古洞口堆石坝设计 毕业设计.docx

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古洞口堆石坝设计毕业设计

古洞口堆石坝设计

摘要

本毕业设计题目为《古洞口堆石坝设计》，题目来源于古洞口水利水利枢纽工程实际。

设计的目的及意义主要在于巩固、扩大和提高所学水利水电理论知识，使其得到实际运用，并使之系统化，锻炼和培养运用所学专业基础理论知识解决工程实际，并进行设计、计算、制图的能力,提高撰写专业技术报告的水平。

设计的主要内容有：

坝址、坝型选择和枢纽布置，调洪计算，面板堆石坝设计，泄水建筑物设计，构造设计，地基处理等。

此外还进行了混凝土面板堆石坝的断面设计以及材料分区、面板、趾板、止水构造、面板分缝等设计。

设计过程中，采用的主要方法有关于调洪计算的半图解法、坝坡稳定计算的简化毕肖普法和瑞典圆弧法、渗流计算的水力学法、坝顶垂直沉降的工程类比估算法，以及相关规范、手册所推荐的方法。

具体设计详见设计说明书，另外除了设计说明书外，还有反映本次设计成果的1张图纸，以及设计过程中攥写的开题报告、文献综述、外文翻译报告各一份。

关键词：

混凝土面板堆石坝，调洪计算，面板，趾板，枢纽布置

一．毕业设计题目

古洞口堆石坝设计

基本资料

1水文气象资料：

吹程1km，多年平均最大风速20m/s

流域总面积2971km2。

上游地形复杂，沟谷深邃，植被良好，森林分布面广，为湖北主要林区之一。

2、地质资料：

河床砂卵砾石最大的厚度达23m。

两岸基岩裸露，支局不存在有1~8m厚的残坡积物。

在峡谷出口处的左岸山坡，存在优厚1~30m，方量约150万m3的坍滑堆积物，目前处于稳定状态。

3、地形资料：

坝址位于古洞口峡谷段，河谷狭窄，呈近似“V”型，河面宽60~90m。

4、工程等级：

本工程校核洪水位以下总库容1.38亿m3，正常蓄水位325m，相应库容1.16亿m3，装机容量3.6万kw，混凝土面板堆石坝做大坝高120m。

根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》（山区、丘陵区部分）SDJ12—78及其《补充规定》的规定，本工程为二等大

（2）型工程。

5、建筑材料情况：

坝址附近天然建筑材料储量丰富。

砂砾料下游勘探储量318.5万m3，石料总储量21.86万m3，各类天然建筑材料的储量和质量基本都能满足要求。

二．毕业设计内容

1、进行堆石坝的整体布置：

2、坝高计算

分别取正常水位，设计洪水位，校核洪水位计算取大值

坝顶超高的确定，

=R+e+A，

波浪平均爬高：

风壅高度e按荷兰芬利兹委员会公式计算：

3、坝体稳定计算

根据规范,可用瑞典圆弧法,此处用有效应力分析，（至少取上下游各两个圆弧4个滑裂面计算）

4、溢洪道水面线和消能防冲计算

5、溢洪道等主要建筑设计

2设计任务及意义

2．1设计任务

（1）了解黑河工程概况，熟悉设计所需的地形、地质、水文等资料进行黑河水利枢纽整体布置，确定坝轴线位置和泄水、排沙、取水、发电等建筑物的位置、形式和尺寸；

（2）进行调洪演算，确定下泄流量和水库设计洪水位、校核洪水位等特征水位，确定特征库容，初拟泄水建筑物的形式与尺寸，并进行相关水力计算，确保设计与校核情况下的安全泄洪能力；

（3）拟订排沙、取水等其它建筑物的形式和尺寸，并进行相关的结构计算和设计，在此基础上完成整体枢纽布置；（4）拟订可用的坝型方案，进行坝型方案的比较与选择；

（5）进行大坝、泄水等枢纽建筑物的结构设计和细部设计，并画出相应草图；（6）进行专题深入部分，分析确定面板坝的断面尺寸、材料分区及地基处理措施等，进行坝体断面设计、细部设计等；（7）绘制相关设计图纸。

