粘土斜墙坝设计 - 图文

前 言

毕业设计是大学本科教育培养目标实现的重要阶段，是毕业前的综合学习阶段,是深化、拓宽、综合教和学的重要过程,是对大学期间所学专业知识的全面总结。

本次的毕业设计题目为《长河水利枢纽工程粘土斜墙坝设计》。根据任河干流综合治理开发的迫切需要，拟定长河水电站的开发目标和主要任务以发电为主，兼有防洪、旅游和改善生态环境等综合利用效益。设计内容包括：坝线、坝型选择和枢纽布置方案比较、坝体剖面设计、溢流坝设计、水工隧洞设计、细部构造、绘制设计图纸等。

毕业设计中，遇到了一些问题。比如在设计水工隧洞时，不能理清整体思路，但在指导老师的帮助下，经过资料查阅、设计计算逐步清晰。在毕业设计中期，我们通过所学的基本理论、专业知识和基本技能进行建筑、结构设计。本组全体成员齐心协力、互助合作，发挥了积极合作的团队精神。在毕业设计后期，主要进行设计手稿的电子排版整理，并得到老师的审批和指正，使我圆满地完成了设计任务，在此我表示衷心的感谢。

在此次设计中使我加深了对新规范、规程、手册等相关内容的理解，巩固了专业知识，提高了综合分析、解决问题的能力。在绘图时熟练掌握了各种建筑制图软件，以及多种结构设计软件。以上所有这些从不同方面达到了毕业设计的目的与要求。

框架结构设计的计算工作量很大，在计算过程中以手算为主，辅以一些计算软件的校正。由于自己水平有限，难免有不妥和疏漏之处，敬请各位老师批评指正。

作者

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第一部分 设计说明书 1 基本资料

1.1 工程等别及建筑物级别

长河水电站以上流域面积1712km2，总库容约3.154亿m3，总装机容量为140MW，根据《防洪标准》（GB50201-94）及《水电工程等级划分及设计安全标准》（DL5180- 2003）规定，确定枢纽工程属二等工程，由于拦河坝坝高超过100m，提高一级，为1级建筑物，泄水及放空建筑物进水口、引水系统进水口等主要建筑物为2级建筑物，引水遂洞、发电厂房等次要建筑物为3级建筑物，临时建筑物为4级。

根据《中国地震动参数加速度区划图》（1：400万，2001年版）工程区地震动峰值加速度为0.05g（地震基本烈度为Ⅵ度）。地震设计烈度按Ⅵ度采用。

拟定工程为二等工程，并通过各建筑物的级别确定和洪水标准确定，地震设计烈度按Ⅵ度采用。

各建筑物设计洪水标准见表1-1

表1-1 各建筑物设计洪水频率参数表 序号 1 2 3 建筑物 土石坝 泄水及放空建筑物进水口、引水系统进水口 消能防冲设施 设计洪水频率 500年一遇设计 500年一遇设计 校核洪水频率 2000年一遇校核 5000年一遇校核 50年一遇设计

1.2 设计依据 1.2.1 工程开发任务

根据城口县社会经济发展要求，以及任河干流综合治理开发的迫切需要，结合任河干流地形、地质、水位和工程建设条件，拟定长河水电站的开发目标和主要任务以发电为主，兼有防洪、旅游和改善生态环境等综合利用效益。 1.2.2 设计参数 （1） 特征水位见表1-2

表1-2 水 库 特 征 水 位 表

方 案 土石坝方案 项 目 上游水位（m） 正常蓄水位 680 死水位 650 设计 681.37 校核 682.55 2

方 案 项 目 下游水位（m） 正常蓄水位 死水位 设计 552.60 4258 校核 553.48 4746

相应下泄量（m3/s） （2） 水文、气象资料 ① 坝址径流

根据大竹河水文站1959年至2002年径流系列统计： 多年平均流量：44.0m3/s 径流总量：13.9亿m3 各月多年平均流量见表1-3 ② 坝址洪水

不同重现期的洪水流量见表1-4 ③ 水位及水能主要参数

水位及水能主要参数列于表1-5、表1-6 ④ 泥砂

多年平均含沙量：1.03kg/m3 多年平均输沙率：45.4kg/s 多年平均输沙总量：171万t 推移质输沙量：26.7万t ⑤ 气 象 a. 气 温

城口气象站历年逐月气温统计资料见表1-7 b. 降 雨

城口气象站历年逐月平均降水日数见表1-8 c. 风 速

城口气象站历年逐月最大风速及相应风向见表2.8

表1-3 各月多年平均流量 单位：m3/s

项 目 历年平均流量 一 7.58 二 8.42 三 19.6 四 37.9 五 59.6 六 65.1 年 44.0 3

项 目 历年平均流量 七 88.3 八 58.6 九 88.5 十 57.7 十一 25.4 十二 11.3 年 44.0

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表1-4 不 同 重 现 期 的 洪 水 流 量 单位：m/s

项 目 洪峰流量 洪 量

单 位 0.02% 0.1% m3/s 6100 5280 2.70 4.76 频 率 (%) 0.2% 4920 2.52 4.45 0.5% 4430 2.28 4.01 1% 4060 2.09 3.68 2% 3670 1.89 3.34 5% 3140 1.63 2.87 10% 2710 1.41 2.48 20% 2250 1.17 2.07 一 日 亿m3 3.12 三 日 亿m3 5.50 表1-5 特征水位及下泄流量

项 目 正常蓄水位 死水位 校核洪水位((P=0.02%) 设计洪水位(P=0.2%) 0.5%洪水位 1%洪水位 2%洪水位 5%洪水位

表1-6 水 能 主 要 参 数

项 目 正常蓄水位 死水位 正常蓄水位库容 死水位库容 调节库容 最大水头 最小水头 加权平均水头 算术平均水头 库容系数 水量利用系数 调节特性 单 位 m m 万m3 万m3 万m3 m m m m % % 短洞方案 680 650 29254 15010 14244 166.83 128.19 146.38 146.39 10.3 95.35 年调节 长洞方案 680 650 29254 15010 14244 184.88 142.22 162.22 161.99 10.3 94.68 年调节 水库水位(m) 680 650 683.66 681.79 681.07 680.58 680.15 680.00 最 大 泄 流 量(m3/s) 5028 4132 3811 3592 3416 3140 下 游 水 位(m) 554.00 552.38 551.85 551.45 551.15 550.65 4

表1-7 城口气象站历年逐月气温统计资料 单位：℃

月 份 多年平均气温 最高气温 最低气温 一 2.6 7.3 0.4 二 4.5 9.4 1.2 三 8.5 14.2 4.7 四 14.4 21.1 9.8 五 18.3 24.9 13.8 六 21.6 27.6 17.2 七 24.1 30 19.9 八 24 30.8 19.6 九 19.1 24.9 15.6 十 14.1 19.7 10.8 十一 十二 8.9 14.5 5.5 4.1 9.3 0.9 年 13.7 19.5 9.9

表1-8 城口气象站历年逐月平均降水日数 单位：天 降雨量(mm) ≥0.1 ≥0.5 ≥5.0 ≥10.0 ≥30.0 ≥50.0 一 9.6 4.8 0.8 0.1 0 0 二 9.4 4.8 1.1 0.1 0 0 三 13.2 7.6 3.3 0.5 0.1 0 四 14.5 10.4 5.3 0.9 0.2 0 五 16.1 12.2 7.2 1.4 0.5 0.1 六 15.2 11.8 7.0 1.5 0.6 0.2 七 16.5 12.4 8.1 1.8 0.8 0.3 八 15.4 10.8 6.4 1.5 0.7 0.3 九 14.8 11.8 7.4 1.6 0.7 0.3 十 14.3 10.8 6.1 1.0 0.3 0.1 十一 11.4 7.0 2.8 0.4 0.1 0 十二 10.1 5.1 1.2 0.1 0 0 年 161 110 56.5 10.8 4.0 1.1

表1-9 城口站历年逐月最大风速及相应风向 单位：m/s 月 份 实测最大风速 相应风向 一 5.3 SW 二 6.7 三 7.3 四 9.3 五 9.0 六 12.7 SSE 七 11.7 ESE 八 12.0 九 7.0 十 7.0 十一 十二 6.0 6.0 年 12.7 SSE ESE WNW NNW ESE ESE WSW ESE SSW NNW

（2） 坝基岩石物理力学指标 结构面抗剪断强度建议值： 泥化结构面：f′=0.15~0.2 泥夹岩屑：f′=0.25~0.3 岩屑夹泥：f′=0.35~0.4

C′=0.003~0.005MPa (L17、L18、L20、L21)

C′=0.02~0.05MPa (J23、L15~L21) C′=0.05~0.07MPa (J27、J29、J37、J40)

无充填结构面：f′=0.45~0.55 C′=0.05~0.1MPa (L22) 岩块岩屑：f′=0.45~0.5

C′=0.1~0.2MPa (J6~J22、J24、J26、J30~J35、L23~L28)

胶结结构面：f′=0.60~0.75 C′=0.1~0.2MPa (J42、L8)

表1-10 岩 体 力 学 参 数 建 议 值

岩体分类 饱 和 干燥 抗剪断强度 抗剪断强度 抗压强度 砼/岩石 岩石/岩石 变形模量 5

(MPa) 含砾凝灰质岩屑砂岩 弱风化 微风化 新鲜 F1-1断层带 45~50 55~60 70~75 (MPa) 65~70 75~80 85~90 f′ 0.8~1.0 1.0~1.2 1.2~1.3 C′ (MPa) 0.7~1.0 1.0~1.2 1.2~1.3 f ′ 0.8~1.1 1.1~1.25 1.25~1.35 C′ (MPa) 0.7~1.1 1.1~1.3 1.3~1.5 E0 (GPa) 5~10 12~15 15~18 0.26~0.94

开挖边坡比：崩积层1:1.15~1.25；砂卵石层1:1.25～1.5；强风化含砾凝灰质砂岩为1:0.75~1.0，弱风化含砾凝灰质砂岩为1:0.5，微风化含砾凝灰质砂岩为1:0.2~0.3。每隔10~20m高度增设马道，马道宽3~4m。

炭质板岩冲刷系数K=1.5-1.7，在水深约3.0m时允许抗冲流速3.5m/s；含砾凝灰质砂岩冲刷系数K=1.1-1.2，允许抗冲流速6.5~7.5m/s。 （4）水文地质

钻孔地下水位、相对隔水层顶板埋藏深度汇总表见表1-11

按《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）评定标准，工程区环境水对混凝土的分解型、分解结晶复合型、结晶型等腐蚀性判定，坝址区地表水无各类型腐蚀；坝址区地下环境水对混凝土有弱溶出型腐蚀，无其他类型腐蚀。引水系统无各类型腐蚀。

