粘土斜心墙土石坝设计-说明书

水利水电工程专业毕业设计

目 录

摘 要 ................................................................................. - 2 - ABSTRACT ............................................................................... - 3 - 第一章 概述 ........................................................................... - 4 -

1.1 毕业设计主要目的和作用 ................................................. - 4 - 1.2 设计内容和基本方法 ......................................................... - 5 - 1.3 具体成果 ............................................................................. - 6 - 第二章 工程概况 ....................................................................... - 6 - 2.1 流域概况 ............................................................................. - 6 - 2.2 气候特性 ............................................................................. - 6 - 2.3 水文特性 ............................................................................. - 7 - 2.4 工程地质 ............................................................................. - 8 - 2.5 建筑材料 ........................................................................... - 11 - 2.6 经济资料 ........................................................................... - 11 - 第三章 洪水调节计算 ............................................................ - 15 - 3.1 洪水调节计算 ................................................................... - 15 - 3.2 堰顶高程及泄洪孔口的选择 ........................................... - 16 - 3.3 调洪演算结果与方案选择 ............................................... - 17 - 第四章 坝型选择及枢纽布置 ................................................. - 18 - 4.1坝址及坝型选择 ................................................................ - 18 - 4.2枢纽组成建筑物 ................................................................ - 19 - 4.3 枢纽总体布置 ................................................................... - 21 - 第五章 土石坝设计 ................................................................ - 23 - 5.1 坝型选择 ......................................................................... - 23 - 5.2 大坝轮廓尺寸的拟定 ....................................................... - 24 - 5.3 土料设计 ........................................................................... - 27 - 5.4 渗流计算 ................................................................................38 5.5 稳定分析计算 ........................................................................41 5.6 大坝基础处理 ........................................................................44 5.7 护坡设计 ................................................................................47 5.8 坝顶布置 ................................................................................48 第六章 泄水建筑物设计 ............................................................ 50 6.1 泄水方案选择 ......................................................................50 6.2 泄水隧洞选线与布置 ............................................................51

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6.3 隧洞的体型设计 ....................................................................51 6.4 隧洞水力计算 ........................................................................52 6.5 隧洞的细部构造 ....................................................................54 6.6 放空洞设计 ............................................................................56

摘 要

本水利枢纽工程同时具有防洪、发电、灌溉、渔业等综合作用。

该枢纽由挡水建筑物、泄水建筑物和水电站建筑物等组成，各部分组成建筑物方案与布置分述如下：

挡水建筑物为粘土斜心墙土石坝，按直线布置在河弯地段；坝体防渗体为粘土斜心墙，斜心墙上下游均设反滤层；坝基防渗体河床中央地段和左岸为混凝土防渗墙，右岸为粘土截水墙；坝体排水河床段采用棱体排水，下游水位以上采用

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贴坡排水，排水体与坝体、坝基之间设置反滤层；上游护坡采用干砌石护坡，下游采用碎石护坡；坝顶上游设置防浪墙，下游设置栏杆以策安全。

泄水建筑物采用隧洞泄洪方案。泄洪隧洞采用“龙抬头”无压泄洪的型式，，并与施工导流隧洞、放空洞相结合。通过隧洞水面线计算最终确定洞身尺寸。最后对隧洞细部及放空洞进行设计。

本设计严格按照国家规范进行了以上各建筑物的设计。

土石坝设计是坝工毕业设计的重要内容之一。本设计共历时9周完成。本坝工设计在王玲玲老师的指导和帮助下完成，在此致以诚挚的谢意。对于本设计中的不妥及错误之处，恳请老师批评指正。

ABSTRACT

This hydropower project is mainly concerning on the flood control, hydroelectric generation, irrigation & fisheries.

The project is consisting of water retaining structure, sluice structure and power house and their layout are as below:

Earth—rocked dam with inclined central core is chosen as water retaining structure, which is placed on the binding portion of the river .Clay inclined control core is not as a seepage control structure

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in dam. On the upstream & downstream of this seepage control structure a layer of filter is placed. On the river bed portion & left bank portion of dam foundation, concrete call off wall is used where on the right bank, clay soil is used. For the drainage purpose of dam, prism drainage is used on the river bed portion & a bore downstream water level drain on embankment slope is used. In between drainage structure & dam a layer of filter is set. Dry—laid stone masonry is used on upstream, slope & crushed stone slope is used on downstream slope. On the tip of dam ,wave protection wall is place on upstream & bar is place on the downstream.

Flood discharging tunnel is used on a sluice structure. The funnel is combined with diversion tunnel & is placed on the right bank.

In this design, National Standards are strictly considered for the designing of each structure.

第一章 概述

毕业设计是我们大学在校期间最后一个全面性、总结性、实践性的教学环节它既是运用所学知识和技能，解决某一工程具体问题的一项尝试，也是我们走向工作岗位的前的一次“实战演习”。

1.1 毕业设计主要目的和作用

1．巩固、加深、扩大学生所学的基本理论和专业知识，并使之系统化；

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2．培养学生运用所学的理论知识解决实际技术问题功能力，初步掌握设计原

则、方法和步骤；

3．培养学生具有正确的设计思想，树立严肃认真、实事求是和刻苦钻研的工

作作风；

4．锻炼学生独立思考、独立工作的能力，并加强计算、绘图、编写说明书及

使用规范、手册等技能训练。

1.2 设计内容和基本方法

本毕业设计的题目是河川水利枢纽工程设计。以坝工为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

选定泄洪方式和拟定泄洪建筑物孔口尺寸。

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

确定枢纽组成建筑物及其设计等级。

通过不同方案的初步技术经济比较，选定坝型。

通过定性分析比较，选定水电站厂房及其他建筑物型式。 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。

2. 进行土料设计，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。

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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、施工组织设计图。并自行编制说明书与计算书，编写中、英文的摘要。

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）

1 2 3 11.2 4 14.8 5 16.3 6 18.0 7 18.8 8 18.3 9 16.0 10 12.4 11 12 年平均 4.8 8.3 8.6 5.9 12.8 - 6 -

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表2-2 平均温度日数

日数 月份 平均温度 ?0℃ 0~30℃ ?30℃ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 6 0 0 1.2 0.3 0 8 0 7 0 0 0 0 0 0 0 0 3.1 27.9 0 25.26.30.30 31 30 31 31 30 31 30 0 0 0 0 0 0 0 0 2.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51~73%之间，夏季因降雨日数较多，相对湿度随之增大，一般变化范围为67~86%。

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 <5mm 5-10mm 10-30mm >30mm 4.风力及风向 一般1~4月风力较大，实测最大风速为14.1米／秒，相当于8级风力，风向为西北偏西。水库吹程为15公里。

2.6 2.2 4.3 4.2 7.0 8.6 11.5 8.5 9.6 9.5 4.8 4.3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0.3 0.2 0.2 1.4 2.0 2.4 2.7 2.7 2.6 2.4 0.8 0.1 0.1 0.1 0.7 0.5 2.3 4.6 4.9 3.8 2.2 1.3 0.6 0.1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2.3 水文特性

该江径流的主要来源为降水，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

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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 流量

表2-5 各月不同频率洪峰流量（秒立米）

月 频率 1％ 2％ 5％ 1 46 36 23 2 19 17 14 11 3 12 11 9 7 4 19 15 11 9 5 600 530 6 1240 1120 7 1550 1360 1100 8 1210 1090 9 10 11 12 37 33 28 23 0.05 2320 1 1680 2 1420 5 1180 10 1040 670 390 28 600 310 23 420 850 830 480 250 16 10％ 19 370 760 980 720 410 210 15 3．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，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。

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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，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4.14-7.36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2~15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 比重 Δ 3.01 2.95 2.90 2.85 2.96 2.85 容重γ kN/m3 29.6 29.2 28.7 27.0 29.2 27.8 建议采用抗压强度 MPa 50 50-60 35-120 10-20 100-160 70-180 岩石名称 半风化玄武岩 破碎玄武岩 火山角砾岩 软弱玄武岩 坚硬玄武岩 多气孔玄武岩 表2-7 全风化玄武岩物理力学性质试验表

天然干容含水重 率? ? % kN/m3 比重 液限 塑限 Δ 压缩系数a 浸水固结块剪 ?l ?p 塑性0~0.5 3~4 内摩凝聚指数m2/kN m2/kN 擦角力 Ip×10-×10- Φ kPa 6 6 - 9 -

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2.5 16.3 2.97 47.3 32.26 16.9 5.97 1.51 28.38 24 (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，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10~100毫米；砾石直径一般为2~10毫米；砂粒直径0.05~0.2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3×10-2厘米/秒~1×10-2厘米/秒。

表2-8 冲积层剪力试验成果表 土壤 名称 含 中 量 细 粒 的 砾 石 备 注 (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

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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。 项代 目 号 计 算值 容重 （控含水量 （控制） 制） kN/m3 12 8.66 4.27 6.47 三轴剪力 （块剪） 内摩擦角 8 473540°°°15′ 30′ 34′ 37°凝聚力 （kPa） 8 37.0 12.0 18.2 应变（拉制） （浸水固结快剪） 内摩擦凝聚力 角 2 321725°°°43′ 55′ 25′ （kPa） 2 10.5 0 5.3 14.8 次数 17 最大值 最小值 平均值 小值 平均 值 24.3 22.2 23.08 32′

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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3—5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/(min?m)。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） 2807 2812 2817 2822 2827 2832 - 11 -

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淹没人口（人） 淹没土地（亩） 2．交通运输

3500 3000 3640 3220 3890 3410 4060 3600 5320 4600 7140 6100 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。

