坝工部分以挡水建筑物和泄水建筑物为主的土石坝水利枢纽设计毕设说明书

说明书

摘要

该江位于我国西南地区，本工程拦河坝为碾压式粘土心墙土石坝。由于山区水位暴涨暴落，所以设置成兴利库容和拦洪库容完全不结合，即正常蓄水位和汛限水位均为2822.5米。本设计是侧重于坝工部分以挡水建筑物和泄水建筑物为主的土石坝水利枢纽设计。

第一步，通过调洪演算得到最佳的溢流堰孔口净宽和堰顶高程方案，比较不同类型的土石坝在施工特点，技术经济等方面的优劣，最终确定大坝坝型为粘土心墙土石坝，并且初定了大坝的轮廓尺寸。然后通过土料设计，对照指标确定了砂砾料场及粘土料场的位置。再次选择坝体的三个典型断面对大坝进行渗流计算，画出流网图，校核渗流逸出处的渗透坡降确定是否满足要求。然后通过vb编程进行稳定分析，最终进行坝体细部构造设计。

第二步，进入主要建筑物设计阶段。确定出大坝的型式及坝址和坝轴线。另外确定该枢纽的组成建筑物，包括挡水建筑物、泄水建筑物、水电站厂房等。

第三步，进入第二主要建筑物设计阶段。确定出泄水建筑物的尺寸，型式和结构，定为泄水隧洞。然后进行轴线选择和水力计算，从下泄能力、净空余幅、挑距和冲刷深度等方面校核设计的可行性。最后进行细部构造设计。

第四步，进行初步的施工组织设计。确定导流标准，施工分期。定出开始日期、截流日期、拦洪日期、封孔蓄水日期、初始发电日期和竣工日期。

最后进入专题设计，隧洞衬砌应力计算，利用理正岩土分析软件，计算衬砌及配筋。

本设计以《碾压式土石坝设计规范SL274-2001》为基本设计依据，外加参考了与土石坝的有关资料和书籍。由于知识有限，对于本设计中的不妥及错误之处，恳请批阅批评指正。在设计过程中得到了束一鸣，王玲玲，苏怀智等老师的知道，再次表示由衷的感谢。

本设计共历时9周。

关键词：粘土心墙土坝

Abstract

目录

第一章前言 (6)

1.1 毕业设计的主要目的和作用 ........................................ 错误！未定义书签。

1.2 设计对象和背景 (7)

1.3 设计过程与方法： (7)

1.3.1 了解任务书和熟悉、分析原始资料 (7)

1.3.2 洪水调节计算 (7)

1.3.3 主要建筑物形式选择和水利枢纽布置 (7)

1.3.4 第一主要建筑物——拦河坝设计 (7)

1.3.5 第二主要建筑物——坝外泄水道设计 (8)

1.4 预期效果 (8)

第二章土石坝工程概况 (8)

2.1 工程流域概况 (8)

2.2 当地气候特征 (8)

2.2.1 气温情况 (8)

2.2.2 湿度情况 (9)

2.2.3 降水量情况 (9)

2.2.4 风力和风向 (9)

2.3 当地水文特征 (10)

2.3.1 年日常径流资料 (10)

2.3.2 洪峰流量资料 (10)

2.3.3 固体径流资料 (10)

2.4 工程地质资料 (10)

2.4.1 水库地质资料 (11)

2.4.2 坝址地质资料 (11)

2.4.3 地质构造资料 (13)

2.4.4 水文地质条件 (13)

2.4.5 地震资料 (14)

2.5 建筑材料 (14)

2.5.1 料场的位置与储量资料 (14)

2.5.2 物理力学性质概述 (14)

2.6 经济资料 (17)

2.6.1 库区经济 (17)

2.6.2 交通运输 (17)

2.7 枢纽任务 (17)

2.8 枢纽特征 (17)

2.8.1 发电 (17)

2.8.2 灌溉 (17)

2.8.3 防洪 (17)

2.8.4 渔业 (18)

2.8.5 过木 (18)

2.8.6 其它 (18)

第三章设计条件和设计依据 (19)

3.1 设计任务 (19)

3.1.1 洪水调节计算 (19)

3.1.2 主要建筑物型式选择和水利枢纽布置 (19)

3.1.3 第一主要建筑物——大坝设计 (19)

3.1.4 第二主要建筑物——泄水建筑物设计 (19)

3.2 设计依据 (19)

第四章洪水调节计算部分 (20)

4.1 洪水调节计算原理 (20)

4.1.1 工程等别及建筑物级别的判定 (20)

4.1.2 泄洪方式与水库运用方案的确定 (20)

