西山水庫設(shè)計(jì)

目錄第一章工程概況及基本資料 4一、工程概況 4二、設(shè)計(jì)基本資料 4（一）特征水位及流量 4（二）氣象 5（三）冰情 5（四）地質(zhì) 5（五）天然建筑材料 6（六）安全系數(shù) 7三、設(shè)計(jì)任務(wù) 7第二章壩型選擇及工程總體布置 8一、壩型的選擇 8（一）壩線比較 8（二）壩型及基礎(chǔ)防滲型式的比較 8二、工程總體布置 9（一）溢洪道方案比較 9（二）樞紐工程總體布置 9第三章?lián)跛ㄖ?10一、土石壩基本剖面尺寸的擬定 10（一）壩頂高程 10（二）壩頂寬度 12（三）壩坡 12（四）防滲體 12（五）排水體設(shè)計(jì) 13二、土料設(shè)計(jì) 13（一）心墻及粘土料設(shè)計(jì) 13（二）堆石體及堆石料設(shè)計(jì) 13三、滲透分析 13（一）滲透分析的目的： 13（二）穩(wěn)定滲流期的計(jì)算情況： 13（三）1/3壩高水位時(shí)的計(jì)算情況： 14四、穩(wěn)定計(jì)算 15五、壩的構(gòu)造設(shè)計(jì) 21（一）壩頂構(gòu)造 21（二）護(hù)坡設(shè)計(jì) 21（三）反濾層、墊層及過濾層的設(shè)計(jì) 22（四）壩體排水設(shè)計(jì) 23六、堆石壩與溢洪道及左岸的連接 23七、基礎(chǔ)處理 23第四章泄水建筑物設(shè)計(jì) 25一、溢洪道平面位置的確定 25二、溢洪道布置 25（一）進(jìn)水渠 25（二）控制段 26（三）泄槽段 27（四）消能防沖設(shè)施 28（五）出水渠 28三、控制段的具體的布置 28（一）定型設(shè)計(jì)水頭的選擇 28（二）實(shí)用堰的高度選擇 29四、消能防沖設(shè)施的具體布置 29（一）消能方式 29（二）挑流設(shè)計(jì) 29（三）挑流鼻坎的型式 29五、泄槽段的具體布置 29（一）泄槽長度的確定 30（二）水面線計(jì)算及邊墻高度的確定 30六、水力計(jì)算 34（一）堰型設(shè)計(jì) 34（二）堰流能力計(jì)算 34（三）水舌挑距計(jì)算 35（四）沖刷坑最大水墊深度 36七、溢洪道布置總述 36參考文獻(xiàn) 38致謝 39第一章工程概況及基本資料 一、工程概況伊春市是黑龍江省重點(diǎn)防洪城市，目前存在防洪標(biāo)準(zhǔn)較低，伊春河沿岸城鎮(zhèn)供水水源不足等問題。西山水庫是一座以防洪和供水為主，兼顧發(fā)電、灌溉等綜合利用功能的大型水利樞紐工程。西山水庫建成后，配合城區(qū)堤防建設(shè)可將伊春市的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到50～100年一遇，為伊春市和伊春河沿岸城鎮(zhèn)提供1.4億立方米的供水水源，發(fā)展灌溉面積1.8萬畝，此外，還具有為伊春市增加電力供應(yīng)、提供森林滅火水源、改善枯水期水環(huán)境等綜合利用功能。西山水庫以防洪和供水為主，兼顧發(fā)電、灌溉等綜合利用功能。西山水庫為大Ⅱ型，屬二等工程，主要建筑物堆石壩、溢洪道及電站進(jìn)水口為2級，經(jīng)論證本工程主要建筑物按200年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，5000年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。溢洪道消能防沖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇洪水設(shè)計(jì)。各建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)見表1-1。表1-1各建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)建筑物堆石壩溢洪道引水洞進(jìn)口引水洞電站廠房消能防沖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)P=0.5%P=0.5%P=0.5%P=2%P=2%P=2%校核標(biāo)準(zhǔn)P=0.02%P=0.02%P=0.02%P=0.1%P=1%—二、設(shè)計(jì)基本資料（一）特征水位及流量擋水壩、溢洪道、輸水洞及電站廠房的特征水位及流量見表1-2。表1-2特征水位及流量表特征水位單位數(shù)量備注校核洪水位m288.67P=0.02%設(shè)計(jì)洪水位m287.560=0.5%正常蓄水位m284.70死水位m276.00溢洪道設(shè)計(jì)洪水位時(shí)最大泄量m3/s1785P=0.5%相應(yīng)下游水位m266.53溢洪道校核洪水位時(shí)最大泄量m3/s2113P=0.02%相應(yīng)下游水位m267.05（二）氣象氣象資料見表1-3。