三峡大学 水工课程设计

三峡大学 水工建筑物课程设计 平山水利枢纽设计计算说明书

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；

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8）发电调节流量Qp=7.35m3/s，相应下游水位68.2m； 9）发电最大引用流量Qmax=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Qmax=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。

表1.1 土料特性表 干容重 最优含水率 孔隙率 内摩擦角 粘聚力 渗透系数 土壤类别 3Φ γd（KN/m) W最优（％） n（％） Ｃ（Ｋpa） Ｋ（cm/s) 粘土 15.4 25 40 18°30′ 37 1×10-6 壤土 15.8 14.5 41.7 23°41′ 12 1×10-5 22°（湿） 坡土 16.0 22.5 39.8 7.5（湿） 1×10-3 33°（干） 表1.2 砂土特性表 干容重 孔隙率n渗透系数 浮容重γ′土壤类别 内摩擦角Φ 3γd（KN/m) （％） Ｋ（cm/s) （KN/m3) 砂土 16 40.6 300 1×10-2 10.06 表1.3 石料特性表 干容重γd（KN/m3) 孔隙率n（％） 内摩擦角Φ 38? 1.8 33 22

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50～5万亩之间，属Ⅲ等工程；根据电站装机容量7000千瓦,即7MW，小于10MW，属Ⅴ等工程；根据总库容444万m3，即0.04亿m3，在1～0.01亿m3，属Ⅳ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Ⅲ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，Ⅲ等工程的主要建筑物为3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3级水工建筑物；次要建筑物筏道为4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

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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。

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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11，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，

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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1：3；1：3.5；1：4。 2）下游坝坡：从坝顶至坝趾依次为1：2.5；1：3；1：3。

3）马道：第一级马道高程为275.00m，第二级马道高程290.00m，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=8.0m。 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. 正常蓄水位加正常运用情况的坝顶超高； 3. 校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高；

4. 正常蓄水位加非常运用情况的坝顶超高，再加地震安全加高。 本地区为5~6度，设计时可不考虑。故可不用考虑4。

最后需预留一定的坝体沉降量，此处取坝高的1%。计算公式采用下列两式：

Y=R+e+A (3.1)

KW2D e=cosb (3.2)

2gHm 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； Hm——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，（°）； W、D——计算风速和水库吹程，m3/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。

表3.1 安全加高A （单位：m） 坝的级别 运用情况 1级 2级 3级 4、5级

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正常 非常 1.5 0.7 1.0 0.5 0.7 0.4 0.5 0.3 该坝属于3级水工建筑物，安全加高分别取：正常运用情况下0.7m，非常运用情况下0.4m。 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。如设计洪水位时，e=0.09cm<<10cm。

故可忽略，坝顶超高计算式可简化为Y=R+A。

A.1.5波浪的平均波高和平均波周期宜采用莆田试验站公式，按式(A.1.5－1)、式(A.1.5－2)计算：

0.45???gD??0.0018?2???gH?0.7?????W??0.13th?0.7?2m??th??

??gHW???????0.13th?0.7[2m]0.7???W?????ghmW2 (A.1.5-1)

Tm?4.438hm

(A.1.5-2)

式中hm-----平均波高，m； Tm-----平均波周期，s； W-----计算风速，m/s； D-----风区长度，m； Hm------水域平均水深，m； g-----重力加速度，取9.81m/s2。 平均波长可按式(A.1.5－3)计算：

2?2?H?gTmLm?th??

2??Lm? (A.1.5-3)

对于深水波，即当H≥0.5Lm时，式(A.1.5－3)可简化为

2gTmLm?