包括：

枢纽平面布置图、大坝典型横剖面图、横剖面图，各主要建筑物的细部设计图，专题深入部分细部设计图等。

2．2设计阶段

本毕业设计为黑河水利枢纽布置及面板堆石坝设计其中黑河水利枢纽布置为初步设计阶段；面板堆石坝设计达到施工图设计阶段。

2．3设计目的及意义

（1）巩固、扩大和提高所学理论知识，并使之系统化；

（2）锻炼和培养运用所学到的专业基础理论知识解决工程实际问题的能力，并初步掌握设计水利枢纽工程的内容、原则、方法和步骤；

（3）提高工程制图能力,掌握CAD制图的基本方法,提高撰写专业技术报告的水平；

（4）掌握水利枢纽布置设计及面板坝设计的基本原理和方法；

（5）使学生进一步树立正确的设计思想，进一步树立热爱社会主义祖国、热爱祖国水利水电建设事业的高尚情操，培养学生勇于攀登高峰、刻苦钻研、实事求是、谦虚谨慎、认真负责的工作作风。

三、断面确定

3.1坝址选择

坝址的选择要考虑：

地形条件，地质条件，水能利用，枢纽布置，施工条件，交通等条件。

黑河在屿口以上秦岭山区峪谷型河流，水流湍急，河谷是“V”型，悬岩峭壁，随处可见。

在金盘河道便是“V”，金盆坝址位于西骆峪——田峪背斜的南部，岩层走向近东西向，倾向上游（走向850～1100，倾向SE—SW，倾角300—450），坝址区地层除基岩外，第四系松散岩层覆盖面积也较广，基岩为前震旦系宽坪群大镇沟组，为中等深度变质的片岩，钙质石英岩夹云斜煌斑岩，该组岩层以云母石英片岩分布较广，片理发育、新鲜岩石虽然不均一，但比较坚硬，本坝址有被遗弃黑河道一段，即所谓“金盆古河道”。

其进口位于车车沟出口处，出口位于仙游寺对岸，全长约2.5公里，宽度为200～300米。

能容纳较大的库容，在金盆村形成胃状开阔地，宽达600米左右，能容纳较大的库容。

黑河沿河有残缺不全的侵蚀堆积阶状地一至四级，多分布于近峪口的浅山地段，黑河断层破碎带分布广，基岩承压水存在断层破碎岩而且是局部存在，补给不够，主要靠两边的山体补给和第四系孔空隙潜水补给。

根据水质分析，地表水和地下对混凝土均没有侵蚀性影响。

水库侵没主要分布于金盘，桃李坪两个村庄附近，但面积不大，经仅为0.045km2。

坝区崩塌体一般规模不大，分布左右岸的山麓较陡斜坡的下段，厚度一般小于10米。

坝址区分布有五级基座推积阶地及漫滩，其中一、二级阶地分布较完整，其它各级阶地残留不多，呈零星分布于斜坡地带在钙质石英岩中沿节理裂隙有溶沟、溶洞，规模均较小，洞径一般数厘米，大者仅为20～30厘米。

在进行锚固和防滑措施时所进行的技术，工程量和时间上可以简便和节约，利于坝体的稳定。

两岸地形不完全对称，为左陡右缓，左岸单宽山梁东岭，与金盆古河道毗邻，地形坡度50°-55°，右岸地形坡度40°-50°，直至黄石沟分水岭，河床高程487m，宽64m，坝顶高程处河谷宽368m。