表1-3氣象資料表項(xiàng)目單位數(shù)量備注多年平均氣溫℃0.6最高氣溫℃36.3最低氣溫℃-43.1W、WS、WWS、WWN向多年平均最大風(fēng)速m3/s10.5伊春氣象站資料（7、8、9、10月）相應(yīng)設(shè)計(jì)水位庫面吹程km2.20相應(yīng)校核水位庫面吹程km2.25對各風(fēng)向歷年7、8、9、10月份最大風(fēng)速進(jìn)行分析，經(jīng)修正后，得水面上多年平均最大風(fēng)速15.74m/s，從1/10000庫區(qū)地形圖量得設(shè)計(jì)水位時(shí)吹程為2200m,校核水位時(shí)吹程為2250m。（三）冰情伊春河封凍時(shí)間最早為10月22日，平均為11月6日；開河日期最晚為4月25日，平均為4月17日。平均封凍天數(shù)162天，多年平均最大冰厚1.23m。伊春河平均流冰天數(shù)為9d；開河后平均流冰天數(shù)為7d。伊春河流冰期最大流冰塊平均長為30m，最長可達(dá)100m；流冰塊寬平均為18m，最寬可達(dá)50m，平均流冰速度為0.54m/s，最大流冰速度可達(dá)1m/s以上。最大土層凍深為2.4m。（四）地質(zhì)1、壩址區(qū)工程地質(zhì)條件壩址區(qū)兩岸為低山，河床靠近右岸。河左側(cè)依次為漫灘、階地及臺(tái)地。低山及河谷部分基巖均為花崗閃長巖。臺(tái)地區(qū)第四系厚度15.50m--22.80m，上部為低液限粘土，下部為卵石混合土夾砂透鏡體。其物理力學(xué)指標(biāo)可以滿足土石壩對壩基要求。階地和漫灘區(qū)第四系厚度7.50m—13.30m左右，上部為低液限粘土，下部為卵石混合土。其物理力學(xué)指標(biāo)可以滿足土石壩對壩基要求。壩基透水層厚度：樁號0—400m，為4.5m，樁號400—970m，為7m。2、溢洪道工程地質(zhì)條件閘室段及挑流鼻坎基礎(chǔ)座于微風(fēng)化花崗閃長巖巖體中，巖體完整性較好，節(jié)理裂隙多為高傾角，地基抗滑穩(wěn)定性好。僅斷層處巖體強(qiáng)度稍低，巖體相對破碎。需對斷層進(jìn)行工程處理。沖刷坑段上部為大于3.50m厚的卵石混合土，下部為花崗閃長巖。卵石混合土和強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長巖的沖刷系數(shù)K=1.5-1.8，弱風(fēng)化巖體和微風(fēng)化巖體的沖刷系數(shù)K=0.9—1.2。（五）天然建筑材料1、粘土料場粘土料場有4處，土料技術(shù)指標(biāo)見表1-4。項(xiàng)目質(zhì)量指標(biāo)Ⅰ料場實(shí)測指標(biāo)Ⅱ料場實(shí)測指標(biāo)Ⅲ料場實(shí)測指標(biāo)Ⅳ料場實(shí)測指標(biāo)粘粒含量15-40%為宜27.1%19.1%33.5%42.4%塑性指數(shù)10-2016.614.317.317.4滲透系數(shù)碾壓后，小于1×10-5cm1.62×10-6cm(ρ控=1.70g/cm3)3.57×10-6cm(ρ控=1.71g/cm3)3.94×10-6cm(ρ控=1.54g/cm3)1.10×10-6cm(ρ控=1.66g/cm3)有機(jī)質(zhì)含量<2%0.499%0.805%1.089%0.54%水溶鹽含量<3%0.0128%0.0173%0.0087%0.0087%緊密密度宜大于天然密度ρmax=1.73g/cm3ρd=1.55g/cm3ρmax=1.74g/cm3ρd=1.58g/cm3ρmax=1.59g/cm3ρd=1.44g/cm3ρdmax=1.69g/cm3ρd=1.56g/cm3表1-4土壩防滲體土料質(zhì)量技術(shù)要求對比表注：表中天然含水率為現(xiàn)場實(shí)測，孔深1-3m的算術(shù)平均值。2、塊石料建議首選第Ⅰ塊石料場，該料場位于壩址西部約3.5km處，巖性味花崗巖，石料的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，滿足塊石料質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)要求。第Ⅱ石料場儲(chǔ)量約80×10-6m表1-5石料試驗(yàn)指標(biāo)與石料質(zhì)量技術(shù)要求對比表序號項(xiàng)目質(zhì)量技術(shù)要求指標(biāo)第Ⅰ石料場質(zhì)量指標(biāo)第Ⅱ石料場質(zhì)量指標(biāo)1飽和抗壓強(qiáng)度應(yīng)按地域、設(shè)計(jì)要求與使用目的確定45.1MPa66.9MPa2軟化系數(shù)>0.80.830.813密度>2.4t/m32.54t/m32.65t/m34凍融損失率<1％0.01％0.10%（六）安全系數(shù)本工程堆石壩及溢洪道為2級建筑物，按照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274-2001及《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》SL253-2000，穩(wěn)定計(jì)算的最小安全系數(shù)見表1-6。