河海函授2012届土石坝毕业设计说明书

目 录

第一章 设计的主要内容 ..................................... 3 第一节 工程等别及建筑物级别 ...................................... 3 第二节 洪水调节计算 .............................................. 3 第三节 坝型选择与枢纽布置 ........................................ 4 第四节 大坝设计 .................................................. 4 第五节 泄水建筑物设计 ............................................ 5 第二章 工程设计资料 ...................................... 7 第一节 工程枢纽概况 ...................................... 7 第二节 枢纽任务 .......................................... 7 第三节 工程地质概况 ..................................... 18 第四节 气象特性 ......................................... 14 第五节 水文特性 ........................................ 182 第六节 工程枢纽概况 .................................... 124 第七节 经济资料 ......................................... 18 第三章 工程任务和规模 .................................... 19 第一节 工程任务 ................................................. 19 第二节 工程规模 ................................................. 20 第三节 洪水调节计算 ............................................. 20 第四章 枢纽布置及主要建筑物设计 ........................... 24 第一节 坝型选择及枢纽布置 ....................................... 24 第二节 大坝设计 ................................................. 28 第三节 土料设计 ................................................. 36 第四节 渗流计算 ................................................. 39 第五节 稳定计算 ................................................. 45 第六节 基础处理 ................................................. 47 第七节 细部构造设计 ............................................. 48 第五章 泄水建筑物设计 ..................................... 54

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第一节 泄水方案选择 ............................................. 54 第二节 隧洞选线与布置 ........................................... 54 第三节 隧洞的体型设计 ........................................... 55 第四节 隧洞的水力计算 ........................................... 57 第五节 隧洞的细部构造 ........................................... 62 第六节 放空洞设计 ............................................... 63 第六章 施工组织设计 ..................................... 66 第一节 施工导流计划 ............................................. 66 第二节 施工控制性进度 ........................................... 69 主要参考资料 ............................................. 71

附件：毕业设计土石坝工程计算书 附图一：土石坝枢纽工程平面总布置图 附图二：大坝典型剖面设计及下游立视图 附图三：大坝细部结构设计祥图 附图四：泄洪隧洞设计纵剖面布置图 附图五：泄洪隧洞细部结构设计祥图

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第一章 设计的主要内容

E江水利枢纽系防洪、发电、灌溉、渔业等综合利用的水利工程，该水利枢纽工程由土石坝、泄洪隧洞、冲沙放空洞、引水隧洞、发电站等建筑物组成。

该工程建成以后，可减轻洪水对下游城镇、厂矿和农村的威胁，根据下游防洪要求，设计洪水时最大下泄流量限制为900 m3/s，本次经调洪计算100年一遇设计洪水时，下泄洪峰流量为672.6m3/s。原100年一遇设计洪峰流量为1680 m3/s，水库消减洪峰流量1007.4 m3/s；其发电站装机为3×8000kw，共2.4×104kw；建成水库增加保灌面积10万亩，正常蓄水位时，水库面积为15.16km2。 第一节 工程等别及建筑物级别

根据SDJ12-1978《水利水电枢纽工程等级划分设计标准（山区，丘陵区部分）》之规定，水利水电枢纽工程根据其工程规模﹑效益及在国民经济中的重要性划分为五类，综合考虑水库的总库容、防洪库容、灌溉面积、电站的装机容量等，工程规模由库容决定，由于该工程正常蓄水位为2821.4m，相应兴利库容约为3.85亿m3，估计校核情况下的库容不会超过10亿m3，故根据标准（SDJ12-1978），该工程等别为二等，工程规模属于大（2）型，主要建筑物为2级，次要建筑物为3级，临时性建筑物级别为4级。 第二节 洪水调节计算

该工程主要建筑物级别为2级，根据《防洪标准》（GB50201-94）规定2级建筑物土坝堆石坝的防洪标准采用100年一遇设计，2000

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年一遇校核，水电站厂房防洪标准采用50年一遇设计，500年一遇校核。临时性建筑物防洪标准采用20年一遇标准。

