水利枢纽工程毕业设计计算书.doc

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河海大学函授本科2015级

毕业设计计算书

设计题目:

E江水利枢纽设计

专业年级:

河海水工2015级

学号:

3120152281

姓名:

曾致雷

指导老师:

郭海庆

福建水利电力职业技术学院继教中心

2017年3月

1调洪演算 1

1.1泄洪能力 1

1.2调洪演算 1

2大坝轮廓尺寸的拟定 3

2.1坝顶高程计算 3

2.2坝顶宽度 5

2.3坝坡与马道 6

2.4坝体排水 6

2.5大坝防渗体 6

3土料设计 8

3.1粘性土料设计 8

3.2坝壳砂砾料设计 10

4渗流计算 12

4.1计算方法 12

4.2计算断面及计算情况的选择 14

4.3计算结果 14

4.4渗透稳定验算 15

5稳定计算 16

5.1计算方法 16

5.2上下游坝坡折线滑动法计算 16

5.3稳定成果分析 16

6基础处理部分 18

6.1河床部分 18

6.2坝肩处理 18

7细部构造设计 20

7.1坝的防渗体，排水设备 20

7.2反滤层设计 20

7.3护坡设计 20

7.4坝顶布置 21

8隧洞的体型设计 22

8.1进口建筑物 22

8.2洞身断面型式和尺寸 23

8.3出口消能段 23

9隧洞的水力计算 24

9.3计算工况 24

9.4平洞段底坡的确定 24

9.5洞内水面曲线 24

9.6出口消能验算 25

10隧洞的细部构造 27

10.1洞身衬砌 27

10.2衬砌分缝、止水 27

10.3灌浆 27

10.4排水 27

10.5掺气槽 27

10.6锚筋加固 27

1、调洪演算

1.1泄洪能力

本次根据确定的泄洪方式，进行泄流能力分析，根据无压隧洞自由计算其过流能力，泄流公式按下式计算。

m——自由出流系数，取0.485；

b——溢流孔宽；

H0——H0=H+αv2/2g，H堰上水头，考虑上游堰前水域开阔，取H0=H。

E江水库泄洪设施不同方案的泄流能力曲线见表1-1。

E江水库泄洪设施不同方案的泄流能力曲线表

表1-1

堰顶水头

H（m）

b=6m

泄流量

（m3/s）

堰顶水头

H（m）

b=7m

泄流量

（m3/s）

堰顶水头

H（m）

b=8m

泄流量

（m3/s）

1.0

12.9

1.0

15.0

1.0

17.2

3.0

67.0

3.0

78.1

3.0

89.3

5.0

144.1

5.0

168.1

5.0

192.1

7.0

238.7

7.0

278.5

7.0

318.3

9.0

348.0

9.0

406.0

9.0

464.0

11.4

496.1

11.4

578.8

11.4

661.5

13.0

604.2

13.0

704.9

13.0

805.6

15.0

748.8

15.0

873.6

15.0

998.4

17.0

903.5

17.0

1054.1

17.0

1204.6

20.0

1152.9

20.0

1345.0

20.0

1537.2

1.2调洪演算

根据地形和地质资料泄洪洞布置时进口地高程为可取2800m，而水库汛限水位取等于正常蓄水位为2820.50m，因此需要确定泄洪洞进口堰顶高程，以满足泄洪洞产生无压过流以、工程经济性和下游防洪限制泄量的要求，本设计拟订五组方案进行比较，调洪演算成果见表1-2。

调洪演算成果表

表1-2

方案

堰顶高程

△z（m）

洞宽

B（m）

工况

下泄流量

Q（m3/s）

库容

V（万m3）

库水位

Z（m）

一

2810m

设计

672.6

41123

2822.60

校核

753.7

43216

2823.58

二

2805m

设计

1040.4

39475

2821.85

校核

1114.2

41200

2822.63

三

2810m

设计

1089.2

41566

2822.80

校核

1650.7

43891

2823.90

四

2805m

设计

905.5

39848

2822.02

校核

978.4

41839

2822.93

五

2810m

设计

752.2

40704

2822.41

校核

837.4

42693

2823.33

2大坝轮廓尺寸的拟定

大坝剖面轮廓尺寸包括坝顶高程，坝顶宽度、上下游坝坡、防渗体等排水设备。

2.1坝顶高程计算

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）（以下简称“规范”）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条件下的坝顶超高、校核水位加非常运用下的坝顶超高进行计算，因该地区地震烈度为7º，故还需考虑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，最后取以上四种工况最大值，同时并保留一定的沉降值。

