B江水利枢纽堆石坝设计说明书（正常蓄水位276.3米）

- 1 -摘 要本次设计主要是为了开发利用 B 江流域的水利资源，建设一个以发电为主，同时兼顾灌溉、供水、防洪及养殖等综合利用效益的跨流域开发的水利水电枢纽工程。在明确了建设目的并具有了建设依据和条件后设计的枢纽概况如下：B 江水利枢纽为复合土工膜防渗堆石坝最大坝高 56 米，装机 6400kW，电站设计水头 174 米，保证出力 1461kW，装有两台 3200kW 机组，正常蓄水位 276.3m，主坝长 236.5 米左右，上游边坡 1：1.5,下游边坡 1：1.52;1:1.53。本次设计主要内容为：经洪水调节确定坝顶高程；坝型的比选；第一主要建筑物的设计；施工组织设计。并进行了导流隧洞投标文件的编写。复合土工膜防渗堆石坝是一种新的坝型，其防渗材料-复合土工膜的设计、施工、质量控制是该类坝型的技术关键，在本设计说明书第六章第三节有详细说明。本工程导流隧洞施工具有施工工作断面小，工期紧的特点，故其施工工艺是关键，在本设计说明书的有详细的说明。本次设计以一般混凝土面板堆石坝和一些已建复合土工膜堆石坝为参考，在注重各细部独立分项设计的同时，综合考虑了整体工程的统一性。在专题的编写中参考已建工程的导流隧洞，对导流隧洞的施工组织进行了设计，确保按期完成导流隧洞标段工程。在设计过程中既充分运用了所学知识，广泛参考了堆石坝设计、施工等相关书籍，并在规范规定内设计，体现了本设计的科学性、规范性。关键词：复合土工膜、堆石坝 、 防渗 、 边坡稳定 、 投标文件、 技术标 、 导流隧洞 、施工组织- 2 -AbstractThe purpose of this design is to develop the water resources of B Jiang Basin,constructing a power-based, taking into account irrigation, water supply, flood protection and aquaculture Etc. of comprehensive utilization efficiency, such as the development of inter-basin water conservancy and hydropower project.After clearing the purpose of the construction , having the basis and conditions of the construction the project is designed as follows:B Jiang Project is a composite geomembrane impermeable rock-fill dam height of 56 m,installed 6400kW,the design head of power station is 174m, the firm capacity is 1461kW,with two engine unit of 3200Kw,the normal water level is 276.3m,the length of the main dan is about 227m,the upstream slope is 1:1.5and downstream slope is 1:1.52;1:1.53.The primary coverage of the design is: ascertain the crest elevation;Pa-selection; the first major building design; construction organization design. And composed the tender documents of the diversion tunnel 。Impermeable composite geomembrane rockfill dam is a new type of dam, the impermeable materialcomposite geomembranethe design, construction, quality control is the dam of such key technology in the design of Chapter VI of the third statement Festival are explained in more detail.The diversion tunnel construction project have the characteristics of small construction work on the section, tight time limit, so its construction technology is the key, in the design have the specification of a detailed explanation.The design is refer to the general CFRD and some of geomembrane rockfill dam which has been build . Pay