钟吕水利枢纽复合土工膜防渗面板堆石坝设计计算书

目录第一章 调洪演算41.1洪水调节计算41.1.1洪水调节计算方法41.1.2.洪水调节具体计算41.1.3.方案选择81.2 防浪墙顶高确定81.2.1设计洪水位+正常运用情况81.2.2正常蓄水位+正常运用情况91.2.3校核洪水位+非常运用情况101.2.4防浪墙顶高程的确定11第二章 L型挡墙计算122.1 L型挡墙尺寸设计122.2工况分析122.2.1 L型挡墙完全露出在水面以上122.2.2 L型挡墙在设计洪水情况下132.2.3 L型挡墙在校核洪水情况下152.3 基础承载力验算162.4 抗滑稳定验算172.5 抗倾覆验算182.6 配筋计算18第三章 坝坡稳定计算213.1坝体边坡拟定213.2堆石坝坝坡稳定分析213.2.1计算公式213.2.2计算过程及结果21第四章 复合土工膜计算234.1复合土工膜与垫层间的抗滑稳定计算234.2复合土工膜的应力校核计算23第五章 趾板设计265.1设计趾板剖面265.2趾板剖面的计算26第六章 副坝设计286.1 副坝顶宽验算286.2 强度和稳定验算286.2.1 荷载计算296.2.2 稳定验算29第七章 拦洪水位确定307.1洪水调节原理307.2隧洞下泄能力曲线的确定307.3 P=5%洪水调洪计算317.4计算结果32第八章 施工组织设计（专题）348.1主体工程量计算348.1.1 计算公式及大坝分期说明348.1.2 计算过程358.2 工程量清单计算378.2.1 堆石坝工程量计算378.2.2 副坝工程量计算388.2.3 趾板工程量计算408.2.4 L型挡墙工程量计算408.3堆石体施工机械选择及数量计算408.3.1 机械选择408.3.2 机械生产率及数量计算408.4 开挖机械选择428.5混凝土工程机械数量计算428.5.1 趾板428.5.2 L型挡浪墙428.5.3 素混凝土及无砂混凝土428.5.4 副坝438.5.5 混凝土工程机械选择数量计算438.6 导流隧洞施工计算438.6.1 基本资料438.6.2 开挖方法选择438.6.3钻机爆破循环作业项目及机械设备的选择448.6.4开挖循环作业组织44参考文献47附图一：水库水位-库容关系曲线48附图二：坝址水位-流量关系曲线49附图三：设计洪水过程线(P=2%)50附图四：校核洪水过程线(P=0.1%)51附图五：调洪演算QH曲线(设计)52附图六：拦洪水位确定54附图七：0.4mm土工膜厚度验算54附图八：0.6mm土工膜厚度验算55第一章 调洪演算1.1洪水调节计算1.1.1洪水调节计算方法利用瞬态法，结合水库特有条件，得出专用于水库调洪计算的实用公式如下： (1-1)式中 , 计算时段初、时段末的入库流量，m3/s；, 计算时段初、时段末的平均下泄流量，m3/s； 时段初、时段末水库蓄水量之差，m3； 计算时段，一般取16小时，本设计取4小时。即在一个计算时段内，入库水量与下泄水量之差为该时段中蓄水量的变化。1.1.2.洪水调节具体计算1.1.2.1调洪演算原理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。设计中采用三角形法模拟洪水过程线。根据洪峰流量和三日洪水总量，可作出一个三角形，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1-1,图1-2 。根据本工程软弱岩基，选用单宽流量约为2050m3/s，允许设计洪水最大下泄流量245m3/s，故闸门宽度约为4.9m12.5m，选择四种宽度进行比较，假定堰宽分别为8m、10m和12m,并假定两个堰顶高程，由于假定的堰顶高程比较接近，故根据公式求得的也非常接近，所以每个堰宽中只选择一种堰顶高程及其相应的作出HQ关系曲线。正常蓄水位275.5m，对应库容为1879.0万m3。通过洪水资料，作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作出一条QH水位上升曲线；根据公式,又可作出一条QH泄流曲线；对应于每一种情况，可从QH图中确定相应的Q和H值。