粘土心墙坝-工程学院毕业设计说明书(共82页)

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2、设计的任务是亭子口水利枢纽工程，此工程是以发电为主，兼顾灌溉的综合利用的水利枢纽。本枢纽处于大陆腹地，气候干燥，坝区流道顺直，两岸为不对称河谷，岸坡陡峭。因此在组织设计过程中应充分考虑工程地质条件及处理措施，根据当地的条件选择最优的方案，使之既经济又安全。本工程承担发电、泄水、防洪任务，因此对水工建筑物的稳定、承压、防渗、抗冲等方面都有特殊要求，如要采取专门的地基处理措施和应力条件分析，以确保工程质量，优质完成设计任务。全文包括设计挡水建筑物即挡水坝的，泄水建筑物即溢流坝的设计以及土坝细部构造与坝基处理等部分，详细的介绍了亭子口水利枢纽工程设计的内容。 作者：白昱 2012年6月第一部分 设计

3、说明书1 基本资料1.1 坝址区自然条件简况设计资料坝址位于峡谷河段内，峡谷河道长约600m，总体河流流向为S86E，河谷断面呈“V”型，坝轴线处河谷宽高比约1.8。枯水期坝址河水位约290m，水面宽3050m，水深0.53m，局部深6m，河床覆盖层厚1932m，河床基岩面高程258270m。汛期（79月）最大风速的多年平均值为9.05m /s，水库吹程约900m，坝址区场地地震基本烈度为6度，鉴于本工程坝高超过200m，其壅水建筑物的抗震设防应按甲类抗震设防标准进行抗震设防，应在地震基本烈度基础上提高1度，即为7度。1.2 地址概况设计资料1.2.1 库区工程地质 水库区位于溇水上游河段的深

4、山峡谷中，河段多为“U”型和“V”型峡谷，岸坡陡峻，人烟稀少，水库两岸大部分植被发育良好；水库区很少发育漏斗形的地形，除在坡脚因崩塌易形成常见的含碎、块石堆积体外，一般基岩（灰岩）直接裸露，较难具备形成泥石流的地质环境条件，调查中水库区未见泥石流的迹象，亦没有发生过大的泥石流，除因暴雨形成的山洪冲刷浅表层的覆盖层以外，无大的固体迳流来源。 库区基岩裸露，地形险峻，但植被尚较好，固体径流来源少。峡谷深切，人烟稀少，除鹤峰县城外，仅在江坪河、白日垭、五码头、让口、风竹园、南渡江、沈家河、和坪、茶园湾等少数宽谷阶地或碎屑岩缓坡上有少量农户居住，淹没损失小。库区以岩溶峡谷为主，地下水排泄条件较好，耕地

5、极少，主要岩溶洼地（槽谷）有：关庄坪杨柳垭鹤峰岩溶洼地（槽谷），高程为580m1000m；石龙洞凉水井岩溶洼地（槽谷），高程为700m1000m；杨柳坪岩溶洼地（槽谷），高程为700m900m；九洞坪七男坪岩溶洼地（槽谷），高程为760m800m；梅坪岩溶洼地（槽谷），高程为725m750m；红鱼坪岩溶洼地（槽谷），高程为640m720m；曲溪岩溶洼地（槽谷），高程为600m650m；柘坪岩溶洼地（槽谷），高程为550m。其地面高程均在高程550m以上，不存在岩溶洼地等的浸没问题。1.2.2 坝址区工程地质坝址区为岩溶峡谷，两岸山体雄厚，地貌形态以溶蚀峰丛洼地为主，次为剥蚀垄丘坡地，层状地貌较

6、明显。左右岸均有不对称冲沟发育，在坝址1.5km范围内共发育大小冲沟13条(左岸7条，右岸6条)，冲沟发育深度一般为2050m，冲沟两侧一般为陡坎，一般沿垂直河流方向(近南北向)发育，局部地段追踪北西、北东向断层延伸方向发育，其中、号5条冲沟有常年流水，其余冲沟有季节性流水。除冲沟覆盖层局部较深外，余者基岩裸露，但由于岩层的差异风化作用，在悬崖和陡坡下形成有两级相对较缓的条带状台地。岸坡多为悬崖和陡坡，高程350m以下两岸峭壁耸立，以上地形陡峻，坡角3065。1.3 坝基岩石及砂砾石的物理学性质资料1.3.1 建造材料及水源资料坝址附近缺少大规模土料料场，但坝址区块石料储量丰富，质量较好，蓄量

7、丰富，粗骨料可满足要求。1.3.2 粘土的物理力学指标在天然状态下：粘粒含量30%40%；天然含水量23%24%；塑性指数1517；不均匀系数50；有机质含量0.4%；水溶盐含量2%；塑限17%19%；比重2.72.72。扰动后的主要物理力学指标为干容重16.50kN/m3;饱和容重20.60kN/m3；浮容重0.60kN/m3；渗透系数210-6cm/s。1.3.3 筑坝材料物理力学参数 筑坝材料物理力学参数见表（1-1）。表1-1 筑坝材料物理力学参数表料场岩石野外定名风化程度颗 粒密 度(g/cm3)饱和密度(g/cm3)干密度(g/cm3)饱 和吸水率(%)孔隙率(%)饱和抗压强 度(