2? (A.1.5-4)

式中Lm-----平均波长，m； H-----坝迎水面前水深，m。

例如设计洪水位时，hm=0.23m,Tm=2.12s。假设H≥0.5Lm，算的Lm=0.67，带入假设中，H=38.05m，假设成立。

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，

Rm=式中Rm-----平均波浪爬高，m；

KDKW1+m2hmLm

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m-----单坡的坡度系数，若坡角为α，即等于cotα；取平均坡度3.5。

KΔ-----斜坡的糙率渗透性系数，根据护面类型由表A.1.12－1查得；砌石，取0.75。 Kｗ-----经验系数，按表A.1.12－2查得。中间点用线性插值。 表A.1.12－1糙率及渗透性系数KΔ 护面类型 光滑不透水护面(沥青混凝土) 混凝土或混凝土板 草皮 砌石 抛填两层块石(不透水基础) 抛填两层块石(透水基础) 表A.1.12－2经验系数Kｗ

KΔ 1.00 0.90 0.85～0.90 0.75～0.80 0.60～0.65 0.50～0.55 W gHKｗ ≤1 1.00 1.5 1.02 2 1.08 2.5 1.16 3 1.22 3.5 1.25 4 1.28 ≥5 1.30 三种计算成果见表3.2。 运用情况 静水位 （m） 1设计情况 298.05 2正常情况 295.00 3较核情况 298.85 波浪爬高 R（m） 0.58 0.58 0.37 表3.2 坝顶高程计算结果 壅高 安全超高 计算坝顶 e (m) A（m） 高程Z计（m） 0 1.28 299.33 0 1.28 296.28 0 0.77 299.61 1%沉陷 （m） 0.39 0.36 0.40 竣工时的坝顶高程Z(m） 299.72 296.64 300.01 坝顶高程最终结果为：300.1m。

验算：坝顶高程300.1m均大于：设计洪水位+0.50m，即298.05+0.50=298.55m；校核洪水位298.85m。 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4.0m，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298.05+0.50=298.55m。

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3）心墙底宽

本设计粘土允许坡降[J]?4，上下游最大作用水头差H=298.85-260.00=38.85m（下游无水工况），故墙厚T≥H/[J]=38.85/4=9.75m。

由以上数据，心墙底宽取20m>12.75m，满足要求。 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，此处取0.80m，上部碎石厚50cm；下部砾石厚30cm，具体见坝顶部构造。

自行绘制构造简图。

3.4 坝体排水设计

3.4.1 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：不能降低浸润线，多用于浸润线很低和下游无水的情况，故不选用。 2）棱体排水：可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚不受尾水冲刷，且有支撑坝体增加稳定的作用，且易于检修，是效果较好的一种排水型式。

3）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。

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。综合以上分析选择棱体排水方式。

3.4.2 堆石棱体排水尺寸 顶宽：1.0m。

内坡：1：1.5，外坡1：2.0。

顶部高程：须高出下游最高水位对3级坝不小于0.5m。通过设计洪水位298.05m流量时，相应下游最高洪水位269.04m；假定通过校核洪水位298.85m流量时，相应下游最高洪水位270.70m。所以顶部高程为270.70+0.5=271.20m 。

3.5 反滤层和过渡层

3.5.1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

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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<0.2mm，取D15等于0.2mm 。

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时颗粒含量1%。若254d85<0.7mm，应取0.7mm。

②满足排水要求

以上三种土还应符合式D15<4d15，以满足排水要求。式中d15应为被保护粘性土全料的d15，若4d15<0.1mm时D15不小于0.1mm 。

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。

3.5.2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：d50=0.5mm，厚20cm；第二层：d50=2.0mm，厚30cm。 2）排水部位

第一层：d50=30mm，厚20cm；第二层：d50=90mm，厚60cm。 坝顶及心墙反滤层，棱体排水及反滤层、岸坡排水、护坡详图见图纸。

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3）护坡垫层 见下面的护坡设计。 自行绘制构造简图。

3.6 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20cm的碎石和粗砂垫层。

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的粗砂垫层。 自行绘制构造简图。

3.7 顶部构造

1）坝顶宽度

对中低坝可取5～10m，此处取B=8.0m。 2）防浪墙

采用C20水泥浆砌块石防浪墙。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）坝顶盖面

以防止防渗体（粘土心墙）干裂、冻结和雨水冲蚀，在粘土心墙顶部设置保护层，厚度为80cm，分为两层，上层碎石厚度为50cm，下层砂砾厚度为30cm。

3.8 马道和坝顶、坝面排水设计

3.8.1马道

第一级马道高程为275.00m，第二级马道高程290.00m，马道宽度取2.0m。 3.8.2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%，将坝顶雨水排向下游坝面排水沟。

