水利工程土石坝枢纽设计说明书

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1、水利工程土石坝枢纽设计说明书水利枢纽特征参数表项目参数项目参数枢纽任务防洪，发电，灌 溉大死库容1000万立方米上游集雨面积44平方公里坝兴利库容1950万立方米基年降雨量1200毫米调洪库容1210万立方米:年平均气温14.7 C布置方式坝后引水式本月平均流量174立方米每秒取水方式单管多机有压引 水资年输沙量33000 立方米电安装咼程403米料最大风速及吹 程14米每秒，3公里站设计水头45.2 米岩性石英砂岩引用流量40立方米每秒地震裂度5度厂电站装机1.45万千瓦坝型混凝土面板堆石 坝房水轮机型号HL220-LJ-140最大坝咼54米发电机型号YSL330/61-16大坝顶宽度8米引

2、水管道压力隧洞及钢管溢流方式溢洪道及电站底 孔辅助主厂房平面尺 寸35.3 X 12坝溢流堰堰型开敞式实用堰导流方案全段围堰隧洞导流汛前水位444.5 米施围堰形式土石围堰正常高水位447.5 米工设计洪水位448.65 米导校核洪水位448.71 米流死水位434米目 录第1章某水利枢纽工程基本资料 61.1 地形地质条件 6、地理位置及枢纽任务 6、地形条件 6、地质条件 6、水文气象 71.2 建筑材料及其他 8、建筑材料 8、对外交通 8、其他 8、附图 8第2章水文水利计算 92.1 水文计算 9、确定枢纽等别以及建筑物级别 9、水文计算 92.2 水利计算 11、确定泄洪方式 11

3、、防洪库容推求 12223、淤沙高程及死水位 1 32.3 水能利用计算 13第3章坝型选择及枢纽布置 153.1 坝型选择 15、坝址特点 15、各种坝型特点 15、确定坝型 173.2 枢纽布置 17、水利枢纽的建筑物 17、枢纽总体布置 18第4章混凝土面板堆石坝设计 204.1 坝体剖面设计 20、坝顶构造设计 20、坝坡及马道设计 21、排水体设计 22、趾板设计 234.2 坝体材料分区设计 23、混凝土面板尺寸和分缝 24、坝体垫层区及过渡层设计 24、坝体主堆石区设计 244.3 混凝土面板设计 25、面板的形式尺寸设计 25432、 面板的混凝土及接缝设计 25433、 面板

4、接缝止水设计 264.4 坝基处理 27441、趾板地基处理 27442、坝基开挖与处理 284.5 混凝土面板堆石坝稳定校核与变形估算 28、混凝土面板堆石坝坝坡稳定分析 28、混凝土面板堆石坝变形估算 29第5章溢洪道设计 305.1 引水渠设计 305.2 控制段设计 30、溢流堰堰型及选择 30、溢流堰闸门闸墩设计 315.3 泄槽形式及水力设计 32、槽的形式及水面曲线设计 32、泄槽弯道设计 33、弯道冲击波设计 345.4 消能防冲段设计 35、溢洪道沿程水头损失和局部水头损失 35、水舌设计 35、溢洪道挑坎与冲沟的处理 36第6章隧洞及厂房平面设计 376.1 隧洞布置原则与

5、路线选择 37、水工隧洞总体布置原则 37、隧洞路线选择 376.2 发电引水隧洞及厂房平面设计 38、进口段结构设计选择 38、洞身段设计 39、机型选择及厂房平面确定 416.3 排沙孔结合导流洞设计 41、导流方案选择 42、龙抬头式连接处的设计 43第7章 施工组织设计 447.1、导流洪水设计 447.2、围堰设计 45、上游围堰设计 45、下游围堰设计 457.3、施工组织内容与施工进度计划 46施工组织内容 46、施工进度计划 46第1 章 某水利枢纽工程基本资料1.1 地形地质条件地形地质条件包含四个方面：地理位置及枢纽任务；地形条件；地质条件和水文气 象。1.1.1 、地理位

6、置及枢纽任务某水利枢纽位于南河中游，距复兴场三公里，至县城 20 公里。南河全长 42 公里， 河床平均比降8%。河流由北向南流入洪水河。某枢纽是一座以发电、防洪及灌溉为主的综合利用水库，建成后，可以保护下游中 等城镇，并保证上下有城镇人民的生活用水及工农业用电的需求，同时可利用电站尾水灌 溉农田。1.1.2 、地形条件枢纽坝址河谷呈梯形，河谷宽 30160米，两岸基本对称，左岸平均坡角 32 , 右岸平均坡角约为 35。但在高程 450 米以上，山势急剧变缓。坝址下游右岸约 150 米 处，有一条冲沟切割；左岸下游 110 米处有一山湾地形。坝址上游 50 米以外，河谷地势 逐渐开阔，是水库

7、的主要蓄水区。上游没有淹没条件的限制。坝址上游集雨面积 44 平方公里。流域两岸坡面，木林丛生，植被良好，沿河两岸分布有耕地。地貌特征属构造剥蚀型地形、地质条件经地表开挖勘测及深部钻探资料分析，坝区地质构造简单，无大的断裂构造，库 岸稳定，地下水主要向库内补给。 坝区岩层走向为N80度E。与河流流向近乎垂直，倾向 NW，倾角5度。坝区地层为中生代上侏罗系（J3）砂页岩互层。坝址河谷谷底以下，上部为厚达 21米的厚层石英砂岩（J 2-63），中部为厚6米的砂质页岩（J32 5），下部为15米厚的石英 砂岩（J324），本层厚度为40米以上，是大坝的主要持力层。两岸以石英砂岩为主，上部 有厚度约1

8、0米的砂质页岩。石英砂岩强度比较高，其表层节理裂隙较为发育，特别是两 岸基岩出露部位尤为明显。经测定，坝区裂隙主要有两组：一组为走向N50。60 E ,另一组为N40。55 W ,倾角近乎直立，两组走向近乎正交。岩石的物理力学特性如表1.1。表1.1坝址基岩物理力学特性表序号力学参数岩类容重r(t/m 3)变形模量E(kg/cm 2)摩擦系数f极限抗压强度Rc（kg/c m2）泊桑比1石英砂岩2.659.9*10A40.607060.252砂质页岩2.652.0*10A40.402750.323覆盖层1.200.2*10A40.30河谷底部基岩表面为覆盖层，厚23米，系砂砾石几块石混合物。两岸

