水库土石坝设计设计说明书--毕业论文.doc

【摘要】本设计以E江流域的水文、地形、地质、气候为基础，根据防洪要求，对水库进行洪水调节计算，确定坝顶高程及溢洪道尺寸。通过对几种方案进行比较分析，确定枢纽组成建筑的形式、轮廓尺寸及水利枢纽布置方案。做出大坝设计，通过比较，确定大坝的基本剖面与轮廓尺寸，拟定地基处理方案与坝身构造，进行了水力、静力计算。对泄水建筑物进行设计，选择建筑物的型式与轮廓尺寸，确定布置方案，拟定细部构造、进行水力、静力计算。决定枢纽的施工导流方案，安排施工的控制性进度总之，通过调洪演算确定了坝型及枢纽布置，并在大坝设计、泄水建筑物设计和施工组织设计等方面进行简略的计算。在设计中对经济、技术及安全等方面进行了详细分析与比较，拟定相应的斜心墙土石坝设计方案。【关键词】：土石坝设计，坝型选择，洪水演算，枢纽布置，渗流计算，稳定验算，泄水建筑物。 第一章 综合说明第一节 工程概况一、枢纽概述E江位于我国西南地区，流向自东向西北，全长约122km，流域面积2558 km2。根据流域规划拟建一座水电站，本设计任务是对E江水利枢纽进行设计。E江水利枢纽是一项同时兼顾防洪，发电，灌溉，渔业等综合作用的水利工程。坝址以上流域面积780 km2, 水库正常蓄水位为2821.4m，死水位为164m，设计水位为2796.0m。E江电站多年平均发电量为1.05亿度，3台机组满载时的流量为44.1m3/s,尾水位2752.2m。同时增加灌溉面积10万亩。E江水利枢纽的主要组成建筑物有拦河大坝，引水式厂房，泄水建筑物，开关站以等。拦河大坝为斜心墙坝，坝顶高程为2825m，坝顶宽10m。 引水式厂房主厂房长32m，宽13m，副厂房长36m，宽6m，尾水管底高程为2748.0m，厂房顶高程为2772.0m。发电机层高程为2760.0m。泄水建筑物采用了隧洞泄洪方式，隧洞布置于右岸；在进口处布置了工作及检修闸门，均采用平板门，闸门宽7m，高为12.5m。开关站长30m，宽20m，位于左岸。二、设计工作在明确设计任务及对原始资料进行综合分析的基础上，进行了以下工作：1、根据防洪要求，对水库进行洪水调节计算，确定坝顶高程及溢洪道尺寸。2、进行大坝设计，通过方案比较，确定了大坝的结构形式，拟定坝基防渗处理形式以及坝的主要尺寸；进行了土料设计、渗流演算和静力稳定计算；最后一定了坝身构造，包括防渗、排水反滤层设备、湖泊、马道等。3、对泄水建筑物进行设计，确定了建筑物的结构型式与主要尺寸；进行了水力和静力计算；拟定了细部构造，包括排水、锚筋加固，灌浆等。第二节 工程特性表工程特征表项目参数项目参数基本资料枢纽任务防洪 发电 灌溉水库容积特性死库容100106m3上游集雨面积780Km2兴利库容288106m3年降雨量905mm调洪库容38106m3年平均气温12.8坝底高程2750.00m月平均流量174m3/s电站厂房布置方式坝后引水式年输沙量33000m3取水方式单管多机有压引水最大风速及吹程19.1m/s，15km发电机高程2760.0m岩性玄武岩尾水管底高程2748.0m地震烈度7度厂房顶高程2772.0m大坝坝型斜心墙式土石坝引用流量44.1m3/s坝顶高程2826.35m电站装机24MW坝顶宽度10m多年平均发电量1.05亿度上游坝坡一半坝高处变坡一次上部为2.5下部为3.0发电机组3台8MW下游坝坡25米变坡一次为上而下为2.0,2.0,2.5引水管道压力隧洞及钢管河流特性汛前水位2811.00m主厂房平面尺寸3213 mm正常高水位2821.40m副厂房尺寸366 mm设计洪水位2821.72m开关站尺寸3020 mm校核洪水位2823.08m综合利用指标保灌面积10万亩死水位2796.00m流量特性最大流量700m3/s防 洪900m3/s最小流量0.5m3/s泄水建筑物型 式泄水隧洞平均流量17m3/s消能方式挑流鼻坎固体静流0.5m3/s洞身尺寸711.5第二章 设计基本资料第一节 流域概况E江位于我国西南地区，流向自东向西北，全长约122km，流域面积2558 km2，在坝址以上流域面积为780 km2。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。第二节 气候特性一、气温：年平均气温约为12.8，最高气温为30.5，发生在7月份，最低气温-5.3，发生在1月份。