3.8.3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%，

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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：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，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。 自行绘制构造简图。

3.8 地基处理及坝体与地基岸坡的连接

3.8.1地基处理

结合本坝坝基情况，据坝轴线剖面图：

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）平山嘴大溶洞：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心墙相连，向上库区及右岸延伸展布，将岩溶封闭。

3.8.2 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，采用在心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。

3.8.3 坝体与岸坡的连接

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。

3.9 渗流计算

3.9.1 渗流计算的基本假定

1）心墙采用粘土料，渗透系数K＝1×10-6cm/s；坝壳采用砂土料，渗透系数K＝1×10-2cm/s，两者相差104倍，可以把粘土心墙看作相对不透水层，因此计算时可以不考虑上游楔行降落水

212

头的作用。

下游设有棱体排水，可近似的假设浸润线的逸出点为下游水位与堆石棱体内坡的交点。下游坝壳的浸润线也较平缓，接近水平，水头主要在心墙部位损失。

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，即平均流速v等于渗透系数K与渗透比降i的乘积，v=K×i。

3）发生渗流量时土体孔隙尺寸不变，饱和度不变，渗流为连续的。 3.9.2渗流计算条件

渗流计算应考虑如下组合，取其最不利者作为控制条件： 1）上游正常高水位，下游相应的最低水位； 2）上游设计或校核洪水水位，分别相应的下游水位； 3）对山游坝坡稳定最不利的库水降落后的水位。

这里缺乏有关设计数据，所以拟定用如下工况进行渗流计算：

1）设计洪水位（即正常水位）113.10m，相应下游的最低水位（取发电调节流量Qp=7.35m3/s时，相应下游水位68.20m）68.20m；

2）校核洪水位113.50m，相应下游的水位（取发电最大引用流量Qmax=28 m3/s时，相应下游水位68.65m）68.65m。

3.9.3渗流分析的方法

采用水力学法进行土石坝渗流计算，将坝内渗流分为若干段，应用达西定律和杜平假设，建立各段的运动方程式，然后根据水流的连续性求解渗透流速、渗透流量和浸润线等。

3.9.4计算断面及公式

本设计仅对河槽处最大断面进行渗流计算。假设地基为不透水地基。

y=

he2-H222q2 x+H2 ， q=k2Lk

3.9.5单宽流量

213

将心墙看作等厚的矩形，则其平均宽度为：??11(?1??2)??(4?20)?12m。 22坝轴线到下游坝趾处的宽度：D=8/2+（300.1-290.00）×2.5+2+（290.00-275.00）×3+2+（275.00-271.00）×3+1+（271.00-260.00）×2=113.25m

L=D-δ/2-[（76.3-62.5）×2.0+2.0+（76.3- Z下）×1.5]=-25.025+1.5Z下。 已知Ke＝1×10-6cm/s； K＝1×10-2cm/s。

ke(H12-He2)通过心墙段的单宽流量为q1=；

2dk(He2-H22)通过心墙下游坝壳段的单宽流量为q2=。

2L计算简图见图自己画，具体计算结果见表3.1。

表3.1 心墙及其下游坝壳单宽流量计算结果 Z上 Z下 H1 H2D L q He d 计算情况 （m） （m） （m） （m） （m） （m） (m) (1×10-5m3/(s·m) (m) 正常蓄水位 295.00 260.00 35.00 0 12 113.5 67.75 5.08 0.83 校核洪水为 298.85 270.70 38.85 10.7 12 113.5 83.8 6.40 10.75