9、坡积层较厚， 主要是碎石几砂质土混合物。南河流域无大的地震带通过，该区地震活动较弱，历史上只出现过少数几次弱震。 经地震大队初步确定，其他地震裂度为 5度。、水文气象南河流域属亚热带气候，每年平均气温 14.7度，极端最高气温37 C,极端最低气 温-5 C,分别发生在7月和1月份。无霜期290天。由于受太平洋低压潮的影响，该区 雨量较充沛，每年平均降雨量为1200毫米。流域附近有四个水文、气象站，根据 30年的实测水文资料分析，洪水期为 510 月，尤以78月洪水为最大，枯水期为114月，其中12月2月河流流量最小。通 过频率分析，各种频率的洪峰流量如表 1.2所示。表1.2 各种频率的洪峰

10、流量频率P（%）0.010.10.212Qp (m3/s )662.2604.0585.0542.0522.8频率P（%）510205075Qp (m3/s )488.0465.0434.0383.0345.0根据流域附近气象站实测瞬时最大风速为 14m/s。水库吹程3公里，风向为北风，与吹 程方向近乎一致。表1.3各月每年平均流量表月份123456流量（m3/s）7.717.472.0162.3222.0306.2月份789101112流量（m3/s）377.4373.5279.8180.867.822.1河流多年平均输沙量33000 m 3,淤沙浮容重0.75t/m 3,内摩擦角13度。1

11、.2 建筑材料及其他说明建筑材料；对外交通；其他条件和给出的附图。、建筑材料南河流域地处山区，坝址附近土料缺乏，虽河流两岸有坡地和少量梯田，但土质多为砂土 或砂壤土，且储量较少。主要建筑材料为石料，储量丰富，运距较近，主要料场分布在坝 址上下游两岸两公里范围内。料场覆盖较薄，有利于开采。此外，在坝址下游一公里以外 的两岸山坡上，分布有强风化砂岩形成的山砂，经粉碎及筛选后，可以作混凝土或砂浆的 砂料。其建筑用料的物理力学特性如表 1.4。表1.4砌石体及混凝土的物理力学特性表名称容重丫(t/m 3)弹性模量E(kg/cm 2)摩擦系数f容许抗压强度（kg/cm 2）容许抗拉强度（kg/cm 2）

12、浆砌条石2.44.5 104砌体与砂岩0.65砌体与砌体0.70251.0浆砌块石2.34.0 104（80#砂浆砌筑）160.5十砌块石1.7十砌毛条石2.0混凝土2.4518 104注：砌体与砂岩接触面的抗剪断凝聚力C=5 kg/cm 2，抗抗剪断摩擦系数f=0.85。、对外交通某枢纽下游三公里处的复兴场，有公路通至县城，对外交通较为方便。施工前，可自复兴 场修施工公路支线，即可进入工地，保证施工期物资设备的供应。1.2.3 、其他 施工期为三年，施工用电由复兴场变电站架设十千伏高压线，便可满足工地施工及照明用 电。1.2.4 、附图1坝址区地形图1： 5002坝址河谷横剖面图1： 500

13、3坝址河谷纵剖面图1： 5004坝址下游水位流量关系曲线5 书库水位 -库容，面积关系曲线6.洪峰流量过程线第 2 章 水文水利计算水文水利计算包含以下六个方面内容：枢纽等别及建筑物级别；选择坝型；水文计 算；水利计算；淤沙高程及死水位和水能利用计算 。2.1 水文计算2.1.1 、确定枢纽等别以及建筑物级别 枢纽等别根据四个方面确定：水库库容；装机容量；防洪要求和城市供水灌溉。建 筑物的级别确定根据枢纽等别决定。1. 水库总库容：某水库库容，面积关系曲线，给定的正常高水位为 447.5 米。水库库容 2950 万立方米。为 0.295 。在 0.1 到 1 之间， 工程规模属于中等，属于三等

14、的枢纽等别。2. 装机容量：某水利枢纽装机容量为 1.45 万千瓦，根据装机容量和灌溉的面积，确定为 三等枢纽。3. 防洪：建设好枢纽，可以保护下游中等城市， 根据保护城镇及工业区为中等， 确定枢纽 为三等。4. 供水灌溉：还有某供水，某水库要保证上下游城镇人民的生活用水， 水利灌溉，利用电 站尾水灌溉农田。根据以上所述，最后确定枢纽等别为三等。5 建筑物级别确定：主要建筑物的级别确定根据枢纽等别决定，由三等的枢纽确定建筑物的级别：确定主要建筑物级别为 3级别，次要建筑物级别为 4级别，临时建筑物级别为 5级别。参考资料：见资料1、水文计算水文计算主要确定洪水重现期；调洪原理以及推求洪水过程线

15、三个方面内容。1、洪水重现期确定根据建筑物级别，在设计工况下，主要水工建筑物洪水重现期：堆石坝在50到100年，以安全起见，取重现期为100年。见参考资料2。根据基本资料情况，由100年一遇的频率下设计洪峰流量为 Q设计=542.0立方米每秒。 根据基本资料的附图：洪水过程线图。典型洪水过程线有最大洪水来量为 Qm =300立方 米每秒。水文计算用同倍比放大法计算。计算结果 Kq=1.087.校核的情况：取洪水重现期为1000年一遇。该频率下的洪峰流量 Q校核=604.0立方米 每秒。计算结果Kq校核=2.0013。2、调洪原理水库调洪是在水量平衡和动力平衡(即圣维南方程组的连续方程和运动方程

16、)的支配下进行的。水量平衡用水库水量平衡方程表示，动力平衡可由水库蓄泄曲线来表示。调洪 计算就是从起调开始，逐时段连续求解这两个方程。 .水库水量平衡方程在某一时段内，入库水量减去出库水量，应等于该时段内水库增加或减少的蓄水量。水量平衡方程为V2V1QiQ22式中Q1 时段t始的入库流量，m3/s ；Q2时段t末的出库流量，m3/s ；V1时段t始的水库蓄水量，m3/s ；V2时段t末的水库蓄水量，m3/s ；t 计算时段，s.其能比较准确地反映洪水过程线地形状 .水库蓄泄方程或水库蓄泄曲线水库通过溢洪道泄洪，其泄流量地大小，在溢洪道型式、尺寸一定地情况下，取 决于堰顶水头H ,即q= f(H