8、M Pa)干燥抗压强 度(M Pa)软化系数栗山坡含砾冰碛砂岩微新鲜2.7242.7172.7130.160.3967.879.60.85冰碛砂岩(灰偏灰绿色)微风化2.742.732.730.140.551041330.78冰碛砂岩(灰色)微风化2.752.742.730.170.5564.484.10.77冰碛砂岩(灰绿色)微风化2.7742.7662.7610.170.3677.394.00.82白岩尖白云质灰岩弱风化2.772.622.543.278.1244.364.70.68灰岩(深灰色)微风化2.732.722.720.200.5250.462.20.81灰岩(浅灰色)弱风化2.

9、722.702.690.370.9542.050.80.83瘤状灰岩弱风化2.732.722.710.300.9142.856.00.761.4 水库特征表特征水位与流量见表（1-2）。表1-2 特 征 水 位、流 量 表名 称洪峰流量m3/s下泄流量m3/s库水位m下游水位m正常蓄水位-470.0-可能最大洪水(大坝校核洪水位)116008850475.14309.04P=0.1%洪水(大坝设计洪水位)93706180471.90306.06P=0.2%洪水(厂房校核洪水位)86006070470.90305.92P=1%洪水(厂房设计洪水位)68805720470.00305.47防洪限制

10、水位-459.70-死水位-427.00-2 设计任务2.1 依据资料进行坝型选择和设计根据给定的地形、地址、水文及施工运行方面的资料对选定的坝轴线，坝型进行论证。确定枢纽主要建筑物的组成，根据建筑物及其要求确定主要建筑物在枢纽布置中的现对位置。2.2 主要建筑物设计2.2.1 挡水坝坝段的设计确定挡水坝的使用部面及轮廓尺寸，并进行渗流分析、坝体稳定。绘出最大处挡水坝横剖面图。2.2.2 溢洪道的设计确定泄洪道的基本部面及轮廓尺寸，进行水利计算及稳定。3 枢纽建筑物及其布置3.1 工程标准水库总库容为13.66亿m3，电站总装机容量为450MW。按照DL5180-2003水电枢纽工程等级划分及

11、设计安全标准规定，本工程属一等大(1)型工程。3.2 水工建筑物级别挡水建筑物、泄洪建筑物等主要永久建筑物为1级建筑物，输水发电系统中发电进水口、主厂房、副厂房、开关站出线场等主要永久建筑物，按电站装机容量相当于二等大(2)型工程，按2级建筑物设计，其余次要建筑物为3级建筑物。3.3 坝型选择坝型选择要根据地形条件、地质条件、筑坝材料、施工条件、气候条件及坝基处理等各种因素，要求宣泄洪水情况，地震情况及枢纽任务，初步拟定几种坝型进行定性比较，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的分析来确定土石坝坝型的选择。3.3.1 均质坝均质坝坝体材料单一，施工方便，当坝址附近有数量足够

12、的适宜土料时可以选用，这种坝所用的土料的渗透系数较小，施工期坝体内会产生空隙水压力，影响土料的抗剪度，所以坝坡较缓，工程量大；此外铺土厚度薄、填筑速度慢、施工容易受降雨和冰冻影响，不利于加快进度、缩短工期。一般适用于中、低坝。工程量太大，故不采用此方案。3.3.2 斜墙坝 雨季和寒冷季节可先上透水料争取工期；坝基处理可与斜墙及坝壳填筑同时进行，不影响坝体施工；斜墙位于透水坝壳之上，如坝壳沉陷较多，将影响斜墙开裂；库水位降落时斜墙孔隙水来不及排出时，影响上游坡稳定；与岸坡及混凝土建筑物连接不如心墙坝；斜墙与地基接触应力比心墙小，与基础结合不如心墙坝，故不采用此方案。3.3.3 面板堆石坝工程量较

13、小，施工方便。在具有大型振动碾等条件下，有很强的竞争力坝型。堆石坝施工干扰相对较小。但是由于河床地质条件较差，河床覆盖层一般为30米40米，最大深度达70余米，作为堆石坝可能导致大量的开挖，此方案不予考虑。3.3.4 心墙坝 适应变形能力强，抗震性能较好，两岸的连接较为方便，坝址附近料场满足供应要求，故优先考虑此坝型，且根据地形条件、地质条件、筑坝材料、施工条件、气候条件等，最终决定采用心墙坝方案。 因此最终选用心墙坝方案。3.4 枢纽建筑物及其布置3.41 枢纽组成建筑物（1）挡水建筑物：土石坝。（2）泄水建筑物：溢洪道。3.4.2 枢纽总体布置（1）挡水建筑物土坝挡水建筑物按直线布置，坝布

