畢業(yè)設(shè)計（論文）-某水利樞紐心墻土石壩方案設(shè)計

前言目前，西林縣開發(fā)利用水力資源11690kw，僅占可開發(fā)利用水力資源的24.9%，而且西林縣已建電站均為徑流式電站，調(diào)節(jié)能力差，枯水季節(jié)供需矛盾十分嚴(yán)重，無論是電力還是電量都有很大的不足，尤其是華南大電網(wǎng)拉閘限電，用電勢態(tài)更為嚴(yán)峻。電力工業(yè)的落后，嚴(yán)重地制約了西林縣的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的提高。為了大力發(fā)展地方工業(yè)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展，盡早脫貧致富。只有大力開發(fā)水力資源，最大限度地發(fā)揮西林縣水能優(yōu)勢，才是解決電力不足的根本出路。大洪山水電站開發(fā)條件較好，對外交通方便。因此修建大洪山水庫是十分必要的，也是利國利民的好事。以大洪山水利樞紐為課題，我們進(jìn)行了設(shè)計的工作，這次設(shè)計包括了剖面擬定、滲流及穩(wěn)定分析、溢洪道設(shè)計等工作。在這次設(shè)計中，我們用到了許多大學(xué)期間學(xué)習(xí)的知識，我們獲益良多。第一部分設(shè)計說明書一、基本資料1.氣象特征本流域地處低緯度，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，受西南季風(fēng)影響，在海洋暖濕氣團(tuán)和內(nèi)陸氣團(tuán)的控制下，錯綜復(fù)雜的地形造成了各地氣候差異明顯，其特點是：夏無酷暑冬無寒，半年雨水半年干，西部多雨易洪澇，東部少雨常干旱。根據(jù)西林縣氣象站氣象資料統(tǒng)計，多年平均降水量為1086.9mm，降水年內(nèi)分配不均，全年降水主要集中在5~9月，5~9月份降雨量為820.1mm，占全年降水量75.5%。多年平均年蒸發(fā)量為1373.4mm（φ=20cm），多年平均最大月蒸發(fā)量為5月份，蒸發(fā)量為172.8mm，多年平均最小月蒸發(fā)量為1月份，蒸發(fā)量為54.2mm。多年平均氣溫19.2℃，歷年極端最高氣溫為40.7℃，發(fā)生在1994年5月2日，歷年極端最低氣溫為-4.3℃，發(fā)生在1975年12月30日。2.地形地貌工作區(qū)屬南嶺山系的西南部，山脈走向近東西，中山、中低山與馱娘江及支流大小山谷、從后，周邦河、尤莫溝、花貢溝、西平和、可林河等構(gòu)成本區(qū)流域的地形地貌形態(tài)景觀。沿馱娘江河谷兩岸斷續(xù)分布有一、二級侵蝕堆積階地。本區(qū)最高峰為西北斗大烘坡山，高程為1950m，最低點高程為390m，流域內(nèi)河谷深切、狹窄，山脈與河流的相對高差為500～1000m。山體自然坡腳較陡一般在15°～35°，部分為大于40°，河谷沖溝自然坡度15°～60°，山坡上植被良好，喬灌木混生，未見有大的滑坡、山崩、泥石流等不良物理地質(zhì)現(xiàn)象。3.工程等別大洪山水電站工程是馱娘江流域中的新增梯級電站，工程位于西林縣普合苗族自治鄉(xiāng)大洪山屯，距西林縣城38.8km。其上游為威后水電站，下游為者甲水電站，是馱娘江梯級電站中的第二級。設(shè)計洪水位為585.00m，校核洪水位為586.56m，總庫容為195.34×104m3。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252—2000）的規(guī)定，大洪山水電站水庫最大庫容為195.34×104m3，工程等別為Ⅳ等。攔河壩土石壩，建筑物級別為4級，防洪標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇洪水設(shè)計，200年一遇洪水校核。計算風(fēng)速及相應(yīng)吹程表表1：計算風(fēng)速及相應(yīng)吹程表情況計算風(fēng)速（m/s）吹程（m）正常正常蓄水位8.55630設(shè)計洪水位8.55630非常校核洪水位5.76305.地震本工程所在地區(qū)的地震基本烈度為Ⅵ度，本工程區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（DL5073—1997）規(guī)定，本工程不進(jìn)行抗震計算。6.水文資料大洪山水電站上游的龍頭電站為威后水電站，大洪山水電站徑流資料采用威后水電站的出流，加上威后~大洪山區(qū)間徑流作為大洪山水電站的入庫徑流資料，采用相同年份同頻率組合。典型年采用P=10%、15%、50%、85%、90%五個頻率典型年逐日平均流量。表2：水庫水位～面積、容積關(guān)系 水位面積容積(m)(104m2)(104m3)573.9005808.316.8858534.47116.3559068.78369.59大洪山水電站面積、庫容曲線是采用1：10000地形圖量算而得出。水庫水位～面積、容積關(guān)系見表2。7.地質(zhì)條件（1）左壩段（樁號0+000~0+085）位于低山斜坡上，斜坡及坡腳分布著混合土塊石（3-2）層，松散層厚度為5.0～10.8m，下伏強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾泥巖(5-4)，松散層和強(qiáng)風(fēng)化巖強(qiáng)度低，完整性差，變形大，不宜做壩基，壩基可座于弱風(fēng)化巖內(nèi)（＞1.0m）。