表1-6壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)表壩坡計(jì)算情況安全系數(shù)上游坡下游坡1/3壩高水位1.351.35正常蓄水位1.351.35設(shè)計(jì)水位1.351.35水位驟降1.251.25校核水位1.251.25三、設(shè)計(jì)任務(wù)（一）根據(jù)給定的壩軸線，確定樞紐布置方案；（二）擋水建筑物設(shè)計(jì);（三）泄水建筑物設(shè)計(jì)；第二章壩型選擇及工程總體布置一、壩型的選擇（一）壩線比較可行性研究階段的審查意見中，同意選用下壩址。根據(jù)1999年至2002年幾次下壩址的壩軸線優(yōu)化調(diào)整及相應(yīng)的地質(zhì)工作，西山水下壩址附近地質(zhì)條件變化不大，從最初的上壩線經(jīng)過左壩端上移、右壩端下移變化到現(xiàn)在采用的下壩線，壩軸線方位角為NS146.59°，使壩線垂直等高線，壩長最短，且左半段壩高變小，整個(gè)擋水壩工程量最小。同時(shí)擋水壩右壩端下移后，原壩端的花崗巖出露面作為引水洞進(jìn)口使引水洞變短，從而整個(gè)樞紐布置更加合理。調(diào)整后的下壩線做為選定壩線。（二）壩型及基礎(chǔ)防滲型式的比較根據(jù)壩址的實(shí)際地質(zhì)、地形、料場、水文氣象等客觀條件，本次設(shè)計(jì)選擇了粘土心墻堆石壩、均質(zhì)土壩與瀝青砼心墻堆石壩三種壩型方案，分別進(jìn)行穩(wěn)定分析、工程量計(jì)算和投資比較，比較后選擇壩型，具體見表3-1。表3-1壩型比較類類型項(xiàng)目粘土心墻堆石壩均質(zhì)土壩瀝青混凝土心墻堆石壩施工條件施工受季節(jié)限制，冬季不能施工，但適于機(jī)械化施工有利于機(jī)械化施工，施工干擾少，對施工要求相對較低，但受氣候影響較大施工干擾大，受氣候影響較小，可以進(jìn)行冬季施工，但不便于機(jī)械化施工穩(wěn)定分析可以很好地與左側(cè)天然粘土鋪蓋結(jié)合當(dāng)?shù)卣惩亮喜荒軡M足設(shè)計(jì)用量，且粉、粘粒含量較高，不適合作均質(zhì)土壩與左側(cè)天然粘土鋪蓋結(jié)合不如粘土心墻好工程量最小由于基礎(chǔ)碾壓與壩基工程量大，工程量大由于瀝青混凝土心墻及混凝土預(yù)制塊的工程量大，工程量也較大工程造價(jià)最低較高最高基礎(chǔ)防滲比較：塑性混凝土防滲墻與粘土齒墻方案比較：塑性混凝土防滲墻需要專業(yè)的施工專業(yè)隊(duì)伍進(jìn)性施工，并且在與心墻連接部位需要特許處理，但是它的防滲效果比較好，造價(jià)也偏低；粘土心墻齒槽方案：施工方法簡單，與心墻粘土結(jié)合較好，但需要的開挖量比較大，基坑排水工程難度較大，且造價(jià)也比較高；綜合上述比較，結(jié)合本工程的工程地質(zhì)條件，由于透水層的厚度小于15米，本設(shè)計(jì)采用粘土心墻齒槽方案。基礎(chǔ)右半段由于粘土覆蓋層薄，采用人工粘土鋪蓋。二、工程總體布置（一）溢洪道方案比較由于壩址區(qū)無天然埡口或鞍部來布置獨(dú)立溢洪道，現(xiàn)選擇左岸溢洪道、右岸溢洪道及河床式溢流壩進(jìn)行方案比較。河床式溢流壩雖然尾水直接進(jìn)入原河道，但開挖量較大，施工導(dǎo)流布置較復(fù)雜，且存在兩側(cè)與堆石壩的連接處理問題，且該方案造價(jià)較高；左岸式溢洪道施工導(dǎo)流方案布置簡單，施工干擾少，但距原河槽較遠(yuǎn)，需開挖進(jìn)口引渠及出口尾水渠，開挖量大，造價(jià)相對較高；右岸式溢洪道尾水可直接入原河槽，施工干擾少，導(dǎo)流方案布置相對簡單，開挖的巖石也可以二次利用，造價(jià)也相對較低。綜合上述比較，決定采用右岸溢洪道樞紐布置方案。（二）樞紐工程總體布置樞紐方案布置包括溢洪道、堆石壩、引水隧洞、電站廠房及開關(guān)站。第三章?lián)跛ㄖ镆?、土石壩基本剖面尺寸的擬定（一）壩頂高程1、設(shè)計(jì)情況下：已知：計(jì)算風(fēng)速吹程重力加速度水域平均水深風(fēng)浪要素計(jì)算：最大波浪爬高：式中：K△——斜坡的糙率滲透性系數(shù)，取K△=0.8；Kw——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，設(shè)計(jì)情況取1.016；m——壩坡系數(shù)，m=ctg，本設(shè)計(jì)初步擬定為2。風(fēng)壅水面高度：式中：e——最大風(fēng)壅水面高度，m；k——綜合摩阻系數(shù)，取3.6×10-6；β——風(fēng)向與壩軸線夾角，°，安全加高：設(shè)計(jì)情況下A=1.0m；壩頂超高:：壩頂高程：2、校核情況下：已知：計(jì)算風(fēng)速吹程重力加速度水域平均水深風(fēng)浪要素計(jì)算：最大波浪爬高：式中：K△——斜坡的糙率滲透性系數(shù)，取K△=0.8；Kw——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，校核情況取1；m——壩坡系數(shù)，m=ctg，本設(shè)計(jì)初步擬定為2。風(fēng)壅水面高度：式中：e——最大風(fēng)壅水面高度，m；k——綜合摩阻系數(shù)，取3.6×10-6；β——風(fēng)向與壩軸線夾角，°，安全加高：校核情況下A=0.5m；壩頂超高:：壩頂高程：將設(shè)計(jì)與校核情況下的壩頂高程比較，取大值得，3、心墻頂高程H心在不設(shè)防浪墻時(shí)需滿足兩個(gè)條件；（1）H心=H設(shè)+（0.3-0.6）m，本設(shè)計(jì)取0.5m，即H心=288.06m；（2）H心≥H校，即H校=288.67m因此。