B江水利枢纽工程设计说明书（一）

-1- 摘 要 本次设计主要是开发利用 B 江流域的水利资源，建设一个以发电为主，同时 兼顾灌溉、供水、防洪及养殖等综合利用的跨流域开发的水利水电枢纽工程。 在明确了建设目的并具有了建设依据和条件后，设计的枢纽概况如下：B 江 水利枢纽混凝土面板堆石坝高 53.5m 米，装机 6400KW，电站设计水头 174 米，多 年平均发电量为 1700 万 KWh，保证出力 1461KW。本电站装有两台 3200KW 机组， 主坝长 204 米左右，上游边坡 1：1.5，下游边坡 1：1.52。 本混凝土面板堆石坝的设计主要包括坝高、趾板、面板、溢洪道的设计以及 一些细节部分的设计。 混凝土面板堆石坝其防渗结构为混凝土面板、趾板、防浪墙、水平缝、垂直 缝、帷幕的设计、施工、质量控制是该类坝型的技术关键，本次设计以一般为参 考，重点考虑边坡稳定分析及工程量计算及概算编制，同时，堆石坝在注重各细 部独立分项设计的同时，综合考虑了整体工程的统一性。在设计过程中既充分运 用了所学知识，有广泛参考了设计施工方面的有关书籍。当然，这都是在规范规 定内作的设计，体现了本工程的科学性和规范性。 关键字：混凝土面板堆石坝、趾板、面板、溢洪道、副坝 -2- Abstract This design is to develop and utilize B river water resource of basin mainly， Build one rely mainly on generating electricity， give consideration to irrigate， supply water， prevent flood and the stepping the water conservancy water and electricity multi-purpose project developed in basin of comprehensive utilization of cultivating etc， at the same time. In build purpose and have build pivot general situation that basis and terms design as follows clearly： B river key water control project compound geotechnological panel rock-fill dam 53.5meters high membrane， installation 6400 KW， hydropower station design 174 meters of flood peaks， Guarantee and exert oneself 1461KW， equip with two 3200 KW units， main dam 204 meters long and the slope at upriver is 1：1.5， the slope at downriver is 1：1.52. The design of concrete-face rockfill dam mainly concludes height of dam 、anchoring of footwall、the design of the slab 、the design of spillway and some other details . Compound geotechnological concrete face rockfill dam ,whose prevention of concrete face，concret face slab and wave wall，periphery joint ，vertical joint，curtain grouting -Compound geotechnological design， construction， quality control of membrane the technological key of dam type.The designs process above-mentioned is referenced to the former design of rock-fill dam ，in pay attention to every detail while of designing ， have and consult design and construction relevant books of respect extensively. Certainly， this design that is made in the regulation of standardizing ， it is scientific， regulatory to reflect. Keywords: conrete-face rockfill dam; Plinth; Panel; spillway; Secondary -3- 目 录 摘 要 .1 ABSTRACT .2 1 综合说明 7 1.1 建设目的和依据7 1.2 建设规模和综合利用效益.7 1.2.1 建设规模.7 1.2.2 综合利用效益.7 1.3 工程特性表8 2 自然地理条件 .10 2.1 地形条件.10 2.2 水文特征.10 2.3 工程地质条件.11 2.3.1 库区工程地质.11 2.3.2 坝址工程地质.11 2.4 气象、地震及其他14 2.4.1 气象、地震.14 2.4.2 天然建筑材料.14 3 设计条件和设计依据 .16 3.1 设计任务16 3.2 设计依据.16 4 洪水调节计算 17 4.1 洪水调洪演算.17 4.1.1 洪水调洪演算原理.17 4.1.2 洪水调洪演算方法19 4.2 洪水标准分析.19 4.3 洪水建筑物的型式选择.19 4.4 调洪演算及泄水建筑物尺寸（孔口尺寸/堰顶高程）的确定21 4.4.1 调洪演算过程.21 4.4.2 洪水过程线的模拟.21 4.4.3 计算公式.21 4.4.4 计算结果.22 4.4.5 方案选择.22 4.4.6 坝顶高程的确定.23 5 主要建筑物型式选择和枢纽布置 .25 -4- 5.1 枢纽等别及主要建筑物的级别.25 5.2 坝型选择.25 5.2.1 拱坝.25 5.2.2 支墩坝26 5.2.3 重力坝.26 5.2.4 土石坝.26 5.2.5 堆石坝.27 5.2.6 坝型选择.28 5.3 泄水建筑物.28 5.4 水电站建筑物.29 5.5 枢纽方案的综合说明.29 5.5.1 挡水建筑物堆石坝.29 5.5.2 泄水建筑物正槽溢洪道.29 5.5.3 水电站建筑物.29 6 第一主要建筑物设计 .30 6.1 大坝的轮廓尺寸及防渗体设计.30 6.1.1 坝体组成.30 6.1.2 坝顶高程.30 6.1.3 坝顶宽度及 L 型挡墙设计.30 6.2 堆石料的设计.39 6.2.1 坝体分区.39 6.2.2 堆石料的填筑标准.41 6.3 坝坡稳定分析.42 6.3.1 稳定分析方法.42 6.3.2 计算原理，流程，分析.43 6.4 混凝土面板、底座设计48 6.4.1 混凝土面板设计.48 6.4.2 底座设计.50 6.5 细部构造设计及地基处理.54 6.5.1 坝顶构造.54 6.5.2 分缝及止水.54 6.5.3 副坝设计.56 6.5.4 大坝基础处理.58 7 第二主要建筑物设计 .60 7.1 引水渠段.60 7.2 控制堰段.61 7.2.1 溢流堰的断面型式.61 7.2.2 堰顶是否设闸门的比较.62 7.2.3 堰顶高程和孔口尺寸的选定及堰的平面布置.63 7.2.4 堰体、闸墩及其他结构布置.63 -5- 7.3 泄槽段64 7.3.1 泄槽的纵剖面布置.64 7.3.2 泄槽的平面布置.65 7.3.3 泄槽的衬砌结构.65 7.3.4 消能段.66 8 工程量清单与概算编制 .68 8.1 工程量清单68 8.2 初步概算编制.69 8.2.1 编制内容.69 8.2.2 主要工程项目及概算总价.70 8.2.3 编制原则、依据及编制方法70 8.2.4 基础单价.71 8.2.5 取费标准及税、费率.74 8.2.6 其他说明.75 8.2.7 附表.75 9 施工组织设计 .76 9.1 基本资料.76 9.1.1 工程概况.76 9.1.2 施工条件.76 9.2 施工导流设计80 9.2.1 导流标准.80 9.2.2 导流方案选择.81 9.2.3 大坝施工分期.81 9.2.4 导流建筑物的设计.82 9.2.5 围堰.85 9.3 主体工程量（大坝）86 9.3.1 工程量计算方法.86 9.3.2 施工强度.86 9.3.3 施工机械及人员.87 9.4 堆石体施工89 9.4.1 趾板.89 9.4.2 现浇混凝土保护层.90 9.4.3 挡浪墙.90 9.4.4 副坝.91 9.4.5 导流隧洞.91 9.4.6 溢洪道.91 9.4.7 混凝土工程机械选择.91 9.5 导流隧洞施工 .92 9.5.1 基本资料.92 9.5.2 开挖方法选择.92 -6- 9.5.3 钻机爆破循环作业项目及机械设备的选择.92 9.6 施工交通运输道路布置 95 9.7 施工总进度 96 9.7.1 进度性计划编制步骤.96 9.7.2 进度计划编制原则.96 9.7.3 施工顺序安排.96 参考文献 98 附录一 边坡稳定分析 .99 附录二 导流隧洞循环作业图 112 附录三 施工进程横道图 113 -7- 1 综合说明明 1.1 建设目的和依据 B 江水利枢纽工程是以发电为主，同时兼顾了灌溉、供水、防洪及养殖等综 合利用的跨流域开发的水利枢纽工程。 1.2 建设规模和综合利用效益 1.2.1 建设规模 本电站装机 6400，保证出力 1461KW。厂房总面积为 31.515.7。 总库容 1950 万 m3。 1.2.2 综合利用效益 1.2.2.1 发电 装机 6400KW，电站设计水头为 174m，多年平均发电量为 1700104KWh，保 证出力为 1461KW。