毕业设计（论文）水库土石坝水利工程规划与设计

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1、 中国农业大学现代远程教育毕业论文（设计）论文题目 水库土石坝水利工程规划与设计学 生 指导教师 专 业 水利水电工程 层 次 专升本 批 次 051 学 号 学习中心 北京农林科学院 工作单位 北京住总第四开发建设 2010年 7 月中国农业大学网络教育学院制独 创 性 声 明本人声明所呈交的毕业论文（设计）是我个人进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在毕业论文（设计）中作了明确的说明并

2、表示了谢意。学生签名： 胡兴伟 时间： 2010年7月28 日关于论文（设计）使用授权的说明本人完全了解中国农业大学网络教育学院本、专科毕业论文（设计）工作条例（暂行规定）对：“成绩为优秀毕业论文（设计），网络教育学院将有权选取部分论文（设计）全文汇编成集或者在网上公开发布。如因著作权发生纠纷，由学生本人负责”完全认可，并同意中国农业大学网络教育学院可以以不同方式在不同媒体上发表、传播毕业论文（设计）的全部或部分内容。中国农业大学网络教育学院有权保留送交论文（设计）的复印件和磁盘，允许论文（设计）被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编论文（设计）。保密的毕业论文（设计）在解

3、密后应遵守此协议学生签名：胡兴伟 时间： 2010年7月28日密级：（请注明密级及保密期限）摘要本设计以实例系统阐述了水库土石坝水利工程规划与设计的内容与方法，通过基本资料确定工程的等别、水工建筑物级别，坝轴线的位置，坝型的选择，剖面拟定详细确定了坝顶的宽度、坝顶的高程、坝坡及平台以及路面、排水、防浪墙、缘石等的型式和尺寸，并采用水力学法对坝体进行了渗透稳定分析，采用折线滑动法对坝坡进行了抗滑稳定计算，最后确定了溢洪道形式和细部尺寸。本次设计中重点阐述了渗流计算的任务、方法和原理，并列出了详细的计算过程。关键词：土石坝 溢洪道 水利工程目 录摘 要1 设计区域概况21.1 工程任务和效益21.

4、2 基本资料22枢纽布置32.1 工程标准32.2 坝轴线选择42.3 坝型选择52.4 枢纽布置53坝工设计63.1 挡水坝体断面设计63.2 细部构造设计93.3 土坝与坝基、岸坡的连接123.4 渗流计算12稳定计算164泄水建筑物布置20溢洪道的布置20溢洪道的设计20溢洪道的结构设计23参考文献24致 谢241 设计区域概况1.1 工程任务和效益Z水库位于QH河干流上，水库控制面积4990km2m3。水库以灌溉发电为主，结合防洪。灌溉面积104万亩，总装机容量万Kw。1.2 基本资料1.2.1 地形、地质资料. 地形资料QH河为山区性河流，库区两岸分水岭高程均在820m以上，河床底高

5、程在700m以下。右岸山高坡陡，左岸岸坡较缓，对枢纽工程布置有利，筑坝在河段较窄处，上游开阔，蓄水量大，蓄水条件好。. 地质资料坝基为砂卵石，平均厚度5m，渗透系数10-2cm/s。砂卵石下为砂岩、粉砂岩，新鲜基岩透水性不大。未发现大的构造断裂，地层分布详见ZF土坝坝线工程地质剖面图，如附图6。1.2.2 水文、水利计算资料1、设计洪水位76m，下游水位70m。2、校核洪水位7m，下游水位70m。3、设计下泄流量2000m3/s(其中溢洪道815m3/s)，校核下泄流量6830m3/s(其中溢洪道5600m3/s)。4、死水位7m，死库容108m3。1.2.3 气象、地理资料1、多年平均最大风

6、速9m/sKmKm。2、多年平均最大冻土深度1.0m。3、地震烈度6度。1.2.3 建筑材料. 土石料分布、储藏情况库区及坝址下游土石料丰富，满足修建当地材料坝要求。坝址上游均有土料场，平均运距小于。砂砾料主要分布在河滩上，储量为205104m3。. 筑坝材料物理力学指标表1.1 筑坝材料物理力学指标表筑坝材料坝体坝基土料砂砾料堆石砂砾料黄土比重重度湿重度(KN/m3)饱和重度(KN/m3)孔隙率内摩擦角施工期总应力10有效应力22稳定渗流期有效应力2331403120水位降落有效应力23粘聚力C(KPa)20渗透系数K(cm/s)110-6110-2110-22枢纽布置2.1 工程标准2.1

7、.1 枢纽等别查水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000），根据设计基本资料可知本工程：水库总库容5.05亿立方米，灌溉面积104万亩，总装机容量3.145万KW，水库以灌溉发电为主，结合防洪，综合此四方面考虑，按水利水电工程等级划分及洪水标准SL252-2000中表2.1.1，确定本工程等别为等，规模属于大（2）型。土石坝枢纽设计的主要水工建筑物有：土坝、溢洪道，且以上已论证本工程等别为等，由此查SL252-2002中表2.2.1，确定土坝、溢洪道均为2级。按SL252-2002中表3.2.1，挡水建筑物（土坝、溢洪道等）的防洪标准为500年设计，5000年校核。2.2 坝轴线选