弱風(fēng)化巖透水率q=6.6~33.14Lu，大于3Lu，應(yīng)進(jìn)行帷幕灌漿處理措施，防止繞壩滲漏。標(biāo)準(zhǔn)按q＜3Lu或1倍水頭考慮。左壩肩巖層傾向庫內(nèi)，真傾角為35°,視傾角為30°，壩基穩(wěn)定條件較好，未見不利組合體，壩肩穩(wěn)定。（2）中間壩段（樁號0+085~0+175）位于低山坡腳、一級階地和河床上，覆蓋層最大厚度為7.1m，該段強(qiáng)風(fēng)化厚1.5~3.0m。由于松散層和強(qiáng)風(fēng)化層強(qiáng)度低，完整性很差，不宜做壩基，需全部挖除，壩基座于弱風(fēng)化巖體上。弱風(fēng)化巖體為砂巖夾泥巖（5-4）和泥巖夾砂巖（5-5）層，該段巖層傾向庫內(nèi)，真傾角為35°,視傾角為30°，地基穩(wěn)定條件較好。建議將基礎(chǔ)座于弱風(fēng)化深入1.0m處，考慮淺固結(jié)灌漿處理措施，深度為3～5m為宜；建基面均在地下水位以下，存在基坑排水問題，同時對施工用水要加以控制，以防入滲，惡化地基地質(zhì)條件。弱風(fēng)化巖體透水率q=4.0Lu~20.0Lu，應(yīng)進(jìn)行帷幕灌漿，防止壩基滲漏，標(biāo)準(zhǔn)按q＜3Lu或1倍水頭考慮。（3）右壩段（樁號0+175~0+208）位于低山斜坡上，表部殘坡積層厚0～6.0m，下伏強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾泥巖（5-4）層。砂巖夾泥巖（5-4）層泥巖所占比例為36%。由于松散層和強(qiáng)風(fēng)化巖強(qiáng)度低，完整性很差，變形大，不宜做壩基，需全部挖除，此段壩不高,壩基可座于弱風(fēng)化巖內(nèi)（＞1.0m）。弱風(fēng)化巖透水率q=2.67~8.0Lu，大于3Lu，應(yīng)進(jìn)行帷幕灌漿處理措施，防止繞壩和壩基滲漏。標(biāo)準(zhǔn)按q＜3Lu或1倍水頭考慮。該段巖層傾向庫內(nèi)，真傾角為35°,視傾角為30°，壩基穩(wěn)定條件較好，未見不利組合體，壩肩穩(wěn)定。地質(zhì)參數(shù)：土堤所用砂礫料滲透系數(shù)為2.592m/d,干容重為20kN/m3,飽和容重為22.402kN/m3，水上內(nèi)摩擦角為32°，水下為30°。心墻土的滲透系數(shù)為0.0017m/d，干容重為16.5kN/m3，飽和容重為20.6kN/m3，浮容重為10.6kN/m3。二、壩址選擇大洪山水電站是位于威后水電站和者甲水電站之間的梯級電站，威后水電站位的尾水位為588.20m，者甲水電站正常蓄水位為574.00m，根據(jù)該河段上下游地形、地質(zhì)情況、321省道沿線路面高程和現(xiàn)場勘察，考慮水庫淹沒范圍，以充分利用水頭為原則，本階段設(shè)計初步擬定上下兩個壩址進(jìn)行方案比較，兩壩址相距1600m。1.方案一、上壩址方案上壩址位于大洪山屯下游約500m處，壩區(qū)地形呈不對稱的“U”字型谷，左岸、右岸均較陡，主河槽寬44m，左岸為6m寬的321省級公路。優(yōu)點：該方案的淹沒占地投資較小。缺點：引水渠道平面開口寬度將近30m，沿公路布置渠道地形受限，局部段河道需改線，引水渠道工程及占地投資較大。工程運行管理不便。2.方案二、下壩址方案下壩址位于上壩址下游1600m處，壩區(qū)地形呈不對稱的“U”字型谷，左岸較陡，右岸為一級階地，主河槽寬48m，左岸為6m寬的321省級公路。采用河床式電站廠房。攔河壩采用土石壩型式，壩長151m。該方案工程總投資少，工程運行管理方便。經(jīng)綜合分析比選，本階段設(shè)計推薦采用下壩線方案。三、壩型選擇1.重力壩壩體剖面較大，材料用量多；壩體應(yīng)力較低，材料強(qiáng)度不能充分發(fā)揮；壩體與地基接觸面積大，相應(yīng)壩體揚壓力大，對穩(wěn)定不利；壩體體積大，由于施工期混凝土的水化熱和硬化收縮，將產(chǎn)生不利的溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力，因此，在澆筑混凝土?xí)r，需要有嚴(yán)格的溫度控制措施。2.拱壩拱壩對地形地質(zhì)條件要求較高，對地基處理的要求也比較嚴(yán)格，而且拱壩剖面較薄，壩體幾何形狀復(fù)雜，因此，對于施工質(zhì)量﹑筑壩材料強(qiáng)度和防滲要求都較嚴(yán)格。3.土石壩土石壩能適應(yīng)各種不同的地形﹑地質(zhì)和氣候條件；可以就地取材，節(jié)省大量水泥﹑木材和鋼材，幾乎任何土石料均可筑壩；施工方法簡單，施工機(jī)械的發(fā)展使施工進(jìn)度加快。經(jīng)過比較，選用<地形地質(zhì)條件較低﹑材料更易獲取的土石壩。在土石壩中，均質(zhì)壩壩坡較緩，工程量大且施工易受降雨和冰凍影響，不利于加快進(jìn)度﹑縮短工期；斜墻對壩體的沉降變形較敏感，與陡峭河岸的連接也較困難；心墻壩的防滲體位于壩體中央，適應(yīng)變形的條件較好。綜合考慮，選用心墻土石壩。四、地基處理壩基位于低山斜坡、低山坡腳、一級階地和河床上，松散層厚度為1.5~10.8m，下伏強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾泥巖和泥巖夾砂巖。由于松散層和強(qiáng)風(fēng)化巖石強(qiáng)度低，完整性差，變形大，不宜做壩基，需全部挖除，壩基坐落于弱風(fēng)化1.0m以下巖體上。因施工開挖影響導(dǎo)致基礎(chǔ)完整性受到破壞的，為增加壩基巖體強(qiáng)度，提高巖體抗變形能力，對壩基局部進(jìn)行淺固結(jié)灌漿處理，深度為3m，孔距2.5m，成梅花狀布置。