1.1.2.2计算公式 (1-2)式中：侧收缩系数，取=0.9；m流量系数，m=0.5； B溢流孔口净宽； H堰上水头。由于河床比较软弱，岩层褶皱和挠曲常见，断层裂隙发育。所以取溢洪道单宽流量。 (1-3)式中：B 溢流孔口净宽； 最大下泄限制流量；260； Q 单宽流量。1.1.2.3调洪演算过程（1）洪水过程线图1-1 P=2%的洪水过程线图1-2 P=0.1%的洪水过程线（2）泄水建筑物泄流能力曲线计算方案一：堰顶高程274m表1-1，堰顶=274.0时流量与库水位关系计算表假定流量qi（m3/s）面积Si （2）增加库容总库容V相应水位Z（m）Vi（万m3）（万m3）设计情况245.2 868.9 312.8 2098.7 277.7 192.4 1087.0 391.3 2177.1 278.4 148.8 1280.7 461.1 2246.9 279.0 104.0 1505.0 541.8 2327.7 279.7 校核情况400.0 1246.8 448.8 2234.7 278.9 290.4 1687.7 607.6 2393.4 280.3 228.8 1962.7 706.6 2492.4 281.2 172.0 2250.2 810.1 2595.9 282.2 方案二：堰顶高程273m表1-2，堰顶=273.0时流量与库水位关系计算表假定流量qi（m3/s）面积Si （2）增加库容总库容V相应水位Z（m）Vi（万m3）（万m3）设计情况245.2 868.9 312.8 2036.6 277.1 192.4 1087.0 391.3 2115.1 277.8 148.8 1280.7 461.1 2184.8 278.5 104.0 1505.0 541.8 2265.6 279.2 校核情况400.0 1246.8 448.8 2172.6 278.4 290.4 1687.7 607.6 2331.4 279.8 228.8 1962.7 706.6 2430.4 280.7 172.0 2250.2 810.1 2533.9 281.6 方案三：堰顶高程272m表1-3，堰顶=272.0时时流量与库水位关系计算表假定流量qi（m3/s）面积Si （2）增加库容总库容V相应水位Z（m）Vi（万m3）（万m3）设计情况245.2 868.9 312.8 1974.5 276.6 192.4 1087.0 391.3 2053.0 277.3 148.8 1280.7 461.1 2122.8 277.9 104.0 1505.0 541.8 2203.5 278.6 校核情况400.0 1246.8 448.8 2110.6 277.8 290.4 1687.7 607.6 2269.3 279.2 228.8 1962.7 706.6 2368.3 280.1 172.0 2250.2 810.1 2471.8 281.0 方案四：堰顶高程271m表1-4，堰顶=271.0时流量与库水位关系计算表假定流量qi（m3/s）面积Si （2）增加库容总库容V相应水位Z（m）Vi（万m3）（万m3）295.2 668.2 240.6 1840.2 275.4 设计情况245.2 868.9 312.8 1912.4 276.0 192.4 1087.0 391.3 1991.0 276.7 148.8 1280.7 461.1 2060.7 277.4 104.0 1505.0 541.8 2141.4 278.1 校核情况400.0 1246.8 448.8 2048.5 277.2 290.4 1687.7 607.6 2207.2 278.7 228.8 1962.7 706.6 2306.2 279.6 172.0 2250.2 810.1 2409.7 280.5 表1-5，根据公式作出HQ关系曲线的计算列表：H0B1Q1B2Q2B3Q3H(271)H(272)H(273)H(274)1 8 17.5 10 21.9 12 26.4 272.0 273.0 274.0 275.0 2 8 48.6 10 61.1 12 73.7 273.0 274.0 275.0 276.0 3 8 87.6 10 110.7 12 133.8 