钟吕水利枢纽复合土工膜堆石坝设计说明书

摘 要 设计背景：本工程位于江西婺源县乐安河一级支流小港水的上游约 160m 处， 坝址以上控制流域面积 33 2 km。本流域上游为中低山区，山势陡峭，中下游为低 山丘陵区，山体零乱，冲沟发育。流域内多年平均气温16.7 C,多年平均降雨均值 2047.7mm。径流主要由降水形成，多年平均流量s/m28. 1 3 ，多年平均总径流量 4040 万 3 m 。坝址及库区位于相对稳定地块内，地震烈度属七度以下。坝址区出露 的地层古老，经历了多次构造运动，断层裂隙发育，岩石破碎，岩层褶皱和挠曲 常见。地层岩性为前震旦系板溪群第四段绿泥绢云母千枚岩夹杂变质砂岩，第四 系松散堆积物及变质辉长岩，岩性坚硬。 设计方法：用三角形法拟定洪水过程线，根据防洪要求，对水库进行洪水调 节计算，以确定坝顶高程。对可能的方案进行分析比较，确定主要组成建筑物的 形式，轮廓尺寸及布置。详细做出大坝设计，拟定细部构造，进行水力静力计算 护坡、 趾板和施工组织的专题设计。 本设计以一般混凝土面板堆石坝和一些已建复 合土工膜堆石坝为参考，在注重各细部独立分项设计的同时，综合考虑整体工程 的统一性。 设计内容：本次面板堆石坝设计的主要内容包括调洪演算，L型挡墙、 复合土 工膜设计，边坡稳定分析，副坝，趾板空间布置，工程量计算，导流施工设计。 本次设计我们掌握了堆石坝的设计方法，而且了解到堆石坝的一些重要的特 点和设计时应该注意的地方，并且我本人也在趾板和溢洪道的专题设计中，掌握 了相关知识。完成了专业知识从理论学习到实际运用的过渡，体会到了作为一名 水利工作者所肩负的责任。并对今后的工作打下了坚实的基础。 关键词：堆石坝、复合土工膜、护坡设计、趾板、施工组织设计 Abstract Design Background: The project is located in Wuyuan, Jiangxi Lean Hsiaokang River water level upstream tributary about 160, more than control site drainage area 33. The upper reaches of the watershed for the low mountains, steep mountains, the middle and lower reaches for the hilly areas, mountain messy, gully development. Basin for many years the average temperature, average rainfall for many years an average of 2047.7. Formed mainly by the runoff of precipitation, over the average traffic flow for many years an average of 40.4 million total. Dam and reservoir area is located in a relatively stable block, the seismic intensity is 7 degrees Celsius. Dam site the oldest strata exposed, through a number of tectonic movement, fault fracture, rock crusher, rock and flexural folds common. Lithology former Sinian the fourth paragraph of Banxi Group 1000 Green clay sericite metamorphic rock inclusions of sandstone, loose Quaternary deposits and metamorphic gabbro, lithologic hard. Design Method: Using a triangle to develop flood hydrograph method, in accordance with the requirements of flood control, flood regulation on the calculation of the reservoir to determine the crest elevation. The program may be analyzed to determine the form of the main components of buildings, the outline of the size and layout. Dam made a detailed design, preparation of detailed construction, calculated for static hydraulic, spillway and the themes and designs for the plinth. The design of general concrete faced rockfill dam and a number of composite geomembrane has been rock-fill dam built as a reference, pay attention to detail in the