8、择坝轴线根据坝址区的地质、地形条件、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、施工条件等，经多方案的技术经济比较确定。按照给定的资料，主要考虑上坝线和下坝线两个方案。该部分内容列表2.1进行对比说明。如下表所示：表 2.1 坝轴线对比分析选择说明表方案因素上坝线下坝线地形条件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。104m3的塌滑体，对工程布置有一定影响。地质条件砂卵石覆盖层平均厚度5m，左岸730m高程以上为三级阶地具有中偏弱湿陷性。岩基未发现大范围的夹层，基岩透水性不大。河床中段及近右岸地段，沿113-111-115-104-114各钻孔连线方

9、向，在岩面下2147m深度范围内，有一透水带，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趋势，左岸台地黄土与基岩交界处的砾岩透水性强。左岸单薄分水岭岩层应考虑排水，增加岩体稳定。左岸基岩有一条宽200250m呈北北东方向的强透水带，右岸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，对坝体稳定不利。筑坝材料库区及坝址下游土石料储量丰富，平均运距小于1.5km，有利于修建当地材料坝。施工条件河道较宽，便于施工河道较窄

10、，施工困难枢纽布置导流泄洪洞有一定岩石厚度，出口段避开塌滑体的东边界，透水性较大，岩层倾向下游，出口段节理发育，宜采取措施予以处理。出口段宜修建无压洞，保证出口段岩体稳定。溢洪道岩性主要为坚硬的细砂石，溢洪道各部分的抗滑稳定条件好。基础以下10左右为砂质岩及夹泥层，且单薄分水岭岩层风化严重，透水性大，对建筑物安全不利。灌溉发电洞及枢纽电站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。电站厂房处岩石风化厚度约56m，对其产生的渗漏及土体坍塌需采取必要的措施比较结果选用2.3 坝型选择根据所给出的基本资料，大坝坝型选用土石坝。根据防渗结构的类型，常见土石坝的形式有心墙土石坝、斜

11、墙土石坝、面板坝、均质坝等。心墙坝是将土质防渗体设在坝体中央；斜心墙坝是土质防渗体向上游倾斜；斜墙坝是将防渗体设在坝体上游面或接近上游面。斜心墙坝介于心墙坝与斜墙坝之间，同时具有两种坝的优缺点，施工难度大，多用于高土石坝，故本设计不选用此种型式。下面就针对均质坝、土质防渗心墙坝和土质防渗斜墙坝，这三种坝型列表进行比较，选定坝型，如表2.2所示。表2.2 坝型对比分析选择说明表 方案因素均质坝土质防渗心墙坝土质防渗斜墙坝地形条件多用于低坝适用于中高坝适用于高坝地质条件适应变形能力较强，对地质条件要求低其抗震性能和不均匀沉陷的适应性比心墙坝差工程量坝体由均一的抗渗性能好的土料筑成，坝体整个断面起防

12、渗作用，故防渗体工程量大。防渗体工程量降低。土质斜墙坝的上游坝坡较缓，防渗体的粘土用量和坝体总工程量一般要比土质心墙坝大。建筑材料坝体绝大部分由大体均一的抗渗性能好的土料筑成，对土料要求高。坝体内设置专门防渗体，较于均质坝对材料性能要求低。施工条件结构简单，施工方便，施工碾压困难，在多雨的条件下受含水量影响，则更难压实。心墙坝由于心墙设在坝体中部，施工时就要求心墙与坝体大体同时填筑，因而两者相互干扰大，影响施工进度。斜墙坝的斜墙支承在坝体上游面，可滞后坝体施工，两者相互干扰小。比较结果依据原始资料，本设计土石坝为中高坝，则不适宜修建均质坝。粘土心墙坝比粘土斜墙坝用的粘土少，适应变形能力强。冬季

13、施工暖棚跨度小,移动和升高方便，抗震性能好，抗御炸弹能力强，与两岸的连接方便。由于该坝址上下游都有料场,粘土心墙坝的施工干扰相对会减少,综合考虑选择粘土心墙坝。2.4 枢纽布置根据选定的坝轴线从地形、地质、施工、运用等方面大致确定建筑物（包括大坝、溢洪道等）的相对位置和建筑物型式，确定枢纽工程的等级及建筑物等级。104Mpa,透水性较大。岩层倾向下游，出口段节理发育，在导流泄洪洞出口及边坡应采取有效措施予以处理。由于导流洞沿线岩体透水性较大，为保证导流泄洪洞岩体稳定，建议该段修建无压洞。2、溢洪道：其布置主要考虑地质情况和水流情况，不仅要保证建筑物的安全，还应尽量减小开挖工程量。布置在左岸单薄

14、分水岭，沿建筑物轴线岩层倾向下游。岩性主要为坚硬细砂岩，其中软弱层多为透镜体，溢洪道挡水部分的抗滑稳定条件较好。对溢洪道左侧的挖边坡要采取加固稳定的措施。3、灌溉发电洞布置在左岸东凹沟附近三级阶地上。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。电站厂房处岩石风化层厚度约56m，对其产生的渗漏及土体坍塌应采取必要的工程措施。具体布置详见枢纽平面布置图附图5(ZF坝址区地形图)3坝工设计3.1 挡水坝体断面设计土石坝基本剖面尺寸主要包括：坝顶高程、坝顶宽度、上下游边坡、防渗和排水设备基本尺寸等。3.1.1 坝顶宽度依据碾压式土石坝设计规范SL274-2001规定：坝顶宽度

