土石坝课程设计最终稿

毕业设计说明及计算书

设计题目 E 江水利枢纽工程设计

专业年级 水利水电工程2011级

学 号

姓 名 张 昆

指导老师 沈 长 松

评阅老师

继续教育学院

2013年4月

目 录

设计说明书

第一部分 综合说明 ...................................................................................................................... 5

1、设计资料 .................................................................................................................................... 5

1.1、工程枢纽概况 .......................................................................................................................... 5

1.2、枢纽任务 ................................................................................................................................. 5

1.3、工程地质概况.......................................................................................................................... 8

1.3.1、水库地质： ........................................................................................................................... 8

1.3.2、坝址地质： ........................................................................................................................... 8

2、气象特性 ..................................................................................................................................... 9

2.1、气温： ...................................................................................................................................... 9

2.2、湿度： .................................................................................................................................... 10

2.3、降雨量： ................................................................................................................................ 10

2.4、风力及风向： ........................................................................................................................ 11

2.5、水文特性： ............................................................................................................................ 11

2.6、建筑材料 ................................................................................................................................ 13

2.6.1、各料场的位置与储量见坝区地形图。 ............................................................................. 13

2.6.2、物理学性质土料 ................................................................................................................. 13

2.7、经济资料 ................................................................................................................................ 13

2.7.1、库区经济 ............................................................................................................................. 13

2.7.2、对外交通情况 ..................................................................................................................... 14

第二部分：主要建筑物................................................................................................................. 14

3 设计数据..................................................................................................................................... 14

3.1、工程等级: ............................................................................................................................. 14

3.2、其他建筑物 ............................................................................................................................ 15

3.3、枢纽组成建筑物 .................................................................................................................... 15

4、筑坝材料 ................................................................................................................................... 16

5、枢纽布置 ................................................................................................................................... 17

5.1、工程等别及建筑物级别 ........................................................................................................ 17

5.1.1、水库枢纽建筑物组成 ......................................................................................................... 17

6、工程规模 ................................................................................................................................... 18

6.1、各效益指标等别 .................................................................................................................... 18

6.2、水库枢纽等级 ........................................................................................................................ 18

第三部分：坝型比选 .................................................................................................................... 19

7 各组成建筑物的选择 ............................................................................................................... 19

7.1. 挡水建筑物型式的选择 ......................................................................................................... 19

7.1.1、重力坝方案 ......................................................................................................................... 19

7.1.2拱坝方案 ................................................................................................................................ 19

7.1.3土石坝方案 ............................................................................................................................ 20

7.1.4 泄水建筑物型式的选择 ....................................................................................................... 20

8 其它建筑型式的选择 ................................................................................................................. 20

8.1、灌溉引水建筑物 .................................................................................................................... 20

8.3过坝建筑物 ............................................................................................................................... 21

8.4施工导流洞及水库放空洞 ....................................................................................................... 21

8.5、 枢纽总体布置方案的确定 ................................................................................................ 21

9 土坝设计 ................................................................................................................................... 22

9.1 坝型选择 .................................................................................................................................. 22

9.1.1. 均质坝 .................................................................................................................................. 24

9.1.2.、多种土质坝 ........................................................................................................................ 24

9.1.3、 斜墙坝 ............................................................................................................................... 25

9.1.4、心墙坝 ............................................................................................................................... 25

10、大坝轮廓尺寸的拟定 ............................................................................................................. 25

10．1、坝顶宽度 ........................................................................................................................... 26

10.2、坝坡与戗道 .......................................................................................................................... 26

10.3、坡顶高程 .............................................................................................................................. 26

10.6、坝基防渗体 .......................................................................................................................... 31

11、设计洪水与校核洪水 ............................................................................................................. 31

设计计算书

第四部分:调洪演算 ....................................................................................................................... 32

12、调洪演算与方案选择 ............................................................................................................. 32

12.1、泄洪方式及水库运用方式 .................................................................................................. 32

12.2、防洪限制水位的选择 .......................................................................................................... 33

12.3、调洪演算 .............................................................................................................................. 33

12.4、方案选择 .............................................................................................................................. 33

13 渗流计算 ................................................................................................................................. 34

13.1、 渗流计算的基本假定 ...................................................................................................... 34

13.2、渗流分析的方法 .................................................................................................................. 35

13.3、计算断面及公式 .................................................................................................................. 35

15、坝坡稳定计算 ......................................................................................................................... 36

16、材料及构造设计 ..................................................................................................................... 37

