土石坝课程设计

一 基本资料及数据设计

第一节 基本资料

1 概况

平山水库位于G县县城西南3公里处的平山河中游，该河系睦水的主要支流，全长28公里，流域面积为556平方公里，坝址以上控制流域面积为431平方公里；沿河道有地势比较平坦的小平原，地势自南向东由高变低。最低高程为、62.5m；河床比降3‰，河流发源于苏塘乡大源锭子，这个流域物产丰富，土地肥沃，下游盛产稻麦，上游蕴藏着丰富的竹子、木材等土特产。

由于平山河为山区性河流，雨后山洪常给农作物和村镇造成灾害，另外，当雨量分布不均匀时，又易造成干旱现象，因此有关部门对本地区做了多次勘测以开发着棵的水利资源。

2 枢纽任务

枢纽主要任务以灌溉发电为主，并结合防洪、航运、养鱼及供水等任务进行开发。

据初步规划，本工程灌溉面积为20万亩（高程在102m以上），装机容量9000千瓦。防洪方面，由于水库调洪作用，使平山河下游不致洪水成灾，同时配合下游睦水水利枢纽，对睦水下游也能起到一定的防洪作用，在流域规划中规定本枢纽通过设计洪水流量时，控制最大泻流流量不超过900m3/s。在航运方面，上游库区能增加航运里程20公里，下游可利用发电尾水等航运条件，使平山河下游四季都能筏运，并拟建竹木最大过坝能力为25吨的筏道。

3 地形地质概况

地形情况：平山河流域多为丘陵山区，在[平山河上游都为大山区，河谷山势陡峭，河谷边坡一般为60°～70°，地势高差都在80～120m，河谷冲割很深，山脉走向大约为东西方向，岩基出露很好，河床一般为100m左右，河道弯曲相当厉害，尤其枢纽布置处更显著形成S形，沿河滩及坡积层发育，尤以坝址下游段的平山咀下游一带及坝下陈家上游一嗲更为发育，其他地方则很少，在坝轴下游300m处的两岸河谷呈马鞍形，起覆盖物教厚，岩基产状凌乱。

地质情况：靠上游有泥盆五通沙岩，靠下游有二叠纪灰岩，几条坝轴线皆落在五通沙岩上面。地质构造特征有：在平山咀以南，即石灰岩与沙岩分界处，发现一大断层，其走向近东南，倾向大致向北西，在第一坝轴线左侧的为五通沙岩，特别破碎，在100多米范围内就有三、四处小断层，产状凌乱，坝区右岸破碎深达60多米的钻空岩芯获得率仅为20%，可见岩石裂隙十分发育。 岩石的渗水率都很小，右岸一般为0.001～0.01，个别达到0.07～0.08，而左岸多为0.001～0.01。 坝区下游石灰岩中，发现两处溶洞，平山咀大溶洞和大泉眼大溶洞，前者对大坝及库区无影响，但后者朝东南方向发展的话，则可能通向库壁，待将来蓄水

后，库水可能顺着溶洞流到库外，为此，目前正加紧勘测工作，以便得出明确结论和处理意见。

坝址覆盖层沿坝轴线厚度达1.5～5.0m，K=1×10?4cm/s，浮容重V 浮=10.4KN/m3，内摩擦角Φ=35°。 4 水文、气象

1）水文：由于流域径流资料缺乏，设计年月径流量及洪水量不能直接由实测径流分析得到，必须通过降雨径流见解推求。根据省水文站由C城站插补延长得三天雨量计算频率；千年一遇雨量498.1mm，二百年一遇雨量348.2mm，五十年一遇雨量299.9mm，雨洪峰流量Q0.1%=1860m3/s，Q0.5%=1550 m3/s ，Q1%=1480 m3/s，多年平均来水量为4.55亿3。

2）气象：多年平均风速10m/s，水库吹程D=9Km，多年平均降雨量430mm/年，库区气候温和，年平均气温16.9℃，年最高气温40.5℃，年最低气温-14.9℃。 5 其他

