土石坝毕业设计-(1)

1 前前 言言 1 设计任务书及原始资料是工作的依据 因此首先要全面了解设计任务 熟 悉该河流的一般自然地理条件 坝址附近的水文和气象特性 枢纽及水库的地形 地质条件 当地材料 对外交通及有关规划设计的基本数据 只有在熟悉基本资 料的基础上才能正确地选择建筑物的类型 进行枢纽布置 建筑物设计及施工组 织设计 因此 应把必要的资料整理到说明书中 通过对资料的了解和分析 初 步掌握原始资料中对设计和施工有较大影响的主要因素和关键问题 为以后设计 工作的进行打下良好的基础 2 本次设计内容及要求 1 坝轴线选择 2 坝型选择 3 枢纽布置 4 挡水建筑物设计 包括土坝断面设计 平面布置 渗流计算 稳定计算 细部构造设计 基础处理等 5 泄水建筑物设计 溢洪道或导流洞设计 仅选其中一项 以水利计算 为主 选取溢洪道设计 6 施工导流方案论证 选作内容 仅作简单的阐述 3 工程设计概要 ZH 水库位于 QH 河干流上 水库控制流域面积 4990km2 库容 5 05 108m3 水 库以灌溉发电为主 结合防洪 可引水灌溉农田 71 2 104亩 远期可发展到 10 4 105亩 灌区由一个引水流量 45m3 s 的总干渠和 4 条分干渠组成 在总干渠 渠首及下游 24km 处分别修建枢纽电站和 HZ 电站 总装机容量 31 45MW 年发电 量 1 129 108kw h 水库防洪标准为百年设计 万年校核 枢纽工程由挡水坝 溢洪道 导流泄洪洞 灌溉发电洞及枢纽电站组成 摘要 土坝设计摘要 土坝设计 渗流计算渗流计算 稳定计算稳定计算 细部结构细部结构 2 第一章第一章 基本数据基本数据 第一节第一节 工程概况及工程目的工程概况及工程目的 本水库建成后具有灌溉 发电 防洪 解决工业用水和人畜吃水等多方面的 效益 是一座综合利用的水库 水库近期可灌溉农田 71 2 104亩 远期可发展到 10 4 105亩 枢纽电站和 HZ 电站 总装机容量 31 45MW 年发电量 1 129 108kwh 除满足农业提水灌溉用电外 还剩余 50 的电力供工农业用电 防洪方面 水库控制流域面积 4990km2 占全流域面积的 39 对下流河道防洪 削减洪峰 减轻防汛负担也有一定的作用 可将下游 100 年一遇的洪水流量 6010m3 s 削减到 3360m3 s 相当于 17 年一遇 可将 50 年一遇洪水流量 6000m3 s 削减到 2890m3 s 相当于 12 年一遇 另外 每年还可供给城市及工业用水 0 63 108m3 由于市库区沿岸山峰重迭 村庄零散 耕地不多 故淹没损失较小 按库区 移民高程 770m 统计 共需迁移人口 3115 人 淹没耕地 12157 亩 房屋 1223 间 窑洞 1470 孔 3 第二节第二节 基本数据基本数据 2 1 工程等别及建筑物的级别工程等别及建筑物的级别 1 工程等别 ZH 水库工程 水库总库容 5 05 108m3 灌溉农田 71 2 104亩 远期可发展 到 10 4 105亩 水电站总装机容量 31 45MW 年发电量 1 129 108kw h 根据以上数据 参照 水利水电枢纽工程等级划分 SL252 2000 的规定 本 工程等别为 II 等工程 2 建筑物级别 根据本工程的等别及水工建筑物级别划分的规定知 永久性主要建筑物为 2 级建筑物 永久性次要建筑物为 3 级建筑物 临时建筑物为 4 级建筑物 2 2 地形和地质图地形和地质图 ZF 坝区地形图见附图 ZF 土坝坝线工程地质剖面图见附图 6 2 3 工程地质条件工程地质条件 1 库区工程地质条件 库区两岸分水岭高程均在 820m 以上 基岩出露高程大部分在 800m 左右 主 要为紫红色砂岩 间夹砾岩 粉砂岩和砂质叶岩 新鲜基岩透水性不大 未发现 大的构造断裂 水库蓄水条件良好 QH 河为山区河流 两岸居民及耕地分散 除库水位以下有一定淹没外 浸没 问题不大 库区也未发现重要矿产 2 坝址区工程地质条件 QH 河在 ZF 水库坝址区呈一弯度很大的 S 形 坝段位于 S 形的中 上段 坝 段右岸为侵蚀河岸 岸坡较陡 基岩出露 上下坝线有约 300m 长的低平山梁 单 薄分水岭 左岸为侵蚀堆积岸 岸坡较缓 有大片土层覆盖 右岸单薄分水岭是 QH 河环绕坝段左岸山体相对侧向侵蚀的结果 坝址区基岩以紫红色 紫灰色细砂岩为主 间来件砾岩 粉砂岩和少数砂质 叶岩 地层岩相变化剧烈 第四系除厚度不大的砂层 卵石层外 主要是黄土类 土 在大地构造上处于相对稳定区 未发现有大的断裂构造迹象 坝址区左岸有一大塌滑体 体积约 45 104m3 对工程布置有一定的影响 4 本区地震基本烈度为 6 度 建筑物按 7 度设防 1 上坝址 上坝址位于坝区中部背斜的西北 岩层倾向 QH 河上游 河床宽约 300m 河 床砂卵石覆盖层平均厚度 5m 渗透系数 1 10 2cm s 一级阶地 Q4 表层具中偏 强湿陷性 左岸 730m 高程以上为三级阶地 Q2 具中偏弱湿陷性 岩基未发现大范围的夹层 基岩的透水性不大 河床中段及近右岸地段 沿 113 111 115 104 114 各钻孔联机方向 在岩面下 21 47m 深度范围内 有一强透 水带 w 5 46 30L s m m 下限最深至基岩下约 80m 基岩透水性从上游 向下游有逐渐增大的趋势 左岸台地黄土与基岩交界处的砾岩 