16.1、 防渗体设计 ........................................................................................................................ 37

16.1.1、. 防渗体尺寸 ................................................................................................................. 37

16.2.2、防渗体保护层 ................................................................................................................. 37

16.3、坝体排水设计 ...................................................................................................................... 38

16.3.1、反滤层和过滤层 ............................................................................................................. 38

16.4、护坡设计 ............................................................................................................................. 41

16.5、排水沟尺寸及材料 ............................................................................................................. 43

17、地基处理及坝体与岸坡的连接 ............................................................................................. 43

17.1、地基处理 ............................................................................................................................. 44

17.2、坝体与地基的连接 ............................................................................................................. 44

17.3、坝体与岸坡的连接 ............................................................................................................. 44

第五部分：第二主要建筑物设计................................................................................................. 45

18、溢洪道设计 ............................................................................................................................. 45

18.1、溢洪道路线选择和平面位置的确定 .................................................................................. 45

18.3、控制段 .................................................................................................................................. 48

18.4、泄 槽 .................................................................................................................................... 48

18.5、出口消能 .............................................................................................................................. 49

19、水力计算 ................................................................................................................................. 49

19.1、基本计算 ............................................................................................................................. 49

19.2、基本计算公式 ..................................................................................................................... 49

19.3、鼻坎型式 ............................................................................................................................. 49

19.4、水舌挑射距离计算 ............................................................................................................. 50

20、衬砌及细部构造设计 ............................................................................................................. 51

20.1、坝的防渗体，排水设备 ...................................................................................................... 51

20.2、反滤层设计 .......................................................................................................................... 52

20.3、护坡设计 .............................................................................................................................. 52

20.4、坝顶布置 .............................................................................................................................. 53

21、地基处理及防渗 ..................................................................................................................... 53

21.1、渗流控制方案 ..................................................................................................................... 54

20.2、防渗墙的型式、材料及布置。 .......................................................................................... 54

20.3、坝肩处理 .............................................................................................................................. 55

总结 ................................................................................................................................................ 55

致谢 ................................................................................................................................................ 55

参考文献......................................................................................................................................... 56

设计说明书

一 基本资料及数据设计

第一部分 综合说明

1、设计资料

1.1、工程枢纽概况

E江位于我国西南地区，流向自东南向西北，全长约122km，流

域面积2558km²；在坝址以上流域面积为780km。

本流域大部分为山岭地带，山脉和盆地交错期间，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，冲击层较

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、衫等。

其余为荒山及草皮覆盖。因此，有关部门对本地区作了多次勘测规划

以开发这里的水资源。

1.2、枢纽任务

枢纽主要任务是以灌溉发电为主，并结合防洪，养鱼及供水等任务

进行开发。初步规划，灌溉方面：本工程灌溉面积为10万亩（高程

在102m以上），发电方面：3台机组总装机容量24KW，发电量为

1.05亿度。防洪方面：可减轻洪水对下游城镇、厂矿和农村的威胁。

根据防洪要求，设计洪水时控制最大泄流流量不超过900m3/s。渔业

方面：正常蓄水位时，水库面积为15.16km²，为发展养殖业创造了

有力的条件。其它方面：引水隧道进水口底高程为2789.00m，出口

底高程为2752.30m，引水隧洞直径为4m，压力钢管直径为2.3m，

调压井直径为12.0m；

防空洞直径为2.5m。可防空水位芷水位2770.00m

该坝设有泄洪洞、放空洞连同引水发电隧洞布置于右岸凸出的山

梁里面，详见枢纽平面布置图。

该枢纽平面布置图如下图所示：

1.3、工程地质概况

1.3.1、水库地质：库区内出露的地层有石灰岩、玄武岩、火山角砾石

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塌是不可避免的。经过勘测，估计可能塌

方量约为300万立方，在考虑水库淤积问题时作为参考。

1.3.2、坝址地质：坝址位于E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，兼有少量火山角砾石和凝岩灰穿过，

