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1、 - 1 -目录目录.1摘 要 .- 4 -第一章 前 言 .- 6 -1.1 设计主要目的和作用 .- 6 -1.2 设计内容和基本方法.- 6 -1.2.1 了解任务书和熟悉、分析原始资料.- 6 -1.2.2 洪水调节计算.- 6 -1.2.3 主要建筑物形式选择和水利枢纽布置.- 6 -1.2.4 第一主要建筑物拦河坝设计.- 6 -1.2.5 第二主要建筑物坝外泄水道设计.- 7 -1.2.6 决定枢纽的施工导流方案，安排施工的控制性进度。.- 7 -1.3 具体成果.- 7 -第二章 工程概况 .- 8 -2.1 流域概况.- 8 -2.2 气候特性.- 8 -2.3 水文特性.-
2、 9 -2.4 工程地质.- 10 -2.5 建筑材料.- 13 -2.6 经济资料.- 13 -第三章 洪水调节演算 .- 17 -3.1 洪水调节演算.- 17 -3.1.1 确定工程等别及建筑物级别.- 17 -3.1.2 计算方法.- 17 -3.2 堰顶高程及泄洪孔口宽度的选择.- 18 -3.2.1 方案选择的原则.- 19 -3.2.2 方案拟定.- 19 -3.3 调洪演算结果与方案选择.- 19 -3.3.1 调洪演算结果.- 19 -3.3.2 方案选择结果.- 20 -第四章 坝型选择及枢纽布置 .- 21 -4.1 坝址及坝型选择.- 21 -4.1.1 坝址选择.-
3、21 -4.1.2 坝型选择.- 21 -4.2 枢纽组成建筑物.- 22 -4.2.1 挡水建筑物.- 22 -斜心墙土石坝设计及施工组织 - 2 -4.2.2 泄水建筑物.- 22 -4.2.3 水电站建筑物.- 22 -4.3 枢纽布置.- 22 -4.3.1 挡水建筑物土石坝.- 22 -4.3.2 泄水建筑物泄洪隧洞.- 22 -4.3.3 水电站建筑物.- 23 -图 41 水利枢纽平面布置图 .- 23 -第五章 大坝设计 .- 24 -5.1 土石坝坝型选择 .- 24 -5.1.1 土石坝坝型概述.- 24 -5.1.2 本工程水利枢纽坝型选择.- 24 -5.2 大坝的尺寸
4、.- 25 -5.2.1 坝顶高程.- 25 -5.2.2 坝顶宽度.- 27 -5.2.3 坝坡与戗道.- 28 -5.3 大坝排水设备及防渗体.- 28 -5.3.1 坝体排水设备的选择.- 28 -5.3.2 坝内防渗体的设计.- 29 -5.3.3 坝基防渗体的设计.- 29 -5.4 土料设计.- 30 -5.5 渗流计算.- 34 -5.5.1 渗流计算方法.- 34 -5.5.2 计算断面与计算情况.- 35 -5.5.3 计算结果.- 36 -5.5.4 渗透稳定分析.- 37 -5.5.5 成果分析.- 37 -5.6 稳定分析计算.- 37 -5.7 大坝基础处理.- 46
5、 -5.8 细部结构设计.- 47 -5.8.1 坝的防渗体和排水设施.- 47 -5.8.2 反滤层设计.- 47 -5.8.3 护坡设计.- 48 -5.8.4 坝顶布置.- 49 -6.3.3 出口消能的设计.- 54 -6.4 隧洞水力计算.- 55 -6.4.1 设计条件.- 56 -6.4.2 平洞段底坡.- 56 -6.4.3 洞内水面线.- 56 -6.4.4 确定洞内断面尺寸.- 57 -6.4.5 出口消能验算.- 58 -6.5 隧洞的细部构造.- 59 - - 3 -6.5.1 洞身衬砌.- 59 -6.5.2 衬砌分缝、止水.- 60 -6.5.3 灌浆、防渗与排水.
6、- 60 -6.5.4 掺气槽.- 60 -6.5.5 锚筋加固.- 60 -6.6 放空洞设计.- 60 -第七章 施工组织设计 .- 63 -71 导流标准 .- 63 -参 考 文 献 .- 71 -斜心墙土石坝设计及施工组织 - 4 -摘 要我这次所作的设计是对位于我国西南山岭地带某江水利枢纽进行坝工设计。经过对工程资料的分析定所建坝型为斜心墙土石坝，正常蓄水位 2826.8 米，汛前限制水位 2826.8 米。首先根据所给的流域概况，水文、气候及工程地质等特征确定该工程的等级，并进行洪水调节演算。在初拟的几种泄流方案中，选择出一个最佳方案，并计算出该方案下的设计流量和相应水位，以及校
7、核流量和相应水位。 其次进入主要建筑物设计。确定枢纽的组成建筑物，包括挡水建筑物、泄水建筑物、水电站等。在定性分析的基础上，确定出大坝的坝址、坝轴线以及坝型。按指导书要求，在第一主要建筑物设计阶段，首先选定坝的结构型式、地基防渗处理及坝的主要尺寸。然后进行了土料设计、渗流计算、结构稳定分析和细部构造设计，从各个方面验证了设计剖面的可行性。接下来为第二主要建筑物的设计。确定出泄水建筑物的结构型式和轮廓尺寸，进行总体布置。进行水力计算，从泄流能力、净空要求、挑距和冲刷坑深度等方面验证设计型式的合理性。然后进行细部结构设计。最后进行施工组织设计。从明确施工控制点着手，定出了开工日期、截流日期、拦洪日
8、期、封孔蓄水日期、初始发电日期和最后的竣工日期。本设计的完成共用 11 周。关键词关键词: : 设计，斜心墙土石坝，施工组织设计，斜心墙土石坝，施工组织 - 5 -ABSTRACTThe thesis which I designed is designed for a river Water Control Project lying to the Southwest of China and the dam construction is emphasized .The desing data by 2826.8m and coming the flood adjust by 2826.8
9、m. First the project rank is difined according to the design data which the teacher given to us. Then find out the best one in the practicable spilling alternatives,with their design water level and check water level together.Then coming the main structure design grade.The parts of preject are defin
