土石坝毕业设计(完成稿)

ZFZF 水库土石坝枢纽水库土石坝枢纽 毕毕 业业 设设 计计 学生姓名学生姓名 朱朱 秀秀 娟娟 学校名称学校名称 华北水利水电学院华北水利水电学院 指导教师指导教师 王王 雅雅 伟伟 完成日期完成日期 2012 6 82012 6 8 1 前前 言言 土石坝泛指由当地土料 石料或混合料 经过抛填 辗压等方法堆筑成的挡水坝 当坝体材 料以土和砂砾为主时 称土坝 以石渣 卵石 爆破石料为主时 称堆石坝 当两类当地材料均 占相当比例时 称土石混合坝 土石坝是历史最为悠久的一种坝型 也是世界坝工建设中应用最 为广泛 发展最快的一种坝型 土石坝按坝高分为 低坝 中坝和高坝 按其施工方法分为 碾压式土石坝 冲填式土石坝 水中填土坝和定向爆破堆石坝等 碾压式土石坝是应用最为广泛的一种坝型 按照土料在坝身内 的配置和防渗体所用的材料种类 碾压式土石坝有以下几种主要类型 1 均质坝 坝体断面分防渗体和坝壳 基本上是由均一的黏性土料 壤土 砂壤土 筑成 2 土质防渗体分区坝 即用透水性较大的土料作坝的主体 用透水性极小的黏土作防渗体的 坝 包括黏土心墙坝和黏土斜墙坝 防渗体设在坝体中央的或稍向上游且略为倾斜的称为黏土心 墙坝 防渗体设在坝体上游部位且倾斜的称为黏土斜墙坝 是高 中坝中最常用的坝型 3 非土料防渗体坝 防渗体由沥青混凝土 钢筋混凝土或其他人工材料建成的坝 按其位置 也可分为心墙坝和面板坝 本次设计为 ZF 水库土坝枢纽工程 ZF 水库建成后具有灌溉 发电 防洪 解决工业用水和 人畜吃水等多方面的效益 是一座综合利用的水库 水库土坝枢纽工程设计任务书 水文地质资料及其他相关原始资料是坝体设计的依据 必须 全面了解设计任务 熟悉该河流的一般自然地理条件 坝址附近的水文和气象特性 枢纽及水库 的地形 地质条件 当地材料 对外交通及有关规划设计的基本数据 只有在熟悉基本资料的基 础上才能正确地选择建筑物的类型 进行枢纽布置 建筑物设计及施工组织设计 通过对资料的 了解和分析 初步掌握原始资料中对设计和施工有较大影响的主要因素和关键问题 为以后设计 工作的进行打下良好的基础 百年大计 安全第一 大坝的安全性 重点考虑 1 坝基范围内地质构造是否存在较大范围的夹层和强透水层 地基处理的工程范围和深 度 2 黄土处理问题 当黄土的重度大于 14 5kN m3时 黄土的湿陷度较小可不进行处理 但 如果黄土的重度小于 14 5kN m3时 黄土的湿陷性和压缩性较大 需要清除 本次设计内容 1 坝轴线选择 2 坝型选择 3 枢纽布置 4 挡水建筑物设计 包括土坝断面设计 平 面布置 渗流计算 稳定计算 细部构造设计 基础处理等 5 泄水建筑物设计 溢洪道 导 3 流洞设计 以水利计算为主 6 灌溉发电洞及枢纽电站 4 第一章第一章 基本资料基本资料 第一节第一节 工程概况及工程目的工程概况及工程目的 ZF 水库位于 QH 河干流上 水库控制流域面积 4990km2 库容 5 05 108 m3 水库以灌溉发电 为主 结合防洪 可引水灌溉农田 71 2 104亩 远期可发展到 104 104亩 灌区由一个引水流 量为 45m3 s 的总干渠和四条分干渠组成 在总干渠首及下游 24km 处分别修建枢纽电站和 HZ 电站 总装机容量 31 45MW 年发电量 1 129 108kwh 水库防洪设计标准为百年设计 万年校核 枢纽 工程由挡水坝 溢洪道 导流泄洪洞 灌溉发电洞及枢纽电站组成 本次我们的任务是设计挡水坝枢纽工程 第二节第二节 基本资料基本资料 一 地形和地质图一 地形和地质图 ZF 坝址区地形图见附图 5 ZF 土坝坝线工程地质剖面图见附图 6 二 库区工程地质条件二 库区工程地质条件 库区附近分水岭高程均在 820m 以上 基岩出露高程 大部分在 800m 左右 主要为紫红色 砂岩 间夹砾岩 粉沙岩和砂质页岩 新鲜基岩透水性不大 未发现大的构造断裂 水库蓄水条 件良好 QH 河为山区性河流 两岸居民及耕地分散 除库水位以下有一定淹没外 浸没问题不大 库 区也未发现重要矿产 三 坝址区工程地质条件三 坝址区工程地质条件 QH 河在 ZF 水库坝址区呈一弯曲很大的 S 形 坝段位于 S 形的中 上段 坝段右岸为侵蚀型 河岸 岸坡较陡 基岩出漏 上下坝线有 300 多米长的低平山梁 单薄分水岭 左岸为侵蚀堆 积岸 岸坡较缓 有大片土层覆盖 右岸单薄分水岭是 QH 河环绕坝段左岸山体相对侧向侵蚀的 结果 坝址区基岩以紫红色 紫灰色细砂为主 间夹砾岩 粉沙岩和少数砂质页岩 地层岩相变化 剧烈 第四系除灰度不大的砂层 卵石层外 主要是黄土类土 在大地构造上处于相对稳定区 未发现有大的断裂构造迹象 坝址区左岸有一大塌滑体 体积约 45 104 m3 对工程布置有一定影响 本区地震基本烈度为 6 度 建筑物按 7 度设防 1 1 上坝址 上坝址 上坝址位于坝区中部背斜的西北 岩层倾向 QH 河上游 河床宽约 300 米 砂卵石覆盖层平 均厚度 5m 渗透系数 1 10 2 cm s 一级阶地 Q4 表层具有中偏强湿陷性 左岸 730 m 高程以 上为三级阶地 Q2 具中偏湿陷性 基岩未发现大范围的夹层 基岩的透水性不大 河床中段及近右岸地段 沿 113 111 115 5 104 114 各钻孔连线方向 在岩面下 21 47m 深度范围内 