14、置在河弯地段上。（2）泄水建筑物溢洪道泄水建筑物采用溢洪道，溢洪道布置在坝体的左侧。4 挡水坝段设计大坝剖面轮廓尺寸包括坝顶高程，坝顶宽度、上下游坝坡、防渗体等排水设备。4.1 坝顶高程坝顶高程分别按正常情况、非常情况下的两种方案来计算大坝的高程，最后计算出数据取最大值，同时并保留一定的沉降值.坝顶高程在水库正常运用和非常运用期间的静水位以上应该有足够的超高，以保证水库不漫顶，其超高按下式计算： (4-1) 式中： 波浪在坝坡上的爬高，m； 风浪引起的坝前水位壅高，m；安全加高，m。根据坝的级别和运行情况按下表4-1选用。坝的级别 、正常运行 1.50 1.00 0.70 0.50非常运行（a

15、） 0.70 0.50 0.40 0.30非常运行（b） 1.00 0.70 0.50 0.30表4-1 土坝坝顶的安全超高 单位：m 查碾压式土石坝设计规范波浪的爬高可按用蒲田实验站公式计算： （4-2） （4-3） （4-4） 式中： 平均波高，； 多年平均风速，正常情况下，非常情况下； 水库吹程，本设计取； 经验系数，根据计算无维量查碾压式土石坝设计规取1.0； 斜坡糙率及渗透性系数，取； 折减系数，风向与坝轴垂线的夹角为0，查得折减系数； 平均波长，。 风壅水面高e按下式计算： （4-5） 式中：K综合摩阻系数，取；多年平均风速，正常情况下，非常情况下； 水库吹程，本设计取 ；风向与坝

16、轴线方向所成的夹角，=0；H水库的平均水深，m。结果取正常、非常情况两者之大者，并预留一定的沉降值.结果见下表（4-2）。表4-2 坝顶高程计算成果表计算情况计算项目设计情况校核情况上游水位（m）471.90475.14河地变程（m）290.86坝前水深H(m)184.04184.28吹程D(km)0.9风向与坝轴线夹角00风速v(m/s)17.99.05经验系数Kw1.00坝坡糙率系数K0.80初拟上游坝坡m1.6波浪爬高R（m）0.6550.584风壅水面高度e（m）0.00050.0002安全超高A （m）1.50.7地震涌浪高度（m）1.5防浪墙（m）1.2坝顶高程（m）474.064

17、76.42坝高181.70184.36坝顶高程加1%沉陷(m)474.67477.07设计情况取坝顶高程为476.42m，坝高184.36m，4.2 坝顶宽度坝顶宽度取决于施工、交通、构造、运行、抗震与防风等要求。如坝顶设置公路或铁路时，应按交通要求确定。SL274-2001碾压式土石坝设计规范规定：高坝顶宽可选为，中、低坝顶宽选为。对心墙或斜墙坝还需要满足其墙顶和两侧反滤层的布置要求。在寒冷地区，还应使心墙或斜墙至坝面的最小距离大于当地冻土层厚度，以免防渗体冻融破坏。查水工设计手册可知，当坝高大于时，应按确定坝顶宽度，即。确定坝顶宽为。4.3 坝坡的确定土石坝边坡的大小取决于坝型、坝高、筑坝

18、材料、荷载、坝基性质等因素，且直接影响到坝体的稳定和工程量的大小，边坡选择一般从以下几方面选择：（1）由于土石料在饱和状态下抗剪强度降低，且库水位下降时，渗流力指向上游，对上游坝坡稳定不利。所以土料相同时，上游坡应比下游坡缓；（2）从坝型上看，心墙坝其下游坡稳定受心墙土料特性影响较大，故下游坡一般较斜墙坝缓；（3）从受载情况看，为适应越向底部荷载逐渐增加的特征，坝坡应上陡下缓，且土石坝上下游一般做成变坡的，自上而下逐渐变缓，相邻坡率差为0.250.5。综上，参考已建工程，拟定该土石坝坡分别为：上游：1：2.5 1：2.75 1：3.00 下游：1：2.25 1：2.5 1：2.754.4 坝体

19、排水设备 坝体排水主要是控制和引导渗流，降低浸润线，加速孔隙水压力消散，以增强坝的稳定性，防止渗透变形，并保护下游坝坡免遭冻胀破坏。 坝体排水有一下几种形式： （1）棱体排水，又称为滤水坝趾。是在下游坝脚处用块石堆成的棱体。棱体与坝体以及 土质之间均应设置反滤层。在棱体上游坡脚出应该尽量避免出现锐角。棱体排水可以降低浸润线，防止坝坡冻胀，保护尾水范围内的下游坝坡不受波浪淘刷，还可以与坝基排水相连。 （2）贴坡排水，又称为表面排水。排水顶部必须高于浸润线逸出点，对于1级、2级坝不小于2m，对于35级坝不小于1.5m。贴坡排水可以防止坝坡土发生渗流破坏，保护坝坡免受下游波浪淘刷，但不能有效的降低浸

