平山水利枢纽设计计算说明书毕业论文.doc

平山水利枢纽设计计算说明书1.基本资料11 概况平山水库位于G县城西南3公里处的平山河中游，该河系睦水的主要支流，全长28公里，流域面积为556平方公里，坝址以上控制流域面积431平方公里；沿河道有地势比较平坦的小平原，地势自西南向东由高变低最低高程为62.5m左右；河床比降3，河流发源于苏塘乡大源锭子，整个流域物产丰富，土地肥沃，下游盛产稻麦，上游蕴藏着丰富的木材、竹子等土特产。由于平山河为山区性河流，雨后山洪常给农作物和村镇造成灾害，另外，当雨量分布不均时，又易造成干旱现象，因此有关部门对本地区作了多次勘测规划以开发这里的水利资源。12 枢纽任务枢纽主要任务以灌溉发电为主，并结合防洪、航运、养鱼及供水等任务进行开发。根据初步规划，本工程灌溉面积为20万亩（高程在102m以上），装机9000千瓦。防洪方面，由于水库调洪作用，使平山河下游不致洪水成灾，同时配合下游睦水水利枢纽，对睦水下游也能起到一定的防洪作用，在流域900m3/s。在航运方面，上游库区能增加航运里程20公里，下游可利用发电尾水等航运条件，使平山河下游四季都能筏运，并拟建竹木最大过坝能力为25吨的筏道。13 地形、地质概况131 地形情况平山河流域多为丘陵地区，在平山枢纽上游均为大山区，河谷山势陡峭，河谷边坡一般为6070，地势高差都在80120m，河谷冲沟切割很深，山脉走向大约为东西方向，基岩出露很好，河床一般为100m左右，河道弯曲很厉害，尤其枢纽布置处更为显著形成S形，沿河沙滩及坡积层发育，尤以坝址下游段的平山咀下游一带及坝下陈家上游一带更为发育，其它地方则很少，在坝轴下游300m处的两岸河谷呈马鞍形，其覆盖物较厚，基岩产状凌乱。132 地质情况靠上游有泥盘五通砂岩，靠下游为二叠纪灰岩，几条坝轴线皆落在五通砂岩上面。地质构造特征有：在平山咀以南，即石灰岩与砂岩分界处，发现一大断层，其走向近东西，倾向大致向北西，在第一坝轴线左肩的为五通砂岩，特别破碎，在100多米范围内就有三、四处小断层，产状凌乱，坝区右岸破碎深达60m的钻孔岩芯获得率仅为20%，可见岩石裂隙十分发育。岩石的渗水率都很小，右岸一般为0.0010.01，个别达到0.070.08，而左岸多为0.0010.01。坝区下游石灰岩中，发现两处溶洞，平山咀大溶洞，前者对大坝及库区均无影响，但后者朝南东方向延伸的话，则可能通向库壁，待将来蓄水后，库水有可能顺着溶洞漏到库外，此外，目前在加紧地质勘探工作，以便得出明确的结论和提出处理意见。坝址覆盖层沿坝轴线厚达1.55.0m，K=110-4cm/s，浮容重V浮=10.7KN/m3，内摩擦角=35。14 水文、气象141 水文由于流域径流资料缺乏，设计年月径流量及洪水流量不能直接由实测径流分析得到，必须通过降雨径流间接推求，根据省水文总站由C城站插补延长得三天雨量计算频率；千年一遇雨量498.1mm，二百年一遇雨量348.2mm，五十年一遇雨量299.9mm，雨洪峰流量Q0.1%=1860m3/s，Q0.5%=1550m3/s，Q1%=1480m3/s，多年平均来水量4.55亿m3。142气象多年平均风速10 m/s，水库吹程D=9Km，多年平均降雨量430mm/年，库区气候温和，年平均气温16.9，年最高气温40.5，年最低气温-14.9。15 其它(1) 坝顶无交通要求(2) 对外交通情况水路：由B城至溪口为南江段上水，自溪口至C城系睦水主流，为内河航运，全长256公里，可通行36吨木船，枯水季只能通行3吨以下船只，水运较为困难。公路：附近公路线为AF干道，B城至C城段全长365Km，晴雨畅通无阻，但目前C城至坝址尚无公路通行。铁路：D城为乐万铁路车站，由B城至D城180Km，至工地有53公里。(3) 地震：本地区为56度，设计时可不考虑。2. 设计数据21 工程等级：根据规范自定22 水库规划资料(1) 正常水位：113.10m；(2) 最高洪水位（校核）：113.50m；(3) 死水位：105.0m（发电极限工作深度8m）；(4) 灌溉最低库水位：104.0m；(5) 总库容：2.00亿m3；(6) 水库有效库容：1.15亿m3；(7) 库容系数：0.575；(8) 发电调节流量Qp=7.35m3/s，相应下游水位68.2m；(9) 发电最大引用流量Qmax=28 m3/s，相应下游水位68.65m；(10) 通过设计洪水位流量（Q1%）时，溢洪道最大泄水量Qmax=1340 m3/s，相应下游最高洪水位74.3m。通过校核洪水位流量时，溢洪道最大泄水量Qmax=1680m3/s，相应下游最高洪水位75.0m。