郭庄水利枢纽工程土石坝毕业设计.doc

河北工程大学毕业设计 i 郭庄水利枢纽工程土石坝毕业设计郭庄水利枢纽工程土石坝毕业设计 摘要摘要 郭庄水利枢纽工程建筑物包括：主坝、溢洪道、导流建筑物、灌溉发电隧洞。按 sdj1278 规范中设计标准，工程等级为 3 等，水利枢纽为中型，主要建筑物按三级 设计，次要建筑物按四级设计，临时建筑我按五级设计。 根据实际与现有条件，本设计主要针对其中的主坝和溢洪道进行详尽的设计。 主坝设计包括：坝工设计，渗透分析与计算，坝坡稳定与计算，地基处理，细部 构造，两岸连接建筑物等。 溢洪道设计包括：引水渠，泄水槽，控制段及出口效能段的结构布置，水力计算 （包括泄水过程、水面线及消能计算） ，细部构造等。 关键字：水利枢纽工程，挡水建筑物，溢洪道 河北工程大学毕业设计 ii abstract water conservancy vital point engineering building in the guo zhuang mainly includes: main dam ,spillway, lead to follow to relapse excessive water hole, irrigation to generate electricity station factory premises to constitute .press the sdj1278 the design in the norm standard ,the engineering grade is a no.3 quality ,reservoir vital point is mediumsized ,the main building is according to the x-rated design ,the next in importance building press four classes design ,and the building presses five classes design at the time. graduate the design is students last teaching link during the period of school ,according to the actual and existing condition ,this main dam and spillway which designs to mainly as to its win carry on a detailed design. the main dam design include: the dam work design, permeates analysis and computes ,dam ascent stability and calculation ,foundation processing ,minute part structure ,crossstraits conduction building eta. the spillway design include :lead a water dike and leak water the structure decoration that slot ,control segment and exit eliminate an ability segment ,water conservancy calculation (include to leak water process, surface line and eliminate can compute),minute part structure etc. key words: water conservancy，vital point engineering ,blocks water building 河北工程大学毕业设计 iii 河北工程大学毕业设计 iv 目录目录 摘要摘要.i abstract .ii 第第 1 章章 总述总述- 1 - 1.1 概况.- 1 - 1.2 基本资料.- 1 - 1.2.1 水文资料- 1 - 1.2.2 地形、地质- 4 - 1.2.3 当地建筑材料- 4 - 1.2.4 水利规划计算成果- 6 - 1.3 工程综合说明.- 6 - 第第 2 章章 枢纽布置枢纽布置- 7 - 2.1 枢纽组成及建筑物级别.- 7 - 2.2 建筑物类型及枢纽布置方案比较及选定.- 7 - 2.2.1 建筑物类型- 7 - 第第 3 章章 土坝设计土坝设计- 9 - 1.1 坝型选择.- 9 - 1.2 地基处理及断面拟定.- 9 - 3.2.1 地基处理.- 9 - 3.2.2 断面拟定.- 10 - 3.3 渗流计算.- 14 - 3.3.1 计算说明- 14 - 3.3.2 渗流计算- 16 - 3.4 稳定分析.- 21 - 3.4.1 计算说明.