冀河夹峪水利枢纽工程设计

1、PAGE PAGE 103冀河夹峪水利枢纽工程设计第一章 总 述1-1 本枢纽在国民经济中的意义建设本枢纽可使下游重要工业城市河350万亩农田不受淹没，确保国家铁路干线免遭洪水威胁。1-2 枢纽地区的自然及社会经济条件（地貌、河流、植物、土壤、气象、温度、降雨、风、交通运输、工矿企业、动力供应和经济发展远景等）冀河流域共包括33个县市，为主要农产区，共有耕地1160万亩，占全流域面积的28%，人口420万，其中80以上从事农业生产，平均每人耕地约3.5亩。区内灌溉发达，并有渠灌面积137万亩，井灌面积110万亩。其主要农作物在上游山区有高粱、玉米，在下游平原地区有棉花、小麦、玉米等，还有小面积

2、水稻。下游平原地区是清平河流域的棉粮高产区。由于无水控制洪水，使下游350万亩农田受到水灾的威胁。流域上游矿藏种类甚多，其中已大量开采的煤矿就有两处，流域下游有大工业城市一座，国家铁路干线沿东西南北方向通过，还有铁路专线与矿区接通，各县均有公路连接，交通比较方便。1-2-1 枢纽地区的自然条件冀河为华北清平河系的支流之一，发源于华北嵩山南麓，环绕高山流经带形黄土盆地，然后东流穿过170公里的峡谷而入平原地带，最后注入清平河。全流域面积为27300平方公里。东台以上的第十较高，为黄土高原的一部分，属于河流上游。在长峡谷的盆地中，四周高山耸立，坡度极陡天然植被存余不多，暴雨来临，常形成严重的水土流

3、失现象，为泥沙的主要来源地区。东台至黄庄间为河道中游，多属于峡谷深山区，由于暴雨较多，是洪水产生的主要地带。峡谷以下为广大平原，属于河流下游，是本流域的主要农产区。在下游河口附近，有一泛区，总面积约300平方公里。历年来，由于上游来水流急，含沙量大，水流入泛区后，水势骤缓，淤积严重，滞洪作用逐渐减小，加之水流动荡，河槽不稳定，致使决口事件频繁，洪水危害非常严重。本流域大部分地区为季风型大陆气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，年内降水多集中在6、7、8三个月，是形成洪水的主要原因和季节，而在主要农作物生长区，普遍缺雨，往往形成旱象。由于水量分配不均，旱涝灾害时有连续发生。1-2-2 枢纽地区的社会

4、经济条件冀河流域共包括33个县市，为主要农产区，共有耕地1160万亩，占全流域面积的28%，人口420万，其中80以上从事农业生产，平均每人耕地约3.5亩。区内灌溉发达，并有渠灌面积137万亩，井灌面积110万亩。其主要农作物在上游山区有高粱、玉米，在下游平原地区有棉花、小麦、玉米等，还有小面积水稻。下游平原地区是清平河流域的棉粮高产区。由于无水控制洪水，使下游350万亩农田受到水灾的威胁。流域上游矿藏种类甚多，其中已大量开采的煤矿就有两处，流域下游有大工业城市一座，国家铁路干线沿东西南北方向通过，还有铁路专线与矿区接通，各县均有公路连接，交通比较方便。第二章 坝址水文特性2-1 坝址水文资料

5、的了解程度坝址水文资料相当充足，包括年净流量、洪水流量及特性、河流输沙数据等一系列水文资料，已具备枢纽规划的条件。2-2 年内流量变化、洪峰流量及特性2-2-1 年内流量变化坝址处平均年径流水量为30.5亿立方米。其中七、八月份水量最大，约占全年的40，五月份最小。丰。枯水年径流量之比达10倍以上，且水、旱年份时常连续发生。2-2-2 洪峰流量及特性通过洪水频率分析，典型频率流量列如下表：洪水频率P%0.010.10.331.02.05.0洪峰流量1386099007200550045003000从历年流量过程分析，1、2月份水势平稳，3月中旬解冻后稍有起伏，无明显洪峰。4、5月份来水量最小，

6、至6月下旬开始涨水，汛期6至9月，10月以后水势趋于缓落平稳。105月中枯水季节20年一遇的洪水流量Q5280 m/s。2-3 泥沙及冻凌情况坝址处多年平均输沙量约500万吨。其中推移质约占10。规划阶段，根据上游水土保持情况，算得淤沙高程为170.00米。水库淤沙干容重值1.36T/ m，浮容重值0.86 T/ m，内摩擦角14。2-4 坝区水文资料水位库容关系值数表库水位（m）152.5160165170180190195200205库容积（亿）00.40.83.443.527.611.0415.2820.64坝址水位流量关系数值表水位（m）146.0146.5147.0147.5148.

7、0148.5149.0149.5149.6流量(/s)50220620130022503460510070007400尾水渠水位流量关系数值表水位（m）145.8146.0146.2146.4146.6146.8147.0流量（/s）10286087.2115.2138164典型洪峰过程表日222223334444时3814182261420241012流量（m3/s）2505001750220030006300550050004400420038004400日445556668888时1420012222122004810流量（m3/s）260024001600140095095050060

8、0300400600500日88999991010101013时16222610182201016208流量（m3/s）7001100700900700600700900600400400250第三章 枢纽及库区地形地质条件3-1 坝址地形（河宽、河深、河滩、河岸描述）本坝址位于河道弯曲部分，在库区范围内河床的底部坡降尾1/330。河谷的横断面不对称，两岸边坡，左岸较缓约为30度，右岸约为50度。由于环流的冲蚀，坝址区右岸阶地不甚发育。漫滩在坝轴线附近分布很不规则，一般高出河水面12.5米，标高为147.5149.5米。一，二级阶地宽度较小，呈窄长带状，阶坡较平缓，标高分别在149151米及1

