（褐）铁矿含量占12%。本料场距离坝址近，开采条件方便，开采场地较为开阔，但随开采高度的增加，给料场开采和运输带来不便。1.2设计数据1.2.1工程等级工程级别为二级，工程规模为大（2）型。1.2.2水库规划资料1） 正常水位：2232.00m；2） 设计洪水位：2233.38m；3） 校核洪水位：2235.11m4） 总库容：9.43亿m3；5） 发电调节流量Qp=7.35m3/s，相应下游水位68.2m；6） 发电最大引用流量Qmax=28 m3/s，相应下游水位68.65m；7） 通过设计洪水位流量（Q1%）时，溢洪道最大泄水量Qmax=1340 m3/s，相应下游最高洪水位74.3m。1.2.3枢纽组成建筑物1）大坝：布置在1#坝轴线上；2）溢洪道：堰顶高程为107.50m；3）水电站：装机容量9000KW，3台机组，厂房尺寸为309m2；4）灌溉：主要灌区位于河流右岸，渠首底高程102m，灌溉最大引用流量8.15m3/s，相应渠道最大水深1.75m，渠底宽3.5m，渠道边坡1:1；5）水库放空隧洞：为便于检修大坝和其它建筑物，拟利用导流隧洞作放空洞，洞底高程为70.0m，洞直径为3.5m。6）筏道：为干筏道，上游坡不陡于1:4，下游坡不陡于1:3，转运平台高程115.0m，平台尺寸为3020m2。1.2.4筑坝材料1）土料：主要有粘土和壤土，可采用坝下1.5-3.0km丘陵区与平原地带，储量多，质量尚佳，可作为筑坝材料，其性能见表1.1。2）砂土：可从坝上下游0.5-3.5km河滩上开采，储量多，可供筑坝使用，其性能见表1.2。3）石料：可在坝址下游附近开采，石质为石灰岩及砂岩，质地坚硬，储量丰富，其性能见表1.3。表1.1 土料特性表土壤类别干容重d（KN/m3)最优含水率W最优（）孔隙率n（）内摩擦角粘聚力（pa）渗透系数（cm/s)粘土15.42540183037110-6壤土15.814.541.7234112110-5坡土16.022.539.822（湿）33（干）7.5（湿）110-3表1.2 砂土特性表土壤类别干容重d（KN/m3)孔隙率n（）内摩擦角渗透系数（cm/s)浮容重（KN/m3)砂土1640.6300110-210.06表1.3 石料特性表干容重d（KN/m3)孔隙率n（）内摩擦角1.833382 枢纽布置2.1 枢纽的组成建筑物及等级2.1.1 水库枢纽建筑物组成根据水库枢纽的任务，该枢纽组成建筑物包括：拦河大坝、溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空隧洞（拟利用导流洞作放空洞）、筏道。2.1.2工程规模根据水利水电枢纽工程等级划分及设计标准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：根据枢纽灌溉面积为20万亩,即20/15=1.33万ha，在3.330.33万ha之间，属等工程；根据电站装机容量9000千瓦,即9MW，小于10MW，属等工程；根据总库容为2.00亿m3，在101.0亿m3，属等工程。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，等工程的主要建筑物为2级水工建筑物，所以本枢纽中的拦河大坝、溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空隧洞为2级水工建筑物；次要建筑物筏道为3级水工建筑物。 2.2各组成建筑物的选择2.2.1 挡水建筑物型式的选择在岩基上有三种类型：重力坝、拱坝、土石坝。