毕业设计（论文）-某水利枢纽心墙土石坝方案设计

前言目前，西林县开发利用水力资源11690kw，仅占可开发利用水力资源的24.9%，而且西林县已建电站均为径流式电站，调节能力差，枯水季节供需矛盾十分严重，无论是电力还是电量都有很大的不足，尤其是华南大电网拉闸限电，用电势态更为严峻。电力工业的落后，严重地制约了西林县的经济发展和人民生活的提高。为了大力发展地方工业，促进农业发展，尽早脱贫致富。只有大力开发水力资源，最大限度地发挥西林县水能优势，才是解决电力不足的根本出路。大洪山水电站开发条件较好，对外交通方便。因此修建大洪山水库是十分必要的，也是利国利民的好事。以大洪山水利枢纽为课题，我们进行了设计的工作，这次设计包括了剖面拟定、渗流及稳定分析、溢洪道设计等工作。在这次设计中，我们用到了许多大学期间学习的知识，我们获益良多。第一部分设计说明书一、基本资料1.气象特征本流域地处低纬度，属于亚热带季风气候区，受西南季风影响，在海洋暖湿气团和内陆气团的控制下，错综复杂的地形造成了各地气候差异明显，其特点是：夏无酷暑冬无寒，半年雨水半年干，西部多雨易洪涝，东部少雨常干旱。根据西林县气象站气象资料统计，多年平均降水量为1086.9mm，降水年内分配不均，全年降水主要集中在5~9月，5~9月份降雨量为820.1mm，占全年降水量75.5%。多年平均年蒸发量为1373.4mm（φ=20cm），多年平均最大月蒸发量为5月份，蒸发量为172.8mm，多年平均最小月蒸发量为1月份，蒸发量为54.2mm。多年平均气温19.2℃，历年极端最高气温为40.7℃，发生在1994年5月2日，历年极端最低气温为-4.3℃，发生在1975年12月30日。2.地形地貌工作区属南岭山系的西南部，山脉走向近东西，中山、中低山与驮娘江及支流大小山谷、从后，周邦河、尤莫沟、花贡沟、西平和、可林河等构成本区流域的地形地貌形态景观。沿驮娘江河谷两岸断续分布有一、二级侵蚀堆积阶地。本区最高峰为西北斗大烘坡山，高程为1950m，最低点高程为390m，流域内河谷深切、狭窄，山脉与河流的相对高差为500～1000m。山体自然坡脚较陡一般在15°～35°，部分为大于40°，河谷冲沟自然坡度15°～60°，山坡上植被良好，乔灌木混生，未见有大的滑坡、山崩、泥石流等不良物理地质现象。3.工程等别大洪山水电站工程是驮娘江流域中的新增梯级电站，工程位于西林县普合苗族自治乡大洪山屯，距西林县城38.8km。其上游为威后水电站，下游为者甲水电站，是驮娘江梯级电站中的第二级。设计洪水位为585.00m，校核洪水位为586.56m，总库容为195.34×104m3。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000）的规定，大洪山水电站水库最大库容为195.34×104m3，工程等别为Ⅳ等。拦河坝土石坝，建筑物级别为4级，防洪标准按30年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。计算风速及相应吹程表表1：计算风速及相应吹程表情况计算风速（m/s）吹程（m）正常正常蓄水位8.55630设计洪水位8.55630非常校核洪水位5.76305.地震本工程所在地区的地震基本烈度为Ⅵ度，本工程区地震动峰值加速度为0.05g，根据《水工建筑物抗震设计规范》（DL5073—1997）规定，本工程不进行抗震计算。6.水文资料大洪山水电站上游的龙头电站为威后水电站，大洪山水电站径流资料采用威后水电站的出流，加上威后~大洪山区间径流作为大洪山水电站的入库径流资料，采用相同年份同频率组合。典型年采用P=10%、15%、50%、85%、90%五个频率典型年逐日平均流量。表2：水库水位～面积、容积关系 水位面积容积(m)(104m2)(104m3)573.9005808.316.8858534.47116.3559068.78369.59大洪山水电站面积、库容曲线是采用1：10000地形图量算而得出。水库水位～面积、容积关系见表2。7.地质条件（1）左坝段（桩号0+000~0+085）位于低山斜坡上，斜坡及坡脚分布着混合土块石（3-2）层，松散层厚度为5.0～10.8m，下伏强风化砂岩夹泥岩(5-4)，松散层和强风化岩强度低，完整性差，变形大，不宜做坝基，坝基可座于弱风化岩内（＞1.0m）。弱风化岩透水率q=6.6~33.14Lu，大于3Lu，应进行帷幕灌浆处理措施，防止绕坝渗漏。标准按q＜3Lu或1倍水头考虑。左坝肩岩层倾向库内，真倾角为35°,视倾角为30°，坝基稳定条件较好，未见不利组合体，坝肩稳定。（2）中间坝段（桩号0+085~0+175）位于低山坡脚、一级阶地和河床上，覆盖层最大厚度为7.1m，该段强风化厚1.5~3.0m。由于松散层和强风化层强度低，完整性很差，不宜做坝基，需全部挖除，坝基座于弱风化岩体上。弱风化岩体为砂岩夹泥岩（5-4）和泥岩夹砂岩（5-5）层，该段岩层倾向库内，真倾角为35°,视倾角为30°，地基稳定条件较好。