【《冀河水库土质心墙土石坝的水利枢纽设计》35000字】

冀河水库土质心墙土石坝的水利枢纽设计摘要冀河是华北清平河系上游的支流之一，是黄土高原的一部分。暴雨来临时会造成严重的水土流失现象。河流下游处是平原地貌，是该流域的主要农产区。由于水量分配不均，旱涝灾害时有连续发生。枢纽的主要目的是防洪，其次是发电。枢纽组成包括斜墙土石坝、溢洪道、水电站和放空隧洞。通过水库水文气象资料进行调洪演算计算；对土石坝进行剖面设计，细部构造设计、渗流分析和稳定计算等设计计算；对溢洪道进行进水渠、控制段、泄槽段和消能防冲段的设计。水电站和放空隧洞进行简略设计。保证枢纽的建筑物设计满足枢纽的任务要求。关键词：土石坝；溢洪道；引水隧洞；放空隧洞目录TOC\o"1-3"\h\u311181总述 总述1.1流域概况1.1.1自然地理概况冀河，作为华北清平河系的支流之一，流域全面积为2.73万平方公里。它发源于华北嵩山南麓，上游流经黄土高原，途径东台和黄庄间峡谷深山区后进入平原地区，最后注入清平河。由于黄土高原水土流失现象严重，冀河流经上游地区时水流会携带大量泥沙，造成下泄水流含沙量过大，这种现象在洪水时节尤为严重。当下泄洪水流经峡谷深山地貌时，在暴雨时节常常因水流湍急导致洪灾频发。河段下游是平原地区，适合进行农业生产。河段出水口处有一面积约为三百万平方公里的泛区，最近几年常常因为上游水流泥沙含量高，水流湍急，导致水流在下游河道处流速减缓，泥沙淤积，水流不稳定造成河槽冲刷破坏，决口事件频繁，洪灾严峻。冀河流域大部分地区夏季炎热多雨，冬季干燥寒冷，属于大陆季风气候，6-8月降雨量较全年降雨量更为集中，因此洪水主要形成于这个时段。而在下游平原地区，农作物生长区常常因为普遍缺雨形成旱象。水量时空上的分配不均导致旱涝灾害时有发生。1.1.2社会经济概况冀河流域的县市地区是整个流域的主要农产区，共有三十三个县市。流域耕地面积占全流域面积的28%，共计11600000亩。其中，包括1370000亩渠灌面积以及1100000亩渠灌面积，区内灌溉发达。从事农业生产的人口高达3360000人，超过流域总人口五分之四，每人平均耕地面积约三点五亩。上游种有高粱、玉米；下游主要种有棉花、小麦、玉米，除此之外，还种有小面积水稻。但是，下游农田往往因为无法控制洪水收到水灾的威胁。冀河流域矿产资源丰富，上游有2处已经进行过大量开采的煤矿，下游有一座大型工业城市。流域内铁路公路相互连通，连通着县市与矿区之间以及流域东西南北各个方向的交通运输，具有便捷的交通运输条件。1.2流域规划及枢纽任务坐落于冀河的中、下游丘陵地区的平山县，其上游约十二千米处便是冀河夹峪水库的位置。水库控制流域面积占平山县以上超过一半的流域面积，共1.5平方千米。冀河夹峪水库下游包括农田地区3500000亩、若干铁路干线和石同市——流域内的主要工业城市。综合考虑流域规划、资源的综合开发以及冀河流域的自然条件和社会经济状况，本枢纽的首要任务是防洪，发电次之。按规划取182.80m为水库死水位，取191.80m作为正常高水位。2.1.1防洪冀河夹峪水库下游包括农田地区3500000亩、若干铁路干线和重要工业城市石同市，为保证其不受洪水威胁，联合该枢纽和下游整治泛区的工程。相应的防洪要求如下：在设计洪水情况下，允许下泄流量为5800立方米每秒。库水位低于202.0米高程；在校核洪水情况下，允许下泄流量为9000立方米每秒，库水位低于203.0米高程。2.1.2发电作为电力系统的主要水电站之一，本枢纽在系统中的任务为调峰。根据水能规划，取电站的总装机容量为4.8万千瓦。水轮发电机组的主要参数如表1.1。表1.1水轮发电机组主要参数表水轮机型号BL－123－LJ－225发电机型号T2550/80－32单机容量1.2万千瓦（4台）单机容量1500万伏安设计水头37.6米安装方式悬吊式最大水头45.0米电压1.03万伏最小水头30.0米电流825安引用流量38.4m³/s额定转速187.5转/分2水文气象资料2.1气候特性2.1.1温度流域内年平均气温为十摄氏度至十三摄氏度，库区附近约十二摄氏度。纵观全年气候，一月份温度最低，月平均气温为零下二摄氏至度零下四摄氏度，极端低温最低可达零下16.3摄氏度；七月份气温最高，平均气温为二十四至二十七摄氏度，极端气温最高可达四十五摄氏度。下表为坝址上游附近的洪家店历年平均，极端最高最低气温资料。表2.1气温资料表项目/月份平均气温极端最高气温极端最底气温项目/月份平均气温极端最高气温极端最底气温一-2.515-16.3八24.435.216.5二0.520.5-12.3九2034.29.9三1.527.2-13.5十11.8281.5四14.632.51.4十一3.923.4-8.2五20.6366.2十二4.218-16.4六24.94214.5全年12.145-16.4七26.645降雨量在东台以上的流域地区年平均降雨量大约为40厘米，东台以下较之高10厘米左右。受大陆季风气候影响，降雨量表现为夏季降雨多，冬季降雨少的时间分布特点。夏季（六至八月）降雨量高达全年百分之七十以上，冬季（十二月～次年二月）降雨量仅占年降雨量的百分之二。受降雨影响，下游农作物生长常常在春天因为缺水导致旱灾发生。历年平均降雨量如表2.2所示。表2.2历年降雨量的月平均值项目\月份降水量％项目\月份降水量％项目\月份降水量一3.10.4八35041.5一3.1二8.81九82.39.7二8.8三15.71.9十32.53.8三15.7四16.21.9十一14.71.7四16.2五39.14.6十二4.50.5五风向及转速在冬天，季风往偏北方向刮；夏天季风则往偏南方向刮；春、秋季节季风随机出现偏南或偏北风。春冬两季大风持续时间最长。多年平均最大风速达12米每秒，水库吹程约4千米。2.2水文特性2.2.1年径流坝址年平均径流水量为305000万立方米。其中七至八月份水量占比最高，约占全年的2/5，五月份占比最小。丰水年年径流量是枯水年年径流量10倍以上。水量在时空上的分布不均导致洪涝、干旱灾害份时有发生。2.2.2洪水流量典型频率流量列如表2.3所示：表2.3洪水频率流量表洪水频率P％0．010．10．331．02．05．0洪峰流量1386099007200550045003000通过对往年流量过程进行分析总结，一月份和二月份流域水流平缓，三月十五号前后冰雪融化后稍有起伏，无显著洪峰。四月至五月份河流来水量最小，六月到九月汛期期间河流水面上涨，，十月后水势开始有平缓稳定的趋势。十月至次年五月中旬为枯水期，枯水期二十年一遇的洪水流量Q5＝280m³/s。2.2.3泥沙坝址处推移质约为50万吨，当地多年平均输沙量是其十倍左右。规划时期，淤沙高程可通过上游水土保持情况计算得出，计算结果为170.00米。水库淤沙干容重值1.36t/m³，浮容重值0.86t/m³，内摩擦角φ＝14°。2.2.3水位―库容关系，水位―流量关系表2.4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表2.5坝址水位――流量关系数值表水位（m）146.0146.5147.0147.5148.0148.5149.0149.5149.6流量(/s)50220620130022503460510070007400表2.6尾水渠水位――流量关系曲线表水位（m）145．8146．0146．2146．4146．6146．8147．0流量（/s）10286087．2115．2138164表2.7典型洪峰过程表日222223334444时3814182261420241012流量（m3/s）2505001750220030006300550050004400420038004400日445556668888时1420012222122004810流量（m3/s）2600240016001400950950500600300400600500日88999991010101013时16222610182201016208流量（m3/s）70011007009007006007009006004004002503工程地质及建筑材料特性3.1坝址区工程地质条件3.1.1地貌特征本坝址在河道弯曲部分，库区内河床的底部坡降约为千分之三。