1）重力坝方案从枢纽布置处地形地质平面图及1#坝轴线地质剖面图上可以看出，坝址基岩为上部为五通砂岩，下面为石英砂岩和砂质页岩，覆盖层沿坝轴线厚1.55.0m，五通砂岩厚达3080m，若建重力坝清基开挖量大，目前C城至坝址尚无铁路、公路通行，修建重力坝所需水泥、钢筋等材料运输不方便，且不能利用当地筑坝材料，故修建重力坝不经济。2）拱坝方案修建拱坝理想的地形条件是左右岸地形对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的河谷段；而且坝端下游侧要有足够的岩体支撑，以保证坝体的稳定。该河道弯曲相当厉害，尤其枢纽布置处更为显著形成S形，1#坝址处没有雄厚的山脊作为坝肩，左岸陡峭，右岸相对平缓，峡谷不对称，成不对称的“U”型，下游河床开阔，无建拱坝的可能。3）土石坝方案土石坝对地形、地质条件要求低，几乎在所有的条件下都可以修建，且施工技术简单，可实行机械化施工，也能充分利用当地建筑材料，覆盖层也不必挖去，因此造价相对较低，所以采用土石坝方案。2.2.2 泄水建筑物型式的选择土石坝最适合采用岸边溢洪道进行泄洪，在坝轴线下游300m处的两岸河谷呈马鞍形，右岸有马鞍形垭口，采用正槽式溢洪道泄洪，泄水槽与堰上水流方向一致，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。2.2.3 其它建筑型式的选择1）灌溉引水建筑物采用有压式引水隧洞与灌溉渠首连接。进口设有拦污栅、进水喇叭口、闸门室及渐变段；洞身采用钢筋混凝土衬砌；出口段设有一弯曲段连接渠首，并采用设置扩散段的底流消能方式。主要灌区位于河流右岸，渠首底高程102m，灌溉最大引用流量8.15m3/s，相应渠道最大水深1.75m，渠底宽3.5m，渠道边坡1:1。2）水电站建筑物因为土石坝不宜采用坝式水电站，而宜采用引水式发电，所以这里用单元供水式引水发电。3）过坝建筑物主要是筏道，采用干筏道。起运平台高程115.00m平台尺寸为3020m2，上游坡不陡于1:4，下游坡不陡于1:3。4）施工导流洞及水库放空洞施工导流洞及水库放空洞，均采用有压式。为便于检修大坝和其它建筑物，拟利用导流隧洞作放空洞，洞底高程为70.00m，洞直径为3.50m。 2.3 枢纽总体布置方案的确定挡水建筑物：土石坝（包括副坝在内）按直线布置在河弯地段的1#坝址线上。泄水建筑物：溢洪道布置在大坝右岸的天然垭口处。灌溉引水建筑物：引水隧洞紧靠在溢洪道的右侧布置。水电站建筑物：引水隧洞、电站厂房、开关站等布置在右岸（凸岸），在副坝和主坝之间，厂房布置在开挖的基岩上，开关站布置在厂房旁边。施工导流洞及水库放空洞：布置在左岸的山体内。综合考虑各方面因素，最后确定枢纽布置直接绘制地形地质平面图，见附图一。 3 土石坝设计 3.1坝型选择影响土石坝坝型选择的因素有：坝高；筑坝材料；坝址区的地形地质条件；施工导流、施工进度与分期、填筑强度、气象条件、施工场地、运输条件、初期度汛等施工条件；枢纽布置、坝基处理型式、坝体与泄水引水建筑物等的连接；枢纽的开发目标和运行条件；土石坝以及枢纽的总工程量、总工期和总造价。枢纽大坝采用当地材料筑坝，据初步勘察，土料可以采用坝轴线下游1.5-3.5公里的丘陵区与平原地带的土料，且储量很多，一般质量尚佳，可作筑坝之用。砂料可在坝轴线下游13公里河滩范围内及平山河出口处两岸河滩开采。石料可以用采石场开采，采石场可用坝轴线下游左岸山沟较合适，其石质为石灰岩、砂岩，质量良好，质地坚硬，岩石出露，覆盖浅，易开采。各种材料的特性见表1.11.3。从建筑材料上说，该枢纽坝型选择均质坝、多种土质分区坝、心墙坝、斜墙坝均可。1）均质坝。坝体材料单一，施工工序简单，干扰少；坝体防渗部分厚大，渗透比降比较小，有利于渗流稳定和减少通过坝体的渗流量，此外坝体和坝基、岸坡、及混凝土建筑物的接触渗径比较长，可简化防渗处理。