15、应根据构造、施工、运行和抗震等因素确定。如无特殊要求，高坝的顶部宽度可选用1015m，中低坝可选用510m。根据原始资料，该坝为中坝，坝顶无交通要求，故该坝坝顶宽度拟定为10m。3.1.2 坝顶高程坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应考虑正常蓄水情况、校核洪水情况和地震情况，取其最大值。本次设计不考虑地震情况。 1. 计算正常运用情况下的坝顶超高 Y坝顶高程由水库静水位加上风壅增水高度、坝面波浪爬高、坝体沉降量、防浪墙高及安全超高决定。YReA 式中：Y坝顶超高，m；R最大波浪在坝坡上的爬高，m；e最大风雍水面高度，m；A安全加高，m；（1）最大波浪在坝坡上的爬高 R平均爬高值Rm按下式计

16、算：（3-1）式中：Rm平均波浪爬高，m；K斜坡的糙率渗性系数，根据护面类型查得；KW经验系数；hm、Lm波浪的平均波高和平均波长，m，按莆田试验公式确定；m坡度系数。1)波浪的平均波高 hm波浪的波高h和平均波长Lm可采用官厅水库公式计算 g(2hl)/V2=0.0076V-1/12(gD/V2)1/3 g(2ll)/V2=0.331V-1/2.15(gD/式中：2hl当gD/V2=20250时，为累计频率5%时的波高； 当gD/V2=2501000时，为累计频率10%时的波高； V计算风速，m/s m/s，校核情况采用多年平均最大风速9m/s。D吹程，相应于设计洪水位的吹程为5500m，相

17、应于校核洪水位的吹程为7500m。h =2 h L=0.0076V(-1/12)(gD/V2)1/3V2/g (-1/12) (9.805500/13.52)1/3=0.758（m） gD/V25500/13.52=296所求2 h L 为10%累计频率的波高。Lm =2LL=0.331V(-1/2.15) (gD/V2)1/3.75V2/g (-1/2.15) (9.805500/13.52)1/3.75=8.36（m）已知设计洪水位768.10m，由附图6-坝线工程地质剖面图查得，坝底高程取在699.00m处，则坝前水深 H=768.10-699.00=69.10m，水域平均水深Hm=69

18、.10/2 =34.55m；hm= hp /1.71=0.758/1.71=0.44（m）2）斜坡的糙率透性系数 K根据护面类型采用砌石时的K=0.750.80，取K=0.80。3）经验系数 KW依据W/（gH）69.1)1/2=0.52,查得KW=1.00。4）平均波浪爬高 Rm将hm=0.44m；Lm=8.36m；K=0.80；KW=1.00；m=2.5，代入公式3-1： =0.57（m）（2）最大风壅水面高度e计算公式：(3-2)式中：K10-6；计算风向与坝轴线法线的夹角，取0。 已知：W=13.5m/s，D=5500m，Hm=34.55m，代入公式3-2：（3）安全超高A依据设计洪水

19、期，山区、丘陵区2级坝，查得A=1.00m。（4）坝顶超高 Y将所求得Rm=0.57m，e=0.005m，A=1.00m，代入公式3-2：Y设=0.57+0.005+1.00=1.575（m）2. 校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高计算过程同正常运用情况。3. 坝顶高程计算成果列于表3.1，如下所示：表3.1 坝顶高程计算表计算工况水库静水位（m）计算风速W（m/s）吹程D（m）波浪爬高R（m）风壅高度e（m）安全加高A（m）坝顶超高Y（m）计算坝顶高程（m）设计洪水5500校核洪水97500以上坝顶高程指的是坝体沉降稳定后的数值，因此竣工时的坝顶高程应有足够的预留沉降值。对施工质量良好的土石

20、坝，坝体沉降值约占坝高的0.2%0.4%。本设计取0.2%。则施工高程为771.30（771.30-699）0.2%771.44m，取为772m。防浪墙高度取1.2m，上述高程为防浪墙顶部高程，则坝顶高程为7721.2770.8m，坝高为770.8699.0071.80m。正常情况下坝顶应高出静水位0.5m，在非常运用情况下，坝顶不低于静水位。坝顶高程770.8m符合正常情况的要求，也符合非常运用情况的要求。所以，设防浪墙顶高程为772.00m，防浪墙高1.20m，坝体沉降值0.144 m ，坝顶高程为770.80m，坝基高程为699.00m，最大坝高为71.80m。3.1.3 坝坡及平台碾压

21、式土质防渗体心墙坝，上游坝壳采用堆石时，常用坡度为1:1.71:2.7，采用土料时，常用坡度为1：2.51：3.5。坝坡可以分段设置，每段1030m，从上而下逐段放缓，相邻坡率差值取0.25或0.5，碾压式土坝的上游边坡一般有较好的护坡，最多设置12条马道，马道宽1.52.0m，故本设计初拟上游坝坡由上而下为：1:2.5、1:2.75、1:3.25；分别在高程746.90m和723.00m处设置2级马道，宽1.5m。碾压式土质防渗体心墙坝，当下游坝壳采用堆石时，常用坡度为1:1.51:2.5，采用土料时，常用坡度为1:2.01:3.0，常沿高程每隔1030m设置一道宽1.52.0m宽的马道，以

22、拦截坝坡雨水，防止冲刷坝面，同时兼作交通、检修、观测之用。故本设计下游坝坡由上而下为：1:2.0、1:2.25、1:2.25、1:2.5、1:2.5；分别在高程为755.80m、740.80m、725.80m、710.80m处设置马道，宽2.0m。3.1.4 坝底宽）2.5+（746.9-723） 2.75+（723-699）3.25+3+10+（770.8-755.8）2.0+（755.8-740.8）2.25+（740.8-725.8）2.25+（725.8-710.8）2.5+（710.8-699）2.5+8L=388.975 (m)3.1.5 挡水坝体断面图3.2 细部构造设计3.2.