得H心=288.67m?？紤]到東北地區(qū)凍深的影響，壩頂高程H壩=H心+凍深，即H壩=H心+2.4=291.07m，與289.93m比較，取大值作為壩頂高程，即為291.07m。（二）壩頂寬度頂寬要滿足心墻頂部及反濾層布置的要求，還應(yīng)考慮施工的要求和運(yùn)行、檢修、防汛、運(yùn)輸?shù)囊?。本設(shè)計(jì)部考慮交通特殊要求，由于壩高28.57m，結(jié)合設(shè)計(jì)手冊，壩頂寬度取為5m。（三）壩坡結(jié)合水工建筑物課本表5-7心墻壩參考壩坡比值，進(jìn)行初擬壩坡：由于壩高大于15米，需要進(jìn)行變坡并在變坡處設(shè)置馬道，在上游變坡處設(shè)置排水溝，以攔截雨水。本設(shè)計(jì)馬道設(shè)在壩高15m即高程277.5m處，寬度為2m。上游壩坡：馬道之下為1：2.25，之下為1：2；下游壩坡：馬道之下為1：2,之下為1：1.75。（四）防滲體心墻的頂寬考慮到施工要求，本設(shè)計(jì)取為3m。心墻的坡度參照水工建筑物課本表5-7心墻壩參考壩坡比值，取為1：0.20。心墻的底寬心墻的平均寬度心墻的部位設(shè)在中心部位。（五）排水體設(shè)計(jì)貼坡排水結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，用石料少且便于維修，但不能降低浸潤線高度并易受凍害；棱體排水因其深入壩體能降低浸潤線高度，當(dāng)壩基強(qiáng)度足夠時(shí)還可起到支撐壩體增加穩(wěn)定的作用，是一種可靠的排水型式，但用石料量大，不易檢修；本設(shè)計(jì)采用棱體排水方案。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，其高出下游水位的高度為1.0m，頂部寬度為2.0m，內(nèi)、外坡均為1：1.5。二、土料設(shè)計(jì)（一）心墻及粘土料設(shè)計(jì)根據(jù)粘土料料場擊實(shí)試驗(yàn)最大干容重1.73g/cm3，最優(yōu)含水量18.5%，二級壩設(shè)計(jì)壓實(shí)度98%，設(shè)計(jì)干密度為1.69g/cm3。根據(jù)控制干密度抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，粘土強(qiáng)度指標(biāo)取試驗(yàn)值的小值平均值，飽和不排水剪強(qiáng)度(CU)：內(nèi)摩擦角φ′=28.59o，粘聚力為c′=18.11kPa。根據(jù)料場調(diào)查和試驗(yàn)指標(biāo)，得出西山水庫堆石壩堆石料比重為G=2.66g/cm3，自然吸水率為ω=0.485%，天然容重γ天=2.033g/cm3，選取強(qiáng)風(fēng)化花崗巖堆石料，壩料級配取開采后的自然級配，最大粒徑取600mm。設(shè)計(jì)要求填筑干密度不低于20.0kN/m3，設(shè)計(jì)孔隙率不大于24%，堆石內(nèi)摩擦角為φ水下=33.5o、φ水上=35.5o。三、滲透分析（一）滲透分析的目的：（1）確定浸潤線的位置；（2）確定滲透坡降J；（3）計(jì)算滲漏量q，估算滲漏損失；（二）穩(wěn)定滲流期的計(jì)算情況：1、設(shè)計(jì)洪水位時(shí)根據(jù)心墻與壩體的滲漏量相等，聯(lián)立方程，求解。解得式中：k心、k壩——心墻、壩體的滲透系數(shù)，分別為H1、H2——上、下游水深，分別為25.06m,4m;he——滲流逸出點(diǎn)高度，m；——心墻的平均厚度，m；L——滲徑42.65m；得滲流方程：根據(jù)方程，繪出浸潤線如附圖所示。2、正常蓄水位時(shí)：解得式中：k心、k壩——心墻、壩體的滲透系數(shù)，分別為H1、H2——上、下游水深，分別為22.22m,4m;he——滲流逸出點(diǎn)高度，m；——心墻的平均厚度，m；L——滲徑42.65m；得滲流方程：根據(jù)方程，繪出浸潤線如附圖所示。（三）1/3壩高水位時(shí)的計(jì)算情況：解得式中：k心、k壩——心墻、壩體的滲透系數(shù)，分別為H1、H2——上、下游水深，分別為9.5m,4m;he——滲流逸出點(diǎn)高度，m；——心墻的平均厚度，m；L——滲徑42.65m；得滲流方程：根據(jù)方程，繪出浸潤線如附圖所示。表3-1浸潤線計(jì)算情況表x24688.2421.5617.3711.775.314.1419.4216.1812.085.524.118.738.126.855.714.02四、穩(wěn)定計(jì)算壩體穩(wěn)定分析主要核算穩(wěn)定滲流期的上、下游坡和1/3壩高水位時(shí)的上游坡。采用瑞典圓弧法用總應(yīng)力法計(jì)算，計(jì)算公式如下：式中：——抗滑力矩；——滑動(dòng)力矩；——滑動(dòng)力，KN；——抗滑力，KN；——滲透力，，KN；——土條重量，kN；——0號土條中心線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角，o；——土條寬度(m)；——土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，kN/m2；——浸潤線以下，下游水位以上的高，m。