【《S水库粘土心墙土石坝结构设计》15000字】

第一章基本资料1.1水文基本资料1.1.1流域概况石洞水库位于峡江县罗田镇石洞村，坝址位于罗田镇以北约7km的黄金江支流石溪水中上游，距峡江县城水边镇35km。是一座以灌溉为主、兼有防洪、发电等效益的中型水利枢纽工程。灌区范围以罗田镇为主，部分位于巴邱镇，设计灌溉面积3.14万亩，其中新增灌溉面积1.76，改善灌溉面积1.38万亩。电站装机400kw。1.1.2气象多年平均最大风速14.4m/s，多年平均风速3.1m/s。1.2地质基本资料1.2.1水库区地质情况本区地处地质构造背景比较稳定。区域稳定性较好。库区为丘陵低山地形，两岸除在下坝址上游附近地形较平坦分布有Ⅰ级阶地外，一般岸坡较陡峭，基岩多裸露。库区上、下游岩性为厚层、中厚层变质砂岩、石英片岩夹石英岩，绢云母石英片岩等，根据地型显示，库岸边坡较为稳定。库区分水岭雄厚，水库蓄水后不用考虑渗漏。库区有一定的淹没损失，库周边无工矿企业，无浸没问题。未发现矿产、文物古迹。1.2.2水库区工程地质条件库区为丘陵低山地形，地势总体W高E低，河流蜿蜒曲折，库盆大致呈NWW—SEE向展布，河谷狭窄，地表水系及冲沟发育，两岸除在下坝址上游附近地形较平坦分布有Ⅰ级阶地外，一般岸坡较陡峭，基岩多裸露。库区未发现区域性大断层，但岩层中的构造裂隙较发育，裂隙倾角多为陡倾角。库区两岸植被良好，库岸稳定，固体径流来源少，故未来库区淤积问题不大。库区未发现山坡变形等不稳定迹象，地质条件良好，库岸边坡较为稳定。库区分水岭雄厚，库周无低矮天然垭口，库岸岩体的渗透性能差；库区无危险的透水构造破碎带；地下水的出露点高程普遍高于150m。因此水库蓄水后水库蓄水后不用考虑渗漏。工程区属相对稳定。从区域构造、地震史、库盆地质构造和水库蓄水等方面考虑，不会产生破坏性水库诱发地震。库区正常蓄水位以下大部分都是一些非农田等有经济价值的植被，仅石洞南近河床部分地段及下坝址上游一带有部分农田，故库区有一定的淹没损失。库区正常蓄水位附近基本无台地发育，也无民居，故库区基本无浸没问题。第二章坝址及其坝型的选择2.1坝址选择在一个坝段内，坝址的选择在满足地质和地形的同时，必须结合枢纽布置，水库淹没、技术与经济、建筑的材料分布、储备，还有施工条件等因素，需要进行充分的研究调查，同时慎重考虑，综合其必要条件最后选定合理的坝址。坝址的选择要考虑好两边的山体及其上游能否集水，同时本地的岩体渗漏不是太严重，两岸岩石结构完整，能够承受一定的压力。同时考虑是否有巨大的滑坡体存在；两岸山体走向应该向下游侧收缩，呈现“V”字形，这样既可以节约材料，同时又可以方便施工截留；同时考虑交通及其建筑材料的料场能否满足此次工程的运行，汛期来临时能否影响坝体工程；另外还需要从经济角度来衡量工程的开销，寻找一个既经济，又合理得地点来作为大坝的坝址；在材料中已给出综合分析流域地形、地质条件，将坝址选择范围确定在中游河段。从充分利用河流水量、水能资源的角度考虑，结合淹没影响范围和工程实施难度，通过实地勘察，选择了上坝址（狮子井坝址）和下坝址（丁家村坝址）两个坝址，作为本阶段的比较坝址。上坝址（狮子井坝址）位于石洞村下游不远处，下坝址（丁家村坝址）位于丁家村上游550m左右，上下坝址沿河相距约1.6km。两坝址都能作为拟建水库坝址；两岸地形上坝址较陡较对称且基岩裸露、河谷宽仅30m左右，下坝址相对平缓不甚对称且基本无基岩裸露、河谷宽达80140m。两坝址间河段河流流向大体由W—E向（之间有5处大转折），河床标高上游101.5102.5m、下游88.387.5m。无论就是地形还是其他条件的综合分析，下坝址比上坝址更适合。所以本次设计宜选择下坝址。2.2坝型选择坝型的选择要考虑很多，应选择几种比较优越的坝型进行比较和讨论，最后才能选择出最优的坝型。本设计限于已有资料来进行土石坝坝型选择。2.2.1土石坝的优缺点由于本次大坝属于小型的小坝，我们选择土石坝；土石坝的优点：①它的建筑材料主要为土体，可以很方便地找到建坝材料，节约水泥钢材，同时也可以减少投入机械的运输数量和距离；②土石坝不需要考虑温控措施，所以可以减少许多繁琐的措施；③对坝址的地质条件要求并不是太高，所以它施工不易受温度和气候的影响；④土石坝由于坝身主要为土体，在施工过程中经济环保，在大坝竣工后可以在坝下游进行绿化处理，符合国家的生态建设理念；土石坝的缺点：①土石坝最怕的莫过于水库漫顶，这对于土石坝来说是灾难性的，水库顶意味着大坝随时都会发生溃坝；②土石坝坝顶不能过水所以需要在其它地方设置溢洪道，增加了工程造价；③土石坝的粘土心墙的土质要求比较高，施工过程处理比较复杂；2.2.2土石坝类型选择根椐野外勘察成果及本工程的实际情况：上、下两坝址沿河相距约1.6km左右，两坝址都能作为拟建水库坝址；两岸地形上坝址较陡较对称且基岩裸露、河谷宽仅30m左右，下坝址相对平缓不甚对称且基本无基岩裸露、河谷宽达80140m；在原材料中已给出，上坝址和下坝址所是和修建的大坝类型不同，本设计所建为土石坝，在由于上文所分析情况，经设计经济地质条件等多方面综合考虑，建议以下坝址为本阶段的开发坝址。据上述地形地质条件，下坝址宜修建土石坝或面板堆石坝等。