水工建筑物课程设计_完整版

《坝工课程设计》

平山水利枢纽设计计算说明书

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目录

1 基本资料及设计数据 (1)

1.1基本资料 (1)

1.2设计数据 (2)

2 枢纽布置 (4)

2.1 枢纽的组成建筑物及等级 (4)

2.2各组成建筑物的选择 (4)

2.3 枢纽总体布置方案的确定 (5)

3 土石坝设计 (6)

3.1坝型选择 (6)

3.2坝体剖面设计 (7)

3.3防渗体设计 (8)

3.4 坝体排水设计 (9)

3.5 反滤层和过渡层 (9)

3.6 护坡设计 (11)

3.7 顶部构造 (11)

3.8 马道和坝顶、坝面排水设计 (11)

3.8 地基处理及坝体与地基岸坡的连接 (12)

3.9 渗流计算 (12)

3.10 坝坡稳定计算（只作下游坡一个滑弧面的计算） (14)

4 溢洪道设计 (16)

4.1 溢洪道路线选择和平面位置的确定 (16)

4.2 溢洪道基本数据 (16)

4.3 工程布置 (16)

4.4溢洪道水力计算 (17)

4.5构造设计 (2)

4.6地基处理及防渗 (2)

5 设计成果说明 (9)

附图一：枢纽布置平面图 (9)

附图二：坝轴线处地质剖面图 (9)

1 基本资料及设计数据

1.1基本资料

1.1.1概况

平山水库位于Ｇ县城西南３公里处的平山河中游，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．

由于平山河为山区性河流，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，使平山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900 m3 /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，使平山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：平山河流域多为丘陵山区，在平山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，尤以坝址下游段的平山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：在平山嘴以南，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，平山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＝１ 10-4 cm/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Ｑ

０.

＝1860m3/s，Q0..5%=1550m3/s，Q1%=1480m3/s，多年平均来水量为4.55亿m3。

１％

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：105.0 m（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Q p=7.35m3/s，相应下游水位68.2m；

9）发电最大引用流量Q max=28 m3/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Q max=1340 m3/s，相应下游最高洪水位74.3m。

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。

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

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。

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公里河滩范围内及平山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：

Y R e A =++ (3.1) 20cos 2m

KV D e gH b = (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 ； H m ——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，（°）；

V 0、D ——计算风速和水库吹程，m 3/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。

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e ，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Y R A =+。

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R ，

10.60.45l R h m n --= （3.3）

式中：l h ——设计波高，51

3400.0166l h V D =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V 0=10m/s ，故取正常和非常运用情况波高均为：

m h l 614.09100166.03/14/5=??=，则m R 0108.1025.05.2614.045.06.01=???=--。 两种计算成果见表3.2。

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4][=J ，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。

3.3.2防渗体保护层