274.0 275.0 276.0 277.0 4 8 132.3 10 167.9 12 203.5 275.0 276.0 277.0 278.0 5 8 181.5 10 231.2 12 280.9 276.0 277.0 278.0 279.0 6 8 234.0 10 299.3 12 364.7 277.0 278.0 279.0 280.0 7 8 289.1 10 371.5 12 453.8 278.0 279.0 280.0 281.0 8 8 346.2 10 446.8 12 547.4 279.0 280.0 281.0 282.0 9 8 413.1 表1-6 调洪演算结果汇总表方案堰顶宽度(m)堰顶高程(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）1B=8米274278.7170279.82651.12273278181.5279.8289.11.83272277.3188.5279.23001.94271276.5200278.43101.95B=10米274278.4 160.0 280.7 260.0 2.36273277.6 200.0 279.3 320.0 1.77 272 277.0 231.2 278.6 330.5 1.6 8 271 276.1 235.0 277.8 360.0 1.7 9 B=12米274278.1 210.0 279.7 340.0 1.6 10 273277.3 225.0 279.7 340.0 2.4 11 272276.6 245.2 278.1 370.0 1.5 12 271275.8 260.0 277.2 385.0 1.4 注：超高=校核洪水位-设计洪水位1.1.3.方案选择以上方案中，设计状况下Q 泄260 m3/s，有12个方案，能够满足要求，因而方案的选择需通过经济技术比较选定。本设计对此只做定性分析。一般来说堰顶高程越低、孔口宽越大，坝高就越低，可减少工程量；而堰顶高程越高、孔口宽越小，可减少溢洪道开挖量，对上述三种方案进行综合考虑，最后采用方案3,即堰顶高程272.0m，溢流孔口净宽8m；该方案设计洪水位277.3 m，设计下泄流量188.5 m3/s，校核洪水位279.2m，校核泄洪量300.00m3/s。1.2 防浪墙顶高确定据碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）,堰顶上游L型挡墙在水库静水位以上高度按下式确定： (1-4)式中：y 坝顶超高,m； R 最大波浪在坝坡上的爬高，m；E 最大风雍水面高度，m；A 安全超高,m；库区多年平均最大风速12.6 m/s吹程1.6km。1.2.1设计洪水位+正常运用情况 (1-5)式中：-累计频率1%的波高 E 最大风雍水面高度，m；A 安全超高,m；计算R1%坝址区为陡峭低山地貌，根据碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）规定，宜按官厅水库公式: (1-6) (1-7)式中：hm 平均波高，m； V0 计算风速，m/s； D 风区长度，m2/s； g重力加速度，m/s2； Hm水域平均水深，m； T m平均波周期，s。该坝址区适用库水较深，v20m/s及D20km：；,为累计5%频率的波高， ， 由碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）附录A表A.1.8查得 计算e 式中： 计算A根据碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）表5.3.1规定，本坝按照正常使用情况下的三级坝取：安全超高A=0.7m综上，在此情况下=0.948+0.00210+0.7=1.6500m1.2.2正常蓄水位+正常运用情况计算R1%坝址区为陡峭低山地貌，根据碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）规定，宜按官厅水库公式计算，适用库水较深，v20m/s及D20km：；, 为累计5%频率的波高， ， 