1）坝顶无交通要求；

2）对外交通情况

水路：由B城至溪口为、南江段上水，自溪口至C城系睦水主流，为内河航运，全长256公里，可通行3～6吨木船，枯水季节只能通行3吨以下的船只，水运较为困难。

公路：附近公路干线为AF干道，B城至C城段全长为356KM，晴雨无阻，但目前C城至坝址尚无公路通行。

铁路：D城为乐万铁路，由B城至D城180KM，至工地还有53公里。 3）地震：本地区为5～6度，设计时可不考虑。

第二节 设计数据

1 工程等级：根据规范自定。 2 水库规划资料

1）正常水位：113.10m 2）最高洪水位（校核）：113.50m

3）死水位：105.0m（发电极限工作深度为8m） 4）灌溉最低库水位：104.0m

5）总库容：2.00亿m3 6）水库有效库容：1.05亿m3 7）库容系数：0.575

8）发电调节流量Qp =7.35 m3/s，相应的下游水位68.2m； 9）发电最大引用流量Qmax=28 m3/s，相应的下游水位68.65m；

10）通过设计洪水位时（Q1%），溢洪道最大泻量Qmax=1340 m3/s，相应下游最高洪水位74.3m。通过校核洪水位流量时，溢洪道最大泄水量Qmax=1660m3/s，相应下游最高洪水位75.0m。

3 枢纽组成建筑物

1）大坝：布置在1＃坝轴线上； 2）溢洪道：堰顶高程为107.50m；

3）水电站：装机容量为9000千瓦，三台机组，厂房尺寸为30×9平方米； 4）灌溉：主要灌溉区位于河流右岸，渠首底高程102m，灌溉最大引用流量8.15 m3/s，相应最大渠道水深1.75m，渠底宽为3.5m，渠道边坡1：1

5）水库放空遂洞：为便于检修大坝和其他建筑物，拟利用导流遂洞做放空洞，洞底高程为70.0m，洞直径为3.5m；

6）筏道：为干筏道，上游坡不陡于1：4，下游坡不陡于1：3，转运平台高程115.0m，平台尺寸为30×30m2。 4 筑坝材料

枢纽大坝采用当地材料筑坝，根据初步勘察，土料可才用坝轴线下游1.5～3.5公里的丘陵区与平原地带的土料，且储量很多，一般土质尚佳，可做筑坝之用、。砂料可在坝轴线下游1～3公里河滩范围内及平山河出口出两岸河滩开采。石料可利用采石场开采，采石场可利用坝22下游左岸山沟较合适，其石质为石灰岩、砂岩，质量较好，质地坚硬，岩石出露，覆盖浅，易开采。

1） 土料：主要有粘土和壤土，可采用坝下游1.5～3.0公里丘陵区与平原地带的土料，且储量很多，一般土质尚佳，可做筑坝之用。起性能见附表1；

2） 砂土：从坝下游0.5～3.5公里河滩上开采，储量多，可供筑坝使用，其性能见附表2；

3） 石料：可在坝址下游附近开采，石质为石灰岩及砂岩，质地坚硬，储量丰富，便于开采，其性能见附表3。

附表1 土料特性表 干容重 最优含 空隙率 粘着力 渗透系数 内摩擦角 土壤类别 水率 n K ?c （Kpa） Φ （%） （%） （cm/s） （KN/m3） 粘土 壤土 坡土 15.4 15.8 16.0 25 14.5 22.5 40 41.7 39.8 18°30′ 23°41′ 37 12 1×10?6 1×10?5 22°（湿） 7.5（湿） 1×10?3 33°（干） 附表2 砂土特性表 土壤类别 砂土 干容重?c（KN/m3） 16 空隙率n （%） 40.6 内摩擦角 Φ 30° 渗透系数K （cm/s） 1×10?2 浮容重?′ （KN/m3） 10.06 附表3 石料特性表

干容重?c（KN/m3） 1.8 空隙率n（%） 3.3 内摩擦角Φ 38° 二 枢纽布置

（一） 工程等别及建筑物级别

1. 水库枢纽建筑物组成

根据水库枢纽的任务，该枢纽组成建筑物包括：拦河大坝、溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空隧洞（拟利用导流洞作放空洞）、筏道。 2. 工程规模