- 21 - 3.4.2 稳定计算.- 22 - 3.4.3 综合分析.- 28 - 3.5 细部构造设计.- 28 - 3.5.1 坝顶布置.- 28 - 3.5.2 坝的防渗体和排水设备.- 29 - 河北工程大学毕业设计 v 3.5.3 反滤层设计标准- 30 - 3.5.4 护坡设计- 30 - 第第 4 章章 溢洪道设计溢洪道设计- 31 - 4.1 线路及型式选择.- 31 - 4.1.1 溢洪道的位置选择- 31 - 4.1.2 溢洪道形式选择- 31 - 4.2 水力计算.- 31 - 4.2.1 溢洪道基本数据- 31 - 4.2.2 工程布置- 32 - 4.2.3 溢洪道的水力计算- 33 - 4.3 溢洪道结构设计.- 40 - 4.3.1 溢洪道护砌高度的确定- 40 - 4.3.2 消能计算- 40 - 4.3.3 闸门泄洪能力计算- 42 - 4.4 细部构造.- 44 - 4.4.1 泄槽的衬砌- 44 - 4.4.2 溢洪道纵剖面（见附图）- 44 - 参考文献参考文献- 45 - 谢辞谢辞- 46 - 河北工程大学毕业设计 - 1 - 第第 1 章章 总述总述 1.1 概况概况 郭庄水库位于王家河中游平阳县内，坝址位于郭庄村，距县城 18km，控制流域面 积 160km2，占总流域面积的 68%，流域为以安山岩为主的石山区，耕地所占比重极小 还不到 10%，流域内植被较好，植被度达 70%以上，王家河干流全长 41.8km，平均纵 坡 1/98.3。 本地区多年平均降雨量为 950mm，但年内及年际的分配极为不均，多集中在雨季， 7、8 月份降雨量占全年降雨量的 68%，多年平均径流深 336mm，多年平均径流量 5920 万 m3，根据实测暴雨资料，利用综合单位线，结合历史洪水调查推算求得坝址百 年一遇洪水为 2080m3/s，千年一遇洪水为 2710m3/s，洪水特点是峰高而历时短，持续 时间不到一天，主要集中在汛期发生。 郭庄水库主要任务是调节水量，供平阳县的生活用水，以灌溉为主，结合引水发 电、水面养殖、洪水错峰等，可得到综合利用的效果。水库总库容 5030 万 m3，多年 调节水库，在保证率 75%的情况下，可灌溉王家河下游南岸农田 11 万亩，灌溉最大引 水量 10m3/s，由于来水较大，除利用灌溉用水发电外，还可利用丰水年的弃水发电， 电站装机两台，总装机容量 2000 千瓦，全年可发电 300 万度，郭庄水库的修建可使五 十年一遇的洪水洪峰流量由 1840m3/s 削减到 1320m3/s，千年一遇洪水洪峰流量由 2710m3/s 削到 1980m3/s，减轻下游洪水灾害。水库养鱼水面 2130 亩，库区淹没移民 304 户 1550 人，1590 间房及土地赔偿 1490 亩，王平公路线 10km，603 通讯线路 6km。 1.2 基本资料基本资料 1.2.1 水文资料水文资料 年径流：王家河流域水量丰沛，年径流由年降雨产生，年径流在地区与时间上的 分布与年降水基本一致。 年径流在年际间变化悬殊，郭庄水库实测资料 19631982 年 20 年资料中，丰水年 1976 年达 1.34 亿 m3，枯水年 1985 仅 1238 万 m3，相差 1.2 亿 m3，约合 10.8 倍。且丰 枯水年连续发生。多年平均径流量为 5920 万 m3。 洪水：王家河洪水由暴雨形成，本地区暴雨历史短，强度大，地面坡度陡，洪峰 陡涨陡落，一次洪水一般历时 12 天。 本流域洪水多发生在七、八月，出现在七月占 42%，出现在八月占 58%，王家河 多年平均 69 月洪量占年径流量的 70%左右，一天洪量占六天洪量的 80%以上，大水 年尤为集中，如 1972 年最大三天洪量占年径流量达 68%。 河北工程大学毕业设计 - 2 - 表 1-1 洪水计算成果表 洪量(万立米) 项目 洪峰流量 (秒立米)24 小时 三天六天 特征值均值900238328380 cv1.351.351.351.30 cs/cv2.502.502.502.50 频率(%)0.12710586692783 0.22650563657728 0.52380512608673 12080454571625 21840398520586 51586342463529 101290296410490 201020259365429 表 1-2 郭庄水库坝址以上不同频率设计洪水过程线 时间不同频率(%)流量(秒立米) 月日时0.112510 72828659411311 42051155310082 6392197123220184 8830346274300249 102710506369798621 122068208077414871133 14167212591840621565 161026861342290306 18794573457221208 20568430309189157 22431329285134112 