由碾压式土石坝设计规范附录A表A.1.8查得 计算 式中： 计算根据碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）表5.3.1规定，本坝按照正常使用情况下的三级坝取：安全超高A=0.7m综上，在此情况下=0.948+0.00210+0.7=1.6500m1.2.3校核洪水位+非常运用情况计算R1%坝址区为陡峭低山地貌，根据碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）规定，宜按官厅水库公式计算，适用库水较深，v20m/s及DLm/2=8.423/2=4.2115m (2-2) 式中： 挡墙底部以上浪压力； 波浪波长。b. 土压力： =0.7848+11.7588=12.5436KN.若为被动土压力 (2-3)式中：被动土压力；土的容重；土体厚度；被动土压力系数。其中, （） 1.2为土压力作用分项系数。若为主动土压力 (2-4)式中： 主动土压力； 土的容重； 土体厚度； 主动土压力系数。其中，（） 1.2为土压力作用分项系数。 。c. 堆石体自重d. L型挡墙的自重2.2.2.2 1-1截面弯矩（逆时针）2.2.3 L型挡墙在校核洪水情况下2.2.3.1 荷载计算a. 水压力水平静水压力铅直静水压力浪压力 H=51.7Lm/2=5.612/2=2.806m (2-5) 式中： 挡墙底部以上浪压力 波浪波长b. 土压力： =11.03625+11.4744=22.51065若为被动土压力 (2-6)式中： 被动土压力； 土的容重； 土体厚度； 被动土压力系数。其中，（） 1.2为土压力作用分项系数 。若为主动土压力 (2-7)式中： 主动土压力； 土的容重； 土体厚度； 主动土压力系数。其中，（） 1.2为土压力作用分项系数。 ，视为静止土压力。c. 堆石体自重d. L型挡墙的自重2.2.3.2 1-1截面弯矩 =（顺时针）=0.10662kN.m(逆时针)综上所述，可知在第一种工况下，即挡浪墙在不挡水时最危险。2.3 基础承载力验算图2-3 L型挡墙底板基底压力图 土压力 在用点距底部的距离：土压力对底板中点的弯矩：（顺时针） （顺时针）（压力）（压力）可见，基底压力均小于基础承载力25kPa,且无拉力出现。且0.1kg/cm，远远大于单位面积土工膜自重，因此，可以满足抗滑要求。4.2复合土工膜的应力校核计算土工膜应力校核采用曲线交会法来计算。其原理如图4-1： 图4-1 曲线交会法计算简图列表计算如下：表4-1 0.4mm厚土工膜T水位250m 纵向交点水位250m 横向交点5.7235461%TT4.0471582%3.52042.64%3.7132.38%3.3044913%2.8617734%2.5596485%Tmax=30.33Tmax=33.692.3366286%Kt=Tmax/T2.1632977%2.0235798%kt=30.33/3.5204=8.625Kt=33.69/3.713=9.0735表4-2 0.6mm厚土工膜T水位225m 纵向交点水位225m 横向交点10.726651%TT7.5848842%6.27822.92%6.23072.96%6.1930323%5.3633234%4.7971025%Tmax=39.51Tmax=37.944.3791356%Kt=Tmax/T4.0542917%3.7924428%kt=39.51/6.2782=6.2935Kt=37.94/6.2307=6.0895均大于水利水电工程土工合成材料应用技术规范C.0.1中45的规范要求，故土工膜厚度满足要求。 第五章 趾板设计5.1设计趾板剖面直板段厚度取0.4m,小于2m,不进行抗滑稳定验算。趾板的宽度可根据趾板下基岩的允许水力梯度和地基处理措施确定，其最小宽度宜为3m。允许的水力梯度宜符合表5-1的规定。表5-1 水力梯度表 风化程度新鲜、微风化弱风化强风化全风化允许水力梯度20102051035趾板的厚度可小于相连接的面板的厚度，但不小于0.3m。趾板下游面应垂直于面板，面板地面以下的趾板高度不应小于0.9m，两岸坝高较低部位，可放宽要求。