因坝体坝型较长，修建面板堆石坝的开挖处理工程量相对过大，考虑到工程区附近的天然建筑材料的实际情况，以及经济的综合比较，在附近符合设计要求的黏土料场共有三处，且相对于其他料场运距较小且费用较低，从经济的角度来说尤宜修建土石坝，土石坝分为心墙和斜墙两种，但由于该水库区两岸较为陡峭，斜墙坝与之连接比较困难，心墙更加合适故本次设计选用了粘土心墙土石坝型。2.3枢纽的布置枢纽建筑物2.3.1挡水建筑物--粘土心墙土石坝坝轴线的选择要根据许多综合因素考虑，枢纽中的其他建筑物的选址也要经过都方面的比较来进行选择。在本设计中我们的坝轴线选择为直线，工程建设无需抗震设防，故无需考虑太多。2.3.2泄水建筑物--溢洪道溢洪道进口位于距右坝肩上游的垭口处并顺冲沟展布，溢流净宽35m，为无闸控制实用堰，堰顶高程129.00m，进水渠长73m，控制段长7.0m，泄槽段长140m，消力池池长44m。第三章坝工设计3.1调洪演算在本设计中不需要进行调洪演算，根据已给资料，校核洪水位为131.77m，相应下游水位为91.77m，设计洪水位为130.93m，相应下游水位为91.19m，正常蓄水位为129m，相应下游水位91.10。3.2坝顶高程3.2.1坝顶高程的有关计算由于土石坝的高程除了洪水还受其它的因素影响，例如波浪爬高，地震的震动也会抬高水位，为了安全起见还需要考虑其它因素的影响，最后再来确定土石坝坝顶的修筑高程。分为以下三部分，最后取最大值为坝顶的高程：设计洪水位+正常运用条件下的坝顶超高正常蓄水位+正常常运用条件下的坝顶超高校核洪水位+非常运用条件下的坝顶超高正常蓄水位+非常运用条件下的坝顶超高+地震安全加高坝顶超高Y的计算简图（3--2），最后由公式来计算着超高值，公式见（3--3）、（3--4）图3--2坝顶超高计算图(3--3)（3--4）式中R—波浪在坝坡上的爬高，m；e—最大风壅水面高度，m；—坝前水域平均水深，由图中可与看到标注的水位高度，与静水位一致，；K—综合摩阻系数，计算时一般取β—风向与水域中线(或坝轴线的法线)的夹角，本设计为14(度)—计算风速，m/s；本设计在正常运用条件下为3级坝，本次设计取为21.6m/s。D—风区长度或吹程，m；A—安全加高，m；按表3—5确定。表3—5安全加高A值运用条件坝的级别1234、5正常1.51.00.70.5非常1.00.70.50.33.2.2波浪在坝坡的最大爬高R和最大风浪壅高e的确定根据规范,可查到R和e的计算公式。即（3--6）（3--7）式中—斜坡的糙率渗透性系数，可查照表3—8,取0.9；——水域平均水深，m；v0——计算风速m/s；K—经验系数，由决定，可查表3--9确定，经计算本设计K正常情况下为1.02，非常情况下为1.0。m—单坡的坡度系数，土质心墙坝坝壳采用堆石，本设计m=2.5。、—平均波高和波长，m；表3--8糙率渗透性系数护面类型光面不透水护面（沥青混凝土）1.0混凝土或混凝土板0.9草皮砌石0.85~0.90砌石0.75~0.80抛填两层块石（不透水基础）0.60~0.65抛填两层块石（透水基础）0.50~0.55表3--9经验系数K≤11.52.02.53.03.54.0>5.0K11.021.081.161.221.251.281.30吹程的确定，由于地形图可知B=110m，吹程D=5B=550m。3.2.3平均波高和平均波长的确定石洞水库属于丘陵低山地形，风速W<26.5m/s，吹程D<7.5km,波高和波长可采用鹤地水库公式计算，按规范将其化简后如下：(m)(3--10)(m)(3--11)式中：——计算风速，m/s，选用21.6m/s。-水库吹程550m3.2.4考虑地震影响计算坝顶高程一般情况下，如果发生地震会抬高水面，为了安全，一般加高0.5~1.5m，应根据地震等级大小和大坝的水深度，取对应的数值，本次取1m，地震需要加上去的安全沉陷值，本设计不用进行防震处理，在资料中已经给出。即，地震安全护高=0m坝顶高程的计算，要有以下基本数据：设计洪水位130.93m相应下游水位91.19m校核洪水位131.77m相应下游水位91.77m多年平均最大风速14.4m/s吹程550m①计算最大风壅水面高度e在设计情况下：在校核情况下：②计算波浪在坝坡上爬高R由上表3--8可知粗糙渗透性系数设计：校核：设计：P=2%校核：P=2%③安全加高A本工程为3级建筑物，由表3--5可知设计：A=0.7校核：A=0.5④坝顶超高y设计：校核：3.2.5确定坝顶高程的坝高表3--12坝顶高程的计算单位m计算工况静水位ReAY地震加高坝顶高程设计洪水位130.930.6040.00110.71.4140132.34正常蓄水位129.000.6040.00110.71.4140130.41校核洪水位131.770.3540.00050.50.8550132.62正常蓄水位129.000.3540.00050.50.8551.0130.86由表可知校核洪水位出的坝顶高程H=132.62m，为了施工方便，可取H=133m，在工程完成时应预留有沉降量，本设计根据坝高情况取值为0.5m，即坝顶高程H=133.5m。3.3坝顶宽度石洞水库土石坝坝高46.5m属于中型坝，按《碾压式土石坝设计规范》DL5395-2008可取5~10m坝宽，考虑经济因素取坝顶宽度为5m。