有一强透水带 5 46 30L s m m 下限最深至基岩下约 80 米 基岩透水性从上游向下游有逐渐增大的 趋势 左岸台地黄土与基岩交界处的砾岩 最大厚度 6 米 透水性强 渗透系数 k 10 m d 左 岸单薄分水岭岩层仍属于中强透水性 平均 0 48L s m m 应考虑排水 增加岩体稳定 2 2 下坝址 下坝址 下坝址位于上坝址同一背斜的东南翼 岩层倾向 QH 河下游 河床宽约 120 米 左岸为二 三级阶地 右岸 731 米高程下为基岩 以上为三级阶地 土层的物理力学性质见 工程地质剖面 图 左岸基岩有一条宽 200 250 米呈北东方向的强透水带 右岸单薄分水岭的透水性亦很大 左 右岸岩石中等透水带下限均可达岩面下 80 米左右 河床地段基岩透水性与中等透水带厚度具有 从上游向下游逐渐变小的趋势 下游发现承压水 二 三级阶地砾石层透水性与上坝线相同 左 岸坝脚靠近塌滑体 四 四 溢洪道工程地质条件溢洪道工程地质条件 上坝线方案溢洪道堰顶高程 757m 沿建筑物轴线岩层倾向下游 岩性主要为坚硬的细砂岩 其中软弱层多为透镜体 溢洪道各部分的抗滑稳定条件是好的 下坝线溢洪道堰顶高程 750m 基 础以下 10m 左右为砂质页岩及夹泥层 且单薄分水岭岩层风化严重 透水性大 对建筑安全不利 五 水文与水利规划五 水文与水利规划 1 1 气象 气象 流域年平均降雨量 686 1mm 70 集中在 6 9 月份 多年年平均气温 8 9 多年平均最高气 温 29 1 6 月 多年平均最低气温 14 3 1 月 多年平均最大风速 9 m s 水位 768 1 米 时水库吹程 5 5km 2 2 水文分析 水文分析 1 洪水 洪水由暴雨形成 据统计 7 8 月发生最大洪峰流量的机会占 88 而且年际变化很大 实测 最大洪峰流量 2200m3 s 最小洪峰流量 184 m3 s 相差 12 倍 流域洪水的特点是风高 历时短 陡涨陡落 一次洪水持续时间一般 3 5 天 2 年来水量 水量的年内分配 汛期 7 10 月约占全年水量的 62 水量年际变化很大 实测最大年来水量 1968 108m3 1963 年 7 月至 1964 年 6 月 最小年来水量 3 34 108m3 1965 年 7 月至 1966 年 6 月 相差 5 9 倍 从历年来水量过程来看约 7 年一个周期 其中连续枯水段为四年 3 年输沙量 汛期 7 10 月的来沙量约占全年输沙量的 94 其中 7 8 两月约占 83 输沙量的年际变化 很大 实测最大年输沙量 1240 104t 最小年输沙量 173 104t 相差 7 倍 6 4 水文分析成果表 QHQH 河水文分析成果表河水文分析成果表 序号名称单位数量备注 1 利用水文系列年限年 22 2 代表性流量 多年平均流量 m3 s21 9 调查历史最大流量 m3 s3 980 设计洪水洪峰流量 p 1 m3 s4 000 校核洪水洪峰流量 p 0 1 m3 s6 550 保坝洪水洪峰流量 p 0 01 m3 s9 100 3 洪量 设计洪水洪量 p 1 m35 00 1085d 校核洪水洪量 p 0 1 m37 95 1085d 4 多年平均径流量 m36 94 108 5 多年平均输沙量 t431 00 108 3 3 水利计算 水利计算 1 死水位选择 为尽可能增加自流灌溉面积 并使电站水头适当增加 力求达到电源自 给以及为今后水库淤积留有余地 按 20 年淤积高程考虑 并根据以后使用情况加以计算调整 2 调节性能的选定 灌溉保证率选取 P 75 水库上游来水 首先满足灌区工农业用水 电站则利用余水发电 按上述原则 并按近期灌溉面积 71 2 104亩进行水库调节计算 年调节 和多年调节两个方案的水量利用系数和坝高都相差不大 但是多年调节性能的水库能提供的电量 和装机利用小时数都较年调节性能水库提高 20 故确定本水库为多年调节性能水库 利用 1949 年 7 月至 1971 年 6 月共 22 年插补水文系列 采用 时历法 进行多年调节计算 3 兴利水位的确定原则和指标 根据 QH 河洪水特性 汛期限制水位在 7 8 月为 760 7m 7 8 月以后可利用一部分防洪库容蓄水兴利 以防洪兼顾兴利为原则 确定 9 10 月水 位为 766 1m 汛末可以多蓄水 但蓄水位按不超过百年设计洪水位考虑 确定汛末兴利水位为 767 2m 电站的主要任务是满足本灌区提灌用电的要求 因此在保证灌区工农业用水的基础上 确定 电站的运用原则 灌溉季节多引水发电 非灌溉季节少引水发电 遇丰水年则充分利用弃水多发 电 提高年水量的利用系数 4 防洪运用原则及设计洪水的确定 本水库属二级工程 水库建筑物按百年一遇洪水设 计 千年一遇洪水校核 由于采用的洪水计算数值中未考虑历史特大洪水的影响 故用万年 7 一遇洪水作为非常保坝标准对水工建筑物进行复核 工程泄洪建筑物有溢洪道和导流泄洪洞 溢洪道净宽 60 米 分设 5 孔闸门 每孔闸门净宽 12 米 堰顶高程 762 米 通过施工导流 拦洪 泄洪度汛 非常时期放空水库以及在可能情况下 有利于排沙等方面的综合分析和比较 泄洪洞洞径确定为 8 米 进口底高程 703 35 米 调洪运用原则 当入库洪水为 20 年一遇时 为满足下游河道保滩淤地的要求 水库控制下 泄流量为 600 m3 s 