breakdown of the design of an independent at the same time, considering the unity of the overall project. Design elements: The concrete face rockfill dam, including the main elements of design flood calculation, L-type retaining wall, composite geomembrane design, slope stability analysis, auxiliary dam, spillway design, spatial arrangement of the plinth, engineering calculation, lead Construction of the design flow. The design we have a design method of rock-fill dam, rockfill dam and that some of the important characteristics and the design should be noted that the local, and plinth I am also the topics and spillway design, acquire the relevant knowledge . From the completion of the professional knowledge to the practical application of theoretical study of the transition, experienced workers, as a water responsibilities. Future work and laid a solid foundation. Key Words: rockfill dam, composite geomembrane,slope protection design, toe board, construction of organizational design. - 2 - 目录 第一章 综合说明第一章 综合说明1 1 1.1 工程特性表1 1.2 建设目的和依据2 1.3 建设的条件3 1.4 建设的规模及综合利用效益3 1.4.1 建设规模3 1.4.2 综合利用效益3 第二章 自然地理条件第二章 自然地理条件4 4 2.1 地形条件4 2.2 水文特性4 2.3 工程地质条件4 2.3.1 库区工程地质4 2.3.2 坝址工程地质5 2.3.3 引水发电隧洞工程地质条件8 2.4 气象、地震及其他8 2.4.1 气象、地震8 2.4.2 天然建筑材料8 第三章 设计条件和设计依据第三章 设计条件和设计依据1010 3.1 设计任务.10 3.2 设计依据.10 第四章 洪水调节计算第四章 洪水调节计算1212 4.1 洪水调洪演算.12 4.1.1 洪水调洪演算原理.12 4.1.2 洪水调洪演算方法.13 4.2 洪水标准分析.13 4.3 洪水建筑物的型式选择.14 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15 4.4.1 调洪演算过程.15 4.4.2 洪水过程线的模拟.15 4.4.3 计算公式.16 4.4.4 计算结果.16 4.4.5 方案选择.17 4.4.6 坝顶高程的确定.17 4.4.7 闸门设计.19 4.4.8 泄水建筑物的设计.19 第五章 主要建筑物型式选择及枢纽布置第五章 主要建筑物型式选择及枢纽布置2020 5.1 坝轴线确定.20 5.2 枢纽等别及组成建筑物级别.21 5.3 坝型选择.22 5.3.1 定性分析.22 5.3.2 定量分析.26 5.4 泄水建筑物型式选择.27 5.5 水电站建筑物.28 5.6 枢纽方案的综合比较.29 5.6.1 挡水建筑物复合土工膜防渗堆石坝.29 5.6.2 泄水建筑物正槽溢洪道.29 5.6.3 水电站建筑物.29 第六章 第一主要建筑物设计第六章 第一主要建筑物设计3030 6.1 大坝轮廓尺寸及防浪墙设计.30 6.1.1 L 型挡墙顶高程及坝顶高程、宽度.30 6.1.2 坝体分区.30 6.1.3 L 型挡墙设计.31 6.2 堆石料设计.41 6.2.1 堆石料基本特性参数.41 6.2.2 主、次堆石料设计.41 6.2.3 垫层、过渡层设计.41 6.2.4 堆石体设计技术参数表.42 6.2.5 堆石体填筑技术参数表.42 6.3 复合土工膜设计.42 6.3.1 复合土工膜的选型和分区.42 6.3.2 土工膜强度及厚度校核.44 6.4 大坝稳定分析.45 6.4.1 计算原理及方法.45 6.4.2 坝坡稳定分析.47 6.4.3 坝坡面复合土工膜的稳定分析.47 6.5 副坝设计.48 6.5.1 副坝及主坝的连接及副坝型式选择.48 6.5.2 副坝的地基处理防渗设计.52 6.6 主副坝连接段设计.52 6.7 细部构造设计及地基处理.53 6.7.1 坝顶构造.53 6.7.2 护坡设计.53 6.7.3 分缝及止水.53 6.7.4 坝基处理.54 6.8 趾板设计 （专题）55 6.8.1 趾板的作用.55 6.8.2 趾板剖面设计.56 6.8.3 趾板配筋.60 6.8.4 趾板地基处理.60 6.9 溢洪道设计.61 