20、润线，且易因冰冻而失效。 （3）坝内排水。包括褥垫排水层，网状排水层、网状排水带、排水管、竖式排水体等。当下游无水时，褥垫排水能有效地降低浸润线，有助于坝基排水，加速软粘土地基的固结。 主要缺点是对不均匀沉降的适应性差，易断裂.，且难以检修。当下游水位高于排水设施时，降低浸润线的效果将显著降低。本地区石料比较丰富，采用堆石棱体排水比较适宜，它可以降低坝体浸润线，防止坝坡冻涨和渗透变形，保护下游坝址免受尾水淘刷，并可支撑坝体，增加下游坝坡的稳定性。按规范棱体顶面高程高出下游最高水位1m为原则，上游校核洪水时下游为最高水位水位309.04m最后取410.04m，堆石棱体内坡取1:1.5，外坡取1:

21、2，顶宽2.0m。在下游坝坡设纵横连通的排水沟，沿坝与岸坡的结合处，也设置排水沟，一般设于马道内侧，沿坝轴线方向每隔100m设置排水沟。4.5 大坝防渗体所谓防渗体，就是该部分土体比坝壳其他部位更不透水，它的作用是控制坝体内浸润线的位置，并保持渗流稳定。均质坝的整个坝体都是防渗体。分区坝防渗体的主要形式为心墙和斜墙。SL274-2001碾式土石坝设计规范规定：心墙的不宜大于4，斜墙的不宜大于5。国内外土石坝的建设实践中，后心墙的的底部常取为水头的30%50%，薄心墙的底部厚度常取为水头的15%20%。大坝防渗体的设计主要包括坝体防渗和坝基防渗两个方面。（1）坝体的防渗坝体防渗的结构和尺寸必须满

22、足减小渗透流量、降低浸润线控制渗透坡降的要求，同时还要满足构造、施工、防裂、稳定等方面的要求.该坝体采用粘土心墙，其底部最小厚度由粘土的允许坡降而顶，根据经验本设计允许渗透坡降取J=4，参考以往工程的经验，心墙的顶部宽度取为3，粘土心墙坝坡的坡度为1:0.2，粘土心墙的顶部高程以设计水位加一定的超高（超高0.6m）并高于校核洪水位为原则，最终取其心墙顶高程为473.72，墙顶的上部预留有1.5m的保护层，心墙两侧设0.6m厚的粗砂层。（2）.坝基防渗体这个大坝坝基不设坝基防渗体。材料给出坝址区露岩层主要为黑云角闪石英片岩，该岩石致密坚实，不透水，乃风化性强。由材料可以知道，坝基岩体非常好，不透

23、水，所以不用做坝基防渗体。见大坝剖面简图(4-1)。图4-1 大坝剖面图5 土料设计筑坝材料的设计与土坝的结构设计、施工方法及工程造价有关，一般力求坝体内的材料分区简单，就地就近取材，因材设计。土料设计的主要目的是确定粘土的填筑干容重、含水量，砾质土的砾石含量、干容重、含水量，砂砾料的相对密度和干容重等指标，同时要使材料具有较高的强度，以减小坝体断面尺寸，防渗体较小的渗透性，以保证渗透稳定。5.1 粘性土料的设计计算公式：设计初步阶段，缺乏实验资料时，干容重按下式计算 （5-1） （5-2） 式中： 设计干容重，（）； 水容重，取9.81N/m 土粒比重，取2.72； 经验系数，取0.95；

24、土的塑限，取18%；稠度系数，取0.1； 塑性指数，取16% 。5.2 非粘性土料设计对于砂砾料，由于含有砾石，如果用一般砂土的干容重控制砂砾料施工，会使坝壳紧密度降低。可根据不同粗砾的含量，选择设计干容重。参照下表（5-1），根据经验选择。表5-1 不同砾石含量设计干容重参考表大于5mm的含砾量102021303140415051606170设计干容重 （）17.0017.5018.5019.0019.5020.006 渗流计算土石坝的渗流计算主要确定坝体的浸润线的位置，为坝体的稳定分析和布置观测设备提供依据；同时确定坝体与坝基的渗透流量，以估算水库的渗漏损失，而且还要确定坝体和坝基渗流区的

25、渗透坡降，检查产生渗透变形的可能性，以便取适合的控制措施。6.1 计算方法选择水力学解土坝渗流问题。根据坝内各部分渗流状况的特点，将坝体分为若干段，应用达西定理近视解土坝渗流问题，计算假定任一铅直过水断面内各点渗透坡降均相等。计算简图如下（6-1）：图6-1 大坝渗流计算简图查水力计算手册第二版，进行渗流计算。通过防渗体的渗流量： （6-1）通过下游坝壳和坝基的渗流量： （6-2）浸润线方程： （6-3） 式中：上游水深，m；坝壳的渗透系数，取；心墙的渗透系数，取；坝基的渗透系数，取；心墙的平均厚度，、为心墙在水库水位高 程上和在地基上的厚度，m；透水地基深度，m；心墙浸润线的溢出高度，m；浸