本电站装 2 台 3200KW 机组，正常蓄水位 276.5m，死水位 248.0m，引水式发电，引水隧洞布置在右岸山体中，最大引用流量为 5m3 /s. 厂房位于莘水江湾湖山村左岸下游 340m 处，地面式，总面积为 31.515.7m2，其中主厂房宽 10.8m，主厂房内安装二台 HL110WJ76，配 SFWJ30006/1480 的水轮发电机组，机组安装高程为 103m，开关站位于厂房 的左上侧，尺寸为 11.527.25 m2。 1.2.2.2 灌溉 下游利用发电尾水灌溉，上游增加灌溉面积 1.0 万亩。 1.2.2.3 供水 供钟吕村及其下游村民生活用水。 1.2.2.4 防洪 可减轻洪水时对钟吕村及其下游江湾镇的威胁，在遇千年一遇和五十年一遇 洪水时，经水库调洪后，洪峰流量由原来的 551.5m3/s、364.5 m3/s 分别削减为 -8- 328m3/s、210 m3/s，要求设计洪水最大下泄量限制为 240m3/s. 1.2.2.5 渔业 水库蓄水后，正常蓄水位时水库面积 1.09km2，为发展养鱼等水产养殖业创 造了有利条件。 1.3 工程特性表 表 11 工程特性表 主要特性内容数 量 流域面积 33 k 坝址多年平均径流量 1.28 m3/s 多年平均总径流量4040 万 m3 千年一遇洪水洪峰流量 551.5 m3/s 五十年一遇洪水洪峰流量 364.5 m3/s 1、河流特性 泥沙容重 1.3t/m3 正常高水位 276.5m 兴利库容1966.0 万 m3 死水位 248.0m 死库容172.0 万 m3 设计洪水位 276.7m 拦洪库容2036.4 万 m3 校核洪水位 278.4m 2、水库特性 调洪库容2178.0 万 m3 设计洪水下泄量 210 m3/s 设计泄量下游水位 230.0m 校核洪水下泄量 328 m3/s 3、下泄流量及相应下 游水位 校核泄量下游水位 230.7m 防洪的设计洪水最大下泄量 240 m3/s 灌溉 上游灌溉面积增加 1.0 万亩 装机容量 6400KW 4、综合利用效益指标 渔业 正常蓄水位时水库面 积 1.09 km2 -9- 坝型混凝土面板堆石坝 坝顶高程 279.0m L 型挡墙顶高 280.2m 最大坝高 53.5m 坝顶长约 204m 坝顶宽 6m 上游边坡1：1.5 5、大坝特性 下游边坡1：1.52 型式正槽溢洪道 孔口宽度 10m 堰顶高程 272.0m 鼻坎高程 231.5m 孔口数目一个 闸门尺寸106（宽高） 闸墩宽度 2.0m 消能方式挑流消能 挑距 85.5m 冲坑201m 反弧半径 10m 6、泄水建筑物 挑角30 度 厂房尺寸 31.515.7m2 厂房型式地面式 发电机机台数2 台 水轮机安装高程 103m 水轮机型号 HL110-WJ-76 发电机型号 SFW-J3000-6/1480 7、水电站 开关站面积 11.5m27.25m 迁移人口384 人 8、其他 淹没统计455 亩 -10- 2 自然地理条件 2.1 地形条件 钟吕水库位于江西婺源县乐安河一级支流晓港水的钟吕村上游约 160m 处， 坝址以上控制流域面积 33km2。晓港水在钟吕村上游约 300m 处，由两支水系汇合 而成，其中东支发源于石耳山，南支发源于清湾头尖，河流在晓港村汇入乐安河， 本流域上游为中低山区，山势陡峭，中下游为低山丘陵区，山体凌乱，冲沟发育。 2.2 水文特征 据水文资料推算，坝址处多年平均流量 1.28 m3/sec，多年平均总径流量 4040 万 m3，p=0.1%的洪峰流量为 551.5 m3/sec，三日洪量为 1596 万 m3，p=2%的 洪峰流量为 364.5 m3/sec，三日洪量为 965 万 m3。 多年平均径流量 4040 万 m3 死水位 248.0m V死172.0 万 m3 坝址多年平均流量 1.28 m3/sec 正常蓄水位 276.5m V正=1966.0 万 m3 多年平均降雨均值 2047.7mm 设计洪水位 276.7m 设计三天洪量 965 万 m3 p2% 校核洪水位 278.4 m V校=2178.0 万 m3 校核三天洪量 1596 万 m3 p=0.1% 弧形门尺寸 106m 流域河段多年平均输砂量为 0.29 万吨，泥沙容重估算为 1.3t/m3。估计水库 淤积年限与高程关系如下表： 表 21 水库淤积年限与高程关系表 淤积年限（年）泥沙淤积量（万 m3）淤积高程（m） 5011.05236.08 10022.1237.78 表 22 水库水位库容关系曲线 水位（m） 227.5236.08237.78248276278.11 库容（104m3） 011.0522.1172.01910.02145.2 -11- 表 23 坝址水位流量关系曲线 2.3 工程地质条件 2.3.1 库区工程地质 库区属构造剥蚀低山地貌，山势陡峭，分水岭雄厚，地形封闭，植被良好， 未见滑坡等不良物理地质现象。 组成库岸及库盆的地层岩性主要为前震旦系板溪群的千枚状绿泥绢云母板岩， 千枚岩和变质砂岩。 