9、50160米。两岸的三级阶地为本区的主要地貌，标高在160米以上至200米左右，地形平坦，台面宽3公里余，第四纪黄土直接覆盖于片麻岩系之上。说明在变质岩系生成后整个地质年代中，本区一直处于浸蚀状态，因此它属于浸蚀台地的性质。河谷两岸冲谷发育。在左右两岸各有一条较大沟谷与主流相接为取水，泄水建筑物的布置提供了有利的条件。两岸露头右显著的差别，右岸岩石裸露，左岸则被一片薄层的黄土与风化基岩覆盖。坝址各处冲击层及基岩风化厚度不一。详见各地质剖面图。3-2 坝址地质太行山背斜由SEE与NWW方向压力造成。枢纽即位于背斜的东南部。库区两岸岩层走向主要为N3540E，倾向SE（向下游倾斜），倾角2040。

10、由于太行山背斜SEE推力较大，致在坝址两岸造成许多成组的小的逆掩断层（由SEE向NWW逆掩），其方向多为N5060E。但断距一般不大，约1米左右。本坝址河床部分为一个两翼坡度很缓的背斜构造，它的轴部位于现在的主流附近，背斜轴向N15E，两岸岩层走向为N3540E。左岸岩层倾向SE（向下倾斜），右岸岩层倾向NW，倾角大致在2040。在其轴部附近，岩石节理发育，并有岩脉侵入，漏水厉害，个别地段单位吸水率值常在1.65公升/分米.米。坝址区节理发育情况左右两岸基本上相同，以N2030W方向构造裂隙为主，该组裂隙宽度较大，最大者可达20公分以上。倾向为 裂隙率为K=15 条/米另一组呈 N5060E

11、，走向倾向为 裂隙率为K=25 条/米左岸多为细小裂隙，右岸多位宽大裂隙。根据中国科学院地球物理研究所提供的资料，经研究确定坝址区震烈度为7度。3-3 坝址水文地质坝址附近仅有少数泉水露头,均属裂隙水类型,另外在一级阶地底部砂砾石层中也有潜水埋藏,一般距地表12米,根据抽水试验渗透系数K=2193米/昼夜.地下水流向总的说来是与河水流方向大体正交,两岸补给河床,而后沿河谷流向下游.根据化学分析证实, 坝址区附近地下水及河水对砼无侵蚀性.值得注意的是,河槽主流附近,因属背斜轴部,为构造裂隙最发育的地方,钻空压水试验验得其单位吸水率=0.151.65公升/分米米,说明该处是渗漏严重的地方,必须采用

12、一定的防渗措施。 一般裂隙岩层的透水性，在风华层中，单位吸水率为0.0251.59公升/分米米，在新鲜基岩中单位吸水率为0.0010.041公升/分米米。仅在岩脉与岩层接触带中渗透较强，单位吸水率为2.28.6公升/分米米。3-4 工程地质条件评价坝址区基岩绝大部分为花岗片麻岩，河床基岩尚属完整而坚硬，深色矿物含量不多，风化层较薄，是好的坝址基础，修建土坝和砼坝均有可能。鉴于下游岩石渐区趋稳定，花岗片麻岩垂直厚度超过200公尺，因此对砼坝基础而言，坝轴线愈在下游，基岩岩性愈好。砼愈基岩摩擦系数f=0.65。溢洪道位置曾分别勘测了左右两个山口，左岸垭口，花岗片麻岩风化较浅。压水试验测得的单位吸水

13、率，风华岩层中值均小于0.08公升/分米.米。右岸垭口，地质构造复杂，岩石风化较深，强度也差。对隧洞工程而言，整个地区地质条件都交好，但在就左右两岸比较来看，则隧洞位置以放在右岸较好，因右岸地层岩性较一致。3-5 坝址建筑材料3-5-1 料场概况在坝址附近增进行过三次土料检查，调查结果证实，坝址附近主要有重壤土及沙砾料两种土料，重壤土可用料总藏量约为2100万，分布在坝址上，下游，左右岸的四个土区，其中朱毫滩土区约400万，尚家湾土区约700万，霍宾台土区约600万。砂砾料可用料藏量约为2156万，分布在坝址上下游的三个料场，其中料场约122万，第-1场约1706万，第-2场约328万，此外在

14、坝址附近阶地及下游5公里范围内的还有大量砂砾料。各料场地形均较平坦，场地较开阔，开采和运输条件尚好。3-5-2 坝料及土基的颗粒组成坝料及土基都包括重壤土和砂砾料两种土料，根据实验提供的综合实验成果，其粒径曲线如下图所示。各料场土料有机质含量一般低于1，水溶盐类含量一般低于0.5。 重壤土土料中粘粒含量占30，粉粒含量占30，砂粒含量占40，=0.0016mm,=0.05 mm；=31.25。砂砾料中粉粒加粘粒含量占15，砂含量占45。砂粒含量占40，大于5毫米的砾石含量占10。3-5-3 土料的物理力学指标由实验室提供一下试验综合成果：1、坝基重壤土的物理力学指标土粒比重G天然状态可塑状态含

15、水量W（度）湿容重(KN/m3)干容重(KN/m3)饱和度Sr（）孔隙比e流限（）塑限（）塑性指数（）稠度（）2.722220.416.7950.6336.519.5170.14抗剪强度测定值渗透系数K（m/s）压缩系数a（cm/kg）非饱和快剪饱和固结快剪饱和快剪凝聚力C（Mpa）内摩擦角（）凝聚力C（Mpa）内摩擦角（）凝聚力C（Mpa）内摩擦角（）0.3190.282210.295121.510-92. 坝基沙砾料的物理力学指标比重G天然干容重d (KN/m3)抗剪强度指标渗透系数K(m/s)水上水下摩擦角（）咬合力C（Mpa）摩擦角（）咬合力C（Mpa）2.6418320300410-