attention to the detail design of the independent sub-item ,at the same time, considering the unity of the overall project.In the design of the topic , referencing the diversion tunnel that had build, the construction of diversion tunnel design organizations is to ensure that the scheduled completion of diversion tunnel project tenders. In the design process which is full use of the knowledge, extensive reference to the dam design, construction and other related books, and design within the provisions regulating, the design reflects the scientific and standardized.Key words: composite geomembrane rockfill dam anti-seepage slope stability tender documents technical standard the diversion tunnel construction organization.- 3 -目 录摘 要 .5Abstract5第一章 综合说明 .71.1 工程特性表 91.2 建设目的和依据 91.3 建设的条件 91.4 建设的规模及综合利用效益 91.4.1 建设规模 .91.4.2 综合利用效益 .9第二章 自然地理条件 .102.1 地形条件 102.2 水文特性 102.3 工程地质条件 102.3.1 库区工程地质 112.3.2 坝址工程地质 122.3.3 引水发电隧洞工程地质条件 .142.4 气象、地震及其他 152.4.1 气象、地震 .152.4.2 天然建筑材料 .16第三章 设计条件和设计依据 .173.1 设计任务 173.2 设计依据 17第四章 洪水调节计算 .184.1 洪水调洪演算 184.1.1 洪水调洪演算原理 .184.1.2 洪水调洪演算方法 204.2 洪水标准分析 204.3 洪水建筑物的型式选择 204.4 调洪演算及泄水建筑物尺寸（孔口尺寸/堰顶高程）的确定 .224.4.1 调洪演算过程 .224.4.2 洪水过程线的模拟 .224.4.3 计算公式 .224.4.4 计算结果 .23- 4 -4.4.5 方案选择 .234.4.6 坝顶高程的确定 .23第五章 主要建筑物型式选择及枢纽布置 .255.1 枢纽等别及组成建筑物级别 265.2 坝型选择 265.2.1 定性分析 .265.2.2 定量分析 .315.3 泄水建筑物型式选择 325.4 水电站建筑物 345.4 枢纽方案的综合比较 345.4.1 挡水建筑物 复合土工膜防渗堆石坝 .345.4.2 泄水建筑物 正槽溢洪道 .345.4.3 水电站建筑物 .34第六章 第一主要建筑物设计 .346.1 大坝轮廓尺寸及防浪墙设计 346.1.1 L 型挡墙顶高程及坝顶高程、宽度 .346.1.2 坝体分区 .346.1.3 L 型挡墙设计 .356.1.4 坝坡与马道 .416.2 堆石料设计 436.2.1 堆石料基本特性参数 426.2.2 主、次堆石料设计 426.2.3 垫层、过渡层设计 426.2.4 堆石体设计技术参数表 436.2.5 堆石体填筑技术参数表 436.3 复合土工膜设计 456.3.1 复合土工膜的选型和分区 456.3.2 土工膜强度校核 476.4 大坝稳定分析 476.4.1 计算原理及方法 .486.4.2 坝坡稳定分析 .496.4.3 坝坡面复合土工膜的稳定分析 .506.5 副坝设计 516.5.1 副坝及主坝的连接及副坝型式选择 .516.5.2 副坝的坝体地基处理防渗设计 .54- 5 -6.6 细部构造设计及地基处理 566.6.1 坝顶构造 .566.6.2 护坡设计 .566.6.3 分缝及止水 .566.6.4 坝基处理 .566.7 趾板设计 596.7.1 趾板的作用 .596.7.2 趾板最大剖面设计 .616.7.3 趾板配筋 .626.8 坝体沉降估算 626.9 工程量计算 636.9.1 工程量计算的依据及项目划分 .636.9.2 主坝工程量计算 636.9.3 副坝工程量计算 646.9.4 趾板段工程量计算 646.9.5 主坝工程量合计 646.9.6 工程量清单 65第七章 溢洪道设计 .677.1 溢洪道的总体布置 677.2 进水渠设计 677.3 控制段设计 677.4 泄槽设计 697.5 出口消能段设计 697.6 溢洪道与主坝交通 69第八章 施工组织设计 .708.1 基本资料分析 708.1.1 工程概况 708.1.2 施工条件 .708.1.3 有效工日分析 .718.2 施工导流 718.2.1 导流标准 .728.2.2 施工导流方案及大坝施工分期 .738.2.3 