根据资料统计分析得100年一遇设计洪峰流量为Q设= 1680m3/s（p=1%），2000年一遇校核洪峰流量为Q校=2320m3/s，（p?0.05%）。

根据选定的方案调洪演算的设计洪水位为2822.60m，校核洪水位为2823.58m，设计泄洪流量672.6m3/s,校核泄洪流量753.7m3/s。 第三节 坝型选择与枢纽布置

通过各种不同的坝型进行定性的分析比较，综合考虑地形条件、地质条件、建筑材料、施工条件、综合效益等因素，最终选择土石坝的方案。

根据工程功能以及满足正常运行管理要求，该枢纽由土石坝、泄洪隧洞、冲沙放空洞、水电站（包括：引水隧洞、调压井、压力管道、电站厂房、开关站）等建筑物组成。

本次根据工程经济性、正常运行安全稳定性以及地形地质条件等各方面因素要求，并且将冲沙放空洞和泄洪隧洞与施工导流隧洞相结合对枢纽建筑物进行了布置。 第四节 大坝设计

根据方案比较分析，斜心墙坝综合了心墙坝与斜墙坝的优点，斜心墙有足够的斜度，能减弱坝壳对心墙的拱效应作用；斜心墙坝对下游支承棱体的沉陷不如斜墙那样敏感，但斜心墙坝的应力状态较好，故本次设计大坝坝型采用粘土斜心墙坝。

根据计算大坝坝顶高程由校核情况控制为2825.17m，取

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2825.2m。最大坝高为75.2m，大于70m，属高坝，故综合各方面因素可取该土石坝坝顶宽度为10m。

根据规范规定与实际结合，上游坝坡坡比上部取2.5，下部取3.0，下游坝坡坡比自上而下均取2.5，上游坝坡在2787.6m高程、下游坝坡在2800m及2775m高程处均设置1.5～2m宽的马道（戗道）以使汇集坝面的雨水，防止冲刷坝坡，并同时兼作交通、观测、检修之用，综合上述等各方面因素其宽度取为2.0m。

本次设计，大坝坝脚排水体采用棱体排水措施，按规范棱体顶面高程高出下游最高水位1m为原则，校核洪水时下游水位可由坝址流量水位曲线查得为2755.22m，最后取棱体顶面高程为2756.3m，堆石棱体内坡取1:1.5，外坡取1:2.0，顶宽2.0m，下游水位以上用贴坡排水。

大坝坝体防渗采用粘土斜心墙，坝基采用混凝土防渗墙。 第五节 泄水建筑物设计

坝址地带河谷较窄，山坡陡峻，山脊高，经过比较枢纽布置于河弯地段。由于两岸山坡陡峻，无天然垭口如采取明挖溢洪道的泄洪方案，开挖量大，造价较高，故采用了隧洞泄洪方案。隧洞布置于岸（右岸），采取“龙抬头”无压泄洪的型式与施工导流洞结合。为满足水库放空水位2770.0m的要求，还与导流洞结合设置了放空洞。

根据调洪演算和计算比选确定溢流孔口尺寸7m×15.5m，洞身尺寸为7m?11.0m，根据以往经验溢流孔口后以1:1坡度连接，反弧段以60.0m半径圆弧相连接。

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表2-9 粘土的物理力学性质

物 理 性 质 料 自场 然 含名 水 量 称 (%) (kN/m3) 自然 容重 比 湿 干 重 孔隙率 (%) 孔隙比 流限 塑限 塑性指稠度 饱和度 >2 2~ 0.5~ 0.5 0.05 颗粒级配（成分%，粒径d） 砂 砾 粗中 细 粉 0.05 ~ 粘土 < 击实 渗 透 系 最 大 干 密 最优数 内摩擦角 （°） 凝聚力 力学性质 剪力 固 结 压 缩 系 数 化学性 有机含量灼热(%) 可溶盐含量 含(10-6 水cm/s) (%0 (%) 数 0.005 度 量 mm 0.005 mm mm mm (g/cm3) (%) mm kPa (cm2/kg) 法 (%) 35.48 33.23 1.60 22.07 4.317 24.67 24.0 0.021 1.73 0.070 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 41.75 32.25 1.65 21.02 4.80 25.50 23.0 0.020 1.90 0.019 2#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 31.00 34.67 1.56 22.30 1.90 23.17 25.0 0.026 2.20 0.110 1#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 36.20 34.30 1.54 23.80 3.96 21.50 38.0 0.033 0.25 0.110 2#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 35.00 19.60 1.80 16.90 3.00 28.00 17.0 0.010 1.90 0.080 3#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 12.00