当入库洪水为百年一遇时 为提高下游河道的电站 桥梁等建筑物的防洪标 准 水库控制下泄流量为 2000 m3 s 当入库洪水为千年一遇时 溢洪道单宽流量以 70 m3 s m 控制泄流 当入库洪水为万年一遇时 按下述原则操作 即库水位接近校核水位时 若水库水位仍持续上涨 为确保大坝安全 溢洪道敞开泄洪 允许溢洪道局部破坏 5 水库排沙和淤沙计算 ZF 水库回水长 25km 河道弯曲 河床宽 300 米左右 河床比降 位 2 是个典型的河道型水库 QH 河泥沙年内 83 集中在 7 8 两个月 平均含沙量 13 8kg m3 泥沙多年平均 D50粒径为 0 0155mm 颗粒较细 虽然本水库有可能利用异重流排沙 但由于流域的水文特性和下游工农业对水源的要求 决定了本水库只能高水头蓄水运用 在蓄水 过程中 只能用灌溉和发电的剩余水进行排沙 经计算 多年平均排沙量只能占 5 2 其余大部 分的泥沙都淤积在水库中 从而减少了兴利库容 6 水库工程特征值见下表 水库工程特征值水库工程特征值 序序 号号名名 称称单单 位位数数 量量备备 注注 1 设计洪水时最大泄流量 m3 s2 000 00 其中溢洪道 815 相应下游水位 m700 55 2 校核洪水时最大泄流量 m3 s6 830 00 其中溢洪道 5 600 相应下游水位 m705 60 3 水库水位 校核洪水位 P 0 01 m770 40 设计洪水位 P 1 m768 10 兴利水位 m767 20 汛限水位 M760 70 死水位 m737 00 4 水库容积 总库容 m35 05 108 校核洪水位 设计洪水库容 m34 63 108 防洪库容 m31 36 108 兴利库容 m33 51 108 8 其中公用库容 m31 10 108 死库容 8m3 1 05 108 5 库容系数 50 50 6 调节特性多年 7 导流泄洪洞 型式明流隧洞工作闸门前为有压 隧洞直径 m8 10 城门洞型压力隧洞 8m 消能方式挑流 最大泄量 P 0 01 m s1 230 00 最大流速 m s23 10 闸门尺寸 m7 6 50 弧形门 启闭机 t300 00 油压启闭机 检修门 m8 9 00 斜拉门 进口底部高程 m703 35 8 灌溉发电隧洞 型式压力钢管 内径 m5 40 灌溉支洞内径 m3 00 最大流量 m3 s45 00 进口底部高程 m731 64 9 枢纽电站 形式引水式 厂房面积 长 宽 m m39 16 20 装机容量 KW5 1 250 每台机组过水能力 m3 s8 05 六 建筑材料及筑坝材料技术指标的选定六 建筑材料及筑坝材料技术指标的选定 库区及坝址下游石料丰富 有利于修建当地材料坝 1 1 土料 土料 坝址上 下游均有土料场 储量丰富 平均运距小于 1 5km 根据 155 组试验成果统计 土 料平均粘粒含量为 26 4 粉粒 55 9 粉沙 17 6 其中 25 属粉质粘土 60 7 属重粉质壤土 14 3 属中粉质壤土 平均塑性指数 11 1 比重 27 5 最大干重度 16 7kN m3 最优含水量 20 5 渗透系数 0 44 10 5cm s 具有中等压缩性 强度特性见下表 9 土料的强度特性土料的强度特性 抗剪强度指标抗剪强度指标 试验方法试验方法统计方法统计方法 o o C KN cmC KN cm 2 2 算术平均 23 272 80 饱和固结快剪 25 组 算术小值平均 20 961 93 算术平均 21 542 93 快剪 82 组 算术小值平均 21 302 93 算术平均 21 302 93 算术小值平均 21 001 94 算术平均 22 685 83 算术小值平均 20 033 56 算术平均 22 505 83 快剪 18 组 算术小值平均 23 803 56 算术平均 28 804 51 算术小值平均 25 752 93 算术平均 29 004 51 快剪 8 组 算术小值平均 28 702 93 算术平均 20 002 88 三轴不排水剪 10 组 算术小值平均 25 201 30 算术平均 13 302 80 三轴不排水剪 6 组 算术小值平均 25 200 80 算术平均 18 204 20 三轴饱和固结 不排水剪 6 组 算术小值平均 22 303 50 算术平均 35 70 野外自然坡度角 29 组 算术小值平均 31 20 算术平均 31 10 算术小值平均 29 10 算术平均 31 00 室内 剪切 试验 算术小值平均 29 00 10 2 2 砂砾料 砂砾料 主要分布在河滩上 储量为 205 104m3 扣除漂时石及围堰淹没部分 可利用的砂砾料约 100 151 104m3 其颗粒级配不连续 缺少中间粒径 根据野外 29 组自然坡度角试验和 34 组 室内试验分析 统计成果如下 天然重度 18 7kN m3 软弱颗粒含量 2 64 颗粒组成见下表 砂砾料颗粒组成表砂砾料颗粒组成表 粒径粒径 200 80 40 20 5 2 1 0 5 0 25 0 05 含量含量 83 774 257 746 238 634 632 829 724 74 9 砂的储量很少 且石英颗粒少 细度模数很低 不宜作混凝土骨料 砂 D 2mm 的相对紧 密度为 0 895 3 3 石料 石料 坝址区石料较多 运距均在 1 公里内 为厚层砂岩储量可满足需要 