建议将基础座于弱风化深入1.0m处，考虑浅固结灌浆处理措施，深度为3～5m为宜；建基面均在地下水位以下，存在基坑排水问题，同时对施工用水要加以控制，以防入渗，恶化地基地质条件。弱风化岩体透水率q=4.0Lu~20.0Lu，应进行帷幕灌浆，防止坝基渗漏，标准按q＜3Lu或1倍水头考虑。（3）右坝段（桩号0+175~0+208）位于低山斜坡上，表部残坡积层厚0～6.0m，下伏强风化砂岩夹泥岩（5-4）层。砂岩夹泥岩（5-4）层泥岩所占比例为36%。由于松散层和强风化岩强度低，完整性很差，变形大，不宜做坝基，需全部挖除，此段坝不高,坝基可座于弱风化岩内（＞1.0m）。弱风化岩透水率q=2.67~8.0Lu，大于3Lu，应进行帷幕灌浆处理措施，防止绕坝和坝基渗漏。标准按q＜3Lu或1倍水头考虑。该段岩层倾向库内，真倾角为35°,视倾角为30°，坝基稳定条件较好，未见不利组合体，坝肩稳定。地质参数：土堤所用砂砾料渗透系数为2.592m/d,干容重为20kN/m3,饱和容重为22.402kN/m3，水上内摩擦角为32°，水下为30°。心墙土的渗透系数为0.0017m/d，干容重为16.5kN/m3，饱和容重为20.6kN/m3，浮容重为10.6kN/m3。二、坝址选择大洪山水电站是位于威后水电站和者甲水电站之间的梯级电站，威后水电站位的尾水位为588.20m，者甲水电站正常蓄水位为574.00m，根据该河段上下游地形、地质情况、321省道沿线路面高程和现场勘察，考虑水库淹没范围，以充分利用水头为原则，本阶段设计初步拟定上下两个坝址进行方案比较，两坝址相距1600m。1.方案一、上坝址方案上坝址位于大洪山屯下游约500m处，坝区地形呈不对称的“U”字型谷，左岸、右岸均较陡，主河槽宽44m，左岸为6m宽的321省级公路。优点：该方案的淹没占地投资较小。缺点：引水渠道平面开口宽度将近30m，沿公路布置渠道地形受限，局部段河道需改线，引水渠道工程及占地投资较大。工程运行管理不便。2.方案二、下坝址方案下坝址位于上坝址下游1600m处，坝区地形呈不对称的“U”字型谷，左岸较陡，右岸为一级阶地，主河槽宽48m，左岸为6m宽的321省级公路。采用河床式电站厂房。拦河坝采用土石坝型式，坝长151m。该方案工程总投资少，工程运行管理方便。经综合分析比选，本阶段设计推荐采用下坝线方案。三、坝型选择1.重力坝坝体剖面较大，材料用量多；坝体应力较低，材料强度不能充分发挥；坝体与地基接触面积大，相应坝体扬压力大，对稳定不利；坝体体积大，由于施工期混凝土的水化热和硬化收缩，将产生不利的温度应力和收缩应力，因此，在浇筑混凝土时，需要有严格的温度控制措施。2.拱坝拱坝对地形地质条件要求较高，对地基处理的要求也比较严格，而且拱坝剖面较薄，坝体几何形状复杂，因此，对于施工质量﹑筑坝材料强度和防渗要求都较严格。3.土石坝土石坝能适应各种不同的地形﹑地质和气候条件；可以就地取材，节省大量水泥﹑木材和钢材，几乎任何土石料均可筑坝；施工方法简单，施工机械的发展使施工进度加快。经过比较，选用<地形地质条件较低﹑材料更易获取的土石坝。在土石坝中，均质坝坝坡较缓，工程量大且施工易受降雨和冰冻影响，不利于加快进度﹑缩短工期；斜墙对坝体的沉降变形较敏感，与陡峭河岸的连接也较困难；心墙坝的防渗体位于坝体中央，适应变形的条件较好。综合考虑，选用心墙土石坝。四、地基处理坝基位于低山斜坡、低山坡脚、一级阶地和河床上，松散层厚度为1.5~10.8m，下伏强风化砂岩夹泥岩和泥岩夹砂岩。由于松散层和强风化岩石强度低，完整性差，变形大，不宜做坝基，需全部挖除，坝基坐落于弱风化1.0m以下岩体上。因施工开挖影响导致基础完整性受到破坏的，为增加坝基岩体强度，提高岩体抗变形能力，对坝基局部进行浅固结灌浆处理，深度为3m，孔距2.5m，成梅花状布置。弱风化岩体透水率q=4.0Lu~20.0Lu，为防止坝基渗漏，采用帷幕灌浆处理，深度为0.7倍水头。帷幕中心线距上游坝踵距离为3m，孔距2.5m，单排布置。由于坝内无廊道，坝基固结灌浆和帷幕灌浆均在坝底砼浇注一定厚度后进行，先固结灌浆后帷幕灌浆。在两种岩性接触带灌浆应做加密处理。坝肩处理左岸坝肩：桩号0+000.00～0-039.80m段，位于公路左侧，低山斜坡上，斜坡及坡脚分布着混合土块石层，因为该段紧靠公路，开挖后需回填平整至原地面处理，故采用砼防渗墙结构与坝体相接，顶宽为1.0，边坡为1：0.1。弱风化岩透水率q=6.6~33.14Lu，存在绕坝渗漏问题。右岸坝肩：桩号0+128.20～0+151.00m段，位于低山斜坡上，表部残坡积层厚0～6.0m。弱风化岩透水率q=2.67~8.0Lu，存在绕坝渗漏问题。对左右岸坝肩采用帷幕灌浆进行处理，深度为0.7倍水头，帷幕中心线距上游坝踵距离为3m，孔距2.5m，单排布置（在左岸砼防渗墙段为墙底中心线），与坝基灌浆帷幕组成完整的防渗系统。防渗帷幕沿河谷坝基灌到正常蓄水位高程，与坝体组成完整的防渗系统。