但是，由于土料抗剪强度比用在其他坝型坝壳的石料、砂砾和砂等材料的抗剪强度小，故其上下游坝坡比其他坝型缓，填筑工程量比较大。坝体施工受严寒及降雨影响，有效工日会减少，工期延长，故在寒冷及多雨地区的使用受限制。故不选择均质坝。2）多种土质分区坝。该坝型虽然可以因地制宜，充分利用包括石渣在内的当地各种筑坝材料；土料用量较均质坝少，施工受气侯的影响也相对小一些，但是由于多种材料分区填筑，工序复杂，施工干扰大，故也不选用多种土质分区坝。3）斜墙坝。由于不透料（土料）位于上游，不便于土料上坝；土质斜墙靠在透水坝壳上，如果坝壳沉降大，将使斜墙开裂；与岸坡及混凝土建筑物连接不如心墙坝方便，斜墙与地基接触应力比心墙小，同地基结合不如心墙坝；断面较大，特别是上游坡较缓，坝脚伸出较远，填筑工程量较心墙大。故也不选用斜墙坝。4）心墙坝。用作防渗体的土料位于坝下游1.53.5公里的丘陵区与平原地带的土料，且储量很多，一般质量尚佳，可作筑坝之用；用作透水料的砂土可从坝上下游0.33.5公里河滩上开采，储量多，可供筑坝使用，这样便于分别从上下游上料，填筑透水坝壳，使施工方便，争取工期。心墙坝的优点还有：心墙位于坝体中间而不依靠在透水坝壳上，其自重通过本身传到基础，不受坝壳沉降影响，依靠心墙填土自重，使得沿心墙与地基接触面产生较大的接触应力，有利于心墙与地基结合，提高接触面的渗透稳定性；当库水位下降时，上游透水坝壳中水分迅速排泄，有利于上游坝坡稳定，使上游坝坡比均质坝或斜墙坝陡；下游坝壳浸润线也比较低，下游坝坡也可以设计得比较陡；在防渗效果相同的情况下，土料用量比斜墙坝少，施工受气候影响相对小些；位于坝轴线上的心墙与岸坡及混凝土建筑物连接比较方便。通过以上分析认为宜选用心墙坝。 3.2坝体剖面设计土石坝的剖面设计指坝坡、坝顶宽度、坝顶高程。3.2.1 坝坡因最大坝高约115.60-62.50=53.10m,故采用三级变坡。1）上游坝坡：从坝顶至坝踵依次为1：2.5；1：2.75；1：3.0。2）下游坝坡：从坝顶至坝趾依次为1：2.0；1：2.50；1：2.75。3）马道：第一级马道高程为82.50m，第二级马道高程102.50m，马道宽度取2.0m。3.2.2 坝顶宽度本坝顶无交通要求，对中低坝的坝顶宽度B取5-10m，本设计取B=6.0m。3.2.3 坝顶高程坝顶高程等于水库静水位与超高Y之和，并分别按以下运用情况计算，取最大值： 设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高； 校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高。最后需预留一定的坝体沉降量，此处取坝高的0.4%。计算公式采用下列两式： (3.1) (3.2) 式中：Y坝顶超高；R波浪在坝坡上的最大爬高，m； e最大风壅水面高度，即风壅水面超出原库水位高度的最大值，m； Hm坝前水域平均水深，m； K综合摩阻系数，其值变化在（1.55.0）10-6之间，计算时一般取K=3.610-6； b风向与水域中线（或坝轴线的法线）的夹角，（）；V0、D计算风速和水库吹程，m3/s、Km; A安全加高，m，根据坝的等级和运用情况，按表3.1确定。表3.1 安全加高 （单位：m）运用情况坝的级别1级2级3级4、5级正常1.51.00.70.5非常0.70.50.40.3 该坝属于2级水工建筑物，安全加高分别取：正常运用情况下1.0m，非常运用情况下0.5m。 参考林昭著的碾压式土石坝一书，以往计算坝顶超高公式中多包括风壅水面高度，由于该值不大，一般不到10cm，故可忽略，坝顶超高计算式可简化为。