粘土斜墙坝设计

1 前 言 毕业设计是大学本科教育培养目标实现的重要阶段 是毕业前的综合学习阶段 是深化 拓 宽 综合教和学的重要过程 是对大学期间所学专业知识的全面总结 本次的毕业设计题目为 长河水利枢纽工程粘土斜墙坝设计 根据任河干流综合治理开 发的迫切需要 拟定长河水电站的开发目标和主要任务以发电为主 兼有防洪 旅游和改善生 态环境等综合利用效益 设计内容包括 坝线 坝型选择和枢纽布置方案比较 坝体剖面设计 溢流坝设计 水工隧洞设计 细部构造 绘制设计图纸等 毕业设计中 遇到了一些问题 比如在设计水工隧洞时 不能理清整体思路 但在指导老 师的帮助下 经过资料查阅 设计计算逐步清晰 在毕业设计中期 我们通过所学的基本理论 专业知识和基本技能进行建筑 结构设计 本组全体成员齐心协力 互助合作 发挥了积极合 作的团队精神 在毕业设计后期 主要进行设计手稿的电子排版整理 并得到老师的审批和指 正 使我圆满地完成了设计任务 在此我表示衷心的感谢 在此次设计中使我加深了对新规范 规程 手册等相关内容的理解 巩固了专业知识 提 高了综合分析 解决问题的能力 在绘图时熟练掌握了各种建筑制图软件 以及多种结构设计 软件 以上所有这些从不同方面达到了毕业设计的目的与要求 框架结构设计的计算工作量很大 在计算过程中以手算为主 辅以一些计算软件的校正 由于自己水平有限 难免有不妥和疏漏之处 敬请各位老师批评指正 作者 2 第一部分 设计说明书 1 基本资料 1 1 工程等别及建筑物级别 长河水电站以上流域面积 1712km2 总库容约 3 154 亿 m3 总装机容量为 140MW 根据 防洪标准 GB50201 94 及 水电工程等级划分及设计安全标准 DL5180 2003 规定 确定枢纽工程属二等工程 由于拦河坝坝高超过 100m 提高一级 为 1 级建筑物 泄水及放空 建筑物进水口 引水系统进水口等主要建筑物为 2 级建筑物 引水遂洞 发电厂房等次要建筑 物为 3 级建筑物 临时建筑物为 4 级 根据 中国地震动参数加速度区划图 1 400 万 2001 年版 工程区地震动峰值加速度为 0 05g 地震基本烈度为 度 地震设计烈度按 度采用 拟定工程为二等工程 并通过各建筑物的级别确定和洪水标准确定 地震设计烈度按 度采 用 各建筑物设计洪水标准见表 1 1 表 1 1 各建筑物设计洪水频率参数表 序号建筑物设计洪水频率校核洪水频率 1土石坝500 年一遇设计2000 年一遇校核 2泄水及放空建筑物进水口 引水系统进水口500 年一遇设计5000 年一遇校核 3消能防冲设施50 年一遇设计 1 2 设计依据 1 2 1 工程开发任务 根据城口县社会经济发展要求 以及任河干流综合治理开发的迫切需要 结合任河干流地 形 地质 水位和工程建设条件 拟定长河水电站的开发目标和主要任务以发电为主 兼有防 洪 旅游和改善生态环境等综合利用效益 1 2 2 设计参数 1 特征水位见表 1 2 表 1 2 水 库 特 征 水 位 表 方 案项 目正常蓄水位死水位设计校核 土石坝方案上游水位 m 680650681 37682 55 3 方 案项 目正常蓄水位死水位设计校核 下游水位 m 552 60553 48 相应下泄量 m3 s 42584746 2 水文 气象资料 坝址径流 根据大竹河水文站 1959 年至 2002 年径流系列统计 多年平均流量 44 0m3 s 径流总量 13 9 亿 m3 各月多年平均流量见表 1 3 坝址洪水 不同重现期的洪水流量见表 1 4 水位及水能主要参数 水位及水能主要参数列于表 1 5 表 1 6 泥砂 多年平均含沙量 1 03kg m3 多年平均输沙率 45 4kg s 多年平均输沙总量 171 万 t 推移质输沙量 26 7 万 t 气 象 a 气 温 城口气象站历年逐月气温统计资料见表 1 7 b 降 雨 城口气象站历年逐月平均降水日数见表 1 8 c 风 速 城口气象站历年逐月最大风速及相应风向见表 2 8 表 1 3 各月多年平均流量 单位 m3 s 项 目一二三四五六年 历年平均流量7 588 4219 637 959 665 144 0 4 表1 4 不 同 重 现 期 的 洪 水 流 量 单位 m3 s 频 率 项 目 单 位0 02 0 1 0 2 0 5 1 2 5 10 20 洪峰流量m3 s610052804920443040603670314027102250 一 日 亿 m3 3 122 702 522 282 091 891 631 411 17 洪 量 三 日 亿 m3 5 504 764 454 013 683 342 872 482 07 表 1 5 特征水位及下泄流量 项 目水库水位 m 最 大 泄 流 量 m3 s 下 游 水 位 m 正常蓄水位680 死水位650 校核洪水位 P 0 02 683 665028554 00 设计洪水位 P 0 2 681 794132552 38 0 5 洪水位681 073811551 85 1 洪水位680 583592551 45 2 洪水位680 153416551 15 5 洪水位680 003140550 65 表1 6 水 能 主 要 参 数 项 目单 位短洞方案长洞方案 正常蓄水位m680680 死水位m650650 正常蓄水位库容万 m32925429254 