土石坝毕业设计

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作者签名： 2012 年 月 日

导师签名： 2012 年 月 日

I

内 容 摘 要

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。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。经初步论证，该工程拟采用土石坝作为挡水建筑物，岸边溢洪道作为泄水建筑物。

本文对土石坝的概念和设计要求进行分析和研究，并对平山水利枢纽挡、泄水建筑物进行初步设计。

关键词：平山水库 土石坝 初步设计

Abstract

PingShan reservoir located at the middle reaches of the PingShan River which is 3 kilometers south-west of G county, the river is the main tributary of the Mu River. Its entire length is 28 kilometers and its basin covers 556 square kilometers, the controls drainage area over the dam is 431 square kilometers. Because PingShan River is a mountainous nature river, it usually causes damage to thecrops and villages by the flash floods after rained, in addition, when the rainfall is not regular, it will be easy to cause drought, so the relevant departments have provided a large amount of surveys for this region to exploit waterpower resources.After generally demonstration,the project is proposed to use earth and rockfill dam as the water retaining structure, the shore spillway as the water release structure.

This thesis is mainly to give a analysis and research to the concept and design requirements of earth and rockfill dam, and make a preliminary design for the water retaining structure and the water release structure.

Key words: PingShan reservoir rockfill dam preliminary design

II

目 录

前 言 ······································································································· 1 1 基本资料及设计数据 ················································································ 3

1.1 基本资料 ·························································································· 3 1.2设计数据 ··························································································· 4 2 枢纽布置 ··································································································· 7

2.1 枢纽的组成建筑物及等级 ······························································· 7 2.2各组成建筑物的选择 ······································································· 7 2.3 枢纽总体布置方案的确定 ····························································· 9 3 土石坝设计 ······························································································ 10

3.1坝型选择 ························································································· 10 3.2土石坝基本剖面的拟定 ································································· 11 3.3防渗体设计 ····················································································· 13 3.4土石坝渗流及稳定分析计算 ·························································· 14 3.5顶部构造 ························································································· 23 3.6护坡设计 ························································································· 23 3.7坝顶、坝面排水设计 ····································································· 24 3.8 坝体排水设计 ················································································ 25 3.9反滤层和过渡层 ············································································· 26 3.10 地基处理及坝体与地基岸坡的连接 ··········································· 28 3.11裂缝处理 ······················································································· 28 4 溢洪道设计 ······························································································ 30

4.1 溢洪道路线选择和平面位置的确定 ············································· 30 4.2 溢洪道基本数据 ············································································ 30 4.3 工程布置 ························································································ 30 4.4溢洪道地基处理 ············································································· 39 5设计成果说明 ··························································································· 40

5.1土石坝 ····························································································· 40 5.2溢洪道 ····························································································· 40 参 考 文 献 ······························································································· 41 致 谢 ········································································································· 42

III

前 言

根据教学要求，毕业设计对水利水电工程专业学生进行的最后一项教学环节。本次设计内容为TS水利枢纽挡、泄水建筑物的初步设计，具体设计以位于G县城西南3公里处的平山河中游的平山水库为蓝本，平山河全长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。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。经初步论证，该工程拟采用土石坝作为挡水建筑物，岸边溢洪道作为泄水建筑物。本文将对土石坝的概念和设计要求进行分析和研究，并对平山水利枢纽挡、泄水建筑物进行初步设计。它基本包括一般水利枢纽所需进行的水工初步设计过程。

土石坝是指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压方法堆筑成的坝，是历史最为悠久的一种坝型，是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型，全世界所建的百米以上高坝中，土石坝所占的比重在呈逐年增长趋势，20世纪50年代以前为30%，60年代接近40%，70年代接近60%，至80年代后增至70%以上。据不完全统计，我国兴建的各种类型的坝共有8.48万余座，其中95%以上为土石坝。由于土石坝工程施工简单、地质条件要求低、造价便宜，并可以就地取材且料源丰富，因此土石坝在我国的高坝中所占的比重也在逐年增加，目前已建成的的天生桥一级面板堆石坝，高178m，在建的瀑布沟砾石土心墙堆石坝，高186m，在建的水布垭面板堆石坝，高233m，在建的扎糯渡心墙堆石坝，高261.5m。目前，土石坝工程建设水平和技术不断提高和发展，特别是20世纪90年代以来，我国土石坝坝高开始向300m级高度研发和建设。目前世界最高的土石坝，同时也是世界最高的水坝是位于塔吉克斯坦共和国阿姆河支流瓦赫什河上的罗贡坝，最大坝高335m，坝顶长660m，坝顶宽20m，底宽1500m，坝体体积7550万m3，库容133亿dm3，水电装机360万kw，工程主要任务是灌溉与发电。世界第二高坝是位于塔吉克斯坦境内瓦赫什河的布利桑京峡谷的努列克土质心墙土石坝。最大坝高300m，坝顶长704m，库容105亿m3，为季调节水库。

随着石方填筑质量的提高，面板接缝以及面板与岸坡和坝基连接结构的改进， 钢筋混凝土斜墙结构的完善，现代混凝土面板堆石坝得到了大力推广。因为混凝土面板堆石坝不但具备了土石坝的基本特点，而且在采用同等施工技术条件下，该坝型的填方量和防渗结构的工程量最小，是所有土石坝中最经济的坝型，结构也较为合理，目前成为当前土石坝发展的主要趋势。

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平山水库采用粘土心墙土石坝作为挡水建筑物，岸边溢洪道作为泄水建筑物，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9万千瓦。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。

本设计历时五个月，在此过程中参考近二十本相关图书，运用Geo-slope软件进行渗流计算和稳定计算，运用AutoCAD软件将设计结果图像化，更加直观明白的表现出设计成果，同时毕业设计辅导老师乔娟老师给予我相关指导和帮助，在此表示衷心的感谢。由于本人水平有限，设计不可能完全妥当，对设计中的疏误或不当之处，敬请指正。

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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9万千瓦．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60°~70° ,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

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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15m/s，水库吹程D＝10Km，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，平均冻土深度1.3m。

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水库规划资料

1)正常蓄水位：112.6m； 2)设计洪水位：114.3m； 3)校核洪水位：116m；

4)死水位：103.8 m（发电极限工作深度8m）； 5)灌溉最低库水位：103.2m；

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6)总库容：2.00亿m3； 7)水库有效库容：1.15亿m3； 8)库容系数：0.575；

9)本设计以校核洪水时指定的下泄流量为泄水建筑物设计依据，即通过校核洪水位流量时，溢洪道泄水量q=1000 m3/s，相应下游最高洪水位70m。通过设计洪水位流量时，相应下游最高洪水位68.5m。当上游水位降到死水位时，相应的下游水位是64.5m。

1.2.2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。

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表1.1 土料特性表

表1.2 砂土特性表

表1.3 石料特性表

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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,在5~50万亩范围之间，属Ⅲ等工程；根据电站装机容量为9万kW，在5~30万kW之间，属Ⅲ等工程；根据总库容为2.00亿m3，在1~10亿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

挡水建筑物型式的选择关系到整个地形的工程量、投资的工期，除筑坝材料是坝型选择的主要因素外，还要根据地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理方案、抗震要求等各种因素进行研究比较，最后选定技术上可靠、经济上合理的坝型

工程中主要的挡水建筑物型式有重力坝、拱坝、土石坝，现对各种坝型进行比较： 1）重力坝方案

重力坝基本剖面呈三角形，在水压力及其他荷载作用下主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求，同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消水压力所引起的拉应力来满足强度要求。

重力坝的优点：①筑坝材料强度高，耐久性好，抵抗洪水漫顶，渗漏冲刷，地震破坏等的能力强；②对地质、地形条件适应性强，一般建与基岩上；③重力坝可做成溢流的，也可在坝内设置泄水孔，枢纽布置紧凑；④结构作用明确；⑤施工方便。

重力坝的缺点：①由于坝体剖面尺寸往往由于稳定和坝体拉应力强度条件控制而做的较大，材料用量多，坝内压应力较低，材料强度不能充分发挥，且坝底面积大，

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因而扬压力也较大，对稳定不利；②因坝体体积较大，施工期混凝土温度收缩应力也较大，为防止温度裂缝，施工时对混凝土温度控制的要求较高。

2）拱坝方案

拱坝是固接于基岩的空间壳体结构，在平面上呈向上游的拱坝，其拱冠剖面呈竖直的或向上游凸出的曲面形。坝体结构既有拱作用又有梁作用，其承受的荷载一部分通过拱的作用压向两岸，另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩。

拱坝的优点：①具有双向传力的性能；②拱是推力结构；③拱坝具有较高的超载能力；④拱坝轻韧，富有弹性而整体性好，借助岩基对地质功能的吸收，它又具有较强的抗震能力。

拱坝的缺点：①拱坝是不设永久性横缝的整体朝静定结构，设计时需计入温度变化和地基位移对坝体应力的影响；②拱坝体形复杂；③设计施工难度大，对施工质量、筑坝材料强度和防渗要求，以及对地形地质条件及地基要求均较高。

3）土石坝方案

土石坝是指由当地土料石料或土石混合料填筑而成的坝。

土石坝的优点：①就地取材，与混凝土坝相比，节省大量水泥、钢材和木材，且减少了筑坝材料运输费用；②对地质、地形条件要求较低，任何不良地基经处理后也可筑土石坝；③施工方法灵活，技术简单，且管理方便，易于加高扩建。

土石坝的缺点：①不允许坝顶溢流，一般需在河岸上另设泄水建筑物；②在河谷狭窄，洪水流量大的河道上施工导流较混凝土坝困难；③采用粘性土料施工受气候条件影响较大。

本设计中，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。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，不适合拱坝的建设。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是选定技术上可行，经济上合理的坝型。

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。

2.3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。

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。

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、斜墙坝、心墙坝均可。

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。斜墙坝与心墙坝，一般的优缺点无显著差别，粘心斜墙坝沙砾料填筑不受粘土填筑影响和牵制，沙砾料工作面大，施工方便。但到考虑坝址的地质条件，坝基有破碎带和覆盖层，截水槽开挖和断层处理要花费很多时间，并且不易准确预计，故不应选择斜墙坝。

4）心墙坝。心墙位于坝体中间而不依靠在透明水壳上，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，有利于心墙和地基的结合，提高接触面的渗透稳定性，使其因坝主体的变形而产生裂缝的可能性小，粘土用量少，受气候影响相对小，粘土心墙施工受季节气候的影响也比其他坝型小得多。同时因为用作防渗体的土料在位于坝下游1.5~3.5公里的丘陵区与平原地带储量很多，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，筑坝石料在坝址下游附近开采，且石质为石灰岩和砂岩，质地坚硬，储量丰富，便于开采，这样便于分别从上下游上料，填筑透水坝壳，使施工方便，减少工程造价，争取工期。

综合以上分析，最终选择粘土心墙坝。

3.2土石坝基本剖面的拟定

土石坝基本剖面包括上下游坝坡、坝顶宽度、坝顶高程等。

3.2.1 上下游坝坡

土石坝坝坡的大小取决于坝型、坝高、筑坝材料、荷载、坝基性质等因素，且直接影响到坝体的稳定和工程量大小。

根据SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》规定：高度在30m以下的为低坝，高度在30~70m之间的土石坝坝高为中坝，高度超过70m的为高坝。由于平山水库属于Ⅱ等工程，以防洪发电为主，校核洪水位为116m，水库最低高程为62.5m，坝高至少53.5m，预估为中高坝，故本坝采用三级变坡。

1）上游坝坡坡率：从坝顶至坝踵依次为1：1.75；1：2.0；1：2.25。

2）下游坝坡坡率：从坝顶至坝趾依次为1：1.5；1：1.75；1：2.0。

3）马道：因土石坝高程相隔10~30m之间设马道，故第一级马道高程为80.50m，第二级马道高程100.50m，马道宽度取2.0m。

3.2.2 坝顶宽度

坝顶宽度根据运行、施工、构造、交通和地震等方面的综合研究后确定。 本坝属于中坝，坝顶无交通要求，SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》 规定：中低坝的坝顶宽度可选5-10m。考虑到心墙顶宽必须超过3m，为便于心墙的施工，本设计坝顶宽度取B=8.0m。

3.2.3 坝顶高程

坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应按以下运用条件计算，取其最大值：

1) 设计水位加正常运用条件下的坝顶超高;

2) 正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高;

3) 校核洪水位加非常运用条件下的坝顶超高；

4) 正常蓄水位加非常运用条件下的坝顶超高加地震安全加高。

注：本设计不考虑地震，因此不考虑第四工况。

最后需预留一定的坝体沉降量，此处取坝高的1%。计算公式采用下列三式：

Y=R+e+A (3.1)

KV02De=cosb (3.2) 2gHm

R=0.45hlm-1n-0.6 (3.3)

式中：Y——坝顶超高；

R——波浪在坝坡上的最大爬高，m；

采用黄河水利水电出版社出版的《碾压式土石坝设计》推荐的计算波浪在

坝坡上的爬高R计算公式。

式中：hl——设计波高，hl=0.0166V0Dm；

m——上游坝坡平均坡率，取m=3；

n——坝坡护面糙率，上游拟采用浆砌石勾缝，取n=0.025。

1则R0hl0.0166155/4101/31.056m，.451.05630.02506.1.45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；

3.610615210000e0.01m 29.850

Hm——坝前水域平均水深，由于坝高不低于53.5m，粗略估计Hm为50m； K——综合摩阻系数，其值由于变化在（1.5～5.0）×10-6之间，计算时一般取K=3.6×10-6；

——风向与水域中线的夹角，本设计为0°；

V0——计算风速，本设计为15m/s；

D——水库吹程，本设计为10 Km；

A——安全加高，m，根据坝的等级和运用情况，其中非常运行条件（a）适用于山区、丘陵区，非常运用条件（b）适用于平原区、滨海区，按表3.1确定。

表3.1 土石坝安全加高A （单位：m）

平山土石坝属于2级水工建筑物，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，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。

计算成果见表3.2。

表3.2 坝顶高程计算结果 （单位：m）

其中：1）设计水位加正常运用条件下的坝顶超高；

2）正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高；

3）校核洪水位加非常运用条件下的坝顶超高。 设计的坝顶高程是针对坝沉降稳定以后的情况而言的，因此，竣工时的坝顶高程应留预留足够的沉降量。根据以往工程经验，土质防渗体区分坝预留沉降量一般为坝高的1%，则计算坝顶高程为117.8m，坝基开挖高程最低位61.5m（清基深度1m），坝高则为56.3m，则实际坝高为56.9m。

综合以上考虑，初步设定坝顶高程取为：118.40m。

3.3防渗体设计

本土石坝的防渗体为粘土心墙，做成上下游面对称。

3.3.1防渗体尺寸

1）心墙顶宽

防渗体顶部的水平宽度考虑机械化施工的要求，不应小于3.0m。本心墙顶宽设计为4米。

2）心墙底宽

SL274—2001《碾压土石坝设计规范》规定：心墙的允许坡降[Ja]不宜大于4。

本心墙允许坡降[Ja]设计为4，考虑清基深度1m，上下游最大作用水头差

H=116-61.5=54.5m（下游无水工况），故防渗体墙厚T≥H/[Ja]=54.5/4=13.625m。

考虑到坝体安全，并参考相关类似工程经验，本坝心墙底宽设计为24m。

3）防渗体超高

防渗体顶部在正常蓄水位或设计洪水位以上的超高，在正常运行条件下，心墙应为0.3~0.6m；在非常运行情况下，均不应低于该工况下的静水位，并应计算风浪爬高的影响，以防风浪形成的壅水通过防渗体顶部渗向下游。当防渗体顶部设有稳定、坚固、不透水且与防渗体紧密结合的防浪墙时，可将防渗体顶部高程放宽至正常运用静

水位以上即可。本坝防渗体将于防浪墙紧密结合，故防渗体高程设计为116m。

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，粘土心墙不小于1m，此处取1.2m。坝顶路面混凝土厚0.4m，中部碎石厚0.4m，下部砾石厚0.4m。

3.3.3坝顶路面高程确定

因粘土心墙高程为116m，心墙保护层为1.2m，故坝顶路面高程为117.2m。 复核坝高:防浪墙高1.2m，故坝顶路面高程与防浪墙的总高程是118.4m，与3.2.3所计算的坝顶高程无误。

3.4土石坝渗流及稳定分析计算

3.4.1计算条件

根据《防洪标准》(GB50201-94)和《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)， 平山水库枢纽工程等别为III等，主要建筑物为2级建筑物。根据《水库大坝安全评价导则》(SL258-2000)的要求，本次复核采用的防洪标准为50年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核。设计洪水位为114.3m，校核洪水为116m，正常蓄水为112.6m ，死水位为103.2m 。

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)并结合水库的运行情况，计算工况取：

(1)正常工况

1)设计洪水位114.3m下形成稳定渗流时上、下游坝坡稳定计算工况；

2)设计洪水位114.3m骤降至死水位103.2m时上游坝坡稳定计算工况。

(2)非常工况

1)校核洪水位116m下形成稳定渗流时上、下游坝坡稳定计算工况；

2)校核洪水位116m骤降至死水位103.2m时上游坝坡稳定计算工况。

3.4.2计算参数的选取

计算参数见下表3.3。

表3.3 水库大坝稳定分析计算参数表

3.4.3计算方法

3.4.3.1渗流基本理论

土是一种三相组成的多孔介质，其孔隙在空间上相通。在饱和土中，水充满整个孔隙，当土中不同位置存在水位差时，土中水就会在水位能量作用下，从水位高（即能量高）的位置向水位低（即能量低）的位置流动。则液体（如土中水）从物质微孔（如土体孔隙）中透过的现象称为渗透，流体在孔隙介质中的流动即为渗流。由于渗流骨架的岩土性质与其中流体的性质较为复杂，所以常用平均概念和综合性的参数代表其渗流性质。

1)渗流基本定律——达西定律

最早，法国工程师达西（H.Darcy）在垂直圆管中装砂进行渗透试验，试验结果证明，渗透量 Q 除与断面面积 A 直接成正比外，正比于水头损失hw，反比于渗径长度 L，引入决定土粒结构和流体性质的一个常数 k，则

hwQAL （3.4） 或QkAhwkJA （3.5） L

式中：k为反映土的透水性质的比例系数，称为渗透系数。

达西渗透定律为：

vQkJ （3.6） A

上式表明在均质孔隙介质中渗流流速与水力梯度的一次方成比例并与土的性质有关。但是，达西渗透定律仅在一定范围内才能使用，即流体做层流运动时方可，在水利工程中，除了堆石坝、堆石排水体等大孔隙介质中的渗流为湍流之外，绝大多数渗流均属于层流范围。

2)二维渗流的连续性方程

当渗流场中水头及流速等渗流要素不随时间改变时，这种渗流为稳定渗流。 对稳定渗流场中任意点A处的以微小单元，面积为dxdz，厚度为dy=1，在x和z方向各有流速vx和vz。

单位时间内流入这个微小单元体的渗流量为dqe，则

dqevxdz1vzdx1 （3.7）

单位时间内流出这个微小单元体的渗水量为dq0，则

dq0(vxvxvdx)dz1(vzzdz)dx1 （3.8） xz

假定水体不可压缩，则根据水流连续原理，单位时间内流入和流出微小单元体的水量应该相等，即

dqedq0 （3.9）

由上得到：二维渗流连续方程

vxvz0 （3.10） xz

3)二维渗流的基本微分方程

假设液体和固体骨架都不可压缩，于是，可得到不可压缩介质中的渗流基本微分方程，也称为稳定渗流微分方程：

根据达西渗透定律，对于各向异性土：

vxkxJxkx

vzkzJzkzhx （3.11） hz （3.12）

式中：kxkz——表示x和z方向的渗透系数；

h——测管水头。

由上述可得：在二维平面渗流的情况下，均匀各向异性土体的渗流基本微分方程为:

2h2hkx2kz20 （3.13） xz

对于各向同性的均质土，kxkz，则可得到：著名的拉普拉斯方程，也是平面稳定渗流的基本微分方程：

2h2h0 （3.14） x2z2

4)渗流有限元分析的基本方法

有限(单)元法是数值计算方法中应用最广的一种。有限单元法以剖分离散和分块插值为指导思想。其基本方法是将连续的求解区域离散化为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元组合体，利用每一个单元内假设的近似函数来分片地表达整个求解域上待求的未知场函数。由于单元能按不同的连接方式进行组合，且单元本身又可以有多种形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。单元内的近似函数通常

由未知场函数或其导数在单元各个节点的数值和其插值函数来表达。这样一来，未知场函数或其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，进而得到整个求解域上场函数的近似值。显然随着单元数目的增加，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进，只要单元满足收敛要求，近似解最后将收敛于精确解。

有限元法虽然类似于有限差分法，但其实施方法不同。有限差分法是直接从微分方程入手，以离散格式逐步近似逼近方程中的导数。有限元法的实施则相反，按照变分原理求泛函积分找其函数值，即把微分方程及其边界条件转变为一个泛函求极值的问题。

有限元法是一种分块近似兹(Ritz)法的应用，即首先把连续体或研究区域离散划分为有限个、且按一定方式相互连接一起的单元的组合体，再以连续的分片插值函数建立一个个的单元方程后，依靠各节点把单元与单元连接起来，集合为整体，形成代数方程组进行求解。有限单元法在模拟曲线边界和向异性渗透介质方面比有限差分法具有较大的灵活性。

3.4.3.2稳定基本理论

稳定分析是确定大坝剖面和安全的主要依据，稳定分析的可靠性对大坝的经济性安全性具有较为重要的影响。作为稳定分析基础的土强度与破坏理论，应用广泛的是摩尔—库仑理论。

在工程上采用的土坡稳定分析方法，主要是建立在极限平衡理论基础上，假设达到极限平衡状态时，土体将沿某一滑裂面产生剪切破坏而失稳，滑裂面上各点，土体均处于极限平衡状态，满足摩尔—库仑强度条件。

随着时间的推进，对土石坝稳定分析的逐渐深入，研究理论逐渐成熟，本文主要介绍以下四种：瑞典圆弧法、简化的毕肖（Bishop）法、滑楔法及满足所有力和力矩平衡的方法。

1)瑞典圆弧法计算原理

Fenenius根据在瑞典岸边发生的圆弧滑动破坏，提出了瑞典条分法的边坡稳定分析方法是条分法中最简单的方法。除了假定滑裂面是个圆柱面外，还假定不考虑土条两侧的作用力，安全系数定义为每一土条在滑裂面上所提供的抗滑力矩之和与外荷载及滑动土体在滑裂面上所产生的滑动力矩和之比。由十不考虑条间力的作用，严格地说，对每一土条力的平衡条件是不满足的，对土条本身的力矩平衡也不满足，仅能满足整个滑动土体的整体力矩平衡条件。由此产生的误差，一般使求出的安全系数偏低

10%~20%，这种误差随着滑裂面圆心角和孔隙压力的增大而增大。尽管这种根据大胆假设得出的简便方法有缺点，可是该方法简单明了，容易计算。瑞典法的推导通常采用总应力法。但同样可用有效应力法(考虑孔隙水压力)计算并按定义的安全系来推导公式。为了考虑条间力的作用，可假定每一土条两侧作用力的合力方向均和该土条底面平行，因此在进行土条底部法线方向力的平衡时，可以不予考虑。

安全系数计算公式：

{[(WV)cosubsecQsin]tan'c'bsec}K (3.15) [(WV)sinMc/R]

式中：W——土条重量；

Q、V——分别表示水平和垂直地震惯性力（向上为正，向下为负）；

u——作用土条底面的孔隙压力；

——条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；

b——土条宽度；

c'、'——土条底面的有效应力抗剪强度指标；

Mc——水平地震惯性力对圆心的力矩；

R——圆弧半径。

该方法计算简单，通过长时间运用，积累了较丰富的经验，基本能保证工程上的安全；但是，该方法没有考虑土条间的作用力。

(2)简化的毕肖（Bishop）法计算原理

毕肖普采用的静定化条件是假定土条间垂直方向的作用力相等。考虑了条间力的作用，并按照各土条对圆心的力矩和为零的安全系数来定义，在1955年提出了一个安全系数计算公式毕肖普简化法使用圆弧滑裂面。对多余未知力的假定，该法假定土条两侧切向作用力均为0，也就假定条间力的合力是水平的。

安全系数计算公式为：

{[(WV)secubsec]tan'c'bsec}[1/(1tantan'/K)]K (3.16) [(WV)sinMc/R]

式中：W——土条重量；

Q、V——分别表示水平和垂直地震惯性力（向上为正，向下为负）；

u——作用土条底面的孔隙压力；

——条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；

b——土条宽度；

c'、'——土条底面的有效应力抗剪强度指标；

Mc——水平地震惯性力对圆心的力矩；

R——圆弧半径。

简化毕肖普法一般都能得出较为准确的答案，但是在某些情况下有可能出现数值上的问题。故常将毕肖普法和圆弧瑞典法的计算相比较，若出现毕肖普发的计算值小于圆弧瑞典法的计算值时，表现数值上有问题，此时要改变滑动面，毕肖普法的一个局限性是只适用圆弧滑动面。

(3)滑楔法计算原理

无粘性土的坝坡，如心墙坝的上下游坝坡、斜墙坝的下游坝坡、斜墙的上游保护层、保护层连同斜墙和坝基中有软弱夹层的滑动等常形成折线的滑动面。这时，可假设滑动面为若干个楔形体组成，采用滑楔法计算稳定安全系数。

滑楔法只满足力的平衡条件，但是不满足力矩平衡条件，计算结果的准确性不够,而且安全系数对所假定的块间作用力的变化比较敏感。若选择不当，则误差较大，有时还会出现数值计算上的问题，难以收敛。

(4)力矩平衡法计算原理

以极限平衡原理理论为基础的稳定分析方法，属于超静定问题，未知量的数目超过可能建立的方程数。对于具有任意形状的滑动面，根据总体力矩平衡以及滑动体水平和竖向力的平衡，分别找出如下的安全系数表达式：

cibiseci(Niuibiseci)taniRiKcm （3.17） (WaNf)iiii

Kcfcb(Ncosub)tan （3.18） Nsiniiiiiii

ii

3.4.3.2选择分析方法

坝坡抗滑稳定计算应采用刚体极限平衡法。对于均质坝、厚斜墙坝和厚心墙坝，宜采用计及条块间作用力的简化毕肖普法；对于有软弱夹层、薄斜墙、薄心墙坝的坝坡稳定分析及任何坝型，可采用满足力和力矩平衡的摩根斯顿－普赖斯等分析。

平山水库水库由于是薄心墙坝，故可采用满足力和力矩平衡的摩根斯顿－普赖斯分析。

3.4.4 GEO-SLOPE软件计算图

3.4.4.1渗流分析计算图

校核洪水位116m下形成渗流计算工况图,见图3.1。

图3.1 校核洪水位116m下浸润线、等势线、单宽流量图

设计洪水位114.3m下形成渗流计算工况图,见图3.2。

图3.2 设计洪水位114.3m下浸润线、等势线、单宽流量图

3.4.4.2稳定分析计算图

1) 校核洪水位116m下形成稳定渗流时上、下游坝坡稳定计算工况,见图3.3。

（a）

（b）

图3.3（a）（b） 校核洪水位116m下形成上下游稳定渗流分析

2) 设计洪水位114.3m下形成稳定渗流时上、下游坝坡稳定计算工况,见图3.4。

（a）

（b）

图3.4（a）（b） 设计洪水位114.3m下形成上下游稳定渗流分析

3) 校核洪水位116m骤降至死水位64.5m时上游坝坡稳定计算工况，图3.5。

图3.5 校核洪水位116m骤降至死水位64.5m下形成稳定渗流分析

4) 设计洪水位114.3m骤降至死水位64.5m时上游坝坡稳定计算工况，图3.6。

图3.6 设计洪水位114.3m骤降至死水位64.5m时上游坝坡稳定渗流分析

3.4.5 结论

3.4.5.1渗流分析成果

经计算大坝渗流计算成果见表3.5。

表3.5 大坝渗流计算成果表

注：下游坝坡（石料）容许比降=（Gs－1）（1－n）=(3.1－1) ×（1－0.41）=1.24

3.4.5.2土石坝渗流分析结论

经过计算分析可知，在各种工况工作情况下，平山水库的渗流情况符合规范 的要求，下游坝坡的渗透比降均在规范的要求之内。

3.4.5.3稳定分析成果

1）稳定分析成果见表3.6。

表3.6 稳定分析成果表

3.4.5.4土石坝稳定分析结论

经过验算复核，在校核、设计以及正常蓄水位的工况时，安全系数均大于所规定的范围，设计符合要求。

在四种工况下，边坡的滑坡型式为圆弧滑裂面。

3.5顶部构造

本坝坝顶上游侧采用C25水泥浆砌块石防浪墙，墙顶高于坝顶1.2m，墙宽0.5m。防浪墙应坚固且不透水，墙底应和坝体防渗体紧密连接，插入防渗体保护层和防渗体2m。坝顶下游侧设路肩石,高0.3m,宽0.5m。

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。

3.6护坡设计

3.6.1上游护坡

土石坝上游坡面要经受波浪淘刷、冰层和漂浮物的撞击等危害作用。

上游护坡的常用型式为干砌石、浆砌石或堆石。考虑坝址附件石料丰富，故采取浆砌石做上游护坡，护坡范围从坝顶延伸至坝脚，厚度为0.6m，下部设厚度设碎石垫层，垫层厚度与材料粒径有关，一般碎石用0.3m~0.6m,故本设计采用0.4m。如图3-7所示。

3.6.2下游护坡

土石坝下游坝面为防雨水冲刷和人为破坏，一般采用简化型式的护坡。护坡的覆盖范围应延伸至坝址，但排水棱体不需防护。通常采用干砌石、碎石或砾石护坡。考虑坝址附件石料丰富，故下游设厚度为0.4m的碎石护坡。如图3-8所示

图3-8 下游坝坡和马道

3.7坝顶、坝面排水设计

3.7.1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3%，路肩石底部每隔100m设直径6cm的排水孔将坝顶雨水排向下游坝面排水沟。

3.7.2坝面排水

1）布置

在下游坝坡设置纵横向排水沟。

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100m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

①尺寸拟定：本地区1000年一遇雨量498.1mm，200年一遇雨量348.2mm，50年一遇雨量299.9mm。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。

3.8 坝体排水设计

3.8.1 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：贴坡排水又称为表面排水，这种形式的排水结构构造简单，用料节省，施工方便，易于检修，可以防止坝坡土发生渗流破坏，保护坝坡免受下游波浪淘刷。但不能有效地降低浸润线，且易因冰冻而失效。

2）棱体排水：棱体排水又称滤水坝趾，在下游坝脚处用堆石体堆成的棱体。棱体排水适用于下游有水的各种坝型，它可以降低浸润线，防止坝坡冻胀，保护尾水范围内的下游坝脚不受波浪淘刷，还可以和坝基排水相连接。当坝基强度足够时，可以发挥支撑坝体、增加稳定的作用。但所需石料用量大，费用较高，与坝体施工有干扰，检修较困难。

3）坝内排水：坝内排水包括褥垫排水，网状带排水，排水管，竖式排水体等。但是主要问题：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。

4）综合式排水：实际工程中，常根据具体情况将几种不同形式的排水组合在一起称为综合式排水，以兼取各型式的优点。

由于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的材料。综合以上分析选择棱体排水方式。

3.8.2 堆石棱体排水尺寸

在下游坝脚处用块石堆成棱体，根据SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》规定：棱体顶宽宽度应根据施工条件及检查观测需要确定，不小于1.0m；顶部高程应超过下游最高水位，超过高度，1级、2级坝应不小于1.0m，3级、4级、5级坝应不

小于0.5m，并应超过波浪沿坡面的爬高；顶部高程应使坝体浸润线距坝面的距离大于该地区的冻结深度；应避免在棱体上游坡脚处出现锐角；棱体内坡根据施工条件确定，一般为1:1.0～1：1.5，外坡为1:1.5～1:2.0；棱体与坝体以及土质地基之间均应设反滤层。

综合以上因素考虑：该设计顶宽取2.0m。棱体内坡取1：1.5，棱体外坡取1：2.0。顶部高程不小于1.0m，由于通过校核洪水位流量时，溢洪道泄水量q=1000 m3/s，相应下游最高洪水位70m，超高取1.5m，所以顶部高程为71.50m 。棱体与坝体以及土质地基之间设0.55m的反滤层。如图3-9所示

图3-9 棱体排水

3.9反滤层和过渡层

3.9.1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%。

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d85。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d85。

a.对于小于0.075mm的颗粒含量大于85%的粘性土，按式D15≤9 d85设计反滤层，当9d85

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

D150.71(40A)(4d850.7)mm设计反滤层。式中，A为小于0.075mm时颗粒含25

量1%。若4d85

②满足排水要求

以上三种土还应符合式D15

全料的d15，若4d15

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。

D15(块石)/d85(垫层)10，D15(垫层)/d85(垫层下被保护土层)5。

3.9.2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：碎石，D=5~20mm，厚25cm；第二层：砾石，D=1~5mm，厚20cm；第三层：砂，D=0.25~1mm,厚20cm。

2）排水部位

第一层：碎石，D=5~20mm，厚25cm；第二层：砾石，D=1~5mm，厚15cm；第三层：砂：D=0.25~1mm，厚15cm。

3.10 地基处理及坝体与地基岸坡的连接

3.10.1地基处理

大坝基础至坝脚线外10米范围内的树林、树根、、地表孤石、块石以及河床底的淤泥、沙壤土等都应在填筑坝体之前都要进行清基，一般清除深度为0.3-1.0m,本设计清基深度初步设定为1m。筑坝前所建造的地质勘探的钻孔、试坑、平洞井、泵等均应回填，对坝基进行平整、振动碾压或夯板夯实。特殊部位采取的措施如下：

1）河槽处：水流常年冲刷，基岩裸露，抗风化能力强，吸水量也较低，故只需清除覆盖层即可，挖至基岩即可。

2）右岸河滩：覆盖层和坡积物相对较厚，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，拟采用局部帷幕灌浆。

3）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。

3.10.2 坝体与地基的连接

1）河槽部位：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）右岸河滩：上部岩层裂隙较发育，岩芯获得率只有20%。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2.5m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54.5m），底宽取1/4×54.5=13.625m,则取14m。

3.10.3 坝体与岸坡的连接

左坝肩到左滩地，坡积风化层及其岸坡杂物需彻底清除，左岸坡不应成台阶状，反坡或突然变坡，应修建混凝土齿墙，由于岩石岸坡一般不宜陡于1:0.5～1:0.75，太陡会引起裂缝，故左岸根据地形地质因素考虑，开挖时基本与基岩大致平行，坡度为1：0.7。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。

心墙与岸坡连接处的断面应扩大1/3，并设反滤层。防渗体邻近岩质岸坡1.0m范围内，采用粘土填筑，且保持W=W最优。岩面在填土前应采用粘土浆抹面，且按要求设反滤层，并可将心墙嵌入岸坡内。

3.11裂缝处理

由于设计、施工不当等诸多方面的原因，土石坝中常常会出现裂缝，而在渗流等因素作用下，裂缝将进一步发展，威胁大坝安全。平山水库作为Ⅱ等工程，其裂

缝处理更加需要细致小心，需要有其防治处理方案。

3.11.1裂缝的成因

平山水库土石坝在建造和运行的过程中一般都要发生变形。在不利的地形和坝基土质条件下，可能产生局部过大的变形和应力，当其超过坝体材料的承受能力时，将产生裂缝。

3.11.2裂缝的防治措施

3.11.2.1改善坝体结构或平面布置

平山水库根据需要合理设计放缓坝坡，同时在渗流处铺设足够厚的反滤层，特别是对易于出现裂缝的部位进行适当加厚，另外在进行土料分区时采用粒径相差不大的两种土料相邻布置，在黏土心墙和坝壳之间设置较宽的过渡区。 3.11.2.2重视坝基处理

平山水库土石坝按3.11.1进行必要的坝基处理，以避免过大的不均匀沉降及水力劈裂冲蚀。

3.11.2.3适当选用坝身土料

平山水库土石坝防渗体是黏土心墙，心墙的中上部对土料适应变形的能力要求较高，但心墙的中下部所承受的荷载较大，而不均匀的变形的可能性较小，故对其适应变形的要求可适当降低，故针对防渗体不同部位选用不同土料。 3.11.2.4采用适宜的施工措施和运行措施

在修筑平山水库土石坝的心墙或易于开裂的部位，其建筑速率可适当放缓，以使下部坝体有充分的时间达到预期的沉降量；在施工间歇期要妥善保护坝面，防止干缩、冻溶裂缝的产生，一旦产生及时处理；运行期，特别是初次蓄水时，水位升降速度不宜过快，以免坝体各部位的变形来不及调整，互不协调，产生高应力，同时避免出现水力劈裂。

3.11.3裂缝处理

平山水库土石坝在设计和施工时，应注意防范裂缝的形成和发展。发现裂缝时要查明性状，分析原因，做好处理预案。

1）对表面裂缝，先用沙土填塞，再以低塑性黏性土封填、夯实。对深度不大的裂缝，也可以将裂缝部位的土体挖除，回填含水率稍高于最优含水率的土料，分层夯实。

2）对深层裂缝，可进行灌浆处理，用低塑性黏性土或在其中加少量中、细砂等做灌浆材料自流或加压灌注，但要防止水力劈裂。

4 溢洪道设计

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，利用枢纽右岸的马鞍形垭口，采用正槽式溢洪道，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，不设尾水渠。

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

4.3 工程布置

4.3.1引水渠

由于地形、地质条件限制，溢流堰往往不能紧靠库区，需在溢流堰前开挖引水渠，将库水平顺地引向溢流堰。为提高溢洪道的泄失。流速应大于悬移质不淤流速，小于渠道的不冲流速，设计流速宜采用3~5m/s，本设计采用设计流速v为3m/s。引水渠的横断面，在岩基上接近矩形，边坡根据岩层条件确定，新鲜岩石一般为1:0.1~1:0.3,风化岩石为1:0.5~1:1.0，本设计采用边坡坡率m为1:1.0。从平山水库坝址地形图可知控制堰顶高程为108m，堰高3m，故引水渠水深H为11m。

根据计算公式：

Q=vA （4.1） A=(B+mH)H （4.2）

可以初步拟定引水渠断面尺寸，具体计算结果4.2。

表4.2 引水渠断面尺寸计算成果

由计算可以拟定引水渠底宽B为32m（安全设计）。在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；引水渠总长L=30m。

4.3.2 控制段

溢洪道的控制段包括：溢流堰及其两侧的连接建筑。本工程是以灌溉发电为主的大（2）型工程，右岸岩石的渗水率小仅为0.001~0.01，采用实用堰。

4.3.2.1实用堰剖面的设计

溢流面由顶部曲线段、中间直线段和反弧段三部分组成。设计要求：①有较高的流量系数，泄流能力大；②水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；③体形简单、造价低、便于施工等。

1)确定定型设计水头Hd

堰顶高程=108m；校核洪水位=116m； 最大堰上水头Hmax=116-108=8m；

定型设计水头：Hd=（0.65~0.85）Hmax=（0.65~0.85）×8=5.2m~6.8m 取

Hd

=6m。

2)确定堰剖面

上游段各圆弧参数为：

R10.5Hd0.563m，b10.175Hd0.17561.05m； R20.2Hd0.261.2m，b20.276Hd0.27661.656m； R30.04Hd0.0460.24m，b30.282Hd0.28261.692m； 下游段满足方程：x1.852.0Hd0.85y整理得：

y0.109x1.85 （4.3）

对于WES型标准堰面，其大致范围是：X=（-0.282~0.85）Hd，Y=(0~0.37)Hd，故因此x最大取5.1，相应的y取2.2。如图4-1所示。

图4-1WES型标准堰面

4.3.2.2孔口设计

①WES剖面的流量系数m

m的值主要取决于P1/Hd、H0/Hd的值。

P1/Hd=3 /6=0.5； 查表取值：m=0.49

②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。

开敞式WES型实用堰的泄流能力公式：

Q溢cms03/2 （4.4）

式中：Q溢为校核洪水时最大下泄量1000m3/s；

ε为闸墩侧收缩系数，与墩头形式有关，本设计取0.95； c为上游堰坡影响系数，取1； m为堰流系数，取0.49； σs为淹没系数，不淹没取1；

H0为堰上水头，取校核洪水堰上水头8m；

g为重力加速度，取9.8；

则溢流段净宽度L为21.45m，为保证设计安全溢流段净宽度取24m 单宽流量q

Q100041.67m3/(sm) L24

令：溢流孔孔数n=2，则孔口宽b=12m，溢流段前缘总长

L0=nb+(n-1)d （4.5）

由于b为孔口宽度，d为中闸墩宽度取2.0m，边墩宽度取3.0m，则溢流前缘总长为L0=2×12+2+2×3=32m

单宽流量q4.3.2.3闸门设计

1）闸门和启闭机

闸门是可以闭合、用于控制孔口水流的挡水建筑物，是水工建筑物的重要组成部分。闸门装置于岸边溢洪道的孔口上，控制流量，宣泄洪水。

闸门分为工作闸门、检修闸门和事故闸门。工作闸门用来调节下泄流量，需要在动水中启闭，要求有较大的启闭力；检修闸门用于短期挡水，以便对工作闸门、建筑物及机械设备进行检修，可以在静水中启闭，启闭力较小；事故闸门是在建筑或设备出现事故紧急应用，要求能在动水中关闭孔口。工作闸门一般设在溢流堰顶，检修闸门和工作闸门至少留有1~3m的净距，以便进行检修。

常用的工作闸门有平面闸门和弧形闸门。平面闸门的主要优点是：结构简单，闸

Q100041.67m3/(sm) L24

门墩受力条件好，各孔口可共用一个活动式启闭机；缺点是：启闭力较大，闸墩较厚，设有门槽，水流条件差。弧形闸门主要优点是：启闭力较小，闸墩较薄，无门槽，水流平顺；缺点是：闸墩较长，且受力条件较差。

本溢流堰工作闸门和检修闸门均采用直升式平面钢闸门，选用活动式启闭机。设检修闸门一扇，两道闸门之间最小净距为1m，不设事故闸门。SL74—95《水利水电工程钢闸门设计规范》推荐闸门尺寸（宽×高）为12m×9m。如图4-2所示。

图4-2闸门

2）闸墩和工作桥

闸墩的平面形状，在上游端应使水流平顺，减小孔口水流的侧收缩，下游端应减小墩后水流的水冠和冲击波。本闸墩上下游端均采用半圆形设计，闸墩厚2m，工作门槽深0.5m，宽0.7m。

闸墩长度和高度，应满足布置闸门、工作桥、交通桥和启闭机械的要求。本设计闸门采用活动式启闭机，轨距为5m。由于本设计对交通要求不高，可将工作桥兼做交通桥。门机高度为13米，以便将闸门自由吊出门槽。

溢流堰两侧设边墩，边墩从堰顶延伸到堰底，边墩高度由溢流水深决定，并应考虑溢流面上有水流冲击波和掺气所引起的水深增加值，故边墩顶高出水面1.5m。

4.3.3泄槽

正槽溢洪道在溢流堰后多用泄水陡槽与出口消能段相连接，以便将过堰洪水安全地泄向下游河道。泄槽一般位于挖方地段，设计时要根据地形、地质、水流条件及经济等因素合理确定其形式和尺寸。

4.3.3.1泄槽的平面布置及纵、横剖面

泄槽在平面上宜尽可能采用直线、等宽布置，不设置收缩段、扩散段和弯曲段，这样使水流平顺、结构简单、施工方便。

泄槽纵剖面设计主要决定纵坡。泄槽纵坡必须保证泄流时，溢流堰下为自由流和槽中不发生水跃，使水流始终处于急流状态。因此泄槽纵坡必须大于临界坡度。由地形地质平面图上得出实用堰底到下游水位70m高程处的水平距离为120m，高差为30m，故初定泄槽纵坡i30/1200.25。因泄槽纵坡i须大于临界坡度ik，须对泄槽初定纵坡进行验算。

对于矩形断面泄槽临界坡度计算公式

q2

ik22 （4.6）

hkCkRk

临界水深hk和谢才系数Ck按式（4.7）、式（4.8）计算

hk

Ck

（4.7）

11/6

Rk （4.8） n

式中：q—泄槽的单宽流量，m3/(sm)；

α—动能修正系数，可近似取为1； g—重力加速度，m/s2；

Rk—相应临界水深的水力半径，m；

n—糙率，取0.014。 将已知数据代入公式计算

q2

ik22

hkCkRk

41.672

(

22.712

()2.710.014

1/6

0.003

因此应地势而建的纵坡为0.25的泄槽符合要求，故确定泄槽纵坡为0.25。 4.3.3.2泄槽水力计算

泄槽流段距离公式

2v221v12h2cosh1cos

2g2g （4.9）

iJ

l12

n22

J （4.10）

R4/3

堰下收缩断面处起始计算水深

h1

(4.11）

q

（4.12） h

起始断面流速公式 v水力半径 R

L0h

（4.13）

L02h

式中：φ—考虑从进口到计算起始断面间沿程和局部阻力损失的流速系数，可取

为0.95；

q—断面单宽流量； θ—泄槽底板和水平面夹角； H0—计算断面渠底以上总水头。 试算法求h1的值

3

Hd=6m，P2=4m,cos0.97,H0HdP2=12m，q=41.67m/(sm)

取几组h1值代入公式右边得到的结果与h1比较，若不相等，则继续取

h1值代入公式进行计算，直到等式两边的值相等。

表4.3 试算法求h1的值

由此可取h1=3.26m

今以h1=3.26m，h2=3.02m，求两断面之间的水平距离l12。

q41.67q41.67v112.78m/s；v213.80m/s

h13.26h23.02

vR1

1

(v1v2)13.29m/s 2

L0h1Lh323.26323.02

2.71m；R2022.54m

L02h13223.26L02h23223.02

1

(R1R2)2.62m

2

1v12

2v22113.902112.782

8.33m；9.70m 2g29.812g29.81

n2v2R

4/3

J

0.014213.292

0.0096 4/3

2.62



(h2cos14l12

2v22

2g

)(h1cos14



1v12

2g

)

iJ1

1.0513.9021.0512.782

(3.020.97)(3.260.97)

=5.05m

0.250.0096

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：

表4.4泄槽水面线表

根据表中数据，绘制水面线见图4-3：

图4-3 水面线

4.3.3.3掺气减蚀

水流沿泄槽下泄，流速沿程增大，水深沿程减小，即水流的空化数沿程递减。于是水流经过一段流程后，将产生水流空化现象。空化水流到达高压区，因空泡溃灭而使泄槽边壁遭到空蚀破坏。为此，必须采取抗空蚀措施：掺气减蚀、优化体形。控制溢流表面的不平整度和采用抗空蚀材料等。本设计采用自掺气。

工程实践证明，临近固体边壁水流掺气，有利于减蚀和免蚀。沿陡槽泄流时的掺气水流可划分为：无掺气水流区、发展中掺气水流区和充分发展的掺气水流区三个区域。计算掺气起点的经验公式很多，但理论上有待深入，故本设计采用《水利学报》推荐的公式：

Lk14.7q0.53 (4.14)

式中Lk为掺气起点至堰顶的沿程距离，m；q为单宽流量，m3/（s•m） 因此Lk14.741.670.53106m,对照水面线图可的掺气起点处v为24.8m/s,水深h为1.52m。

SL253—2000《溢洪道设计规范》规定：掺气水深可按下式计算

v

ha(1)h （4.12）

100式中：

h——不计波动和掺气的水深，m；

v——不计波动和掺气的计算断面的平均流速，m/s；

——修正系数，一般为1.0~1.4，本设计取1.2。 则ha(11.224.8)1.521.97m 100

4.3.3.4泄槽边墙和泄槽衬砌

泄槽边墙高度根据水深并考虑冲击波和水流掺气在各种荷载作用下的影响，加上0.5~1.5m的超高，故本边墙高度为3.26+0. 74=4m。

为保护槽底不受冲刷和岩石不受风化，防止高速水流钻入岩石缝隙，将岩石掀起，泄槽都需要进行衬砌。对泄槽衬砌的要求是：衬砌材料能抵抗水流冲刷；在各种荷载作用下能够保持稳定；表面光滑平整，不致引起不利的负压和空蚀；做好底板下排水，以减小作处于用在底板上的扬压力；做好接缝止水，隔绝高速水流侵入底板底面，避免因脉动压力引起的破坏等。

本设计泄槽处于岩基上，下泄水流速度大，故采用混凝土衬砌，衬砌厚度为0.5m。为防止产生温度裂缝，设置纵横缝。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。

4.3.4出口消能段

4.3.4.1消能工的设计原则及形式

溢洪道宣泄洪水，一般是单宽流量大、流速高、能量集中。若消能措施考虑不当，高速水流与下游河道的正常水流不能妥善衔接，下游河床和岸坡就会遭到冲刷，甚至危及大坝安全。所以，消能措施的合理选择和设计，对工程具有重大的意义。

消能工消能是通过局部水力现象，把水流中的一部分动能转化成热能，随水流散逸。实现这种能量转换的途径有：水流内部的紊动、掺混、剪切和漩滚；水股的扩散及水股之间的碰撞；水流和固体边界的剧烈摩擦和撞击；水流与周围气体的摩擦与掺混。常用的消能工形式有：底流消能、挑流消能和消力戽效能等。

本出口消能段采用挑流消能。

4.3.4.2挑流消能

挑流消能是利用泄水建筑物出口处的挑流鼻坎，将下泄的急流抛向空中，然后落入离建筑物较远的河床，与下游水流相衔接的效能方式。

本挑流消能的鼻坎型式采用连续式挑流鼻坎。

鼻坎挑射角度越大，挑射距离越远。本鼻坎挑射角度为20º。

鼻坎反弧半径R一般采用（6~12）h，h为鼻坎上水深。本鼻坎反弧半径R取12m。 鼻坎坎顶高程高出下游最高水面1~2m，取71m。

水舌挑射距离估算公式为

1L[v12sincosv1cos （4.15） g

式中：L为水舌挑距，m；g为重力加速度，取9.8m/s2；v1为坎顶水流流速，约为鼻坎处平均流速v的1.1倍，取28.4m/s；θ为挑射角度，取20º；h1为坎顶平均水深h在铅直向的投影，h1=hcosθ=1.61×cos20º=1.51m；h2为坎顶至河床面的高差，取1m

。故L1[28.42sin20cos2028.4cos20=101.6m 9.8

冲刷坑深度计算公式为

Tkq1/2Z1/4 （4.16）

式中：T为自下游水面至坑底最大水垫深度，m；q为鼻坎末端断面单宽流量，41.67m3/(s •m);Z为上下游水位差，取46m；k为综合冲刷系数，取1.2。

故 T1.241.671/2461/420.2m，经检验L/tk101.2/20.25.022.5~5.0满

足设计要求。

为保证挑坎稳定，另在挑坎末端做一道深齿墙，深度8m。挑坎的左右两侧也做齿墙插入两侧岩体。为加强挑坎稳定，常用锚筋将挑坎与基岩连成一体。

4.4溢洪道地基处理

溢流堰堰顶处来自水重和底板的压力较大，泄槽段高速水流的冲击力较大，再加上溢流堰所处的地质条件在岩石破碎带，故需清理地基，清基深度设为1m，根据实际情况调整。初步拟定采用局部水泥灌浆，泄槽至挑流鼻坎底部均采用钢筋进行锚固。

5设计成果说明

5.1土石坝

坝顶高程：118.40m；

坝底高程：61.5m；

坝顶宽度:8m；

防浪墙尺寸：1.2m×0.5m（高×宽）

上游坝坡坡率：从坝顶至坝踵依次为1：1.75；1：2.0；1：2.25；

下游坝坡坡率：从坝顶至坝趾依次为1：1.5；1：1.75；1：2.0；

马道高程：第一级马道为80.50m，第二级马道为100.50m；

马道宽度：2.0m；

防渗体高程：116m；

心墙顶宽：4m

心墙底宽：24m；

排水棱体顶宽：2.0m；

排水棱体内坡：1：1.5；

排水棱体外坡：1：2.0；

排水棱体顶部高程：71.50m 。

5.2溢洪道

引水渠底宽：40m；

引水渠总长L=24m；

渐变段半径R：8m；

溢流段净宽度：24m；

单宽流量：41.67m3/(sm)；

闸门尺寸： 12m×9m（宽×高）；

泄槽坡率：0.25；

泄槽长度：123m；

泄槽边墙高度：2.5m；

鼻坎挑射角度:20º；

鼻坎反弧半径：12m；

鼻坎坎顶高程： 71m；

水舌挑距：101.6m；

冲刷坑深度：20.2m。

参 考 文 献

1.范崇仁. 水工钢结构.北京：中国水利水电出版社，2000.

2.林继镛.水工建筑物.北京：中国水利水电出版社，2006.

3.张克恭.土力学.北京：中国建筑工业出版社，2010.

4赵风华，黄金林.钢结构设计原理.北京：高等教育出版社，2005.

4.刘川顺.水利工程地基处理.武汉：武汉大学出版社，2004.

5.刘志民，王德信.水工设计手册.北京：中国水利水电出版社，2011.

6.林昭.碾压式土石坝设计.郑州：黄河水利水电出版社，2003.

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17.碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）. 北京：中国水利水电出版社,2001.

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19溢洪道设计规范（DL/T5166-2002）.北京：中国水利水电出版社,2002.

20.水利水电工程制图标准（SL 73.2-95）.北京：中国水利水电出版社,1995.

21.GEOSLOPE软件中文学习资料

致 谢

本毕业设计及学位论文是在我的导师乔娟老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。从课题的选择到项目的最终完成，乔老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。尽管自己在大四下学期进行工作实习，但是我依然坚持每天完成设计内容，遇到困难通过电话和网络与乔老师交流，乔老师都会耐心解答。大学四年，乔老师教授我水工建筑物和水电站建筑物两门专业课，她不仅在专业课上给我以精心指导，同时还向学生介绍最新的水利技术动态扩宽眼界，在此谨向郑老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

在此，我还要感谢在一起愉快的度过本科生活的水利水电20084011班同学以及其他班的水利水电专业同学。四年前我们从五湖四海聚集在一起学习水利水电工程知识，四年后我们又将各奔东西将知识用于实践。四年的时间，我们学习和生活在一起，相互帮助，相互学习，有快乐，有悲伤，但是我很自豪自己是三峡大学科技学院水利水电工程2008级的一员。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！