3.9.6 总渗流量的计算

从地形地质平面图上可大致量得大坝沿坝轴线长L=400m，沿整个坝段的总渗流量Q=mLq,式中m是考虑到坝宽、坝厚、渗流量沿坝轴线的不均匀性而加的折减系数，取m=0.8，

Q正=0.8×400×6.83×10-5=2.1856×10-2m3/s Q校=0.8×400×6.94×10-5=2.221×10-2 m3/s

3.9.7 浸润线方程

1）正常蓄水位情况下的浸润线方程

y=H12-2qkx=?50.8x?1225

2）校核洪水位情况下的浸润线方程

y=H12-2qkx=?64x?1509.32 3.10 坝坡稳定 计算（只作下游坡一个滑弧面的计算）

2瑞典圆弧法

???W?V?cosa?ubseca?Qsina?tan???c?bseca?? K????W?V?sina?M/R?C (D.2.1－2)

式中W-----土条重量；

Q、V-----分别为水平和垂直地震惯性力(向上为负，向下为正)； u-----作用于土条底面的孔隙压力；

214

α-----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＇、φ＇-----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。

本地区为5~6度，设计时可不考虑。故Q、V、MC均为0。又空隙水压力对结果影响很小，可忽略不计，即u=0。

心墙坝的下游坝坡采用的是砂土，粘聚力c=0，为无粘性土，常形成折线形的滑弧面。如下图所示。

土条编号 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3

平均角度a(0) 平均高度h(m) 4.85 12.08 15.93 18.60 20.25 20.61 19.99 18.47 16.22 13.33 9.31 3.46 土条重量W(KN) 673.65 1679.60 2214.21 2585.45 2814.86 2864.92 2779.41 2568.07 2254.53 1852.71 1294.46 480.38 sina cosa 滑动力S(KN) 抗力T(KN) 安全系数 51.87 43.56 36.30 29.67 23.46 17.54 11.80 6.18 0.62 -4.93 -10.53 -16.25 0.79 0.62 529.90 240.14 0.69 0.72 1157.33 702.77 0.59 0.81 1310.69 1030.34 0.50 0.87 1279.81 1297.00 ?S?12751.45i 0.40 0.92 1120.62 1490.82 ?Ti?6600.5530.30 0.95 863.17 1577.20 0.20 0.98 568.38 1570.78 K=S/T=1.93 0.11 0.99 276.46 1474.06 0.01 1.00 24.40 1301.58 -0.09 1.00 -159.22 1065.70 -0.18 0.98 -236.56 734.77 -0.28 0.96 -134.43 266.27 215

216

土条编号 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均角平均高土条重量度a(0) 度h(m) W(KN) sina cosa 滑动力S(KN) 抗力T(KN) 安全系数 -17.52 -13.19 -8.94 -4.74 -0.57 3.61 7.81 12.04 16.34 20.74 25.28 29.99 34.93 40.20 46.17 2.36 6.75 10.47 13.53 15.87 17.78 19.33 20.26 20.53 20.13 18.73 16.68 14.14 10.48 4.17 121.98 348.63 541.16 699.06 820.01 918.99 999.10 1046.91 1061.12 1040.19 967.83 862.13 755.80 762.53 466.86 -0.30 -0.23 -0.16 -0.08 -0.01 0.06 0.14 0.21 0.28 0.35 0.43 0.50 0.57 0.65 0.72 0.95 0.97 0.99 1.00 1.00 1.00 0.99 0.98 0.96 0.94 0.90 0.87 0.82 0.76 0.69 -36.71 -79.55 -84.10 -57.77 -8.09 57.86 135.68 218.38 298.53 368.36 413.23 430.87 432.75 492.18 336.76 67.16 195.97 308.64 402.22 473.41 529.52 571.49 591.14 587.89 561.64 505.28 431.13 357.75 336.26 186.68 ?Si?6106.19?Ti?2918.41 K=S/T=2.09 217

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