17、)。对于闸门全开地表面式溢洪道，下泻流量可按堰流公式计算。 当水库内水面坡降较小，可视为静水面时，其泄流水头H只是库中蓄水量V的函数，即H二f(V)，故下泻流量q成为蓄水量V的函数，即q 二 f(H)q=f(V) 调洪演算必要的资料a.设计校核洪水过程线、水位库容曲线、下游水位流量的关系曲线b 泄洪建筑物的类型、堰顶高程及尺寸，前者已经已知，后者在进行调洪演算前先设出 几种方案，进行比较后优选方案c 洪水标准中的洪水重现期(P校和P设)3、洪水过程线的推求计算结果于下表2.1表2.1 洪水过程推求结果表时段02345678典型1526582202202682903000设计2746.98210

18、4.8252.9397.5484.2524.0542.10684763校核3050.033116.0280.1440.2536.3580.3600.39858828648477时段1012141618202224典型278232172136106806250设计502.3419.22310.8245.7191.5144.5112.090.35464045242634校核556.3464.30344.2272.1212.1160.1124.0100.0661416236768378048065根据同倍比放大法推求洪水过程线，根据资料取两个小时为一个时段，在开始几个时段来 水量变化比较大，取一个小

19、时一个时段，可以更精确地推求洪水过程线。洪水过程线见附 图：洪水过程线。2.2 水利计算水利计算有：泄洪方式的确定；防洪库容的推求和淤沙高程及死水位确定。、确定泄洪方式1、根据地形情况，采用溢洪道泄洪方式泄洪。采用高堰形式，用开敞式幕曲线实用堰。泄流能力计算按：B :溢流堰总净宽C :上游坡度影响系数Q：流量H 0 :记入行进流速的堰上水头，对咼堰，Ho取H，对低堰，H 0按照公式计V。系行进流速近似地取1H :堰上水头g：重力加速度m :流量系数以上公式参数等均见参考资料32、孔口比较确定根据公式初步取三孔乘四米单宽的孔口和两孔乘五米单宽的孔口。调洪计算起调水位取溢洪道溢流堰顶高程,为汛前水

20、位444.5米.其计算调洪结果如下表2.2 o 表2.2调洪结果对照表内容设计洪水情况校核洪水情况最大来水最大下泄上游最咼最大来水最大下泄上游最咼量Q量q水位Z量Q量q水位Z(m 3 /s)(m 3 /s)(m)(m3/s )(m3/s )(m)2*5单宽542215448.71600223448.713*4单宽542250448.65600263448.71比较选定孔口，经过比较，二孔乘五米单宽的孔口 ，在来水量一样的情况下，下泄流量比三孔乘四米单宽的情况要小.设计洪水情况与校核洪水情况都是如此.设计情况下，三孔乘四米单宽的孔口上游最高水位比两孔乘五米的要低一点.校核的情况是一样的水位在这样

21、的情况下，选择下泄流量大的方案.最后确定选择三孔乘四米单宽的孔口、防洪库容推求下游防洪要求设计洪水从防洪限制水位经过水库调节后达到的最高水位，这个水位到 防洪限制水位之间的库容就是防洪库容。也就是校核水位到防洪限制水位之间的库容。溢 洪道校核洪水位为448.71米，最大下泄流量q为263立方米每秒，相应的总库容为0.34 亿立方米；溢洪道堰顶高程为 444.5米，也就是防洪限制水位为444.5米，相应库容为 0.227亿立方米.设计洪水位为448.65米，最大下泄流量为250立方米每秒,相应的库容也为 0.34 亿立方米 .根据计算结果如下 :上游设计洪水位 :448.65 米上游校核洪水位

22、:448.71 米 上游正常蓄水为 447.5 米 设计最大下泄流量 :250 立方米每秒 校核最大下泄流量 :263 立方米每秒下游设计水位206.3米下游校核水位206.6米下游正常水位402.3米设计防洪库容0.096亿立方米校核防洪库容0.113亿立方米2.2.3 、淤沙高程及死水位 对于一般淤积不太严重的河流，可用死库容作为淤沙库容，其容积大小可根据水库预 期使用的年限计算确定。淤积库容可能大于自流引水所要求的死库容。但在本设计中为确 定水电站引水段的进口高程，死库容由淤沙库容求得。1、 淤沙高程： 按照两种方法确定， 一种是估算法， 根据多年河流输沙量和排沙估算； 另外一种是耕具水

23、库的拦沙率和排沙比法确定。首先，按照估算法 :水库基本资料给定河流多年平均输沙量为 33000 立方米 .初步设计水库使用年限为 100 年,淤积沙量为 330 万立方米 ,若水库设计排沙孔排沙 ,每年按排沙百分之二十计算 , 这 算出对应的淤积沙量 264 万立方米 ,相应的淤沙高程为 418.4 米.其次，按水库拦沙率和排沙比法 :水库原始库容 3110 万立方米 ,年平均水量为 548703 万立方米 ,多年平均输沙量 3.3 万立方米 .淤积期即是使用期的平均调节系数算得百分之零点四二五 .按平均淤损率算 ,淤损 率为百分之零点零二六七年平均淤积量为 8583.6 立方米 ,水库淤积达

24、原库容百分之五十 的年限为 1812 年 .年平均拦沙率为百分之二十六 .水库调节程序对拦沙率起主要作用外 ,还有其他多种因素存在 . 如泥沙颗粒的粗细 ,泄流 建筑物的形式 , 及水库运用的方式等 .南和流域地处山区 ,泥沙颗粒比较粗 ,拦沙率比较高 , 并 且水库汛期泄水以表面溢洪道为主 ,出库含沙量应该比较低 . 水库的拦沙率比较高 .设计定年 平均拦沙率为百分之五十 ,拟定水库使用年限为 100 年, 河流多年的平均输沙量为 33000 立方米 . 使用期内 ,淤沙总体积为 165 完立方米 .根据水库水位库容曲线得淤沙高程为409.5 米.参考资料 4 。以上两种方案比较下来第二种方