23 枢纽组成建筑物(1) 大坝：布置在1#坝轴线上；(2) 溢洪道：堰顶高程为107.50m；(3) 水电站：装机容量900千瓦，3台机组，厂房尺寸为309m2；(4) 灌溉：主要灌区位于河流右岸，渠首底高程102m，灌溉最大引用流量8.15m3/s，相应渠道最大水深1.75m，渠底宽3.5m，渠道边坡11。(5) 水库放空隧洞：为便于检修大坝和其它建筑物，拟利用导流隧洞作放空洞，洞底高程为70.0m，洞直径为3.5m。(6) 筏道：为干筏道，上游坡不陡于14，下游坡不陡于13，转运平台高程115.00m，平台尺寸为3020m2。24 筑坝材料枢纽大坝采用当地材料筑坝，据初步勘察，土料可以采用坝轴线下游1.53.5公里的丘陵区与平原地带的土料，且储量很多，一般质量尚佳，可作筑坝之用。砂料可在坝轴线下游13公里河滩范围内及平山河出口处两岸河滩开采。石料可以用采石场开采，采石场可用坝轴线下游左岸山沟较合适，其石质为石灰岩、砂岩，质量良好，质地坚硬，岩石出露，覆盖浅，易开采。(1) 土料：主要有粘土和壤土，储量多，质量尚佳，可作为筑坝材料，其性能见附表：1；(2) 砂土：可从坝上下游0.33.5公里河滩上开采，储量多，可供筑坝使用，见附表：2；(3) 石料：石质为石灰岩及砂岩，质地坚硬，储量丰富，性能见附表：3。附表1 土料特性表土壤类别干容重 (KN/m3)最优含水率（%）孔隙率n（%）内摩擦角 粘 着 力c(KPa)渗透系数k(cm/s)粘土15.42540183037110-6壤土15.814.541.7234112110-5坡土16.022.539.822（湿）33（干）（湿）7.5110-3附表2 砂土特性表土壤类别干容重 (KN/m3)孔隙率n（%）内摩擦角 浮容重 (KN/m3)砂土1640.63010.06附表3 石料特性表干 容 重 (KN/m3)孔 隙 率n （%）内 摩 擦 角 1.83338 3.枢纽布置31 工程等别及建筑物级别311 水库枢纽建筑物组成根据水库枢纽的任务，该枢纽组成建筑物包括：拦河大坝、溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空隧洞（拟利用导流洞作放空洞）、筏道。312 工程规模 根据SDJ12-78水利水电工程枢纽等级划分及设计标准（山区、丘陵区部分）以及该工程的一些指标确定工程规模如下：（1）各效益指标等别：根据枢纽灌溉面积为20万亩，属等工程，工程规模为中型；根据电站装机容量9000千瓦即9MW，小于10MW，属等工程，工程规模为小（2）型；根据总库容为2.00亿m3，在101.0亿m3，属等工程，工程规模为大（2）型。（2）水库枢纽等别：根据规范规定，对具有综合利用效益的水电工程，各效益指标分属不同等别时，整个工程的等别应按其最高的等别确定，故本水库枢纽属于等工程，工程规模为大（2）型。（3）水工建筑物的级别：根据水工建筑物级别的划分标准，等工程的主要建筑物为2级水工建筑物，所以本枢纽中的拦河大坝、溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空隧洞为2级水工建筑物；次要建筑物筏道为3级水工建筑物。32 各组成建筑物的选择321 挡水建筑物型式的选择 在岩基上的挡水建筑物主要有三种类型：重力坝、拱坝、土石坝。 （1）重力坝方案从枢纽布置处地形地质平面图及1#坝轴线地质剖面图上可以看出，坝址基岩为上部为五通砂岩，下面为石英砂岩和砂质页岩，覆盖层沿坝轴线厚1.55.0m，五通砂岩厚达3080m，若建重力坝清基开挖量大，目前C城至坝址尚无铁路、公路通行，由B城至溪口为南江段上水，自溪口至C城系睦水主流，为内河航运，全长256公里，可通行36吨木船，枯水季只能通行3吨以下船只，水运也较为困难。修建重力坝所需水泥、钢筋等材料运输不方便，且不能充分利用当地筑坝材料，故修建重力坝不经济。（2）拱坝方案修建拱坝理想的地形条件是左右岸地形对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的河谷段；而且坝端下游侧要有足够的岩体支撑，以保证坝体的稳定。该河床一般为100m左右，河道弯曲相当厉害，尤其枢纽布置处更为显著形成S形，1#坝址处没有雄厚的山脊作为坝肩，左岸陡峭，右岸相对平缓，峡谷不对称，成不对称的“U”型，下游河床开阔，不适宜建拱坝。 （3）土石坝方案土石坝对地形、地质条件要求低，几乎在所有的条件下都可以修建，且施工技术简单，可实行机械化施工，也能充分利用当地建筑材料，覆盖层也不必挖去，因此造价相对较低，从筑坝材料来看，在坝轴线下游1.53.5公里的丘陵区与平原地带的土料储量多，一般土质尚佳。砂料可在坝轴线下游13公里河滩范围及平山河出口处两岸河滩开采。石料可利用采石场开采，采石场可利用坝轴线下游河岸左岸山沟，其石质为石灰岩、砂岩，质量良好，质地坚硬，岩石出露，覆盖浅，易开采。