挡水坝初步设计说明书.docx
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本科生课程设计任务书
2013—2014学年夏季学期
水利与土木工程学院农业水利工程专业
课程设计名称：
水工建筑物课程设计
设计题目：
温泉水库枢纽——挡水坝初步设计（2-6）
完成期限：
自2014年7月15日至2014年7月26日，共2周
1．枢纽概况
本工程以形成环境景观水库为主，工程建成后，可以形成60000~70000m2面积的水域，蓄水30万m3，可以在一定程度上减少流域内的水土流失，减轻山洪对下游村镇、交通线路的危害，进一步改善和美化环境，调节小气候，改善周边植物生长条件。
同时为农业灌溉和生活用水提供补充水源。
水库枢纽主要建筑物有挡水坝、溢洪道、引水管等。
2.设计要求
根据所给资料进行枢纽工程设计，要进行设计构思、方案论证、计算分析、编制工程图、编制毕业设计说明书等。
各阶段要求详见课程设计指导书。
3.设计内容
（1）枢纽布置，包括枢纽方案选择，大坝的平面布置。
（2）挡水坝的剖面和构造设计
（3）挡水坝的渗流设计
（4）挡水坝的稳定设计
4.设计成果及要求
（1）计算说明书一份，字数不应少于1万字。
（2）CAD绘制A2号图纸一张：
在地形图上绘制枢纽平面布置图，在地质剖面图上绘制下游立视图，交电子版图纸。
手绘1号图纸一张：
大坝典型剖面图，细部结构图2~3个（项目自定），比例尺自定。
5．主要参考文献
（1）碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）.北京：
中国水利水电出版社，2002
（2）林继镛主编.水工建筑物（第四版）.北京：
中国水利水电出版社，2006
指导教师（签字）：
系主任（签字）：
批准日期：
2014年6月25日
目录
1．设计基本资料 3
1．1枢纽概况 3
1．2流域概况 3
1．3枢纽任务和规划数据 3
1．3．1特征水位 3
1．3．2防洪标准与安全泄量 3
1．4自然条件 4
1．4．1地形 4
1．4．2地质 4
1．4．3水文气象 5
1．5建筑材料 6
1．6其它资料 7
1．6．1外来材料 7
1．6．2交通 7
1．6．3施工动力、劳动力情况 7
2．枢纽布置 7
2．1工程等别及建筑物级别 7
2．1．1水库枢纽建筑物组成 8
2．1．2工程规模 8
2．2坝址及坝型的选择 9
2．2．1坝址的选择 9
2．2．2坝型选择 9
2．2．3泄水建筑物型式的选择 9
2．3枢纽建筑物的平面布置 10
3．坝工设计 10
3．1坝型选择 10
3．2坝体断面设计 11
3．2．1坝顶宽度 11
3．2．2坝底高程 11
3．2．3坝坡与马道 11
3．2．4坝顶高程 12
3．2．5防渗设施 16
3．2．6排水设施 17
4．挡水坝渗流计算 18
4．1单宽渗流量计算 18
4．2总渗流量计算 26
5．稳定计算 25
5．1基本原理与计算方法 25
5．2安全系数试算 26
1．设计基本资料
1．1枢纽概况
本工程以形成环境景观水库为主，工程建成后，可以形成60000~70000m2面积的水域，蓄水30万m3，可以在一定程度上减少流域内的水土流失，减轻山洪对下游村镇、交通线路的危害，进一步改善和美化环境，调节小气候，改善周边植物生长条件。
同时为农业灌溉和生活用水提供补充水源。
水库枢纽主要建筑物有挡水坝、溢洪道、引水管等。
1．2流域概况
白家疃沟发源于京郊香山北麓，自南而北流经海淀区温泉镇，为温榆河水系之南沙河的支流，流域面积4.2km。
拟建的温泉水库坝址位于温泉镇白家疃村南、白家疃沟出山口的河道狭窄处。
