水工建筑物课程设计完整

'《坝工课程设计》河洛水利枢纽设计计算说明书姓名班级：学号：指导老师：完成时间：29 目录1基本资料及设计数据31.1基本资料31.2设计数据42枢纽布置62.1枢纽的组成建筑物及等级62.2各组成建筑物的选择62.3枢纽总体布置方案的确定73土石坝设计83.1坝型选择83.2坝体剖面设计93.3防渗体设计103.4坝体排水设计113.5反滤层和过渡层113.6护坡设计123.7顶部构造133.8马道和坝顶、坝面排水设计133.8地基处理及坝体与地基岸坡的连接143.9渗流计算143.10坝坡稳定计算（只作下游坡一个滑弧面的计算）164溢洪道设计184.1溢洪道路线选择和平面位置的确定184.2溢洪道基本数据184.3工程布置184.4溢洪道水力计算194.5构造设计224.6地基处理及防渗235设计成果说明23附图一：枢纽布置平面图23附图二：坝轴线处地质剖面图2329 1基本资料及设计数据1.1基本资料1.1.1概况河洛水库位于Ｇ县城西南３公里处的河洛河中游，该河系睦水的主要支流，全长28公里，流域面积为556平方公里，坝址以上控制流域面积431平方公里；沿河道有地势比较平坦的小平原，地势比较平坦的小平原，地势自南向东由高变低．最低高程为62.5m左右；河床比降3‰,河流发源于苏塘乡大源锭子，整个流域物产丰富，土地肥沃，下游盛产稻麦，上游蕴藏着丰富的木材，竹子等土特产．由于河洛河为山区性河流，雨后山洪常给农作物和村镇造成灾害，另外，当雨量分布不均时，又易造成干旱现象，因此有关部门对本地区作了多次勘测规划以开发这里的水利资源。1.1.2枢纽任务枢纽主要任务以灌溉发电为主，并结合防洪，航运，养鱼及供水等任务进行开发。根据初步规划，本工程灌溉面积为20万亩（高程在102m以上），装机9000千瓦．防洪方面，由于水库调洪作用，使河洛河下游不致洪水成灾，同时配合下游睦水水利枢纽，对睦水下游也能起到一定的防洪作用，在流域规划中规定本枢纽在通过设计洪水流量时，控制最大泄流流量不超过900m3/s.　在航运方面，上游库区能增加航运里程20公里，下游可利用发电尾水等航运条件，使河洛河下游四季都能筏运，并拟建竹木最大过坝能力为25吨的筏道。1.1.3地形，地质概况地形情况：河洛河流域多为丘陵山区，在河洛枢纽上游均为大山区，河谷山势陡峭，河谷边坡一般为600~700,地势高差都在80~120m，河谷冲沟切割很深，山脉走向大约为东西方向，岩基出露很好，河床一般为100m左右，河道弯曲相当厉害，尤其枢纽布置处更为显著形成Ｓ形，沿河沙滩及坡积层发育，尤以坝址下游段的河洛嘴下游一带及坝下陈家上游一带更为发育，其他地方则很少，在坝轴下游300m处的两岸河谷呈马鞍形，其覆盖物较厚，岩基产状凌乱。地质情况：靠上游有泥盆五通砂岩靠下游为二叠纪灰岩，几条坝轴线皆落在五通砂岩上面。地质构造特征有：在河洛嘴以南，即石灰岩与砂岩分界处，发现一大断层，其走向近东西，倾向大致向北西，在第一坝轴线左肩的五通砂岩，特别破碎，在100多米范围内就有三，四出小断层，产状凌乱，坝区右岸破碎达60米的钻孔岩芯获得率仅为20%，可见岩石裂隙十分发育。岩石的渗水率都很小，右岸一般为0.001~0.01，个别达到0.07~0.08，而左岸多为0.001~0.01。坝区下游石灰岩中，发现两处溶洞，河洛29 嘴大溶洞和大泉眼大溶洞，前者对大坝及库区均无影响，但后者朝南东方向延伸的话，则可能通向库壁，待将来蓄水后，库水有可能顺着溶洞漏到库外，为此，目前正在加紧地质勘探工作，以便得出明确的结论和提出处理意见。坝址覆盖层沿坝轴线厚度达1.5~5.0m，Ｋ＝１10-4cm/s，浮容重γ′=10.7kN/m3，内摩擦角Φ=35˚。1.1.4水文，气象1）水文：由于流域径流资料缺乏，设计年月径流量及洪水流量不能直接由实测径流分析得到，必须通过降雨径流间接推求．根据省水文站由Ｃ城站插补延长得三天雨量计算频率：1000年一遇雨量498.1mm，200年一遇雨量348.2mm，50年一遇雨量299.9mm，暴雨洪峰流量Ｑ０.１％＝1860m3/s，Q0..5%=1550m3/s，Q1%=1480m3/s，多年平均来水量为4.55亿m3。2）气象：多年平均风速10m/s，水库吹程Ｄ＝９Ｋm，多年平均降雨量430mm/年，库区气候温和，年平均气温16.9˚C，年最高气温40.5˚C，年最低气温－14.9˚C。1.1.5其他1)坝顶无交通要求2)对外交通情况水路：由Ｂ城至溪口为南江段上水，自溪口至Ｃ城系睦水主流，为内河航运，全长256公里，可通行3～6吨木船，枯水季只能通行3吨以下船只，水运较为困难。公路：附近公路线为AF干道，B城至C城段全长365KM，晴雨畅通无阻，但Ｃ城至坝址尚无公路通行。铁路：D城为乐万铁路车站，由B城至D城180KM,至工地有53公里。3)地震：本地区为5～6度，设计时可不考虑。1.2设计数据1.2.1工程等级根据规范自定。1.2.2水库规划资料1）正常水位（设计洪水位）：113.1m；2）最高洪水位（校核洪水位）：113.5m；3）死水位：105.0m（发电极限工作深度8m）；4）灌溉最低库水位：104.0m；5）总库容：2.00亿m3；6）水库有效库容：1.15亿m3；7）库容系数：0.575；8）发电调节流量Qp=7.35m3/s，相应下游水位68.2m；9）发电最大引用流量Qmax=28m3/s，相应下游水位68.65m；10）通过设计洪水位流量（Q1%）时，溢洪道最大泄水量Qmax=1340m3/s，相应下游最高洪水位74.3m。29 1.2.3枢纽组成建筑物1）大坝：布置在1#坝轴线上；2）溢洪道：堰顶高程为107.50m；3）水电站：装机容量9000KW，3台机组，厂房尺寸为30×9m2；4）灌溉：主要灌区位于河流右岸，渠首底高程102m，灌溉最大引用流量8.15m3/s，相应渠道最大水深1.75m，渠底宽3.5m，渠道边坡1:1；5）水库放空隧洞：为便于检修大坝和其它建筑物，拟利用导流隧洞作放空洞，洞底高程为70.0m，洞直径为3.5m。