由于玄武岩成分不一致分化程度不同，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

全分化玄武岩等，其物理性质见下表

表6 坝基岩石物理力学性质试验表

全风化玄武岩物理力学性质实验表

2、气象特性

2.1、气温：年平均气温约为12.8℃，最高气温为30.5℃，发生在7

月份，最低气温-5.3℃，发生在一月份，各月平均气温见表1，平均

温度的天数见表2

表2平均温度日数

E 江 水 利 土 石 坝 枢 纽 工 程 设 计 - 10

2.2、湿度：本地区气候特征是冬干夏湿，每年十一月至次年和四月

特别干燥，其相对湿度为51-73%之间，夏雨因降雨日数较多，相对

湿度随之增大，一般变化范围为67-86%，４／１８／２０１２。

2.3、降雨量：最大年降水量可达1213mm，最小为617mm，多年平

均降雨量为905mm，各月降雨数见表3

表3

各月降雨日数统计表

2.4、风力及风向：一般1-4月风量较大，实测最大风速为19.1m每秒

相当于8级风力，风向为西北偏西，水库吹成为15km。

2.5、水文特性：E江径流的主要来源为降水，在此山区流域内无湖泊

调节江流。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。

E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立方米每秒，

年日常径流:坝址附近水文站有实测资料8年，参考临近站水文记

录延长后有22年水文系列，多年年平均流量为17立方米每秒。

洪峰流量:经频率分析，求的不同平率的洪峰流量如表4，各月不同

平率的洪峰流量见表5

表4不同平率的洪峰流量

表5不同平率的洪峰流量见

固体径流：E江为山区性河流，含沙大小均岁降水强度量的大小而变化，平均年含沙量为0.5kg每立方，枯水极少，河水清澈见底，初不估算30年后坝前淤积高程为2765m。

2.6、建筑材料

2.6.1、各料场的位置与储量见坝区地形图。由于和谷内地地形平坦，采用尚方便。

2.6.2、物理学性质土料见表9-表12，石料：坚硬的玄武岩可作为堆石坝石料，储量较为丰富，在坝址附近有石料场一处， 覆盖层浅，开采条件较好。

2.7、经济资料

2.7.1、库区经济

流域都为农业人口，多种植稻米、玉米等。库区内尚未发现有价值可采的矿石，

表13 各高程淹没情况

2.7.2、对外交通情况

坝址下游120km处有铁路干线通过，已建成公路离坝址仅20km。因此交通尚称方便。

第二部分：主要建筑物

3 设计数

3.1、工程等级:

工程的灌溉面积为10万亩,装机容量24MW ,多年平均发电量1,05亿度。

根据SDJ12-78《水利水电工程枢纽等级划分及设计标准》综合考虑水库总库容防洪效益、灌溉面积、电站装机容量，工程规模由库容（正常蓄水位时3.54亿m³，永久性水工建筑物的洪水标准：永久性挡水建筑和泄水建筑物正常洪水（设计时）的重现期为100年，非常运用洪水（校核时）的重现期为200年；水电站厂房正常与非正常运用洪水标准分别为50年和500年；临时性水工建筑物采用洪水标准为20－30年。本河流属典型山区河流，洪水暴涨暴落，设计洪峰流量取100年一遇，即Q设＝1680m3/S，（p＝1%），校核洪峰流量取2000年一遇，即Q校＝2320m3/s，（p＝0.05%）。采用以洪峰控制的同倍比放大法对典型洪水进行放大，得设计洪水与校核洪水过程线。

3.2、其他建筑

主要建筑物：挡水坝，溢洪道，电站厂房。

次要建筑物：筏道，导流洞（后改为泻洪洞）。

该水库正常蓄水位为2821.40m，汛前限制水位取与正常蓄水位相等，死水位为2796.0m，设计洪水位为2821.72m，校洪水位为2823.08m。死库容为1亿m3，兴利库容为2.88亿m3，调洪库容为0.38亿m3。

3.3 枢纽组成建筑物

3.3.1大坝：布置在1＃坝轴线上；

3.3.2溢洪道：堰顶高程为107.50m；

3.3.3水电站：装机容量为24MW，三台机组，厂房尺寸为30×9平方米；

3.3.4灌溉：主要灌溉区位于河流右岸，渠首底高程102m，灌溉最大引用流量8.15 m³/s，相应最大渠道水深1.75m，渠底宽为3.5m，渠道边坡1：1

3.3.5水库放空遂洞：为便于检修大坝和其他建筑物，拟利用导流遂洞做放空洞，洞底高程为70.0m，洞直径为3.5m；

3.3.6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30×30m²。

4、 筑坝材料：枢纽大坝采用当地材料筑坝，根据初步勘察，土料可才用坝轴线下游1.5～3.5公里的丘陵区与平原地带的土料，且储量很多，一般土质尚佳，可做筑坝之用。砂料可在坝轴线下游1～3公里河滩范围内及平山河出口出两岸河滩开采。石料可利用采石场开采，采石场可利用坝22下游左岸山沟较合适，其石质为石灰岩、砂岩，质量较好，质地坚硬，岩石出露，覆盖浅，易开采。