25、案更准确 , 淤积计算更精确 ,淤沙高程比较低 ,比较符合 资料地形情况 . 最后确定取淤沙高程为 409.5 米.2 、 死水位的确定综合考虑淤沙高程的因素，考虑取水口的高程等因素，死水位取水库消落深度的最低 高程。由于资料缺陷， 水库的消落深度取最大水头的百分之三十。 最大水头由计算得 46.5 米，水库的消落深度是 13.95 米。经过计算得死水位高程为 433.55 米。最后确定死水位 高程为 434 米。对应的死库容为 1000 万立方米。2.3 水能利用计算水能利用计算有：确定水头；根据水头确定装机容量。1、水头确定初步设计水电站装机 3 台机组，由电站引用流量为 40 立方米每秒

26、，单机引用流量为13.33 立方米每秒。根据基本资料下游水位流量关系曲线，下游最小水位为单机发电时候 的水位，查出水位为 401 米的高程。最大水头： 最大 H=46.5 米。最小水头： 最小 H=33 米。平均水头： 平均 H=39.55 米。而正常蓄水位满荷载时候的水头：正常 H 经过计算得 45.2 米。取正常水位时候的水头与平均水头两者之间的最大值。最后确定取设计水头为 45.2 米。见参考资料 14 。2. 装机容量确定根据水电站出力计算公式： N=A*Q*HN: 水电站出力（功率）A: 水电站出力系数Q: 水电站引用流量H: 水电站平均水头根据资料情况，水电站出力系数范围在 6.0

27、-8.0 之间。取出力系数为 8。计算得出水 电站出力（功率）为 14464 千瓦。取 1.45 千瓦。确定装机容量为 1.45 万千瓦。水电站设计水头 45.2 米，水电站功率 1.45 千瓦。第3 章 坝型选择及枢纽布置坝型选择根据坝址特点，各种坝型特点，比较各种坝型是否适合坝址特点确定。枢纽 布置按照便于施工，利用地形的原则，合理布置。包含水利枢纽建筑物的确定，各建筑物 适合不同地形确定枢纽布置。3.1 坝型选择3.1.1 、坝址特点某水利枢纽工程坝址河谷呈梯形，谷宽 30 到 60 米，两岸基本对称，左岸平均坡角 32 度，右岸平均坡角约为 35 度，但在高程 450 米以上，山势急剧

28、变缓。坝址下游右岸 约 150 米的地方有一条冲沟切割，左岸下游 110 米的地方有一山湾地带，坝址上游 50 米以外，河谷地势开阔，是水库主要蓄水区。流域两岸坡面林木丛生，植被良好。沿河流 的两岸分布有耕地。 地貌特征属于构造剥蚀型地形。 坝区地质构造简单， 无大的断裂构造。 岩层走向为 N80E, 与河流流向近乎垂直。倾向 NW ，角度为 5 度。当地建筑材料主要是石 料，坝址附近土料缺乏，虽然河流两岸有坡地和少量梯田，但是土质多为砂土或壤土，且 储备量较少，主要建筑材料石料储备量丰富，并且运距较近，主要分布在坝址上下游两岸 两公里范围内。3.1.2 、各种坝型特点考虑比较四种比较常用的坝

29、型：混凝土拱坝坝型；混凝土重力坝坝型；土坝坝型；支 墩坝；土石坝。其中土石坝又分为土石心墙坝，土石斜墙坝，心墙堆石坝，混凝土面板堆 石坝。1. 混凝土拱坝坝型：拱坝依靠两岸岩体承担拱推力，抗滑稳定由两岸岩体决定，拱内 应力分布均匀，有利于材料强度的发挥。节约材料，坝身可以开孔过流，不需要另外设置 泄洪建筑物，坝身轻，抗震性能好 。但是导流不方便，并且要求坝址河岸岩体要好，要 是V型河谷。所以对坝址要求比较高，对防渗，温度要求比较高。根据坝址地质情况，不 适合布置拱坝。2. 混凝土重力坝坝型： 混凝土重力坝依靠大坝自身与岩基之间的摩擦力来平衡水压力 从而维持稳定。所以重力坝要求建在岩基上，所以要

30、求有坝址有坚硬的基岩。混凝土重力 坝要求防渗要好，重力坝适应性广，并且安全可靠，对地形地质调教适应性强，可以使用 大体积混凝土机械施工，施工工艺简单。稳定和应力计算简单，在基岩上适于建混凝土重 力坝。根据地形地质情况，可以考虑建混凝土重力坝。3. 土坝坝型：土坝利用土质当水，防渗比较差。土坝不能过水，需要另外设置坝外 泄水建筑物。 土坝对坝基要求不高， 但是坝址区要有大量的土， 要有建筑防渗心墙的土料。 根据坝址情况，没有土料，有大量的石料，不适合建筑土坝。4. 支墩坝 支墩坝由一系列支敦和挡水面板所组成， 支墩沿坝轴线排列， 前面设挡水 面板。支墩坝也是依靠重力维持稳定的挡水建筑物，自重较轻

31、，坝体工程量小。由于支墩 坝的应力较高，对地基的要求比重力坝还高，特别是连拱坝，因其整体结构，对地基的要 求就更加严格，因此不能选用。大头坝和宽缝重力坝接近，也不宜采用。平板坝由于钢筋 用量大，且面板容易产生裂缝。也不适合修建该坝。5. 土石坝坝型：土石坝要求土料与石料以一定的比例筑坝。也要求当地坝址有足够 的土料与石料，防渗材料。土石坝可以利用机械化快速施工，土石坝也不能在坝身过水， 需要设置坝外泄水建筑物。在地形给予符合的情况下，可以考虑修建土石坝。根据坝址情 况，有少量的沙土，或壤土，河谷不是很宽，可以考虑修建土石坝。土石坝可以分为土石心墙坝，土石斜墙坝，心墙堆石坝，混凝土面板堆石坝。心