6.9.1 溢洪道的总体布置.61 6.9.2 进水渠设计.61 6.9.3 控制段设计.61 6.9.4 泄槽设计.63 6.9.5 出口消能段设计.63 6.10 坝体沉降估算63 第七章 施工组织设计第七章 施工组织设计6464 7.1 基本资料分析.64 7.1.1 工程概况.64 7.1.2 施工条件.64 7.1.3 有效工日分析.64 7.2 施工导流.65 7.2.1 导流标准.65 7.2.2 施工导流方案及大坝施工分期.65 7.2.3 导流建筑物规划布置.66 7.3 主体工程施工.69 7.3.1 堆石体施工.69 7.3.2 混凝土施工.74 7.3.3 导流隧洞施工.76 7.4 施工交通运输道路布置.79 7.5 施工总进度.80 参考文献参考文献.81 第一章 综合说明 1.1 工程特性表 表1-1 工程特性表 序号及名称单 位数 量备 注 一、水库 流域面积km233 正常高水位m276.5 设计洪水位m277.7 校核洪水位m279.2 设计泄洪流量m3/s217.5 校核泄洪流量m3/s316 总库容万m32261.8 兴利库容万m31799 二、大坝 坝型复合土工膜防渗堆石坝 坝顶高程m280 防浪墙顶高程m281.2 坝顶宽度m8.0 最大坝高m52.5 上游坝坡11.55 下游坝坡11.53 主坝坝轴线长m211 副坝型式重力式挡墙 副坝坝轴线长m90.30 导流洞型式圆形 导流洞进口底高程m227.5 导流洞出口底高程m226.5 导流洞半径Rm2.4 导流洞长度m330 三、溢洪道 溢流前缘净宽m10 堰顶高程m273 设计流量m3/s217.5 校核流量m3/s316 闸门型式平板 闸门尺寸（宽高）m2106 四、厂房系统 - 1 - 1动能指标 最大净水头m174.0 额定水头m174.0 最小水头m143.0 引用流量m3/s5.0 额定出力kW6400 保证出力kW1461 2厂房 厂房型式地面式 厂房面积m231.515.7 主厂房宽度m10.8 机组台数2 机组安装高程m103.0 水轮机型号HL110-WJ-76 发电机型号SFW-J3000-6/1480 开关站面积m211.527.25 五、工程量 主坝 堆石料填筑量m3583849 混凝土方量(L型挡墙)m3844 混凝土方量（趾板）m3997.8 混凝土方量（现浇混凝 土保护层） m31539.2 混凝土方量(副坝)m37639.4 1.2 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 利用效益的跨流域开发的水利枢纽工程。 1.3 建设的条件 建设资金已到位，施工准备工作已经就绪。 1.4 建设的规模及综合利用效益 1.4.1 建设规模 本电站装机 6400 kW，保证出力1461kW。厂房总面积为31.515.7。开关站 尺寸为 11.527.25。 水库总库容（校核洪水位以下的全部库容）为2261.8万m3。 1.4.2 综合利用效益 - 3 - 1.4.2.1 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，正常蓄水位为276m，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。 厂房位于段莘水江湾湖山村左岸下游 340m 处，地面式，总面积为 31.515.7 ，其中主厂房宽 10.8m，主厂房内安装二台 HL110-WJ-76，配 SFW-J3000- 6/1480 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。 1.4.2.2 灌溉 下游利用发电尾水灌溉，上游增加灌溉面积1.0万亩。 1.4.2.3 供水 供钟吕村及其下游村民生活用水。 1.4.2.4 防洪 可减轻洪水对钟吕村及下游江湾镇的威胁，要求设计洪水最大下泄量限制为 250m3/s。 1.4.2.5 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。 - 5 - 第二章 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 33km。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 水文特性 据水文资料推算，坝址处多年平均流量 1.28m/s，多年平均总径流量 4040 万 m，p=0.1%的洪峰流量为 551.5m/s,三日洪量为 1569 万 m，p=2%的洪峰流量为 364.5m/sec,三日洪量为965 万m。流域多年平均降雨值2047.7mm。 正常蓄水位 276m，对应库容V 正=1910.0 万m。 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/m。估计水库淤 积年限与高程关系（见表 2-1）： 表2-1 淤积年限与高程关系表 淤积年限（年） 泥沙淤积量（万 m） 淤积高程（m） 5011.05236.08 10022.1237.78 水库水位库容关系曲线（见表2-2）： 表2-2 水库水位库容关系曲线表 水位（m）227.5236.08237.78248276278.11 库容 （104m） 011.0522.1172.01910.02145.2 坝址水位-流量关系曲线（见表2-3）： 表2-3 坝址水位-流量关系曲线表 2.3 工程地质条件 - 6 - 水位(m) 227.5228.0228.5229.0229.5230.0230.5 流量 （m/s） 06.028.966.77121.97196.05281.78 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 20 50m，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： （1）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，NW0.55 饱和抗压强度：微新岩石40MPa 弱风化岩石25MPa 表2-4 堆石试验参数表 组别 试验干密度 （g/cm） C(KPa)。