土石坝设计说明书（平山水利枢纽设计计算说明书）

设计说明书

平山水利枢纽设计计算说明书

（一）基本资料

1. 概况

平山水库位于G县城西南3㎞处的平山河中游，该河系睦水的主要支流，全长28㎞，

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流域面积为556㎞，坝址以上控制流域面积431㎞；沿河道有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。 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900m3/s。在航运方面，上游库区能增加航运里程20㎞，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。 3. 地形、地质概况

地形情况：平山河流域多为丘陵地区，在平山枢纽上游均为大山区，河谷山势陡峭，河谷边坡一般为60°~70°，地势高差都在80~120m，河谷冲沟切割很深，山脉走向大约为东西方向，基岩出露很好，河床一般为100m左右，河道弯曲很厉害，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咀下游一带及坝下陈家上游一带更为发育，其它地方则很少，在坝轴下游300m处的两岸河谷呈马鞍形，其覆盖物较厚，基岩产状凌乱。

地质情况：靠上游有泥盘五通砂岩，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：在平山咀以南，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为五通砂岩，特别破碎，在100多米范围内就有三、四处小断层，产状凌乱，坝区右岸破碎深达60m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，平山咀大溶洞，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，此外，目前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达1.5~5.0m，K=1×10-4cm/s，浮容重V浮=10.7KN/m3，内摩擦角φ=35°。 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，根据省水文总站由C城站插补延长得三天雨量计算频率；千年一遇雨量498.1mm，二百年一遇雨量348.2mm，五十年一遇雨量299.9mm，雨洪峰流量Q0.1%=1860m3/s，Q0.5%=1550m3/s，Q1%=1480m3/s，多年平均来水量4.55亿m3。

2）气象：多年平均风速10 m/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℃，年最高气温40.5℃，年最低气温-14.9℃。 5. 其它

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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，但目前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。

（二）设计数据

1. 工程等级：根据规范自定 2. 水库规划资料

1） 正常水位：113.10m； 2） 最高洪水位（校核）：113.50m；

3） 死水位：105.0m（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；

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。

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900千瓦，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115.00m，

平台尺寸为30×20m2。

4. 筑坝材料

枢纽大坝采用当地材料筑坝，据初步勘察，土料可以采用坝轴线下游1.5～3.5公里的丘陵区与平原地带的土料，且储量很多，一般质量尚佳，可作筑坝之用。砂料可在坝轴线下游1～3公里河滩范围内及平山河出口处两岸河滩开采。石料可以用采石场开采，采石场可用坝轴线下游左岸山沟较合适，其石质为石灰岩、砂岩，质量良好，质地坚硬，岩石出露，覆盖浅，易开采。

1）土料：主要有粘土和壤土，储量多，质量尚佳，可作为筑坝材料，其性能见附表：1； 2）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，见附表：2； 3）石料：石质为石灰岩及砂岩，质地坚硬，储量丰富，性能见附表：3。

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附表1 土料特性表 干容重 土壤类别 最优 含水率 （%） 孔隙率 n （%） 内摩擦角 Φ 18°30′ 23°41′ 粘 着 力 c (KPa) 渗透系数 k (cm/s) -6?c(KN/m3) 粘土 壤土 坡土

15.4 15.8 16.0 25 14.5 22.5 40 41.7 39.8 37 12 1×10 1×10 1×10 -3-522°（湿） （湿）7.5 33°（干） 附表2 砂土特性表

干容重 土壤类别 孔隙率 n （%） 内摩擦角 Φ 30° 浮容重 ?' (KN/m3) ?c(KN/m3) 砂土 16 40.6 10.06 附表3 石料特性表 干 容 重 孔 隙 率 n （%） 33 内 摩 擦 角 Φ 38° ?c (KN/m3) 1.8 （三）枢纽布置

1. 工程等别及建筑物级别

1）水库枢纽建筑物组成 根据水库枢纽的任务，该枢纽组成建筑物主要包括：拦河大坝、水电站建筑物、溢洪道、灌溉渠道、水库放空隧洞（拟利用导流洞作放空洞）、筏道等。

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20万亩即20/15=1.33万ha，在3.33～0.33万ha之间，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

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据总库容为2.00亿m，在10～1.0亿m，属Ⅱ等工程。

（2）水库枢纽等别：根据规范规定，对具有综合利用效益的水电工程，各效益指标分属不同等别时，整个工程的等别应按其最高的等别确定，故本水库枢纽为Ⅱ等工程。

（3）水工建筑物的级别：根据水工建筑物级别的划分标准，Ⅱ等工程的主要建筑物为2

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级水工建筑物，所以本枢纽中的拦河大坝、溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空隧洞为2级水工建筑物；次要建筑物筏道为3级水工建筑物。 2. 各组成建筑物的选择