32、墙 土石坝，土石斜墙坝和心墙堆石坝需要有建筑心墙的土料，利用心墙防渗，防渗性能不是 很好。混凝土面板堆石坝，可以充分利用当地丰富的石料，混凝土面板防渗比较好，混凝 土面板堆石坝是近年来迅速崛起的一种坝型，可以使用机械化快速施工，造价低，一般坝 身不能泄水，堆石坝要求当地有丰富的石料。坝址区有丰富的石料，是建造堆石坝的有利 条件，河谷不是很宽，是适合修建堆石坝的有利地形。由上面的方案选择可知，在该地区最好采用的坝型就是堆石坝型。主要有几个方面的 原因：1）采用当地的材料筑坝，还可以充分利用枢纽中其他建筑物开挖的土料。2）某工程坝址石料材料丰富，土料相对较少，适合建堆石坝，堆石坝的断面较小， 即使

33、在当地有土料的情况堆石坝也是可以考虑的坝型。3）从施工机械来看，大型堆石坝施工机械为加快施工、降低造价提供了保证条件。 特别是重型振动碾的使用，可把堆石坝体碾压的密实，沉降量很小，有利于坝的稳定。4）堆石坝对地基的要求比混凝土坝为低，可以建在地质条件略差的坝址上。而某覆 盖层比较少，下面是石英砂岩，适合建堆石坝。5）某工程所在地，交通比较方便，有公路通往县城，建造堆石坝可以减少外来材料 的运输，并且可以充分利用当地石料，比较有利。6）建造堆石坝施工导流问题较土石坝容易解决，可部分利用未建完的堆石体坝顶在 汛期溢流，从而可减小导流隧洞的尺寸，减少投资，但这种情况需注意对坝顶、下游坝坡 和下游坝基

34、加以保护。7）堆石坝设计理论和施工经验的积累和发展，为修建即安全，又经济的堆石坝提供 了另一保证条件。8）堆石坝施工比均质土坝可少受雨天的影响，比混凝土坝可减少受温度变化的影响。3.1.3 、确定坝型堆石坝几种防渗分区坝型比较：1钢筋混凝土斜墙坝：对于施工有利，但由于厚覆盖层，势必引起坝体的不均匀沉 陷， 从而引起混凝土的开裂，为防止其发生，对于工程质量的要求就很高，很难达到； 且需要的钢筋混凝土又较心墙坝多， 故放弃钢筋混凝土斜墙坝。 混凝土斜墙坝的理由类似2钢筋混凝土心墙坝：钢筋混凝土心墙坝虽比混凝土重力坝节省砼量，又能有效利 用当地的土石料，但当地处于偏远山区，混凝土的生产、运输费用高，

35、筑心墙坝工期受心 墙浇筑的影响。不宜采用。3沥青混凝土心墙坝： 沥青混凝土有较好的塑性和柔性，当产生裂缝时，尚有自行愈 合的性能；施工简单、造价低；心墙受气候条件、日照影响少，长期老化问题也较少，施 工可以与两侧填石同时进行。但是，沥青混凝土防渗墙与其它混凝土建筑物的连接十分重 要，往往会出现裂缝和漏水，以至影响大坝安全。4混凝土面板防渗的面板坝：防渗面板坝依靠坝体上游面防渗以蓄水，抗滑稳定性 高；坝面坡度可比其它坝型陡些，减少坝体体积；面板兼有上游面护坡的作用；堆石体施 工不受防渗结构施工的影响；防渗面板设在坝体表面，维护、检修比土防渗墙容易。当然，由于坝体不均匀沉降会直接影响到防渗面板，使

36、其发生裂缝，降低防渗功能， 有损大坝安全；但是可以对防渗面板进行分缝，就可以降低面板的集中应力。即使沉降使 得面板产生裂缝，可以在坝体内设置排水，下游可以设置排水棱体。综合上面几种坝型比较和某地区资料表明，可以修建重力坝，堆石坝，因为土料缺乏，不能修建土坝。若要修建土坝，土料运距很远，造价太高不经济，河谷为梯形，也不 是修建拱坝的有利地形。 当地有丰富的石料， 岩基良好， 在设计水位以上， 坡度急剧变缓， 有利于布置泄水溢洪道。是修建混凝土面板堆石坝的有利地形。所以大坝坝型优先选择混 凝土面板堆石坝。3.2 枢纽布置3.2.1 、水利枢纽的建筑物 水利枢纽的建筑物包括主要建筑物和临时建筑物，主

37、要建筑物有挡水建筑物；泄水建 筑物；输水建筑物和水电站建筑物。临时建筑物有导流围堰，导流洞和临时工作桥等。 挡水建筑物是混凝土面板对石坝。泄水建筑物有溢洪道，排沙洞，导流洞。 输水建筑物有引水渠，隧洞，尾水渠。 水电站建筑物有电站厂房，进厂房压力钢管，开关站等。3.2.2 、枢纽总体布置 枢纽布置的一般性原则：合理安排枢纽中各个水工建筑物的相互位置称为枢纽布置， 其应该遵循的一般原则是：（ 1 ）、 坝址，坝及其他主要建筑物的型式选择和枢纽布置要做到：施工方便，工期 短，造价低。（ 2 ）、 枢纽布置应该满足各个建筑物在布置上的要求，保证其在任何工作条件下都 能正常工作。（ 3 ）、 在满足建

38、筑物强度和稳定的条件下，降低枢纽总造价和年运转费用。（ 4 ）、 枢纽中各建筑物布置要紧凑，尽量将同一工种的建筑物布置在一起，以减少 联结建筑。（ 5 ）、 尽可能使枢纽中的部分建筑物早期投产，提前发挥效益（如提前蓄水，早期 发电或灌溉）。水工隧洞路线选择的原则：（1）、隧洞的路线应该尽量避开不利的地质构造，围岩可能不稳定及地下水位高，渗 水量丰富的地段，以见效作用于衬砌上的围岩压力和外水压力。（2）、洞线在平面上应该力求短，直，这样既可以减少工程费用，施工方便，并且有 良好的水流条件。（3）、隧洞应该有一定的埋深。（4）、隧洞的纵坡，应该根据运用要求，上下游衔接，施工和检修等因素综合分析比

39、较确定。（5）、对于长隧洞， 选择洞线时还应该注意利用地形， 地质条件， 布置一些施工支洞， 斜井，竖井，以便增加工作面，有利于改善施工条件，加快施工进度。枢纽的外观应该与周围环境相互协调，在可能条件下注意美观。（ 1 ） 坝址：枢纽建筑物的布置要根据地形，以方便施工的原则，充分利用地形来 布置枢纽建筑物。坝址已经选定，位于山湾地上游 110 米的地方。（ 2 ） 挡水建筑物布置：混凝土面板堆石坝适合已经选定的坝址，布置在距离山湾 地上游 110 米的地方，坝轴线已定。（ 3 ） 泄水建筑物布置：河流右岸坡度是 35 度。左岸下游 110 米的地方有一个山 湾地带，适合布置溢洪道，所以泄水建筑

