毕业设计说明书

群安水库枢纽工程设计

The qun’an Reservoir Key Project Designs

总计 毕业设计（论文） 表 格 110 页 24 个

目 录

摘 要 ..................................................................................................................... ....... 1 ABSTRACT ................................................................................................................................... 2 第一章 基本资料 ............................................................ 1 1.1 水文气象 ............................................................... 1 1.1.1 流域概括 ........................................................... 1 1.1.2 气象 ............................................................... 1 1.1.3 径流 ............................................................... 2 1.1.4 洪水 ............................................................... 3 1.1.5 设计施工导流及度汛洪水 ............................................. 3 1.1.6 泥沙 ............................................................... 3 1.2 工程地质 .............................................................. 7 1.2.1 区域构造及其稳定 ................................................... 7 1.2.2 水库区工程地质条件 ................................................. 8 1.2.3 坝址区工程地质条件 ................................................. 9 1.3 建筑材料 .............................................................. 11 1.3.1 天然建筑材料 ...................................................... 11 1.3.2 三材 .............................................................. 12 第二章 调洪演算 ......................................................... 16 2.1 工程等级规模 .......................................................... 16 2.2 防洪标准 .............................................................. 16 2.3 调洪演算 .............................................................. 16 2.3.1 洪水过程线计算 .................................................... 16 2.3.2 泄洪方式 .......................................................... 16 2.2.3 泄洪能力 .......................................................... 16 2.3.4 调洪演算 .......................................................... 17 第三章 大坝设计 .......................................................... 19 3.1 坝型选择 ............................................................. 19 3.2 坝顶高程 ............................................................. 21 3.2.1 坝顶超高计算 ...................................................... 22

3.2.2 平均波高及波长计算 ................................................ 22 3.2.3 平均波浪爬高Rm ................................................... 23 3.2.4 风浪壅高计算 ...................................................... 24 3.2.5 最终坝顶高程确定 .................................................. 25 3.3 坝顶构造 .............................................................. 26 3.3.1坝顶宽度计算 ....................................................... 26 3.3.2 坝顶的铺设 ......................................................... 26 3.4 坝坡及相关设计 ........................................................ 27 3.4.2 坝面排水 ........................................................... 27 3.4.3 护坡设计 ........................................................... 28 3.5 大坝其他构造 .......................................................... 28 3.5.1 防渗体选择 ......................................................... 28 3.5.2 坝体排水设计 ....................................................... 29 3.5.3 反滤层和过滤层 ..................................................... 30 3.5.4 筑坝材料选择与填筑要求 ............................................. 31 3.5.5土料的储量 ......................................................... 31 3.5.6 土料场的选择 ....................................................... 31 3.5.7 坝壳料场的选择 ..................................................... 32 3.5.8 填筑标准设计 ....................................................... 32 第四章 泄水建筑物 ........................................................ 32 4.1方案比较 ............................................................... 33 4.2溢洪道的布置 ........................................................... 33 4.2.1引水渠布置 ......................................................... 34 4.2.2控制段布置 ......................................................... 34 4.2.3泄槽 ............................................................... 34 4.2.4消能防冲设施布置 ................................................... 34 4.2.5出水渠布置 ......................................................... 35 4.3结构设计 ............................................................... 35 4.3.1引水渠 ............................................................. 35 4.3.2控制段 ............................................................. 35

4.3.4挑流消能 ........................................................... 36 4.3.5边墙结构设计 ....................................................... 36 4.4地基及边坡处理设计 ..................................................... 36 4.4.1地基开挖 ........................................................... 36 4.4.2边坡开挖及处理 ..................................................... 36 4.5混凝土的强度、防渗、抗冻指标 ........................................... 36 4.6溢洪道水力设计 ......................................................... 37 4.6.1控制段 ............................................................. 37 4.6.2 泄流能力计算： ..................................................... 37 4.6.3 泄槽的水力计算 ..................................................... 39 4.6.4 波动掺气水深计算 ................................................... 42 4.6.5 挑流消能计算 ...................................................... 43 4.7 校核情况 .............................................................. 45 第五章 输水建筑物 ........................................................ 46 5.1方案比较 ............................................................... 46 5.2隧洞选线与布置 ......................................................... 46 5.3 闸门在隧洞中的布置 .................................................... 46 5.4洞型尺寸 ............................................................... 46 5.5隧洞结构设计 ........................................................... 47 5.5.1衬砌厚度 ........................................................... 47 5.5.2分缝 ............................................................... 48 5.5.3 隧洞的灌浆、排水 ................................................... 48 5.5.4混凝土的强度、抗渗、抗冻、抗磨和抗侵蚀 ............................. 49 参考文献 .................................................................. 50

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摘 要

群安水库枢纽工程设计分说明书和计算书两部分。水库以灌溉和工业供水为主，兼顾防洪，工程兴建后可以向地区工业供水。水库枢纽建筑物由主坝、溢洪道、放水洞组成。 设计的主要任务是确定主要建筑物的级别，选定适宜的坝址、工程总体布置、主要建筑物形式和控制性尺寸；选择水库的各种特征水位；选择施工导流方案、主要建筑物的施工方法、施工进度及总布置、天然建筑材料来源、对外交通及主要设备，及施工总概算进行技术经济分析，对各种主要建筑物进行确定，并通过水利计算验证所设尺寸对泄流及输水、消能防冲等方面的要求。根据建筑物各部位用料和技术要求，各料场的分布高程、数量和质量、开采运输及加工条件、受洪水及冰冻影响的情况。

水库枢纽的主要建筑物级别为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。永久性建筑物设计洪水标准为50年标准，校核洪水标准为1000年标准，工程规模为中型。

关键字：群安水库枢纽工程 主要建筑物 施工组织设计；

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第一章 基本资料

Abstract

The qun’an reservoir key project designs explains things the Ming edition and the account book two parts. The reservoir irrigates and the industrial water supply primarily, proper attention to both flood prevention, after project construction, may to the area industrial water supply. The reservoir key position building by the main dam, the spillway, puts the water tunnel to be composed.

The design's primary mission is the determination main building's rank, the designation being suitable dam site, the project general arrangement, the main building form and the control size; Chooses the reservoir each kind of characteristic water level; The choice construction conduction current plan, the main building's job practice, the construction progress and always arrange, the natural building material to originate, the external communication and the major installation, and constructs the rough estimate to carry on the technical economy analysis, carries on the determination to each main building, and supposes the size through the water conservation computation confirmation to the aerial drainage and the water distribution, disappears can against flush and so on aspect requests. According to the building various spots needed materials and the specification, the various materials yards' distributed elevation, quantity and the quality, the mining transportation and the working condition, and freeze the flood the influence the situation.

The reservoir key position's main building rank is 3 levels, the secondary building is 4 levels, the temporary building is 5 levels. The permanent building design flood standard was 50 year standard, the examination flood standard is in 1000 the standard, the project scale for medium.

Key word ：qun’an reservoir key project designs；the main building；Construction

organization plan

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第一章 基本资料

1.1 水文气象

1.1.1 流域概括

群安河位于某省群安盆地以北，东部天山山脉哈尔里南坡，地理位置介于东经90°57′～94°19′，北纬43°02′～43°11′，流域内地形大部属中高山地形，地势北高南低，由东北向西南倾斜，海拔3600米以上为冰川和永久积雪覆盖区，海拔2500～3600米区间为径流形成区，海拔1300～2500米属中低山区，河流全长31公里，坝址以上集水面积324平方公里，径流来源于高山冰雪融水，夏季的直接降水和季节性积雪融水，河道纵坡25%～30%。 1.1.2 气象

群安河流域地处欧亚大陆腹地，属典型的大陆性气候，其特点是光照充足，夏季炎热，冬季寒冷，干燥少雨，蒸发量大，春季多风。流域内盛行东北、东风，全年大风日数24天。库区内一般多出现顺河向风，多年平均年最大风速12m /s，风向基本上与坝轴线正交，吹程D=2.12km。

库坝区多年平均降水量143.9毫米，多年平均蒸发量1232.3毫米，多年平均蒸发量见表1－1。

表1－1 多年平均蒸发量

月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 全年 蒸发量26.4 (mm) 42.2 102.7 190 287.5 279.3 272.9 263.3 226.8 135.3 52.8 26.4 1905.6

库坝区多年平均温度7.5℃，一月平均气温-5.2℃，7月平均气温21.1℃，极端最高气温32.5℃（1986年7月15日），极端最低气温-22.5℃（1984年1月17日），年日照时数在3000小时以上。气温详见表1－2。