6）筏道：为干筏道，上游坡不陡于1:4，下游坡不陡于1:3，转运平台高程115.0m，平台尺寸为30×20m2。1.2.4筑坝材料1）土料：主要有粘土和壤土，可采用坝下1.5-3.0km丘陵区与平原地带，储量多，质量尚佳，可作为筑坝材料，其性能见表1.1。2）砂土：可从坝上下游0.5-3.5km河滩上开采，储量多，可供筑坝使用，其性能见表1.2。3）石料：可在坝址下游附近开采，石质为石灰岩及砂岩，质地坚硬，储量丰富，其性能见表1.3。表1.1土料特性表土壤类别干容重γd（KN/m3)最优含水率W最优（％）孔隙率n（％）内摩擦角Φ粘聚力Ｃ（Ｋpa）渗透系数Ｋ（cm/s)粘土15.4254018°30′371×10-6壤土15.814.541.723°41′121×10-5坡土16.022.539.822°（湿）33°（干）7.5（湿）1×10-3表1.2砂土特性表土壤类别干容重γd（KN/m3)孔隙率n（％）内摩擦角Φ渗透系数Ｋ（cm/s)浮容重γ′（KN/m3)砂土1640.63001×10-210.06表1.3石料特性表干容重γd（KN/m3)孔隙率n（％）内摩擦角Φ1.83338˚29 2枢纽布置2.1枢纽的组成建筑物及等级2.1.1水库枢纽建筑物组成根据水库枢纽的任务，该枢纽组成建筑物包括：拦河大坝、溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空隧洞（拟利用导流洞作放空洞）、筏道。2.1.2工程规模根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》以及该工程的一些指标确定工程规模如下：1）各效益指标等别：根据枢纽灌溉面积为20万亩,即20/15=1.33万ha，在3.33～0.33万ha之间，属Ⅲ等工程；根据电站装机容量9000千瓦,即9MW，小于10MW，属Ⅴ等工程；根据总库容为2.00亿m3，在10～1.0亿m3，属Ⅱ等工程。2）水库枢纽等别：根据规范规定，对具有综合利用效益的水电工程，各效益指标分属不同等别时，整个工程的等别应按其最高的等别确定，故本水库枢纽为Ⅱ等工程。3）水工建筑物的级别：根据水工建筑物级别的划分标准，Ⅱ等工程的主要建筑物为2级水工建筑物，所以本枢纽中的拦河大坝、溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空隧洞为2级水工建筑物；次要建筑物筏道为3级水工建筑物。2.2各组成建筑物的选择2.2.1挡水建筑物型式的选择在岩基上有三种类型：重力坝、拱坝、土石坝。1）重力坝方案从枢纽布置处地形地质平面图及1#坝轴线地质剖面图上可以看出，坝址基岩为上部为五通砂岩，下面为石英砂岩和砂质页岩，覆盖层沿坝轴线厚1.5～5.0m，五通砂岩厚达30～80m，若建重力坝清基开挖量大，目前C城至坝址尚无铁路、公路通行，修建重力坝所需水泥、钢筋等材料运输不方便，且不能利用当地筑坝材料，故修建重力坝不经济。2）拱坝方案修建拱坝理想的地形条件是左右岸地形对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的河谷段；而且坝端下游侧要有足够的岩体支撑，以保证坝体的稳定。该河道弯曲相当厉害，尤其枢纽布置处更为显著形成S形，1#坝址处没有雄厚的山脊作为坝肩，左岸陡峭，右岸相对平缓，峡谷不对称，成不对称的“U”型，下游河床开阔，无建拱坝的可能。3）土石坝方案29 土石坝对地形、地质条件要求低，几乎在所有的条件下都可以修建，且施工技术简单，可实行机械化施工，也能充分利用当地建筑材料，覆盖层也不必挖去，因此造价相对较低，所以采用土石坝方案。2.2.2泄水建筑物型式的选择土石坝最适合采用岸边溢洪道进行泄洪，在坝轴线下游300m处的两岸河谷呈马鞍形，右岸有马鞍形垭口，采用正槽式溢洪道泄洪，泄水槽与堰上水流方向一致，水流平顺，泄洪能力大，结构简单，运行安全可靠，适用于各种水头和流量。2.2.3其它建筑型式的选择1）灌溉引水建筑物采用有压式引水隧洞与灌溉渠首连接。进口设有拦污栅、进水喇叭口、闸门室及渐变段；洞身采用钢筋混凝土衬砌；出口段设有一弯曲段连接渠首，并采用设置扩散段的底流消能方式。主要灌区位于河流右岸，渠首底高程102m，灌溉最大引用流量8.15m3/s，相应渠道最大水深1.75m，渠底宽3.5m，渠道边坡1:1。2）水电站建筑物因为土石坝不宜采用坝式水电站，而宜采用引水式发电，所以这里用单元供水式引水发电。3）过坝建筑物主要是筏道，采用干筏道。起运平台高程115.00m平台尺寸为30×20m2，上游坡不陡于1:4，下游坡不陡于1:3。4）施工导流洞及水库放空洞施工导流洞及水库放空洞，均采用有压式。为便于检修大坝和其它建筑物，拟利用导流隧洞作放空洞，洞底高程为70.00m，洞直径为3.50m。2.3枢纽总体布置方案的确定挡水建筑物：土石坝（包括副坝在内）按直线布置在河弯地段的1#坝址线上。泄水建筑物：溢洪道布置在大坝右岸的天然垭口处。灌溉引水建筑物：引水隧洞紧靠在溢洪道的右侧布置。水电站建筑物：引水隧洞、电站厂房、开关站等布置在右岸（凸岸），在副坝和主坝之间，厂房布置在开挖的基岩上，开关站布置在厂房旁边。施工导流洞及水库放空洞：布置在左岸的山体内。综合考虑各方面因素，最后确定枢纽布置直接绘制地形地质平面图，见附图一。29 3土石坝设计3.1坝型选择影响土石坝坝型选择的因素有：坝高；筑坝材料；坝址区的地形地质条件；施工导流、施工进度与分期、填筑强度、气象条件、施工场地、运输条件、初期度汛等施工条件；枢纽布置、坝基处理型式、坝体与泄水引水建筑物等的连接；枢纽的开发目标和运行条件；土石坝以及枢纽的总工程量、总工期和总造价。枢纽大坝采用当地材料筑坝，据初步勘察，土料可以采用坝轴线下游1.5-3.5公里的丘陵区与平原地带的土料，且储量很多，一般质量尚佳，可作筑坝之用。