坝区岩性分类有第四系松散堆积物及前震旦系大镇沟组基岩，其中第四系堆积物有河床砂卵石层，厚8m-15m。

一级阶地堆积物，上部为壤土，厚1m-15m，下部为砂卵石，厚2m-8m.坡积物左岸上覆于一级阶地，厚度最大14m，右岸覆盖于岸坡，厚度约5m左右。

便于坝基开挖。

两岸裂缝发育不明显，地下水位较低，经地基处理后对深层抗滑有利。

坝址位于河流直段，有利于枢纽下泄水流域下河道衔接，在枢纽布置时不需要注意弯态对枢纽的影响。

出峪口高程为480米，黑河出峪口后，坡度变缓河床变宽，在长达28公里两岸大堤维护下，于石马村汇入渭河。

堤内两岸地势开阔，左岸为良田，右岸有部分荒滩可用作砂石料加工、筛分、堆存和弃料等场地。

峪口以下左岸武家庄村戏，男欢公路以南的条形耕地，是施工布置生产、生活区的较理想场地。

，但在670m高程以上有坡地可作为施工场地和布置缆机平台。

古河道出口处的金盆村施工期可布置施工生产队用地。

筑坝用的砼骨料用砂，料场有两处，渭河料场，运距22公里，中值粒径d0=0.46毫米，平均粒径dcp=0.37毫米，粒度模数2.91。

用作筑坝材料，渭河砂可满足要求，用作砼细骨料，则偏细，在同标号的情况下，则多消耗水泥5%以上。

规范要求砼细骨料含泥量<3～5%，平均粒径0.3～0.5毫米，粒度模数为2.5～2.3为宜，因而设计采用渭、混合计。

黑河水利枢纽位于峪口以上约1.5公里，出峪口即为关中平原的周户县区域，沿周城公路距周至县城13公里，沿周户公路距户县45公里交通便利利于施工。

通过以上可以看出，本地区坝址地质构造相对其他的河口来说较为不复杂，处理薄山梁的滑坡问题，处理工程量和难度小，河床地质构造利于坝基开挖，因此坝址选择在黑河干流秦岭峪口处金盘古河道上。

3．2坝轴线选择

Ⅰ～Ⅰ坝轴线为原地质勘探线，即西安市周至县马召镇黑河干流秦岭峪口处，坝轴线方向NE78°56′34″。

Ⅱ～Ⅱ坝轴线大致是将Ⅰ～Ⅰ坝轴线右端上移了150m，左端保持不变。

坝址两岸地形不完全对称，为左陡右缓，左岸单宽山梁东岭，与金盆古河道毗邻，地形坡度50°-55°，右岸地形坡度40°-50°，直至黄石沟分水岭，河床高程487m，宽64m，坝顶高程处河谷宽368m。

该坝址中的F5、F20、F23、F37、F75断层通过分水岭，其中断层F75、F37规模较大，破碎带宽10m-20m，F5、F23次之，破碎带宽3m-5m。

断层走向与岩层产状一致，但其渗透性很小，断层破碎带单位吸根据室内外岩石饱和抗压强度Rw指标以及声波试验，从承载力条件的角度看，金盆坝址建基面的选择是可行的。

强风化层波速1500m/s-2500m/s，弹性10万t/m2-16t/m2,允许承载力10kg/cm2-15kg/cm2。

弱风化层波速3000m/s，弹模40万t/m2，允许承载力20kg/cm2。

坝基35m下为新鲜岩石，左岸地下水埋深70m左右，右岸地下水位埋深近80m。

坝址基岩主要由片岩类组成，透水性较小且呈层状分布。

两坝轴线各类岩石渗透性能统计结果见下表6-1：

表6－1坝轴线各类岩石渗透性能统计表

分区岩石名称指标

左岸

坝基

右岸

绿泥石片岩

云母石英片岩

钙质石英岩

断层破碎带

云母石英片岩

断层破碎带

绿泥石片岩

云母石英片岩

断层破碎带

单位吸水量

平均值

0.13

0.02

0.522

0.029

0.0645

0.096

0.163

0.094

0.152

小值平均值

0.04

0.007

0.018

0.017

0.043

0.031

0.054

0.016

0.034

大值平均值

0.47

0.072

1.53

0.054

0.145

0.227

0.272

0.15

0.325

分类

较严重透水

微透水

严重透水

中等透水

中等透水

中等透水

较严重透水

中等透水

较严重透水

以上看出，两坝轴线在水能利用、施工条件、地形条件及地质条件上几乎没有区别，故坝轴线比较重点研究两坝轴线在水工布置上、水流流态上及经济实用方面。

Ⅱ～Ⅱ坝轴线，天然河谷较窄，坝顶长度最短。

混凝土工程量最省，但为了确保有足够的前沿宽度，需要向两岸开挖，致使开挖量增加，左岸岸顶地形较高，上坝困难；坝轴线与水流流向有一定的角度，对建筑物的作用力不利，且建筑物泄流流态也不利。