坝顶高程在水库正常运用和非常运用期间的静水位以上应该有足够的超高，以保证水库不漫顶，其超高值y按下式计算：

式中：

R——最大波浪在坝坡上的爬高，m；

e——最大风壅水面高度，m；

A——安全加高，m；根据坝的等级，设计运用条件时取1.0m，非常运用条件是取0.5m；

根据“规范”，计算大坝波浪爬高时，所采用设计风速：

正常运用条件下为多年平均最大风速的1.6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，E江水库多年平均最大风速为15.0m/s，最大吹程为12km。

平均波高及平均波长按下式计算：

式中：

hm——平均波高，m；

Tm——平均周期，s；

W——计算风速，m/s；

D——风区长度，m；

Hm——水域平均水深，m；

g——重力加速度，取9.81m/s²；

Lm——平均波长，m。

平均波浪爬高Rm参照“规范”附录A.1.12计算，初步拟定水库大坝上游坝坡为m=2.5，故波浪平均爬高按“规范”附录A.1.12式计算：

式中：

k∆——斜坡的糙率渗透性系数，护面类型为砌石护面确定k∆=0.75；

kw——经验系数，由风速W、坡前水深H、重力加速度g所组成的无维量，查表A.1.12-2得设计条件：

kw=1.00；校核条件：

kw=1.00；

m——斜坡的坡度系数。

最大波浪在坝坡上的爬高设计值R按2级土石坝取累积概率P=1%爬高值R1%计算。

根据计算该水库在设计条件下和校核条件下的累积概率P=1%的经验系数kp值为2.23。

风浪壅高按下式计算：

式中：

K——综合摩阻系数，计算时一般采用K=3.6×10-6；

β——风向与水域中线的夹角；

其他符号同前。

根据以上公式及参数，坝顶超高计算成果见表2-1。

坝顶超高计算成果表

表2-1

工况

水位

（m）

设计

风速（m/s）

平均

波长

（m）

平均

波高

（m）

平均波浪爬高

（m）

风浪壅高

（m）

设计

爬高

（m）

安全

加高

（m）

坝顶

超高

（m）

设计（P=1%）

2822.41

24.0

7.57

0.25

0.38

0.032

0.85

1.0

1.88

校核（P=0.05%）

2823.33

15.0

11.81

0.38

0.59

0.012

1.32

0.5

1.84

由于水库所在地区地震基本烈度7°，按《水工建筑物抗震设计规范》（SL293-97），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，不考虑地震作用的附加沉陷计算。

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）第5.3.3条规定，坝顶高程分别按以下运用情况计算，取其最大值：

（1）设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高：

2822.41+1.88＝2824.29m；

（2）正常蓄水位加正常运用情况的坝顶超高：

2821.4+1.88=2823.28m；

（3）校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高：

2823.33+1.84=2825.17m；

（4）正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全加高：

2821.4+1.84+1.0=2824.24m。

经计算可以看出该大坝坝顶高程由校核情况控制为2825.17m，取2825.2m。

2.2坝顶宽度

坝顶宽度主要取决于交通需要、构造要求和施工条件，同时还要考虑防汛抢险、防空、防震等特殊需要。

根据“规范”规定，坝顶无特殊要求时，高坝的顶部宽度可选用10～15m，中低坝可选用5～10m。

该水库挡水大坝坝基高程为2750，根据计算坝高为75.2m，大于70m，属高坝，故综合各方面因素可取该土石坝坝顶宽度为10m。

2.3坝坡与马道

土石坝的坝面坡度取决于坝高、筑坝材料性质、运用情况、地基条件、施工方法及坝型等因素。

一般是参考以建成类似工程的经验拟定坝坡，再通过计算分析，逐步修改确定。

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。

根据规范规定与实际结合，上游坝坡上部取2.5，下部取3.0，下游自上而下均取2.5，下游在2800m、2775m高程处各变坡一次。

在坝坡改变处，尤其在下游坡，通常设置1.5～2ｍ宽的马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，综合上述等各方面因素其宽度取为2.0ｍ。

2.4坝体排水

由于本地区石料比较丰富，故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，保护下游坝址免受尾水淘刷，并可支撑坝体，增加下游坝坡的稳定性。