砂料可在坝轴线下游1～3公里河滩范围内及河洛河出口处两岸河滩开采。石料可以用采石场开采，采石场可用坝轴线下游左岸山沟较合适，其石质为石灰岩、砂岩，质量良好，质地坚硬，岩石出露，覆盖浅，易开采。各种材料的特性见表1.1－1.3。从建筑材料上说，该枢纽坝型选择均质坝、多种土质分区坝、心墙坝、斜墙坝均可。1）均质坝。坝体材料单一，施工工序简单，干扰少；坝体防渗部分厚大，渗透比降比较小，有利于渗流稳定和减少通过坝体的渗流量，此外坝体和坝基、岸坡、及混凝土建筑物的接触渗径比较长，可简化防渗处理。但是，由于土料抗剪强度比用在其他坝型坝壳的石料、砂砾和砂等材料的抗剪强度小，故其上下游坝坡比其他坝型缓，填筑工程量比较大。坝体施工受严寒及降雨影响，有效工日会减少，工期延长，故在寒冷及多雨地区的使用受限制。故不选择均质坝。2）多种土质分区坝。该坝型虽然可以因地制宜，充分利用包括石渣在内的当地各种筑坝材料；土料用量较均质坝少，施工受气侯的影响也相对小一些，但是由于多种材料分区填筑，工序复杂，施工干扰大，故也不选用多种土质分区坝。3）斜墙坝。由于不透料（土料）位于上游，不便于土料上坝；土质斜墙靠在透水坝壳上，如果坝壳沉降大，将使斜墙开裂；与岸坡及混凝土建筑物连接不如心墙坝方便，斜墙与地基接触应力比心墙小，同地基结合不如心墙坝；断面较大，特别是上游坡较缓，坝脚伸出较远，填筑工程量较心墙大。故也不选用斜墙坝。4）心墙坝。用作防渗体的土料位于坝下游1.5～3.5公里的丘陵区与平原地带的土料，且储量很多，一般质量尚佳，可作筑坝之用；用作透水料的砂土29 可从坝上下游0.3~3.5公里河滩上开采，储量多，可供筑坝使用，这样便于分别从上下游上料，填筑透水坝壳，使施工方便，争取工期。心墙坝的优点还有：心墙位于坝体中间而不依靠在透水坝壳上，其自重通过本身传到基础，不受坝壳沉降影响，依靠心墙填土自重，使得沿心墙与地基接触面产生较大的接触应力，有利于心墙与地基结合，提高接触面的渗透稳定性；当库水位下降时，上游透水坝壳中水分迅速排泄，有利于上游坝坡稳定，使上游坝坡比均质坝或斜墙坝陡；下游坝壳浸润线也比较低，下游坝坡也可以设计得比较陡；在防渗效果相同的情况下，土料用量比斜墙坝少，施工受气候影响相对小些；位于坝轴线上的心墙与岸坡及混凝土建筑物连接比较方便。通过以上分析认为宜选用心墙坝。3.2坝体剖面设计土石坝的剖面设计指坝坡、坝顶宽度、坝顶高程。3.2.1坝坡因最大坝高约115.60-62.50=53.10m,故采用三级变坡。1）上游坝坡：从坝顶至坝踵依次为1：2.5；1：2.75；1：3.0。2）下游坝坡：从坝顶至坝趾依次为1：2.0；1：2.50；1：2.75。3）马道：第一级马道高程为82.50m，第二级马道高程102.50m，马道宽度取2.0m。3.2.2坝顶宽度本坝顶无交通要求，对中低坝的坝顶宽度B取5-10m，本设计取B=6.0m。3.2.3坝顶高程坝顶高程等于水库静水位与超高Y之和，并分别按以下运用情况计算，取最大值：①设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高；②校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高。最后需预留一定的坝体沉降量，此处取坝高的0.4%。计算公式采用下列两式：(3.1)(3.2)式中：Y——坝顶超高；R——波浪在坝坡上的最大爬高，m；e——最大风壅水面高度，即风壅水面超出原库水位高度的最大值，m；Hm——坝前水域平均水深，m；K——综合摩阻系数，其值变化在（1.5～5.0）×10-6之间，计算时一般取K=3.6×10-6；b——风向与水域中线（或坝轴线的法线）的夹角，（°）；V0、D——计算风速和水库吹程，m3/s、Km;A——安全加高，m，根据坝的等级和运用情况，按表3.1确定。表3.1安全加高（单位：m）运用情况坝的级别1级2级3级4、5级正常1.51.00.70.5非常0.70.50.40.329 该坝属于2级水工建筑物，安全加高分别取：正常运用情况下1.0m，非常运用情况下0.5m。参考林昭著的《碾压式土石坝》一书，以往计算坝顶超高公式中多包括风壅水面高度，由于该值不大，一般不到10cm，故可忽略，坝顶超高计算式可简化为。下面采用我国水利水电科学研究院推荐的计算波浪在坝坡上的爬高，　　　　　　　　（3.3）式中：——设计波高，m；m——坝坡坡率，取m=2.5；n——坝坡护面糙率,上游拟采用浆砌石勾缝，取n=0.025。由于所给的设计资料中只有多年平均风速V0=10m/s，故取正常和非常运用情况波高均为：，则。两种计算成果见表3.2。表3.2坝顶高程计算结果运用情况静水位（m）波浪爬高R（m）壅高e(m)安全超高A（m）计算坝顶高程Z计（m）0.4%沉陷（m）竣工时的坝顶高程Z(m）设计情况113.11.010801.0115.11080.46044115.5712较核情况113.51.010800.5115.01080.46004115.4708坝顶高程最终结果为：115.60m。验算：坝顶高程115.60m均大于：设计洪水位+0.50m，即113.10+0.50=113.60m；校核洪水位113.50m。所以满足要求。自行绘制剖面简图。3.3防渗体设计本土石坝的防渗体为粘土心墙。3.3.1防渗体尺寸1）心墙顶宽及坡率土质防渗体的尺寸应满足控制渗透比降和渗流量要求，还要便于施工。参考教材及规范，心墙顶部考虑机械化施工的要求，取3.0m，边坡可取1:0.3。2）防渗体超高防渗体顶部在静水位以上超高，对于正常运用情况（如正常蓄水位、设计洪水位）心墙为0.3～0.6m，取0.5m，最后防渗体顶部高程取为113.10+0.50=113.60m。3）心墙底宽本设计粘土允许坡降，上下游最大作用水头差H=113.50-62.50=51.00m（下游无水工况），故墙厚T≥H/[J]=51.00/4=12.75m。