通过对各种不同坝型进行定性分析，综合考虑地形、地质条件、建筑材料、施工条件、综合效益等因素，最终选择土石坝方案。322 泄水建筑物的选择考虑到土石坝不能从坝身溢流和大量泄流，除开土石坝挡水外，需另设溢洪道或泄洪隧洞。在坝轴线下游300m处的两岸河谷呈马鞍型，其覆盖层较厚，可以考虑布置正槽式溢洪道，采用正槽式溢洪道可以节省土石方开挖量，若布置在基岩上，可以节省混凝土衬砌工程量，并有利于工程安全。由于正槽式溢洪道全部是开敞的，正向进流，水流平顺，泄洪能力大，结构比较简单，运行安全可靠，便于施工，管理和维修。若采用侧槽式溢洪道，其适用条件为两岸山坡陡峭，无适当的天然垭口，基岩完整坚实，从该工程可以容易看出，不适宜采用侧槽式溢洪道。323 其它建筑物型式的选择（1）灌溉引水建筑物由于主要灌区位于河流右岸，但右岸坝区破碎深达60m的钻孔岩芯获率仅为20%，岩石裂隙十分发育，可以考虑采用适当的地基处理，将溢洪道布置在右岸。采用有压式引水隧洞与灌溉渠首连接。进口设有拦污栅、进水喇叭口、闸门室及渐变段；洞身采用钢筋混凝土衬砌；出口段设有一弯曲段连接渠首，并采用设置扩散段的底流消能方式。渠首底高程102m，灌溉最大引用流量8.15m3/s，相应渠道最大水深1.75m，渠底宽3.5m，渠道边坡11。（2）水电站建筑物由于土石坝不宜采用坝式和坝后式厂房，而宜采用岸边引水式厂房，并且发电机组为3台，机组台数少，采用单元供水式引水发电较为合理。（3）过坝建筑物根据枢纽任务，为满足航运及过木要求，需建竹木最大过坝能力为25t的干筏道。起运平台高程为115.00，平台尺寸为3020m2,上游坡不陡于1：4，下游坡不陡于1：3。（4）施工导流洞及水库放空洞为便于检修大坝和其他建筑物，拟采用导流隧洞作为放空隧洞。洞底高程为70.00m，洞直径为3.50m. 施工导流洞及水库放空洞,均采用有压。33 枢纽总体布置方案的确定挡水建筑物土石坝（包括副坝在内）按直线布置在河弯地段的1#坝址线上，泄水建筑物溢洪道布置在大坝右岸的天然垭口处；灌溉引水建筑物引水隧洞紧靠在溢洪道的右侧布置；水电站建筑物引水隧洞、电站厂房、开关站等布置在右岸（凸岸），在副坝和主坝之间，厂房布置在开挖的基岩上，开关站布置在厂房旁边；施工导流洞及水库放空洞布置在左岸的山体内。综合考虑各方面因素，最后确定枢纽布置直接绘制如图（地形地质平面图）。4. 土坝设计41 土石坝型式的选择影响土石坝坝型选择的因素有：1.坝高，2.筑坝材料，3.坝址区的地形地质条件，4施工导流、施工进度与分期、填筑强度、气象条件、施工场地、运输条件、初期度汛等施工条件，5.枢纽布置、坝基处理型式、坝体与泄水引水建筑物等的连接，6.枢纽的开发目标和运行条件，7.土石坝以及枢纽的总工程量、总工期和总造价。枢纽大坝采用当地材料筑坝，据初步勘察，土料可以采用坝轴线下游1.53.5公里的丘陵区与平原地带的土料，且储量很多，一般质量尚佳，可作筑坝之用。砂料可在坝轴线下游13公里河滩范围内及平山河出口处两岸河滩开采。石料可以用采石场开采，采石场可用坝轴线下游左岸山沟较合适，其石质为石灰岩、砂岩，质量良好，质地坚硬，岩石出露，覆盖浅，易开采。（1） 土料：主要有粘土和壤土，储量多，质量尚佳，可作为筑坝材料，其性能见附表：1；（2） 砂土：可从坝上下游0.33.5公里河滩上开采，储量多，可供筑坝使用，见附表：2；（3） 石料：石质为石灰岩及砂岩，质地坚硬，储量丰富，性能见附表：3。 从建筑材料上说，均质坝、多种土质分区坝、心墙坝、斜墙坝均可。1. 均质坝。坝体材料单一，施工工序简单，干扰少；坝体防渗部分厚大，渗透比降比较小，有利于渗流稳定和减少通过坝体的渗流量，此外坝体和坝基、岸坡、及混凝土建筑物的接触渗径比较长，可简化防渗处理。但是，由于土料抗剪强度比用在其他坝型坝壳的石料、砂砾和砂等材料的抗剪强度小，故其上下游坝坡比其他坝型缓，填筑工程量比较大。坝体施工受严寒及降雨影响，有效工日会减少，工期延长，故在寒冷及多雨地区的使用受限制。故不选择均质坝。2. 多种土质分区坝。该坝型虽然可以因地制宜，充分利用包括石渣在内的当地各种筑坝材料；土料用量较均质坝少，施工受气侯的影响也相对小一些，但是由于多种材料分区填筑，工序复杂，施工干扰大，故也不选用多种土质分区坝。3. 斜墙坝。由于不透料（土料）位于上游，不便于土料上坝；土质斜墙靠在透水坝壳上，如果坝壳沉降大，将使斜墙开裂；与岸坡及混凝土建筑物连接不如心墙坝方便，斜墙与地基接触应力比心墙小，同地基结合不如心墙坝；断面较大，特别是上游坡较缓，坝脚伸出较远，填筑工程量较心墙大。故也不选用斜墙坝。4. 心墙坝。用作防渗体的土料位于坝下游1.53.5公里的丘陵区与平原地带的土料，且储量很多，一般质量尚佳，可作筑坝之用；用作透水料的砂土可从坝上下游0.33.5公里河滩上开采，储量多，可供筑坝使用，这样便于分别从上下游上料，填筑透水坝壳，使施工方便，争取工期。