表2-1 月平均气温统计表（）月份123456789101112平均平均气温（oC）4.88.311.214.816.318.018.818.316.012.48.65.912.8表2-2月份日数温度 平均温度日数 123456789101112061.20.3000000003.10302526.830.7303130313130313027.930000000000000二、湿度：本区域气候特征是冬干夏湿，每年11月至次年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%。三、降水量：最大年降水量可达1213mm，最小为617mm，多年平均降水量为905mm。表2-3 各月降雨日数统计表月份日数温度1234567891011125mm2.62.24.34.27.08.611.58.59.69.54.84.3510mm0.30.20.21.42.02.42.72.72.62.40.80.11030mm0.10.10.70.52.34.64.93.82.21.30.60.1四、风力及风向：一般14月风力较大，实测最大风速为19.1m/s，相当于8级风力，风向为西北偏西，水库吹程为15km。第三节 水文特性E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，至十月以后洪水下降，则枯水期开始，直至次年五月。E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700m3/s ，而最小流量为0.5 m3/s。一、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 m3/s。二、洪峰流量：经频率分析，求得各月不用频率的洪峰流量见表2-,4，不同频率的洪峰流量见表2-5。表2-4 各月不同频率洪峰流量：（单位m3/s）频率月1234567891011121%4619121960012401550121067039028372%3617111553011201360109060031023335%23149114208501100830480250162810%1911793707609807204102101523表2-5 不同频率的洪峰流量：（单位m3/s）频率0.05%1%2%5%10%流量（m3/s）23201680142011801040三、固体径流：E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0.5kg/ m3。枯水期极少，河水清澈见底，初步估算30年后坝前淤积高程为2765m。第四节 工程地质一、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，估计可能塌方量约为300万m3，在考虑水库淤积问题时可作为参考。二、坝址地质：坝址位于E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。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构，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，其物理力学性质见下表。表2-6 坝基岩石物理力学性质试验表岩石名称比 重容重（KN/m3）采用抗压强度（MPa）半风化玄武岩3.0129.650破碎玄武岩2.9529.25060火山角砾岩2.9028.735120软弱玄武岩2.8527.01020坚硬玄武岩2.9629.2100160多气孔玄武岩2.8527.870180表2-7 全风化玄武岩物理力学性质试验表天然含水率W%干容重KN/比重液限WL塑限WF塑性指数Wn压缩系数浸水固结块剪力00.5cm3/KN34cm3/KN内摩擦角凝聚力KPa2.516.32.9747.332.2616.90.05970.015128.3824.0渗透性：经试验得出K值为4.147.36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215cm，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，风化后成为粘土碎屑的混合物，遇水崩解，透水性很小。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，并有大漂石渗杂其中。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32m，一般为20m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10100mm；砾石直径一般为210mm；砂粒直径0.050.2mm；细小颗粒小于0.1mm。见表2-8。表2-8 冲积层剪力试验成果表土壤名称项目计算值容重（控制）KN/m3含水量（控制）三轴剪力（块剪）应变控制浸水固结快剪内摩擦角凝聚力KPa内摩擦角凝聚力KPa含中量细粒的砾石次数17128822最大值24.38.66471537.0325410.5最小值22.24.27353012.017550平均值23.086.47403418.225255.3小值平均值37320.148备注三轴剪力土样控制系筛去大于4颗粒后制备的。试验时土样的容重为控制容重。应变控制土样的容重系筛去大于0.1后制备的。以上两种试验的土样系扰动的。冲积层的渗透性能：经抽水试验后得，渗透系数K值为310-2cm/s1102cm/s。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，形成粘土与碎石的混合物质。三、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0.5m即有一条，疏者35m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。四、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，玄武岩中透水性不同，裂隙少且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0.011/（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良好的不透水性岩层，正因为这些隔水的与透水的玄武岩存在逐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次多，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。五、本地区地震烈度定为7度，基岩与混凝土之间的磨擦系数取0.65。第五节 建筑材料一、料场的位置和储量见坝区地形图。由于河谷内地形平坦，采运尚方便。沙砾料料场坝址上下游各有四个，总量达1850万m3。粘性土料上游有三个料场，下游二个料场，总量190万m3。料场距坝址km左右。石料（坚硬玄武岩）总储量450万m3。石料距坝址较进，开采条件较好。二、物理力学性质1、土料：见（表2-9-表11）。表2-9 砂砾石的颗粒级配 直 径 300100100606020202.52.51.21.20.60.60.30.30.150.151上5.218.621.412.318.613.95.44.60.32上4.817.820.314.117.814.84.65.30.53上3.815.418.515.316.420.53.56.20.44上6.018.319.416.415.616.74.82.50.31下4.514.120.123.214.97.28.67.20.22下3.919.222.418.719.18.35.72.80.13下5.023.119.114.218.48.96.34.10.94下4.122.418.714.117.914.44.13.60.7表2-10 砂砾石的物理性质名称1上2上3上4上1下2下3下4下容重1.861.791.911.901.861.851.841.80比重2.752.742.762.752.752.732.732.72孔隙率32.534.731.031.532.532.232.533.8软弱颗粒2.0%1.5%0.9%1.2%2.5%0.8%1.0%1.2%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2.010-2cm/s左右。最大孔隙率0.44，最小孔隙率0.27。表2-11 各料场的天然休止角 料场名称最小值最大值平均值1上3430355035102上3500371036003上3440364035404上3510374036301下3410363035202下3520380036403下3430371035504下3600382037102、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。第六节 经济资料一、库区经济：流域内都为农业人口，多种植稻米、苞谷等。库内尚未发现有价值可开采的矿，淹没情况如下表2-12。表2-12 淹没情况表高程（米）280728122817282228272832淹没人口（人）350036403890406053207140二、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，因此交通方便。第三章 洪水调节计算第一节 设计洪水与校核洪水本河流属典型山区河流，洪水暴涨暴落，设计洪峰流量取100年一遇.即=1680m3/s（p=1%），校核洪峰流量取2000年一遇.即=2320m3/s，（p=0.05%）。采用以洪峰控制的同倍比放大法对典型洪水进行放大，得设计洪水与校核洪水过程线。图3-1 设计洪水与校核洪水过程线第二节 调洪演算与方案选择一、泄洪方式及水库运用方式本枢纽拦河大坝初定为土石坝，需另设坝外泄水建筑物。由于坝址两岸山坡陡峻，如采取开敞溢洪道的方案，可能造成开挖量太大而不经济，因而采用隧洞泄洪，并考虑与施工导流结合。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，当来水流量继续加大，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。 二、防洪限制水位的选择防洪限制水位取与正常水位重合，这是防洪库容与兴利库容全不结合的情况，因为山区河流特点是爆涨爆落，整个汛期内大洪水随时都可能出现，任何时刻都须留一定的防洪库容是必要的。三、调洪演算1、演算方法及原理利用半图解法进行调洪计算。本设计拟订四组方案进行比较，其计算方法与计算过程如下所示。计算公式 (3-1)式中 计算时段中的平均入库流量（m3/s），它等于；计算时段初的下泄流量（m3/s）；计算时段末的下泄流量（m3/s）；计算时段初水库的蓄水量（m3）；计算时段末水库的蓄水量（m3）；计算时段，一般取1-6小时，需化为秒数。式中、和均可与水库水位建立函数关系。因此，可根据选定的计算时段值、已知的水库水位容积关系曲线，以及根据水力学公式算出的水位下泄流量关系曲线，事先计算并绘制曲线组：=、=和即是水位下泄力量关系曲线，其余两曲线是所介绍的半图解法中必需的两根辅助曲线，故这一方法在半图解法中亦称为双辅助曲线法，以与单辅助曲线法相区别。具体的计算方法见水利水能规划书，曲线见附页坐标纸。2、计算过程及结果：见计算说明书。3、本设计拟订四组方案进行比较，调洪演算成果见下表。表3-1 调洪演算成果表 方案孔口尺寸工况Qm3/sV（）上游水位z超高z一z=2810mB=7m设计5653982821.721.62校核6694202823.082.98二z=2809mB=7m设计6483982821.721.62校核7404182822.912.81三z=2810mB=8m设计6533972821.61.5校核7504132822.772.67四z=2811mB=8m设计6003992821.871.77校核6984212823.13.00四、方案选择以上方案均能满足泄流量Q900m3/s，上游水位最高Z10特别重要的城市、工矿区50015075二大（2）型101重要城市、工矿区500100150507525三中型10.1中等城市、工矿区10030505252.5四小（1）型0.10.01一般城市、工矿区3050.52.50.05五小（2）型0.010.0010.50.05二、建筑物级别设计依据水工建筑物在SDJ12-1978第五条规定，该类大（2）型的主要水工建筑物为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。表4-2 水工建筑物级别的划分工程等别永久性建筑物的级别临时性建筑物的级别主要建筑物次要建筑物一123二234三345四455五555永久性水工建筑物的洪水标准：永久性挡水建筑物和泄水建筑物正常洪水（设计时）的重现期为年，非常运用洪水（校核时）的重现期为年；水电站厂房正常与非正常运用洪水标准分别为年和年；临时性水工建筑物采用洪水标准为年。表4-3 永久性挡水和泄水建筑物正常运用洪水期标准 建筑物级别12345洪水重现期（年）500100503020表4-4 永久性挡水和泄水建筑物正常运用洪水期标准 不同坝型的枢纽工程建 筑 物 的 级 别12345土坝、堆石坝、干砌石坝10000或可能最大洪水20001000500200混凝土坝、浆砌石坝50001000500200100第二节 坝址及坝型选择一、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II、IIII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，从地质剖面图上可以看出：II剖面，河床覆盖层厚平均20m,河床中部最大达32m，坝肩除10m左右范围的风化岩外，还有数十条的破碎带，其余为坚硬的玄武岩，地质构造总体良好（对土石坝而言），IIII剖面除与II剖面具有大致相同厚度的覆盖层及风化岩外，底部玄武岩破碎带纵横交错，若将坝建于此，则绕坝渗流可能较大，进行地基处理则工程量太大，综合考虑以上因素，坝轴线选择II处。图4-1 坝址纵剖面图 二、坝型选择所选的坝轴线处河床冲积层较深，两岸风化岩石透水性大，基岩的强度较底，且不完整。从地质条件看不宜建拱坝。支墩坝本身的应力较高，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可能的。较高的混凝土重力坝也要求修建在岩石基础上，因此也是不可行的。而土石坝适应地基变形能力较强，对地基的要求较低。从当地的材料来看材料比较丰富，土石坝又有就地取材特点。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。第三节 枢纽组成建筑物一、挡水建筑物：土石坝。二、泄水建筑物：包括泄洪隧洞和冲沙放空洞，均与导流隧洞结合。三、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。第四节 枢纽总体布置一、挡水建筑物土坝挡水建筑物按直线布置，坝布置在河弯地段上。二、泄水建筑物泄洪隧洞泄洪采用隧洞方案，为缩短长度、减小工程量，泄洪隧洞布置在凸岸，这样对流态也较为有利，考虑到引水发电隧洞也布置在凸岸，泄洪隧洞布置以远离坝脚和厂房为宜。为减少泄洪时影响发电，进出口相距80100m以上。图4-2 枢纽平面布置图 三、水电站建筑物引水隧洞、电站厂房布置于凸岸，在泄洪隧洞与大坝之间，由于风化岩层较深，厂房布置在开挖后的坚硬玄武岩上，开关站布置在厂房旁边。综合考虑各方面因素，最后决定枢纽布置如上图所示。第五章 第一主要建筑物设计第一节 土石坝坝型的选型影响土石坝坝型选择的因素很多，最主要的是附近的筑坝材料，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，拟订剖面轮廓尺寸，进行比较工程量、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的分析来确定土石坝坝型的选择。均质坝材料比较单一，施工简单，但坝身粘性较大，冬季施工较为不便，且无足够适宜的土料来作均质坝（经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），因此均质坝方案不可行。堆石坝坝坡较陡，工程量减小。堆石坝施工干扰相对较小。坝址附近有坚硬玄武岩岩石料场一处，储量达450万m3 ，开采条件较好，可作为堆石坝石料，从材料角度可以考虑堆石坝方案。但是由于河床地质条件较差，冲积层最大深达32m，平均也有20 m，作为堆石坝可能导致大量的开挖，此方案不予考虑。塑性斜墙坝（用沙砾料作为坝壳，以粘土料作防渗体设在坝体的上游做斜墙）的斜墙与坝壳两者施工的干扰较小，但对坝体、坝基的沉降比较敏感，抗震性能较差，易产生裂缝；塑性心墙（以砂砾料作为坝壳，以粘土料作防渗体设置在坝剖面的中部作心墙）与斜墙坝相比工程量相对较小，适应不均匀变形，抗震性能较好，但要求心墙粘土料与坝壳沙砾料同时上升，施工干扰大，工期长。从筑坝材料来看，由于坝址上下游2km内有可供筑坝的土料190 万m3 作为防渗体之用，又有1250万m3 的沙砾料作为坝壳，心墙坝与斜墙坝都是可行的。本地区为地震区，基本烈度7度，从抗震性能及适应不均匀沉降变形来看宜采用心墙坝；从施工及气候条件宜采用斜墙坝。由于本地区的粘性土料自然含水量较高，不宜采用粘性土料，以薄心墙、薄斜墙较为有利，又因为坝基条件较为复杂，处理工程量大、工期长，以采用斜墙坝为宜。斜心墙坝综合了心墙坝与斜墙坝的优缺点：心墙有足够的斜度，坝壳对心墙的拱效应作用减弱；斜心墙坝对下游支承棱体的沉陷不如斜墙那样敏感，斜心墙坝的应力状态较好，因而最终采用斜心墙坝的方案。第二节 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、防渗体等排水设备。一、坝顶宽度坝顶宽度主要取决于交通需要、构造要求和施工条件，同时还要考虑防汛抢险、防空、防震等特殊需要。根据以往工程经验的统计资料，坝高H在30100m 的范围内时，坝顶的宽度最小取H/10，并不小于5m 。最终本设计的坝顶宽度取为10m 。二、坝坡与戗道土石坝的坝面坡度取决于坝高、筑坝材料性质、运用情况、地基条件、施工方法及坝型等因素。一般是参考以建成类似工程的经验拟定坝坡，再通过计算分析，逐步修改确定。