死水位库容万 m31501015010 调节库容万 m31424414244 最大水头m166 83184 88 最小水头m128 19142 22 加权平均水头m146 38162 22 算术平均水头m146 39161 99 库容系数 10 310 3 项 目七八九十十一十二年 历年平均流量88 358 688 557 725 411 344 0 5 水量利用系数 95 3594 68 调节特性 年调节年调节 表1 7 城口气象站历年逐月气温统计资料 单位 月 份一二三四五六七八九十十一十二年 多年平均气温2 64 58 514 418 321 624 12419 114 18 94 113 7 最高气温7 39 414 221 124 927 63030 824 919 714 59 319 5 最低气温0 41 24 79 813 817 219 919 615 610 85 50 99 9 表 1 8 城口气象站历年逐月平均降水日数 单位 天 降雨量 mm 一二三四五六七八九十十一十二年 0 19 69 413 214 516 115 216 515 414 814 311 410 1161 0 54 84 87 610 412 211 812 410 811 810 87 05 1110 5 00 81 13 35 37 27 08 16 47 46 12 81 256 5 10 00 10 10 50 91 41 51 81 51 61 00 40 110 8 30 0000 10 20 50 60 80 70 70 30 104 0 50 000000 10 20 30 30 30 1001 1 表 1 9 城口站历年逐月最大风速及相应风向 单位 m s 月 份一二三四五六七八九十十一十二年 实测最大风速5 36 77 39 39 012 711 712 07 07 06 06 012 7 相应风向SWESEWNW NNWESESSEESEESEWSWESESSWNNWSSE 2 坝基岩石物理力学指标 结构面抗剪断强度建议值 泥化结构面 f 0 15 0 2 C 0 003 0 005MPa L17 L18 L20 L21 泥夹岩屑 f 0 25 0 3 C 0 02 0 05MPa J23 L15 L21 岩屑夹泥 f 0 35 0 4 C 0 05 0 07MPa J27 J29 J37 J40 无充填结构面 f 0 45 0 55 C 0 05 0 1MPa L22 岩块岩屑 f 0 45 0 5 C 0 1 0 2MPa J6 J22 J24 J26 J30 J35 L23 L28 胶结结构面 f 0 60 0 75 C 0 1 0 2MPa J42 L8 6 表 1 10 岩 体 力 学 参 数 建 议 值 抗压强度砼 岩石岩石 岩石 饱 和干燥抗剪断强度抗剪断强度 变形模量 f C f C E0 岩体分类 MPa MPa MPa MPa GPa 弱风化45 5065 700 8 1 00 7 1 00 8 1 10 7 1 15 10 微风化55 6075 801 0 1 21 0 1 21 1 1 251 1 1 312 15 含砾凝灰 质岩屑砂 岩 新鲜70 7585 901 2 1 31 2 1 31 25 1 351 3 1 515 18 F1 1断层带0 26 0 94 开挖边坡比 崩积层 1 1 15 1 25 砂卵石层 1 1 25 1 5 强风化含砾凝灰质砂岩为 1 0 75 1 0 弱风化含砾凝灰质砂岩为 1 0 5 微风化含砾凝灰质砂岩为 1 0 2 0 3 每隔 10 20m 高度增设马道 马道宽 3 4m 炭质板岩冲刷系数 K 1 5 1 7 在水深约 3 0m 时允许抗冲流速 3 5m s 含砾凝灰质砂岩冲刷 系数 K 1 1 1 2 允许抗冲流速 6 5 7 5m s 4 水文地质 钻孔地下水位 相对隔水层顶板埋藏深度汇总表见表 1 11 按 水利水电工程地质勘察规范 GB50287 99 评定标准 工程区环境水对混凝土的分解 型 分解结晶复合型 结晶型等腐蚀性判定 坝址区地表水无各类型腐蚀 坝址区地下环境水 对混凝土有弱溶出型腐蚀 无其他类型腐蚀 引水系统无各类型腐蚀 表 1 11 钻孔地下水位 相对隔水层顶板埋藏深度汇总表 地下水位 m q 1 0Lu m q 3 0Lu m 项 目 钻孔位置及编号 孔深高程孔深高程孔深高程 ZK636 45703 3834 50705 3334 50705 33 ZK1226 20639 1317 70647 636 50658 83 ZK2552 3649 6516 75685 209 90692 05 左岸 ZK2657 16566 1449 11574 1949 11574 19 ZK70 30542 7221 25521 7711 2531 82河中 Zk890 3543 0916 3527 095 80537 59 ZK817 20733 9328 30722 8312 43738 70 ZK1325 80644 2135 30634 718 70661 31 ZK4616 70542 9247 20512 4242 20517 42 坝 址 上 段 勘 线 右岸 ZK2761 8556 1328 80589 1314 50553 43 7 ZK2838 