最大厚度 6m 透 水性强 渗透系数 K 10m d 左岸单薄分水岭岩层仍发属于中强透水性 平均 w 0 48 30L s m m 应考虑排水 增加岩体稳定 2 下坝址 位于上坝址同一背斜的东南翼 岩层倾向下游 河床宽约 120m 左岸为二 三级阶地 右岸 731m 高程以下为基岩 以上为三级阶地 土层的物理力学性质见 附图 6 工程地质剖面图 左岸基岩有一条宽 200 250m 呈北东方向的强透水带 右岸 Z 沟单薄分水岭 的透水性亦很大 左右岸岩石中等透水带下限均可达岩面下 80m 左右 河床地段 基岩透水性与中等透水带厚度具有从上游向下游逐渐变小的趋势 下游发现承压 水 二 三级阶地砾石层透水性与上坝线相同 左岸坝脚靠近塌滑体 3 坝址区其它建筑物地段的工程地质条件 坝址区其它建筑物包括导流泄洪洞 灌溉发电洞及枢纽电站 按上坝线方案 导流泄洪洞 溢洪道均布置在左岸单薄分水岭 灌溉发电洞则布置在左岸东凹沟 附近三级阶地上 下坝线方案溢洪道可布置在右岸 Z 沟 灌溉发电洞移至上坝线 溢洪道轴线西侧 40m 左右 导流泄洪洞位置与上坝线位置相同 1 导流泄洪洞 沿洞线周围岩石厚度大于 3 倍开挖洞径 出口段已避开塌滑体的东边界 沿 线岩层 岩性主要为粉砂岩 细砂岩及砾岩 岩石较为坚硬 坚固系数 Fk 4 单 轴弹性抗力系数 K0 20MPa cm 弹性模量 E 0 4 104 MPa 透水性较大 岩层倾 向下游 出口段节理发育 应采取有效措施予以处理 为进一步保证出口段岩体 5 稳定 免除由内水压力引起的后果 建议该段修建无压洞 2 溢洪道 上坝线方案溢洪道堰顶高程 757m 沿建筑物轴线岩层倾向下游 岩性主要为 坚硬的细砂岩 其中软弱层多为透镜体 溢洪道各部分的抗滑稳定条件是好的 下坝线溢洪道堰顶高程 750m 基础以下 10m 左右为砂质叶岩及夹泥层 且单薄分 水岭岩层风化严重 透水性大 对建筑物安全不利 3 灌溉发电洞及枢纽电站 上坝线方案沿线基岩以厚层粉砂岩为主 岩石完整 透水性不大 洞顶以上 岩层厚度较小 在建筑物的基岩岩面上有 0 5m 厚的砾岩及厚度不等的亚黏土层 电站厂房处岩石风化厚度约 5 6m 对其产生的渗漏及土体坍塌应采取必要的工 程措施 下坝线方案沿线全为基岩 工程安全比较可靠 4 施工区地质地形地质条件 ZF 水库的右岸坡较陡 坡度为 30 左右 大部分基岩出露高程为 770 810m 主河槽在右岸 河宽约 100m 左岸为堆积岸 左岸台地宽 200m 左 右 山岭高程在 775m 左右 岸坡较平缓 大都为土层覆盖 水库枢纽处施工场地 狭窄 枢纽建筑物全部布置在左岸 施工布置较为困难 坝区为上二迭系石千峰组的紫红色 紫灰色细砂岩 间夹同色砾岩及砂质叶 岩等岩层 右岸全部为基岩 河床砂卵石总厚度约 50m 覆盖层厚度约 5m 高漫 滩表层亚砂土厚 5 15m 左岸 728m 高程以下为基岩 基岩面向下游逐渐降低 土层增厚 砂卵石层透水性不会很强 施工开挖排水作业估计不会很困难 2 4 水文气象条件水文气象条件 1 气象 流域内年平均降雨量 686 1mm 70 集中在 6 9 月 多年平均最高气温 29 1 6 月 多年平均最低气温 14 3 1 月 多年年平均气温 8 9 多年 平均师大风速 9m s 水位 768 1m 时水库吹程 5 5km 1 气温资料 ZF 水库坝址处没有建立水文气象站 根据附近气象站 1958 年至 1963 年和 1970 年至 1972 年共 9 年资料统计分析 最高气温 29 1 6 月 最低气温 14 3 1 月 多年平均日气温 4 24 多年年平均气温 8 9 历年各月气 6 温特征值见表 2 1 表表 2 1 各月气温特征值各月气温特征值 月份1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月10 月11 月12 月 多年平 均气温 4 51 14 611 318 121 723 621 716 410 318 92 1 多年最 高气温 4 67 21722 225 029 123 026 530 122 418 98 1 多年最 低气温 14 30 05 81 03 110 518 914 41 91 90 70 0 2 降雨资料 根据附近气象站 1958 年至 1963 年和 1970 年至 1972 年共 9 年资料统计分析 得出多年的平均各月降雨天数见表 2 2 表表 2 2 多年平均各月降雨天数多年平均各月降雨天数 项目 月份 平均日降雨 5 10mm 天数 平均日降雨 10 20mm 天数 平均日降雨 20 30mm 天数 平均日降雨 30 40mm 天数 平均日降雨 40mm 天数 1 月0 62 2 月0 370 13 3 月1 000 080 25 4 月1 000 630 500 250 13 5 月2 001 120 250 500 25 6 月1 371 000 630 251 00 7 月2 751 881 001 001 38 8 月1 372 270 250 252 60 9 月1 450 880 130 630 75 10 月0 870 880 380 250 13 11 月0 730 880 13 12 月0 13 2 水文分析 1 洪水 洪水由暴雨形成 据统计 7 8 