26、润线的水平投影长度，其中，m。6.2 假设条件 1） .不考虑防渗体上游侧坝壳损耗水头的作用； 2） 设心墙的上、下游水位分别等于坝的上、下游水位； 3） 按下游无水设计； 4） 总渗流量可按河床中间断面渗流量的平均进行计算。6.3 计算断面及计算情况的选择计算断面取河床中间断面II进行渗流计算，计算主要针对正常蓄水、校核洪水及设计洪水时进行。6.4 计算结果 渗流计算结果汇于下表（6-1）：表6-1 渗流计算结果表 计算工况计算项目正常（校核）情况设计情况上游水深H（m）184.28181.04棱体排水内坡m1.5心墙平均厚度（m）41.02心墙单宽流量q（m3/ms）1.60510-71.

27、54410-7坝顶长（m）375.578总渗流量Q（m3/天）49.99148.416总渗流量Q（m3/年）18246.7217671.846.5 渗透稳定演算心墙之后的坝壳，由于水头大部分在防渗体损耗了坝壳渗透坡降及渗透速度甚小，发生渗透破坏的可能性不大，而在防渗墙与粘土心墙的接触面按允许坡降设计估计问题也不大。在心墙逸出点渗透坡降较大，予以验算。渗透坡降的计算公式： （6-4） 式中：减逸出水深减下游水深，m； 渗流区长度，m。对于非粘性土，渗透破坏形式的判别根据指导书可参考下式：20 为管涌1020 时不定允许坡降可参考：1020，J允许=0.1。经演算校核情况下渗透逸出点的实际渗透坡降

28、为小于其允许坡降J允许=0.2，故而认为渗透坡降满足要求。其计算详见毕业设计计算书。6.6 成果分析与结论以心墙、混凝土防渗墙作为防渗措施。总渗流在正常蓄水时为18246.72m3/年，设计洪水时为17671.84m3/年，与其总库容相比显然是很小的。因此该断面满足设计要求。7 稳定分析计算7.1 基本原理 工程上采用的土坡稳定分析方法，主要是建立在极限平衡理论基础之上的。假设达到极限平衡状态时，土体将沿某一滑裂面产生剪切破坏而失稳。滑裂面上的各点，土体均处于极限平衡状态，满足摩尔库伦强度条件。 本次设计采用瑞典圆弧法。假设坝坡或坝坡连同部分坝基土体沿某一圆柱面滑动。圆柱面在坝体横剖面图上为宜

29、圆弧。通常取单位坝长按平面问题计算。假设不同的圆心和半径画出一系列圆弧，对每一圆弧上的土体进行力的分析，分别求出各力对圆心的力矩。设Mr为圆弧面上抗滑力产生的抗滑力矩总和，Mg为滑裂土体上的荷载对圆心的力矩代数和。每一个假设圆弧面的抗滑安全系数均可由下式计算： （7-1）比较一系列滑动圆弧的，最小的安全系数即为该计算情况的安全系数，其值不得小于下表（7-1）所列数值。表7-1 坝坡抗滑稳定的安全系数运用情况工 程 等 级、正常1.301.251.201.15非常1.201.151.101.051.101.051.051.007.2 计算方法 图7-1 计算简图 图7-2 土条单元图7-1所示为

30、用任意半径R和圆心O所画的圆弧。为了便于计算滑动土体上各力对圆心O的力矩，采用“条分法”。将滑动圆弧以上的土体分成若干竖向土体，分别计算各土条上力的作用效果，然后求其总和代入公式计算稳定安全系数。 不计条块间作用力的圆弧法 （1）将土体分条编号土体宽度常取半径R的1/10，即b=0.1R。各块土条编号的顺序为：零号土条位于圆心之下，向上游（对下游坝坡而言）个土条的顺序为1、2、3、n，往下游的顺序为-1、-2-m，如图7-1所示。 （2）分别计算哥土条上的作用力（不包括底面反力）对圆心的力距Ms 以土条i为例说明计算方法如下：1）土条自重Gi对圆心的力矩：由图7-2可求得Gi为， （7-2）

31、（7-3） 式中： h1h4土条个分段的中线高度，m； 坝体土的湿容重，； 坝体土的浮容重，； 坝基土的浮容重，； 土条单宽重量，。将土条自重在土条底面中点处分解为两个分力： 切线方向分力 法线方向分力 其中如图7-1所示。注意：在图示垂线左边为正，右边为负。通过圆心，对圆心不产生力矩，故该土条自重对圆心的力矩： 2）渗流动水压力对圆心的力矩： 如不考虑地震惯性力，则该土条上荷载对圆心的力矩代数和为： （7-4） （7-5） 式中： 坝体土料的饱和容重，。（3）土条底部抗滑力产生的抗滑力矩 根据库伦定律可求得土条底面的抗剪力。 其对圆心的抗滑力矩为： （7-6） 式中： 为每段弧长，m ； 粘