23、1 坝顶构造0.8m，超出坝顶面0.2m。坝顶构造如图3.2所示。3.2.2 坝体防渗常见的防渗体形式有心墙、斜墙、斜墙+铺盖、心墙+截水墙、斜墙+截水墙等。土石坝的防渗体包括土质防渗体和人工材料防渗体，已建工程中以土质防渗体居多，故本设计选取土质心墙防渗体。土质心墙一般布置在坝体中部，有时稍偏向上游，以便于和防浪墙相连接，通常采用透水性很小的黏性土筑成。SL274-2001中5.5.2规定：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，两侧边坡一般在1:0.151:0.30之间，顶部的水平宽度不宜小于3.00m，心墙底部厚度不宜小于水头的1/4；5.5.3规定

24、：土质防渗体顶部设有防浪墙时，防渗体顶部高程不得低于正常运用的静水位；5.5.4规定：土质防渗体顶部应设保护层，保护层厚度（包括上游护坡垫层）应不小于该地区的冻结和干燥深度，还应满足施工机械的需要。 根据以上规定，结合原始资料所给：设计洪水位768.10m，多年平均最大冻土深度1.0m，坝底高程699.00m，校核洪水位坝前水头为71.4m，所拟定坝顶高程770.8m，且上游侧设置防渗墙，由此确定防渗心墙顶部保护层厚度1.5m，则心墙顶部高程为769.30m （770.80-1.5）超过设计洪水位768.1m，则防渗心墙高H=769.30-699.00=70.3m；防渗墙顶宽度取4.0m，心墙

25、两侧边坡取1:0.2，则防渗墙底部宽度为：71.4/6=11.9m。1mm厚0.15m，d2=15mm厚0.15m，d3=520mm厚0.25m。反滤层构造如图3.3所示。3.2.3 坝基防渗土石坝修建在砂卵石地基上时，地基的承载力通常是足够的，而且地基因压缩产生的沉降量一般也不大。总的说来，对砂卵石地基的处理主要是解决防渗问题，通过采取“上堵”、“下排”相结合的措施，达到控制地基渗流的目的。土石坝渗流控制的基本方式有垂直防渗、水平防渗和排水减压。垂直防渗设施能可靠而有效地截断坝基渗透水流，解决坝基防渗问题，在技术条件可能而又经济合理时，应优先采用。垂直防渗可采取黏性土截水槽、混凝土截水墙、混

26、凝土防渗墙、水泥黏土灌浆帷幕等基本形式。黏性土截水槽适用于：当透水砂卵石覆盖层深度在1015m以内，最多不超过20m时，其结构简单、工作可靠，防渗效果好；当砂卵石深度小于30m时，如果采用黏性土截水槽，则开挖工程太大，施工排水比较困难，此时可用混凝土截水墙防渗措施；当坝基砂卵石层深度大于30m时，如果仍采用混凝土截水墙，则施工困难，工期较长，造价也相应增加，因而可采用机械造孔的方法，浇筑混凝土防渗墙，以控制坝基渗流；当砂卵石层很深时，用上述处理方法都较困难或不经济，可采用帷幕灌浆防渗。由坝线地质地形剖面图分析可知，砂砾石厚度6.5m左右，未超过20m，所以采用黏性土截水槽，开挖边坡1:1.5，

27、底部高程695.00m，槽顶与心墙同宽。为加强截水槽与岩石的连接，在截水槽底部浇筑砼盖板，并设置砼齿墙。在截水槽两侧边坡铺设反滤层，以免槽内回填土颗粒被渗透水流带走，构造同防渗墙反滤层。截水槽底宽=32.12-（699-695）因基岩节理发育，需在砼底板下进行灌浆处理，深度应达到弱透水层，钻也两排，梅花交错布置，间距3m，排距3m。左岸单薄分水岭采用井点排水。坝体及坝基防渗构造，详见图3.4。3.2.4 坝体排水 排水设备是土石坝的一个重要组成部分。土石坝设置坝身排水的目的主要是：（1）降低坝体浸润线及孔隙压力，改变渗流方向，增加坝体稳定；（2）防止渗流逸出处的渗透变形，保护坝坡和坝基；（3）