242661731676867 729212578853025 486503898 663321686 河北工程大学毕业设计 - 3 - 表 1-3 相应于各时期的流量特征值 月份 频率 洪水期中水期枯水期 5%70036 2%110672 表 1-4 全年各月流量平均值：（p10%） 月份1234567 q(m3/s)0.160.120.180.180.220.485.77 月份89101112 q(m3/s)2.170.610.570.550.35 气象： 全流域属于季风大陆性气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，年平均降水量约 950 毫米，且多集中在夏季的七、八月。 流域多年平均气温为摄氏 14，年最低气温12，但延续时间不长，最高气温 可达 40，夏秋多东南风，冬春多北风。全年无霜期 180 天，结冰期约 90 天，河道一 般十二月封冻，次年三月上旬解冻，冰厚 0.20.5 米，岸边可达 1 米。多年平均最大风 速 vmax=12m/s，水库最大吹程：1.2km。温升率 2.5 摄氏度/时。 (1)水库年蒸发损失深度 400mm，年渗损失深度 500mm。 (2)坝址处各月平均降雨天数 表 1-5 坝址处各月平均降雨天数 月份123456 510mm0.430.571.430.971.722.00 1020mm0.140.140.141.571.141.29 2030mm/0.140.570.430.71 30mm/0.290.43 月份789101112 510mm2.291.571.721.431.570.57 1020mm2.432.720.710.861.000.29 2030mm1.431.430.430.430.43/ 30mm2.002.290.430.14/ 4、坝址以下老河道出口处水位流量关系曲线见附图 5、水库面积、容积与水位关系见附图 河北工程大学毕业设计 - 4 - 1.2.2 地形、地质地形、地质 坝址处河谷较窄，宽约 120m，坝基和两岸均为安山岩，所属时代为震旦纪岩层， 风化较重，一般风化深 13m，两岸岩石裸露，高出河床 50100m，河床部分基岩埋 深一般 515m，河床质为砂卵石，砂卵石粒径一般为 0.110cm，大的可达 30cm，含 中粗砂，基岩透水性不大。 坝址处右岸山坡高峻，岩体完整，风化作用较轻，左岸山坡相对低矮平缓，岩石 风化较重河床右边宽度 30m，中上部坡积层厚数米，下部为褐红粘土胶结的砂卵石厚 10m，不含泥，基岩表面有较多的裂隙，情况不如右边，但仍是良好的地基，河床中部 约 90m 范围内的砂卵石厚 515m，内部夹有薄层灰色淤泥，使砂卵石的力学性质有 所降低，下部基岩表层节理发育，钻探所得岩心多为碎块，风化层厚 0.63.5m，但钻 进中不漏浆，说明基岩透水性不大，河床中有垂直方向的断层，走向约为北 45东，属 受挤压产生的，破碎带宽数米，裂隙闭合。 坝址处沿 ii 轴线地形地质剖面图见附图 2 该地区地震烈度为 7 度 安山岩物理力学性质指标如下： 重度 26.5kn/m3，坚固系数 810 单位弹性抗力系数 6080mpa 弹性模量 1.6104mpa 1.2.3 当地建筑材料当地建筑材料 1.土料 共有七个土料区，除林场在库区外，其余都在库区，各土料区的土料性质和储量 详见下表： 表 1-6 各土料区的土料性质和储量 自然重度 kn/m3 土区名称 范围平均值 自然含水量 塑性含水 量 流限含水 量 土类 储量 (万 m3) 万水山16.1-17.116.721.024.7034.95 重粉质 壤土 15.0 郭庄后地15.0-15.715.319.419.3529.20 中粉质 壤土 9.0 郭庄东岗15.8-16.616.021.317.9529.15 重粉质 壤土 8.0 后山15.7-16.315.322.22.5 指挥部前15.3-15.915.620.23.5 山前15.5-16.015.821.05.0 林场15.1-16.616.321.06.0 河北工程大学毕业设计 - 5 - 2.砂卵石 砂卵石分布在大坝上下游河滩，枯水季节河水位降低，上游在坝脚 100m 以外， 1500m 以内，平均取深 1.5m，约 45 万 m3，下游在坝脚 100m 以外，2000m 以内取深 1.2m，约 40 万 m3，休止角经现场试验最小 32，最大 40.7 3.石料 石料来源于溢洪道开挖的安山岩。坝体 430m 高程以上堆石粒径建议不小于 300mm，小于 300mm 的用于上下游坝坡，430m 高程以下，孔隙率不得超过 30。 4.风化料 在左岸坝头有可供筑坝的风化片麻岩。储量 68 万 m3，其自然休止角 37.5-39.1， 自然含水量 9。夯实后干重度平均达 18.1kn/m3(铺厚 25cm)。 5.土石料的物理力学指标 根据现场和室内试验结果，筑坝土石料可按下表所列数据进行设计计算。 