河谷横断面具有不对称性。左岸边坡较缓，约为30度；右岸边坡比左岸陡20度。坝址区右岸阶地因为环绕水流的冲蚀作用发育不完全。漫滩于坝轴线周围呈不规则分布，较河水面超高1至2.5米左右，高程介于147.5至149.5米之间。一阶地高程介于149至151米之间，二阶地高程介于150～160米之间。它们均呈坡度平缓长窄带状。三级阶地高程介于160米至200米之间，三级阶地地面平坦，有3000余米宽。片麻岩系上覆盖有第四纪黄土层。变质岩系自存在起就一直收到侵蚀作用，故可知阶地性质为浸蚀台地。坝址主流分别能通过左右两岸沟谷分别使其与主流连通，方便取水、泄水建筑物的布置。两岸露头有明显差异，右岸露头为光秃的岩石，左岸露头覆盖有黄土与风化基岩。坝址各处冲击层及基岩风化程度存在一定的差异。具体见坝址地质图。3.1.2地质构造特征东南偏南、西北偏西方向的压力导致太行山的背斜地貌。枢纽位于该地貌的东南部。库区两岸岩层的产状三要素分别为：走向N35°至40°E，倾向东南方向，倾角20度至40度。东南偏南方向上的作用力相较西北偏西方向更大，导致坝址两岸出现了多组由东南偏南方向往西北偏西方向的逆掩断层，方向基本介于N50°至60°E之间，断层距离在1米左右。坝址河床为背斜地貌，背斜两侧平缓。背斜轴部与河道主流距离相近，轴向为N15°E，两岸岩层走向为N35度～40度E。左岸岩层倾向为东南方向，右岸岩层倾向为西北方向，倾角多介于20度至40度之间。背斜轴部周围的岩石节理发育，并有岩脉侵入，漏水情况严重，个别地段的单位吸水率值达1.65公升/min·m·m。坝址左右岸岩层的节理发育情况大致类似，其中大部分是N20度至30°W方向的构造裂隙。它们的裂隙宽度较大，最大有超过0.2米的裂隙。倾向为裂隙率K介于1条每米~5条每米之间另一组走向呈N50度至60°E，倾向为裂隙率K介于2条每米~5条每米之间左岸大部分是细小裂隙，而右岸裂隙大部分较宽。通过查阅资料研究可知，坝址区地震烈度为7度。3.1.3岩性简述作为遍布坝址区最多的岩石——花岗片麻岩。其物理性质如下：花岗片麻岩主要成分有长石、石英，云母次之。其色彩呈灰白色，表现为厚层块状。它具有较大的结晶结构和明显的片麻状构造，片理不发育，经风化作用片理裂隙发育。河床的花岗片麻岩新鲜完整。通过实验可知，位于河床的花岗片麻岩饱和抗压强度介于100兆帕至200兆帕之间。容重等于27千牛每立方米。建议：坝工设计中，取地基弹性模量E=1.0×兆帕,泊松比u=1/5,隧洞设计中，取牢固系数f=4;取弹性抗力系数=1000千牛每立方米。除花岗片麻岩外，坝址地区还存在有角闪石片麻岩。只在坝轴线上游一百多米处露出，露出面积相对较小。其物理性质如下：角闪石片麻岩主要成分是角闪石，长石、黑云母次之，它们在岩石内分布不平衡，会出现富集现象。其色彩呈灰黑色，呈薄层形状，片理清楚。定向排列导致岩石硬软互层，岩石的韧性及耐风化程度相差甚远，饱和抗压强度介于12000000至25000000公升/平方米之间。在坝址区还零散分布着大理石。其物理性质如下：大理岩主要有方解石组成，存在多种颜色，其结晶粗大，饱和抗压强度介于40兆帕至140兆帕之间。其它岩石的饱和抗压强度如下：云母角闪石片麻岩：介于40兆帕至120兆帕之间；云母花岗片麻岩介于30兆帕至100兆帕之间；中性岩脉150兆帕。3.2坝址区水文地质条件坝址周围的泉水露头都是裂隙水,但数量很少。除此之外，还有潜水隐藏一级阶地底部的砂砾石层中，一般这种潜水在地下一米至两米处。通过抽水试验得出渗透系数K值介于21至93米每昼夜之间。总体上地下水流方向正交于河道水流方向，两岸水流流向河床后和主流汇合，一齐流向河段下游。通过化学分析证实,坝址周围的地下水和河水对混凝土无侵蚀性。因为河槽主流周围是背斜地貌轴部，背斜轴部又是构造裂隙最为发育之处。通过试验得出此处单位吸水率介于0.15至1.65公升/min·m·m之间，此处渗漏现象严重,须采取一定的防渗手段。裂隙岩层的单位吸水率随岩层改变不断发生变化。风化层中单位吸水率介于0.025～1.59公升/min·m·m之间；在新鲜基岩中单位吸水率介于0.001～0.041公升/min·m·m之间；在岩脉与岩层接触带中单位吸水率介于2.2～8.6公升/分·米·米之间。这种情况下裂隙岩层具有较强的渗透能力。3.3工程地质评价坝址基岩大体为花岗片麻岩，河床基岩完整坚硬，深色矿物含量少，风化作用弱，坝基良好，可以选择土坝或混凝土坝。因为下游岩石逐渐趋于稳定，花岗片麻岩于垂直方向上的厚度不小于200米，坝轴线越靠近下游，混凝土坝基岩岩性越好。混凝土坝基岩摩擦系数f等于0.65。勘测两岸两个山口作为溢洪道的位置选择，左岸垭口处的花岗片麻岩受风化作用影响较小。通过试验，测得风化层中的单位吸水率值均小于0.08公升/min·m·m。右岸垭口较左岸垭口地质构造复杂，岩石受风化作用影响大，岩石强度低。对于隧洞工程的布置来说，地区地质条件良好。经过综合考虑，右岸地层岩性大致一样，故而在右岸布置隧洞。3.4建筑材料及土基的物理力学性质3.4.1料场概况通过对坝址周围土料展开三次调查后发现，该处主要的建筑材料有重壤土和砂砾料。前者能够投入生产建设的总量约为0.21亿立方米，土区遍布坝上、下游以及左右岸，其中朱毫滩土区、霍宾台土区、尚家湾土区分别占0.04亿立方米、0.06亿立方米、0.07亿立方米；后者能够投入生产建设的总量约为0.2156亿立方米，它们基本存在于坝址上下游的三个料场中。按储藏量高低料场依次为Ⅱ-1场、Ⅱ-2场以及Ⅰ料场，其对应的砂砾料藏量分别为0.1706亿立方米、0.0328亿立方米、0.0122立方米。除此之外，还有大量的砂砾料储藏在坝址周围的阶地和下游5000m区域内。其地形都较为平坦，场地较宽阔，具有较好的开采和运输条件。3.4.2料场及土基的颗粒组成坝料及土基均含有重壤土和砂砾料两种材料，通过实验得出的粒径曲线图可知，各料场土料有机质含量通常在百分之一以下，水溶盐类含量通常在千分之五以下。重壤土土料基本由砂粒、粘粒、粉粒组成。其含量分别为40%、30%、30%，=0.00016厘米,=0.005厘米；=31.25。砂砾料含45%的砂料、40%的砂粒料、15%的粉粒和粘粒料，10%大于0.5厘米的砾石料。3.4.3土料的物理力学性质由实验室提供以下试验综合成果：表3.1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水量W（度）湿容重γ(KN/m3)干容重(KN/m3)饱和度Sr(度)孔隙比e流限WL（度）塑限WP（度）塑性指数IP稠度IL2.722220.416.7950.6336.519.5170.14表3.2坝基重壤土的物理力学指标抗剪强度测定值渗透系数K（M/sec）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φ（度）凝聚力C（MPa）内摩擦角φ（度）凝聚力C（MPa）内摩擦角φ（度）0.3190.282210.295121.5×10-9表3.2坝基沙砾料的物理力学指标比重G天然干容重(KN/m3)抗剪强度指标渗透系数K(M/sec)水上水下摩擦角φ（度）咬合力C（MPa）摩擦角φ（度）咬合力C（MPa）2.64183203004×10-4表3.3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γ(KN/m3)干容重γd(KN/m3)饱和度Sr(%)孔隙比e流限WL(%)塑限WP(%)塑性指标IP稠度IL2.722219.616.1880.6936.519.5170.14表3.4重壤土坝料的物理力学指标含水量W（%）干容重Rd(KN/m3)抗剪强度指标渗透系数K（m/sec）压缩系数α（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φ(º)C(MPa)φ(º)C(MPa)φ(º)C(MPa)φ(º)C(MPa)φ(º)C(MPa)222120191715.516.016.517.011.522252729220.190.218202224250.250.270.30.310.3215171820220.260.280.30.310.32417192022660.30.328.59.51011120.240.2750.280.3160.346×10-85×10-84×10-81×10-87×10-83×10-8表3.5沙砾料坝料的物理力学指标大于5mm的粗颗粒比重G最大于容重γdmax(KN/m3)最小于容重γdmin(KN/m3)实验采用干容重γd(KN/m3)抗剪强度指标渗透系数K（M/sec）水上水下摩擦角φ（度）咬合力C（MPa）摩擦角φ（度）咬合力C（MPa）2.6818.514.4017.029027.504×10-417.53002903×10-418.031.503002×10-419.03303101×10-44枢纽布置4.1枢纽组成根据冀河夹峪水利枢纽的流域规划及枢纽任务，该工程主要由斜墙土石坝（挡水建筑物）、溢洪道（泄水建筑物）、电站厂房（发电建筑物）、引水隧洞（引水建筑物）、放空隧洞（放空建筑物）组成。