下面采用我国水利水电科学研究院推荐的计算波浪在坝坡上的爬高，（3.3）式中：设计波高，m；m坝坡坡率，取m=2.5；n坝坡护面糙率,上游拟采用浆砌石勾缝，取n=0.025。由于所给的设计资料中只有多年平均风速V0=10m/s，故取正常和非常运用情况波高均为： ，则。两种计算成果见表3.2。表3.2 坝顶高程计算结果运用情况静水位（m）波浪爬高R（m）壅高e (m)安全超高A（m）计算坝顶高程Z计（m）0.4%沉陷（m）竣工时的坝顶高程Z(m）设计情况113.11.010801.0115.11080.46044115.5712较核情况113.51.010800.5115.01080.46004115.4708 坝顶高程最终结果为：115.60m。 验算：坝顶高程115.60m均大于：设计洪水位+0.50m，即113.10+0.50=113.60m；校核洪水位113.50m。 所以满足要求。自行绘制剖面简图。 3.3防渗体设计本土石坝的防渗体为粘土心墙。 3.3.1防渗体尺寸1）心墙顶宽及坡率土质防渗体的尺寸应满足控制渗透比降和渗流量要求，还要便于施工。参考教材及规范，心墙顶部考虑机械化施工的要求，取3.0m，边坡可取1:0.3。 2）防渗体超高防渗体顶部在静水位以上超高，对于正常运用情况（如正常蓄水位、设计洪水位）心墙为0.30.6m，取0.5m，最后防渗体顶部高程取为113.10+0.50=113.60m。3）心墙底宽本设计粘土允许坡降，上下游最大作用水头差H=113.50-62.50=51.00m（下游无水工况），故墙厚TH/J=51.00/4=12.75m。由以上数据，心墙底宽3+（51.00+0.5）0.32=33.90m12.75m，满足要求。3.3.2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，此处取0.80m，上部碎石厚50cm；下部砾石厚30cm，具体见坝顶部构造。自行绘制构造简图。 3.4 坝体排水设计3.4.1 排水设施选择常用的坝体排水有以下几种型式：贴坡排水、棱体排水、坝内排水、以及综合式排水。1）贴坡排水：不能降低浸润线，多用于浸润线很低和下游无水的情况，故不选用。2）棱体排水：可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚不受尾水冲刷，且有支撑坝体增加稳定的作用，且易于检修，是效果较好的一种排水型式。3）坝内排水：其中褥垫排水对不均匀沉降的适应性差，易断裂，且难以检修，当下游水位高过排水设施时，降低浸润线的效果将显著降低；网状排水施工麻烦，而且排水效果较褥垫排水差。坝址附近有丰富的石料可开采，其石料质地坚硬，可以利用，做堆石料棱体排水。综合以上分析选择棱体排水方式。3.4.2 堆石棱体排水尺寸顶宽：2.0m。内坡：1：1.5，外坡1：2.0。顶部高程：须高出下游最高水位对1、2级坝不小于1.0m。通过设计洪水位113.10m流量时，相应下游最高洪水位74.30m；假定通过校核洪水位113.50m流量时，相应下游最高洪水位75.00m。超高取1.3m，所以顶部高程为75.00+1.3=76.30m 。 3.5 反滤层和过渡层3.5.1设计规范及标准1）保护无粘性土料（粉砂、砂、砂砾、卵砾石、碎石等）碾压式土石坝设计规范规定，对于与被保护土相邻的第一层反滤料，建议按下述准则选用：D15/d854-5 ，D15/d155。同时要求两者的不均匀系数Cu=d60/d10及D60/D1058，级配曲线形状最好相似。式中：D15反滤料的特征粒径，小于该粒径的土占总土重的15%；d15、d85被保护土的控制粒径和特征粒径，小于该粒径的土分别占总重的15%及85%。