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表2-10 砂砾石的颗粒级配

颗 直 粒 径 含 量 % 料 场 300~100 (mm) 100~60 (mm) 18.6 17.8 15.4 18.3 14.1 19.2 23.1 22.4 60~ 20~ 20 (mm) 21.4 20.3 18.5 19.4 20.1 22.4 19.1 18.7 2.5 (mm) 12.3 14.1 15.3 16.4 23.2 18.7 14.2 14.1 2.5~ 1.2 (mm) 18.6 17.8 16.4 15.6 14.9 19.1 18.4 17.9 1.2~0.6 (mm) 13.9 14.8 20.5 16.7 0.6~0.3 (mm) 0.3~0.15 (mm) <0.15 (mm) 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 5.4 4.6 0.3 4.6 5.3 0.5 3.5 6.2 0.4 4.8 2.5 0.3 7.2 8.6 7.2 0.2 8.3 5.7 2.8 0.1 8.9 6.3 4.1 0.9 14.4 4.1 3.6 0.7 表2-11 砂砾石的物理性质

名称 容重（kN/m31#上 18.6 2.75 32.5 2#上 17.9 2.74 34.7 3#上 19.1 2.76 31.0 4#上 19.0 2.75 31.5 1#下 18.6 2.75 32.5 2#下 18.5 2.73 32.2 3#下 18.4 2.73 32.5 4#下 18.0 2.72 33.8 ） 比重 孔隙率(%) 软弱颗粒（%） 2.0 1.5 0.9 1.2 2.5 0.8 1.0 1.2

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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2.0×10-2cm/s左右。最大孔隙率0.44，最小孔隙率0.27。

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′

七、经济资料 （一）、库区经济

流域内都为农业人口，多种植稻米、玉米等。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） 淹没人口（人） 淹没土地（亩） （二）、交通运输 坝址下游120km处有铁路干线通过，已建成公路离坝址仅20km，

因此交通尚称方便。

2807 2812 2817 2822 2827 2832 3500 3640 3890 4060 5320 7140 3000 3220 3410 3600 4600 6100

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第三章 工程任务和规模

第一节 工程任务

本工程同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合利用。 一、发电

装机24MW，多年平均发电量为1.05亿度。本电站装3台8MW机组。正常蓄水位2821.4m，汛期限制水位可取与正常蓄水位相等，死水位为2796.0m，3台机组满发时的流量为44.1m3/s，尾水位为2752.2m。厂房型式为引水式厂房，厂房平面尺寸为32×13m，发电机高程为2760.0m，尾水管底高程为2748.0m，厂房顶高程为2772.0m。副厂房平面尺寸为36×6m。开关站尺寸为30×20m。

二、灌溉

增加保灌面积10万亩。 三、防洪

可减轻洪水对下游城镇、厂矿和农村的威胁。根据防洪要求，设计洪水时最大下泄流量限制为900m3/s。

四、渔业

正常蓄水位时，水库面积为15.16km2，为发展养殖业创造了有利条件。

五、其它

引水隧洞进口底高程为2789.00m，出口底高程为2752.30m；引水隧洞直径为4.0m，压力钢管直径为2.3m，调压井直径为12.0m，放空洞直径为2.5m。可放空水库至水位2770.00mm。

根据工程任务，本枢纽主要建筑物应包括：拦河大坝、泄洪隧洞、放空隧洞、引水隧洞及电站厂房等。本次毕业设计仅对大坝与泄洪隧洞进行设计。

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第二节 工程规模

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）规定，水利水电枢纽工程根据其工程规模﹑效益及在国民经济中的重要性划分为五类，综合考虑水库的总库容、防洪库容、灌溉面积、电站的装机容量等，本枢纽工程规模由总库容决定，根据提供的水库水位～面积～库容曲线及正常蓄水位2821.4m，则相应兴利库容约为3.85亿m3，校核情况下的库容小于10亿m3，所以该工程等别为确定为二等，工程规模属于大（2）型，主要建筑物为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物级别为4级。 第三节 洪水调节计算