导流建筑物规划布置 .738.3 主体工程施工 758.3.1 堆石体施工 75- 6 -8.3.2 堆石体施工 .798.3.3 导流隧洞施工 .828.4 施工交通运输道路布置 858.5 施工总进度 85参考文献 .86- 7 -第一章 综合说明1.1 工程特性表表 1-1 工程特性表序号及名称 单 位 数 量 备 注一、水库流域面积 km2 33正常高水位 m 276.3死水位 m 248汛前限制水位 m 275.5设计洪水位 m 277.0校核洪水位 m 278.5设计泄洪流量 m3/s 225校核泄洪流量 m3/s 360总库容 万 m3 2242.1782死库容 万 m3 200.0兴利库容 万 m3 1725.0有效库容 万 m3 1950.0二、大坝坝型 复合土工膜防渗堆石坝坝顶高程 m 279.8防浪墙顶高程 m 281.0坝顶宽度 m 6.0最大坝高 m 56.0上游坝坡 11.5下游坝坡 11.52 和 11.53主坝坝轴线长 m 216.4副坝型式 重力式挡墙副坝坝轴线长 m 96.05导流洞型式 圆形导流洞进口底高程 m 227.5导流洞出口底高程 m 226.5- 8 -导流洞半径 R m 2.4导流洞长度 m 400三、溢洪道溢流前缘净宽 m 10堰顶高程 m 272设计流量 m3/s 225校核流量 m3/s 360闸门型式 平板闸门尺寸（宽×高） m2 10×6四、厂房系统1动能指标最大净水头 m 174.0额定水头 m 174.0最小水头 m 143.0引用流量 m3/s 5.0额定出力 kW 6400保证出力 kW 14612厂房厂房型式 地面式厂房面积 m2 31.5×15.7主厂房宽度 m 10.8机组台数 2机组安装高程 m 103.0水轮机型号 HL110-WJ-76发电机型号 SFW-J3000-6/1480开关站面积 m2 11.5×27.25五、引水系统进水口型式 塔式进水口高程 m 244.7压力钢管直径 m 1.2管壁厚度 mm 10有压隧洞洞径 m 1.8衬砌厚度 cm 50钢衬厚度 mm 4- 9 -调压井最高涌浪水位 m 280.0调压井最低涌浪水位 m 226.32五、工程量1主坝基础开挖量 m3 49249.34堆石料填筑量 m3 455923.2混凝土方量(L 型挡墙) m3 891.176混凝土方量（趾板） m3 640.01混凝土方量（现浇混凝土保护层） m3 13845.182副坝基础开挖量 m3 1281.65混凝土方量 m3 29643导流隧洞导流隧洞开挖量 m3 4326混凝土衬砌方量 m3 1017.41.2 建设目的和依据B 江水利枢纽工程是以发电为主，同时兼顾了灌溉、供水、防洪及养殖等综合利用效益的跨流域开发的水利枢纽工程。1.3 建设的条件建设资金基本到位，施工准备工作已经就绪。1.4 建设的规模及综合利用效益1.4.1 建设规模本电站装机 6400 kW，保证出力 1461kW。厂房总面积为 31.5×15.7。开关站尺寸为 11.5×27.25。1.4.2 综合利用效益1.4.2.1 发电- 10 -装机 6400kW，电站设计水头为 174m，多年平均发电量为1700×104kW·h，保证出力为 1461kW。本电站装 2 台 3200kW 机组，正常蓄水位为 276.3m，引水式发电，引水隧洞布置在右岸山体中，最大引用流量为5m3/s。厂房位于段莘水江湾湖山村左岸下游 340m 处，地面式，总面积为31.5×15.7，其中主厂房宽 10.8m，主厂房内安装二台 HL110-WJ-76，配SFW-J3000-6/1480 的水轮发电机组，机组安装高程为 103m，开关站位于厂房的左上侧，尺寸为 11.5×27.25。1.4.2.2 灌溉下游利用发电尾水灌溉，上游增加灌溉面积 1.0 万亩。1.4.2.3 供水供钟吕村及其下游村民生活用水。1.4.2.4 防洪可减轻洪水对钟吕村及下游江湾镇的威胁，要求设计洪水最大下泄量限制为 255m3/s。1.4.2.5 渔业水库蓄水后，正常蓄水位时水库面积 1.09km2，为发展养鱼等水产养殖业创造了有利条件。- 11 -第二章 自然地理条件2.1 地形条件钟吕水库位于江西婺源县乐安河一级支流晓港水的钟吕村上游约 160m 处，坝址以上控制流域面积 33km²。晓港水在钟吕村上游约 300m 处，由两支水系汇合而成，其中东支发源于石耳山，南支发源于清湾头尖，河流在晓港村汇入乐安河，本流域上游为中低山区，山势陡峭，中下游为低山丘陵区，山体凌乱，冲沟发育。2.2 水文特性据水文资料推算，坝址处多年平均流量 1.28m³/s，多年平均总径流量 4040万 m³，p=0.1%的洪峰流量为 551.5m³/s,三日洪量为 1569 万 m³，p=2%的洪峰流量为 364.5m³/sec,三日洪量为 965 万 m³。流域多年平均降雨值 2047.7mm。正常蓄水位 276.3m，对应库容 V 正=1970.0 万 m³。流域河段多年平均输砂量为 0.29 万吨，泥沙容重估算为 1.3t/m³。