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表2-9 粘土的物理力学性质 物 理 性 质 料 自然容重 比 孔隙 率 孔隙比 自然场 含水 量 湿 干 名 % 称 kN/m3 1#2#1#2#3# 渗 稠度 颗粒级配（成分%，粒径d） 击实 砾 砂 粗中 细 2~ 0.5~ 粉 0.05 ~ 粘土 最 大 干 < 透 系 最优数 含水 内摩力学性质 剪力 固 结 凝聚压 有机含量灼热法 % 可溶盐含量 % 化学性 流限 塑限 % % 饱和塑性度 指数 重 % 密 量 0.5 0.05 0.005 度 % mm 0.005 mm mm mm g/cm3 mm >2 力 缩 10-6 擦角 系 cm/s deg kPa 数 cm2/kg 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 0.070 下 24.2 18.91 15.18 2.67 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 0.019 下 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 0.110 上 26.3 16.37 12.84 2.74 52.30 1.093 49.90 26.30 23.50 0.69 4.50 4.33 20.67 36.20 34.30 1.54 23.80 3.96 21.50 38.0 0.033 0.25 0.110 上 15.9 19.11 16.64 2.70 37.00 0.580 34.00 20.00 14.00 0.67 6.40 9.00 12.00 35.00 19.60 1.80 16.90 3.00 28.00 17.0 0.010 1.90 0.080 下 - 13 -

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表2-10 砂砾石的颗粒级配

颗 直径 粒 mm 含量 料场 1#上 2#上 3#上 4#上 1#下 2#下 3#下 4#下 5.2 4.8 3.8 6.0 4.5 3.9 5.0 4.1 18.6 21.4 12.3 18.6 13.9 5.4 17.8 20.3 14.1 17.8 14.8 4.6 15.4 18.5 15.3 16.4 20.5 3.5 18.3 19.4 16.4 15.6 16.7 4.8 14.1 20.1 23.2 14.9 7.2 19.2 22.4 18.7 19.1 8.3 23.1 19.1 14.2 18.4 8.9 8.6 5.7 6.3 4.6 5.3 6.2 2.5 7.2 2.8 4.1 3.6 0.3 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.9 0.7 300 ~ 100 100 ~ 60 60 ~ 20 20 ~ 2.5 2.5 ~ 1.2 1.2 ~ 0.6 0.6 ~ 0.3 0.3 ~ 0.15 <0.15 22.4 18.7 14.1 17.9 14.4 4.1 表2-11 砾石的物理性质

名称 容重，kN/m3 比重 软弱颗粒，% 有机物含量 1#上 18.6 2.75 2#上 17.9 2.74 34.7 1.5 淡色 3#上 19.1 2.76 31.0 0.9 淡色 4#上 19.0 2.75 31.5 1.2 淡色 1#下 18.6 2.75 32.5 2.5 淡色 2#下 18.5 2.73 32.2 0.8 淡色 3#下 18.4 2.73 32.5 1.0 淡色 4#下 18.0 2.72 33.8 1.2 淡色 孔隙率，% 32.5 2.0 淡色 注：各砂砾石料场渗透系数k值为2.0×10-2厘米/秒左右。最大孔隙率0.44，最小孔隙率0.27。

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表2-12 各料场天然休止角

料场名称 1#上 2#上 3#上 4#上 1#下 2#下 3#下 4#下

最小值 34°30′ 35°00′ 34°40′ 35°10′ 34°10′ 35°20′ 34°30′ 36°00′ 最大值 35°50′ 37°10′ 36°40′ 37°40′ 36°30′ 38°00′ 37°10′ 38°20′ 平均值 35°10′ 36°00′ 35°40′ 36°30′ 35°20′ 36°40′ 35°50′ 37°10′ 第三章 洪水调节计算

3.1 洪水调节计算

本河流属于典型山区河流，洪水暴涨暴落，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%）。

3.1.1 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。但不同规模工程影响程度也不同。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，即先按工程的规模，效益及其在国民经济中的重要性，将水利枢纽分等，而后再对个组成建筑物按其所属枢纽级别，建筑物作用及重要性进行分级。枢纽工程，建筑物的等级不同，对其规划，设计，施工运行管理的要求也不同，等级越高者要求越高。

正常蓄水位为2823.6 m,其相应水库库容为430.88×106 m3

根据SDJ-78（水利水电工程枢纽等级划分及设计标准（山区。丘陵区部分）），综合考虑水库总库容，防洪效益，灌溉面积，电站装机容量，工程规模由库容（正常蓄水位时4.3亿m3/S，估计校核情况下库容不会超过10亿m3/S）控制属大（2）型。

主要建筑物为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为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。

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3.1.2泄洪方式与水库运用方案

1.泄洪方式：由于地形条件的限制，为减小工程开挖量，采用隧洞泄洪方案。 2.水库运用方式：洪水来临时用闸门控制下泄流量等于来流量，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.防洪限制水位的选择：防洪限制水位取与正常蓄水位重合，这是防洪库容与兴利库容完全不结合情况，因为山区河流的特点是暴涨暴落，整个汛期内大洪水随时都可能出现，任何时候都预留一定的防洪库容是必要的。

3.1.3 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拟定几组不同堰顶高程?∩及孔口宽度B的方案。堰顶自由泄流公式Q=σm?（2g）1/2H3/2可确定设计洪水和校核洪水情况下的起调流量Q调，由Q调开始，假定三条四条或泄洪过程线，在洪水过程线上查出Q泄，并求出相应的蓄水库容V。根据库容水位关系曲线可得相应的库水位H，由三组（Q泄，H）绘制的Q～H曲线与由Q=σm?（2g）1/2H3/2绘制的Q～H曲线相交，所得交点即为所要求的下泄流程线。

量及相应水位。

3.2 堰顶高程及泄洪孔口的选择

调洪演算时需拟定几组不同堰顶高程?∩及孔口宽度B的方案，进行比较分析，取其优者。

3.2.1 堰顶高程及孔口尺寸选择原则

堰顶高程如果取的太低，孔口总净宽选的大，则泄流能力加大，所需水库防洪库容可较小，挡水建筑物高度也可较小，上游淹没损失也较小；但是这时隧洞本身工程量及造价会很高，而且本工程下游允许流量为900 M3/S，这样过大的下泄流量为下游所不能允许。

如果堰顶高程取的高，孔口总净宽取的小，则结果与上述相反。

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在内的枢纽总造价最小来优化，通过各种可行方案的经济比较决定。

设计中参照已建工程经验，初步拟定五组堰顶高程与孔口尺寸如下（采用两孔

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泄洪）：

方案一：?=2814m，B=7m 方案二：?=2814m, B=8m 方案三：?=2812m, B=8m 方案四：?=2811m, B=8m

3.3 调洪演算结果与方案选择

3.3.1 调洪演算结果

本设计中拟定四组方案进行比较，成果见表3-1。

表4-1 调洪演算成果

方 案 1 2 3 4 孔口尺寸 （m） ?=2814m B=7m ?=2814 m B=8m ?=2812m B=8m ?=2811m B=8m 工 况 设计 校核 设计 校核 设计 校核 设计 校核 Q (m3/s) 510 555 500 550 700 784 770 860 上游水位Z (m) 2825.5 2826.6 2825.4 2825.6 2824.9 2825.8 2824.7 2825.6 超高?Z (m) 1.9 3.0 1.8 2.0 1.3 2.2 1.1 2.0 注：发电引水量Q=44.1 M3/S，与总泄量相比较小，调洪演算未作考虑，仅做安全储备，?Z为正常蓄水位以上超高。

3.3.2 方案选择

从调洪演算结果来看，拟定的四组方案均能满足流量Q<900 M3/S,上游水位超高?Z<3.5M的要求,从这个角度看四组方案都是可以的。因而方案的选择要通过技

术经济比较选定(本设计中仅作定性说明),同时也应考虑与导流洞相结合的问题。 一般来说，?Z越大，大坝必须增高，大坝工程量也将加大，同时Q过小后对泄洪不利，不经济。故而采用第四种方案，即堰顶高程?=2811m，每个溢流孔净宽b=8m。该方案设计洪水位2824.7m,设计泄洪量770 M3/S；校核洪水位 2825.6m，校核泄洪量860 M3/S。

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第四章 坝型选择及枢纽布置

坝址和坝型选择与枢纽布置密切相关，不同坝轴线适用于不同的坝型和枢纽布置。同一坝址也可能有不同的坝型和枢纽布置方案。必须根据综合利用要求，结合地形、地质条件，选择不同的坝址和相应的坝轴线，作出不同坝型的各种枢纽布置方案，进行技术经济比较，然后才能择优选择出坝轴线位置及相应的合理位置和枢纽布置。

4.1坝址及坝型选择

4.1.1坝址选择

经过比较选择地形图所示河弯地段作为坝址，并选择Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ两条较有利的坝轴线，两轴线河宽基本相近，从而大坝工程量基本相近。从地质图上可以看出：

Ⅰ-Ⅰ剖面，河床覆盖层厚平均20m，河床中部最大34m，坝肩除了10m左右范围的风化岩外，其余为坚硬玄武岩，地质构造总体良好。Ⅱ-Ⅱ剖面出与Ⅰ-Ⅰ剖面具有大致相同厚度的覆盖层及风化岩外，底部玄武破碎带纵横交错，渗流比较严重，需要进行的地基处理工程量大。综合考虑以上因素，坝轴线选在1-1剖面处。而且挡水建筑物按直线布置，坝轴线布置于河床较窄处，以尽量减少工程量，减低工程造价。