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，建拱坝的造价过高，不宜修筑。 （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。

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。

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

2

主要是筏道，采用干筏道。起运平台高程115.00m平台尺寸为30×20m，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。 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右岸的山体内。综合考虑各方面因素，最后确定枢纽布置直接绘制在蓝图上（地

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形地质平面图）。

（四）土坝设计

1. 坝型选择

影响土石坝坝型选择的因素有：1.坝高；2.筑坝材料；3.坝址区的地形地质条件；4.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；5.枢纽布置、坝基处理型式、坝体与泄水引水建筑物等的连接；6.枢纽的开发目标和运行条件；7.土石坝以及枢纽的总工程量、总工期和总造价。

枢纽大坝采用当地材料筑坝，据初步勘察，土料可以采用坝轴线下游1.5～3.5公里的丘陵区与平原地带的土料，且储量很多，一般质量尚佳，可作筑坝之用。砂料可在坝轴线下游1～3公里河滩范围内及平山河出口处两岸河滩开采。石料可以用采石场开采，采石场可用坝轴线下游左岸山沟较合适，其石质为石灰岩、砂岩，质量良好，质地坚硬，岩石出露，覆盖浅，易开采。

1）土料：主要有粘土和壤土，储量多，质量尚佳，可作为筑坝材料，其性能见附表：1； 2）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，见附表：2； 3）石料：石质为石灰岩及砂岩，质地坚硬，储量丰富，性能见附表：3。 从建筑材料上说，均质坝、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。 2）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。

3）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，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。

由于土石坝的地基适应性强，理论上说，这几类坝都可以选用，具体考虑到当地两岸的坝坡较陡峭，因此选用较能够适应陡峭坝坡地形的心墙坝作为首选坝型。 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。 1）坝坡

因最大坝高约115.20-65.00=50.20m,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︰2.75；1︰3；1︰3。

（3）马道：第一级马道高程为85.20m，第二级马道高程100.20m，马道宽度取2.0m。

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2）坝顶宽度 本坝顶无交通要求，对中低坝Bmin=0.7Hb，这里Hb为坝高。故取B=6m。

3）坝顶高程 坝顶高程等于不同运行情况下的水库静水位加上超高d之和，并分别按以下运用情况计算，取较大值：①设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高；②校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高。最后需预留一定的坝体沉降量，此处取坝高的0.3%。计算公式如下： d=ha+e+A， ha=0.45hlmn-1-0.6， hl=0.0166V5/4KV2Dcosa e= D，

2gH1/3式中： ha——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；

A——安全加高，m，根据坝的等级和运用情况，按表1-1确定。

表1-1 安全加高A （单位：m）

运用情况 正常 非常 坝的级别 Ⅰ 1.5 0.7 Ⅱ 1.0 0.5 Ⅲ 0.7 0.4 Ⅳ、Ⅴ 0.5 0.3 hl——设计波高，m；

m——坝坡坡率；

取值为：抛石0.035，干砌块石0.0275，浆砌石并勾缝0.025，n——坝坡护面糙率，

沥青和混凝土0.0155；

V——设计风速，m/s； D——吹程，㎞；

H——水库水域的平均水深，m；

-3

K——综合摩阻系数，其值变化在（1.5～5.0）×10之间，计算时一般取

-3

K=3.6×10；

a——风向与水域中线（或坝轴线的法线）方向的夹角。

两种计算成果见表1-2。

表1-2 坝顶高程计算结果

运用情况 设计情况 （正常水位） 较核情况 （非常情况） 静水位 （m） 波浪 爬高 R（m） 0.6819 0.6819 风浪引起 安全 计算坝顶 坝前壅高 超高 高 程 e (m) A（m） Z计（m） 0.2056 0.3563 1.0 0.5 114.9875 115.0382 0.3% 沉陷 （m） 0.34496 0.34511 竣工时的 坝顶高程 Z （m） 115.3325 115.3833 113.1 113.5 坝顶高程最后结果：115.20m。 验算：坝顶高程115.20m均大于

设计洪水位（正常蓄水位）+0.50m即113.10+0.50=113.60m； 校核洪水位113.50m。 所以满足要求。

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3. 渗流计算

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，坝壳采用砂土料，渗透系数

sK=1 10-2cm，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

s不考虑上游楔行降落水头的作用。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。 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：