10、ed,consisting of blocking structure ,spillway structure ,hydropower station,and so on.The dam type is defined based on the qualitative analysis.The basis cross section and the outline dimension is defined in the first main structure design grade.The processing alternative of the dam foundation and t
11、he construction of the dam body is formulated in the same time.After this,the feasibility of design construction is verified from soil design,seeage compute,infiltrating stability analylsis and detail construction plan.Next the second main structure spillway is designed .Its composition type and out
12、line dimension is defined before its site layout and water compute.The feasibility is also verified by spill ability,net air request,depth of flow scouring and so on.Then the detail construction plan is designed.The final part is construction programming.The controlling points are made clear, such a
13、s going into operation time,diversion river time,holding flood back time,prevent flow and store water time,initial generate time and the complete time . The controlling construction progress chart is drew in the end.11 weeks is spend on the thesis. 斜心墙土石坝设计及施工组织 - 6 -Keywords: graduation design, inc
14、lined core wall of earth-rock dam, construction organization design - 7 -第一章 前 言1.1 设计主要目的和作用1. 巩固、联系、充实、加深、扩大所学基本理论和专业知识，并使之系统化；2. 培养综合运用所学知识解决实际问题的能力，初步掌握设计原则、方法和步骤；3. 锻炼独立思考、独立工作、协同工作的能力，并加强计算、绘图、编写说明书等技能训练，培养使用规范、手册等标准化文本的意识；4. 树立正确的设计思想，形成严肃认真、实事求是和刻苦钻研的工作作风。1.2 设计内容和基本方法 本设计的题目是河川水利枢纽工程设计。以坝工为
15、重点的设计包括下列几个组成部分。1.2.1 了解任务书和熟悉、分析原始资料1.2.2 洪水调节计算1.选定泄洪方式和拟定泄洪建筑物孔口尺寸。2.确定防洪库容、上游设计和校核洪水危及相应的下泄流量。1.2.3 主要建筑物形式选择和水利枢纽布置1.确定枢纽组成建筑物及其设计等级。2.通过不同方案的初步技术经济比较，选定坝型。3.通过定性分析比较，选定水电站厂房及其他建筑物型式。4.确定水利枢纽的布置方案。1.2.4 第一主要建筑物拦河坝设计一般应首先选定大坝结构布置与构造，然后进行校核计算。1. 选定坝的结构形式，拟定大坝基本剖面形式及轮廓尺寸。斜心墙土石坝设计及施工组织 - 8 -2. 进行土料
16、设计，包括对坝身不同高程的透水料和不透水料的分区规划布置以及压实标准的确定。3. 渗流演算，计算正常、校核水位下浸润线位置，确定总渗流量与逸出坡降。4. 静力稳定计算，求出上下游坡在某一水位情况下的最小稳定安全系数，以论证选用坝坡的合理性。5. 拟定坝身构造，包括防渗、排水、反滤层、坝顶、护坡、马道，以及坝体与坝基、岸坡及其他建筑物的连接。1.2.5 第二主要建筑物坝外泄水道设计1. 确定结构形式和主要尺寸，进行建筑总体布置。2. 进行水力计算，以验证建筑物的轮廓尺寸和各部分的结构尺寸是否合理。3. 拟定细部构造，包括排水、锚筋加固、灌浆、掺气等。1.2.6 决定枢纽的施工导流方案，安排施工的
17、控制性进度。1.3 具体成果绘出 3 张工程设计图：水利枢纽布置图（平面与立视） 、大坝结构图、第二主要建筑物布置与结构图。并自行编制说明书与计算书，编写中、英文的摘要。 - 9 -第二章 工程概况2.1 流域概况该江位于我国西南地区，流向自东南向西北，全长约 122 公里，流域面积2558 平方公里，在坝址以上流域面积为 780 平方公里。本流域大部分为山岭地带，山脉和盆地交错于其间，地形变化剧烈，流域内支流很多，但多为小的山区流河流，地表大部分为松软的沙岩、页岩、玄武岩及石灰岩的风化层，汛期河流的含沙量较大。冲积层较厚，两岸有崩塌现象。本流域内因山脉连绵，交通不便，故居民较少，全区农田面积
18、仅占总面积的20，林木面积约占全区的 30，其种类有松、杉等。其余为荒山及草皮覆盖。2.2 气候特性1. 气温 年平均气温约为 12.8 度，最高气温为 30.5 度，发生在 7 月份，最低气温为-5.3 度，发生在 1 月份。表 2-1 月平均气温统计表（度）123456789101112年平均4.88.311.214.816.318.018.818.316.012.48.65.912.8表 2-2 平均温度日数日数 月份平均温度123456789101112061.20.3000000003.130025.026.8 30.7303130313130313027.9300000000000