4.1 土料：主要有粘土和壤土，可采用坝下游1.5～3.0公里丘陵区与平原地带的土料，且储量很多，一般土质尚佳，可做筑坝之用。起性能见附表1；

4.2 砂土：从坝下游0.5～3.5公里河滩上开采，储量多，可供筑坝使用，其性能见附表2；

4.3 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，便于开采，其性能见附表3。

附表1 土料特性表

附表2 砂土特性表

附表3 石料特性表 5 枢纽布置 5.1 工程等别及建筑物级别

5.1.1. 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。

6 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：

6.1、各效益指标等别：根据枢纽灌溉面积为20万亩，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。

6.2、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。

6.3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

第三部分：坝型比选。

7 各组成建筑物的选择

7.1. 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。

7.1.1、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。

7.1.2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。

7.1.3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。

7.1.4 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。

8 其它建筑型式的选择

8.1、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。

8.2、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。

8.3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。

8.4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。

8.5、 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在图纸上。

坝址选择

经过比较先择地形图所示河湾地段作为坝址，并选择Ⅰ－Ⅰ、Ⅱ－Ⅱ两条较有利的坝轴线，两轴线河宽基本相近，从而大坝工程量基

本相近，从地质剖面图上可以看出：

Ⅰ－Ⅰ剖面，河床覆盖层厚平均20m，河床中部最大达32m，坝肩除10m左右范围的风化岩外，还有数十要的破碎带，其余为坚硬的玄武岩，地质构造总体良好（对土石坝而言），Ⅱ－Ⅱ剖面降与Ⅰ－Ⅰ剖面具有大致相同厚度的覆盖层及风化岩外，底部玄武岩破碎带纵横交错，若将坝建于此，则绕坝渗流可能较大，进行地基处理则工程量太大，综合考虑以上因素，坝轴线选择Ⅰ－Ⅰ处。

9 土坝设计

9.1 坝型选择

影响土石坝坝型的因素有：坝高、建筑材料、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公里的丘陵与平原地区的土料，且储量特别多，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。石料利用采石场开采，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。

从建筑材料上说，均质坝、多种土质分区坝、心墙坝、斜墙坝均可。

9.1.1. 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，渗透比降较小，有利于渗流稳定和减少坝体的渗流量，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，故在寒冷和多雨地区的使用受限制，故不选择均质坝。

9.1.2.、多种土质坝 该坝型显然可以因地制宜，充分利用包括石渣在内的当地各种筑坝；土料用量较均质坝少，施工气候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。

9.1.3、 斜墙坝 斜墙坝与心墙坝，一般的优缺点无显著差别，粘土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；考虑坝址的地质条件，由于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，并且不容易准确的预计，斜墙截水槽接近坝脚，处理时不影响下游沙砾料填筑，处理坝基和填筑沙砾料都有充裕的时间，工期较心墙坝有把握；土料及石料储量丰富，填筑材料不受限制。

9.1.4、心墙坝 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；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，粘土心墙冬季施工时暖棚跨度比斜墙小。移动和升高较便利。

综合以上分析，最终选择心墙坝。

10、大坝轮廓尺寸的拟定

大坝剖面轮廓尺寸包括坝顶高程，坝顶宽度、上下游坝坡、防渗体等排水设备。

10．1、坝顶宽度

坝顶宽度主要取决于交通需要、构造要求和施工条件，同时还要考虑防汛抢险、防空、防震等特殊需要。根据以往工程经验的统计资料，坝高H在30－100m的范围内时，坝顶的宽度最小取H/10，并水小于5m。最终本设计的坝顶宽度取为10m。

10.2、坝坡与戗道

土石坝的坝面坡度取决于坝高、筑坝材料性质、运用情况、地基条件、施工方法及坝型等因供素。一般是参考以建成类似工程的经验拟定坝坡，再通过计算分析，逐步修改确定。在满足稳定要求的前提下，应尽可能使坝坡陡些，以减小坝体工程量。

根据规范规定与实际结合，上游上部坡率取2.5，下部取3.0，下游自上而下分别取2.2，2.5，下游每25m变坡一次。

在坝坡改变处，尤其在下游坡，通常设置1.5－2m宽的马道（戗道）以使汇集坝面的雨水，防止冲刷坝坡，并同时兼作交通、观测、检修之用，考虑这些因素其宽度取为2.0m。