由以上数据，心墙底宽＝3+（51.00+0.5）×0.3×2=33.90m>12.75m，满足要求。29 3.3.2防渗体保护层心墙顶部应设保护层，防止冰冻和干裂。保护层可采用砂、砂砾或碎石，其厚度不小于该地区的冻深或干燥深度，此处取0.80m，上部碎石厚50cm；下部砾石厚30cm，具体见坝顶部构造。自行绘制构造简图。3.4坝体排水设计3.4.1排水设施选择常用的坝体排水有以下几种型式：贴坡排水、棱体排水、坝内排水、以及综合式排水。1）贴坡排水：不能降低浸润线，多用于浸润线很低和下游无水的情况，故不选用。2）棱体排水：可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚不受尾水冲刷，且有支撑坝体增加稳定的作用，且易于检修，是效果较好的一种排水型式。3）坝内排水：其中褥垫排水对不均匀沉降的适应性差，易断裂，且难以检修，当下游水位高过排水设施时，降低浸润线的效果将显著降低；网状排水施工麻烦，而且排水效果较褥垫排水差。坝址附近有丰富的石料可开采，其石料质地坚硬，可以利用，做堆石料棱体排水。综合以上分析选择棱体排水方式。3.4.2堆石棱体排水尺寸顶宽：2.0m。内坡：1：1.5，外坡1：2.0。顶部高程：须高出下游最高水位对1、2级坝不小于1.0m。通过设计洪水位113.10m流量时，相应下游最高洪水位74.30m；假定通过校核洪水位113.50m流量时，相应下游最高洪水位75.00m。超高取1.3m，所以顶部高程为75.00+1.3=76.30m。3.5反滤层和过渡层3.5.1设计规范及标准1）保护无粘性土料（粉砂、砂、砂砾、卵砾石、碎石等）《碾压式土石坝设计规范》规定，对于与被保护土相邻的第一层反滤料，建议按下述准则选用：D15/d85≤4-5，D15/d15≥5。同时要求两者的不均匀系数Cu=d60/d10及D60/D10≯5～8，级配曲线形状最好相似。式中：D15——反滤料的特征粒径，小于该粒径的土占总土重的15%；d15、d85——被保护土的控制粒径和特征粒径，小于该粒径的土分别占总重的15%及85%。29 上述两式同样适用于选择第二、三层反滤料,当选择第二层反滤料时，以第一层反滤料为被保护土，二选择第三层反滤料时，则以第二层反滤料为被保护土。按此标准天然砂砾料一般不能满足要求，须对土料进行筛选。2）保护粘性土料粘性土有粘聚力，抗管涌能力一般比无粘性土强，通常不用上述两式设计反滤层，而用以下方法设计。①满足被保护粘性土的细粒不会流失根据被保护土的小于0.075mm含量的百分数不同，而采用不同的方法。当被保护土含有大于5mm的颗粒时，则取其小于5mm的级配确定小于0.075mm的颗粒含量百分数及计算粒径。如被保护土不含有大于5mm的颗粒时，则按全料确定小于0.0075mm的颗粒含量百分数及。a.对于小于0.075mm的颗粒含量大于85%的粘性土，按式D15≤9d85设计反滤层，当，取等于0.2mm。b.对于小于0.075mm的颗粒含量为40%～85%的粘性土按式D15≤0.7mm设计反滤层。c.对于小于0.075mm的颗粒含量为15%～39%的粘性土按式设计反滤层。式中，为小于0.075mm时颗粒含量1%。若，应取0.7mm。②满足排水要求以上三种土还应符合式，以满足排水要求。式中应为被保护粘性土全料的，若时不小于0.1mm。3）护坡垫层同样应满足土粒不流失及足够的透水性要求，但标准可降低些，建议按下式的简便方法选择粒径。，。3.5.2设计结果由于设计原始资料中没有提供各土、砂、石料的颗粒级配情况，这里无法用计算的方法进行反滤层的设计，只能参考相关规范和已建工程进行初步设计。初步拟定结果分述如下。1）防渗体周边部位第一层：d50=0.5，厚20；第二层：d50=2.0，厚30。2）排水部位第一层：d50=30，厚20；第二层：d50=90，厚60。坝顶及心墙反滤层，棱体排水及反滤层、岸坡排水、护坡详图见图纸。3）护坡垫层见下面的护坡设计。自行绘制构造简图。29 3.6护坡设计1）上游护坡：采用目前最常用的浆砌石护坡。护坡范围从坝顶一直到坝脚，厚度为40cm，下部设厚度均为20cm的碎石和粗砂垫层。2）下游护坡：下游设厚度为40cm的碎石护坡，护坡下面设厚度为40cm的粗砂垫层。自行绘制构造简图。3.7顶部构造1）坝顶宽度对中低坝可取5～10m，此处取B=6.0m。2）防浪墙采用C20水泥浆砌块石防浪墙。墙身每隔15m布置一道设有止水的沉陷逢，墙顶设有高2.8m的灯柱。3）坝顶盖面以防止防渗体（粘土心墙）干裂、冻结和雨水冲蚀，在粘土心墙顶部设置保护层，厚度为80cm，分为两层，上层碎石厚度为50cm，下层砂砾厚度为30cm。3.8马道和坝顶、坝面排水设计3.8.1马道第一级马道高程为82.50m，第二级马道高程为102.50m，马道宽为2.0m。3.8.2坝顶排水坝顶设有防浪墙，为了便于排水，坝顶做成自上游倾向下游的坡，坡度为2%，将坝顶雨水排向下游坝面排水沟。3.8.3坝面排水1）布置在下游坝坡设纵横向排水沟。纵向排水沟（与坝轴线平行）设在各级马道内侧。沿坝轴线每隔200m设置1条横向排水沟（顺坡布置，垂直于坝轴线），横向排水沟自坝顶直至棱体排水处的排水沟，再排至坝趾排水沟。纵横向排水沟互相连通，横向排水沟之间的纵向排水沟应从中间向两端倾斜，坡度取0.2%，以便将雨水排向横向排水沟。坝体与岸坡连接处应设置排水沟，以排除岸坡上游下来的雨水。2）排水沟尺寸及材料①29 尺寸拟定：由于缺乏暴雨资料，所以无法用计算的方法确定断面尺寸，根据以往已建工程的经验，排水沟宽度及深度一般采用20～40cm，本设计取30cm。②材料：排水沟通常采用浆砌石或混凝土预制块。综合考虑选用浆砌石块石。自行绘制构造简图。3.8地基处理及坝体与地基岸坡的连接3.8.1地基处理结合本坝坝基情况，据坝轴线剖面图：1）河槽处：水流常年冲刷，基岩裸露，抗风化能力强，且钻1处岩芯获得率都比较高。