設(shè)計(jì)采用的物理力學(xué)指標(biāo)：注：本設(shè)計(jì)未考慮孔隙間土應(yīng)力及地震應(yīng)力的作用。穩(wěn)定滲流期的穩(wěn)定計(jì)算，具體計(jì)算表如下：1、設(shè)計(jì)洪水位時(shí)下游坡的穩(wěn)定計(jì)算，見表3-2。2、設(shè)計(jì)洪水位上游坡的穩(wěn)定計(jì)算，具體見表3-3。3、正常蓄水位時(shí)下游坡的計(jì)算情況，見表3-4。4、正常蓄水位時(shí)上游坡穩(wěn)定計(jì)算表，見表3-5。表3-2設(shè)計(jì)水位時(shí)下游坡穩(wěn)定計(jì)算表編號寬度b85.876.9271.330.80.6366.30687.8875.8269.220.70.71787.141093.0365.8334.600.60.81102.311164.4155.8326.910.50.871171.21948.0445.8299.9915.650.40.921191.65732.2835.8246.1440.250.30.951109.30498.3225.8188.4558.140.20.98978.63286.0415.8134.6167.080.10.99803.0116.9805.871.5501606.50-15.882.73-0.10.99313.52-47.98-25.840.25-0.20.98150.99-46.69∑8580.555432.31可得滿足穩(wěn)定要求。表3-3設(shè)計(jì)水位時(shí)上游坡穩(wěn)定計(jì)算編號寬度b-36.417.89-0.30.9571.79-34.34-260.37-0.20.98249.9-77.27-175.5371.55-0.10.99638.98-94.130197.2129.07011018.9101176.2367.080.10.991073.29155.722234.9853.660.20.981268.52369.463297.9233.540.30.951420.65636.44356.664.470.40.921508.38924.495348.270.50.871376.811114.466318.900.60.81159.271224.587155.8137.760.70.71624.5867.19861.670.80.663.05118.41∑=SUM(ABOVE)10474.05=SUM(ABOVE)5204.97滿足穩(wěn)定要求。表3-4正常蓄水位時(shí)下游坡穩(wěn)定計(jì)算表編號寬度b8657.6962.940.80.6308.33579.027134.61188.820.70.71978.251358.416384.654.550.60.81496.621580.945444.8729.070.50.871748.601421.554381.8464.840.40.921732.731072.033318.9091.680.30.951635.49739.042251.76109.560.20.981476.23433.581193.02111.80.10.991252.34182.890130.08109.5601988.00-167.14105.09-0.10.99695.15-103.34-293.91-0.20.98364.45-112.69-315.65-0.30.9512.36-5.92∑=SUM(ABOVE)12688.55=SUM(ABOVE)7145.51滿足穩(wěn)定要求。表3-5正常蓄水位時(shí)上游坡穩(wěn)定計(jì)算表編號寬度b-36.426.83-0.30.95107.66-51.51-278.26-0.20.98323.96-100.17-171.33-0.10.99320.88-45.650130.0801591.0801188.820.10.99849.42120.842251.760.20.981121.12322.253314.70.30.951358.50604.224373.440.40.921561.16956.015190.060.50.87698.45608.19615.25134.160.60.81017.721111.337242.300.70.71781.721085.5876.920.80.681.92153.84∑=SUM(ABOVE)8813.59=SUM(ABOVE)4764.85滿足穩(wěn)定要求。五、壩的構(gòu)造設(shè)計(jì)（一）壩頂構(gòu)造由于壩頂無公路運(yùn)輸要求，因此不做特殊路面，只鋪設(shè)碎石。壩頂上、下游兩側(cè)鋪設(shè)路緣石。（二）護(hù)坡設(shè)計(jì)因壩的上游面受波浪淘刷，下游面受雨水沖刷等，壩的上下游坡面需要設(shè)置護(hù)坡，本設(shè)計(jì)采用干砌石護(hù)坡，并在上下游護(hù)坡的下面設(shè)碎石墊層。