距温（泉）颐（和园）公路约1.5km，有简易公路相通。
工程区距中关村科技开发区约15km，距上地科技园区约10km，距颐和园亦仅13km，水库上游及下游均有密集的住宅区。
坝址以上主沟长2.95km，流域面积2.90km2，沟底平均坡降11.3%。
1．3枢纽任务和规划数据
本工程以形成环境景观水库为主，工程建成后，可以形成60000~70000m2面积的水域，蓄水30万m3，可以在一定程度上减少流域内的水土流失，减轻山洪对下游村镇、交通线路的危害，进一步改善和美化环境，调节小气候，改善周边植物生长条件。
同时为农业灌溉和生活用水提供补充水源。
水利枢纽经过可行性研究，提出如下参数作为建筑物设计依据。
1．3．1特征水位
表1-1水库特征水位
正常蓄水位
98.00m
设计洪水位（2%）
99.7m
校核洪水位（0.5%）
100.0m
注：
下游无水
1．3．2防洪标准与安全泄量
考虑到工程特点及工程区下游现状和未来的发展，设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为200年一遇。
表1-2防洪标准与安全泄量
洪水标准
洪水流量
安全泄量
50年一遇（P=2%）
77m3/s
50
200年一遇（P=0.5%）
100m3/s
60
1．4自然条件
1．4．1地形
工程区位于九龙山——碧云寺向斜东北翼。
在微地貌上处于山前过渡区，相对高度20~100m。
库区左岸为冲积——洪积堆积阶地，阶面由北向南逐渐抬升，高程自左坝头至库尾由100m递升至120m，平均坡比0.056。
库盘区为河漫滩。
坝址位于沟口河道狭窄处，沟底河道宽约35m，高程84.50m。
1．4．2地质
（1）水库区工程地质条件
水库区为一由西北方向（坝前）向东南方向渐扩的扇形谷地，北、东、南三面环山，相对高差20~80m，西面为山前堆积阶地，相对高差10~15m。
库区内第四纪冲积——洪积层广为分布，厚度在15m以上，水库的北、东、南三面及库盆下，基岩均为石炭——二叠系或二叠系地层，透水性弱。
西面广泛分布的洪积碎石（含粉质土）层，以及坝下沉积的粉质粘土、漂石夹粉质粘土层，是未来渗漏的主要设防地段，也是影响大坝安全的主要因素。
淹没损失小，无浸没及大的库岸稳定和淤积问题。
在地质构造上，处于九龙山——碧云寺向斜东北翼端部的转折端。
基岩内节理、裂隙发育，但未发现较大规模断裂构造，区域稳定性好。
基岩中分布有裂隙潜水。
第四系松散层中有孔隙潜水，水面埋深13.40~15.5m，其补给来源为大气降水及山区基岩裂隙水，其排泄流向基本上与河道流向一致。
（2）坝址工程地质条件
坝址区呈“U”形河谷，谷底宽约35m，高程84.50m。
上部（高程100m处）宽约120m，主河道由南向北流经库区后，改向为由南东向北西方向穿过坝址。
谷底沉积有深达19.60m的第四系沉积层。
左坝头亦为山前冲积——洪积阶地沉积物。
右坝头为古生代二叠纪板岩，其产状为倾向南，倾角50°。
未发现较大规模断裂构造。
板岩为黄绿色，主要成分为粘土矿物，含白云母、绢云母和绿泥石等变质矿物，节理、板理发育，裂隙面上有氧化铁薄膜，裂隙中有红色粘土充填。
露头岩石呈强风化。
经分析和钻探资料证实，坝基覆盖层下基岩亦为板岩。
坝基覆盖层表层为卵砾石，向下依次为碎石、漂石、粉土层等，其中的孔隙潜水水面埋深13.5m。
岩性在水平方向和垂直方向均存在明显的交替、穿插，透水性变化较大。
对分布于坝基和左坝头的覆盖层，需采取可靠有效的防渗措施，方能确保大坝安全和水库的正常运转。
1．4．3水文气象
流域内无水文测站和气象站。
