本科毕业设计_D江水利枢纽设计说明

1、 . 1 / 37D D 江水利枢纽工程设计江水利枢纽工程设计霞（农业大学工学院 05 级水利水电工程）摘要摘要：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，确定坝顶高程与泄洪建筑物尺寸；通过分析，对可能的方案进行比较，确定枢纽组成建筑物的形式、轮廓尺寸与水利枢纽布置方案；详细作出大坝设计，通过比较，确定坝的基本剖面与轮廓尺寸，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

2、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、铁路以与旅游景点的威胁；可为发展养殖创造有利条件。关键字关键字：坝型选择 枢纽布置 大坝设计 基础处理综合说明综合说明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

3、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、铁路以与旅游景点的威胁；可为发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 部分：1、工程等级与建筑物级别确定。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 . 2 / 37条件做出了总体

4、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与设计标准（山区、丘陵区部分） （试行）补充规定（SDJ12-78） 、 土石坝安全监测技术规（SL60-94） 以与国家、水利颁发的现行规，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 1 设计基本资料设计基本资料1.1

5、1.1 枢纽任务与设计要求枢纽任务与设计要求1.21.2 自然地理与水文气候特征自然地理与水文气候特征1.2.11.2.1 流域概况流域概况 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。本流域大部分为山岭地带，山脉、盆地相互交错期间，地形变化剧烈，流域支流很多，但多为小的河流。地表大部分为松软砂岩、页岩、玄武岩以与石灰岩的分化层，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

6、山与草皮覆盖。1.2.21.2.2 气候特征气候特征（ 1 ）气温年平均气温约为 12.8，最高气温约为 30.5，发生在 7 月份，最低气温为-5.3 ，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 月特别干燥，其相对湿度在 5173%之间，夏季因降雨日较多，想对湿度随之增大，一般变化围为 6786%。（ 3 ）降雨量 . 3 / 37 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 ）风力与风向 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 1

7、5 公里。1.2.3 水文特征 D 江径流的主要来源为降水，在次山区流域无湖泊调节径流。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，则枯水期开始，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表 1-11-1 流量、频率关系表流量、频率关系表1.31.3 工程地质与水文

8、地质工程地质与水文地质1.3.11.3.1 工程地质工程地质 库区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避免的，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，河床比较平缓，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，沿河谷分布。坝基部分冲基层厚度最大为 32 米，一般为 20 米左右，靠岸边最薄为几米，其

9、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，砂粒直径 0.05-0.2 毫米，细小颗粒直径小于 0.1 毫米。经抽水试验。测得冲积层渗透系数 K 值为 310？-110？厘米/秒。频率0.05%1%2%5%10%流量23201680142011801040 . 4 / 37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一样，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 0.5 米即有一条，疏者 3-5 你即有一条

10、，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，对工程比较有利。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与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。1.3.21.3.2 水文地质条件水

11、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 0.5 公斤/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。1.3.31.3.3 地震情况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。1.41.4 建筑材料建筑材料料场的位置和储量见坝区地形图。由于河谷地形平坦，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

12、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 5565%，干容重为 2.12 吨/立方米，摩擦角为 31，相对紧密度为 D=0.75，渗透系数为 0.003cm/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 0.4千克/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。 . 5 / 371.51.5 库区经济与其他库区经济与其他1.5.11.5.1 库区经济库区经

13、济库区经济：流域都为农业人口，多种植稻米、玉米等。库区尚未发现可开采的矿产。1.5.2 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。1.5.31.5.3 其他其他坝区地形图一；坝轴线附近地质剖面图（-、-两个） 、隧洞纵剖面地质图一；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。2 2 工程等级与建筑物级别工程等级与建筑物级别根据水利电力部颁发的 SDJ12-78 规规定：( 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。(

14、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与设计与校核洪水位过程线，确定库容为该工程控制因素，则确定该水利枢纽 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31680/Qms正常常运用洪水标准为 2000 年，洪峰流量。32320/Qms非常3 3 洪水调节计算洪水调节计算3.13.1 设计洪水与校核洪水设计洪水与校核洪水 已知一典型洪水过程线，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

15、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。3.23.2 调洪演算与方案选择调洪演算与方案选择3.2.13.2.1 泄洪方式与水库运用方式泄洪方式与水库运用方式( 1 )泄洪方式坝址附近与上游均无合适的马鞍形垭口来布置溢洪道，所以若布置溢洪道须采用开挖方式， . 6 / 37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