0680 6052 50666 1047 0671 60 ZK162 90672 4981 62653 7766 12669 27 ZK230 00609 4164 43574 9838 37601 04 ZK7959 75619 2162 2616 7662 20616 76 左岸 ZK4848 8772 90 48 8 48 8 河中ZK30 20541 8136 03505 8920 24521 77 ZK456 00590 3671 00575 3614 0632 36 ZK545 10681 8871 50655 489 95717 03 坝 址 下 段 勘 线 右岸 ZK3762 35554 2917 40599 2412 65603 99 5 建筑材料特性及设计参数 筑坝材料相对密度试验成果 岩石试验成果及大型三轴剪切试验邓肯模型 E B 参数见表 1 12 1 13 1 14 表 1 12 相 对 密 度 试 验 成 果 表 试 样 名 称最大干密度 g cm3最小干密度 g cm3 垫层料2 271 67 小区料2 271 68 过渡料2 201 67 主堆料2 171 66 砂砾料2 231 88 坝肩覆盖层2 061 57 表 1 13 岩 石 试 验 成 果 单轴抗压强度 MPa 弹性模量 104MPa 泊松比 干燥状态 块体密度 g cm3 吸水率 饱和吸 水率 比重 样品名称 饱和干燥饱和干燥饱和干燥2 78 新鲜1611966 858 480 180 24 2 730 150 23 微风化1611886 548 220 220 212 700 370 532 77 弱风化1611866 428 020 280 212 700 370 532 76 强风化54 589 52 864 210 250 172 561 982 382 73 砂砾石1601776 127 770 140 232 730 600 782 77 坝肩覆盖 层 72 31023 905 830 200 122 680 570 772 74 8 表 1 14 大型三轴剪切试验邓肯模型 E B 参数表 试样名称试样状态 g cm3 度 度 KnRfKbm 风干53 57 81047 10 290 63 垫层料 饱和 2 22 51 97 0861 40 350 62426 30 34 风干53 47 51109 20 270 67 小区料 饱和 2 22 52 46 9832 20 340 65418 30 35 风干56 511 01011 60 250 63 过渡料 饱和 2 18 54 710 0822 00 280 62378 20 35 风干55 09 41318 30 340 70 砂砾料 饱和 2 20 53 68 71230 30 340 72935 10 06 风干49 79 7281 80 440 65 坝肩覆盖层 饱和 1 90 44 16 0165 20 550 6273 70 51 5 安全系数 a 溢洪道等抗滑稳定安全系数见表 1 15 b 根据 碾压式土石坝设计规范 SL274 2001 土石坝抗滑稳定安全系数见表 1 16 表 1 15 岩基抗滑稳定安全系数 荷 载 组 合抗 滑抗剪断 基本组合1 303 00 1 1 202 50 特殊组合 2 1 102 30 表 1 16 土石坝坝坡稳定安全系数 荷 载 组 合正常运用条件非常运用条件 滑楔法1 301 50 2 坝线 坝型选择 2 1 坝址的确定 因任河河流在库区河曲较发育 曲流婉转 只有长河镇上游 1 5km 的冉家坝处约 1000 多 米河段比较顺直 水面较窄 一般宽度 30 50m 两岸山体对称 河漫滩 阶地均不发育 近长 河镇 右岸地势较缓 河道逐渐开阔 河流流经长河镇形成了一个 S 型大转弯 冉家坝上游 河谷两岸山坡略缓 冲沟发育 为考虑充分利用水头又不延长河镇 冉家坝处约 1000 多米河段 9 成为长河水电站唯一较好的坝址区 坝址区河流流向在坝区上游由 SSW 流向 NNE 以大转折流入坝址区后 在坝址区河流由 SE 流向 NW 出坝区后又折转向 NNE 河流在坝区及上下游附近呈 S 型 坝址区河道顺直 河谷狭窄 水面宽 30 40m 坝区两岸山体雄厚 山脊高陡 地势右高左低 右岸山顶高程 1621m 左岸山顶高程 1423m 属中山区 河谷呈 V 字型 两岸无阶地分布 地形基本对称 右岸略缓于左岸 山坡较顺直 左岸在 650m 高程以下自然边坡较陡 坡度约 45 60 局部 75 650m 高程以上略缓 坡度 35 45 右岸在高程 640m 以下自然边坡较陡 坡度 45 55 以上较缓 坡度 35 40 两岸冲沟不发育 山坡植被较稀少 不良物理地质现象以崩坍为主 坝址上段右岸坝坡和坝 址下段左岸坝坡有崩坍堆积 该河段河道顺直 河谷狭窄 两岸山体雄厚 结合地质勘探成果 和现场地形条件 该河段具备修建高坝的条件 确定该河段为长河水电站坝址 本阶段经复核 选定该坝址 2 2 坝线 坝型选择 2 2 1 坝线拟定 沿冉家坝河段从上游到下游布置了三条勘线 分别为 线 通过对坝 址区进行了大量的地质勘探工作 分别在原 勘线的下游 50m 处布置了一条辅助地勘线 在 勘线附近以原 勘线右岸为端点向上游偏转 17 9 布置一勘线 为 并对左 右两岸的覆盖层分布情况进行了大量的地质测绘和详勘 