估计水库淤积年限与高程关系（见表 2-1）：表 2-1 淤积年限与高程关系表淤积年限（年） 泥沙淤积量（万 m³） 淤积高程（m）50 11.05 236.08100 22.1 237.78水库水位库容关系曲线（见表 2-2）：表 2-2 水库水位库容关系曲线表水位（m） 227.5 236.08 237.78 248 276 278.11库容（10 4m³） 0 11.05 22.1 172.0 1910.0 2145.2坝址水位-流量关系曲线（见表 2-3）：水位（m） 227.5 228.0 228.5 229 229.5 230.0 230.5流量 0 6.0 28.9 66.77 121.97 196.05 281.78- 12 -（10 4m³/s）表 2-3 坝址水位-流量关系曲线表2.3 工程地质条件2.3.1 库区工程地质库区属构造剥蚀低山地貌，山势陡峭，分水岭雄厚，地形封闭，植被良好，未见滑坡等不良物理地质现象。组成库岸及库盆的地层岩性主要为前震旦系板溪群的千枚状绿泥绢云母板岩，千枚岩和变质砂岩。库区岩石受多次构造运动的影响，断层和裂隙发育，岩石的褶皱和挠曲也很常见，构造行迹以北东向压扭性为主，常见有北西向张扭性断裂和近东西向平推断层，未见有较大的导水断裂连通库外。库区地下水类型主要为第四系松散堆积物孔隙潜水和基岩裂隙水，受大气降水补给，排泄于河谷与河床，库岸山体地下水位较高，一般在 300m 高程以上，组成库岸及库盆的岩石表部透水性强，但深部岩石透水性微弱，属相对不透水层。库区工程地质良好，水库蓄水后，不存在永久渗漏、岸边再造、浸没及水库诱发地震等问题。2.3.2 坝址工程地质2.3.2.1 地貌 坝址区属构造剥蚀低山地貌，山顶高程为 280450m，坝区河床较宽，约2050m，为一“U”型河谷，两岸山坡不对称，左岸山体雄厚，山坡角 3040度，右岸山体较为单薄，山坡角 2030 度，且在右岸有一低矮垭口，顶高程约276m，坝址区冲沟发育，且切割较深，未见滑坡等不良物理地质现象，自然边坡稳定。2.3.2.2 地层岩性坝址区出露的地层岩性为前震旦系板溪群第四段绿泥绢云母千枚岩夹变质砂岩，第四系松散堆积物及变质辉长岩，其岩性特征为：（1） 绿泥绢云母千枚岩：灰绿色，主要矿物成分为绢云母、石英、长石、绿泥石等，千枚状构造，其余碎屑显微鳞片状结构，岩石挠曲和褶皱常见，片- 13 -理极发育，岩层产状 N40°60°E，NW0.7弱风化岩石0.55饱和抗压强度：微新岩石40MPa弱风化岩石25MPa表 2-4 堆石试验参数表组别 试验干密度 （g/cm³） C(KPa) 。 K n Rf G F DA 2.10 47 38.58 80 0.35 0.82 0.46 0.20 1.5- 15 -B 2.05 60 37.72 60 0.32 0.81 0.43 0.18 1.8 复合土工膜试验参数（见表 2-5）表 2-5 复合土工膜试验参数表项 目 单 位 量 值 备 注单位面积质量 g/m2 11001300 350/0.4/350350/0.6/350250m 高程以上 mm 0.4250m 高程以下 mm 0.6膜 厚周边缝等处 mm 0.8周边缝、水平缝、分缝处强度 kN/m 1518 350/0.4/350350/0.6/350宽条纵向拉伸 伸长率 % 50强度 kN/m 1518 350/0.4/350350/0.6/350窄条纵向拉伸 伸长率 % 50与水泥砂浆 0.577摩 擦 系 数与现浇砼 0.6粘 结 力 kg/cm2 0.1渗 透 系 数 cm/s 1×10-112.3.3 引水发电隧洞工程地质条件引水发电隧洞通过地段属低山地貌区，山顶高程 300400m 相对高程100200m，隧洞区冲沟发育，山体切割较深且较零乱，地表植被发育，未见有不良物理地质现象。隧洞围岩由绢云母千枚岩、变质粉砂岩、凝灰质千枚岩与粉砂质板岩 层。绢云母千枚岩偶夹粉砂质板岩及粉砂质板岩等组成。岩石层面裂隙极发育、褶皱、挠曲严重，断层发育切规模大，性状差，其中绢云母千枚岩、凝灰质千枚岩水理性质较差，且遇水易软化，软化系数低，凝灰质千枚岩成分复杂，还易于风化。绢云母千枚岩与凝灰质千枚岩在洞线出露的长度占洞线总长的 19%，说明洞线围岩大部分由绢云母千枚岩与凝灰质千枚岩构成。根据工程类比可知：千枚岩的单轴饱和抗压强度为 1640Mpa，软化系数0.630.93，属半坚硬较软化，抗水性较差的片状（薄层状）岩体。- 16 -2.4 气象、地震及其他2.4.1 气象、地震流域内气候：流域内多年平均气温 16.7，以一月份平均气温 4.6为最低，七月份平均气温 28为最高，历年极端最高气温 41，极端最低气温-11。风速及吹程：多年平均最大风速 12.6m/s，吹程 1.6km。地震烈度：坝址及库区地震烈度属度以下，设计时可不考虑地震荷载。降 雨 量：流域多年平均降雨均值 2047.7mm。2.4.2 天然建筑材料2.4.2.1 砂砾石料坝址流域砂砾石料贫乏，但在江湾水和段莘水流域有梨苗场和古玩料场，距大坝约 1015km,有公路相通，运输方便。梨苗场 、古玩料场均为砂卵（砾）石混合料，砂卵（砾）石储量丰富，质量良好，满足工程要求。2.4.2.2 堆石料坝址附近广泛分布绿泥绢云母千枚岩，弱至微风化岩石，岩性较坚硬，力学强度较高，质量较好，储量丰富，可作为大坝堆石料。坝址附近粘土很少，坝址上下游有一定的粘土分布，均为当地农民耕地。- 17 - 18 -第三章 设计条件和设计依据3.1 设计任务在对原始材料进行综合分析的基础上，并结合本次设计的专题研究，要求：（1）根据防洪要求，对水库进行洪水调节计算，确定坝高程及岸坡溢洪道尺寸；（2）通过分析，对可能的方案进行比较，确定枢纽组成建筑物型式，轮廓尺寸及水利枢纽布置方案；（3）详细做出大坝设计，通过比较，确定坝的基本剖面与轮廓尺寸，拟定地基处理方案和坝身结构，进行水力、静力计算；（4）进行施工组织设计：决定枢纽的施工导流方案，安排施工的控制性进度，大坝主体工程量的计算，编制施工投标文件。