3.4坝顶长度由其设计资料所给出大坝长度为395.0m。3.5坝体防渗设计坝的防渗体必须满足结构及施工的要求。防渗体的尺寸，也要满足稳定要求。本设计采用的是粘性土心墙防渗体，防渗体设在坝中，其各分区的渗透性宜向上下游方向逐步增大，在心墙顶部应设保护层来保护心墙的稳定。防渗体分区坝的防渗体尺寸要考虑下列因素：防渗土料的各种基本的性能防渗体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的比值本工程粘土心墙顶部宽度按照规范要求不宜小于3.0m，考虑经济原因，本次设计取3.0m，底部不宜小于大坝水头的1/4，心墙防渗体顶部要比设计洪水位高，按照规范其超高应在0.6~0.3之间，本设计取0.5m。坝顶高程为133.5m，设计洪水位为130.93m，所以将心墙的高程定为131.43m，心墙高为44.43m，心墙顶距坝顶2.07m，其间应设保护层。心墙上下游的的边坡我们取1:0.2。在坝顶上游应设防浪墙，防浪墙高为1.1m。粘土心墙结构图如下3.5所示图3.5心墙结构图3.6排水体设备坝体排水主要是控制和引导渗流，降低浸润线，加速孔腺水压力消散，以增强坝的稳定性，防止渗透变形，并保护下游坝坡，就土石坝而言，有以下几种排水常见的排水方式：1.棱体排水2.贴坡排水3.坝内排水本次设计采用棱体排水。位于坝址附近的区域有足够多的石料可以提供开采，且这些石料质地坚硬为花岗岩，方便利用，综合考虑后，本设计决定选用棱体排水。堆石棱体顶部高程应高出下游最高水位也就是校核洪水位下游相应水位不小于0.5m，因此初拟棱体顶部高程为93m，堆石棱体高为6m。把棱体顶部作为马道使用，去顶部宽度为1.5m，满足规范不小于1.5m的要求。棱体内坡综合因素考虑，根据规范本设计堆石棱体内坡选取1:1.0，外坡选取1:2.0。在下游可以支撑坝体，增加下游的稳定性。在棱体和坝体以及土质地基之间均应设置反滤层，其最小厚度为30cm。棱体排水结构如下图3.6所示：图3.6棱体结构图3.7马道和护坡设计马道本枢纽中，坝高约为46.5m，为了便于施工和检修，既考虑排水和稳定的需要，因此在下游坝面设置宽度为距坝基23m处设置一条1.5m的马道，还有一条为棱体排水的顶部。护坡上游坝坡采用较常用的浆砌块石护坡，布置厚度为70cm的浆砌块石护坡，以保证上游有一定的抵御风浪的强度，护坡下部设厚度为均为20cm的碎石和粗砂垫层；对下游要求更低一点，可以采用草皮护坡，厚度为6cm，在草皮下先铺设一层30cm厚的腐殖土。3.8坝面排水在每条马道内部设置一条排水沟，与大坝轴线呈平行状的横向排水沟，为了避免雨水将坝面土料带走从而影响坝的稳定性，在纵向也要设置排水沟，垂直于坝轴线。根据规范，在本设计中采用每50m设置一条纵向排水沟，横纵交向，彼此连通。横纵排水沟断面深0.2m，坡率为1：0.2，材料选择为浆砌石块石。第四章土石坝渗流分析4.1土石坝渗流的目的断面尺寸拟定了后我们必须进行渗流和稳定分析，但是由于稳定需要渗流计算结果提供一个理论依据，所以必须要先进行渗流分析才能进行再稳定分析。同时由于心墙也不能百分之百的保证大坝一滴水都不漏，所以渗流计算要求出浸润线和渗流总流量。4.2渗流计算本次我们采用公式法之中的水力学法，它求出的并不是精确值，而是近似值，由于近似值得到的结果也符合设计的标准，计算简单所以就用水力学法。用水力学法进行渗流计算时，将其分为若干段，运用达西公式进行求解，进性渗流计算时，应考虑水库运行可能出现的不利条件，规范规定，需计算下列工况：1.上游正常蓄水位与下游相应的最低水位2.上游设计洪水位与下游相应水位3.校核洪水位与下游相应的水位4.水库水位降落时对上游坝坡稳定最不利的因素渗流问题能极大地破坏水库的稳定性，有效地控制渗流和解决渗流问题是十分重要的。4.2.1计算参数的选取心墙使用黏土，渗流系数，心墙与坝壳可过渡层使用良配极好的、抗风化的砂砾石料（含黏土16%），其渗透系数4.2.2渗流计算断面和计算情况渗流基本定律——达西定律：法国水利工程师达西进行了渗透试验，实验结果可以证明，Q与A、L、、J都有一定的关系，为此，加入了一个新的物理量k则：（4--1）或（4--2）式中：k称为渗透系数。达西渗透定律为：（4--3）上式达西定律表明在均质工程中的孔隙和介质中，渗流的流速以坡降水力运动梯度的一次方成立较小的比例，并与混凝土的水利运动性质和厚度有关。但是达西渗透基本定律仅在一定的范围内流体才能投入使用，即大孔隙流体需要做层流坡降水力运动时方可，在本设计中的渗流属于层流水力运动范围。在土石坝的计算中可以假定任意铅直过水的流体在断面内个点的平均渗透量和坡降水力梯度相等。渗流流量计算：(4--4)（4--5）浸润线方程：（4--6）式中，——分别是心墙土料和坝壳土料的渗流系数，黏土=，含黏土16%砂砾=；——分别是上下游水深；——h是心墙下游浸润线逸出高度；——是心墙上下部的平均厚度，=10.39m；——s是渗流区长度.如下图4.1所示图4.1棱体排水的心墙坝渗流计算①设计洪水位+相应下游水位设计洪水位130.93m，下游最低水位91.19m在另取h，用上述方法，直到解出的和假设的值相近，即为本次逸出高度。经计算，h=19.63m，q=。