19、002. 湿度 本区域气候特征是冬干夏湿，每年 11 月至次年和 4 月特别干燥，其相对湿度为 5173%之间，夏季因降雨日数较多，相对湿度随之增大，一般变斜心墙土石坝设计及施工组织 - 10 -化范围为 6786%。3.降水量 最大年降水量可达 1213 毫米，最小为 617 毫米，多年平均降水量为 905 毫米。表 2-3 各月降雨日数统计表日数 月份平均降雨量12345678910111230mm0000000000004. 风力及风向 一般 14 月风力较大，实测最大风速为 14 米秒，相当于8 级风力，风向为西北偏西。水库吹程为 15 公里。2.3 水文特性该江径流的主要来源为降水，
20、在此山区流域内无湖泊调节径流。根据实测短期水文气象资料研究，一般是每年五月底至六月初河水开始上涨，汛期开始，至十月以后洪水下降，则枯水期开始，直至次年五月。该江洪水形状陡涨猛落，峰高而瘦，具有山区河流的特性，实测最大流量为700 秒立米，而最小流量为 0.5 秒立米。1年日常径流 坝址附近水文站有实测资料 8 年，参考临近测站水文记录延长后有 22 年水文系列，多年年平均流量为 17 秒立米。2洪峰流量 经频率分析，求得不同频率的洪峰流量如下表。表 2-4 不同频率洪峰流量（秒立米）频率0.0512510流量23201680142011801040 - 11 -表 2-5 各月不同频率洪峰流量
21、（秒立米） 月频率1234567891011121461912196001240155012106703902837236171115530112013601090600310233352314911420850110083048025016281019117937076098072041021015233固体径流 该江为山区性河流，含沙量大小均随降水强度及降水量的大小而变化，平均含沙量达 0.5 公斤立米。枯水极少，河水清彻见底，初步估算 30年后坝前淤积高程为 2765 米。2.4 工程地质1水库地质 库区内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漏问题不大，
22、但水库蓄水后，两岸的坡积与残积等物质的坍岸是不可避免的，经过勘测，估计可能坍方量约为 300 万立米。在考虑水库淤积问题时可作为参考。2坝址地质 坝址位于该江中游地段的峡谷地带，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。坝址区地层以玄武岩为主，间有少量火山角砾岩和凝灰岩穿过，对其岩性分述如下：(1) 玄武岩 一般为深灰色、灰色、含有多量气孔，为绿泥石、石英等充填，成为杏仁状构造，并间或有方解石脉、石英脉等贯穿其中，这些小岩脉都是后来沿裂隙充填进来的。坚硬玄武岩应为不透水层，但因节理裂缝较发育，透水性也会随之增加，其矿物成份为普通辉石、检长石，副成分为绿泥石、石英、方解石等
23、，由于玄武岩成分不甚一致，风化程度不同，力学性质也不同，可分为坚硬玄武岩、多气孔玄武岩、破碎玄武岩、软弱玄武岩、半风化玄武岩和全风化玄武岩等，其物理力学性质见表 2-6、表 2-7。渗透性：经试验得出 k 值为 4.147.36 米/昼夜。 (2) 火山角砾岩 角砾为玄武岩，棱角往往不明显，直径为 215 厘米，胶结物仍为玄武岩质，胶结紧密者抗压强度与坚硬玄武岩无异，其胶结程度较差者极斜心墙土石坝设计及施工组织 - 12 -限抗压强度低至 35MPa。(3) 凝灰岩 成土状或页片状，岩性软弱，与近似，风化后成为碎屑的混合物，遇水崩解，透水性很小。表 2-6 坝基岩石物理力学性质试验表岩石名称比
24、重容重 kN/m3建议采用抗压强度MPa半风化玄武岩3.0129.650破碎玄武岩2.9529.25060火山角砾岩2.9028.735120软弱玄武岩2.8527.01020坚硬玄武岩2.9629.2100160多气孔玄武岩2.8527.870180表 2-7 全风化玄武岩物理力学性质试验表 压缩系数 a浸水固结块剪天然含水率%干容重kN/m3比重液限l塑限p塑性指数pI00.5m2/kN10-634m2/kN10-6内摩擦角凝聚力kPa2.516.32.9747.332.2616.95.971.5128.3824 (4) 河床冲积层 主要为卵砾石类土，砂质粘土与砂层均甚少，且多呈透镜体状，
25、并有大漂石掺杂其中。卵砾石成分以玄武岩为主，石灰岩与砂岩占极少数。沿河谷内分布：坝基部分冲积层厚度最大为 32 米，一般为 20 米左右；靠岸边最少为几米。颗粒组成以卵砾石为主，砂粒和细小颗粒为数很少。卵石最小直径一般为 10100 毫米；砾石直径一般为 210 毫米；砂粒直径 0.050.2 毫米；细小颗粒小于 0.1 毫米。见表 2-8。冲积层的渗透性能 经抽水试验后得，渗透系数 k 值为 0.03 厘米/秒0.01 厘米/秒。 - 13 - 表 2-8 冲积层剪力试验成果表三轴剪力（块剪）应变（拉制）（浸水固结快剪）土壤名称代号 项目计算值容重（控制）kN/m3含水量（控制） 内摩擦角凝
26、聚力（kPa）内摩擦角凝聚力（kPa）次数17128822最大值24.38.66471537.0324310.5最小值22.24.27353012.017550平均值23.086.47403418.225255.3含 中量细粒的砾石小值平均值373214.8备注三轴剪力土样备系筛去大于 4mm 颗粒后制备的。试验时土样的容重为控制容重。应变控制土样容重系筛去大于 0.1mm 颗粒后制备的。以上两种试验的土样系扰动的。(5) 坡积层 在水库区及坝址区山麓地带均可见到，为经短距离搬运沉积后，形成粘土与碎石的混合物质。3地质构造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
27、向与岩层走向几乎一致，即北东方向，倾向西北；另一组的走向与岩层倾向大致相同。倾角一般都较大，近于垂直，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 35 米即有一条，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石内产生。4水文地质条件本区地形高差大，表流占去大半，缺乏强烈透水层，故地下水不甚丰富，对工程比较有利。根据压水试验资料，玄武岩的透水性不同，裂隙少、坚硬完整的玄武岩为不透水层，其压水试验的单位吸水量小于 0.01 l/(minm)。夹于玄武岩中的凝灰岩，以及裂隙甚少的火山角砾岩都为不透水性良好的岩层。至于节理很发育的破碎玄武岩、半