表 1-7 土石料的物理力学指标 坝体 砂卵石风化料堆石指标单位坝基砂卵石土料 (均质坝) 土料 (心、斜墙坝) 水上 水下 水上 水下 水上 水下 度12.313.86 饱和快剪 ckpa20.623.0 度16.817.8 饱和固结快剪 ckpa 30 22.024.1 353235324038 比重2.712.692.712.712.712.71 干重度kn/m319.016.316.520.019.019.0 含水量%1718.37.010.03.0 湿重度kn/m319.319.521.420.919.6 饱和重度kn/m320.020.520.722.622.022.0 浮重度kn/m310.010.510.712.612.012.0 渗透系数m/s2.010-51.110-71.010-82.010-52.010-6 5.交通条件 对外交通计划新建从平阳县经郭庄村到达工地的公路，坝顶无交通要求。 6.施工条件 采用低围堰、底孔导流、分期施工的导流方法进行施工。各项施工辅助企业，仓 库及生活等临时建设施布置在坝址下游两岸。 河北工程大学毕业设计 - 6 - 1.2.4 水利规划计算成果水利规划计算成果 淤积高程 421.0m 死水位 427.0m 正常蓄水位 443.0m 设计洪水位（p=1%） 450.0m，相应的泄量 1470m3/s(溢洪道泄量 1350m3/s，泄洪 洞泄量 120m3/s) 校核洪水位（p0.2%） 451.0，最大泄量 2095m3/s，(溢洪道泄量 1950m3/s，泄 洪洞泄量 145m3/s) 正常蓄水位、设计洪水位时下游水位 405m 校核洪水位时下游水位 407m 1.3 工程综合说明工程综合说明 综合考虑该坝址处的地形、地质条件、建筑材料及其工程效益，选择土石坝作为 郭庄水利枢纽的挡水建筑物。主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。 根据 sdj1278水利水电工程枢纽等别划分及设计标准(山区，丘陵部分) ，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5030万 m3 控制，属中型。 郭庄水利枢纽组成包括：挡水建筑物、泄水建筑物和发电站建筑物。 本枢纽是以灌溉为主的综合利用水利工程，规划总库容为 5030 万 m3，灌溉下游 农田 11 万亩，水电站装机两台，总装机容量为 2000 千瓦，设计年发电 300 万度。 河北工程大学毕业设计 - 7 - 第第 2 章章 枢纽布置枢纽布置 2.1 枢纽组成及建筑物级别枢纽组成及建筑物级别 枢纽布置就是研究枢纽中各个水工建筑物的相互位置，是枢纽设计中一项重要内 容，需以设计、施工、运行管理、经济等各方面进行全面论证，综合比较，最后以若 干各比较方案中选择最好的枢纽布置方案。 郭庄水利枢纽组成包括：挡水建筑物、泄水建筑物和发电站建筑物。 根据 sdj1278水利水电工程枢纽等别划分及设计标准(山区，丘陵部分) ，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5030万 m3 控制，属中型。主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。永久性水工 建筑物洪水标准，正常运用（设计）洪水重现期10050年；非常运用（校核）洪水重 现期1000年。 2.2 建筑物类型及枢纽布置方案比较及选定建筑物类型及枢纽布置方案比较及选定 2.2.1 建筑物类型建筑物类型 1 坝型选择坝型选择 影响坝型选择的因素很多，最主要的是坝址附近的建筑材料，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。本设计可供选择的有重力坝、拱坝、土石坝。 1）对于重力坝具有以下工作特点 （1）重力坝筑坝材料强度高，耐久性好，抵抗洪水漫顶、渗漏、冲刷、地震破坏 等的能力强。因而失事率低，工作安全可靠。 （2）对地质、地形条件适应性强。由于坝底压应力不高，对地质条件要求较低。 （3）由于重力坝可做成溢流的，也可在坝内设置泄水孔，故一般不需要另设溢洪 道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑。 （4）结构作用明确。由于横缝将重力坝分成若干坝段，各坝段独立工作，结构作 用明确。 （5）由于坝体剖面尺寸往往由稳定和坝体拉应力强度条件控制而做得较大。材料 用量多，坝内压应力较低，材料强度不能充分发挥。且坝底面积大，因而扬压力也较 大，对稳定不利。 （6）因坝体体积较大，施工期混凝土收缩应力也较大，为防止发生温度裂缝，施 工时对混凝土温度控制的要求较高。 2） 对于拱坝，具有以下特点 （1） 具有双向传力的性能，拱坝荷载一部分通过拱的作用传给两岸岩体，另一 河北工程大学毕业设计 - 8 - 部分通过竖直悬臂梁传给坝底基岩。