可参照借鉴的颐和东闸站和昌平站，至水库的直线距离分别为12km和20km。
（1）河流水文特性：
白家疃沟为间歇性河流，除遇较大降雨时沟中有径流外，一般均为干沟。
根据北京市山区水文资料，流域多年平均降水量640mm，多年平均径流深为240mm（相应多年平均年径流量为69.6´104m3）。
代表性水文年的年径流量如表1-3所列。
表1-3代表性水文年的年径流量
代表性水文年
丰水年（P=25%）
平水年（P=50%）
枯水年（P=75%）
年径流量（m3）
91.4´104
55.1´104
30.5´104
（2）洪水：
历史资料说明，洪水多发生在7~8月，洪水过程多为单峰型，一次洪水历时不超过15h。
设计洪水过程线见表1-4。
表1-4典型洪水过程线
时段（天）
0
0.5
1.0
1.5
2
3
4
5
6
流量（m3/s）
0
17.3
77.0
55.0
38.6
25.2
18.8
14.2
11.2
（3）库水位与面积、库容关系见表1-5。
表1-5水库高程与面积、库容关系
高程（m）
面积（m2）
库容（m3）
86
785
461
87
3001
2354
88
7249
7479
89
11715
16961
90
17975
31806
91
20768
51177
92
26279
74701
93
32390
104035
94
34301
137381
95
38294
173678
96
44086
214868
97
46898
260360
98
51246
309432
（4）气候条件
据现有资料，工程区属于温带大陆季风气候，多年平均气温11.7°C。
多年平均陆面蒸发量450mm。
（5）泥沙
坝址以上流域面积内，林木茂密，植被良好，水土流失较轻。
（6）蒸发
流域内多年平均陆面蒸发量为450mm。
根据北京市水文手册资料，按20cm口径蒸发器测量库区内多年平均水面蒸发量为1950mm。
（7）其它
洪水期多年平均离地面10m高的最大风速v=20m/s，吹程D=400m，风向垂直上游坝面。
冻土深1.0m。
坝顶交通要求通行单行道（7m）。
坝、库区基本地震烈度为6°。
1．5建筑材料
坝基覆盖层表层为卵砾石，向下依次为碎石、漂石、粉土层等。
土坝心墙或斜墙所需粘土料，可满足要求。
水库西面广泛分布着洪积碎石（含粉质土）层，料场位于上游左岸1km，交通方便，可利用的碎石储量可达120万m3左右。
粘土料颗粒组成见表1-6：
表1-6粘土颗粒组成
粒径
20-2mm
2-0.5mm
0.5-0.05mm
0.05-0.005mm
<0.005
合计
含量（％）
2.06
9.20
2.03
35.4
51.3
100
各种材料的物理力学性质见表7。
表1-7各种材料物理力学性质
土料
特性
粘土
砂砾石、碎石
钢筋混凝土
比重
2.70
2.64
干土容重（kN/m3）
16.66
19.6
天然容重（kN/m3）
19.5
20.6
浮容重（kN/m3）
10.49
12.35
含水量
17%
塑性指标
11
渗透系数（cm/s）
5×10-6
坝身5×10-3 坝基1×10-3
3.7×10-7
内摩擦角φ’
水上22°水下19°
水上35°水下32°
凝聚力c’（kN/m2）
水上16.52 水下13.72
1．6其它资料
1．6．1外来材料
工程使用的主材——水泥、钢材等，均可市购。
其他生活、生产资料，均可由当地采购。
1．6．2交通
工程场区位于白家疃村南1.0km，距温（泉）颐（和园）干线公路1.5km，且有简易公路通过坝址和库区（其中有0.5km公路需在工程建设前改线建设）。
1．6．3施工动力、劳动力情况