28、防止下游波浪对坝坡的冲刷及冻涨破坏，起到保护下游坝坡的作用。设计坝体排水设备需综合考虑坝型、坝基地质、下游水位、气候和施工条件等因素，通过技术经济比较确定。排水设备应具有足够的排水能力，同时应按反滤原则设计，保证坝体和地基土不发生渗透破坏，设备自身不被淤堵，且便于观测和检修。常见的排水形式有：棱体排水、贴坡排水、褥垫排水和组合式排水，另外还有网状排水带、排水管和竖式排水体等形式。下面将棱体排水和贴坡排水进行列表比较，如表3.2所示。 棱体排水和贴坡排水对比表 内容形式棱体排水贴坡排水优点能够降低浸润线，防止坝坡冻胀，保护坝坡不被冲刷，增加坝坡的稳定性。用料较少，便于检修，能够防止渗流逸出处的渗

29、透变形，并可保护下游坝坡不受冲刷。优点用石料较多，造价较高，与坝体施工有些干扰。不能降低浸润线适用条件较高的坝或石料较多的地区浸润线较低和下游无水的中小型土石坝。 综合以上排水体特点，故采用棱体排水形式。依据SL274-2001中有关棱体排水设计规定及参考教材书中有关规定，棱体排水顶部高程应保证坝体浸润线距坝坡面的距离大于该地区的冰冻深度，并保证超出下游最高水位，超出的高度，对2级坝不小于1.0m，故棱体排水顶部高程为：705.60+1.00=706.60m；棱体排水体顶部宽1.5m，内坡1:1，外坡1:1.5。在排水棱体与坝体及坝基之间设反滤层二层，一层厚0.2m，二层厚0.3m。坝体排水如

30、图3.5所示。3.2.5 护坡及坝坡排水为保护土石坝坝坡免受波浪淘刷、冰层和漂浮物的损害及降雨冲刷，防止坝体土料发生冻结、膨胀和收缩，以及人畜破坏等，需设置护坡结构。上游坝面的工作条件较差，承受风浪的淘刷和冰层、漂浮物的损害，我国建造的土石坝的上游面多采用干砌石护坡。本设计上游坝坡选取双层干砌石护坡厚0.5m，干砌石下设碎石垫层厚0.2m，护坡范围：上至坝顶，下至死水位以下2.5m，即737-2.5=734.50m；下游坝坡工作条件较好，选取单层干砌石厚0.3m，下铺碎石垫层0.2m，护坡范围自坝顶护至排水设备。护坡在马道及坡脚处适当加厚，嵌入坝体或坝基内以增加护坡的稳定性。坝体护坡见图3.6

31、、3.7。为了防止雨水的冲刷，在下游坝坡上设置纵横向连通的排水沟，沿土石坝与岸坡的接合处，也设置排水沟以拦截山坡上的雨水。坝面上的纵向排水沟沿马道内侧布置，用浆砌石铺设成梯形，沿坝轴线方向每隔100m设一条横向排水沟。排水沟的横断面，深0.2m，宽0.3m。坝坡排水见图3.6所示。3.2.6 初拟坝体剖面图坝体剖面图如图3.8所示。3.3 土坝与坝基、岸坡的连接土石坝的各种结合面都是防渗的薄弱部位，如处理不当，极易产生集中渗流，造成接触冲刷；如结合的形状及坡度不适宜，还可能引起坝体不均匀沉陷而裂缝；如结合面上存在软弱、松散土层，可能影响坝体稳定。因此，必须妥善处理土石坝与坝基、岸坡的连接。3.

32、3.1 土石坝与坝基的连接土质防渗体与岩基连接时，在防渗体与岩石之间的接合面上浇筑砼底。对于保证填土质量、便于施工碾压，防止接触冲刷，特别是便于帷幕灌浆等，都是必要的有效措施。如坝基与坝体土壤相近，可在清基后直接填土，土质不同时，在接合面作接合槽，槽深0.5，槽宽2m，布置在坝轴线处。3.3.2 土石坝与岸坡的连接两岸岸坡应进行清基（坡比1：11：1.2），岸坡应大致平顺，不应成台阶状、反坡或突然变坡，岸坡上缓下陡时，变坡角小于20；岩石坡不陡于1：0.5，当岸坡有倒坡，可用砼或浆砌石补成正坡；防渗体随岸坡的上升，逐渐放缓心墙的上、下游坡，以增加心墙与岸坡的接触面积。如两岸山坡有强风化层时，可

33、采用截水槽方式将心墙深入到弱风化层内。3.4 渗流计算3.4.1 渗流计算的目的、方法和原理1. 土石坝渗流分析的目的（1）确定坝体浸润线和下游溢出点位置，绘制坝体及地基内的等势线分布图或流网图，为坝体稳定核算、应力应变分析和排水设备的选择提供依据；（2）计算坝体和坝基渗流量，以便估算水库的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比降，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压力，供上游坝坡稳定分析之用。2、计算方法和原理分析方法主要有流体力学法、水力学法、流网法、试验法和数值解法。

34、流体力学法只有在边界条件简单的情况下才有解，且计算较繁；水力学法是在一些假定基础上的近似解法，计算简单，能满足工程精度要求，所以在实践中被广泛采用；流网法是一种简单方法，能够求解渗流场内任一点的渗流要素，但对不同土质和渗透系数相差较大的情况难以采用；试验法需要一定的设备，且费时较长。近年来，随着计算机的快速发展，数值解法在渗流分析中得到了广泛的应用，对于复杂和重要的工程，多采用数值计算方法来分析。本次设计采用水力学法进行渗流计算。用水力学法进行土石坝渗流分析时，常做如下假定：（1）坝体土是均质的，坝内各点在各方向的渗透系数相同；（2）渗透水流为二元稳定层流状态，符合达西定律，即V=KJ；（3）