溢洪道 导流洞的出渣 也可利用 4 4 筑坝材料技术指标的选定 筑坝材料技术指标的选定 经过试验 并参考有关文献资料及工程的经验 最后选定其筑坝材料的各项指标 见下表 筑坝材料技术指标筑坝材料技术指标 坝坝 体体坝坝 基基 筑坝材料筑坝材料土料土料砂砾料砂砾料堆石堆石砂砾料砂砾料黄土黄土 比重 27 527 0 湿重度 KN m3 16 518 018 018 016 0 饱和重度 KN m3 19 819 1 重 度 干重度 KN m3 10 411 010 510 2 孔隙率 n 0 33 总应力 10 施工期 有效应力 22 稳定渗流期有效应力 23 内 摩 擦 角水位降落有效应力 23 31403120 粘聚力 C KN cm2 2 0 渗透系数 K cm s 1 10 61 10 21 10 21 10 5 初始孔隙水压力系数 0 3 七 工程效益及淹没损失七 工程效益及淹没损失 本水库建成后具有灌溉 发电 防洪 解决工业用水和人畜吃水等多方面的效益 是一座综 11 合利用的水库 水库近期可灌溉农田 71 2 104亩 远期发展到 104 104亩 枢纽电站和 HZ 电站总装机容 量为 31450KW 年发电量 1 129 108KW h 除满足农业提水浇灌用电外 还剩余 0 的电力供 工农业用电 防洪方面 本水库控制流域面积 4990km2 占全流域面积的 39 对下游河道防洪 削减洪峰 减轻防汛负担也有一定的作用 可将下游 100 年一遇的洪水流量 6010 m3 s 削减到 3360m3 s 相当于 17 年一遇 可将 50 年一遇洪水由 6000 m3 s 削减到 2890m3 s 相当于 12 年一 遇 另外 每年还可供给城市及工业用水 0 63 108m3 由于库区沿岸山峰重叠 村庄零散 耕地不多 淹没损失较小 按库区移民高程 770m 统计 共需迁移人口 3115 人 淹没耕地 12157 亩 房屋 1223 间 窑洞 1470 孔 八 施工条件八 施工条件 1 1 施工区地质地形条件 施工区地质地形条件 ZF 水库的右岸坡较陡 坡度为 30 度左右 大部分基岩出漏高程在 770 810m 主河槽在右岸 河宽约 100 米左右 左岸为堆积岸 台地宽 200 米左右 山岭高程在 775 米左右 岸坡较平缓 大都为土层覆盖 水库枢纽处施工场地狭窄 枢纽建筑物全部布置在左岸施工布置较为困难 坝区为上二叠系石千峰组的紫红色 紫灰色细砂岩 间夹同色砾岩及砂质页岩等岩层 右岸 全部为基岩 河床砂卵石层总厚度约 50m 覆盖层厚度约 5m 高漫滩表层亚砂土厚 5 15m 左岸 728m 高程以下为基岩 基岩面向下游逐渐降低 土层增厚 砂卵石层透水性不会很强 施工开挖 排水作业估计不会很困难 2 2 施工区气象与水文条件 施工区气象与水文条件 ZF 水库坝址处没有建立水文气象站 根据附近气象站 1958 年至 1963 年和 1970 年至 1972 年 共 9 年资料统计分析 最高气温 29 1 6 月 最低气温 14 3 多年平均日气温 4 24 历 年各月气温特征值见下表 各月气温特征值各月气温特征值 单位 单位 月份月份1 1 月月 2 23 34 45 56 67 78 89 9101011111212 多年平 均气温 4 51 14 611 318 121 723 621 716 410 318 92 1 多年最 高气温 4 67 217 022 225 029 123 026 530 122 418 98 1 多年最 低气温 4 30 05 81 03 110 518 914 41 91 90 70 0 根据以上的气象资料统计分析 得出多年的平均各月降雨天数及各种频率的设计洪水过程线 分见下两表 12 多年平均各月降雨天数多年平均各月降雨天数 项目 月份 平均日降雨 5 10mm 天数 平均日降雨 5 10mm 天数 平均日降雨 5 10mm 天数 平均日降雨 5 10mm 天数 平均日降雨 10mm 天数 1 月 0 62 2 月 0 370 13 3 月 1 000 080 25 4 月 1 000 630 500 250 13 5 月 2 001 120 250 500 25 6 月 1 371 000 630 251 00 7 月 2 751 881 001 001 38 8 月 1 372 270 250 252 6 9 月 1 450 880 130 630 75 10 月 0 870 880 380 250 13 11 月 0 730 880 13 12 月 0 13 各种频率的设计洪水过程线各种频率的设计洪水过程线 流量 m3 s 1 流量 m3 s 1 时间 h P 1 P 5 P 5 10 月 时间 h P 1 P 5 P 5 10 月 1222133394516701002 330218142471520912 534020451491500900 750030055511400830 970042066531280768 1184750381551220 13950550105571160 15975650105591080648 171350810174611020 191760106022063980 13 212270136220265920 232900174017867900540 