此时，浸润线方程为②校核洪水位+相应下游水位校核洪水位131.77m，下游最低水位91.77m。在经试算，h=20.16m，。此时，浸润线方程为③正常蓄水位+相应下游水位正常蓄水位129.00m，下游最低水位91.10m。在经试算，h=18.75m，。此时，浸润线方程为表（4--6）渗流结果汇总计算情况设计洪水位校核洪水位正常蓄水位上游水深H1（m）130.93131.77129下游水深H2（m）91.1991.7791.10逸出水深h（m）19.6320.1618.75单宽流量q（1*10-6m3/s.m)5.96.25.4浸润线方程y=√（358.34-4.72x）y=√（406.43-4.96x）y=√（351.56-4.32x)4.3渗流稳定分析根据太沙基公式，黏性土发生流土破坏是的临界逸出坡降为：，其中：为下游坝坡材料沙壤土容重，为水的容重；n为下游坝坡的土体孔隙率，沙壤土的孔隙率为n=0.38。下游坝坡的允许渗透坡降：,此处取K=2.0，则下游坝坡渗透坡降计算结果见下表（4--7）计算工况设计洪水位校核洪水位正常蓄水位J0.1980.1960.188坡降均满足要求。心墙上下游最大落差为；则心墙的渗透坡降，比允许坡降4要小，因本设计的渗透坡降满足要求。第五章土石坝坝坡稳定分析及计算5.1设计说明5.1.1设计任务土石坝的的稳定和平衡与重力坝、拱坝稳定有很大的区别。土石坝因为截面比较大的缘故，因此一般不会轻易发生坝坡滑动或者失稳，它的稳定主要在坝坡的稳定上，我们首先需要的工作就是仔细计算上下游坝坡稳定平衡系数，看看他们的系数是否都满足了设计要求，截面结构尺寸的正确选择要看是否经济合理。5.1.2基本原理及目的土石坝稳定分析的目的是在许许多多的滑动面中寻找一个最危险的面，求出它的安全系数，用它来和规范规定的安全系数对比看是否满足要求。通过这个判断我们前面选定的坡度和大坝的结构尺寸是否安全，是否满足设计要求。坝体发生滑动失稳的类型主要有以下几种：（1）曲线型滑裂面具有黏性的土石坝坝坡上经常容易发生坝坡或坝坡连带着部分坝基土体沿某一滑动面滑动，形成弧形滑动面。这就是弧形滑动面最明显的特点。其中非常容易发生滑裂的地方是坝基上两种硬度不同的土质交界周围处。硬度不同的土质容易在坝脚处发生滑动失稳，并且容易延伸到土石坝的基础中，最后形成大规模的坝坡、坝体滑动。（2）直线或折线型滑裂面由砂砾石等没有粘性的无粘性材料构成的土石坝发生的滑动面，滑裂面通常为直面，在剖面上可以看到一条非常笔直的线或者是转折的折线。如果大坝的坝坡长时间受到太阳光的照射而又没有露水，则发生滑动的通常是直线。水面线以下的那一部分一般为折线。（3）复合滑裂面不同性质的土料组合而成，可能会使得坝基内出现软弱层，从而发生上述两种情况组合的滑动失稳，即土体内即有曲线滑动，又有直线和折线的滑动，具体的需要依据土质和地形来分析。5.1.3计算断面正是因为土石坝在坝坡处有许多地方可能是滑动点，所以土石坝稳定分析计算就需要我们通过不断的试算寻找出最危险的那个滑动面,进而找出安全系数最小的滑动点，而每一次的计算，各个点之间的高程都是不同的，因此，通过反复试算最后我们确定那些地方是稳定的，进而确定坝坡是否满足稳定要求。在满足要求的情况下，本次设计我们采用瑞典圆弧法进行稳定计算。假定土坡失稳破坏简化为一平面应变问题，破坏滑动面为一圆弧形面。根据B.B方捷耶夫法和费兰钮斯法确定最危险滑弧面。B.B方捷耶夫法取下坝坡的中点为a点，从a点引出两条直线，一条与坝坡线成角，另一条为坝坡的铅垂线，接着以a点为圆心做两条弧线与两条直线相交，内外圆弧的半径根据坝坡坡率从表（5--1）取值，圆弧与两条直线连成一个封闭扇形，最危险圆弧面的圆心就在该扇形内。表（5--1）R内、外取值表坝坡1:11:21:31:41:51:6R/HR内0.750.751.01.52.23.0R外1.501.752.303.754.805.50（2）费兰纽斯法定出距坝顶2倍坝高（竖直距离），距坝倍坝高（水平距离）的M1点，从坝顶A引出两条直线相交于M2点，两条直线分别与坝顶和坝坡的夹角为，的取值见表（5--2），在本设计，下游坝坡为1:2，故分别取值为25和35。最危险滑弧面的圆心在连接M1与M2的直线上。表（5--2）数值表根据上述两种方法，初步确定最危险滑弧面的圆心在线段eg附近。图5.1确定圆心辅助图假定滑动面为圆柱面，将滑动面内土体看作刚体脱离体，土体绕滑动面的圆心转动即为边坡失稳。分析时在坝轴线方向取单位坝长1m，按平面问题研究，工程实践中采用条分发，即将脱离体按一定的宽度分成若干铅直土条，分别计算各土条对圆心的抗滑力矩Mr，和滑动力矩Ms，在求和，最后即该滑动面的安全系数。下面以不计条块间作用力的瑞典圆弧法在渗流稳定期下游坝坡为例说明如下：将土条编号。条宽度常取半径R的1/10。各条土块编号的顺序为：说先通过圆心的垂线为零号土条的中心线向上游（对下游坝坡）个图条的顺序为1、2、3...， 往下游的顺序为-1、-2、-3...如图5.2所示。图5.2圆弧滑动计算简图坝轴线②-浸润线③-下游水面④-地基面⑤-滑裂面土条的重量。计算抗滑力时，浸润线以上部分用湿重度，浸润线以下的部分用浮重度。（5--1）式中—土条各分段的中线高度；—坝体土的湿重度、浮重度和坝基土的浮重度。