心墙坝的优点还有：心墙位于坝体中间而不依靠在透水坝壳上，其自重通过本身传到基础，不受坝壳沉降影响，依靠心墙填土自重，使得沿心墙与地基接触面产生较大的接触应力，有利于心墙与地基结合，提高接触面的渗透稳定性；当库水位下降时，上游透水坝壳中水分迅速排泄，有利于上游坝坡稳定，使上游坝坡比均质坝或斜墙坝陡；下游坝壳浸润线也比较低，下游坝坡也可以设计得比较陡；在防渗效果相同的情况下，土料用量比斜墙坝少，施工受气候影响相对小些；位于坝轴线上的心墙与岸坡及混凝土建筑物连接比较方便。通过以上分析认为宜选用心墙坝。42 坝体剖面设计及坝体各部分尺寸的确定土石坝的剖面设计指坝顶高程、坝顶宽度、坝坡。421 坝顶高程（1）根据SL2742001碾压式土石坝设计规范推荐的公式进行计算坝顶高程等于水库静水位与超高d之和，并分别按以下运用情况计算，取最大值：设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高；校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高。在正常运用条件下，坝顶应高出静水位0.5m。最后需预留一定的坝体沉降量，此处取坝高的1%。计算公式采用下列两式： , 式中： 波浪在坝坡上的最大爬高，m； 最大风壅水面高度，即风壅水面超出原库水位高度的最大值，m； 坝前水域平均水深，m； 综合摩阻系数，其值变化在（1.55.0）10-6之间，计算时一般取K=3.610-6； 风向与水域中线（或坝轴线的法线）的夹角，（）；、 计算风速和水库吹程，m3/s、Km; 安全加高，m，根据坝的等级和运用情况，按表1-1确定。表1-1 安全加高 （单位：m）运用情况坝的级别1级2级3级4、5级正常1.51.00.70.5非常0.70.50.40.3 该坝属于2级水工建筑物，安全加高分别取：正常运用情况下1.0m，非常运用情况下0.5m。以往计算坝顶超高公式中多包括风壅水面高度 ，由于该值不大，一般不到10cm，故可忽略，坝顶超高计算式可简化为 ，参考：林昭著.碾压式土石坝.郑州：黄河水利出版社，2003.7，第130页。下面采用我国水利水电科学研究院推荐的计算波浪在坝坡上的爬高 ，式中： 设计波高， m； m坝坡坡率，取m=2.5；n坝坡护面糙率,上游拟采用浆砌石勾缝，取n=0.025。由于所给的设计资料中只有多年平均风速 ，故在正常和非常运用情况下，坡高均为：则 两种计算成果见表1-2。表1-2 坝顶高程计算结果 运用情况静水位 （m）波浪爬高R（m）风浪引起坝前壅高e (m) 安全超高A（m）计算坝顶高 程Z计（m）1%沉陷（m）竣工时的坝顶高程Z （m）设计情况（正常水位）113.11.010801.0115.11081.1511116.2619校核情况113.51.010800.5115.01081.1501116.1609按此方法计算得坝顶高程最后结果：116.50m。验算：坝顶高程116.50m均大于： 设计洪水位（正常蓄水位）+0.50m即113.10+0.50=113.60m； 校核洪水位113.50m。所以满足要求。（2）根据经验公式近似计算坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，根据坝的级别，按以下4种运用情况考虑：（1）设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高：113.10+1.0=114.10 m.（2）正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高：113.10+1.0=114.10 m.（3）校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高：113.50+0.5=114.00 m.（4）正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全加高：113.10+0.5=113.60 m综合考虑土石坝的沉降量为坝高的1%，取1.1511m.按照此方法确定的坝顶高程为115.35 m综合上述计算结果，取最大值，最终坝顶高程为116.50m。422 坝顶宽度 本坝顶无交通要求，对中低坝B取510m，这里取B=7.0m。423 坝坡因最大坝高约116.50-62.50=54.00m,故采用几级变坡。上游采用两级， 采用三级。（1）上游坝坡：从坝顶至坝踵依次为1：2.75；1：3.25。（2）下游坝坡：从坝顶至坝趾依次为1：2.0；1：2.50；1：2.75。