3.2 设计依据包括相关参考文献、主要设计规范以及上级机关批文。- 19 -第四章 洪水调节计算4.1 洪水调洪演算4.1.1 洪水调洪演算原理洪水在水库中运行时，水库沿程的水位、流量、过水断面、流速等均随时间而变化，其流态属于明渠非恒定流。根据水力学，明渠非恒定流的基本方程，即圣维南方程组为：连续性方程： （4-1）0sQt运动方程： （4-2）21Kvgz式中： 过水断面面积(m 2)t 时间（s）Q 流量（m 3/s）s 沿水流方向距离（m）Z 水位（m）g 重力加速度(m/s 2)v 断面平均流速(m/s)K 流量系数(m 3/s)一般采用简化的近似解法，长期以来，普遍采用瞬时法，即用有限差值来代替微分值，并加以简化，以近似地求解一系列瞬时流态。瞬时流态法将式(41)进行简化而得出基本公式，再结合水库的特有条件对基本公式进行简化，得出用于水库调洪计算的实用公式：(4-3)tVtqQq 12121)()(式中： , 分别为计算时段初、末的入库流量(m 3/s)12 计算时段中的平均入库流量(m 3/s) =( + )/2Q12式中：q 1,q2 分别为计算时段初、末的下泄流量(m 3/s) 计算时段中的平均下泄流量(m 3/s) /21q式中： V 1,V2 分别为计算时段初、末水库的蓄水量(m 3)- 20 - V1与 V2之差 计算时段t公式(4-3)表示为一个水量平衡方程式，表明：在一个计算时段内，水库水量与下泄水量之差即为该时段中水库蓄水量的变化。显然，公式中并未计入洪水入库处至泄洪建筑物间的行进时间，也未计入沿程流速变化和动库容等影响，这些因素均是其近似性的一个方面。当已知水库入库洪水过程线时，Q 1，Q 2 ， 均为已知， V1，q 1,则是计算时段 开始时的初始条件。于是，式(4-3)中的未知数仅剩下 V2，q 2,当前一时段t的 V2,q2求出后，其值即成为后一时段的 V1，q1 值，使计算能逐步地连续进行下去。仅一个方程来求解 V2，q 2是不可能的，必须再有一个方程式 q2=f(V2),与式(4-3)联立，才能同时解出 V2，q 2的确定值，假定暂不计及自水库取水的兴利部门泻向下游的流量，则下泻量 q 是泄水建筑物泻流水头 H 的函数，而当泄洪建筑物的型式、尺寸等已确定时(44)AHBf式中：A 系数，与泄洪建筑物的型式、尺寸、闸孔开度及淹没系数有关。B 指数，对于堰流 B 一般等于 3/2，对于闸孔出流一般 B=1/2根据水力学公式，H 与 q 的关系曲线可求。若是堰流 H 即为库水位 Z 与堰顶高程之差；若是闸孔出流 H 即为库水位 Z 与闸孔中心线高程之差。因此可以根据 H 与 q 的关系曲线求出 Z 与 q 的关系曲线 q=f(Z),并且，由库水位 Z，又可借助于水库容积特性曲线 V=f(Z), 求出相应的水库蓄水容积 V，则式(4-4)可用下泄流量 q 与库容 V 的关系曲线代替，即 q=f(V),与式(43)联立方程组，求解 V2，q 2。当水库承担下游防洪任务时，要求保持 q 不大于下游允许的最大下泄流量qmax时，就要利用闸门控制流量 q，但计算的基本公式和方法与上面介绍的是一致的。本设计泄水建筑物是正槽溢洪道。采用闸门全开式泄洪，故下泄流量是q=AH3/2,H 即为库水位 Z 与堰顶高程之差，由于资料有限仅有 0.1%和 2%的流量及其对应的三日洪峰流量，无法描绘出洪水过程线，故采用三角形法拟画出洪水过程线（具体做法见本章 4.4 节） 。本设计中调洪演算是为了定出设计、校核水位和相应的下泄流量，已知下泄量与水头的关系曲线（式 44） ，通过假定下泄流量 q，可利用洪水过程线计算出水库蓄水量 V，通过 V=f(Z)可查出对应的水位，得到 q=f(Z)曲线，通过两条 q-Z 曲线即得到设计、校核水位及相应流- 21 -量。4.1.2 洪水调洪演算方法进行洪水调节计算的方法很多，目前常用的是：列表试算法，半图解法。本设计采用的是简化三角形法，也叫高切林法。4.2 洪水标准分析设计情况，采用 50 年一遇的洪水标准。P=2%的洪峰流量为 364.5 m3/s,三日洪量为 965 万 m3。校核情况，采用千年一遇的洪水标准。p=0.1%洪峰流量为 551.5 m3/s,三日洪量为 1569 万 m3。4.3 洪水建筑物的型式选择水利枢纽中的泄水建筑物一般包括设于河床的溢流坝、泄水闸、泄水孔，设于河岸的溢洪道、泄水隧洞等。本设计采用坝型为复合土工膜防渗堆石坝（具体见 5.2 节） ，因此泄水建筑物一般不布置在河床。下面根据本工程的地形、地质条件，对正槽溢洪道、侧槽溢洪道及泄水隧洞这三种泄水建筑物进行比较选择。泄水隧洞布置得一般原则是：地质条件好，路线短，水流顺畅，与枢纽其他建筑无相互不良的影响。洞线宜选择在沿线地质构造简单、岩体完整稳定、岩性坚硬，上覆岩体厚度大，水文地质条件有利和施工方便的地段。避开围岩破碎、地下水位高或渗水量很大的岩层和可能坍塌的不稳定地带，同时防止洞身离地表太浅。本工程坝址区地处华夏系及新华夏系构造复合部位，坝址区断层裂隙发育，岩石破碎，岩层坍塌和挠曲常见。坝址区岩石的透水性及相对不透水层经先导孔压水试验，左岸相对不透水层埋深 1024 米，上部透水层 q 值为 6.7196.7Lu，大者达到 341.7Lu，属中等-严重透水层。