28、风化与全风化玄武岩都是透水性良好的岩层。正因为这些隔水的与透水的玄武岩存在，遂使玄武岩区产生许斜心墙土石坝设计及施工组织 - 14 -多互不连贯的地下水。一般砂岩也是细粒至微粒结构，除因构造节理裂隙较发育，上部裂隙水较多外，深处岩层因隔水层的层数多，难于形成泉水。石灰岩地区外围岩石多为不透水层，渗透问题也不存在。5. 本地区地震烈度定为 7 度，基岩与混凝土之间的摩擦系数取 0.65。2.5 建筑材料1料场的位置与储量各料场的位置与储量见坝区地形图。由于河谷内地地形平坦，采运尚方便。2物理力学性质(1) 土料：见表 2-9表 2-12。(2) 石料：坚硬玄武岩可作为堆石坝石料，储量较丰富，在坝
29、址附近有石料场一处，覆盖层浅，开采条件较好。2.6 经济资料1库区经济流域内都为农业人口，多种植稻米、苞谷等。库区内尚未发现有价值可开采的矿产。淹没情况如下表。表 2-13 各高程淹没情况高程（米）280728122817282228272832淹没人口（人）350036403890406053207140淹没土地（亩）3000322034103600460061002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，因此交通尚称方便。 - 15 - 表 2-9 粘土的物理力学性质物 理 性 质力学性质化学性稠度颗粒级配（成分%，粒径d）击实剪力自然容重砂砾粗中细
30、粉粘土湿干料场名称自然含水量%kN/m3比重孔隙率%孔隙比流限%塑限%塑性指数饱和度2mm20.5mm0.50.05mm0.050.005mm0.005mm最大干密度g/cm3最优含水量%渗透系数10-6cm/s内摩擦角deg凝聚力kPa固结压缩系数cm2/kg有机含量灼热法%可溶盐含量%1#下24.8 18.91 15.16 2.67 42.26 0.734 42.60 23.14 19.46 0.93 7.47 5.95 17.87 35.48 33.23 1.60 22.07 4.317 24.67 24.0 0.021 1.73 0.0702#下24.2 18.91 15.18 2.6
31、7 41.90 0.721 43.90 22.20 21.70 0.91 7.25 4.15 14.35 41.75 32.25 1.65 21.02 4.80 25.50 23.0 0.020 1.90 0.0191#上25.6 17.35 13.03 2.65 49.80 0.990 49.57 25.00 24.57 0.87 8.83 8.00 17.50 31.00 34.67 1.56 22.30 1.90 23.17 25.0 0.026 2.20 0.1102#上26.3 16.37 12.84 2.74 52.30 1.093 49.90 26.30 23.50 0.69 4
32、.50 4.33 20.67 36.20 34.30 1.54 23.80 3.96 21.50 38.0 0.033 0.25 0.1103#下15.9 19.11 16.64 2.70 37.00 0.580 34.00 20.00 14.00 0.67 6.40 9.00 18.00 39.00 27.60 1.80 16.90 3.00 28.00 17.0 0.010 1.90 0.080斜心墙土石坝设计及施工组织 - 16 -表 2-10 砂砾石的颗粒级配颗 直径粒 mm含量料场300100100606020202.52.51.21.20.60.60.30.30.150.151#上
33、5.218.621.412.318.613.95.44.60.32#上4.817.820.314.117.814.84.65.30.53#上3.815.418.515.316.420.53.56.20.44#上6.018.319.416.415.616.74.82.50.31#下4.514.120.123.214.97.28.67.20.22#下3.919.222.418.719.18.35.72.80.13#下5.023.119.114.218.48.96.34.10.94#下4.122.418.714.117.914.44.13.60.7表 2-11 砾石的物理性质名称1#上2#上3#上4
34、#上1#下2#下3#下4#下容重，kN/m318.617.919.119.018.618.518.418.0比重2.752.742.762.752.752.732.732.72孔隙率，%32.534.731.031.532.532.232.533.8软弱颗粒，%2.01.50.91.22.50.81.01.2有机物含量淡色淡色淡色淡色淡色淡色淡色淡色注：各砂砾石料场渗透系数 k 值为 2.010-2厘米/秒左右。最大孔隙率 0.44，最小孔隙率0.27。 - 17 -表 2-12 各料场天然休止角料场名称最小值最大值平均值1#上3430355035102#上3500371036003#上344
35、0364035404#上3510374036301#下3410363035202#下3520380036403#下3430371035504#下360038203710 斜心墙土石坝设计及施工组织 - 18 -第三章 洪水调节演算3.1 洪水调节演算由枢纽设计资料可知，设计洪峰流量 Q 设 = 1680m/s（P=1%） ，校核洪峰流量 Q 校 = 2320 m/s（P=0.05%） 。3.1.1 确定工程等别及建筑物级别一项水利枢纽的成败对国际民生有直接影响。为使工程的安全可靠性与其造价的经济合理性适当统一起来，水利枢纽及其组成建筑物要分等分级。枢纽工程，建筑物的等级不同，对其规划、设计、施
36、工、运行管理的要求也不同，等级越高者要求越高。该坝址地处山岭地带，正常蓄水位正=2826.8m，查高程容积曲线可得：V 正=512106m3，查水工建筑物教材表 11 可得该工程为二等；又知灌溉面积 10 万亩，水电站装机容量为 2.4104kw，居民少，农田面积小，无城镇和有价值可开采的矿产，故由表 11 可查得该水利枢纽工程为三等。综合考虑该工程为应为二等。又由教材表 13 可知主要建筑物级别为 2 级，次要建筑物级别为 3 级，临时建筑物级别为 4 级 。永久性水工建筑物洪水标准：正常应用（设计）洪水重限期 100 年，非常应用（校核）洪水重限期 2000 年。3.1.2 计算方法1.