Ⅰ～Ⅰ坝轴线河岸较平直有利于下泄水流衔接，坝长适中。

左岸较缓，有利于布置上坝公路。

通过以上可以看出，坝轴线选择金盘河谷坝址处Ⅰ～Ⅰ坝轴线。

3．3坝型选择

3．3．1初步选择

坝型选择要根据地形条件、地质条件、筑坝材料、施工条件、气候条件及坝基处理等各种因素综合进行比较，选定技术上可靠、经济上合理的坝型。

（1）地质条件：

由于坝址河床覆盖的是砂卵石，厚8m～15m，如果修建混凝土坝，需要大量开挖，并相应增加混凝土方量，且施工时排水困难，故不宜修建刚性坝。

而适于修建土石坝。

由于坝基砂卵石渗透系数为1.35×10－1cm/s，透水性较强，如果修建均质砂坝，坝基和坝体漏水较多，故也不宜修建均质砂坝。

（2）地形条件：

右岸山岩较高，可开挖溢洪洞或溢洪道；左案有一单薄分水岭，可开挖修建泄洪洞，最大埋深160m～180m。

（3）筑坝材料：

砂砾石料场位于黒峪口大桥下800m～5km的黑河漫滩上，储量较大，但若修建混凝土面板坝，因其透水性不如堆石，宜受渗透压力影响，需专门设置排水体，负责地震时，可能产生孔隙水压力。