本工程最大坝高 56 米，正常蓄水位 276.2 米，因此要避开透水层而布置泄水隧洞，工程量显然很大，而且本工程地质条件不好，故不采用隧洞泄洪。河岸溢洪道是布置在拦河坝坝肩或拦河坝上游水库库岸的泄洪通道，水库的多余的来洪经此泄往下游河床，常以堰流方式泄水，有较大的超泄能力。正槽溢洪道过堰水流方向与堰下泄槽纵轴线方向一致。- 22 -侧槽溢洪道水流过堰后急转近 90°，再经泄槽下泄。从地质条件上来说，溢洪道应力争位于较坚硬的岩基上，但较泄洪隧洞要求较低，但在地基条件差的基岩上，要注意衬砌和防冲的设计。同时对于堆石坝而言，河岸溢洪道可与坝体相接，从而既可减少溢洪道的开挖量，也可以减少坝体的填筑量。因此，本工程泄水建筑物采用河岸溢洪道。正槽溢洪道在水力学上的特点是，泄流能力完全由堰的型式、尺寸以及堰顶水头决定，过堰流量稳定于某一值后，泄槽各断面的流量也随之都达到同一值，故水流平顺稳定，运用安全可靠，另外，结构简单、施工方便。侧槽溢洪道在当水利枢纽的拦河坝难以本身溢流，且河岸陡峭，布置正槽溢洪道将导致巨大的开挖量时，可能成为比较经济的泄水建筑物。与正槽溢洪道相比，侧槽溢洪道前缘可少受地形限制，而向上游库岸延伸，由增加溢流前缘宽度而引起开挖量增加较少，从而可以以较长的溢流前缘宽度换取较低的调洪水位，或换取较高的堰顶高程。本工程的溢洪道布置在左岸（说明见 5.5 节） ，岸坡较陡优选侧槽溢洪道，但是，溢洪道的兴建需要注意和解决的问题是，高水头、大流量及不利地形地质条件下，高速水流引起的一系列水力学和结构问题，而侧槽溢洪道的水流现象复杂，进槽水流须立即转弯近 90°，再顺槽轴线下泄，对每一个不同的侧槽断面，其所通过的流量是不相同的，然而，侧槽内的水流现象的复杂性，并不仅仅表现在流量的沿程的变化上，水流自堰跌入侧槽后，在惯性的作用下，冲向侧槽对岸壁，并向上翻腾，然后再重力作用下转向下游流去，在槽中形成一个横轴螺旋流。考虑到侧槽溢洪道水流现象的复杂，而且，本工程地质条件较差，建侧槽溢洪道对结构方面的要求会很高，危险性大，同时由于本枢纽的坝体不是很高，正槽溢洪道的开挖量不会增加很大。综上所述，结合本工程的地形、地质条件，泄水建筑物采用正槽溢洪道，布置于左岸与坝体相接。4.4 调洪演算及泄水建筑物尺寸（孔口尺寸/堰顶高程）的确定4.4.1 调洪演算过程通过洪水资料，作出设计情况和校核情况下的洪水过程线；假定堰高、堰宽，确定各情况下的起调流量；假定不同的下泄流量 q,由洪水过程线求出库容V，由库容 V，查水位-库容曲线，找出相应的水位 H，从而，对于每一组情况下- 23 -可作出一条 QH 曲线；根据公式 ,又可作出一条 QH 曲线；23HgmBQ对应于每一种情况，可从 QH 图中确定相应交点的 Q 和 H 值。4.4.2 洪水过程线的模拟由于本设计中资料有限，仅有 p=2%、p=0.1%的流量及相应的三日洪水总量，无法准确画出洪水过程线。按照规范，洪水过程线应用 PIII 型曲线拟合，但实际操作过程中较难，故本设计中采用三角形法模拟洪水过程线，并在曲线形状上尽量拟合为 PIII 型。根据洪峰流量和三日洪水总量，可作出一个三角形（如图中虚线） ，根据水量相等原则，对三角形进行修正，得到一条模拟的洪水过程线（如图中的实线） 。4.4.3 计算公式计算采用公式：23HgmBQ001.knb-（4-5）式中：侧收缩系数，=0.92；m流量系数，m=0.502；B溢流孔口净宽；H堰上水头。汛前限制水位设为 275m。起调流量 23gQ起 调图 4-1 三角形法 图 4-2 洪水过程线 图 4-3 调洪演算- 24 -式中 H 为汛前限制水位-堰顶高程。4.4.4 计算结果计算结果见表 4-1： 方案 堰顶高程(m) 堰顶宽（m） 设计洪水位(m) 设计下泄流量 (m3/s)1 271 8 276.97 244.002 271 9 276.71 260.103 271 10 276.5 275.004 272 8 277.4 210.005 272 9 277.21 226.006 272 10 277.00 225.007 273 8 277.75 175.008 273 9 277.6 191.009 273 10 277.5 207.50注：发电引用最大流量 5m3/s，相对较小，在计算时不予考虑。4.4.5 方案选择方案的选择需通过经济技术比较选定。本设计对此只做定性分析。B 越大则增加隧洞的开挖及其它工程量，而 Q/B 越大消能越困难，衬砌要求也高， 从而增加闸门及启闭设备的造价。 下泄量相差较大，综合考虑方案 6 最好，故最后采用方案 6，即堰顶高程 272.0m，溢流孔口净宽 10m；该方案设计洪水位277.00m，设计下泄流量 225m3/s，校核洪水位 278.5m，校核泄洪量 360 m3/s。4.4.6 坝顶高程的确定4.4.6.1 工程等别及建筑物级别和洪水标准的确定校核水位 278.5m 对应的库容为 2150 万 m3,查水利水电工程等级划分及洪水标准 SL2522000得本工程等别为 III 等，工程规模为中型。相应其主要建筑物级别为 3 级，次要建筑物为 4 级。水工建筑物为 3 级的洪水标准：设计下洪水重现期为 10050 年，校核下洪水重现期为 20001000 年。4.4.6.2 波浪要素计算由于大坝所在地区为丘陵地区，所以根据水工建筑物荷载设计规范 DL 5077-1997,波浪要素宜采用鹤地水库公式计算（适用于库水较深，V026.5m/s 及 D7.5km） 。