库区岩石受多次构造运动的影响，断层和裂隙发育，岩石的褶皱和挠曲也很 常见，构造行迹以北东向压扭性为主，常见有北西向张扭性断裂和近东西向平推 断层，未见有较大的导水断裂连通库外。 库区地下水类型主要为第四系松散堆积物孔隙潜水和基岩裂隙水，受大气降 水补给，排泄于河谷与河床，库岸山体地下水位较高，一般在 300m 高程以上， 组成库岸及库盆的岩石表部透水性强，但深部岩石透水性微弱，属相对不透水层。 库区工程地质良好，水库蓄水后，不存在永久渗漏、岸边再造、浸没及水库 诱发地震等问题。 2.3.2 坝址工程地质 2.3.2.1 地貌 坝址区属构造剥蚀低山地貌，山顶高程为 280450m，坝区河床较宽，约 2050m，为一“U”型河谷，两岸山坡不对称，左岸山体雄厚，山坡角 3040 度，右岸山体较为单薄，山坡角 2030 度，且在右岸有一低矮垭口，顶高程约 276m，坝址区冲沟发育，且切割较深，未见滑坡等不良物理地质现象，自然边坡 稳定。 2.3.2.2 地层岩性 坝址区出露的地层岩性为前震旦系板溪群第四段绿泥绢云母千枚岩夹变质砂 岩，第四系松散堆积物及变质辉常岩，其岩性特征为： 水位(m) 227.5228.0228.5229.0229.5230.0230.5 流量(m3/s) 06.028.966.77121.97196.05281.78 -12- 绿泥绢云母千枚岩：灰绿色，主要矿物成分为绢云母、石英、长石、绿泥石 等，千枚状构造，其余碎屑显微鳞片状构造，岩石挠曲和褶皱常见，片理极发育， 岩层产状 N4060E，NW0.7 弱风化岩石0.55 饱和抗压强度：微新岩石40MPa -14- 弱风化岩石25MPa 表 24 堆石材料试验参数表 组别 试验干密度 （g/cm3） C(KPa) 。 KnRfGFD A2.104738.586800.350.820.460.201.5 B2.056037.726000.320.810.430.181.8 2.3.3 引水发电隧洞工程地质条件 引水发电隧洞通过地段属低山地貌区，山顶高程 300400m 相对高程 100200m，隧洞区冲沟发育，山体切割较深且较零乱，地表植被发育，未见有 不良物理地质现象。 隧洞围岩由绿绢云母千枚岩、变质粉砂岩、凝灰质千枚岩与粉砂质板岩 层。 绢云母千枚岩偶夹粉砂质板岩及粉砂质板岩等组成。岩石层面裂隙极发育、褶皱、 挠曲严重，断层发育切规模大，性状差，其中绢云千枚岩、凝灰质千枚岩水理性 质较差，且遇水易软化，软化系数低，凝灰质千枚岩成分复杂，还易于风化。绢 云母千枚岩与凝灰质千枚岩在洞线出露的长度占洞线总长的 19%，说明洞线围岩 大部分由绢云母千枚岩与凝灰质千枚岩构成。 根据工程类比可知：千枚岩的单轴饱和抗压强度为 1640MPa，软化系数 0.630.93，属半坚硬较软化，抗水性较差的片状（薄层状）岩体。 2.4 气象、地震及其他 2.4.1 气象、地震 流域内气候。流域内多年平均气温 16.7，以一月份平均气温 4.6为最低， 七月份平均气温 28为最高，历年极端最高气温 41，极端最低气温-11。 风速及吹程：多年平均最大风速 12.6m/sec，吹程 1.6km。 地震烈度：坝址及库区地震烈度属度以下，设计可不考虑地震荷载。 降雨量：流域多年平均降雨均值 2047.7mm。 -15- 2.4.2 天然建筑材料 2.4.2.1 砂砾石料 坝址流域砂砾石料贫乏，但在江湾水和段莘水流域有梨苗场和古玩料场，距 大坝约 1015km,有公路相通，运输方便。 梨苗场 、古玩料场均为砂卵（砾）石混合料，砂卵（砾）石储量丰富，质 量良好，满足工程要求。 2.4.2.2 堆石料 坝址附近广泛分布绿泥绢云母千枚岩，弱至微风化岩石，岩性较坚硬，力学 强度较高，质量较好，储量丰富，可作为大坝堆石料。 坝址附近粘土很少，坝址上下游有一定的粘土分布，均为当地农民耕地。 -16- 3 设计条件和设计依据 3.1 设计任务 在明确设计任务及对原始材料进行综合分析的基础上，要求： 1) 根据防要求，对水库进行洪水调节计算，确定坝高程及岸坡溢洪道尺寸； 2) 通过分析，对可能的方案进行比较，确定枢纽组成建筑物型式，轮廓尺 寸及水利枢纽布置方案； 3) 详细做出大坝设计，通过比较，确定坝的基本剖面与轮廓尺寸，拟定地 基处理方案和坝身结构，进行水力、静力计算； 4) 对泄水建筑物进行设计，选择泄槽方式，确定边墙高度，以及进行边墙 稳定计算； 5) 决定枢纽的施工导流方案，安排施工的控制性进度。 3.2 设计依据 根据已有的地形、地质等资料，按照我国的现行水利水电工程的规范进行设 计。参考规范如下： 1、中华人民共和国水利部，1998.混凝土面板堆石坝设计规范 SL228-98.北 京；中国水利水电出版社. 2、中华人民共和国水利部，1998.水利水电工程土工合成材料应用技术规范 SL/T225-98.北京：中国水利水电出版社. 3、中华人民共和国电力工业部，1998. 水工建筑物荷载设计规范 DL5077- 1997.北京：中国水利水电出版社. 4、中华人民共和国水利部，2002.水利建筑工程概算定额.北京：黄河水利 出版社. 5、中华人民共和国水利部，2002.水利工程设计概算编制规定.北京：黄河 水利出版社. 6、中华人民共和国水利部，2002.