施工用水（仅限于搅制混凝土和生活用水）由当地供水管网供给。
施工用电直接接入当地电网，只增加一台变压器与相应数量的控制开关即可。
当地有很多闲散劳动力。
2．枢纽布置
2．1工程等别及建筑物级别
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：
挡水坝、溢洪道、引水管等。
2．1．2工程规模
枢纽布置应做到安全可靠，经济合理，施工互不干扰，管理运用方便。
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：
表2-1水利水电工程分等指标
注：
1、水库总库容指水库最高水位以下的静库容；
2、治涝面积和灌溉面积均指设计面积。
表2-2永久性水工建筑物级别
根据拟设计枢纽的工程规模以及在国民经济有关部门的重要性进行分等分级。
枢纽等别根据《碾压式土石坝设计规范》（DL/T5395—2007，后简称《规范》）中五项指标中最大的一项确定，建筑物的级别根据《规范》相应确定。
本工程以形成环境景观水库为主，工程建成后，可以形成60000~70000m2面积的水域，蓄水30万m3，可以在一定程度上减少流域内的水土流失，减轻山洪对下游村镇、交通线路的危害，进一步改善和美化环境，调节小气候，改善周边植物生长条件。
同时为农业灌溉和生活用水提供补充水源。
由于蓄水面积在0.001~0.01×108m3范围内，但以景观为主，兼有补充水源的作用，故工程规模属小
（1）型，工程等别为Ⅴ等，本枢纽中的主要建筑物，除挡水建筑物为4级水工建筑物，溢洪道、灌溉渠道、水库放空隧洞为5级水工建筑物，次要建筑物筏道为5级水工建筑物。
2．2坝址及坝型的选择
2．2．1坝址的选择
《规范》要求坝轴线应根据坝址区的地形地质条件、坝型、坝基处理方式、枢纽中各建筑物（特别是泄洪建筑物）的布置和施工条件等，经多方案的综合技术经济比较确定。
本工程坝址位于沟口河道狭窄处，沟底河道宽约35m，高程84.50m。
2．2．2坝型选择
坝型选择关系到整个地形的工程量、投资的工期，除筑坝材料是坝型选择的主要因素外，还要根据地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理方案、抗震要求等各种因素进行研究比较，最后选定技术上可靠、经济上合理的坝型
本工程场区位于白家疃村南1.0km，距温（泉）颐（和园）干线公路1.5km，且有简易公路通过坝址和库区（其中有0.5km公路需在工程建设前改线建设），交通较便宜。
但从外运入筑坝材料，工程投资将会有所增加，重力坝需要大量混凝土或浆砌石材料，不能利用地基开挖的材料，且材料造价较高，因此不采用重力坝；拱坝对地质和地形要求较高，本工程坝轴位置地形不对称，如采用拱坝，设计施工十分复杂，因此不宜选择拱坝；坝基覆盖层表层为卵砾石，向下依次为碎石、漂石、粉土层等，土坝心墙或斜墙所需粘土料均可满足要求，可就地取材，水库西面广泛分布着洪积碎石（含粉质土）层，料场位于上游左岸1km，交通方便，且在所有的坝型中，土石坝由于基础面积较大，承担的应力较低，对地基要求低,所以选择土石坝。
2．2．3泄水建筑物型式的选择
泄水建筑物的布置和结构型式，应根据地形、地质条件和泄洪规模、水头大小和防沙要求等综合比较后选定。
本工程中的土石坝可以采用岸边溢洪道进行泄水。
土石坝常采用正槽式溢洪道，即泄水槽与堰上水流方向一致，水流平稳，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。
根据枢纽布置原则，枢纽中的泄水建筑物应做到安全可靠、经济合理、施工互不干扰、管理运用方便。