10.3、坡顶高程

坝顶高程分别按设计工况、校核工况及正常加震情况下的三种方案来计算大坝的高程，最后计算出数据取量大值，同时并保留一定的沉降值。坝顶高程在水库正常运用和非常运用期间的静水位以上应该

有足够的超高，以保证水库不漫顶，其超高值d按下式而定：

d=hB+e+a

式中hB——波浪沿着坝坡的爬高（m）；

e——坝前库水因风浪引起的壅高；

a——安全加高（m），根据坝的等级及运用情况按下表选用 土坝坝顶的安全起高值

e=0.036×（Vf）2×D×cosα/H（cm）

式中Vf——为风速（m/s）

D——为库面吹程（km），D＝12km；

α——风向与坝轴线方向所成的夹角，α＝25°；

H——为坝前的水深（m）；

波浪的爬高可按下述公式计算：

hB＝3.2K×（2h1）×tanθ

式中：h1——为波高；

K——为坝坡的粗糙系数，块石取K＝0.75－0.8，混凝土板取K＝0.9－1.0；

θ——为上游的坝面坡角，θ＝arctan（1/2.5）＝21.8°，

2h1=0.0166Vf（5/4）×D（1/3）

Vf——当计算为设计工况时，风速取多年平均最大风速的1.5倍；当计算为校核工况时，风速取多年平均最大风速。

结果取两者之大者，并预留一定的沉降值。结果见下表，设计竣工时坝顶高程为2825m。

坡顶高程计算成果表

Y=R+e+A,

KV02Decosb2gHm

式中：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

1.010210210度的最大值，m； e=0.01m; 29.850

m，根据坝的等级和运用情况，按表1-1确定。Hm—A——安全加高，

—坝前水域平均水深，粗略估计为50m；

K——综合摩阻系数，其值变化在（6~12）103之间，计算时一般取K1.0102;

b——风向与水域中线的夹角，（00）；V0、D——计算风速和水库吹程m3/s、Km；

表1-1 安全加高A （单位：m）

10.4、坝体排水

本地区石料比较丰富，采用堆石棱体排水比较适宜，它可以降低坝体浸润线，防止坝坡冻涨和渗透变形，保护下游坝址免受尾水淘刷，

并可支撑坝体，增加下游坝坡的稳定性。

按规范棱体顶面高程高出下游最高水位1m为原则，下游校核洪水时下游水位可由坝址流量水位曲线查得为2754.88m最后取2756.0m参考以往工程，堆石棱体内坡取1：1.5，外坡取1：2.0，顶宽2.0m，下游水位以上用贴坡排水。

10.5、大坝防渗体

大坝防渗体的设计主要包括坝体防渗和坝基防渗两个方面。

（1）坝体的防渗

坝体防渗的结构和尺寸必须满足减小渗透流量、降低浸润线控制渗透坡降的要求，同时还要满足构造、施工、防裂、稳定等方面要求。该坝体采用粘土斜心墙，其底部最小厚度由粘土的允许坡降而顶，本设计允许渗透坡降[J]＝5，上游校核洪水时承受的最大水头为73.08m，墙的厚度B>73.08/5＝14.616m。参考以往工程的经验，斜心墙的顶部宽度取为5m（满足大于3m机械化施工要求），粘土斜心墙的上游坝坡的坡度为1：0.4－1：1.0之间，根据第十一届国际大坝会议上瑞典和南斯拉夫等论文介绍，斜心墙的上游坡度为1：0.4－1：0.6之间较好，最后本设计取为1：0.6，下游坡度取为1：0.2，底宽取34.93m，大于14.616m。粘土斜心墙的顶部高程以设计水位加一定的超高（超高0.6m）并高于校核洪水位为原则，最终取其墙顶高程为2823.1m，墙顶的上部预留有1.9m的保护层，并将粘土斜心墙稍斜向上游。

10.6、坝基防渗体

河床中部采用沥青混凝土防渗墙，两岸坡同样用混凝土防渗墙，厚度取0.8m（由强度和防渗条件定），防渗墙伸入心墙的长度由接触面允许渗透坡降而定。上下游最大水头差为67.9m（正常水位时），取