根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》以及该工程的一些指标确定工程规模如下：

（1）各效益指标等别：根据枢纽灌溉面积为20万亩，属Ⅲ等工程；根据电站装机容量9000千瓦即9MW，小于10MW，属Ⅴ等工程；根据总库容为2.00亿m3，在10～1.0亿m3，属Ⅱ等工程。

（2）水库枢纽等别：根据规范规定，对具有综合利用效益的水电工程，各效益指标分属不同等别时，整个工程的等别应按其最高的等别确定，故本水库枢纽为Ⅱ等工程。

（3）水工建筑物的级别：根据水工建筑物级别的划分标准，Ⅱ等工程的主要建筑物为2级水工建筑物，所以本枢纽中的拦河大坝、溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道，水库放空隧洞为2级水工建筑物；次要建筑物筏道为3级水工建筑物。 （二） 各组成建筑物的选择 1. 挡水建筑物型式的选择

在岩基上有三种类型：重力坝、拱坝、土石坝。 （1）重力坝方案

从枢纽布置处地形地质平面图及1#坝轴线地质剖面图上可以看出，坝址基岩为上部为五通砂岩，下面为石英砂岩和砂质页岩，覆盖层沿坝轴线厚1.5～5.0m，五通砂岩厚达30～80m，若建重力坝清基开挖量大，目前C城至坝址尚无铁路、公路通行，修建重力坝所需水泥、钢筋等材料运输不方便，且不能利用当地筑坝材料，故修建重力坝不经济。 （2）拱坝方案

修建拱坝理想的地形条件是左右岸地形对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的河谷段；而且坝端下游侧要有足够的岩体支撑，以保证坝体的稳定。该河道弯曲相当厉害，尤其枢纽布置处更为显著形成S形，1#坝址处没有雄厚的山脊作为坝肩，左岸陡峭，右岸相对平缓，峡谷不对称，成不对称的“U”型，下游河床开阔，无建拱坝的可能。 （3）土石坝方案

土石坝对地形、地质条件要求低，几乎在所有的条件下都可以修建，且施工技术简单，可实行机械化施工，也能充分利用当地建筑材料，覆盖层也不必挖去，因此造价相对较低，所以采用土石坝方案。 2. 泄水建筑物型式的选择

土石坝最适合采用岸边溢洪道进行泄洪，在坝轴线下游300m处的两岸河谷

呈马鞍形，右岸有马鞍形垭口，采用正槽式溢洪道泄洪，泄水槽与堰上水流方向一致，水流平顺，泄洪能力大，结构简单，运行安全可靠，适用于各种水头和流量。

3. 其它建筑型式的选择 （1）灌溉引水建筑物

采用有压式引水隧洞与灌溉渠首连接。进口设有拦污栅、进水喇叭口、闸门室及渐变段；洞身采用钢筋混凝土衬砌；出口段设有一弯曲段连接渠首，并采用设置扩散段的底流消能方式。主要灌区位于河流右岸，渠首底高程102m，灌溉最大引用流量8.15m3/s，相应渠道最大水深1.75m，渠底宽3.5m，渠道边坡1∶1。 （2）水电站建筑物

因为土石坝不宜采用坝式水电站，而宜采用引水式发电，所以这里用单元供水式引水发电。

（3）过坝建筑物

2

主要是筏道，采用干筏道。起运平台高程115.00m平台尺寸为30×20m，上游坡不陡于1∶4，下游坡不陡于1∶3。 （4）施工导流洞及水库放空洞

施工导流洞及水库放空洞，均采用有压式。为便于检修大坝和其它建筑物，拟利用导流隧洞作放空洞，洞底高程为70.00m，洞直径为3.50m。 （三） 枢纽总体布置方案的确定

挡水建筑物——土石坝（包括副坝在内）按直线布置在河弯地段的1#坝址线上，泄水建筑物——溢洪道布置在大坝右岸的天然垭口处；灌溉引水建筑物——引水隧洞紧靠在溢洪道的右侧布置；水电站建筑物——引水隧洞、电站厂房、开关站等布置在右岸（凸岸），在副坝和主坝之间，厂房布置在开挖的基岩上，开关站布置在厂房旁边；施工导流洞及水库放空洞布置在左岸的山体内。综合考虑各方面因素，最后确定枢纽布置直接绘制在蓝图上（地形地质平面图）。