35、渗透水流是渐变的，任一铅直过水断面内各点的渗透坡降和流速相等，即q上=q下。3.4.2 渗流计算的水位组合情况进行渗流计算时，应考虑水库运行中可能出现的不利情况，常需计算以下几种水位组合情况：（1）上游正常高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）库水位骤降时对上游坝坡稳定最不利的情况。本次设计选取第（2）种水位组合情况进行渗流计算，即上游设计洪水位768.10m，相应下游的水位700.55m。3.4.3 计算步骤、公式1. 分段情况根据坝轴线地质剖面图的地形、地质情况，沿坝轴线分三段进行计算，中间段(0+150.60

36、+443.5)，选取1-1断面进行渗流计算；左段(0+443.50+662.0)的地形、地质及水头情况与右段(0+000.00+150.6)大体相同，断面2-2的渗流量与断面3-3的渗流量基本相同，故只计算2-2断面。如附图7-坝线工程地质剖面图所示。2. 计算每段的单宽渗流量，并绘制浸润线。（1）1-1断面的渗流计算2）计算单宽渗流量通过防渗心墙和地基截水槽的单宽渗流量q1: （3-3）式中：Ko 心墙渗透系数，m/s； H1 坝前水深，m； T 地基厚度，m； h 心墙后水深，m； 心墙平均厚度，心墙与截水墙厚度的加权平均值，m；已知：Ko=110-6cm/s；H1=768.10-699.

37、00=69.1m；T=699.00-695.00=4m；心墙厚度为将代入公式得为确定式中的q1及h值，用下式计算通过墙后段的渗流量q2 式中：K 坝壳渗透系数，m/s；H2 下游水深，m；L 计算长度，m；M2 下游坝坡坡率；KT 坝基渗透系数，m/s；已知K=110-2cm/s；H2=700.55-699.0=1.55m；KT=110-2cm/s；T=4m；10-610-6 （m3/s.m）3）绘制浸润线：由于h=1.93m，而下游水深H2=1.55m，故浸润线近似一直线，如图3.10所示。（2）附图3.10 2-2断面的渗流计算1）计算简图如图3.9所示。2）单宽渗流量上游水位768.10

38、m，坝底高程为741.86m，下游无水，无排水设备，用下式计算通过心墙的单宽渗流量：（3-4）已知心墙的渗透系数Ko=110-6cm/s；上游水深H1=768.10-741.86=26.24m；心墙的平均厚度为=(769.3-741.86)2+4+4/2=9.49m，代入公式得：按下式计算通过下游坝壳的单宽渗流量：（3-5）已知坝壳渗透系数K=110-2cm/s; 下游坝坡系数m2=2.30，计算长度L=10+(770.8-755.80)2+(755.8-741.86)2.25+2-(9.49+4)/2=66.62，代入公式得：10-83）绘制浸润线：由于h=0.70m，而下游无水，故浸润线近

39、似一直线，如图3.10所示。3. 计算总渗流量Q（3-6）3.4.4 渗透稳定验算108m3108m3；日渗漏量，故满足防渗要求。2.渗透稳定验算： （1）判别渗透破形式：由土体的不均匀系数和土体内的细粒含量根据经验公式判别：（3-7）式中：a 1.00，本设计取0.98；n 土体孔隙率，已知n=0.33；Pg 粒径小于或等于2mm的细粒临界质量分数，%。计算得，判别可能产生管涌。（2）计算渗透坡降并核算：渗流逸出点实际渗透坡降为：（3-8）已知：H=h-H2=1.93-1.55=0.38m，L=148.405m，计算得,所以满足要求。3.5.1 稳定计算目的、方法及原理1. 稳定计算的目的是

40、：保证坝体在自重、各种情况下的孔隙压力和外荷载作用下，具有足够的稳定性，不致发生通过坝体或坝体连同地基的剪切破坏，即核算所拟坝的剖面是否安全经济。2. 稳定计算的方法：基于极限平衡理论，采用假定滑动面的方法，依据滑弧的不同形式，可分为圆弧滑动法、折线滑动法和复合滑动法：（1）圆弧滑动法：由于这几种坝型的滑动面接近于圆弧，适用于均质坝、厚斜墙坝和厚心墙坝。（2）折线滑动法适用于能够形成折线滑动面的非黏性土的坝坡，如：心墙坝的坝坡、斜墙坝的下游坝坡，以及斜墙上游保护层连同斜墙一起滑动的情况。（3）复合滑动法多用于滑动面通过不同土料时，出现直线与圆弧组合的复合滑动面形式，如：坝基内有软弱夹层时。本次

41、设计坝型为心墙坝，出现失稳情况多为心墙坝非黏性土坝坡形成拆线滑动面，故采用折线滑动法进行土石坝稳定计算。3. 折线滑动法稳定计算原理拟定若干可能滑裂面，分别进行计算，应用极限平衡分析法，算出每个可能滑裂面的安全系数，其中最小的安全系数即为所求，其值大于允许最小安全系数，即，则坝坡稳定。3.5.2 计算情况1. 上游水位大约在坝底以上1/3坝高处的上游坝坡；2. 上游水位为校核水位，下游为相应水位的下游坝坡。3.5.3 稳定计算1. 上游水位大约在坝底以上1/3坝高处的上游坝坡1）假定上游水位为723.00m，按下式计算安全系数式中：G1、 G2 土块重量，KN； 1、2 两块土体底面的抗剪强度