表1-11 钻孔地下水位、相对隔水层顶板埋藏深度汇总表 项 目 钻孔位置及编号 ZK6 左岸 ZK12 ZK25 ZK26 地下水位（m） 孔深 36.45 26.20 52.3 57.16 0.30 0.3 17.20 25.80 16.70 61.8 38.0 62.90 30.00 高程 703.38 639.13 649.65 566.14 542.72 543.09 733.93 644.21 542.92 556.13 680.60 672.49 609.41 q≤1.0Lu（m） 孔深 34.50 17.70 16.75 49.11 21.25 16.3 28.30 35.30 47.20 28.80 52.50 81.62 64.43 高程 705.33 647.63 685.20 574.19 521.77 527.09 722.83 634.71 512.42 589.13 666.10 653.77 574.98 q≤3.0Lu（m） 孔深 34.50 6.50 9.90 49.11 11.2 5.80 12.43 8.70 42.20 14.50 47.0 66.12 38.37 高程 705.33 658.83 692.05 574.19 531.82 537.59 738.70 661.31 517.42 553.43 671.60 669.27 601.04 坝 Ⅰ 勘线 河中 ZK7 Zk89 ZK8 ZK13 址 上 段右岸 ZK46 ZK27 ZK28 坝 址 Ⅱ 勘左岸 ZK1 ZK2 6

下 段 河中 线 ZK79 ZK48 ZK3 ZK4 右岸 ZK5 ZK37 59.75 48.8 0.20 56.00 45.10 62.35 619.21 772.90 541.81 590.36 681.88 554.29 62.2 >48.8 36.03 71.00 71.50 17.40 616.76 505.89 575.36 655.48 599.24 62.20 >48.8 20.24 14.0 9.95 12.65 616.76 521.77 632.36 717.03 603.99

（5） 建筑材料特性及设计参数

筑坝材料相对密度试验成果、岩石试验成果及大型三轴剪切试验邓肯模型(E-B)参数见表1-12、1-13、1-14

表1-12 相 对 密 度 试 验 成 果 表

试 样 名 称 垫层料 小区料 过渡料 主堆料 砂砾料 坝肩覆盖层

表1-13 岩 石 试 验 成 果

单轴抗压强度 样品名称 (MPa) 饱和 新鲜 微风化 弱风化 强风化 砂砾石 坝肩覆盖层 161 161 161 54.5 160 72.3 干燥 196 188 186 89.5 177 102 弹性模量 (×104MPa) 饱和 6.85 6.54 6.42 2.86 6.12 3.90 干燥 8.48 8.22 8.02 4.21 7.77 5.83 干燥状态 泊松比 块体密度 （g/cm3） 饱和 0.18 0.22 0.28 0.25 0.14 0.20 干燥 0.24 0.21 0.21 0.17 0.23 0.12 2.73 2.70 2.70 2.56 2.73 2.68 0.15 0.37 0.37 1.98 0.60 0.57 0.23 0.53 0.53 2.38 0.78 0.77 吸水率 （%） 饱和吸水率 （%） 2.78 2.77 2.76 2.73 2.77 2.74 比重 最大干密度g/cm3 2.27 2.27 2.20 2.17 2.23 2.06 最小干密度g/cm3 1.67 1.68 1.67 1.66 1.88 1.57

表1-14 大型三轴剪切试验邓肯模型(E-B)参数表 试样名称 试样状态 ρΦо ΔΦ K n Rf Kb m 7

(g/cm3) 垫层料 饱和 小区料 饱和 风干 过渡料 饱和 砂砾料 饱和 风干 坝肩覆盖层 饱和 1.90 风干 2.20 2.18 风干 2.22 风干 2.22 (度) 53.5 51.9 53.4 52.4 56.5 54.7 55.0 53.6 49.7 44.1 (度) 7.8 7.0 7.5 6.9 11.0 10.0 9.4 8.7 9.7 6.0 1047.1 861.4 1109.2 832.2 1011.6 822.0 1318.3 1230.3 281.8 165.2 0.29 0.35 0.27 0.34 0.25 0.28 0.34 0.34 0.44 0.55 0.63 0.62 0.67 0.65 0.63 0.62 0.70 0.72 0.65 0.62 426.3 418.3 378.2 935.1 73.7 0.34 0.35 0.35 0.06 0.51

（5） 安全系数

a. 溢洪道等抗滑稳定安全系数见表1-15

b. 根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001，土石坝抗滑稳定安全系数见表1-16

表1-15 岩基抗滑稳定安全系数 荷 载 组 合 基本组合 特殊组合 (1) (2) 抗 滑 1.30 1.20 1.10 抗剪断 3.00 2.50 2.30

表1-16 土石坝坝坡稳定安全系数 荷 载 组 合 滑楔法 正常运用条件 1.30 非常运用条件 1.50

2 坝线、坝型选择 2.1 坝址的确定

因任河河流在库区河曲较发育，曲流婉转，只有长河镇上游1.5km的冉家坝处约1000多米河段比较顺直，水面较窄，一般宽度30~50m，两岸山体对称，河漫滩、阶地均不发育。近长河镇，右岸地势较缓，河道逐渐开阔，河流流经长河镇形成了一个“S”型大转弯。冉家坝上游河谷两岸山坡略缓，冲沟发育，为考虑充分利用水头又不延长河镇，冉家坝处约1000多米河段成为长河水电站唯一较好的坝址区。

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坝址区河流流向在坝区上游由SSW流向NNE，以大转折流入坝址区后，在坝址区河流由SE流向NW，出坝区后又折转向NNE，河流在坝区及上下游附近呈“S”型。坝址区河道顺直，河谷狭窄，水面宽30~40m。坝区两岸山体雄厚，山脊高陡，地势右高左低，右岸山顶高程1621m，左岸山顶高程1423m，属中山区。河谷呈“V”字型，两岸无阶地分布，地形基本对称，右岸略缓于左岸，山坡较顺直，左岸在650m高程以下自然边坡较陡，坡度约45~60°、局部75°，650m高程以上略缓，坡度35~45°，右岸在高程640m以下自然边坡较陡，坡度45~ 55°，以上较缓，坡度35~40°。

两岸冲沟不发育，山坡植被较稀少，不良物理地质现象以崩坍为主，坝址上段右岸坝坡和坝址下段左岸坝坡有崩坍堆积。该河段河道顺直，河谷狭窄，两岸山体雄厚，结合地质勘探成果和现场地形条件，该河段具备修建高坝的条件，确定该河段为长河水电站坝址。本阶段经复核选定该坝址。

2.2 坝线、坝型选择 2.2.1 坝线拟定

沿冉家坝河段从上游到下游布置了三条勘线，分别为Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′线，通过对坝址区进行了大量的地质勘探工作，分别在原Ⅰ勘线的下游50m处布置了一条辅助地勘线（Ⅰ//—Ⅰ//）；在Ⅲ勘线附近以原Ⅲ勘线右岸为端点向上游偏转17.9?布置一勘线，为Ⅲ//—Ⅲ//；并对左右两岸的覆盖层分布情况进行了大量的地质测绘和详勘。以Ⅰ勘线混凝土拱坝和Ⅲ勘线粘土斜墙坝进行比较。在坝址上段Ⅰ勘线适宜修建砼坝，下段Ⅲ勘线适宜修建粘土斜墙坝，将通过进一步的技术经济比较后最终选定坝型。

经勘探，Ⅲ//—Ⅲ//左岸仍存在较厚覆盖层，一直延伸至Ⅱ-Ⅱ′上游冲沟，右岸Ⅰ、Ⅱ两线630.00m高程以上存在覆盖层，为彻底避开两岸覆盖层，使趾板基础座落在较好的基础上，避免基础开挖影响岸坡覆盖层，拟将Ⅲ—Ⅲ//线的斜墙坝坝线进行微调，右岸位于Ⅲ-Ⅲˊ线处不变，左岸以Ⅲ-Ⅲˊ线为端点向上游旋转21.56?至Ⅱ-Ⅱ′下游侧，然后再沿岸坡折线至冲沟处。整个坝轴线为折线，简称折线方案（Ⅵ-Ⅵ′线）。

本阶段根据现场地形、地质情况对Ⅰ、Ⅲ//和Ⅵ—Ⅵ/勘线进行坝型、坝线比较。

坝址区内河道较顺直，水面宽30~40m，河谷狭窄，呈“V”字型。两岸无阶地分布，地形基本对称，右岸略缓于左岸。两岸山坡较顺直，左岸在650m高程以下自然边坡较陡，坡度约45~60°，局部75°，650m高程以上略缓，坡度35~45°；右岸在高程640m以下自然边坡较陡，坡度一般

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2'γγγγⅡ'γγⅢγⅢ 图2-1 地形图

45~55°，公路边为陡崖或陡坎，以上较缓，坡度一般35~40°，局部20~25°。

坝址区左岸分布三条冲沟，右岸一条小冲沟，均大致垂直河流，其中分布在Ⅱ-Ⅱ′线与Ⅲ/—

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Ⅲ/线之间的冲沟和Ⅲ/—Ⅲ/线左岸坝轴线下游附近冲沟规模较大，沟深源长，常年有水流。其余冲沟沟浅源短，干枯无水。

根据查明的地质情况，覆盖层多分布于边坡中上部，范围较广，右岸崩坡积层主要分布于Ⅰ-Ⅰ′线与Ⅱ-Ⅱ′线之间，坝址下段Ⅲ-Ⅲˊ线下游边坡也有少量分布，其分布范围和厚度均比左岸小，其中坝址上段右岸Ⅰ-Ⅰ′线下游约150m，上游约200m，高程630~930m范围内分布较厚崩坡积层，高程630~720m覆盖层厚一般1.3~7.15m，高程720~930m覆盖层厚一般13~23.8m，最厚达25.5m，Ⅲ-Ⅲˊ线下游厚度一般为1.0~4.6m，局部厚7.18m；左岸覆盖层分布高程为575.0~1190.0m，上下游最大宽度为1150m左右，厚度一般为5~20m，覆盖层厚度大于15.0m的 主要分布在Ⅲ-Ⅲ′线高程630~800m附近和Ⅲ-Ⅲ//线~Ⅱ-Ⅱ′线之间高程660~980m一带，厚度 大于30m的分布于Ⅱ、Ⅲ间，高程710~910m，揭露最大厚度为33.7m。崩坡积体成分主要为碎块石、大块石及少量壤土，结构松散，大块石之间多架空，块石直径最大可达2~5m。

Ⅰ-Ⅰ′线左、右两岸中上部强、弱风化层厚度较大，且右岸大于左岸，河床风化浅。据钻探、硐探资料及地质测绘成果，左岸强风化岩体主要分布于高程660m以上边坡，厚度为0~8.25m，高程660m以下为陡崖，无全、强风化岩体分布，出露的基岩为弱风化岩体，左岸弱风化下限埋深14.80~25.0m（高程650.53~714.83m），厚度为11.90~13.10m；以下为微风化至新鲜基岩。河床无全、强风化层，弱风化层下深埋深11.2m（高程531.82m），厚5.2m；微风化层下限埋深22.2m（高程520.82m），厚11.0m；以下为新鲜岩石。右岸强风化岩体主要分布于高程560m以上边坡，强风化下限埋深8.2~8.7m（高程661.31~742.93m），厚2.90~7.20m；弱风化下限埋深5.9~52.4m（高程553.72~739.53m），厚度为3.4~43.7m；以下为微风化~新鲜基岩。