三 土坝设计

（一） 坝型选择

影响土石坝坝型的因素有：坝高；建筑材料；坝址区的地形地质条件；施工导流、施工进度与分期、填筑强度、气象条件、施工场地、运输条件、初期度汛等施工条件；枢纽布置、坝基处理型式、坝体与泄水引水建筑物等的连接；枢纽开发目标和运行条件；土石坝以及枢纽的总工程量、总工期和总造价

枢纽大坝采用当地材料筑坝，据初步勘察，土料可以采用坝轴线下游1.5~3.5公里的丘陵与平原地区的土料，且储量特别多，一般质量尚佳，可作筑坝之用。砂料可在坝轴线下游1~3公里河滩范围内及平山河出口处两岸河滩开采。石料利用采石场开采，采石场可用坝轴线下游左岸山沟较合适，其石质为石灰岩、砂岩、质量良好，质地坚硬、岩石出露、覆盖浅，易开采。

从建筑材料上说，均质坝、多种土质分区坝、心墙坝、斜墙坝均可。

1. 均质坝 坝体材料单一，施工工序简单，干扰少；坝体防渗部分厚大，渗透比降较小，有利于渗流稳定和减少坝体的渗流量，此外坝体和坝基、岸坡及混

凝土建筑物的接触渗径比较长，可简化防渗处理。但是，由于土料抗剪强度比其他坝型坝壳的石料、砂砾和砂等材料的抗剪强度小，故其上下游坝坡比其他坝型缓，填筑工程量比较大。坝体施工受严寒及降雨影响，有效工日会减少，工期延长，故在寒冷和多雨地区的使用受限制，故不选择均质坝。

2. 多种土质坝 该坝型显然可以因地制宜，充分利用包括石渣在内的当地各种筑坝；土料用量较均质坝少，施工气候的影响也相对小一些，但是由于多种材料分区填筑，工序复杂，施工干扰大，故也不选用多种土质分区坝。

3. 斜墙坝 斜墙坝与心墙坝，一般的优缺点无显著差别，粘土斜墙坝沙砾料填筑不受粘土填筑影响和牵制，沙砾料工作面大，施工方便；考虑坝址的地质条件，由于坝基有破碎带和覆盖层，截水槽开挖和断层处理要花费很多时间，并且不容易准确的预计，斜墙截水槽接近坝脚，处理时不影响下游沙砾料填筑，处理坝基和填筑沙砾料都有充裕的时间，工期较心墙坝有把握；土料及石料储量丰富，填筑材料不受限制。

4. 心墙坝 心墙位于坝体中间而不依靠在透水坝壳上，其自重通过本身传到基础，不受坝壳沉降影响，依靠心墙填土自重，使得沿心墙与地基接触面产生较大的接触应力，有利于心墙与地基结合，提高接触面的渗透稳定性；使其因坝主体的变形而产生裂缝的可能性小，粘土用量少，受气候影响相对小，粘土心墙冬季施工时暖棚跨度比斜墙小。移动和升高较便利。

综合以上分析，最终选择心墙坝。

（二） 大坝轮廓尺寸的拟定

大坝轮廓尺寸包括坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡、防渗排水设备

等。

1. 坝顶宽度

本坝顶无交通要求，根据施工条件和防汛抢险需要以及以往工程的统计资料，对于中低坝取5-10m。本设计坝顶宽度采用B=7.0m。

2. 坝坡

因最大坝高约115.0-62.50=52.5m,故采用三级变坡。

（1） 上游坝坡 ： 从坝顶到坝踵依次为1:2.75；1:3;1:3.25 （2） 下游坝坡 : 从坝顶到坝踵依次为1:2.5;1:2.75;1:3.0 （3） 马道: 第一级马道高程为62.5+20=82.5m,第二级马道高程为

102.5m,马道宽度取2.0m。

3. 坝顶高程

坝顶高程等于水库静水位与超高Y之和，并分别按以下运用情况计算，取最大值：①正常蓄水位加正常运用情况的坝顶超高；②校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高。最后需预流一定的坝体沉降量，此处取坝高的1%。计算公式采用下列算式：