根据坝址处1955～1995年的冰情观测资料，最大河心冰厚0.44m，最大岸边冰厚0.45m。最大冻土深度80cm。

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第一章 基本资料

表1－2 多年月平均气温（℃）

月 1 项目 月平均 -5.5 -4.3 3.0 9 15.3 19.4 21.1 20.2 13.5 3.4 -0.8 -4.4 7.5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 全年 最 高 -10.1 -8.0 18.7 22.9 25.7 29.7 32.5 30.1 26.1 20.1 8.0 7.1 32.5 最 低 -22.5 -13.9 -6.69 -3.4 -0.4 9.8 13.8 4.8 4.7 -9.4 -7.5 -16.3 -22.5 1.1.3 径流

群安河径流来源于高山冰雪融水，夏季的直接降水和季节性的积雪融水，径流的年际变化不大，但年内分配不均，据库址水文站18年（1979～1996）的实测资料，再加上断面上游引水渠引走的还原水量，年最大径流量64.65×106m3（1990年），年最小径流量36.27×106m3（1985年），汛期5～9月径流量占全年径流量的86.5%，其中6～8月径流量占全年的68.6%，枯水期11月至次年3月径流量占全年的7.4%。多年平均径流量49.51×106m3，P=50%径流量49.20×106m3，P=75%径流量40.81×106m3，P=90%径流量33.74×106m3，P=95%径流量29.64×106m3。

表1－3 多年平均流量频率计算成果

Cv 项目 均值 计算 平均流量(m/s) 3频 率 P（%） Cs/Cv 采用 2 5 10 20 50 75 80 90 1.57 0.26 0.26 2 2.46 2.26 2.1 1.91 1.56 1.29 1.23 1.07

表1－4 P=10%每月最大来流量表

月份 Q(m3/s)

1 0.65 2 0.51 3 0.44 4 16.8 5 29.7 2

6 37.6 7 49.2 8 42.5 9 8.53 10 1.99 11 0.92 12 0.61

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1.1.4 洪水

群安河的洪水可分为暴雨洪水、融雪洪水、降水和冰雪融水混合洪水三种类型的洪水，其中融雪洪水大多出现在4月中旬至5月份，洪水的大小取决于冬春季山区积雪面积和积雪深度以及春季气温辐射条件，这类洪水涨落缓慢，变幅较小，对水库的威胁不及夏洪大。夏季暴雨洪水多发生在7月中下旬及8月上中旬，这类洪水主要由大降水生成，其中大范围的暴雨洪水在群安流域出现频次虽少，但量级并不低，1961年7月21日测得日雨量93.4mm，调查最大洪峰流量199m3/s，最大一日洪量12.94×106m3，另外有雨水和冰雪融水混合形成的洪水在本流域内也时有发生，这类洪水对水库安全、运用较为不利。因此，选择1998年8月上、中旬的一次洪水过程线作用为群安水库设计洪水的典型过程线（见表1－5）。

1.1.5 设计施工导流及度汛洪水

根据规范，施工导流洪水频率为P=10%，拦洪度汛洪水频率为5%，仍以1998年为典型年，洪水过程线见表1－6。截流设计流量可选用截流时期内10％频率的月平均流量，见表1-7。

表1－7 P=10%每月平均来流量表

月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Q(m3/s) 0.2 0.1 0.15 3.4 4.1 5.8 8.2 6.4 2.0 1.2 0.5 0.3 1.1.6 泥沙

群安河泥沙来源于融雪洪水和暴雨洪水对流域表面强烈的冲刷和侵蚀，根据实测资料（1996~2005年）分析，群安河输沙量年际变化较大，年内分配极不均匀，汛期5～8月输沙量占年输沙量的83.8%，4～9月占年输沙量的100%。最大年输沙量2.10×104吨（2000年），最小年输沙量0.3×104吨（2002年），最大年输沙量是年最小的7倍。多年平均年输沙量为1.14×104吨，其中推移质泥沙为0.17×104吨，悬移质泥砂为0.97×104吨。

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第一章 基本资料

表1-5 群安水库设计洪水过程线计算表

P=0.1% 时间 典型估量m/s 7日0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 19:00 8日0:00 2:18 4:00 8:00 17:00 20:00 22:00 9日2:00 6:00 7:30 8:00 11:12 11:42 13:00 13:37 13:54 14:12 14:42 15:00

3P=2% 修匀流量m/s 38.7 41.8 48.8 44.7 38.7 36.0 62.0 77.0 98.3 93.0 63.9 77.9 98.3 156.0 145.0 139.0 174.0 388.0 398.0 355.0 355.0 350.0 340.0 330.0 300.0 4

3放大流量 放大倍比 11.1 11.1 11.1 11.1 11.1 11.1 11.1/10.9 10.9 10.9 10.9 10.9 10.9 10.9 10.9 10.9/8.15 8.15 8.15 8.15 8.15/6.84 8.15 8.15 8.15 8.15 8.15 8.15 m/s 38.7 41.8 48.8 44.7 38.7 36.0 69.7/68.5 68.5 98.3 93.0 63.9 77.9 98.3 156.0 68.0/126.0 139.0 174.0 388.0 398.0/334 333.0 338.0 378.0 328.0 349.0 258.0 3典型估量m/s 3.49 3.77 4.40 4.03 3.49 3.24 6.28 6.28 9.02 8.53 5.86 7.15 9.02 14.30 15.40 17.10 21.30 47.60 48.80 40.90 41.50 46.40 40.20 42.80 31.60 4.15 4.15 4.15 4.15 4.15 4.15 4.15/3.96 3.96 3.96 3.96 3.96 3.96 3.96 3.96 3.96/2.59 2.59 2.59 2.59 2.59/2.17 2.59 2.59 2.59 2.59 2.59 2.59 3放大流量 放大倍比 m3/s 14.5 15.6 18.3 16.7 14.5 13.4 26.1/24.9 24.9 35.7 33.8 23.2 28.3 35.7 56.6 61.0/39.9 44.3 55.2 123.0 126.0/106.0 106.0 107.0 120.0 104.0 111.0 81.8 修匀流量m3/s 14.5 15.6 18.3 16.7 14.5 13.4 27.0 22.0 35.7 33.8 23.2 28.3 35.7 56.6 50.4 44.3 55.2 123.0 126.0 113.0 113.0 107.0 106.0 104.0 95.0 3.49 3.77 4.40 4.03 3.49 3.24 6.28 6.28 9.02 5.53 5.85 7.15 9.02 14.30 15.40 17.10 21.30 47.60 48.80 40.90 41.50 46.40 40.20 42.80 31.60 南昌工程学院毕业设计

16:39 17:12 20:00 21:00 21:18 21:42 22:00 22:42 10日0:00 6:00 8:00 19:54 20:00 11日0:00 4:00 8:00 17:12 20:00 21:3 12日0:00 28.80 28.80 23.90 18.40 26.60 22.80 24.90 18.40 19.80 14.10 13.10 7.72 7.72 7.33 6.74 6.44 4.97 4.77 4.38 4.57 8.15 8.15 8.15 8.15 8.15 8.15 8.15 8.15 8.15 8.15/10.9 10.9 10.9 10.9 10.9/11.1 11.1 11.1 11.1 11.1 11.1 11.1 235.0 235.0 195.0 150.0 217.0 186.0 203.0 150.0 161.0 15.0/154.0 143.0 84.1 84.1 80.4/81.9 74.8 71.5 55.2 52.9 48.6 50.7 235.0 235.0 195.0 185.0 180.0 175.0 175.0 170.0 160.0 135.0 132.0 84.0 84.0 80.0 74.8 71.5 55.2 52.9 48.6 48.0 28.80 28.80 23.90 18.40 26.60 22.80 24.90 18.40 19.80 14.10 13.10 7.72 7.72 7.38 6.74 6.44 4.97 4.77 4.38 4.57 2.59 2.59 2.59 2.59 2.59 2.59 2.59 2.59 2.59 2.59/3.96 3.96 3.96 3.96 3.96/4.15 4.15 4.15 4.15 4.15 4.15 4.15 74.6 74.6 61.9 47.7 68.9 59.1 64.5 47.7 51.3 36.5/55.8 51.9 30.6 30.6 29.2/30.6 28.0 26.7 20.6 19.8 18.2 19.0 70.0 70.0 61.9 59.0 59.0 58.0 57.0 56.0 55.0 48.0 45.0 30.6 30.6 29.2 28.0 26.7 20.6 19.8 18.2 19.0