五、坝体剖面的拟定选用资料：正常蓄水位为585m设计洪水位为585.00m，校核洪水位为586.56m正常情况水域平均水深Hm=17.78,风区长度630m;校核情况水域水深Hm=19.34,风区长度670m设计过程：根据《水利水电工程设计指南》上游坝坡拟为1：2.3下游坝坡拟为1：21.坝顶高程的计算采用《碾压土石坝设计规范》SL274-2001的公式风雍水面高度①式中D-风区长度K-综合摩阻系数，取3.6×10-6β-计算风向与坝轴线法线的夹角，°波浪的波高和平均波长采用官厅水库公式②式中h-波高，m;W-计算风速，m/s；D-风区长度，m;g-重力加速度，取9.81m/s2波浪爬高Rm=③⑴设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高坝顶超高d=R+e+AR为波浪在坝坡上的设计爬高，m;e为风浪引起的坝前水位雍高，m;A为安全加高，m.根据《碾压土石坝设计规范》SL274-2001，如下表表3：安全加高坝的级别1234﹑5设计1.501.000.700.50校核山区﹑丘陵区0.700.500.400.30平原﹑滨海区1.000.700.500.30因此取安全加高0.5m运用①求得风雍水面高度为0.000476m因=190，介于20到250之间，由②得累积频率5%的波高h5%=0.209m为有效波高，平均波高hm=0.107；波长Lm=2.971m设计爬高值的累积概率P，按工程等级确定，对于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级土石坝取P=1%,，对于Ⅳ级土石坝取P=5%,该土石坝属Ⅳ级故P=5%，查得不同累计频率下的爬高与平均爬高的比值，即可求得爬高值。则由③得平均波浪爬高Rm=0.180m且大坝采用4级，应用5%累积频率的爬高值R5%=0.180×1.87=0.331m可计算坝顶高程585+0.5+0.331+0.0004=585.83m⑵正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；结果同上，为585.87m⑶校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；运用求得风雍水面高度为0.0014m因=202，介于20到250之间，由得累积频率5%的波高h5%=0.125m为有效波高运用求得平均波高hm=0.064，波长Lm=1.979m则由得平均波浪爬高Rm=0.114m应用5%累积频率的爬高值R5%=0.114×1.87=0.210m则可计算坝顶高程586.56+0.0014+0.210+0.3=587.07m⑷正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高585+0.0014+0.210+0.3=585.51m比较之后取最大值，求得坝顶高程为587.07最大坝高587.07-567.22=19.85m坝顶校核情况与正常情况的超高值计算情况如下表所示。表4：坝顶超高计算表计算情况计算项目设计情况校核情况上游水位（m）585.00586.56河床底高程（m）567.22坝前水深H(m)17.7819.34吹程D(km)630630风向与坝轴线夹角β00速v(m/s)8.555.7波浪爬高R（m）0.1800.210风壅水面高度e（m）0.00140.000476安全超高A（m）0.50.3超高（m）0.240.51坝顶宽度根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001)应在5-10m之间，取7m作为初步设计的坝顶宽度图1：大坝剖面设计图2..心墙设计心墙选用土质心墙根据《水利水电工程设计指南》坝高在15-25m之间的心墙边坡为1：（0.15-0.25），取1：0.2根据《碾压式土石坝设计规范》心墙顶部宽度不宜小于3m且底宽小于水头的1/4586.56-567.22=19.34，19.34÷4=4.84所以取顶宽为5m因防渗墙顶部高程不应低于非常运用条件的静水位，顶部超高在0.3-0.6m之间，取0.3m,预留沉降0.04m,可计算心墙顶部高程为586.56+0.3+0.04=586.9m最大高度为586.9-567.22=19.68m因本流域处于低纬度地区，全年没有气温在零度以下的情况，且夏无酷暑冬无寒，因此保护层厚度设计为17cm3.细部构造（1）坝体排水设备石坝排水主要有棱体排水和贴坡排水两种。棱体排水：适用于下游有水的各种坝型。它可以降低浸润线，防止坝坡冻胀，保护尾水范围内的下游坝脚不受波浪淘刷，还可与坝基排水相连。当坝基强度足够时，可发挥支撑坝体、增加稳定的作用。但所需石料用量大，费用较高，与坝体施工有干扰，检修较困难。贴坡排水：又称为表面排水，这种形式的排水构造简单，用料节省，施工方便，易于检修，可以防止坝坡土发生渗流破坏，保护坝体免受下游波浪淘刷。