《XX水库水利枢纽设计》15000字

VXX水库水利枢纽设计摘要拟建XX水库坝址位于自贡市贡井区五宝镇XX村，坝址所在河流为旭水河支流照石溪，XX水库，库址位于礼门乡XX风景区。1986年动工，1987年11月建成投产。为礼门百丈漈水电站增出力300千瓦，灌溉农田2.100亩(有效灌溉900亩)。工程总投资80.23万元。坝址控制流域面积4.8平方公里，坝型为单曲砌石拱坝，坝高27.3米，坝顶长50米，总库容110万立方米，有效库容85.5万立方米，出水隧洞长350米。属灌溉、发电调节水库。坝址以上控制集雨面积6.36km2，河长5.43km，比降2.57‰。坝址地理坐标104°32′30″，29°14′43。多年平均来水量223.9万m3，是一座具有灌溉、集镇和农村人畜供水等综合利用的小型水利工程。其供水范围为旭水河右岸，涉及行政区域为五宝镇，灌溉范围为莲花镇4个村：葛麻村、黄桷村、川主村和沙溪村，工程区流域内人口稠密，工、农业及商业较发达。关键词：粘土心墙土石坝，溢洪道，稳定分析，渗流计算目录TOC\o"1-2"\h\u7027中文摘要 148871设计资料 3134681.1流域概况 314671.2地质 3252861.3气象特征 3179511.4径流 4106441.5洪水 481652枢纽布置 4162132.1坝址选择 4277823水文计算及调洪演算 6190403.1水文计算 6104313.2调洪演算 11279853.2.1调洪演算的目的 11271993.2.2起调水位的选择 1257533.2.3调洪演算的原理 12245583.2.4调洪演算过程 12132024坝体设计 1664734.1坝高设计 16133564.2坝顶宽度 17301084.3坝坡 17226444.4护坡 17251294.5坝面排水 17305294.6防渗体 1816665渗流计算 19321465.1渗流计算的目的 19144875.2渗流计算的内容 19150675.3渗流计算原理 1977505.4渗流计算结果 21268336稳定分析 26206006.1稳定分析方法 2647676.2稳定分析结果 2721816设计水位（右） 2929055校核洪水位（右） 2931849校核洪水位（左） 30208267泄水建筑物设计 30293547.1河岸溢洪道设计 30273268地基处理 36310168.1坝基开挖 3625348.2防渗处理 3612424参考文献 39中文摘要拟建XX水库坝址位于自贡市贡井区五宝镇XX村，坝址所在河流为旭水河支流照石溪，XX水库，库址位于礼门乡XX风景区。1986年动工，1987年11月建成投产。为礼门百丈漈水电站增出力300千瓦，灌溉农田2.100亩(有效灌溉900亩)。工程总投资80.23万元。坝址控制流域面积4.8平方公里，坝型为单曲砌石拱坝，坝高27.3米，坝顶长50米，总库容110万立方米，有效库容85.5万立方米，出水隧洞长350米。属灌溉、发电调节水库。坝址以上控制集雨面积6.36km2，河长5.43km，比降2.57‰。坝址地理坐标104°32′30″，29°14′43。多年平均来水量223.9万m3，是一座具有灌溉、集镇和农村人畜供水等综合利用的小型水利工程。其供水范围为旭水河右岸，涉及行政区域为五宝镇，灌溉范围为莲花镇4个村：葛麻村、黄桷村、川主村和沙溪村，工程区流域内人口稠密，工、农业及商业较发达。关键词：粘土心墙土石坝，溢洪道，稳定分析，渗流计算1设计资料1.1流域概况釜溪河为沱江一级支流，其上源旭水河发源于荣威高地之九宫山脉，流经荣县、龙潭、贡井，于自井双河口与威远河汇合后始称釜溪河。旭水河控制流域面积1022km2，河长118km，河道比降0.68‰，其较大支流有中溪河、金鱼河。旭水河洪水属山溪型洪水，洪水的特性陡涨陡落，峰型尖瘦、洪水年际间变化很大。旭水河流域无大型水库，仅上游已建有一座中型水库，即荣县双溪水库，控制集雨面积80.25km2用，造成河道一定淤积，抬高河床，从而相应抬高洪水位，既不利于排沙，也不利于行洪，但由于石河堰库容小，来水相对较多，早已达到冲淤平衡。荣县县城以上部分的旭水河流域，以深丘地形为主，其下则多为浅丘地形。1.2地质库区两岸山体宽厚，库盆在地形上封闭条件良好。库盆主要由白垩系上统夹关组（K2j）粉质砂岩及粉砂质泥岩组成，无碳酸盐岩地层分布。强风化带岩体属中等强透水层，中风带岩体属弱～中等透水层，新鲜岩体裂隙不发育，多属弱微透水层。库区无断裂通过，据调查左右岸均无低于正常蓄水位的低邻谷存在。因此水库周边封闭良好，不存在永久性渗漏问题。水库库岸主要为基岩岸坡，其次松散堆积层。岩质岸坡天然状态下稳定性较好，水库蓄水后不存在大的库岸稳定问题；松散堆积层岸坡下伏基座大多为厚层粉质砂岩，基岩卧坡角较缓，多数岸坡植被良好，趋于稳定，水库蓄水后部分库岸在库水浪蚀作用下存在沿卧坡面滑塌的可能，但方量不大对水库运行影响不大。由于各冲沟洪积物的堆积为库区固体径流物质提供主要物源，水库建成后库水流速减缓，会造成水库一定的淤积，对水库库容有一定的影响。库区不存在活动性断裂构造，历史地震活动微弱。水库属于峡谷河道型水库，库区两岸山体宽厚，组成库盆岩体主要为粉质砂岩泥质岩类，岩层产状较平缓，新鲜岩体一般属弱微水层，库盆封闭条件良好。且水库壅水高度20m，因此，水库蓄水后产生诱发地震的可能性小。1.3气象特征工程区属亚热带湿润季风气候区，具有冬暖夏热、春旱秋雨、四季分明、雨量充沛、光照少、湿度大、无霜期长等特点。据自贡市气象站统计，多年平均气温17.8℃之间，最冷月（1月）平均气温7.4℃，极端最低气温-2.8℃。最热月（7月）平均气温28.9℃，极端最高气温40℃。多年平均降雨量985.8mm，但降雨量的年际变化大，7最多降雨年（1956年）年降雨1430mm，最少降雨年（1978年）降雨量不足730mm。全年降雨分布不均，主要集中于夏秋两季，占80%左右（其中夏季降雨占56.5%），冬季仅占的3%～5%。