因此，拱坝的选择要由良好的地形地质条件，如 v 形 u 形和梯形山谷。拱坝理想的地质条件时基岩坚硬致密，质地均匀，有足够的强 度，透水性小，抗风化能力强，无大的断裂构造和软弱夹层。 （2） 拱是推力结构，有利于发挥工材料的抗压性性能，可使坝体做得较薄，一 般可节省同高重力坝工程量的 1/32/3，节省材料，减小造价，增加工程效益。 （3） 拱坝具有较高的超载能力。 （4） 拱坝轻韧，富有弹性和整体性好，借助岩基对地震动能的吸收，具有较强 的抗震能力。此外，拱坝体型复杂，剖面较薄，设计施工难度大，对施工质量、筑坝 材料强度和防渗要求，以及对地形、地质条件及地基处理的要求均较高。 3) 对土石坝，具有以下特点 （1）土石坝可就地取材，与混凝土坝相比，节省大量水泥、钢材和木材，且减少 了筑坝材料远途运输费用。 （2）对地质、地形条件要求低，任何不良地基经处理后均可筑土石坝。 （3）施工方法灵活，技术简单，且管理方便，利于加高扩建。它的缺点由：不 允许坝顶溢流（过水土石坝除外） ，所需溢洪道或其他泄水建筑物的造价往往很大； 在河谷狭窄、洪水流量大的河道上施工导流较混凝土坝困难；采用黏性土料作防渗 体时，黏性土料施工受气候条件影响大。 根据郭庄水库坝址处资料，该地对外交通不便，也不具有适宜建拱坝的有利地形， 河床部分基岩埋深 1524m，但具有储量丰富的土石料。综合考虑该坝址处的地形、地 质条件、建筑材料及其工程效益，选择土石坝作为郭庄水利枢纽的挡水建筑物。 2 泄水建筑物的选择泄水建筑物的选择 考虑到郭庄水利枢纽该地区在丰水年汛期洪峰流量较大，千年一遇洪水为2710 m3/s，该枢纽挡水建筑物为不过水土石坝，因此，泄水建筑物选择溢洪道和泄洪隧洞共 同担任泄洪。 3 枢纽布置方案确定枢纽布置方案确定 挡水建筑物选择土石坝。 挡水建筑物按直线布置，坝布置在河湾地段上。 泄水建筑物包括泄洪隧洞和溢洪道。 由于坝址处右边山坡高峻，岩体完整，风化作用较轻，左岸山坡相对低矮平缓， 岩石风化较河床右边重，岩石表面由较多的裂缝，情况不如右边，但仍是良好的地基。 对于泄洪隧洞，为了缩短长度，减小工程量，泄洪隧洞布置在右岸，而将溢洪道布置 在左岸山坡。 河北工程大学毕业设计 - 9 - 第第 3 章章 土坝设计土坝设计 1.1 坝型选择坝型选择 土石坝是由黏性土、非黏性土、堆石等材料组成。过去常将土石坝按建筑材料组 成而分为土坝和堆石坝。土石坝根据坝体的防渗材料及其结构分为均质坝、分区坝、 人工防渗材料坝。 均质坝坝体的绝大部分是由大体上均一的土料或相对均一的弱透水性材料组成， 坝体的整个断面起防渗和稳定作用。这种坝由于土料的渗透系数小，因此施工期坝体 内要产生孔隙压力，加上其抗剪强度较小，所以这种坝型大多数为中低坝。均质坝有 以下优点： （1）由于材料基本是均质，所以坝体断面简单，施工容易，施工机械、施工方法 比较单一。 （2）由于全断面防渗，所以一些相对弱透水性的材料也可以用来填筑均质坝。 （3）由于这种坝一般较低，坝坡比较平缓，在承载力相当低的软基上也可修建。 均质坝的缺点是由于边坡较缓，工程量大，且需要大量的土料，因此往往要占用大量 耕地。 分区坝可由土质防渗体与几种透水性不同的材料分区所组成，根据防渗体的位置， 主要可分为心墙坝、斜心墙坝和斜墙坝。 心墙坝的防渗体设置在坝体中央，即坝轴线处。这种坝适应变形的条件较好，特 别是当两岸坝肩很陡时，是应优先选用的坝型。其特点是：心墙与坝壳比较具有明显 的较高压缩性，因此沿着心墙边界接触面出现的剪应力会使心墙有效垂直应力大幅度 下降，即产生所谓拱效应。因心墙必须与两侧坝壳平起上升，施工难度较大。 斜墙坝防渗墙设置在把提上游面或接近上游面。由于较低抗剪强度的防渗体位于 上游面，故上游坝坡较缓，工程量大。正因为防渗体处在上游，故坝壳可单独领先上 升，施工比心墙坝容易，基础处理干扰较小，雨季施工亦便于安排，拦洪度汛也较容 易。 斜心墙坝介于心墙坝与斜墙坝之间。这种坝是为了克服心墙坝可能产生拱效应和 斜墙坝对变形敏感等的不足而发展起来的，很适合高土石坝。 人工防渗材料坝的防渗体由钢筋混凝土、沥青混凝土、钢板、塑料薄膜或其他人 工材料组成，而坝体其余部分仍由土、砂、石料组成。考虑到充分利用坝址附近各种 土石料，以及当地气候、工程造价、工期等各种因素，最终选择斜墙坝方案。 1.2 地基处理及断面拟定地基处理及断面拟定 3.2.1 地基处理地基处理 土石坝对地基的要求比混凝土坝低，但从解决地基渗水承载力小，压缩性大，抗 剪强度低及振动液化等问题方面，通常需对地基采取不同的处理措施。无论哪种地基， 河北工程大学毕业设计 - 10 - 筑坝前都需要进行清基，清除可能造成集中渗流和发生滑动的表层土石。 河床部分：该枢纽河床部分基岩埋深 1524m，河床质为砂卵石，厚度为 2022m。对砂卵石地基的处理，主要是保证地基渗流稳定，控制渗流量，处理措施为： 在坝体中上游侧设置垂直或水平防渗如黏土截水槽、混凝土防渗墙、灌浆帷幕或铺盖 等，下右侧设排水减压措施如排水井、反滤盖重等。 