上述两式同样适用于选择第二、三层反滤料,当选择第二层反滤料时，以第一层反滤料为被保护土，二选择第三层反滤料时，则以第二层反滤料为被保护土。按此标准天然砂砾料一般不能满足要求，须对土料进行筛选。2）保护粘性土料粘性土有粘聚力，抗管涌能力一般比无粘性土强，通常不用上述两式设计反滤层，而用以下方法设计。满足被保护粘性土的细粒不会流失根据被保护土的小于0.075mm含量的百分数不同，而采用不同的方法。当被保护土含有大于5mm的颗粒时，则取其小于5mm的级配确定小于0.075mm的颗粒含量百分数及计算粒径。如被保护土不含有大于5mm的颗粒时，则按全料确定小于0.0075mm的颗粒含量百分数及。a.对于小于0.075mm的颗粒含量大于85%的粘性土，按式D159 d85设计反滤层，当，取等于0.2mm 。b.对于小于0.075mm的颗粒含量为40%85%的粘性土按式D150.7mm设计反滤层。c.对于小于0.075mm的颗粒含量为15%39%的粘性土按式设计反滤层。式中，为小于0.075mm时颗粒含量1%。若，应取0.7mm。满足排水要求以上三种土还应符合式，以满足排水要求。式中应为被保护粘性土全料的，若时不小于0.1mm 。3）护坡垫层同样应满足土粒不流失及足够的透水性要求，但标准可降低些，建议按下式的简便方法选择粒径。，。3.5.2设计结果由于设计原始资料中没有提供各土、砂、石料的颗粒级配情况，这里无法用计算的方法进行反滤层的设计，只能参考相关规范和已建工程进行初步设计。初步拟定结果分述如下。1）防渗体周边部位第一层：d50=0.5，厚20；第二层：d50=2.0，厚30。2）排水部位第一层：d50=30，厚20；第二层：d50=90，厚60。坝顶及心墙反滤层，棱体排水及反滤层、岸坡排水、护坡详图见图纸。3）护坡垫层见下面的护坡设计。自行绘制构造简图。 3.6 护坡设计1）上游护坡：采用目前最常用的浆砌石护坡。护坡范围从坝顶一直到坝脚，厚度为40cm，下部设厚度均为20cm的碎石和粗砂垫层。2）下游护坡：下游设厚度为40cm的碎石护坡，护坡下面设厚度为40cm的粗砂垫层。自行绘制构造简图。 3.7 顶部构造1）坝顶宽度对中低坝可取510m，此处取B=6.0m。2）防浪墙采用C20水泥浆砌块石防浪墙。墙身每隔15m布置一道设有止水的沉陷逢，墙顶设有高2.8m的灯柱。3）坝顶盖面以防止防渗体（粘土心墙）干裂、冻结和雨水冲蚀，在粘土心墙顶部设置保护层，厚度为80cm，分为两层，上层碎石厚度为50cm，下层砂砾厚度为30cm。 3.8 马道和坝顶、坝面排水设计3.8.1马道第一级马道高程为82.50m，第二级马道高程为102.50m，马道宽为2.0m。3.8.2坝顶排水坝顶设有防浪墙，为了便于排水，坝顶做成自上游倾向下游的坡，坡度为2%，将坝顶雨水排向下游坝面排水沟。3.8.3坝面排水1）布置在下游坝坡设纵横向排水沟。纵向排水沟（与坝轴线平行）设在各级马道内侧。沿坝轴线每隔200m设置1条横向排水沟（顺坡布置，垂直于坝轴线），横向排水沟自坝顶直至棱体排水处的排水沟，再排至坝趾排水沟。纵横向排水沟互相连通，横向排水沟之间的纵向排水沟应从中间向两端倾斜，坡度取0.2%，以便将雨水排向横向排水沟。坝体与岸坡连接处应设置排水沟，以排除岸坡上游下来的雨水。2）排水沟尺寸及材料尺寸拟定：由于缺乏暴雨资料，所以无法用计算的方法确定断面尺寸，根据以往已建工程的经验，排水沟宽度及深度一般采用2040cm，本设计取30cm。材料：排水沟通常采用浆砌石或混凝土预制块。综合考虑选用浆砌石块石。自行绘制构造简图。 3.8 地基处理及坝体与地基岸坡的连接3.8.1地基处理结合本坝坝基情况，据坝轴线剖面图：1）河槽处：水流常年冲刷，基岩裸露，抗风化能力强，且钻1处岩芯获得率都比较高。