多年平均日照1250小时，气压一般在左右（其中夏季降雨占56.5%），冬季仅占的3%～5%。多年平均日照1250小时。最丰水年1974年，年平均流量39.6m3/s，为多年平均流量的1.8倍。最枯水年2006年，年平均流量7.26m3/s，仅为多年平均流量的0.33倍。实测最大年径流量为最小年径流量的5.46倍。1.4径流工程区径流主要由降水形成，有极少量的地下水补给。流域内径流变化与降水变化一致，水量主要来源于汛期。根据观音（二）站1965~2010年共46年实测资料分析，观音（二）站多年平均流量22.0m3/s（日历年），多年平均径流总量6.94亿m3；多年平均径流深374.7mm。径流年内分配不均，主要分配如表1-1：表1-1月份平均流量（m3/s）水量占年水量（%）5-10月39.089.56-9月52.079.21-3月0.2603.752月3.281.11.5洪水旭水河流域内暴雨发生的时间多为6~9月，大暴雨出现的时间一般是7~8月，洪水由暴雨形成，发生的时间与暴雨的形成时间是一致的，汛期由六月开始，7~8月为本流域大暴雨多发季节，特大暴雨、洪水常发生在此期间。旭水河为山区性河流，洪水汇聚快，洪水过程陡涨陡落，峰型多为尖瘦的单峰和双峰，且单峰一般多于复峰。洪水历时一般位1~2天，最大洪量主要集中在24h内。2枢纽布置2.1坝址选择2.1.1地质条件结合坝址的地貌地质条件，通过现场实地勘查，综合考虑地形地貌条件、水库控灌条件、来水的条件，本阶段重点拟定了上下两个坝址进行研究。上坝址（潘家桥坝址）位于白岩子下游50m处的潘家桥，下坝址（滴水崖坝址）位于石拗口上游100m处XX，两坝址相距约402m。上坝址位于白岩子下游50m处，左岸最大自然坡高约28.8m，岸坡为陡坡，坡角一般33.7～43.1°；右岸最大自然坡高44.8m，岸坡为陡坡，坡角一般39.8～59°。河床坝基段长13m，地面高327～332m。地表地质测绘和勘探表明，河床覆盖层块碎石夹粉质粘土组成，总厚0.5～2.5m，河谷形态属不对称的“U”型谷。下坝址位于石拗口上游100m处，河谷基本顺直，左岸最大自然坡高约46.3m，岸坡为陡坡，坡角一般30～52°；右岸最大自然坡高约53.8m，岸坡为陡坡，坡角一般56～75°，局部达62～85°。河床坝基段长15.27m，地面高程325～331m。若坝址再往河段上游移，导致库容减小，经济效益降低。若坝址再往河段下游移，下游两岸河谷较为开阔，两岸山体较为低矮，筑坝条件差。本阶段拟定的上坝址和下坝址从地形地貌、防渗帷幕、坝基覆盖层厚度及岩基建坝条件等方面综合进行比较，均为宽谷地形，河床覆盖层不厚，适宜建心墙石渣坝，主要工程地质条件差别不大。若选上坝址，则会增加溢洪道的布置难度，且防渗帷幕线会增加约40m的长度。选下坝址，则正常蓄水位处河谷较上坝址宽11m。因此就工程地质条件而言，上坝址和下坝址工程地质条件没有本质上差异。本阶段设计从技术经济指标及水工布置等方面综合衡量，推荐下坝址方案。溢洪道布置在左岸坡上，引水渠底及边墙位于风化带岩体中，渠坡整体是稳定的，但强风化岩体裂隙较发育，岩体破碎，强度低，抗冲刷力差，弱风化岩体受裂隙切割，完整性较差，透水性较好，建议对该渠段采取全断面衬砌，取水口外边墙单薄，应结合坝体填筑加固。2.1.2施工条件五宝镇地处四川自贡市荣县东南部，东与荣县龙潭镇、鼎新镇相接，西与宜宾县古罗镇相邻北与荣县古文乡接壤，南与荣县莲花镇、牛尾乡接壤，距荣县县城36km。XX村位于关五路旁，距贡井市区30km，距五宝镇8km。沿照石溪左、右岸有乡村简易公路到达，左岸与县道相接，交通较为方便。2.1.3坝型比选工区属于四川盆地弱活动断裂构造区，近场区内断裂构造不发育，场址区也不存在区域性活动断裂构造。工程场地地震效应主要受外围地区中、强地震波及的影响，其中最大的地震影响烈度为Ⅵ度。斜墙坝土质防渗体设在上游或接近上游面，其抗震性和适应不均匀沉降的性能不如心墙坝。由于该工程所在地区的地震烈度为Ⅵ度，故不宜采用斜墙坝。对于心墙坝而言，其能较好地适应不均匀变形，稳定性，抗震性好，且工程量较小，有利于就地取材，出于对当地材料大充分利用，可以用粘土作为防渗体材料。心墙坝安全涉及变形、渗流、稳定等问题，稳定和单纯的渗流问题在心墙坝发展早期得到了较好控制。但是由于全断面采用特性复杂、变异性强的天然土石料，整体变形大，且坝壳料和心墙料变形差异大、相互作用强，坝体变形与渗流存在耦合作用，因此，变形控制及其相关渗流控制问题一直是心墙坝发展中持续应对的难题，受到高度关注。在不断适应经济社会发展要求和开发条件变化的过程中，心墙坝不断解决变形控制及相关渗流控制问题，持续改进，坝高逐步突破，体型趋于标准，成为最可靠坝型之一。综合以上分析，最终选择粘土心墙坝[1]。2.1.4主要建筑物布置根据工程规划的任务及目标，枢纽工程由拦河大坝、溢洪道等组成。3水文计算及调洪演算由于缺乏旭水河对应实测水文资料，故需要通过已有实测暴雨资料进行相应洪水要素的推导计算。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）[2]及下游城镇防洪标准，本设计中设计洪水参数采用重现期50年（P=2%）洪水设计，校核洪水参数采用重现期200年（p=0.5%）校核。3.1水文计算3.1.1洪峰流量推求根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》[3]，采用推理公式法计算最大流量。推理公式的基本关系式如式3-1所示Q=0.278φsτ式中：Q-最大流量（m3φ-洪峰流量系数；s-暴雨雨力；（mmℎn-暴雨公式指数；τ-流域汇流时间（h）（1）根据已知地形图测得坝址以上集雨面积（F）为6.36km2表3-1时段均值cc16200.353.51小时500.43.56小时800.53.524小时1000.553.5产流、汇流参数计算：根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》，坝址位于川西南地区，故采用3-2、3-3计算产流参数和汇流参数。