4.1.2坝型选择

常见坝型有土石坝、混凝土重力坝、混凝土拱坝、支墩坝，他们对地质条件有不同的要求，详见表4.1。

表4.1 坝 型 比 较

地质条件 土石坝 混凝土重力坝 混凝土拱坝 坝基岩（土）应具有抗水坝基要求尽可能为岩基，性（不溶解），压缩性也应有足够的整体性、均一坝基应为完整、均一、承岩土性应较小，尽量避免有很厚性，并具有一定的承载载力高、强度大、耐风化、质 的泥炭、淤泥、软粘土、力、抗水性和耐风化性抗水的坚硬岩基，覆盖层粉细砂、湿陷性黄土等不能，覆盖层与风化层不宜和风化层不宜过厚 良土层 过厚 地质构以土层均一、结构简单、尽量避开大断层带、软弱应避开大断层带、软弱带- 18 -

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造 层次较稳定、厚度变化小带以及节理密集带等不以及节理密集带等不良的为佳，最好避开严重破良地质构造 碎的大断层带 两岸坝基在地形地质条件上应大致对称（河谷宽高比最好不超过3.5），在拱推力作用下，不能发生滑移和过大变形，拱座下游应有足够的稳定岩体 地质构造 坝基与坝肩稳定 应避免有能使坝体滑动坝基应有足够的抗滑稳的性质不良的软弱层及定性，应尽量避免有不利软弱夹层。两岸坝肩接头于稳定的滑移面（软弱夹处，地形坡度不宜过陡 层、缓倾角断层等） 岩石的透水性要小，应避渗漏及应避开难以处理的易渗岩石的透水性不宜过大，免产生过大的渗透压力渗流稳透变形破坏的土层与可不致产生大量漏水。避免（特别是两岸坝肩的侧定 液化土层，并避免渗漏量产生过大的渗透压力 向渗透压力） 过大 注：1.土石坝的心墙基础要求较高的渗透稳定条件，一般须采取相应的工程措施。 2.支墩坝对地质条件的适应性较强，但须注意防止产生过大的侧向渗透压力，软弱夹层

及软弱破碎带产生渗透变形破坏以及相邻支墩产生过大的不均一沉陷。

应有足够的渗流稳定性，

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。从地质条件看不宜修建靠两岸基岩来维持稳定的拱坝。支墩坝是由一系列支墩和其支承的上游挡水盖板所组成，其所承受荷载都是由盖板传给支墩再由支墩传至地基，因此本身应力较高，对地基的要求也很高，在这种地质条件下修建支墩坝也是不行的。混凝土重力坝是靠坝身自重来维持稳定的，其要求建在岩石地基上。本工程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。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、综合效益等因素，最终选择土石坝方案。

4.2枢纽组成建筑物

4.2.1 挡水建筑物

枢纽挡水建筑物选用斜心墙土石坝方案。

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4.2.2 泄水建筑物

本设计采用的坝型为粘土心墙土石坝，因此泄水建筑物不能布置于河床，根据本工程的地质、地形条件，对正槽溢洪道、侧槽溢洪道及泄水隧洞进行比较选择。

泄水隧道布置的一般原则是：地质条件好，路线短，水流顺畅，与枢纽其它建筑物无相互不良影响。洞线宜选择在沿线地质构造简单，岩体完整稳定，岩石坚硬，上覆岩层厚度大，水文地质条件有利和施工方便的地段。避开围堰破碎地下位很高或渗水量很大的岩层和可能坍滑的不稳定地带，同时防止洞身离地表太浅。

正槽溢洪道：以宽顶堰或各种实用堰为溢流控制的河岸溢洪道，蓄水时控制堰（设闸门或不设闸门）与拦河坝一起组成挡水前缘，泄洪时堰顶高程以上的水可自堰顶溢流而下，并经一条顺过堰流向的陡坡泄槽泄往下游河道。水力学上的特点是：泄流能力完全由堰的型式、尺寸以及堰顶水头决定，过堰流量稳定于某一值后，泄槽各断面流量也随之都达到同一值，故水流平顺稳定，运用安全可靠。结构简单，施工方便，因而为大中小型工程广泛采用，尤其是拦河坝为石土坝的水库。但应注意，在高水头、大流量以及不利的地形、地质条件下，溢洪道的兴建要解决高速水流所引起的一系列水力学和结构问题。从地形条件说，溢洪道应位于路线短和土石方开挖量少的地段；从地质条件说，溢洪道应力争位于较坚硬的岩基上。

侧槽溢洪道：当拦河坝难以本身溢流，且两岸陡峭，布置正槽溢洪道将导致巨大开挖量时，侧槽溢洪道可能成为经济合理的泄洪建筑物。与正槽溢洪道相比，侧槽溢洪道的前缘可少受地形限制，而向上游库岸延伸，由增加溢流前缘长度而引起的开挖量增加减少，从而可以较长的溢流前缘换取较低的调洪水位，或者换取较高的堰顶高程。当无闸门控制时后者突然增加了兴利库容，对中小型工程尤有利。侧槽溢洪道的水流现象相对复杂。泄洪时沿溢流前缘全长同时进水，进槽水的水流并须立即弯近90°，顺槽轴线流向下游，对不同的侧槽横断面，其所通过的流量不同。在侧槽范围内水流是沿程变量的非均匀流。侧槽的水流现象复杂，并不仅表现在流量的沿程变化上，水流自侧槽堰跌入侧槽之后，在惯性作用下冲向侧堰对岸壁，并向上翻腾，然后在重力作用下转弯向下游流去。这样在槽中就形成一个横轴螺旋流。

泄水建筑物包括泄洪隧洞和放空洞，均与导流隧洞结合。

本工程由于坝址处较窄，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，则会造成开挖量大，造价较高。因而通过以上比较采用隧洞泄洪，并考虑与施工导流洞相结合。

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4.2.3 水电站建筑物

包括引水隧洞、调压井、压力管道、电站厂房、开关站等。装机容量24MW，多年平均发电量1.2亿度。本电站装3台8 MW 机组。正常蓄水位2823.6米，死水位为2796.0米，3台机组满发时的流量为44.1秒每米，尾水位为2752.2米。厂房为引水式，厂房平面尺寸为32*13平方米，发电机高程为2760.0米，尾水管底高程为2748.0米，厂房顶高程为2772.0米。副厂房平面尺寸为32*6平方米。安装场平面尺寸为8*13平方米。开关站尺寸为30*20平方米。

4.3 枢纽总体布置

4.3.1 挡水建筑物——土石坝

经过比较选择地形图所示河弯地段作为坝址，并选择Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ两条较有利的坝轴线作为备用坝址的两个方案通过以下几个方面定性地加以比较，最终确定坝轴线位置。

地质条件：

Ⅰ-Ⅰ坝轴线方案和Ⅱ-Ⅱ坝轴线方案均处在以玄武岩为主，间有少量火山角砾岩和凝灰岩穿过的地层中，地质条件较为相似，但Ⅰ-Ⅰ剖面，河床覆盖层厚平均20m，河床中部最大34m，坝肩除了10m左右范围的风化岩外，其余为坚硬玄武岩，地质构造总体良好。Ⅱ-Ⅱ剖面出与Ⅰ-Ⅰ剖面具有大致相同厚度的覆盖层及风化岩外，然而底部玄武破碎带纵横交错，渗流比较严重，需要进行的地基处理工程量大，从而增加了总体工期和造价。因此从地质条件来比较Ⅰ-Ⅰ坝轴线方案优于Ⅱ-Ⅱ坝轴线方案。

地形条件：

Ⅰ-Ⅰ坝轴线方案和Ⅱ-Ⅱ坝轴线方案都位于该江中游地段的峡谷地带，河床平缓，坡降不大是其主要地形条件。但此枢纽具有过木要求，所以必须在枢纽布置中考虑到是否对过木有利。Ⅰ-Ⅰ坝轴线方案水流较为平顺，坝趾附近无较明显河道弯曲出现；而Ⅱ-Ⅱ坝轴线方案坝趾以下不远处紧接河道拐弯处，水流不利于过木。所以，从地形条件来比较Ⅰ-Ⅰ坝轴线方案优于Ⅱ-Ⅱ坝轴线方案。 建筑材料：

因为Ⅰ-Ⅰ坝轴线和Ⅱ-Ⅱ坝轴线附近建筑材料都比较丰富，覆盖层浅，开采条件较好，而且河谷地地形平坦，采运都比较方便，所以，在建筑材料方面不能区分出两种方案的优劣。 施工条件及工程量：

从地形图上可以看出：Ⅰ-Ⅰ坝轴线方案和Ⅱ-Ⅱ坝轴线方案在布置施工场地、

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内外交通运输和进行施工导流等方面没有明显的区别，两种方案都是比较便于施工的。通过比较两轴线河宽，发现Ⅰ-Ⅰ坝轴线的河宽比Ⅱ-Ⅱ坝轴线河宽窄，这样可以减小工程量，降低工程造价。因此，在在施工条件及工程量方面，Ⅰ-Ⅰ坝轴线方案稍优于Ⅱ-Ⅱ坝轴线方案。

综合效应：

对于不同坝址与相应的坝址选择，不仅要综合考虑防洪、发电、灌溉、航运等部门的经济效益，还要考虑库区的淹没损失和枢纽上下游的生态影响等，要做到综合效益最大，有害影响最小。对于Ⅰ-Ⅰ坝轴线方案和Ⅱ-Ⅱ坝轴线方案，通过多方面比较Ⅰ-Ⅰ坝轴线方案稍优于Ⅱ-Ⅱ坝轴线方案。

所以 ，综合考虑以上因素，坝轴线选在1-1剖面处。而且挡水建筑物按直线布置，坝轴线布置于河床较窄处，以尽量减少工程量，减低工程造价。

4.3.2 泄水建筑物——泄洪隧洞

经以上分析可知，本工程选用泄洪采用隧洞方案。水工隧洞路线的选定是设计中非常重要的一环，关系到隧洞的造价和运用可靠性。应在地质勘探基础上，拟定不同方案进行技术经济比较优选，争取得到地质条件良好、路线短、水流顺畅以及对水利枢纽其他建筑物无相互影响的洞线方案。