由于坝址处砂卵石层深度不大，可开挖深槽直达基岩，槽内回填黏土与斜墙连成 整体。由于坝基岩风化，节理发育，是防渗的薄弱环节。为防止发生集中渗流在槽底 设混凝土齿墙。 坝肩岸坡处理：挖黏土截水槽至半风化岩基，基岩与粘土接触面设置混凝 齿墙，齿墙与河床部分防渗相连，详见细部构造设计。 3.2.2 断面拟定断面拟定 1 坝顶高程坝顶高程 (1) 正常情况下的坝顶超高（） 正常 y = （3-1） 正常 yrea （3-2）cos 2 2 gh dkv e r-波浪爬高,m。按蒲田试验站统计分析公式计算,先计算平均爬高，平均r 爬高按按下式计算： = （3-rlh m kk w 2 1 静水位 坝顶 h/2h/2 e r a 河北工程大学毕业设计 - 11 - 3） =0.0018 （3-h 45 . 0 2 2 v gd g v 4） =4.0 （3-th 5） 式中： -与坝坡的糙率和渗透性有关的系数，本设计采用砌石护面，查教材 k 水工建筑物表 51 得：=0.750.80,取 k=0.78; k h-沿水库吹程方向的平均水域深度，初拟时，可近似取坝前水深，m；h=450.0- 405.0=45.0m； -经验系数,由风速 v=18m/s,坝前水深 h=45.0m 及重力加速度 g=9.81m/s2组成的 w k 无维量=0.8545,查教材水工建筑物表 5-2 得=1.0 gh v w k v-风速，正常运用条件下的级坝采用 v=1.5 =1.512=18m/s 多v -折减系数,取风向与坝轴线垂直的夹角为 00，查教材水工建筑物表 5-4 可知： k =1 k m-坝坡系数，为坝坡倾角，初拟时取 m=2.5;,ctgm d-水库吹程，m；由本设计资料查得 d=1200m； -平均坡高，=0.0018hh 0.45 2 2 189.81 1200 0.5718 9.8118 -波浪平均周期； t4.04.00.3002.91th -平均波长,假设，故为深水波；l 2 2 2 1.561.56 2.917.48 2 gt ltm -平均爬高: =rr 2 0.78 1.02 1 0.300 7.480.43 12.5 m 波浪设计爬高 r 按建筑物的级别确定,对于、土石坝取保证率 p=1%的波 浪爬高值，该土石坝等级属于级，故 p=1%。根据=0.5718,h=45m 得 1% rh /h=0.3/45=0.006 查教材水工建筑物表 5-3 得 r/=2.23hr 则:r=2.23=2.230.43=0.96r 河北工程大学毕业设计 - 12 - e-风壅水面超出库水位的高度,m； cos 2 2 gh dkv e k-平均摩阻系数,； 6 106 . 3 k -风向与坝轴垂线的夹角， （） ； h-平均水深,坝前水深为 67m, e 62 3.6 10181200 10.001 2 9.81 45 m a-安全加高,根据坝的等级和运用情况查教材水工建筑物表 1-11 则： a=0.7m，则正常运用情况下坝顶超高为: =0.96+0.001+0.7=1.661m 正常 yrea (2) 非常运用条件下的坝顶超高（） 非常 y r波浪爬高，按蒲田试验站公式计算： v=12m/s 多v =0.00180.3661mh 0.45 2 2 129.81 1200 9.8112 4.01.75th 2 1.564.72lt =0.28r 2 0.78 1 0.192 4.72 12.5 按 p1%，0.004，2.23 h h0.192 45r r 则：r2.232.230.28=0.62mr e-风壅水面超出库水位的高度,m; e 62 3.6 10121200 0.001 2 9.81 45 m a安全超高，查表得 a0.5m 则：非常运用情况下坝顶超高为： 0.62+0.001+0.51.12m 非常 yrea (3) 地震情况下坝顶超高（地震安全加高）y： y地震涌浪加高（h）+地震附加沉陷值（s）+安全加高（a） （3-6） h地震涌浪加高，一般为 0.51.5m,取为 1.0m s地震附加沉陷值，因本区属 7 度地震区，则取为坝高的 1%，则为 0.45m 河北工程大学毕业设计 - 13 - a安全加高，查表取为 0.7m 则：y1.0+0.45+0.72.15m (4) 坝顶高程的确定及坝高的确定 坝顶高程应分别按以下三种情况计算，并取最大值, 坝顶高程max452.12m y 450 451 y 443y 正常 非常 地震 坝顶高程 452.12m。 坝体施工沉陷超高，本设计取坝高的 0.4，即 450.4=0.18m。 则坝顶高程452.12+0.18452.30m453m。 2 坝顶宽度坝顶宽度 坝顶宽度取决于施工、交通、构造、运行、抗震与防汛等要求。由设计资料，本 设计为中坝，坝顶无交通要求，岸边冬季冻层厚达 1m，以及为满足放浪墙顶和两侧反 滤层的布置要求，坝顶宽度取 8m。 