護(hù)坡計(jì)算：當(dāng)Lm/hp≤15時(shí)當(dāng)Lm/hp>15時(shí)式中：D——石塊的換算球形直徑，m；Q——石塊的質(zhì)量，t；D50——石塊的平均粒徑，m；Q50——石塊的平均質(zhì)量，t；t——護(hù)坡厚度，m；Kt——隨坡率變化的系數(shù)，查表得到Kt=1.2；ρk——塊石密度，t/m3；ρw——水的密度，t/m3；hp——累積頻率為5%的波高；1、設(shè)計(jì)情況下：由于2、校核情況下：由于本設(shè)計(jì)決定護(hù)坡厚度為40cm，下設(shè)25cm墊層過濾料。（三）反濾層、墊層及過濾層的設(shè)計(jì)排水設(shè)備既要求把壩體滲水排出壩外，又要求不產(chǎn)生土壤的滲透破壞。在滲流的出口或進(jìn)入排水體處，由于水力坡降往往很大，流速較高，土壤易發(fā)生管涌破壞，為了防止這種滲透破壞，在這些地方應(yīng)設(shè)置反濾層。護(hù)坡石下通常需要設(shè)置墊層，其作用是防止襯砌的護(hù)坡石陷入壩身土中，在上游坡避免波浪淘刷并在庫水位降落時(shí)把壩體的水排出去，而又不帶走壩體土料。壩的防滲體與壩殼之間由于材料的性質(zhì)不同，往往產(chǎn)生較大的不均勻沉陷，使兩種材料接觸面上產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力。為了緩和這種情況，通常在防滲體和壩殼之間設(shè)置一定厚度的過渡層。本設(shè)計(jì)根據(jù)提供的粘土料，反濾層設(shè)計(jì)如下：1、第一層反濾料：≤9d85，亦即要求已知D15≥4d15，已知小于0.005mm的顆粒含量為22.4％，因此粘土的可見排水滿足要求。2、第二層反濾料：被保護(hù)土為無粘性土，即級配良好的粗砂，其按規(guī)范要求，第二層反濾料的級配應(yīng)符合的要求，即要求。從料場的勘察成果分析，無論是風(fēng)化碎石料還是天然砂礫石均不能滿足要求，擬定天然砂礫料進(jìn)行篩分后取粒徑（1.25-80）mm部分，其，從平均粒徑驗(yàn)證滿足要求，同時(shí)，排水也滿足要求。因此，粘土心墻第二層反濾料采用天然砂礫料篩分后的（1.25-80）mm粒徑部分，其水平厚度為心墻上游側(cè)20cm，下游側(cè)20cm。3、壩基反濾過渡為使基礎(chǔ)受力均勻、排水條件良好及防止?jié)B透破壞，在清基后的下游壩基與壩體堆石之間設(shè)過濾帶。壩基反濾過渡帶要求的條件比心墻的低，因此，設(shè)計(jì)中采用天然砂礫料做為壩基反濾料，厚度為1.0m。（四）壩體排水設(shè)計(jì)由于壩基防滲左半段采用天然粘土鋪蓋，右半段為粘土心墻齒槽，排水體設(shè)計(jì)要考慮壩體排水，采用棱體排水結(jié)合地面排水型式，棱體高出下游水位的高度為1.0m，頂部寬度為2m，內(nèi)外坡均為1：1.5。排水溝底寬1.5m，上游坡1：1.5，下游坡1：1.5，采用干砌石型式，厚30cm，其下鋪30cm厚碎石及無紡布一層。六、堆石壩與溢洪道及左岸的連接堆石壩右壩肩與溢洪道采用側(cè)墻式連接，采用將粘土心墻在接頭處放大心墻頂加寬至9m與溢洪道邊墩混凝土斜坡1：0.25連接，基礎(chǔ)與粘土心墻齒槽聯(lián)合形成防滲體。堆石壩左壩肩與岸坡連接采取土質(zhì)防滲體與土質(zhì)岸坡不陡于1：1.5邊坡連接。七、基礎(chǔ)處理堆石壩從左端0+000至0+478.15長478.15m，基礎(chǔ)為約11m厚的粘土層及卵石混合土，基礎(chǔ)處理采取清基后用振動(dòng)碾碾壓后做為天然鋪蓋；從0+398.15至0+961.35長563.20m，此段基礎(chǔ)上層為厚4.25-5.7m不等的粘土層，此段粘土平均挖除厚1.0m，然后基礎(chǔ)用振動(dòng)碾碾壓，厚度在2.0m左右，基礎(chǔ)滿足設(shè)計(jì)要求。其下基礎(chǔ)為砂礫石厚5.4-6.0m左右，其下為花崗巖，采取粘土齒墻防滲，經(jīng)計(jì)算左端與天然粘土鋪蓋嵌入80.0m能夠滿足繞滲要求，粘土齒墻向下深入基巖1.0m；其右側(cè)結(jié)合溢洪道基礎(chǔ)處理做帷幕灌漿。第四章泄水建筑物設(shè)計(jì)一、溢洪道平面位置的確定經(jīng)前面樞紐布置比較，選定右岸溢洪道布置方案。在壩軸線確定以后，考慮到溢洪道縱軸線與壩軸線交角大小對溢洪道工程量及進(jìn)、出口的水流條件有較大影響，考慮盡量使溢洪道靠近河邊并平行河道以使工程量最省，同時(shí)結(jié)合地質(zhì)條件考慮溢洪道基礎(chǔ)全部座落在弱風(fēng)化花崗巖體上，經(jīng)幾次調(diào)整并結(jié)合水工模型試驗(yàn)，確定溢洪道與堆石壩軸線的法線交角10°，與壩軸線樁號0+978.10相交。從進(jìn)、出口水流條件看均能滿足要求，溢洪道左邊墻都座落在花崗巖弱風(fēng)化層上二、溢洪道布置溢洪道布置在右岸，溢洪道縱軸線與堆石壩法線的夾角為100。（一）進(jìn)水渠進(jìn)水渠是水庫與控制段間的連接段，具有進(jìn)水及調(diào)節(jié)水流的作用。具體布置從三個(gè)方面考慮。1、平面布置進(jìn)水渠在平面上最好按直線布置，且前緣不得有阻礙進(jìn)流的山頭或建筑物，以便水流均勻平順入渠。受地形、地質(zhì)條件及上游河勢的影響需設(shè)置彎道時(shí)，彎道軸線的轉(zhuǎn)彎半徑不宜小于4倍渠底寬度。