计算滑动力时，下游水位与浸润线之间的土体用饱和重度，其它情况在上文已有阐述，现在的设计与上文所选用的标准一样。安全系数。计算公式为（5--2）（5--2）式中：W—土条重量；V—水平和垂直地震惯性力（向上为负，向下为正）；u—作用于土条底面的孔隙压力；—条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b—土条宽度；—土条底面的有效应力抗剪强度指标；—水平地震惯性力对圆心的力矩；R—圆弧半径。用总应力法分析坝体稳定时，略去公式含孔隙压力u的项，并将换成总应力强度指标。在本设计中，不考虑地震荷载，用此法计算，土石坝的坝坡安全系数计算可采用式（5--3）（5--3）（5--4）式中：—土条重量按（5--1）计算；—考虑渗流动水压力的土条重量，按式（5--4）计算；—土条各分段的中线高度；—坝体土的湿重度、饱和重度、浮重度和坝基土的浮重度。表（5--5）坝坡抗滑稳定最小安全系数运用条件工程等级1234正常运用条件1.31.251.21.15非常运用条件11.21.151.11.05非常运用条件21.11.051.051.05采用此种方法来计算坝坡抗滑稳定安全系数时，本设计土石坝为3级坝，按规范安全系数应比表6.3规定的数值减小8%，。5.2稳定计算5.2.1坝坡稳定计算图（1）设计洪水位情况，圆心为，滑动半径为82.193m，每条土块宽8.219m，土块为14条，石条高度为，如下图所示：表（5--6）稳定计算土条号WiWi'βicosβisinβiφitanφibciliMrMs9867.401693.49480.670.74200.368.2192717.20267.771258.5182887.344960.99360.810.59200.368.2192713.00892.972916.0074666.315620.95300.870.50200.368.2192711.121507.512810.4764924.086023.61250.910.42200.368.2192710.031657.392545.6954823.996216.37200.940.34200.368.219279.331680.682126.1344737.815687.84140.970.24200.368.219278.861702.441376.0134591.345430.0990.990.16200.368.219278.551678.74849.4524224.374921.2651.000.09200.368.219278.351559.24428.9213923.014496.1331.000.05200.368.219278.241453.10235.3103377.053826.38-41.00-0.07200.368.219278.231253.28-266.91-12728.113044.87-120.98-0.21200.368.219278.29998.57-633.06-21977.162167.18-180.95-0.31200.368.219278.45712.21-669.70-31242.711306.08-250.91-0.42200.368.219278.71438.57-551.97-4143.08143.08-330.84-0.54200.368.219278.2670.81-77.93总计136.6115973.2812424.83,满足要求。校核洪水情况，与设计情况一样，浸润线不一样，如下图所示：表（5--7）稳定计算土条号WiWi'βicosβisinβiφitanφibciliMrMs9867.401693.49480.670.74200.368.2192717.20267.771258.5182505.034214.58360.810.59200.368.2192713.00780.392477.2774519.635545.36300.870.50200.368.2192711.121461.272772.6864889.616029.58250.910.42200.368.2192710.031646.012548.2154790.495886.90200.940.34200.368.219279.331669.222013.4444708.135674.69140.970.24200.368.219278.861691.961372.8334511.495348.1990.990.16200.368.219278.551650.04836.6424198.964905.8051.000.09200.368.219278.351550.03427.5713897.044474.0131.000.05200.368.219278.241443.66234.1503353.723800.84-41.00-0.07200.368.219278.231244.81-265.13-12710.543027.80-120.98-0.21200.368.219278.29992.32-629.51-21963.442151.65-180.95-0.31200.368.219278.45707.46-664.90-31231.991290.34-250.91-0.42200.368.219278.71435.03-545.32-4340.51340.51-330.84-0.54200.368.219278.26131.08-185.46总计136.6115671.0411836.43，满足要求。