按规范棱体顶面高程高出下游最高水位1m为原则，校核洪水时下游水位可由坝址流量水位曲线查得为2755.22m，最后取棱体顶面高程为2756.3m，堆石棱体内坡取1:

1.5，外坡取1:

2.0，顶宽2.0m，下游水位以上用贴坡排水。

2.5大坝防渗体

大坝防渗体的设计主要包括坝体防渗和坝基防渗两个方面。

（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。

该坝体采用粘土斜心墙，其底部最小厚度由粘土的允许坡降而定，本设计允许渗透坡降[J]=5，上游校核洪水时承受的最大水头为73.33ｍ，墙的厚度B﹥73.33/5=14.666ｍ.参考以往工程的经验，斜心墙的顶部宽度取为5ｍ（满足大于3ｍ机械化施工要求），粘土斜心墙的上游坝坡的坡度为1:

0.4～1:

1.0之间，有资料研究认为，斜心墙向上游倾斜的坡度为1:

0.25～1:

0.75时较好，本次设计取为1:

0.4，下游坡度取为1:

0.2，粘土斜心墙的顶部高程以设计水位加一定的超高（超高0.6～0.8m）并高于校核洪水位为原则，最终取其墙顶高程为2823.4ｍ，经计算底宽为19.68ｍ,大于14.666ｍ.墙顶的上部留有1.8m的保护层，并粘土斜心墙顶部向下游倾斜。

（2）坝基防渗

由坝址处地质剖面图，可知该坝基为砂砾石地基，对砂砾石地基防渗措施主要有开挖截水槽回填粘土、混凝土防渗墙、帷幕灌浆等措施。

从材料来看由于附近粘土材料储量较少，故不适合采用粘土截水槽，又根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），80m以内的砂砾石地基可采用混凝土防渗墙，由坝址处地质破面图，该坝基河槽段砂砾石最大层厚为32m，因此该坝基河床中部及两岸坡均采用混凝土防渗墙，根据水工建筑物教材，厚度取0.8m，防渗墙伸入坝体防渗体的长度不小于1/10倍坝高，本次设计取7.5m，防渗墙布置在心墙底面中部偏上，根据“规范”规定墙体底部应深入岩基0.5～1.0m，本次设计取0.5m，岸坡混凝土防渗墙底高程沿岸坡逐渐变化。