以 勘线混凝土拱坝和 勘线粘土斜 墙坝进行比较 在坝址上段 勘线适宜修建砼坝 下段 勘线适宜修建粘土斜墙坝 将通过进 一步的技术经济比较后最终选定坝型 经勘探 左岸仍存在较厚覆盖层 一直延伸至 上游冲沟 右岸 两线 630 00m 高程以上存在覆盖层 为彻底避开两岸覆盖层 使趾板基础座落在较好的基础上 避免 基础开挖影响岸坡覆盖层 拟将 线的斜墙坝坝线进行微调 右岸位于 线处不变 左岸以 线为端点向上游旋转 21 56 至 下游侧 然后再沿岸坡折线至冲沟处 整个 坝轴线为折线 简称折线方案 线 本阶段根据现场地形 地质情况对 和 勘线进行坝型 坝线比较 坝址区内河道较顺直 水面宽 30 40m 河谷狭窄 呈 V 字型 两岸无阶地分布 地形基本 对称 右岸略缓于左岸 两岸山坡较顺直 左岸在 650m 高程以下自然边坡较陡 坡度约 10 45 60 局部 75 650m 高程以上略缓 坡度 35 45 右岸在高程 640m 以下自然边坡较陡 坡度一般 10 2 图 2 1 地形图 45 55 公路边为陡崖或陡坎 以上较缓 坡度一般 35 40 局部 20 25 坝址区左岸分布三条冲沟 右岸一条小冲沟 均大致垂直河流 其中分布在 线与 11 线之间的冲沟和 线左岸坝轴线下游附近冲沟规模较大 沟深源长 常年有水流 其余冲沟沟浅源短 干枯无水 根据查明的地质情况 覆盖层多分布于边坡中上部 范围较广 右岸崩坡积层主要分布于 线与 线之间 坝址下段 线下游边坡也有少量分布 其分布范围和厚度均 比左岸小 其中坝址上段右岸 线下游约 150m 上游约 200m 高程 630 930m 范围内分 布较厚崩坡积层 高程 630 720m 覆盖层厚一般 1 3 7 15m 高程 720 930m 覆盖层厚一般 13 23 8m 最厚达 25 5m 线下游厚度一般为 1 0 4 6m 局部厚 7 18m 左岸覆盖层分 布高程为 575 0 1190 0m 上下游最大宽度为 1150m 左右 厚度一般为 5 20m 覆盖层厚度大 于 15 0m 的 主要分布在 线高程 630 800m 附近和 线 线之间高程 660 980m 一带 厚度 大于 30m 的分布于 间 高程 710 910m 揭露最大厚度为 33 7m 崩坡积体成分主要为碎 块石 大块石及少量壤土 结构松散 大块石之间多架空 块石直径最大可达 2 5m 线左 右两岸中上部强 弱风化层厚度较大 且右岸大于左岸 河床风化浅 据钻探 硐探资料及地质测绘成果 左岸强风化岩体主要分布于高程 660m 以上边坡 厚度为 0 8 25m 高程 660m 以下为陡崖 无全 强风化岩体分布 出露的基岩为弱风化岩体 左岸弱风化下限埋 深 14 80 25 0m 高程 650 53 714 83m 厚度为 11 90 13 10m 以下为微风化至新鲜基岩 河 床无全 强风化层 弱风化层下深埋深 11 2m 高程 531 82m 厚 5 2m 微风化层下限埋深 22 2m 高程 520 82m 厚 11 0m 以下为新鲜岩石 右岸强风化岩体主要分布于高程 560m 以 上边坡 强风化下限埋深 8 2 8 7m 高程 661 31 742 93m 厚 2 90 7 20m 弱风化下限埋深 5 9 52 4m 高程 553 72 739 53m 厚度为 3 4 43 7m 以下为微风化 新鲜基岩 线左岸强 弱风化层厚度大 河中和右岸强 弱风化层较薄 据钻孔资料 左岸崩坡 积层厚度为 7 6 28 50m 强风化下限埋深 16 0 34 2m 弱风化下限埋深 40 5 62 20m 微风化下 限埋深 74 8 76 70m 河床无强 弱风化层 ZK3 孔微风化层下限埋深 17 3m 高程 524 71m 厚 7 8m 以下为新鲜岩石 右岸覆盖层厚度 0 2 0m 强风化下限埋深为 0 9 3 6m 弱风化下限 埋深 9 35 15 50m 微风化下限埋深 57 6 76 05m 根据洞探资料 线左岸弱卸荷带深约 27 0m 右岸弱卸荷带深约 20 0m 线趾板线 线 岩石风化特征与 线相似 左岸风化破碎岩体厚度大于 右岸 12 根据钻孔资料 趾板线 线 左岸强风化下限埋深约 3 0m 高程 677 74m 厚度约 1 0m 弱风化下限埋深为 32 0 64 9m 高程 546 30 614 00m 厚度 26 5 58 3m 以下为微风化 岩石 河床无全 强风化岩层 弱风化下限埋深为 6 6 14 5m 高程 536 34 542 53m 厚度为 6 6 13 4m 微风化下限埋深为 8 5 32 0m 高程 525 33 534 44m 厚度为 1 9 17 2m 以下为 新鲜岩石 右岸基本无全风化层 强风化下限埋深为 0 9 3 5m 高程 615 74 679 15m 厚度为 0 2 2 8m 弱风化下限埋深为 10 6 31 7m 高程 606 04 654 65m 厚度 9 7 28 2m 微风化下 限埋深为 34 3 79 3m 厚度为 23 7 56 6m 2 2 2 坝型方案拟定 坝址上段 勘线两岸地形比较对称 地形陡峻 河谷狭窄呈 V 型 谷底宽 40 50m 680m 高程河谷宽约 324m 348m 宽高比 2 33 2 58 从地形 地质条件判断 比较适 合进行混凝土坝布置 根据前述地质条件 虽然两勘线右岸高高程均存在覆盖层 