表1－6 群安水库施工期洪水过程线计算表

P=5% 时间 典型估量m/s 23日20:00 21.12 24日4:00 8:00

3P=10% 修匀流量m/s 17.4 24.5 28.8 30.2 5

3放大流量 放大倍比 2.72 2.72 2.72 2.72 m/s 17.4 24.5 28.8 30.2 3典型估量m/s 1.78 1.78 1.78 1.78 3放大流量 放大倍比 m3/s 11.4 16.0 18.9 19.8 修匀流量m3/s 11.4 16.0 18.9 19.8 6.40 8.99 10.60 11.10 第一章 基本资料

12:53 14:00 15:30 15:40 16:12 16:20 17:12 17:27 18:38 19:00 20:00 21:18 22:00 23:24 25日0:00 1:00 2:00 4:00 8:00 8:23 12:35 16:00 18:30 20:00 26日0:00 4:00 8:00 12:00 20:00

13.00 16.40 24.20 24.20 21.40 22.00 28.20 28.20 25.30 26.00 24.40 22.40 24.60 21.70 23.10 23.30 23.80 20.50 16.50 16.50 13.40 11.30 9.82 9.82 10.30 9.82 8.50 6.71 5.59 2.72/2.05 2.05 2.05 2.05 2.05 2.05 2.05/2.35 2.05 2.05 2.05 2.05 2.05 2.05 2.05 2.05 2.05 2.05 2.05 2.72/2.05 2.72 2.72 2.72 2.72 2.72 2.72 2.72 2.72 2.72 2.72 35.4/26.7 33.6 49.6 49.6 43.9 45.1 57.8/66.3 57.8 51.9 53.3 50.0 45.9 50.4 44.5 47.4 48.8 48.8 42.0 33.8 33.8 36.4/27.5 30.7 26.7 26.7 28.0 26.7 23.1 18.3 15.2 35.4 39.5 42.0 42.5 43.9 45.1 66.3 65.5 53.4 53.3 50.0 47.8 46.7 44.5 47.4 48.8 48.8 42.0 33.8 33.8 32.0 30.7 26.7 26.7 28.0 26.7 23.1 18.3 15.2 6

1.78/1.16 1.16 1.16 1.16 1.16 1.16 1.16/1.32 1.16 1.16 1.16 1.16 1.16 1.16 1.16 1.16 1.16 1.16 1.16 1.16 1.16 1.78/1.16 1.78 1.78 1.78 1.78 1.78 1.78 1.78 1.78 23.1/15.1 19 28.1 28.1 24.8 25.5 32.7/37.2 32.7 29.3 30.2 28.3 26 28.5 25.2 26.8 27.6 27.6 23.8 19.1 19.1 23.9/15.5 20.1 17.5 17.5 18.3 17.5 15.1 11.9 9.95 23.1 24.1 24.5 24.6 24.8 25.5 37.2 36.8 30.6 30.2 28.3 27 26.4 25.2 26.8 27.6 27.6 23.8 22.0 21.8 20.0 18.5 17.5 17.5 18.3 17.5 15.1 11.9 10.0 南昌工程学院毕业设计

1.2 工程地质

1.2.1 区域构造及其稳定

工程区位于天山东段块体内，北部为巴里坤塔格－八大石隆起块体，南部为群安盆地（沉降带）。其北面是天山东西向构造与阿尔泰北面构造的交汇部位，除近东西向及北西—北西西构造较发育外，还见有少量的北北西向断裂及北东东向断裂，各种不同方向的断裂将本区分割成大小不同的构造块体。 1. 主要构造形迹

（1）巴里坤塔格—天山庙大断裂

该断裂总长300公里以上，西段走向近东西较平直，天山庙以东走向北西西，再往东转北东东，形成往南突出的弧形，断裂北倾，倾角70°~76°。

（2）南山口西断裂

走向333°，地表出露长度10公里，为具右旋特征的剪切断裂，此组方向的断层开成时间晚，截割了其他方向的断裂，是第四纪以来的活断层。

（3）东沟断裂

东沟断裂是库坝区附近的一条断裂，是在花岗岩体中发育的一条北东东走向的断裂，断裂的东段沿群安河谷分布，成东西向延伸，东段在河谷南侧不远的基岩中通过，总长度约25公里，断裂倾角较陡，在75°左右，且多朝南倾，为一条右旋走滑断层，它对库区地形及地质构造起到一定的影响。 2． 活动断裂与地震

（1）达板果勒断裂

达板果勒裂东端在未来100年内发生6～7级左右地震的可能性最大，但其最近的可能震源距库区在20公里以上，按地震影响场的衰减系数，对库区的影响裂度也在7°或7°以下。

（2）东沟断裂

该断裂长约25公里，历史上很少有地震活动，活动量也不大，本区尚未发现北东东向断裂发生过Ms≥5级地震的先例，因而估计未来百年内发生Ms≥6级地震的可能性很小，按照某省地区断层长度与发生最大地震的经验关系式，该断裂可能发生的最大震级Ms=6.2，即使发生6.2级地震，其烈度也只有7°。 3. 区域稳定评价

坝库区位于天山东段构造块体内，尽管附近有东沟断裂存在，经自治区地震局论证鉴

7

第一章 基本资料

定，活动量不大，它不是本区地震活动的控制性断裂，因此，区域构造环境较好，库坝区处于较稳定的块体内。

据自治区地震局论证鉴定，区外达板果勒断裂东端发生6～7级左右地震的可能性最大，但对库区的最高影响烈度为7°。 1.2.2 水库区工程地质条件 1. 库区地质概况

群安水库在大地构造单元上属北天山地向斜褶皱带,哈尔里克复背斜,出露的地层有泥盆系中统大南湖级第三亚组和不同成因类型的第四系地层。

现将库区出露地层由老到新分述如下： （1）泥盆系中统大南湖组第三亚组

①大理岩：出露于库区西北部，为库区最老地层，分布面积0.08平方公里，岩石呈白色、灰白色，花岗变晶结构，产状96°～46°。

②粉砂质凝灰岩：出露于坝址区河流西侧，分布面积0.4平方公里，岩石呈灰色、灰绿色，风化面为灰黑色，层状构造，由正常碎屑和胶结物组成，岩层产状倾向东，倾角70°～80°。

③凝灰质粉砂岩：出露于坝址以东，面积1.8平方公里，由于断层与小褶曲的影响，产状变化较大。岩石呈灰色，风化面黑色，板状－层状构造，由正常碎屑和火山碎屑组成。

（2）第四系地层

①冲积层：由河流冲积作用形成的松散堆积物，分布在河床和河流形成的阶地上，沿河带状分布，厚度变化于2～13.2m，在坝址附近厚约2～5m。岩性为砂、卵石。

②坡积碎石土层：主要分布在坝址两岸阶地上，厚度0～13m，其成分为碎石和粉土，碎石含量60%左右，粉土含量40%左右。 2. 构造

库区的内共有大小断层20条，最长达5.5公里，最短的仅几十米，以走向60°～70°的最发育，主要断层有F1、F17、F18。

F1断层：纵贯整个库区，属逆断层，长5.5公里，断层东段走向43°，中段72°，西段60°，倾向南东，倾角62°～88°，中段倾角陡，破碎带宽6～10米，破碎带由内向外依次有断层泥、糜棱岩、角砾石和压碎岩，断层破碎带连续，从坝址左坝肩穿过。

F17断层：位于坝址右岸，为一正断层，长1公里，断层面倾向南西，走向62°，倾角80°，破碎带宽0.5～1米，可见断层角砾岩。

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南昌工程学院毕业设计

F18断层：位于坝址上游0.7公里处，接近南北走向。

坝址区主要裂隙有7条，以北东向为主，南北向次之，最长达300m，小的只有几十米，裂隙倾角70°～80°，裂隙张开宽度1～5cm，最大不超过10cm，裂隙面粗糙，有碎石、粘土物充填。 3. 库岸稳定

水库基底岩石为凝灰岩，河谷及两侧岸坡为厚度不大的松散堆积物覆盖，进入坝址附近因岸坡变陡，大部分范围基岩裸露，基岩完整。未发现滑坡体，位于坝址南侧的F1断层，向南倾斜，在坝址附近倾角82°，出露在库区回水标高范围以上，水库建成蓄水后不存在滑动、坍塌问题。 4. 库区渗漏

库区处于高山峡谷区，两岸山势陡峻，山体雄厚，河谷深切，10公里范围内为最低侵蚀基准面，库区岩性由花岗岩和凝灰岩组成，除发育有近东西，近南北向两级小规模断裂外，无规模较大的区域性断裂通过，故水库不会产生邻谷渗漏。 5. 水库淹没及浸没