4.1.3 调洪演算的原理 (20)

4.2 堰顶高程及泄洪孔口的确定 (21)

4.2.1 孔口尺寸（宽度）及堰顶高程选择原则 (21)

4.2.2 初步方案拟定 (21)

4.3 调洪演算结果与方案确定 (21)

4.3.1 调洪演算的结果 (21)

4.3.2 方案的选择 (22)

第五章坝型选择及枢纽布置概述 (22)

5.1 坝址及坝型选择 (22)

5.1.1 坝址的选择 (22)

5.1.2 坝型的选择 (23)

5.1.1.1 各种比较常见的坝型比较 (23)

5.1.1.2 土石坝各坝型的比较分析 (25)

5.2 枢纽组成建筑物概述 (25)

5.2.1 挡水建筑物部分 (25)

5.2.2 泄水建筑物部分 (25)

5.2.3 水电站建筑物的尺寸和位置概述 (26)

5.3 枢纽的总体布置概述 (27)

5.3.1 挡水建筑物----土石坝 (27)

5.3.1.1 地质条件比较 (27)

5.3.1.2 地形条件比较 (27)

5.3.1.3 建筑材料比较 (27)

5.3.1.4 施工条件及工程量比较 (28)

5.3.1.5 综合效应比较 (28)

5.3.2 泄水建筑物---泄洪隧洞 (28)

5.3.2.1 地质条件比较 (30)

5.3.2.2 水文地质条件比较 (31)

5.3.2.3 路线相关指标比较 (31)

5.3.3 其它有关建筑物 (31)

第六章大坝设计概述 (32)

6.1土石坝的坝型选择 (32)

6.1.1.1 均质坝 (32)

6.1.1.2 堆石坝 (33)

6.1.1.3 面板坝 (33)

6.1.1.4 斜墙坝 (33)

6.1.1.5 心墙坝 (33)

6.1.2 水利枢纽工程坝型选择 (33)

6.2 土石坝的剖面尺寸设计 (33)

6.2.1 坝顶宽度 (33)

6.2.2 土石坝坝顶高程 (34)

6.2.3 土石坝坝坡与戗道 (37)

6.2.4 土石坝坝体排水 (37)

6.2.5 土石坝坝内防渗体 (38)

6.2.6 土石坝坝基防渗 (39)

6.2.7 土石坝护坡 (40)

6.3 土石坝土料设计 (41)

6.3.1 土石坝粘性土料设计 (45)

6.3.1.1 计算公式 (45)

6.3.1.2 计算结果 (46)

6.3.1.3 土料的选用 (47)

6.3.2 土石坝坝壳砂砾料设计 (48)

6.3.2.1 计算公式 (48)

6.3.2.2 计算成果 (49)

6.3.2.3 砂砾料的选用 (50)

6.4 渗流计算部分 (50)

6.4.1 渗流计算方法概述 (51)

6.4.2 典型计算断面与计算情况 (52)

6.4.3 计算结果分析 (54)

6.4.4 渗透稳定计算部分 (54)

6.4.5 成果分析与结论 (56)

6.5 稳定分析计算部分 (56)

6.5.1 计算方法概述 (56)

6.5.2 计算程序流程图 (57)

6.5.3 计算结果概述与分析 (59)

6.5.3.1 上游坡 (59)

6.5.3.2 下游坡 (60)

6.5.4 稳定成果概述与分析 (60)

6.6 大坝基础处理概述 (61)

6.6.1 砂砾石坝基的防渗方案选择 (61)

6.6.2 坝基防渗墙的型式、材料及布置 (62)

6.6.3 坝肩处理 (63)

6.7 细部构造设计部分 (64)

6.7.1 土石坝坝顶布置 (64)

6.7.2 土石坝防渗体和排水设施 (64)

6.7.3 土石坝反滤层设计 (64)

6.7.2.1 被保护土为无粘性土料 (65)

6.7.2.2 被保护土为粘性土料 (66)

6.7.4 护坡设计 (70)

第七章土石坝泄水建筑物设计 (75)

7.1 隧洞布置方案比较与选择 (75)

7.2 泄洪隧洞选线与布置 (75)

7.3 泄水隧洞的体型设计 (76)

7.3.1 进口建筑物部分 (78)

7.3.1.1 进口堰面曲线（以堰顶为坐标原点） (79)

7.3.1.2 闸门型式与尺寸 (80)

7.3.1.3 洞身断面型式和尺寸 (80)

7.3.2 出口消能段部分 (81)

7.3.3 隧洞水力计算概述 (82)

7.3.3.1 设计条件 (83)

7.3.3.2 平洞段底坡 (83)