32、聚力， ； 内摩擦角， 。 当土条底面为无粘性土时，。 （4）求稳定安全系数 按上述方法可求得每个土条的、，由上述可得： （7-7） 当沿滑裂面上的、为常量时，可将及提到符号的前面。7.3 计算结果 （1）校核水位下 计算简图如下（7-3）：图7-3 校核水位计算图1.711.20 ，满足要求。 （2）设计水位下 计算简图如下（7-4）：图7-4 设计水位计算图 1.71.30，满足要求。 （3）正常水位下 计算简图如下（7-5）：图7-5 正常水位设计图 1.841.20 满足要求。7.4 成果分析及结论由上述计算成果知：该坝在校核水位下的最小稳定安全系数为1.567，在设计水位下的最小稳定

33、安全系数为1.597，该坝在正常水位下的最小稳定安全系数为1.541，都大于规范规定的数值。因此，所拟定的土坝断面尺寸是合理的。8 基础处理8.1 渗流控制方案条件允许时优先考虑垂直防渗方案。在透水层较浅（1015m以下）时，可采用回填粘土截水槽方案，由于坝址处河床冲积层覆盖层深度最大达74m，施工比较困难而不予采用。混凝土防渗墙方案，施工快、材料省、防渗效果好，对于这种深度透水层是比较合适的，决定采用这种方案。按混凝土的允许坡降及水头定出厚度为0.7m。防渗墙深入河床覆盖层，底部嵌入基岩，上部则与心墙连接。由于防渗墙两侧冲积层易沉陷，引起防渗墙顶部粘土心墙与两侧粘土心墙的不均匀沉陷而导致裂缝

34、。为此防渗墙顶部作成光滑的楔形，两侧以高塑性粘土填筑，伸入心墙的深厚度已经确定为15m，底部深入基岩1.00m，详见构造设计。8.2 防渗墙的型式防渗墙的型式、材料及布置.根据以往经验，采用槽板式混凝土防渗墙比较合适，设计中采用这种型式。混凝土防渗墙要求材料有足够的抗渗能力及耐久性，能防止环境水的侵蚀和溶蚀；有一定的强度，满足压应力、拉应力、剪应力等各项强度要求有良好的流动性、和易性以便在运输中不发生离析现象.而且能在水下施工。防渗墙布置于心墙之下，从防渗角度来看偏上游为好，但从防裂角度看偏下游一侧好，综合考虑布置于心墙底面中心，见坝体纵剖面图。9 细部构造9.1 坝的防渗体、排水设备坝体防渗

35、体内心墙上、下游设置反滤层；坝体排水为棱体排水。在排水体与坝体、坝基之间设置反滤层；下游马道设置排水沟，并在坝坡设置横向排水沟以汇集雨水，岸坡与坝坡交接处也设置排水沟，以汇集岸坡雨水，防止雨水淘刷坝坡，见细部构造详图（9-1）。图9-1 护坡马道踏步9.2 反滤层参考水工建筑物教材P271，对于粘土心墙与下游砂砾石之间的反滤层，设60厘米厚的粗砂层，心墙的上游面反滤层与下游面相同。反滤层一般也布置于土质防渗体与坝壳或坝基透水层之间及渗流进入排水设备处。在棱体排水和下游坝壳接触面也设置反滤层，设计两层分别厚60厘米粗砂层和40厘米的砾石如图（9-2）所示。图9-2 棱体反滤层图9.3 坝顶坝顶上

36、面铺设30cm厚的100 #混凝土路面，下有30cm砂石垫层。坝顶向下游倾斜2%的坡度，上游侧设1.2m高的防渗墙如图（9-3）所示。图9-3 坝顶布置图9.4 护坡上游坝面设干砌石护坡，参考教材P267，厚度为0.50m，下面设0.2m的碎石垫层，下游也采用干砌石护坡，厚约0.3m，下面也设0.2m的碎石垫层如图（9-4）所示。图9-4 护坡细部图9.5 马道下游均设置马道，马道宽2m，下游马道上设置排水沟，如图（9-5）所示。图9-5 马道结构图图9-6 排水沟平面图10 溢洪道在水利枢纽中，溢洪道是必须设置的泄水建筑物。溢洪道是一种最常见的泄水建筑物，用于宣泄规划水库所不能容纳的洪水，防

37、止洪水漫溢坝顶，保证大坝安全。溢洪道除了具备足够的泄流能力外，还要保证其在工作期间的自身安全和下泄水流与原河道水流获得妥善的衔接。10.1 溢洪道布置10.1.1 型式选择因为开敞式溢洪道泄洪能力大，工作可靠，结构简单，施工、管理和维修方便，水流条件较好，可省去闸门和启闭设备，所以选用开敞式溢洪道。10.1.2 位置选择本设计溢洪道位置的选择可参考已建工程，布置在坝址的右岸，其具体布置可参见枢纽总体布置图。10.1.3 结构型式（1） 进口段由于溢洪道进口紧靠水库，水流条件较好，不需引水渠，仅做喇叭口式进水段。取10m。（2） 控制段控制段的设计参考实际工程，采用宽顶堰，堰顶高程为470.0m