月发生最大洪峰流量的机会占 88 而且年际 变化很大 实测最大洪峰流量 2200m3 s 1954 年 最小洪峰流量 184m3 s 1965 7 年 相差 12 倍 流域洪水的特点是峰高 历时短 陡涨陡落 一次洪水持续时 间一般 3 5d 各种频率的设计洪水过程线见表 2 3 表表 2 3 各种频率的设计洪水过程线各种频率的设计洪水过程线 流量 m3 s 1 流量 m3 s 1 时间 h P 1 P 5 P 5 10 月 时间 h P 1 P 5 P 5 10 月 1222133394516701002 330218142471520912 534020451491500900 750030055511400830 970042066531280768 1184750381551220 13950550105571160 15975650105591080648 171350810174611020 191760106022063980 212270136220265920 232900174017867900540 254000236016069875 273350201014871849 292960177013873800480 312670160213075780 332470138010177760 352300138010179720 37216012909881700420 39202012108183676 41193011507685 4318201090 2 年来水量 水量的年内分配 汛期 7 10 月约占全年水量的 62 水量年际变化很大 实测最大年来水量 1968 108m3 1963 年 7 月至 1964 年 6 月 最小年来水量 3 34 108m3 1965 年 7 月至 1966 年 6 月 相差 5 9 倍 从历年来水量过程来看 约 7 年一个周期 其中连续枯水段为 4 年 8 3 年输沙量 汛期 7 10 月的来沙量约占全年输沙量 94 其中 7 8 两月约占 83 输沙 量的年际变化很大 实测最大年输沙量 1240 104t 1969 年 7 月至 1970 年 6 月 最小年输沙量 173 104t 1969 年 7 月至 1970 年 6 月 相差 7 倍 4 水文分析成果表 水文分析成果表见表 2 4 表表 2 4 QH 河水文分析成果河水文分析成果 序号名 称单位数量备注 1利用水文系列年限年22 2代表性流量 多年平均流量 m3 s 21 9 调查历史最大流量 m3 s 3980 设计洪水洪峰流量 P 1 m3 s 4000 校核洪水洪峰流量 P 0 1 m3 s 6550 保坝洪水洪峰流量 P 0 01 m3 s 9100 3洪量 设计洪水洪量 P 1 m35 00 108 5d 校核洪水洪量 P 0 1 m37 95 108 5d 4多年平均径流量 m36 94 108 5多年平均输沙量 t431 104 3 水利计算 1 死水位选择 为尽可能增加自流灌溉面积 并使电站水头适当增加 力求达到电源自给以 及为今后水库淤积留有余地 按 20 年淤积高程考虑 并根据今后运用情况加以计 算调整 2 调节性能的选定 灌溉保证率选取 P 75 水库上游来水 首先满足灌区工农业用水 电站则 利用余水发电 按上述原则 并按近期灌溉面积 71 2 104亩进行水库调节计算 年调节和多年调节两个方案的水量利用系数和坝高都相关不大 但是多年调节性 9 能的水库能提供的电量和装机利用小时数都较年调节性能水库提高 20 故确定本 水库为多年调节性能水库 利用 1949 年 7 月至 1971 年 6 月共 22 年插补水文系列 采用 时历法 进行多年调节计算 3 兴利水位的确定原则和指标 根据 QH 河洪水特性 汛期限制水位在 7 8 月定为 760 7m 7 8 月以后可重 复利用一部分防洪库容蓄水兴利 以防洪为主 兼顾兴利为原则 确定 9 10 月 限制水位为 766 1m 汛末可以多蓄水 但蓄水位按不超过百年设计洪水位考虑 确定汛末兴利水位为 767 2m 电站的主要任务是满足本灌区提灌用电的要求 因此在保证灌区工农业用水 的基础上 确定电站的运用原则 灌溉季节多引水发电 非灌溉季节少引水发电 遇丰水处则充分利用弃水多发电 提高年水量的利用系数 4 防洪运用原则及设计洪水的确定 本水库属二级工程 水库建筑物按百年一遇洪水设计 千年一遇洪水校核 由于采用的洪水计算数值中未考虑历史特大洪水的影响 故用万年一遇洪水作为 非常保坝标准对水工建筑物进行复核 工程泄洪建筑物胡溢洪道和导流泄洪洞 溢洪道净宽 60m 分设 5 孔闸门 每孔闸门净宽 12m 堰顶高程 757m 通过施工导流 拦洪 泄洪度汛 非常时期 放空水库以及在可能情况下有利于排沙等方面的综合分析和比较 泄洪洞洞径确 定为 8m 进口底调和为 703 35m 调洪运用原则 当入库洪水为 20 年一遇时 为满足下游河道保滩淤地的要求 水库控制下泄流量为 600m3 s 当入库洪水为百年一遇时 为提高下游河道的电站 桥梁等建筑物的防洪标准 水库控制下泄流量为 2000m3 s 当入库洪水为千年一 遇时 溢洪道单宽流量以 70m3 s 控制泄流 当入库洪水为万年一遇时 按下述原 则操作 即库水位接近校核水位时 若水库水位仍持续上涨 为确保大坝安全 溢洪道敞开泄洪 允许溢洪道局部破坏 