16、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，当最大下泄流量达到下游允许的安全泄量时，采用闸门控制使得最大下泄流量不大于下游允许的安全泄量。来水量变小后闸门逐渐关小，当来水量再次等于下泄量时，水库水位达到最高，闸门也不再关小，水库继续泄水，水库水位逐渐回降。3.2.23.2.2 防洪限制水位

17、的选择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，则采用防洪库容和兴利库容完全分开的办法。从防洪安全要求出发，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。3.2.33.2.3 调洪演算调洪演算( 1 )洪水调节计算原理： 水库水量平衡方程： （312122122QQqqttVV 1）蓄泄方程： （3qf （V）2）泄流方程： （33/22qmBgh3）其中： 、时段初入库、出库流量； 、时段末入库、出库流量。1Q1q2Q2q 、时段初、末水库蓄水量。1V2V 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

18、实用堰的剖面形式，流量系数 . 7 / 37m 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。由经验和已知条件确定。 侧收缩系数。=0.86。WES 剖面型实用堰的侧收缩系数可由下经验公式 =1-0.2k+(n-1)0H/b 确定k、0 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 t 时段，已知 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 得 h = Z2-，代入式（33）求得 q2 ，再将

19、 q2代入式（31）中反算出 V2，若 V2= V2，则试算完成。否则重新假定 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表 3-13-1 计算方案计算方案堰顶高程与泄洪形式的选择：（ 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 =0.86、m=0.502。 （ 3 ）具体调洪演算过程见表 3-3 至表 3-10。方案一二三四堰顶高程 （m）2809281028112810堰顶宽度 B（m）7788 . 8 / 373.2.43.2.4 方案选择方案选择 从表 3-2 中可以看出，校核情况下，溢洪道宽度增大，则水库的最高洪水位越低，

20、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，闸门与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=7 m、=2809 m 为所选。 表表 3-23-2 调洪演算结果汇总表调洪演算结果汇总表表表 3-33-3 方案一方案一 p=1%p=1%调洪演算过程表调洪演算过程表表表 3-43-4 方案一方案一 p=0.05%p=0.05%调洪演算过程表调洪演算过程表方案工况q(m/s)V(105m)上游水位正常蓄水位超高28091%59039282821.

21、522819.52.027一0.05%691.641762822.902819.53.4028101%537.639652821.742819.52.247二0.05%63742302823.152819.53.6528111%56040002822.002819.52.508三0.05%648.942262823.152819.53.6528101%60239282821.522819.52.028四0.05%775.1541762822.902819.53.40时段 (m/s) (m/s)Qq(m/s)(m/s)qV(105m)V(105m) Z(m）(1)(2)(3)(4)(5)(6)(

22、7)(8)7.9455.24455.2436002819.51382.72493.4819213.92310.2531.7237922820.641855.1589.9627319.91400648.240652822.341110666.19625.982068441612822.8710684.85531.9600685.741662822.813528681.65-3337.9456677.641332822.7440366698-5643.9350648.3540772822.4 . 9 / 37表表 3-53-5 方案二方案二 p=1%p=1%调洪演算过程表调洪演算过程表表表 3-6

23、3-6 方案二方案二 p=0.05%p=0.05% 调洪演算过程表调洪演算过程表时间 (m/s) (m/s)Qq(m/s)(m/s)qV(105m)V(105m)Z(m）（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）8.97455.24455.2436002819.51067.12483.1212614.97167951137262820.351303.5543.216420.97928575.438902821.3747.5582.43626.97567589.439262821.5493584.5-2032.97419579.639062821.33368570.5-4438.97317

24、561.438622821.128144.97245时间 (m/s) (m/s)Qq(m/s)(m/s)qV(105m)V(105m)Z(m）（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）8.8391.78391.7836002819.51035.89421.2913314.81680450.837332820.371310.25484.417820.8940.551839112821.41756.75526.45026.8573534.839612821.7496.65533.6-832.8420.3532.439532821.66370.65526.6-3438.8321520.8391

25、92821.4528444.8247 . 10 / 37表表 3-73-7 方案三方案三 p=1%p=1%调洪演算过程表调洪演算过程表表表 3-83-8 方案三方案三 p=0.05%p=0.05%调洪演算过程表调洪演算过程表时段 (m/s) (m/s)Qq(m/s)(m/s)qV(105m)V(105m) Z(m）(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)7.4391.78391.7836002819.51320.89421.8219413.42250451.8537942820.671860518.5329019.41470585.240842822.441159601.312125.