Ⅱ-Ⅱ′线左岸强、弱风化层厚度大，河中和右岸强、弱风化层较薄。据钻孔资料，左岸崩坡积层厚度为7.6~28.50m，强风化下限埋深16.0~34.2m，弱风化下限埋深40.5~62.20m，微风化下限埋深74.8~76.70m；河床无强、弱风化层，ZK3孔微风化层下限埋深17.3m（高程524.71m），厚7.8m，以下为新鲜岩石；右岸覆盖层厚度0~2.0m，强风化下限埋深为0.9~3.6m，弱风化下限埋深9.35~15.50m，微风化下限埋深57.6~ 76.05m。根据洞探资料，Ⅱ-Ⅱ′线左岸弱卸荷带深约27.0m，右岸弱卸荷带深约20.0m。

Ⅲ-Ⅲ″线趾板线（Ⅳ-Ⅳ′线）岩石风化特征与Ⅱ-Ⅱ′线相似，左岸风化破碎岩体厚度大于右岸。

根据钻孔资料，趾板线（Ⅳ-Ⅳ′线）左岸强风化下限埋深约3.0m（高程677.74m），厚度约

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1.0m；弱风化下限埋深为32.0~64.9m（高程546.30~614.00m），厚度26.5~58.3m；以下为微风化岩石。河床无全、强风化岩层，弱风化下限埋深为6.6~14.5m（高程536.34~ 542.53m），厚度为6.6~13.4m；微风化下限埋深为8.5~32.0m（高程525.33~534.44m），厚度为1.9~17.2m；以下为新鲜岩石。右岸基本无全风化层，强风化下限埋深为0.9~3.5m（高程615.74~679.15m），厚度为0.2~2.8m；弱风化下限埋深为10.6~31.7m（高程606.04~654.65m），厚度9.7~28.2m；微风化下限埋深为34.3~79.3m，厚度为23.7~56.6m。 2.2.2 坝型方案拟定

坝址上段Ⅰ、Ⅱ勘线两岸地形比较对称，地形陡峻，河谷狭窄呈“V”型，谷底宽40~50m，680m高程河谷宽约324m~348m，宽高比2.33~2.58，从地形、地质条件判断，比较适合进行混凝土坝布置。根据前述地质条件，虽然两勘线右岸高高程均存在覆盖层，但Ⅱ勘线左岸和河床覆盖层较Ⅰ勘线厚，弱风化下限及相对隔水层埋深Ⅱ勘线比Ⅰ勘线深，从地质条件分析，Ⅰ勘线优于Ⅱ勘线，所以本阶段选Ⅰ线作为坝址上段的代表坝轴线进行比较。

Ⅰ-Ⅰ′除左、右两岸中上部强、弱风化层厚度较大外，下部和河床挖除弱风化岩石后，微风化~新鲜岩体完整性较好，坚硬，饱和单轴抗压强度一般50~70MPa，岩体的体积节理数为5~10条/m3，岩体纵波速4000~5500m/s，岩体完整系数在0.78左右，属Ⅱ类岩体，可作为碾压混凝土重力坝和拱坝坝基。均适宜修筑混凝土坝。由于Ⅰ-Ⅰ′线两岸地形陡俊，右岸高高程和左岸下段存在较厚(约25m)崩坡积层，无布置岸边溢洪道的合适地形和地质条件，不适合布置混凝土面板堆石坝和岸边溢洪道。所以对Ⅰ- Ⅰ′初拟进行混凝土拱坝和碾压混凝土重力坝方案比较。

Ⅲ//线位于Ⅰ勘线下游约900多米处，接近于“S”型的转弯处，谷底宽约80m，680m高程处河谷宽317m，宽高比较Ⅰ、Ⅱ勘线大，右岸山体下游侧即为长河镇，山体较薄，无布置拱坝的拱肩抗力体，右岸坝肩可以进行重力坝布置，但左岸边坡覆盖层深厚，最厚达30多米，分布范围广，垂直向高程为575.0~1190.0m，上下游宽度为1150m左右，做拱坝和重力坝坝肩开挖量大，边坡和拱肩支护处理工作量大，投资多，与粘土斜墙坝比，只趾板局部开挖至基岩，大部分覆盖层只挖除表层，其余作为压覆坝体的一部分，开挖支护工程量将大为减少，而且右岸坝头边坡坡度上缓下陡，高程660m以上边坡坡度约35?，有布置岸边溢洪道的有利地形条件，适合进行当地材料坝布置，所以Ⅲ//线宜布置当地材料坝，不再进行混凝土坝比较。为避左岸覆盖层对Ⅲ″线微调为Ⅵ线（折线坝线），只进行当地材料坝布置。而坝址15km范围以内没有土源，无布置粘土心墙坝的条件，所以本阶段选Ⅲ-Ⅲ″线和Ⅵ-Ⅵ′勘线布置粘土斜墙坝与Ⅰ勘线的混凝土

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拱坝和碾压混凝土重力坝进行比较。

2.2.3 Ⅰ勘线、Ⅲ-Ⅲ″线和Ⅵ-Ⅵ′勘线坝型、坝线比较

从地形、地质、水工枢纽布置、对当地材料的利用等方面进行综合比较。 ① 地形、地质条件

Ⅰ-Ⅰˊ勘线两岸地形陡峻，山体雄厚，河道顺直，河谷狭窄呈“V”型，枯水期水面宽30~40m，水深约2~4m，正常蓄水位680m处河谷宽约290m。两岸地形基本对称，左岸自然坡度为37~60 °，下陡上缓，右岸自然坡度为45~57°。左岸覆盖层主要分布于高程660m以上，厚度1.0~4.8m， 右岸主要分布于高程630~930m，厚度1.5~25.5m，河床砂卵砾石层厚约6.0m。基岩为单一的震旦系下统含砾凝灰质岩屑砂岩（Zayl2）。岩体风化河床较浅，左岸其次，右岸较深，弱风化下限埋深左岸14.8~25m，右岸5.9~52.4m，河床约11.2m。具备修建混凝土拱坝和混凝土重力坝的基本条件。但两岸切坡向延伸的NW~NWW向结构面很发育，通过坝址上段大小断层25条，挤压破碎带14条，与NNW~NE向节理交切，可构成块体侧裂面或拉裂面，顺坡向缓倾角节理断续分布，可构成底滑面，所以两岸坝肩岩体被切割呈大小不等块体，对坝肩抗滑稳定极为不利。且坝基地下水位及相对隔水层埋深较大，因此作为高拱坝的两坝肩工程地质条件差；而重力坝两岸坝基开挖面较大，左右坝头均有不利的裂隙结构面组合为不稳定块体，虽部分将被挖除，但尚有部分残留于坝头岩体内，存在局部不稳定体，基础加固处理工程量大。

Ⅲ//—Ⅲ//线较Ⅰ-Ⅰ′线稍宽缓，两岸山脊高陡，山体雄厚，枯水期水面宽30~40m，水深约1~3m，正常蓄水位680m处河谷宽约317m。两岸地形基本对称，左岸稍缓，坡度为35~40°，右岸自然坡度37~51°。但Ⅲ-Ⅲ″坝轴线左岸覆盖层分布广、厚度大、结构松散，块径大小不一，有架空现象，边坡处于临界稳定状态，开挖将引起上部覆盖层失稳，虽可经削坡支护处理，但边坡支护处理难度大、工期长、投资大，这是制约选择该坝线的主要工程地质问题。

而Ⅵ-Ⅵ′坝线除右岸与坝头交接附近有覆盖层分布外，其它线及以下边坡均基岩出露。左岸冲沟上游坝头及趾板以上边坡覆盖层较薄，厚度一般1~2m。两岸自然边坡基本稳定，无因开挖覆盖层引起的边坡稳定问题；冲左岸沟下游覆盖层较厚，但基本不扰动它，只清除表层的松散腐植土后作为压腹坝体的一部分。

综上所述，Ⅰ-Ⅰ′线具备修建混凝土坝、Ⅲ—Ⅲ//线和Ⅵ-Ⅵ′线具备修建粘土斜墙坝的地形、地质条件，但混凝土拱坝、碾压混凝土重力坝对坝基的工程地质条件要求高，特别是对两拱肩的工程地质条件要求更高，除建基面需置于微风化岩或完整的弱风化岩下部外，对坝基的断层、挤

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压破碎带均需槽挖处理，坝址上段拱坝两坝肩NW-NWW向结构面发育，特别是右坝肩，该组结构面很发育，与缓倾角和其它走向的中陡倾角结构面组合后，构成坝肩不稳定体，两坝肩的岩体抗滑稳定条件差，坝肩抗滑稳定问题突出，坝基开挖和加固处理工程量大。此外，两坝肩开挖大、工期长、投资大，风险也大，综合比较Ⅵ-Ⅵ′坝线没有特殊的地质问题，地质条件简单、明朗，相对较优。

综合以上各个方面，仅从地形条件看，混凝土拱坝和粘土斜墙坝均有建坝可能，但拱坝方案对地质要求较高，左右岸拱肩槽存在不利滑动结构面，碾压混凝土坝方案略好，但开挖形成高边坡和基础处理工作量大，另外筑坝所需的大量材料均需从外县万源等运进，混凝土骨料也要从较远的料场运进，对交通条件较差的大长河区须增加很多运输成本，在投资方面没有优势，相反，粘土斜墙坝方案可充分利用当地材料，就地开采，且Ⅵ线避开左岸深厚覆盖层问题，总投资还是较拱坝和碾压混凝土坝省，也没有制约性的技术难度，因此本阶段选Ⅵ线粘土斜墙坝方案。

溢洪道位于右坝头，利用右岸山坡开挖而成，溢洪道轴线与坝轴线夹角132.2°。由进水渠、控制段、泄槽、挑流鼻坎及尾水渠等建筑物组成。

引水隧洞进水口均位于大坝上游附近水库内厂房位于坝址下游任河左岸城口县境内的雷打石，距坝址区约5~6km，引水系统长约2.9km。 3 挡水建筑物 3.1 粘土斜墙坝设计

为了减少左岸崩坡积层的开挖，避免岸坡形成高边坡，坝轴线在左岸向上游偏转144.06°，挖除表层松散的崩坡积层，充分利用深部崩坡积层作为斜墙的支承体。左岸坝头段，受地形和崩坡积层的影响，采用粘土斜墙坝，右岸坝头段设溢洪道左导墙。 3.1.1 坝体结构设计 1) 坝顶高程确定

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定，坝顶在水库静水位以上的超高按下式计算：

y=R+e+A （3-1）

式中：y—坝顶超高，m；

R—最大波浪在坝坡上的爬高，m； e—最大风壅水面高度，m；

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A—安全加高，由表3-1确定。

表3-1 坝 顶 超 高 安 全 加 高

运 用 情 况 正常运用 非常运用 安全加高(m) 1.5 0.7

坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应按以下运用条件计算，取其最大值： （1）设计洪水位加正常运用条件下的坝顶超高 （2）校核洪水位加非常运用条件下的坝顶超高 （3）正常蓄水位加非常运用条件下的坝顶超高 （4）正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高