但不能有效的降低浸润线，而且因冰冻而失效。常用于土质防渗体分区坝。综合考虑采用堆石棱体排水设备。参考《水工建筑物》教材土石坝坝体排水一章，棱体顶宽不小于1.0m,取2m，顶面超出下游水位的高度，对4级坝不小于0.5m，故排水体顶部高取1.5m，高出下游最高水位1.5m。棱体内坡根据施工条件确定，一般为1:1.0～1:1.5,外坡为1:1.5～1:2.0，所以设定内坡1:1.5，外坡1:2。图2：棱体设计图（2）护坡上游护坡：上游坝面设干砌石护坡，厚0.5m，下面设厚度0.2m的砂土垫层。护坡上至坝顶下至死水位以下1m。图3：上游护坡设计图下游护坡：下游护坡采用干砌石护坡，厚0.3m，干砌石下铺一层厚0.2m的砂土垫层。图4：下游护坡设计六、土石坝渗流分析坝的渗流计算主要确定坝体的浸润线的位置，为坝体的稳定分析和布置观测设备提供依据；同时确定坝体与坝基的渗透流量，以估算水库的渗漏损失，而且还要确定坝体和坝基渗流区的渗透坡降，检查产生渗透变形的可能性，以便采取适合的控制措施。坝体采用棱体排水，因它可以降低浸润线，当坝基强度足够时，可发挥支撑坝体﹑增加稳定的作用。棱体高度应高于下游水位0.5m以上，因下游无水，选定为2m,顶部宽度不应小于1m，选定为1.5m，坡率为1：1.5.选用土堤土渗透系数为2.592m/d,心墙土的渗透系数为0.0017m/d1.计算方法根据坝内各部分渗流状况的特点，将坝体分为三段，分析土坝渗流问题中间坝段取底部高程为567.22m处的断面，左右坝段取底部高程为580m处的断面进行计算，因左右坝段渗流情况基本相同，所以仅计算一个断面。主坝渗流计算包括正常情况、设计情况和校核情况三种工况。（1）正常情况：正常蓄水位585.0m，相应下游水位取相应水面高程；（2）设计情况：库水位为设计洪水位585.0m，相应下游水位取相应水面高程；（3）校核情况：库水位为校核洪水位586.56m时，相应下游水位取相应水面高程。图5：渗流计算简图根据《水力计算手册》式： 浸润线方程式中：q——单宽渗流量；K1——土坝渗透系数；K2——心墙渗透系数；δ——心墙平均厚度；h——心墙逸出水深；b——心墙顶宽；H——坝高；H心——心墙高度；H1、H2——上下游水深；m1——心墙下游坝坡；e——逸出点坐标原点距离。渗透坡降的计算公式：式中：──上游水深减逸出水深，m；──渗流区长度，m。对于非粘性土，渗透破坏形式的判别根据指导书可参考下式：η<10为流土η>20为管涌10<η<20时不定允许坡降可参考：10<η<20，J允许=0.2；η>20，J允许=0.1。1.Ⅰ-Ⅰ断面校核情况δ=（12.872+5）÷2=8.936mh=0.495m=2.3×19.85+1+5+（19.68-h)×0.2=55.2-0.2h=55.101m单位宽度渗流量q=0.035(m3/d.m)坝体内由ΔL=35.7-6-6.092+3h0得h0=0.012(m)ΔL=23.644m浸润线计算结果:2.Ⅰ-Ⅰ设计与正常情况ΔL=35.7-6-6.092+3h0=23.578(m)h0=0.010(m)单位宽度渗流量:q=0.030(m3/d.m)3.Ⅱ-Ⅱ校核情况选取坝底高程为580m,则上游水位为6.56m 心墙底宽（587.07-580）×0.2×2+5=7.76m计算简图如下h=0.172mΔL=13.704(m)下游出逸点高度h0=0.006(m)单位宽度渗流量q=0.006(m3/d.m)比降计算结果:下游出溢点A的比降:0.012下游坡脚B的比降:0.0124.Ⅱ-Ⅱ设计及正常情况上游水位为5mh=0.122mΔL=13.694(m)起始点X=40.89m下游出逸点高度h0=0.003(m)单位宽度渗流量q=0.003(m3/d.m) 比降计算结果:下游出溢点A的比降:0.0087下游坡脚B的比降:0.0086经演算各情况下渗透逸出点的实际渗透坡降小于其允许坡降，故而认为渗透坡降满足要求。6.总渗流量的计算大洪山水电站拦河坝全长151m，采用心墙土石坝坝型，由左右岸非溢流坝段和中间坝段组成。从左岸至右岸，左岸非溢流坝段长度为17.4m，中间段长84.48m，右岸非溢流坝段长49.12m。校核情况总渗流量Q=84.48×0.035+(17.4+49.12)×0.006=3.36m3/d3.校核总渗流在校核蓄水时为3.36，与其总库容相比显然是很小的，因此该断面满足设计要求。七、稳定分析参照《水利水电工程设计指南》计算分三种情况⑴上游水位大约在坝底以上1/3坝高处的上游坝坡；⑵水库正常蓄水位而下游无水的下游坝坡；⑶上游为设计洪水位，下游为相应水位的下游坝坡。采用理正软件帮助进行计算，计算结果如下：上游水位大约在坝底以上1/3坝高即水深6.62m处的上游坝坡Kmin=1.289≧1.25上游为正常蓄水位的上游坝坡Kmin=1.289≧1.25下游坝坡Kmin=1.250≧1.25上游为设计洪水位，下游为相应水位的下游坝坡Kmin=1.250≧1.25所以满足稳定要求八、溢洪道设计溢洪道是一种最常见的泄水建筑物，用于宣泄规划库容所不能容纳的洪水，防止洪水漫溢坝顶，保证大坝安全。