5 水库排沙和淤沙计算 ZF 水库回水长 25km 河道弯曲 河床宽 300m 左右 河床比降为 2 2 是 个典型的河道型水库 QH 河泥沙年内的 83 集中在 7 8 两个月 平均含沙量为 13 8kg m3 泥沙多年平均 D50 粒径为 0 0155mm 颗粒较细 虽然本水库有可能 10 利用异重流排沙 但由于流域的水文特性和下游工农业对水源的要求 决定了本 水库只能高水头蓄水运用 在蓄水过程中 只能用灌溉和发电的剩余水进行排沙 经计算 多年平均排沙量只占 5 2 其余大部分的泥沙都淤积在水库中 从而减 少兴利库容 6 水库工程特征值 水库工程特征值见表 2 5 表表 2 5 ZF 水库工程特征值水库工程特征值 序号名 称单位数量备注 1设计洪水时最大泄流量m3 s2000 00其中溢洪道 815 相应下游水位m700 55 2校核洪水时最大泄流量m3 s6830 00其中溢洪道 5600 相应下游水位m705 60 3水库水位 校核洪水位 P 0 1 m770 40 设计洪水位 P 1 m768 10 兴利水位m767 20 汛限水位m760 70 死水位m737 00 4水库库容 总库容m3 5 05 108 校核洪水位 设计洪水位库容m3 4 63 108 防洪库容m3 1 36 108 兴利库容m3 3 51 108 其中共享库容m3 1 10 108 死库容m3 1 05 108 5库容系数50 50 6调节特性多年 7导流泄洪洞 形式明流隧洞工作闸门前为有压 隧洞直径m8城门洞型压力隧洞 8m 消能方式挑流 表表 2 5 ZF 水库工程特征值水库工程特征值 11 序号名 称单位数量备注 最大泄量 P 0 01 m3 s1230 00 最大流速m3 s23 10 闸门尺寸 m m7 6 50 弧形门 启闭机t300 00油压启闭机 检修门 m m8 9 00 斜拉门 进口底部高程m703 35 8灌溉发电隧洞 形式压力钢管 内径m5 40 灌溉支洞内径m3 00 最大流量m3 s45 00 进口底部高程m731 64 9枢纽电站 形式引水式 厂房面积 长 宽 m m39 16 20 装机容量kw 5 1250 每台机组过水能力m3 s8 05 2 5 建筑材料及筑坝材料技术指标的选定建筑材料及筑坝材料技术指标的选定 库区及坝址下游土石丰富 有利于修建当地材料坝 1 土料 根据当地建筑材料调查报告 坝址上 下游均有土料场 共有 5 个 储量丰 富 平均运均小于 1 5km 根据试井和钻孔情况 从 1 2000 地形图初步计算 4 个 土场的总储量为 2248 6 104m3 为需要量的 4 倍多 各土料场储量见表 2 6 表表 2 6 各土料场的储量各土料场的储量 土场南坪沟川坡上山大河滩合计 高程 m 746 805720 760710 749722 778 储量 104m3 913 6855 7119 9359 42248 6 根据 155 组试验成果统计 土料平均黏粒含量为 26 4 粉粒 55 9 粉砂 17 6 其中 25 属粉质黏土 60 7 属重粉质壤土 14 3 属中粉质壤土 平均塑 12 性指数 11 1 最大干重度 16 7kN m3 最优含水量 20 5 渗透系数 0 44 104cm s 具有中等压缩性 强度特性见表 2 7 表表 2 7 土料的强度特性土料的强度特性 抗剪强度指标 试验方法统计方法 c kPa 算术平均23 2728 0 饱和固结快剪 25 组 算术小值平均20 9619 3 算术平均21 5429 3 快剪 82 组 算术小值平均21 3029 3 算术平均21 3029 3 算术小值平均21 0019 4 算术平均22 6858 3 算术小值平均20 0335 6 算术平均22 5058 3 快剪 18 组 算术小值平均23 8035 6 算术平均28 8045 1 算术小值平均25 7529 3 算术平均29 0045 1 快剪 8 组 算术小值平均28 7029 3 算术平均20 0028 8 三轴不排水剪 10 组 算术小值平均25 2013 0 算术平均13 3028 0 三轴不排水剪 6 组 算术小值平均25 208 0 算术平均18 2042 0 三轴饱和固结不排水剪 6 组 算术小值平均22 3035 0 算术平均35 70 野外自然坡度角 29 组 算术小值平均31 20 算术平均31 10 算术小值平均29 10 算术平均31 00 室内剪切试验 算术小值平均29 00 13 2 砂砾料 根据调查 砂砾料主要颁布在河滩上 储量为 205 104m3 坝址附近的 3 个砂 砾场 扣除漂石及围堰淹没部分 可利用的砂砾料约 100 151 104m3 其颗 粒级配不连续 缺少中间粒径 根据野外 29 组自然坡度角试验 34 组室内试验分 析 统计成果分析如下 天然重度 18 7 kN m3 软弱颗粒含量 2 64 颗粒组成见 表 2 8 表表 2 8 砂砾料颗粒组成砂砾料颗粒组成 粒径 mm 200 80 40 20 5 2 1 0 5 0 25 0 05 含量 83 774 257 746 238 634 632 829 724 74 9 砂的储量很少 且石英颗粒少 细度模数很低 不宜作混凝土骨料 砂 D 2mm 的相对紧密度为 0 895 3 石料 坝址石料较多 运距均在 1km 以内 为厚层砂岩 储量可满足需要 溢洪道 导流洞出碴也可利用 4 筑坝材料技术指标的选定 经过试验 并参考有关文献数据及其它工程的经验 最后选定其筑坝材料和 各项技术指标 见 2 9 表表 2 9 筑坝材料技术指标筑坝材料技术指标 坝体坝基 筑坝材料 土料砂砾料堆石砂砾料黄土 湿重度 kN m 3 16 518 018 018 016 0 饱和重度 kN m 3 19 819 1重度 干重度 kN m 3 10 411 010 510 2 孔隙率 n0 33 总应力10 施工期 有效应力22 稳定渗流期有效应力23 内摩擦角 水位降落有效应力23 31403120 黏聚力 c kPa 20 渗透系数 K cm s 1 1 10 61 10 21 10 21 10 5 14 初始孔隙水压力系数0 3 2 6 其它数据及要求其它数据及要求 1 施工地区对外交通 供电 通讯及房屋 水库地处山区 对外交通条件较差 主要靠公路运输 水库附近没有较大的电源 最近的电源设备容量不大 只能供水库 1000kw 电量不足 水库开工后 应要求有关部门予以解决 水库开工后要求架设专用通讯线路 住房问题也必须因地制宜解决 2 施工要求 QH 河灌区工程规模大 全部工程分为水库枢纽 HZ 电站 管道 3 部分 水 库枢纽包括土石混合坝 导流泄洪洞 溢洪道 灌溉发电洞及枢纽电站 5 项 管 道工程包括总干渠 一干渠 二干渠 三干渠 四干渠 扬水站 6 项 另有 HZ 电 站工程 3 部分共计 12 项工程 其中 HZ 电站 扬水站 枢纽电站厂房 机组安 装由专业队施工 要求工程尽快受益以改变 QH 河灌区农业生产基本条件 工程预期 8 年基本建 成受益 要求第 5 年汛前枢纽电站发电 总干渠受益 15 第二章第二章 枢纽布置枢纽布置 第一节第一节 坝轴线选择坝轴线选择 根据坝址的地质 地形 枢纽布置 施工条件等 通过技术经济比较分析确 定坝轴线位置 按照给定资料 主要考虑上坝线和下坝线两个方案 需要考虑的地形方面的因素有 1 河床的宽度是否便于布置建筑物和施工 两种方案的工程量大小 2 下坝线下游 45 104m3的塌滑体对工程施工不利 左岸山体较大的冲沟对坝体安全不利 4 淹没面积及移民的数量 要考虑的地质方面的因素有 1 坝基内是否存在较大范围的夹层和强透水 带 地基处理的工程量和难度 2 黄土处理问题 当黄土的重度大于 kN m3时 黄土的湿陷性较小 可不进行处理 但如果黄土的重度小于 kN m3时 黄土的湿 陷性和压缩性较大 需要清除 3 上下两条坝线左岸均有单薄分水岭 分水岭 的透水性较强 需要进行灌浆处理 4 塌滑体对大坝的影响 两条坝线对比如下表所示 方案 因素 上坝线下坝线 地形条件 岩层倾向 QH 河上游 河床宽约 300m 便于布置建筑物 但工程量较 大 岩层倾向下游 河床宽约 120m 场地 狭窄 左岸山体较大的的冲沟对坝体 安全不利 地质条件 岩基未发现大范围的夹层 基岩的透 水性不大 左岸台地黄土与基岩交界 处的砾岩 最大厚度 6m 透水性强 左岸单薄分水岭岩层仍发属于中强透 水性 河床中段及近右岸地段在岩面 下 21 47m 深度范围内 有一强透水 带下限最深至基岩下约 80m 基岩透 水性从上游向下游有逐渐增大的趋势 左岸基岩有一条宽 200 250m 呈北东 方向的强透水带 右岸 Z 沟单薄分水 岭的透水性亦很大 左右岸岩石中等 透水带下限均可达岩面下 80m 左右 河床地段基岩透水性与中等透水带厚 度具有从上游向下游逐渐变小的趋势 下游发现承压水 二 三级阶地砾石 层透水性与上坝线相同 筑坝材料库区及坝址下游筑坝材料丰富库区及坝址下游筑坝材料丰富 施工条件 施工区狭窄 施工布置较为困难 施 工地区的对外交通 供电 通讯及房 屋等条件都非常差 施工区狭窄 施工布置较为困难 施 工地区的对外交通 供电 通讯及房 屋等条件都非常差 下游塌滑体对工 程施工不利 16 方案 因素 上坝线下坝线 枢纽布置 导流泄洪洞 溢洪道均布置在左岸单 薄分水岭 灌溉发电洞则布置在左岸 东凹沟附近三级阶地上 溢洪道堰顶 高程 757m 沿建筑物轴线岩层倾向下 游 岩性主要为坚硬的细砂岩 其中 软弱层多为透镜体 溢洪道各部分的 抗滑稳定条件是好的 灌溉发电洞沿 线基岩以厚层粉砂岩为主 岩石完整 透水性不大 洞顶以上岩层厚度较小 溢洪道可布置在右岸 Z 沟 灌溉发电 洞移至上坝线溢洪道轴线西侧 40m 左 右 导流泄洪洞位置与上坝线位置相 同 溢洪道堰顶高程 750m 基础以下 10m 左右为砂质叶岩及夹泥层 且单 薄分水岭岩层风化严重 透水性大 对建筑物安全不利 灌溉发电洞沿线 全为基岩 工程安全比较可靠 比较结果采用上坝线不采用 由以上各个方面的比较 上 下游坝线虽然各有自己的优缺点 但经过综合 比较及分析 最后选择上坝线作为坝轴线 17 第二节第二节 枢纽布置枢纽布置 1 枢纽组成 枢纽建筑物以土石坝为主体 并包括有泄洪建筑物 发电引水建筑物 水电 厂房 排砂建筑物 工业用水引水建筑物 放空水库的泄水建筑物及施工导流建 筑物等 其中这些建筑物有的可以合并结合使用 如发电引水和灌溉引水建筑物 可合并或部分合并 有的可以分开 如泄洪建筑物可分为溢洪道和泄洪洞 本工 程计划设置的建筑物为土石坝 导流泄洪洞 溢洪道 灌溉发电洞及发电厂房等 2 枢纽布置原则 