4.2枢纽工程等别及建筑物级别确定根据冀河流域概况资料，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017），确定枢纽等别和建筑物级别。（1）各分项等级确定根据流域概况基本资料和表4.1可知：水库总库容15.19亿立方米≥10亿立方米，故为Ⅰ等工程，工程规范为大（1）型；电站总装机容量4.8万KW，介于10MW至50MW之间，为Ⅳ等工程，工程规范属于小（1）型；结合防洪任务（保护人口、农田和当量经济）要求，枢纽为Ⅱ工程等别，工程规模属于大（2）型；（2）工程等别确定根据规范要求和该水利水电工程的特性，取各项目指标中最高等别作为该工程的最终等别。故本枢纽工程为Ⅰ等工程，工程规模为大（1）型；（3）水工建筑物的级别确定根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）得永久性水工建筑物级别的划分如表4.2所示。本枢纽工程确定为Ⅰ等工程，故该枢纽中的主要建筑物级别均为1级。（4）永久性水工建筑物洪水标准确定根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）得山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准如表4.3所示。对本次工程中的所有1级永久性建筑物，设计洪水重现期取1000年，校核洪水重现期取10000年。表4.1水利水电工程分等标准工程等别工程规范水库总库容/108m³防洪治涝灌溉供水发电保护人口/104人保护农田/104亩保护区当量经济/104人治涝面积/104亩灌溉面积/104亩供水对象重要性年引水量/108m³发电装机容量/MWⅠ大（1）型≥10≥150≥500≥300≥200≥150特别重要≥10≥1200Ⅱ大（2）型＜10，≥1.0＜150，≥50＜500，≥100＜300，≥100＜200，≥60＜150，≥50重要＜10，≥3＜1200，≥300Ⅲ中型＜1.0，≥0.1＜50，≥20＜100，≥30＜100，≥40＜60，≥15＜50，≥5比较重要＜3，≥1＜300，≥50Ⅳ小（1）型＜0.1，≥0.01＜20，≥5＜30，≥5＜40，≥10＜15，≥3＜5，≥0.5一般＜1，≥0.3＜50，≥10Ⅴ小（2）型＜0.01，≥0.001＜5＜5＜10＜3＜0.5＜0.3＜10表4.2永久性水工建筑物级别的划分工程等别主要建筑物次要建筑物Ⅰ13Ⅱ23Ⅲ34Ⅳ45Ⅴ55表4.3山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准[重现期（年）]项目永久性水工建筑物级别12345设计/[重现期(年)]1000～500500～100100～5050～3030～20校核洪水标准/[重现期(年)]土石坝可能最大洪水(PMF)或10000～50005000～20002000～10001000～300300～200混凝土坝、浆砌石坝5000～20002000～10001000～500500～200200～1004.3坝轴线选择根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274——2020），坝轴线选择应满足以下要求：（1）坝轴线应进行多方案比选，以坝址区地形地质条件、坝基处理方式、坝型、枢纽中各建筑物的布置和施工等内容作为选择的依据；（2）坝址选择应尽可能避开不良地质条件；（3）应采用直线作为坝轴线。如若必须选用折线时，应用曲线将转折处光滑连接。地区的设计地震烈度高达8度或者9度时不宜采用折线。通过对流域地形地质、坝型坝基、施工条件、经济等各方面进行比对，初步选定两种方案，最终选定出最佳的坝轴线。表4.4是两种方案坝轴线的比较方案：表4.4坝轴线方案比较表方案一方案二坝轴线1-1坝轴线2-2坝轴线坝型土质斜墙坝土质斜墙坝地形地质条件1-1坝轴位于河流上游，为河谷收缩段。左岸有一凹形山谷，不利于坝体布置。河床基岩完整坚硬，其岩性越往下游越好，岩石风化层较薄。2-2坝轴线在1-1坝轴线下游侧，坝轴线相较后者短，河谷基岩也更为完整坚硬，两岸山体厚实，岩石风化层薄，利于坝体布置坝基处理坝址左岸为一凹形山谷，两岸山体单薄，增大填筑料和坝基处理工作量两岸为凸形山体，山体厚实，岩性完整坚硬，填筑料和地基处理工作量小枢纽布置坝址区左右岸有两个垭口，左岸垭口可布置溢洪道，右岸垭口有较深的岩石风化，强度较差，可在右岸垭口处布置导流隧洞、引水隧洞、放空隧洞和电站厂房等坝轴线两岸区域均有垭口，右岸垭口可布置引水隧洞和水电站，左岸垭口处可布置溢洪道、放空隧洞和导流隧洞结合工程投资较大较小总工程量较大较小由表4.4中两种坝轴线方案比选结果，方案二较方案一地形地质条件更好，工程投资和总工程量也相对更小，选择方案二坝轴线为最终的坝轴线。4.4调洪演算4.4.1调洪演算的目的（1）通过调洪演算，判断不同工况下的水库水位及其对应的下泄流量是否满足工程的防洪需求；（2）通过调洪演算下泄流量的计算结果，确定溢洪道的泄洪方式及其孔口尺寸。4.4.2调洪演算的基本原理及计算方法跟据《工程水文及水力计算》（第二版），水库的调洪演算是基于水量平衡方程和动力平衡方程条件进行的。水量平衡方程指的是，在某段时间内，水库蓄水量的变化值应等于该段时间内入库水量与库水量差值。水量平衡方程式如式（4.1）所示： （4.1）式中：，——该计算时段的始、末入库流量，；，——该计算时段的始、末出库流量，；，——该计算时段的始、末水库蓄水量，；——计算时段，s。动力平衡方程是指泄洪建筑物的泄流能力与水库库容成函数关系，动力平衡方程式如式（4.2）所示： （4.2）通过联立（4.1）、（4.2）两个方程进行调洪演算，在入库洪水基础上推求水库下泄流量过程。本次调洪演算采取列表试算法，利用Excel进行迭代计算，计算结果精度精确到0.001。4.4.3溢流堰尺寸估算溢流堰孔口宽度溢流堰孔口净宽度可按式4.3初步拟定： （4.3）式中：——满足下游河道防洪标准的最大允许下泄流量，m³/s；——由坝址地质条件确定的允许单宽流量，m³/s。由于缺少工程数据，需对溢流堰孔口宽度进行估算。溢流坝孔口净宽取值在40-50m之间。根据工程经验以及冀河夹峪水利枢纽水库地形图。闸孔一般设计为奇数孔，分别对闸孔设计为5×8、5×9、5×10进行设计计算。结合堰顶高程进行计算。经计算可得三种方案计算结果，最终选取溢流坝孔口净宽为50m。溢流堰堰顶高程计算堰顶高程计算采用设计水位减去相应最大堰顶水头，通过实用堰流量的基本公式得出最大堰顶水头计算公式4.4如下： （4.4）式中：QUOTEQ——允许下泄流量，m3/s，设计工况为5800m³/s，校核工况为9000m³/s；——堰顶水头，m；——初步拟定孔口总净宽，m，取40m（8×5）、45m（9×5）、50m（10×5）分别进行试算；——流量系数，取0.502；——重力加速度，9.81m/s²；——淹没系数，取1.0；——侧收缩系数，根据公式（4.5）计算，其中闸孔数=5，闸孔净宽分别取8m、9m和10m进行试算，边墩系数=0.7，中墩系数=0.45，为堰顶水头。