254000236016069875 273350201014871849 292960177013873800480 312670160213075780 332470138010177760 352300138010179720 37216012909881700420 39202012108183676 41193011507685 4318201090 3 3 当地建筑材料 当地建筑材料 1 土料 根据当地建筑材料调查报告 土料场有 5 个 根据试井和钻孔情况 从 1 2000 地形图初步计算 4 个土料场的总储量为 2248 6 104m3 为需要量的 4 倍多 各土料场的储量如 下表 各土料场的储量各土料场的储量 土料场土料场南坪沟南坪沟川坡川坡上山上山大河滩大河滩合计合计 高程 m 746 805720 760710 749722 778 储量 104m3 913 6855 7119 9359 42248 6 2 砂砾料 根据调查 坝址附近的三个砂砾场 开采总量约 100 151 104m3 水上部 分 不够使用 3 石料 未进行石场储量的调查试验工作 在坝址右岸有两个石料场 石场空间不够开 阔 运输困难 4 骨料 沿河调查 本地砂只能用于浆砌石和混凝土 其它用砂需外运 4 4 施工区对外交通 供电 通讯及房屋情况 施工区对外交通 供电 通讯及房屋情况 水库地处山区 对外交通条件差 主要靠公路运输 水库附近没有较大的电源 最近的电源设备容量不大 只能供应水库 1000KW 电量不足 水库开工后 应要求有关部门予以解决 水库开工后 要求架设专用通讯线路 住房问题也 必须因地制宜解决 九 施工要求九 施工要求 QH 河灌区工程规模大 全部工程分水库枢纽 HZ 电站 渠道三部分 水库枢纽包括土石 混和坝 导流泄洪洞 溢洪道 灌溉发电洞及枢纽电站 5 项 渠道工程包括总干渠 一干渠 14 二干渠 三干渠 四干渠 扬水站 6 项 另有 HZ 电站工程 3 部分共计 12 项工程 其中 HZ 电站 扬水站 枢纽电站厂房 机组由专业队施工 要求工程尽快受益以改变 QH 河灌区农业生产基本 条件 工程预期 8 年基本建成受益 要求第 5 年汛前枢纽电站发电 总干渠受益 本次我们主要设计土石坝 导流泄洪洞工程 第二章第二章 枢纽布置枢纽布置 第一节第一节 坝轴线选择坝轴线选择 根据地形 地址 工程规模及施工条件 经过经济和技术的综合分析比较来选定坝址 上坝址 位于坝区中部背斜的西北 岩层倾向 QH 河上游 河床宽约 300 米 砂卵石层平均 厚度 5 米 岩基未发现大范围的夹层 基岩的透水性不大 河床中段及近右岸地段 沿 113 111 115 104 114 各钻孔连线方向 在岩面下 21 47 米深度范围内 有一强透水带 下限最深至基岩 下约 80 米 应适当进行防渗处理 排水 增加岩体稳定 溢洪道堰顶高程 757 米 沿建筑物轴线倾向下游 岩性主要为坚硬的细砂岩 其中软弱层多 为透镜体 溢洪道整个部分的抗滑稳定条件好 灌溉发电洞及枢纽电站沿线基岩以厚粉砂岩为主 岩石完整 透水性不大 洞顶以上岩层厚 度较小 应对渗漏及土体坍塌采取必要的工程措施 下坝址 位于上坝址同一背斜的东南翼 岩层倾向 QH 河下游 河床宽 120 米 右岸为二 三级阶地 左岸基岩中有一条 200 500 米呈北东方向的透水带 右岸单薄分水岭的透水性很大 左右岩石中等透水带下限均可达岩面下 80 米左右 下游发现呈压水 二 三级阶地砾石层透水 性于上坝线相同 左岸坝脚靠近塌滑体 溢洪道堰顶高程 750 米 基础以下 10 米左右为砂质页岩及夹泥层 且单薄分水岭岩层风化 严重 透水性大 对建筑物安全不利 灌溉发电洞及枢纽电站沿线全为基岩 工程安全比较可靠 具体上下两条坝线比较见下表 上下两条坝线的比较上下两条坝线的比较 方案 因素 上坝线下坝线 地形条件 位于坝区中部背斜的西北 岩层倾向 QH 河上游 河床 宽约 300 米 筑坝工程量相 对较大 淹没面积相对较小 位于上坝址同一背斜的东南 翼 岩层倾向 QH 河下游 河 床宽 120 米 右岸为二 三 级阶地 左岸坝脚靠近塌滑 体 左岸较大冲沟对坝体安 15 全不利 筑坝工程量相对较 小 淹没面积相对较大 地质条件 砂卵石层平均厚度 5 米 岩 基未发现大范围的夹层 基 岩的透水性不大 河床中段 及近右岸地段 在岩面下 21 47 米深度范围内 有一 强透水带 下限最深至基岩 下约 80 米 基础需进行灌浆 处理 左岸基岩中有一条 200 500 米呈北东方向的透水带 右 岸单薄分水岭的透水性很大 左右岩石中等透水带下限均 可达岩面下 80 米左右 下游 发现呈压水 基础需进行灌 浆处理 塌滑体对大坝安全 有较大不利影响 筑坝材料比较丰富比较丰富 施工条件较好 左岸坝脚靠近塌滑体 对施 工安全有较大影响 左岸较 大冲沟对施工不利 枢纽布置比较简单相对较复杂 比较结果优先选用不宜选用 综上所述 虽然下坝址的工程量比较小 但考虑地质方面的因素及塌滑体对大坝安全的影响 本次设计选用上坝址线 本次设计选用上坝址线 第二节第二节 枢纽布置及工程等级枢纽布置及工程等级 枢纽布置应满足以下原则 枢纽中的泄水建筑物应满足设计规范的运用条件和要求 选择 泄洪建筑物形式时 宜优先考虑采用开敞式溢洪道为主要泄洪建筑物 