但 勘线左 岸和河床覆盖层较 勘线厚 弱风化下限及相对隔水层埋深 勘线比 勘线深 从地质条件分 析 勘线优于 勘线 所以本阶段选 线作为坝址上段的代表坝轴线进行比较 除左 右两岸中上部强 弱风化层厚度较大外 下部和河床挖除弱风化岩石后 微风 化 新鲜岩体完整性较好 坚硬 饱和单轴抗压强度一般 50 70MPa 岩体的体积节理数为 5 10 条 m3 岩体纵波速 4000 5500m s 岩体完整系数在 0 78 左右 属 类岩体 可作为碾压混凝 土重力坝和拱坝坝基 均适宜修筑混凝土坝 由于 线两岸地形陡俊 右岸高高程和左岸 下段存在较厚 约 25m 崩坡积层 无布置岸边溢洪道的合适地形和地质条件 不适合布置混凝土 面板堆石坝和岸边溢洪道 所以对 初拟进行混凝土拱坝和碾压混凝土重力坝方案比较 线位于 勘线下游约 900 多米处 接近于 S 型的转弯处 谷底宽约 80m 680m 高程 处河谷宽 317m 宽高比较 勘线大 右岸山体下游侧即为长河镇 山体较薄 无布置拱坝 的拱肩抗力体 右岸坝肩可以进行重力坝布置 但左岸边坡覆盖层深厚 最厚达 30 多米 分布 范围广 垂直向高程为 575 0 1190 0m 上下游宽度为 1150m 左右 做拱坝和重力坝坝肩开挖 量大 边坡和拱肩支护处理工作量大 投资多 与粘土斜墙坝比 只趾板局部开挖至基岩 大 部分覆盖层只挖除表层 其余作为压覆坝体的一部分 开挖支护工程量将大为减少 而且右岸 坝头边坡坡度上缓下陡 高程 660m 以上边坡坡度约 35 有布置岸边溢洪道的有利地形条件 适合进行当地材料坝布置 所以 线宜布置当地材料坝 不再进行混凝土坝比较 为避左岸覆 盖层对 线微调为 线 折线坝线 只进行当地材料坝布置 而坝址 15km 范围以内没有土 13 源 无布置粘土心墙坝的条件 所以本阶段选 线和 勘线布置粘土斜墙坝与 勘线 的混凝土拱坝和碾压混凝土重力坝进行比较 2 2 3 勘线 线和 勘线坝型 坝线比较 从地形 地质 水工枢纽布置 对当地材料的利用等方面进行综合比较 地形 地质条件 勘线两岸地形陡峻 山体雄厚 河道顺直 河谷狭窄呈 V 型 枯水期水面宽 30 40m 水深约 2 4m 正常蓄水位 680m 处河谷宽约 290m 两岸地形基本对称 左岸自然坡 度为 37 60 下陡上缓 右岸自然坡度为 45 57 左岸覆盖层主要分布于高程 660m 以上 厚度 1 0 4 8m 右岸主要分布于高程 630 930m 厚度 1 5 25 5m 河床砂卵砾石层厚约 6 0m 基岩为单一的震 旦系下统含砾凝灰质岩屑砂岩 Zayl2 岩体风化河床较浅 左岸其次 右岸较深 弱风化下限 埋深左岸 14 8 25m 右岸 5 9 52 4m 河床约 11 2m 具备修建混凝土拱坝和混凝土重力坝的基 本条件 但两岸切坡向延伸的 NW NWW 向结构面很发育 通过坝址上段大小断层 25 条 挤压 破碎带 14 条 与 NNW NE 向节理交切 可构成块体侧裂面或拉裂面 顺坡向缓倾角节理断续 分布 可构成底滑面 所以两岸坝肩岩体被切割呈大小不等块体 对坝肩抗滑稳定极为不利 且坝基地下水位及相对隔水层埋深较大 因此作为高拱坝的两坝肩工程地质条件差 而重力坝 两岸坝基开挖面较大 左右坝头均有不利的裂隙结构面组合为不稳定块体 虽部分将被挖除 但尚有部分残留于坝头岩体内 存在局部不稳定体 基础加固处理工程量大 线较 线稍宽缓 两岸山脊高陡 山体雄厚 枯水期水面宽 30 40m 水深约 1 3m 正常蓄水位 680m 处河谷宽约 317m 两岸地形基本对称 左岸稍缓 坡度为 35 40 右岸自然坡度 37 51 但 坝轴线左岸覆盖层分布广 厚度大 结构松散 块径大小不 一 有架空现象 边坡处于临界稳定状态 开挖将引起上部覆盖层失稳 虽可经削坡支护处理 但边坡支护处理难度大 工期长 投资大 这是制约选择该坝线的主要工程地质问题 而 坝线除右岸与坝头交接附近有覆盖层分布外 其它线及以下边坡均基岩出露 左 岸冲沟上游坝头及趾板以上边坡覆盖层较薄 厚度一般 1 2m 两岸自然边坡基本稳定 无因开 挖覆盖层引起的边坡稳定问题 冲左岸沟下游覆盖层较厚 但基本不扰动它 只清除表层的松 散腐植土后作为压腹坝体的一部分 14 综上所述 线具备修建混凝土坝 线和 线具备修建粘土斜墙坝的地 形 地质条件 但混凝土拱坝 碾压混凝土重力坝对坝基的工程地质条件要求高 特别是对两 拱肩的工程地质条件要求更高 除建基面需置于微风化岩或完整的弱风化岩下部外 对坝基的 断层 挤压破碎带均需槽挖处理 坝址上段拱坝两坝肩 NW NWW 向结构面发育 特别是右坝 肩 该组结构面很发育 与缓倾角和其它走向的中陡倾角结构面组合后 构成坝肩不稳定体 两坝肩的岩体抗滑稳定条件差 坝肩抗滑稳定问题突出 坝基开挖和加固处理工程量大 此外 两坝肩开挖大 工期长 投资大 风险也大 综合比较 坝线没有特殊的地质问题 地质 条件简单 明朗 相对较优 综合以上各个方面 仅从地形条件看 混凝土拱坝和粘土斜墙坝均有建坝可能 但拱坝方 案对地质要求较高 左右岸拱肩槽存在不利滑动结构面 碾压混凝土坝方案略好 但开挖形成 高边坡和基础处理工作量大 另外筑坝所需的大量材料均需从外县万源等运进 混凝土骨料也 要从较远的料场运进 对交通条件较差的大长河区须增加很多运输成本 在投资方面没有优势 相反 粘土斜墙坝方案可充分利用当地材料 