吸水量也较低，故只需清除覆盖层即可，挖至基岩即可。2）钻2及右岸河滩：覆盖层和坡积物相对较厚，钻2处的上层岩芯获得率只有12%，岩层裂隙较为发育，拟采用局部帷幕灌浆。3）河洛嘴大溶洞：经勘探后分析对大坝及库区均无影响，为安全起见，可修筑土铺盖，用水泥砂浆填缝。铺盖同时还应与粘土心墙相连，向上库区及右岸延伸展布，将岩溶封闭。3.8.2坝体与地基的连接1）河槽部位（即钻1部位），岩芯获得率及吸水量均能达到要求，采用在心墙底端局部加厚的方式与地基相连。2）钻2到右岸河滩：上部岩层裂隙较发育，岩芯获得率只有12%。而覆盖层也较左岸厚，采用截水槽的方式与基岩相连。截水槽可挖至基岩以下0.5m深处，内填壤土。截水槽横断面拟定：边坡采用1：2.0；底宽，渗径不小于（1/3～1/5）H，其中H为最大作用水头（下游无水时为51.00m），底宽取1/3.4×51.00=15.0m。3.8.3坝体与岸坡的连接左坝肩到左滩地，坡积风化层5～10m，需彻底清除，左岸坡上修建混凝土齿墙，岸坡较陡，开挖时基本与基岩大致平行。右坝肩到右滩地坡积风化层处理与左岸相同，基岩开挖角不宜太大。3.9渗流计算3.9.1渗流计算的基本假定1）心墙采用粘土料，渗透系数K＝1×10-6cm/s；坝壳采用砂土料，渗透系数K＝1×10-2cm/s，两者相差104倍，可以把粘土心墙看作相对不透水层，因此计算时可以不考虑上游楔行降落水头的作用。下游设有棱体排水，可近似的假设浸润线的逸出点为下游水位与堆石棱体内坡的交点。下游坝壳的浸润线也较平缓，接近水平，水头主要在心墙部位损失。29 2）土体中渗流流速不大且处于层流状态，渗流服从达西定律，即平均流速v等于渗透系数K与渗透比降i的乘积，v=K×i。3）发生渗流量时土体孔隙尺寸不变，饱和度不变，渗流为连续的。3.9.2渗流计算条件渗流计算应考虑如下组合，取其最不利者作为控制条件：1）上游正常高水位，下游相应的最低水位；2）上游设计或校核洪水水位，分别相应的下游水位；3）对山游坝坡稳定最不利的库水降落后的水位。这里缺乏有关设计数据，所以拟定用如下工况进行渗流计算：1）设计洪水位（即正常水位）113.10m，相应下游的最低水位（取发电调节流量Qp=7.35m3/s时，相应下游水位68.20m）68.20m；2）校核洪水位113.50m，相应下游的水位（取发电最大引用流量Qmax=28m3/s时，相应下游水位68.65m）68.65m。3.9.3渗流分析的方法采用水力学法进行土石坝渗流计算，将坝内渗流分为若干段，应用达西定律和杜平假设，建立各段的运动方程式，然后根据水流的连续性求解渗透流速、渗透流量和浸润线等。3.9.4计算断面及公式本设计仅对河槽处最大断面进行渗流计算。假设地基为不透水地基。，3.9.5单宽流量将心墙看作等厚的矩形，则其平均宽度为：。坝轴线到下游坝趾处的宽度：D=3+（114.8-102.5）×2.0+2+（102.5-82.5）×2.5+（82.5-76.3）×2.75+2+（76.3-62.5）×2.0=128.25mL=D-δ/2-[（76.3-62.5）×2.0+2.0+（76.3-Z下）×1.5]=-25.025+1.5Z下。已知Ke＝1×10-6cm/s；K＝1×10-2cm/s。通过心墙段的单宽流量为；29 通过心墙下游坝壳段的单宽流量为。计算简图见图自己画，具体计算结果见表3.1。表3.1心墙及其下游坝壳单宽流量计算结果计算情况Z上（m）Z下（m）H1（m）H2（m）（m）D（m）L(m)q(1×10-5m3/(s·m)He(m)正常蓄水位113.1068.2050.605.7018.45128.2577.2756.836.253校核洪水为113.5068.6551.006.1518.45128.2577.9506.946.3013.9.6总渗流量的计算从地形地质平面图上可大致量得大坝沿坝轴线长L=400m，沿整个坝段的总渗流量Q=Lq,式中是考虑到坝宽、坝厚、渗流量沿坝轴线的不均匀性而加的折减系数，取，Q正=0.8×400×6.83×10-5=2.1856×10-2m3/sQ校=0.8×400×6.94×10-5=2.221×10-2m3/s3.9.7浸润线方程1）正常蓄水位情况下的浸润线方程=2）校核洪水位情况下的浸润线方程=3.10坝坡稳定计算（只作下游坡一个滑弧面的计算）心墙坝的下游坝坡采用的是砂土，粘聚力c=0，为无粘性土，常形成折线形的滑弧面。如下图所示。图中所示各物理量之间满足以下方程：29 ，，。查设计资料砂土抗剪强度指标，由于设计原始资料中无相关数据，在此也无法提供实验数据，故假设，，，，代入上述方程得（2级水工建筑物正常运用情况下），。从以上分析可知该假想滑动面是稳定的。29 溢洪道设计给出了两种方案，设计时根据实际情况任选其一。4溢洪道设计（方案一）4.1溢洪道路线选择和平面位置的确定根据本工程地形地质条件，选择正槽式溢洪道，引水渠末端设置圆形渐变段，泄槽不设收缩、弯曲段和扩散段，尾水渠设护坦。成直线布置在右岸的天然垭口，如地形地质平面图所示。4.2溢洪道基本数据由于没有做调洪演算，初步拟定溢洪道水力计算成果见表4.1。表4.1溢洪道水力计算成果计算情况上游水位（m）下泄最大流量(m3/s)相应的下游水位(m)设计113.10134074.30校核113.50166075.00其中：设计洪水位取与正常蓄水位相同，而校核洪水的最大下泄流量和相应的下游水位只是初步拟定的。4.3工程布置4.3.1引水渠引水渠的作用是将水流平顺的引至溢流堰前。为提高泄洪能力，渠内流速v<4m/s。渠底宽度大于堰宽，渠底末端高程与控制堰顶高程相同，取为107.50m。引水渠断面尺寸的拟定，具体计算结果和过程见表4.2。表4.2引水渠断面尺寸计算成果（假定设计流速v=3m/s）计算情况上游水位（m）下泄最大流量Q(m3/s)水深H（m）边坡坡率m底宽B(m)设计113.1013405.601.571.0校核113.5016606.001.583.2计算公式：，，假设v=3m/s。