40、物选择正槽溢洪道，考虑厂房可以布置在山湾地 带，所以在右岸布置溢洪道。 在 450 米高程以上，坡度急剧变缓， 具有布置溢洪道的条件。 由于左岸布置厂房，有布置电站引水隧洞。所以排沙隧洞结合放空隧洞布置于右岸，以利 于施工方便。 排沙孔排水作为防洪一个储备。 根据坝址地形条件， 右岸下游 150 米的地方 有冲沟，溢洪道布置要避开冲沟，溢洪道挑坎布置于冲沟与河流相交的地方，以利于挑流 消能，同时与河流有一个小的夹角，出水流态有利于河床水流消能，避免河床造成大的冲 刷。（ 4 ） 水电站建筑物布置：水电站适合布置于交通方便，施工方便，开挖比较少的 地形。 所以电站厂房布置于左岸下游 110 米的

41、山湾的地方。 有利于减少开挖， 电站尾水归 河的流态好。厂房开挖小，比较经济。位于电站 450 米的高程的坡度很小，可以布置开关 站。第 4 章 混凝土面板堆石坝设计4.1 坝体剖面设计坝体剖面设计有：坝顶；上下游坝坡；马道；排水结构设计和上游趾板设计。4.1.1 、坝顶构造设计1 、 防浪墙 国内外的面板坝普遍都在其顶部上游侧设置不透水的挡墙，它即起当水作用，又起挡 土作用，也是防浪墙。防浪墙延伸到两岸与坝头基岩或结构物相连接，形成完整的防渗系 统。因此他是坝体防渗结构的一个组成部分。在各种形式的防浪墙中，直墙防浪较为有效，各坝多采用 L 形钢筋混凝土墙。之 所以能够采用高防浪墙，是因为经碾

42、压填筑的坝体具有较好的稳定性且沉降量较小，且在 施工期基本完成，不会危机高防浪墙的防渗性；高防浪墙所节省的堆石费用将大于建造防 浪墙的费用，坝越高节省的堆石量越多。有时为了进一步节省堆石方量，可在坝顶下游一 侧另设挡墙，如成屏一级坝的防浪墙高 5.25m ，在坝顶下游侧另设 4m 高的挡墙，形成“垂直戴帽”结构，致使坝体填筑方量节约达 17 %。加高防浪墙也是加高坝体的措施之一， 萨尔瓦兴娜坝在施工过程中决定将坝顶加高6m，就是采用高8m的防浪墙并咱坝顶下游侧加设2.6m高的挡墙来实现的。采用较高的防浪墙可以减少堆石填筑方量， 降低造价，综合考虑坝址区风浪水文条件， 初步确定防浪墙高度为4米。

43、根据资料8，防浪墙高度范围4到6米，最后确定防浪墙 高度4米。混凝土面板堆石坝稳定边坡为 1 : 1.3到1 : 1.4。防浪墙顶高出坝顶1米到 1.2米。取高出坝顶1米。去上游边坡为1 : 1.3，下游边坡1 : 1.4。防浪墙采用直防浪 墙，用“ L ”型钢筋混凝土墙。2、坝顶咼程按照设计和校核情况计算取最大者。相应静水位加安全超高。按照资料7，安全超高公式d= ha +e +Aha：为防浪墙在坝坡上的爬高；e:风浪引起的坝前水位壅高；A:为安全超高，取0.7 ;其中ha按照公式计算ha =0.45 h1 m 1 n ;2e kv Deos /2gH ;51h 0.016v0*D ；h :

44、设计波高；m :坝坡坡率；n：护坡面糙率，混凝土取0.015 ；k :综合摩擦系数，一般取（1.5-5 ）x 103,计算时取3.6 x 103；v:设计风速；D:吹程；H :水库水域的平均水深；:风向与坝轴线法向的夹角。防浪墙建基高程应高于正常高水位，防浪墙与面板间的接缝应安周边缝来处理，止 水结构必须可靠。堆石体在自重作用下和水荷载作用下产生蠕变，竣工后还会继续发生沉 降及水平位移，坝体填筑是要预留填筑超高。有效降低了坝顶高程，大大的节省了工程量。大坝坝顶宽度取8米，坝顶下游设计护拦，取护拦的高度为 0.5米。防浪墙与面板连 接处设计垂直于面接缝，防浪墙底宽实际与垫层水平宽度相同。取3.5

45、米，防浪墙采用混凝土浇筑。过度层与坝内排水体水平宽度取3.5米，为了方便机械化施工，排水体设置在过渡层后，排 水体下依次分别设计主堆石体和次堆石体。下游护坡采用大块石堆砌，厚度取0.5米。防浪墙与面板之间设计接缝，底部设计铜片止水，期于均设计为填预塑柔性填料， 取用沥青木版。 经过计算得设计波高为 0.625 米，风浪在坝上爬高为 2.6 米，风浪引起的 水位壅高为 0.005 米，正常情况下的安全超高为 3.35 米，非正常情况下的安全超高为 3.05 米。所以坝顶高程在设计情况下为 452 米，校核情况下为 451.76 米，这两个之间取大的。 最后确定坝顶高程为 452 米。防浪墙高出坝

46、顶 1 米，防浪墙顶高程为 453 米。根据资料 8 ，坝顶宽度一般取为 5 米到 8米，坝顶设计公路通行，以方便人行。取坝顶宽度为 8 米。河流河谷底基岩表面为覆盖层，厚度为 2 米到 3 米，坝基面初选在强风化线上，坝基 开挖覆盖层，强风化层初步设计开挖 2 米。则最低坝基面高程取为 438 米。计算得坝高 54 米。为了方便施工，坝剖面在下游坡设计两个马道，每隔 20 米高程一个，分别在 432 米高程设计一个宽度为 2 米的马道，在 412 米高程设计一个马道。设置马道有利于坝坡 的稳定。4.1.2 、坝坡及马道设计 坝坡取决于坝型、坝高、坝的等级，坝体及坝基材料的性质所承受的荷载、施