7.3.3.3 洞内水面曲线 (84)

7.3.3.4 出口消能计算 (85)

7.3.4 隧洞的细部构造概述 (86)

7.3.4.1 洞身衬砌 (86)

7.3.4.2 衬砌分缝、止水 (87)

7.3.4.3 灌浆、防渗与排水 (88)

7.3.4.3 掺气槽 (90)

7.3.4.5 锚筋加固 (91)

7.3.4.6 放空洞设计 (92)

第八章施工组织设计 (92)

8.1 导流标准 (92)

8.1.1 导流建筑物的级别 (92)

8.1.2 导流建筑物洪水标准 (92)

8.1.3 坝体施工期临时度汛标准 (93)

8.1.4 导流建筑物的封堵与水库蓄水标准 (93)

8.2 施工导流计划 (93)

8.2.1 导流方案 (93)

8.2.2 施工分期 (94)

8.2.3 导流工程规划设计 (94)

8.2.3.1 断面尺寸 (94)

8.2.3.2 调洪演算 (95)

8.2.3.3 围堰布置 (96)

8.3 主体工程施工 (97)

8.3.1 有效工日计算 (97)

8.3.2 主体工程量 (99)

8.4 施工顺序安排 (101)

8.4.1 截流前应完成的工程（导流隧洞工程） (101)

8.4.2 截流以后拦洪以前（汛期）应完成的工程 (101)

8.4.3 与封孔蓄水有关的工程 (101)

8.4.4 其它 (101)

8.5 施工控制性进度 (101)

8.5.1 截流准备工作 (101)

8.5.2 截流合龙并填筑挡水围堰。 (101)

8.5.3 封孔蓄水 (102)

8.5.4 初期发电 (102)

8.5.5 工程竣工 (102)

第九章隧洞衬砌内力计算 (102)

9.1 基本资料 (102)

9.2 洞身衬砌断面形式及尺寸 (103)

9.2.1 隧洞断面尺寸 (103)

9.2.2 设计荷载 (103)

9.2.3 衬砌材料 (103)

9.3 计算方法简述 (104)

9.3.1 计算简图及基本原理 (104)

9.3.2 应力验算 (106)

9.3.2.1 按承载能力极限状态设计配筋： (106)

9.3.2.2 按正常使用极限状态的验算 (109)

附录2 参考文献 (115)

第一章前言

本科毕业设计是大学四年最重要，最关键的教学内容，它既是学以致用，知

行合一的一项尝试，也为我们以后的学习或工作模拟了一次“演习”。通过毕业设计，大家全面地系统地巩固了一下大学所有学过的专业知识，提高了专业水平，锻炼了专业技能。

通过这次毕业设计，我们对粘土心墙土石坝的坝型特点，施工方式，设计理念等有了系统地全面地认知，也有了一次系统设计能力的培养机会。我们对水利水电专业的更加了解，对水利水电事业更加热衷。

（1）巩固、联系、加深、充实、扩大所学基本理论和专业知识，并进行系统化；（2）培养综合运用所学知识解决实际问题的技能，初步掌握设计原则、方法和步骤；

（3）养成正确的设计思想，树立严肃认真，实事求是和刻苦认真的工作作风，学习态度；

（4）锻炼独立思考、独立工作能力，加强计算、绘图、编写说明书及使用规范、手册等技能训练。

1.2 设计对象和背景

本设计的对象和背景是位于我国西南地区的某江，进行以坝工为设计重点的工程设计。

1.3 设计过程与方法：

1.3.1 了解任务书和熟悉、分析原始资料

1.3.2 洪水调节计算

用图解法确定防洪库容、设计（校核）洪水位及相应的下泄流量，为确定大坝高度和下游消能防冲设施提供了设计依据。

1.3.3 主要建筑物形式选择和水利枢纽布置

对选定的坝型和枢纽布置方式，做技术可能性和经济合理性的论证。

1.3.4 第一主要建筑物——拦河坝设计

一般应首先选定大坝结构布置及构造，然后进行校核计算。

（1）选定坝的结构形式；拟定坝基防渗处的型式及坝的主要尺寸。

（2）进行土料设计，包括对坝身不同高程的透水料和不透水料的分区规划布置以及压实标准的确定。

（3）渗流演算，计算正常，校核水位，浸润线位置，确定逸出坡降与总渗流量。（4）静力稳定计算，可以用折线法求出上下游坡在某一危险水位情况下的最小稳定安全系数，以论证选用坝坡的合理性。