（3）马道：上游马道高程为89.50m。下游第一级马道高程为80.50m，第二级马道高程98.50m，马道宽度取2.0m。43 防渗体设计（在此选用粘土心墙）431 防渗体尺寸土质防渗体的尺寸应满足控制渗透比降和渗流量要求，还要便于施工。心墙顶部考虑机械化施工的要求，取3.0m，边坡取1：0.3。上下游最大作用水头差H=113.50-62.50=51.00m（下游无水状况），粘土心墙坝的允许渗透坡降J=4，故墙厚TH/J=51.00/4=12.75m。心墙底宽为3+（51.00+0.5）0.32=33.90m12.75m，满足要求432 防渗体超高 防渗体顶部在静水位以上超高，对于正常运用情况（如正常蓄水位、设计洪水位）心墙为0.30.6m，取0.5m，最后防渗体顶部高程取为113.10+0.50=113.60m。433 防渗体保护层 心墙顶部应设保护层，防止冰冻和干裂。保护层可采用砂、砂砾或碎石，其厚度不小于该地区的洞深或干燥深度，此处取0.80m，上部碎石厚50cm；下部砾石厚30cm，具体见坝顶部构造。44 坝体排水设计441 排水设施选择常用的坝体排水有以下几种型式：贴坡排水、棱体排水、坝内排水、以及综合式排水。（1）贴坡排水：不能有效的降低浸润线，易因冰冻而失效，多用于浸润线很低和下游无水的情况，而在此工程中不适用。（2）棱体排水：可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护尾水范围内的下游坝脚不受尾水波浪冲刷，且有支撑坝体增加稳定的作用，是效果较好的一种排水型式。（3）坝内排水：其中褥垫排水对不均匀沉降的适应性差，易断裂，且难以检修，当下游水位高过排水设施时，降低浸润线的效果将显著降低；网状排水施工麻烦，而且排水效果较褥垫排水差。综合以上分析选择棱体排水方式。442 堆石棱体排水尺寸顶宽2.0m，内坡坡率1：1.5，外坡坡率1：2.5，顶部高程须高出下游最高水位对1、2级坝不小于1.0m。通过设计洪水位113.10m（正常蓄水位）流量时，相应下游最高洪水位74.30m；通过校核洪水位113.50m流量时，相应下游最高洪水位75.00m。超高取1.3m，所以顶部高程为75.00+1.3=76.30m 。45 反滤层和过滤层451 设计规范及标准（1）保护无粘性土料（粉砂、砂、砂砾卵砾石、碎石等） 根据SL2742001碾压式土石坝设计规范规定，当被保护土为粘性土，且不均匀系数 时，对于与被保护土相邻的第一层反滤料，建议按太沙基准则选用 ， ，同时要求两者的不均匀系数 及 不大于58，级配曲线形状最好相似。 式中： 反滤料的特征粒径，小于该粒径的土占总土重的15%； 被保护土的控制粒径和特征粒径，小于该粒径的土分别占总重的15%及85%。上述两式同样适用于选择第二、三层反滤料,当选择第二层反滤料时，以第一层反滤料为被保护土，二选择第三层反滤料时，则以第二层反滤料为被保护土。按此标准天然砂砾料一般不能满足要求，须对土料进行筛选。（2）保护粘性土料粘性土有粘聚力，抗管涌能力一般比无粘性土强，通常不用上述两式设计反滤层，而用以下方法设计。参考：林昭著.碾压式土石坝.郑州：黄河水利出版社，2003.7，第157页。满足被保护粘性土的细粒不会流失 根据被保护土的小于0.075mm含量的百分数不同，而采用不同的方法。当被保护土含有大于5mm的颗粒时，则取其小于5mm的级配确定小于0.075mm的颗粒含量百分数及计算粒径 。如被保护土不含有大于5mm的颗粒时，则按全料确定小于0.0075mm的颗粒含量百分数及 。a.对于小于0.075mm的颗粒含量大于85%的粘性土，按式 设计反滤层，当 ，取 等于0.2mm 。b.对于小于0.075mm的颗粒含量为40%85%的粘性土按式 设计反滤层。c.对于小于0.075mm的颗粒含量为15%39%的粘性土按式 设计反滤层。式中， 为小于0.075mm时颗粒含量1%。若 ，应取0.7mm。满足排水要求以上三种土还应符合式 ，以满足排水要求。式中 应为被保护粘性土全料的 ，若 时 不小于0.1mm 。（3）护坡垫层 同样应满足土粒不流失及足够的透水性要求，但标准可降低些，建议按下式的简便方法选择粒径。， 。452 设计结果由于设计原始资料中没有提供各土、砂、石料的颗粒级配情况，这里无法用计算的方法进行反滤层的设计，只能参考相关规范和已建工程进行初步设计。初步拟定结果分述如下。（1）棱体排水部位尺寸如图1。图1 （2）护坡垫层见下面的护坡设计如图2和图3。46 护坡设计461 上游护坡采用目前最常用的浆砌石护坡。护坡范围从坝顶一直到坝脚，厚度为40cm，下部设厚度均为30cm的碎石和粗砂垫层，如图所示。