就地开采 且 线避开左岸深厚覆盖层问题 总 投资还是较拱坝和碾压混凝土坝省 也没有制约性的技术难度 因此本阶段选 线粘土斜墙坝 方案 溢洪道位于右坝头 利用右岸山坡开挖而成 溢洪道轴线与坝轴线夹角 132 2 由进水渠 控制段 泄槽 挑流鼻坎及尾水渠等建筑物组成 引水隧洞进水口均位于大坝上游附近水库内厂房位于坝址下游任河左岸城口县境内的雷打 石 距坝址区约 5 6km 引水系统长约 2 9km 3 挡水建筑物 3 1 粘土斜墙坝设计 为了减少左岸崩坡积层的开挖 避免岸坡形成高边坡 坝轴线在左岸向上游偏转 144 06 挖除表层松散的崩坡积层 充分利用深部崩坡积层作为斜墙的支承体 左岸坝头段 受地形和 崩坡积层的影响 采用粘土斜墙坝 右岸坝头段设溢洪道左导墙 3 1 1 坝体结构设计 1 坝顶高程确定 根据 碾压式土石坝设计规范 SL274 2001 规定 坝顶在水库静水位以上的超高按下式计 算 15 y R e A 3 1 式中 y 坝顶超高 m R 最大波浪在坝坡上的爬高 m e 最大风壅水面高度 m A 安全加高 由表 3 1 确定 表 3 1 坝 顶 超 高 安 全 加 高 运 用 情 况安全加高 m 正常运用1 5 非常运用0 7 坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和 应按以下运用条件计算 取其最大值 1 设计洪水位加正常运用条件下的坝顶超高 2 校核洪水位加非常运用条件下的坝顶超高 3 正常蓄水位加非常运用条件下的坝顶超高 4 正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高 计算各种不同设计情况下的坝顶高程如表 3 2 所示 表 3 2 各种不同设计情况下的坝顶高程 参数 工况超高 Y m 坝顶高程 m 取值 两种取其大值 设计洪水位687 27 正常蓄水位 正常运用条件5 9 685 9 校核洪水位685 59 正常蓄水位 非常运用条件3 04 683 04 考虑在上游侧设置防浪墙 根据 碾压式土石坝设计规范 SL274 2001 规定 拟定防浪墙 的高度为 1 2m 墙顶部高程代替坝顶高程 则坝底高程为 687 27 1 2 686 07m 坝高为 686 07 530 156 07m 16 2 坝体断面设计 根据 碾压式土石坝设计规范 SL274 2001 规定 坝高超过 70m 为高坝 高坝的坝顶宽度 10 15m 考虑施工 运行要求及参考国内外已建工程的经验 坝顶宽度采用 10 0m 根据 碾压式土石坝设计规范 SL274 2001 规定 上游防浪墙墙高 1 2m 底宽 0 5m 墙顶 高程 687 27m 墙底高程 686 07m 墙底高出正常蓄水位 680 00m 6 07m 下游墙高 0 5m 根据 水工建筑物 第五版 中土石坝坝坡部分 黏性土料的稳定坝坡唯一曲面 上部 坡陡 下部坡缓 所以用粘性土料做成的坝坡 常沿高度分成数段 每段 10 30m 从上而下逐 段放缓 相邻坡率差值取 0 25 或 0 5 参考国内外已建和在建中 100m 以上高土坝的经验 结合 本工程填筑石料的质量 初选每 30m 设一级 3 0m 宽的马道 确定上游坝坡为 1 1 4 下游坝坡 实坡 为 1 1 3 1 1 5 3 细部构造 1 坝顶 根据 碾压式土石坝设计规范 SL274 2001 规定 防浪墙高度设为 1 2m 坝顶上面用碎石 铺设路面 坝顶向下游倾斜 1 的坡度 上游侧设 1 2m 高的放浪墙 下游侧设缘石 2 坝体防渗 坝体防渗采用粘土斜墙防渗体 斜墙顶高程为 687 27 1 2 686 07m 高出设计洪水位 4 7m 顶部保护层厚度为 687 27 686 27 1m 根据 SL274 2001 碾压土石坝设计规范 规定 坝高超过 70m 为高坝 高坝顶宽可选为 5 10m 故斜墙顶宽选为 5m 自顶向下逐渐加厚 边 坡为 1 4 计算点水头为 H 681 37 530 151 37m 根据经验取允许渗透坡降 J 5 底部厚 度 40m H J 151 37 5 30 27 满足要求 3 坝基防渗 参考 水工设计手册 第四卷 斜墙总是用齿墙与基岩连接 齿墙下部切近岩石的深度 根据岩石情况决定 良好的岩石 只需切近 30 50cm 不好的岩石需切近几米 齿墙的最小宽度 约 90cm 因此坝基防渗采用齿墙 等厚 40m 深 8m 2 坝体排水设备 土石坝排水主要有棱体排水和贴坡排水两种 棱体排水 适用于下游有水的各种坝型 它可以降低浸润线 防止坝坡冻胀 保护尾水范 围内的下游坝脚不受波浪淘刷 还可与坝基排水相连 当坝基强度足够时 可发挥支撑坝体 17 增加稳定的作用 但所需石料用量大 费用较高 与坝体施工有干扰 检修较困难 贴坡排水 又称为表面排水 这种形式的排水构造简单 用料节省 施工方便 易于检修 可以防止坝坡土发生渗流破坏 保护坝体免受下游波浪淘刷 但不能有效的降低浸润线 而且 因冰冻而失效 常用于土质防渗体分区坝 综合考虑采用堆石棱体排水设备 参考 水工建筑物 教材土石坝坝体排水一章 棱体顶 宽不小于 1 0m 取 3m 顶面超出下游水位的高度 对 1 2 级坝不小于 1 0m 故排水体顶部高程 为 554 6m 高出下游最高水位 2m 棱体内坡根据施工条件确定 一般为 1 1 0 1 