KnRfGFD A2.104738.58800.350.820.460.201.5 B2.056037.72600.320.810.430.181.8 复合土工膜试验参数（见表2-5） 表2-5 复合土工膜试验参数表 项 目单 位量 值备 注 单位面积质量g/m2 1100 1300 350/0.4/350 350/0.6/350 膜 厚250m高程以 mm0.4 - 9 - 上 250m高程以 下 mm0.6 周边缝等处mm0.8 周边缝、水平 缝、分缝处 宽条纵向拉 伸 强度kN/m 15 18 350/0.4/350 350/0.6/350 伸长率%50 窄条纵向拉 伸 强度kN/m 15 18 350/0.4/350 350/0.6/350 伸长率%50 摩 擦 系 数 与水泥砂浆0.577 与现浇砼0.6 粘 结 力kg/cm20.1 渗 透 系 数cm/s110-11 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 100 200m，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，其中绢云母千枚岩、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/s，吹程1.6km。 地震烈度：坝址及库区地震烈度属度以下，设计时可不考虑地震荷载。 降 雨 量：流域多年平均降雨均值2047.7mm。 - 10 - 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。 - 11 - 第三章 设计条件和设计依据 3.1 设计任务 在对原始材料进行综合分析的基础上，并结合本次设计的专题研究，要求： （1）根据防洪要求，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）进行施工组织设计：决定枢纽的施工导流方案，安排施工的控制性进 度，大坝主体工程量的计算，编制招标文件及施工投标文件。 3.2 设计依据 1、左东启，王世夏，林益才主编，水工建筑物（上册）。南京：河海大学出 版社。1995。 2、 沈长松、 王世夏、 林益才、 刘晓青编著，水工建筑物。 北京：中国水利水电出 版社。2008。 3、 傅志安，凤家骥，混凝土面板堆石坝。 武汉：华中理工大学出版社。 1993。 4、蒋国澄，傅志安，凤家骥，混凝土面板坝工程。武汉：湖北科学技术出版社 1997。 5、袁光裕主编，水利工程施工。北京：中国水利水电出版社。2006。 6、赵振兴主编，水力学。北京：清华大学出版社。2005。 7、 河海大学、 大连理工大学、 西安理工大学、 清华大学，水工钢筋混凝土结构 学。北京：中国水利水电出版社。2007。 8、沈长松等，钟吕水电站-复合土工膜防渗堆石坝。土石坝工程，第 3 期 。 2003。 9、中华人民共和国水利部，混凝土面板堆石坝设计规范。北京；中国水利水 电出版社。1998。 10、中华人民共和国水利部，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。1998。 11、 中华人民共和国水利部，水工建筑物荷载设计规范。 北京：中国水利水电 出版社。1998。 - 12 - 12、中华人民共和国水利部，水工挡土墙设计规范（SL_379-2007）。北京： 中国水利水电出版社。2007。 13、中华人民共和国水利部，混凝土面板堆石坝施工规范（SL49-94）。北京： 中国水利水电出版社。1994。 14、中华人民共和国水利部，面板堆石坝接缝止水技术规范（DLT5155- 2000）。北京：中国水利水电出版社。2000。 15、中华人民共和国水利部,水利水电工程施工组织设计规范（SL303-2004）. 北京:中国水利水电出版社. 2004。 16、 中华人民共和国水利部，第2版（2000版）。 水利水电土建工程施工合同 条件（GF-2000-0208）。北京：中国水利水电出版社。 17、中华人民共和国水利部，水利工程工程量清单计价规范（GB50501- 2007）。北京：中国水利水电出版社。 18、中华人民共和国水利部，水利水电工程设计工程量计算规定（SL328 2005）。北京：中国水利水电出版社。 19、中华人民共和国标准施工招标资格预审文件（2007年版） 20、中华人民共和国标准施工招标文件（2007年版） 21、 中华人民共和国水利部，水利建筑工程概算定额（上、 下册），黄河水利 出版社 22、方国华、朱成立等编著，新编水利水电工程概预算。黄河水利出版社， 2003。 23、 中华人民共和国水利部，混凝土面板堆石坝设计规范。 北京；中国水利水 电出版社。1998。 24、中华人民共和国水利部，水利水电工程土工合成材料应用。 - 13 - 第四章 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： 0 s Q t （4-1） 运动方程： 2 2 1 Ks v g v s v gs z （4-2） 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： t V t VV qqQQqQ 12 2121 )( 2 1 )( 2 1 (4-3)式 中： 1 Q, 2 Q 分别为计算时段初、末的入库流量(m3/s) Q 计算时段中的平均入库流量(m3/s)，Q=( 1 Q+ 2 Q)/2 式中：q1,q2 分别为计算时段初、末的下泄流量(m3/s) q 计算时段中的平均下泄流量(m3/s) 2/ 21 qqq 式中： V1,V2 分别为计算时段初、末水库的蓄水量(m3) V V1与V2之差 t 计算时段 - 14 - 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，Q均为已知，V1，q1,则是计算时 段 t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 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 AHBHfq (44) 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 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 - 15 - 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。 本设计采用坝型为复合土工膜防渗堆石坝（具体见 5.2 节），因此泄水建筑 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， 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 54.7 米，正常蓄水位 276 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。 - 16 - 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（说明见 5.5 节），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，建侧槽溢 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。 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，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 曲线；根据公式 2 3 2 HgmBQ,又可作出一条 QH 曲线；对应于 每一种情况，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 - 17 - 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）。 4.4.3 计算公式 计算采用公式： 2 3 2 HgmBQ （4-5） 式中：侧收缩系数， 计算由公式：() 0 0 1 0.21 k H n nb exx= -+轾 臌 ； 0 H 堰上水头 n堰流的孔数 b溢流宽度 0 x闸墩系数 k x边墩系数（本设计采用圆弧形边墩，系数取0.7） m流量系数，m=0.502 B溢流孔口净宽 H堰上水头 4.4.4 计算结果 计算结果见表 4-1： 表4-1 调洪方案汇总表 - 18 - 图 4-1 三角形法 图4-2 洪水过程线图4-3 调洪演算 4.4.5 方案选择 以上 16个方案设计下泄流量均不大于允许最大下泄流量250m3/s 且均满足允 许下泄流量。方案 3、4的设计洪水位小于本设计的正常蓄水位，故舍弃。方案 5、 9、 10、 13、 14、 15的设计下泄流量均小于200 m3/s，太小，故不采用。 因此在剩余 的 1、 2、 6、 7、 8、 11、 12、 16方案中需通过经济技术比较：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。一般情况下坝高是由校核情况控制的，超高越 大坝就越高，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 即 单宽流量越大消能越困难，衬砌要求也高。 方案1、 2、 6的Q/B 偏大；方案11、 16的 Q/B 虽然最小但是泄流量偏小；方案8、 7、 12的下泄量都接近允许设计洪水最大下 泄量但方案 12比方案7、8 的Q/B 更小，所以经过综合比较最后采用12方案：即 堰顶高程 273m，溢流孔口净宽 10m；该方案设计洪水位277.7m，设计下泄流量 217.5m3/s，校核洪水位279.2m，校核泄洪量 316m3/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 - 19 - 方案 堰顶高 程(m) 堰顶宽 度B(m) 设计洪 水位H 设(m) 设计下泄 流量Q 设 (m3/s) 校核洪 水位H 校 (m) 校核下 泄流量 Q 校 (m3/s) 设计情况单 宽流量 Q/B（m/s ） 1 271 7276.9 200.0 278.7 284.2 28.6 28276.6 216.3 278.2 