本次设计拟采用正槽溢洪道。正槽溢洪道通常由引水渠﹑控制段﹑泄槽﹑出口消能段及尾水渠等部分组成，溢流堰轴线与泄槽轴线接近正交，过堰水流流向与泄槽轴线方向一致。因为开敞式溢洪道泄流能力大，工作可靠，结构简单，施工﹑管理和维修方便，水流条件较好，可以省去闸门和启闭设备，而且大坝等级不高，所以选用开敞式溢洪道。宽顶堰⑴堰顶高程取585m,流量按宽顶堰自由溢流公式计算已知最大泄量Q泄=50m3/s,堰顶高程为585m,校核水位586.56m,溢流水深H=586.56-585=1.56m；因溢洪道上游是水库v0≈0m/s，故H0=H=1.56m,流量系数m=0.35,得堰顶宽度为16.55m选用溢洪道宽度17m⑵顺水流方向长度顺水流方向长度按水力学要求在2.5H-10H之间，取3H，则1.56×3=4.68m因此选用顺水流方向长度4.68m图6：控制段设计图渐变段⑴渐变段长度已知渐变段首端断面宽17m，取末端断面宽15m,渐变段收缩角为25°，渐变段水平投影长度为L==2.5554×（17-15）=5.11m⑵渐变段进口水深为使堰顶洪水安全宣泄，渐变段底坡应大于或等于临街坡降。已知单宽流量为50÷17=2.94m2/s,流速分布不均匀系数在1.0到1.1之间，取1.1则临界水深Hk==0.990m相应的水力要素wk=Bhk=17×0.99=16.83;湿周为B+2hk=17+0.99×2=18.98m;Rk=16.83÷18.98=0.89m已知糙率n=0.017，则Ck==58.7251故临界坡降为ik==2.48×10-3选用i=5×10-2>ik，属于陡坡，因此渐变段进口水深h1=hk=0.99m⑶渐变段出口水深采用能量守恒公式进行试算已知进口水深h1=0.99m,断面流速v1=q/h1=2.94÷0.99=2.97m/s;首末两端落差iL=0.05×5.11=0.2555m,则上式左边得=0.99+0.4945+0.2555=1.74m 设h2=1.635m,则相应水力要素w2=bh2=15×1.635=24.525v2=Q/w2=50÷24.525=1.342m/s;湿周=b+2h2=15+2×1.635=18.27m平均过水面积为41.355m2;平均湿周为37.25m;则平均水力半径为41.43÷37.26=1.11m谢才系数为59.857，平均流速为50÷41.43=1.342m/s,带入上式右边得水头为1.738≈左边1.74，故认为1.635合适。陡坡段⑴判别底坡类型。根据选定的溢洪道位置的落差取底坡i=1/10=0.1；底宽15m;单宽流量q=50/15=3.333m2/s;取α=1.1，则临界水深为相应的水力要素湿周=15+2×1.076=17.152m;wk=15×1.076=16.14m2;Rk=16.14÷17.152=0.941m则临界底坡为i=0.1>ik,故属于陡坡，水流为急流，水面曲线为b2型降水曲线。⑵陡坡长度已知堰顶高程为585m,收缩段落差△H=5.11×0.05=0.2555m由于鼻坎高程为569.22m,挑射角25°，反弧半径1.9m，反弧段最低点高程为569.22-（R-Rcoθ)=569.22-(1.9-1.9×cos25°)=569.042m陡坡总跌差P=585-0.2555-569.042=15.7025m;底坡i=0.1则陡坡长度为⑶水面曲线利用分段求和法计算水面曲线公式陡坡段水平投影长度为试算结果如下表：表5：水面曲线试算表断面h(m)Es(m)ΔL(m)Es1+iΔL(m)ΔLEs2+ΔL(m)1-11.6351.868506.8680.01480.746.8572-20.3286.1186012.1180.1146.8412.1383-30.3158.29847.8113.0790.22410.70913.0244-40.3029.931考虑掺气后的水深按下式计算已知断面水深为h=1.635m,过水面积为24.525m2,流速为50/24.525=2.0387m/s，系数在1-1.4之间，流速大于20取较大值，本设计采用1则hb=1.635×(1+2.0387÷100)=1.688m掺气水深计算结果见下表：表6：掺气水深计算表断面号1234断面距离0506047.81水深1.6350.3280.3150.302过水面积24.5254.924.7254.53流速2.038710.162610.58211.0253掺气水深1.6880.3610.34830.3353⑷边墙高度边墙高度应按最大水深加一定超高，混凝土护面一般采用30-50cm，本设计采用50cm。所以边墙高度为2.188m。4.消能段⑴型式选择因溢洪道下游为岩基且附近没有其他建筑物，所以选用挑流消能。