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土石壩畢業(yè)設(shè)計開題報告范文-水工土石壩畢業(yè)設(shè)計
撰寫畢業(yè)論文是在校大學生最后一次知識的全面檢驗，是對學生基本知識、基本理論和基本技能掌握與提高程度的一次總測試，同時培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際.增強獨立思考問題和解決問題的能力。土石壩畢業(yè)設(shè)計開題報告范文怎么寫呢?下面是小編整理的土石壩畢業(yè)設(shè)計開題報告范文資料，歡迎閱讀。
篇1：土石壩畢業(yè)設(shè)計開題報告范文
1. 課題研究的意義
土石壩是世界壩工建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛和發(fā)展最快的一種壩型。土石壩如此廣泛的應(yīng)用，那就要求我們要掌握土石壩的設(shè)計以及施工工藝。進行土石壩的研究，可以讓我們①掌握如何根據(jù)地形、地質(zhì)、建筑材料、施工情況、工程量、投資等方面，經(jīng)綜合比較選定壩型，了解土石壩樞紐各建筑物組成、建筑物的工作特點以及在樞紐中的布置;②了解和掌握調(diào)洪演算的方法和水庫各種特征水位的確定;③在對土石壩樞紐中各建筑物的設(shè)計中，了解各建筑物的選型比較方法以及所選定建筑物的設(shè)計難點和重點，并掌握相應(yīng)的設(shè)計方法;④掌握計算機繪圖和程序計算方法，培養(yǎng)設(shè)計報告撰寫能力;⑤通過設(shè)計研究，培養(yǎng)文獻資料查閱、發(fā)現(xiàn)問題、獨立思考問題和解決問題的能力。
2. 國內(nèi)外研究進展
土石壩是歷史最為悠久的一種壩型。目前，土石壩是世界壩工建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛和發(fā)展最快的一種壩型。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國興建的各種類型的壩共有8.48萬座，其中95%以上為土石壩。21世紀我國水利水電事業(yè)將進入大發(fā)展時期，在西部大開發(fā)的戰(zhàn)略下，一批水利水電工程將在黃河上游、長江中上游干支流、紅河等水利資源豐富的江河上開工建設(shè)。
在國外土石壩的發(fā)展速度同樣迅速，所建的.百米以上的高壩中，土石壩所占的比重呈逐年增長趨勢，20世紀50年代以前為30%，60年代接近40%，70年代接近60%，到80年代后增至70%以上。隨著近代的土石壩筑壩技術(shù)的發(fā)展，促成了一批高壩的建設(shè)。目前，世界上已建成的最土石壩為前蘇聯(lián)的努列克壩，高300m。我國已建成的天生橋一級面板堆石壩，高178m，在建的水布埡面板堆石壩，高233m，在建的糯扎渡心墻堆石壩，高261.5m。設(shè)計中的雙江口堆石心墻壩，高314m。
3. 當前研究存在的問題
土石壩的當前研究主要存在:一是水庫的滲流問題，二是除險加固的問題，三是新型材料的使用。
在壩與水庫失事的統(tǒng)計中1/4是由于滲流問題引起的，我國大壩數(shù)量居世界首位，潰壩率亦居世界前列。潰壩的危害程度很高，尤其是對于高壩大庫和大江大河的堤防工程，一旦失事其危害十分巨大，嚴重威脅整個水利工程的安全，進一步威脅下游人民生命和財產(chǎn)的安全。只有快速有效地分析堤壩的安全狀況、運行狀況以及潰壩風險分析等，才能減少事故的發(fā)生。只有有效地對多因素影響下的土石壩潰壩情況進行分析與預(yù)報，才能保證堤壩的正常運行、管理以及有的放矢地對堤壩工程進行除險加固處理。
較多的大壩需要除險加固，是由于當時特定的歷史條件，存在嚴重的邊勘測、邊設(shè)計、邊施工的現(xiàn)象，防洪標準低，質(zhì)量控制不嚴，尾工和隱患較多，時刻威脅下游人民生命財產(chǎn)安全，限制了當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展，其除險加固的重要性和必要性為人民所認識，因此水庫的除險加固勢在必行。
隨著筑壩技術(shù)的發(fā)展，壩的高度越來越大，需要的傳統(tǒng)材料越來越多，施工周期越來越長。如果在筑壩的過程中，再用新型材料，比如現(xiàn)在可以把樹脂模作為防滲體，既可以保證壩體的安全，又可以縮短工期和節(jié)約資金。