一、设计洪水与校核洪水

该枢纽工程主要建筑物级别为2级。根据《防洪标准》（GB50201-94）规定2级挡、泄水建筑物的防洪标准采用100年一遇设计、2000年一遇校核。本河流属典型山区河流，洪水暴涨暴落，由表2-4查得设计洪峰流量Q设=1680m3/s（P=1%），校核洪峰流量Q校=2320m3/s（P=0.05%）。采用以峰控制的同倍比放大法对典型洪水进行放大，分别得设计洪水与校核洪水过程线。设计洪水过程线成果见表3-1。

表3-1 E江水利枢纽工程坝址处设计洪水过程线 时段 典型 设计 校核 时段 典型 设计 校核 （Δ洪水 洪水 洪水 （Δt=3） 洪水 洪水 洪水 t=3） 1 2 3 4 5

0 0.0 0.0 17 18 19 20 21 15.0 211.8 292.4 13.0 183.5 253.4 11.5 162.4 224.2 10.0 141.2 195.0 10.0 141.2 195.0 20

5.0 70.6 97.5 15.0 211.8 292.4 30.0 423.5 584.9 80.0 1129.4 1559.7

最小安全上游水位 下游水位 部位 计算工况 （m） 施工期1/3坝高 稳定渗流期 上 2823.58~2游 坡 正常蓄水位+地2821.4 震 稳定渗流期（正2821.4 常） 稳定渗流期（设下 计） 游 稳定渗流期（校坡 核） 正常蓄水位+地2821.4 震 三、稳定成果分析

根据计算成果表可看出大坝上下游坡稳定均满足规范要求，由于上游坝坡较缓，稳定渗流期以及库水位降低期，不考虑地震时，Kmin=1.42，考虑地震时，Kmin=1.26；下游坡情况也类似，正常情况Kmin=1.58，非常情况Kmin1.52，坝的稳定安全系数偏大，就此而言，

系数（m） （Kmin） 2775 2821.4 2752.20 2755.06 —— 796 2752.20 1.26 1.43 1.42 1.39 规范值 1.35 1.35 1.25 水位降落期 1.15 2752.20 1.58 1.35 2822.60 2755.06 1.58 1.35 2823.58 2755.22 1.52 1.25 2752.20 1.41 1.15 46

可考虑加陡坝坡以减小工程量.鉴于各种因素考虑不全，实际安全系数可能要小些，故而不改变坝坡，维持原拟订的剖面。 第六节 基础处理 一、河床部分

（一）、渗流控制方案。条件允许时优先考虑垂直防渗方案。在透水层较浅（10～15m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20m，最大达32m，施工比较困难而不予采用。又由于河床有孤石，采用钢板也比较困难，造价也高。帷幕灌浆在此地存在可灌性问题。混凝土防渗墙方案，施工快、材料省、防渗效果好，对于这种深度透水层是比较合适的，决定采用这种方案。按混凝土的允许坡降及水头定出厚度为0.90m。

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。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，为此防渗墙顶部作成尖劈状，两侧以高塑性粘土填筑，伸入斜心墙的深度已经确定为7m，底部深入基岩0.5m，尖劈顶宽0.25m。

2、防渗墙的型式、材料及布置。根据以往经验，对于透水层厚度为30～60m的情况，采用槽板式混凝土防渗墙比较合适，设计中采用这种型式。

混凝土防渗墙要求材料有足够的抗渗能力及耐久性，能防止环境水的侵蚀和溶蚀；有一定的强度，满足压应力、拉应力、剪应力等各项强度要求有良好的流动性、和易性以便在运输中不发生离折现