1 5 外坡为 1 1 5 1 2 0 所以设定内坡 1 1 5 外坡 1 2 如图 3 1 所示 图 3 1 棱体排水 5 坝体剖面见图 3 2 18 图 3 2 坝体剖面图 3 2 稳定分析 稳定分析是确定坝的剖面和评价坝体安全的主要依据 稳定分析的可靠程度对坝的经济性 和安全性具有重要影响 对于无粘性土的坝坡 如斜墙坝的下游坝坡 斜墙的上游保护层 保 护层连同斜墙和坝基中有软弱夹层的滑动等常形成折线形的滑动面 这是 可假设滑动体由若 干楔形体组成 采用滑楔法计算稳定安全系数 图如 3 3 19 图 3 3 斜墙与保护层折线滑动面 由 水工建筑物 土石坝一章知 根据各楔形块的力平衡条件 建立两侧块体间相互作用力 P 的计算关系式如下 3 2 coscossecsinsec sincos sec 11 ieiieiieieiii ieiiiiieiiiieii Qxcxu VWPP 其中 Kcc iei K eiri tantan 式中 Wi 为块的自重 KN 为土料的内摩擦角 ei Qi 为土条的水平惯性力 KN Pi 为楔形块间的相互作用力 KN 为 P 的倾角 为抗剪断强度 MPa ei c K 为安全系数 成果表见 3 3 表 3 3 坝坡稳定分析计算成果表 计算最小安全系数规范允许最小安全系数 计 算 工 况 滑楔法滑楔法 一 正常运用情况 1 水库死水位上游坝坡2 171 30 2 设计洪水位下游坝坡1 931 30 二 非常运用情况 3 校核洪水位下游坝坡1 941 50 从表 3 3 可看出各设计工况下坝坡稳定安全系数均能满足规范要求 且有一定的安全储备 3 3 渗流分析 土石坝的渗流分析的内容包括 1 确定坝体内的浸润线 2 确定渗流的主要参数 渗流 流速和比降 3 确定渗流量 20 目的在于 为稳定分析时 划分饱水区提供依据 定对稳定有影响的渗流作用力 行坝体 防渗体布置和土料选择 渗流计算包括以下水位组合情况 上游正常蓄水位与下游相应的最低水位 上游设计洪水位与下游相应的水位 上游校核洪水位与下游相应的水位 库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况 以第二种情况为例 根据坝轴线地址剖面图的地形 地址情况 沿坝轴线分三段进行计算 见图 3 4 II II III III I I 7 7 5 6 5 9 4 2 8 1 77 7 4 5 5 4 7 渗流计算示意图 图 3 4 渗流计算剖面图 1 断面单宽渗流量 参考 水工计算手册 斜墙土坝在有限透水地基上 有齿墙 有排水设备的情况下 单宽渗 流量和斜墙后渗流水深可由下式联立试算解出 q 3 t hHT K hH K sin2 1 2 2 2 1 2 3 q 3 Thmd HhT K ehmd Hh K 44 0 2 1 2 3 1 2 2 2 1 1 4 21 式中 q 单宽渗流量 m3 s 等厚度 m t 齿墙厚度 m 斜墙中线的倾角 T 齿墙深度 m m 下游坡度 K1 为坝身的渗透系数 K2 为斜墙与齿墙的渗透系数 K3 为坝基的渗透系数 经试算 h 23 305m 而 10615 7 10618 7 3636 msmmsmq 2 断面单宽渗流量 单宽渗流量和斜墙后渗流水深可由下式联立试算解出 L aH kq 2 2 01 3 m ka a mz z kq a 0 0 0 0 5 得出 ma79 20 0 1068 22 35 0 msma m k q 全坝长的总渗流量计算 则 Q q1L1 q2L2 q3L3 2 49 104 m3 d 3 15 亿 m3 满足防渗要求 4 溢洪道 溢洪道布置于右岸 本工程属二等工程 泄水及放空建筑物为 2 级建筑物 按 500 年一遇 洪水设计 2000 年一遇洪水校核 4 1 工程地质条件 22 粘土斜墙坝溢洪道位于下坝址右岸山坡上 轴线方向 N22 6 W 溢洪道所处山体雄厚 沿线地面高程约 560 730m 自然边坡坡度约 25 35 冲沟不发育 在泄槽段分布有二条小冲沟 沟浅源短 干枯无水 第四系覆盖层为坡积 崩坡积层 分布范围较广 主要为壤土夹碎块石 据勘探成果 堰 首及进水渠部位覆盖层厚度 0 5 4 0m 泄槽段覆盖层厚度 1 0 7 18m 溢洪道沿线基岩主要为震 旦系下统跃岭河群上段 Zayl2 的含砾凝灰质岩屑砂岩及少量寒武系鲁家坪组的炭质板岩 震旦 系含砾凝灰质岩屑砂岩 为溢洪道的主要地层 溢洪道进水渠 堰首 挑流鼻坎等均置于该地 层上 寒武系炭质板岩较软 抗风化性能弱 呈板状 完整性差 分布于冲刷坑一带 在泄槽 段分布有一条辉长岩脉 33a 2 宽 3 0 4 0m 与围岩呈熔融接触 胶结尚好 溢洪道沿线构造较发育 分布有 f9 f11 f12 f40 f45 f52 f56 f58 f69 f70 等断层 10 条 J1 J3 J4 J5 J38 J39 等挤压破碎带 6 条 L34 L11 L31等裂隙 3 条 地质建议开挖边坡 崩积层 1 1 1 1 25 强风化岩为 1 0 75 1 0 弱风化岩为 1 0 5 微风化 岩为 1 0 2 0 3 每隔 15 20m 高度增设马道 4 2 水力设计 因为开敞式溢洪道泄洪能力大 工作可靠 结构简单 施工 管理和维修方便 水流条件 较好 可省去闸门和启闭设备 所以选用开敞式溢洪道 4 2 1 溢流堰的设计 