产流参数：μ=3.6×F−0.19汇流参数：当θ=m=0.221当θ=m=0.025θ0.845 上述公式中参数θ是流域特征参数，可由式（3-5）计算得到：θ=LJ经计算，可得m=0.363,由于坝址区不在《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》的地质不良区范围且无岩溶等地质不良条件，故无须对m进行系数K的修正。（2）推求洪峰设计流量：由公式（3-6）、（3-7）、（3-8）可计算出衰减指数n1，n2，n3. n1=1+1.285×lgH n2=1+1.285×lgHn3=1+1.285×lg查《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》，可得出坝址所在地区一天暴雨量对应的变差系数Cv1d=0.55，由倍比关系Cs1d=3.5Cv1d可得出偏态系数为Cs1d=1.8 a=1.1×1+Cv1d× S=a×H1d假定流域汇流方式为全面汇流，全面汇流时，产流历时大于或等于汇流历时，即t≥τc。此处先采用衰减指数n1进行试算，用公式(3-11)计算初始汇流时间τ0s，用公式(3-12)计算出参数 τ0s=0.383m φs=1−1.1× τs=当数值处于1h到6h时属于合理状态，故用衰减系数n1进行试算合理。用公式计算产流历时tcs，并比较其与汇流时间 tcs=由于tcs可得出设计洪峰流量Qs=41.09，再由公式反求汇流参数ms’，并验证m ms'由于ms'与m的数值基本接近，故上述计算结果有效，即设计洪峰流量41.09mm（2）推求校核洪峰流量校核洪峰流量推求同（1）设计洪峰流量推求的步骤。查得坝址所在地区一天暴雨量对应的变差系数Cv1d=0.55，由倍比关系可得到偏态系数Cs1d=1.8。再根据Cs1d值和P=0.5%在《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》中查得模比系数φa=1.1×1+C S=a×H1d采用推理公式法推求校核洪峰流量，需假定流域汇流方式为全面汇流，先采用衰减指数n1进行试算。用公式(3-18)计算出初始汇流时间τ0j，再用公式(3-19)计算出参数φj，最后用公式(3-20)计算出汇流时间 τ0j= φj=1−1.1× τj=当τj数值处于1h到6h时属于合理状态，故用衰减系数n1进行试算合理。用公式计算产流历时tcj tcj=由于tcj>τj，故采用全面汇流方式进行计算是合理的，计算结果有效。根据公式(3-1)计算，可得出设计洪峰流量Qs=49.17，再由公式(3-22)反求汇流参数 mj'由于mj'与m的数值基本接近，故上述计算结果是有效的，因此校核洪峰流量62.87mm3.1.2洪水过程线推求（1）设计洪量计算，设计洪水总量可由式（3-23）推求 Wp=式中：Wp——HTP——F——设计流域面积（平方公里）α——径流系数h——径流深（毫米）（2）历时为T的设计暴雨量计算根据单峰洪水公式先计算出洪水总量的相应暴雨历时T，如公式（3-24） T=12.8F1按《手册》内容规定，当T<24小时，然后按照下式计算。 HtP= SP= n3= HtP=将不同设计频率p带入公式中计算所得到的设计暴雨量成果如表所示表3-2参数频率p0.2%0.5%1%2%3.3%5%10%20%H628.2540.7500.5429.7399.2356.9298.3202.1t20.3320.3320.3320.3320.3320.3320.3320.33n30.2450.2540.2670.2710.2890.2960.300.35H114.3396.6084.373.6262.855.7546.0828.3（3）设计洪量确定径流系数α可通过《计算手册》查得，再根据公式(3-23)求出Wp（4）推求设计洪水过程线采用典型洪水概化模型计算并绘制设计洪水过程线。过程线对应概化矩形历时，可根据所求得的洪水总量Wp和洪峰总量Q Tp=式中：Tp——设计洪水过程线对应概化举行历时 Tps=2.78因为釜溪河属于沱江水系，平均基流量可由公式(3-31)计算 Q0=0.056根据四川西南地区单峰洪水平均情况的典型洪水概化过程线模型，结合旭水河流域所在地区及暴雨洪水特性，由《四川省小流域典型洪水概化过程线综合成果表》，采用川西南地区模型相对坐标y~x，由式（3-32）和式（3-33）计算出各组对应的Qt'和t值，构成坐标组。再将Q0加入Q Qts' t=xTps（5）推求校核洪水过程线校核洪水对应概化矩形历时 Tpj=采用川西南地区模型相对坐标y~x，由公式（3-35）、(3-36)计算出各组Qt'和t值，构成坐标组。再将Q0加入Q Qtj' t=xTpj表3-3xytQQ00000.85354.1094.97518.2189.0848516.43617.3060.280.60.54624.65425.5240.330.80.643532.87233.7420.360.950.70239.035539.90550.410.7841.0941.960.490.950.955539.035539.905732.87233.7420.780.61.52124.65425.5241.070.42.086516.43617.3018.2189.0874.1094.9793.20.056.242.05452.92453.907.60500.87由表可以看出：洪峰：41.96（m3s）洪量：28.8(万m表3-4xytQQ00000.84176.2877.1596212.57413.4450725.14826.0180.280.60.305237.72238.5920.330.80.359750.29651.1660.360.950.392459.726560.59650.410.43662.8763.740.490.950.534159.726560.5965450.29651.1660.780.60.850237.72238.5921.070.41.166325.14826.06212.57413.44346.2877.1573.20.053.4883.14354.01353.904.25100.87由表可以看出：洪峰：63.74（m3s）洪量：40.8(万m图3-1洪水过程线3.2调洪演算3.2.1调洪演算的目的利用水库蓄洪或滞洪是防洪工程主要措施之一。