设计洪水位（取与正常蓄水位）113.10m，相应下游的最低水位68.2m； 校核洪水位113.50m，相应下游的水位68.65m。 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。 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 5）单宽流量 将心墙看作等厚的矩形，则其平均宽度为：

d=11(d1+d2)=?(22214)=8m

坝轴线到下游坝趾处的宽度：D=163.16m；

从图中还可以计算出：L=141.85m；

已知 ke=1 10-6cms， k=1 -2cm10s。

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具体计算结果见表1-3。

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表1-3 及其下游坝壳单宽流量计算结果

计算情况 正常蓄水位 校核洪水位 Z上 （m） Z下 （m） H1 （m） H2（m） d （m） 8.00 D （m） L (m) q -4 (×103m/(s·m)) 1.43 He (m) 113.10 68.20 48.10 3.20 163.16 125.05 3.719 113.50 68.65 48.50 3.65 8.00 163.16 125.50 1.46 4.121 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=340m，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，

7）浸润线方程 Q正=0.8创3401.43?10-4Q校=0.8创3401.46?10-40.0389cm0.0397cmss

（1） 正常蓄水位情况下的浸润线方程 y=2qkx+H22=3.2m(x未(0,L-He0.3)即（0，123.93) )B2{y=0.0286x+10.24?H2286x+10.24 （x?(123.93,D)即（123.93,166.16） )

（2） 校核洪水位情况下的浸润线方程

2qkx+H22=3.65m(x未(0,L-He0.3)即（0，124.264) )B2{C0.0292x+13.3225?H2139x+13.3225 （x?(124.264,D)即（124.264,166.16） )

4. 坝坡稳定计算（只作下游坡一个滑弧面的计算）

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。见图所示。

Ec 1l1 W1θR1Pφ2δDβPBW2c2 l2 βφ1φ3R2A- 8 -

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图中所示各物理量之间满足以下方程：

W1W1 ctg(jⅱ-b)-ctg(q-j)-(1+)tg(j3-d)=0 21W2W2tgj?j1=tg1(1kc1tgj)，j?(2=tg2kctgj?)，j3=tg1(3)kc。

查设计资料砂土抗剪强度指标j1=j2=j3=30 ，由于设计原始资料中无相关数

j2?j3?14 ，

d=6 ，据，在此也无法提供实验数据，故假设q=24 ，b=12 ，j1?代入上述方程得

， kc=2.3>kcmin=1.35（Ⅱ级水工建筑物正常运用情况下）

从以上分析可知该假想滑动面是稳定的。

5. 防渗体设计（这里选用粘土心墙）

W11。 =W25.151）防渗体尺寸 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。心墙顶部考虑机械化施工的要求，取2.0m，边坡取1︰0.123。

上下游最大作用水头差H=113.50-65=48.50m（下游无水工况），粘土心墙坝的允许渗透坡降[J]=4，故墙厚T≧H/[J]=48.50/4=12.125m。

心墙底宽为2+（48.50+0.5）×0.123×2=14.054m>12.125m，满足要求 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113.10+0.50=113.60m。 3）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洞深或干燥深度，此处取1.6m，上部碎石厚50cm；下部砂砾厚110cm，具体见坝顶部构造。

6. 坝体排水设计 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。

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8.0m，内坡1︰1，外坡1︰1.33，顶部高程须高出下游最高水位对1、2级坝不小于1.0m。通过设计洪水位113.10m（正常水位）流量时，相应下游最高洪水位68.20m；假定通过校核洪水位113.50m流量时，相应下游最高洪水位68.65m。超高取3.35m，所以顶部高程为68.65+3.35=72.00m 。

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设计说明书

7. 反滤层和过滤层 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

D15d85￡4?5，

D15d15>5，同时要求两者的不均匀系数h=d60d10及

D60D10不大于

5～8，级配曲线形状最好相似。

式中：D15——反滤料的特征粒径，小于该粒径的土占总土重的15%；

d15 ——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。[参考：林昭著.碾压式土石坝.郑州：黄河水利出版社，2003.7，第157页]。

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<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?0.7125(40-A)(4d85-0.7mm)设计反滤层。式中，A为小于0.075mm时颗粒含

量1%。若4d85<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。

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D15(块石)D15(垫层)￡10， ￡5。

d85（垫层）d85（垫层下被保护的土）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。具体的尺寸和分区参见构造设计图纸。 8. 护坡设计