此处从以下三方面定性地比较隧洞布置在左岸和右岸两种方案：

（1）地质条件：左岸的主要岩石构成主要包括：大量的凝灰岩，大量的半风化玄武岩和少量的坚硬玄武岩；而右岸主要岩石构成主要包括：大量的坚硬玄武岩和半风化玄武岩。凝灰岩成土状或页片状，岩性软弱，与风化后成为碎屑的混合物近似，遇水崩解，渗透性很小；半风化玄武岩建议采用的抗压强度为50MPa，强度不高，力学性质不佳； 坚硬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。坚硬玄武岩强度高，力学性质出众，建议采用抗压强度100-160MPa。坝址附近无大的断层，但左右岸露出的岩石，节理特别发育，所以左右岸都常见岩块崩落的现象。因此，就地质条件来比较右岸优于左岸。

（2）水文地质条件：本地区地形高差大，表流占去大半，缺乏强烈透水层，故地下水不是很丰富，对工程比较有利。但左岸多为凝灰岩和半风化玄武岩，而右岸多为坚硬玄武岩和半风化玄武岩，根据压水试验资料，凝灰岩和坚硬玄武岩都是不透水性良好的岩层，而半风化玄武岩则为透水性良好的岩层。所以就水文地质条件不能充分判断左岸方案和右岸方案的优缺点。

（3）路线相关指标：从已给出的地形图可以看出，若在左岸布置泄洪隧洞则

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需要相当长的路线，而且中间必然会出现弯段，然而尽量避免出现弯段是水工隧洞布置的一个基本原则；若在右岸布置泄洪隧洞，隧洞可以直接和主河道相连，不出现较大角度的弯段，从而减少了出现水力不利条件的几率，从而减少了衬砌等部位的造价，而且隧洞路线长度大大减小，减少了大量的开挖量，所以无论对于施工量和工程造价来说，右岸方案都优于左岸。

因此，为增加隧洞稳定、缩短隧洞长度、减小开挖工程量和降低隧洞的工程造价，泄洪隧洞布置在右岸，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右岸，泄洪隧洞布置以远离坝脚和厂房为好。为减小泄洪时引起的电站尾水波动，以及防止冲刷坝脚，两者进出口相距80至100m以上。

4.3.3 水电站建筑物

引水隧洞、电站厂房布置在右岸，在泄洪隧洞与大坝之间；由于风化岩层较厚，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。

第五章 土石坝设计

5.1 坝型选择

影响土石坝坝型选择的因素很多，最主要的是坝址附近的筑坝材料，还有地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理、抗震要求等。应选择几种比较优越的坝型拟定剖面轮廓尺寸，进而比较工程量、工期、造价，最后选定技术上可靠，经济上合理的坝型。本设计限于资料只作定性分析确定土石坝坝型。

均质坝材料单一，工序简单，但坝坡较缓，剖面大，粘土材料施工受气候影响大。本河流为典型的山区河流，雨季较长，且无足够适宜的土料来作均质坝（竟探明坝址附近可筑坝的土料只有190万m3，远远不能满足要求），故而均质坝方案不可行。

堆石坝与土坝相比具有剖面小，造价低，施工速度快，抗震性好的优点。虽然坝址附近有坚硬玄武岩石料场一处，储量达450万m3，开采条件也较好，可作为堆石坝土料，从材料角度可以考虑堆石坝方案，但由于堆石坝宜建在变形小的岩石基础上，而本河床地质条件较差，冲积层最大达32 m，平均也有20 m，做堆石坝会导致大量开挖，工程量太大，因此堆石坝方案不可行。

综上所述，本工程只能建分区坝，且采用土质防渗体，因为从材料角度看坝

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粘土斜心墙土石坝设计

址附近既有粘土料又有砂砾料，适宜建较经济的土质防渗体分区坝，下面从防渗体位置角度选坝型。

①塑性斜墙坝（以砂砾料作为坝壳，以粘土料作防渗体设在坝体的上游作斜墙）的斜墙与坝壳两者施工干扰相对较小，可以分期施工，工期较短，水库可以部分蓄水，分期投运，但斜墙对坝体、坝基的沉降比较敏感，抗震性能较差，易产生裂缝。

②塑性心墙坝（以砂砾料作为坝壳，以粘土料作防渗体设在坝体的上游作斜墙）与斜墙坝相比工程量相对较小，更为经济，适应不均匀变形抗震性较好，但要求心墙土料与坝表砂砾料同时上升，施工干扰大，工期长。

从筑坝材料来看，由于坝址上下游2km内有可供筑坝的粘土料190万m3作为防渗体之用，又有250万m3的砂砾料作坝壳，心墙坝与斜墙坝都是可行的。本地区为地震区，基本烈度为7度，从抗震性能及适应不均匀变形来看宜采用心墙坝；从施工条件及气候条件来看宜采用斜墙坝。由于本地区粘性土料自然含水率较高，不宜大量采用，以薄心墙、薄斜墙较有利，又因坝基条件复杂、处理工程量大、工期长，坝体防渗体宜采用斜墙，以缩短坝体工期，加快进度。

斜心墙综合了心墙坝与斜墙坝的优缺点：克服了心墙坝可能产生拱效应和斜墙坝对变形敏感的不足，斜心墙应力状态较好，因而最终选择斜心墙坝方案。

5.2 大坝轮廓尺寸的拟定

大坝剖面轮廓尺寸包括坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡、防渗体及排水设备等。

5.2.1 坝顶宽度

根据构造、施工、运行、抗震以及交通要求，并参考以往工程的统计资料，本坝高在60 m～100 m间属中低坝，坝顶宽度采用8 m。

坝顶面向下游侧放坡，坡度根据降雨强度取2%，并在下游侧设排水沟。 坝顶上游侧设防浪墙，墙顶高于坝顶1.0 m，下游侧设栏杆。

5.2.2 坝坡与戗道

上游考虑在死水位以上2800 m高程变坡一次，上部坡率取2.5，下部坡率取3.0，变坡处设戗道，理论上每隔15 m～30 m就应设戗道，但由于上游坡长期浸没在水中除施工期有用外，其余基本上无用，因此在上游坡仅设一条戗道。考虑到下游施工、交通要求，下游每隔25 m变坡一次，变坡处设戗道，坡率自下而上依次为2.75，2.5，2.25。

戗道是为了施工和检修以及观测工作的需要而设置的，也是为了设置排水沟

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之用，另外还要满足交通的需要，为此戗道宽取2.0 m。

5.2.3 坝顶高程

坝顶高程按设计水位、校核水位分别加上坝顶超高，并预留一定的沉降值。坝顶高程计算见表5.1。

表5-1 坝顶高程计算成果图

正常+正常运

项目 设计+正常运用

用 校核+非常运用上游静水位 2824.7 2823.6 2825.6 河底高程 2750 2750 2750 坝前水深Hm 74.7 73.6 75.6 吹程D 15000

15000

15000

风向与坝轴线夹角

β 22.5 22.5 22.5 风速w 21 21 14 平均波长Lm 17.00191 17.00191 11.32748 平均波高hm 1.07525 1.07525 0.647732 护坡粗糙系数K△ 0.78 0.78 0.78 上游坝面坡脚m 2.75 2.75 2.75 经验系数kw 1 1 1 平均波浪爬高Rm 1.139719 1.139719 0.722036 1%波浪爬高R1% 2.541573

2.541573

1.610139 安全超高A 1 1 0.5 风浪引起坝前壅高e 0.015012

0.015236 0.006592 超高y 3.556585 3.556810 2.116732 坝顶高程 2828.257 2827.157 2827.717 78.25659

77.15681

77.71673

坝高 坝顶高程沉陷后

2828.491

2827.388

2827.95

0.3% 78.49135

77.38828

77.94988

沉降后坝高

坝顶高程2829m，坝高79m。

- 25 - 正常+非常运用

+地震 2823.6 2750 73.6 15000

22.5 14 11.32748 0.647732 0.78 2.75 1 0.722036 1.610139

1 0.006772 2.616911 2826.217 76.21691

2826.446

76.44556

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5.2.4 坝体排水

坝体坝基设排水有以下目的：收集并有计划地将渗流排到下游，以免坝体和坝基发生渗透变形；减小渗流作用区，提高下游坝坡的稳定性；防止下游坝坡上有渗流逸出，并把浸润线降低到冻裂区以下；加速粘性土和淤泥的固结，减小坝体或坝基个别部位的孔隙压力。

坝体排水通常有棱体排水、贴坡排水、褥垫排水三种形式。

棱体排水：适用于下游有水的情况，能有效的降低坝体浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚，且有支持坝体增加稳定的作用。

贴坡排水：适用于中小型水库且下游无水的均质坝，以及有良好防渗体、坝体浸润线较低的中等高度的土石坝，这种排水虽然结构简单、省料且便于检修，可防止渗透破坏，保护下游坝脚，但不能降低浸润线，且防冻性较差。

褥垫排水：适用于下游无水或下游水位很低的情况，这种排水虽然降低浸润线效果显著，有利于坝基排水，但对地基不均匀沉陷适应能力较差易断裂。 本地区下游有水，地基覆盖层较厚，不均匀沉陷可能较大，且本地区石料比较丰富，采用堆石棱体排水比较适宜。

按规范棱体顶部高程应超出下游最高水位不小于1.0 m为原则，校核洪水位时下游水位2755.09，最高取为2756.5m。参考以往工程，堆石体内坡取1：1.5，外坡取1：2.0，顶宽2.0 m，下游水位以上用贴坡排水。