枢纽布置应做到安全可靠 经济合理 施工互不干扰 管理运行方便 应选 择多种方案进行技术经济比较 从而选出最优方案 应服从以下原则 1 枢纽中的泄水建筑物应能满足设计规定的运用条件和要求 2 泄洪建筑物形式选择时 宜优先考虑采用开敞式溢洪道为主要泄洪建筑 物 并经技术经济比较确定 3 泄水引水建筑物进口附近的岸坡应有可靠的防护措施 当有平等坝坡方 向的水流可能会冲刷坝坡时 坝坡也应有防护措施 4 应确保泄水引水建筑物进口附近的岸坡的整体稳定性和局部稳定性 5 当泄水建筑物出口消能后的水流冲刷下游坝坡脚时 应比较采用尾水渠 或采取工程措施保护坝坡脚的可靠性和经济性 可采取其中一种措施 也可同时 采用两种措施 6 对于多泥沙河流 应考虑布置排砂建筑物 并在进水口采取防淤措施 7 高 中坝和地震区的坝 不得采用布置在非岩石地基上的坝下埋管形式 低坝采用非岩石地基上的坝下埋管时 必须对埋管周围填土的压实方法 可能达 到的压实密度及其抵抗渗透破坏的能力能否满足要求进行论证 8 枢纽布置应考虑建筑物开挖料的利用 3 枢纽布置 根据以上选定的坝轴线从地形 地质 施工 运用等方面大致确定了建筑物 包括大坝 导流泄洪洞 溢洪道 灌溉发电洞等 的相对位置和建筑物形式 18 并定性分析和论述 确定了枢纽工程的等级及建筑物等级 导流泄洪洞 其布置主要考虑地质情况 避开可能的塌滑体 并保证出口和 进口的稳定以及洞身围岩的稳定 此外还应考虑岩体的破碎程度及其对岩体渗漏 的影响 因此导流泄洪洞布置在左岸单薄分水岭 由于出口段节理发育 为保证 出口段岩体稳定 免除由内水压力引起的后果 出口段将修建为无压洞 溢洪道 其主要考虑地质情况和水流情况 不仅保证建筑物的安全 而且还 尽量减小开挖施工的工程量 溢洪道布置在左岸分水岭 堰顶高程 757m 沿建筑 物轴线岩层倾向下游 岩性主要为坚硬的细砂岩 其中软弱层多为透镜体 各部 分的抗滑稳定条件非常好 灌溉发电洞及枢纽电站 其布置原则与导流泄洪洞相同 其布置在左岸东凹 沟附近三级阶地上 沿线以厚层粉砂为主 岩石完整 透水性不大 洞顶以上岩 层厚度较小 而电站厂房处岩石风化层厚度约 5 6m 对其产生的渗漏及土体坍 塌采取必要的处理措施 4 根据以上数据 参照 水利水电枢纽工程等级划分 SL252 2000 的规定 本工程等别为 II 等工程 建筑物级别则根据本工程的等别及水工建筑物级别划分的规定知 永久性主 要建筑物为 2 级建筑物 如土石坝 永久性次要建筑物为 3 级建筑物 如溢洪道 灌溉发电洞 枢纽电站等 临时建筑物为 4 级建筑物 如导流泄洪洞 导流围堰 等 19 第三节第三节 坝型选择坝型选择 1 坝型及影响选择的因素 碾压式土石坝可分为均质坝 土质防渗体分区坝和非土质材料防渗体坝三种 基本型式 坝型选择应综合考虑以下因素 并经技术经济比较确定 1 坝址区河势地形 坝址基岩 覆盖层特征及地震烈度等地形地质条件 2 筑坝材料的种类 性质 数量 位置和运输条件 3 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 件和初期度汛等施工条件 4 坝高 高坝多采用土质防渗体分区坝 低坝多采用均质坝 条件合适时 宜采用混凝土面板堆石坝 5 枢纽布置 坝基处理以及坝体与泄水 引水建筑物等的连接 6 运行条件 如对渗漏量要求高低 上 下游水位变动情况 分期建设等 7 坝及枢纽的总工程量 总工期和总造价 2 坝型选择 根据所给出的基本资料 在坝址附近有丰富的土料 且大部分为重 中粉质 壤土 可作为防渗材料 坝址上 下游及两岸滩地又有大量的砂砾料 可作为坝 壳材料 同时其它开挖弃料亦可作为坝壳材料 因此大坝坝型将选用土石坝 根据防渗结构的类型 常见的形式有心墙土石坝 斜墙土石坝 斜心墙土石 坝 面板堆石坝及均质坝 从建筑材料上来看 土石坝的形式采用心墙坝 斜墙 坝及斜心墙坝均可以 心墙坝是指心墙设在坝的中部 施工时要求心墙与坝体大体同时填筑 因而 相互干扰大 影响施工进度 同时心墙可能产生拱效应 斜墙坝指防渗体设在坝 体上游面或接近上游面 同心墙相比 斜墙在施工时与坝体的相互干扰小 坝体 上升速度快 但斜墙上游坡缓 填筑工程量比心墙大 此外 由于斜墙斜躺在坝 体上 对坝体沉降变形的影响较敏感 易产生裂缝 抗震性能亦不如心墙 斜心 墙是指心墙设在坝体中央向上游倾斜 斜心墙即克服了心墙坝的施工干扰大和可 能产生的拱效应 又克服了斜墙坝对变形敏感等问题 20 通过以上各方面的比较 选定斜心墙作为此工程的大坝的防渗体 21 第三章第三章 坝工设计坝工设计 第一节第一节 土石坝断面设计土石坝断面设计 土石坝断面设计的基本尺寸主要包括 坝顶高程 坝顶宽 上下游坡度 防 渗结构 排水设备的形式及基本尺寸 根据设计规范的要求及参照已建工程的经 验数据 并考虑本工程的具体情况 对本工程的各项数据设计如下 1 坝坡 坝坡的确定应根据坝型 坝高 坝的等级 坝体和坝基材料的性质 坝所承 受以及施工和运用条件等因素 经技术经济比较确定 根据给定的基本资料及参照已建坝的经验和资料 选定上 下游坝坡如下 上游坝坡从上而下为 1 3 0 1 3 5 下游坝坡从上而下为 1 2 5 1 2 75 1 3 0 2 坝顶宽度 坝顶宽度主要取决于交通 运行 施工 构造 抗震 防汛及其他特殊要求 由于在本工程大坝上无特殊要求 因此只要满足高坝的最小坝顶宽度要求 