联立式4.4、式4.5进行迭代计算，分别对孔宽40m、45m、50m进行计算。计算结果如表4.5、4.6所示。为减少开挖量，最终选定溢流堰孔口尺寸为10m×5，溢流堰孔口净宽为50m，为宽浅式闸门。取堰顶高程为186.4m。表4.5溢流堰堰顶高程计算表（设计工况）设计工况：流量Q=5800m³/s净宽B=40净宽B=45净宽B=50堰顶水头侧收缩系数堰顶水头计算公式计算堰顶水头侧收缩系数堰顶水头计算公式计算堰顶水头侧收缩系数堰顶水头计算公式计算1.00000.99000016.31551.00000.99000015.08341.00000.99000014.060316.31550.83684518.249915.08340.84916616.708114.06030.85939715.450918.24990.81750118.536716.70810.83291916.924715.45090.84549115.619918.53670.81463318.580216.92470.83075316.954115.61990.84380115.640718.58020.81419818.586816.95410.83045916.958115.64070.84359315.643318.58680.81413218.587816.95810.83041916.958615.64330.84356715.643618.58780.81412218.587916.95860.83041416.958715.64360.84356415.643718.58790.81412118.588016.95870.83041316.958715.64370.84356315.643718.58800.81412018.588016.95870.83041316.958715.64370.84356315.6437设计堰顶高程183.4120设计堰顶高程185.0413设计堰顶高程186.3563表4.6溢流堰堰顶高程表（校核工况）校核工况：流量Q=9000m³/s净宽B=40净宽B=45净宽B=50堰顶水头侧收缩系数堰顶水头计算公式计算堰顶水头侧收缩系数堰顶水头计算公式计算堰顶水头侧收缩系数堰顶水头计算公式计算1.00000.99000021.86811.00000.99000020.21661.00000.99000018.845321.86810.78131925.606420.21660.79783423.344818.84530.81154721.515525.60640.74393626.457223.34480.76655223.975721.51550.78484522.000826.45720.73542826.660823.97570.76024324.108122.00080.77999222.091926.66080.73339226.710224.10810.75891924.136222.09190.77908122.109226.71020.73289826.722124.13620.75863824.142122.10920.77890822.112426.72210.73277926.725124.14210.75857924.143422.11240.77887622.113026.72510.73274926.725824.14340.75856624.143722.11300.77887022.113226.72580.73274226.725924.14370.75856324.143722.11320.77886822.113226.72590.73274126.726024.14370.75856324.143722.11320.77886822.113226.72600.73274026.726024.14370.75856324.143722.11320.77886822.1132校核堰顶高程176.2740校核堰顶高程178.8563校核堰顶高程180.88684.4.4调洪演算方案及计算成果调洪演算方案方案一：溢流堰净宽B=50m，堰顶高程186.4m；方案二：溢流堰净宽B=50m，堰顶高程180.9m。调洪演算计算结果表4.7调洪演算方案计算结果对比表方案计算工况堰顶高程m溢流前缘总净宽m最高洪水位m最大下泄流量m³/s方案一设计洪水186.450199.794736.83校核洪水186.450202.926423.80方案二设计洪水180.950196.915557.70校核洪水180.950200.267402.31根据流域基本资料可知：设计工况下的最高洪水位为202.0m，校核工况下最高洪水为203.0m。对应最大下泄流量分别为5800m³/s和9000m³/s。表4.5中方案一和方案二两种工况的最高洪水位和最大下泄流量计算结果均在枢纽防洪任务要求内，均可采用。但是相较方案二，方案一堰顶高程较高，能够有效减少工程量，缩短工程时间；而且堰顶闸门能够很好满足宽浅式闸门准则。综合上述考虑，选择方案一作为调洪演算结果。图4.2和图4.3分别方案一的调洪过程线。图4.2方案一设计洪水调洪演算过程线图4.3方案一校核洪水调洪演算过程线通过调洪演算，在方案一设计工况下，溢洪道下泄流流量=4736.83m³/s，对应下游水位148.89m；校核工况下，溢洪道下泄流流量=6423.80m³/s，对应下游水位149.35m；正常蓄水位对应的下游水位146.30m。4.5枢纽布置方案4.5.1建筑物选择坝型选择挡水建筑物的坝型主要有重力坝、拱坝和土石坝。其中土石坝具有以下优点；适合在多种地形地质和气候条件下修建；可就地取材；土石坝可以大幅度的缩短工期和降低造价；土石坝的设计计算方便；机械化和自动化的发展加快了施工速度；施工导流简单。由于该工程坝址地貌不对称，不适合修建拱坝；坝址附近区域有几处储量较大的料场，相比修建重力坝，修建土石坝更为经济方便。因此最终选定土石坝作为该枢纽的挡水建筑物。（2）溢洪道坝址左右两岸各有一垭口，左岸垭口较右岸垭口岩石风化较浅，岩石更为坚硬完整。因此将溢洪道布置在左岸垭口处。（3）水电站土石坝不适合采用坝前、坝后式水电站，故本枢纽采用引水式水电站，引水建筑物为引水隧洞。4.5.2枢纽布置方案选择方案一：在左岸垭口布置溢洪道、放空隧洞和导流隧洞；坝址右岸布置水电建筑物（包括引水隧洞、水电站厂房）。方案二：在左岸天然垭口处布置将溢洪道、水电建筑物（包括引水隧洞、水电站厂房）；坝址右岸布置放空隧洞和导流隧洞。坝址处左右两岸垭口均可布置溢洪道。但是位于左岸垭口处的花岗片麻岩风化较浅；右岸垭口的地质构造复杂，岩石风化较深，强度相对较差，但右岸地层岩性较左岸更为一致，右岸布置放空隧洞工程更好。又因为电站厂房布置时应注意与其他建筑物的位置关系避免互相干扰，放空隧洞泄水时会对电站尾尾水位造成影响。因此将电站厂房布置在放空隧洞异侧，即坝址右岸。综合上述因素，选择方案一作为最终枢纽布置方案，即左岸布置溢洪道、放空隧洞和导流隧洞，右岸布置引水隧洞和电站厂房。枢纽布置图如图4.4所示：图4.4枢纽布置图5土石坝设计5.1土石坝坝型选择土石坝坝型选择依据包括坝址周围的筑坝材料、地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理、抗震要求等因素。应选择集中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，最后选定技术可靠，经济合理的坝型。碾压式土石坝可分为均质坝、土质防渗体分区坝、非土质材料防渗体坝。