（5）拟定坝身构造，包括防渗、排水反滤层、坝顶、护坡、马道以及坝体与坝基、岸坡及其他建筑物的连接。

1.3.5第二主要建筑物——坝外泄水道设计

（1）确定结构形式和主要尺寸，进行建筑总体布置；

（2）进行必要的水力计算和静力计算，以验证建筑物的轮廓尺寸和各部分的结构尺寸是否合理；

（3）拟定细部构造，包括锚筋加固、排水、灌浆。

1.4 预期效果

绘出3张工程设计图，自行编制说明书和计算书，并编写中、英文的摘要。

第二章土石坝工程概况

2.1 工程流域概况

该江位于我国西南地区，流向自东南向西北，全长约122公里，流域面积2558平方公里，在坝址以上流域面积为780平方公里。

本流域大部分为山岭地带，山脉和盆地交错于其间，地形变化剧烈，流域内支流很多，但多为小的山区流河流，地表大部分为松软的沙岩、页岩、玄武岩及石灰岩的风化层，汛期河流的含沙量较大。冲积层较厚，两岸有崩塌现象。

本流域内因山脉连绵，交通不便，故居民较少，全区农田面积仅占总面积的20％，林木面积约占全区的30％，其种类有松、杉等。其余为荒山及草皮覆盖。

2.2 当地气候特征

2.2.1 气温情况

年平均气温约为12.8度，最高气温为30.5度，发生在7月份，最低气温为-5.3度，发生在1月份。

表2-21 月平均气温统计表（度）

表2-22 平均温度日数

2.2.2 湿度情况

本区域气候特征是冬干夏湿，每年11月至次年和4月特别干燥，其相对湿度为51～73％之间，夏季因降雨日数较多，相对湿度随之增大，一般变化范围为67～86％。

2.2.3 降水量情况

最大年降水量可达1213毫米，最小为617毫米，多年平均降水量为905毫米。

表2-23 各月降雨日数统计表

2.2.4 风力和风向

一般1～4月风力较大，实测最大风速为19.1 m/s，相当于8级风力，风向为西北偏西。水库吹程为15公里。实测多年平均风速14m/s。

2.3 当地水文特征

该江径流的主要来源为降水，在此山区流域内无湖泊调节径流。根据实测短期水文气象资料研究，一般是每年五月底至六月初河水开始上涨，汛期开始，至十月以后洪水下降，则枯水期开始，直至次年五月。

该江洪水形状陡涨猛落，峰高而瘦，具有山区河流的特性，实测最大流量为700秒立米，而最小流量为0.5秒立米。

2.3.1 年日常径流资料

坝址附近水文站有实测资料8年，参考临近测站水文记录延长后有22年水文系列，多年年平均流量为17秒立米。

2.3.2 洪峰流量资料

经过频率的分析，可以求得不同频率的洪峰流量如下表2-31，2-32所示，山区洪水的特性是暴涨暴落的。

表2-31 不同频率洪峰流量（秒立米）

表2-32 各月不同频率洪峰流量（秒立米）

2.3.3 固体径流资料

该江为山区性河流，含沙量大小均随降水强度及降水量的大小而变化，平均含沙量达0.5公斤／立米。枯水极少，河水清彻见底，初步估算30年后坝前淤积高程为2765米。

2.4 工程地质资料

虽然土石坝对地质结构要求不像拱坝，重力坝以般苛刻，但是地质构造对土

石坝的选址，建造，后期维护都有一定程度的决定性作用。

2.4.1 水库地质资料

库区内出露的地层有石灰岩、玄武岩、火山角砾岩与凝灰岩等。经地质勘探认为库区渗漏问题不大，但水库蓄水后，两岸的坡积与残积等物质的坍岸是不可避免的，经过勘测，估计可能坍方量约为300万立米。在考虑水库淤积问题时可作为参考。

2.4.2 坝址地质资料

坝址位于该江中游地段的峡谷地带，河床比较平缓，坡降不太大，两岸高山耸立，构成高山深谷的地貌特征。

坝址区地层以玄武岩为主，间有少量火山角砾岩和凝灰岩穿过，对其岩性分述如下：

（1）玄武岩一般为深灰色、灰色、含有多量气孔，为绿泥石、石英等充填，成为杏仁状构造，并间或有方解石脉、石英脉等贯穿其中，这些小岩脉都是后来沿裂隙充填进来的。坚硬玄武岩应为不透水层，但因节理裂缝较发育，透水性也会随之增加，其矿物成份为普通辉石、检长石，副成分为绿泥石、石英、方解石等，由于玄武岩成分不甚一致，风化程度不同，力学性质也不同，可分为坚硬玄武岩、多气孔玄武岩、破碎玄武岩、软弱玄武岩、半风化玄武岩和全风化玄武岩等，其物理力学性质见表2-41、表2-42。

渗透性：经试验得出k值为4.14～7.36米/昼夜。

表2-41 坝基岩石物理力学性质试验表

表2-42 全风化玄武岩物理力学性质试验表

（2）火山角砾岩角砾为玄武岩，棱角往往不明显，直径为2～15厘米，胶结物仍为玄武岩质，胶结紧密者抗压强度与坚硬玄武岩无异，其胶结程度较差者极限抗压强度低至35MPa。

（3）凝灰岩成土状或页片状，岩性软弱，与近似，风化后成为碎屑的混合物，遇水崩解，透水性很小。

（4）河床冲积层主要为卵砾石类土，砂质粘土与砂层均甚少，且多呈透镜体状，并有大漂石掺杂其中。卵砾石成分以玄武岩为主，石灰岩与砂岩占极少数。沿河谷内分布：坝基部分冲积层厚度最大为32米，一般为20米左右；靠岸边最少为几米。颗粒组成以卵砾石为主，砂粒和细小颗粒为数很少。卵石最小直径一般为10～100毫米；砾石直径一般为2～10毫米；砂粒直径0.05～0.2毫米；细小颗粒小于0.1毫米。见表2-43。

冲积层的渗透性能经抽水试验后得，渗透系数k值为3×10-2厘米/秒～1×102厘米/秒。

（5）坡积层在水库区及坝址区山麓地带均可见到，为经短距离搬运沉积后，形成粘土与碎石的混合物质。

据《水利水电工程天然建筑材料勘察规程SL251-2000》，初步设计阶段的天然建筑材料勘察应在初查基础上进行详查。应详细查明料场岩土层结构及岩性，夹层性质，及空间分布，地下水位，剥离层，无用层厚度及方量有用层储量，质量，开采运输条件和对环境的影响等。

当需要时应进行混凝土天然掺合料的调查，在可行性研究阶段做过详查的料场可视需要进行复查。

宜采用1：1000～1：2000的地形图作底图进行料场地质测绘及勘探布置。对人工骨料和块石料应实测1：500～1：2000料场地质剖面，砂砾料和土料料场可实测料场1：500～1：2000地质剖面图。勘察储量与实际储量误差应不超过勘察储量不得15%应编制1：10000～1：50000料场分布图，1：10000～1：2000料场综合地质图1：500～1：2000料场地质剖面图。

表2-43 冲积层剪力试验成果表

注：三轴剪力土样备系筛去大于4mm颗粒后制备的。试验时土样的容重为控制容重。应变控制土样容重系筛去大于0.1mm颗粒后制备的。

以上两种试验的土样系扰动的。

2.4.3 地质构造资料

坝址附近无大的断层，但两岸露出的岩石，节理特别发育。可以分为两组，一组走向与岩层走向几乎一致，即北东方向，倾向西北；另一组的走向与岩层倾向大致相同。倾角一般都较大，近于垂直，裂隙清晰，且为钙质泥质物所充填。节理间距，密者0.5米即有一条，疏者3～5米即有一条，所以沿岸常见有岩块崩落的现象。上述节理主要在砂岩、泥灰岩与玄武岩之类的岩石内产生。

2.4.4 水文地质条件

本区地形高差大，表流占去大半，缺乏强烈透水层，故地下水不甚丰富，对工程比较有利。根据压水试验资料，玄武岩的透水性不同，裂隙少、坚硬完整的玄武岩为不透水层，其压水试验的单位吸水量小于0.01l/(min?m)。夹于玄武岩中的凝灰岩，以及裂隙甚少的火山角砾岩都为不透水性良好的岩层。至于节理很发育的破碎玄武岩、半风化与全风化玄武岩都是透水性良好的岩层。正因为这些隔水的与透水的玄武岩存在，遂使玄武岩区产生许多互不连贯的地下水。一般砂岩也

是细粒至微粒结构，除因构造节理裂隙较发育，上部裂隙水较多外，深处岩层因隔水层的层数多，难于形成泉水。石灰岩地区外围岩石多为不透水层，渗透问题也不存在。

2.4.5 地震资料

本地区地震烈度定为7度，基岩与混凝土之间的摩擦系数取0.65。

2.5 建筑材料

2.5.1 料场的位置与储量资料

各料场的位置与储量见坝区地形图。由于河谷内地地形平坦，采运尚方便。

2.5.2 物理力学性质概述

（1）土料：（见表2-51，表2-54）

（2）石料：坚硬玄武岩可作为堆石坝石料，储量较丰富，在坝址附近有石料场一处，覆盖层浅，开采条件较好。

表2-51