吸水量也较低，故只需清除覆盖层即可，挖至基岩即可。2）钻2及右岸河滩：覆盖层和坡积物相对较厚，钻2处的上层岩芯获得率只有12%，岩层裂隙较为发育，拟采用局部帷幕灌浆。3）平山嘴大溶洞：经勘探后分析对大坝及库区均无影响，为安全起见，可修筑土铺盖，用水泥砂浆填缝。铺盖同时还应与粘土心墙相连，向上库区及右岸延伸展布，将岩溶封闭。3.8.2 坝体与地基的连接1）河槽部位（即钻1部位），岩芯获得率及吸水量均能达到要求，采用在心墙底端局部加厚的方式与地基相连。2）钻2到右岸河滩：上部岩层裂隙较发育，岩芯获得率只有12%。而覆盖层也较左岸厚，采用截水槽的方式与基岩相连。截水槽可挖至基岩以下0.5m深处，内填壤土。截水槽横断面拟定：边坡采用1：2.0；底宽，渗径不小于（1/31/5）H，其中H为最大作用水头（下游无水时为51.00m），底宽取1/3.451.00=15.0m。3.8.3 坝体与岸坡的连接左坝肩到左滩地，坡积风化层510m，需彻底清除，左岸坡上修建混凝土齿墙，岸坡较陡，开挖时基本与基岩大致平行。右坝肩到右滩地坡积风化层处理与左岸相同，基岩开挖角不宜太大。 3.9 渗流计算3.9.1 渗流计算的基本假定1）心墙采用粘土料，渗透系数K110-6cm/s；坝壳采用砂土料，渗透系数K110-2cm/s，两者相差104倍，可以把粘土心墙看作相对不透水层，因此计算时可以不考虑上游楔行降落水头的作用。下游设有棱体排水，可近似的假设浸润线的逸出点为下游水位与堆石棱体内坡的交点。下游坝壳的浸润线也较平缓，接近水平，水头主要在心墙部位损失。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，即平均流速v等于渗透系数K与渗透比降i的乘积，v=Ki。3）发生渗流量时土体孔隙尺寸不变，饱和度不变，渗流为连续的。3.9.2渗流计算条件渗流计算应考虑如下组合，取其最不利者作为控制条件：1）上游正常高水位，下游相应的最低水位；2）上游设计或校核洪水水位，分别相应的下游水位；3）对山游坝坡稳定最不利的库水降落后的水位。这里缺乏有关设计数据，所以拟定用如下工况进行渗流计算：1）设计洪水位（即正常水位）113.10m，相应下游的最低水位（取发电调节流量Qp=7.35m3/s时，相应下游水位68.20m）68.20m；2）校核洪水位113.50m，相应下游的水位（取发电最大引用流量Qmax=28 m3/s时，相应下游水位68.65m）68.65m。3.9.3渗流分析的方法采用水力学法进行土石坝渗流计算，将坝内渗流分为若干段，应用达西定律和杜平假设，建立各段的运动方程式，然后根据水流的连续性求解渗透流速、渗透流量和浸润线等。3.9.4计算断面及公式本设计仅对河槽处最大断面进行渗流计算。假设地基为不透水地基。 ， 3.9.5单宽流量将心墙看作等厚的矩形，则其平均宽度为：。坝轴线到下游坝趾处的宽度：D=3+（114.8-102.5）2.0+2+（102.5-82.5）2.5+（82.5-76.3）2.75+2+（76.3-62.5）2.0=128.25mL=D-/2-（76.3-62.5）2.0+2.0+（76.3- Z下）1.5=-25.025+1.5Z下。已知Ke110-6cm/s； K110-2cm/s。通过心墙段的单宽流量为；通过心墙下游坝壳段的单宽流量为。计算简图见图自己画，具体计算结果见表3.1。