16、43. 重壤土坝料的物理力学指标土粒比重G天然状态可塑状态含水量W湿容重干容重饱和度Sr孔隙比流限塑限塑性指数稠度（度）（）e（）（）(KN/m3)(KN/m3)（）（）2.722219.616.1880.6936.519.5170.14含水量W干容重Rd(KN/m3)抗剪强度指标渗透系数K(m/s)压缩系数a（cm2/kg）慢剪非饱和固结快剪非饱和快剪饱和固结快剪饱和快剪CMpaCMpaCMpaCMpaCMpa222120191715.516.016.517.011.522252729290.10.110.120.190.218202224250.250.270.30.310.3215171

17、820220.260.280.30.310.3217192022240.220.240.270.30.328.59.51011120.240.270.280.320.34610-8510-8410-8110-8710-8310-84沙砾料坝料的物理力学指标大于5mm粗颗粒比重G最大干容重(KN/m3)最小干容重(KN/m3)实验采用干容重(KN/m3)抗剪强度指标渗透系数K（m/s）水上水下摩擦角咬合力CMpa摩擦角咬合力C、Mpa2.6818.514.4017.029027.50410-417.5300290310-418.031.50300210-419.0330310110-4第四章 枢

18、 纽 布 置4-1 枢纽组成根据枢纽任务，本枢纽应由拦河大坝（挡水建筑物）、溢洪道（泄水建筑物）、放空隧洞（放空建筑物）以及电站（发电建筑物）组成。4-2 确定枢纽等别和建筑物级别根据枢纽任务和所给资料（发电、防洪、库容），对照规范水利水电工程等级划分及洪水标准（SL2522000），确定枢纽等别和建筑物级别。1）各分项等级：电站装机容量48MW，大于10MW小于50MW，属于等工程，工程规模为小（1）型；防洪任务是保护下游重要工业城市和350万亩农田不受淹没，属于等工程，工程规模为大（2）型；总库容19.071亿m，大于10亿m，属于等工程，工程规模为大（1）型。2）工程等别：根据规范规定，

19、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，初估本枢纽工程属等工程，工程规模为大（1）型。3）水工建筑物的级别：根据永久性水工建筑物级别的划分标准，等工程的主要建筑物为1级水工建筑物，所以本枢纽中的拦河大坝、泄水建筑物、水电站建筑物、水库放空隧洞均为1级水工建筑物。永久性水工建筑物洪水标准（已给定）：正常运用（设计）洪水重现期1000年；非常运用（校核）洪水重现期10000年。4-3 坝轴线选择根据碾压式土石坝设计规范（SL2742001）的规定，坝轴线应根据坝址区的地形地质条件、坝型、坝基处理方式、枢纽中各建筑物（特别是泄洪建筑物）的布置和施工

20、条件等，经多方案的技术经济比较确定。坝轴线应因地制宜。宜采用直线。当采用折线时，在转折处应布置曲线段。设计地震烈度为8度、9度的地区不宜采用折线。当坝址处存在有喀斯特、大断层或软粘土等不良地质条件时，应研究避开的可能性。根据枢纽工程坝址所在地形，拟选两条坝轴线进行比较。坝轴线比选示意图冀河夹峪水利枢纽工程坝轴线比较如表4-1所示：表4-1冀河夹峪水利枢纽工程坝轴线比较表坝轴线1-1坝轴线2-2坝轴线地形地质条件1-1坝轴线位于冀河夹峪的首段，为河谷收缩段。河谷较2-2坝轴线宽，左岸地形为一凹进河岸的山谷，对坝体布置不利。河床基岩尚属完整而坚硬，风化层较薄，越往下游基岩岩性越好。2-2坝轴线位于

21、冀河夹峪的中段，两岸山体厚实，河谷较1-1坝轴线窄，河谷基岩完整而坚硬，风化层薄，岩石稳定。坝型挡水建筑物为土石坝。挡水建筑物为土石坝。坝基处理方式1-1坝轴线附近冲谷多切深，于此建坝坝肩岩体单薄，填筑工程量较2-2坝轴线大。2-2坝轴线处两岸山体厚实，岩性良好，风化层薄，地基处理工程量及填筑工程量较1-1坝轴线小。枢纽布置坝址区有左右两个垭口，左岸垭口，可布置溢洪道，右岸垭口岩石风化较深，强度较差，可在右岸布置导流隧洞、放空隧洞、引水隧洞、电站厂房。坝址区有左右两个垭口，左岸垭口，可布置溢洪道，右岸垭口岩石风化较深，强度较差，可在右岸布置导流隧洞、放空隧洞、引水隧洞、电站厂房。施工条件需要填

22、筑大量土料，施工时间较长。两岸山体厚实，土料填筑量较少，施工时间较短。总工程量较2-2坝轴线大。较1-1坝轴线小。工程总投资较2-2坝轴线大。较1-1坝轴线小。经以上两方案的技术经济比较，2-2坝轴线较1-1坝轴线优越，所以选择2-2坝轴线为最终的坝轴线。4-4 挡水建筑物坝型选择坝址区基岩绝大部分为花岗片麻岩，河床基岩尚属完整而坚硬，深色矿物含量不多，风化层较薄，是好的坝址基础，修建土坝和混凝土坝均有可能。(1)重力坝建立在岩基上的重力坝主要依靠其自身重量在地基上产生的摩擦力和坝与地基之间的凝聚力来抵抗坝前的水压力，以保持抗滑稳定。重力坝的主要优点： = 1 * GB3 适于从坝顶溢流，施工