1 溢流堰的剖面尺寸 根据 溢洪道设计规范 知 堰面曲线由下式推求 4 ykHx n d n 1 1 式中 x 为堰顶横轴线 y 为纵向轴线 Hd 为下游水位与堰顶的高差 经计算求得堰面曲线为 81 1 0663 0 xy 其中 mHR d 78 5 48 0 1 mHa d 38 1 115 0 mHR d 65 2 22 0 2 mHb d 58 2 214 0 堰的尺寸见下图 4 1 23 图 4 1 堰的剖面尺寸 2 溢流堰体稳定计算 SL253 2000 溢洪道设计规范 指出 堰的稳定分析可采用刚体极限平衡法 堰沿基底面 的抗滑稳定安全系数按下列抗剪强度公式计算 4 2 P AcWf f 式中 K 为按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数 为堰体混凝土与基岩接触面间的抗剪摩擦系数 f 为堰体混凝土与基岩接触面间的抗剪断凝聚力 KPa c 为作用于堰体上的全部荷载对堰体混凝土与基岩接触面的法向分量 KPa W 为作用于堰体上的全部荷载对堰体混凝土与基岩接触面的切向分量 KN P A 堰体与基岩接触面的面积 m2 混凝土与基岩的抗剪断强度指标 f 1 0 C 0 9MPa 溢流堰沿基础面的抗滑稳定与应 力计算成果见表 4 1 所有工况的抗滑稳定安全和基础面应力均满足规范要求 表 4 1 溢流堰稳定成果表 稳定计算 设计荷载组合情况 ro S R rd1 正常蓄水位2531 10746 设计洪水位1907 11131 24 校核洪水位2063 11254 一侧挡水一侧检修2531 ik 属于陡坡 因此渐变段进口水深 h1 hk 9 59m 渐变段出口水深 采用能量守恒公式计算 4 f h g v hiL g v h 22 2 2 2 1 3 RC Lv hf 2 2 已知 进口水深 h1 9 59m 经试算 h2 10 0m 合适 2 陡坡段 反弧半径 反弧半径按下式确定 R 8 10 hc 4 2ZPHg q hc 4 25 4 15 1 0 3 2 0077 0 1 Sq 5 2 0 2 00 BPS 式中 R 为反弧半径 m 为临界水深 m c h 为流速系数 q 为单宽流量 3 msm H 为堰上水深 m P 为堰顶与下游河床的高差 m Z 为坎顶与出口地面的高差 m P0 为堰顶与坎顶的高差 m B0 为溢流区的水平投影 m 经计算 mhc43 3 R 8 10 3 43 27 43 34 29 m 半径取 30m 陡坡段长度 陡坡水平投影总长 4 2 2 PLL s 6 式中 为陡坡长度 s L P 为陡坡总跌差 经计算 L 245 95m 3 流速及掺气水深 已知各断面水深 H 后 便可算出各断面的过水断面面积 A 及 v 用公式计算掺气高度 水 深加掺气高度等于掺气水深 考虑掺气水深 按 4 100 1 v hhb 7 式中 为修正系数 取 1 4 26 H 为断面水深 m hb 为掺气水深 m 经计算得 mhb59 3 4 边墙高度 溢洪道边墙高度 应按计算出来的最大水深加一定超高 边墙超高一般取 0 5 1 5m 取 1 0m 即 h 14 59m 4 2 2消能段 对溢洪道的消能方式比较了底流消能和挑流消能两种方案 两方案溢洪道的孔数 堰顶高程 泄流能力 泄槽宽度 纵坡均相同 区别仅在于泄槽末端的消能建筑物上 底流消能方案中消力池首部易发生气蚀破坏 而且工程投资过大 虽然底流消能可以降低泄 洪雾化的影响 但溢洪道出口远离枢纽主要建筑物和岸坡崩坡积体 泄洪雾化的影响不是控制 因素 而挑流消能方案国内使用较多 是一种比较常用而又安全经济的消能方式 虽然本工程 河床较窄 挑流消能对岸坡和河床冲刷有一定影响 但通过对挑坎型式的合理设计和加强岸坡 的防护是可以避免的 因此本阶段溢洪道采用挑流消能方式 根据 水力学计算手册 及工程实际情况采用连续式鼻坎挑流 其具有施工简便 不易气蚀的 特点 加上河床岩性比较坚硬 所以河床两岸均为弱风化岩石 岩性抗菌素冲刷能力较强 所以选用 连续式 又该泄洪洞的出口河床为浅水河槽 所以选用 25 的挑角较好 挑流鼻坎应高出下游最高 水位 1 挑距按下式计算 4 21 2 2 11 2 1 cos 2sincoscossin 1 hhgvvv g L 8 式中 L 自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距 m 挑射水舌水面射出角 近似可取鼻坎挑角 h1 挑流鼻坎末端法向水深 m h2 鼻坎坎顶至下游河床高程差 m v1 鼻坎坎顶水面流速 可按鼻坎处平均流速 v 的 1 1 倍计 m s 27 鼻坎平均流速 0 2gzv 式中 z0 鼻坎末端断面水面以上的水头 m 流速系数 将其代入上述中 即 v 41 46m s L 199 67m 2 由 溢洪道设计规范 最大冲坑水垫厚度估算公式 4 25 05 0 Hqtk 9 式中 tk 水垫厚度 自由水面至坑底 m q 单宽流量 m3 s H 上下游水位差 m 冲坑系数 取 0 8 经计算 27 68m k t 则消能段计算成果表见表 4 2 表 4 2 消能段计算成果表 计算项目 计算工况 上游水位 m 下游水位 m 流量 q m3 s 挑流坎顶高程 m z0 m 校核情况682 55565 3105 37574 41108 1430 计