故若修建面板坝，首先考虑混凝土面板堆石坝。

（4）施工条件：

该地区夏季会经常出现雷阵雨，降雨强度大，雨后不能马上施工，故不宜修建粘土均质坝。

粘土斜墙坝较粘土心墙坝施工干扰大、适应变形能力差、抗震性能差，故不考虑粘土斜墙坝。

3．3．2综合分析

该坝区宜修建粘土心墙坝或混凝土面板堆石坝，最终选择那种坝型，还需作进一步比较分析。

（1）混凝土面板堆石坝比粘土心墙坝的坝坡稳定性好。

（2）防渗板位于堆石体上面，承受水压力的性能好，坝体透水性比粘土心墙坝好，几乎不受渗透水压力的影响。

（3）混凝土面板堆石坝比粘土心墙坝的抗震性能好、地震变形小，不因地震而产生孔隙水压力。

（4）混凝土面板堆石坝比粘土心墙坝的施工导流与度讯方便。

（5）混凝土面板堆石坝比粘土心墙坝受气候的影响较小。

（6）混凝土面板堆石坝比粘土心墙坝施工干扰少。

综合考虑该坝型为：

混凝土面板堆石坝。

3．4枢纽布置

黑河水利枢纽主要由挡水建筑物、泄水建筑物、引水及电系统三大部分组成（详见设计附图）。

根据枢纽区的地形、地质条件以及当地建筑材料分布情况，结合水库调洪、供水等要求，对各建筑物的布置情况简述如下：

拦河坝为面板堆石坝，最大坝高129.15m。

单薄山梁防渗系统位于金盆东岭和北岭处，采用灌浆帷幕防渗，帷幕线全长1390m；

泄洪洞布置于左岸，穿过单薄山梁，采用塔式深孔进水口、进水口堰顶高程540m,孔口尺寸10m×10m，弧门控制，塔后接圆拱直墙型明流洞，出口接挑流鼻坎。

溢洪洞布置在右岸，采用表孔溢流堰进水口，进口底板高程540m，孔口尺寸10m×10m，弧门控制，闸室后接圆拱直墙型明流洞；

引水洞布置在右岸，进口采用分层取水放水塔，塔后接洞径3.5m压力隧洞，出口与黑河引水渠道系统连接；

电站布置在坝下游右岸，发电支洞与引水洞相接，利用城市供水和农灌供水发电，电站尾水与引水洞出口明渠相接。

3．5溢洪洞设计

3．5．1简述

溢洪洞位于大坝右岸，其主要任务是泄洪。

溢洪洞在立面上采用“龙抬头”的形式进行布置，洞身横断面为圆拱直墙型，断面尺寸由12×14.725m变为10×11.5m。

溢洪洞进口设溢流堰，堰顶高程为▽578.00，出口为▽495.07，总落差82.93m。

洞身为园拱直墙型钢筋混凝土衬砌结构，厚度分别为1.0m和0.6m。

设计洪水位▽593.73下泄流量Q设=1492m3/s，校核洪水位▽599.36下泄流量Q校=2361m3/s。

洞内最大单宽流量220m3/s，最大流速42.49m/s。

3．5．2工程总体布置

溢洪洞位于大坝右岸，斜穿右坝肩山体分水岭。

洞轴线与坝轴线相交于溢0+327.962m处，洞轴线方位角北偏西17°0′0″，与坝轴线水平夹角84°3′26″。

溢洪洞位于大坝右岸，由引渠段、控制段、平洞段、明渠段何出口消能段构成，总长632.937m。

桩号0-004.509m以前为进口引渠段（护坦桩号为0-04.509～0-045.970），底板高程▽572.00，桩号0-004.509～0+030.301m为闸室段，属开敞式表孔单孔闸，是溢洪洞的水流控制性建筑物。

闸室段主要由溢流堰、叠梁检修闸门、弧形工作闸门、液压泵站、叠梁启闭机排架以及叠梁门库等组成。

闸孔宽12m，闸室进口底板高程▽572.00m，闸室末端高程▽474.974m，闸墙顶高程▽601.15m。

溢流堰堰型采用WES标准剖面堰，堰顶高程▽578.00m。

叠梁检修闸门和弧形工作闸门设置在堰顶上。

堰面曲线方程y=0.0.0474X1.85,堰面曲线与下游1:

1.4陡坡段相切于桩号0+011.804m。

桩号溢0+011.804m～0+091.390m为陡坡直线段，底坡比为1：

1.4。

桩号溢0+091.390m～0+147.014m为反弧段，反弧半径100.000m，圆心角34°6′17″，相应洞底底板高程▽516.569m～▽498.000m.。

桩号溢0+147.014m～0+447.014m为平洞段，底坡坡降i=1/40。

溢洪洞洞身段为无压洞，横截面为圆拱直墙型，洞高12m，洞宽12m，其中直墙高10m，顶拱半径R=7.12m，圆心角θ=114°53′50″。

桩号溢0+447.014m～0+547.014m为明槽段，明槽断面形式为矩形。

明槽段侧墙最大高度14.6m，墙顶高程▽504.500m。

桩号溢0+547.014m～0+586.967m为挑流鼻坎段，挑流鼻坎反弧半径为100m，圆心角为23°25′56″，坎顶高程495.07m，坎底齿墙最低高程为472.0m。

挑射角22°。

桩号溢0+589.967m～0+619.967m为下游护坦段。

3．5．3溢洪洞设计

（1）定型设计水头Hd选择

通过调洪演算，溢流堰顶高程确定为578m，堰上定型设计水头Hd＝Hmax（0.75～0.95），堰上最大水头Hmax＝599.36－578＝21.36取堰上定型设计水头Hd＝16m，是比较合理的。

（2）确定堰面曲线

根据规范及工程经验，堰顶上游采用三圆弧曲线，下游为幂曲线，如图6-1所示。

幂曲线方程为：

故可得幂曲线方程为：

（3）剖面衔接计算

①直线段和堰面曲线切点xc、yc确定。

对

求导得，

，直线段坡率为1：

1.4，所以，由

，可以得到xc=11.804,带入幂曲线方程得yc=4.5576。

图6－1

②直线段和反弧段切点D、反弧圆心坐标O’及反弧与平洞段切点E的确定。

初拟E点高程498m，即yE=80,平洞段底坡1：

40，反弧半径按（0.5～1.0）hmax确定,hmax=599.36-493.7=105.66,故初拟反弧半径R=100m。

各典型点坐标计算示意图见图6-2。

图6－2

根据几何关系得：

=80-100×cos（atan0.025）=-19.969

=-19.969+100cos（atan（1/1.4））=61.404

由

，

=91.390

=149.514

=147.014

③平洞段出口与挑流鼻坎衔接计算

如图6-3所示，

图6－3

以F点为基点，由几何关系得：

＝100×sin（atan0.025）+100×sin22°=39.953m，

＝100×cos（atan0.025）-100×cos22°=7.248m。

根据溢洪洞洞轴线处地质纵剖面图以及平洞段底坡i=0.025,拟定F点高程为488m，故可得G点高程为495.25m，满足比下游最高水位593.7高1～2m得一般要求。