枢纽布置应满足以下原则：
枢纽中的泄水建筑物应满足设计规范的运用条件和要求。
选择泄洪建筑物形式时，宜优先考虑采用开敞式溢洪道为主要泄洪建筑物。
泄水引水建筑物进口附近的岸坡应有可靠的防护措施，当有平行坝坡方向的水流可能会冲刷坝坡时，坝坡也应有防护措施。
应确保泄水建筑物进口附近的岸坡的整体稳定性和局部稳定性。
当泄水建筑物出口消能后的水流从刷下游坝坡时，应比较调整尾水渠和采取工程措施保护坝坡脚的可靠性和经济性，可采取其中一种措施，也可同时采用两种措施。
对于多泥沙河流，应考虑布置排沙建筑物，并在进水口采取放淤措施。
溢洪道应选择在地形开阔、岸坡稳定、岩土坚实和地下水位较低的地点，宜选用地质条件好良好的天然地基。
壤土、中砂、粗砂、砂砾石适于作为水闸地基，尽量避免淤泥质土和粉砂、细砂地基，必要时应采取妥善处理措施。
2．3枢纽建筑物的平面布置
挡水建筑物：
土石坝按直线布置在坝址上。
泄水建筑物：
开敞式正槽溢洪道布置在大坝右侧。
3．坝工设计
3．1坝型选择
《规范》指出，影响土石坝坝型选择的因素很多，其主要的是坝址附近的筑坝材料，还有地形与地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理、抗震要求等。
通过对各种因素进行比较，选定技术上可行，经济上合理的坝型。
上述因素中相对而言，地质条件、可用的建筑材料及费用估算更为重要。
心墙坝的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；使其因坝主体的变形而产生裂缝的可能性小，粘土用量少，受气候影响相对小，粘土心墙冬季施工时暖棚跨度比斜墙小。
移动和升高较便利。
而斜墙坝由于抗剪强度较低的防渗体位于上游面，故上游坝坡较缓，坝的工程量相对较大。
斜墙岁霸体的沉降变形也较为敏感，与陡峻河岸的连接较困难。
本工程中场区土料满足心墙坝的筑坝所用，且便于设计计算和施工，因此采用心墙坝。
3．2坝体断面设计
3．2．1坝顶宽度
根据交通及运用要求确定坝顶宽度。
高坝（坝高>70m）不小于10-15m；中、低坝不小于5-10m；《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）建议：
坝高30m以下的4、5级坝其坝顶宽度可取3-6m。
本工程要求坝顶交通要求通行单行道（7m），故坝顶宽度确定为7m。
3．2．2坝底高程
地基覆盖层表层为卵砾石，需进行清除。
根据坝址工程地质剖面图，可知卵砾石覆盖层深度约为1m，。
清基后坝底高程为83.5m。
3．2．3坝坡与马道
（1）坝坡坡度
表3-1上下游边坡比
坝高（m）
上游
下游
10
1：
2～1：
2.5
1：
1.5～1：
2
10～20
1：
2.25～1：
2.75
1：
2～1：
2.5
20～30
1：
2.5～1：
3
1：
2.25～1：
2.75
30
1：
3～1：
3.5
1：
2.5～1：
3
根据资料，本工程土石坝高度在10~20m范围内，故定上游坝坡取1：
2.5，下游坝坡1：
2.25。
（2）护坡
《规范》要求坝表面为土、砂、砂砾石等材料时应设专门护坡，本工程土石坝选用砌石护坡，单层砌石石块直径选为0.2~0.35m，下面垫0.15~0.25m的碎石或砾石。
根据《规范》护坡的覆盖范围应按以下要求确定：
1、上游面上部应由坝顶算起，如设防浪墙时应与防浪墙连接：
下部至死水位以下不宜小于2.50m，对4级、5级坝可减至1.50m，最低水位不确定时应至坝脚。
2、下游面应由坝顶至排水棱体，无排水棱体时应至坝脚。