5.2.5 坝内防渗体

防渗体的尺寸以满足构造、施工以及防裂等要求为原则，也要满足稳定要求。坝的防渗体为粘土斜心墙，其最小厚度（底部）由粘土的允许渗透坡降而定。 本设计粘土允许渗透坡降取[J]=5.0，承受最高水头为71.4m，墙厚须大于71.4/5=14.28 m。参考以往工程，并考虑机械施工的需要斜心墙顶宽取4.0 m，上游坡率m1=0.6，下游坡率m2=0.2，底宽35.2m大于14.28 m。斜心墙顶高程以设计水位加0.8 m超高并高于校核洪水位为原则，最后取为2822.5 m，上留1.0 m的保护层，由于坝顶设防浪墙，防浪墙要与坝体防渗体紧密连接，所以对斜心墙的顶高程要求相对较低。

5.2.6 坝基防渗体

土截水墙适用于覆盖层厚度小于15 m时，当透水坝基厚度小于30 m时，如采用粘土截水墙则开挖量太大，施工排水比较困难，多采用混凝土防渗墙。

本坝址处河床平均覆盖层厚度为20 m左右，因此河床中部采用混凝土防渗墙，左岸因覆盖层较厚仍采用混凝土防渗墙，右岸因施工不便及冲积层逐渐减薄的缘

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水利水电工程专业毕业设计

故改用粘土截水墙，厚度取0.8 m（由强度和防渗条件定）。防渗墙伸入心墙长度有接触面允许渗透坡降而定。上下游最大水位差为71.4 m，墙承担水力坡降J=71.4/0.8=89.25，采用混凝土标号B8便能满足要求。取防渗墙伸入心墙的长度由接触面允许渗透坡降而定，取[J]=5.0，则l=71.4/5.0=14.28 m，设计伸入斜心墙7 m，这样接触面长度为2×7+0.8=14.8 m＞14.28 m，防渗墙位置在心墙底面中心中部偏上。左岸坡截水墙按承受最大水头及粘土允许坡降为[J]=5.0取用，沿岸坡厚度逐渐变化。

图5-1 大坝基本剖面轮廓图

5.3 土料设计

筑坝材料的设计与土坝结构设计、施工方法及工程造价有关，一般力求坝体内材料分区简单，就近、就地取材，因材设计。土料设计主要任务是确定粘壤土的填筑干容重、含水量、砾质土的砾石含量、干容重、含水量，砂砾料的相对密度和干容重等指标。

第一，筑坝材料选择：

选择用来筑坝土石料调查和土工试验应分别按照《水利水电工程天然建筑材料勘察规程SL251-2000》和《土工试验规程SL237-1999》的有关规定，查明坝址附近各种天然土石料的性质储量和分布，以及枢纽建筑物开挖料的性质和可利用的数量。

在当地有多种适于筑坝的土石料时应进行技术经济比较后选用筑坝土石料选择应遵守下列原则：

(1) 具有或经加工处理后具有与其使用目的相适应的工程性质并具有长期稳定性.

(2) 就地就近取材减少弃料少占或不占农田并优先考虑枢纽建筑物开挖料的利用

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粘土斜心墙土石坝设计

(3) 便于开采运输和压实.

枢纽建筑物开挖料的利用应与天然土石料场开采料一样,从材料性质数量弃料对环境的影响,施工进度安排及工程费用等进行论证料场应统一规划. 料场开采或枢纽建筑物的开挖料原则上均可直接作为筑坝材料或经处理后用于坝的不同部位,但沼泽土膨润土和地表土不宜采用. 防渗土料应满足下列要求:

(1) 渗透系数均质坝不大于1*10-4 cm/s,心墙和斜墙不大于1*10-5cm/s. (2) 水溶盐含量指易溶盐和中溶盐(按质量计)不大于3%.

(3) 有机质含量(按质量计)均质坝不大于5%,心墙和斜墙不大于2%,超过此规定需进行论证

(4) 有较好的塑性和渗透稳定性. (5) 浸水与失水时体积变化小.

以下几种粘性土不宜作为坝的防渗体填筑料,必须采用时应根据其特性采取相应的措施:

(1) 塑性指数大于20和液限大于40%的冲积粘土 (2) 膨胀土

(3) 开挖压实困难的干硬粘土 (4) 冻土 (5) 分散性粘土

(6) 红粘土可用于填筑坝的防渗体用于高坝时应对其压缩性进行论证 经处理改性的分散性粘土仅可用于填筑级低坝的防渗体,其所选用的反滤料应经过试验验证,防渗体与坝基岸坡接触处等易产生集中渗流的部位以及易受雨水冲刷的坝表面不得

采用分散性粘土填筑.

湿陷性黄土或黄土状土可用于填筑防渗体,但压实后应不再具有湿陷性采用的反滤料级配应经过试验验证.

用于填筑防渗体的砾石土粒径大于5mm的颗粒含量不宜超过50%,最大粒径不宜大于150mm或铺土厚度的2/3,0.075mm以下的颗粒含量不应小于15%,填筑时不得发生粗料集中架空现象.

人工掺合砾石土中各种材料的掺合比例应经试验论证.

当采用含有可压碎的风化岩石或软岩的砾石土作防渗料时,其级配和物理力学指标应按碾压后的级配设计.

用膨胀土作为土石坝防渗料时填筑含水量应采用最优含水量的湿侧,并在顶部设盖重层,盖重层产生的约束应力应足以制约其膨胀性,盖重层应采用非膨胀

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土.

采用土工膜作为防渗体材料时应按照<>的规定执行.

反滤料过渡层料和排水体料应符合下列要求:

(1) 质地致密抗水性和抗风化性能满足工程运用条件的要求. (2) 具有要求的级配 (3) 具有要求的透水性

(4) 反滤料和排水体料中粒径小于0.075mm的颗粒含量应不超过5%. 反滤料可利用天然或经过筛选的砂砾石料也可采用块石砾石轧制或天然和轧制的掺合料.

3级低坝经过论证可采用土工织物作为反滤层

料场开采和建筑物开挖的无粘性土包括砂砾石,卵石,漂石等石料和风化料砾石土均可作为坝壳料并应根据材料性质用于坝壳的不同部位.

均匀中,细砂及粉砂可用于中低坝坝壳的干燥区,但地震区不宜采用. 采用风化石料和软岩填筑坝壳时,应按压实后的级配研究确定材料的物理力学指标,并应考虑浸水后抗剪强度的降低压缩性增加等不利情况,对软化系数低不能压碎成砾石土的风化

石料和软岩宜填筑在干燥区.

下游坝壳水下部位和上游坝壳水位变动区应采用透水料填筑。 开采坝壳堆石料应遵守下列规定

(1) 开采前应彻底清除覆盖层;

(2) 不同程度的风化料与新鲜石料应分区开采; (3) 易风化的软岩如泥岩页岩宜边开采边填筑; (4) 宜进行爆破设计必要时进行爆破试验.

护坡石料应采用质地致密抗水性和抗风化性能满足工程运用条件要求的硬岩石料.

第二，填筑要求：

填筑标准应根据以下因素综合研究确定 （1）坝的级别，高度，坝型和坝的不同部位； （2）土石料的压实特性和采用的压实机具；

（3）坝料的填筑干密度和含水率与力学性质的关系以及设计对土石料力学性质的要求；

（4）土料的天然干密度天然含水率以及土料进行干燥或湿润处理的程度； （5）当地气候条件对施工的影响；

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粘土斜心墙土石坝设计

（6）设计地震烈度及其他动荷载作用；γk （7）坝基土的强度和压缩性；

（8）不同填筑标准对造价和施工难易程度的影响。

含砾和不含砾的粘性土的填筑标准应以压实度和最优含水率作为设计控制指标。设计干密度应以击实最大干密度乘以压实度求得。

粘性土的压实度应符合下列要求：

（1）1级，2级坝和高坝的压实度应为98%~100%，3级中低坝及3级以下的中坝压实度应为96%~98%。

（2）设计地震烈度为8度，9度的地区宜取上述规定的大值。 （3）有特殊用途和性质特殊的土料的压实度宜另行确定。

粘性土的最大干密度和最优含水率应按照《SL237-1999土工试验规程》规定的击实试验方法求取，对于砾石土应按全料试样求取最大干密度和最优含水率。

砂砾石和砂的填筑标准应以相对密度为设计控制指标并应符合下列要求： (1) 砂砾石的相对密度不应低于0.75,砂的相对密度不应低于0.7,反滤料宜为0.7.

(2) 砂砾石中粗粒料含量小于50%时,应保证细料(小于5mm的颗粒)的相对密度也符合上述要求.

(3) 地震区的相对密度设计标准应符合<>.

堆石的填筑标准宜用孔隙率为设计控制指标并应符合下列要求:

(1) 土质防渗体分区坝和沥青混凝土心墙坝的堆石料,孔隙率宜为20%~28%. (2) 沥青混凝土面板坝堆石料的孔隙率宜在混凝土面板堆石坝和土质防渗体分区坝的孔隙率之间选择.

(3) 采用软岩风化岩石筑坝时孔隙率宜根据坝体变形应力及抗剪强度等要求确定.

(4) 设计地震烈度为8度,9度的地区可取上述孔隙率的小值.

堆石的碾压质量可用施工参数包括碾压设备的型号,振动频率及重量,行进速度,铺筑厚度碾压遍数等及干密度同时控制.

堆石碾压时宜加水加水量宜通过碾压试验确定,对于软化系数较高的硬岩堆石应通过碾压试验确定是否加水.

设计填筑标准应在施工初期通过碾压试验验证,当采用砾石土风化岩石软岩膨胀土湿陷性黄土等性质特殊的土石料时,对1级,2级坝和高坝宜进行专门的碾压试验论证其填筑标准.

粘性土的施工填筑含水率应根据土料性质填筑部位气候条件和施工机械等情

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况控制在最优含水率的-2%~+3%偏差范围以内有特殊用途和性质特殊的粘性土的填筑含水率应另行确定.