3．5．4平洞段水面线

（1）计算校核工况反弧水深

Q=2361m3/s,堰前水深 H=599.36-498=101.36m，堰前流速

=7.191m/s,故

=104.00m，由式（6-1）可算得反弧段水深：

（6-1）

反弧段水深h=4.69m，近似取平洞段起始断面水为4.69m，计算平洞段水面线。

（2）定性分析水面线形式

平洞段底坡i=0.025<0.1，不考虑底坡影响。

m3/s·m，

流速不均匀系数取α＝1.05，

临界水深为：

m（6-2）

正常水深由式（5－3）计算

（6-3）

经试算得，正常水深h0=9.17m

在陡坡中，通常为急流，又h

（3）计算水面线

平洞段水面线根据规范要求，采用分段求和法推算，以确定溢洪洞平洞段的断面尺寸和直墙高度，分段求和法计算公式如式（6-4）：

（6-4）

式中：

ΔL1-2——分段长度，m；

h1、h2——分段始末断面水深m；m3

v1、v2——分段始末断面平均流速，m/s；

α1、α2——流速分布不均匀系数，取1.05；

θ——底坡角度；

J——糙率系数；

i——底坡。

计算结果如表6－2，其中起始断面为平洞起始断面，即桩号溢0+147.014m，终止断面为桩号溢0＋547.014m。

表6-2校核洪水工况溢洪洞平洞段水面线计算表

断面

h（m）

A（m2）

v（m/s）

v2/2g

Es

ΔEs

R

J

i-J

Δs（m）

S（m）

ha

1

4.69

56.28

41.96

89.72

94.41

-0.38

2.63

0.07

-0.04

0

7.445

8.563

2

4.7

56.4

41.87

89.34

94.04

-3.68

2.64

0.069

-0.04

8.563

7.455

86.9

3

4.8

57.6

40.99

85.65

90.45

-3.46

2.67

0.065

-0.04

95.47

7.555

89.54

4

4.9

58.8

40.16

82.19

87.09

-6.32

2.7

0.062

-0.03

185

7.655

187.8

5

5.1

61.2

38.58

75.87

80.97

-0.83

2.76

0.055

-0.03

372.8

7.855

27.5

6

5.128

61.536

38.37

75.05

80.17

-2.06

2.76

0.055

-0.03

400.0

7.883

从表5－2可知，最大掺气水深7.883m，按SL279－200《水工隧洞设计规范》要求，在掺气水面线以上的空间宜为断面面积的15％～25％，当采用圆拱直墙形断面时，水面线不宜超过直墙范围。

现洞高12m，直墙高度为10.00m，洞宽12m，顶拱半径R=7.12m，圆心角θ=114°53′50″，经计算最小净空面积为35％，满足规范要求。

6．5．5挑距和冲坑深度计算：

水舌挑射距离按水舌外缘计算，其估算公式为

（6-5）

式中L——水舌挑距，m；

g——重力加速度，9.81m/s2；

v1——坎顶水面流速，m/s，约为鼻坎处平均流速v的1.1倍；

θ——挑射角度；

h1——坎顶平均水深h在铅直向的投影，h1=hcosθ；

h2——坎顶至河床面的高程，m。

鼻坎处平均水深近似取平洞段出口水深h=9.43m，挑射角θ按经验值取22°，h1=hcosθ=8.74鼻坎处平均流速近似取平洞段出口流速，

=20.86m/s，故v1=1.1v=22.95m/s，h2＝495.07－487＝8.07m，故

＝62.23

冲坑最大水垫深度按下式估算：

查表得K=1.2～1.5取K=1.2，q＝2361÷12＝196.75m2/s，Z＝599.36-493.7＝105.66m，可求得T＝53.97m，尾水高度h=493.7-487=6.7m，Tk=T-h=47.26m。

3．6泄洪洞设计

3．6．1简述

泄洪洞是金盆水利枢纽的主要泄洪建筑物之一。

其主要任务