彎道與控制段之間應(yīng)布置一直線段過渡。2、橫斷面布置進(jìn)水渠一般按梯形斷面布置，在控制段前過渡為矩形斷面。進(jìn)水渠應(yīng)有足夠的斷面尺寸。對于壩肩旁的引渠，可取引渠入口處的流速=1.5m/s左右。3、縱斷面布置進(jìn)水渠的縱斷面應(yīng)布置成平坡或不大的反坡。當(dāng)控制段采用實(shí)用堰時(shí)，堰前渠底高程宜比控制段堰頂高程低0.5Hs（Hs為堰面設(shè)計(jì)水頭），以保持良好的入流條件和增大堰的流量系數(shù)。本設(shè)計(jì)進(jìn)水渠采用半徑為120m的圓弧彎道，進(jìn)口右側(cè)直立翼墻與進(jìn)水渠采用長30m扭曲面連接，進(jìn)口左側(cè)邊墻為橢圓形，橢圓曲線長短軸之比一般為a/b=1.5，初擬b=16m，則a=24m，后接6m直線段過渡。（二）控制段1、堰型選擇溢流堰通常選用寬頂堰、實(shí)用堰，有時(shí)也用駝峰堰。寬頂堰結(jié)構(gòu)計(jì)算簡單，施工方便，水流條件穩(wěn)定，但流量系數(shù)小。實(shí)用堰流量系數(shù)比寬頂堰大，泄水能力強(qiáng)，但施工相對復(fù)雜，在大、中型工程中，特別是在泄洪流量較大的情況下，采用這種堰型。本設(shè)計(jì)綜合以上優(yōu)缺點(diǎn)采用WES實(shí)用堰。2、工作閘門的選擇平板閘門：優(yōu)點(diǎn)：可封閉相當(dāng)大面積的孔口；門葉可移出孔口，便于檢修維護(hù)；門葉可沿高度分成數(shù)段，便于在工地組裝；對移動(dòng)式啟閉機(jī)的適應(yīng)性較好。缺點(diǎn)：需要較高的機(jī)架橋和較厚的機(jī)墩；具有影響水流的門槽，對高水頭閘門特別不利，容易引起空蝕現(xiàn)象；弧形閘門：優(yōu)點(diǎn)：可封閉相當(dāng)大面積的孔口；所需機(jī)架橋的高度和閘墩的厚度較小，沒有影響水流流態(tài)的門槽；所需啟閉力較小，且摩擦阻力對啟閉力的影響較小；埋件的數(shù)量較少。缺點(diǎn)：需要較長的閘墩；門葉所占據(jù)的空間位置較大；不能提出孔口之外進(jìn)行檢修維護(hù)，不能在孔口之間互換；門葉承受的總水壓力集中于支鉸處。綜合以上優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用弧形閘門。工作閘門頂高程H：閘門高h(yuǎn)=285.2-276=9.2m閘門安裝高程閘門弧形半徑工作門為弧形閘門，采用液壓式啟閉機(jī)；檢修門為平板鋼閘門，門式啟閉機(jī)，墩頂設(shè)7.0m寬交通橋。邊墩采用流線形，，頂寬0.8m，墩頂高程291.10m；閘墩頂端伸出上游壁面，頭部平面形狀為半圓形，；中墩為縫墩，總寬為2.5m。（三）泄槽段泄水經(jīng)溢流堰后，多用泄水槽與消能防沖設(shè)施連接。1、泄槽的平面布置泄槽在平面上應(yīng)盡量按直線、等寬和對稱布置。當(dāng)泄槽較長，為減少開挖，可在泄槽的前端設(shè)收縮段，末端設(shè)擴(kuò)散段，但必須嚴(yán)格控制。為了適應(yīng)地形地質(zhì)條件，減少工程量，泄槽軸線可設(shè)彎道。當(dāng)泄槽的邊墻向內(nèi)收縮時(shí)，使槽內(nèi)水流產(chǎn)生陡沖擊波，波高取決于偏轉(zhuǎn)角；當(dāng)邊墻向外擴(kuò)散時(shí)，水流產(chǎn)生緩沖擊波，取決于擴(kuò)散角。一般不宜大于6-8°，泄槽在平面上必須設(shè)彎道時(shí)，彎道應(yīng)設(shè)置在流速較小，水流平穩(wěn)，底坡較緩，且無變化的部位。轉(zhuǎn)彎時(shí)，采用較大的轉(zhuǎn)彎半徑及適宜的轉(zhuǎn)角。2、泄槽的縱剖面布置泄槽縱剖面設(shè)計(jì)主要是選擇適宜的縱坡，泄槽縱坡以一次坡的水力條件最佳，對于長度較短的泄槽，宜采用單一的縱坡。為了保證不在泄槽上產(chǎn)生水躍，縱坡不宜太緩，太陡的縱坡對泄槽的底板和邊墻的自身穩(wěn)定不利。因此必須大于水流的臨界坡。常用縱坡為1%-15%，本設(shè)計(jì)取為8.5%。3、泄槽的橫斷面布置泄槽的橫斷面應(yīng)盡可能按矩形布置，并進(jìn)行襯砌。因?yàn)檫@種斷面的流態(tài)較好，特別是消能設(shè)施采用底流消能時(shí)，能保證較好的消能效果。4、泄槽的構(gòu)造（1）襯砌為了保護(hù)槽基不受沖刷和風(fēng)化，泄槽一般都要進(jìn)行襯砌。一般采用混凝土襯砌。襯砌的厚度主要是根據(jù)工程規(guī)模，流速的大小和地質(zhì)條件決定。在工程應(yīng)用中主要采用工程類比法確定，一般取0.4-0.5m左右，不應(yīng)小于0.3m。本設(shè)計(jì)取0.5m。（2）襯砌的分縫、止水和排水為了控制溫度裂隙的發(fā)生，需要在縱、橫方向上分縫，并與堰體及邊墻貫通。巖基上的混凝土襯砌，由于基巖對襯砌的約束力大，分縫的間距不宜太大，一般采用10-15m。襯砌的接縫有平接、搭接和鍵槽等多種型式，本設(shè)計(jì)采用為防止高速水流通過縫口鉆入襯砌底面，將襯砌掀動(dòng)，所有的伸縮縫都應(yīng)布置止水。襯砌的排水設(shè)施，一般在縱、橫伸縮縫下面布置，并且縱、橫貫通，將滲水匯集到縱向排水管內(nèi)排往下游。