38、，堰宽343m。（3）泄槽段等坡陡槽段由渐变段和陡坡段组成。溢洪道陡槽坡度由缓变陡，参考实际工程，渐变段收缩角为25，底坡为0.05。陡坡段宽度为30.5m，底坡为0.5，等宽。（4） 出口消能段采用挑流消能，参考实际工程和水工建筑物教材，挑射角为25，反弧半径为120m，挑流鼻坎高程应高于下游最高水位12m，取1m，则挑流鼻坎高程为342.26m。10.2 水力计算10.2.1 溢流堰溢流堰泄流能力应满足水库在校核洪水位是的最大下泄流量8850m3/s，参考水力学教材顺水流方向长度按水力学要求，2.5H10H，H为溢流水深。10.2.2 渐变段（1）渐变段临界坡度计算公式如下： （10-1）

39、 （10-2） （10-3） （10-4） （10-5） （10-6） （10-7）（2） 渐变段出口深度采用能量守恒公式进行计算： （10-8） 式中： 水头损失； 断面流速，； 渐变段长度，m；进口水深，m；出口水深，m；渐变段底坡坡度。采用试算法，得渐变段出口深度。10.2.3 陡坡段 （1）底坡类型 经过水力计算得，临界底坡 故属于陡坡，水流为急流，又，所以水面曲线为型降水曲线。 ( 2 ) 水面曲线以渐变段末端为起始位置，水面曲线按分段求合法进行计算，其计算公式如下： （10-9） 其中： （10-10） （10-11） （10-12） （10-13） （10-14） 式中： 下游断

40、面水深（m）；下游断面流速（m/s）；上游断面水深（m）；上游断面流速（m/s）； 纵坡；平均水力坡度；水力半径，；谢才系数，。依次向下游计算得平洞段水面曲线，见下表（10-1）：表10-1 水面曲线计算成果表（掺气前）断面号1234断面距离（m）0200457.343657.343水深（m）64.23.7553.536过水断面面积（m2)1800.001260.001126.501060.8流速（m/s)4.9177.0247.8568.34310.2.4 掺气水深已知个断面水深H后，便可算出各断面的过水断面面积A及流速V，用公式计算掺气高度，水深加掺气高度等于掺气水深，考虑掺气水深，按下式

41、计算： （10-15）其中： （10-16） （10-17）式中：Q 溢洪道下泄流量，m3/s；泄槽计算断面的的水深及掺气后的水深，m；不掺气情况下泄槽计算断面的流速，m/s；修正系数，可取1.01.4，流速大者取大值；A泄槽过水断面面积，m2；b泄槽宽度，m。依次向下游计算得掺气水深，见下表（10-2)：表10-2 断面流速及掺气水深断面号1234断面距离（m）0200275.343657.343水深（m）64.203.7553.536过水断面面积（m2）1800.001260.001126.501060.8流速（m/s）4.9177.0247.8568.343掺气水深（m）6.4134.6

42、134.1683.94910.2.5 消能段（1）消能型式溢洪道的消能防冲设施的型式应根据地形、地质条件、泄流条件、运行方式、下游水深及河床抗冲刷能力，消能防冲要求、下游水流衔接及对其它建筑物影响等因素，通过技术经济比较选定。因为溢洪道下游为岩基，附近没有其他的建筑物，故选用挑流消能。（2）挑流鼻坎设计按水工建筑物挑流消能部分规定，鼻坎坎顶高程应高于下游水位一般12m为宜，故取1.0m。确定挑流鼻坎高程为310.4m。 （3）消能计算 挑距公式为： （10-18） 式中： L自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舍外缘挑距，m； 挑流水舌水面射出角，近似可取用鼻坎挑角，（）； h1挑流鼻坎末

43、端法向水深，m； h2鼻坎坎顶至下游河床高程差，m； v1鼻坎坎顶水面流速，m/s，可按鼻坎处平均流速v的1.1倍计。鼻坎的平均流速： （10-19）式中： 鼻坎末端断面水面以上的水头，m； 流速系数，参见水力学教材 表8-5 折线堰取0.800.90。坎顶水面流速： （10-20） 冲刷坑深冲刷坑最大水垫深度按下式计算： （10-21） 式中：鼻坎末端断面单宽流量m3/（sm）；上下游水位差，m；综合冲刷系数，见溢洪道设计规范（SL2532000）表A.4.2。消能演算计算成果表见下：表10-3 消能段计算成果表 计算项目计算工况上游水位（m）下游水位（m）（m3/（sm）挑流坎顶高程（m）