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象，而且能在水下施工。

防渗墙布置于斜心墙之下，从防渗角度来看偏上游为好，但从防裂角度看偏下游一点好，综合考虑布置于心墙底面中心偏上。 二、坝肩处理

坝肩两岸为覆盖层及全风化岩石，深约20m，性质较差，为良好的透水料，底部为半风化岩石，性质较好，但由于节理的作用，透水性也较强。针对以上情况作以下处理：挖粘土截水槽至半风化岩基，基岩与粘土接触面设置混凝土齿墙，齿墙与河床部分防渗墙相连，在齿墙下设置灌浆孔，详见细部构造设计。 第七节 细部构造设计

一、大坝的防渗体设计

坝体防渗体为粘土斜心墙，心墙上下游均设置反滤层；坝基防渗体为混凝土防渗墙和粘土截水墙（具体根据各坝段地质情况确定方案）。

二、护坡设计

为防止坝身受风浪淘刷及雨水冲刷，同时考虑到当地石料开采运输比较方便，且石料储量丰富，本次设计对上游坝坡拟采用干砌石进行护砌、下游坝坡拟采用碎石护坡。

护坡的覆盖范围：考虑到工程施工实际情况，设计上游坝坡于高程2787.6m起坡护砌至坝顶，护坡底部采用浆砌石压脚；下游坝坡由排水棱体顶护至坝顶。

结合工程经验，确定上游坝坡块石护坡厚度为0.50m，护坡下部

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设0.20m厚碎石垫层；下游坝坡碎石护坡厚度为0.2m。

在坡脚、坡顶以及坝坡与岸坡的接合部，均设置浆砌石结构压顶或隔埂，结构尺寸宽×高为0.4×0.6m。

三、坝面排水设计

为避免雨水漫流冲刷坝坡，在下游坝坡上设置纵、横排水沟，横向排水沟断面尺寸0.3×0.2m，纵向排水沟断面尺寸0.4×0.3m，均为浆砌石结构。横向排水沟垂直坝轴线方向布置于下游坝面，坝面设置2条横向排水沟，结合踏步布置，大坝下游坡面与两岸交接处各设一条岸坡排水沟；纵向排水沟在下游坡戗道上游处各布置一条。纵、横向排水沟相互连通成为整体。具体布置见大坝设计图纸。

四、上、下游坝坡人行踏步

为方便对大坝进行巡查和观测，在上、下游坝坡增设浆砌石人行踏步，踏步位置根据工程需要和实际情况，上下游坡各布置两道，具体布置情况可详见大坝设计图纸。踏步宽2.0m，台阶宽×高为0.15im×0.25m，浆砌石结构。

五、坝体排水

采用棱体排水，在排水体与坝体、坝基之间设置反滤层；排水棱体顶宽为2.0m，顶部高程为2756.3m，堆石棱体内坡取1:1.5，外坡取1:2.0，顶宽2.0m。

六、坝顶布置

设计坝顶高程为2825.2m，坝顶宽10.0m，坝顶总长约500m。为防止雨水对坝顶冲刷，本次设计在坝顶修建泥结碎石道路，考虑与排

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水沟、护坡封顶衔接，路面宽取9.0m，两侧设高×宽为1.0×0.5m的混凝土路缘石，坝顶道路路面结构从下向上依次为0.20m厚手摆块石基层、0.15m厚泥结碎石路面。坝顶路面向上、下游分别倾斜2%。为改善大坝防汛交通条件，结合水库的运行管理要求，坝面上游侧每50m设置一照明灯具。

七、反滤层设计

（一）设计标准。对于被保护土的第一层反滤料，考虑安全系数为1.5～2.0，按太少基准则确定，即

D15/d85

（4-18）

D15/d15

（4-19）

式中：D15为反滤料粒径，小于该粒径土占总土重的15%；d85为被保护土粒径，小于该粒径的土占总土重的85%；d15为被保护土粒径，小于该粒径的土占总土重的15%。

第二、三层反滤料的选择也按上述办法进行。

按此标准天然砂砾料不能满足要求，须对土料进行筛选。 （二）设计结果：

粘土（防渗体周边）部位：第一层d50=0.45mm厚20cm

第二层d50=2.0mm厚30cm

排水部位： 第一层d50=30mm厚20cm

第二层d50=90mm厚60cm

≤4～5

≥5

50

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