计算各种不同设计情况下的坝顶高程如表3-2所示。

表3-2 各种不同设计情况下的坝顶高程 参数 工况 设计洪水位 正常蓄水位 校核洪水位 正常蓄水位 正常运用条件 非常运用条件 超高Y（m） 5.9 3.04 坝顶高程(m) 687.27 685.9 685.59 683.04 取值（两种取其大值） √

考虑在上游侧设置防浪墙，根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001规定，拟定防浪墙的高度为1.2m，墙顶部高程代替坝顶高程，则坝底高程为：687.27- 1.2= 686.07m，坝高为686.07– 530 = 156.07m。 2) 坝体断面设计

根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001规定：坝高超过70m为高坝，高坝的坝顶宽度10~15m，考虑施工、运行要求及参考国内外已建工程的经验，坝顶宽度采用10.0m。

根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001规定，上游防浪墙墙高1.2m，底宽0.5m，墙顶高程687.27m，墙底高程686.07m，墙底高出正常蓄水位（680.00m）6.07m。下游墙高0.5m。

根据《水工建筑物》（第五版）中土石坝坝坡部分：黏性土料的稳定坝坡唯一曲面，上部坡

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陡，下部坡缓，所以用粘性土料做成的坝坡，常沿高度分成数段，每段10~30m，从上而下逐段放缓，相邻坡率差值取0.25或0.5。参考国内外已建和在建中100m以上高土坝的经验，结合本工程填筑石料的质量，初选每30m设一级3.0m宽的马道，确定上游坝坡为1:1.4，下游坝坡（实坡）为1:1.3～1:1.5。 3）细部构造 （1） 坝顶

根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001规定，防浪墙高度设为1.2m，坝顶上面用碎石铺设路面，坝顶向下游倾斜1%的坡度，上游侧设1.2m高的放浪墙，下游侧设缘石。 （2） 坝体防渗

坝体防渗采用粘土斜墙防渗体。斜墙顶高程为687.27-1.2=686.07m，高出设计洪水位4.7m，顶部保护层厚度为687.27 – 686.27 = 1m，根据SL274-2001《碾压土石坝设计规范》规定；坝高超过70m为高坝，高坝顶宽可选为5～10m，故斜墙顶宽选为5m，自顶向下逐渐加厚，边坡为1:4，计算点水头为H = 681.37 – 530 = 151.37m，根据经验取允许渗透坡降[J] = 5，底部厚度40m > H/[J] = 151.37/5 = 30.27，满足要求。 （3） 坝基防渗

参考《水工设计手册》第四卷，斜墙总是用齿墙与基岩连接。齿墙下部切近岩石的深度，根据岩石情况决定。良好的岩石，只需切近30～50cm,不好的岩石需切近几米。齿墙的最小宽度约90cm。因此坝基防渗采用齿墙，等厚40m，深8m。 （2） 坝体排水设备

土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3m，顶面超出下游水位的高度，对1、2级坝不小于1.0m，故排水体顶部高程为

16

554.6m，高出下游最高水位2m。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。如图3-1所示。

图3-1 棱体排水 5） 坝体剖面见图3-2

图3-2 坝体剖面图

3.2 稳定分析

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稳定分析是确定坝的剖面和评价坝体安全的主要依据。稳定分析的可靠程度对坝的经济性和安全性具有重要影响。对于无粘性土的坝坡，如斜墙坝的下游坝坡、斜墙的上游保护层、保护层连同斜墙和坝基中有软弱夹层的滑动等常形成折线形的滑动面。这是，可假设滑动体由若干楔形体组成，采用滑楔法计算稳定安全系数，图如3-3

图3-3斜墙与保护层折线滑动面

由《水工建筑物》土石坝一章知，根据各楔形块的力平衡条件，建立两侧块体间相互作用力P的计算关系式如下：

???i??i?[Pi?1cos??ei???i??i?1???Wi?Vi?sin??ei???i?Pi?sec??ei (3-2)

??x?cei?sec?icos?ei??x?Qicos??ei???i?]?uisec?isin?ei??ci?/K 其中： cei??tan?ei?/K tan?ri式中：Wi —为块的自重，KN；

?—为土料的内摩擦角，°； ?ei Qi —为土条的水平惯性力，KN； Pi —为楔形块间的相互作用力，KN； ?—为P的倾角；

?—为抗剪断强度，MPa； cei18

K—为安全系数。

成果表见3-3

表3-3 坝坡稳定分析计算成果表

计 算 工 况 一、正常运用情况

1、水库死水位上游坝坡 2、设计洪水位下游坝坡 二、非常运用情况

3、校核洪水位下游坝坡 1.94 1.50 2.17 1.93 1.30 1.30 计算最小安全系数 滑楔法 规范允许最小安全系数 滑楔法 从表3-3可看出各设计工况下坝坡稳定安全系数均能满足规范要求，且有一定的安全储备。 3.3 渗流分析

土石坝的渗流分析的内容包括：1）确定坝体内的浸润线；2）确定渗流的主要参数—渗流流速和比降；3）确定渗流量。

目的在于：为稳定分析时，划分饱水区提供依据、定对稳定有影响的渗流作用力、行坝体防渗体布置和土料选择。

渗流计算包括以下水位组合情况： 上游正常蓄水位与下游相应的最低水位； 上游设计洪水位与下游相应的水位； 上游校核洪水位与下游相应的水位； 库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况 以第二种情况为例：

根据坝轴线地址剖面图的地形、地址情况，沿坝轴线分三段进行计算，见图3-4

19

1874II2IIII5495546577777II

图3-4 渗流计算剖面图 （1）Ⅰ-Ⅰ断面单宽渗流量：

I渗流计算示意图III

参考《水工计算手册》，斜墙土坝在有限透水地基上、有齿墙、有排水设备的情况下，单宽渗流量和斜墙后渗流水深可由下式联立试算解出：

H1?h2T(H1?h) q = K2 （3-3） ?K22?sin?t2h1?H2T(h?H2) q = K1 （3-4） ?K32(d?m1h?e)d?m1h?0.44T式中： q —单宽渗流量,m3/s；

22?—等厚度，m ；

t —齿墙厚度，m； ?—斜墙中线的倾角，°； T —齿墙深度，m； m —下游坡度 ；

K1—为坝身的渗透系数； K2—为斜墙与齿墙的渗透系数； K3—为坝基的渗透系数。

经试算：h = 23.305m，而 q?7.618?10m/(s?m)?7.615?10m/(s?m) （2）Ⅱ-Ⅱ断面单宽渗流量：

单宽渗流量和斜墙后渗流水深可由下式联立试算解出：

?63?6320

H?a0 q?k1

2La02 q?k0?kaz a0?0 （3-5）

mzm 得出：a0?20.79m

q?ka0?22.68?10?5m3/(s?m) m全坝长的总渗流量计算 则 Q = q1L1 + q2L2 +q3L3

=2.49×10 m/d < 3.15亿m，满足防渗要求 4 溢洪道

溢洪道布置于右岸，本工程属二等工程，泄水及放空建筑物为2级建筑物，按500年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核。 4.1 工程地质条件

粘土斜墙坝溢洪道位于下坝址右岸山坡上，轴线方向N22.6°W。

溢洪道所处山体雄厚，沿线地面高程约560~730m，自然边坡坡度约25~35°，冲沟不发育，在泄槽段分布有二条小冲沟，沟浅源短、干枯无水。

第四系覆盖层为坡积、崩坡积层，分布范围较广，主要为壤土夹碎块石，据勘探成果，堰首及进水渠部位覆盖层厚度0.5~4.0m，泄槽段覆盖层厚度1.0~7.18m。溢洪道沿线基岩主要为震旦系下统跃岭河群上段（Zayl2）的含砾凝灰质岩屑砂岩及少量寒武系鲁家坪组的炭质板岩。震旦系含砾凝灰质岩屑砂岩，为溢洪道的主要地层，溢洪道进水渠、堰首、挑流鼻坎等均置于该地层上；寒武系炭质板岩较软，抗风化性能弱，呈板状，完整性差，分布于冲刷坑一带。在泄槽段分布有一条辉长岩脉γ33a(2)，宽3.0~4.0m，与围岩呈熔融接触，胶结尚好。

溢洪道沿线构造较发育，分布有f9、f11、f12、f40、f45、f52、f56 、f58、f69、f70、等断层10条，J1、J3、J4、J5、J38、J39、等挤压破碎带6条，L34、L11、L31等裂隙3条。

地质建议开挖边坡：崩积层1:1.1~1.25，强风化岩为1:0.75~1.0，弱风化岩为1:0.5，微风化岩为1:0.2~0.3，每隔15~20m高度增设马道。 4.2 水力设计

4

3

3

21

因为开敞式溢洪道泄洪能力大，工作可靠，结构简单，施工、管理和维修方便，水流条件较好，可省去闸门和启闭设备，所以选用开敞式溢洪道。 4.2.1溢流堰的设计

1）溢流堰的剖面尺寸：根据《溢洪道设计规范》知，堰面曲线由下式推求 xn?kHdn?1 y （4-1）

式中： x—为堰顶横轴线； y—为纵向轴线；

Hd—为下游水位与堰顶的高差。 经计算求得堰面曲线为 y?0.0663x1.81

其中：R1?0.48Hd?5.78m a?0.115Hd?1.38m

R2?0.22Hd?2.65m b?0.214Hd?2.58m 堰的尺寸见下图4-1

图 4-1 堰的剖面尺寸

2） 溢流堰体稳定计算

SL253-2000《溢洪道设计规范》指出：堰的稳定分析可采用刚体极限平衡法。堰沿基底面的抗滑稳定安全系数按下列抗剪强度公式计算：

f?f??W?c?A (4-2)

?P22

式中：K—为按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数； f?—为堰体混凝土与基岩接触面间的抗剪摩擦系数； c?—为堰体混凝土与基岩接触面间的抗剪断凝聚力，KPa；

?W—为作用于堰体上的全部荷载对堰体混凝土与基岩接触面的法向分量，KPa； ?P—为作用于堰体上的全部荷载对堰体混凝土与基岩接触面的切向分量，KN； A—堰体与基岩接触面的面积，m2。

混凝土与基岩的抗剪断强度指标：f＇=1.0，C＇=0.9MPa。溢流堰沿基础面的抗滑稳定与应力计算成果见表4-1。所有工况的抗滑稳定安全和基础面应力均满足规范要求。

表4-1 溢流堰稳定成果表 设计荷载组合情况 正常蓄水位 设计洪水位 校核洪水位 一侧挡水一侧检修 稳定计算 roψ S(.)

4.2.2 泄槽段 1） 渐变段

① 渐变段长度：已知渐变段首端断面宽 B= 51m，末端宽45m，则渐变段收缩角为 25°。渐变段长度（水平投影长）为 L?(B?b)?13.53m 25?2tan2② 渐变段进口水深：渐变段底坡i应大于或等于临界底坡ik 则临界水深 h1 =hk =

3?v2g?9.59m

临界坡度 ik?gxk?CkBk2?0.002

选用 i = 1/20 = 0.05 > ik, 属于陡坡，因此渐变段进口水深 h1 = hk = 9.59m。 ③ 渐变段出口水深

采用能量守恒公式计算： h1??v22g?iL?h2??v22g ?hf （4-3）

23

hv2Lf?C2R

已知：进口水深 h1=9.59m , 经试算 h2=10.0m合适。 2) 陡坡段

① 反弧半径：反弧半径按下式确定 R = (8～10)hc hqc??2g(H?P?Z) ??1?0.0077(q2/3/S1.15 0) SP220?0?B0

式中 ： R—为反弧半径，m； hc—为临界水深，m； ?—为流速系数；

q —为单宽流量，m3/(s?m)； H —为堰上水深，m；

P —为堰顶与下游河床的高差，m； Z—为坎顶与出口地面的高差，m； P0 —为堰顶与坎顶的高差，m； B0—为溢流区的水平投影，m； 经计算 hc?3.43m

R = (8～10)×3.43 =(27.43～34.29)m 半径取30m

② 陡坡段长度：陡坡水平投影总长 L?L22s?P 式中：Ls—为陡坡长度 P—为陡坡总跌差

24

4-4）4-5）4-6）（

（

（

经计算 L = 245.95m 3） 流速及掺气水深

已知各断面水深H后，便可算出各断面的过水断面面积A及v，用公式计算掺气高度，水深加掺气高度等于掺气水深。

考虑掺气水深，按hb?h(1??v100) （4-7）

式中：?—为修正系数，取1.4；

H —为断面水深，m；

hb — 为掺气水深，m。 经计算得 hb?3.59m 4） 边墙高度

溢洪道边墙高度，应按计算出来的最大水深加一定超高。边墙超高一般取0.5-1.5m，取1.0m。 即：h = 14.59m。 4.2.2

消能段

对溢洪道的消能方式比较了底流消能和挑流消能两种方案。两方案溢洪道的孔数、堰顶高程、

泄流能力、泄槽宽度、纵坡均相同，区别仅在于泄槽末端的消能建筑物上。

底流消能方案中消力池首部易发生气蚀破坏；而且工程投资过大，虽然底流消能可以降低泄洪雾化的影响，但溢洪道出口远离枢纽主要建筑物和岸坡崩坡积体，泄洪雾化的影响不是控制因素。而挑流消能方案国内使用较多，是一种比较常用而又安全经济的消能方式，虽然本工程河床较窄，挑流消能对岸坡和河床冲刷有一定影响，但通过对挑坎型式的合理设计和加强岸坡的防护是可以避免的，因此本阶段溢洪道采用挑流消能方式。

根据《水力学计算手册》及工程实际情况采用连续式鼻坎挑流,其具有施工简便,不易气蚀的特点.加上河床岩性比较坚硬,所以河床两岸均为弱风化岩石,岩性抗菌素冲刷能力较强,所以选用连续式,又该泄洪洞的出口河床为浅水河槽 ,所以选用25°的挑角较好,挑流鼻坎应高出下游最高水位。

1) 挑距按下式计算

L?1?22v1sin?cos??v1cos?v1sin?2?2g(h1cos??h2)? （4-8） ????g 式中： L—自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距，m；

25

?—挑射水舌水面射出角，近似可取鼻坎挑角，°； h1—挑流鼻坎末端法向水深，m； h2—鼻坎坎顶至下游河床高程差，m；

v1—鼻坎坎顶水面流速，可按鼻坎处平均流速v的1.1倍计，m/s。 鼻坎平均流速 v??2gz0

式中：z0—鼻坎末端断面水面以上的水头，m； ?—流速系数 。

将其代入上述中，即：v=41.46m/s L= 199.67m 2) 由《溢洪道设计规范》最大冲坑水垫厚度估算公式：

. 5 . 25 0 t k ? ?qH 0

（4-9）

式中：tk—水垫厚度，自由水面至坑底m；

q—单宽流量，m3/s； H—上下游水位差，m； α—冲坑系数，取0.8。

经计算 tk=27.68m

则消能段计算成果表见表 4-2

表 4-2 消能段计算成果表 计算项目 上游水位（m） 下游水位（m） 流量q(m/s) 挑流坎顶高程（m） 计算工况 校核情况 计算项目 计算工况 校核情况 41.46 45.6 1.16 9.11 199.67 27.68 682.55 V(m3/s) 565.3 V1(m3/s) 105.37 h1(m) 574.41 h2(m) 108.14 L(m) 30 T(m) 3z0(m) ?(°)

3） 校核：因挑距L =199.67 > 2.5tk =2.5×27.68 = 69.2m 满足要求 4.2.4 溢流堰泄流能力 溢流堰泄流能力按下式计算

Q?Cm??mB2gH03/2 （4-10）

26

式中： Q—流量,m3/s；

B－溢流堰总净宽,m；

Ho－计入行近流速的堰上水头,m； m－流量系数，取m=0.50； σm－淹没系数，取0.995；

?－侧收缩系数；

C－上游面坡度影响修正系数，当上游面为铅直时，C=1； g－重力加速度，取9.81m/s2。 泄流能力计算成果见表1.4-2

表1.4-4 溢洪道泄流能力计算成果表 洪水频率（%） 5 2 0.2 0.02 计算下泄流量（m3/s） 3140 3416 4132 5028 水库水位（m） 680.00 680.15 681.79 683.66 坎顶流速（m/s） 40.84 41.26 42.59 43.62

4.3 工程布置

溢洪道布置于右岸，整个建筑物由进水渠、溢流堰、陡槽、挑流鼻坎和尾水渠等组成。溢流堰至挑流鼻坎长321.08m，溢洪道全长约519.5m。

由地形条件布置进水渠底板高程661.50m，长约165m，宽60m。堰前右岸山体侧设7m混凝土翼墙，渐变至山体边坡，并与半径R=30m的圆弧连接。靠坝体侧（左岸）设44m长混凝土导墙，头部采用四分之一椭圆形。该段渠底设0.3m厚混凝土衬砌。

溢洪道为3孔开敞式溢洪道，每孔净宽13m，堰顶高程667.50m，堰面曲线为WES型，曲线方程y=0.0663x1.81，下游接R=25m圆弧，上游接双圆弧曲线及3:2斜坡。溢流堰顶设弧形工作闸门和平面检修闸门，弧形工作闸门采用液压启闭机操作，平面检修闸门采用门机操作。

闸墩厚度为3.00m，溢洪堰总宽51m，靠山体侧设混凝土齿墙与山坡连接，靠坝体侧设混凝土高趾墙与趾板相连。溢洪道顶部分别设宽8m交通桥和宽5m工作桥以及油压启闭机房等。

溢洪道陡槽坡度由缓变陡，第一级坡1:20，第二级坡1?2，中间采用y= 0.05x+0.0957x2抛物线连接。底宽45m，底板厚0.6m，下设锚筋，底板基础布置纵横交错的排水系统。为避免陡槽底板混凝土产生空蚀，陡槽设2道掺气槽，掺气槽结构采用挑坎与通气孔组合型式。陡槽段边墙微

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风化岩石区为直立贴坡式，弱风化、强风化岩石区为衡重式。墙顶高程根据水面线及高速水流掺气高度拟定为8～10m。

溢流堰堰基上游部分设一道帷幕，并向两岸山体延伸。堰基及挑坎基础分别进行固结灌浆。 挑流鼻坎为分条挑流鼻坎，共分3条，每条宽15m。坎顶高程568.85m~574.39m，挑角为10.28°~33.99°，反弧半径30~40m。鼻坎后设30.00m混凝土护坦。出水渠底高程565.30m。

溢洪道主要高边坡位于进水渠和溢流堰控制段，最大边坡高度138m，开挖边坡采用全风化层1:1.2，强风化岩石为1:0.75，弱风化岩石为1:0.5，微风化或新鲜岩石为1:0.25。每10m坡高设一级马道，马道宽度1m和4m相间布置。为了确保边坡稳定，对高边坡上的强、弱风化区采用常规喷锚处理，对局部不稳定体采用预应力锚束随机支护。除在整个开挖面布设系统排水孔，以利山坡排水外，每级4m宽的马道上增设排水沟和深排水孔一排，以降低岩体内部水压。 5 引水建筑物 5.1 工程地质条件

引水隧洞沿线山体雄厚，地形陡峻，山高坡陡，山顶高程多在850~1420m，最高峰老寨子，高程1450m，相对高差约870m，属中山区，沿线冲沟较发育，冲沟多垂直或近垂直引水隧洞方向分布，多数冲沟沟浅源短、干枯无水，少数沟深源长，长年流水。

引水隧洞沿线及厂房基岩多裸露，在缓坡带分布有第四系覆盖层，为崩坡积壤土夹碎块石，厚度薄。基岩为震旦系下统跃岭河群上段（Zayl2）含砾凝灰质岩屑砂岩，局部夹沉凝灰岩。

引水系统断层不甚发育，无区域性大断层分布，沿线揭露有f19、f20、f153、f158等4条小断层和J37、J58、J61、J114等4条挤压破碎带，以及L6、L5、L15等3条裂隙。

引水隧洞沿线地下水以基岩裂隙水为主，岩层透水性弱，含水量小，对洞室围岩稳定不致于构成大的影响。但在断层带及两侧附近岩体的透（导）水性增强，含水量增大。据本次地质测绘，引水洞线一带部分冲沟常年流水，可见沿线地下水位高，地下水位与洞身相对高差最大可达约500m以上，外水压力较大。 5.2 方案比较 5.2.1 进水口型式比较

1）进水口边坡下陡上缓，高程620m以下边坡坡度55o左右，以上边坡坡度为35~40o。第四系覆盖层主要分布于高程620m以上边坡，厚度一般为1.0~5.0m，岩性为黄、灰黄色壤土夹碎块石，结构松散；基岩岩性为含砾凝灰质岩屑砂岩，高程620m以下基岩多裸露。

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根据坝线钻孔资料，进水口处地表岩石以强~弱风化为主，强风化厚度为2.0~5.5m，弱风化下限埋深为33.0m左右，以下为微风化~新鲜基岩。

进水口边坡结构面以节理裂隙为主，断层不发育。走向NW或NWW、倾向SW或NE、倾角10~45o的类似L9、L46、L24等顺坡或逆坡向中缓倾角节理裂隙较发育，面扭曲、粗糙、延伸较长、微张、附黄泥膜。

进水口边坡未见不良物理地质现象发育，边坡覆盖层及强风化岩均较薄，自然边坡稳定性较好。

进水口位置如向下游移动，距离坝体太近，造成施工干扰；而且隧洞转弯过大，水损增加；如向上游移动，则进洞方向与等高线斜交，造成开挖量增大，上坝公路及洞线变长，因此进水口位置选择较合适。

根据进水口部位的地形地质条件，本阶段拟定岸塔式进水口和竖井式进水口两种布置形式进行比较。

从水工布置看，岸塔式进水口和竖井式进水口均为常见的进水口布置形式，两种进水口形式

均可行，工程规模相似。

由于进水口部位边坡较陡，表层有第四系崩坡积层，覆盖层厚约1～5m，结构松散，稳定性差，竖井式进水口后边坡高度约36m，边坡稳定性差，支护工作量较大。而岸塔式进水口的后边坡高度约14m，开挖范围小，开挖边坡低，利于边坡稳定，对永久运行的安全有利；

岸塔式进水口工程投资略省；从拦污栅运行方面，岸塔式进水口的拦污栅为垂直式安装，启闭力相对较小；竖井式进水口进洞处由于断面较大，进洞较岸塔式困难；且闸门前隧洞段不具备检修条件；

综上分析，故本阶段推荐采用岸塔式进水口。 5.2.2 洞线比较

进水口位于任河左岸，距离大坝左坝头上游约220米。经型式比选，采用岸塔式布置。 进水口底板高程要满足以下要求：当水库在死水位运行时，进口不产生吸气漩涡；满足进水口防淤要求；隧洞纵坡不宜过大，以利施工。 进水口最小淹没深度按戈登公式估算：

S=cVd1/2 （5-1） 式中 S——进水口淹没深度，m

29

V——闸孔断面流速，m/s d——闸孔高度，m

C——与进水口几何形状有关的系数，进水口设计良好和水流对称，取0.55； 边界复

杂和侧向水流，取0.73。

计算得最小淹没深度为4.68m，即闸门底板高程应低于638.72m，最终确定进水口底板高程为637.0m。

进水口前缘两侧按照10°角扩散，为防止推移质泥沙进入隧洞，进水口前缘进水渠底板高程低于拦污栅底板2m，为635.00m。

结合厂区地形地质条件，拟定两个厂房位置即上厂址和下厂址，引水洞线布置拟定了三个方案，进水口位置及布置基本相同，均位于大坝上游约220m的任河左岸，方案一对应上厂址，方案二和方案三对应下厂址。上、下厂址之间相距约100m，中间隔一条冲沟。

① 方案一

该方案厂房为上厂址，引水洞线平面上呈三段折线布置，进水口段走向为N52°E，距进水口约102.5m隧洞走向转为N82°W，高压竖井后以N40°W垂直进厂。

进水口采用岸塔式布置，底板高程为637.0m，闸门及拦污栅检修平台高程为685.0m。进水口设拦污栅和事故闸门各一道。引水隧洞全长2199.18m，从桩号0+047.9m开始纵向按1.593%布置。压力管道由上平段、竖井、下平段组成。

② 方案二

该方案将调压井上移至冲沟右侧的山脊梁，引水洞线从进水口后由N52°E转至N83.29°W，岔管采用梳齿型分岔的钢筋混凝土岔管，由N18.3°W垂直进厂，采用下厂址。引水隧洞全长2672m，从桩号0+047.9m开始纵向按1.59%布置。

③ 方案三

该方案将调压井下移至冲沟左侧的山脊梁，引水洞线从进水口后由N52°E转至N88°W，在调压井前85.5m处转至N18.3°W，由N18.3°W垂直进厂，厂房位置与方案二相同。

引水隧洞全长约2791m，从桩号0+047.9m开始纵向按1.44%布置。 压力管道布置与方案二相同。 ④ 方案比较

三个方案布置中方案一洞线最短，其次是方案二，方案三洞线最长，造成水损的依次增加，减少发电量。

30

在地形地质方面，三个方案总的地形条件相差不大，引水隧洞地质条件无较大的差别，但方案一的厂房位置避开了下游冲沟的影响；断层、节理相对不发育；边坡稳定，地质条件较好。方案二和方案三的厂房部位地势相对平缓；但有断层f153穿过；J111挤压破碎带走向与开挖边坡走向交角较小、顺坡倾向，倾角小于坡角，对边坡稳定不利，与其它方向结构面切割组合可构成不稳定体；上下游均分布有大冲沟，沟长源深，可能形成小的水石流或泥石流，对厂房的有一定的影响，边坡上节理和卸荷裂隙均有分布，各结构面相互切割组合可能构成不稳定小块体，地质条件较差；总体来说，方案一的地形地质条件较好；

根据上述比较，本阶段引水洞线推荐采用方案一的布置形式。既厂房为上厂址，引水洞线平面上呈三段折线布置，进水口段走向为N52°E，距进水口约102.5m隧洞走向转为N82°W，高压竖井后以N40°W垂直进厂。 5.3 水力计算

5.3.1引水系统水头损失计算

引水隧洞随机喷锚支护段（随机喷混凝土厚10cm）综合糙率取0.028，系统喷锚支护段（喷混凝土厚15cm）综合糙率取0.022，钢筋混凝土衬砌段平均糙率取0.014，钢衬段平均糙率取0.012。 经计算，引水系统1#、2#机水头损失表达式为：

?h=4.1993?10-4Q2+4.4960?10-4q2 （5-2） 式中：Q为主洞流量，q为支管流量，当两台机通过额定流量时，q=58.4m3/s时，水头损失?h1=7.61m。 5.3.2 进水口形式

电站引水发电进水口位于任河左岸，距离大坝左坝头上游约220米，采用岸塔式布置。进水口底板高程637.00m，满足最小淹没深度以及防淤要求。 5.3.3 拦污栅设计

挡污设备的功用就是防止有害的污物进入进水口，同时不使这些漂浮物堵塞进水口，影响进水能力，主要的拦污设备是拦污栅。

拦污栅计算的有关条件与水流径过拦污栅时的水头损失与过栅流速及栅条形状有关。拦污栅总面积小，则过栅流速大，水头损失大，漂浮物对拦污栅的撞击力大，而且清污困难，反之，拦污栅面积过大，又会增加造价，甚至布置困难，由清污方便的观点看来，过栅流速以不超过1.0m/s为宜，过栅毛流速为0.97m/s。 5.3.4 进口段

进口段包括进口喇叭段，闸室段，通气孔，渐变段等；

31

（1）进口喇叭口段：为了与孔口的水流形态相适应，使水流平顺，避免产生不利的负压和空蚀破坏，同时尽量减少局部水头损失，提高泻流能力，在隧洞进口首部，其形状应与孔口锐缘出流流线相吻合，一般顺水流方向作成三向收缩的矩行端面喇叭口型，其收缩曲线为1/4椭圆曲线，顶面椭圆方程为：

x2y2?2?12ab （5-3）

所取得的椭圆方程a值,为参照碧口水电站及经验和实际条件条件取a为10m,再根据中国水利水电出版社出版的《水工建筑为》p240最佳a/b的选择，所以必经确定隧洞的洞身的尺寸。

根据隧洞的分类及类型，根据工程的实际。本工程高水头大流量工程 ，所以应选择过水条件好，受力条件好的断面。圆形断面一般为圆形；其亦具备了受力条件好，且断面湿周小，当过水面积一定是，圆形断面较其他断面如马蹄形、圆拱形等断面具有较大的过水能力，所以采用圆形断面。 洞径确定:

根据《水力学》按管流公式计算：

Q??A2gH0 (5-4）

式中： ?--流量系数,取0.69；

Ho--作用于隧洞的有效水头（Ho =库水位－出口顶部高程）； A—出口断面面积，m2。

经计算校核洪水位所需的洞径 r=3.8m D=7.6m

所以根据《水工建筑物》P240表6-1查得取a=8.5m, 所以 a/b最佳为5.4 则b=5.4m 椭圆方程为：x2/8.52+y2/5.42=1 （2） 进口闸室段

闸孔尺寸为5.3×6.6m，进水口拦污栅段由分流隔墩分成2孔，每孔净宽为5.0m，高12m，设一道拦污栅，过栅毛流速为0.97m/s。进口喇叭段顶板为1/4椭圆曲线（椭圆方程为x2/8.52+y2/5.42=1），进水口收缩段长6.7m，水平净宽由12.0m收缩为5.3m、竖向净高由12m收缩为6.6m。闸室段长7.2m，闸门孔口尺寸为5.3?6.6m(b?h)，流速3.34m/s，底槛高程637.00m，

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门后1.2×1.7m的通气兼进人孔，后接10m长渐变段。在高程676.00m处设拦污栅检修平台，平台面积11.7?12.0m(长?宽)，拦污栅检修平台有爬梯通至闸门检修平台，闸门检修平台高程685.00m，平台上有拦污栅启吊排架及闸门启闭机排架，平台通过27.4m长的交通桥与上坝公路相连。进水塔高50m。 （3） 通气孔

当闸门部分开启时，孔口处的水流流速很大，闸门后的空气被水流带走，形成负压，而引起气蚀破坏和闸门的振动，危及工程的安全运行。为了防止气蚀破坏和闸门的振动，通常在主闸门后设通气孔。此外，用平压管充水平压时，主闸门与检修闸门之间的空气排除，通气孔又可作排气孔。故通气孔常担负着补气、排气的双重任务。对改善流态、避免运行事故起着重要作用。 通气孔的通气量：Qa = 0.09 Vw A (5-5) 通气孔的面积：

Qaa =

?Va?=1.13m2

式中：a—-- 通气孔的面积

?Va?-- 通气孔允许的风速，取40m/s

VW --闸门孔口处的水流速度 A --闸门后的隧洞的全面积 通气孔的直径：d = 1.2m （4） 平压管

为了减少启闭力，检修闸门在静水中开启，在墙与闸内设置绕过检修门槽的平压管，检修完毕后，开启检修闸门前，先打开平压管的闸门，将水引入检修闸与主闸之间，使检修闸门两侧水位相同，水压力平衡以减少启闭力。平压管取?300mm便于操作平压管阀门处平压管井，尺寸1000×1400mm。 （5） 渐变段

为了便于闸门布置，闸室段设为矩形断面,为了保证洞内有好的水流条件及受力条件，洞身设计成圆形。两种断面需要渐变段，进行连接结构尺寸，形状及水流的过渡，渐变段的长度，则长度为10.0m。进水口收缩段长6.7m，水平净宽由12.0m收缩为5.3m、竖向净高由12m收缩为6.6m。

33

闸室段长7.2m。 （6） 洞身段

根据《水力学》管道经验直径D确定：

D?4Q?V （5-6）

式中： Q——管道的输水能力；

V——管道的允许流速；

则D = 3.8m

直径D=7.6m>1.8m，满足施工要求。

根据提供的地质地形图,引水隧洞洞身段需分成三段,以达到引水要求，这样亦有利于工程施工,即有上平段、竖井段、下平段 1) 上平段

沿水平方向布置,其底部高程为637.0m,则洞轴线高程为640.30m,根据所提供的地质地形剖面图,其长度可取31.6m，马蹄形断面，开挖直径为7.6m，衬后直径为6.6m。 2) 竖井段

竖井中心距调压井中心30m，竖井采用圆形断面，钢筋混凝土衬砌，内径为6.6m。 3) 下平段

管径为3.6m，长度为125.5m。 5.4 工程布置

引水发电系统包括进水口、引水隧洞、调压井等部分。

电站引水发电进水口位于任河左岸，距离大坝左坝头上游约220米，采用岸塔式布置。进水口底板高程637.00m，满足最小淹没深度以及防淤要求。进水口拦污栅段由分流隔墩分成2孔，每孔净宽为5.0m，高12m，设一道拦污栅，过栅毛流速为0.97m/s。进口喇叭段顶板为1/4椭圆曲线（椭圆方程为x2/8.52+y2/5.42=1），进水口收缩段长6.7m，水平净宽由12.0m收缩为5.3m、竖向净高由12m收缩为6.6m。闸室段长7.2m，闸门孔口尺寸为5.3?6.6m(b?h)，流速3.34m/s，底槛高程637.00m，门后1.2×1.7m的通气兼进人孔，后接10m长渐变段。在高程676.00m处设拦污栅检修平台，平台面积11.7?12.0m(长?宽)，拦污栅检修平台有爬梯通至闸门检修平台，闸门检修平台高程685.00m，平台上有拦污栅启吊排架及闸门启闭机排架，平台通过27.4m长的交通

34

桥与上坝公路相连。进水塔高50m。

引水隧洞沿线山体雄厚，地形陡峻，山高坡陡，上覆山体厚度大，引水隧洞全长2181.28m（进洞点至调压室中心线），距进洞口102m为第一个平面转弯点，隧洞走向由N52°E转为N82°W。

引水隧洞底坡需满足以下几种要求：1) 满足施工期和运行检修期的排水要求；2) 纵坡到达引水调压室处，要保证在水力学过渡过程中调压室的最低涌浪不会产生露底情况，并有一定的安全余地；3) 引水隧洞沿线洞顶的最小压力大于2m水头。4) 纵坡稍大些可增大调压室阻抗孔的高度并降低压力竖井的高度，可降低工程投资。根据此原则，引水隧洞段全长2181.28m，纵向按“一坡到底”布置，起坡点桩号为引0+47.900m，中心高程640.30m，终坡点桩号为引2+169.207m，中心高程606.50m，坡度1.593%。在桩号0+102.634m处的第一个平面转弯点，隧洞走向由N52°E转为N82°W。引水隧洞全长采用马蹄形开挖断面，洞径7.6m，底宽4.5m。

第二部分 设计计算书 1 坝体结构设计 1.1 坝顶高程

1.1.1 计算正常运用情况下的坝顶超高：坝顶超高△h按下式计算：

△h = R + e + A （1-1） 1) 计算波浪爬高R：波浪爬高按蒲田试验站公式计算.先计算平均爬高R,再计算设计爬高R,平均爬高按下式计算：

R= K?KW1?m2 hmLm （1-2）

式中：R－平均波浪爬高，m；

hm—平均波高,m；

Lm—平均波长,m；

m —单坡的坡度系数，m = 1.5~5.0m；

K?—斜坡的糙率渗透性系数,根据《碾压式土石坝设计规范》护面类型由表A.1.12-1查

得；

35

Kw—经验系数，按《碾压式土石坝设计规范》表A.1.12-2查得。

根据枢纽的基本情况,确定水库采用砌石护面,查《碾压式土石坝设计规范》表A.1.12-1，与坡粗糙率有关的系数坝前水深H=681.370

K?=0.75~0.8,采用0.8。已知风速12.7×1.5=19.05m/s

-540=151.37m,

取

g

为

9.81m/s,

2

求得无维量：

v19.05??0.49 查规范《碾压式土石坝设计规范》表A.1.12-2得经验系数Kw = gh9.81?151.371.00；取风向与坝轴线垂线的夹角为0o，查规范表得折减系数kβ=1,初拟定坝坡m=2.5；又知吹程D=1500m。

v2gD0.45平均波高 hm=0.0018(2) （1-3）

gv19.0529.81?15000.45() =0.00189.8119.05 = 1.33m

平均波长 Lm= 25hm= 25?1.33 = 33.18m

: 将上式各值代入R得 R =

0.8?11?2.52?1.33?33.18?1.97m

根据爬高值累积概率P按工程等级给来确定,对该枢纽Ⅰ级土石坝取P=1%的爬高值R1% ；根据hm=1.33m 、H = 151.37m 得表A.1.13,

hm1.33??0.0089< 0.1查规范《碾压式土石坝设计规范》H151.37RRm?2.23，则R?2.23?1.97?4.39m

2) 计算风雍水面高度：风雍水面高度按下式计算：

Kv2D e = cos? （1-4）

2gHm式中综合摩阻系数K值变化在（1.5~5.0）?10均水深Hm近似取为 Hm??6范围内，计算时取K = 3.6?10

?6；水库平

151.3775.785m 236

3.6?10?6?19.052?1500?cos00?0.001m e =

2?9.81?75.6853) 安全加高:按Ⅰ级坝和正常运用情况查规范表1.3.1,A=1.5m 则正常运用情况下坝顶超高为

△h = 4.39+ 0.001 + 1.5 = 5.9m

1.1.2 计算非常运用条件下的坝顶超高

非常运用条件下的坝顶超高计算公式与正常情况下一样，所不同的是风速采用多年平均最大风速 v = 12.7m/s，坝前水深H = 687.27– 530 = 157.27m，水库平均水深 H/2 = 157.27/2 = 78.14。

先计算波浪爬高值R：由K?= 0.8，

v12.7??0.325，查规范《碾压式土gh9.81?157.27石坝设计规范》表A.1.12-2得经验系数Kw = 1.00；取风向与坝轴线垂线的夹角为0o，查规范

表得折减系数kβ=1，m=2.5；

12.729.81?15000.45?() 平均波高 hm = 0.0018?9.8112.7 = 0.71m

平均波长 Lm= 25?0.71 = 17.70m

: 将上式各值代入R得 R =

0.8?11?2.52?0.71?17.70?1.05m

Rhm0.71??0.0046< 0.1查规范按P=1%， 《碾压式土石坝设计规范》表A.1.13,?2.23，H155.55Rm则R?2.23?1.05?2.34m 再按下式计算风雍水面高度e

3.6?10?6?12.72?1500?cos00?0.006m e =

2?9.81?77.78查《碾压式土石坝设计规范》规范,A=0.7m 则非常运用情况下坝顶超高为

37

△h = 2.34+ 0.006 + 0.7 = 3.04m

1.1.3 坝顶高程及坝高：

设计洪水位加正常运用条件下的坝顶超高为：681.37+5.9 = 687.27m 正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高为：680.0+5.9 = 685.9m 校核洪水位加非常运用条件下的坝顶超高为：682.55+3.04 = 685.59m 正常蓄水位加非常运用条件下的坝顶超高为：680.0+3.04 = 683.04m 1.1.4 已知

表1-1 建筑物设计洪水频率参数表

建 筑 物 土石坝 设计洪水频率 500年一遇设计 校核洪水频率 2000年一遇校核

表1-2 水 库 特 征 水 位 表

方 案 项 目 上游水位（m） 土石坝方案 下游水位（m） 相应下泄量（m/s） 3正常蓄水位 680 死水位 650 设计 681.37 552.60 4258 校核 682.55 553.48 4746

1.1.5 1) 超高计算结果见表1-3

表1-3 超高计算结果 参数 工况 正常运用情况 非常运用情况 4.39 2.34 0.001 0.006 1.5 0.7 5.9 3.04 R(m) e(m) A(m) Y(m)

2) 坝顶高程计算结果见表1-4

表1-4 坝顶高程计算结果 参数 工况 设计洪水位 正常蓄水位 校核洪水位 正常蓄水位 非常运用条件 3.04 正常运用条件 超高Y （m） 5.9 坝顶高程 (m) 687.27 685.9 685.59 683.04 取值 （两种取其大值） √ 38

考虑在上游侧设置1.2m高的防浪墙，用防浪墙顶部高程代替坝顶高程，则坝顶高程为：687.27- 1.2= 686.07m，坝高为686.07– 530 = 156.07m。 1.2 坝顶宽度

参照原华东水利学院主编的《水工设计手册》第4~58页规定：坝高100米以上，坝顶宽度宜用下计算：

B=H （1-5）

式中：B—坝顶宽度，m； H—坝高，m。

B=H=156.07 =10.2m，确定坝宽10m。 1.3 坝坡及马道

1.3.1 坝坡：参考《水工建筑物》教材土石坝一章，斜墙坝上下游坝坡坡率可参考心墙坝的数值选用，上游坝坡可适当放缓，下游坝坡宜适当偏陡。初拟上游坝坡为1:1.406，下游坝坡为1:1.3 , 1:1.3 , 1:1.4 , 1:1.4，1:1.5。

1.3.2 马道： 在下游变坡处没30m设一级马道，宽3m，上游不设。 1.4 细部构造 1.4.1 坝顶

坝顶上面用碎石铺设路面，坝顶向下游倾斜1%的坡度，上游侧设1.2m高的放浪墙，下游侧设缘石。 1.4.2 坝体防渗

坝体防渗采用粘土斜墙防渗体。斜墙顶高程为686.07m，高出设计洪水位4.7m，顶部保护层厚度为687.27 – 686.27 = 1m，根据SL274-2001《碾压土石坝设计规范》规定；坝高超过70m为高坝，高坝顶宽可选为5～10m，故斜墙顶宽选为5m，自顶向下逐渐加厚，边坡为1:4，计算点水头为H = 681.37 – 530 = 151.37m，根据经验取允许渗透坡降[J] = 5，底部厚度40m > H/[J] = 152.67/5 = 30.27，满足要求。 1.4.3 坝基防渗

参考《水工设计手册》第四卷，斜墙总是用齿墙与基岩连接。齿墙下部切近岩石的深度，根据岩石情况决定。良好的岩石，只需切近30～50cm,不好的岩石需切近几米。齿墙的最小宽度约

39

90cm。因此坝基防渗采用齿墙，等厚40m，深8m。 1.4.4 坝体排水设备

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3m，顶面超出下游水位的高度，对1、2级坝不小于1.0m，故排水体顶部高程为554.6m，高出下游最高水位2m。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。如图1-1所示。

图1-1 棱体排水 1.4.5

坝体剖面尺寸见下图

图1-2 坝顶剖面

40

1.5 渗流计算

土石坝的渗流计算主要是为了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体渗流区的渗透坡降，检查产生渗透变形的可能性，以便采取适当的控制措施。

目的在于：为稳定分析时，划分饱水区提供依据、定对稳定有影响的渗流作用力、行坝体防渗体布置和土料选择。

渗流计算包括以下水位组合情况： 上游正常蓄水位与下游相应的最低水位； 上游设计洪水位与下游相应的水位； 上游校核洪水位与下游相应的水位； 库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况

（说明：本设计计算第二种情况为例，其他三种情况只在数值方面区别于第二种情况，计算方法和步骤完全一样。故不做重复劳动）

上游水位682.55m及下游水位553.8m的渗流计算

1.5.1 分段情况：根据坝轴线地址剖面图的地形、地址情况，沿坝轴线分三段进行计算。见下图2.1-3

7418II2IIII5495546577777III渗流计算示意图III

图1-3 渗流计算剖面图

41

1.5.2 Ⅰ-Ⅰ断面渗流计算 1) 计算简图如图所示

图1-4 Ⅰ-Ⅰ断面剖面图

2) 单宽渗流量：

参考《水工计算手册》，斜墙土坝在有限透水地基上、有齿墙、有排水设备的情况下，单宽渗流量和斜墙后渗流水深可由下式联立试算解出：

H1?h2T(H1?h) q = K2 (1-6) ?K22?sin?t2h1?H2T(h?H2) q = K1 (1-7) ?K32(d?m1h?e)d?m1h?0.44T式中： q—单宽渗流量,m3/s；

22?—等厚度，m ；

t —齿墙厚度，m； ?—斜墙中线的倾角，°； T —齿墙深度，m； m —下游坡度 ；

K1—为坝身的渗透系数；

42

K2—为斜墙与齿墙的渗透系数； K3—为坝基的渗透系数。

则

? =

?1??22?23.18?2.28?12.73m e =（0.05～0.06）h

2K1?3?10?3cm/s K2?2?10?6cm/s K3?8?10?2cm/s H2= 552.6–530 = 22.6m

151.372?h28?(151.37?h)q?2?10?10??2?10?2?10?6?

2?12.73?0.7140?6?2h2?22.628?(h?22.6)q?3?10?10??8?10?2?10?2?2?(410.576?2.24h?0.05h)410.576?2.24h?0.44?8?3?2经试算：h = 23.305m，而 q?7.618?10?6m3/(s?m)?7.615?10?6m3/(s?m) 3) 绘制浸润线

由于hc = 23.205m，下游水深H2=22.6，故浸润线近似一条直线。

1.5.3 Ⅱ-Ⅱ断面的渗流计算 1) 计算简图如图2-2

2-2 Ⅱ-Ⅱ断面剖面图 2) 单宽渗流量：

43

单宽渗流量和斜墙后渗流水深可由下式联立试算解出：

H?a0 q?k1 （1-8）

2La02 q?k0?kaz a0?0 （1-9）

mzm 得出：a0?20.79m

k3?10?3?10?2?20.79?22.68?10?5m3/(s?m) q?a0?m2.75 3) 绘制浸润线

q22.68?10?5?(1.3?0.5)?13.61m 逸出高度 h0?(m?0.5)?k3?10?5按下式绘制浸润线

2q2?22.68?10?522 y?x?h0?x?13.61?0.15x?185.23 ?3k3?10 在0～0+465.00之间假定一系列x值，求得一系列y值，列于下表中，将表中x、y值绘制于图1-5中，并连成曲线，便为浸润线（坐标原点在下游）。

表1-5 校核洪水位时土坝浸润线计算成果表

0 13.61 20.00 13.72 40.00 13.83 60.00 13.94 80.00 14.04 100.00 14.15 120.00 14.26 140.00 14.36 160.00 14.46 180.00 14.57

1.5.4 全坝长的总渗流量计算

已知q1=7.615×10m/(s·m) q2=q3=22.68×10m/(s·m)

L1=436.6-145.19=291.42m L2=465-436.6=28.4m L3=145.19-47.36=97.83m 则 Q = q1L1 + q2L2 +q3L3

= 7.615×10×291.42 + 22.68×10 ×291.42 + 22.68×10 + 97.83

=2.49×10 m/d < 3.15亿m，满足防渗要求

表1-6 渗流量计算表

4

3

3

-6

-5

-5

-63

-53

44

计算情况 上游水深H（m) L(m) 逸出水深H2(m) 渗流量q（m/s?m） 总渗流量Q（m/d） 33 Ⅰ-Ⅰ Ⅱ-Ⅱ Ⅲ-Ⅲ Ⅰ-Ⅰ Ⅱ-Ⅱ Ⅲ-Ⅲ Ⅱ-Ⅱ Ⅰ-Ⅰ Ⅱ-Ⅱ Ⅲ-Ⅲ 设计洪水位(m) 151.37 81.37 81.37 291.42 28.4 97.83 13.61 224.03×10^(-6) 644.11×10^（-5） 2218.78×10^（-5）2.94×10^4

1.6 稳定计算

稳定分析是确定坝的剖面和评价坝体安全的主要依据。稳定分析的可靠程度对坝的经济性和安全性具有重要影响。对于无粘性土的坝坡，如斜墙坝的下游坝坡、斜墙的上游保护层、保护层连同斜墙和坝基中有软弱夹层的滑动等常形成折线形的滑动面。这是，可假设滑动体由若干楔形体组成，采用滑楔法计算稳定安全系数。图如1-6

图1-6 斜墙与保护层折线滑动面

根据各楔形块的力平衡条件，建立两侧块体间相互作用力P的计算关系式如下：

???i??i?[Pi?1cos??ei???i??i?1???Wi?Vi?sin??ei???i?Pi?sec??ei (1-10)

?????uisec?isin?ei?x?ceisec?icos?ei?x?Qicos??ei??i?]45

其中：c?ei?ci?/K tan??ri?tan?ei?/K 式中：Wi 为块的自重，KN；

??ei为土料的内摩擦角，°； Qi为土条的水平惯性力；

Pi为楔形块间的相互作用力，KN； ?为P的倾角；

c?ei为抗剪断强度，MPa； K为安全系数； 假定 k=1.6

?2?34???3??4

c1?=0.004MPa c2?= 0.04 MPa c3?=0.06 MPa c?4=0.8 MPa ?1?=55° ??2=56.5° ?3?=53.5° ??4=53.4° c?1?c1?/k?0.004/1.6?2.5?10?3eMPa c?e2=0.025 MPa ce?2= c?e2=0.5ce?2 tan??e1?tan?1?/k?tan55?/1.6?0.89 则 ??e1?41.75? ?e?2?43.36° ?e?3?40.19° ?e?4?40.08° 根据工程经验 ??0

r?rd(1?w)?17.93?(1?5%)?18.83KN/m3

W1=SAFG×r=577.24KN

同理 W2 = 10217.6KN W3 = 2989.5KN W4 =1045.2KN W/P =sin? P =W/ sin? 将以上各值代入P1中

46

0.0375ce?2

577.39?cos?41.75??18.39??65.94???10217.6?sin?41.75??18.39???2.67?sec?18.39???cos41.75??0

同理 在p2 、p3式均成立，即k=1.6 > 1.3 稳定满足要求

2 溢洪道的设计 2.1 型式选择

因为开敞式溢洪道泄洪能力大，工作可靠，结构简单，施工、管理和维修方便，水流条件较好，可省去闸门和启闭设备，所以选用开敞式溢洪道。 2.2 位置选择

溢洪道布置于右岸，位于下坝址右岸山坡上，轴线方向N22.6°W。 2.3 工程布置 堰面曲线的推求

p1?667.5?661.5?6mHman?682.55?667.5?15.05mHd?0.8Hmax?0.8?15.05?12.04mv202H?H??682.55?667.5??15.05m 0 2g2?9.81p16??0.5Hd12.04H015.05??1.39Hd12.04对于3:2的斜坡，查SL253—2000、表A1-1-1得 n = 1.810，

p1?1时，取k = 2.0 Hd代入xn?kHd得 x即：

1.81n?1y 中

?2.0?12.041.81?1?y

y?0.0663x1.81

其中：R1?0.48Hd?5.78m a?0.115Hd?1.38m

R2?0.22Hd?2.65m b?0.214Hd?2.58m

47

堰的尺寸见下图：

图 2-1堰的剖面尺寸

（1） 进水渠：进水渠底板高程661.50m，长约165m，宽60m。

（2） 控制段： 对于大中型水库，特别是岸坡较陡时，多采用实用堰，因此控制段采用实用堰，堰顶高程667.50m，溢洪道为3孔开敞式溢洪道，每孔净宽13m，堰面曲线为WES型，闸墩厚度为3.00m，溢洪堰总宽51m，靠山体侧设混凝土齿墙与山坡连接，靠坝体侧设混凝土高趾墙与趾板相连。溢洪道顶部分别设宽8m交通桥和宽5m工作桥以及油压启闭机房等。

（3） 陡槽段：陡槽段由渐变段和陡坡段组成。溢洪道陡槽坡度由缓变陡，渐变段收缩角为25°，底坡为0.05。陡坡段宽度为45m，底坡为0.5，等宽。

（4） 消能段：采用挑流消能，挑射角为30°，反弧半径为30m，鼻坎坎顶高程为574.4m。 （5） 尾水渠：鼻坎后设30.00m混凝土护坦。出水渠底高程565.30m。

48

图2-2 溢洪道平面布置图

2.4 水力计算

2.4.1溢流堰泄流能力按下式计算

Q?Cm??mB2gH0式中： Q—流量,m3/s；

B—溢流堰总净宽,m；

Ho—计入行近流速的堰上水头,m； m—流量系数，取m=0.50； σm—淹没系数，取0.995； ε—侧收缩系数；

C—上游面坡度影响修正系数，当上游面为铅直时，C=1； g—重力加速度，取9.81m/s2； 则 ??1?0.2??k?(n?1)?0?3/2 （2-1）

H0 nb49

=1?0.2??0.7?(3?1)?0.45??15.05?0.877 3?13Q?1?0.50?0.877?51?0.995?2?9.81?15.053/2

4m3/s?464m73/s 满足泄洪要求 ?575.6

2.4.2 进口段水面曲线的推求

水面线推求公式 Es1?i?L?Es2?J?L （2-2） 左边： 已知 h1=682.55－661.5 =21.05m A1= b1h1=60×21.05=1263m

X1=b1 + 2h1 =60 + 2×21.05 =102.1m R1 =A1/X1 = 1263/102.1 =12.37m V1= Q1/A1 =4746/1263 =3.76m/s ??1.0 底坡i=0 △L=165m 则： Es1?i?L?2

?v22g?h1?i?L

1.0?3.762?21.05?0?165?21.84m ?2?9.81右边：假设h2=20.15m, A2=906.75m, X2=85.3m, R2=10.63m, C2=87.22m/s, v2=5.23m/s

1/2

?v222gC??1.4m/sEs2?21.55m R?A906.75??13.6mX85.3v?v1?v2?5m/s 2J?J2C1?C2?90m1/2/s J?1?0.000192 22 ES2?J?L??v22g?h2?J?L

1.0?5.232?21.15?0.000192?165?21.59m ?2?9.81因为左边?右边，故认为h2=20.12m合适。

2.4.3 泄槽 (1) 渐变段

1) 渐变段长度：已知渐变段首端断面宽 B=51m，取末端宽45m，渐变段收缩角为

50

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