中低坝的趾板应建在强风化岩层以下，故H/S=510。5.2趾板剖面的计算趾板横截面如图示：图5-1 趾板横截面图（1）岸坡段趾板剖面夹角由下式计算： (5-1)式中： m 上游边坡，m=1.5； (C-B) 趾板段两端点高度之差； L 趾板段两端点在沿坝轴线方向的距离。（2）河床段趾板剖面夹角由下式计算： (5-2)式中：m 上游边坡，m=1.5；计算结果如下表：表5-1 趾板尺寸计算表C-BLmcos（0）HS=31(岸坡段）18.6751.07151.50.9997751.21550413.332(岸坡段）21.459520.20251.50.95553617.1586827.333(岸坡段）5.374544.92551.50.83779933.1083941.34.14(岸坡段）5.856534.21251.50.84340932.5145752.55.25（河床段）030.06251.50.8320533.7071652.55.26(岸坡段）1.67513.7621.50.83799333.0879751.35.17(岸坡段）20.111529.23051.50.92249922.7172637.33.78(岸坡段）14.365535.62151.50.88019228.3488327.339(岸坡段）18.67517.84451.50.95455917.3477113.33第六章 副坝设计副坝底高程为272m，顶部与主坝平齐，为280.0m，顶宽与主坝顶宽相同，取6m，挡墙高与主坝相同，取1.2m。如图示：图6-1 副坝剖面图 图6-2 副坝受力图6.1 副坝顶宽验算由公式(6-1)进行验算： (6-1)式中：H 坝高，m； 混凝土容重，=24kN/m3； 水容重，=9.81kN/m3； 扬压力折减系数，河岸取为0.3。则： =4.095m，故取6m满足要求。6.2 强度和稳定验算采用摩擦公式，计算校核水位下的抗滑稳定安全系数： (6-2) 式中： 作用于滑动面以上的力在铅直方向分量代数和； 作用于滑动面以上的力在水平方向分量代数和； 作用在滑动面上的扬压力； 滑动面上抗剪摩擦系数，根据资料，混凝土与弱风化千枚岩之间的摩擦系数为0.50.6，取0.5。6.2.1 荷载计算副坝受力见图6-2示：kNkN kN kNkNkNkNkN6.2.2 稳定验算由式(6-2)求得： 根据水工挡土墙设计规范（SL279-2007）表3.2.7规定，土质地基上3级挡土墙在特殊组合下的抗滑稳定安全系数的允许值为1.10。故副坝满足要求。第七章 拦洪水位确定7.1洪水调节原理洪水过程线采用频率为5%的设计流量。洪峰流量近似为182.25m3/s与第四章洪水调节相同，通过假定下泻流量，在图中求出增加的库容，再通过库容查库容水位关系曲线，得到流量水位曲线1。计算隧洞下泻能力曲线2。曲线1和曲线2的交点即为拦洪水位及其对应的下泄流量。7.2隧洞下泄能力曲线的确定 明流计算： (7-1)式中： 进口洞内水深 出口洞内水深 进口洞内流速 出口洞内流速 平均谢才系数 平均水力半径 隧洞长度由于下泻流量较小,无须考虑无压段及半有压段情况. 图7-1 隧洞泄水能力曲线有压流计算：半有压流与有压流的临界点B2（Q2，H2），H2=KmA式中： （采用喇叭口） ， n=0.014 面积 湿周 水力半径 则谢才系数取 =1， L=400m， 则m-1H2=KmA=2.7362.4=6.55m 可解得。则半有压流与有压流的临界点B2（22.7，6.55）由公式 (7-2)式中： 出口计算水深 自由出流时：淹没出流时： 局部水头损失之和，进口采用喇叭口时， 谢才系数混凝土衬砌：n=0.014；木衬砌：n=0.035分别假定不同的Q，用公式（*）计算相应的上游水位H，显系计算如下表：有压段计算列表： 表7-1 有压段计算列表下泄流量Q(m3/s)VRCLh2上游水深H0相应上游水位H(m)255.53 0.665.64002.048.02 235.52 306.63 0.665.64002.0410.11 237.61 357.74 0.665.64002.0412.57 240.07 408.85 0.665.64002.0415.41 242.91 459.95 