（四）消能防沖設(shè)施溢洪道泄洪，一般是單寬流量大，流速高，能量集中，如果消能設(shè)施考慮不當(dāng)，下游河床和岸坡就會(huì)遭受沖刷，甚至?xí)＜耙绾榈赖陌踩?。河岸溢洪道的消能設(shè)施一般采用挑流消能或底流消能，當(dāng)?shù)匦蔚刭|(zhì)條件允許時(shí)，優(yōu)先考慮挑流消能，以節(jié)省這部分的工程投資。由于本設(shè)計(jì)巖石完整性較好，決定采用挑流消能方式。（五）出水渠出水渠的作用是使溢洪道下泄的洪水順暢地流入下游河床。當(dāng)消能防沖設(shè)施直接與河床連接時(shí)，可不另設(shè)出水渠。出水渠的布置優(yōu)先考慮利用天然溝谷，并采用必要的工程設(shè)施，使投資最少，同時(shí)保證出流平順。三、控制段的具體的布置已經(jīng)初步選定采用WES型實(shí)用堰，并且堰頂高程為276.00m，堰寬24m。（一）定型設(shè)計(jì)水頭的選擇在堰頂水頭不變的情況下，愈小，流量系數(shù)愈大。對于高堰，其中Hmax=校核水位-堰頂高程=288.67-276=12.67m因此，。（二）實(shí)用堰的高度選擇堰高對流量系數(shù)有較大的影響，在確定Hd時(shí)，P1愈小，則m愈小。為獲得較大的流量系數(shù)m，一般要求P1應(yīng)大于0.3Hd，查水工建筑物課本表6-1，可得m=0.476。下游堰高P2≥0.6Hd，本設(shè)計(jì)取P2=0.4Hd。即P1=5m,P2=7m。四、消能防沖設(shè)施的具體布置（一）消能方式本設(shè)計(jì)采用挑流消能方式。它是利用下游反弧段的鼻坎，將下泄的高速水流挑射拋向空中，拋射水流在摻入大量空氣時(shí)消耗部分能量，然后落到距壩址較遠(yuǎn)的下游河床水墊中產(chǎn)生強(qiáng)烈的漩滾，并沖刷河床形成沖坑，隨著沖坑的逐漸加深，大量能量消耗在水流漩滾的摩擦之中，沖坑也逐漸趨于穩(wěn)定。（二）挑流設(shè)計(jì)主要包括選擇合適的鼻坎型式，鼻坎高程和挑射角度，反弧半徑，鼻坎構(gòu)造和尺寸；計(jì)算挑射距離和最大沖坑深度。（三）挑流鼻坎的型式有連續(xù)式和差動(dòng)式兩種。連續(xù)式挑流鼻坎構(gòu)造簡單，射程較遠(yuǎn)，水流平順，不易產(chǎn)生空蝕，經(jīng)濟(jì)安全。差動(dòng)式挑流鼻坎消能效果比連續(xù)式好，但易產(chǎn)生負(fù)壓，產(chǎn)生空蝕破壞。本設(shè)計(jì)采用連續(xù)式挑流鼻坎。挑射角度，一般情況下取，本設(shè)計(jì)取300，反弧半徑定為30m。鼻坎高程應(yīng)高于下游水位0.3-0.6m，本設(shè)計(jì)鼻坎高程定位267.1m，混凝土底高程為259.00m。邊墻采用貼壁式擋土墻，溢洪道基礎(chǔ)坐落于弱風(fēng)化花崗巖上。五、泄槽段的具體布置（一）泄槽長度的確定得泄槽長度是50m。（二）水面線計(jì)算及邊墻高度的確定起始段面水深h1按下式計(jì)算：式中：q——起始計(jì)算斷面單寬流量，m3/(s·m)；H0——起始計(jì)算斷面渠底以上總水頭，m；θ——泄槽底坡坡角；φ——起始計(jì)算斷面流速系數(shù)，取0.95。對于矩形斷面泄槽的臨界水深為：hk=式中：q—泄槽的單寬流量，m3/s·m；α—?jiǎng)幽苄拚禂?shù)，可近似地取為1；g—重力加速度，取9.8m/s2設(shè)計(jì)情況下：計(jì)算得試算得由于h1<hk，因此計(jì)算時(shí)取用h1=4.6m。校核情況下：計(jì)算得試算得因此計(jì)算時(shí)仍取用h1=5.3m。陡坡水面線根據(jù)能量方程，用分段求和法計(jì)算泄槽水面線，計(jì)算公式如下：式中：—分段長度，m；h1、h2—分段始、末斷面水深，m；v1、v2—分段始、末斷面平均流速，m3/s；α1、α2—流速分布不均勻系數(shù)，取1.05；θ—泄槽底坡角度，°；i—泄槽底坡，i＝tgθ=0.085；—分段內(nèi)平均摩阻坡降；n—泄槽槽身糙率系數(shù)；取0.014；—分段平均流速，＝（v1+v2）/2，m/s；—分段平均水力半徑，＝（R1+R2）/2,m；設(shè)計(jì)水位時(shí)水面線計(jì)算情況列于表4-1。校核水位時(shí)水面線計(jì)算情況列于表4-2。表4-1設(shè)計(jì)水位時(shí)水面線計(jì)算情況表h(m)4.64.23.8A(m2)131.6118.4105.6x(m)33.232.431.6R(m)3.963.653.34c(m0.5/s)89.888.687.3v(m/s)16.117.820.0(m)13.2316.1720.41Es（m）17.8320.3724.21△ES(m)2.543.84(m/s)16.9518.9(m)3.813.50(m0.5/s)89.288.00.009460.013180.075540.07182△l(m)33.6253.47∑△l(m)33.6287.09h摻(m)5.495.104.71表4-2校核水位時(shí)水面線計(jì)算表h(m)5.34.94.54.1A(m2)155.3141.6128.3115.2x(m)34.633.83332.2R