在满足稳定要求的前提下，应尽可能使坝坡陡些，以减小坝体工程量。根据规范规定与实际结合，上游上部坡率取2.5，下部取3.0，下游自上而下分别取2,2,2.50.下游每25m变坡一次。在坝坡改变处，尤其在下游坡，通常设置1.52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，考虑这些因素其宽度取为2.0。三、坝顶高程坝顶高程分别按正常蓄水位、设计工况、校核工况及正常加地震情况下的四种方案来计算大坝的高程，最后计算出数据取最大值，同时并保留一定的沉降值.坝顶高程在水库正常运用和非常运用期间的静水位以上应该有足够的超高，以保证水库不漫顶，其超高值按下式而定：d=hBea （5-1）式中 hB波浪沿着坝坡的爬高（m）；e坝前库水因风浪引起的壅高；a安全加高（m），根据坝的等级及运用情况按下表选用土坝坝顶的安全超高值。表5-1 大坝等级表 运用情况坝的级别、正常1.51.00.70.5非常0.70.50.40.3e=0.036(Vf)2Dcos/H () （5-2） 式中 Vf为风速（m/s）；D为库面吹程（km），D=12km ；风向与坝轴线方向所成的夹角，=25；H为坝前的水深（m）。波浪的爬高可按下述公式计算：hB=3.2K(2hl)tan （5-3）式中hl为波高； K为坝坡的粗糙系数，块石取K=0.750.8，混凝土板取K=0.91.0；为上游的坝面坡角，=arctan(1/2.5)=21.8；2hl=0.0166Vf(5/4)D(1/3) ；Vf 当计算为设计工况时，风速取多年平均最大风速的1.5倍；当计算为校核工况时，风速取多年平均最大风速。结果取两者之大者，并预留一定的沉降值.结果见下表，设计竣工时坝顶高程为2825m。表5-2 坝顶高程计算成果表 计算情况计算项目设计情况校核情况上游静水位（m）2821.722823.08坝前水深H(m)71.7273.08吹程D(km)12风向与坝轴线夹角25风浪引起坝前 高e(m)0.00630.0062风速v(m/s)1515波高2h(m)1.1221.122护坡粗糙系数0.78上游坝面坡角21.8波浪沿坝坡爬高（m）1.1201.120安全超高A （m）1.00.5坝顶高程（m）2823.852824.71坝顶高程加0.4%沉陷(m)2824.152825四、坝体排水本地区石料比较丰富，采用堆石棱体排水比较适宜，它可以降低坝体浸润线，防止坝坡冻涨和渗透变形，保护下游坝址免受尾水淘刷，并可支撑坝体，增加下游坝坡的稳定性。按规范棱体顶面高程高出下游最高水位1m为原则，下游校核洪水时下游水位可由坝址流量水位曲线查得为2754.88m最后取2756.0m参考以往工程，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。五、大坝防渗体大坝防渗体的设计主要包括坝体防渗和坝基防渗两个方面1、坝体的防渗坝体防渗的结构和尺寸必须满足减小渗透流量、降低浸润线控制渗透坡降的要求，同时还要满足构造、施工、防裂、稳定等方面的要求.该坝体采用粘土斜心墙，其底部最小厚度由粘土的允许坡降而顶，本设计允许渗透坡降J=5，上游校核洪水时承受的最大水头为73.08，墙的厚度B73.08/5=14.616.参考以往工程的经验，斜心墙的顶部宽度取为5（满足大于3机械化施工要求），粘土斜心墙的上游坝坡的坡度为1:0.41:1.0之间，根据第十一届国际大坝会议上瑞典和南斯拉夫等论文介绍，斜心墙的上游坡度为1:0.41:0.6之间较好，最后本设计取为1:0.6，下游坡度取为1:0.2,底宽取34.94,大于14.616.粘土斜心墙的顶部高程以设计水位加一定的超高（超高0.6m）并高于校核洪水位为原则，最终取其墙顶高程为2823.1，墙顶的上部预留有1.9m的保护层，并将粘土斜心墙稍斜向上游。2、坝基防渗体河床中部采用混凝土防渗墙，两岸坡同样用混凝土防渗墙，厚度取0.8(由强度和防渗条件定)，防渗墙伸入心墙的长度由接触面允许渗透坡降而定.上下游最大水头差为67.9m （正常水位时），取 J =5.0，则L=67.9/5=13.58m,设计伸入7.5m。这样接触面长度为，防渗墙位置在心墙底面中心中部偏上，岸坡混凝土防渗墙底厚沿岸坡，逐渐变化，大坝的剖面图如下图所示：图5-1 大坝剖面图 第三节 土料设计筑坝材料的设计与土坝的结构设计、施工方法及工程造价有关，一般力求坝体内的材料分区简单，就地就近取材，因材设计。土料设计的主要目的是确定粘土的填筑干容重、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，同时要使材料具有较高的强度，以减小坝体断面尺寸，防渗体较小的渗透性，以保证渗透稳定。一、粘性土料的设计1、计算公式：粘壤土用南京水利科学研究所标准击实仪做击实试验求最大干容重、最优含水量（一般采用25击，其击实功能为86.3tm/m3）。由于最优含水量随压实功能的大小而变，故在土料的设计中常根据土料的实际施工机具的压实功能，选择相应的最优含水量作为填筑土料的含水量。根据国内外的筑坝经验，常将粘土的填筑含水量控制在最优含水量的附近，其上下偏离最优含水量不超过（2%3%）。根据以上的击实次数和击实功能，得出的多组平均最大干容重和平均最优含水量。设计干容重为： （5-4）式中 设计干容重，（/3）；在相应击实功能下的平均最大干容重；施工条件系数（或称压实系数）。对于一二级高坝，的值采0.960.99之间，三四级坝或低坝可采用0.930.96，本设计取=0.96；粘性土的填筑含水量为：=PP （5-5）式中 P土的塑限；P土的塑性指数；稠度系数，对高坝可取-0.10.1之间，低坝可取0.10.2之间，本设计取=-0.7。设计最优含水量为 用下述公式计算最大干容重作为校核参考：= （5-6）式中 土粒的比重； 压实土的含气量，粘土可取0.05，砂质粘土取0.04，壤土可取0.03，本设计取为0.05。运用下式作校核： 1.021.12 （5-7）式中 土料场的自然干容重；对一二级坝，还应该进行现场碾压试验，以便复核，并据以选定施工碾压参数。2、设计成果表5-3 粘性土料设计成果表 料 场比重s2.6762.672.652.742.7最优含水量22.0721.0722.3023.816.9设计干容重1.5361.5841.49761.47841.728塑限含水量wp23.1422.2025.026.320.0填筑含水量w21.7820.6823.2924.6619.02自然含水量%24.824.225.626.315.90塑性指数19.4621.7024.5723.5014.0孔隙此e0.7420.6860.76950.8530.5625湿密度1.871.9121.8461.8432.00浮密度0.9620.9910.93250.9391.088内摩擦角244025302310213028粘聚力0.240.230.250.380.17渗透系数k（）4.3194.81.93.96303、粘土料选用的结论已经探明上下游共有5个粘土料场，总储量为190万m3,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的差异，土料的采用以“近而好”为原则.III#下料场的渗透系数偏大（/s）不予采用，因为根据筑坝材料的填筑标准规定，渗透系数一般对均质坝不大于110-43/s,对心墙或斜墙不大于110-53/s其余几个料场力学性质相差不是太大，基本上能满足筑坝要求。I#下料场的塑性指数小于20，从压的角度宜采用I#下料场的粘土料，所以可将I#下料场作为主料场，其余几个料场作为辅助料场。二、坝壳砂砾料设计1、计算公式。坝壳砂砾料设计指标以相对密实度表见表5-4：，或 （5-8）式中：emax为最大孔隙比，emax=；emin为最小孔隙比，emin=；e为填筑的沙、沙卵石、或地基原状沙、沙卵石的孔隙比，e=；为沙粒比重；、为最大和最小干容重，由试验求得：为填筑的砂、砂卵石或地基原状砂、砂卵石的干容重。非粘性土料填筑一般要达到密实状态，对于砂土要求Dr不小于0.70；对于砂砾石，则依坝的级别而定，I、级坝Dr不小于0.75，、级坝不小于0.70。在地震区要求更高。一般沙砾料的干容重KN/m3。见图5-2图5-2 非粘性土料的粒径分布曲线 表5-4 相对密实度表小于某粒径颗粒含量料场名称10060202.51.20.60.30.1594.876.254.842.523.9104.60.395.277.457.14325.210.45.80.596.280.862.34730.610.16.60.49475.756.339.924.37.67.80.395.581.461.338.123.2167.40.296.176.954.535.816.78.42.70.19571.952.838.620.211.350.995.973.554.840.722.88.44.30.72、设计成果表5-5 砂砾料设计成果表 料 场不均匀系数大于5mm砾石含量%比重s设计干容重ra设计孔隙比e保持含水量%湿容重ru浮容重r内摩檫角粘聚力渗透系数10-2cm/s43450.751.86590.473851.961.19363002.045482.751.86590.473851.961.