由计算可以拟定引水渠底宽B=90m.引水渠与控制堰之间设渐变段，采用圆弧连接，圆弧半径R=10m，圆弧的圆心角为90°；引水渠前段采用梯形断面，边坡采用1：1.5；底坡均为1：10的逆坡。最后引水渠总长L=65m。29 4.3.2控制段其作用是控制泄洪能力。本工程是以灌溉发电为主的中型工程，采用平面钢闸门控制。溢洪道轴线处岩石破碎，深达60m的钻探岩芯获得率约为20%，岩石裂隙十分发育，因宽顶堰堰矮，荷载小，经比较选用无坎宽顶堰，断面为矩形，顶部高程为107.50m，堰厚拟取30m(2.5H<<10H)，堰宽由流量方程求得，具体计算见表4.3。表4.3溢洪道控制段宽顶堰堰宽计算（忽略行进流速水头）计算情况上游水位(m)泄量Q(m3/s)堰上水头H0(m)流量系数m′控制堰宽nb(m)设计113.1013405.600.38559.3校核113.5016606.000.38566.3式中：控制堰宽根据计算结果，取控制堰取，孔口数n=7，则单孔宽10m。闸门尺寸：取10m×6.5m（宽×高），宽高比为10/6.5=1.54,满足按规范规定的（1.5～2.0）。中墩宽取3.0m，边墩宽取1.0m，闸室宽度B=7×10+2×1.0+6×3.0=90m。闸墩尺寸自选绘制简图。4.3.3泄槽泄槽是宣泄过堰洪水的，槽底布置在基岩上，断面必须为挖方，且要工程量最小，坡面不能太陡。由地形地质平面图上量得堰顶到下游74.30m高程处的水平距离为120m，高差为33.20m，故从堰顶到下游水面连一直线，直线的斜率大约等于0.25。因为堰顶到下游水面的水平距离不大，只有120m左右，考虑到泄槽设计、施工的方便和简单，以及水流的流态等各种因素，泄槽采用等宽，同一坡率布置。初步拟定泄槽坡率i=1/4，矩形断面，宽b=90m，长。4.3.4出口消能溢洪道出口段为冲沟，岩石比较坚硬，离大坝较远，可以采用挑流消能，水流冲刷不会危及大坝安全。但如果大坝下游（溢洪道出口）的假想逆断层存在的话，还需对该断层进行处理，以防止溢洪道出口冲坑太深而危及大坝安全。4.3.5尾水渠其作用是将消能后的水流较平稳的泄入原河道，同时为了防止小流量产生贴流、淘刷鼻坎，鼻坎下游设置长L=50m的护袒。4.4溢洪道水力计算4.4.1引水渠流速计算其具体计算见溢洪道工程布置中的引水渠，设计洪水位和校核洪水位时均取29 v=3m/s，而实际的引水渠底宽大于计算所需要的宽度，而且因为渠底是逆坡，其高程都比107.50m要低，所以引水渠实际的流速均比3m/s要小，均能满足要求。4.4.2控制堰最大泄流能力的验算计算所需闸门总净宽为66.30m(校核洪水时),实际取为70m（7孔10m×6.5m），而整个闸室宽90m，从定性分析可知满足最大泄流量的要求。4.4.3泄槽水面线的计算1）基本公式，，，，，式中：hk——临界水深，m；Q——槽内泄量，m3/s；q——单宽流量，m3/（s·m）；——临界坡降；B——泄槽首段宽度，m；g——重力加速度，m/s2；——相应临界水深的水面宽，m；、、、——临界水深时对应的过水断面积（m2）、湿周（m）、水力半径（m）、谢才系数。，，，，式中：——1-1断面的比能，m；——2-2断面的比能，m；、——1-1及2-2断面水深，m；——沿程水头损失，m；、——1-1及2-2断面的平均流速，m/s；——断面间的长度，m；——1-1及2-2断面的底部高程差，m；n——泄槽糙率，底板是混凝土衬砌石，侧壁为干砌石，取n=0.030。2）临界水深和临界坡降的计算见表4.4。表4.4临界水深和临界坡降计算结果计算情况Qn设计水位13409014.892.828254.5395.6562.6610.03039.240.00676校核水位16609018.443.262293.5996.5243.0420.03040.120.00653，故泄槽段属急流，槽内形成bⅡ型降水曲线，属明渠非均匀流计算。3）溢洪道泄槽正常水深计算29 计算结果见表4.529 表4.5溢洪道泄槽正常水深计算结果计算情况QBi假设h0n设计水位1340901/40.94384.8791.8860.9240.03032.8952683.11341.55校核水位1660901/41.07396.5792.1461.0480.03033.5953321.221660.614）泄槽水面线计算假设堰下泄槽起始断面的计算水深取泄槽临界水深，设计洪水位（正常蓄水位）：，校核洪水位：，采用分段求和法，按水深进行分段，具体计算结果见表4.6。水面线曲线自行绘制，类似下图。29 表4.6计算情况断面h0Avv2/2gEs△EsXRnCi△L=△Es/L设计洪水1-12.828254.525.261.4144.242　95.6562.6610.03039.24　　　　1/4　002-22.502255.961.814.310.06795.02.3680.03038.485.612.51538.860.0082881/40.2420.280.2793-32.001807.442.8284.8280.51894.01.9150.03037.156.72.14237.810.0146581/40.2352.22.484-41.801628.273.4915.2910.46393.61.7310.03036.527.861.82336.830.0249671/40.2252.064.5385-51.2010812.47.8549.0543.76392.41.1690.03034.2110.31.4535.370.0589481/40.19119.724.246-61.009014.911.3112.313.256920.9780.03033.2113.61.07433.710.1526771/40.09733.557.697-70.96386.6715.512.213.160.84991.9260.9430.03033.0115.20.96133.110.2186891/40.03127.184.88-80.94384.8715.812.7213.661.35291.8860.9240.03032.8915.30.95133.050.2264651/40.02457.4115.1校核洪水1-13.262293.585.651.6314.893　