弱風(fēng)化巖體透水率q=4.0Lu~20.0Lu，為防止壩基滲漏，采用帷幕灌漿處理，深度為0.7倍水頭。帷幕中心線距上游壩踵距離為3m，孔距2.5m，單排布置。由于壩內(nèi)無廊道，壩基固結(jié)灌漿和帷幕灌漿均在壩底砼澆注一定厚度后進(jìn)行，先固結(jié)灌漿后帷幕灌漿。在兩種巖性接觸帶灌漿應(yīng)做加密處理。壩肩處理左岸壩肩：樁號0+000.00～0-039.80m段，位于公路左側(cè)，低山斜坡上，斜坡及坡腳分布著混合土塊石層，因為該段緊靠公路，開挖后需回填平整至原地面處理，故采用砼防滲墻結(jié)構(gòu)與壩體相接，頂寬為1.0，邊坡為1：0.1。弱風(fēng)化巖透水率q=6.6~33.14Lu，存在繞壩滲漏問題。右岸壩肩：樁號0+128.20～0+151.00m段，位于低山斜坡上，表部殘坡積層厚0～6.0m。弱風(fēng)化巖透水率q=2.67~8.0Lu，存在繞壩滲漏問題。對左右岸壩肩采用帷幕灌漿進(jìn)行處理，深度為0.7倍水頭，帷幕中心線距上游壩踵距離為3m，孔距2.5m，單排布置（在左岸砼防滲墻段為墻底中心線），與壩基灌漿帷幕組成完整的防滲系統(tǒng)。防滲帷幕沿河谷壩基灌到正常蓄水位高程，與壩體組成完整的防滲系統(tǒng)。五、壩體剖面的擬定選用資料：正常蓄水位為585m設(shè)計洪水位為585.00m，校核洪水位為586.56m正常情況水域平均水深Hm=17.78,風(fēng)區(qū)長度630m;校核情況水域水深Hm=19.34,風(fēng)區(qū)長度670m設(shè)計過程：根據(jù)《水利水電工程設(shè)計指南》上游壩坡擬為1：2.3下游壩坡擬為1：21.壩頂高程的計算采用《碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范》SL274-2001的公式風(fēng)雍水面高度①式中D-風(fēng)區(qū)長度K-綜合摩阻系數(shù)，取3.6×10-6β-計算風(fēng)向與壩軸線法線的夾角，°波浪的波高和平均波長采用官廳水庫公式②式中h-波高，m;W-計算風(fēng)速，m/s；D-風(fēng)區(qū)長度，m;g-重力加速度，取9.81m/s2波浪爬高Rm=③⑴設(shè)計洪水位加正常運用條件的壩頂超高壩頂超高d=R+e+AR為波浪在壩坡上的設(shè)計爬高，m;e為風(fēng)浪引起的壩前水位雍高，m;A為安全加高，m.根據(jù)《碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范》SL274-2001，如下表表3：安全加高壩的級別1234﹑5設(shè)計1.501.000.700.50校核山區(qū)﹑丘陵區(qū)0.700.500.400.30平原﹑濱海區(qū)1.000.700.500.30因此取安全加高0.5m運用①求得風(fēng)雍水面高度為0.000476m因=190，介于20到250之間，由②得累積頻率5%的波高h(yuǎn)5%=0.209m為有效波高，平均波高h(yuǎn)m=0.107；波長Lm=2.971m設(shè)計爬高值的累積概率P，按工程等級確定，對于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級土石壩取P=1%,，對于Ⅳ級土石壩取P=5%,該土石壩屬Ⅳ級故P=5%，查得不同累計頻率下的爬高與平均爬高的比值，即可求得爬高值。則由③得平均波浪爬高Rm=0.180m且大壩采用4級，應(yīng)用5%累積頻率的爬高值R5%=0.180×1.87=0.331m可計算壩頂高程585+0.5+0.331+0.0004=585.83m⑵正常蓄水位加正常運用條件的壩頂超高；結(jié)果同上，為585.87m⑶校核洪水位加非常運用條件的壩頂超高；運用求得風(fēng)雍水面高度為0.0014m因=202，介于20到250之間，由得累積頻率5%的波高h(yuǎn)5%=0.125m為有效波高運用求得平均波高h(yuǎn)m=0.064，波長Lm=1.979m則由得平均波浪爬高Rm=0.114m應(yīng)用5%累積頻率的爬高值R5%=0.114×1.87=0.210m則可計算壩頂高程586.56+0.0014+0.210+0.3=587.07m⑷正常蓄水位加非常運用條件的壩頂超高585+0.0014+0.210+0.3=585.51m比較之后取最大值，求得壩頂高程為587.07最大壩高587.07-567.22=19.85m壩頂校核情況與正常情況的超高值計算情況如下表所示。表4：壩頂超高計算表計算情況計算項目設(shè)計情況校核情況上游水位（m）585.00586.56河床底高程（m）567.22壩前水深H(m)17.7819.34吹程D(km)630630風(fēng)向與壩軸線夾角β00速v(m/s)8.555.7波浪爬高R（m）0.1800.210風(fēng)壅水面高度e（m）0.00140.000476安全超高A（m）0.50.3超高（m）0.240.51壩頂寬度根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001)應(yīng)在5-10m之間，取7m作為初步設(shè)計的壩頂寬度圖1：大壩剖面設(shè)計圖2..