库区内无工矿企业、居民点，仅有5亩耕地，1.3万余株野生乔灌木及268亩天然草场，故无大的淹没损失，岩质库岸也不存在浸没问题。 1.2.3 坝址区工程地质条件 1. 地质概况

坝址区位于群安河谷近出山口地段，属低中山地貌，海拔1480～1883m，比高400m。 坝区河流呈近东西走向，河流以下切为主，河谷呈“V”字形，现代河床宽27～50m，河流弯急，流速大。坝址区上下游两岸冲沟发育，呈梳状展布，以近南北向者居多，冲沟具有延伸长、两岸陡立、切深大等特点，给选择坝线带来一定困难。

坝址区出露岩层主要有粉砂质凝灰岩、凝灰质粉砂岩、大理岩、第四系冲积物及坡积物，冲积物厚度2～5m，坡积物厚度0～14m。

坝址区河谷两岸不对称，阶地亦不对称，河谷右岸较发育，阶地可见Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级，Ⅱ级阶地不发育，Ⅲ级阶地在右岸呈带状分布，高出河水位30m左右，Ⅳ级阶地高出河水位40～50m。

坝址区内无大的断裂构造发育，只发育有几条规模较小的断层和两级裂隙，现简述如下：

F1断层：位于左岸，走向43°，倾向南东，倾角82°，总长5.5公里，破碎带宽度6～

9

第一章 基本资料

10m，在左坝肩高出回水线以上300m出露，距左坝肩水平距离300m，对建坝影响不大。

F17断层：位于右岸，走向62°，倾向南西，倾角80°，总长1公里，破碎带宽度0.5～１m，在右坝肩高出回水线以上100m出露，距右坝肩水平距离200m，对建坝影响不大。

F19断层：位于左坝肩，总长50m，走向62°～65°，倾角直立。在左坝肩高出回水线以上100m出露，距左坝肩水平距离120m，对建坝影响不大。

第一组裂隙：倾向258°305°，倾角60°～75°。 第二级裂隙：倾向320°～7°，倾角58°～89°。

两组节理相交呈“X”型，其中第一组裂隙位于右岸坝脚附近，长20m，张开宽度约10cm，因规模较小，易于处理。 1.2.4 坝址工程地质条件评价

坝址区两岸山体雄厚，基岩裸露，主要为粉砂质凝灰岩和凝灰质粉砂岩，岩石坚硬较完整，岩层产状350°～10°，NE或SE∠65°～80°，倾向上游对建坝有利。两岸及坝基工程地质条件分述如下：

（1）左坝肩

现代河床陡崖高13m，陡崖之上为Ⅱ级阶地，Ⅱ级阶地之上为坡积碎石覆盖，南北向分布宽度70m，坡度25°～30°，厚0～13m，结构疏松，透水性强，需全部清除，在此之上岸坡变陡，为65°～75°，未发现有大的不稳定体和缓倾角滑移面，出露岩石较完整，坚硬，强风化层厚度1～3m，弱风化层厚度5～10m，工程地质条件较好。

（2）右坝肩

右岸岸边有20～40m高的陡坡，在1985m高程以上地形坡度50°左右，右坝肩未发现有大的不稳定岩体和缓倾角滑移面，但在1980～2055m高程范围有一段地层较破碎，产状紊乱，风化深度20m左右，该段上部岩石破碎是由于表部风化裂隙发育，较软弱，风化强烈现象造成。

右岸坝轴线上游，无第四系坡积物覆盖，坝轴线下游阶地之上为第四系坡积物覆盖，分布范围南北向宽100m，东西向长160m，最大厚度7m。

若在右岸布置溢洪道，应考虑清除破碎岩石及坡积物。 （3）坝基工程地质条件

坝基位于现代河槽，宽度27m左右，根据钻孔及探坑揭露，坝轴线附近覆盖层厚2m，之下基岩完整、坚硬，河流基本下切至新鲜岩面，基础处理较易。

根据洞探揭露，两岸坝肩由河床岸边深入岩体内部10m以后，大部分岩石坚硬完整，

10

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节理裂隙不发育，岩层走向与河流走向呈大交角，围岩稳定性较好，均可布置导流洞和放水洞。

1.3 建筑材料

1.3.1 天然建筑材料

群安水库天然建筑材料位于坝址下游7公里范围内，主要岩性为第四系崩坡积物和冲洪积物。为满足设计要求，共选择了7个料场，各料场情况如下：

（1）C6料场

水库大坝坝体填筑料场，位于群安沟口右岸Ⅰ级阶地和该级阶地质沿相连接的山前堆积层，料场距大坝5公里，该处沉积层巨厚，贮量丰富，测算料场储量在100万立方米。颗料级配较好，颗粒磨园度由棱角状、次棱角状，直至滚圆状都有。从分布情况看，阶地前沿多为冲、洪积堆积物，卵、砾石磨圆度好呈滚圆，夹有大量漂石，多数砾石直径500mm，个别有超过此粒径的向阶地后沿发展,主要是山前洪积堆积层，分选及磨圆度都较差，颗粒以棱角状和次棱角状为主，最大颗料直径250至350mm，山前个别漂砾大于800mm。堆积物母岩成分以花岗岩、灰岩为主，颗料间充填物由砂、砾和土组成，山前堆积物中土含量较大，而阶地前沿冲，洪积堆积冲填而以砂、砾为主。该料场物理力学指标见表1-8、表1-9。

（2）C1砂石料场

C1砂石料场位于群安沟口河滩，距水库大坝4.5公里,此处沉积较厚,为冲、洪积沉积物，分布成扇形，半径244m，堆积厚度2至17m，储量约20.5万立方米,料场紧邻基岩山坡有部分坡积物混合堆积,分选较差,其中卵、砾石磨圆度较好,呈滚圆状,砂子有大部分因为搬运距离不远，磨圆较差，呈次棱角状，砂 子成分中正长石含量较大。

（3）C2砂石料场

C2砂石料场位于东沟村东南300米的冲沟沟口，距水库大坝5.5公里，冲洪积沉积与堆积混合堆积，洪积扇地貌，堆积厚度大于20m，扇轴长400m，储量约94.5万立方米，此处山沟水量较小，搬运及沉积物以细颗粒居多，粗颗粒相对减少，卵砾石磨圆度较好，砂子磨圆较差，砂子成分含量中以正长石为主。

（4）C3土料场

该料场位于水库大坝上游，距大坝约3公里，料场沿沟底分布，长约1000m，宽约600m，储量约88.2万立方米。该料场土料的压缩系数为0.266Mpa，属中等压缩性土，粘粒含量高，达48.1%，可塑性好，塑性指数为14.37，属品质较好的心墙土料。

1 1

第一章 基本资料

（5）C4土料场

C4土料场位于出山口以西冲沟沟口，距水库约5.5公里，呈条带分布，长约960m，宽约60m，储量约28.8万立方米，该料场土料物理力学指标见表1-10、表1-11。

（6）C5砂石料场

C5砂石料场位于群安沟口以西冲沟沟口，距水库大坝约6.5公里，料场顺沟底呈条带分布，长约1320m，宽约200m，探坑深度5m，储量约132万立方米。该料场主要为附近基岩风化堆积，成分以正长石为主，磨圆及分选较差、砂、砾均为次棱角状。

（7）C7石料场

石料场位于群安沟口河漫滩，距水库大坝约5公里，该处200mm至600mm漂石储量丰富，收集方便，运距较近，预测储量5万立方米，并且卵石、漂石磨圆度好，石质坚硬，主要成分为花岗岩，是很好的砌石材料。 1.3.2 三材

（1）水泥

群安地区当地有数家水泥生产厂，产品质量稳定，可满足工程需要。 （2）钢筋与木材

均可通过铁路、公路运输，满足工程需要。

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表1-8 各料场沙砾料颗粒级配汇总表 粒径含量（%） 料场 ＞200（mm） C1 C2 C5 C6

1.5 0.2 0.9 200~150（mm） 3.7 3.0 3.1 150~100（mm） 8.0 12.3 9.3 11.3 100~6060~2020~55~22~0.50.5~0.25（mm） 9.5 10.4 11.0 12.9 0.25~0.1（mm） 2.3 5.0 3.6 ＜0.1有效粒不均匀径 系数 系数 （mm） （mm） （mm） （mm） （mm） 3.0 17.6 18.2 16.4 22.0 26.5 30.3 27.4 31.0 13.5 12.2 12.4 16.5 3.3 2.1 2.3 10.0 7.7 7.8 8.4 （mm） （mm） 0.7 0.9 1.3 0.18 0.37 0.28 0.31 187.0 137.8 171.4 154.8 10.30 5.82 6.03 2.58 曲率表1-9 各料场砂砾料场理学实验成果表 料场 C1 C2 C5 C6 比重 2.69 2.69 2.67 2.68 天然密度 (g/cm3) 2.29 2.26 2.30 2.31 含泥量 （﹪） 0.05 1.40 0.68 0.75