正常蓄水位情况，如下图所示：表（5--8）稳定计算土条号WiWi'βicosβisinβiφitanφibciliMrMs9867.401693.49480.670.74200.368.2192717.20267.771258.5181731.782704.91360.810.59200.368.2192713.00552.691589.9174359.975233.65300.870.50200.368.2192711.121410.942616.8364806.765867.83250.910.42200.368.2192710.031618.682479.8554697.285703.29200.940.34200.368.219279.331637.341950.6444621.835504.55140.970.24200.368.219278.861661.481331.6734437.275201.6490.990.16200.368.219278.551623.35813.7224136.834782.8451.000.09200.368.219278.351527.50416.8513846.994374.6431.000.05200.368.219278.241425.46228.9503314.893723.37-41.00-0.07200.368.219278.231230.71-259.73-12683.792973.92-120.98-0.21200.368.219278.29982.79-618.31-21947.042118.00-180.95-0.31200.368.219278.45701.78-654.50-31227.671280.27-250.91-0.42200.368.219278.71433.61-541.07-4340.51340.51-330.84-0.54200.368.219278.26131.08-185.46总计136.6115205.1810613.32，满足要求。综上所述，所有情况K均小于最小值1.104，都满足要求。第六章坝基处理地基处理是为了给大坝提供一个良好稳定的基础，同时保证大坝不会发生渗漏和滑坡的重大危险事故。主要处理表层疏松土体和不稳定的岩石地基及可能存在的断层等危险地质薄弱地带。6.1地基清理坝基有云母片岩，其夹层厚度仅数厘米，水理性质较差，要全部清除，在坝基未见倾向下游的平缓裂隙或破碎夹泥层发育。还有因植被发育尚不存在厚达0.6-1.2m的根植土层，须全部清理。另外，坝基10m范围内的腐烂的土层、碎石、树叶、树枝、淤泥及其地基风化严重的岩石表层都必须清理干净。地质勘测所进行的作业应全部进行封堵回填。初期得到的坝基还要对其做相应的处理，使基面平整，并夯板夯实。6.2坝基的防渗处理坝基需要进行各方位的防渗措施，竖直方向上需要在上游坝脚处用粘土做成截水槽或设置混凝土防渗墙等，本次我们用喷设的混凝土层，对应坝基地质条件较差的地点还要进行帷幕灌浆和化学材料灌浆等措施；水平方向上在坝上游坝脚处水平铺设铺盖等。做各种防渗的最终目的是要做到“上堵下排”。库区未发现区域性大断层，但岩层中的构造裂隙较发育，裂隙倾角多为陡倾角。库区两岸植被情况在理想状态，库岸稳定，径流情况也比较良好，在设计时不用考虑库区的淤积情况。库区未发现山坡变形等不稳定迹象，地质情况良好，库岸边坡较为稳定。工程区属相对稳定地块，无大的区域性断层发育，是一个比较理想的建坝地址。本次设计我们采用粘土心墙作为防渗体。6.3裂缝处理如果土石坝出现了裂缝，我们就需要根据成因把它分为气候影响的干缩裂缝和坝体应力变化引起的变形裂缝，同时还可能有气温引起的冻融裂缝，坝坡滑动裂缝和水力剪裂缝。1.干缩和冻融裂缝干缩裂缝深并不是很深，但是我们务必要防止雨水进入到了裂缝从而使裂缝发生扩张，引起裂缝宽度不断增加。在气候寒冷的区域，还要设置一非粘性土料的保护层，主要目的是防止内部的土料受冻融破坏影响而发生舒散，从而使裂缝变大影响大坝坝坡的稳定。2.变形裂缝在土石坝竣工后，由于土料自身重力的分布不均匀以及每处的地基强度不尽相同，进而导致大坝坝基的不均匀沉降，不均匀沉降的破坏是非常巨大的，它甚至可以贯穿整个大坝，使大坝坝体内部的应力失稳，进而发生形变。与此同时，也有可能是因为建筑材料填充不均匀的缘故使得其引发变形裂缝，深度也可能很深。因此对填筑材料的含水量应该保持在塑性附近，因为塑性附近涂料的压性小，相对应的抗拉强度就会比较高，在工程完工之前，都应该要常常对一些非粘性土料表面做一定的保护措施，其目的就是为了防止被冻融破坏，对具有粘性的土料，我们还要进行压实检测，对有其它材料结合处需要合理的进行压实密切接触，防止后期的不均匀沉降。3.