并经济比较确定 泄水引 水建筑物进口附近的岸坡应有可靠的防护措施 当有平行坝坡方向的水流可能会冲刷坝坡时 坝 坡也应有防护措施 应确保泄水建筑物进口附近的岸坡的整体稳定性和局部稳定性 当泄水建筑 物出口消能后的水流从刷下游坝坡时 应比较调整尾水渠和采取工程措施保护坝坡脚的可靠性和 经济性 可采取其中一种措施 也可同时采用两种措施 对于多泥沙河流 应考虑布置排沙建筑 物 并在进水口采取放淤措施 导流泄洪洞 避开塌滑体 保证出口和进口的稳定以及洞身围岩的稳定 岩层倾向下游 出 口段节理发育 应采取有效措施予以处理 为进一步保证出口段岩体的稳定 免除由内水压力引 起的不良后果 我们采取修建无压洞 型式 明流隧洞 工作闸门前为有压 隧洞直径 8 米 消能方式为挑流 闸门尺寸 7 6 5 16 米弧形闸门 进口底部高程为 703 35 米 溢洪道 溢洪道应选择在地形开阔 岸坡稳定 岩土坚实和地下水位较低的地点 宜选用地 质条件好良好的天然地基 壤土 中砂 粗砂 砂砾石适于作为水闸地基 尽量避免淤泥质土和 粉砂 细砂地基 必要时应采取妥善处理措施 从地质地形图可知坝体右岸有天然的垭口 地质 条件好 且有天然的石料厂 上下游均有较缓的滩地 两岸岩体较陡 岩体条件好 施工起来更 快捷更经济合理 上坝线的抗滑稳定条件是好的 溢洪道修建于 QH 右岸山坡上 紧邻右坝肩 型式 由于闸址段地形条件好 所以采用正槽式溢洪道 溢洪道净宽 60 米 分设 5 孔闸门 每孔闸门净宽 12 米 堰顶高程 757 米 灌溉发电隧洞 其布置原则与导流泄洪洞基本相同 型式 压力钢管 内径 5 4 米 进口底部高程 731 64 米 枢纽电站采用引水式 装机容量 5 1250kw 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 根据水库总库容 5 05 108 m3 校核洪水位时相应的库容 在 1 10 亿 m3 间 属 等工程 根据枢纽灌溉面积亩 在 50 150 万亩间 属 等工程 根据电站装机 3 145 104KW 在 5 1 万 KW 间 属 等工程 根据规范规定 对于具有综合利用效益的水利水电工程 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 因此本工程为 等工程 同时又根据水工建筑物级别的划分标准 等工程中的主要建筑物为 2 级建筑物 所以本枢 纽中的大坝 溢洪道 泄洪洞及电站厂房都为 2 级建筑物 第三章第三章 坝工设计坝工设计 第一节第一节 坝型确定坝型确定 根据所给资料 选择大坝型式 还应根据地形 地质 建筑材料 工程量以及施工条件等方 面综合考虑确定坝型 水库处于平原地区 由基本资料可知 库区土料丰富 料场距坝址较近 运输条件良好 施 工简便 地质条件合理 造价低 通过以上几方面的综合分析比较 所以选用土石坝方案 大坝 坝型宜采用土石坝 根据防渗结构的类型 常见土石坝型式有 心墙土石坝 斜墙土石坝 面板 堆石坝 均质坝等 我拟采用斜墙土石坝 其理由是 1 上坝线河谷较宽 300 米 覆盖层较 深 交通不方便 不宜修建混凝土坝 2 坝址上 下游有丰富的宜做坝壳和防渗体的砂砾料和 壤土 宜采用土石坝 3 坝址附近有丰富的重粉质壤土 4 坝址地基覆盖层较厚 渗透性很 17 高 综合考虑 最终确定采用碾压式斜墙土石坝 具体见下表 坝型选择比较表坝型选择比较表 方案 因素 土质防渗心墙土质防渗斜墙均质坝 地形条件可可可 地质条件可可不可 工程量较小小大 建筑材料充足充足充足 施工条件可可可 综上所述 最终确定选用斜墙土石坝 第二节第二节 挡水坝体断面设计挡水坝体断面设计 一 坝顶高程一 坝顶高程 确定坝顶高程时 应考虑正常蓄水情况和校核洪水情况 取其高值作为坝顶高程 土石坝是 不允许漫顶溢流的 因此要求水库静水位必须有一定的超高 Y Y R e A 水利水电工程建筑物 2 45 Y 坝顶在水库静水位以上的超高 m R 最大波浪在坝坡上的爬高 m e 最大风雍水面 高度 m A 安全加高 根据坝的等级和运用情况 查 水利水电工程建筑物 表 2 13 18 1 1 设计洪水位 设计洪水位 正常运用情况正常运用情况 设计任务书中 水文资料查得设计洪水位为 768 10m 属正常运行情况二级建筑物 取 A 1 0m 多年平均最大风速 9m s 在设计蓄水位时 宜采用相应洪水期多年平均最大风速的 1 5 2 倍 此取 2 倍 计算公式 其中 AeRy 设计风速 v 2 9 18m S 吹 程 D 5 5km 由地质剖面图 附图 6 查得库底最低高程 697m 坝前水深 H 768 1 697 71 1 米 当 0 度时 cos 取最大值 1 则 e 0 0036v2Dcos 2gH 查 水利水电工程建筑物 2 46 e 0 0036 182 5 5 1 2 9 8 71 1 0 0046m 由于 D 10km 且 v 10 20m s 查 土坝设计 6 12 Dvh 3 1 3 4 026 0 2 715 1 2 h 上游坝坡较缓初步采用 1 3 5 则 tay 1 3 5 0 286 外层上游坝壳为砌石 取 k 0 8 查 水利水电工程建筑物 表 2 14 R 3 2k 2h tan 3 2 0 8 1 715 0 286 1 26m 水利水电工程建筑物 