表3.1 心墙及其下游坝壳单宽流量计算结果计算情况Z上（m）Z下（m）H1（m）H2（m）（m）D（m）L(m)q(110-5m3/(sm)He(m)正常蓄水位113.1068.2050.605.7018.45128.2577.2756.836.253校核洪水为113.5068.6551.006.1518.45128.2577.9506.946.3013.9.6 总渗流量的计算从地形地质平面图上可大致量得大坝沿坝轴线长L=400m，沿整个坝段的总渗流量Q=Lq,式中是考虑到坝宽、坝厚、渗流量沿坝轴线的不均匀性而加的折减系数，取，Q正=0.84006.8310-5=2.185610-2m3/sQ校=0.84006.9410-5=2.22110-2 m3/s3.9.7 浸润线方程1）正常蓄水位情况下的浸润线方程= 2）校核洪水位情况下的浸润线方程= 3.10 坝坡稳定计算（只作下游坡一个滑弧面的计算） 心墙坝的下游坝坡采用的是砂土，粘聚力c=0，为无粘性土，常形成折线形的滑弧面。如下图所示。图中所示各物理量之间满足以下方程：，。查设计资料砂土抗剪强度指标 ，由于设计原始资料中无相关数据，在此也无法提供实验数据，故假设，代入上述方程得（2级水工建筑物正常运用情况下）， 。 从以上分析可知该假想滑动面是稳定的。 溢洪道设计给出了两种方案，设计时根据实际情况任选其一。4 溢洪道设计（方案一）4.1 溢洪道路线选择和平面位置的确定根据本工程地形地质条件，选择正槽式溢洪道，引水渠末端设置圆形渐变段，泄槽不设收缩、弯曲段和扩散段，尾水渠设护坦。成直线布置在右岸的天然垭口，如地形地质平面图所示。4.2 溢洪道基本数据由于没有做调洪演算，初步拟定溢洪道水力计算成果见表4.1。表4.1 溢洪道水力计算成果计算情况上游水位（m）下泄最大流量(m3/s)相应的下游水位(m)设计113.10134074.30校核113.50166075.00 其中：设计洪水位取与正常蓄水位相同，而校核洪水的最大下泄流量和相应的下游水位只是初步拟定的。4.3 工程布置 4.3.1引水渠引水渠的作用是将水流平顺的引至溢流堰前。为提高泄洪能力，渠内流速v4m/s。渠底宽度大于堰宽，渠底末端高程与控制堰顶高程相同，取为107.50m。引水渠断面尺寸的拟定，具体计算结果和过程见表4.2。表4.2 引水渠断面尺寸计算成果（假定设计流速v=3m/s）计算情况上游水位（m）下泄最大流量 Q (m3/s)水深H（m）边坡坡率m底宽B(m)设计113.1013405.601.571.0校核113.5016606.001.583.2计算公式：，假设v=3m/s。由计算可以拟定引水渠底宽B=90m.引水渠与控制堰之间设渐变段，采用圆弧连接，圆弧半径R=10m，圆弧的圆心角为90；引水渠前段采用梯形断面，边坡采用1：1.5；底坡均为1：10的逆坡。最后引水渠总长L=65m。4.3.2 控制段其作用是控制泄洪能力。本工程是以灌溉发电为主的中型工程，采用平面钢闸门控制。溢洪道轴线处岩石破碎，深达60m的钻探岩芯获得率约为20%，岩石裂隙十分发育，因宽顶堰堰矮，荷载小，经比较选用无坎宽顶堰，断面为矩形，顶部高程为107.50m，堰厚拟取30m (2.5H10H)，堰宽由流量方程求得，具体计算见表4.3。表4.3 溢洪道控制段宽顶堰堰宽计算（忽略行进流速水头）计算情况上游水位(m)泄量 Q (m3/s)堰上水头H0 (m)流量系数m控制堰宽 nb(m)设计113.1013405.600.38559.3校核113.5016606.000.38566.3式中：控制堰宽 根据计算结果，取控制堰取，孔口数n=7，则单孔宽10m。闸门尺寸：取10m6.5m（宽高），宽高比为10/6.5=1.54,满足按规范规定的（1.52.0）。中墩宽取3.0m，边墩宽取1.0m，闸室宽度B=710+21.0+63.0=90m。闸墩尺寸自选绘制简图。4.3.3 泄槽泄槽是宣泄过堰洪水的，槽底布置在基岩上，断面必须为挖方，且要工程量最小，坡面不能太陡。由地形地质平面图上量得堰顶到下游74.