23、期间也易于通过较低的坝快或底孔泄流。 = 2 * GB3 较之拱坝、支墩坝，断面形状简单，混凝土浇筑简易，便于机械化施工，模板数量少，且宜采用定型模板。 = 3 * GB3 适合于在各种气候条件下修建，在严寒地区，重力坝与拱坝或支墩坝相比，受到冻害的影响较小。 = 4 * GB3 对地基的要求比拱坝低，但比土石坝高。 = 5 * GB3 设计和建造的经验比较丰富，工作可靠，使用年限较长，养护费用较低。重力坝的主要缺点： = 1 * GB3 坝体体积大，要消耗大量水泥，材料强度没有被充分利用。 = 2 * GB3 由于体积大，浇筑时水泥的水化热消散困难，且由于温度收缩易产生裂缝，破坏坝的整体性和

24、强度。 = 3 * GB3 底面积大，作用在坝地面上的扬压力也大，减少了坝的有效重量，对坝体稳定不利。 = 4 * GB3 坝体体积虽远较土石坝为小，但单位体积的造价远较土石坝为高。重力坝一般适用于较宽敞的U形河谷（2）拱坝拱坝是一个空间壳体结构，可视为由拱梁组成的一个系统，在水平方向可分割为许多拱圈，拱圈的两端支承于岩座，在垂直方向上可分割为许多垂直的悬臂梁，梁的下端支承于坝基。拱坝的荷载一部分由拱的作用传至两岸岩体，另一部分由梁的作用传至坝基。拱坝的主要优点： = 1 * GB3 拱坝的结构有利于充分挥发坝体混凝土材料的强度，还可以利用拱座下游的岩体抗力来维持坝的稳定性，与重力坝比较，明显

25、节省混凝土方量。 = 2 * GB3 拱坝是超静定结构，有较强的应力调整能力和超载能力。 = 3 * GB3 拱坝是整体性的空间结构，坝体轻韧，弹性较好。 = 4 * GB3 抗震能力比较高。拱坝的主要缺点： = 1 * GB3 拱坝对地质条件要求较高，特别是对坝肩岩体稳定的要求较高。 = 2 * GB3 温度变化和基岩变形对于拱坝应力影响比较显著。 = 3 * GB3 断面较薄，坝体的几何形状复杂，对筑坝材料强度和防渗要求以及施工质量要求比较严格。 = 4 * GB3 施工导流不如重力坝来得方便，需一次断流，要另开导流隧洞。拱坝一般适用于较窄的V形对称河谷。（3）土石坝土石坝是一种古老的、由

26、土料和石料填筑而成的挡水建筑物。土石坝的主要优点： = 1 * GB3 对不同的地形、地质和气候条件适应性好。 = 2 * GB3 可就地取材。 = 3 * GB3 经济效益好。 = 4 * GB3 设计计算手段提高。 = 5 * GB3 施工速度加快。 = 6 * GB3 导流易解决。 = 7 * GB3 性能强。土石坝的主要缺点：坝身一般不能溢流，施工导流不如混凝土坝方便，粘性土料的填筑受气候条件影响较大等。综上，本设计中坝址地区河谷极不对称，冲谷发育，两岸山体不算厚实，并不具备建造拱坝的条件；坝址处岩石坚硬，岩性良好，满足建造重力坝要求，但是，坝址处覆盖层较厚，建造重力坝需做好地基处理工

27、程，同时，砼的单价不低，故建造重力坝将要投入更多的资金；坝址附近有数处料场，而且储量足够大，如果建造土石坝，将有利于节省工程总投资，因此，经过一系列技术经济比较，最终确定选用土石坝作为本枢纽的挡水建筑物。4-5 其他主要建筑物型式选择（1）泄水建筑物：土石坝可采用岸边溢洪道和泄洪隧洞泄洪，本工程坝址左岸有垭口，可以布置溢洪道，本设计中，采用左岸正槽式溢洪道。（2）水电站：因为土石坝不宜采用坝式水电站，宜采用引水式水电站，故本枢纽采用引水式水电站。包括引水隧洞、调压井、压力管道、电站厂房、开关站等。（4）采用有压式放空隧洞，为了便于检修大坝和其他建筑物，可与导流隧洞相结合。4-6 调洪演算、确定

28、洪水位及溢洪道长度4-6-1 调洪演算的基本原理及计算方法（1）调洪演算的目的根据防洪要求，对水库进行洪水调节计算，以确定上游不同洪水标准下的下泄流量，然后确定出设计洪水位和校核洪水位。根据调洪演算得出设计水位下的下泄流量，以选定泄洪方式和拟定泄洪建筑物的孔口尺寸。（2）调洪演算的基本原理及计算方法水库调洪演算的基本公式是建立在水库水量平衡基础上的。水库在某一时段T内入库流量、出库流量和水库蓄水量的变化列出水量平衡方程式（4-1）表示。12Q1+Q2T-12q1+q2T=V2-V1（4-1） 式中，T计算时段长度，s； Q1，Q2t时段初、末的入库流量，m3/s； q1，q2t时段初、末的出库

29、流量，m3/s； V1，V2t时段初、末水库蓄水量，m3。联立运动方程q=f(V) （4-2）即可进行调洪演算。求解水量平衡方程的方法有试算法和单辅助线法。本设计中采用试算法，利用excel软件进行迭代计算。4-6-2 确定闸孔的形式 本工程选择表孔溢流方案，采用开敞式溢流坝泄洪。（1）溢流坝孔口总净宽溢流坝孔口总净宽可按（4-3）式初步拟定。B=Q/q （4-3）式中，Q满足下游河道防洪标准的允许最大下泄流量，m3/s。q由坝址地质条件确定的允许单宽流量，m3/(sm)。工程上常采用的单宽流量为：对于软弱岩石或裂隙发育的岩石，q=2050m3/(sm)；对于较好的岩石，q=5080 m3/(