26、4848617.442052823.02733636.582131.4618655.7642262823.47542642.18-2137.4466628.642052823.02413620.9-4543.4360613.241602822.79时间 (m/s) (m/s)Qq(m/s)(m/s)qV(105m)V(105m)Z(m）（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）8.7378.91378.9136002819.51029.54409.4613414.71680.1744037332820.361315.09447.2518120.7950514.539142821.4376

27、2.5525.355126.7575536.239652821.74499.5534.1-732.742453239582821.69373525-3338.732251839252821.49284.6544.7247.3时段 (m/s) (m/s)Qq(m/s)(m/s)qV(105m)V(105m) Z(m）(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)7.2378.91378.9136002819.51264.46380.2119113.22150381.537912820.631825486.8528919.21500592.240802822.421180615.312225.2

28、860638.442022823.02740643.32131.2620648.242232823.17545646.1-2237.247064442212823.1416.5636.3-4743.2363628.641742822.88 . 11 / 37表表 3-93-9 方案四方案四 p=1%p=1%调洪演算过程表调洪演算过程表表表 3-103-10 方案四方案四 p=0.05%p=0.05% 调洪演算过程表调洪演算过程表时间 (m/s) (m/s)Qq(m/s)(m/s)qV(105m)V(105m)Z(m）（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）8.94447.71447.7

29、136002819.51063.71479.3612614.941679.751137262820.351304.85546.716420.94930582.438902821.3750590.453426.94570598.539242821.49495592.25-2132.9442058639032821.325370576.57-4538.94320567.1438582821.0928344.94246时段 (m/s) (m/s)Qq(m/s)(m/s)qV(105m)V(105m) Z(m）(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)7.8447.71447.713600281

30、9.51378.86490.9119213.82310534.137922820.641870599.927419.81403665.740662822.351130684.69625.8830703.541622822.81717.5704.75331.860570741652822.85530697.9-3637.8455688.841292822.62404.5679.7-5943.8354670.640702822.39 . 12 / 374 4 大坝选择与枢纽布置大坝选择与枢纽布置4.14.1 坝址与坝型选择坝址与坝型选择4.1.14.1.1 坝址选择坝址选择（ 1 ）地形、地貌条件

31、分析地形平面图，D 江在 I-I 剖面处形成峡谷，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。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

32、选在 I-I 剖面较为理想4.1.24.1.2 坝型选择坝型选择（ 1 ）拱坝拱坝主要是利用了拱形结构的特点，获得安全经济的效果，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，以确保大坝安全。且修建拱坝的理想地质条件应该是比较均匀、完整、地质构造简单、抗压强度高、抗水性能好和不易变形的坚固岩石地基，尤其必须特别注意两岸

33、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，与其他坝型比较具有以 . 13 / 37下的主要特点。(a)泄洪和施工导流比较容易解决。(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若干独立的坝段，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

34、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发展。（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）在自重与水压力作用下，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。4.24.2 枢纽建筑物组成枢纽建筑物组成（ 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。4.34.3

35、 枢纽总体布置枢纽总体布置4.3.14.3.1 挡水建筑物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。4.3.24.3.2 泄水建筑物泄水建筑物-泄洪隧洞泄洪隧洞泄水建筑物泄洪隧洞 . 14 / 37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。4.3.34.3.3 水电站建筑物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

36、。综合考虑各方面因素，最后确定枢纽布置。5 5 大坝设计大坝设计5.15.1 土石坝坝型选择土石坝坝型选择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。选择几种比较优秀的坝型进行工程量、工期、造价的比较，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，确定合适的土石坝坝型。（ 1 ）均质坝均质坝坝体基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 k110-4cm/s） 。对本工程来说，没有足够的材料来

37、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

38、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 . 15 / 37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