Y=R+e+A,

e?KV0D2gHm2cosb

式中：R——波浪在坝坡上的最大爬高，m；

e——最大风壅水面高度，即风壅水面超出原库水位高度的最大值，m； e?1.0?10?2?10?1022?9.8?50=0.01m;

A——安全加高，m，根据坝的等级和运用情况，按表1-1确定。 Hm——坝前水域平均水深，粗略估计为50m；

K——综合摩阻系数，其值变化在（6~12）?10?3之间，计算时一般取K?1.0?10?2;

b——风向与水域中线的夹角，（00）； V0、D——计算风速和水库吹程m3/s、Km；

表1-1 安全加高A （单位：m） 坝的级别 运用情况 1级 2级 3级 4、5级 正常 1.5 1.0 0.7 0.5 非常 0.7 0.5 0.4 0.3 该坝属于2级水工建筑物，安全加高分别取：正常运用情况下1.0m，非常运用情况下0.5m。

下面采用我国水利水电科学研究院推荐的计算波浪在坝顶上的爬高：

R?0.45hlmn?1?0.6

式中：hl——设计波高，hl?0.0166V5/4D1/3m； m——坝坡坡率，取m=3.0；

n——坝坡护面糙率 ，取n =0.025

由所给的设计资料中只有多年平均风速V0=10m/s，故取正常运用情况和非正常运用

情

况

.?4波

5?高

?1均

6为

?0hl.=

60.0166?105/4?9.1/3m2=0.614m，

50.则

8423R?00?.1?43m.。 000两种计算成果见表1-３ 运用情况 静水位（m） R（m） e(m) A(m) 坝顶高程（m） 1 114.95 114.95 考虑1%沉陷 设计洪水 113.1 0.8423 0.01 校核洪水 113.5 0.8423 0.01 116.09 0.5 114.85 坝顶高程最后结果：116.10m。

验算：坝顶高程116.10m均大于 设计洪水位（正常蓄水位）+0.50m即113.10+0.50=113.60m； 校核洪水位113.50m。 所以满足要求。

（三） 渗流计算

1. 渗流计算的基本假定

1）心墙采用粘土料，渗透系数k?1.0?10?6cm/s,坝壳采用砂土料，渗透系数

k?1.0?10cm/s,两者相差10?24倍，可以把粘土心墙看做相对不透水层，因此计

算时可以不考虑上游楔行降落水头的作用。

2）土体中渗流流速不大，且处于层流状态，渗流服从达西定律平均流速v等于渗透系数Ｋ与渗透比降i的乘积，v=K?i；

3）发生渗流时土体的空隙体积不变，饱和度不变，渗流为连续的。 2. 渗流计算条件：

流计算时应考虑以下组合情况，取其最不利情况作为控制条件：1）上游正常水位，下游相应的最低水位；2）上游校核洪水位相应的下游最低水位；3）对上游坝坡最不利的库水降落后的落差。

由于缺乏资料所以拟定如下工况进行计算：设计洪水位（取与正常蓄水位）113.10m，相应的下游最低水位为74.3m；校核洪水位113.50m，相应的下游水深为75.00m。 3. 渗流分析的方法

采用水利学法进行土坝渗流计算。将坝内渗流分为若干等份，应用维尔金斯公式和水流连续方程求解渗流流量和浸润线方程。

正常蓄水位113.1校核洪水位113.5102.51：52.71：116.1坝顶高程2.5102.5182.5：31：2.751：53.262.5浸润线心墙1：3he62.5排水棱体82.576.575.01：2下游校核水位L大坝剖面图

4. 计算断面及公式

本设计仅对河槽截面处进行最大断面的渗流计算，并假设地基为不透水。采用的公式： y?5

2qkx?H q?k22he?H22L22

单宽流量

将心墙看作等厚的矩形，则平均宽度为 ：

d?(d1?d2)/2?(3.5?34.4)?18.95m;

D?7/2?(116.1?102.5)?2.5?2?(102.5?82.5)?2.75?2?(82.5?76.5)?3.0?2?(76.5?62.5)?2.0

=1

L=144.5-33.3-9.475=101.73（设计情况） L=144.5-32.5-9.475=102.53（校核情况） 已知

ke?1.0?10?6cm/s?2 k?1.?010cm /s(其中?为防渗体的等效宽度)