在水库调蓄洪水过程中，入库洪水、下泄洪水、拦蓄洪水的库容、水库水位的变化以及泄洪建筑物型式和尺寸等之间存在着密切的关系。水库调洪计算的目的，正是为了定量的找出他们之间的关系，以便为决定水库的有关参数和泄洪建筑物的型式、尺寸提供依据。[4]水库有蓄洪调洪、灌溉农田、城乡供水，维持航运和调节气候等作用，蓄洪调洪是指水库可以提前降低水位，在汛期前预留部分库容，用来拦蓄洪水，削减洪峰流量，以满足下游防洪要求;在枯期来水不足的情况下，能够保证水库的正常运行。调洪演算主要针对的是水库运行期，目的是为了找出在一定防洪标准情况下设计洪水入库后，寻求最优的满足下游防洪要求的水库控制运用方式。[5]3.2.2起调水位的选择本次设计，水库正常蓄水位为344.0m,防洪限制水位取与正常蓄水位相同，调洪演算从344.0m起调。根据相关研究，山坡地貌特征对于土壤含水量、产流面积空间分布等是重要的控制因素[6-7]。本设计拟定其影响较小。3.2.3调洪演算的原理根据水库的水量平衡原理和水库的蓄泄关系组成方程组，如公式 Q1+ q=ft流入水库的洪水过程线Q~t是已知值，从拟定的起调水位开始，逐个时间段连续求解公式和公式方程组，从而求出水库出流过程线3.2.4调洪演算过程调洪演算的方法有很多种，目前我国常用列表式算法和半图解法，本次调洪演算采用半图解法。表3-5XX水库水位面积库容曲线成果表水位（m）面积（万m2）库容（万m3）水位（m）面积（万m2）库容（万m3）327.330033922.367.4327.830.9220.1234026.787.83291.230.5334130.9109.63301.781.2334237.2141.63312.442.3234344.6181.43322.963.5934451.9224.33333.715.4634560.5277.43347.3110.334670.5341.53357.3114.534780.2409.23369.2320.734891.1488.433713.734.4349103.7583.033818.150.1350116.7686.6图3-2水库水位与库容曲线首先计算在各个水位下的溢流堰流量取△t=6h=21600s，计算V/△t、q/2、（V/△t-q/2）和（V/△t+q/2）等参数。溢流堰泄洪表孔泄流能力按公式（3-39）计算（3-39）式中：C——上游面坡度影响修正系数，根据规范取1.0；—侧收缩系数，根据规范本设计中取0.92；—淹没系数，为自由出流，取1.0；—流量系数，根据规范本设计中取0.5；—为重力加速度，通常取9.81m/s2；—为溢流堰净宽；—为溢流堰水头。表3-6辅助曲线表库水位Z（m）库容V(万m3)下泄流量q（m3/s）q/2（m3/s）V/∆t（m3/s）V/∆t-q/2（m3/s）V/∆t+q/2（m3/s）3290.550.130.373301.230.440.220.570.350.793312.321.060.531.10.571.633323.592.01.03335.4631.52.5143343356.749.733620.73.815.433734.416.88.415.97.524.3图3-3表3-7设计洪水调洪演算表时间t入库流量Q平均入库流量Q水库水位z1V1/∆t-q1/2V2∆t+q2/2下泄流量q水库水位Z65.43350.135.4336.1127.96.7336.13.810.57.5337.451810.89.35337.455.614.959.9338.672412.511.65338.677.919.5510.1339.853015.413.95339.859.623.5512.4342.183619.217.3342.1813.230.515.4344.744212.415.8344.7410.426.213.8335.904810.711.55335.95.416.9510.6321.78548.99.8321.74.914.78.9311.64由上表可知最大下泄量为15.4m3/s，其对应的水位Z设=344.74m表3-8校核洪水调洪演算表时间t入库流量Q平均入库流量Q水库水位z1V1/∆t-q1/2V2∆t+q2/2下泄流量q水库水位Z68.6335.464.18.6335.91211.810.2335.94.414.611.4337.211819.715.75337.217.523.2514.3338.42422.120.9316.8339.483025.924341.4810.434.419.8343.773630.428.15343.7714.342.4521.4345.064224.127.25345.0612.639.8517.9339.644820.322.2339.6410.332.515.4320.455416.718.5320.456.52511.9313.32由上表可知最大下泄量为21.4m3/s，对应的水位Z校=345.06m。表3-9最终成果表P(%)上游水位Z1（m）H0（m）Qm（m3/s）下游水位Z2（m）2（设计）344.7415.7815.4328.960.5（校核）345.0615.8821.4329.18正常蓄水位3441025.7310.00