2 47 Y R e A 1 26 0 451 1 2 71m 19 坝顶高程 设计静水位 波浪超高 768 1 2 71 770 81m 考虑沉降量为坝高的 0 2 0 4 取为 0 3 则沉降量为 73 81 0 3 0 22m 则坝顶防浪墙高程为则坝顶防浪墙高程为 Y Y设计 设计 770 81 0 22 771 03m 770 81 0 22 771 03m 2 2 校核洪水位 校核洪水位 非常运用情况非常运用情况 由给定的 ZF 水库工程特征值知道校核洪水位为 770 4 米 属非常情况下的 II 级建筑物 土 石坝坝顶安全超高值 A 0 5 多年最大风速 v 9m s 吹程 D 5 5Km 坝前水深 H 770 4 697 73 4m 当 0 度时 cos 取最大值 1 则 e 0 0036v2Dcos 2gH 查 水利水电工程建筑物 2 46 e 0 036 92 5 5 1 2 9 8 73 4 0 011m 由于 3 D 30km 且 v 15m s 查 土坝设计 6 4 Dvh 3 1 4 5 0208 0 2 2h 0 572 上游坝坡较缓初步采用 1 3 5 故 tan 1 3 5 0 286 外层上游坝壳为砌石得 k 0 8 R 3 2k 2h tan 3 2 0 8 0 572 0 286 0 42m Y R e A 0 42 0 01 0 5 0 93m 坝顶高程 校核水位 波浪雍高 770 4 0 93 771 33m 考虑沉降量为坝高的 0 2 0 4 取为 0 3 则沉降量为 73 81 0 3 0 22m 则坝顶防浪墙高程为则坝顶防浪墙高程为 Y Y校核 校核 771 33 0 22 771 55m 771 33 0 22 771 55m 3 3 正常蓄水位 正常蓄水位 非常运用情况非常运用情况 地震安全超高地震安全超高 正常高水位取兴利水位 767 20m 本区地震烈度为 6 度 按 7 度设防 地震区安全超高取 1 5m 坝体防浪墙顶高程为 767 2 0 93 1 5 769 63m 考虑沉降量为坝高的 0 2 0 4 取为 0 3 则沉降量为 72 63 0 3 0 22m 这种情况下坝顶防浪墙顶高程应为 Y Y正常 正常 769 63 0 22 769 85m 769 63 0 22 769 85m 坝顶防浪墙高程 max Y Y设计 设计 Y Y校核 校核 Y Y正常 正常 771 55m 771 55m 20 二 坝顶宽度二 坝顶宽度 坝顶宽度应考虑构造 交通要求和人防条件 同时还要考虑防汛抢险 抗震 人防需要 对 中低坝可选用 5 10m 对于高坝 坝高超过 70m 最小宽度 可选用 10 15m 鉴于本坝无交通等 特殊要求 本坝坝顶宽度取 12m 图 3 1 坝顶结构图 三 坝坡三 坝坡 上下游边坡比见表 3 2 表 3 2 上下游边坡比 坝高 m 上游下游 10 1 2 1 2 51 1 5 1 2 10 201 2 25 1 2 751 2 1 2 5 20 301 2 5 1 31 2 25 1 2 75 30 1 3 1 3 51 2 5 1 3 坝高为 771 55 697 1 2 73 35m 防浪墙高 1 2 米 坝顶高程 770 35 坡度取值为 1 上游坝坡 1 3 5 2 下游坝坡 1 3 0 四 马道四 马道 为拦截雨水 防止坝面被水冲刷 同时便于交通 检测和观测 并且利于坝坡稳定 下游常 沿高程每隔 10 30 m 设置一条马道 其宽度不小于 1 5 m 马道一般设在坡度变化处 在下游坡 共设置五级马道 分别在高程 767m 752m 737m 722m 和棱体排水顶面 高程为 707m 马道宽 21 2m 上游坡不设马道 五 坝底宽度五 坝底宽度 推算最大底宽为 73 35 3 5 3 12 10 498 78m 六 防渗体尺寸的确定六 防渗体尺寸的确定 1 1 防渗体尺寸确定 防渗体尺寸确定 考虑采用机械施工 防渗体顶面宽度为 3m 顶面高程满足高于正常运用情况下的静水位 0 6 0 8m 且不低于非常运用情况下的静水位 实际选取 0 7m 则防渗体顶面高程为 768 1 0 7 768 8m 上游坡度均为 1 3 5 下游坡度为 1 2 5 则底宽为 3 768 8 697 3 5 2 5 74 8m 满足斜墙底宽不小于 H 5 768 9 697 5 14 38m 因此 本坝防渗体采用碾压式粘土斜墙 顶宽 3m 底厚 74 8m 2 2 尺寸确定 尺寸确定 斜墙顶部和上游坡设保护层 以防冲刷 冰冻和干裂 保护层材料常用砂 砾石或碎石 其 厚度不得小于当地冰冻和干裂厚度 1 1 上游反滤层 上游反滤层 本坝将防渗体向下延伸至不透水层形成截水槽 边坡取 1 1 底宽 11 深 5 斜墙反滤层 上游设三层反滤层 第一层 粗砂 粒径 15mm 厚 0 5m 第二层 小卵石或碎石 粒径 15 75mm 厚 0 5m 第三层 卵石或块石 粒径 75 250mm 厚 0 5 0 6m 斜墙反滤层 下游设一层反滤层 粗砂 粒径 15mm 厚 0 5m 2 2 顶部反滤层 顶部反滤层 顶部反滤层厚度为 1 5m 采用附近料场的砂砾料 七 排水体七 排水体 本设计采用棱体排水 校核洪水时下游水位 705 6m 选顶面高程为 707m 采用堆石体 内 坡为 1 3 0 