⑵鼻坎高程鼻坎应高于下游最高水位1--2m,取2m,确定鼻坎高程为569.22m⑶反弧半径反弧半径按下式计算已知鼻坎前沿宽度为15m,下泄流量50m3/s,则单宽流量q=50÷15=3.333m2/s;堰上水深为H=586.56-585=1.56m,堰顶与下游河床的高差为P=585-567.22=17.78m,坎顶与出口断面的高差为Z=2m,堰顶与坎顶的高差P0=585-569.22=15.78,溢流区的水平投影B0=5.11+(15.78-5.11×0.05)×10=160.355m流速系数按下式计算将上式诸值带入hc式得hc=0.192mR的取值在8-10hc之间，取反弧半径为1.9m⑷挑射角挑射角一般在20°-35°之间，参照已建工程取25°⑸挑距已知θ=25°，库水位与挑流坎坎顶高差H0=586.56-569.22=17.34m,流速系数=0.94，鼻坎处平均流速为坎顶水面流速为v1=1.1v=19.072m/s，坎顶平均水深h=50/(15×19.072)=0.175m，坎顶垂直方向水深为h1=hcosθ=0.159m，已知坎顶到地面的高差是2m将上面的值带入得L=32.456m⑹冲刷坑深冲刷坑深其中冲刷系数取1.25，上下游水位差H=586.56-567.22=19.34，下游水深为t=0m则⑺校核因为挑射距离L=32.456>2.5=2.5×10.036=25.090m,所以满足要求。5.结构设计⑴底板厚度由于影响底板稳定的主要因素是浮托力和地下水渗透压力，受很多因素影响，数值相差很大。因此在任意假定基础上的稳定计算意义不大。参照已建工程，决定底板厚度采用40cm的素混凝土。⑵底板构造分缝采用错缝布置，横缝间距为10m，做成撘接缝,纵缝一块设于中部，另一块分别设于距边墙5m处，做成键槽缝。缝宽3cm，缝内设止水，止水采用铜片止水，止水的施工质量需严格保证。图7：搭接缝键槽缝⑶底板的排水设备底板下不做垫层，横、纵向排水均在岩面上开挖沟槽，周围填不易风化的碎石，顶部用沥青油毛毡盖好。⑷边墙边墙的横缝间距和底板一致，缝内设止水，其后设排水并与底板的横向排水管相通。图8：挑坎示意图 第二部分设计计算书一、坝顶高程的计算采用《碾压土石坝设计规范》SL274-2001的公式风雍水面高度e=①式中D-风区长度K-综合摩阻系数，取3.6×10-6β-计算风向与坝轴线法线的夹角，°Hm-水域平均水深，m波浪的波高和平均波长采用官厅水库公式②式中h-波高，m;W-计算风速，m/s；D-风区长度，m;g-重力加速度，取9.81m/s2波浪爬高Rm=③式中KΔ-渗透性系数，m;KW-经验系数，m/s；hm-平均波高，m;Lm-平均波长，mKΔ由护坡材料决定，本设计采用砌石护坡，根据《碾压土石坝设计规范》（SL274-2001)的规定，如下表，在0.75-0.8之间，取0.8表7：KΔ取值表护面类型KΔ光滑不透水护面（沥青混凝土）1.00混凝土或混凝土板0.90草皮0.85-0.90砌石0.75-0.80抛填两层块石（不透水基础）0.60-0.65抛填两层块石（透水基础）0.50-0.55经验系数KW取值如下表表8：经验系数取值表W(gH)^0.51≤1.522.533.54≥5KW1.001.021.081.161.221.251.281.30⑴设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高坝顶超高d=R+e+AR为波浪在坝坡上的设计爬高，m;e为风浪引起的坝前水位雍高，m;A为安全加高，m.根据《碾压土石坝设计规范》SL274-2001，安全加高0.5m运用求得风雍水面高度为0.000476m因=190，介于20到250之间，由得累积频率5%的波高h5%=0.209m为有效波高平均波高hm=0.107；波长Lm=2.971m则由③得平均波浪爬高Rm=0.180m设计爬高值的累积概率P，按工程等级确定，对于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级土石坝取P=1%,，对于Ⅳ级土石坝取P=5%,该土石坝属Ⅳ级故P=5%，查得不同累计频率下的爬高与平均爬高的比值，即可求得爬高值。应用5%累积频率的爬高值R5%=0.180×1.87=0.331m则可计算坝顶高程585+0.5+0.331+0.0004=585.83m⑵正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；结果同上，为585.87m⑶校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；运用求得风雍水面高度为0.0014m因=202，介于20到250之间，由得累积频率5%的波高h5%=0.125m为有效波高运用求得平均波高hm=0.064，波长Lm=1.979m则由得平均波浪爬高Rm=0.114m应用5%累积频率的爬高值R5%=0.114×1.87=0.210m，A取0.3m则可计算坝顶高程586.56+0.0014+0.210+0.3=587.07m⑷正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高585+0.0014+0.210+0.3=585.51m比较之后取最大值，求得坝顶高程为587.07最大坝高587.07-567.22=19.85m图1：坝体剖面设计图二、渗流计算根据《水力计算手册》式： 浸润线方程1.