306.2 27.0 39276.3 229.7 277.8 323.3 25.5 410276.1 243.8 277.5 338.3 24.4 5 272 7277.6 187.8 279.5 273.3 26.8 68277.3 204.3 279.0 295.0 25.5 79277.1 218.3 278.6 310.8 24.3 810276.8 230.0 278.3 327.2 23.0 9 273 7278.3 177.5 280.2 263.6 25.4 108278.1 191.7 279.8 283.6 24.0 119277.9 204.5 279.5 300.0 22.7 12121010277.7 277.7 217.5 217.5 279.2 279.2 316.0 316.0 21.8 21.8 13 274 7279.1 165.4 281.0 251.6 23.6 148278.9 178.5 280.6 271.8 22.3 159278.7 191.4 280.3 288.5 21.3 1610278.5 200.0 280.0 303.1 20.0 校核水位 279.2m 对应的库容为 2261.8 万 m3,所以本工程等别为 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 2000 1000 年。 4.4.6.2 波浪要素计算 由于大坝所在地区为丘陵地区，波浪要素宜采用鹤地水库公式计算（适用 于库水较深，V026.5m/s 及D7.5km）。 3 1 2 0 8 1 0 2 0 %2 00625. 0 V gD V V gh （4-6） 2 1 2 0 2 0 0386. 0 V gD V gLm （4-7） 式中 %2 h 累积频率为2%的波高(m) Lm平均波长(m) V0为水面以上 10m处的风速，正常运用条件下 III 级坝，采用多年平均最大 风速的 1.5倍；非常运用条件下的各级土石坝，采用多年平均最大风速。 设计波浪爬高值根据工程等级确定，3级坝采用累积频率为1%的爬高值 %1 h 。 按上述公式算出的为 %2 h ，再根据频率法按下表可得出%1 h 。 表4-2 不同累积频率下的波高与平均波高比值(hp/hm) hm/Hm % p 0.010.112451014205090 0.1 3.422.972.422.232.021.951.711.61.430.940.37 0.10.2 3.252.822.32.131.931.871.641.541.380.950.43 波浪中心线高出计算静水位 hz按下式计算： mm z L H cth L h h 2 2 %1 （4-8） 式中：H为水深；h1%为累积频率1%的波高。 计算结果为： 表4-3 计算结果 4.4.6.3 挡墙顶高程的确定 - 20 - h2%hmh1%Lmhz 正常水位下1.310.591.429.320.682 设计水位下1.310.591.429.320.682 校核水位下0.710.320.776.210.303 根据 碾压式土石坝设计规范 ,堰顶上游 L型挡墙在水库静水位以上高度按下 式确定： y=R+e+A （4-9） 式中：y-坝顶超高 R-最大波浪在坝坡上的爬高，按h1%算 e-最大风雍水面高度，按hz算 A-安全超高 表 4-4 土坝坝顶安全超高值(m) 运用情况 坝 的 级 别 IIIIIIIV、V 正常1.51.00.70.5 非常0.70.50.40.3 L型防浪墙高程=max 正常 校核 设计 正常蓄水位 校核洪水位 设计洪水位 y y y （4-10） 通过计算： 97. 131. 331. 3 校核正常设计 ；yyy 则 设计洪水位+ 设计 y =277.7+3.31=281.01m 校核洪水位+ 校核 y =279.2+1.97=281.17m 正常蓄水位+ 正常 y =276.5+3.31=279.91m 防浪墙顶高程墙顶 =281.17m，取为281.2m。 预留沉陷（281.2227.5）（0.20.4）0.10740.2148，取0.2m，在 施工过程中应考虑到预留沉陷量。 根据混凝土面板堆石坝设计规范SL228-98要求，防浪墙顶要高出坝顶1 1.2m，本设计取1.2m,则坝顶高程为 280m。 4.4.7 闸门设计 因为 B=10m，不是很宽，采用单扇闸门挡水，选用平板闸门。闸门的高度由 挡正常蓄水位（或设计洪水位） +0.30.5m 超高确定，即 H=276.5（或 277.7）+0.30.5-273=3.85.2。 再根据 水利水电钢闸门设计规范SL74-95 中推荐 的露顶式闸门的标准尺寸，最终确定闸门宽10m，高6m。另外布置时将闸门放在 堰顶偏下游一些，以压低水舌使其贴着堰面下泄。 4.4.8 泄水建筑物的设计 - 21 - 泄水建筑物溢流堰采用实用堰的形式；消能方式为挑流消能。堰顶高程由调 洪演算得为 273.0m，挑坎高程 231.0m。 - 22 - 第五章 主要建筑物型式选择及枢纽布置 5.1 坝轴线确定 针对该地形、地质条件，坝轴线的布置原则是： 1）坝轴线最短； 2）尽量与岸坡地形等高线垂直； 3）避开不利的地质情况； 4）有利于输、泄水建筑物的布置。 对一般土石坝而言，选择坝轴线主要是选择理想的趾板线位置，是趾板地基 尽量置于坚硬、非冲蚀性可灌的岩基上，保证其良好的防渗性能，尽量避开断裂 发育、强烈风化、夹泥、岩溶等不利地质因素，使趾板开挖量和趾板地基处理工作 量减少。另一方面要选择有利的地形，使趾板线尽量可能平直，趾板下游岸坡不 过陡，使岸坡附近可压缩堆