3土料设计

筑坝土料的实际与土坝结构设计、施工方案以及工程造价有关，一般力求坝体内材料分区简单，就地、就近取材，因材设计。

土料设计主要任务是确定粘壤土的填筑干容重、含水量，砾质土的砾石含量、干容重、含水量，砂砾料的相对密度和干容重等指标。

3.1粘性土料设计

粘壤土用南京水利科学研究所标准击实仪做击实试验求最大干容重、最优含水量（一般采用25击，其击实功能为86.3t·m/m3）。

由于最优含水量随压实功能的大小而变，故在土料的设计中常根据土料的实际施工机具的压实功能，选择相应的最优含水量作为填筑土料的含水量。

根据国内外的筑坝经验，常将粘土的填筑含水量控制在最优含水量的附近，其上下偏离最优含水量控制A2%～3%。

根据以上的击实次数和击实功能，得出的多组平均最大干容重γmax和平均最优含水量w0。

设计干容重γd为：

式中：

γd——设计干容重，（ｇ/㎝3）；

——在相应击实功能下的平均最大干容重，（ｇ/㎝3）；

ｍ——施工条件系数（或称压实系数）。

对于1、2级高坝，ｍ的值采用0.96～0.99之间，三四级坝或低坝可采用0.93～0.96，本设计取ｍ=0.98。

粘性土的填筑含水量Ｗ为：

Ｗ=ＷP＋Ｂ·ＩP

式中：

ＷP——土的塑限；

ＩP——土的塑性指数；

B——稠度系数，对高坝可取-0.1～0.1之间，低坝可取0.1～0.2之间，本设计取B=0.07。

设计最优含水量为：

用下述公式计算最大干容重作为校核参考：

式中：

∆s──土粒的比重；

va──压实土的含气量，粘土可取0.05，砂质粘土取0.04，壤土可取0.03，本设计取为0.05。

运用下式作校核：

γd≥1.02～1.12（γd）0

式中：

（γd）0──土料场的自然干容重；

对1、2级坝，还应该进行现场碾压试验，以便复核，并据以选定施工碾压参数。

粘性土料设计成果表

表3-1

料场

比重△s

2.67

2.65

2.74

2.7

最优含水量

22.07

21.02

22.3

23.8

16.9

设计干密度（g/cm3）

1.6

1.65

1.56

1.54

1.8

塑限含水量wp

1.568

1.617

1.5288

1.5092

1.764

填筑含水量w

21.78

20.68

23.28

24.66

19.02

自然含水量%

21.78

21.79

22.30

23.72

18.88

塑性指数

24.8

24.2

25.6

26.3

15.9

孔隙此e

19.46

21.7

24.57

23.5

湿密度ρ（g/cm3）

0.703

0.651

0.733

0.816

0.531

浮密度ρ（g/cm3）

35.716

36.848

35.617

37.300

35.068

内摩擦角Φ

0.981

1.011

0.952

0.958

1.111

粘聚力（kpa）

24.67º

25.50º

23.17º

21.5º

28º

渗透系数k（10-6cm/s）

4.317

4.8

1.9

3.96

3.0

土料的选用为：

已经探明上下游共有5个粘土料场，总储量为190万m3，因地理位置不同，各料场的物理性质、力学性质、和化学性质也存在一定的差异，土料的采用以“近而好”为原则。

根据上述土料物理力学性质从渗透系数的角度来看均满足规范要求，因为根据筑坝材料的填筑标准规定，渗透系数一般对均质坝不大于110-4cm3/s，对心墙或斜墙不大于110-5cm3/s。

1#下和3#下料场的塑性指数小于20，从压的角度宜采用1#下和3#下料场的粘土料，所以可将1#下和3#下料场作为主料场，其余几个料场作为辅助料场。

3.2坝壳砂砾料设计

坝壳砂砾料设计指标以相对密实度表示如下：

，或

式中：

emax——最大孔隙比，emax=；

emin——最小孔隙比，emin=；

e——填筑的沙、沙卵石、或地基原状沙、沙卵石的孔隙比，e=；

——沙粒比重；

——最大干容重，由试验求得；

——最小干容重，由试验求得；

——填筑的砂、砂卵石或地基原状砂、砂卵石的干容重。

非粘性土料填筑一般要达到密实状态，对于砂土要求Dr不小于0.70；对于砂砾石，则依坝的级别而定，1、2、3级坝Dr不小于0.75，4、5级坝不小于0.70。

在地震区要求更高。

一般沙砾料的干容重rd=17.2KN/m3。

砂砾料的设计成果见表3-2。

砂砾料设计成果表

表3-2

料场

不均匀系数

大于5mm砾石含量%

比重△s

0.75

2.75

2.73

设计干容重ra

1.8659

1.8524

设计孔隙比e

0.4738

保持含水量%

湿容重ru

1.96

1.95

浮容重r’

1.19

1.174

内摩檫角

36º30´

35º10´

35º20´

36º40´

粘聚力

渗透系数10-2cm/s

砂砾料的选用为：

除3#下料场的不均匀系数不满足要求外（η≤30），其余几个料场，渗透系数、砾石含量、不均匀系数能满足要求，故而都可作为筑坝的砂砾料。

施工时可考虑上游料填在坝的上游测，下游砂砾料填在下游测，这样有利于施工，减小相对干扰。

从颗粒级配曲线可以看出4#上、1#下料场级配较好，物理力学指标也较高，应优先采用。

砂砾料场上、下游共8处，总量为1850万立方米，大坝工程在400万立方米左右。

用两个料场可能数量不足，可以1#上、2#下料场砂砾料作为辅助之用。

4渗流计算

土石坝的渗流计算主要确定坝体的浸润线的位置，为坝体的稳定分析和布置观测设备提供依据；同时确定坝体与坝基的渗透流量，以估算水库的渗漏损失，而且还要确定坝体和坝基渗流区的渗透坡降，检查产生渗透变形的可能性，以便取适合的控制措施。