4坝体设计大坝剖面轮廓尺寸包括坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡、排水设施及防渗体等。4.1坝高设计（1）坝顶超高根据《碾压式土石坝设计规范》SL274——2020[8]，坝顶在水库静水位以上的超高d应按公式（4-1）计算： d=ℎ式中：ℎa——e——最大风浪引起的坝前水位壅高，m；A——安全加高，m，根据坝的级别采用。根据GB50201-2014《防洪标准》、SL252--2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》和GB50288-99《灌溉与排水工程设计规范》规定，工程大坝枢纽为IV等(小1型)工程。拦河大坝、溢洪道等枢纽永久主要建筑物按4级进行设计，由《碾压式土石坝设计规范》SL274——2020可查得安全加高A为0.5m。最大风浪引起的坝前水位壅高可由公式（4-2）计算： e=Kf式中：e——计算点处的风壅水面高度，m；Kf——综合摩阻系数，取3.6×β——计算风向与坝轴线夹角，取22.5°W——计算风速，msD——风区长度，m；Hm——g——重力加速度，取9.81m平均波浪爬高可按公式（4-3）计算 ℎa=（2）坝顶高程设计坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应按下列运用条件计算，并取其最大值。=1\*GB3①正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高。=2\*GB3②设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高。=3\*GB3③校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高。=4\*GB3④正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高。故坝顶高程为345.24m4.2坝顶宽度根据《碾压式土石坝设计规范》SL274——2020，坝顶宽度应根据构造、施工、运行、防震等方面综合考虑研究，无特殊要求，中坝、低坝的坝顶宽度可选用5~10m。故坝顶宽度可选为6m。工程场地地震效应主要受外围地区中、强地震波及的影响，其中最大的地震影响烈度为Ⅵ度，故无需加宽。坝顶上游设防浪墙高为1.2m，防浪墙应与防渗体紧密结合。4.3坝坡坝坡坡度对坝体稳定以及工程量的大小起重要作用，其中土石坝坝坡与筑坝材料的内摩擦角φ和粘聚力c关系影响最大，因此在设置坝坡时应当充分考虑二者之间的关系，一般遵循以下规律：=1\*GB3①上游坝坡（常用1:2.5~1:3.5）比下游坝坡（常用1:2.0~1:3.0）明显减缓。=2\*GB3②斜墙坝的上游坝坡比心墙坝的上游坝坡缓，而心墙坝的下游坝坡一般比下游坝坡缓。粘性土料斜墙坝上游坝坡常沿高度分成数段，每段10~30m，从上而下逐段放缓，相邻坡率差值区0.25或0.5。故坝坡坡比1:2.25，下游坝坡坡比1:2.0。4.4护坡护坡可选择下列一种或多种形式，上游护坡可采用下列形式：堆石和抛石；干砌石或混凝土预制块；浆砌石；现浇的混凝土或钢筋混凝土板；水泥土护坡。下游护坡可采用下列形式：干砌石、卵砾石或碎石；钢筋混凝土或浆砌石框格内填石或植草；堆石和抛石；草皮或生态护坡此外，寒冷地区水库土石坝护坡，冬季受冰冻作用，可能会发生破坏，其破坏主要原因是由护坡基土残余冻土层冻胀、冰推力及冰层弯矩等共。同作用造成的。所以，在设计时应当分析破坏机理及过程，采用削减和抵抗冰冻坡坏作用的结构型式[9]。大坝上游采用20cm厚C20混凝土护坡，护坡的覆盖范围应应自坝顶起，当设防浪墙时应与防浪墙连接，下部宜护至坝脚；大坝下游采用20cm厚C20混凝土框格梁草皮护坡，下游坡应由坝顶护至排水棱体或贴坡排水，无排水棱体或贴坡排水时应护至坝脚。4.5坝面排水土石坝主要由坝址附近的土石料填筑压实而成，而土石料为散粒体结构，压实后其颗粒间仍存在着大量的孔隙，具有一定的透水性。为及时排出坝体内土石料颗粒间的孔隙水，降低坝体浸润线，防止发生渗透破坏和坝坡失稳滑动，需设置坝体排水。常见的坝体排水形式主要有棱体排水、竖式排水、水平排水、贴坡式排水和综合式排水等。[10]土石坝设置坝身排水主要目的:

(a)

降低坝体浸润线及孔隙压力，改变渗流方向，增加坝体稳定;

(b)

防止渗流逸出点的渗透变形，保护坝坡和坝基;(c)防止下游波浪对坝坡的冲刷及冻胀破坏，保护下游坝坡。马道有利于坝坡的稳定，便于施工、检修和坝体观测工作。在高程337.00m处设马道，马道宽2m，坡脚处设置堆石排水棱体，坡度1:1.5，排水棱体前设水平排水带。4.6防渗体本工程采用土质心墙作为坝体防渗体，心墙稍偏向上游并略倾斜，顶部与防浪墙结合。心墙顶部高程应不低于正常运用情况下的静水位0.

3m~0.6m，且高于非常运用情况下的静水位。当防渗体顶部设有防浪墙时,防渗体顶部高程可不受上述限制，但不得低于正常运用的静水位。为了防止心墙冻裂,顶部还应设置砂性保护层，厚度应当按照冰冻的深度来确定，且大于1.0m。心墙至上而下应当逐渐加厚，两侧边坡一般处于1:

0.

15~1：0.

3之间，顶部厚度按构造和施工要求常不小于3.0m,心墙与上下游坝体间应设置反滤层，反滤层起到排水和反滤的作用。反滤层一定要结合现场实际情况，考虑施工中可能发生的不利因素，综合进行设计，以保证大坝的安全。[11]

综上，粘土心墙位于坝体的中间部分，粘土心墙的顶部高程为343

m,

顶部砂性保护层厚度为2.5

m,顶宽取3.0m，满足了3.

0m的机械施工要求。上、下游坡率均为1:

0.25。

5渗流计算5.1渗流计算的目的土坝作为水库枢纽工程的重要组成部分，其安全与否直接关系着该水库能否正常运行。而渗流问题与土坝的安全运行有着紧密的联系，很多土坝的失事都源自于水体的渗透造成的。坝体出现渗漏问题后会出现不利的孔隙水压力和渗透压力，从而导致土坝发生渗透变形，更严重的会导致坝坡滑移或垮坝。纵观国内外土坝垮坝事故的产生，大多数是由于水库内库水位的变化引起的渗流问题而造成的。库区的水位在下降的过程中会导致坝体土内部孔隙中的水滞留于坝体内，当水库内的水位降低后土坝内的浸润面依然处于较高位置，不但造成土坝内土料的容重随着水位变化而改变，还产生非稳定渗流现象产生渗透压力，使得土体颗粒间的有效应力快速的变小，降低坝体土料的抗剪强度，从而影响到坝体的安全稳定性。[12]因此，土石坝的渗流分析至关重要。5.2渗流计算的内容渗流计算应包括下列内容：=1\*GB3①确定坝体浸润线及其下游出逸点的位置，绘制坝体及坝基内的等势线分布图或流网图=2\*GB3②确定坝体与坝基的单宽渗流量和总渗流量；=3\*GB3③确定下游坝壳与坝基面之间的渗透比降，坝坡出逸段的出逸比降，以及不同土层之间的渗透比降；=4\*GB3④确定库水位降落时上游坝坡内的浸润线位置或孔隙压力；=5\*GB3⑤确定坝肩的等势线、渗流量和渗透比降。5.3渗流计算原理对于稳定渗流，符合达西定律的非均各向异性二维渗流场，水头势函数满足微分方程式中：φ=φ(x,y)为待求水头势函数；x，y为平面坐标；Kx，Ky为x，y轴方向的渗透系数。水头φ还必须满足一定的边界条件，经常出现以下几种边界条件：（1）在上游边界上水头已知φ=φn（2）在逸出边界水头和位置高程相等φ=z（3）在某边界上渗流量q已知 kxσφ其中lx，ly为边界表面向外法线在x，y方向的余弦。将渗流场用有限元离散，假定单元渗流场的水头函数势φ为多项式，由微分方程及边界条件确定问题的变分形式，可导得出线性方程组： [H]{φ}={F}（5-2）式中：[H]——渗透矩阵；{φ}——渗流场水头；{F}——节点渗流量。求解以上方程组可以得到节点水头，据此求得单元的水力坡降，流速等物理量。求解渗流场的关键是确定浸润线位置，Autobank采用节点流量平衡法通过迭代计算自动确定浸润线位置和渗流量。根据达西定律和连续条件 vx=− σvx可得二维渗流方程 Kxσ式中：vx；KxH——渗流场中某一点的渗压水头，m。渗流分析的主要方法有四种：水力学法、流体力学法、试验法、流网法。水力学法和流网法较为简单实用，故采用水力学法。用达西定律导出渗流量q和渗流水深y的计算公式为 q=KHy=式中：H1、H2L——渗流区长度x——计算点至上游起始截面的距离心墙上游的坝壳因渗流流速很小，其浸润线与库水面相近。设心墙下游在反滤层中的浸润线高度为h，心墙的渗透系数为Kc q=Kc将心墙坝简化为等厚的矩形断面，其厚度取顶部和底部厚度的平均值，如公式（5-8） δ=δ下游坝壳段的渗流量如公式： q=Kℎ联立上述两式，可解得h，q下游坝壳的浸润线方程为 x=Kℎ5.4渗流计算结果表5-1正常蓄水位H=22(m)流量=5.73084e-06(m3/s)0.495144(m3/d)设计洪水位H=22.74(m)流量=5.96748e-06(m3/s)0.51559(m3/d)校核洪水位H=23.06(m)流量=6.0743e-06(m3/s)0.52482(m3/d)计算结果表明，渗流量较小，符合要求。附图：6稳定分析6.1稳定分析方法工程上使用的土坡稳定分析方法主要是建立在极限平衡理论基础之上的。极限平衡理论的一个基本假设，就是把土看做理想塑性材料，达到极限平衡状态时，土体将沿某一破裂面产生剪切破坏而失稳。《碾压式土石坝设计规范》SL274-2020规定：土石坝的稳定分析应采用刚体极限平衡法。所谓刚体极限平衡就是首先选定一种或者几种破坏面形式，再在其中选取若干个可能破坏的滑动面，分别计算出它们的安全系数，其中安全系数最小的滑动面即为最危险滑动面，相应的安全系数即为所求的安全系数。进行稳定性分析计算时，需要选择不同条件下的土的抗剪强度指标，利用瑞典圆弧法、简化毕肖普法、滑楔体等方法计算。采用简化的毕肖普法，其滑弧体的抗滑稳定安全系数按照下式计算 Kc=式中：W——土条重量，KN；V——垂直地震惯性力（向上为负，向下为正），KN;μ——作用于土条底面的孔隙压力，KN/m；α——条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b——土条宽度，m；c'——φ'——Qi——ei——R——圆弧半径，m。按照对附加孔隙水压力的不同考虑，稳定计算分为总应力法和有效应力法，总应力法不考虑孔隙水压力，采用总应力强度指标（快剪指标）;有效应力法计入附加孔隙水压力，采用有效应力强度指标。有效应力法是通用计算方法，适用于各种工况。稳定渗流期认为附加孔隙水压力已经消散不予考虑，施工期和水位降落期对粘性土应该计入附加孔隙水压力。在没有实测资料的情况下，附加孔隙水压力=孔压系数×土条有效重量的增量。表6-1计算方法和对应的强度指标计算方法适用工况采用强度指标总应力法施工期快剪指标（cuuuu），十字板强度水位降落期有效强度（c’’）和固结不排水指标（ccucu）的下包线有效应力法施工期有效强度指标（c’’）,计算附加孔隙压力稳定渗流期有效强度指标（c’’）,不计算附加孔隙压力水位降落期有效强度指标（c’’），计算附加孔隙压力稳定计算根据不同假定有多种经典计算方法，瑞典法、毕肖普法，摩根斯顿法等，具体公式参见《碾压式土石坝设计规范》，《堤防工程设计规范》等相关文献。计算时需要求最小安全系数的滑弧位置，有关计算由软件autobank自动实现。6.2稳定分析结果表6-2名称工况有效应力/总应力渗流超孔压降雨解法地震加速度安全系数正常运行期-设计水位正常运行期有效应力法设计水位u'=0无降雨毕肖普法0g1.362363(左)1.32459(右)正常运行期-正常水位正常运行期有效应力法正常蓄水位u'=0无降雨毕肖普法0g1.39560(左)1.383758(右)正常运行期-校核洪水位正常运行期有效应力法校核水位u'=0无降雨毕肖普法0g1.376659(左)1.3.443983(右)地震影响-设计水位正常运行期有效应力法设计水位u'=0无降雨毕肖普法0.1g1.3548267(左)1.4007652(右)地震影响-正常蓄水位正常运行期有效应力法正常蓄水位u'=0无降雨毕肖普法0.1g1.477907(左)1..310147(右)地震影响-校核水位正常运行期有效应力法校核水位u'=0无降雨毕肖普法0.1g1..486367(左)1..306209(右)按我国《碾压式土石坝设计规范》SL274-2020，坝坡抗滑稳定安全系数应不小于表6-3所示的数值。表6-3坝的级别1234、5正常运用条件1.501.351.301.25非常运用条件=1\*ROMANI1.305非常运用条件=2\*ROMANII51.10可以看出计算结果均大于理论值，因此说明大坝不存在稳定性安全问题。正常蓄水位（右）正常蓄水位（右）设计水位（左）设计水位（右）校核洪水位（右）校核洪水位（左）7泄水建筑物设计7.1河岸溢洪道设计对于土石坝而言，其泄洪能力受结构等因素的限制，因此常常会选择修筑溢洪道用于泄洪，防止洪水溢满坝顶，从而能够保证大坝及其他建筑物的安全。河岸溢洪道型式有多种，包括正槽式溢洪道、侧槽式溢洪道、虹吸式溢洪道和井式溢洪道等。本次设计采用正槽式溢洪道，由进口段、控制段、陡坡段、消力池段、尾水段几个部分组成。根据初步计算确定设计下泄流量为15.4m3/s，校核下泄流量为21.4m3/s。7.1.1进口段由于大坝所在位置的地形条件、地质条件的限制，需要在溢洪道前设置进口段引水渠。进口段中的水流应当保证均匀、平顺，从而提高溢洪道的泄洪能力。通常引水渠的横断面接近矩形，本次设计也采用矩形断面，进口段可以用现浇混凝土或者干砌块石等方式进行衬护，底板采用现浇混凝土衬护，厚度不得小于0.3m。根据计算公式： Q=vA A=BH可以初步拟定引水渠的断面尺寸，具体结果如下表：表7-1上游水位（m）下泄最大流量（m3/s）水深H(m)边坡坡率m底宽B(m)328.9612由计算结果可初步拟定引水渠底宽为12m（安全设计），引水渠前段采取矩形断面，边坡坡率为1:0.5，进口段引水渠由河岸至溢洪道堰顶，总长度10m。7.1.2控制段溢流堰是控制溢洪道泄流能力的关键部位，溢流堰按其横断面的形状和尺寸可分为：薄壁堰、宽顶堰、实用堰等。宽顶堰的结构特点是结构简单、施工方便，且对承载力较差的土基适应能力强，由坝址的地形地质条件，可采用宽顶堰作为溢流堰。控制段采用无闸宽顶堰，堰顶高程拟定为344m，宽度12m，长度12m，边墙高1.56m。底板采用1.5mC20混凝土浇筑衬砌。根据SL253—2018《溢洪道设计规范》[13]附录A中公式(7-3)计算宽顶堰的泄流能力。 Q=mB2gH式中：Q——流量，m3/s;B——总净宽，12m；H0——计入流速水头的堰上总水头，m；m——宽顶堰流量系数。表7-2水位入库流量m3/s出库流量m3/s库内水位m设计洪水位76.532.79345.06校核洪水位47.822.25344.74设计洪水位条件下，溢洪道泄流量22.25m3/s＞15.4m3/s；校核洪水位条件下，溢洪道泄流量32.79m3/s＞21.4m3/s，均满足最大泄流量要求。7.1.3陡坡段陡坡段也称为泄槽段，用于排泄过堰洪水。设计时要根据地形、地质、水路条件与经济等因素合理确定其尺寸与形式。泄槽的布置方式有很多，泄槽在平面上应尽可能采用直线、等宽、对称布置，这样才能使水流平顺、结构简单、施工方便。泄槽纵剖面设计主要是决定纵坡，泄槽纵坡要保证泄槽中的水位不影响溢流堰自由泄流和在泄槽中不发生水跃，使水流始终处于急流状态。因此纵坡i必须大于临界坡度ic对于矩形断面泄槽临界坡度计算公式为： ik=临界水深hk和谢才系数Ck可按下式计算： Ck=1式中:q——泄槽的单宽流量，a