心墻設(shè)計心墻選用土質(zhì)心墻根據(jù)《水利水電工程設(shè)計指南》壩高在15-25m之間的心墻邊坡為1：（0.15-0.25），取1：0.2根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》心墻頂部寬度不宜小于3m且底寬小于水頭的1/4586.56-567.22=19.34，19.34÷4=4.84所以取頂寬為5m因防滲墻頂部高程不應(yīng)低于非常運用條件的靜水位，頂部超高在0.3-0.6m之間，取0.3m,預(yù)留沉降0.04m,可計算心墻頂部高程為586.56+0.3+0.04=586.9m最大高度為586.9-567.22=19.68m因本流域處于低緯度地區(qū)，全年沒有氣溫在零度以下的情況，且夏無酷暑冬無寒，因此保護(hù)層厚度設(shè)計為17cm3.細(xì)部構(gòu)造（1）壩體排水設(shè)備石壩排水主要有棱體排水和貼坡排水兩種。棱體排水：適用于下游有水的各種壩型。它可以降低浸潤線，防止壩坡凍脹，保護(hù)尾水范圍內(nèi)的下游壩腳不受波浪淘刷，還可與壩基排水相連。當(dāng)壩基強(qiáng)度足夠時，可發(fā)揮支撐壩體、增加穩(wěn)定的作用。但所需石料用量大，費用較高，與壩體施工有干擾，檢修較困難。貼坡排水：又稱為表面排水，這種形式的排水構(gòu)造簡單，用料節(jié)省，施工方便，易于檢修，可以防止壩坡土發(fā)生滲流破壞，保護(hù)壩體免受下游波浪淘刷。但不能有效的降低浸潤線，而且因冰凍而失效。常用于土質(zhì)防滲體分區(qū)壩。綜合考慮采用堆石棱體排水設(shè)備。參考《水工建筑物》教材土石壩壩體排水一章，棱體頂寬不小于1.0m,取2m，頂面超出下游水位的高度，對4級壩不小于0.5m，故排水體頂部高取1.5m，高出下游最高水位1.5m。棱體內(nèi)坡根據(jù)施工條件確定，一般為1:1.0～1:1.5,外坡為1:1.5～1:2.0，所以設(shè)定內(nèi)坡1:1.5，外坡1:2。圖2：棱體設(shè)計圖（2）護(hù)坡上游護(hù)坡：上游壩面設(shè)干砌石護(hù)坡，厚0.5m，下面設(shè)厚度0.2m的砂土墊層。護(hù)坡上至壩頂下至死水位以下1m。圖3：上游護(hù)坡設(shè)計圖下游護(hù)坡：下游護(hù)坡采用干砌石護(hù)坡，厚0.3m，干砌石下鋪一層厚0.2m的砂土墊層。圖4：下游護(hù)坡設(shè)計六、土石壩滲流分析壩的滲流計算主要確定壩體的浸潤線的位置，為壩體的穩(wěn)定分析和布置觀測設(shè)備提供依據(jù)；同時確定壩體與壩基的滲透流量，以估算水庫的滲漏損失，而且還要確定壩體和壩基滲流區(qū)的滲透坡降，檢查產(chǎn)生滲透變形的可能性，以便采取適合的控制措施。壩體采用棱體排水，因它可以降低浸潤線，當(dāng)壩基強(qiáng)度足夠時，可發(fā)揮支撐壩體﹑增加穩(wěn)定的作用。棱體高度應(yīng)高于下游水位0.5m以上，因下游無水，選定為2m,頂部寬度不應(yīng)小于1m，選定為1.5m，坡率為1：1.5.選用土堤土滲透系數(shù)為2.592m/d,心墻土的滲透系數(shù)為0.0017m/d1.計算方法根據(jù)壩內(nèi)各部分滲流狀況的特點，將壩體分為三段，分析土壩滲流問題中間壩段取底部高程為567.22m處的斷面，左右壩段取底部高程為580m處的斷面進(jìn)行計算，因左右壩段滲流情況基本相同，所以僅計算一個斷面。主壩滲流計算包括正常情況、設(shè)計情況和校核情況三種工況。（1）正常情況：正常蓄水位585.0m，相應(yīng)下游水位取相應(yīng)水面高程；（2）設(shè)計情況：庫水位為設(shè)計洪水位585.0m，相應(yīng)下游水位取相應(yīng)水面高程；（3）校核情況：庫水位為校核洪水位586.56m時，相應(yīng)下游水位取相應(yīng)水面高程。圖5：滲流計算簡圖根據(jù)《水力計算手冊》式： 浸潤線方程式中：q——單寬滲流量；K1——土壩滲透系數(shù)；K2——心墻滲透系數(shù)；δ——心墻平均厚度；h——心墻逸出水深；b——心墻頂寬；H——壩高；H心——心墻高度；H1、H2——上下游水深；m1——心墻下游壩坡；e——逸出點坐標(biāo)原點距離。滲透坡降的計算公式：式中：──上游水深減逸出水深，m；──滲流區(qū)長度，m。對于非粘性土，滲透破壞形式的判別根據(jù)指導(dǎo)書可參考下式：η<10為流土η>20為管涌10<η<20時不定允許坡降可參考：10<η<20，J允許=0.2；η>20，J允許=0.1。1.Ⅰ-Ⅰ斷面校核情況δ=（12.872+5）÷2=8.936mh=0.495m=2.3×19.85+1+5+（19.68-h)×0.2=55.2-0.2h=55.101m單位寬度滲流量q=0.035(m3/d.m)壩體內(nèi)由ΔL=35.7-6-6.092+3h0得h0=0.012(m)ΔL=23.644m浸潤線計算結(jié)果:2.Ⅰ-Ⅰ設(shè)計與正常情況ΔL=35.7-6-6.092+3h0=23.578(m)h0=0.010(m)單位寬度滲流量:q=0.030(m3/d.m)3.Ⅱ-Ⅱ校核情況選取壩底高程為580m,則上游水位為6.56m 心墻底寬（587.07-580）×0.2×2+5=7.76m計算簡圖如下h=0.172mΔL=13.704(m)下游出逸點高度h0=0.006(m)單位寬度滲流量q=0.006(m3/d.m)比降計算結(jié)果:下游出溢點A的比降:0.012下游坡腳B的比降:0.0124.Ⅱ-Ⅱ設(shè)計及正常情況上游水位為5mh=0.122mΔL=13.694(m)起始點X=40.89m下游出逸點高度h0=0.003(m)單位寬度滲流量q=0.003(m3/d.m) 比降計算結(jié)果:下游出溢點A的比降:0.0087下游坡腳B的比降:0.0086經(jīng)演算各情況下滲透逸出點的實際滲透坡降小于其允許坡降，故而認(rèn)為滲透坡降滿足要求。