图2462下游护坡下游设厚度为40cm的碎石护坡，护坡下面设厚度为40cm的粗砂垫层。见图3。图347 顶部构造471 坝顶宽度对中低坝可取510m，此处取B=7.0m。472 防浪墙采用C20水泥浆砌块石防浪墙，墙高1.2m，墙身每隔15m布置一道设有止水的沉陷逢，墙顶设有高2.8m的灯柱。473 坝顶盖面以防止防渗体粘土心墙干裂、冻结和雨水冲蚀，在粘土心墙顶部设置保护层，厚度为80cm，分为两层，上层碎石厚度为50cm，下层砂砾厚度为30cm。48 马道和坝顶、坝面排水设计481 马道上游马道高程为89.50m。下游第一级马道高程为80.50m，第二级马道高程98.50m，马道宽度取2.0m。482 坝顶排水坝顶设有防浪墙，为了便于排水，坝顶做成自上游倾向下游的坡，坡度为2%，将坝顶雨水排向下游坝面排水沟。483 坝面排水（1） 布置在下游坝坡设纵横向排水沟。纵向排水沟（与坝轴线平行）设在各级马道内侧。沿坝轴线每隔200m设置1条横向排水沟（顺坡布置，垂直于坝轴线），横向排水沟自坝顶直至棱体排水处的排水沟，再排至坝趾排水沟。纵横向排水沟互相连通，横向排水沟之间的纵向排水沟应从中间向两端倾斜，坡度取0.2%，以便将雨水排向横向排水沟。坝体与岸坡连接处应设置排水沟，以排除岸坡上游下来的雨水。（2） 排水沟尺寸及材料尺寸拟定：由于缺乏暴雨资料，所以无法用计算的方法确定断面尺寸，根据以往已建工程的经验，排水沟宽度及深度一般采用2040cm。具体的尺寸见图3。材料：排水沟通常采用浆砌石或混凝土预制块。综合考虑选用浆砌石块石。49 地基处理及坝体与地基岸坡的连接 结合本坝坝基情况，从坝轴线剖面图可知，地基处理如下：491 地基处理（1） 河槽处：水流常年冲刷，基岩裸露，抗风化能力强，吸水量也较低，故只需清除覆盖层即可，挖至基岩即可。（2）右岸河滩：覆盖层和坡积物相对较厚，上层岩芯获得率只有20%，岩层裂隙较为发育，拟采用局部帷幕灌浆。（3）平山咀大溶洞：经勘探后分析对大坝及库区均无影响，为安全起见，可修筑土铺盖，用水泥砂浆填缝。铺盖同时还应与粘土心墙相连，向上库区及右岸延伸展布，将岩溶封闭。492 坝体与地基的连接（1） 河槽部位：吸水量能达到要求，采用在心墙底端局部加厚的方式与地基相连。（2）右岸河滩：上部岩层裂隙较发育，岩芯获得率只有20%。而覆盖层也较左岸厚，采用截水槽的方式与基岩相连。截水槽可挖至基岩以下0.5m深处，内填壤土。截水槽横断面拟定：边坡采用1：2.0；底宽，渗径不小于（1/31/5）H，其中H为最大作用水头（下游无水时为51.00m），底宽取1/3.451.00=15.0m。493 坝体与岸坡的连接左坝肩到左滩地，坡积风化层510m，需彻底清除，左岸坡上修建混凝土齿墙，岸坡较陡，开挖时基本与基岩大致平行。右坝肩到右滩地坡积风化层处理与左岸相同，基岩开挖角不宜太大。410 渗流计算4101 渗流计算的基本假定（1）心墙采用粘土料，渗透系数 ，坝壳采用砂土料，渗透系数 ，两者相差104倍，可以把粘土心墙看作相对不透水层，因此计算时可以不考虑上游楔行降落水头的作用。下游设有棱体排水，可近似的假设浸润线的逸出点为下游水位与堆石棱体内坡的交点。下游坝壳的浸润线也较平缓，接近水平，水头主要在心墙部位损失。（2） 土体中渗流流速不大且处于层流状态，渗流服从达西定律，即平均流速v等于渗透系数K与渗透比降i的乘积，v=Ki。（3） 发生渗流量时土体孔隙尺寸不变，饱和度不变，渗流为连续的。4102 渗流计算条件渗流计算应考虑如下组合，取其最不利者作为控制条件：1）上游正常高水位，下游相应的最低水位；2）上游设计或校核洪水水位，分别相应的下游水位；3）对山游坝坡稳定最不利的库水降落后的水位。根据相关资料，按如下工况进行渗流计算：设计洪水位（取与正常蓄水位）113.10m，相应下游的水位74.30m。校核洪水位113.50m，相应下游的水位75.00m。4103 渗流分析的方法采用水力学法进行土石坝渗流计算，将坝内渗流分为若干段，应用达西定律和杜平假设，建立各段的运动方程式，然后根据水流的连续性求解渗透流速、渗透流量和浸润线线等。 4104 计算断面及公式本设计仅对河槽处最大断面进行渗流计算。假设地基为不透水地基。 ， 4105 单宽流量将心墙看作等厚的矩形，则其平均宽度为：坝轴线到下游坝趾处的宽度：D=3.5+（115.6-102.5）2.0+2.0+（102.5-82.5）2.5+2.0+（82.5-76.3）2.75+2.0+（76.3-62.5）2.0=130.35m还从图中知：L=D- -（76.3-62.5）2.0+2.0+（76.3- Z下）1.5 =-22.525+1.5 Z下已知 ， 。通过心墙段的单宽流量为 ；通过心墙下游坝壳段的单宽流量为 。具体计算结果见表1-3。表1-3 心墙及其下游坝壳单宽流量计算结果计算情况Z上（m）Z下（m）H1（m）H2（m）（m）D（m）L(m)q (10-7m3/(sm)He(m)正常蓄水位113.1074.3050.6011.8018.45130.3588.9256.55811.848校核洪水位113.5075.0051.0012.5018.45130.3589.9756.61612.5464106 总渗流量的计算从地形地质平面图上可大致量得大坝沿坝轴线长L=400m，沿整个坝段的总渗流量Q= Lq,式中 是考虑到坝宽、坝厚、渗流量沿坝轴线的不均匀性而加的折减系数，取 ，Q正=0.84006.55810-7=2.09910-4m3/sQ校=0.84006.61610-7=2.11710-4 m3/s4107 浸润线方程（1）正常蓄水位情况下的浸润线方程=（2）校核洪水位情况下的浸润线方程 =将x取不同的值代入以上两式得如图所示浸润线图4 411 坝坡稳定计算（只作下游坡一个滑弧面的计算） 心墙坝的下游坝坡采用的是砂土，粘聚力c=0，为无粘性土，常形成折线形的滑弧面。见图5所示：图5图中所示各物理量之间满足以下方程：， ， 。查设计资料砂土抗剪强度指标 ，由于设计原始资料中无相关数据，在此也无法提供实验数据，故假设 ， ， ， ，代入上述方程得（2级水工建筑物正常运用情况下）， 。从以上分析可知该假想滑动面是稳定的5.溢洪道设计51 溢洪道基本数据由于没有做调洪演算，初步拟定溢洪道水力计算成果见表1-4。表 1- 4 溢洪道水力计算成果计算情况上游水位（m）下泄最大流量(m3/s)相应的下游水位(m)设计113.10134074.30校核113.50168075.00 其中：设计洪水位取与正常蓄水位相同。52 溢洪道路线选择和平面位置的确定 根据本工程地形地质条件，选择正槽式溢洪道，引水渠末端设置圆形渐变段，泄槽不设收缩、弯曲段和扩散段，尾水渠设护袒。成直线布置在右岸的天然垭口，如地形地质平面图所示。53 工程布置531 引水渠 引水渠的作用是将水流平顺的引至溢流堰前。为提高泄洪能力，渠内流速 。渠底宽度大于堰宽，渠底末端高程与控制堰顶高程相同，取为107.50m。引水渠断面尺寸的拟定，具体计算结果和过程见表1-5。表 1-5 引水渠断面尺寸计算成果（ 设计流速 ）计算情况上游水位（m）下泄最大流量 Q (m3/s)水深 H（m）边坡坡率m底宽B(m)设计113.1013405.601.571.36校核113.5016806.001.584.33计算公式： ， ，假设 。 由计算可以拟定引水渠底宽B=90m，引水渠与控制堰之间设渐变段；引水渠前段采用梯形断面，边坡采用1：1.5；底坡均为1：10的逆坡。最后引水渠总长L=65m。532 控制段其作用是控制泄洪能力。本工程是以灌溉发电为主的中型工程，采用平面钢闸门控制。溢洪道轴线处岩石破碎，深达60m的钻探岩芯获得率约为20%，岩石裂隙十分发育，因为宽顶堰堰矮荷载小，经比较选用无坎宽顶堰，断面为矩形，顶部高程为107.50m，堰厚 拟取30m (2.5H 10H)，堰宽由流量方程求得，具体计算见表1-6。 表 1-6 溢洪道控制段宽顶堰堰宽计算（忽略行进流速水）（ ）计算情况上游水位（m）泄量 Q (m3/s)堰上水头H0 （m）流量系数m控制堰宽 nb（m）设计113.1013405.600.38559.29校核113.5016806.000.38567.03式中：控制堰宽由计算知控制堰取 为宜，孔口数n=7，闸门尺寸10m6.5m（宽高），宽高比为10/6.5=1.54满足（1.52.0），中墩宽3.0m，边墩宽1.0m，闸室宽度B=710+21.0+63.0=90m,闸墩尺寸见图6和图7所示。图6图7533 泄槽 泄槽是宣泄过堰洪水的，槽底布置在基岩上，断面必须为挖方，且要工程量最小，坡面不能太陡。由地形地质平面图上量得堰顶到下游74.30m高程处的水平距离为120m，高差为33.20m，故从堰顶到下游水面连一直线，直线的斜率大约等于0.25。因为堰顶到下游水面的水平距离不大，只有120m左右，考虑到泄槽设计、施工的方便和简单，以及水流的流态等各种因素，泄槽采用等宽，同一坡率，初步拟定为i=1/4，矩形断面，宽b=90m，长 。534 出口消能 溢洪道出口段为冲沟，岩石比较坚硬，离大坝较远，可以采用挑流消能，水流冲刷不会危及大坝安全。但如果大坝下游（溢洪道出口）的假想逆断层存在的话，还需对该断层进行处理，以防止溢洪道出口冲坑太深而危及大坝安全。535 尾水渠 其作用是将消能后的水流较平稳的泄入原河道，同时为了防止小流量产生贴流、淘刷鼻坎，鼻坎下游设置长L=50m的护袒。54 溢洪道水力计算541 引水渠流速计算 其具体计算见溢洪道工程布置中的引水渠，设计洪水位和校核洪水位时均取 ，而实际的引水渠底宽大于计算所需要的宽度，而且因为渠底是逆坡，其高程都比107.50m要低，所以引水渠实际的流速均比 要小，均能满足要求。542 控制堰最大泄流能力的验算计算所需闸门总净宽为67.00m(校核洪水时),实际取为70m（7孔 10m7m），而整个闸室宽90m，从定性分析可知满足最大泄流量的要求。如图8和图9所示。图8图9543 泄槽水面线的计算（1）基本公式 ， ， ， ， ， 式中： 临界水深，m； Q槽内泄量，m3/s； q单宽流量， m3/（sm）； 临界坡降； B泄槽首段宽度，m； g重力加速度，m/s2； 相应临界水深的水面宽，m； 、 、 、 临界水深时对应的过水断面积（m2）、湿周（m）、水力半径（m）、谢才系数。 ， ， ， ， ； 式中： 1-1断面的比能，m； 2-2断面的比能，m； 、 1-1及2-2断面水深，m； 沿程水头损失，m； 、 1-1及2-2断面的平均流速，m/s； 断面间的长度，m；1-1及2-2断面的底部高程差，m； n泄槽糙率，底板是混凝土衬砌石，侧壁为干砌石，取n=0.030。（2）临界水深 和临界坡降 的计算见表1-7。 表 1-7 临界水深 和临界坡降 计算结果计算情况Qn设计水位13409014.892.828254.5395.6562.6610.03039.240.00676校核水位16809018.443.262293.5996.5243.0420.03040.120.00653，故泄槽段属急流，槽内形成b型降水曲线，属明渠非均匀计算。（3）溢洪道泄槽正常水深计算 计算结果见表1-8表 1-8 溢洪道泄槽正常水深计算结果计算情况QBi假设h0n设计水位1340901/40.94384.8791.8860.9240.03032.8952683.11341.55校核水位1680901/41.07396.5792.1461.0480.03033.5953321.221660.61 544 泄槽水面线计算 假设堰下泄槽起始断面的计算水深取泄槽临界水深，设计洪水位（正常蓄水位）： ，校核洪水位： ，采用分段求和法，按水深进行分段。545 掺气水深的计算 （1） 自然掺气开始发生点的计算L按经验公式计算：设计： 校核：取L=84.7m。 （2） 掺气水深计算 计算公式式中：h未计入波动及掺气的水深，m；计入波动及掺气的水深，m； 未计入波动及掺气计算断面上的平均流速，m/s； 修正系数，一般取1.01.4，s/m,视流速和断面收缩情况而定，当流速大于20m/s时宜采用较大值，此处取 。计算结果见表1-10表1-10 掺气水深计算结果计算情况L（m）h设计洪水84.70.96315.51.31.157045校核洪水97.71.10616.71.31.346113由计算结果知掺气水深均小于溢洪道的边墙顶部的高程，水流均不会溢出，满足要求546 消能防冲计算 选择挑流消能进行消能。（1）鼻坎型式选用结构简单、施工方便、鼻坎上水流平顺、挑距较远、应用广泛的连续式鼻坎。鼻坎挑角 。鼻坎高程高出下游最高水位（设计时74.30m、校核时75.00m）12m，取76.00m，反弧半径R=10m。见图10所示。图10水舌挑射距离计算 式中： L水舌挑距，m； 坎顶水面流速, m/s，按鼻坎处平均流速v的1.1倍； 坎顶垂直方向水深，m， ； 坎顶至河床面高差，m。 ， ， ， 。计算结果见表1-11。表 1-11 水舌挑射距离计算结果计算情况hL设计洪水17.380.9430.39070.92050.868013.5108.634215.99846.1091281.613440.638校核洪水18.701.0860.39070.92050.999713.5125.762317.21353.3790284.193445.105（3） 冲刷坑深度的计算（由河床表面至坑底）， ，式中： 水垫厚度，自水面算至坑底，m； 冲坑深度，m；单宽流量， ； 上下游水位差，m； 下游水深，m； 冲坑系数，坚硬完整的基岩 ，坚硬但完整性较差的基岩 ，软弱破碎、裂隙发育的基岩 。此工程下游河床存在破碎带和一假想逆断层，岩层裂隙发育，所以取 。 冲坑计算结果见表1-12。 表 1-12 冲刷坑深度计算结果 计算情况Z上（m）Z下（m）H（m)qH2(m)设计水位113.1074.3038.801.814.88888911.8017.33455.53校核水位113.5075.0038.501.818.44444412.5019.25626.76（4） 安全验算 ，安全。55 构造设计 包括衬砌、排水、止水和分缝。 泄槽中的水流流速较大，采用厚50cm的混凝土衬砌，引水渠的流速较低可选用石灰浆砌块石水泥勾缝。衬砌纵向接缝采用平