44、（m）（）校核情况475.14309.0425.8096.481525 计算项目计算工况（m/s）（m/s）（m）（m）（m）（m）校核情况45.9550.550.463119.1820.0610.3 结构设计10.3.1 底板厚度由于影响底板稳定最主要的是浮托力和地下水渗透压力，受很多因数影响，数值相差很大。因此，在任意假定计算意义不大。参照已建工程，溢流堰取0.7m混凝土，泄槽和进水口采用厚0.5m混凝土。10.3.2 底板构造分缝采用错缝布置，横缝间距为10m，做成撘接缝。缝宽3cm，缝内设止水，止水采用铜片止水，止水的施工质量需严格保证。止水铜片示意图见下（10-7）。图10-7 止水

45、铜片示意图10.3.3 底板的排水设备底板下不做垫层，横、纵向排水均在岩面上开挖沟槽，沟槽内放置缸瓦管，直径0.1m，周围填不易风化的碎石，顶部用沥青油毛毡盖好。10.3.4 边墙 边墙高度为掺气后水深与边墙超高之和，根据溢洪道设计规范边墙超高一般取0.51.5m，本设计取1.0m，则边墙高度见下表（10-4）。表10-4 边墙高度成果表断面号1234断面距离（m）0200257.343200掺气水深（m）6.4134.6134.1683.949边墙高度（m）7.4135.6135.1684.94910.3.5 挑坎结构挑坎采用衬砌式。结构见图（10-8）。图10-8 挑坎结构简图11 引水隧

46、洞设计11.1 管线布置通过枢纽布置比较确定的推荐布置方案为：右岸集中布置泄洪建筑物、左岸布置地面厂房式引水发电建筑物。厂房位于冲沟上游侧50m处，供水方式为一机一洞独立供水，进水口形式采用岸塔式独立进水口。引水系统建筑物主要包括：进水口、引水洞上平段、斜井段、下平段(包括压力钢管段)等。引水管线为：进水口位于左坝头上游约100m处，引水洞位于左岸山体内，其上平段绕过左坝肩，用斜井将上、下平段相连，下平段穿过左岸陡坎进入位于号冲沟上游侧布置的地面主厂房，经机组尾水管流入溇水河。11.2 引水洞直径选择引水洞的直径按照常用经济管径的经验公式同时兼顾水力过渡过程的计算来确定。按常用经济管径的经验公

47、式计算：彭德舒公式：D(5.2Q3/H)1/7 (5.2166.093/153)1/75.52m （11-1）考虑到本工程引水洞长度较长(近600m)，根据初步的调节保证计算，为满足不设调压井的要求，需适当扩大洞径，同时压力钢管内径应适当减小，以节约投资，最终进行了如表11-1所示的四组经济洞径比较：表11-1 经济洞径比较方案 比较方案 钢筋混凝土段内径 m压力钢管段内径 m 一 5.6 5.4 二 6.0 5.6 三 6.4 5.8 四 6.8 6.0对以上管径进行动能经济分析，根据年费用最小原则，最终选择方案三的引水洞直径，即钢筋混凝土段引水洞直径为6.4m，压力钢管段直径为5.8m。1

48、1.3 进水口结构设计进水口采用独立的岸塔式布置方案。进水口建筑物分两个孔段，每台机组一个孔段，两个孔段并排布置，孔段轴线间距15.9m，轴线方位角为511214.4。各机组进水口从上游到下游分别设置一道拦污栅、喇叭口、一道检修闸门、一道工作闸门、一个通气孔。主体建筑物前设一长约42m的引水渠从水库引水。进水口主体建筑物尺寸为27m33.6m73.2m(长宽高)，进水口顶部平台高程476.0m(同坝顶高程)，底板高程406.8m，建基面高程402.8m，底板厚度4m，引水渠底板高程为405m。为满足门机轨道运行的要求，顶部平台两侧利用牛腿各加宽2.5m(即门机轨道处平台宽度38.6m)。每个进

49、水口设置两扇拦污栅，栅槽孔口尺寸为5.65m18m，栅前流速最大为0.817m/s。喇叭口平面渐缩段采用椭圆形，顶部采用圆形渐缩。事故闸门及检修闸门均为平板闸门，其孔口尺寸均为5m7.5m，两个孔口中心间距7m。事故闸门槽内设有检修平台、锁定平台及启闭机平台。事故闸门后设一直径为1.5m的圆形通气孔。进水口平台顶部设置有门机、泵房、门库等。事故闸门由设在启闭机平台的液压启闭机控制，检修闸门及拦污栅清污起吊均由顶部的门机控制。进水口建筑物通过工作桥与岸坡连接，桥宽6m，长43m。边坡采用0.5m厚的混凝土护坡。主体建筑物混凝土强度等级C25，受力钢筋采用级筋。工作桥采用强度等级为C25的混凝土简支桥。护坡及其余素混凝土的强度等级采用C20。11.4 引水洞引水隧洞采用一洞一机的单独供水方式供水。每条引水洞包括上平段、上弯段(转弯半径40m，转角50)、斜井(与水平面夹角50)、下弯段(转弯半径40m，转角50)、下平段几部分组成。平面上经过两次转弯，起始段