6.總滲流量的計算大洪山水電站攔河壩全長151m，采用心墻土石壩壩型，由左右岸非溢流壩段和中間壩段組成。從左岸至右岸，左岸非溢流壩段長度為17.4m，中間段長84.48m，右岸非溢流壩段長49.12m。校核情況總滲流量Q=84.48×0.035+(17.4+49.12)×0.006=3.36m3/d3.校核總滲流在校核蓄水時為3.36，與其總庫容相比顯然是很小的，因此該斷面滿足設(shè)計要求。七、穩(wěn)定分析參照《水利水電工程設(shè)計指南》計算分三種情況⑴上游水位大約在壩底以上1/3壩高處的上游壩坡；⑵水庫正常蓄水位而下游無水的下游壩坡；⑶上游為設(shè)計洪水位，下游為相應(yīng)水位的下游壩坡。采用理正軟件幫助進(jìn)行計算，計算結(jié)果如下：上游水位大約在壩底以上1/3壩高即水深6.62m處的上游壩坡Kmin=1.289≧1.25上游為正常蓄水位的上游壩坡Kmin=1.289≧1.25下游壩坡Kmin=1.250≧1.25上游為設(shè)計洪水位，下游為相應(yīng)水位的下游壩坡Kmin=1.250≧1.25所以滿足穩(wěn)定要求八、溢洪道設(shè)計溢洪道是一種最常見的泄水建筑物，用于宣泄規(guī)劃庫容所不能容納的洪水，防止洪水漫溢壩頂，保證大壩安全。本次設(shè)計擬采用正槽溢洪道。正槽溢洪道通常由引水渠﹑控制段﹑泄槽﹑出口消能段及尾水渠等部分組成，溢流堰軸線與泄槽軸線接近正交，過堰水流流向與泄槽軸線方向一致。因為開敞式溢洪道泄流能力大，工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，施工﹑管理和維修方便，水流條件較好，可以省去閘門和啟閉設(shè)備，而且大壩等級不高，所以選用開敞式溢洪道。寬頂堰⑴堰頂高程取585m,流量按寬頂堰自由溢流公式計算已知最大泄量Q泄=50m3/s,堰頂高程為585m,校核水位586.56m,溢流水深H=586.56-585=1.56m；因溢洪道上游是水庫v0≈0m/s，故H0=H=1.56m,流量系數(shù)m=0.35,得堰頂寬度為16.55m選用溢洪道寬度17m⑵順?biāo)鞣较蜷L度順?biāo)鞣较蜷L度按水力學(xué)要求在2.5H-10H之間，取3H，則1.56×3=4.68m因此選用順?biāo)鞣较蜷L度4.68m圖6：控制段設(shè)計圖漸變段⑴漸變段長度已知漸變段首端斷面寬17m，取末端斷面寬15m,漸變段收縮角為25°，漸變段水平投影長度為L==2.5554×（17-15）=5.11m⑵漸變段進(jìn)口水深為使堰頂洪水安全宣泄，漸變段底坡應(yīng)大于或等于臨街坡降。已知單寬流量為50÷17=2.94m2/s,流速分布不均勻系數(shù)在1.0到1.1之間，取1.1則臨界水深Hk==0.990m相應(yīng)的水力要素wk=Bhk=17×0.99=16.83;濕周為B+2hk=17+0.99×2=18.98m;Rk=16.83÷18.98=0.89m已知糙率n=0.017，則Ck==58.7251故臨界坡降為ik==2.48×10-3選用i=5×10-2>ik，屬于陡坡，因此漸變段進(jìn)口水深h1=hk=0.99m⑶漸變段出口水深采用能量守恒公式進(jìn)行試算已知進(jìn)口水深h1=0.99m,斷面流速v1=q/h1=2.94÷0.99=2.97m/s;首末兩端落差iL=0.05×5.11=0.2555m,則上式左邊得=0.99+0.4945+0.2555=1.74m 設(shè)h2=1.635m,則相應(yīng)水力要素w2=bh2=15×1.635=24.525v2=Q/w2=50÷24.525=1.342m/s;濕周=b+2h2=15+2×1.635=18.27m平均過水面積為41.355m2;平均濕周為37.25m;則平均水力半徑為41.43÷37.26=1.11m謝才系數(shù)為59.857，平均流速為50÷41.43=1.342m/s,帶入上式右邊得水頭為1.738≈左邊1.74，故認(rèn)為1.635合適。陡坡段⑴判別底坡類型。根據(jù)選定的溢洪道位置的落差取底坡i=1/10=0.1；底寬15m;單寬流量q=50/15=3.333m2/s;取α=1.1，則臨界水深為相應(yīng)的水力要素濕周=15+2×1.076=17.152m;wk=15×1.076=16.14m2;Rk=16.14÷17.152=0.941m則臨界底坡為i=0.1>ik,故屬于陡坡，水流為急流，水面曲線為b2型降水曲線。⑵陡坡長度已知堰頂高程為585m,收縮段落差△H=5.11×0.05=0.2555m由于鼻坎高程為569.22m,挑射角25°，反弧半徑1.9m，反弧段最低點高程為569.22-（R-Rcoθ)=569.22-(1.9-1.9×cos25°)=569.042m陡坡總跌差P=585-0.2555-569.042=15.7025m;底坡i=0.1則陡坡長度為⑶水面曲線利用分段求和法計算水面曲線公式陡坡段水平投影長度為試算結(jié)果如下表：表5：水面曲線試算表斷面h(m)Es(m)ΔL(m)Es1+iΔL(m)ΔLEs2+ΔL(m)1-11.6351.868506.8680.01480.746.8572-20.3286.1186012.1180.1146.8412.1383-30.3158.29847.8113.0790.22410.70913.0244-40.3029.931考慮摻氣后的水深按下式計算已知斷面水深為h=1.635m,過水面積為24.525m2,流速為50/24.525=2.0387m/s，系數(shù)在1-1.4之間，流速大于20取較大值，本設(shè)計采用1則hb=1.635×(1+2.0387÷100)=1.688m摻氣水深計算結(jié)果見下表：表6：摻氣水深計算表斷面號1234斷面距離0506047.81水深1.6350.3280.3150.302過水面積24.5254.924.7254.53流速2.038710.162610.58211.0253摻氣水深1.6880.3610.34830.3353⑷邊墻高度邊墻高度應(yīng)按最大水深加一定超高，混凝土護(hù)面一般采用30-50cm，本設(shè)計采用50cm。