水利工程施工机械台时费定额.北京：黄 河水利出版社. -17- 7、中华人民共和国水利部，2005.混凝土重力坝设计规范 SL319-2005.北京： 黄河水利出版社. 4 洪水调节计算 4.1 洪水调洪演算 4.1.1 洪水调洪演算原理 洪水在水库中运行时，水库沿程的水位、流量、过水断面、流速等均随时间 而变化，其流态属于明渠非恒定流。根据水力学，明渠非恒定流的基本方程，即 圣维南方程组为： 连续性方程： （4-1）0 s Q t 运动方程： （4-2） 2 2 1 Ks v g v s v gs z 式中 过水断面面积(m2) t 时间（s） Q 流量（m3/s） s 沿水流方向距离（m） Z 水位（m） g 重力加速度(m/s2) v 断面平均流速(m/s) K 流量系数(m3/s) 一般采用简化的近似解法，长期以来，普遍采用瞬时法，即用有限差值来代 替微分值，并加以简化，以近似地求解一系列瞬时流态。 瞬时流态法将式(41)进行简化而得出基本公式，再结合水库的特有条件对 基本公式进行简化，得出用于水库调洪计算的实用公式： (4-3) t V t VV qqQQqQ 12 2121 )( 2 1 )( 2 1 式中 , 分别为计算时段初、末的入库流量(m3/s)； 1 Q 2 Q -18- 计算时段中的平均入库流量(m3/s) =(+)/2；QQ 1 Q 2 Q q1 , q2 分别为计算时段初、末的下泄流量(m3/s)； 计算时段中的平均下泄流量(m3/s) ；q2/ 21 qqq V1 , V2 分别为计算时段初、末水库的蓄水量(m3)； V1与 V2之差；V 计算时段t 公式(4-3)表示为一个水量平衡方程式，表明：在一个计算时段内，水库水 量与下泄水量之差即为该时段中水库蓄水量的变化。显然，公式中并未计入洪水 入库处至泄洪建筑物间的行进时间，也未计入沿程流速变化和动库容等影响，这 些因素均是其近似性的一个方面。 当已知水库入库洪水过程线时，Q1，Q2，均为已知，V1，q1,则是计算时Q 段开始时的初始条件。于是，式(4-3)中的未知数仅剩下 V2，q2,当前一时段的t V2,q2求出后，其值即成为后一时段的 V1，q1 值，使计算能逐步地连续进行下去。 仅一个方程来求解 V2，q2是不可能的，必须再有一个方程式 q2=f(V2),与式(4-3) 联立，才能同时解出 V2，q2的确定值，假定暂不计及自水库取水的兴利部门泻向 下游的流量，则下泻量 q 是泄水建筑物泻流水头 H 的函数，而当泄洪建筑物的型 式、尺寸等已确定时 (44) AHBHfq 式中 A 系数，与泄洪建筑物的型式、尺寸、闸孔开度及淹没系数有关； B 指数，对于堰流 B 一般等于 3/2，对于闸孔出流一般 B=1/2 根据水力学公式，H 与 q 的关系曲线可求。若是堰流 H 即为库水位 Z 与堰顶 高程之差；若是闸孔出流 H 即为库水位 Z 与闸孔中心线高程之差。因此可以根据 H 与 q 的关系曲线求出 Z 与 q 的关系曲线 q=f(Z),并且，由库水位 Z，又可借助于 水库容积特性曲线 V=f(Z), 求出相应的水库蓄水容积 V，则式(4-4)可用下泄流 量 q 与库容 V 的关系曲线代替，即 q=f(V),与式(43)联立方程组，求解 V2，q2。 当水库承担下游防洪任务时，要求保持 q 不大于下游允许的最大下泄流量 qmax时，就要利用闸门控制流量 q，但计算的基本公式和方法与上面介绍的是一致 的。 本设计泄水建筑物是正槽溢洪道。采用闸门全开式泄洪，故下泄流量是 -19- q=AH3/2,H 即为库水位 Z 与堰顶高程之差，由于资料有限仅有 0.1%和 2%的流量及 其对应的三日洪峰流量，无法描绘出洪水过程线，故采用三角形法拟画出洪水过 程线（具体做法见本章 4.4 节） 。本设计中调洪演算是为了定出设计、校核水位 和相应的下泄流量，已知下泄量与水头的关系曲线（式 44） ，通过假定下泄流 量 q，可利用洪水过程线计算出水库蓄水量 V，通过 V=f(Z)可查出对应的水位， 得到 q=f(Z)曲线，通过两条 q-Z 曲线即得到设计、校核水位及相应流量。 4.1.2 洪水调洪演算方法 进行洪水调节计算的方法很多，目前常用的是：列表试算法，半图解法。本 设计采用的是简化三角形法，也叫高切林法。 4.2 洪水标准分析 设计情况，采用 50 年一遇的洪水标准。P=2%的洪峰流量为 364.5 m3/s,三日 洪量为 965 万 m3。 校核情况，采用千年一遇的洪水标准。p=0.1%洪峰流量为 551.5 m3/s,三日 洪量为 1569 万 m3。 4.3 洪水建筑物的型式选择 水利枢纽中的泄水建筑物一般包括设于河床的溢流坝、泄水闸、泄水孔，设 于河岸的溢洪道、泄水隧洞等。 本设计采用坝型为面板堆石坝（具体见 5.2 节） ，泄水建筑物一般不布置在 河床。 下面根据本工程的地形、地质条件，对正槽溢洪道、侧槽溢洪道及泄水隧洞 这三种泄水建筑物进行比较选择。 泄水隧洞布置得一般原则是：地质条件好，路线短，水流顺畅，与枢纽其他 建筑无相互不良的影响。洞线宜选择在沿线地质构造简单、岩体完整稳定、岩性 坚硬，上覆岩体厚度大，水文地质条件有利和施工方便的地段。避开围岩破碎、 地下水位高或渗水量很大的岩层和可能坍塌的不稳定地带，同时防止洞身离地表 太浅。 本工程坝址区地处华夏系及新华夏系构造复合部位，坝址区断层裂隙发育， -20- 岩石破碎，岩层坍塌和挠曲常见。 坝址区岩石的透水性及相对不透水层经先导孔压水试验，左岸相对不透水层 埋深 1024 米，上部透水层 q 值为 6.7196.7Lu，大者达到 341.7Lu，属中等- 严重透水层。 本工程最大坝高 53.5 米，正常蓄水位 276.5 米，因此要避开透水层而布置 泄水隧洞，工程量显然很大，而且本工程地质条件不好，故不采用隧洞泄洪。 河岸溢洪道是布置在拦河坝坝肩或拦河坝上游水库库岸的泄洪通道，水库的 多余的来洪量经此泄往下游河床，常以堰流方式泄水，有较大的超泄能力。 正槽溢洪道过堰水流方向与堰下泄槽纵轴线方向一致。 侧槽溢洪道水流过堰后急转近 90，再经泄槽下泄。 从地质条件上来说，溢洪道应力争位于较坚硬的岩基上，但较泄洪隧洞要求 较低，但在地基条件差的基岩上，要注意衬砌和防冲的设计。 同时对于堆石坝而言，河岸溢洪道可与坝体相接，从而既可减少溢洪道的开 挖量，也可以减少坝体的填筑量。 因此，本工程泄水建筑物采用河岸溢洪道。 正槽溢洪道在水力学上的特点是，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，泄槽各断面的流量也随之都达到同一值， 故水流平顺稳定，运用安全可靠，另外，结构简单、施工方便。 侧槽溢洪道在当水利枢纽的拦河坝难以本身溢流，且河岸陡峭，布置正槽溢 洪道将导致巨大的开挖量时，可能成为比较经济的泄水建筑物。与正槽溢洪道相 比，侧槽溢洪道前缘可少受地形限制，而向上游库岸延伸，由增加溢流前缘宽度 而引起开挖量增加较少，从而可以以较长的溢流前缘宽度换取较低的调洪水位， 或换取较高的堰顶高程。 本工程的溢洪道布置在左岸，岸坡较陡优选侧槽溢洪道，但是，溢洪道的兴 建需要注意和解决的问题是，高水头、大流量及不利地形地质条件下，高速水流 引起的一系列水力学和结构问题，而侧槽溢洪道的水流现象复杂，进槽水流须立 即转弯近 90，再顺槽轴线下泄，对每一个不同的侧槽断面，其所通过的流量是 不相同的，然而，侧槽内的水流现象的复杂性，并不仅仅表现在流量的沿程的变 化上，水流自堰跌入侧槽后，在惯性的作用下，冲向侧槽对岸壁，并向上翻腾， 然后再重力作用下转向下游流去，在槽中形成一个横轴螺旋流。 考虑到侧槽溢洪道水流现象的复杂，而且，本工程地质条件较差，侧槽溢洪 道对结构方面的要求会很高，危险性大，同时由于本枢纽的坝体不是很高，正槽 溢洪道的开挖量不会增加很大。 -21- 综上所述，结合本工程的地形、地质条件，泄水建筑物采用正槽溢洪道，布 置于左岸与坝体相接。 4.4 调洪演算及泄水建筑物尺寸（孔口尺寸/堰顶高程）的确定 4.4.1 调洪演算过程 通过洪水资料，做出设计情况和校核情况下的洪水过程线；假定堰高、堰宽， 确定各情况下的起调流量；假定不同的下泄流量 q,由洪水过程线求出库容 V，由 库容 V，查水位-库容曲线，找出相应的水位 H，从而，对于每一组情况下可做出 一条 QH 曲线；根据公式,又可做出一条 QH 曲线；对应于每 2 3 2 HgmBQ 一种情况，可从 QH 图中确定相应交点的 Q 和 H 值。 4.4.2 洪水过程线的模拟 由于本设计中资料有限，仅有 p=2%、p=0.1%的流量及相应的三日洪水总量， 无法准确画出洪水过程线。按照规范，洪水过程线应用 PIII 型曲线拟合，但实 际操作过程中较难，故本设计中采用三角形法模拟洪水过程线，并在曲线形状上 尽量拟合为 PIII 型。根据洪峰流量和三日洪水总量，可作出一个三角形（如图 中虚线） ，根据水量相等原则，对三角形进行修正，得到一条模拟的洪水过程线 （如图中的实线） 。 图 4-1 三角形法图 4-2 洪水过程线图 4-3 调洪演算 -22- 4.4.3 计算公式 计算采用公式： （4-5） 2 3 2 HgmBQ 式中 侧收缩系数，=10.14H/B，当 H/B1 时，取 H/B=1； m流量系数，m=0.502； B溢流孔口净宽； H堰上水头 起调流量 2 3 2 HgmBQ 起调 式中 H 为汛前限制水位-堰顶高程。 4.4.4 计算结果 计算结果（可行性方案）见表 4-1： 表 4-1 调洪方案汇总表 方 案 堰顶高程 (m) 堰顶宽 (m) 设计洪水 位(m) 设计下泄 流量 (m3/s) 校核洪水 位(m) 校核下泄 流量 (m3/s) 超高 （m） 12728277.1188279.12912.6 227210276.7210278.43281.9 32738277.8177.1279.82803.3 427310277.4199.4279.23182.7 527312277.2214278.73482.2 注：超高Z =校核洪水位-正常蓄水位；发电引用最大流量 5m3/s，相对较小，在计算时不 予考虑。 4.4.5 方案选择 以上方案中，设计洪水位均小于设计洪水最大下泄流量 240m3/s，因而对这 五个方案通过经济技术比较选定。本设计对此只做定性分析，同时也考虑与导流 洞结合的问题。