Ⅰ-Ⅰ断面校核情况δ=（12.872+5）÷2=8.936mh=0.495m=2.3×19.85+1+5+（19.68-h)×0.2=55.2-0.2h=55.101m单位宽度渗流量q=0.035(m3/d.m)坝体内由ΔL=35.7-6-6.092+3h0得h0=0.012(m)ΔL=23.644m浸润线计算结果:X(m)Y(m)心墙上游土堤段浸润线:44.89619.33445.31019.33445.72419.33346.13819.33346.55219.333心墙下游土堤段浸润线:55.4110.90561.4010.81067.3910.70173.3810.57379.3700.40585.3600.0002.Ⅰ-Ⅰ设计与正常情况ΔL=35.7-6-6.092+3h0=23.578(m)h0=0.010(m)单位宽度渗流量:q=0.030(m3/d.m)浸润线计算结果:X(m)Y(m)心墙上游土堤段浸润线:41.96417.77543.03417.77444.10317.77345.17317.77246.24317.772心墙下游土堤段浸润线:55.4260.83261.4130.74467.3990.64573.3860.52679.3730.37285.3590.0003.Ⅱ-Ⅱ校核情况选取坝底高程为580m,则上游水位为6.56m 心墙底宽（587.07-580）×0.2×2+5=7.76mh=0.172mΔL=13.704(m)下游出逸点高度h0=0.006(m)单位宽度渗流量q=0.006(m3/d.m)浸润线计算结果:X(m)Y(m)心墙上游土堤段浸润线:15.5036.55915.9176.55916.3326.55916.7476.55917.1616.558心墙下游土堤段浸润线:23.5930.24726.3520.22129.1120.19131.8710.15634.6310.11137.3900.006比降计算结果:下游出溢点A的比降:0.012下游坡脚B的比降:0.0124.Ⅱ-Ⅱ设计及正常情况上游水位为5mh=0.122mΔL=13.694(m)起始点X=40.89m下游出逸点高度h0=0.003(m)单位宽度渗流量q=0.003(m3/d.m)浸润线计算结果:X(m)Y(m)心墙上游土堤段浸润线:12.5714.99913.6434.99914.7144.99915.7854.99816.8574.998心墙下游土堤段浸润线:23.6040.18826.3620.16829.1200.14631.8780.11934.6370.08437.3950.003比降计算结果:下游出溢点A的比降:0.0087下游坡脚B的比降:0.0086三、稳定计算⑴上游水位大约在坝底以上1/3坝高处的上游坝坡，选取的折线A,B角如图图9：稳定计算简图已知φ1=29°φ2=27°假设A=32°B=12°其计算简图如图,重量G1,G2分别由下式计算G1=面积bcdeb×1×γ1G2=面积edne×1×γ1+面积ndan×1×γ2上式中面积bcdeb=面积bndcb-面积ndan面积bndcb=(bc+nd)÷2×(19.85-6.62)=6.615(bc+nd)面积edne=nd×ed÷2面积ndan=nd×H÷2ed=-H=H(-1)其中m2为ad坡率m1为cd坡率已知m2=ctg12°上游水位H=6.62mm=2.3ed=6.62×(-1)=6.92由于（19.85-6.62）m1=13.23×ctg32°=21.17m(19.85-6.62-ed）m=(19.85-6.62-6.92)×2.3=14.513m所以bc=21.17-14.513=6.657m在△edn中nd=m×ed=2.3×6.92=15.916m于是得面积bndcb=6.615×(6.657+15.916)=143.32m2面积edne=15.916×6.92÷2=55.069m2面积bcdeb=143.32-55.069=88.251m2面积ndan=15.916×6.62÷2=52.682m2由于一般砂砾类土保持含水率在3%-10%，取5%；已知干容重γd=20kN/m3则湿容重为20×（1+5%）=21kN/m3已知比重G=2.70，水容重γw=9.81kN/m3,孔隙率n=1-γd/(Gyw)=0.2449,则浮容重为γd-(1-n)γw=12.5925kN/m3则G1=88.251×21=1863.271kNG2=55.069×21+52.682×12.5925=1819.847kN带入安全系数计算公式得P1-1863.271sin32°+1863.271cos32°tg29°=01819.847cos12°tg27°+P1sin(32°-12°)tg27°-1819.847sin12°-P1cos(32°-12°)整理得到Kc2-1.456Kc+0.117=0解得Kc=1.37>1.25（坝坡抗滑最小安全系数）用理正软件计算计算结果:[计算结果] 