47、工和运 行条件等因素。 土质防渗体的心墙坝， 当坝壳采用堆石料时， 下游常用坡度为 1：1.5 1：2.5 ，上游常用坡度为 1：1.7 1 ：2.7 。斜墙坝的下游坝坡坡度可适当偏陡，上游坝坡则 可适当放缓，石质坝坡可放缓 0.2 。参考所查斜心墙堆石坝资料列举相近的工程实例，如 美国的圆峰大坝，坝高 134m ，坝顶宽 13.4m ，最大坝底宽度大于 500m ，基岩为玄武岩， 覆盖层厚 30m ，坝体上游坡 1：1.8 ，下游坡 1：1.7 。巴西的芬纳斯大坝，坝高 127m ， 基岩为石英岩，覆盖层厚几米，坝体上游坡 1：2.0 ，下游坡 1：1.8 。美国的玛蒙特湖大 坝，坝高 14

48、2.8m ，基岩为风化片麻岩，覆盖层厚 42.4m ，坝体上游坡 1 ： 3，下游坡 1 ： 2 。我国小浪底为壤土斜心墙堆石坝， 坝顶宽 15m ，最大坝高 154m ，最大坝底宽度 864m 。 覆盖层深度80多米，大坝上游坡1 : 2.6，下游坡1 : 1.75参考以上工程经验，结合本工程，基岩主要为石英砂岩，设计地震烈度为 6 级。由于 上游为混凝土面板，不设马道，上游坝坡坡率设计为稳定坝坡 ， 1：1.3 ，下游坝坡坡率 取1 ：1.4。考虑到拦截雨水，防止冲刷坝面，同时便于观测和检修、设置排水设备，也可 作交通之用，下游坝坡每隔 20 米高设一个马道，共 2 条马道，马道宽取 2

49、米。根据据资料 7 ：土石坝的上下游面通常都应设置护坡。 上游面护坡是为了保护上游坡 细粒土免受波浪的冲刷；防止靠近泄水建筑物处的上游坡遭受顺坝水流的冲刷；防止冰层 和漂浮物的损害。下游面护坡为防止雨水冲刷；防止有水部分的风浪、冰层和水流作用； 防止坝体无粘土料被风吹散；以及防止蛇、鼠、白蚁等动物对坝体的破坏。下游护坡采用 大块石堆砌，厚度取 0.5 米。4.1.3 、排水体设计 为防止渗流逸出处的渗透变形；改变渗流方向，增加坝体稳定等，堆石坝均应设坝 体排水设备。排水设备的型式有： A 型，棱体排水； B 型，贴坡排水； C 型，坝内排水设 备，包括褥垫排水层、网状排水带、排水管、竖式排水体

50、等。坝体排水设计：由于大坝的沉降，导致面板产生应力变形，从而产生裂隙而渗漏；或者面板的缝间渗漏造成坝内渗流。所以在坝内设计排水区。排水区采用烟囱式排水体。设 计了排水体，从而减少坝内渗透水压力，提高了透水性，对大坝起到了保护的作用。该区 的主要任务是保持面板漏水的时候能自由排水而不至于冲坏其他区（主堆石区）。该区配料采用加工石料，最大颗粒直径不超过 150毫米，最小颗粒直径不小与 5毫米，填筑厚 度每层取600毫米。所以石料采用人工石英砂岩，最大颗粒直径不得超过600毫米，（过度层最大颗粒直径为200毫米到300毫米），最小颗粒直径不小与5毫米，填筑厚度按每 层1米。（主堆石区每层碾压1米）以

51、方便施工碾压。下游棱体材料设计：下游棱体是为了排出坝内渗流的水而设计。所以下游棱体与烟 囱式的坝内排水提互相连接，下游棱提的重要作用还有起到大块石重力压坡。所以棱体材 料必须选择颗粒直径比较大。设计最大颗粒直径不超过800毫米，小于5毫米的颗粒含量控制在50-。到150-0之间，填筑厚度也取1米。以方便施工碾压。空隙率控制在2500到3000之 间。渗透系数不大于0.1cm/s。设计坝内排水区位于过度层之下，设过坝底通过棱体排水排出坝体；坝内排水体初定 水平宽度为3.5米，也是以便机械施工碾压，横向通过棱体的部分高度取3米。距离棱体顶部取3米。下游棱体尺寸：取棱体上游坡度为 1:1，下游坡度按

52、大坝的下游坝坡坡度。 取1： 1.4的坡度。棱体顶部设计2米宽度。由于千分之八的河流比降，下游考虑开挖深 度等因素，取棱体高度为14米，棱体底部高程为398米。、趾板设计趾板的设计包括形式及尺寸设计；配筋，接缝，及插筋，趾板混凝土设计。1、趾板的形式及尺寸设计：混凝土面板与河床及两岸基岩的连接采用趾板防渗， 趾板与面板共同作用形成防渗体。趾板基准线确定：开挖线取自强风化线。趾板下基岩风 化程度为界于强风化和弱风化之间。根据资料8，取允许水力梯度H/S=8.河谷底最大底 板S取6.5米，取最大为7米，最小取4米。趾板的厚度可小于相连接的面板厚度，但是 不小于0.3，取厚度h=0.4米，与面板的厚

53、度相同，趾板头部的斜长度一般要求不小于 0.8米，取0.8米。趾板下游面垂直于面板，面板底下的趾板高度不小于 0.9米，取1米。2、趾板的配筋，接缝，及插筋，趾板混凝土按照资料8，要求趾板混凝土与面板混凝土的要求相同。采用525#硅酸盐水泥，或普通硅酸盐水泥，趾板取用普通硅酸盐水泥，为了趾板的防裂，在趾板混凝土中加入掺和 料。采用二级粉煤灰，掺量取百分之二十。趾板要求膨胀系数较小打开骨料配置。浇筑时 间取在低温季节。为了简化施工，降低工程造价，趾板配筋采用单层双向钢筋，即是配温度筋。布置在 趾板表面。每向配筋率采用0.300。岩基上趾板钢筋保护层厚度取10厘米。趾板与基岩的 连接采用插筋，即是