一般来说超高Z大，坝增高，大坝工程量加大；B大则增加隧 洞的开挖及其它工程量，而Q/B越大消能越困难，衬砌要求也高。方案 3 安全超 -23- 高较大，剔除；考虑到设计下泄流量越接近最大下泄流量对设计越有利，因此， 仅考虑 2，5 方案；在这两个方案中，与方案 5 相比，方案 2 的超高更小，因此 节省工程量，所以最终选择方案 2。即堰顶高程 272m,堰顶宽 10m，设计下泄流量 为 210m3/s,校核下泄流量为 328m3/s。 4.4.6 坝顶高程的确定 4.4.6.1 工程等别及建筑物级别和洪水标准的确定 校核水位 278.4m 对应的库容为 2178 万 m3,查水利水电工程等级划分及洪 水标准 SL2522000得本工程等别为 III 等，工程规模为中型。相应其主要建 筑物级别为 3 级，次要建筑物为 4 级。水工建筑物为 3 级的洪水标准：设计下洪 水重现期为 10050 年，校核下洪水重现期为 20001000 年。 4.4.6.2 波浪要素计算 波浪要素采用官厅水库公式计算（适用于库水较深，V01.25 c K 满足抗滑稳定要求 抗倾覆稳定计算 采用公式 （6-4） H v M M K0 式中 挡土墙抗倾覆稳定安全系数，特殊组合（施工期）1.40，正常组合 0 K （正常蓄水位）1.50，取为 1.50； 作用于墙身各力对墙的稳定力矩； V M 作用于墙身各力对墙的倾覆力矩 H M =20.34KN.m H M =415.11KN.m V M 图 64 底板受力图 -36- =20.41=1.50 ，满足抗倾覆稳定要求 0 0 M M K y 34.20 11.415 0 K 地基承载力的计算 a 偏心距 e=C B 2 W MM B HV 2 式中 e 为墙底压力的偏心距离，对于硬土 e B/5； B 为墙底宽，4.0m； C 为墙底面上垂直力的作用点与墙身前趾间的距离； 为作用在墙上的垂直力 W b 计算判别 e=-0.068mB/5=0.8m W MM B HV 2 c 基底应力 墙前基底处应力 = 1 ) 6 1 ( B e B W =42.84kN/m 2 墙后基底处应力) 6 1 ( 2 B e B W =52.60kN/m 2 、均小于 25，满足地基承载要求，且、均大于 0，无拉应力 1 2 MPa 1 2 出现，所以 L 型挡墙满足应力条件。 校核状况 同样，对 L 型防浪墙的竖直部分简化为悬臂梁进行计算 当上游水位低于 276.6m 时，即防浪墙上游无水的情况下为最不利工况，应 按此工况进行配筋计算。 主动土压力：E=8.63kN 产生弯矩：5.74kN.m 1 M 校核水压力：=8.29KN 2 2 1 HP w 产生弯矩：4.31KN.m 2 M 总弯矩：=5.74-4.31=1.43kN.m 21 MMM -37- 总弯矩小于设计状况下弯矩，采用对称配筋，在上游侧采用构造对称配筋， 配 612，分布钢筋采用6250 底板配筋（II-II 截面） 105.68kN 3 W =32.4kN 1 W 对弯矩的影响很小，可忽略不记 0 E 对 II-II 面产生的弯矩： =69.25kN.mM 对 II-II 截面进行配筋计算 取单位宽度进行计算，保护层厚度取 30mm 截面抵抗矩系数： 030 . 0 2 0 hbf M c d s 0.0301.10 78 . 0 1 . 20158.38 0 tg H Gtg Kc 满足抗滑稳定要求。 43.16 57.38 图 65 底板受力图 -39- 抗倾覆稳定计算 采用公式 （6-5） H v M M K0 式中 挡土墙抗倾覆稳定安全系数，特殊组合，取为 1.40 0 K 作用于墙身各力对墙的稳定力矩 V M 作用于墙身各力对墙的倾覆力矩 H M =20.34KN.m H M =445.4KN.m V M =21.9=1.40 ，满足抗倾覆稳定要求 0 0 M M K y 34.20 4 .445 0 K 地基承载力的计算 a 偏心距 e= （6-C B 2 W MM B HV 2 6） 式中 e 为墙底压力的偏心距离，对于硬土 e B/5 B 为墙底宽，4.0m C 为墙底面上垂直力的作用点与墙身前趾间的距离 为作用在墙上的垂直力 W b 计算判别 e=-0.23mB/5=0.8m W MM B HV 268.10548 2 . 37 34.20 4 . 445 2 4 c 基底应力 墙前基底处应力 = 1 ) 6 1 ( B e B W =31.26kN/m 2 墙后基底处应力 =64.18kN/m) 6 1 ( 2 B e B W 2 、均小于 25，满足地基承载要求，且、均大于 0，无拉应力 1 2 MPa 1 2 出现，所以 L 型挡墙满足应力条件。 -40- 6.2 堆石料的设计 6.2.1 坝体分区 堆石体在各种荷载作用下，各部分内的应力装口袋不同，各部分所产生的变 形也因而不同。又由于堆石体各部分与混凝土面板的相对位置也各不相同，各部 分变形对面板的影响程度也因而各有差异。为此，堆石体各部分在堆石坝内所引 起的作用也不相同，所以在堆石体设计中，应对堆石体各部分分别提出对材料特 性、最大粒径、粒径级配、碾压后的密实度和变形模量以及透水性和施工工艺要 求。