30、sm)；对于坚硬的岩石，q=100130 m3/(sm)。（2）堰顶高程采用（4-4）式初步拟定堰顶高程，再通过调洪演算和工程的具体情况进行调整。初步拟定的最大泄水水头：H=（QmB2g）23（4-4）式中：Q满足下游河道防洪标准的允许最大下泄流量，m3/s。B初步拟定孔口总净宽，m。 m流量系数。侧收缩系数。g重力加速度，9.81m/s2。初步拟定堰顶高程 =工程规划确定的最高限制淹没水位最大泄水水头本设计中Q=9000m3/s，如取q=100，则B=90m，B过大难以布置于本枢纽或导致工程量过大。近年来，随着坝下消能措施的不断改善，单宽流量有逐渐加大的趋势，如：汉江的安康水电站，最大坝高1

31、28m，最大下泄流量35700，采用宽尾墩和消力池联合消能，单宽流量达250 m3/(sm)。考虑到左岸垭口宽度约为60m，为减少工程开挖量，本设计中宜将B控制在50m以下，估初步拟定B=45m。考虑到开挖工程量和闸门的尺寸，初步拟定堰顶高程为185.3m。4-6-3 调洪演算方案及成果（1）基本资料调洪演算计算基本资料包括：设计洪水过程线图4-1设计洪水过程线校核洪水过程线图4-2 校核洪水过程线水库水位容积曲线图4-3 水库水位容积曲线河道水位流量曲线图4-4 河道水位流量曲线上游最高限制淹没水位（设计工况202.00m，校核工况203.00m）；下游河道最大的允许下泄流量（设计工况580

32、0 m3/s，校核工况9000 m3/s）；起调水位（起调水位一般为正常水位或汛前限制水位，本设计中取正常水位，即191.8m）；参加泄洪的建筑物（本枢纽中参加泄洪的建筑物有正槽开敞式溢洪道、水电站）；起调时刻（起调时刻为当上游来水流量等于正常水位或汛前限制水位闸门全开的泄量时，闸门全开，开始进行调洪演算）。（2）调洪演算方案方案一 孔口净宽45m，堰顶高程185.3m方案二 孔口净宽45m，堰顶高程184.8m（3）调洪演算成果表4-2 调洪演算方案比对表方案计算工况堰顶高程（m）溢流堰顶宽度（m）最高洪水位(m)最大下泄流量(m3/s)方案一设计洪水185.345199.14645校核洪水

33、185.345202.06152方案二设计洪水184.845198.84775校核洪水184.845201.76257两方案中最大下泄流量均未超过下游河道最大的允许下泄流量（设计工况5800m3/s，校核工况9000 m3/s），最高洪水位也未超过上游最高限制淹没水位（设计工况202m，校核工况203m），均符合要求。但考虑到方案一中堰顶高程较高，可减小闸门及启闭设备的尺寸，节省投资，故选取方案一，最终确定调洪演算的成果。表4-3 调洪演算成果汇总表堰顶高程溢流堰顶宽度设计洪水位校核洪水位最大下泄流量（m）（m）(m)(m)(m3/s)185.345199.1202.04645（设计）/615

34、2(校核)图4-5 设计工况调洪过程线图4-6 校核工况调洪过程线设计工况库水位时间过程线图4-7 设计工况库水位时间过程线校核工况库水位时间过程线图4-8 校核工况库水位时间过程线4-7 水库规划资料正常蓄水位：191.8m，溢洪道下泄流量Q= 38.4*4=153.6m/s,相应下游水位146.32m。死水位：182.8m。设计洪水位：199.1m（千年一遇）。校核洪水位：202.0m（万年一遇）。水库总库容：18.14亿m。发电引用流量：Q=38.4*4=153.6 m/s，相应下游水位146.32。通过调洪演算，设计情况下，溢洪道下泄流量Q(0.1%)=4645m/s，相应下游水位14

35、8.85m。校核情况下，溢洪道下泄流量Q（0.01%）=6152m/s，相应下游水位149.18m。水库积淤高程：170m。4-8 枢纽布置方案冀河夹峪水利枢纽工程的主要建筑物有：挡水建筑物：土石坝。泄水建筑物：溢洪道。水电站建筑物：引水隧洞，电站厂房，开关站等。放空建筑物：有压放空隧洞。根据工程具体情况，初步拟定了两个枢纽布置方案进行比较：方案1：溢洪道布置在左岸垭口，引水隧洞、电站厂房、有压放空隧洞布置在右岸。图4-9 枢纽布置方案1示意图方案2：溢洪道布置在右岸垭口，引水隧洞、电站厂房、有压放空隧洞布置在左岸。图4-10 枢纽布置方案2示意图坝址处两岸均有垭口，可布置溢洪道。右岸垭口，地

36、质构造复杂，岩石风化较深，强度也差。左岸垭口相对右岸较宽，开挖工程量明显小于右岸。对隧洞工程而言，整个地区地质条件都较好，但在就左右两岸比较来看，则隧洞位置以放在右岸时洞线较短。综合上述分析，本设计最终采用方案1进行枢纽布置。第五章 土 坝5-1 坝型选择及基本尺寸拟定。5-1- 1 坝型选择影响土石坝坝型选择的因素很多，最主要的是坝址附近的筑坝材料，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定剖面轮廓尺寸，进而比较工程量、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分析确定土石坝坝型。碾压式土石坝主要分为：均质坝。坝体基

37、本由透水性小的土料填筑而成，不需设置专门的防渗设备。一般采用透水性较小的砂质粘土或壤土，也可以采用几种土料配置的混合料。分区坝。由土质防渗体和若干种透水性不同的土石料分区筑填而成。在坝体中央采用弱透水性土料，自中央向上、下游侧的土石料透水性逐渐增大，称为心墙坝；上游侧坝体采用弱透水性土料做成防渗斜墙，坝主体采用较透水的土料，其透水性可由上游向下游逐渐增大，称为斜墙坝。斜心墙综合了心墙坝与斜墙坝的优缺点：克服了心墙坝可能产生拱效应和斜墙坝对变形敏感的不足，斜心墙应力状态较好，便于施工，也不易于产生裂缝，因而最终选择斜心墙坝方案。5-1-2 基本尺寸拟定土石坝的剖面设计包括坝顶高程、坝顶宽度、上下