0.665.64002.0418.63 246.13 5011.06 0.665.64002.0422.23 249.73 7.3 P=5%洪水调洪计算图7-2 P=5%的洪水过程线计算结果见下表：表7-2 P=5%洪水调洪计算表对应库容V(104m3)下泄流量Q(m3/s)相应水位Z（m）503.50 74.64253.34 550.01 59.9254.09 602.76 45254.94 646.19 34.32255.64 686.53 25.6256.29 7.4计算结果按以上计算结果绘制隧洞泄流能力曲线与P=5%洪水曲线，见图7-3：图7-3 确定拦洪水位查图7-3，得拦洪水位250.15m, 下泄流量45m3/s。拦洪高程=拦洪水位+安全超高()=250.15+()=，取拦洪高程253m。第八章 施工组织设计（专题）8.1主体工程量计算8.1.1 计算公式及大坝分期说明a.将大坝分成四期：第期：上游围堰；第期：坝底到拦洪高程，即；第期：拦洪高程到溢洪道高程，即；第IV期：溢洪道高程至坝顶，即.b.根据大坝分期，各期工程量按下列公式计算(梯形河谷)： (8-1)式中： 计算部分坝体工程量,m3； 计算部分顶部长度,m； 计算部分底部长度,m；H 计算部分坝体高度,m；B 计算部分坝体顶宽,m； 计算部分坝体上、下游边坡坡度。大坝各期平均施工强度（Q）（粘土、砂砾） (8-2)图8-1 梯形河谷及大坝剖面示意图图8-2 大坝分期示意图8.1.2 计算过程I期：上游围堰 H=3m ; L=80.8m ; b=5m ; l=47.2m ; ; . =施工工期为092010年10月，有效工日T=20天 期：坝底到拦洪高程，即 H=231m ; L=201.5m ; b=71.75m ; l=34.1m ; ; =施工工期为2010.11月2011.4.30，有效工日T=92天 期：拦洪高程到溢洪道高程，即 (1) H=3m ; L=203.5m ; b=71.8m ; l=200.4m ; ; = (2) H=16m ; L=229.3m ; b=23.835m ; l=203.5m ; ; = 施工工期为2011.5.12012.5.10，有效工日T=236天 IV期：溢洪道高程至坝顶，即 H=5m ; L=231.5m ; b=6.0m ; l=229.3m ; ; =施工工期为2012.5.112012.7.30，有效工日T=45天 d.计算结果 表8-1 主体工程量及施工强度施工分期(围堰)说明位置高程()227.5230.5225256256272272280取1.5工程量()1.60337.56218.3241.554施工工期092010年10月2010.11月2011.4.302011.5.12012.5.102012.5.112012.7.30有效工日(天)209223645平均施工强度()80.174082.8776.45345.2最大施工强度()120.26124.21164.6517.98.2 工程量清单计算8.2.1 堆石坝工程量计算将堆石坝沿坝轴线方向分为六个坝段，绘制出每个坝段的平均断面，再由各坝段长度求得工程量。各坝段的平均断面示意图如下图。图8-3 堆石坝坝段2平均断面 查图得，各断面每米工程量见表8-2： 表8-2 堆石坝各段面每米工程量计算表（单位：m3）断面1234567素混凝土2.18 3.50 4.13 4.10 3.12 2.32 0.59 无砂混凝土2.62 4.20 4.97 4.93 3.74 2.78 0.71 过渡区64.72 105.45 125.42 124.61 92.90 68.83 18.34 主堆石区162.15 1139.63 2278.65 2137.34 1192.98 775.00 820.28 次堆石区0.00 171.26 1067.04 943.66 428.96 63.91 202.15 下游保护层1.74 16.63 23.35 27.04 24.99 20.44 27.15 开挖量74.16 165.87 200.67 204.03 188.27 153.98 150.64 各坝段长度为：L1=21.3m；L2=46.9m；L3=34.2m； L