B Bmin 10m 取 B 12m 3 坝顶高程 由于土石坝是不允许漫项溢流的 因此坝顶高程由水库静水位加上风浪壅水 增加高度 坝面波浪爬高及安全超高确定 同时坝顶高程的计算 应同时考虑以 下 3 种情况 1 设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高 2 校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高 3 正常高水位加非常运用情况的坝顶超高再加地震区安全超高 坝顶超高按下式计算 Y R e A 式中 Y 坝顶在水库静水位以上的超高 R 最大波浪在坝坡上的爬高 e 最大风壅水面高度 22 A 安全加高 根据本工程给定的基本资料 按 碾压式土石坝设计规范 SL274 2001 中关 于以上各项的规定及说明进行计算取值 使得坝顶高程能够满足规定条件 坝顶高程的计算成果见表 3 1 表表 3 1 坝顶高程计算表坝顶高程计算表 运用情况静水位波浪爬高 R 风壅水面 高度 e 安全加高 A坝项超高 Y坝顶高程 设计 正常768 11 180 0021 02 182770 29 校核 非常770 41 180 0020 51 682772 09 正常 非常 地震 767 21 180 002 1 0 1 0 地 震 3 182770 39 为了减少施工工程量 在大坝上游设置防浪墙 墙高取 1 5m 大坝坝顶高程 设计为 770 60m 验算 坝顶高程 770 60m 设计洪水位 0 5m 768 1 0 5 768 6m 校核洪水位 770 4m 满足了坝顶高程的规范要求 因此取坝顶高程为 770 60m 4 马道设置 根据 碾压式土石坝设计规范 SL274 2001 的要求 土质防渗体分区坝和 均质坝上游坝坡宜少设马道 且马道宽度应根据用途确定 但最小宽度不宜小于 1 5m 根据以上要求 上游坝坡在上游坝坡变坡处设置 1 道马道 高程设在 740m 处 下游坝坡 4 道马道 分别在高程 755m 740m 725m 710m 处 且在高程 755m 740m 上的 2 处马道处变坡 马道的宽度设置为 2m 5 防渗体设计 坝的防渗体应满足将渗透坡降 下游坝体浸润线及渗流量降低到允许范围内 还要满足结构和施工的要求 作为为坝的防渗体的材料有土质防渗体和人工材料 防渗体 其中用的最多的是土质防渗体 土质防渗体分区坝的防渗体断面尺寸应根据防渗土料的质量 如允许渗透比 23 降 塑性 抗裂性能等 防渗土料的数量和施工难易程度 防渗体下面坝基的性 质及处理措施 防渗土料与坝壳材料单价比值等因素研究确定 设计地震烈度 8 度 9 度的地区可适当加厚 土质防渗体断面应满足渗透比降 下游浸润线和渗透流量的要求 应自上而 下逐渐加厚 顶部的水平宽度不宜小于 3 0m 底部厚度 斜墙不宜小于水头的 1 5 心墙不宜小于水头的 1 4 土质防渗体顶部在正常蓄水位或设计洪水位以上的超高 斜墙为 0 8 0 6m 心墙为 0 6 0 3m 非常运用条件下 防渗体顶部不应低于非常运用条件的静水位 并应核处风浪爬高 但当防渗体顶部设有防浪墙时 防渗体顶部调和可不受上述 限制 但不得低于正常运用的静水位 土质防渗体顶部和土质斜墙上游应设保护层 且保护层厚度应不小于该地区 的冻结和干燥深度 还应满足施工需要 斜墙上游保护层的填筑标准应和坝体相 同 其坡度应满足稳定要求 根据以上要求及本工程的具体情况 防渗尺寸设计的具体情况如下 防渗体采用斜心墙 斜心墙的上游坡度设为 1 1 2 下游坡度设为 1 1 0 防渗墙的顶部高程 由于大坝坝顶设有防浪墙时 防渗体顶部高程不得低于 正常运用的静水位 因此防渗墙的顶部高程设为 769 00m 防渗墙的断面设计为自上而下逐渐加厚 顶部的水平宽度设为 4m 底部厚度 18m 同时防渗墙上游保护层厚度设为 4 0m 6 地基处理 对于表层的腐殖土 以及可能造成集中渗流和可能发生滑动的表层土石 如 草皮 稀泥等先行清理 由于地基存在冲洪积之砂卵砾石层 故采用混凝土防渗墙 墙厚 1 0m 嵌入 基岩 顶部插入斜心墙 5 0m 由于防渗墙两侧冲击层有沉陷 易引起防渗墙顶部 心墙与两侧斜心墙的不均匀沉陷 故混凝土防渗墙顶部做成楔形体 同时由于有 一部分岩基具有中等透水带 因此需对此岩基做帷幕灌浆 灌浆深度深入岩基中 等透水带下限 1 0m 以满足地基的渗漏要求 7 排水设计 1 排水形式的选择 24 排水形式的选择必须结合坝基排水的需要及形式 同时根据下列情况 以技 术经济比较确定 1 坝型 坝体填土和坝基土的性质 以及坝基的工程地质和水文地质条件 2 下游有水 无水 下游水位高低和持续时间 以及泥沙淤积影响 3 施工情况及排水设备的材料 4 筑坝地区的气候条件 均质坝和下游坝壳用弱透水材料填筑的土石坝 宜优先选用竖式排水 基底 部可用褥垫排水将渗水引出 若需要降低坝体内的孔隙压力 可在上 下游坡不 同高度设置坝体水平排水层 由于坝体排水有多种形式 结合本工程的特点及基本情况 选定棱体排水为 坝体排水的形式 它的主要作用为能够降低坝体浸润线防止渗透变形 而且还可 以支撑坝体 增加坝体的稳定性和保护下游坝脚免遭淘刷 2 棱体排水的构造要求 棱体排水设计应遵循下列规定 1 顶部高程应超出下游最高水位 超过的高度 1 级 2 