[J]＝5.0，则L＝67.9/5＝13.58m，设计伸入7.5m。

这样接触面长度为2×7.5+0.8＝15.8m，防渗墙位置在心墙底面中心中部偏上，岸坡混凝土防渗墙底厚沿岸坡，逐渐变化，大坝的剖面图如下图所示：

11、设计洪水与校核洪水

本河流属典型山区河流，洪水暴涨暴落，设计洪峰流量取100年一遇，即Q设＝1680m3/S，（p＝1%），校核洪峰流量取2000年一遇，即Q校＝2320m3/s，（p＝0.05%）。采用以洪峰控制的同倍比放大法对典型洪水进行放大，得设计洪水与校核洪水过程线。

设计计算书

第四部分:调洪演算

12、调洪演算与方案选择

12.1、泄洪方式及水库运用方式

本枢纽拦河大坝初定为土石坝，需另设坝外泄水建筑物。由于坝址两岸山坡陡峻，如采取开敞溢洪道的方案，可能造成开挖量太大而不经济，因而采用隧洞泄洪，并考虑与施工导流结合。

水库运用方式：洪水来临时用闸门控制下泄流量等于来流量，水库保持汛前限制水位不变，当来水流量继续加大，则闸门全开，下泄流量随水位的升高而加大，流态为自由泄流。

流量随水位的升高而加大，流态为自由泄流。

12.2、防洪限制水位的选择

防洪限制水位取与正常水位重合，这是防洪库容与兴利库容全不结合的情况，因为山区河流特点是暴涨暴落，整个汛期内大洪水随时都可能出现，任何时刻都须留一定的防洪库容是必要的。

12.3、调洪演算

本设计拟订四组方案进行比较，调洪演算成果见下表

调洪演算成果表

12.4、方案选择 以上方案均能满足泄流量Q

要求，从这个角度上看四种方案都是可行的，因而方案的选择就应该通过技术经济比较选定，同时也应结合导流问题，一般来说，△Z大坝增高，从而坝的工程量加大；B大则增加隧洞的开挖及其他工程量，而Q/B越大，消能越困难，衬砌要求也高。后两种方案量Q/B的水头较小，可降低闸门及其启闭设备的造价，但△Z，B较大，主体工程量较大故而不予采用，第一方案与其它方案比较虽然超高△Z较大，但流量Q较小，水头H也较小，故采用第一方案。即堰顶高程△Z＝2810m，溢流孔口净宽B＝7m，设计水位2821.72m，校核水位2823.08m，设计泄洪流量565m3/s，校核泄洪流量669m3/s

13 渗流计算

13.1、 渗流计算的基本假定

13.1.1、心墙采用粘土料，渗透系数k1.0106cm/s,坝壳采用砂土料，渗透系数k1.0102cm/s,两者相差104倍，可以把粘土心墙看做相对不透水层，因此计算时可以不考虑上游楔行降落水头的作用。

13.1.2、土体中渗流流速不大，且处于层流状态，渗流服从达西定律平均流速v等于渗透系数Ｋ与渗透比降i的乘积，v=Ki；

13.1.3、发生渗流时土体的空隙体积不变，饱和度不变，渗流为连续的。

2. 渗流计算条件：

渗流计算时应考虑以下组合情况，取其最不利情况作为控制条件：

1）上游正常水位，下游相应的最低水位；2）上游校核洪水位相应的下游最低水位；3）对上游坝坡最不利的库水降落后的落差。

由于缺乏资料所以拟定如下工况进行计算：设计洪水位（取与正常蓄水位）113.10m，相应的下游最低水位为74.3m；校核洪水位113.50m，相应的下游水深为75.00m。