填筑含水率还应符合下列要求: 1．上限值

(1) 不影响压实和运输机械的正常运行;

(2) 施工期间土体内产生的孔隙压力不影响坝坡的稳定; (3) 在压实过程中不产生剪切破坏. 2．下限值

(1) 填土浸水后不致产生大量的附加沉降,使坝顶高程不满足设计要求,坝体发生裂缝以及在水压力作用下不产生水力劈裂等;

(2) 不致产生松土层而难以压实

在冬季负气温下填筑时应使土料在填筑过程中不冻结,粘性土的填筑含水率宜略低于塑限,砂和砂砾料中的细料部分的含水率宜小于4%,并适当提高填筑密度.

筑坝材料的设计与土坝结构设计、施工方法以及工程造价有关，一般力求坝体内材料分区简单，就地、就近取材，因材设计。

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。

土料设计的目的是确定粘性土的填筑干容重,含水量；砂砾料的相对密度和干容重；砾质土的砾石含量，干容重，含水量；堆石料的级配，干容重，孔隙率。要使土石坝有较小的变形，以防止裂缝；要使其有较高强度，以减少坝体断面；要使防渗体有较小渗透性，以保证渗流稳定性。从而使土石坝设计安全合理，经济可靠。

5.3.1 粘性土料设计

5.3.1.1 土料各项指标表

表5-2 土料各项指标表

序号 1 量 2 数 3 4 5 6 7 8 度 宜大于〉2 天然密9 项目 粘粒含塑性指渗透系数 有机水溶盐天然含PH 质含含量 水量 量 与最优〉7 含水量- 31 -

紧密密SO2/R2O3 防渗体15%~40% 10~20 碾压后小于<2% <3% 粘土料 10^（-5）粘土斜心墙土石坝设计

cm/s。并小于坝体透水料的50倍 5.3.1.2计算公式

及塑限相近为宜 度 黏壤土用南京水利科学研究所标准击实试验求最大干容重、最优含水量。应该

使土样最优含水量接近其塑限含水量，据此确定击数，一般用25击，击实功能86.3吨-米/米3。得出多组平均最大干容重?dmax 和平均最优含水量W，设计干容重为 ?d =P*?dmax （5-1）

式中：?d——设计填筑干容重

?dmax——标准击实试验最大干容重

P——施工条件系数，或称压实度，P值对于一二级坝或高坝采用0.98～

1.00，三四级坝或低坝采用0.96～0.98。本设计的P=0.98。

设计最优含水量取在塑限附近略高于塑限，可用下式拟定：

ω= ωp+ILIp （5-2）

式中：ωp——土料的塑限含水量，以小数计；

Ip——土料的塑性指数，以小数计；

IL——土料的液性指数，亦称稠度，高坝可取0.07～0.1，低坝可取0.10～

0.20。

粘性土料实际所能达到的设计干容重为：

?d = ?s(1-Va)/(1+w?s/?0) （5-3）

式中： Va——压实土体单位体积中的含气率，粘土0.05，壤土0.04，砂壤

土0.03；

?s——土粒容重； ω——填筑含水量。

再用下式校核 γd≥1.02~1.12(γd)o （5-4） 式中： γd——设计干容重；

(γd)o——土场自然干容重。

设计最优含水量为 ωop=ωop(平均)

一，二级坝还要进行现场碾压试验，以便于复核，并据此选定施工碾压参数。要求施工实际干容重的合格率，对1.2级坝的心墙斜墙，为90%，对3，4级坝的心墙斜墙及1，2级均质坝，为80%~90% 5.3.1.3 计算结果

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粘性土料设计的计算成果见表5-3

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粘土斜心墙土石坝设计

表5-3 粘性土料设计成果表

料 比 最大 场 重 GS 容重 ?dma (kN/m3) 1#下 2.67 15．696 22.07 15.539 23.14 19.46 22.52124.8 7 2#下 2.67 16.18621.02 16.02422.20 21.70 20.704 24.2 5 6 4 3#下 2.70 17.658 16.90 17.48120.00 14.00 16.274 15.9 42

0.580 19.11 1.06 28.00 34.00 3.00 1.90 0.080 6 0.990 17.35 0.81 10.93 16.37 0.82 23.17 49.57 1.90 2.20 21.50 49.9 3.96 0.25 0.110 0.110 6 1#上 2.65 15.30322.30 15.15025.00 24.57 23.777 25.6 2#上 2.74 15.10723.80 14.956 26.30 23.50 25.816 26.3 0.721 18.91 0.93 25.50 43.90 4.80 1.90 0.019 0.734 18.91 0.94 24.67 42.60 4.317 1.73 最优设计干含水容m3) 量（%） (g/c 塑限 塑性指填筑 ω（%） ω （%） 自然 （%） 孔隙比 湿容重 浮容重内摩擦液限 rw rb 角 φ (kN/m3(g/c ) m3) 渗透 有机含可容盐含量 10-6 （%） （%） 0.070 重含水量 数 p含水量 含水量 e （%） 系数 量 Ip 34

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粘土斜心墙土石坝设计

5.3.1.4 土料的选用

上下游共有5个粘土料场，储量丰富。因地理位置不同，各料场的物理性质，

力学性质和化学性质也存在一定差异，土料采用以“近而好”为原则。规范指出粘土的渗透系数大于10×10-6 cm/s,所有料场均满足要求。可容盐含量都不大于3%，1#上 的有机质含量为2.20%，大于规定的2%，故不予采用。2#下 和2#上 的塑性指数大于20%和液限大于40%，根据规范不能作为坝的防渗体材料。3#下 的渗透系数比1#下 的小，防渗性能好，最大干容重比1#下 的大，压缩性能好，且3#下 的含水量比1#下 小，施工时只需加水，故选3#下 为主料场，1#下 为副料场。

5.3.2 坝壳砂砾料设计

5.3.2.1砂砾料各项指标

表5-4 砂砾料各项指标表

序号 1 项目 砾石含量 指标 备注 5mm至相当3/4干燥区的渗透系数 填筑层厚度的可小些含泥量可适当 颗粒在20%~80%增加强震区砾石含量 范围内 下限应予提高砂砾料 中的砂料应尽可能采 用粗砂 2 3 4 5 紧密密度 〉2g/cm3 含泥量（粘粒及粉≤8% 粒） 内摩擦角 渗透系数 〉30o 10^(-3)cm/s 碾压后大于大于防渗体的50倍

5.3.2.2计算公式

砂砾料的压实特性与含水量关系不大,主要与颗粒级配与压实功能有关,常用相对密实度Dr表示.坝壳砂砾料填筑的设计指标以相对密实度表示如下：

Dr =(emax-e)/(emax-emin) （5-5） e=n/(1-n) （5-6） e=Gsρw/ρd-1 （5-7）

设计干容重 ?d =Gs*9.81/(1+e) （5-8）

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湿容重 γ=γd*（1+ω） （5-9） 浮容重 γ，=（Gs-1）*9.81/（1+e） （5-10） 式中： emax——最大孔隙比；

emin——最小孔隙比；

e——填筑的砂、砂卵石或地基原状砂、砂卵石的孔隙比; n——孔隙率。

砂砾石的相对密实度Dr要求不低于0.75；砂的相对密实度不应低于0.70，反滤层宜为0.70。地震情况下, 浸润线以上土体不低于0.7，浸润线以下土体按设计烈度大小Dr不低于0.75～0.85。当砂砾料中粗粒含量小于50%时,应保证细料(小于5mm的颗粒)的相对密实度满足以上要求. 5.3.2.3 计算成果 砂砾料的计算成果见表5-5

表5-5 砂砾料计算成果汇总表

不均匀系数Cu 43.87 26.12 26.41 39.81 50.12 42.66 66.07 45.71 >5mm砾石含量 （%） 46.8 47.7 52.1 45.4 45.8 42.2 43.3 45.4 比重 Gs 2.75 2.74 2.76 2.75 2.75 2.73 2.73 2.72 天然孔隙相对密实比 0.481 0.531 0.449 0.460 0.481 0.475 0.481 0.511 度Dr 0.732 0.612 0.810 0.784 0.732 0.748 0.732 0.662 设计干容重?d (g/cm) 18.216 17.56 18.686 18.478 18.216 18.157 18.083 17.659 3料场 .1#上 2#上 3#上 4#上 1#下 2#下 3#下 4#下 料场 设计孔隙比e 0.480 0.530 0.450 0.460 0.480 0.475 0.480 0.510 保持 湿容重w 浮容重 内摩擦角φ 粘聚力c 渗透系数K37

粘土斜心墙土石坝设计

含水量 ω（%） 1#上 2#上 3#上 4#上 1#下 2#下 3#下 4#下 5 5 5 5 5 5 5 5 (g/cm3) 19.127 18.438 19.62 19.402 19.127 19.065 18.987 18.542 (g/cm3) 11.592 11.149 11.916 11.759 11.592 11.506 11.459 11.167 35°10′ 36°00′ 35°40′ 36°30′ 35°20′ 36°40′ 35°50′ 37°10′ kPa （10-2cm/s） 0 0 0 0 0 0 0 0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 5.3.2.4 砂砾料的选用

土石坝的坝壳材料主要为了保持坝体的稳定性，要求有较高的强度。根据规范要求含泥量<8%,内摩擦角<30o,砾石含量在20%~80%之间,渗透系数k>10-3cm/s,均满足要求. 砂砾石的相对密实度Dr要求不低于0.75，上述料场中只有3#上 和4#