3 坝顶长度坝顶长度 本设计中坝顶高程 453m，坝基高程 405.0m，坝高 453-405.0=48m，在地形图上 坝轴线处，测量图上距离，然后按比例换算可得坝长 432.0m。 4 上下游边坡上下游边坡 土石坝边坡的大小取决于坝型、坝高、筑坝材料、荷载、地基性质等因素。上游 在距坝基高 30m 处变坡一次，上部坡率取 2.5，下部坡率取 2.75。变坡处设马道，宽 2.0m。下游距坝基高 30m 处变坡一次，变坡处设马道，宽 2.0m。上部坡率取 2.0，下 部坡率 2.5。 设置马道以拦截并排除雨水，防止严重冲刷坝面，并兼作交通。检修观测之用， 也有利于坝坡稳定。 5 排水体排水体 为了有效地排除坝体和坝基的渗透水，降低坝体的浸润线和坝基的渗透压力，汇 集排走坝坡排水沟的雨水，防止下游尾水冲刷坝脚，并对坝坡其 一定支撑作用，应在 坝趾附近设置排水体。本设计采用棱体排水，能在一定程度上降低下游坝体浸润线。 排水体顶宽取 2.0m，以利于行走观察。排水体顶部高程高出下游水位 2.0m，为 409.0m。棱体内坡率为 1：1.5，外坡率取为 1：2.0。 6 截水槽截水槽 对于河床中部和两岸岸坡，可开挖深槽直达基岩，槽内回填黏土，与斜墙连成整 体。 （截水槽底部是防渗的薄弱环节，为防止发生几种渗流，可在岩石表面喷一层混凝 河北工程大学毕业设计 - 14 - 土再回填黏土）截水槽设于距上游坝脚 15m 处。基底部宽度按回填土料的容许坡降 【j】设计，即 h/j【j】 【j】取为 4，h 为正常蓄水情况下作用水头，h=443.0405.0=38.0m，则 th/【j】=38.0/4=9.5m 为了减小工程量，可在槽底设混凝土齿墙，以延长槽底与地基的接触渗径截水槽 具体布置见下图： 齿墙下部深入基岩 0.5m，底座厚 1.0m，上部深入槽底 3.0m，则 0.5+4+32=10.59.5m。 3.3 渗流计算渗流计算 3.3.1 计算说明计算说明 图3-1 渗流计算 河北工程大学毕业设计 - 15 - 1 土石坝渗流分析的任务土石坝渗流分析的任务 土石坝的剖面尺寸初步拟定后，必须进行渗流分析和稳定分析，为确定经济可靠 的坝体剖面提供依据。渗流分析的主要任务是： （1）确定坝体浸润线和下游逸出点的位置，为坝体稳定计算和排水体选择提供依 据。 （2）计算坝体与坝基的渗流量，以估算水库渗漏损失和确定排水体尺寸。 （3）计算坝体与坝基渗流逸出处的渗透坡降，以演算其渗透稳定性。 2 渗流分析方法渗流分析方法 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，应用达西定 律近似解土坝渗流问题，计算假定任一铅直过水断面内各点渗透坡降均相等。 斜墙与截水槽的单宽渗流量为： （37） 1 1 0 2 2 1 01 sin2 hh tk hh kq 斜墙与截水槽下游坝体与坝基的单宽渗流量为： （38） tl hh tk hml hh kq t 44 . 0 )(2 2 22 2 2 2 2 2 式中： 分别为防渗体、坝壳材料、河床质砂卵石的渗透系数； t kkk、 0 斜墙与截水槽的平均厚度，m； 1 、 斜墙的倾角， （） ； 下游坡坡率。 2 m 由水流连续条件联立求解式（37）与（38）可求得 21 qq （39） 2 2132 1 aa aa h a 式中 22 0 1 sinhml kk a tl tktk a t 44 . 0 1 0 2 tl thkthk hml khhk a t 44 . 0 22 sin 2 1 10 22 2 2 10 3 假设： （1）不考虑防渗体上游侧坝壳损耗水头的作用； （2）由于砂石料渗透系数较大，防渗体又损耗了大部分水头，逸出水位与下游水 位相差不是很大，认为不会形成逸出高度； （3）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 河北工程大学毕业设计 - 16 - 床冲积层的作用，岸坡实际上不会形成逸出点，计算时假定浸润线末端为坝址。 3 计算断面计算断面 总渗流量计算时，一般是根据地形和地基透水层分布情况，将坝体沿坝轴线分成 若干曲边坝段。 先计算各坝段交界处的坝体单宽渗流量，然后按下式计算全坝的总渗流量： （310） nnnnn lqlqqlqqlqq 111222111 2 1 式中：各坝段长度，m； n lll、 21 各坝段交界处的坝体单宽渗流量，。 121n qqq、)/( 3 msm 4 渗流分析的工况渗流分析的工况 渗流计算时，应考虑水库运行中出现的不利条件，一般需计算下列几种工况： （1）上游正常蓄水位与下游相应最低水位，此时坝内渗流的坡降最大，易产生渗 透变形； （2）上游设计洪水位与下游相应最高水位，此时坝内浸润线高，渗流量大；设计 （3）上游校核洪水位与下游相应最高水位，此时坝内浸润线最高； （4）库水降落时，对上游坝坡稳定最为不利，应确定其浸润线，为稳定计算提供 依据。 本设计中，计算主要针对正常蓄水位及校核洪水位时进行。 