37、设计洪水与校核洪水设计洪峰流量 Q 设 = 1680m3/s（P=1%） ，校核洪峰流量 Q 校 = 2320 m3/s（P=0.05%） 。采用以峰控制的同倍比放大对典型洪水进行放大，得设计洪水与校核洪水过程线分别见图 3-1 和图 3-2。 - 19 -23206h流量坝址水文站校核洪水单位过程线流量16806h坝址水文站设计洪水单位过程线图 3-1 设计洪水过程线 图 3-2 校核洪水过程线2. 泄流方案的选择本挡水建筑物初定为土石坝，坝身不能过水，需另设泄水建筑物。正槽溢洪道泄流能力大，水流条件平顺，结构简单可靠，可为最佳选择。此外，由于坝址处较窄，山坡陡峭，山脊高，且两岸山坡没有可资
38、利用的天然垭口 ，如采用明挖溢洪道，则开挖量大，造价较高，现初步拟定采用隧洞泄洪。综上可得，枢纽工程采用正槽溢洪道，溢流堰下游接明流隧洞，并考虑与施工导流洞结合。水库应用方式：洪水来临时用闸门控制下泄流量等于来水量，水库保持汛前限制水位不变，当来流量继续加大，则闸门全开，下泄流量随水位的升高而加大，流态为自由泄流。3. 调洪演算原理 采用以峰控制的同倍比放大法对典型洪水进行放大，得出设计与校核洪水过程线。拟定四组不同堰顶高程I 及孔口宽度 B 的方案。堰顶自由泄流公式可确定设计洪水和校核洪水情况下的起调流量 (式中已加上232 HgmBQ起Q发电引水流量 Q=44.1)。由开始，假定四条泄洪过
39、程线（为简便计算，假设起Q都为直线） ，在洪水过程线上查出，并求出相应的蓄水库容 V。根据库容水泄Q位关系曲线可得相应的库水位 H，由四组（Q 泄，H）绘制的 QH 曲线与由绘制的 QH 曲线相交，所得交点即为所要求的下泄流量及相232 HgmBQ应水位。 3.2 堰顶高程及泄洪孔口宽度的选择斜心墙土石坝设计及施工组织 - 20 -调洪演算时需拟定几组不同方案，根据技术经济比较，择优选取合理方案。3.2.1 方案选择的原则堰顶高程如果取太低，孔口则需较大的净宽，在达到泄洪能力的要求下，所需水库防洪库容和挡水建筑物高度也可较小，上游淹没损失较小，移民投资的费用降低；但是增加了技术难度及工程投资，
40、且下泄流量增大，一旦超过下游防洪要求：900，下游将遭受洪水威胁。如果堰顶高程取得过高，孔口sm /3总净宽较小，则正好相反。3.2.2 方案拟定要得到堰顶高程与孔口尺寸的最佳方案，应在技术可行前提下，结合泄水隧洞以及挡水建筑物的枢纽总造价最小来选择，通过各种可行方案的经济比较决定。通过查已建工程资料，初步拟定四组堰顶高程与孔口尺寸如下：方案一： I=2817m,B=7m 方案二：I=2817m, B=8m方案三： I=2818m,B=7m 方案四：I=2818m, B=8m3.3 调洪演算结果与方案选择3.3.1 调洪演算结果 表 3-1 调洪演算成果方 案孔口尺寸（m）工 况Q(m3/s)
41、上游水位Z(m)超高Z(m)Q/B(m2/s)设计573.232828.291.581.891I=2817B=7校核648.442829.32.592.63设计637.112833.51.579.642I=2817B=8校核718.452829.12.589.81设计517.592828.51.773.943I=2818B=7校核593.622829.62.884.80设计572.982828.31.571.624I=2818B=8校核654.482829.32.581.81注： Z 为正常蓄水位以上超高。 - 21 -3.3.2 方案选择结果 首先，根据泄流量 Q 900m/s，上游水位超高
42、Z 3.5m 的要求，4 个方案均符合。然后通过技术经济比较，同时也应考虑与导流洞结合的问题。一般来说，随着Z 的增大，坝高增加，大坝工程量加大。随着孔口 B 的增大，隧洞的开挖及其它工程量增加。Q/B 越大，消能工的技术难度和工程造价增加。 方案一与方案二比较：两方案 Z 相同，但方案二的 Q/B 小于方案一，降低了隧洞衬砌要求，消能工的设计和施工难度。 方案二与方案三比较：Z 相差不大，但方案三的孔口宽 B 和 Q/B 值均小于方案二。 方案三与方案四比较：方案四的孔口 B 虽然大于方案三，但方案四的Z 以及 Q/B 值均小于方案三。 综合考虑这四种方案的利弊，决定采用方案四，即堰顶高程堰
43、顶=2818m，溢流孔口净宽 B=8m。 故最后选定：堰顶高程堰顶=2818m，单孔泄流，单孔净宽 B=8m。设计流量 572.98 m/s，设计水位 2828.3m；校核流量 654.48 m/s，校核水位 2829.3m。斜心墙土石坝设计及施工组织 - 22 - 第四章 坝型选择及枢纽布置4.1 坝址及坝型选择4.1.1 坝址选择坝址的选择要满足以下几点：地基要有足够的承载力、抗水性和抗渗能力，避免选择沿基础软弱夹层整体滑动的坝址。在坝址和坝轴线选择时，坝基的软弱夹层发育情况及其特性作为重要的参考因素之一。另外，还要综合考虑枢纽建筑物的布置。经过比较选择地形图所示河弯地段作为坝址，并选择，