上

料场满足要求，其余料场不符合要求不予采用。下游坝壳水下部位和上游坝壳水

位变动区宜有较高的透水性，且具有抗渗和抗震稳定性，应优先选用不均匀和连续级配的砂石料。认为不均匀系数Cu=30～100时较易压实，η<5～10时则压实性能不好。而3#上 料场砂砾料的不均匀系数Cu=26.41＜30,不满足要求，从颗粒级配曲线上也可以看出，4#上料场的砂砾料颗粒级配较好，物理力学指标也较高，可优先使用，故选择4#上 料场作为砂砾料的主料场。

5.4 渗流计算

5.4.1 渗流计算方法

选择水力学方法解土坝渗流问题。根据坝内各部分渗流状况的特点，将坝体分为若干段，应用达西定理近似解土坝渗流问题，计算假定任一铅直过水断面内计算简图见图5—41。

通过防渗体渗流量：

K(H2?H12)K2(H1?T1)q1??T2Bsin?D （5-11）

各点渗透坡降均相等。本设计采用有限深透水地基上土石坝的渗流计算来求解。

通过防渗体后渗流量：

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K1(H1?T12)KT(H1?T1)q1??T2LL?0.44T1 （5-12）

假设：

①不考虑防渗体上游侧坝壳内的水头损失作用（坝壳的渗透系数k1=k2=2×10-2 cm/s，斜心墙的渗透系数k=4.317×10-6 cm/s，混凝土防渗墙采用B8，kd =0.216×10-8 cm/s，则可看出防渗墙的土料渗透系数k比坝壳土料k1、k2小103～104倍）

②由于砂砾料渗透系数较大且下游有排水，则认为逸出水与下游水位相差不大，认为不会形成逸出高度；

③将斜心墙简化成等厚度的矩形断面；

④对于岸坡断面，下游水位在坝底以下，水流从上往下流时由于横向落差，此时实际上不为平面渗流，但计算仍按平面渗流计算，近似认为下游水位为零，由于河床冲积层的作用，岸坡实际不会形成逸出点，计算时假定浸润线末端即为坝址；

⑤考虑到截水墙下面的玄武岩是坚硬的，渗透系数较小，所以认为墙下基岩表层的绕坝渗漏量为零。

25.4.2 计算断面与计算情况

计算断面；对于河床中间断面及左右对称的A—A、B—B、C—C三个典型断面进行渗流计算。

渗流计算包括以下水位组合情况： 1.上游正常水位与相应的下游最低水位 2.上游设计水位与下游相应的水位 3.上游校核水位与下游相应的水位

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粘土斜心墙土石坝设计

图5-1 渗流计算简图

5.4.3 计算结果

表5-5 渗流计算结果汇总表

计算情况 计算项目 （m） （m） （m） 渗流量q Ⅰ-Ⅰ Ⅲ-Ⅲ Ⅱ-Ⅱ Ⅲ-Ⅲ Ⅱ-Ⅱ Ⅲ-Ⅲ Ⅰ-Ⅰ Ⅲ-Ⅲ 40

(10-6m3/s.m) Ⅱ-Ⅱ 73.6 33.6 48.6 2.2 0 0 2.63 0.041 0.237 6.12 1.48 3.45 74.7 34.7 49.7 5.3 0 0 2.94 0.047 0.282 6.35 1.83 3.83 75.6 35.6 50.6 5.5 0 0 3.11 0.056 0.325 6.47 2.07 4.37 上游水深H Ⅱ-Ⅱ 下游水深T1 Ⅰ-Ⅰ 正常蓄水位 设计洪水位 校核洪水位 逸出水深H1 Ⅰ-Ⅰ

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5.4.4 渗透稳定验算

斜心墙之后的坝壳，由于水头大部分在防渗体内部损耗，坝壳渗透坡降及渗透速度甚小，发生渗透破坏的可能性不大，而在防渗墙与粘土斜心墙的接触面是按允许坡降设计的估计问题也不大。

在斜心墙逸出点，渗透坡降较大，予以验算。渗透逸出点坡降见表5-6。

表5-6 各种工况渗流逸出点坡降

断 面 工 况 坡 降 J I-I 正常蓄水位 3.47 II-II 设计洪水位 3.93 III-III 校核洪水位 3.38 填筑土料的安全坡降，根据实践经验一般为5～10，故而认为渗透坡降满足要求，加上粘土斜心墙设有反滤层，故而认为不会发生渗透破坏。

5.4.5 成果分析与结论

工程采用心墙、混凝土防渗墙，粘土截水槽作为防渗措施。单宽渗流量相对较小，考虑绕坝渗流以及岩基透水、防渗墙的渗透系数可能取值偏小等因素，估计渗透流量会略有增大。但认为坝的渗透坡降仍满足设计要求。

5.5 稳定分析计算

土石坝在自重、水荷载、渗透力和地震荷载等作用下，若剖面尺寸不当或坝体、坝基土料的抗剪强度不足，坝体或坝体连同坝基有可能发生失稳。当坝基内有软弱夹层，有可能发生塑性流动。另外，饱和细沙受地震作用还可能发生液化失稳。土石坝稳定分析的目的在于分析坝体及地基在各种不同的工作条件下可能发生的失稳形式，检验其稳定性，并经反复修改确定出经济断面。本设计中的稳定分析，主要指边坡的抗滑稳定。稳定分析计算的目的在于分析坝坡在各种不同工作条件下可能产生的失稳形式，校核其稳定性。

土石坝滑滑动面的形状与坝体结构，坝基地质条件及坝的工作条件有关，大致有以下几种：曲线滑动面、折线滑动面及复式滑动面等三种。

曲线滑动面为顶部陡而底部渐缓的曲面，曲面近似圆弧。稳定分析中多以圆弧代替，多发生在粘性土坡中。

折线滑动面多发生在非粘性土坡，如薄心墙坝、斜墙坝坝体中。当土坡进水时，滑动面折点一般在水位附近。

复式滑动面多发生在厚心墙坝或由粘土及非粘土构成的多种土质坝中。当坝基内有软弱夹层时，滑动面不再往下深切，而是夹层形成曲直面组合复式滑动面。

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粘土斜心墙土石坝设计

土石坝所受的荷载包括坝体自重，渗透压力，孔隙水压力，地震荷载等。其中，我们考虑了坝体自重及地震荷载两种力。在考虑坝体自重的时候，应根据其位于水上，上下的情况分别选取湿容重，浮容重计算。

5.5.1 计算方法

以简化折线滑动法为理论基础，相关公式见SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》、《土力学》、《水工建筑物》等参考文献，并假设滑动面只在坝壳中，而防渗体不连同坝壳一起滑动。

滑动面上的抗剪强度利用充分程度应该是一样的，其安全系数表达方式为：

tan?i?tan?i Fs （5-13）

式中：Fs——安全系数；

??i?——试验得到的抗剪强度指标。

假设滑动面的三点A、D、C（按一定步长确定这三点的坐标），且滑动面不会切到心墙。其中A点在坝脚斜坡面上移动，但不会到达坝顶，D点为折坡点，C点在坝体计算那一面的表面上移动，可以到达坝顶，但不会移动到坝体的另一侧。其他字母如图所示。

D点将滑动体ADCBE分成两个滑动块DEBC和ADE，各块重量分别为W1和W2，土体抗剪强度为φ。

计算时先假定不同的安全系数Kc，从滑块DEBC的平衡条件中求出P，然后将其作用在ADE上，看它是否与W2、Q2等平衡，如不平衡则重新假定安全系数，重复上述步骤直到平衡为止，此时的Kc即为该滑动面的安全系数。

其中，在水位以上的土体所受的重力，用面积乘以天然容重，水位以下，由于浮力作用，乘以浮容重得到。Qi为水平地震惯性力，其值为惯性系数aij乘以相应土体的重量，所有力都可以简化到形心处，只考虑力的平衡，不考虑力矩的平衡。

设计中为简化程序起见，还进行了以下假定：滑面ED铅直，条间力pi，作用方向总是和上一个土体平行。这些假定会对计算结果的精确度产生一定影响，但总体影响不是太大，近似计算中可以忽略。 6.5.2 计算程序流程图

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选择工况

选择坝坡面 ` 取折线滑动面上的三个控制点坐标 斜率检验 不满足

滑动块分块并

计算各块边长

调用area通用程 序计算各块面计算各块的 G

不满足

判别式判断 保存数据

5.5.2 工况选择与稳定计算成果

稳定计算中需选取不利工况和不利部位进行稳定计算，本设计中对上下游坡分上游坡：1）正常蓄水位2823.6m 2）正常蓄水位2827.2m+地震。 下游坡：1）正常蓄水位2823.6m 2）正常蓄水位2823.6m+地震。

别计算以下几种工况下的安全系数：

计算以上几种工况下的上下游坝坡的最小安全系数，计算成果见表5-7。

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表5-7 各种工况上下游坝坡稳定计算成果

部位 上游坡 下游坡 组合情况 正常蓄水位2823.6 m 正常蓄水位+地震 正常蓄水位2823.6 m 正常蓄水位+地震 最小安全系数Kmin 2.078 1.734 1.957 1.629 5.5.3 稳定成果分析

主要建筑物土坝的等级为Ⅱ级，查规范可知其坝坡抗滑稳定的安全系数应满足以下条件：正常运用条件下不低于1.35，非常运用条件Ⅰ时不低于1.25，非常运用条件Ⅱ时不低于1.15。

表5-7中各工况下的安全系数均满足要求，且坝坡的稳定安全系数偏大，就此而言，可考虑加陡坝坡以节省工程量。但鉴于进行稳定计算时所作的假设条件可能与实际不符等因素，故而不改变坝坡，维持原拟定剖面尺寸不变。

5.6 大坝基础处理

相对于混凝土坝而言，土石坝对地基的要求是较低的。但从解决地基渗漏、承载力、振动液化等问题考虑，通常需对不同地基采用不同的处理方案，从而使土石坝建设经济合理，安全可靠。设计中根据坝基的实际情况对河床段与河岸段分别进行地基处理。