1）上游护坡：采用目前比较常用的干砌石护坡。护坡范围从坝顶一直到坝脚，厚度为80cm，下部设50cm的碎石和40cm的粗砂垫层。参见土石坝剖面图。

2）下游护坡：下游设厚度为50cm的干砌块石护坡，护坡下面设厚度为30cm的碎石垫层。参见土石坝剖面图。 9. 顶部构造 1）坝顶宽度 对中低坝可取5～10m，此处取B=6.0m。 2）防浪墙 采用C20水泥浆砌块石防浪墙，基本尺寸见图1-5所示。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160cm，分为两层，上层碎石厚度为50cm，下层砂砾厚度为110cm。见坝顶细部图。 10. 马道和坝顶、坝面排水设计

1）马道：第一级马道高程为85.20m，第二级马道高程为100.20m，马道宽为2.0m。 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2%，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150m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0.3%，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。具体的尺寸见坝体排水详图。

②材料：排水沟通常采用浆砌石或混凝土预制块。在有排水沟的坝面处用水泥将该处的干砌石勾缝，形成水泥浆砌石排水沟。 11. 地基处理及坝体与地基岸坡的连接

结合本坝坝基情况，从坝轴线剖面图可知，地基处理如下： 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%， 层裂隙较为发育，拟采用局部帷幕灌浆。

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（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心墙相连，向上库区及右岸延伸展布，将岩溶封闭。 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1：1.5；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1/2.6×51.00=20.0m。 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。

（五）溢洪道设计

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，泄槽末端设置圆形渐变段，采用挑流消能，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，如地形地质平面图所示。 2. 溢洪道基本数据

由于没有做调洪演算，初步拟定溢洪道水力计算成果见表1-4。

表 1- 4 溢洪道水力计算成果

计算情况 设计 校核 上游水位（m） 113.10 113.50 下泄最大流量(m3/s) 1340 1660 相应的下游水位(m) 74.30 75.00 其中：设计洪水位取与正常蓄水位相同，而校核洪水的最大下泄流量和相应的下游水位只是初步拟定的。 3. 工程布置

1）引水渠

引水渠的作用是将水流平顺的引至溢流堰前，为了减少局部水头损失和防止上游入口冲刷（特别是上游坝坡处），采用较小的渠内流速v<5.0ms。渠底宽度大于堰宽，渠底末

端高程与控制堰顶高程相同，取为107.50m。引水渠断面尺寸的拟定，具体计算结果和过程见表1-5。

表 1-5 引水渠断面尺寸计算成果（ 设计流速v=4m计算情况 设计 校核 上游水位（m） 113.10 113.50 下泄最大流量 Q (m3/s) 1340 1660 水深 H （m） 5.6 6.0 边坡坡率m 1.5 1.5 s）

底宽 B (m) 51.42 60.17 计算公式：Q=vA，A=(B+mH)H，假设v=4.0ms。

可以拟定引水渠底宽B=79.0m，引水渠与控制堰之间采用圆弧连接，圆弧半径R=15m，圆弧的圆心角为??90；根据选定的连接形式和尺寸有，

ob0Bj=79=0.7248由此可以109- 12 -

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查表得出流量系数m=0.368。

可以拟定B=79m，考虑到岩基较差且覆盖层厚，在渠底设置人工铺盖防渗，同时为防止冲刷对引水渠的靠近堰流区段采用浆砌石护面（0.3m）。引水渠取45m左右。

2）控制段 其作用是控制泄洪能力。本工程是以灌溉发电为主的中型工程，采用平面钢闸门控制。溢洪道轴线处岩石破碎，深达60m的钻探岩芯获得率约为20%，岩石裂隙十分发育，因为宽顶堰堰矮荷载小，经比较选用无坎宽顶堰，断面为矩形，顶部高程为107.50m，堰厚d=20m(2.5H

控制堰宽 nb （m） 62.07 69.33 流量系数m 0.368 0.368 式中：控制堰宽 nb=Q3

m2gH02由计算知控制堰取nb=70m为宜；孔口数n=7；闸门尺寸11m×6.5m（宽×高），宽高比为11/6.5=1.7满足（1.5～2.0）；

门槽宽w=3.5Hb0+5cm=66.5cm，取w=70cm，其中H为堰上水头，b0为闸口单宽取10m；

门槽深D???骣11÷:÷66.5cm取D?桫1.42.5÷ 30cm；中墩宽1.5m；单宽10m，闸墩尺寸见。

3）泄槽 泄槽是宣泄过堰洪水的，槽底布置在基岩上，断面必须为挖方，且要工程量最小，坡面不能太陡。由地形地质平面图上量得从堰口坝轴线至下游高程69.4m处的水平距离约120m，高差为38.1m，从堰顶到下游水面连一直线，直线的斜率大约等于k=1︰3.14故取k=1︰3。，考虑到泄槽设计、施工的方便和简单，以及水流的流态等各种因素，泄槽采用等宽，同一坡率，初步拟定为i=1/3，矩形断面，宽B=79m，长l=1+32椿38.1120.48m。