外坡为 1 3 0 顶宽为马道宽 2 米 八 细部构造设计八 细部构造设计 1 1 坝顶构造 坝顶构造 坝顶上游侧设置防浪墙 采用浆砌石 其底部与斜墙连接 高 2 75 米 宽 0 8 米 坝顶设坝 顶面向下游设 2 斜坡 22 2 2 护坡 护坡 1 上游护坡 上游上部由 734 5m 至防浪墙设砌石护坡 护坡厚 40cm 其下设砂砾反滤层 110cm 结构为 第一层 粗砂 粒径 15mm 厚 0 2m 第二层 小卵石或碎石 粒径 15 75mm 厚 0 3m 第三层 卵石或小块石 粒径 75 250mm 厚 0 6m 上游下部分为干砌块石护坡 厚度 50cm 2 下游护坡 下游采用碎石和卵石全护坡 厚 20cm 第三节第三节 坝体渗流计算坝体渗流计算 一 土坝渗流计算的目的一 土坝渗流计算的目的 1 确定坝体浸润线和下游逸出点位置 绘制坝体及地基内的等势线分布图或流网图 为 坝体稳定核算 应力应变分析和排水设备的选择提供依据 以便在不同部位正确采用土壤的容重 抗减强度等物理指标 2 计算坝体与坝基的渗流量 以便估计水库渗漏损失和确定坝体 排水设备尺寸 3 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 4 确定库水位降落时下游坝壳内自由水面的位置 估算由此处产生的孔隙压力 供上游 坝坡稳定分析之用 二 计算方法二 计算方法 渗流计算方法采用有限深透水地基上设灌浆帷幕的土石坝渗流 帷幕灌浆的防渗作用可以用 相当于不透水底版的等效长度代替 三 计算组合方式三 计算组合方式 按下列水位组合情况计算 1 上游采用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 上游校核洪水位与下游相应的最高水位 四 计算四 计算 23 坝体做有防渗墙以拦截透水地基上的渗流 计算公式采用有限透水地基上带截水槽的斜墙的 渗流计算方法 一 最大断面 0 220 由附图 6 得河底高程 699 0m 1 上游采用正常高水位与下游相应的最低水位 上游正常高水位取为兴利水位 767 2 下游相应低水位取为 700 55m 基础采用防渗处理 视为基础不透水 1 1 计算示意图 计算示意图 1 3 0 1 3 5 O H1 h H2 斜 墙 坝 渗 流 计 算 图 L K K y x a KO T T 2 2 渗流量计算 渗流量计算 通过斜墙的渗流量 计算公式 T hH K hHK q 1 1 0 2 2 10 1 sin2 式中 K0 0 44 10 5cm H1 70 2m 3 74 8 2 38 9 sin 0 32 1 74 8 T 0 心墙后的渗流量 计算公式 T TL Hh K HmL HhK q T 44 0 2 2 22 2 2 2 2 式中 K 1 10 2cm s H2 3 55 L 356 5 m2 3 KT 10 2 cm s T 0 渗流量计算结果 24 根据水流连续条件 则 q1 q2 q 求得 h 8 48m q 0 86 10 5m2 S 3 3 斜墙后的浸润线方程 斜墙后的浸润线方程 计算公式 式中 为防渗体斜墙后水位的高程 h 8 48 1 H 1 H 则由上式简化得 y2 0 172x 71 91 也即 y 71 91 0 172x x mx m050150300 y my m8 487 966 794 51 2 上游设计洪水位与下游相应的最高水位 上游设计洪水位为 768 1 下游相应高水位取为 705 60m 基础采用防渗处理 视为基础不透水 1 1 计算示意图 计算示意图 1 3 0 1 3 5 O H1 h H2 斜 墙 坝 渗 流 计 算 图 L K K y x a KO T T 2 2 渗流量计算 渗流量计算 通过心墙的渗流量 计算公式 T hH K hHK q 1 1 0 2 2 10 1 sin2 25 式中 K0 0 44 10 5cm H1 71 1m 3 74 8 2 38 9 sin 0 32 1 74 8 T 0 斜墙后的渗流量 计算公式 T TL Hh K HmL HhK q T 44 0 2 2 22 2 2 2 2 式中 K 1 10 2cm s H2 8 6 L 356 5 m2 3 KT 10 2 cm s T 0 渗流量计算结果 根据水流连续条件 则 q1 q2 q 求得 h 11 47m q 0 87 10 5 m2 S 3 3 斜墙后的浸润线方程 斜墙后的浸润线方程 计算公式 式中 为防渗体斜墙后水位的高程 h 11 47m 1 H 1 H 简化得 y2 0 174x 131 5609 从而得 x mx m050150300 y my m11 4711 0810 278 91 3 3 上游校核洪水位与下游相应的最高水位 上游校核洪水位与下游相应的最高水位 上游校核洪水位取为兴利水位 770 4 下游相应高水位取为 705 60m 26 基础采用防渗处理 视为基础不透水 1 1 计算示意图 计算示意图 1 3 0 1 3 5 O H1 h H2 斜 墙 坝 渗 流 计 算 图 L K K y x a KO T T 2 2 渗流量计算 渗流量计算 通过斜墙的渗流量 计算公式 T hH K hHK q 1 1 0 2 2 10 1 sin2 式中 K0 0 44 10 5cm H1