39、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。5.25.2 大坝轮廓尺寸的拟定大坝轮廓尺寸的拟定5.2.15.2.1 坝顶宽度坝顶宽度 坝顶宽度根据坝高、施工、构造、交通、防洪、抢险要求以与以往工程统计资料,坝顶宽度采用 10 米。5.2.25.2.2 坝坡与栈道坝坡与栈道土石坝坝坡的坡度取决于坝型、坝高、筑坝土料性质、地质条件与地震情况等因素。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

40、.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 2.0 米。5.2.35.2.3 坝顶高程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。h （5-1）Bchheh H=H1+h （5-2）其中-安全加高，mch . 16 / 37-在坝前引起静水位的最大风雍高度，me-波浪在坝坡上的爬高，mBhH1-调洪演算得出的上游设计与校核静水位，m（ 1 ）的确定ch该工程为 2 级工程，所以正常情况取=1.0 米，校核情况取=0.5 米。 （水工建筑物chch表 3-1） （ 2 ）e 的确定

41、 (5-3)2cos2v DekgH-综合摩阻系数,一般可取.k63.6 10-吹程,15 千米.DH-坝前水的平均水深，米。 正常情况下 H=2821.52-2750=71.52 米非常情况下 H=2822.90-2750=72.9 米-风向与水域中线或坝轴线的法线间的夹角,取=25-按碾压土石坝设计规第 4.4.5 条规定:正常运用情况下采用多年平均最v大风速的 1.52.0 倍,=1.819.1 =34.38m/s;非常运用情况下采用多年平均最大风速v=19.1 m/sv 正常情况：=2cos2v DekgH623.6 1034.3815000 cos250.0402 9.8 73.2

42、非常情况：=2cos2v DekgH623.6 101.9115000 cos250.0122 9.8 73.82（ 3 ）的确定Bh . 17 / 37 平均爬高按试验站公式计算（适用于 n=1.55.0 坝坡）Bh （5-2K K(2 ) (2)1VBllhhLn4）-坝坡的糙率渗透性系数。砌石护面为 0.750.80，本设计取 0.78。K-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。KV/vgH本设计中：设计情况/34.38/9.8 73.21.28vgH 查表得=1.012KV校核情况/19.1/9.8 73.820.71vgH 查表得=1KV- 坝坡系数。

43、=ctg=2.5， 为坝坡与水平面的夹角。nn- 平均波高。按官厅水库公式可以计算出波高，2lh2lh （5-5/41/320.0166lhvD5）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） 2lh2lh- 平均波长，在初步设计时，可以按照鹤地水库公式计算,2lL （5-7）1/320.389lLvD、设计情况：=34.38m/s D=15Kmv5/41/35/41/320.01660.0166 34.381521.711.711.71llhvDh1.83m1/31/320.3890.389 34.38 15lLvD . 18 / 3732.98m所以，波

44、浪在坝坡上的爬高20.78 1.01121.83 32.982.2812.5Bhm、校核情况：=19.1m/s D=15Kmv5/41/35/41/320.01660.0166 19.1 1521.711.711.71llhvDh =0.956m1/31/320.3890.389 19.1 15lLvD =18.322m20.78 10.956 18.3221.21212.5Bhm（ 4 ） 坝顶高程的确定、设计情况超高 =2.28+0.041+1=3.321mBchheh 坝顶高程 H= H1+=2821.52+3.321=2824.841 mh 增加 0.4%的沉降后坝顶高程 H=2824

45、.841+71.520.4%=2825.127m、校核情况 超高 =1.212+.0.012+0.5=1.724 mBchheh 坝顶高程 H= H1+=2822.9+1.724=2824.624 mh增加 0.4%的沉降后坝顶高程 H=2824.624+72.90.4%=2824.915 m 比较两种情况，最后确定坝顶高程为 H=2826m具体计算结果见下表 5-1表表 5-15-1 坝顶高程计算成果表坝顶高程计算成果表 计算情况计算项目设计情况校核情况上游静水位（m）2821.522822.9河底高程（m）2750坝前水深（m）71.5272.9 . 19 / 37吹程 D（km）15风向