因此，本工程土石坝上游面护坡选为单层直径为0.3m左右的浆砌石，下面垫0.2m厚的碎石，下部至坝脚；下游面选为单层直径为0.3m的干砌石，下部至排水棱体。
（3）马道
马道的设计应考虑坝型、坝高、坝体及坝基土石的性质与其密实度、坝体所承受的荷载以及坝的施工和运用条件等因素拟定坝坡或根据经验拟定等。
如果需要设置马道应在上下游变坡处设置。
《规范》规定，土质防渗体分区坝和均质坝上游坡宜少设马道。
一般在下游坡每隔10m~30m设置一条马道，根据目前坝的发展，上游坝坡除观测需要外，已趋向不设马道，下游坝坡也趋向于不设和少设马道。
本工程土石坝为10~20m的低坝，故上游不设马道，下游1/2高度处设一宽度为2m的马道，且于马道内侧设一排水沟，坡度不变。
图3-1坝坡尺寸示意图
3．2．4坝顶高程
根据坝顶高程在地形图上沿坝轴线选取最大高度的土坝断面进行设计。
根据已给的洪水位，考虑风浪及安全加高等，确定坝顶及防浪墙顶高程等。
坝顶高程或坝顶上游防浪墙顶的高程按下式计算，并选用较大值：
坝顶高程=设计洪水位+正常运用条件的
=校核洪水位+非常运用条件的
坝顶静水位超高值：
式中：
——波浪在坝坡上的设计爬高，m；
——风壅水面高度，m，即风壅水面超出原库水位的高度；
——安全加高，m，根据坝的级别按规范选取。
计算详见表3-4。
（1）安全加高
表3-1安全加高A值
工况
坝的级别
1级
2级
3级
4、5级
设计、正常
1.5
1.0
0.7
0.5
校核
0.7
0.5
0.4
0.3
本工程土石坝坝的级别为5级，则正常使用工况和设计工况的安全加高A=0.5m，校核工况的安全加高A=0.3m。
（2）风壅水面高度
式中：
K——综合摩阻系数，取；
v——计算风速，5级坝在正常运用条件下，采用多年平均离地面10m高的最大风速的1.5倍；非常运用条件下，采用多年平均年最大风速，离地面10m高的最大风速为20.0m/s；
D——风区长度，为400m；
β——计算风向与坝轴线法线的夹角，风向垂直上游坝面，即β为0o；
Hm——水域平均水深，取坝前水深H的2/3。
表3-2风壅水面高度计算表格
项目
设计洪水位
校核洪水位
高程/m
99.7
100.0
坝前水深H/m
16.2
16.5
平均水深Hm/m
10.8
11.0
风壅水面高度e/m
正常运用x10-3/m
6.12
非常运用x10-3/m
2.67
（3）波浪平均波高和波长的计算
莆田公式：
v——计算风速，5级坝在正常运用条件下，采用多年平均离地面10m高的最大风速的1.5倍；非常运用条件下，采用多年平均年最大风速，离地面10m高的最大风速为20.0m/s；
本设计采用累计频率5％时的平均波高，查《规范》得：
。
计算详见表3-3。
（4）平均波浪爬高的计算
式中：
——平均波浪爬高，m；
——单坡的坡度系数，为2.5；
——斜坡的糙率渗透性系数，根据护面类型为砌石，取；
——经验系数，查表得到。
本设计采用累计频率5％时的平均爬高，查《规范》得：
计算详见表3-3。
表3-3波浪爬高计算表
项目
设计洪水位（正）
校核洪水位（非）
高程/m
99.70
100.00
坝前水深H/m
16.20
16.50
v/√gH
2.38
1.57
Kv
1.141
1.023
平均波长Lm/m
9.75
6.26
平均波高hm/m
0.32
0.20
频率波高hp/m
0.62
0.39
平均爬高Rm/m
0.58
0.33
频率爬高Rp/m
1.07
0.61
表3-4坝顶高程计算表
项目
设计洪水位
校核洪水位
高程/m
99.7
100.0
波浪爬高R/m
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