54、锚筋连接，锚筋直径取 25毫米，间距去.挖迷，长取4米。锚筋用普 通钢筋制作。用砂浆埋固于钻孔内，顶部采用90度弯钩与面层钢筋连接。趾板要求根据开挖后的地基设计伸缩缝，缝间距取不大于9米。缝中设计金属止水片。为了有效地防止出现温度裂缝，趾板施工缝间距采用 15米4.2 坝体材料分区设计依照资料12，将面板坝填筑体分成三个主要区，分别是土料铺盖区，半透水料垫层 区和主堆石区。土料铺盖区又称为防渗补强区：用防渗土料碾压填筑或水下抛填而成，采用粘土覆盖 周边缝及高程比较低的面板。以免面板出现裂缝和板间缝，周边缝张开时，土料进入缝中， 从而恢复防渗，可以利用天然淤积物来形成土料铺盖区。半透水垫层区：直

55、接位于面板下部，应该避免上游坡面板应力集中。要求垫层料粒径 不能过大，应该有比较多的细料。要求细料含量要足以填满粗孔隙，并且有良好的级配。主堆石区：是堆石坝的主体，要求本区的低压缩性，级配良好的坝料填筑。碾压到足 够的密实度。主堆石区根据不同的的形状，按满足水力过渡与变形模量递减的原则，分三 区，过度区，主堆石区，下游堆石区。见附图：坝体分区图。、混凝土面板尺寸和分缝中低坝可以采用厚的等厚面板，由于坝高为54米，由计算得混凝土面板取 0.4米厚度。面板分缝：对面板进行分横缝和纵缝，水平施工缝，垂直施工缝。垂直缝取12米的间距。面板下设计垫层，考虑施工采用机械化施工碾压，根据资料8，垫层的水平距

56、离不宜小于3米。取水平宽度为3.5米。主堆石区采用石英砂岩，主堆石区与垫层之间设计过 度区，过度区也取不小于3米。取3.5米宽度，以方便机械施工碾压。下游设计护坡，采 用开挖的石英砂岩石块堆砌，厚度初取 0.5米。、坝体垫层区及过渡层设计垫层为面板提供支承，把面板传过来的力荷载均匀地传与坝体，同时又使面板承受 均匀的反力，以不至于垫层料的不均匀而产生应力集中。垫层料的选择：垫层材料必须选用地质新鲜，坚硬具有比较好而耐久性的石料，根 据施工场地材料情况，采用石英砂岩人工开采加工砂料。垫层材料必须具有高压缩性，高 强度性和适当透水，具有良好的级配，最大材料颗粒直径取60到80毫米，小于50毫米的颗

57、粒含量取3000到5000，小于75毫米的颗粒含量去500到800。压实后垫层的渗透系数取 1 104 m/s。过渡层材料选择：为避免在刚度相差较大地两种土石料之间产生急剧变化地变形和应 力，应在垫层与堆石坝壳之间设过渡层。 过度层是坝体与垫层之间起过渡协调作用的层区， 要求过渡材料级配连续，压实后具有比较高的抗剪断强度，低压缩性自由排水性，最大颗 粒直径取200毫米到300毫米之间，采用专门开采的人工加工细堆石料。423、坝体主堆石区设计主堆石体是面板坝的主体，一般包括上游堆石体，下游堆石体。某工程大坝设计包 括：上游主堆石体，下游主堆石体，坝内排水体，和下游棱体。1、上游主堆石区设计：上游

58、主堆石体是承受荷载及其他荷载的主要支撑体，主堆石体应该具有低压缩性，高抗剪强度，透水性和耐久性。堆石块的质量岩块湿抗呀强度低于30MPa为软岩，岩块抗压强度在25到30MPa纸浆认为是硬岩。考虑开采岩石强度， 爆破费用，减少大坝材料对施工机械的磨损等因素，宜采用中等强度或软岩石料。根据坝 址材料的特点，米用极限强度为706kg/ cm2的石英砂岩和275 kg/ cm2的砂质页岩结合配 料。摩擦系数分别为0.60和0.40。变形模量为9.9 X 104 kg/ cm2和3.0 X io4 kg/ cm2。堆石料级配：堆石料的力学性质取决于大材料的级配。要想使堆石坝料满足高强度，低压缩性和自由排

59、水三项要求，从而达到控制沉降的目的。大坝材料应该具有良好的级配。 即使控制大坝材料的细颗粒材料的含量，含泥量和最大颗粒的含量。一般级配中小于5毫米的颗粒含量小于2000，小于0.1毫米的颗粒含量小于100。的连续级配均适宜用来填筑主 堆石体。根据资料12，增加细颗粒材料（小于5毫米），就增加了内摩擦角1020。而过量的 细颗粒材料则可能引起内摩擦角降低。参照已建设的工程一一努列克坝，努克列坝控制体 变形模量k值的细颗粒材料最优含量为3400。控制内摩擦角的细颗粒材料最优含量是 25%。 但细颗粒材料含量为340-0时，也接近达到最大内摩擦角的值。参照已经建设好的工程一一 塞沙那工程，细颗粒材料

60、含量为10 00，小于25毫米的材料含量为25.00，加水为1500。Ec取 145 MPa.岩性是石英砂岩，层厚度取0.9米。某工程级配：沙的级配要经济可靠，根据资料情况，取细颗粒材料（小于 5毫米）的 含量为15 00，即可以得到较大的内摩擦角，体积变形模量也比较大，碾压层的厚度一般不 大于1米，取1米一层。所以最大的颗粒直径不能大于 1米，设计最大颗粒直径500毫 米到600毫米只。2、下游堆石区设计：下游主堆石区也称为任意区，承受的荷载比较小，压缩性对面板的沉降影响比较小，对该区的设计用材料和碾压可以放宽，该区的宽读取为大坝断剖 面的四分之一。这样可以充分利用当地材料，降低工程造价。小于0.075米颗粒直径的含量不超过5%。参照已经建设好的工程一一小干沟工程。4.3 混凝土面板设计混凝土面板设计有面板的形式尺寸设计；面板的混凝土及接缝设计；面板接缝止水设计。、面板的形式尺寸设计面板的厚度应该使面板承受的水力梯度不超过200。坝面斑顶部厚度宜取0.3，并且向底部逐渐增加，厚度t按