通过心墙的单宽流量 q1?ke(H1?He)2?22通过心墙下游坝壳的单宽流量为q1?计算结果见表 k(He?H2)2L22

q?10?7 He Z上 Z下 H1 H2 （m） （m） （m） （m） （m） （m） （m） （m） 正常蓄水位 113.1 74.3 50.6 11.8 18.95 144.5 101.7 6.5 11.86 校核洪水位 113.5 75 51 12.5 18.95 144.5 102.5 6.36 12.55 6. 总的渗流量计算

从地质地形平面图上可以看出大坝沿轴线大约长为400m，沿整个坝段的渗流量为：Q=μLq 式中μ是考虑到坝宽，厚度，渗流量沿坝轴线的不均匀分布而加的折减系数，μ=0.8

计算情况 m/(m?s) 3d D L Q正=0.8×400×6.50×10?7=2.08?10?4m3/s Q校=0.8×400×6.36×10?7=2.04?10?4m3/s 6 浸润线方程

正常水位 Hx? 校核水位 Hx?H2?(He?H2)x/L =139.24?0.01396x H2?(He?H2)x/L =156.25?0.01195x

222222（四）坝坡稳定计算

面板坝下游采用的是是堆石，所以C=0，常形成折线状的滑弧面，形状如图所示：

图中所示的各数据应满足以下关系：

w1v2ctg(φ

′-β）-ctg（θ-φ1′）-（1+2′= tg?1（tgφ

w1w22）tg（φ3-б）=0

φ1′=tg?1（tgφ1/Kc）φ

2/ Kc） φ3′= tg?1（tgφ3/ Kc）

查设计资料沙土的抗剪强度指标，φ1=φ

2=φ3=30o，由于设计原始资料中无相

关的数据，在此也无法提供实验资料，所以假定 θ=25 o， б=5 o， β=10 o， φ1′=φ

2′= φ3′=13 o，带入上面三个式子中解得Kc=2.5> Kcmin=1.35。2级

w1w2水工建筑物正常运行情况下须 了解原因）

=

13.9。因而该假定的滑动坡面是稳定的。（此处

（五）材料及构造设计

(1) 防渗体设计

1. 防渗体尺寸

土质防渗体的尺寸应满足控制防渗比降和渗流量要求,还要便于施工。防渗体顶部考虑机械化施工的要求,取3.5m,土斜墙上下游坡度取1:0.3，。 上下游最大作用水头差，H=113.50-62.50=51.00（下游无水工况），根据规定，粘土心墙的容许渗透坡降[J]不宜大于4，这里取[J]=4，故墙厚T>=H/[J]=51.00/4=12.75m。

心墙底宽为3.5+（51.00+0.5）?0.3?2=34.4m>12.75m.，满足要求。

取Hd?5.0m

p?0.3Hd p2?0.5Hd

取p1?20m p1?22m

R1?0.5Hd?2.5m b1?0.175Hd?0.875m b2?0.276Hd?1.38m b3?0.282Hd?1.41m

1.85R2?0.20Hd?1.0mR3?0.04Hd?0.2mo点下游曲线方程： y?0.1273X

坡度MC?0.6（与水平线段夹角为590）的下游直线段与曲线段相切点的坐标值，做一阶导数：

dydx?0.1273*1.85*x0.85?1/0.6=1.667

切点坐标为（10，9）

反弧圆心的确定：反弧半径R?(4~10)h，h为校核洪水闸门全开时反弧水深，本设计中R?10m，反弧圆心o点坐标

xo?x?Mc(p2?y)?Rcot(180?592)?23.46m

y0?p2?R?12m

圆弧与直线相交点坐标为：

x1?x0?Rsin59?14.89m0 y1?9?(x1?10)/0.6?17.15m

2 孔口尺寸设计

（1）、单宽流量的确定。

计算情况 设计 校核 3上游水下泄最大流量 位（m） Q (m3/s) 113.10 1340 113.50 1680 水深 H （m） 5.60 6.00 q??m2gH02 q——单宽流量