38、游坝坡以及心墙的断面尺寸。（1）堰顶高程坝顶高程分别按设计情况和校核情况计算，取两者之大者，并预留一定的沉降值。土坝坝顶高程=水库静水位（设计水位或校核水位）+坝顶超高d坝顶超高d=风吹的雍高e+波浪的爬高ha+安全加高风吹的雍高 式中：K为综合摩阻系数，不同研究者所建议的K值有所不同，一般取值范围为1.510-3510-3，计算时可取3.610-3；V为设计风速，m/s在正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应洪水期多年平均最大风速的1.52.0倍；在校核洪水位时，宜采用相应洪水期多年平均最大风速。设计洪水位时，取18 m/s；校核洪水位时，取12 m/s；D为吹程，km，本设计中取4km；H为

39、水库水域的平均水深，m；为风向与坝轴线法线方向的夹角，取45。波浪在坝坡上的爬高ha可按以下经验公式计算：式中：2hc为波高，2hc：波高，m。，设计情况下取0.977m；校核情况下取0.589m。m为土坝上游坝坡坡率，初拟时可取为2.5；n为上游糙率，上游拟采用浆砌块石护坡，取为0.025。安全加高根据坝的等级和运用情况，按表5-1确定。表5-1 安全加高的取值（m）坝的级别1级2级3级4、5级设计1.510.70.5校核山区、丘陵区0.70.50.40.3平原、滨海区1.00.70.50.3该枢纽拦河大坝属于1级水工建筑物，安全加高分别取：正常运用情况下1.5，非常运用情况下0.7m。坝顶

40、高程计算成果见表5-2，坝顶高程由设计情况控制，设计竣工时坝顶高程为203.9m。表5-2 坝顶高程计算表计算项目设计情况校核情况上游静水位m199.1202.0河底高程m142坝前水深Hm57.160吹程Dkm4风向与坝轴线的夹角（）45风速Vm/s1812风浪引起雍高em0.00290.0012波高2hcm0.977 0.589 土坝上游坝坡坡率m2.5上游糙率n0.025波浪沿坝坡爬高ham1.6050.920 安全超高m1.50.7坝顶高程m202.21203.62坝顶高程加0.4%沉陷m202.45203.87 （2）坝顶宽度土石坝坝顶宽度根据运行、施工、构造、交通和人防等方面的要求

41、综合研究后确定。碾压式土石坝设计规范（SL2742001）要求高坝的最小顶宽为1015m，中低坝为510m。坝顶宽度必须考虑心墙或斜墙顶部及反滤层布置的需要。本枢纽中坝顶设有公路，可取为10m。（3）坝坡土石坝的边坡通常都设计成直线形或折线形，前者用于高度较低的土石坝，后者用于高度较大的土石坝，本设计中挡水建筑物土石坝高度约为60m，属于中坝，所以应采用折线形设计。对于较高的土石坝，上下游边坡从坡顶到坡底可以分为几段，各段采用不同的坡率值，通常是沿边坡高度每隔8-15m分为一段（本设计中为60m高坝，宜取20-30m分段），各段的坡率值自坝顶到坝底逐段增大，形成一个折线形的边坡，各段边坡坡率的

42、差值约为0.25-0.5。在一般情况下，为了便于施工和检修，以及考虑到边坡排水和稳定的需要，在不同坡率交接的边坡点处，设置宽度为2.0-3.0的平台，称为马道。本设计中最大坝高约为204-142=62m，故采用上下游均每隔20m高程变坡一次。上游坝坡：从坝顶至坝踵依次为1：2.5，1：2.75,1:3.0。下游坝坡：从坝顶至坝踵依次为1：2.0，1：2.25，1:2.5。马道：上游坡马道高程为164m，184m；下游坡马道高程为162m，182m。马道宽度取为2.0m。图5-1 土石坝剖面初拟图（4）土石坝构造设计坝内防渗体防渗体的尺寸以满足构造、施工以及防裂等要求为原则，也要满足稳定要求。坝

43、的防渗体为粘土斜心墙，其最小厚度（底部）由粘土的允许渗透坡降而定。本设计斜心墙顶高程以设计水位加0.8 m超高并高于校核洪水位为原则，最后取为202.0m，上留1.9m的保护层。本设计中重壤土允许渗透坡降取J=6.0，承受最高水头为52.8m，墙厚须大于52.8/6=8.8m。参考以往工程，并考虑机械施工的需要斜心墙顶宽取4.0 m，初拟上游坡率m1=0.6，下游坡率m2=0.4，底宽16.0m，则平均墙厚大于8.8m。坝基防渗体本坝址河床部分为一个两翼坡度很缓的背斜构造，它的轴部位于现在的主流附近，在其轴部附近，岩石节理发育，并有岩脉侵入，漏水厉害。值得注意的是，河槽主流附近，因属背斜轴部，

44、为构造裂隙最发育的地方，必须采用一定的防渗措施。本坝基为砂砾石坝基，本设计中采用垂直防渗，上游防渗铺盖，下游排水设备及盖重，经论证的其他有效措施。本设计中，砂砾石层平均深度约为10m，根据碾压式土石坝设计规范（SL2742001），采用明挖回填粘性土截水墙。截水墙应采用与坝体防渗体相同的土料填筑，其压实度不应小于坝体同类土料，底宽应根据回填土料的允许渗透坡降、土料与基岩接触面抗渗流冲刷的允许渗透坡降和施工条件确定。本设计中，截水墙土料采用重壤土，位置在心墙底部，初步拟定顶宽与心墙同宽，底宽为4m，深度为15m。图5-2 防渗体尺寸示意图坝体排水土石坝渗流控制的基本原则是防渗和排渗相结合。反滤排