滑动安全系数=1.289 最危险滑裂面 线段标号 起始坐标(m,m) 终止坐标(m,m) 1 (-0.008,0.000) (18.594,5.156) 2 (18.594,5.156) (25.313,10.294) 3 (25.313,10.294) (27.150,11.804)得最Kmin=1.289>1.25上游为正常蓄水位的上游坝坡 滑动安全系数=1.291 最危险滑裂面 线段标号 起始坐标(m,m) 终止坐标(m,m) 1 (28.731,12.492) (29.511,12.751) 2 (29.511,12.751) (42.084,16.953) 3 (42.084,16.953) (45.703,19.850)Kmin=1.291>1.25⑵校核情况下游断面 滑动安全系数=1.250 最危险滑裂面 线段标号 起始坐标(m,m) 终止坐标(m,m) 1 (0.110,0.055) (10.466,5.188) 2 (10.466,5.188) (18.998,9.451) 3 (18.998,9.451) (33.177,16.588)⑶正常情况下游断面 滑动安全系数=1.250最危险滑裂面 线段标号 起始坐标(m,m) 终止坐标(m,m) 1 (0.098,0.049) (11.730,5.788) 2 (11.730,5.788) (20.964,10.393) 3 (20.964,10.393) (39.615,19.807)四、溢洪道水力计算1.宽顶堰⑴堰顶高程取585m,流量按宽顶堰自由溢流公式计算已知最大泄量Q泄=50m3/s,堰顶高程为585m,校核水位586.56m,溢流水深H=586.56-585=1.56m；因溢洪道上游是水库v0≈0m/s，故H0=H=1.56m,流量系数m=0.35,得堰顶宽度为16.55m选用溢洪道宽度17m⑵顺水流方向长度顺水流方向长度按水力学要求在2.5H-10H之间，取3H，则1.56×3=4.68m因此选用顺水流方向长度4.68m图6：控制段简图2.渐变段⑴渐变段长度已知渐变段首端断面宽17m，取末端断面宽15m,渐变段收缩角为25°，渐变段水平投影长度为L==2.5554×（17-15）=5.11m⑵渐变段进口水深为使堰顶洪水安全宣泄，渐变段底坡应大于或等于临街坡降。已知单宽流量为50÷17=2.94m2/s,流速分布不均匀系数在1.0到1.1之间，取1.1则临界水深Hk==0.990m相应的水力要素wk=Bhk=17×0.99=16.83;湿周为B+2hk=17+0.99×2=18.98m;Rk=16.83÷18.98=0.89m已知糙率n=0.017，则Ck==58.7251故临界坡降为ik==2.48×10-3选用i=5×10-2>ik，属于陡坡，因此渐变段进口水深h1=hk=0.99m⑶渐变段出口水深采用能量守恒公式进行试算已知进口水深h1=0.99m,断面流速v1=q/h1=2.94÷0.99=2.97m/s;首末两端落差iL=0.05×5.11=0.2555m,则上式左边得=0.99+0.4945+0.2555=1.74m 设h2=1.635m,则相应水力要素w2=bh2=15×1.635=24.525m2v2=Q/w2=50÷24.525=1.342m/s;湿周=b2h2=15+2×1.635=18.27m平均过水面积为41.355m2;平均湿周为37.25m;则平均水力半径为41.43÷37.26=1.11m谢才系数为59.857，平均流速为50÷41.43=1.342m/s,带入上式右边得水头为1.738≈左边1.74，故认为1.635合适。3.陡坡段⑴判别底坡类型。根据选定的溢洪道位置的落差取底坡i=1/10=0.1；底宽15m;单宽流量q=50/15=3.333m2/s;取α=1.1，则临界水深为其相应的水力要素湿周=15+2×1.076=17.152m;wk=15×1.076=16.14m2;Rk=16.14÷17.152=0.941m临界底坡为i=0.1>ik,故属于陡坡，水流为急流，水面曲线为b2型降水曲线。⑵陡坡长度已知堰顶高程为585m,收缩段落差△H=5.11×0.05=0.2555m由于鼻坎高程为569.22m,挑射角25°，反弧半径1.9m，反弧段最低点高程为569.22-（R-Rcoθ)=569.22-(1.9-1.9×cos25°)=569.042m陡坡总跌差P=585-0.2555-569.042=15.7025m;底坡i=0.1则陡坡长度为⑶水面曲线利用分段求和法计算水面曲线公式陡坡段水平投影长度为已知h1=1.635,则A1=b1h1=15×1.635=