46、与坝轴线的夹角 25风浪引起坝前雍高 e（m）0.0410.012风速 V（m/s）34.3819.1波浪沿坝高爬高（m）2.281.212护坡粗糙系数K0.78上游坝坡护角tg-11/2.5平均波高（m）2lh1.830.956安全超高（m）ch1.000.50坝顶高程（m）2824.8412824.624增加 4%沉陷后坝顶高程（m）2825.1272824.9155.2.45.2.4 坝体排水坝体排水由于石料丰富，采用棱体排水，可合理利用有利资源，并且此方法可以降低坝体浸润线，防止坝坡土的渗流破坏和冻胀，还可防护下游坝脚不受下游水流与波浪的淘刷。棱体顶部高程应超出下游最高水位 0.5-1

47、.0m，本工程取 0.6m，下游校核洪水时下游水为2755.2m，最后确定取为 2755.0，堆石坡为 1：1.2，外坡为 1：1.8，顶宽为 1.5m。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。5.2.55.2.5 防渗体防渗体（ 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、施工以与防止开裂的要求，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 0.6m，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 2821.52m，非常运用情况静

48、水位为 2822.9m，所以，最后斜心墙顶部高程定为 2823.0m，上留 3.0m 保护层。粘土允许坡降取J=5，承受最大水头 72.9m，所以墙厚须大于 72.9/J=14.58m，参考以往工程，斜心墙顶宽取 4.0 m（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 25.9m，大于 14.58m，符合要求。（ 2 ）坝基防渗河床中部采用混凝土防渗墙、两岸因冲积层逐渐减薄和施工原因改用粘土截水墙。混凝土防渗墙的厚度，按照大坝防渗和强度要求确定，根据施工经验，一般墙厚为 0.6-0.8m，最厚取 1.3m。本设计取 0.8m。防渗墙应伸入斜心墙，

49、插入深度按接触面积和允许 . 20 / 37坡降确定，上下游正常水位时，最大水头差为 64.84m。取J=5.0，则L=64.84/5=12.968m。设计伸入 6.5m，选择接触面积长度为 26.5+0.8=14.9m，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与粘土允许坡降J=5 确定，并且沿岸坡厚度逐渐变化。 5.35.3 土料设计土料设计5.3.15.3.1 粘土料设计粘土料设计筑坝土料设计是影响土石坝设计、施工与造价的主要因素。土料设计的一般原则是就地取材，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

50、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与相应的含水量。 计算公式： 设计干容重按压实密度计算d （5-8）maxddm-设计干容重d-压实度。、级坝与高坝=0.96-0.99，本设计取=0.97mmm-标准击实功能下的平均最大干容重maxd 设计最优含水量 （5-00WW9）由击实实验确定填筑含水量 （5-10）PPWWII -填筑含水量，以小数计W-液性指数，高坝取 0.07-0.10，本设计取 0.08I-土料的塑性指数PI . 21 / 37-塑限制含水量PW浮容重 （5-11wbsPe （）11）-比重s-水的密度wP-孔隙

51、比e 湿容重 （5-12）wd （1+W） 用粘土料的理论干容重作校核参考 （5-13）11ddsVsW（）（）-压实土的含水量，其中粘土为 0.05dV 填土的设计干容重校核 （5-dd0（1.021.12）（）14）-料场的自然干容重d0（）（ 2 ）计算结果表表 5-25-2 粘性土料设计成果粘性土料设计成果料场 比重smaxr(KN/m3)W0()rd(KN/m3)WpIp填筑含水量W孔隙比erw(KN/m3)rb(KN/m3)粘聚力渗透系数（10-6cm/s）I下2.676 1.6022.071.568 23.1419.46 21.78 0.707 1.910.9824o40 0.2

52、44.319II下2.670 1.6519.071.617 22.2021.720.68 0.651 1.951.0125o30 0.234.8 . 22 / 37I上2.650 1.5622.301.530 25.0024.57 23.29 0.732 1.920.9523o10 0.251.9II上2.741.5423.801.509 26.323.524.66 0.816 1.920.9621o30 0.3830.6（ 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

53、则。料场渗透系数偏大(30.610-6 cm/s)不予采用。其余 3 个料场土料物理力学性质相差不I上太大，基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II下宜采用料场的粘土料，故选用料场为主料场，其余两个料场作为辅助与备用II下II下5.3.25.3.2 坝壳砂砾料设计坝壳砂砾料设计（ 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= =minmaxmaxeeeeddrrrrrrminmaxmaxmin式中 为最大孔隙比，=；maxemaxe1minrs为最大孔隙比， =；minemine1maxrse 为填筑的砂 、砂卵石或