内摩擦角 干燥（度） 41.5 40.1 39.8 42.9 饱和（度） 39.5 37.9 33.3 41.6 渗透系数 （cm/sec） 8.4×10-2 8.4×10-2 8.4×10-2 8.4×10-2 渗透 临界坡降 0.87 0.78 0.75 0.85

3 1

第一章 基本资料

表1-10 土料基本性质试验成果表

不固结不排水颗粒组成（％） 天然料场 湿密度 (g/cm) 3固结不排水剪CU 固结排水剪CD 击实 渗透剪UU 最优含水量Wop 16.5最大干容重γdmax 1.6～n×10-8天然干密度 3天然土粒含水比重 量 Gs WL Wp Ip ＞05 0.05 5 流限 塑限 指数 沙 0.05~0.00.00塑性细粒粉粒＜粘粒系数 K (cm/s) φ （度） C （KPa） φ C φ C (g/cm) （％） （度） （KPa） （度） （KPa） 1.44C～3 1.81 0.32C～4 1.64 1.239.2～～14.61 1.60 1.157.9～～16.8 1.41 2.7022.62～2.76 2.70～2.72

33.65 21.14 12.51 16.0 47.0 37.0 36.66 9 14.37 8.70 43.2 48.1 ～1.7 25.5 16.01.65～～1.7 24.0 16.50 19.00 22.50 16.33 25.50 10.00 n×10-719.88 9.25 24.63 17.50 28.50 8.00 表1-11 土料化学分析成

料场 C3 C4 易溶盐（﹪） 0.288 0.585 中溶盐（﹪） 0.581 0.319 难溶盐（﹪） 2.433 1.632 有机质（﹪） 0.458 0.421

14

南昌工程学院毕业设计 5 1第二章 调洪演算

第二章 调洪演算

2.1 工程等级规模

群安水库位于某省某地区群安河河谷出山口地段，水库控制流域面积714平方公里，库容900×104m3。

水库以灌溉和工业供水为主，兼顾防洪，工程兴建后可以向地区工业年提供水量2160×104m3，向灌区年供水1782×104m3，全年供水3942×104m3，改善灌溉面积14.32×104亩。

水库枢纽建筑物由主坝、溢洪道、放水洞组成。根据工程规模及其在国民经济中的作用，按《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000，水库永久性建筑物设计洪水标准为50年标准，校核洪水标准为1000年标准。根据水库库容灌溉规模及供水要求，正常高水位1G994.7m，库容900万m3。水库枢纽的工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型。水库枢纽的主要建筑物级别为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。

2.2 防洪标准

该工程主要建筑物级别为3级，根据《防洪标准》（GB50201-94）规定3级建筑物土石坝的防洪标准采用50年（p=2%）一遇设计，1000年（p=0.1%）一遇校核，临时建筑物防洪标准采用20年一遇标准。

2.3 调洪演算

2.3.1 洪水过程线计算

根据资料现在设计洪峰流量和坝址处水文站的单位洪水流量过程线，故本次设计洪水过程线采用以洪峰控制的同倍比放大法对典型洪水进行放大，分别得设计洪水过程线与校核洪水过程线。根据所给的群安水库设计洪水过程线计算表，选用两小时为时差，用内差法进行计算，求得时差为2小时的洪水过程线表。（详见计算书） 2.3.2 泄洪方式

设计枢纽拦河大坝初定为土石坝，所以要设坝外泄水建筑物岸边溢洪道。本枢纽初步选定用开敞式溢洪道，溢流堰采用WES实用堰。 2.2.3 泄洪能力

根据确定的泄流方式，进行泄流能力分析。对于无侧收缩的自由出流实用堰水力计算公

Q=mb2gH03/2(水力学第四版吴持恭主编P295) （2-1）

16

南昌工程学院毕业设计

式中：

m——自由出流系数，取0.485； b——溢流孔宽，取25米； H0——H0=H+av2/2g，H为堰上水头。

计算时忽略堰上流速水头。求得水库水位库容下泄能力见计算表。 2.3.4 调洪演算 1. 调洪演算原理

根据水库水量平衡方程：在某一时段内，入库水量减去出库水量，应等于该时段内水库增加或减少的蓄水量。水量平衡方程为

Q△t-q△t=0.5（Q1+Q2）△t-0.5（q1+q2）△t=V2-V1 （2-2）

（水资源规划及利用（中国水利水电出版社）P157）

式中

Q1——计算时段?t始的入库流量，m3/s；

Q2——计算时段?t末的出库流量，m3/s；

3

Q——计算时段平均入库流量，m/s；

q1 ——计算时段初下泄流量，m3/s； q 2 ——计算时段末下泄流量，m3/s；

3

q—— 计算时段平均下泄流量，m/s；

V1 ——计算时段?t始的水库蓄水量，m3/s； V2——计算时段?t末的水库蓄水量，m3/s；

?t——计算时段，一般取1—6小时，以秒为单位。本次调洪△t为2小时，7200秒。

当已知水库入库洪水过程线时，式（2-2）中的Q1，Q2，Q均为已知；V1，q1是计算时段?t开始时的初始条件，未知数有两个（V2和q 2）， 需增加一个方程才能求解。假定暂不考虑自水库取水的兴利部门泄向下游的流量，则q应是泄水建筑物泄流水头H的函数。当泄洪建筑物尺寸，型式等已定时，有

q=f（H）=AHB (2-3)

（水资源规划及利用（中国水利水电出版社）P157）

式中 ：

A-----系数，与建筑物形式和尺寸，闸孔开度以及淹没系数有关系， B-----指数，对于堰流一般为3/2 。

7 1

第二章 调洪演算

式（2-3）最终可用下泄流量q与库容V的关系曲线来代替，即

q=f（V） (2-4)

(水资源规划及利用（中国水利水电出版社）P158 )

式（2-2）和式（2-4）组成一个方程组，可求出未知数q 2和V2，然后以此作为下一时段初的数值继续计算。用两个公式调洪计算的方法很多，常用试算法和半图解法。本设计中采用试算法。

由于该溢流堰不设闸门，根据资料可知该水库起调水位高程为1994.7m，相应的库容为900万立方米。

2．调洪过程及结果

表2-1 调洪结果表

最大下泄流量（m3/s） 相应水位（m） 相应最大库容（10m3） 4设计洪水（p=2%） 113.42 1996.34 973.58 校核洪水（p=0.1%） 372.69 1998.34 1057.35

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第三章 大坝设计

3.1 坝型选择

根据各坝型的特点结合所给群安水库库区地质资料进行如下坝型比选： 坝型一：重力坝

重力坝是一种古老而且应用广泛的坝型,它因主要依靠坝体自重产生的抗滑力维持稳定而得名。重力坝的结构简单,施工方便,抗御洪水能力强,抵抗战争破坏等意外事故的能力强,工作安全可靠,至今仍广泛使用。 1、重力坝的工作原理

重力坝的工作原理是在水压力及其他荷载的作用下,主要依靠坝体自身重量在滑动面上产生的抗滑力来抵消坝前水压力,以满足稳定的要求,同时,也靠坝体自重在水平载面上产生的压重力来抵消由于水压力所引起的拉重力,以满足强度的要求。其基本剖面为上游近于垂直的三角形剖面,眼垂直轴线方向常没永久伸缩缝,将坝体分成若干独立工作的坝段,坝体剖面较大。