96.5243.0420.03040.12　　　　1/4　002-22.802526.592.2145.0140.12195.62.6360.03039.186.122.83939.650.0083951/40.2420.50.53-32.502257.382.7775.2770.26395.02.3680.03038.487.02.50238.830.0129221/40.2371.111.614-42.001809.224.3396.3391.06294.01.9150.03037.158.32.14237.810.0224951/40.2284.676.2785-51.5013512.37.7149.2142.875931.4520.03035.4710.81.68336.310.0521711/40.19814.520.816-61.3011714.210.2711.572.35692.61.2630.03034.6613.21.35835.060.1050611/40.14516.337.077-71.210815.412.0513.251.68392.41.1690.03034.2114.81.21634.430.1514651/40.09917.154.158-81.19107.115.512.2613.450.19392.381.1590.03034.1615.41.16434.190.1750951/40.0752.5856.739-91.135102.1516.313.4714.611.16292.271.1070.03033.915.91.13334.030.1919961/40.0582076.7610-101.10699.5416.714.1915.30.68792.2121.0790.03033.7616.51.09333.830.2166041/40.03320.697.3211-111.19916.814.3415.440.14992.21.0740.03033.7316.71.07733.750.2280791/40.0226.81104.112-121.08697.741714.7215.80.35892.1721.060.03033.6616.91.06733.70.2350581/40.01524128.129 4.4.4掺气水深的计算1）自然掺气开始发生点的计算L按经验公式计算：设计：校核：取L=84.7m。2）掺气水深计算计算公式：式中：h——未计入波动及掺气的水深，m；——计入波动及掺气的水深，m；——未计入波动及掺气计算断面上的平均流速，m/s；x——修正系数，一般取1.0～1.4，s/m,视流速和断面收缩情况而定，当流速大于20m/s时宜采用较大值，此处取x=1.3。计算结果见表4.7。表4.7掺气水深计算结果计算情况L（m）h　设计洪水84.70.96315.51.31.157045校核洪水97.71.10616.71.31.346113由计算结果知掺气水深均小于溢洪道的边墙顶部的高程，水流均不会溢出，满足要求4.4.5消能防冲计算选择挑流消能进行消能。1）鼻坎型式选用结构简单、施工方便、鼻坎上水流平顺、挑距较远、应用广泛的连续式鼻坎。鼻坎挑角。鼻坎高程高出下游最高水位（设计时74.30m、校核时75.00m）1～2m，取76.00m，反弧半径R=10m。细部构造图自行绘制。2）水舌挑射距离计算29 式中：L——水舌挑距，m；——坎顶水面流速,m/s，按鼻坎处平均流速v的1.1倍；——坎顶垂直方向水深，m，；——坎顶至河床面高差，m。，，，，。计算结果见表4.8。表4.8水舌挑射距离计算结果计算情况hL设计洪水17.380.9430.39070.92050.86813.5108.634215.99846.1091281.613440.638校核洪水18.71.0860.39070.92050.999713.5125.762317.21353.379284.193445.1053）冲刷坑深度的计算（由河床表面至坑底），，式中：——水垫厚度，自水面算至坑底，m；——冲坑深度，m；——单宽流量，；——上下游水位差，m；——下游水深，m；——冲坑系数，坚硬完整的基岩，坚硬但完整性较差的基岩，软弱破碎、裂隙发育的基岩。此工程下游河床存在破碎带和一假想逆断层，岩层裂隙发育，所以取。冲坑计算结果见表4.9。表4.9冲刷坑深度计算结果计算情况Z上（m）Z下（m）H（m)　qH2(m)设计水位113.1074.3038.801.814.88888911.8017.33455.53校核水位113.5075.038.501.818.44444412.5019.25626.764）安全验算，安全。29 4.5构造设计包括衬砌、排水、止水和分缝。泄槽中的水流流速较大，采用厚50cm的混凝土衬砌，引水渠的流速较低可选用石灰浆砌块石水泥勾缝。衬砌纵向接缝采用平接缝，沿水流向横缝采用搭接型式。纵横向分缝距离分别取为10m、20m，缝下设纵横向排水沟，并设有铜片止水装置，在排水沟顶面铺沥青麻片，以防止施工时水泥浆或运用时泥沙堵塞排水沟，各横向排水沟的水流应通过泄槽两侧的纵向排水沟排往下游，纵向排水管设置两排，以保证排水通畅。4.6地基处理及防渗堰顶处来自水重和底板的重量较大，泄槽段高速水流的冲击作用也较大，再加上此处的岩芯获得率较小，故需进行地基处理，初步拟定采用局部水泥灌浆，挑流消能的鼻坎由连接面板（即泄槽衬砌之延续）和齿墙两部分组成，起到防滑兼防渗的作用。