5.6.1 河床地基处理

5.6.1.1 渗流控制方案

条件允许时优先考虑垂直防渗方案，因为垂直防渗设施能可靠而有效地截断坝基渗透水流，在透水层较浅（10 m~15 m以下）时，可采用回填粘土截水槽方案，由于坝址处河床冲积层平均深20 m，最大达32 m，施工比较困难，不宜采用。又由于河床有孤石，采用钢板桩也较困难，造价也高。帷幕灌浆在此地也存在可灌性问题。混凝土防渗墙方案，施工快、材料省、防渗效果好，且适用于覆盖层较厚的砂砾石地基，因此采用此方案。按混凝土允许坡降及水头定出厚度为0.8 m。 防渗墙深入河床冲积层，底部嵌入基岩，上部则与斜心墙连接，以增加接触渗径。由于防渗墙两侧冲积层易沉陷，引起防渗墙顶部粘土心墙与两侧粘土心墙的不均匀沉陷而导致裂缝，为此防渗墙顶部做成尖劈型，两侧以高塑性粘土填筑，

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以适应不均匀沉陷。同时也可保证土体与墙体在不均匀沉陷过程中能紧密相贴而不至于形成空隙而集中渗漏，伸入斜心墙的深度已经确定为7 m，底部深入基岩0.6 m，尖劈顶宽0.25 m。详见下文的构造设计。 5.6.1.2 防渗墙的型式、材料及布置

混凝土截水墙（人工开挖深槽）：一般是上部的12 m~15 m厚的透水层，敞口开挖明槽，填筑土截水墙，下部10余米开挖直槽，浇筑混凝土截水墙。适用于无造孔机具而建造混凝土截水墙。

土截水墙：要求坝基冲击层小于15m，以使截水墙达到基岩表面，否则在截水槽的深度开挖中，槽壁的稳定不易保持。

防渗铺盖：是一种水平防渗设备，其结构简单、可靠、造价低廉。当采用铅直防渗设备有困难或不经济时可采用这种型式。这种处理方式不能完全截断渗流，但可增长渗径、降低渗透坡降、减少渗流量。

泥浆槽防渗墙：在较厚的透水地基上开挖泥浆槽，不但非常困难，而且工程量大，所需的防渗墙体厚，墙体回填的不均匀沉陷难于控制。

混凝土防渗墙（机钻造孔槽）：当透水坝基的厚度大于31 m时，如用土撑法开挖直井，浇筑混凝土截水墙，则施工困难，工期长，造价高，故应采用机械造孔，浇筑混凝土防渗墙。

混凝土防渗墙有柱列式混凝土防渗墙和板槽式混凝土防渗墙两种形式，柱列式是用冲击钻或回转钻将砂卵石层钻成圆孔。钻孔时用泥浆固壁，并带出钻屑；钻到基岩后，用循环泥浆清除孔底碎屑，在泥浆下浇筑混凝土。板槽式是用冲击钻或挖沟机在砂卵石层中造成直立槽孔，造孔时用泥浆固壁，并带出钻屑；钻到基岩清孔后，在泥浆下浇筑混凝土墙。

针对本坝址具体情况，并根据以往经验，对于透水层厚度为30 m~60 m的情况，采用板槽式混凝土防渗墙比较合适，设计中采用这种形式。

混凝土防渗墙对材料有如下要求：①应有足够的抗渗能力及耐久性，能防止环境水的侵蚀和溶蚀；②有一定强度，能满足压应力、拉应力和剪应力等各项强度的要求；③要求有良好的流动性、和易性以及在运输过程中不发生离析现象，且能在水下硬化，骨料粒径不宜过大等，以便于用导管法在泥浆下浇注。 防渗墙布置于斜心墙之下，从防渗角度来看偏上游为好，但从防裂角度来看偏下游一点为好，综合考虑布置于心墙底面中心偏上

5.6.2 反滤层设计

在渗流出口与进入排水处，渗透坡降较大，流速较高，土壤易发生渗透变形。为防止土体在渗流作用下发生渗透变形，在坝壳与防渗体之间、排水与坝体之间

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须设置反滤层。

（1）被保护土为无粘性土料，且不均匀系数Cu≥5-8时，其第一层反滤层的级配应按下式计算确定：

D15/d85≤4～5 （5-14） D15/d15≥5 （5-15）

式中：D15——反滤料粒径，小于该粒径土占土总重的15%

d85——被保护土粒径，小于该粒径的土占总土重的85% d15——被保护土粒径，小于该粒径土占土总重的15%

对于以下的情况，按下列方法处理后，仍可以用上面的方法来判断选取反滤层： ① 对于不均匀系数Cu>8的被保护土，宜取Cu≦5-8的细粒部分的d85、d15作为计算粒径；对于级配不连续的被保护土，应取级配曲线平段以下（一般是1-5mm粒径）细粒部分的d85、d15做为计算粒径。（本设计的土料属于这种情况。） ② 当第一层反滤层的不均匀系数Cu>5-8时，应控制大于5mm的颗粒含量小于60%，选用5mm以下的细粒部分的d85、d15作为计算粒径。

（2）当被保护土为粘性土时，其第一层反滤层的级配应按下列方法确定： ① 滤土要求

根据被保护土小于0.075mm颗粒含量的百分数不同，而采用不同的方法。 当被保护土含有大于5mm颗粒时，应按小于5mm颗粒级配确定小于0.075m颗粒含量百分数，及按小于5mm颗粒级配的d85作为计算粒径。当被保护土不含大于5mm颗粒时，应按全料确定小于0.075mm颗粒含量的百分数，及按全料的d85作为计算粒径。

1） 对于小于0.075mm颗粒含量大于85%的土，其反滤层可按下式确定：

D15≦9d85 （5-16） 当9d85≦0.2mm时，取D15等于0.2mm。

2） 对于小于0.075mm颗粒含量为40%-85%的土，其反滤层可按下式确定：

D15≦0.7mm（本设计的土料属于这种情况） （5-17）

3） 对于小于0.075mm颗粒含量为15%-39%的土，其反滤层按下式确定：

D15≦0.7mm+（40-A）（4d15-0.7mm）/25 （5-18） 式中 A---小于0.075mm颗粒含量，%。若4d85≦0.75，应取0.7mm。

② 排水要求

D15≥4d15 （5-19） 式中的d15应为全料的d15，当4d15<0.1mm时，应取D15不小于0.1mm。 选择第二、第三层反滤料时也按以上方法确定。但选择第二层反滤料时，以第一层为被保护土；选择第三层时以第三层为被保护；以此类推。根据这些原则

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设计各个反滤层。反滤层的厚度应根据材料的级配，料源，用途等情况综合确定。水平反滤层的最小厚度可采用30cm，垂直或倾斜的反滤层的厚度可采用50cm。采用机械化施工时，最小的水平厚度视施工方案而定，但不宜小于3.0cm。 设计结果

防渗体部位：第一层D15=0.6mm厚80cm,使用1＃下料场；

第一层反滤层与坝壳之间，D15/d85 ≤ 4～5 D15/d15 < 5不满足反滤要求，需要设置第二层反滤层。以第一层反滤层为被保护土，设置第二层反滤层。

第二层D15=5mm 厚30cm,无现成料场，需人工配置，绘制颗粒级配曲线； 第二层反滤层与第一层反滤层之间，D15/d85 ≤ 4～5 D15/d15 > 5 满足反滤要求，不需要设置第三层反滤层。

排水部位： 第一层D15=5mm 厚50cm,无现成料场，需人工配置，绘制颗粒级配曲线

5.7 护坡设计

土石坝的上下游一般都要设置护坡。上游护坡的作用是为防止波浪淘刷，冰层或漂浮物的损害，顺坝水流冲刷等危害；下游护坡的作用是防止雨水冲刷，风浪，冰层和水流、动物、冻胀干裂等对坝的破坏。如下游坡是由堆石，卵石，碎石砌成，可不设护坡。

干砌石护坡在最大局部浪压力下所需的换算球形直径D、质量Q、平均粒径D50、平均质量Q50按以下诸式计算：

m2?1D?0.85D50?1.018Kt?hp (5-20)

?K??wm(m?2)?wQ?0.85Q50?0.525?KD3 (5-21) 式中：D、 D50——石块的换算球形直径和平均粒径，m；

Q 、Q50——石块的质量和平均质量，t； Kt——随坡率变化的系数，对m=2.5，Kt=1.3； Ρk、ρw——石块和水的密度 护坡厚度t按下式计算:

当Lm/hp≤15时；t?当Lm/hp〉15时；t?1.67D (5-22) Kt1.82D (5-23) Kt式中:Lm——平均波长，m；

hp——累积频率为5%的波高,m

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上游坡采用干砌石，该型式护坡抵御风浪的能力较强，砌石层厚1.53m，下设0.2m碎石垫层以防水流淘刷；下游坝面直接铺上0.2m的碎石作为护坡。上游坡上做至坝顶，下做到死水位以下6m，设计中取为2790.0m高程；下游坡做到排水顶部。

5.8 坝顶布置

坝顶设置黄泥灌浆碎石路面，坝顶向下游设2%横坡以便汇集雨水，并设置纵构造见图。 向排水沟，经坡面排水排至下游。

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第六章 泄水建筑物设计

6.1 泄水方案选择

坝址地带河谷较窄、土坡较陡、山脊高，经过比较枢纽布置于河湾地段。由于两岸山坡陡峻，无天然垭口，如采用明挖溢洪道的泄洪方案，开挖量大，造价较高，故采用隧洞泄洪方案。为缩短长度、减少工程量，隧洞布置于凸岸(右岸)，

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