2、重力坝的特点

重力坝之所以能长久地被采用，主要是因为它具有以下几大优点：

a.泄洪和施工导流比较容易解决。重力坝的断面大,筑坝材料抗冲刷能力强,适用于在坝顶溢流和坝身设置泄水孔。在施工期可以利用坝体或底孔导流。枢纽布置方便一般不需要另设河岸溢洪道或洪隧洞。在意外情况下,即使从坝顶少量过水,一般也不会招致坝体失事；

b.安全可靠,结构简单,施工技术比较容易掌握。坝体板样,立模和混凝土浇筑和振捣都比较方便,有利于机械化施工；

c.安全可靠重力坝剖面尺寸大，应力较小，筑坝材料强度高，耐久性好，因而抵抗水的渗漏、洪水漫顶、地震和战争破坏的能力都比较强；

d.对地形、地质条件适应性强任何形状的河谷都可以修建重力坝，因为坝体作用于地面上的压应力不高，所以对地质条件的要求也较低；

e.枢纽泄洪问题容易解决重力坝可以做成溢流的，也可以在坝内设置泄水孔，一般不需要另设溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑；

f．结构作用明确重力坝沿坝轴线用横缝分成若干段，各坝段独立工作，结构作用明确，应力分析和稳定计算都比较简单。

但是，重力坝也有下面一些缺点：

9 1

第三章 大坝设计

a．坝体剖面尺寸大，水泥用量多；

b．坝体应力较低，材料强度不能充分发挥；

c．坝体与地基接触面积大，因而坝底的扬压力较大，对稳定不利。

d．坝体体积大，施工期混凝土的温度应力和收缩应力较大，在施工期对混凝土温度控制的要求较高。 坝型二：拱坝

拱坝是在平面上呈凸向上游的拱形挡水建筑物，借助拱的作用将水压力的全部或部分传给河谷两岸的基岩。与重力坝相比，在水压力作用下坝体的稳定不需要依靠本身的重量来维持，主要是利用拱端基岩的反作用来支承。拱圈截面上主要承受轴向反力，可充分利用筑坝材料的强度。因此，是一种经济性和安全性都很好的坝型。 1、拱坝特点：

(1)优点：拱坝利用拱的作用将荷载传至两岸，充分利用了材料的搞压性能，故拱坝可做得比较薄，大大节省混凝土方量，从而节省造价。此外，拱坝还可以在坝身开孔解决泄流问题，不需另外修建溢洪道，坝体重量轻，抗震性能好。

(2)缺点：几何形状复杂，施工难度大。施工导流需一次断流，工另开导流隧洞。拱坝主要的缺点是对坝址河谷形状及地基要求较高。 2、地质条件

建造拱坝的地形条件是左右两岸对称，岸坡平顺无突变，砰面上为向下流收缩的峡谷地段，如V形和U形河谷。坝端下游侧要有足够的岩体支承，以保证坝体的稳定。理想的地质条件是基岩均匀单一、完整稳定、强度高、刚度大、透水性小和耐风化。此外，拱坝要求两岸坝座附近河岸边坡岩体稳定，整体性好，没有大的断裂构造和软弱夹层，在荷载作用下不产生大的压缩变形。 坝型三：土石坝 1、土石坝特点

(1)优点：

a.就地取材，节省钢材﹑水泥﹑木材等建筑材料，减少了建坝过程中的远途运输。 b.结构简单，便于维修和加高﹑扩建。

c．坝身是土石散粒体结构，有适应变形的良好性能，因此对地基的要求低。 d．施工技术简单，工序少，便于组合机械快速施工。

(2)缺点：坝身一般不能溢流，施工导流不如混凝土坝方便，粘性土料的填筑受气候条

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件影响较大等。

2、地质条件：土石坝能够适用各种地质条件

综上所述，根据群安水库地质条件及附近建筑材料，发现重力坝及拱坝地形地质条件不适宜，而土石坝能适应各种地质条件且附近有足够的建坝材料，因而选用土石坝为建坝坝型。

土石坝按其施工方法可分为碾压式土石坝、抛填式堆石坝、定向爆破堆石坝、水中倒土坝和水力冲填坝。从地形地质条件以及附近建筑材料来看本次设计坝型应选择碾压式土石坝。碾压式土石坝根据土料配置的位置和防渗体所用材料种类的不同，又分为均质坝和土质防渗体分区坝、非土质材料防渗体分区坝。

均质坝材料单一，工序简单，但坝坡较缓，剖面大，工程量大，施工易受气候影响，冬季施工较为不便，坝体空隙水压力大。因此考虑均质坝方案是不宜采用的。 土质防渗体分区坝主要有斜心墙坝、斜斜心墙坝、斜墙坝和多种土质坝等类型。

斜心墙坝土质防渗体设在坝体中部，两侧为透水性较好的砂石料，该坝型粘性土料所占比重不大，施工受季节影响较小，但施工时斜心墙与坝体同时填筑，相互干扰较大。 斜斜心墙坝和斜心墙坝基本类似，并且可以改善坝体应力状态，能显著减弱坝壳对斜心墙的“拱效应”，其抗裂性能优于斜心墙坝和斜墙坝。

斜墙坝土质防渗体设在上游或接近上游面，该坝型斜墙与坝体施工干扰小，但其抗震性和适应不均匀沉降的性能不如斜心墙坝。由于该工程所在地区为地震烈度定为7度，基岩与砼之间磨擦系数取0.65，故不宜采用斜墙坝。

多种土质坝施工工序复杂，相互干扰较大，施工易受气候影响，在此不予采用。 非土质材料防渗体坝的防渗体一般有混凝土、沥青混凝土或土工膜等材料组成，而其余部分由土石料组成，因工程附近建筑材料丰富，为就地取材不宜采取该坝型。

由上述比较可以看出，由于该工程所在地区为地震烈度定为7度，基岩与砼之间磨擦系数取0.65，故不宜采用斜墙坝。因工程附近建筑材料丰富，有时和的心墙土料，所以选择用心墙坝。

3.2 坝顶高程

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定，坝顶高程分别按照正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高、设计水位加正常运用下的坝顶超高、校核水位加非常运用条件下的坝顶超高进行计算，因该地区地震烈度为6度，故还需考虑正常蓄水位加非常运

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第三章 大坝设计

用时的坝顶超高加上地震涌浪高度，最后取以上四种工况最大值，并保留一定的沉降值。 3.2.1 坝顶超高计算

为保证水库不漫顶，必须在正常运用和非常运用期间的静水位以上有一定的超高。一般用表示。

d=R+e+A （3-1） （水工建筑物 （第五版）中国水利水电出版社）

式中：

R---最大波浪在坝坡上的设计爬高，m; e---风浪引起的坝前水位壅高，m; A—安全加高，m

表3-1 土石坝的安全加高 （单位：m）

坝的级别 正常运行条件 非常运行条件（a） 非常运行条件（b） 1 1．50 0.70 1.00 2 1.00 0.50 0.70 3 0.70 0.40 0．50 4，5 0.50 0.30 0.30 （注：非常运用条件（a）适用于山区、丘陵区，非常运行条件（b）适用于平原区，滨海区。） 该坝属于3级水工建筑物，安全加高分别取：正常运用条件下0.7m ，非常运用条件下0.4m 。

3.2.2 平均波高及波长计算

1.平均波高及平均波长宜采用莆田试验站公式计算： （规范SL274—2001 P49）

ghmW2?0.13th[0.（7gHmW20.7）]th｛W} （3-2）

gHm0.70.13th[0.（7）]2W0.0018（gD20.45）0.5T?4.43h8 mm （3-3）

?2?HmLm?th?2??Lm

gTm2?（3-4） ??

式中：

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hm—— 平均波高，m；

Tm—— 平均波周期，s；

W —— 计算风速, m/s；（根据《土石坝设计规范（SL274—2001）》第5.3.5条规

定P16，计算大坝波浪爬高时，所采用的设计：正常运用条件下，采用多年平均最大风速的1.5倍；非常运用条件下，采用多年平均最大风速；根据气象资料统计，群安水库多年平均最大风速为12.0m/s，最大吹程为2.12km。则其正常运用条件下的风速为12?1.5=18m/s，非常运用条件下的风速为12m/s。）；

D —— 风区长度. m；也称有效吹程。（当从坝闸前算起到对岸的最大直线距离小于5倍的水域宽度时，D可取坝闸前到对岸的最大直线距离；当从坝闸前算起到对岸的最大直线距离大于5倍的水域宽度时，D可取5倍的水域宽度；当沿风向两侧水域较窄或为不规则形状或有岛屿等障碍物时，D可采用有效风区长度。）此处取2120m；

（按照吹程范围内河床地形与水深,剖断面进行加权平Hm——水域平均水深，m；

均，只是水深在波浪计算中的影响很小，我们一般用最大水深代替计算。此处Hm=正常蓄水位—坝底高程。取61.7）

g —— 重力加速度，取9.81m/s2； Lm—— 平均波长，m。

带入数据计算：

ghmW2gD0.45）2gHm0.7W?0.13th[0.（7）]th｛} 2gHm0.7W0.13th[0.（7）]W20.0018（得： 平均坡高hm=0.385m

0.5T?4.438h 平均周期 mm

= 4.438*0.3850.5 =2.754s 平均波长Lm=11.844m 3.2.3 平均波浪爬高Rm

Rm?KW1?m2△KhLmm

(3-5)

（土石坝设计规范SL274—2001 P51）

3 2

第三章 大坝设计

式中：

Rm—— 波浪的平均爬高，m；

K△ —— 斜坡的糙率渗透性系数，根据护面类型由（土石坝设计规范SL274—2001 P52）查得，护面类型选用砌石护坡，根据护面类型查规范得0.75；

表3-2 粗糙渗透性系数K?