4溢洪道设计（方案二）4.1泄水方案选择根据本地地形条件，选择正槽式溢洪道泄水，布置在坝体右岸的天然垭口处，如地形地质平面图所示。4.2引水渠段由岩层条件引水渠的横断面为矩形，引水渠的渠底作成不大的逆坡。设计水位到引渠终点渠底的高H引=4.8+3.5=8.3m引水渠流速V引=Qmax/（H引×L0）=1340/（8.3×58）=2.78m/s<4m/s，满足要求。(L0的计算见后)4.3控制堰段4.3.1堰型选择根据以往工程，选用实用溢流堰，它具有堰面不发生真空，又有较大的泄流能力的优点。29 4.3.2实用堰剖面的设计1)确定定型设计水头堰顶高程=107.5m；校核洪水位=113.5m；最大堰上水头=113.5-107.5=6m；定型设计水头：=（0.65~0.85）=（0.65~0.85）×6=3.9m~5.1m取=4.8m。2)确定堰剖面BO段各圆弧参数为：，；，；，；OC段满足方程：整理得：C点坐标：=3.26m=1.18mD点坐标、E点坐标反、弧圆心点n的坐标：均通过作图法求得。①WES剖面的流量系数mm的值主要取决于、的值。=3.5/4.8=0.729；查表取值：m=0.48②溢流孔的设置为了调节水位和流量，在溢流堰顶上设溢流孔，两孔之间设置闸墩，在与岸边连接处设置边墩，以便安设闸门。，，代入堰流流量公式：得：29 nb=48.6m，取nb=50m=L。令：溢流孔孔数n=5，则孔口宽b=10m，溢流段前缘总长L0=nb+(n-1)d=58m。单宽流量③控制堰最大泄流能力闸门型式选用平板钢闸门，最大泄流能力按闸门敞开计算，即相对开度n=1，最大泄流能力，闸室高定为7m。4.4泄槽水面线计算泄槽采用直线式，不设置收缩段、扩散段和弯曲段，横断面为矩形，对称布置，这样可以使水流平顺、结构简单、施工方便。由地形、地质平面图上得出堰顶到下游水位74.3高程处的水平距离为120m，高差为30m，故泄槽。泄槽泄流时的水面线可用水力学上明渠变速流的有关公式及方法进行计算，以求得各种流量情况下，各典型断面的流速和水深。4.4.1基本计算方法采用逐段试算法进行计算。4.4.2基本计算公式流段距离：，式中：堰下收缩断面处起始计算水深，，。1)用试算法求的值=5.6m，=3m,,=8.3m取几组值代入公式右边得到的结果与比较，若不相等，则继续取值代入公式进行计算，直到等式两边的值相等。29 表格1试算法求h1的值(M)2.502.132.21(m)2.232.212.21由此可取=2.21m4.4.3求泄槽水面线今以=2.21m，=2.052m，求两断面之间的水平距离。=3.07m其余各流段的计算完全相同，为清晰起见，采用列表法进行，如下表所示：29 2.2110.4710.8552.0541.9856.0120.009263.073.072.05211.2571.9166.80211.5461.8730.011322.445.511.95211.8341.8297.53712.1541.8730.013372.948.451.85212.4731.7418.39812.8291.6970.015943.5712.021.75213.1851.6529.41513.5841.6080.019214.3716.391.65213.9831.56310.6314.4341.5180.023405.4321.821.55214.8841.47312.09515.3971.4280.028896.8428.661.45215.9091.38312.20216.4971.3370.036218.8137.471.35217.0861.29216.10717.7681.2460.0461511.6649.131.25018.4501.20018.91119.2511.1540.0600116.0565.181.15220.0521.10822.51121.0051.0620.0798623.4488.621.05221.9581.01522.51122.9370.9750.1066631.38120.000.965923.9160.93526.842根据表中数据，绘制水面线见下图：29 4.5水流掺气水深的计算计算公式：自然掺气开始发生点（即临界点位置）按经验公式求解：从水面线上得出在处流速为21.5m，h=1.10m，代入计算公式得：。边墙超高取0.6m则由槽面到墙顶的垂直距离为：1.4+0.6=2.0m。4.6消能防冲计算按条件选用挑流方式进行消能。a)鼻坎型式：平顺连续式；b)反弧半径R：为（6~10）h，取10m；c)鼻坎高程：高出下游最高水面1~2m，取76m；d)挑射角：取水舌挑射距离：冲刷坑深度（由河床表面至坑底）：L----水舌挑距；g----重力加速度；v1---坎顶水面流速,约为鼻坎处平均流速v的1.1倍，取1.1×24=26.4m/s；θ---挑射角度,取；h1-----坎顶平均水深h在铅直方向的投影；h2----坎顶至河床面的高差；代入公式求得：L=76.79m29 代入公式求得：则满足要求。4.6溢洪道构造设计引水渠的衬砌厚度定位0.3m，泄槽边墙超高定为0.6m，整个边墙高为2.0m，泄槽选用混凝土衬砌，衬砌厚度定为0.3m，横向温度缝分缝距离定为10m，纵向定为10m，缝下设排水沟，在排水沟顶面铺沥青麻片，以防施工时水泥浆或运用时泥沙堵塞排水沟，各横向排水沟的水应通过泄槽边墙两侧的纵向排水沟排往下游，纵向排水管设置两排，以保证排水通畅。挑流消能的鼻坎由连接面板（即泄槽衬砌之延续）和齿墙两部分组成，起到防滑兼防渗的作用。5设计成果说明此章自己编写。本章为二、三、四章设计成果的总结，实为设计说明书，要求设计者在本章内将前面几章设计的最终结果概括性的交待清楚，包括选择的方案、型式，相关结构的尺寸、布置等。附图一：枢纽布置平面图附图二：坝轴线处地质剖面图29 大图参考，注意具体设计时选择水工建筑物的型式、尺寸可能与本图不同，自行修改。29'