4）出口消能 溢洪道出口段为冲沟，岩石比较坚硬，离大坝较远，可以采用扩散坎挑流消能，水流冲

刷不会危及大坝安全。但如果大坝下游（溢洪道出口）的假想逆断层存在的话，还需对该断层进行处理，以防止溢洪道出口冲坑太深而危及大坝安全。 5）尾水渠 其作用是将消能后的水流较平稳的泄入原河道，同时为了防止小流量产生贴流、淘刷鼻坎，鼻坎下游设置长L=50m的护袒。 4. 溢洪道水力计算 1）引水渠流速计算 其具体计算见溢洪道工程布置中的引水渠，设计洪水位和校核洪水位时均取

v=4m，而实际的引水渠底宽大于计算所需要的宽度，而且因为渠底是逆坡，其高程都

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比107.50m要低，所以引水渠实际的流速均比4m要小，均能满足要求。

s 2）控制堰最大泄流能力的验算 计算所需闸门总净宽为70m(校核洪水时)，而整个闸室宽79m，从定性分析可知满足最大泄流量的要求。

3）泄槽水面线的计算 （1） 基本公式 hk=3q2g，q=QB，ik=116gckAkC=Rk ，，，R=A=bhkkkk2nCkBkck 式中：hk——临界水深，m； Q——槽内泄量，m3/s； q——单宽流量，m3/（s·m）； ik——临界坡降； B——泄槽首段宽度，m； g——重力加速度，m/s2； Bk——相应临界水深的水面宽，m；

、湿周（m）、水力Ak、ck、Rk、Ck——临界水深时对应的过水断面积（m2）

半径（m）、谢才系数。

q v=v2av12av22，j=2，E1+iL=E2+hf，E1=+h1，E2=+h2； hCR2g2g 式中： E1——1-1断面的比能，m； E2——2-2断面的比能，m； h1、h2——1-1及2-2断面水深，m； hf——沿程水头损失，m； v1、v2——1-1及2-2断面的平均流速，m/s； L——断面间的长度，m；

iL——1-1及2-2断面的底部高程差，m；

n——泄槽糙率，底板是混凝土衬砌石，侧壁为干砌石，取n=0.03。

（2） 临界水深hk和临界坡降ik的计算见表1-7。

表 1-7 临界水深hk和临界坡降ik计算结果

计算情况 设计水位 校核水位 Q 1340 1660 Bk 79 qk hk Ak ck 86.12 Rk 2.86 3.27 n Ck ik 79 16.96 3.08 243.32 85.16 21.01 3.56 281.24 0.03 39.71 0.0067 0.03 40.61 0.0065 i=13 =0.33>ik，故泄槽段属急流，槽内形成bⅡ型降水曲线，属明渠非均匀流算。

（3） 溢洪道泄槽正常水深计算

计算结果见表1-8

表 1-8 溢洪道泄槽正常水深计算结果

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计算情况 设计水位 校核水位 1660 79 1 1.065 84.135 81.13 1340 79 1 0.936 73.944 80.872 0.9143 0.03 32.839 Q B i 假设h0 A0 c0 R0 n C0 K0=A0C0R0 Q0=K0i 32321.9 1340.6 31.037 0.03 33.536 2873.3 1658.9 （4） 泄槽水面线计算

假设堰下泄槽起始断面的计算水深取泄槽临界水深，

设计洪水位（正常蓄水位）：h1=hk=3.08m，h2=(1+0.01)h0假设=0.945m 校核洪水位：h1=hk=3.56m，h2=(1+0.01)h0假设=1.076m 采用分段求和法，按水深进行分段，具体计算结果见表1-9 水面线曲线如图1-12所示。 4. 掺气水深的计算

（1） 自然掺气开始发生点的计算

L按经验公式计算：L=14.7q0.53,其中q为单宽流量m3s×m

骣1340÷设计：L=14.7??÷??桫79÷骣1660÷ 校核：L=14.7??÷??桫79÷0.5365.91m

0.5373.83m

取L?65.91m。 （2） 掺气水深计算

根据美国“水力设计准则”（Hydraulic Design Criteria）提出的公式计算，

计算公式如下：

骣Vasinq÷c==0.701log10??0.826?0.2÷?÷Va+VWq桫ha=1h(适用于B>5h)1-C

m式中：C—空气体积Va与气水混合体积Va+VW之比 ；q--单宽流量，设计1.4199h0设 校核1.394h0校

(3s×m)。

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