45、水是土石坝渗流控制中重要的环节。坝体排水的作用是：控制和引导渗流，降低浸润线，加速孔隙水压力消散，防止渗流逸出处土的渗流破坏，增强坝的稳定性，在寒冷地区，可保护下游坝坡免遭冻胀破坏。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）排水设施选型1）贴坡排水：不能降低浸润线，多用于浸润线很低和下游无水的情况，故不选用。2）棱体排水：可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚不受尾水冲刷，且有支撑坝体增加稳定的作用，且易于检修，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

46、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。坝址附近有丰富的石料可开采，且石料质地坚硬，可以利用，做堆石料棱体排水。综合以上分析选择堆石棱体排水方式。（2）堆石棱体排水尺寸堆石棱体内坡取1：1.5，外坡取1：2.0，顶宽2.0m。棱体顶部高程须高出下游最高水位，且有一定超高。对1、2级坝，超高不小于1.0m;对3-5级坝，超高不小于0.5m。由于本设计中土坝为1级坝，因此超高不小于1.0m。校核情况下，上游水位202.0m，相应下游最高洪水位149.2m。超高取1.3m，所以顶部高程为149.2+1.3=150.50m 。反滤层设计（1）设计标准。对于被保护土的第一层反滤料，

47、考虑安全系数为1.52.0，按太沙基准则确定，即式中： QUOTE D15 为反滤料粒径，小于该粒径的土占总土重的15%； QUOTE d85 为被保护土粒径，小于该粒径的土占总重的85%；为被保护土粒径，小于该粒径的土占总重的15%选择第二层反滤料时采用与以上相同的准则，只是应以第一层反滤料作为被保护土，其余类推。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）设计结果由于设计资料中未提供各土、砂、石料的颗粒级配情况，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以往工程经验进行初步设计。初步拟定结果如下：1）防渗体周边部位第一层：d50=0.45mm，厚35cm；第二层

48、：d50=2.0mm，厚40cm。2）排水部位第一层：d50=30mm，厚20cm；第二层：d50=90mm，厚40cm。坝顶及心墙反滤层，棱体排水及反滤层详图见图纸。图5-3 排水棱体详图马道、护坡、坝面排水设计（1）马道设置马道有利坝坡稳定，便于观测和检修、设置排水设备，也可作为交通之用，考虑这些因素其宽度取2.0m。（2）护坡设计上游坝坡采用较常用的浆砌块石护坡，因其抵御风浪的能力较强。护坡范围从坝顶一直到坝脚，厚度为30cm，下部设厚度均为20cm的碎石和粗砂垫层。下游坝面直接铺上40cm的碎石作为护坡。（3）坝面排水设计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

49、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。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，本设计取30cm。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。坝顶布置坝顶高程高出心墙顶部1.9m，可做心墙保护层。分为两层，上层碎石厚度

50、为50cm，下层砂砾厚度为30cm。坝顶向下游设2%横坡以便汇集雨水，并设置纵向排水沟，经坡面排水排至下游；坝顶设置栏杆以策安全。坝顶设有公路，可另行设计。5-2 土料设计土坝筑坝材料的设计与土坝结构设计施工方法及工程造价有关，一般力求坝内材料分区简单，就地就近取材，因材设计。土料设计的主要任务是确定防渗体材料、坝壳填料、反滤料、过渡料、排水料及其相应的填筑标准。对筑坝土石料的一般要求是：（1）具有与使用目的相适应的工程性质。（2）土石料的工程性质在长时期内保持稳定。（3）具有良好的压实性能。5-2-1 防渗体材料设计根据碾压式土石坝设计规范SDJ218-84，满足下列要求的粘性土或砾石土(包

51、括风化砾石土、开挖碾压后可破碎为砾石土的风化岩石，人工掺合的砾石土等)，一般都可作为防渗土料。 一、渗透系数一般对均质坝不大于110-4cm/s 对心墙或斜墙不大于110-5cm/s。 二、水溶盐含量(指易溶盐和中溶盐的总量，按重量计)不大于3%；有机质含量(按重量计)对均质坝不大于5%，对心墙或斜墙不大于2%；经论证后可适当提高。 三、有较好的塑性和渗透稳定性。根据设计资料，坝基附近主要有重壤土及砂砾料，本设计防渗体材料选用重壤土。 对于不含砾或少量砾的粘性土料，其填筑密度以压实干容重作为设计指标。粘性土料的压实程度受击实功能的控制，同时又随含水量而变化。在一定的压实功能条件下达到最佳压实效

52、果的含水量称为最优含水量。粘性土的填筑含水量一般控制在最优含水量附近。 根据资料中的实验数据，可以得出重壤土坝料的平均最优含水量为19%，平均最大干容重为17KN/m3，设计干容重为：式中：设计干容重，KN/。m：压实系数，对于1、2级坝和高坝压实系数不低于98%100%，对于3级及其以下的坝压实系数不低于96%98%。该设计干容重作为坝体碾压后的土体容重指标。 本设计中m取1.0，故设计干容重为17KN/m3。 设计最优含水量为=19%最大干容重用下列公式计算作为校核参考：式中：为土粒比重；为填筑含水量，本设计中可取为最优含水量=19%；Va为压实土的含气量，黏土：Va=0.05，砂质黏土V