- 25 -（4-6）31208120%65.VgDVgh（4-7）2020.Lm式中 累积频率为 2%的波高(m)%2hLm平均波长(m) V0为水面以上 10m 处的风速，正常运用条件下 III 级坝，采用多年平均最大风速的 1.5 倍；非常运用条件下的各级土石坝，采用多年平均最大风速。设计波浪爬高值根据工程等级确定，3 级坝采用累积频率为 1%的爬高值 。%1h按上述公式算出的为 ，再根据频率法按下表可得出 。%2h%1h表 4-2 不同累积频率下的波高与平均波高比值(h p/hm)%phm/Hm0.01 0.1 1 2 4 5 10 14 20 50 900.1 3.42 2.97 2.42 2.23 2.02 1.95 1.71 1.6 1.43 0.94 0.370.10.2 3.25 2.82 2.3 2.13 1.93 1.87 1.64 1.54 1.38 0.95 0.43波浪中心线高出计算静水位 hz按下式计算：（4-8）mzLHcth2%1式中：H 为水深；h 1%为累积频率 1%的波高。计算结果为：表 4-34.4.6.3 挡墙顶高程的确定h2% hm h1% Lm hz正常水位下 1.16 0.52 1.259 9.317 0.535设计水位下 1.16 0.52 1.259 9.317 0.535校核水位下 0.642 0.288 0.697 6.211 0.247- 26 -根据碾压式土石坝设计规范,堰顶上游 L 型挡墙在水库静水位以上高度按下式确定：y=R+e+A （4-9）式中：y-坝顶超高R-最大波浪在坝坡上的爬高，按 h1%算e-最大风雍水面高度，按 hz算A-安全超高 表 4-4 土坝坝顶安全超高值(m)坝 的 级 别运用情况I II III IV、V正常 1.5 1.0 0.7 0.5非常 0.7 0.5 0.4 0.3L 型防浪墙高程=max （4-10）正 常校 核设 计正 常 蓄 水 位校 核 洪 水 位设 计 洪 水 位 y通过计算： 34.149.2493.2校 核正 常设 计 ；y则 设计洪水位+ =277+2.493=279.49m设 计校核洪水位+ =278.5+1.343=279.9m校 核正常蓄水位+ =276.30+2.493=278.8m正 常y防浪墙顶高程 =279.9m，取为 281m。墙 顶预留沉陷（281227.5）×（0.20.4）0.1050.0.211，取0.2m，在施工过程中应考虑到预留沉陷量。根据混凝土面板堆石坝设计规范 SL228-98要求，防浪墙顶要高出坝顶11.2m，本设计取 1.2m,则坝顶高程为 279.8m。4.4.6.4 闸门设计因为 B=10m，不是很宽，采用单扇闸门挡水，选用平板闸门。闸门的高度由挡正常蓄水位（或设计洪水位）+0.30.5m 超高确定，即 H=276.3（或277）+0.30.5-272=4.44.7。再根据水利水电钢闸门设计规范 SL74-95中推荐的露顶式闸门的标准尺寸，最终确定闸门宽 10m，高 6m。另外布置时将闸门放在堰顶偏下游一些，以压低水舌使其贴着堰面下泄。- 27 -第五章 主要建筑物型式选择及枢纽布置5.1 枢纽等别及组成建筑物级别由上一章经过调洪演算得，校核洪水位为 278.5m，水电站装机容量为6400kW,水库总库容为 0.215×108m3,根据我国水利部颁发的现行规范水利水电工程等级划分及洪水标准 （SL252-2000） ，本工程等别为三等。B 江水利枢纽工程：工程等别为三等；主要建筑物级别：3 级；次要建筑物级别：4 级；临时建筑物级别：5 级。5.2 坝型选择坝型选择是坝工设计中首先要解决的一个重要问题，因为它关系到整个枢纽的工程量、投资和工期。坝高、筑坝材料、地形、地质、气候、施工和运行条件等都是影响坝型选择的主要因素。5.2.1 定性分析5.2.1.1 各种常见坝型比较水利枢纽中的挡水建筑物拦河坝常见的主要型式有：重力坝、拱坝、支墩坝、土石坝及新型坝型如碾压混凝土坝、面板堆石坝等。下面根据本工程的地形、地质条件和材料储备情况对以上坝型进行比较，选择适合的坝型。（1）拱坝拱坝是在平面上呈凸向上游的挡水建筑物，借助拱的作用将上游水压力的全部或部分传给河谷两岸的基岩。拱坝的工作原理：一是依靠拱的作用，将荷载传给拱座；二是依靠悬臂梁的作用将荷载传给基岩。其主要特点：1) 受力条件好，河谷形状深窄较好；2) 坝体积小，主要依靠拱作用维持稳定，自重作用影响不大；3) 超载能力强，安全度高；4) 抗震性能好；- 28 -5) 施工技术要求高，地基处理要求严格。根据拱坝的特点，要求建造于狭窄河谷上；对地质较理想的条件是岩石尽量密致，质地均匀，有足够的强度、不透水性和耐久性；两岸拱座基岩坚固而完整，边坡稳定，没有大的断裂构造和软弱夹层。而本工程地形河谷较宽，特别是地质条件较差：断层裂隙发育，岩石破碎，强度低，根据实验，相对不透水层埋藏较深，透水层属中等严重透水层，若建造拱坝，则开挖量必然巨大，且大坝的安全性不高，故不宜建拱坝。（2）支墩坝支墩坝是由一系列支墩和其支承的上游挡水盖板所组成，库水压力泥沙压力等由盖板传给支墩，再由支墩传给地基。支墩坝结构较复杂，且对地质条件和拱坝一样高，故对本工程，不宜采用支墩坝的型式。（3）重力坝重力坝工作原理：一是依靠自重在坝基面上产生摩阻力来抵抗水平水压力以达到稳定要求；二是利用坝体自重在水平面上产生压应力来抵消由于水压所引起的拉应力以满足强度要求。