——动能修正系数，可近似取1;g——重力加速度，1m/s2;R——相应临界水深的水力半径，m;n——糙率，喷混凝土护面，所以取0.02。将已知数据代入公式计算i根据计算i应大于0.0066，斜槽坡底可以取i=1/3，水平距离为60.2m。7.1.4消力池段和尾水段设计为保护下游河床不被过堰洪水冲刷破坏，需采用消能措施。如果采用挑流消能的方式可能会导致下游河床岩体被二次破坏，所以本次设计消能措施采用底流消能。通过修建消力池达到设计目的，消力池纵断面可采用平底式设计，横断面采用矩形设计，且与泄槽段同宽布置。由于消力池地形坡度陡，采用下挖式的消力池设计。消力池尺寸设计可根据公式计算：消能池池深、池长公式: d=αℎ2 ∆Z=Q22gb Lk=0.8L式中：d——池深，m;б——水跃淹没度；h2——跃后水深，m；ht——出口下游水深，m；ΔZ——消力池尾部出口水面跌落，m；Q——流量，m³/s；跃后水深h2按照公式计算：式中：Fr1——收缩断面弗劳德数；h1——收缩断面水深，m；u1——收缩断面流速，m/s。消力池尺寸计算结果如下:表7-3消力池尺寸设计结果表消力池池长L（m）池深（m）消力池边墙高（m）172.13.7下游出口地面高程均低于消力池底板，在经过消力池后可直接采用排入河道的方式处理尾水。尾水段沿溢洪道轴线直接延伸进入下游河道，不会对下游河床造成太大的破坏。7.1.5溢洪道控制段稳定计算溢洪道控制段稳定计算应当采用抗剪断强度公式进行计算。抗剪断公式（7-11）为： K'=抗剪强度公式（7-12）为： K=f根据抗滑稳定安全系数规定，按照抗剪断强度公式计算的抗滑稳定系数应当大于理论值，理论值的具体数据详见下表：表7-4抗剪断强度公式抗滑稳定安全系数理论值荷载组合K基本组合3.0特殊组合（1）2.5（2）2.3注：，其他特殊组合为特殊组合（1），地震情况为特殊组合（2）按照抗剪强度公式计算的抗滑稳定安全系数应当大于理论值，理论值具体数据详见下表：表7-5抗剪强度公式抗滑稳定安全系数理论值荷载组合溢洪道级别1级2级3级基本组合1.101.051.05特殊组合（1）1.051.001.00（2）1.001.001.00注：其他特殊组合为特殊组合（1），地震情况为特殊组合（2）根据公式（7-11）、（7-12）的计算结果如下：表7-6抗滑稳定系数计算结果表断面高程（m）3446.7233435.483从结果可知，控制段均满足《溢洪道设计规范》（SL253-2018）的要求。溢洪道边墙抗滑稳定计算结果如下，(按照抗剪强度公式计算)，计算中取值f=0.3表7-7抗滑稳定系数计算结果1.621.1从结果可知，满足《溢洪道设计规范》（SL253-2018）的要求。7.1.6确定泄槽边墙高程根据溢洪道设计规范，泄槽边墙高程等于槽底高程加波动掺气水深和安全超高。其中掺气水深计算公式： ℎb=式中：h——不计入波动掺气的水深；V——不仅如此波动掺气计算断面上的流速；ξ——修正系数，取1.3。表7-8校核洪水位加入波动及掺气高度的溢洪道水面线计算结果桩号水深流速掺气水深0+01.0243.2211.0668780+5.4530.5895.7280.6328590+10.4530.5126.6910.5565350+15.4530.4337.8700.47730+20.4530.3519.4990.3943440+25.4530.3449.6780.387280+30.4530.41610.2190.4712640+50.4530.29016.7890.3532950+60.20.22719.3150.283999表7-9设计洪水位加入波动及掺气高度的溢洪道水面线计算结果桩号水深流速掺气水深0+00.682.6110.7030810+5.4530.3535.1130.3764640+10.4530.2896.1220.3120+15.4530.2617.1210.2851620+20.4530.2327.980.256068