（1）均质坝：基本上是通过单一均匀的粘性涂料浇筑，没有防渗体、坝壳之分；（2）土质防渗体分区坝：坝的主体采用防渗性能较差的土料，防渗体体则采用防渗性能好的粘土料。粘土防渗体可分为粘土心墙和粘土斜墙。前者布置在坝体中央或者稍微靠近上游坝坡，两端略微倾斜；后者倾斜布置在坝体上游部位，常见于高坝或中坝。（3）非土料防渗体坝。坝体包括坝壳与防渗体两部分，但防渗体材料为\t"/hyjd/20180719/_blank"沥青混凝土、钢筋混凝土或他人工材料。根据本次毕设设计的要求，采用土质斜墙坝。斜墙与坝壳之间的施工干扰相对较小，方便调配劳动力和缩短工期。5.2土石坝剖面设计土石坝剖面设计内容包括坝顶高程设计、坝顶宽度设计、坝坡设计、坝体防渗设计、坝体排水设计。5.2.1坝顶高程设计根据规范《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2020）可知，坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应当按照以下运用条件计算，选取其中最大值：（1）设计洪水位加上正常运用条件的坝顶超高；（2）正常蓄水位加上正常运用条件的坝顶超高；（3）校核洪水位加上非常运用条件的坝顶超高；（4）正常蓄水位加上非常运用条件的坝顶超高，再按规范规定加地震安全加高。本设计过程坝顶高程按1（设计情况）和3（校核情况）计算，取两者的最大值作为坝顶高程参考标准。坝顶超高按式5.1确定： （5.1）式中：——坝顶超高，m；——最大波浪在坝坡上的爬高，m；——最大风雍水面高度，m；——安全加高，m。波浪爬高计算根据中国水利水电科学研究院推荐的计算波浪在坝坡上的爬高的经验公式（5.2）确定： （5.2）式中：——设计波高，m；——坝坡坡率，因斜墙坝坡较缓，初步拟定取3.0；——坝坡护面糙率，采用浆砌石并勾缝作为本次设计的坝坡护面糙率，坝坡护面糙率为0.025。其中，设计波高采用官厅水库公式计算，该公式适用于山区峡谷水库，吹程1-13km，风速4-16m/s，深水波，公式（5.3）如下： （5.3）式中：

——设计波高，m；——为库面上的风速，，在正常蓄水位和设计洪水位情况下，宜采用对应洪水期多年平均最大风速1.5～2.0倍。本次设计中，设计工况取1.5，校核工况取1.0；——为库面的波浪吹程，，取4km。风雍高度计算最大风雍水面高度计算公式如式5.4所示： （5.4）式中：——综合摩阻系数，不同研究者建议K值有所不同，一般取值范围为，本次设计取；——设计风速，，取12；——吹程，，取4；——水库水域的平均水深，；——风向和坝轴线法线的夹角，°(因为风雍高度e很小，风向难以确定，为安全和计算取最大值，即=0°)。安全加高表5.1安全加高值坝的级别1234、5设计1.501.000.700.50校核山区、丘陵区0.700.500.400.30平原、滨海区1.000.700.500.30根据表5.1及本工程实际情况，该枢纽工程为Ⅰ级工程，土石坝是Ⅰ级建筑物，坝址是山区地貌。故安全加高在设计情况下取1.50m，校核情况下取0.70m。坝顶高程计算表如下：表5.2坝顶高程计算表设计情况校核情况河底高程/m140.5140.5上游水位高程/m199.79202.92水库平均水深/m59.2962.42风速V/(m/s)18（1.5）12吹程D/km44设计波高/m0.980.59坝坡坡率m3.03.0坝坡护面糙率n0.0250.025风向与坝轴线的夹角/（°）00波浪爬高R/m0.570.34风雍高度e/m0.001780.00169安全加高A/m1.50.70坝顶高程/m201.86203.96从表5.2得，校核情况的坝顶高程的计算结果较设计情况下的坝顶高程大，故土石坝的坝顶高程最终结果确定为204.0m（不考虑沉降超高）。5.2.2坝顶宽度根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274——2020），坝顶宽度的确定，应综合考虑构造、施工、运行和抗震等因素。一般情况下，坝高超过70m的坝顶宽度可取10～15m，坝高低于70m的坝坝顶宽度可取5～10m。该土石坝高度为204-140.5=63.5m，介于30m至70m之间，属于中坝。考虑到斜墙顶部反滤层、过渡层的布置、上游护坡设计以及坝顶的通行需求，本次设计直接取坝顶宽度B=10m。5.2.3坝坡一般情况下，三种坝型陡峭程度依次为心墙坝、斜墙坝和均质坝。影响坝坡确定因素有很多。通常参考已建工程项目建设经验选用坝坡坡度，然后通过稳定计算分析选用坝坡是否符合要求。土石坝坝顶高度较大时，可以在坝坡设置马道，马道之间高差介于20～30m之间。坝坡坡率从坝顶到坝底依次增大。马道要根据坝面排水、检修、观测、增加坝基和护坡稳定等要求进行设计，其宽度应超过1.5米。根据上述原则，参考已建工程项目经验，本设计上游坝坡不设马道,从坝顶到坝底取单一坡率，坡度为1：3.0；下游坝坡设二级马道，其高程分别为162m和183.0m，马道宽度取2m。上游坝坡到排水棱体顶部高程坡度分别为1:2.25、1:2.5和1:2.75。5.2.4细部构造设计防渗体构造本次设计采用重壤土斜墙作为防渗体，根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274——2020），土质防渗体断面应当满足渗透比降、下游浸润线以及渗透流量的要求。防渗体斜墙从顶部到底部逐渐变宽，顶部的水平宽度取值应在3.00m以上；底部厚度应超过水头的1/5；正常运用情况下防渗体顶部超高按表5.3取值；非常运用情况下，防渗体顶部高程取值应在对应情况的静水位之上，并且应该将风浪爬高高度的影响进行核算检查；如若在防渗体最上端设计防浪墙，防渗体高程只需满足在正常运用静水位高程以上即可。表5.3正常运用情况下防渗体顶部超高防渗体结构形式超高/m防渗体结构形式超高/m斜墙0.60—0.80心墙0.30—0.60根据上述原则，拟定防渗体高程：本次设计坝顶设防浪墙，取坝顶超高取0.8m，设计洪水位条件下的静水位199.79m，防渗体高程为199.79+0.8=200.59m。最终取防渗体高程为200.7m。顶部保护层一般取1.5~2.5m，本次设计中取2.0m。防渗体的顶部宽度取4.0m，斜墙防渗体上游坝坡坡度取1：2.5，下游坝坡坡度取1：2.0。经计算，斜墙底部厚度为30.10m。土石坝剖面简图如图5.1所示。图5.1土石坝剖面简图反滤层和过渡层根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274——2020），反滤层的设计应根据坝址地区的材料性能，库水位变化情况进行设计，包括反滤层级配和层数的计算以及方案的比选。每一层反滤层厚度的确定都应综合考虑材料的级配、来源、用途以及施工方法。由于冀河夹峪水利枢纽基本资料中并未给出详细的土料颗粒级配信息，无法进行反滤层级配和层数的计算。参考已建项目工程信息对防渗体斜墙和下游排水棱体进行反滤层设计。具体设计结果如下：（1）防渗体的反滤层设计第一层用厚30cm的细砂反滤，第二层用厚40cm的粗细砂反滤。（2）排水棱体的反滤层设计第一层为40cm厚的细砂反滤层；第二层为50cm厚的粗砂反滤层。坝体排水设施布置在土石坝中，浸润性过高、孔隙水压力过大、渗流的运动方向均会导致坝体发生渗透破坏，为保护坝坡稳定，需要在土石坝中布置坝体排水。坝体排水一般包括棱体排水、贴坡排水、坝内排水和综合型排水。由设计资料的工程地质条件可知，坝址周围存在有大量完整坚硬的岩石可供使用，选择排水棱体作为坝体的排水设施。棱体排水又称滤水坝趾，适用于下游有水的坝。它能很好降低浸润线，保护坝坡和坝脚，防止发生渗透破坏。排水棱体顶部留有一定宽度，方便大坝观测检修以及维护坝体稳定。棱体顶部高程相比下游最高水位与波浪爬高之和有一定的超高，对1、2级坝来说，该超高1、2级大于1.0m。由4.4中调洪演算结果得，校核工况时上游有最高水位202.92m，相应下游最高水位为149.35m。取排水棱体顶部超高1.15m。则堆石棱体坝最终高程为149.35+1.15=150.5m。参考其他工程建设经验，堆石棱取1：1.0为内坡坡度，取1：2.0为外坡坡度，棱体顶部顶宽取2.0m。排水棱体构造图如图5.2所示。图5.2排水棱体细部构造图护坡设计土石坝对上下游坝坡进行护坡设计能够有效预防风浪、冰层、水流对上下游坝坡得破坏作用。