重力坝的主要特点：1) 抗冲刷能力强；2) 结构简单；3) 对地形地质条件适应性能好；4) 坝体与地基的接触面积大，受扬压力影响大；5) 重力坝的剖面尺寸较大；6) 坝体体积大，水泥用量多，混凝土水化热高，散热条件差。对于本工程，地质条件差，地基承载能力较低，且弱风化岩与混凝土之间的摩擦系数 f=0.50.6,为达到稳定要求必然增加断面面积，增加工程量，而且，用来拌和混凝土的砂砾石料只有在离坝址 1015km 处才有料场，这样会大大增加工程造价，不合理，故不宜选用重力坝。（4）土石坝通过以上几种坝型分析，并结合本工程坝址附近具有储量丰富且质量较好的堆石料的情况，建议采用土石坝（又称为当地材料坝）的型式。土石坝的优点：1) 筑坝材料就地取材，节省大量钢材、水泥、木材等建筑材料。2) 适应地形变形能力强。土石坝的结构具有适应地基变形的良好条件，对地基的要求比混凝土坝的低；- 29 -3) 施工方法选择灵活性大。能适应不同的施工方法，且工序简单、施工速度快，质量容易保证。4) 结构简单，造价低廉，运行管理方便，工作可靠，便于维修加高。不足之处：1) 坝顶不能溢流，常需另开溢洪道；2) 施工导流不如混凝土坝方便，因而相应也增加了工程造价；3) 坝体断面大，土料填筑的质量易受气候影响。5.2.1.2 土石坝各坝型比较我国幅员辽阔，各种自然条件、土料特性等千差万别，需要根据具体情况，发展和选择适宜形式的土石坝。在坝型选择中，不应拘泥于现存观点。筑坝技术在不断进步，新的施工机械也在不断出现，以前看来似乎没有什么前途的面板堆石坝，由于应用大型振动碾提高压实效果，今日已发展成为具有强大生命力的坝型。土石坝设计中的许多问题，不少是偏经验性的，在很大程度上需要依靠分析和判断。应用沥青混凝土作防渗体的土石坝，采用土工薄膜防渗的土石坝以及定向爆破堆石坝等，在各种条件下都有一定的应用和发展前景。（1）均质坝、土质防渗体的心墙坝和斜墙坝均质坝、土质防渗体的心墙坝和斜墙坝可以适应任意的地形、地质条件；对筑坝土料的要求逐渐放宽；既可采用先进的施工机械进行建造，在条件不具备时，也可采用比较简单的施工机械修筑，因而对我国的中小型工程是值得优先考虑的坝型。均质坝坝体材料单一，施工方便，当坝址附近有数量足够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孔隙水压力，影响土料的抗剪强度，所以，坝坡较缓，工程量大。一般适用于中、低高度的坝，但近年来也有向高坝发展的趋势，特别是在具有较大内摩擦角的含粘性的砂质和砾质土的情况下，由于在坝的中部设置竖向和水平排水，可以大大降低坝体内的浸润线，并减少孔隙水压力。心墙坝和斜墙坝的土质心墙和斜墙便于与坝基内的垂直和水平防渗体系相连接，心墙和斜墙坝可以在深厚的覆盖层上修建。这种坝型不仅适宜于建低坝，也适宜于建高坝。斜墙坝的坝壳可以超前于防渗体提前进行填筑，而且不受气候条件限制，也不依赖于地基灌浆施工的进度，施工干扰小。但斜墙坝由于抗剪强度较低的防渗体位于上游面，故上游坝坡较缓，坝的工程量较大。斜墙对坝体的沉降变形也较为敏感，与陡峻河岸的连接较困难，故高坝中斜墙坝所占的比例较心墙坝为小。高度超过 100m 的斜墙坝，绝大多数采用内斜墙，即斜墙- 30 -坡度变陡，斜墙上游还填筑一部分坝壳。目前世界上已建的高 200300m 级的土石坝几乎都是心墙坝。碾压技术的进步和采用砾石土作为防渗体为建造高心墙坝创造了条件。心墙的坡度超过 1:0.5 时，会影响坝坡的稳定，需将坝坡放缓。近年的发展趋势是采用薄心墙，这样有利于降低孔隙水应力。心墙土料的压缩性较坝壳料高，易产生拱效应，对防止水力劈裂不利，对坝的安全有影响。为此，很多高坝都采用斜心墙，其上游坡设计成 1:0.51:0.6，以利于克服拱效应和两侧坝壳平起上升，但是其施工干扰大，受气候条件的影响也大，这是弱点。高的心墙坝和斜墙坝多做成分区坝或多种土质坝，从防渗体到坝壳料，颗粒由细到粗逐步过渡，这对于充分利用土石料，增加坝的稳定性和抗震能力都是有利的。但是就本工程而言，坝址附近粘土很少。坝址上下游有一定的粘土分布，但都是当地农民耕地，要利用这些粘土，则必须把当地农民迁移，增加工程中移民费用，在经济比较中不合算，故也不采用均质坝、土质防渗体的心墙坝和斜墙坝型式。（2）堆石坝堆石坝属于土石坝的一种，是以石料为主要填筑材料的挡水建筑物，坝体由堆石体、防渗体和过渡层三部分组成，与前述土坝相比具有剖面小、造价低、施工速度快、抗震性能好等优点，且本工程坝址附近广泛分布有岩性较坚硬，力学强度高，质量较好，储量丰富的堆石料，因此可优先考虑选择建造堆石坝方案。堆石坝的坝型可按防渗材料、防渗体位置、堆石施工方法以及坝顶是否过水进行划分：1) 按防渗体材料分类：堆石坝防渗材料最常见的是土料、沥青混凝土、钢筋混凝土及新兴的复合土工膜；2) 按防渗体位置分类：心墙堆石坝，斜墙堆石坝，斜心墙堆石坝，混凝土（或复合土工膜防渗）面板堆石坝；3) 按堆石施工方法分类：有堆石、砌石、定向爆破等；4) 按坝体是否过水分类：绝大多数堆石坝是不过水的，中小型工程偶也设计建筑溢流堆石坝。下面就几种堆石坝坝型进行定性分析。1) 混凝土面板堆石坝 在上述几种坝型中，新型面板堆石坝得到了迅速发展，在工程中得到广泛运用，之所以能如此迅速发展，与下述优点密切有关： 可以充分利用当地材料筑坝，大量节省三材和投资； 面板设于堆石体上游面，整个坝体都是受力结构，水压力在上游面的铅