级坝应不小于 1 0m 3 级 4 级和 5 级坝应不小于 0 5m 并超过波浪沿坡面的爬高 2 顶部高程应使坝体滑润线距坝面的距离大于该地区的冻结深度 3 顶部宽度应根据施工条件及检查观测需要确定 但不宜小于 1 0m 4 应避免在棱体上游坡脚处出现锐角 根据以上条件及本工程的实际工程情况 棱体排水的断面尺寸如下 顶部宽度为 3 0m 顶部高程为 710m 棱体的边坡设为 1 2 0 25 第二节第二节 坝体的渗流分析坝体的渗流分析 一 坝体渗透计算 1 渗流分析的主要目的 1 确定坝体浸润线和下游出逸点的位置 以便在不同部位正确采用土壤的 容重 抗剪强度等物理 力学指标 为坝体稳定 应力与变形的计算和排水设备 的选择提供依据 也为水上 水下分区设置土料提供依据 2 确定坝体与坝基的渗流量 以便估计水库渗漏损失和确定坝体排水设备 的尺寸 3 确定坝坡出逸段和下游地基表面的出逸坡降 以及不同土层之间的渗透 比降 以判断该处的渗透稳定性 4 确定库水位降落时上游坝壳内自由水面的位置 估算由此产生的孔隙水 压力 供上游坝坡稳定分析之用 2 计算情况选择 渗流计算考虑下列水位组合情况 1 上游正常高水位与下游相应最低情况 2 上游设计洪水位与下游相应最高水位 3 上游校核洪水位与下游相应的最高水位 4 库水位降落时对上游坝坡稳定最不利的情况 本次设计中只考虑前三种情况 第四种情况暂不考虑 3 渗透分析的计算方法 根据 碾压式土石坝设计规范 SL274 2001 应用水力学法进行计算 4 计算断面及公式 本次设计不仅对河槽处最大断面进行渗流计算 而且还左 右岸各取一个断 面进行渗流计算 其计算的基本公式采用 26 单宽渗流量 q L HHK 2 2 2 2 1 浸润线方程 y x K q H 2 2 1 5 单宽流量计算 由于本工程地基处理中 上层冲积层采用混凝土防渗墙 下层透水性岩基采 用帷幕灌浆处理 因此可近似地为不透水地基上的坝体的渗流计算 单宽渗流计算公式 通过斜心墙的渗流量为 q1 sin2 2 2 10 hHK 斜心墙后的渗流量为 q2 22 2 2 2 2HmL HhK 斜心墙后的浸润线起点高度为 h0 1 31 A AA 式 中 A1 A3 sin 0 K 22H mL K sin 2 10H K 22 2 HmL KH 其中 K0 斜心墙粘土渗透系数 取 1 10 6cm s K 土石坝坝壳料渗透系数 取 1 0 10 2cm s a 斜心墙下游面角度 45 1 上游正常高水位与下游相应最低情况 其结果列于表 3 2 表表 3 2 渗流单宽流量计算表渗流单宽流量计算表 计算 断面 水位 m 地面高程 m H1 m d m L m 浸润线起 点高度h0 单宽流量 q m3 s m 1 备注 最大 断面 767 269968 211290 054 16 2 979 10 6 左岸 断面 767 271453 27 5228 053 48 2 657 10 6 右岸 断面 767 274324 24 6108 81 4 8 973 10 7 下游 无水 H2 0 27 2 上游设计洪水位与下游相应最高水位 其结果列于表 3 3 表表 3 3 渗流单宽流量计算表渗流单宽流量计算表 计算 断面 水位 m 地面高程 m H1 m H2 m d m L m 浸润线起 点高度h0 单宽流量 q m3 s m 1 备注 最大 断面 768 169969 11 5511285 44 42 3 057 10 6 左岸 断面 768 171454 107 5228 053 54 2 748 10 6 右岸 断面 768 174325 104 6108 81 45 9 652 10 7 下游 相应 水位 700 55 3 上游校核洪水位与下游相应的最高水位 其结果列于表 3 4 表表 3 4 渗流单宽流量计算表渗流单宽流量计算表 计算 断面 水位 m 地面高程 m H1 m H2 m d m L m 浸润线起 点高度h0 单宽流量 q m3 s m 1 备注 最大 断面 770 469971 46 611270 257 73 3 239 10 6 左岸 断面 770 471456 407 5228 053 69 2 986 10 6 右岸 断面 770 474327 404 6108 81 58 1 150 10 6 下游 相应 水位 705 6 6 绘制浸润线 1 上游正常高水位与下游相应最低情况 最大断面处 浸润线方程为 y x 4 16 290 05 计算结果列于下表x06 0 56 17 3 5 表表 3 5 最大断面正常高水位情况下浸润线最大断面正常高水位情况下浸润线 x 4 1620406080100120140160180200220240260280290 05 y 4 164 04 3 89 3 74 3 573 43 22 3 03 2 822 62 36 2 09 1 781 40 870 28 767 2位位位位 位位位 699 770 6 图图 3 1 正常高水位最大断面的浸润线正常高水位最大断面的浸润线 左岸断面处 浸润线方程为 y x 3 48 228 05 计算结果列于下表x053 0 29 12 3 6 表表 3 6 左断面正常高水位情况下浸润线左断面正常高水位情况下浸润线 x 3 4820406080100120140160180200