4.1计算方法

选择水力学方法解土坝渗流问题。

根据坝内各部分渗流状况的特点，将坝体分为若干段，如图4-1。

应用达西定理近视解土坝渗流问题，计算假定任一铅直过水断面内各点渗透坡降均相等，计算简图如图4-2、4-3、4-4。

图4-1大坝纵断面地质剖面图

图4-2I-I断面图

图4-3II-II断面图

图4-4III-III断面图

通过防渗体流量：

通过防渗体后渗流量：

其中：

K——防渗体渗透系数，；

H——上游水深；

H1——逸出水深；

B——防渗体有效厚度；

α——防渗体等效和倾角；

K2——混凝土防渗墙渗透系数，1.5×1011m/s；

T1——下游水深；

T——冲积层厚度，取最大值35m；

D——防渗墙厚度；

K1——防渗体后渗透系数，2×10-4m/s；

KT——冲积层渗透系数，2×10-4m/s；

假设：

①不考虑防渗体上游侧坝壳损耗水头的作用；

②由于沙砾料渗透系数较大，防渗体又损耗了大部分水头，逸出水位与下游水位相差不是很大，认为不会形成逸出高度；

③对于岸坡断面，下游水位在坝底以下，水流从上往下流时由于横向落差，此时实际上不是平面渗流，但计算仍按平面渗流计算，近似认为下0游水位为零。

由于河床冲积层的作用，岸坡实际不会形成逸出点，计算时假定浸润线末端即为坝趾。

4.2计算断面及计算情况的选择

对河床中间断面I-I及左右对称的两典型断面II-II、III-III进行渗流计算，计算主要针对正常蓄水及设计洪水的工况进行。

4.3计算结果

渗流计算结果见表4-1。

渗流计算成果表

表4-1

计算情况

计算项目

正常蓄水位

设计洪水位

上游水深

H（m）

Ⅰ-Ⅰ

71.4

72.6

Ⅱ-Ⅱ

34.0

35.2

Ⅲ-Ⅲ

32.0

33.2

下游水深

t（m）

Ⅰ-Ⅰ

2.20

5.06

Ⅱ-Ⅱ

Ⅲ-Ⅲ

逸出水深

H1（m）

Ⅰ-Ⅰ

2.2108

5.0648

Ⅱ-Ⅱ

0.1659

0.1718

Ⅲ-Ⅲ

0.1625

0.1687

渗流量

q（10-4M3/s.m）

Ⅰ-Ⅰ

9.30

9.58

Ⅱ-Ⅱ

3.03

3.25

Ⅲ-Ⅲ

2.75

2.96

总渗流量Q（万m3/d）

1.387

1.442

4.4渗透稳定验算

斜心墙之后的坝壳，由于水头大部分在防渗体损耗了坝壳渗透坡降及渗透速度甚小，发生渗透破坏的可能性不大，而在防渗墙与粘土斜墙的接触面按允许坡降设计估计问题也不大。

在斜墙逸出点渗透坡降较大，予以验算。

渗透坡降的计算公式：

式中：

──上游水深减逸出水深；

──防渗体的平均厚度.

计算成果见表4-2：

各种工况渗流逸出点坡降

表4-2

断面

Ⅰ—Ⅰ

Ⅱ—Ⅱ

Ⅲ—Ⅲ

计算情况

正常

设计

正常

设计

正常

设计

坡降J

6.04

6.09

4.07

4.26

3.92

4.11

填筑土料的安全坡降，根据实践经验一般为5～10，故而认为渗透坡降满足要求，加上粘土斜心墙有反滤层，故而认为不会发生渗透破坏。

5稳定计算

5.1计算方法

按施工期、稳定渗流期、库水位降落期三个控制时期核算土石坝的稳定。

心（斜心）墙坝的上下游坝坡滑动时形成折线滑动面.部分浸水的非粘土坝坡，由于水位上下的土料容重不同，有水时j、C值也有所降低，此时坝坡失稳时最可能的滑动面近乎折线。

在滑动面上抗剪强度的发挥是一样的，安全系数的表示方式为

；；；

式中：

1、2、3为实验得到的抗剪强度指标。

5.2上下游坝坡折线滑动法计算

上下游坝坡稳定计算成果见表5-1。

大坝上下游坝坡稳定计算成果表

表5-1

部位

计算工况

上游水位

（m）

下游水位

（m）

最小安全系数（Kmin）

规范值

上

游

坡

施工期1/3坝高

2775

2752.20

1.43

1.35

稳定渗流期

2821.4

2755.06

1.42

1.35

水位降落期

2823.58~2796

——

1.39

1.25

正常蓄水位+地震

2821.4

2752.20

1.26

1.15

下

游

坡

稳定渗流期（正常）

2821.4

2752.20

1.58

1.35

稳定渗流期（

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