滑坡裂缝出现在坝顶的滑坡裂缝一般都延伸的很长，为避免这种情况的发生就需要提前做好处理和检查，随后确定是否需要对坝坡进行加固；而如果出现在坝坡上，在某个小区域内也要检查一下，因为这是滑坡前的征兆，需要提前进行处理。4.水力劈裂缝一般位于上游坡，由于水压力引起来的水平的或者是竖直的裂缝，对裂缝的处理措施如下：(1)当裂缝非常的深，有的延伸到了坝体的内部时，则进行灌浆处理；(2)当裂缝小于5m，可以人工把外侧部分挖掉重新进行填土；(3)当裂缝大于5m，可以采用机械来挖出掉再填进新的粘土。第七章溢洪道设计开敞式溢洪道因为泄流量大，构造简单，施工方便，工作可靠，故在本土石坝设计中，我们使用开敞式溢洪道。开敞式溢洪道主要由引水渠、控制段、泄水槽、消能设施、尾水渠等几部分组成。本设计我们采用粘土矩形开敞宽顶堰设计方案，已有资料给出，溢洪道位于右坝肩不远处，溢流净宽35m，为无闸控制实用堰，堰顶高程129.00m。7.1进水渠进水渠平面布置，进水渠底板为等宽或顺水流方向收缩，进口底宽与溢流堰宽之比宜在1.5~3之间。渠道设计流速宜采用3~5m/s。岩基上进水渠的横断面接近矩形边坡根据稳定要求确定，新鲜岩石一般为1：0.1~1：0.3，风化岩石可用1：0.5~1：1.0。在土基上采用梯形，边坡一般选用1：1.5~1：2.5，本次设计采用梯形坡比1:1.5。进水渠的纵断面一般做成平底坡或具有不大的逆坡。进水渠与控制段之间设置渐变段采用圆弧翼墙或扭曲面翼墙。7.2控制段溢洪道的控制段包括溢流堰及两岸连接建筑物，是控制溢洪道泄流能力的关键部位。图7.1宽顶堰、实用堰示意图开敞式实用堰，堰项下游堰面宜优先采用WES型幂曲线，堰顶上游可采用双圆弧、三圆弧或椭圆曲线。当采用低实用堰时上游堰高P1≥0.3Hd，下游堰高P2≥0.6Hd，Hd为堰面曲线的定型设计水头。堰面曲线下接直线段，坡度一般陡于1：1，本次设计，两岸坡度采用1：0.75。堰顶高程为129m，堰高1.5m。7.3溢流孔口尺寸拟定溢洪道消能防冲按30年一遇洪水设计，相应下泄流量292，水位91.77m。开敞式实用堰，用如下公式（7--1）（7--1）式中——包括行近流速水头的堰上水头，m；B——溢流前沿宽度，m；m——流量系数，平底板宽顶堰，m=0.385；——闸墩侧收缩系数，0.92；Q——流量，。计算结果列表表示（7--2）表（7--2）控制段尺寸计算表（忽略行近水头）水位（m）泄量（m3/s）堰上水头H0（m）孔口净宽B（m）设计洪水位1621.9338.506校核洪水位2922.7722.395故控制段净宽定为35m。本次设计我们选用WES型溢流堰，校核洪水位下最大作用水头，同时，。堰顶O点上游段三圆弧的半径及其坐标如下表（7--3）表（7--3）三圆弧的半径及其坐标长度水平圆弧半径下游段的曲线方程为。表（7--4）WES计算曲线坐标x0.511.522.53y0.05830.21030.44530.75821.14561.6052WES型曲线如下所示：图7.2WES型曲线7.4泄槽7.4.1泄槽的布置泄槽的平面布置应根据地形确定，尽可能采用比较简单方便的布置，这样可使水流平顺、结构简单、施工方便。由于泄槽中流速比较大，所以不设置渐变段以加大水深，减小流速，泄槽宽度和溢流堰总宽度相同，为35m。为保证溢流堰为自由出流且槽中不发生水跃，使水流始终处于急流状态，泄槽纵坡必须大于临界坡度。泄槽常见的纵坡为1%~5%，有时为了增加工程的经济效益，泄槽可以改变走向、坡度等要素，但由地形图可知，本工程泄槽若采取变坡，开挖量并未减小很多。为了防止水流紊乱，本设计泄槽不变坡，坡度采用i=0.32，大于临界坡度。泄槽的横断面拟定为矩形，因其流态较好，水流分布均匀，有利于下游消能。7.4.2泄槽的水力计算泄槽流段距离计算公式如下：（7--5）（7--6）式中：——泄槽分段长度——分段初始断面水深和末端水深——流速分布不均匀系数，取1.0——分段初始断面流速和末端流速——泄槽底坡的角度——泄槽坡降，n——泄槽糙率系数，取0.015——分段内的平均流速，——分段内的平均水力半径，.泄槽首端起始计算水深：（7--7）起始计算断面的流速：（7--8）起始计算断面的水力半径：（7--9）式中：——起始断面的单宽流量，——起始计算断面的流量系数，0.95——起始计算断面的流速——泄槽底坡的角度——起始计算断面以上的总水头，通过试算法来求取泄槽首端起始计算水深，先设一个的值，然后将带入到（7--7）中进行求解，直到两边的值相同，可求得为0.592m。现以，求两断面之间的长度其余各段计算方法完全相同，如下表（7--10）表（7--10）hvRJi-J△lL总0.59214.090.570.49216.9515.520.480.530.130.1923.0723.070.45218.4517.700.440.460.200.1222.0245.090.41220.2419.350.400.420.270.0565.95111.040.4120.3420.290.400.400.310.007328.06139.097.4.3掺气减蚀据规定，掺气水深可按下式计算（7--11）（7--11）式中：h——不计掺气和波动的水深v——不计掺气和波动的断面平均流速——修正系数，一般为1.0-1.4，此次取1.2。