根据堰顶形式可选 m?0.48 ??0.95 则 q?29.67m3/s

Qmax?1660m/s3 L?L10Qmaxq?166029.67?56m

取孔口宽度为10m n??5.6 则 n?6

L0?nb?(n?1)d

b——孔口宽度 d——中闸墩（取2.0m），边墩（取3.0m） 则 溢流前缘总长为L0?nb?(n?1)d1??6?10?2?5?2?3?70m

33 Q溢?nb?m2gH02?6?10?0.95?0.482?9.81?62?1780m3/s

?——闸墩侧收缩系数，取0.95

m——流量系数，取0.48

g——重力加速度，9.81m3/s

溢洪道在开挖的时候，为了增强防冲刷能力，需要设置衬砌，粗糙率取n?0.016

3、引水渠

引水渠的作用是将水流平顺的引至溢流堰前。为提高泄洪能力，渠内流速v<4.0m/s。渠底宽度大于堰宽，渠底末端高程与控制堰顶高程相同，取为107.50m。引水渠断面尺寸的拟定，具体计算结果和过程见表1-5。

表 1-5 引水渠断面尺寸计算成果 上游水下泄最大流量 水深 H 边坡坡率m 底宽B 计算情况 位（m） Q (m3/s) （m） (m) 设计 113.10 1340 5.60 1.5 71.36 校核 113.50 1660 6.00 1.5 83.22

计算公式：Q=vA，A=(B+mH)H，假设v=3.0m/s。

由计算可以拟定引水渠底宽B=90m，引水渠与控制堰之间设渐变段，采用圆弧连接，圆弧半径R=10m，圆弧的圆心角为90°；引水渠前段采用梯形断面，边坡采用1：1.5；底坡均为1：10的逆坡。最后引水渠总长L=65m。

进水渠与控制堰之间20m为渐变段，采用弧线连接。 4 控制段

（1）拟定控制段的形式

为了控制泻流能力，设置平面钢闸门，

b?h?10m?6m Hd?(0.75~0.95)H0?(0.75~0.95)?6.0?4.5m~5.7m

P1?0.3Hd P2?0.5Hd 取 P1?20m P2?22m

查表：m?0.467 x?(?0.282~0.85)Hd y?(0~0.37)Hd 与泄槽底版相连采用反弧曲面，R?(3~6)h（其中h为校核洪水位全开时的反弧最低点）

5 泄 槽

泄槽布置在基岩上，断面为挖方，为适应地形，泻槽分为收缩段、泻槽一段、泻槽二段，根据已建的工程拟定收缩段收缩角为12度。首端与控制堰同宽B=61m。末端采用矩形。

5、出口消能

溢洪道出口段为冲沟，岩石质地较好，离大坝较远，采用挑流消能。水流冲刷不会危及大坝安全。

（三）水力计算

泄槽水面线计算：对称布置由地质平面图可知堰顶到下游水面高程（74.3m）处的水平距离是86m，高差33.2m。坡降i=33.2/86=0.386＞iK，属急流，槽

内形成bⅡ型降水曲线，属于明渠非均匀流的计算。 （1）、基本计算

采用各段试算的方法计算 （2）、基本计算公式 流段距离：

(h2cos???2v22g2)?(h1cos??i?J?1v12g2) ?l1?2? J?nv422

R3式中收缩断面处开始计算 h1? v? R?q?2g(H0?h1cos?)qh

L0hL0?2h

（3）、用试算法进行求h1

H0'?6m P2?22m H0?H0'?P2?6?22?28m q?QmaxL0?166070?23.7m/s3

取几组h1的值，进行试算，使得两公式算的h1相等

??0.95 cos??0.933 列表如下：

h1的值 q1.5 1.0926 1.4 1.0907 1.3 1.2 1.1 ?2g(H0?h1cos?)1.08876 1.08687 1.0849 经计算h1?1.0847m满足要求。 ，

A?bh V?QA n?0.015 i?0.31623 x?b?2h R??v2Ax

h v v平均 R 1.052 1.005 0.958 0.911 0.863 0.848 R平均 2g J 0.094 0.111 0.131 0.156 0.176 ?s1.085 21.843 1.029 0.982 0.934 0.887 0.856 24.343 26.752 29.537 32.781 36.589 37.949 ?s 15.185 34.850 61.704 101.831 120.069 1.035 22.899 22.371 0.985 24.061 23.480 0.935 25.348 24.704 0.885 26.780 26.064 0.869 27.273 27.026 15.185 19.665 26.854 40.127 18.238 作出泻槽水面线：