所以邊墻高度為2.188m。4.消能段⑴型式選擇因溢洪道下游為巖基且附近沒有其他建筑物，所以選用挑流消能。⑵鼻坎高程鼻坎應(yīng)高于下游最高水位1--2m,取2m,確定鼻坎高程為569.22m⑶反弧半徑反弧半徑按下式計算已知鼻坎前沿寬度為15m,下泄流量50m3/s,則單寬流量q=50÷15=3.333m2/s;堰上水深為H=586.56-585=1.56m,堰頂與下游河床的高差為P=585-567.22=17.78m,坎頂與出口斷面的高差為Z=2m,堰頂與坎頂?shù)母卟頟0=585-569.22=15.78,溢流區(qū)的水平投影B0=5.11+(15.78-5.11×0.05)×10=160.355m流速系數(shù)按下式計算將上式諸值帶入hc式得hc=0.192mR的取值在8-10hc之間，取反弧半徑為1.9m⑷挑射角挑射角一般在20°-35°之間，參照已建工程取25°⑸挑距已知θ=25°，庫水位與挑流坎坎頂高差H0=586.56-569.22=17.34m,流速系數(shù)=0.94，鼻坎處平均流速為坎頂水面流速為v1=1.1v=19.072m/s，坎頂平均水深h=50/(15×19.072)=0.175m，坎頂垂直方向水深為h1=hcosθ=0.159m，已知坎頂?shù)降孛娴母卟钍?m將上面的值帶入得L=32.456m⑹沖刷坑深沖刷坑深其中沖刷系數(shù)取1.25，上下游水位差H=586.56-567.22=19.34，下游水深為t=0m則⑺校核因為挑射距離L=32.456>2.5=2.5×10.036=25.090m,所以滿足要求。5.結(jié)構(gòu)設(shè)計⑴底板厚度由于影響底板穩(wěn)定的主要因素是浮托力和地下水滲透壓力，受很多因素影響，數(shù)值相差很大。因此在任意假定基礎(chǔ)上的穩(wěn)定計算意義不大。參照已建工程，決定底板厚度采用40cm的素混凝土。⑵底板構(gòu)造分縫采用錯縫布置，橫縫間距為10m，做成撘接縫,縱縫一塊設(shè)于中部，另一塊分別設(shè)于距邊墻5m處，做成鍵槽縫?？p寬3cm，縫內(nèi)設(shè)止水，止水采用銅片止水，止水的施工質(zhì)量需嚴(yán)格保證。圖7：搭接縫鍵槽縫⑶底板的排水設(shè)備底板下不做墊層，橫、縱向排水均在巖面上開挖溝槽，周圍填不易風(fēng)化的碎石，頂部用瀝青油毛氈蓋好。⑷邊墻邊墻的橫縫間距和底板一致，縫內(nèi)設(shè)止水，其后設(shè)排水并與底板的橫向排水管相通。圖8：挑坎示意圖 第二部分設(shè)計計算書一、壩頂高程的計算采用《碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范》SL274-2001的公式風(fēng)雍水面高度e=①式中D-風(fēng)區(qū)長度K-綜合摩阻系數(shù)，取3.6×10-6β-計算風(fēng)向與壩軸線法線的夾角，°Hm-水域平均水深，m波浪的波高和平均波長采用官廳水庫公式②式中h-波高，m;W-計算風(fēng)速，m/s；D-風(fēng)區(qū)長度，m;g-重力加速度，取9.81m/s2波浪爬高Rm=③式中KΔ-滲透性系數(shù)，m;KW-經(jīng)驗系數(shù)，m/s；hm-平均波高，m;Lm-平均波長，mKΔ由護(hù)坡材料決定，本設(shè)計采用砌石護(hù)坡，根據(jù)《碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001)的規(guī)定，如下表，在0.75-0.8之間，取0.8表7：KΔ取值表護(hù)面類型KΔ光滑不透水護(hù)面（瀝青混凝土）1.00混凝土或混凝土板0.90草皮0.85-0.90砌石0.75-0.80拋填兩層塊石（不透水基礎(chǔ)）0.60-0.65拋填兩層塊石（透水基礎(chǔ)）0.50-0.55經(jīng)驗系數(shù)KW取值如下表表8：經(jīng)驗系數(shù)取值表W(gH)^0.51≤1.522.533.54≥5KW1.001.021.081.161.221.251.281.30⑴設(shè)計洪水位加正常運用條件的壩頂超高壩頂超高d=R+e+AR為波浪在壩坡上的設(shè)計爬高，m;e為風(fēng)浪引起的壩前水位雍高，m;A為安全加高，m.根據(jù)《碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范》SL274-2001，安全加高0.5m運用求得風(fēng)雍水面高度為0.000476m因=190，介于20到250之間，由得累積頻率5%的波高h(yuǎn)5%=0.209m為有效波高平均波高h(yuǎn)m=0.107；波長Lm=2.971m則由③得平均波浪爬高Rm=0.180m設(shè)計爬高值的累積概率P，按工程等級確定，對于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級土石壩取P=1%,，對于Ⅳ級土石壩取P=5%,該土石壩屬Ⅳ級故P=5%，查得不同累計頻率下的爬高與平均爬高的比值，即可求得爬高值。