54、地基原状砂、砂卵石的孔隙比，e=;1drss为砂砾比重； 、为最大、最小干容重，由试验求得；maxrminr为填筑的砂 、砂卵石或地基原状砂、砂卵石的干容重。dr 设计相对密实度要求不低于 0.700.75，地震区为防震动液压，浸润线以下部分土体设计密度不低于 0.750.85。（ 2 ）计算成本砂砾料设计成本见下表：表表 5-35-3 坝壳砂砾料成果表坝壳砂砾料成果表 . 23 / 37料场不均匀系数大于5mm砾石含量比重s设计干容重d(KN/m3)设计孔隙比e保持含 水量w湿容重w(KN/m3)浮容重b(KN/m3)摩擦角粘聚力C(g/m3)渗透系数K(10-2cm/s)上443452.7

55、51.950.4152.051.2436o30021上45482.751.950.4152.051.2435o1002下145462.751.950.4152.051.2436o2002下234422.731.940.4152.041.2336o4002下328402.711.920.4152.021.2236o5002（ 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（=2830） ，其余几个料场的土料渗透系下3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

56、砾料的颗粒级配明显较好，物理力学指标也上4下1较高，设计中优先选用。 砂砾料场上下游共 8 处，总量为 1850 万 m 3, , 大坝工程在 400 万 m 3左右，用两个料场可能数量不够，可以将、料场作为辅助料场。1上下25.45.4 渗流计算渗流计算5.4.15.4.1 计算方法计算方法运用土力学方法进行渗流计算，认为坝体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。通过斜心墙与地基防渗墙的渗流量： （5-2211112()()2 sinHhHh TqKKD15） . 24 / 37通过下游坝壳和地基的渗流量： （5-1

57、6）2222341()()20.44htht TqKKLLT假定：（1）心墙上游浸润线位置与水库的水位一样。 （2）通过斜心墙与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坡的交点处。5.4.25.4.2 计算断面与计算情况的选择计算断面与计算情况的选择取河床左端-断面、中间-、右端-断面三个典型断面进行渗流计算。（ 1 ）-断面渗流计算已知： 7.35m121()2K1=4.810-6cm/s K2=4.810-6cm/sK3=210-2 cm/s K4=2.510-2cm/s T=3 m D=0.5(11.35+5)=8.175 m 正常蓄水位时：

58、 H1=21 m t=0 mL1=67.975-0.3h m L2=69.563 m 设计蓄水位时： H1=23.02 m t=0 mL1=67.975-0.3h m L2=69.563 m 结果： 正常蓄水位时：h=0.058 mq =4.4510-6m3/s 设计蓄水位时：h=0.066 mq =5.0310-6m3/s（ 2 ）-断面渗流计算已知： 14.32 121()2K1=4.810-6cm/s K2=4.1910-7cm/sK3=210-2 cm/s K4=2.510-2cm/s T=33.33m D=0.8m 正常蓄水位时： H1=69.5 m t=4.66 mL1=183.3

59、54-0.3h m L2=210 m 设计蓄水位时： H1=71.52 m t=4.91 m . 25 / 37L1=67.975-0.3h m L2=210 m 结果：正常蓄水位时：h=5.114 mq =1.92910-5m3/s 设计蓄水位时：h=5.380 mq =2.0110-5m3/s （ 3 ）-断面渗流计算已知： 14.32 121()2K1=4.810-6cm/s K2=4.810-6cm/sK3=210-2 cm/s K4=2.510-2cm/s T=3.54 m D=12 m 正常蓄水位时： H1=34.1 m t=0 mL1=101.38-0.3h m L2=103 m

60、 设计蓄水位时： H1=36.12 m t=0mL1=101.38-0.3h m L2=103 m 结果：正常蓄水位时：h=0.395 mq =3.510-6m3/s 设计蓄水位时：h=0.438 mq =3.910-6m3/s5.4.35.4.3 计算结果计算结果表表 5-45-4 渗流计算汇总表渗流计算汇总表计算项目 计算情况正常蓄水位设计蓄水位-2123.02-69.571.52上游水深（m）- 34.136.12-00-4.664.91下游水深（m）-00-0.0580.066-5.1145.380逸出水深 （m）-0.3950.438-6.4910-47.3410-4-1.96110