42、，； 1、2 滑动面与水平面夹角，； P1 假定条块间作用力，KN；Kc 安全系数。已知：1=31；2=31；假定1=33；2=10，为计算方便上游坡取平均值m=（770.8-746.9）2.5+（746.9-723）2.75+（723-699）2/（770.8-699）=2.876；其计算简图如图3.11所示。取单宽，重量G1、G2分别由下式计算：上二式中已知 则已知湿重度，饱和重度，则浮容重则代入安全系数计算公式得整理后解得：Kc2）假定上游水位为723.00m、728.00m，718.00m，再假定不同1、2分别计算Kc值，计算结果见表3.3所示。经过比较，当上游水位为718.00m时，

43、1=27、2=10时，Kcmim=1.750。2. 上游为校核洪水位及下游为相应水位的下游坝坡已知校核洪水位为770.4m，相应的下游水位为705.60m，假设不同的 1、2，采用折线法分别计算Kc值，得：1=26、2=11时，Kcmim=1.40，计算成果列表3.4。3. 结论由上述计算成果知：该坝在正常工作条件下的最小稳定安全系数为1.750，大于SL274-2001规定的数值1.35；在非常运用条件下的最小稳定安全系数为1.40，大于SL274-2001规定的数值1.25。见表3.5坝坡抗滑稳定最小安全系数表。因此，所拟定的土坝断面尺寸是合理的。KcG2(KN)G1(KN)2(KN/m3

44、)1(KN/m3)m2m1m2（）311（）2（）101091089101210118101（）333022273626312240262822H(m)241929水位723718728表3.5 坝坡抗滑稳定最小安全系数运用条件工程等级1234正常运用条件非常运用条件非常运用条件4泄水建筑物布置 由于土石坝不容允从坝身溢流，需要在坝体以外的岸边建造溢洪道，由于正槽溢洪道的过流能力大，结构简单，施工方便，工作可靠，拟采用正槽溢洪道。由提供的资料可知，溢洪道堰顶设计高程750m，其相应的地质情况为基础以下10m左右为砂质页岩及夹泥层，且单薄分水岭岩层风化严重，透水性大，对建筑物安全不利。IVIV溢

45、洪道堰顶设计高程757m，其相应的地质情况为沿建筑物轴线岩层倾向下游，岩性主要为坚硬的细砂岩，其中软弱层为透镜体，溢洪道各部分的抗滑稳定条件较好。由此可知，溢洪道沿IVIV轴线布置，其溢洪道堰顶高程为757m。考虑到校核洪水位7m，溢洪道布置在高程为780m780m的等高线范围内，具体布置见IVIV剖面图。IVIV量得数据见下表4.1。表4.1 IVIV剖面数据表高程（m）710720720730730740740750750760760770770780780780780770水平距离（m）121012483244689228高程（m）7707607607507507407407307307

46、20720710710690690680水平距离（m）1812242012122068 溢流坝的孔口设计涉及很多因素，单宽流量是决定孔口的重要指标。根据国内外工程实践资料可知；软弱基岩常取q=2050m3/（sm），较好的基岩常取q=5070m3/（sm），特别坚硬完整的基岩常取q=100150m3/（sm），根据可知为较好基岩，q取70m3。 则溢流段净宽（不包括闸墩的宽度）：L=Q/q=1815/70=25.9m，取L=24m。1.0m，宽14m，门槽处的闸墩厚度不得小于11.0m。取闸墩厚度为3m。设孔口数为3孔，则孔口净宽b=L/n=24/3=8m。则溢流前缘总宽度L=nb（n-1）d

47、=3823=30m，考虑到便于施工，本工程拟采用驼峰堰。其最大作用水头应为设计流量下的水头Hmax。Q=m其中：m=0.42 L=24m =0.95 g=9.8 Q=1815则HMAX=12.24m 12.24=11.63m 取堰高3m，则驼峰研堰底高程为757-3=747m当在校核水量下，其堰上游水头为：Q=m其中：m=0.42 L=24m =0.95 g=9.8 Q=4530则H0=22.52m，其上游水位为75722.52=779.52770.4，满足当上游校核洪水位时，溢流堰下泻流量。其驼峰堰顺水流方向长度为L=8P=83=24m 由于驼峰堰堰底（高程757m）河道（河底高程为699m

48、）落差很大，多用泄槽与消能防冲设施连接，由于槽内纵坡陡，槽内往往形成高速水流，槽内水流为不均匀流，其底坡类型为陡坡。为了使水流平顺，泄槽在平面上沿水流方向，宜尽量采取直线、等宽、对称的布置。考虑到下游校核水位为705.60m，参考IVIV剖面图，泄槽坡度采用1：3，陡坡段高程定为710.21，其水平长度为133.1m，陡坡长度为139.2m，由于是混凝土护面，则陡坡糙率为0.014。堰顶单宽流量：q=1815/24=75.625（m3/m*s）堰顶EO=P1HO堰顶流速系数：hc=q/（2g（EO-hc）hc表4.2 hc的迭代计算 hc（m）的迭代计算hcqgEOhc0则Hc沿陡坡段每46.