53、a=0.04，砂质壤土Va=0.03，本设计中Va=0.04，计算得=1.72g/cm3，故满足要求。还应当用下式作校核式中：为土场自然干容重，根据资料得=16.1 KN/m3，本设计中 KN/m3，故满足要求。对于一、二级坝，还应该进行现场碾压试验进行复核，据以选定施工碾压遍数。表5-3 防渗体材料设计成果汇总表比重最大干容重 （KN/m3）最优含水量（%）设计干容重（KN/m3）塑限含水量（%）塑性指数(%)填筑含水量（%）2.7217.2191719.51719自然含水量W（%）孔隙比湿容重（KN/m3）浮容重（KN/m3）内摩擦角（）粘聚力C（Mpa）渗透系数k(10-6cm/s)22

54、0.6020.2310.75290.19110-85-2-2 坝壳填料的设计计算公式。坝壳沙砾填筑的设计指标以相对密实度表示：或其中：式中：土体的最大孔隙比。：土体的最小孔隙比。e：设计压实标准下的孔隙比。：填筑的沙砾料的干容重。：土料的最大干容重，由实验取得。：土料的最小干容重，由实验取得。：水的容重。：土料的比重。根据碾压式土石坝设计规范（SDJ218-84）无粘性土的压实标准按相对密度确定，要求不低于0.700.75。地震区的土石坝应按照水工建筑物抗震设计规范 (SDJ10-78)第 34条规定,浸润线以上不低于 0.7，浸润线以下按设计烈度大小，不低于0.750.85。 无粘性土中粗料

55、含量小于50%时，应保证细料(小于 5mm 的颗粒)的相对密度满足本条要求。 对砂砾料，应按本条要求的相对密度，换算出不同粗料含量的填筑密度值。 表5-4 坝壳填料设计计算表大于5mm的粗颗粒比重G最大干容重KN/m最小干容重KN/m实验用干容重KN/m抗剪强度指标渗透系数(m/s)相对密度水上水下摩擦角（）咬合力（Mpa）摩擦角（）咬合力（Mpa）2.6818.514.4017.029027.50410-40.6917.5300290310-40.8018.031.50300210-40.9019.0330310110-41.09根据设计规范，结合工程实际，相对密度为0.69的土料不符合条件

56、，余下三种土料，考虑地震因素时，相对密度为0.80的土料偏于危险，而相对密度0.90、1.09两种土料均为及格土料，但是，考虑经济因素，制作设计干容重越大的土料需要更大的碾压功，花费更多金钱，因此，最终确定选择相对密实度为0.90的土料作为坝壳填料。5-2-3 反滤料、过渡料和排水料的设计根据碾压式土石坝设计规范SDJ218-84，反滤层、过渡层和排水层的土石料，应符合下列要求： 一、具有要求的颗粒级配，且粒径小于 0.1mm的颗粒含量不大于 5%。 二、具有要求的透水性。 三、质地致密坚硬，具有高度的抗水性和抗风化能力，风化料一般不能用作反滤料，如必须应用时应有充分论证。 四、反滤料宜尽量利

57、用天然砂砾料筛选，在缺乏天然砂砾料时，也可采用人工砂或碎石料，但应选用抗水性和抗风化能力强的母岩轧制。5-3 渗流计算5-3-1 计算方法及计算假定选择水力学方法求解土坝渗流问题。根据坝内各部分渗流特点，将坝体分为若干段，应用达西定理近似解土坝渗流问题，计算假定任一过水断面内各点渗透坡降均相等。计算简图如下图所示：通过防渗体渗流量：通过防渗体后侧坝体渗流量：式中：K：防渗体渗透系数，m/s；：坝体的渗透系数，m/s；：截水墙的渗透系数，m/s；：坝基的渗透系数，m/s；H：上游水深，m；：防渗体下游侧逸出水深，m；T：透水地基厚度，m；：下游水深，m；B：斜心墙平均厚度，m；：从防渗体渗流逸出

58、处到浸润线与排水棱体上游坡交点的水平距离，m；D：截水墙厚度，m；。假设：（1）不考虑防渗体上游侧坝壳损耗水头的作用。（2）由于砂砾料渗透系数较大，防渗体又损耗了大部分水头，逸出点位置高程与下游水位高差不是太大，认为不会形成逸出高度。5-3-2 计算断面及计算情况的选择对河床中间断面 = 1 * ROMAN I- = 1 * ROMAN I作为典型断面进行渗流计算，计算主要针对正常蓄水及设计工况、校核工况进行。图5-4 渗流计算断面示意图图5-5 渗流计算简图（1）逸出水深及单宽流量计算正常蓄水位情况经计算得H1=4.3846m,单宽流量q=1.83*10-6m/s设计洪水位情况经计算得H1=

59、6.9226m,单宽流量q=2.30*10-6m/s校核洪水位情况经计算得H1=7.2583m,单宽流量q=2.51*10-6m/s（注：计算过程详见计算书）（2）总渗流量计算总渗流量Q=mLq, 正常蓄水位时，从地形地质平面图上可大致量得大坝沿轴线长432m，式中m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m=0.8。Q=0.84321.8310-6=6.3210-4m3/s同理得设计工况时：Q=0.84322.3010-6=7.9510-4m3/s校核工况时：Q=0.84322.5110-6=8.6710-4m3/s（3）坝体下游浸润线方程：正常蓄水位时，T1=4.32m

60、，H1=4.3846m，L0=140.55m则浸润线方程为：设计洪水位时：T1=6.85m，H1=6.9226m，L0=143.34m则浸润线方程为：校核洪水位时：T1=7.18m，H1=7.2583m，L0=143.70m则浸润线方程为：5-3-3 计算结果 渗流计算结果见下表表5-5 渗流计算成果表上游水深H（m）下游水深（m）逸出水深（m）渗流量q（m2/s）总渗流量Q（m3/s）正常蓄水位49.84.324.38466.3210-4设计洪水位57.16.856.92267.9510-4校核洪水位60.07.187.25838.6710-45-3-4 渗透稳定验算斜心墙之后的坝壳，由于水