13.2、渗流分析的方法

采用水利学法进行土坝渗流计算。将坝内渗流分为若干等份，应用维尔金斯公式和水流连续方程求解渗流流量和浸润线方程。

13.3、计算断面及公式

本设计仅对河槽截面处进行最大断面的渗流计算，并假设地基为不透水。采用的公式：

2he2H2

y qk2L

13.4、浸润线方程

正常水位

Hx

校核水位

Hx

15、坝坡稳定计算

面板坝下游采用的是堆石，所以C=0，常形成折线状的滑弧面，形状如图所示：

-（1+w1）tg（φ3-б）=0 w2w1ctg(φv22´-β）-ctg（θ-φ1´）

φ1´=tg1（tgφ1/Kc）φ2´= tg1（tgφ2/ Kc） φ3´= tg1（tg

φ3/ Kc）

查设计资料沙土的抗剪强度指标，φ1=φ2=φ3=30º，由于设计原始

资料中无相关的数据，在此也无法提供实验资料，所以假定 θ=25 º， б=5 º， β=10 º，

φ1´=φ2´= φ3´=13 º，带入上面三个式子中解得Kc=2.5>

1wKcmin=1.35。2级水工建筑物正常运行情况下1=3.9。因而该假定的w2

滑动坡面是稳定的。（此处须 了解原因）

16、材料及构造设计

16.1、 防渗体设计

16.1.1、. 防渗体尺寸

土质防渗体的尺寸应满足控制防渗比降和渗流量要求,还要便于施工。防渗体顶部考虑机械化施工的要求,取3.5m,土斜墙上下游坡度取1:0.3，。

上下游最大作用水头差，H=113.50-62.50=51.00（下游无水工况），根据规定，粘土心墙的容许渗透坡降[J]不宜大于4，这里取[J]=4，故墙厚T>=H/[J]=51.00/4=12.75m。

心墙底宽为3.5+（51.00+0.5）0.32=34.4m>12.75m.，满足要求。 防渗体顶部在静水位以上超高，对于正常运用情况心墙为0.3-0.6m，取0.5m，最后防渗体顶部高程取为113.10+0.50=113.60m。（在非常运用情况下，不应低于该工况下的最高水位）

16.2.2、防渗体保护层

心墙顶部以及心墙的上游侧均应设保护层，防止冰冻和干裂。保护层可采用砂或者碎石，其厚度不小于该地区的冻结或干燥深度，此处取1.0m，上部碎石厚0.50m，下部砾石石厚0.50m。心墙上游保护层应分层碾压填筑，达到和坝体相同的标准。其外坡坡度应按稳定计

算确定，使保护层不至沿斜墙面或连同心墙一起滑动。具体见坝顶构造。

16.3、坝体排水设计

16.3.1、排水设施选择

常用的坝体排水有以下几种形式：贴坡排水、棱体排水、坝内排水以及综合式排水。

贴坡排水：不能降低浸润线，多用于浸润线较低和下游无水的情况，故不选用。

棱体排水：可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护上游坝脚不受尾水冲刷，且有支撑坝体增加坝体稳定的作用，且易于检修，是效果较好的一种排水形式

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。

综合以上分析选择棱体排水方式。

2.堆石棱体排水尺寸

顶宽2.0m，内坡1：1.5，外坡1：2.0，顶部最高水位须高出下游最高水位对1、2级坝不小于1.0m，通过校核洪水位113.50m，假设相应下游最高洪水位为75.00m，超高取1.5m，所以顶部高程为75.00+1.5=76.5m。

16.3.1、反滤层和过滤层

设计规范及标准

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>5，同时要求两者的不均15

匀系数h=d60及D60不大于5～8，级配曲线形状最好相似。

1010

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 ——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。

按次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9d85.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(40A)(4d850.7)/25设计反滤层。式中，A为小于0.075mm时颗粒含量1%。若4d85

②满足排水要求

以上三种土还应符合式D15

3）护坡垫层

垫层料的粒径不能过大，而且含有适量的细料。本坝属于中坝，取最大粒径为80-100mm,粒径小于5mm的颗粒含量宜选为30%-50%， 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（垫层）D15(块石)5.。 10.， d15(垫层下被保护的土)d15(垫层)

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。初步拟结果如下：

16.4、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30cm的碎石和粗沙垫层。见图：

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的粗沙垫层。见图：

(5)顶部构造 1.坝顶宽度

对中低坝可取5-10m，此处取B=7.0m 2.防浪墙

采用C15水泥浆砌块石防浪墙，高为1.2m，基本尺寸见图，墙身每隔15m布置一道设有止水的沉陷缝，墙顶设有高2.8m的灯柱。 3.坝顶盖面

(6)马道和坝顶，坝面排水设计

1.马道：第一级马道高层为82.50m，第二级马道高层为102.50m，马道宽为2.0m。

2.坝顶排水：坝顶设有防浪墙，为了便于排水，把顶做成自上游\倾向下游的坡，坡度为3%，将坝顶雨水排向下游坝面排水沟。 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），横向排水工自坝顶直至棱体排水处的排水沟，再排至坝址排水沟。纵横排水沟互相连通，横向排水沟之间的纵向排水沟应从中间向两侧倾斜，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计排水沟，以排除岸坡上游下来的雨水。 16.5、排水沟尺寸及材料

1）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，具体的尺寸见图。

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。见图

17、地基处理及坝体与岸坡的连接

结合本坝坝基情况，从坝轴线剖面图可知，地基处理如下：

17.1、地基处理

（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）平山咀大溶洞：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斜墙相连，向上库区及右岸延伸展布，将岩溶封闭。 17.2、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，采用在斜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。 17.3、坝体与岸坡的连接

