土石坝课程设计e江水利枢纽工程设计毕业论文.doc
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E江水利枢纽工程设计
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 6
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 18
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
8.2、水电站建筑物 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 34
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 36
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 38
16.3、坝体排水设计 38
16.3.1、反滤层和过滤层 39
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 44
17.1、地基处理 44
17.2、坝体与地基的连接 45
17.3、坝体与岸坡的连接 45
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 46
18.2、孔口尺寸设计 48
18.3、控制段 49
18.4、泄槽 49
18.5、出口消能 50
19、水力计算 50
19.1、基本计算 50
19.2、基本计算公式 50
19.3、鼻坎型式 50
19.4、水舌挑射距离计算 51
20、衬砌及细部构造设计 52
20.1、坝的防渗体，排水设备 52
20.2、反滤层设计 53
20.3、护坡设计 53
20.4、坝顶布置 54
21、地基处理及防渗 54
21.1、渗流控制方案 55
20.2、防渗墙的型式、材料及布置。
55
20.3、坝肩处理 56
总结 56
致谢 56
参考文献 57
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。
其余为黄山及草皮覆盖。
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：
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
项目
参数
项目
参数
基
本
资
料
枢纽任务
防洪发电灌溉
水库
容积
特性
死库容
100×106m3
上游集雨面积
780Km2
兴利库容
288×106m3
年降雨量
905mm
调洪库容
38×106m3
年平均气温
12.8℃
坝底高程
2750.00m
月平均流量
174m3/s
电
站
厂
房
布置方式
坝后引水式
年输沙量
33000m3
取水方式
单管多机有压引水
最大风速及吹程
19.1m/s，15km
发电机高程
2760m
岩性
玄武岩
尾水管底高程
2748m
地震烈度
7度
厂房顶高程
2772m
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
岩石名称
比重
△
容重γ
（KN／m³）
建议采用
抗压
强度（Mpa）
半风化玄武岩
3.01
29.6
50
破碎玄武岩
2.95
29.2
50-60
火山角砾石
2.9
28.7
35-120
软弱玄武岩
2.85
27
10-120
坚硬玄武岩
2.96
29.2
100-160
多气孔玄武岩
2.85
27.8
70-180
全风化玄武岩物理力学性质实验表
天然
含水率
w（%%
干容重
γ（KN／m³）
比重
△
液限
Wl
塑限
Wp
塑限
指数
Ip
压缩系数a
侵水固结块剪
0-0.5
（m²／KN×106^-6
3-4
（m²／KN×106^-6
内摩
擦角Ø
凝聚
力（kpa）
2.5
16.3
2.97
47.3
32.26
16.9
5.97
1.51
23.38
24
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
月份
日数
平均温度
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
﹤0℃
6
1.2
0.3
0
0
0
0
0
0
0
0
3.1
0-30℃
25
26.8
30.7
30
31
30
31
31
30
31
30
27.9
﹥30℃
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
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
月份
日数
平均
降雨量
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
﹤5mm
2.6
2.2
4.3
4.2
7
8.6
11.5
8.5
9.6
9.5
4.8
4.3
5-10mm
0.3
0.2
0.2
1.4
2
2.4
2.7
2.7
2.6
2.4
0.8
0.1
10-30mm
0.1
0.1
0.7
0.5
2.3
4.6
4.9
3.8
2.2
1.3
0.6
0.1
﹥30mm
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
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
频率
0.05%
1%
2%
5%
10%
流量（m³／s）
2320
1680
1420
1180
1040
表5不同平率的洪峰流量见
月份
频率
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1%
46
19
12
19
600
1240
1550
1210
670
390
28
37
2%
36
17
11
15
530
1120
1360
1090
600
310
23
33
5%
23
14
9
11
420
850
1100
830
480
250
16
28
10%
19
11
7
9
370
760
980
720
410
210
15
23
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
高程（米）
2807
2812
2817
2822
2827
2832
淹没人口（人）
3500
3640
3890
4060
5320
7140
淹没土地（亩）
3000
3220
3410
3600
4600
6100
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设计数据
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）的重理期为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、其他建筑物
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9000千瓦，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8.15m³/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
土壤类别
干容重
（KN/m³）
最优含
水率
（%）
空隙率
n
（%）
内摩擦角
Φ
粘着力
（Kp）
渗透系数
K
（cm/s）
粘土
15.4
25
40
18°30´
37
1×10
壤土
15.8
14.5
41.7
23°41´
12
1×10
坡土
16.0
22.5
39.8
22°（湿）
33°（干）
7.5（湿）
1×10
附表2砂土特性表
土壤类别
干容重（KN/m³）
空隙率n
（%）
内摩擦角
Φ
渗透系数K
（cm/s）
浮容重´
（KN/m³）
砂土
16
40.6
30°
1×10
10.06
附表3石料特性表
干容重（KN/m³）
空隙率n（%）
内摩擦角Φ
1.8
3.3
38°
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
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