除此之外，护坡设计还能保护粘性土避免发生冻结、膨胀和收缩。护坡设计得材料应该选择当地富藏的材料，应因地制宜。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274——2018），上游护坡包括堆石、干砌石、浆砌石、预制或现浇的混凝土或钢筋混凝土板、沥青混凝土护坡等形式，下游护坡包括干砌石、堆石、卵石或碎石、草皮、钢筋混凝土框格填石护坡等形式。本次设计中上游采用浆砌石、碎石和粗砂垫层进行护坡设计，浆砌石厚度45cm，碎石和粗砂垫层厚30cm；下游采用干砌石进行护坡设计，取干砌石厚30cm。护坡细部构造图如图5.3所示。图5.3护坡细部构造图坝面排水设计坝顶坝面排水设计主要是为了防止雨水的冲刷作用。根据规范，在坝顶没有防浪墙时，坝顶做成拱背状，依靠坝顶形状将坝顶水流排往上下游。坝顶设有防浪墙时，应将坝顶坡面做成向下游的倾斜面，坡度介于2%~3%之间。本设计中坝顶设有超高为1.0m的防浪墙，因此采用后者作为坝顶设计方案，坡度取2%。坝顶路面采用30cm厚的沥青混凝土垫层和30cm厚的碎石垫层。坝顶细部构造图如图5.4所示。图5.4坝顶细部构造图5.3筑坝材料选择和填筑要求根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274——2020），应根据SL251和SL237有关规定经行筑坝土石料调查和土工试验，查明坝址周围天然土石料的性质、储藏和分布。建筑材料的选择综合考虑工程的自身性质、坝址周围储藏的材料以及材料的开采、运输和加工是否方便。5.3.1防渗体材料设计根据第3章中土料的物理力学性质，经计算得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，设计干容重按式5.9计算： （5.9）式中：——设计干容重，KN/m³；——平均最大干容重，多组击实试验平均；——压实系数，根据工程实际与规范要求，m取1.0。经计算，设计干容重为12KN/m³，设计中最优含水量为19％。 （5.10）式中：——土粒比重；——压实土的含气量，本设计中取0.04。计算得=1.72g/cm³，故满足要求。设计干容重还应当用下式作校核： （5.11）式中：——设计干容重，KN/m³；——土场自然干容重，KN/m³。根据资料，已知=16.1KN/m³，本设计中=17KN/m³，故满足要求。防渗土料的设计结果如表5.4所示：表5.4斜墙防渗土料计算表土粒比重最大干容重（KN/m³）最优含水量（％）设计干容重（KN/m³）塑限（％）塑限指数（％）设计含水量（％）2.7217.2191719.51719天然含水量（％）孔隙比e湿容重（KN/m³）浮容重（KN/m³）内摩擦角粘聚力c（）渗透系数k（cm/s）220.6020.2310.752坝壳填料设计坝体坝壳料的主要作用是保证坝体稳定，因此对坝壳料的强度要求较高。相对密实度是坝壳砂砾料填筑的设计指标，其相对密度计算公式为： （5.12） （5.13） （5.14）式中：——水的容重；——土料的比重；———土体的最大孔隙比；——土体的最小孔隙比；——设计压实标准下的孔隙比；——土料的最大干容重；——土料的最小干容重。联立式5.12、5.13、5.14计算得坝壳砂砾料的相对密度如表5.5所示。表5.5坝壳填料计算表大于5mm的粗颗粒比重最大于容重(KN/m3)最小于容重(KN/m3)实验采用干容重(KN/m3)抗剪强度指标渗透系数K（M/sec）相对密度水上水下摩擦角φ（度）咬合力C（）摩擦角φ（度）咬合力C（）2.6818.514.4017.029027.504×10-40.6917.53002903×10-40.8018.031.503002×10-40.9019.03303101×10-41.09根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274——2020）可知，砂砾石的相对密度应该在0.75以上，地震区的相对密度设计标准应符合GB51247。根据上表计算结果，相对密度为0.69＜0.75的土料不符合规范要求，由于坝址区域地震烈度为7度，相对密度0.80的土料也并不安全。余下的两种涂料中，综合考虑经济技术条件，最终坝壳砂砾料采用相对密度等于0.90的土料。表5.6坝壳填料参数表土粒比重最大干容重（KN/m³）最小干容重（KN/m³）设计干容重（KN/m³）设计含水量（％）孔隙比e2.6818.514.418.018.240.49湿容重（KN/m³）浮容重（KN/m³）水上内摩擦角（°）水下内摩擦角（°）粘聚力c（）渗透系数k（cm/s）20.711.2831.53005.4渗流计算渗流计算的目的是使坝型、结构尺寸以及防渗和排水设施的布置更为经济合理。本次设计中渗流计算内容主要是确定确定坝体浸润线、确定坝体渗流量，以及估算水库渗漏量。5.4.1渗流计算的基本假定、计算条件及其简化渗流计算的基本假定（1）土体中渗流流速不大且处于层流状态、渗流服从达西定律，；（2）发生渗流量时土体孔隙尺寸不变，饱和度不变，渗流为连续，对于任一单元，入流等于出流。渗流计算的计算条件渗流计算应包括以下水位组合情况：

（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的水位；（3）上游校核洪水位与下游相应的水位；（4）库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。取（1）、（2）、（3）作为本次渗流计算的计算内容。由第4章调洪演算计算结果可得，正常蓄水位191.8m，对应下游水位146.30m；设计洪水位199.79m，对应下游水位148.89m；校核洪水202.92m，对应下游水位149.35m。渗流计算条件的简化本次设计中，防渗体斜墙采用渗透系数为的重壤土，坝壳材料采用渗透系数为的砂砾料。两种土料渗透系数相差近10000倍，可以把斜墙看作相对不透水层。5.4.2渗流计算本次设计中，按透水地基上有截水墙的斜墙坝进行渗流计算。计算简图如图5.5所示。图5.5渗流计算简图渗流计算公式通过坝体和坝基的渗流量按下列公式计算： （5.15） （5.16）式中：，——分别为上游水深和下游水深；，——分别为斜墙和截水墙的渗透系数；，——分别为坝体和坝基的渗透系数；——斜墙的平均厚度，；——截水墙的平均厚度；——斜墙内边坡（下游边坡）的坡脚，本设计中为；——从斜墙的内边坡坡脚到下游水面与排水体上游坡交点的水平距离，；——从浸润线与斜墙下游边坡交点处到下游水面与排水体上游坡交点的水平距离；——坝身浸润线与斜墙内边坡交点处的浸润线高度；——浸润线与斜墙内边坡的交点到上游水深与斜墙上游边坡交点的竖直距离；——上游水面与斜墙相交处的斜墙厚度；——透水地基厚度，12m。联立式（5.15）和式（5.16），即可求得和。溢出水深及单宽流量的计算计算断面取河床最低处断面。计算工况选择正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位的稳定渗流期。正常蓄水位情况上游水深，下游水深，经计算得；设计洪水位情况上游水深，下游水深，经计算得；校核洪水位情况上游水深，下游水深，经计算得。总渗流量的计算总渗流量计算公式为 （5.17）式中：——大坝沿轴线长；——考虑到坝宽、坝厚和渗流量沿坝轴线不均匀性的折减系数，取0.8，根据地形图得到近似为2010m。不同工况下的总渗流计算结果如下：（1）正常蓄水位情况；（2）设计洪水位情况（3）校核洪水位情况浸润线方程 （5.18）正常蓄水位情况浸润线方程：；设计洪水位情况浸润线方程：；校核洪水位情况浸润线方程：5.5稳定计算作为土石坝剖面设计和坝体安全的重要依据，稳定分析是否可靠决定了土石坝是否安全经济。至今人们对土的认识还不够充分，因此在稳定分析过程中，在许多方面还需依靠工程经验。5.5.1手算手算计算方法采用瑞典圆弧法作为手算的计算方法。假设滑动面是一个圆弧，安全系数K为土条在滑裂面上的抗滑力矩和滑动力矩的比值。将滑动面上的土体划分为若干铅直土条，忽略土条间相互作用力的影响，计算出作用于各土条底面的切向力和法向力，最后求出稳定安全系数K。手算计算公式瑞典圆弧滑动法的计算公式为： （5.20）式中：——下标，代表土条编号；——第块块土条重量，浸润线以上坝体用天然容重，以下用浮容重，因浸润线与下游水位相近，故近似取浸润线为下游水位水平线（同上），；——第块土条重量，浸润线以上按天然容重计算；浸润线以下，下游水位以上用饱和容重计算，下游水位以下用浮容重计算，；——第块土条沿滑裂面的长度，m；