这就需要根据堆石体各部分的受力条件和所起的作用进行研究，将堆石体作 适当分区，以方便施工及降低工程造价。 混凝土面板堆石坝的整个堆石体，可概分为靠上游部分的过渡区和靠中下游 部分的堆石体。过渡区内紧靠面板的部分，起直接制成面板的作用，一般应具有 高变形模量，均匀性和低透水性；其位置相当于面板的垫层，故又称为垫层。垫 层下游其余部分的过渡区，起垫层与下游堆石区间的过渡作用。堆石区按其所在 的部位，又被划分为两个小区。靠近中央及上游部位的堆石区，受水压力作用较 大，离地面也较近，较为重要，特性与技术要求较高，故专分为一个小区。靠下 游部位的堆石区主要起保持坝体整体和下游坝坡稳定作用，特性和技术要求较低， 故分为另一小区。这样，对堆石体的分区，按上述分为：()垫层， （）过渡 区， （）主堆石区， （）次堆石区。 -41- 根据上述要求，考虑到本工程当地堆石料及应力状态因素，将大坝大致分区 如图 66 所示： 6.2.1.1 垫层区 垫层的作用是平整上游坡面，避免面板出现应力集中，故要求垫层料的粒径 不能过大，应含有适量的细料。为改善面板的受力条件，垫层料应级配良好，细 料足以填满粗料间的空隙，以便压实到很好的密度，并具有较高的变形模量。为 使其在施工期未做面板前可用来临时挡水，以及当面板或接缝产生渗漏事时可用 来防止大量的漏水，并对渗透水流带入的细料起反滤作用，使之能截流淤堵在接 缝或缝隙内，而形成自愈型止水。目前，工程界认同的理想级配是最大粒径 80100mm，小于 5mm 的粒径的含量为 3555，小于 0.1mm 的粒径的含量为 212的连续级配料。这种垫层料既可以达到半透水料的要求，又可对粉粒 起反滤作用。 由于周边缝张开而导致漏水是面板坝的薄弱环节，所以现在普遍在周边缝下 设置一特殊垫层区，用粒径小于 40mm 的细垫层料填筑，一方面宜于边角处填筑 压实，减小周边缝的相对变形；另一方面在漏水时可以起限制渗水量和反滤作用。 垫层的构造尺寸目前都按等厚布置，其水平宽度视施工机具和施工方式而定。 参照其他工程，本工程垫层水平宽度取 3m。 6.2.1.2 过渡区 在垫层区和主堆石区之间一般还设有过渡区。该区的材料粒径级配和密实度 介于垫层区和主堆石区之间，既有与垫层区共同承担面板传力的作用，又有防止 图 66 混石体通用分区示意图凝土面板堆石坝堆 、 主堆石区 次堆石区 过渡区 垫层水平厚 度3m 钢筋混凝土面板 -42- 垫层内细颗粒流失的反滤作用。该区的石料粒径要求可比垫层料放宽，最大粒径 一般为 300mm400mm，水平宽度一般为 35m，本工程取水平宽度为 4m。主堆石 区为沙砾料时，也可不设专门的过渡区。过渡区的填料标准可比垫层区梢低，设 计孔隙率为 1822。 6.2.1.3 堆石区 在堆石区中，主堆石区是承受水压力的主要部分，其作用是将面板承受的水 压力传递给地基。该区要求石料具有低压缩性、高抗剪强度，并且具有良好的透 水性和耐久性。宜采用硬岩（饱和抗压强度不小于 30Mpa 的岩石称为硬岩，小于 30Mpa 时称为软岩）堆石料或沙砾料填筑。主堆石料对级配要求不是很高，一般 要求最大粒径不超过铺料层厚度（铺料厚度约 0.81.0m） ，小于 25mm 的颗粒含 量不大于 50，小于 200 号筛的颗粒含量不大于 10，使之具有自由排水特性 即可。 次堆石区承受水压力较小，其压缩性对面板的变形影响较小。次堆石区在下 游水位以下部分，应采用能自由排水的、抗风华能力较强的石料填筑；下游水位 以上部分，可以使用与主堆石区相同的石料，但压实标准可以降低，也可采用质 量较差的软岩料或风化石料等。 沙砾料是堆石体的良好材料，目前是使用沙砾料，在断面内的配置上有三种 形式：全部由沙砾料组成，此时坝坡应放缓；将沙砾石置于上游主堆石区， 下游设次堆石区，以防止砾石在坡面上滚动及线层滑动，维持较陡的下游边坡； 过渡区后设一堆石区，然后是沙砾石区，下游边坡再设一堆石区，将沙砾石包 在坝心。 6.2.2 堆石料的填筑标准 （1）垫层料、过渡料、主堆石料及下游区的堆石料的填筑标准应根据坝的 等级、坝高、河谷形状、地震烈度及已建成相近岩性堆石坝的经验综合确定。 （2）各区坝料填筑标准可根据经验初步选定，设计应同时规定孔隙率或相 对密度、坝料的级配和碾压参数。设计孔隙率值或相对密度宜符合下列表格的要 求。设计干密度值可用孔隙率和岩石密度换算。 表 61 堆石料的填筑标准 坝料垫层料沙砾石料过渡料主堆石料下游堆石料 孔隙率 1520182220252328 -43- （） 相对密度0.750.85 平均干密度不小于相应设计孔隙率或相对密度的换算值，其标准差不大于 0.1kg/cm3 。 特殊垫层区的填筑标准应不低于垫层区。 （3）填筑标准应通过碾压实验复核和修正，并确定相应的碾压参数，在施 工过程中，宜采用碾压参数和孔隙率或相对密度两种参数控制，并宜以控制碾压 参数为主。 （4）软岩堆石料的设计标准和填筑标准应通过实验确定。 （5）应对坝料填筑提出加水的要求，加水量可根据经验公式或试验确定。 通过碾压试验验证，软化系数高的堆石料加水碾压作用不明显时，也可以不加水； 寒冷