49、4m做一断面，算出其各断面水面流速及水面高度，具体见表4.3。3/s h=4.77m，由hb=（1+v/100）h，可计算出各断面计入波动及掺气的水深，具体计算结果见表4.4。hVhb1消能形式的选择 形式内容底流式消能挑流消能优点它具有流态稳定，消能效果好，对地质条件和尾水变幅适应性强及水流雾化小。工程量小，投资省、结构简单、检修施工方便。缺点工程量大，不宜排漂或排冰。当坝基有延伸至下游的缓倾角软弱结构面，可能被冲刷切面而形成临空面，危及坝基稳定，或岸坡可能被冲塌危及坝肩稳定时，均不宜采用挑流消能。适用条件中、低坝或基岩软弱的河道，高坝采用底流消能需经论证。基岩比较坚固的高坝或中坝，低坝需经

50、论证才能使用2. 反弧段的确定对于挑流消能，通常取反弧半径R=（410）hc，其中hc为校核洪水位闸门全开时反弧段最低点处的水深。hc计算见表4.5。当为校核流量Q=4530m3/s时，则其上游水头为22.52m，单宽流量：q=4530/30=151（m3/m*s）流速系数：hc=q/（2g（EO-hc）0.5表4.5 反弧段hc迭代计算hc（m）的迭代计算hcqgEOhc0151151151151151151151151hc=8.381m，R=（410）hc故取反弧半径R为40m。3. 鼻坎高程的确定 由于下游校核洪水位高程为705.60m，考虑到反弧段与陡坡末段（高程为710.21m）相连

51、，鼻坎高程定为720.00。4. 挑射角的确定 一般的挑射角=2035，取鼻嵌处挑射角=305.挑距、冲刷坑深度的确定L=Ttanh2 =720-699=21mL=1/gV12sincosV1cos+(V12sin22g(h1h2)0.5挑距：L=LL=56.2710.62=66.89m44mL满足规范及设计要求.溢洪道的结构设计，应根据布置、水力、地基及运用条件，结合防渗、排水、止水及锚固等工程措施，在满足安全、耐久的前提下，选用经济合理的的结构型式和尺寸。进水渠渠底进行衬护，采用混凝土护面，衬砌厚度取50cm。控制段的抗滑稳定分析是坝体设计中一项重要内容，其目的是核算坝体沿坝基面或沿地基深

52、层软弱结构面抗滑稳定的安全性能。控制段结构设计的荷载组合分为基本组合和特殊组合。基本组合有基本荷载组成；特殊组合由基本荷载和一种或几种特殊荷载组成闸基底面的抗滑由于时间紧迫，此处抗滑稳定计算略。泄槽底板的厚度，应考虑溢洪道的规模及其与坝的相对位置、沿线的工程地质和水文地质条件、水力特性、气候条件、水流中夹沙情况等因素，并根据类似工程经验进行类比确定。泄槽底板的厚度为50cm。边墙的设计详见溢洪道断面及细部构造图。后 记本设计书是根据“水利水电工程建筑”专业的毕业设计任务要求编写的，是中国农业大学网络教育水利水电工程专业的实践内容之一。本人利用专业知识和工作实践，对毕业设计要求进行了认真的阅读，

53、对土石坝 、溢洪道的工作条件和所受作用荷载进行了认真分析，对其应力和强度进行了反复的计算和验算，经过老师的耐心指导和自己的不懈努力，终于圆满地完成了本次水工建筑物的毕业设计。本设计书共分四章，对土石坝、溢洪道的分析方法、构造特点与布置原则等要求对坝体进行了综合考虑，并拟定出最合理的坝体剖面尺寸、溢洪道的形式等。通过此次设计，使我对专业知识有了更为深刻的了解，增强了运用理论知识去指导实践的能力，达到了理论与实践相结合的目的，增长知识的同时，也锻炼了独立思考问题的能力；为此，衷心感谢老师给予的帮助和指导，希望您能给我提出宝贵的意见，并指出设计中的缺点和错误，以利于本人以后有更大的提高。参考文献1

54、黄河水利委员会勘测规划设计研究院，碾压式土石坝设计规范，出版社：中国水利水电出版社，2002。2 水利部天津水利水电勘测设计研究院，溢洪道设计规范，出版社：中国水利水电出版社，2000。3 全国勘察设计注册工程师水利水电工程专业管理委员会、中国水利水电勘测设计协会，水利水电工程专业知识，出版社：黄河水利出版社，2009。4 李炜，水力计算手册，出版社：中国水利水电出版社，2006。5 水利部，开发建设项目水土保持技术规范，出版社：中国计划出版社，2008。6 戴金水、徐海生、毕元章，水利工程项目建设管理，出版社：黄河水利出版社，2008。7 中华人民共和国水利部，水利水电建设工程验收规程，出版社：水利水电出版社，2008。8 高安泽，中国水利百科全书 著名水利工程分册，出版社：水利水电出版社，2004。20107附图3.1：附图3.2：附图3.3：附图3.4：附图3.5：附图3.6：附图3.8：附图3.9：附图3.10：附图3.10：附图3.11：溢流坝: