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毕业设计论文
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TJ01-068@江水利枢纽坝工设计,毕业设计论文
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第 1 页 共 46 页 毕 业 设 计 说 明 书 题 目：江水利枢纽坝工设计 专 业： 年 级： 学 生： 学 号： 指导教师： nts 第 2 页 共 46 页 O 江水利枢纽工程设计 【摘要】 本设计以 O 江流域的水文、地形、地质为基础，通过调洪演算确定了坝型及枢纽布置、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，洪水演算，枢纽布置，土料设计，渗流计算，稳定验算，泄水建筑物，施工组织设计。 【 ABSTRACT】 Base on the data of O-river hydraulic project ,I designed the dam totally,including the layout of engineering,the design of discharge construction by storage routing which fixed on the characteristic stage of the reservoir.The progresss of the construction was planned .the factors of economic ,technology and safety are considered in the design.The optimum plan was finally selected. 【 KEY-WORDS】： earth and rock dam, damsite selection ， choice of dam type, soil design， filtration routing， stability analysis， discharge construction， construction planning. 本设计以 O 江流域的水文、地形、地质资料为基础，通过调洪演算确定了水库的特征水位，进行了枢纽布置；对大坝、泄水建筑物进行了 比 较详细的设计。通过编制施工组织计划，确定了枢纽工程各主体部分的进度。设计中考虑了经济、技术及安全等方面的因素，并对各部分可行的方案进行了比较，确定了最优方案 。 nts 第 3 页 共 46 页 目 录 前 言 02 第一章 设计基本资料 03 第二章 工程等级及建筑级别 11 第三章 洪水调节计算 12 第四章 坝型选择及枢纽布置 14 第五章 大坝设计 16 第六章 泄洪建筑物设计 31 第七章 施工组织设计 38 参考书目 43 总 结 44 前 言 nts 第 4 页 共 46 页 根据教学大纲要求，学生在毕业前必须完成毕业设计。毕业设计是大学学习的重要环节，对培养工程技术人员独立承担专业工程技术任务重要。通过毕业设计可以进一步培养和训练我们分析和解工程实际问题及科学研究的能力。通过毕业设计，我们能够系统巩固并综合运用基本理论和专业知识，熟悉和掌握有关的资料、规范、手册及图表，培养我们综合运用上述知识独立分析和解决工程设 计问题的能力，培养我们对土石坝设计计算的基本技能，同时了解国内外该行业的发展水平。 这次我的设计任务是 O 江土石坝，本设计采用斜心墙坝。该土石坝斜心墙坝设计大致分为：洪水调节计算、坝型选择与枢纽布置、大坝设计、泄水建筑物的选择与设计等部分。 在本次设计中，涂老师、同学给了我悉心的指导、热心的帮助，在此，我真诚地感谢你们的帮助与关怀。 第一章 设计基本资料 nts 第 5 页 共 46 页 一、枢纽任务 本工程同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合作用。 1 发电 本电站装机 3 台 0.8 万千瓦机组，共装机 2.4 万千瓦。正常蓄水位 2818.9 米，死水位 2796.0 米。 3 台机满载时的流量为 44.1 sm/3 ，尾水位 2752.2 米。 厂房型式为引水式，厂房平面尺寸为 32 13 米，发电机层高程 2760 米，尾水管底高程 2748 米，厂房顶高程 2772 米。付厂房平面尺寸为 32 6 米。安装场尺寸为 米，开关站尺寸为 30 20 米。 2 灌溉 增加保灌面积 1.5 万亩。 3 防洪 可减轻洪水对下游两岸的威胁，在遇 100 年一遇洪水时，经水库调洪后，洪峰流量由原来 1680 sm/3 消减为 548 sm/3 。要求设计洪水时最大下泄流量限制为 900 sm/3 。 4 渔业 正常蓄水位时，水库面积为 15.6 平方公里，为发展养殖创造了有利条件。 5 过木 要求布置过木筏道。 6其它 引水涵洞进口高程 2789.0m，出口底高程 2752.3m，直径 4.0m，压力钢管直径 2.3m，调压井直径 12.0m，放空洞洞径 2.5m，能放空至水位 2770.0m。 二、设计要求 在明确设计任务及对原始资料进行综合分析的基础上，要求： 1根据防洪要求，对可能的方 案进行洪水调节计算，确定坝顶高程及溢洪尺寸。 2通过分析，对可能的方案进行比较，确定枢纽组成建筑物的形式、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，拟定地基处理方案与坝身构造，进行水力、静力计算。 4进行大坝设计，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。 5决定枢纽的施工导流方案，安排施工的控制性进度。 关于水利枢纽的布置： 进行水利枢纽布置设计，设计应至少有 23 个方案比较，方案中应包括施工方案的nts 第 6 页 共 46 页 考虑，并整理成 设计计算书和说明书，绘制枢纽总体布置图 1： 1000。 关于建筑物设计： 建筑物设计可选择水电站建筑物或水工建筑物。水电站建筑物以厂房和引水系统等为主。水工建筑物以挡水建筑物和泄水建筑物为主。对于水工建筑物设计内容主要有： 确定建筑物的剖面形状及尺寸； 坝体的应力分析或渗流计算； 坝体稳定设计和地基处理； 泄水建筑物的过水能力分析； 泄水建筑物的消能防冲设计； 建筑物的主要构件的结构设计； 建筑物的构造设计； 设计、计算时，必须以规范为依据，所有计算分析要整理成设计计算书和说明书，并绘制结构平面 图、剖面图、上下游立面图 (1： 200)和细部详图 (1： 50) 关于施工组织设计： 初步拟定施工导流方案、截流渡汛方案、工程分期、主要水工建筑物的施工程序、施工方法和控制性进度，并将计算分析整理成设计计算书和说明书及绘制施工总体平面布置图。 三、 O江水利枢纽设计资料说明 流域概况 O 江位于我国西南地区，流向自东向西北，全长约 122 公里，流域面积 2558 平方公里，在坝址以上流域面积为 780 平方公里。 本流域大部分为山岭地带，山脉、盆地相互交错于其间，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 松软沙岩、页岩、玄武岩及石灰岩的风化层，汛期河流含沙量较大，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。 气候特性 （ 1）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。 月平均气温统计表（） 表 1 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 平均 气 4.8 8.3 11.2 14.8 16.3 18.0 18.8 18.3 16.0 12.4 8.6 5.9 12.8 nts 第 7 页 共 46 页 温 平均温度日数 表 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 6 1.2 0.3 0 0 0 0 0 0 0 0 3.1 030 25 26.8 30.7 30 31 30 31 31 30 31 30 27.9 30 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 （ 2）湿度：本区域气候特征是冬干夏湿，每年 11 月至次年四月 特别干燥，其相对湿度在 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%。 （ 3）降水量：最大年降水量可达 1213 毫米，最小为 617 毫米，多年平均降水量为905 毫米。 各月降雨日数统计表 表 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 5mm 2.6 2.2 4.3 4.2 7.0 8.6 11.5 8.5 9.6 9.5 4.8 4.3 5 10mm 0.3 0.2 0.2 1.4 2.0 2.4 2.7 2.7 2.6 2.4 0.8 0.1 10 30mm 0.1 0.1 0.7 0.5 2.3 4.6 4.9 3.8 2.2 1.3 0.6 0.1 （ 4）风力及风向：一般 1 4 月风力较大，实测最大风速为 15 米 /秒，风向为西北偏西，水库吹程为 12 公里。 （三）水文特性 O 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。 O 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 700 秒sm/3 ，而最小流量为 0.5 sm/3 。多年平均流量 17 sm/3 。经频率分析，求得不同频率的洪峰流量见下表。 月 份 日 数 温 度 月 份 日 数 温 度 nts 第 8 页 共 46 页 频 率 0.05 1 2 5 10 流量（ sm/3 ） 2320 1680 1420 1180 1040 各月不同频率洪峰流量：（ sm/3 ） 表 4 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1% 46 19 12 19 600 1240 1550 1210 670 390 28 37 2% 36 17 11 15 530 1120 1360 1090 600 310 23 33 5% 23 14 9 11 420 850 1100 830 480 250 16 28 10% 19 11 7 9 370 760 980 720 410 210 15 23 固体径流： O 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 0.5 公斤 /立米。枯水期极小，河水清澈见底 ，初步估算 30 年后坝前淤积高程为 2765 米。 （四）工程地质 （ 1）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 万立米，在考虑水库淤积问题时可作为参考。 （ 2）坝址地质：坝址位于 O 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： 玄武岩：一般为深灰色、 灰色、有含泥量气孔，为绿泥石、石英等充填，成为杏仁状构造，并间或有方解石石脉，石英脉等穿其中，这些小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，力学性质亦异，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。 坝基岩石物理力学性质试验表 表 5 岩石名称 比 重 容重（ KN/m3） 采用抗压强度（ MPa） 半风化玄武岩 3.01 29.6 50 频率 nts 第 9 页 共 46 页 破碎玄武岩 2.95 29.2 50 60 火山角砾岩 2.90 28.7 35 120 软弱玄武岩 2.85 27.0 10 20 坚硬玄武岩 2.96 29.2 100 160 多气孔玄武岩 2.85 27.8 70 180 全风化玄武岩物理力学性质试验表 表 6 天然含水率W% 干容重KN/3m 比重 液限 WL 塑限 WF 塑性指数 Wn 压缩系数 浸水固结块剪力 00.5 cm3/KN 3 4 cm3/KN 内摩擦角 凝聚力KPa 2.5 16.3 2.97 47.3 32.26 16.9 0.0597 0.0151 28.38 24.0 渗透性：经试验得出发值为 4.14 7.36 米 /昼夜。 火山角砾岩：角砾为玄武岩，棱角往往不明显，直径为 2 15 厘米，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 350kg/cm2。 凝灰岩：成土状或页片状，岩性软弱，与砂质粘土近似，风化后成为粘土碎屑的混合物，遇水崩解，透水性很小。 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，石灰岩和砂岩占极少数，沿河谷内分布。坝基部分冲积层厚度最大为 32 米，一般为 20 米左右。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 10 100 毫米；砾石直径一般为 2 10 毫米；砂粒直径 0.05 0.2 毫米；细小颗粒小于 0.1 毫米。 冲积层剪力试验成果表 表 7 土壤 名称 项容重 （控含水量 三轴剪力（块剪） 应变控制 浸水固结快剪 nts 第 10 页 共 46 页 目 计算值 制）KN/m3 （控制） 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 17 12 8 8 2 2 最大值 24.3 8.66 47 15 37.0 32 54 10.5 最小值 22.2 4.27 35 30 12.0 17 55 0 平均值 23.08 6.47 40 34 18.2 25 25 5.3 小值平 均值 37 32 0.148 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 0.03cm/s 0.01cm/s。 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。 （ 3）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 0.5 米即有一条，疏者 3 5 米即有一条，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。 （ 4）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 0.01kg/min。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。 （ 5）本地区地震烈度定为 7 度，基岩与砼之间磨擦系数取 0.65。 nts 第 11 页 共 46 页 五、建筑材料 （ 1） 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 万方。粘性土料上游有三个料场，下游二个料场，总量 190 万方。料场距坝址 km 左右。石料（坚硬玄武岩）总储量 450 万方。石料距坝址较进，开采条件较好。 （ 2） 物理力学性质 土料：见下表 8。 砂砾石： （ a）颗粒级配 表 8 300100 10060 6020 202.5 2.51.2 1.20.6 0.60.3 0.30.15 0.15 1上 5.2 18.6 21.4 12.3 18.6 13.9 5.4 4.6 0.3 2上 4.8 17.8 20.3 14.1 17.8 14.8 4.6 5.3 0.5 3上 3.8 15.4 18.5 15.3 16.4 20.5 3.5 6.2 0.4 4上 6.0 18.3 19.4 16.4 15.6 16.7 4.8 2.5 0.3 1下 4.5 14.1 20.1 23.2 14.9 7.2 8.6 7.2 0.2 2下 3.9 19.2 22.4 18.7 19.1 8.3 5.7 2.8 0.1 3下 5.0 23.1 19.1 14.2 18.4 8.9 6.3 4.1 0.9 4下 4.1 22.4 18.7 14.1 17.9 14.4 4.1 3.6 0.7 （ b）物理性质 表 9 名 称 1上 2上 3上 4上 1下 2下 3下 4下 容 重 1.86 1.79 1.91 1.90 1.86 1.85 1.84 1.80 比 重 2.75 2.74 2.76 2.75 2.75 2.73 2.73 2.72 孔隙率 32.5 34.7 31.0 31.5 32.5 32.2 32.5 33.8 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 各砂砾石料场渗透系数 K 值为 2.0 10 2cm/s。最大孔隙率 0.44，最小孔隙率 0.27。 （ c）各料场的天然休止角 表 10 料场 名称 最小值 最大值 平均值 nts 第 12 页 共 46 页 1上 34 30 35 50 35 10 2上 35 00 37 10 36 00 3上 34 40 36 40 35 40 4上 35 10 37 40 36 30 1下 34 10 36 30 35 20 2下 35 20 38 00 36 40 3下 34 30 37 10 35 50 4下 36 00 38 20 37 10 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。 六、经济资料 （ 1）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 11。 表 11 高程（米） 2807 2812 2817 2822 2827 2832 淹没人口（人） 3500 3640 3890 4060 5320 7140 （ 2）交通运输 坝址下游 120 公里处有铁路干线通过，已建成公路离坝址仅 20 公里，因此交通方便。 第二章 工程等别及建筑物的级别 nts 第 13 页 共 46 页 水利水电工程的等别，在 SDJ12-1978水利水 电枢纽工程等级划分设计标准（山区，丘陵区部分） 之中作出的规定，将水利水电枢纽工程根据其工程规模 效益及在国民经济中的重要性划分为五类，综合考虑水库的总库容、防洪库容、灌溉面积、电站的装机容量等，工程规模有库容决定，由于该工程正常蓄水位高程 2820.1m，库容约为 3.86亿 m3，估计校核情况下的库容不会超过亿 m3，最终由库控制，属于大（）型。 水利水电枢纽工程分等指标 工程 等别 工程 规模 分等指标 水库库容 （亿 m3 ） 防洪 灌溉面积 （万亩） 电站装机容量 （万 kw） 保护城 市及工矿区 保护农田（万亩） 一 大（ 1）型 10 特别重要的城市、工矿区 500 150 75 二 大（ 2）型 10 1 重要城市、工矿区 500 100 150 50 75 25 三 中型 1 0.1 中等城市、工矿区 100 30 50 5 25 2.5 四 小（ 1）型 0.10.01 一般城市、工矿区 30 5 0.5 2.50.05 五 小（ 2）型 0.010.001 0.5 0.05 水工建筑物在 SDJ12-1978第五条规定，该类大（）型的主要水工建筑 物为级，次要建筑物为级，临时建筑物为级。 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 1 2 3 nts 第 14 页 共 46 页 二 2 3 4 三 3 4 5 四 4 5 5 五 5 5 5 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。 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 1 2 3 4 5 洪水重现期（年） 500 100 50 30 20 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 1 2 3 4 5 土坝、堆石坝、干砌石坝 10000或可能最大洪水 2000 1000 500 200 混凝土坝、浆砌石坝 5000 1000 500 200 100 第三章 洪水调节计算 一 .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 .即设Q= ,/1680 3 sm （ p=1%），校核洪峰流量取 2000年一遇 .即校Q=2320m3/s，（ %05.0p ） 。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。如下图所示 nts 第 15 页 共 46 页 二 .调洪演算与方案选择 1.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。 设计洪水过程线 校核洪水过程线时段时段 (6h)2.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。 3.调洪演算 本设计拟订四组方案进行比较，调洪演算成果见 下表 调洪演算成果表 方案 孔口尺寸 工况 Qm3/s V（ 3610m ） 上游水位 z 超高 z nts 第 16 页 共 46 页 一 z=2810m B=7m 设计 565 398 2821.72 1.62 校核 669 420 2823.08 2.98 二 z=2809m B=7m 设计 648 398 2821.72 1.62 校核 740 418 2822.91 2.81 三 z=2810m B=8m 设计 653 397 2821.6 1.5 校核 750 413 2822.77 2.67 四 z=2811m B=8m 设计 600 399 2821.87 1.77 校核 698 421 2823.1 3.00 4.方案选择 以上方案均能满足泄流量 Q900m3/s，上游水位最高 Z3.5m 的要求，从这个角度上看四种方案都是可行的 .因而方案的选择就应该通过技术经济比较选定 .同时也应结合导流问题 .一般来说， Z 大坝增高，从而坝的工程量加大； B大则增加隧洞的开挖及其他工程量，而 Q/B 越大消能越困难，衬砌要求也高 .后两种方案量 Q/B 的水头较小，可降低闸门及其 启闭设备的造价 .但 Z,B 较大，主体工程量较大故而不予采用 .第一方案与其它方案比较虽然超高 Z较大，但流量 Q较小，水头 H也较小，故采用第一方案 .即堰顶高程 Z=2810m，溢流孔口净宽 B=7m,设计水位 2821.72m，校核水位 2823.08m，设计泄洪流量 565m3/s,校核泄洪流量 669m3/s. 第四章 坝型选择及枢纽布置 一 .坝址及坝型选择 1. 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 I I、 II II 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： I I 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）， II II 剖面除与 I I 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 I I 处。 nts 第 17 页 共 46 页 - 坝 址 纵 剖 面 图4547262526502675270027252750277528002825285028752900262526502675270027252750277528002825285028752900281956754577772.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。 二枢纽组成建筑物 1.挡水建筑物。土石坝。 2.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。 3.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。 三 .枢纽总体布置 1.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。 2.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。 nts 第 18 页 共 46 页 3.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 大坝设计 一 .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。 nts 第 19 页 共 46 页 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。 二 .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。 1.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 30 100m 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 。 2.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 1.5 2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。 3.坡顶高程 坝顶高程分别按设计工况、校核工况及正常加地震情况下的三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=hB e a nts 第 20 页 共 46 页 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 运用情况 坝的级别 、 正常 1.5 1.0 0.7 0.5 非常 0.7 0.5 0.4 0.3 e=0.036 (Vf)2 D cos /H ( ) 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 式中： hl 为波高； K 为坝坡的粗糙系数，块石取 K=0.75 0.8，混凝土板取 K=0.9 1.0； 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. 坡顶高程计算成果表 nts 第 21 页 共 46 页 计算情况 计算项目 设计情况 校核情况 上游静水位（ m） 2821.72 2823.08 河地变程（ m） 2750 坝前水深 H(m) 71.72 73.08 吹程 D(km) 12 风向与坝轴线夹角 25 风浪引起坝前 高 e(m) 0.0063 0.0062 风速 v(m/s) 15 15 波高 2h(m) 1.122 1.122 护坡粗糙系数 0.78 上游坝面坡角 21.8 波浪沿坝坡爬高（ m） 1.120 1.120 安全超高 A （ m） 1.0 0.5 坝顶高程（ m） 2823.85 2824.71 坝顶高程加 0.4%沉陷 (m) 2824.15 2825 4.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 . 5.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 B 73.08/5=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nts 第 22 页 共 46 页 坡度为 1:0.4 1:0.6 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 河床中部采用沥青混凝土防渗墙，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 .8.158.05.72 m 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 河床冲积层 混凝土防渗墙大坝剖面图（单位： ） 三土料设计 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。 1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 86.3t m/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maxr和平均最优含水量0W. 设计干容重dr为： mrd maxr式中 dr 设计干容重，（ / 3）； maxr 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，的值采用 0.96nts 第 23 页 共 46 页 0.99之间，三四级坝或低坝可采用 0.93 0.96，本设计取 =0.96； 粘性土的填筑含水量 为 ： = P P 式中 P 土的塑限； P 土的塑性指数； 稠度系数，对高坝可取 -0.1 0.1之间，低坝可取 0.1 0.2之间，本设计取 =-0.7。 设计最优含水量为 00 WW 用下述公式计算最大干容重作为校核参考： maxr=sWs va1)1( 式中 s 土粒的比重； av 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： dr 1.02 1.120)(dr式中 0)(dr 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 粘性土料设计成果表 料 场 #下 #下 #上 #上 #下 比重 s 2.676 2.67 2.65 2.74 2.7 最优含水量 22.07 21.07 22.30 23.8 16.9 设计干容重 1.536 1.584 1.4976 1.4784 1.728 塑限含水量 wp 23.14 22.20 25.0 26.3 20.0 填筑含水量 w 21.78 20.68 23.29 24.66 19.02 自 然含水量 % 24.8 24.2 25.6 26.3 15.90 塑性指数 19.46 21.70 24.57 23.50 14.0 孔隙此 e 0.742 0.686 0.7695 0.853 0.5625 湿密度 1.87 1.912 1.846 1.843 2.00 浮密度 0.962 0.991 0.9325 0.939 1.088 内摩擦角 2440 2530 2310 2130 28 nts 第 24 页 共 46 页 粘聚力 0.24 0.23 0.25 0.38 0.17 渗 透 系 数 k（ scm/10 6 ） 4.319 4.8 1.9 3.96 30 （ 3） .土料的选用 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（ 61030 /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 1 10-4 3/s,对心墙或斜墙不大于 1 10-5 3/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。 3.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示如下： 11minmax eeD r，或ddr rrr rrrD )( )(m inm a xm a xm in 式中： emax 为最大孔隙比， emax= 1/ min rs ； emin 为最小孔隙比， emin= 1/max rs； e 为填筑的沙、沙卵石、或地基原状沙、沙卵石的孔隙比， e= 1/ drs； s 为沙粒比重；maxr、minr 为最大和最小干容重，由试验求得： dr 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 2.17drKN/m3。 (2).设计成果 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/s #4上 43 45 0.75 1.86 0.4 5 1.96 1.19 3630 0 2.0 nts 第 25 页 共 46 页 59 738 #1上 45 48 2.7
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