——第块土条沿滑裂面的坡角；——总应力抗强度指标。圆弧面选择在稳定计算的手算过程中，选择选择坝剖面上游顶点作为滑动面起点，选择排水棱体外坡最低点作为滑动面终点，滑动面半径R取200m，从左往右依次对滑动面上的土条进行编号，依次为1，2，3，……，9，10。滑动面选择如图5.6所示。图5.6稳定分析简图计算工况选择本次设计手算只计算一种工况：上游正常高水位+下游相应低水位。计算过程及结果表5.7稳定分析手算计算表土条编号12345678910水上面积A1129.55268.32337.86375.45392.77372.02284.91190.0891.056.5水下面积A2000002.9649.7692.42111.3473.19水上2681.75554.26993.77771.88130.37734.26458.94977.23140.7960.1水下2681.75554.26993.77771.88130.37734.26458.94977.23140.7960.14438322621161161-30.69470.61570.52990.43840.35840.27560.19080.10450.0175-0.0520.71930.78800.84800.89880.93360.96130.98160.99450.99980.998631.531.531.531.531.531.5303030300.61280.61280.61280.61280.61280.61280.57740.57740.57740.57741.27000000000190000000000241.30000000001423.42682.13634.54280.64651.44555.93660.62857.81813.0553.61862.93419.53706.13406.92913.72131.81232.4520.354.8-电算电算程序电算程序采用GEO-SLOPE中的SLOPE/W进行下游坝坡的稳定分析。采用Bishop法和Morgenstern-Price法。包括正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位三种计算工况。坝坡抗滑稳定安全系数的值满足表5.8中数值要求。表5.8坝坡抗滑稳定最小安全系数运用条件工程等级1234、5正常运用条件1.501.351.301.25非常运用条件Ⅰ1.305非常运用条件Ⅱ.2电算方案（1）正常运用条件：正常蓄水位稳定渗流期的下游坝坡稳定；（2）正常运用条件：设计洪水位稳定渗流期的下游坝坡稳定；（3）非常运用条件：校核洪水位稳定渗流期的下游坝坡稳定；电算过程三种计算方案电算滑弧范围相同，具体范围见表5.9表5.9滑弧范围表计算方案弧顶范围弧脚范围正常蓄水位(153.9,191.8)m-(233.2,191.8)m(363.25,140.5)m-(370,140.5)m设计洪水位(153.9,191.8)m-(233.2,191.8)m(363.25,140.5)m-(370,140.5)m校核洪水位(153.9,191.8)m-(233.2,191.8)m(363.25,140.5)m-(370,140.5)m电算结果根据三种方案计算得到的各种工况下最危险滑弧面，其最小安全系数见表5.10。相应情况下的最危险滑弧分别见图5.7～5.9。表5.9最危险滑弧面安全系数表计算工况Morgenstern-Price法Bishop法正常蓄水位1.6411.639设计洪水位1.6251.623校核洪水位1.6211.6195.7正常蓄水位最危险滑面简图图5.8设计蓄水位最危险滑面简图图5.9校核蓄水位最危险滑面简图上述三种计算方案最危险滑弧面的安全系数均大于表5.9要求值，故本工程的坝坡抗滑稳定满足要求。6溢洪道设计6.1溢洪道位置及型式选择6.1.1洪道位置选择根据《溢洪道设计规范》（SL-253-2018），溢洪道的布置应根据地形、地质、枢纽布置、坝型、施工、生态与环境、运行管理及经济指标等因素，经经济技术比较选定。根据第四章枢纽布置方案可知：坝址左岸存在有接近一堰顶高程的天然垭口，左岸天然垭口处覆盖层比较薄，地质条件好，两岸山体整体稳定，因此可在坝址左岸天然垭口处布置溢洪道，采用岸边溢洪道形式。岸边溢洪道一般采用地面开敞式的结构特点，泄水能力与库水位的1.5次方成正比，超泄能力较大，洪水翻坝漫顶可能性较低。常在堰顶设置表孔闸门以增大水库的调洪能力以及方便调度运行。除此之外，岸边开敞溢洪道还有便于检查、安全可靠的特点，加之其充分利用天然地形，进而可以减少开挖量。岸边溢洪按流态可分为正槽溢洪道、侧槽溢洪道、井式溢洪道和虹吸溢洪道。根据本工程实际，参考各种形式溢洪道的优缺点和适用条件，坝址左岸存在有接近一堰顶高程的天然垭口，能够减少土石开方。因此本工程在左岸垭口处建造结构简单、水力条件好的正槽式溢洪道。6.2进水渠正槽式溢洪道分别由进水渠、控制段、泄槽、消能防冲段和出水渠构成。溢洪道的开始部分为进水渠。进水渠的主要作用是将水库中的水平稳水平的引至溢流堰前。进水渠的水流条件不仅影响泄流量及控制段的均匀泄流，而且还影响着泄槽的水流流态。因此，要求沿进水渠轴线方向进水流畅、水流平稳、均匀入渠。 根据《溢洪道设计规范》（SL-253-2018），进水渠的设计流速应大于悬移质不淤流速，小于渠道不冲流速，且水头损失小。在渠道设计流速宜采用3~5m/s。根据最大流量拟定渠道断面，使得渠水流速度符合要求，并且断面的过水流量大于控制段面的过水流量。进水渠通常采用平坡或者逆坡，进水渠终点渠底高程应比堰顶高程低0.5倍溢流堰定型设计水头，，本次设计中取=14m，初步拟定渠底高程为179m，渠底底坡为平坡，渠底宽度取70m。渠底采用厚为0.3m的混凝土衬护。进水渠的断面形状在岩基上可采用矩形或者梯形。新鲜岩石上的进水渠边坡一般为1:0~1:0.3；风化岩石上的边坡一般为1:0.5~1:1.0。资料中说明左岸垭口岩石风化情况不太严重，故边坡初步设计时取1：0.5。断面形状取梯形。根据调洪演算结果可知，最高水位为202.92m，对应下泄流量6423.80m³/s，此时进水渠流速计算结果满足渠道设计流速范围3~5m/s。过程如下：为了保证土石坝安全稳定不受溢洪道影响，应在溢洪道穿过土石坝的两侧修建挡土墙。根据挡土墙的设计要求，挡墙顶部宽度为挡墙高度H的1/12，挡墙底部宽度为（0.5～0.7）H。本设计中拟定挡墙顶部宽度为2m，底部宽度为8m。6.3控制段设计溢洪道的控制段是控制溢洪道泄流能力的关键部位。包含溢流堰、工作桥、交通桥、闸门和闸墩等，是控制溢洪道泄流能力的关键部位。6.3.1溢流堰溢流堰的堰型选择溢洪道通常选用实用堰、宽顶堰、驼峰堰等型式。（1）宽顶堰的结构简单，有利于施工，对承载力较差的地基适应性强。但流量系数较低（0.32～0.385），一般应用在下泄流量较小或者地形平缓的小型工程。（2）实用堰的流量系数较大，相对工程量较小，但是结构较复杂，施工难度大。实用堰多适用于岸坡较陡的大中型工程。设计时应优先采用超泄能力较大的开敞式实用堰。（3）驼峰堰是中国从工程实践中总结出来的，其流量系数可达0.42以上，但驼峰堰目前没有确定的剖面，设计时也需要进行水工实验。根据调洪演算结果可知，本工程洪峰下泄流量较大，加之有较好的地形条件，故溢流堰选择开敞式实用堰。堰顶高程、溢流前缘净宽及闸孔宽度根据4.4.3中溢流堰尺寸计算结果可知：溢流堰堰顶高程为186.40m，溢流堰前缘净宽为50m。