边墙超高一般取值为0.5-1.5m，此次设计取值1.0m。掺气后的水深和边墙高度如下表（7--12）所示：hv边墙高0.59214.090.49216.9515.520.540.691.690.45218.4517.700.470.491.490.41220.2419.350.430.451.450.4120.3420.290.410.411.41所以一段的边墙高均取2m，泄槽厚度取0.5m。7.5消能防冲设备从溢洪道宣泄出来的洪水会随着不断进行的自重作用，水流的速度会逐渐加快并且其本身所拥有的势能在逐渐增加，为了让大坝下侧的地基能够得到有效的保护并且防止洪水的冲刷，所以我们要在尾水段设置一个消能的方式。在本工程中，采用底流式消力池，根据溢洪道消能防冲建筑物的设计洪水标准，3级建筑物应按30年一遇洪水设计。消能防冲的洪峰流量为和下泄流量为。（7--13）（7--14）（7--15）将，带入（7--14），，在带入（7--13），，最后求出，又因为洪峰流量为，故消力池深度为3.81m，为保险起见，消力池最终深度为4m。7.6尾水渠为了能够使水流能够稳定流入下游，必须在消力池末端布置尾水渠，在消力池末端布置长30m的海漫，出水渠的路线应该经济合理，轴线方向顺应下游河流的流势，使水流平顺、稳定，不对下游产生冲刷破坏。第八章经济评价8.1工程概述该水利工程枢纽以灌溉为主，兼顾发电、防洪、养殖，是一座中型综合利用水利枢纽工程。工程总投资为12605.67万元。2014年开工，工程建设期为2年。其水库库容系数为0.293，电站装机250kw，多年平均发电量125.7kw·h。8.2国民经济评价8.2.1主要参数基准年和基准点社会折现率，本次评价选用8%。计算期，工程建设期为2年，第3年开始发挥效益，运行期50年计，因此本次经济评价计算期为52年。价格水平年。8.2.2工程费用1.影子投资影子价格综合调整系数为1，目前影子投资为12605.67万元，影子投资分年度分布情况见表（8--1），设备经济寿命按25年计算，企更新改造投资为742.9万元。表（8--1）分年度投资表年份20142015合计投资6772.345833.3312605.672.年运行费参照类似工程，采用工程投资的3%计算，（万元）3.流动资金取年运行费的10%，，在第一年一次性投入，在计算期末一次性回收。8.2.3工程效益(1)防洪效益该水库工程具年调节性能，水库的建成对上游的超出预期的流量以及突发的天气状况有一定的控制空间，将保护下游农田，本次防洪效益根据类似工程取630万元，增长率3%。(2)灌溉效益拟建石洞水库灌溉面积3.14万亩，经测算水稻单价为2.0元/kg。改善的灌溉面积3.14万亩农田，按每亩增产185kg;水利分摊系数0.35，则分摊效益406.63万元。(3)发电效益水电站装机250kw，年均发电量125.7万kw·h。厂用电率取1%，专用配套输变电损失率取2%。据有关规定，调整后的影子电价为0.3384元/kW·h。经计算水电站多年平均发电效益为41.26万元。8.2.4国民经济评价指标费用流量见表（8--2）8.2.5敏感性分析其变动范围为-20%~20%，效益和费用变化时对国民经济指标都有一定的影响，但变化后的指标仍然可行，即使投资增加10%和效益减少20%同时发生，仍可行，说明该项目具有较强的抗风险能力。表（8--2）国民经济效益流量表单位：万元序号项目年份合计建设期运行期2014201520162017...2041...20651效益流量B001077.891096.79...1766.97...3129.3193457.131.1.1防洪效益630648.9...1319.08...2681.4271062.631.1.2发电效益41.2641.26...41.26...41.2620631.1.3灌溉效益406.63406.63...406.63...406.6320331.51.3回收流动资金37.8237.822费用流量C6772.345833.33415.99378.17...1121.07...378.1731551.992.1固定资产投资6772.345833.33...742.9...12605.672.2流动资金37.8237.822.3年运行费378.17378.17...378.17...378.1718908.53净效益流量-6772.34-5833.33661.9718.62...645.9...2751.1461905.144累计净效益流量-6772.34-12605.67-11943.77-11225.15...26343.12...61905.148.3财务评价8.3.1评价的主要参数财务基准收益率应统一采用7%，该工程的施工期为2年，第三年开始正常发挥效益，小型水电建设项目生产期为20年，因此本次财务评价期为22年。8.3.2工程费用8.3.2.1费用分摊该水利枢纽以灌溉为主，及具有防洪、发电的效益。发电部门属于次要部门，及承担增加费用。该工程预算内投资为12605.67万元，发电部门分摊512.05万元。8.3.2.2水电站工程投资见表（8--3）年数12合计固定资产投资6772.345833.3312605.67电站分