X1.85

4 掺气水深

（1）、掺气发生的位置

按经验公式： Lk?14.7q0.53?14.7?23.70.53?78.69m q——单宽流量

理论上是不需要考虑的，但是一般还是在4段末考虑掺气，从而减小影响。从水面线上得到此点的流速v?26m/s，h?0.91，代入 ha?(1? h——不计波动和掺气的水深

v——不计波动和掺气的计算断面的平均流速 ?——修正系数，一般为1.0~1.4本题目中取1.2

?v100)h

则 ha?(1?1.2?26100)?0.91?1.19m

边墙的超高一般为0.5~1.5m，取0.6m

槽面到墙顶的垂直距离为1.19?0.6?1.79m，取为1.8m。

（1）鼻坎型式

选用结构简单、施工方便、鼻坎上水流平顺、挑距较远、应用广泛的连续式鼻坎。鼻坎挑角??25。。鼻坎高程高出下游最高水位（设计时74.30m、校核时75.00m）1～2m，取76.00m，反弧半径R=10m。见图12所示。

图12

（2）水舌挑射距离计算 L?1?v?g?21sin?cos??v1cos?v1sin??2g(h1?h2)?

??22 式中： L——水舌挑距，m； v1——坎顶水面流速, m/s，按鼻坎处平均流速v的1.1倍； h1——坎顶垂直方向水深m， h2——坎顶至河床面高差，m。sin??0.4226 cos??0.9063

v1=1.1v=1.1*27.27=30m/s g=9.8ms2。

h2?76?62.5?13.5mh2?76?62.5?13.5m

计算结果见表1-11

表 1-11 水舌挑射距离计算结果 计算情况 v1 h sin? cos? h1 h2 v1sin?cos?2v1cos? 22v1sin? 2g(h1+h2) L 校核洪水 30 0.869 0.4226 0.9063 0.7876 13.5 344.7 27.12 160.66 249.16 91 （3） 冲刷坑深度的计算（由河床表面至坑底）

tk=aq0.5H0.25， tk??aq0.5H0.25?H2，

式中：tk——水垫厚度，自水面算至坑底，m； tk￠——冲坑深度，m； q——单宽流量，m3/(s?m)； H——上下游水位差，m； H2——下游水深，m；

a——冲坑系数，坚硬完整的基岩a=0.9~1.2，坚硬但完整性较差

的基岩a=1.2~1.5，软弱破碎、裂隙发育的基岩a=1.5~2.0。此工程下游河床存在破碎带和一假想逆断层，岩层裂隙发育，所以取a=1.8。

冲坑计算结果见表1-12。

t?kq0.5z0.25?ht?1.8?23.70.5?(113.5?75)0.25?(75?62.5)?9.33m

表 1-12 冲刷坑深度计算结果 计算情况 Z上（m） Z下（m） H（m) 校核水位 a q 23.7 H2(m) 12.50 tk tk￠ 113.50 75.00 38.50 1.8 21.832 9.33 （4） 安全验算 Ltk￠=9.26（校核）>2.5~5.0，安全。

（四）衬砌及构造设计

包括衬砌、排水、止水和分缝。

泄槽中的水流流速较大，采用厚50cm的混凝土衬砌，引水渠的流速较低可选用石灰浆砌块石水泥勾缝。衬砌纵向接缝采用平接缝，沿水流向横缝采用搭接型式。纵横向分缝距离分别取为10m、20m，缝下设纵横向排水沟，并设有铜片止水装置，在排水沟顶面铺沥青麻片，以防止施工时水泥浆或运用时泥沙堵塞排水沟，各横向排水沟的水流应通过泄槽两侧的纵向排水沟排往下游，纵向排水管设置两排，以保证排水通畅。

（五） 地基处理及防渗

堰顶处来自水重和底板的重量较大，泄槽段高速水流的冲击作用也较大，再加上此处的岩芯获得率较小，故需进行地基处理，初步拟定采用局部水泥灌浆，挑流消能的鼻坎由连接面板（即泄槽衬砌之延续）和齿墙两部分组成，起到防滑兼防渗的作用。

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