應(yīng)用5%累積頻率的爬高值R5%=0.180×1.87=0.331m則可計算壩頂高程585+0.5+0.331+0.0004=585.83m⑵正常蓄水位加正常運用條件的壩頂超高；結(jié)果同上，為585.87m⑶校核洪水位加非常運用條件的壩頂超高；運用求得風(fēng)雍水面高度為0.0014m因=202，介于20到250之間，由得累積頻率5%的波高h(yuǎn)5%=0.125m為有效波高運用求得平均波高h(yuǎn)m=0.064，波長Lm=1.979m則由得平均波浪爬高Rm=0.114m應(yīng)用5%累積頻率的爬高值R5%=0.114×1.87=0.210m，A取0.3m則可計算壩頂高程586.56+0.0014+0.210+0.3=587.07m⑷正常蓄水位加非常運用條件的壩頂超高585+0.0014+0.210+0.3=585.51m比較之后取最大值，求得壩頂高程為587.07最大壩高587.07-567.22=19.85m圖1：壩體剖面設(shè)計圖二、滲流計算根據(jù)《水力計算手冊》式： 浸潤線方程1.Ⅰ-Ⅰ斷面校核情況δ=（12.872+5）÷2=8.936mh=0.495m=2.3×19.85+1+5+（19.68-h)×0.2=55.2-0.2h=55.101m單位寬度滲流量q=0.035(m3/d.m)壩體內(nèi)由ΔL=35.7-6-6.092+3h0得h0=0.012(m)ΔL=23.644m浸潤線計算結(jié)果:X(m)Y(m)心墻上游土堤段浸潤線:44.89619.33445.31019.33445.72419.33346.13819.33346.55219.333心墻下游土堤段浸潤線:55.4110.90561.4010.81067.3910.70173.3810.57379.3700.40585.3600.0002.Ⅰ-Ⅰ設(shè)計與正常情況ΔL=35.7-6-6.092+3h0=23.578(m)h0=0.010(m)單位寬度滲流量:q=0.030(m3/d.m)浸潤線計算結(jié)果:X(m)Y(m)心墻上游土堤段浸潤線:41.96417.77543.03417.77444.10317.77345.17317.77246.24317.772心墻下游土堤段浸潤線:55.4260.83261.4130.74467.3990.64573.3860.52679.3730.37285.3590.0003.Ⅱ-Ⅱ校核情況選取壩底高程為580m,則上游水位為6.56m 心墻底寬（587.07-580）×0.2×2+5=7.76mh=0.172mΔL=13.704(m)下游出逸點高度h0=0.006(m)單位寬度滲流量q=0.006(m3/d.m)浸潤線計算結(jié)果:X(m)Y(m)心墻上游土堤段浸潤線:15.5036.55915.9176.55916.3326.55916.7476.55917.1616.558心墻下游土堤段浸潤線:23.5930.24726.3520.22129.1120.19131.8710.15634.6310.11137.3900.006比降計算結(jié)果:下游出溢點A的比降:0.012下游坡腳B的比降:0.0124.Ⅱ-Ⅱ設(shè)計及正常情況上游水位為5mh=0.122mΔL=13.694(m)起始點X=40.89m下游出逸點高度h0=0.003(m)單位寬度滲流量q=0.003(m3/d.m)浸潤線計算結(jié)果:X(m)Y(m)心墻上游土堤段浸潤線:12.5714.99913.6434.99914.7144.99915.7854.99816.8574.998心墻下游土堤段浸潤線:23.6040.18826.3620.16829.1200.14631.8780.11934.6370.08437.3950.003比降計算結(jié)果:下游出溢點A的比降:0.0087下游坡腳B的比降:0.0086三、穩(wěn)定計算⑴上游水位大約在壩底以上1/3壩高處的上游壩坡，選取的折線A,B角如圖圖9：穩(wěn)定計算簡圖已知φ1=29°φ2=27°假設(shè)A=32°B=12°其計算簡圖如圖,重量G1,G2分別由下式計算G1=面積bcdeb×1×γ1G2=面積edne×1×γ1+面積ndan×1×γ2上式中面積bcdeb=面積bndcb-面積ndan面積bndcb=(bc+nd)÷2×(19.85-6.62)=6.615(bc+nd)面積edne=nd×ed÷2面積ndan=nd×H÷2ed=-H=H(-1)其中m2為ad坡率m1為cd坡率已知m2=ctg12°上游水位H=6.62mm=2.3ed=6.62×(-1)=6.92由于（19.85-6.62）m1=13.23×ctg32°=21.17m(19.85-6.62-ed）m=(19.85-6.62-6.92)×2.3=14.513m所以bc=21.17-14.513=6.657m在△edn中nd=m×ed=2.3×6.92=15.916m于是得面積bndcb=6.615×(6.657+15.916)=143.32m2面積edne=15.916×6.92÷2=55.069m2面積bcdeb=143.32-55.069=88.251m2面積ndan=15.916×6.62÷2=52.682m2由于一般砂礫類土保持含水率在3%-10%，取5%；已知干容重γd=20kN/m3則濕容重為20×（1+5%）=21kN/m3已知比重G=2.70，水容重γw=9.81kN/m3,孔隙率n=1-γd/(Gyw)=0.2449,則浮容重為γd-(1-n)γw=12.5925kN/m3則G1=88.251×21=1863.271kNG2=55.069×21+52.682×12.5925=1819.847kN帶入安全系數(shù)計算公式得P1-1863.271sin32°+1863.271cos32°tg29°=01819.847cos12°tg27°+P1sin(32°-12°)tg27°-1819.847sin12°-P1cos(32°-12°)整理得到Kc2-1.456Kc+0.117=0解得Kc=1.37>1.25（壩坡抗滑最小安全系數(shù)）用理正軟件計算計算結(jié)果:[計算結(jié)果] 