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） K? 1.00 0.90 0.85~0.90 0.75~0.80 0.60~0.65 0.50~0.55

Kw—— 经验系数，由风速W、坝迎水面前水深H、重力加速度g所组成的无维量

W/gH，由（规范SL274

(

—正

2001 常

运

P52用

）情

查况

得)

，，

W/gH?18/9.81*(1994.7?1933)?0.732W/gH?12/9.81*(1994.7?1933)?0.488（非常运用情况），故查得经验系数Kw=1.0；

表3-3 经验系数KW

W/gH ≤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 Kw m —— 单坡的坡度系数，若坡角为?，即等于cot?，本设计取2.5。（由《水工建筑物》天津大学 中国水利水电出版社 第五版P219查得） 3.2.4 风浪壅高计算 风浪壅高按

式中：

KW2De?cos?（规范SL274—2001P51） （3-6）

2gHm

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e—— 计算处的风壅水面高度，m； D—— 风区长度，m；

K—— 综合摩阻系数，取3.6×10-6；

β—— 计算风向与坝轴线的夹角，( °)；取0°。 W—— 风速，m/s；取18m/s。

由于水库所在地区地震基本烈度为7°，按《水工建筑物抗震设计规范》（SL293—97 P20），水工建筑物抗震计算的上游水位可采用正常最高蓄水位，地震区的地震涌浪高度，可根据设计烈度和坝前水深，一般涌浪高度为0.5m~1.5m，该水库地震涌浪高度取用1.0m；设计烈度为8、9度时安全超高应计入坝和地基在地震作用下的附加沉陷，故不考虑地震作用的附加沉陷计算。 3.2.5 最终坝顶高程确定

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）第5.3.3条规定：

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： 正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高：1994.7+1.29698486=1995.9970m； 设计洪水位加正常运用条件下的坝顶超高：1996.34+1.29697779=1997.6370m； 校核洪水位加非常运用条件下的坝顶超高：1998.34+0.78105855=1999.1211m； 正常蓄水位加非常运用时的坝顶超高再加上地震涌浪高度：1994.7+0.78108009+1.0=1996.4811m。

经计算可以看出该大坝坝顶高程由校核情况控制为1999.1211m，取1999.2m。 结果见下表：

表3-4 各种工况下的坝顶高程

计算情况计算项目 数据 正常蓄水位 上游静水位（m） 河底高程（m） 坝前水深（m） 吹程 （km） 风向与坝轴线夹角 （?） 风浪引起坝前雍高 （m） 0.00204268 0.00198979 61.7 63.34 2.12 0 0.00090786 0.00085728 1994.7 设计洪水位 1996.34 1935 61.7 65.34 正常蓄水位 1994.7 校核洪水位 1998.34 正常运用情况 非常运用情况

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第三章 大坝设计

风速V（m/s） 波高hm (m) 护坡粗糙系数 上游坝面坡脚 平均波浪沿坝面爬高Rm（m） 安全超高（m） 地震安全加高（m） 坝顶高程（m） 1995.9970 0.59494219 0.38516839 18 0.38519805 0.24612531 0.75 arcot1/2.5 0.59498801 0.7 0 1997.6370 1 1996.4811 0.38017223 12 0.24614410 0.38020127 0.4 0 1999.1211

3.3 坝顶构造

3.3.1 坝顶宽度计算

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）第5.4.1条规定：

土石坝坝顶宽度应根据构造、施工、运行和抗震等因素确定。如无特殊要求，高坝的顶部宽度可选用10~15m，中、低坝可选用5~10m。 坝顶的最小宽度也可按经验公式

R=H (3-7) 式中：

H——为坝高，m，H=66.2m； R——为所求坝顶宽度。 本次设计取其宽为8.5m。 3.3.2 坝顶的铺设

坝顶为了防止雨水冲蚀，采用单层砌石路面，无交通要求。

坝顶上游侧设1.2m的防浪墙，为保证其坚固而不透水，采用浆砌石筑成，墙底和坝体中的防渗体紧密连接，结构尺寸根据强度稳定计算确定，并设置伸缩缝，做好止水；下游设1.2m高的栏杆。为了排除雨水，形成2%的坡度将坝顶雨水排向下游坝面排水沟。

工程运行要求坝顶设照明设施时，应按照有关规定执行。

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3.4 坝坡及相关设计

3.4.1 坝坡坡度及马道的设计

土石坝坝坡的选择取决于坝型、坝高、坝的等级、坝体及坝基材料材料的性质、承受的荷载、施工和运行等主要因素。一般可参考已建坝的实践经验或用近似的计算方法初步拟定坝坡，然后进行稳定等计算确定合理的坝坡。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。碾压式土石坝坝坡坡度的选择一般遵循以下规律：

1. 上游坝坡长期浸水处于饱和状态，库水位还可能骤降，为了保持坝坡稳定，上、下游坝壳用同种材料填筑时，上游坝坡要比下游缓，粘性土的均质坝或粘性土坝壳的坝坡要比非粘性土坝壳的坝坡为缓。

2. 土质斜墙坝上游坝坡的稳定受斜墙土料特性的控制，所以斜墙坝的上游坝坡比心墙坝的上游坝坡缓。在下游填筑材料性质相同的条件下，斜墙坝的下游坝坡一般比心墙坝的下游坝坡陡。

3. 粘性土料的稳定坝坡应为上部坡陡，下部坡缓，所以用粘性土料做成的坝坡，常沿高度分成数段，每段10—30m，从上而下逐渐放缓，相邻坡率差值取0.25或0.5。

4. 由粉土、砂、轻壤土修建的均质坝，透水性较大，为了保持渗流稳定，一般要求适当放缓下游坡度。

根据规范规定与实际结合，上游坝坡取取2.5，不变坡，下游坝坡自上而下均取为2.2期间变道一次。在坝坡改变处，尤其在下游坡，通常设置1.5~2.0m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，综合上述等方面因素其宽度取为1.5m。 3.4.2 坝面排水

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）第5.9坝面排水规定

除了干砌石或堆石护坡外，均必须设坝面排水。应包括坝顶、坝坡、坝头、及坝下游等部位的集水、截水和排水措施。 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。

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第三章 大坝设计

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，本设计初拟宽深各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。 3.4.3 护坡设计 1. 上游护坡

采用目前最常用的干砌石护坡。护坡范围从坝顶一直到坝脚，厚度为30cm。 2. 下游护坡

下游设厚度为30cm的干砌石护坡。

3.5 大坝其他构造

3.5.1 防渗体选择 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、稳定等方面的要求。该水库大坝上游有个C3土料场，距大坝约3公里，料场沿沟底分布，长约1000m，宽约600m，储量约88.2万立方米。该料场土料的压缩系数为0.266Mpa，属中等压缩土，黏粒含量高，达48.1%，可塑性好，塑性指数为14.37，属品质较好的心墙土料。故该坝体采用粘土心墙，根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）5.1.4条规定：土质坝防渗体分区坝宜分为防渗体，反滤层、过渡层、坝壳、排水体和护坡等区。防渗体在上游面时，坝体渗透宜从上游至下游逐步增大，防渗体在中间时，坝体渗透性宜向上、下游逐步增大。本工程根据就地取材和挖填平衡的原则，确定坝体分区如下：中部为粘土心墙，顶宽为3米，坡度为0.15，两侧各设3米等厚的过渡层，再往外为坝体堆石区，护坡，下游坝脚设置排水棱体。 2. 坝基防渗

坝基（包括坝头，下同）处理应满足渗流控制（包括渗透稳定和控制渗流量）、静力和动力稳定、允许沉降量和不均匀沉降量等方面的要求，保证坝的安全运行。处理的标准与要求应根据具体情况在设计中确定。竣工后的坝顶沉降量不宜大于坝高的1%。对于特殊土的坝基，允许总沉降量应视具体情况确定。——《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001） 第6.1.1条规定。