44、两条较有利的坝轴线作为备选方案，两轴线河宽基本接近，从而大坝工程量基本接近。从地形图以及设计资料中可以看出：剖面，河床覆盖层平均厚度20m,河床中部最大达 32m，坝肩除 10m 左右范围的风化岩外，还有数十条破碎带，其余为坚硬玄武岩，地质构造总体良好。剖面除与剖面具有大致相同厚度的覆盖层及风化岩外，底部玄武岩破碎带纵横交错，若将坝建于此坝基，那么绕坝渗流可能较大，进行地基处理工程量太大，综合考虑以上因素，坝轴线选在处。4.1.2 坝型选择所选坝轴线处河床冲积层较深，两岸风化岩透水性深，基岩强度低，且不完整，并且水库蓄水后两岸边坡可能会产生塌方。下面就结合坝址地质地形条件以及各类坝型的适用情况
45、来比较选择合适的坝型：拱坝拱坝对地形及地质条件有独特的要求，地形条件要求河谷的宽度 L 及大坝高度 H 的比值在规定的范围内，河谷形状在平面上成喇叭口收缩状，并且要求两岸拱座下游有足够厚的完整岩体；地质条件要求岩基坚硬，整体性好，强度高，具有不透水性，两岸拱座基岩要求坚硬而完整，边坡稳定，没有大的断裂构造及软弱夹层，能承受由拱端传来得巨大推力而不致产生过大的变形，尤其要避免两岸边坡存在向河床倾斜的节理裂隙或层理构造，可见本工程不宜修建拱坝。支墩坝支墩坝是由一系列支墩和其支承的上游挡水盖板所组成，支墩应力较高，因此对地基要求高。同时，支墩坝的侧向稳定性差，如受到垂直于河流方向的 - 23 -地震
46、，其抗侧向倾覆能力较差。而本工程地基强度低，且不完整，易产生不均匀沉陷，且坝区有 7 级地震，因此也不能修建支墩坝。混凝土重力坝混凝土重力坝是靠坝身自重来维持稳定的，要求建在岩石地基上，对地质要求也比较高，而且若建重力坝则基础开挖、回填量大，围堰工程量也很大，防渗层要灌浆到基岩工程量大，同时基坑排水也较困难，因此也不适宜。土石坝土石坝适应地基变形能力比较好，对坝址条件要求低，抵抗微震的能力比较好，土石坝施工方法简单灵活，结构简单，造价低廉，施工方法选择灵活性大。而且坝区的粘土及砂砾土比较丰富，建土石坝可就地取材。通过对各种不同的坝型进行定性分析，综合考虑地形、地质条件、建筑材料、施工条件、综合
47、效益等因素，最终选择土石坝方案。4.2 枢纽组成建筑物枢纽建筑物由挡水建筑物，泄水建筑物和水电站建筑物组成。4.2.1 挡水建筑物 挡水建筑物是土石坝，用来拦截河水,便于下游在汛期防洪。4.2.2 泄水建筑物本枢纽大坝定为土石坝，坝身不能过水，需另设坝外泄水建筑物。由于坝址处较窄，山坡陡峭，山脊高，且两岸山坡没有天然垭口 ，如采用明挖溢洪道的方案，工程量会很大，造价较高。因此，本工程的泄水建筑物采用隧洞泄洪。4.2.3 水电站建筑物 厂房型式为引水式，并设有副厂房、安装场、开关站及调压井等。4.3 枢纽布置 4.3.1 挡水建筑物土石坝 挡水建筑物按选定的坝轴线布置在河弯地段上。4.3.2 泄
48、水建筑物泄洪隧洞泄水建筑物包括泄洪隧洞和放空洞，泄洪隧洞主要用来向下游泄水，由于斜心墙土石坝设计及施工组织 - 24 -泄洪隧洞进口很高，故设置放空洞，主要用来将水库水位泄放到一定低水位；同时必要时放空洞也可用来帮助泄洪隧洞宣泄一部分洪水。泄洪隧洞与放空洞均与导流隧洞相结合。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，这样水流经隧洞流出直接入主河道，对流态也有利。考虑到电站引水隧洞也布置在凸岸，泄洪隧洞布置以远离坝脚和厂房为宜。为减小泄洪时引起的电站尾水波动，以及防止冲刷坝脚，进出口相距 30-40m 以上。地形图上的断面多坚硬玄武岩，适宜开挖隧洞，故将泄洪隧洞的轴线定在。4
49、.3.3 水电站建筑物引水隧洞、电站厂房布置在凸岸，在泄洪隧洞与大坝之间，厂房布置在开挖后的坚硬玄武岩上，开关站布置在厂房附近。综合考虑各方面因素，最后确定枢纽布置如图 4-1 所示。 图 41 水利枢纽平面布置图 - 25 -第五章 大坝设计5.1 土石坝坝型选择土石坝的坝型选择应根据坝址附近的筑坝材料，地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理、抗震要求等因素，选择最优坝型。5.1.1 土石坝坝型概述均质坝均质坝 材料单一，工序简单。但是坝坡较缓，剖面大，粘性土料的施工受到气候的限制，坝体孔隙水压力大，故不予采用此型式。堆石坝堆石坝 坝坡较陡，剖面小，造价低，施工快，且施工干扰相对较小。坝
50、址附近有坚硬的玄武岩石料场，储量足，开采条件好，可作为堆石坝石料，从材料角度可以考虑堆石坝方案。但由于河床地质条件较差，冲积层最大厚度达32m，平均也有 20m，做堆石坝可能导致大量开挖，此方案也不予采用。面板坝面板坝 坝体工程量是土石坝中最小的，坝面便于检查维修。坝体添筑没有粘性土填方，施工干扰小，气候影响也小，基本上可以全年施工。但是面板对基础沉陷很敏感，且抗震性能较差。本设计中地质条件较差，坝址地区地震烈度为7度，因此不选用面板坝方案。斜墙坝斜墙坝 砂砾石作为坝壳，以粘土料作为防渗体，设在坝体上游做斜墙。斜墙与坝壳两者施工干扰相对较小，工期较短，但对坝体坝基的沉降比较敏感，抗震性能也差，