滑動安全系數(shù)=1.289 最危險滑裂面 線段標(biāo)號 起始坐標(biāo)(m,m) 終止坐標(biāo)(m,m) 1 (-0.008,0.000) (18.594,5.156) 2 (18.594,5.156) (25.313,10.294) 3 (25.313,10.294) (27.150,11.804)得最Kmin=1.289>1.25上游為正常蓄水位的上游壩坡 滑動安全系數(shù)=1.291 最危險滑裂面 線段標(biāo)號 起始坐標(biāo)(m,m) 終止坐標(biāo)(m,m) 1 (28.731,12.492) (29.511,12.751) 2 (29.511,12.751) (42.084,16.953) 3 (42.084,16.953) (45.703,19.850)Kmin=1.291>1.25⑵校核情況下游斷面 滑動安全系數(shù)=1.250 最危險滑裂面 線段標(biāo)號 起始坐標(biāo)(m,m) 終止坐標(biāo)(m,m) 1 (0.110,0.055) (10.466,5.188) 2 (10.466,5.188) (18.998,9.451) 3 (18.998,9.451) (33.177,16.588)⑶正常情況下游斷面 滑動安全系數(shù)=1.250最危險滑裂面 線段標(biāo)號 起始坐標(biāo)(m,m) 終止坐標(biāo)(m,m) 1 (0.098,0.049) (11.730,5.788) 2 (11.730,5.788) (20.964,10.393) 3 (20.964,10.393) (39.615,19.807)四、溢洪道水力計算1.寬頂堰⑴堰頂高程取585m,流量按寬頂堰自由溢流公式計算已知最大泄量Q泄=50m3/s,堰頂高程為585m,校核水位586.56m,溢流水深H=586.56-585=1.56m；因溢洪道上游是水庫v0≈0m/s，故H0=H=1.56m,流量系數(shù)m=0.35,得堰頂寬度為16.55m選用溢洪道寬度17m⑵順?biāo)鞣较蜷L度順?biāo)鞣较蜷L度按水力學(xué)要求在2.5H-10H之間，取3H，則1.56×3=4.68m因此選用順?biāo)鞣较蜷L度4.68m圖6：控制段簡圖2.漸變段⑴漸變段長度已知漸變段首端斷面寬17m，取末端斷面寬15m,漸變段收縮角為25°，漸變段水平投影長度為L==2.5554×（17-15）=5.11m⑵漸變段進(jìn)口水深為使堰頂洪水安全宣泄，漸變段底坡應(yīng)大于或等于臨街坡降。已知單寬流量為50÷17=2.94m2/s,流速分布不均勻系數(shù)在1.0到1.1之間，取1.1則臨界水深Hk==0.990m相應(yīng)的水力要素wk=Bhk=17×0.99=16.83;濕周為B+2hk=17+0.99×2=18.98m;Rk=16.83÷18.98=0.89m已知糙率n=0.017，則Ck==58.7251故臨界坡降為ik==2.48×10-3選用i=5×10-2>ik，屬于陡坡，因此漸變段進(jìn)口水深h1=hk=0.99m⑶漸變段出口水深采用能量守恒公式進(jìn)行試算已知進(jìn)口水深h1=0.99m,斷面流速v1=q/h1=2.94÷0.99=2.97m/s;首末兩端落差iL=0.05×5.11=0.2555m,則上式左邊得=0.99+0.4945+0.2555=1.74m 設(shè)h2=1.635m,則相應(yīng)水力要素w2=bh2=15×1.635=24.525m2v2=Q/w2=50÷24.525=1.342m/s;濕周=b2h2=15+2×1.635=18.27m平均過水面積為41.355m2;平均濕周為37.25m;則平均水力半徑為41.43÷37.26=1.11m謝才系數(shù)為59.857，平均流速為50÷41.43=1.342m/s,帶入上式右邊得水頭為1.738≈左邊1.74，故認(rèn)為1.635合適。3.陡坡段⑴判別底坡類型。根據(jù)選定的溢洪道位置的落差取底坡i=1/10=0.1；底寬15m;單寬流量q=50/15=3.333m2/s;取α=1.1，則臨界水深為其相應(yīng)的水力要素濕周=15+2×1.076=17.152m;wk=15×1.076=16.14m2;Rk=16.14÷17.152=0.941m臨界底坡為i=0.1>ik,故屬于陡坡，水流為急流，水面曲線為b2型降水曲線。⑵陡坡長度已知堰頂高程為585m,收縮段落差△H=5.11×0.05=0.2555m由于鼻坎高程為569.22m,挑射角25°，反弧半徑1.9m，反弧段最低點高程為569.22-（R-Rcoθ)=569.22-(1.9-1.9×cos25°)=569.042m陡坡總跌差P=585-0.2555-569.042=15.7025m;底坡i=0.1則陡坡長度為⑶水面曲線利用分段求和法計算水面曲線公式陡坡段水平投影長度為已知h1=1.635,則A1=b1h1=15×1.635=