土坝与岸坡的接合面是工程中较软弱的环节，应妥加处理，避免沿接合面发生集中渗流，土坝裂缝等现象。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。

第五部分：第二主要建筑物设计

18、溢洪道设计

溢洪道平面布置如图所示：

18.1、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，尾水渠设护袒。成直线布置在右岸的天然垭口。 18.2、

堰面形式及孔口尺寸

1 采用WES型堰面形状

HdHmax(75%~95%)6(0.75~0.95)4.5m~5.7m

取Hd

5.0m

p10.3Hd p20.5Hd

取p120m p122m

R10.5Hd2.5m b10.175Hd0.875m R20.20Hd1.0m b20.276Hd1.38m R30.04Hd0.2m b30.282Hd1.41m

o点下游曲线方程： y0.1273X1.85

坡度MC0.6（与水平线段夹角为590）的下游直线段与曲线段相切点的坐标值，做一阶导数：

dy

0.1273*1.85*x0.851/0.6=1.667 dx

切点坐标为（10，9）

反弧圆心的确定：反弧半径R(4~10)h，h为校核洪水闸门全开时反弧水深，本设计中R10m，反弧圆心o点坐标

18059

xoxMc(p2y)Rcot()23.46m

2

y0p2R12m

圆弧与直线相交点坐标为：

x1x0Rsin59014.89m y19(x110)/0.617.15m

18.2、孔口尺寸设计

（1）、单宽流量的确定。

qm2gH

q——单宽流量

3

20

根据堰顶形式可选 m0.48 0.95 则 q29.67m3/s

Qmax1660m3/s L

Qmax1660

56m q29.67

取孔口宽度为10m n

L

5.6 则 n6 10

L0nb(n1)d

b——孔口宽度 d——中闸墩（取2.0m），边

墩（取3.0m）

则 溢流前缘总长为L0nb(n1)d1610252370m

Q溢nb6100.9561780m3/s

——闸墩侧收缩系数，取0.95

m——流量系数，取0.48

g——重力加速度，9.81m3/s

320

32

18.3、控制段

（1）拟定控制段的形式

为了控制泻流能力，设置平面钢闸门，

bh10m6m Hd(0.75~0.95)H0(0.75~0.95)6.04.5m~5.7m

P10.3Hd P20.5Hd 取 P222m 120m P

m0.467 x(0.282~0.85)Hd y(0~0.37)Hd 查表：

与泄槽底版相连采用反弧曲面，R(3~6)h（其中h为校核洪水位全开时的反弧最低点） 18.4、泄 槽

泄槽布置在基岩上，断面为挖方，为适应地形，泻槽分为收缩段、泻槽一段、泻槽二段，根据已建的工程拟定收缩段收缩角为12度。首端与控制堰同宽B=61m。末端采用矩形。

18.5、出口消能

溢洪道出口段为冲沟，岩石质地较好，离大坝较远，采用挑流消能。水流冲刷不会危及大坝安全。 19、水力计算

泄槽水面线计算：对称布置由地质平面图可知堰顶到下游水面高程（74.3m）处的水平距离是86m，高差33.2m。坡降i=33.2/86=0.386＞iK，属急流，槽内形成bⅡ型降水曲线，属于明渠非均匀流的计算。 19.1、基本计算

采用各段试算的方法计算 19.2、基本计算公式 流段距离：

(h2cos

2

2v2

l12



n2243

2g

)(h1cos

1v12

2g

)

i

式中收缩断面处开始计算 h1

q

2g(H0h1cos)

v R19.3、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

qh

L0h

L02h

泛的连续式鼻坎。鼻坎挑角25。。鼻坎高程高出下游最高水位，反弧半径R=10m。见图12所示。

图12

19.4、水舌挑射距离计算 L

1vg

12

sincosv1cosv1sin22g(h1h2) 

2

式中： L——水舌挑距，m； v1——坎顶水面流速, m/s，按鼻坎处平均流速v的1.1倍； h1——坎顶垂直方向水深m，

冲刷坑深度的计算（由河床表面至坑底）

tk=aq0.5H0.25， tkaq0.5H0.25H2，

式中：tk——水垫厚度，自水面算至坑底，m； tk¢——冲坑深度，m；

q——单宽流量，m3/(sm)； H——上下游水位差，m； H2——下游水深，m；

a——冲坑系数，坚硬完整的基岩a=0.9~1.2，坚硬但完