51、易产生裂缝。故不采用。 心墙坝心墙坝 以砂砾料作为坝壳，以粘土料作为防渗体设在坝剖面中部做心墙。与斜墙坝相比工程量较小，适应不均匀变形、抗震性能都较好，土料在总方量中所占比重不大，但是施工时要求心墙与坝体大体同时填筑上升，相互干扰大。斜心墙坝斜心墙坝 它介于心墙与斜墙之间。即心墙略向上游倾斜。它能克服心墙坝可能产生的拱效应和斜墙坝对变形敏感的缺点，很适合于高土石坝。5.1.2 本工程水利枢纽坝型选择斜心墙土石坝设计及施工组织 - 26 -坝型选择主要考虑如下因素:1.坝高低坝多采用均质坝，高坝宜采用多种材料分区坝。本枢纽工程预计坝高80m 左右，已属高坝，排除均质坝型式。2. 筑坝材料坝址区附
52、近有丰富的粘土料、砂砾石料，并有基础、隧洞开挖的石料可资利用，土料物理性质、化学性质和力学性质优良，因此可选用粘土防渗体坝。3. 地质条件由于枢纽地基附近风化岩和破碎带较多，采用斜墙式土石坝时，因防渗体水平宽度过大，易造成渗透和渗流等问题，故而只选择斜心墙或心墙坝。4. 气候条件在多雨地区采用斜墙比心墙有利。坝址区夏季降雨日数较多，采用心墙方式时须通过合理的施工组织设计，以消除或降低降雨的影响。5. 抗震要求本地区地震烈度为 7 度，从抗震要求来看宜选择心墙坝。综合考虑 ，斜心墙坝综合了斜墙坝和心墙坝的优缺点：既有一定的抗震性能又能适应地基的不均匀变形，从施工及气候条件来看也有一定的适应性，因
53、此决定采用斜心墙坝。5.2 大坝的尺寸5.2.1 坝顶高程坝顶高程由水库静水位和坝顶超高决定。坝顶在水库静水位以上的超高 y ： AeRy式中: y 水库净水位以上的超高，m；R最大波浪在坝顶的爬高， m；e最大风壅水面高度，m ； A 安全超高,m。该坝为2级建筑物，设计时取A=1.0，校核时取A=0.5。1.对于内陆峡谷水库，在风速 W20m/s、吹程 D20m/s 时，波浪的平均波高采用莆田试验站公式：mh7 . 0245. 027 . 0227 . 013. 00018. 07 . 013. 0/WgHthWgDthWgHthWhgmmm 周期： 5 . 0438. 4mmhT波长：
54、22mmgTL式中：坝前水深，m。mH2.平均波浪爬高：该工程为 2 级工程，采用 1%的爬高值.mR%1R mmwmLhmKKR21式中： 斜坡的糙率，0.78（砌石） ；K经验系数，1.0wK当风向与坝轴线的法线成锐角时，波浪爬高等于按正向坡计算的爬高值乘以折减系数，根据规范得：。K94. 0K3.风壅水面高度： cos22mgHDKWe 式中：坝前水深，m；mH风向与坝轴线法向夹角；斜心墙土石坝设计及施工组织 - 28 -K综合摩阻系数，取K=3.6。610分别计算下列四种情况，取最大值，求得的坝顶高程为沉降稳定后的数值。1.设计洪水位+正常运用条件的坝顶超高2.正常蓄水位+正常运用条件
55、的坝顶超高3.校核洪水位+非常运用条件的坝顶超高4.正常蓄水位+非常运用条件的坝顶超高，加地震安全加高考虑到竣工时的坝顶高程应有足够的预留沉陷值，本设计中考虑沉降值为坝高的0.4%；地震区安全超高应包括地震引起的坝顶沉陷和涌浪高度。表 5-1 坝顶高程计算成果表 设计洪水位+正常运用条件的坝顶超高正常蓄水位+正常运用条件的坝顶超高校核洪水位+非常运用条件的坝顶超高正常蓄水位+非常运用条件的坝顶超高+地震安全加高上游静水位(m)2828.32826.82829.3 2826.8河底高程(m)2750坝前水深(m)78.376.879.3 76.8吹程 D(km)15风向与坝轴线夹角()23风浪引
56、起坝前壅高e(m)0.0143 0.01450.0063 0.0065风速 w(m/S)21211414波高 2hm(m)2.0082.0080.6480.648护坡粗糙系数 0.78上游坝面坡角() 21.8 arctan(1/2.5)波浪沿坝坡爬高(m)%1R3.463.461.64 1.64安全超高 A(m)1.01.00.50.5地震超高(m)0001.0坝顶高程(m)2832.772831.272831.45 2829.95坝顶高程+0.4%沉陷(m)2833.112831.602831.69 2830.19坝高（m）83.1181.6081.69 80.19计算情况计算内容 - 2
57、9 -根据表 5-1 中结果可知：坝顶高程由设计情况来控制，在既安全又经济的设计原则下，在坝顶上游侧设置防浪墙，高 1.5m。因此，竣工时坝顶高程为2832m。5.2.2 坝顶宽度该坝高 82m，属高坝： Bmin = 0.1H = 0.182 = 8.2根据交通运行要求及施工条件、防汛抢险的需要，当坝高介于 60100m之间时，坝顶宽度宜为 810m,故本设计坝顶宽度取 10m。5.2.3 坝坡与戗道根据规范，上游考虑在一半坝高处变坡一次，2750m2791m 坝坡取：1：3.0，2791m2832m 坝坡取 1：2.5。下游大约每 28m 坝高变坡一次，2750m2778m 坝坡 1：2.