根据规范（SL274—2001）第6.2.2条 ：砂砾石坝基的渗流控制可选择以下形式：

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1 垂直防渗

1） 明挖回填截水槽； 2） 混凝土防渗墙； 3） 灌浆帷幕；

4） 上述两种或两种以上形式的组合。 2 上游防渗铺盖 3 下游排水设备及盖重 1） 水平排水垫层； 2） 反滤排水沟； 3） 排水减压井； 4） 下游透水盖重；

5） 反滤排水沟及排水减压井的组合。 4 经过论证的其他有效措施

本设计“上防”采用在趾板中部进行帷幕灌浆防渗，孔距1.5m，平均孔深为30m。“下排”采用排水减压井措施，由于采用的是堆石坝，粒径较大，可以满足自身排水，不用设排水层，在渗流出口处设排水棱体。 3.5.2 坝体排水设计 1. 坝体排水的作用

坝体排水的作用是:控制和引导渗流，降低浸润线，加速孔隙水压力消散，防止渗流逸出处土的渗流破坏，增强坝的稳定性，在寒冷地区，可保护下游坝坡免遭冻胀破坏。坝体排水要有充分的排水能力，并设有反滤层以保护坝体和坝基土。坝体排水宜便于观测和检修。

2. 坝体棱体排水选用

常用坝体排水有以下几种形式：棱体排水、贴坡排水、坝内排水以及综合式排水。 1、棱体排水：可降低浸润线，防止坝坡冻胀，保护下游坝脚不受尾水淘刷，且有支持坝体增加稳定性的作用，工作可靠，便于观测和检修，适宜下游有水的情况。棱体排水是一种可靠的、被广泛采用的排水设施。

2、贴坡排水：若当地石料较少，可采用坝趾贴坡排水。贴坡排水是用一两层堆石或砌石加反滤层直接铺设在下游坝坡表面，不伸入坝体的排水设施，又称表面排水。贴坡排水能防止渗流逸出处土体发生渗流破坏，构造简单，用料简单，施工方便，易于检修，但不

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第三章 大坝设计

能降低浸润线。常用于中小型工程下游无水的均质坝或是浸润线位置较低的中等高度坝。

3、坝内排水：包括褥垫排水层、网状排水带、排水管、竖式排水体等坝内排水设施。褥垫排水能有效地降低浸润线，有助于坝基排水，加速粘土地基的固结，并可节省石料，但不便于观测和检修。褥垫排水周围应有反滤层，以保护坝体和坝基的土体。为了节省石料，可采用纵向和横向排水带组成网状排水，平行于坝轴线的纵向排水带可替代褥垫排水伸入坝体上游端部位置。但褥垫排水对不均匀沉降适应性差，易断裂，且难以检修，当下游水位高于排水设施时，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、组合式排水：有时常根据具体情况将几种不同型式的排水组合在一起成为综合式排水，以兼取各型式的优点。

由于本地区石料比较丰富，再综合上述比较，决定采用堆石棱体排水比较适宜，另外采用棱体排水可以降低坝体浸润线，防止坝坡冻涨和渗透变形，保护下游坝址受尾水淘刷，并可支撑坝体，增加下游坝坡的稳定性，工作可靠，便于观测和检修，适宜下游有水的情况。根据规范（SL274—2001）第5.7.7条：棱体排水顶面高程应高出下游最高水位，超出高度，1级、2级坝应不小于1.0m，3级、4级和5级坝应不小于0.5m，并应大于波浪沿坡面的爬高。此坝为三级坝，故棱体顶部高程应超出下游最高水位不小于0.5m.故此处设计为超出下游最高水位1.0m。棱体顶宽根据施工条件及检查观测需要确定，但不宜小于1.0m，取为2.0m。棱体内坡根据施工条件决定，一般为1:1.0～1:1.5,取为1:1.5，外坡一般为1:1.5～1:2.0，取为1:2.0。棱体与坝体以及土质地基之间设置反滤层。 3.5.3 反滤层和过滤层

按照规范（SL274—2001）第5.6.1条：坝的反滤层必须符合： 1.被保护土不发生渗透变形；

2.渗透性大于被保护土，能通畅地排出渗透水流； 3.不致被细粒土淤塞失效的要求进行反滤层设计。

根据照规范（SL274—2001）5.6.10条：土石坝的过渡层应具有协调相邻两侧材料变形的功能，混凝土面板堆石坝的垫层和堆石之间，沥青混凝土心墙和坝壳之间均应设过渡层。土质防渗体分区坝是否设过渡层应根据防渗体和坝壳材料特性及反滤层厚度综合研究确定。根据照规范（SL274—2001）5.6.11条:土质防渗体分区坝坝壳为堆石时，过渡层应采用连续级配，最大粒径不宜超过300mm，顶部水平宽度不宜小于3.00m，采用等厚度或边厚度均可。本设计过渡层采用连续级配，最大粒径小于300mm，采用等厚度。

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南昌工程学院本科毕业设计

3.5.4 筑坝材料选择与填筑要求

筑坝土石料和土工试验分别按照SL251－2000《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》和SL267－1999《土工试验规程》的有关规定，查明坝址附近各种天然古料的性质，储量和分布，以及枢纽建筑物开挖料的性质和可利用性。

根据：

1.具有或经加工处理后具有与其使用目的相适应的工程性质，并具有长期稳定性。 2.就地、就近取材，减少弃料，少占或不占农田，并优先考虑枢纽建筑物开挖料的利用；

3、便于开采、运输和压实三项原则选择筑坝土石料。

C1料场，C2料场， C5料场，C6料场的砂砾料颗粒级配汇总表见表1-8，砂砾料场物理力学试验成果表见表1-9。

C3料场，C4料场土料基本性质试验成果见表1-9，土料化学分析成果表见表1-10。 其中：C1料场距水库大坝4.5公里，储量约20.5万m3，C2料场距水库大坝5.5公里，储量约94.5万m3，C5料场距水库大坝6.5公里，储量约132万m3，C6料场距水库大坝5公里，储量约100万m3，C3料场距水库大坝3公里，储量约88.2万m3，C4料场距水库大坝5.5公里，储量约28.8万m3。

表3-5 各料场储量

料场 储 量（104 m3） C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 20.5 94.5 88.2 28.8 132 100 5 3.5.5 土料的储量

筑坝石料本着就地取材和就近取材的原则。经勘察各料场储量见表3-5 ，列出了各种填筑工程量。可以看出料场储量大于设计填筑工程量2倍以上，筑坝材料贮备丰富。 3.5.6 土料场的选择

根据规范《碾压与土石坝设计规范 SL274－2001》4.1.5条规定：防渗土料应满足下列要求：

1.渗透系数：均质坝不大于不大于1×104cm/s ，心墙和斜墙不大于1×105cm/s。

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第三章 大坝设计

2.水溶盐含量（指易溶岩和中溶岩，按质量计）不大于3% 3.有机质含量（按质量计）不大于2% 4.有较好的塑性和渗透稳定性 5.浸水与失水时体积变化小。

通过表1-10、表1-11可知，防渗土料可选用C3料场。 3.5.7 坝壳料场的选择

由C1、C2、C5、C6料场的筑坝砂砾料颗粒级配汇总表及筑坝砂砾料物理力学试验成果表可以看出，各料场的φ值均达到240以上，可满足要求。不均匀系数均大于5。曲率系数只有C6料场为2.58在1~3之内。所以只有C6料场的级配是良好的。且C6料场的储量满足坝壳填筑工程量要求，可做为主堆石区。其余填筑料在C1、C2、C5料场及爆破料中选择，做为次堆石区。

经分析，C6料场级配优于C1、C2、C5料场，且储量满足坝壳填筑工程量，故选择C6料场做为坝壳填筑料场，做为主堆石区，其余C2料场的料填筑在两侧。 3.5.8 填筑标准设计

根据《碾压式土石坝设计规范》SL274－2001 4.2.3条：三级坝粘性土的压实度应符合96%－98%的要求，取压实度为0.98，设计干密度指标见表3-6。

表3-6 设计密度指标

料场 C3 击实最大干密度（g/cm3） 1.65 设计干密度（g/cm3） 1.62 设计含水量（%） 施工填筑含水（%） 21.0 19－24 设计干密度以击实最大干密度乘以压实度求得，击实最大干密度取各个土样标准击实试验的击实最大干密度的算术平均值。

筑坝土料的设计含水量取各土样最优含水量的算术平均值，施工填筑含水量应按设计含水量控制，其上下偏差不宜超过－2%~+3%，其值根据土料性质、填筑部位、施工工艺和气候条件等因素进行选择。

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