3.3.2 渗流计算渗流计算 正常蓄水位 上游水位 443m，下游相应水位 405m 的渗流计算 分段情况: 1-1 断面高程 425，距左岸 66m；2-2 断面高程 405，距左岸 158；3-3 断 面高程 408，距左岸 220m。 1-1 断面的渗流计算 单宽流量：上游水位 443m，下游无水，坝底高程为 425m，无排水设备，用下式 计算通过斜墙的单宽渗流量： sin2 2 2 1 01 hh kq 已知,斜墙的渗透系数 k0=1.010-8m/s；上游水深 h1443-425=18m，斜墙的平均 厚度为： 424.2 14.1 2 m 代入上式： 22 8 11 18 1 10( ) 2 14.1 0.34 h qf h 河北工程大学毕业设计 - 17 - 通过下游坝体的单宽流量按下式计算： ，坝体渗透系数 k=2.010-5m/s。计算长度： l kh q 2 2 2 l=(443-425)2.25+4+(443-425)2=80.5m 则 52 22 2.0 10 ( ) 2 80.5 h qfh 由得：h=1.65m 21 qq 则单宽流量：/(sm) 63 0.70 10qm 22 断面的渗流计算 单宽渗流量：用下式计算通过斜墙和截水墙的单宽流量 1 1 0 2 2 1 01 sin2 hh tk hh kq h：斜墙后渗水深。 已知斜墙渗透系数；坝前水深 h1443-40538m，地基厚度 8 0 1 10/km s t15m，斜墙的平均厚度为： 438 21 2 m 截水槽的平均厚度将 、k0、h1、t 等代入上式有： 1 838 23 2 m 1 1 0 2 2 1 01 sin2 hh tk hh kq 用下式计算通过斜墙下游坝体和坝基的单宽流量： =f2 (h) 22 22 2 22 2()0.44 t hhhh qkk t lm hlt 已知坝体渗透系数 k2.010-5m/s；坝基厚度 t15m；h22m；m22.25；渗径 长： (443405) 2.25(409405) 1.538 24(388)4171lm 代入上式有： =f2 (h) 5 1 2.0 10q 2 5 2.0 1015 2 171171 0.44 15 hh 根据水流连续条件有，联立求解得： 12 qq 河北工程大学毕业设计 - 18 - h 式中取：k1.010-8cm/s 1 231 2 2 a aaaa 85 8 0 1 22 1 102.0 10 1.17 10 sin21 0.34171 kk a lm h 85 6 0 2 1 1 10152.0 1015 1.69 10 0.4423171 0.44 15 t k tk t a lt 2 0101 3 1 828 6 2 sin 1 10381 1015 38 2.27 10 21 0.3423 k hk th a 代入上式有：h0.67m 则单宽流量 1.15/（sm）q 6 10 3 m 3-3 断面的渗流计算 单宽流量：上游水位 443m，下游无水，坝底高程为 408m，无排水设备，用下式 计算通过斜墙的单宽渗流量： hf hh kq 1 2 2 1 0 sin2 已知斜墙的渗透系数： 8 01 334 1 10/ ,44340835 ,18.5 , 2 kcm s hmm 代入上式： 22 8 1 35 1 10 2 18.5 0.34 h qfh 通过下游坝体的单宽流量按下式计算： )( 2 2 2 2 hf l kh q 坝体渗透系数为，计算长度： scm/1079. 5 2 (443408) 2.254(443408) 2(409408) 1.5147.25lm 52 22 2.0 10 ( ) 2 147.25 h qfh 由得： 21 qq h3.76m 则单宽流量： /(sm) 63 1.0 10qm 总渗流量计算 河北工程大学毕业设计 - 19 - 已知：（sm）, （sm） 63 1 0.70 10/qm 63 2 1.15 10/qm （sm）, ， 63 3 1.0 10/qm 1234 66 ,154 ,62 ,150lm lm lm lm 则总渗流量为： 1112223334 6666 63 1 2 1 0.70 1066(0.70 1.15) 10154(1.15 1.0) 1062 1.0 10150 2 267.6 10/ qq lqqlqqlq l ms 则一天的总渗流量为： 63 267.6 1024 360023.1m 校核洪水位情况 11 断面的渗流计算 单宽流量：上游水位 451m，下游无水，坝底高程为 425m，无排水设备，用下式 计算通过斜墙的单宽渗流量： sin2 2 2 1 01 hh kq 已知，斜墙的渗透系数 k0=1.010-8m/s；上游水深 h13278.0-3269.7=8.3m，斜墙 的平均厚度为： 424.2 14.1 2 m 代入上式： )( 125. 5 3 . 8 101 1 22 9 1 hf h q 通过下游坝体的单宽流量按下式计算：