其中，单孔净宽10m，共5孔，堰面曲线设计根据《溢洪道设计规范》（SL-253-2018），采用幂曲线作为本次设计溢流堰堰面曲线型式。开敞式堰面曲线原点上游有椭圆曲线、双圆弧曲线和三圆弧曲线三种型式。本设计采用三圆弧曲线，上游堰面铅直。开敞式堰面堰顶下游堰面WES幂曲线按公式（6.1）计算： （6.1）式中：——堰面曲线定型设计水头，（对于上游堰高的高堰，取，对于的低堰，取，为校核流量下的堰上水头），本次设计中，=202.92-186.4=16.52m，取=14m；——原点下游堰面曲线横纵坐标；——与上游堰坡有关的指数，取1.85；——与的值有关，取2.0。堰顶上游三圆弧半径及水平控制长度计算如下：=0.5×14=7m=0.2×14=2.8m=0.04×14=0.56m=0.175×14=2.45m=0.276×14=3.864m=0.282×14=3.948m以堰顶顶点为坐标原点，下游堰顶方程为，WES标准堰面基本坡面还满足，故可计算出堰顶下游堰面曲线终点的坐标为：x=0.85×14=11.9，y=0.37×14=5.18m。根据下游堰顶方程可计算曲线末端直线段斜率如下：将k=0.81转换为坡度为1：1.24。实用堰采用反弧与下游底板相连接，下游反弧半径一般取4.584~11.46m，最终取R=10m。其坡面简图如图6.1所示：图6.1WES堰剖面简图6.3.2闸门设计为了能够按照要求开启或局部开启孔口，以达到调节流量和上下游水位、宣泄洪水、船只航运、泥沙排放等作用，需要设置水工闸门。本次溢洪道设计5个闸孔，根据《水工设计手册》可知，有检修必要。需在每个闸孔设置一道工作闸门和检修闸门。平板式和弧形式是常用的闸门型式，其优缺点如下：平板闸门的优点：所占顺水流方向空间尺寸小；结构简单，施工方便；检修和运行方便；需要的启闭设备简单。缺点是：需要的工作桥高度和闸墩厚度大；需要设置门槽；所需启闭力较大。弧形闸门的优点是：需要的工作桥高度和闸墩厚度较小；一般不设置影响水流流态的门槽；需要的启闭力小。缺点是：所需闸墩较长；运行和检修不便；结构复杂。工作闸门一般在动水中启闭，所需启闭力大。在本次溢洪道设计中，由于溢流道孔口尺寸较大，相较平板闸门，选择弧形闸门钢筋用量会大大增加。因此本次设计中工作闸门和检修闸门均采用平板闸门。工作闸门顶部高程为为“正常高水位+安全超高”。工作闸门顶部高程一般超过正常蓄水位1.0～1.5m，本设计取超高1.4m。为了有利于压低泄流水舌和减少堰面出现负压的机会，工作闸门底部设置在堰顶最高点的下游侧（0.1～0.2）处。本次设计闸门落点位置设在堰顶下游0.1=1.4m处。经计算可知闸门顶部高程为191.8+1.4=193.2m，闸门高度为193.2-186.4=6.8m。依据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-2013）规定，两道闸门之间的最小净距应满足门槽混凝土强度与抗渗、启闭机布置与运行、闸门安装与维修和水力学条件等因素的要求，且不宜小于1.50m，本次设计取3.0m。综合上述内容以及4.4中溢洪道尺寸拟定结果。最终闸门尺寸拟定如下：溢流堰闸孔单孔孔净宽10m，共5孔，溢流堰净宽为50m，堰顶高程为186.4m。工作和检修闸门采用平板闸门，高度均为6.8m，闸门厚度均取1.0m。6.3.2闸墩设计闸墩的作用是分隔闸孔、支撑闸墩上部结构重量、承受传递水压力。闸墩将闸门、胸墙以及闸墩本身挡水所承受的水压力传递给底板。闸墩的修建的原则：应当使水流平顺，减少孔口水流的侧收缩。一般采用上游为半圆形、下游为流线型或尖角形的闸墩。闸墩的厚度应根据强度和稳定条件确定。闸墩厚度，对于中间闸墩厚度一般为孔径的1/7～1/8，边墩厚度约为1/10～1/11。闸墩的长度一般由上部结构的布置要求决定，闸墩厚度除满足结构安全外，还应注意与闸的整体外形相协调。根据所给资料，初步选定闸墩的长度为20m，闸墩厚度为2.5m，边墩厚度取1.25m，工作闸门门槽深0.6m，门槽净宽1.0m。此外，为了提高闸室的稳定性，对中间闸墩进行分缝设计，分缝距离不宜超过20cm。本次设计中在中墩轴线处设置15cm分缝。故溢流堰前缘总宽度=5×10+4×2.5+4+2×1.25+4×0.15=63.1m。闸墩细部构造图如图6.2所示：图6.2闸墩细部构造图根据设计规范，闸墩及岸墙顶部高程应取一下三种工况的最大值：（1）在校核洪水情况下，高程应大于等于校核洪水位与安全加高值之和；（2）在设计洪水情况或者正常蓄水位情况下，高程应大于等于设计洪水位或正常蓄水位加波浪计算高度和安全加高值；（3）溢洪道紧靠坝肩时，控制段顶部高程应与大坝坝顶高程协调；本次设计中闸墩高程与土石坝坝顶高程通告，取204.0m。6.3.4收缩段设计溢洪道的收缩段设计，是指在保证泄流流量要求的情况下，适当地减少泄槽断面面积，提高泄槽断面流速，从而达到减少泄槽工程开挖量的目的。本次设计中初步选定收缩段，收缩后断面宽度取50m，又因为溢流堰前缘宽度为63.1m。则收缩段长度为（63.1-125）/0.06=131.4m依据设计规范，泄槽边墙收缩（扩散）角可按经验公式6.4确定： （6.4）式中：——泄槽中心线和收缩（扩散）段边墙夹角，°；——收缩（扩散）段开始、结束断面的平均弗劳德数；——收缩（扩散）段开始、结束断面的平均水深，m；——收缩（扩散）段开始、结束断面的平均流速，m/s；——经验系数，取3.0。通过实用堰流量公式计算得=6267.5m³/s，进而可以算出堰顶的过水断面平均流速为=6267.5/（202.92-186.4）/50=7.59m/s。建立堰顶断面和收缩断面的能量方程 （6.5）上述的实用堰流量公式已将局部水头损失考虑在内，因此在堰顶断面至堰下游收缩段起始断面处的水力计算过程中可不计水头损失。经计算得=15.94m/s，=6.26m。收缩段结束断面水流流速同样可以根据能量方程求解得出，具体如方程组6.6所示。在求解方程组过程中，水头损失只考虑沿程水头损失，不计局部水头损失。 （6.6）在计算中，为进一步提高结果的准确性，沿程水头损失中流速、水深和泄槽宽度均取首末断面平均值。经计算可得：收缩段结束段面流速=19.09m/s，水深=6.598m。代入经验公式6.4中得：=0.14，即=7.97°。大于初步拟定收缩段的收缩角=0.06，符合规范设计要求。6.3.5工作桥和交通桥为了方便启闭机安装和工作人员的操作，一般要设置工作桥。为了方便两岸的交通连接情况等条件，一般要设置交通桥。在溢流堰堰顶上布置工作桥及交通桥时，应该根据工程运行、观测、检修、交通以及闸门启闭设备布置等要求确定，桥下净空应满足泄洪及排漂要求。本次设计中采用门式启闭机，需要设置工作桥。在上游侧布置工作桥，位置与闸门一致，拟定工作桥宽度为8m；在闸室下游位置布置交通桥，拟定交通桥宽度为8m。6.3.6启闭机在水工闸门启闭机设备选用时，通常选用移动式启闭机、螺杆式启闭机、卷扬式启闭机、液压式启闭机等。其中，移动式启闭机具有设备灵活，可移动的特点，因此可以达到一台启闭机多个闸门共用的效果。此外，移动式启闭机可以通过将闸门提升至路面方便安装、维修。故本次设计中采用移动式启闭机。根据《水利水电工程钢闸门设计规范》可知，溢流闸门应提到水面以上一定的高度以免水上漂浮物与闸门发生撞击。规定超出水面以上高度为1～2m，本设计中将闸门高度提升至与坝顶高程同高，此时闸门超出校核洪水最高水高1.08m（介于1～2m），符合规范要求。6.4泄槽设计溢洪道的泄槽段是指在溢流堰堰顶后并与下游消能防冲段平顺连接的泄水陡槽。泄槽段的设计内容包括泄槽的平面布置、纵横断面设计、水面线推求、边墙高度和分缝设计。6.4.1泄槽的平面布置为了将溢洪道水流安全下泄，在溢流堰消能段后连接泄水陡槽。泄槽内流速大于临界流速，属于急流。由于高速水流对边界条件特别敏感，泄槽在平面上应尽可能采取直线，若有设置转弯的需要时，转弯半径不宜小于10倍的泄水槽；同时，为了使水流平顺，工程结构简单、施工方便，要等宽、对称布置泄槽平面，避免弯道或横断面尺寸的变化。6.4.2泄槽的横断面设计泄槽的横断面形式取决于泄槽部位的地质条件和槽身的衬砌设计。常采用矩形或者梯形断面作为岩基中的挖方断面以及有衬砌的陡槽断面。本