58、75，2778m2806m 坝坡 1：2.5，2806m2832m 坝坡 1：2.25为便于汇集雨水，并有观测、检修、交通之需，及利于坝坡稳定在变坡处设马道，马道宽 2.0m。5.3 大坝排水设备及防渗体 土石坝的排水设备及防渗体是设计中必须考虑的，它们在土石坝工程中起着很重要的作用。5.3.1 坝体排水设备的选择 排水设备是土石坝的一个重要组成部分，主要目的是：防止渗流逸出处的渗透变形；降低坝体浸润线以及孔隙压力，改变渗流方向，增加坝体稳定；保护坝坡，防止冻胀破坏。坝体排水设备的型式与坝型、下游水位、材料、施工条件及筑坝地区气候条件等因素有关，应通过技术经济比较确定。排水设备主要 型式有棱体
59、排水，贴坡排水，褥垫排水及综合式排水。棱体排水棱体排水 是在坝脚处用块石堆筑而成。棱体排水设备适用于下游有水的情况，能降低坝体浸润线，防止坝坡冻胀及渗透变形，保护下游坝脚，且有支持坝体、增加稳定的作用。本地区石料比较丰富，因此可以采用棱体排水。贴坡排水贴坡排水 设置在下游坝坡底部，有 12 层堆石或砌石筑成，在石块与坝坡间设有反滤层，这种排水结构简单，省料且便于检修，可防止渗透破坏，保护下游坡脚。但因未伸入坝体，不能降低浸润线，且防冻性较差，常用于中小斜心墙土石坝设计及施工组织 - 30 -型水库及下游无水的均质坝，以及有良好防渗体、坝体浸润线较低的土石坝，因此不予采用。褥垫排水褥垫排水是将排
60、水体平铺在下游的部分地基上，伸入坝体的长度一般不超过 1/31/4 的坝底宽度，这种排水体伸入坝体内部，降低浸润线效果显著，有利于坝体排水，但对地基不均匀沉陷的适应能力比较差，容易断裂，而且检修也比较困难，只能用于下游无水或下游水位很低的情况。由于本坝下游有一定水深，而且坝基软弱，沉陷大，因此也不采用。本地区下游有水，地基覆盖层较厚，不均匀沉陷可能较大，而且本地区石料储量丰富，能够满足棱体排水的修筑要求。因此设计采用棱体排水方案。根据规范，棱体排水的顶部高程应超出下游最高水位，应大于波浪沿坡面的爬高，且对于、级坝不小于 1.0m；、级坝不小于 0.5m。下游校核洪水时下游水位 2755.1m，
61、最后取为 2756.5m，根据规范，堆石棱体内坡取，1：1.5，外坡取为 1：2.0，顶宽 2.0m，在排水于坝基之间应设反滤层。5.3.2 坝内防渗体的设计坝的防渗体必须满足将渗透坡降、下游坝体浸润线及渗流量降低到允许范围内，还要满足结构及施工的要求。防渗体的尺寸以满足构造、施工及防止开裂等要求为原则，也要满足稳定要求。本工程采用粘土斜心墙作为坝内防渗体。心墙顶部在静水位以上的超高，正常运用时为 0.30.6m，非常运用时不低于校核洪水位。最终拟定心墙顶部高程为 2830m。心墙顶部以上留有厚 2.0m 的砂砾保护层。心墙的顶宽考虑到机械施工的可能不应小于 2.0m，本设计取 5.0m。心墙
62、底部的厚度取决于粘土料的允许渗透坡降，一般不应小于作用水头的1/4，且不应小于 3m。坝体投入运行后的最大作用水头为 79.3m，因此心墙厚度应不小于 20m。防渗体采用上游坡率 1：0.6，下游坡率取 1：0.2，于是底宽为32m20m，满足了渗透坡降要求。5.3.3 坝基防渗体的设计 本工程的坝基覆盖层较深，可采用混凝土防渗墙来解决基础防渗问题。这种类型的防渗体施工快、材料省、防渗效果好，在国内外得到广泛应用。参照已建工程，防渗墙的厚度一般为 0.60.9m，本设计中取 0.9m。防渗墙伸入心墙的长度由接触面允许渗透坡降而定，上下游最大水头差为 74.6m（正常蓄水位时） ，取允许渗透坡降
63、5.0，则 L74.6/5=14.92m，设计伸 8 米(坝高的 1/10 左右)，防渗墙下部嵌入基岩深度按规范为：0.51.0m，本设计中取1.0m。防渗体位置，从防渗角度来看偏向上游为好，但从防裂角度看偏向下游一点为好，综合考虑布置在斜心墙底面中心。为使防渗墙与坝体防渗体连接良 - 31 -好，将防渗墙顶端做成楔形体，顶部填以高塑性粘土。 不透水地基覆盖层2832275028062778275027911:3.01:2.51:2.251:2.51:2.751:0.61:0.2图 5-1 大坝剖面图(单位：m)5.4 土料设计土料设计主要任务是确定粘土的填筑干容重、含水量，砂砾土的砾石含量、
64、干容重、含水量，砂砾料的相对密度和干容重等指标。土石坝坝体主要由坝壳、防渗体、排水设备以及护坡等组成。由于它们工作条件不同，因而对材料要求也不同。筑坝材料应具有与其使用目的相适应的工程性质，并具有良好的长期稳定性。5.4.1 粘性土料设计5.4.1.1 计算公式粘性土料的填筑密度以压实干容重为设计指标设计干容量：maxmd式中：m 填土的压实度,取 m0.98；设计填筑干容重，KN/m3；d标准击实实验最大干容重，KN/m3；max填筑含水量： PlpI I式中：填筑含水量，；土料塑限；P斜心墙土石坝设计及施工组织 - 32 -土料的塑性指数；pI 土料的液性指数，高坝可取 Il =0.070
65、.10，取 0.80。lI用下列公式计算设计干容量作为校核参考；sWVsa11max式中：土粒比重；sW 填筑含水量，；Va 压实土的含气量（粘土 Va = 0.05） 。5.4.1.2 计算结果粘性土料设计的计算成果见表 5-2。表 52 粘性土料计算成果表料场1#下2#下3#下1#上2#上比重 Gs2.672.672.702.652.74最大容重rmax(KN/m3)15.0315.15615.78414.69514.122最优含水量（）22.0721.0216.9022.3023.80设计干容重rd(KN/m3)14.7314.8515.4714.4014.27塑限含水量Wp（）23.1
66、422.2020.0025.0026.30塑性指数 Ip19.4621.7014.0024.5723.50填筑含水量W（）24.69723.93621.1226.96628.18自然含水量 W()24.824.215.925.626.3孔隙比 e0.7340.7210.580.991.093湿容重 rw(KN/m3)18.3718.4118.7418.1418.10浮容重 r(KN/m3)9.249.279.898.9548.97有机质含量（）1.731.901.902.200.25可溶盐含量（）0.070.0190.080.110.11内摩擦角 deg24.6725.5028.0023.1721.50粘聚力（Kpa）24.023.017.025.038.0渗透系数(10-4.3174.803.001.903.96 - 33 -6cm/s)5.4.1.3 土料的选用 防渗土料经压实后，应具有足够的防渗性。土料还应该具有足够的塑性，使之能适应坝体及坝基的变形而不致产生裂缝。防渗土料应有较小的渗透系数、较好的渗透稳定性和一定的塑性。根据条件：1、渗透系数：心墙和斜墙宜小于 105cm/s；