4. 基本思路
(1)分析原始資料
熟悉本水庫樞紐工程的一般自然地理條件，壩址附近的水文、氣象特征、地形、地質(zhì)條件、當?shù)夭牧�、對外交通的基本資料。通過對資料的了解和分析，初步掌握原始資料中對設(shè)計和施工有較大影響的主要因素和關(guān)鍵性問題，為設(shè)計奠定基礎(chǔ)。
(2)壩型選擇
根據(jù)提供的資料，建議選取2~3種壩型從地形、地質(zhì)、建筑材料、施工情況、工程量、投資等方面，經(jīng)綜合比較選定壩型。
(3)樞紐布置
根據(jù)選定的壩軸線從地形、地質(zhì)、施工、運用等方面大致確定建筑物(包括大壩、圍堰、導(dǎo)流泄洪洞、溢洪道、電站等)的相對位置、建筑物形式，并加以定性分析與論述，確定樞紐工程等級及建筑物級別。
(4)建筑物設(shè)計
�、俅_定斷面尺寸及平面布置:
根據(jù)規(guī)范要求，參照已建工程并考慮本工程的具體情況，確定壩頂高程、壩頂寬度、壩坡、防滲體及排水體尺寸，確定壩型及斷面尺寸，繪出壩的剖面及平面布置圖。
②滲流計算:
運用水力學法計算設(shè)計洪水位或正常最高水位時最大斷面及各控制斷面的浸潤線及單寬滲流量、全壩長的總滲流量。
�、蹓纹路�(wěn)定計算:
按照《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，按四種工況核算壩坡的穩(wěn)定性:
�、芗毑繕�(gòu)造設(shè)計:
包括壩基處理、壩與兩岸連接、壩頂、護坡、反濾層、過渡層，以及壩體與壩基的防滲體、排水設(shè)施。
(5)編制土石壩工程施工工藝流程圖 土石壩工程施工工藝流程應(yīng)采用流程框圖的形式，從施工準備、施工導(dǎo)流、壩基處理、壩體施工等方面進行編制。
(6)編制土石壩工程施工網(wǎng)絡(luò)圖 土石壩工程施工網(wǎng)絡(luò)圖應(yīng)按分部工程、月為參數(shù)編制。
5. 參考文獻
1.《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范》 SL228;
2.《水利水電工程等級劃分及洪水標準》 SL252;
3.《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》 SL274;
4.《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計準則》 SLJ01;
5.《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》 DL5073;
6.《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》 DL5077;
7.《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標準》 DL5180;
8.《土壩設(shè)計》上、下冊水電部五局東北院編水利水電出版社;
9.《水工建筑物》林繼庸編水利電力出版社;
10.《水工建筑物》吳媚玲編清華大學出版社;
11.《堆石壩設(shè)計》陳明志等編水利水電出版社;
12.《水工手冊》水利水電出版社。
指導(dǎo)教師評語:(建議填寫內(nèi)容:對學生提出的方案給出評語，明確是否同意開題，提出學生完成上述任務(wù)的建議、注意事項等)
指導(dǎo)教師簽名:
20**年 *月 *日
篇2：土石壩畢業(yè)設(shè)計開題報告范文
1 研究目的和意義
土石壩是修建歷史最悠久、世界上建設(shè)最多而且也是建得最高的一種壩型。公元前2900年，在埃及首都孟非司城(Memphis)附近尼羅河上修建的一座高15m，頂長240m的擋水壩是世界上第一壩，它就是土石壩。我國已建的8.6萬座水壩絕大多數(shù)是土石壩。前蘇聯(lián)修建的羅貢土石壩壩高325m。土石壩如此長久而廣泛地被采用，與它對基礎(chǔ)的廣泛適應(yīng)性、筑壩材料可當?shù)夭扇�、施工速度快、�?jīng)濟等主要優(yōu)點有關(guān)。選擇土石壩壩型進行設(shè)計研究，目的是：①了解土石壩樞紐各建筑物組成、建筑物的工作特點以及在樞紐中的布置;②了解和掌握調(diào)洪演算的方法和水庫各種特征水位的確定;③在對土石壩樞紐中各建筑物的設(shè)計中，了解各建筑物的選型比較方法以及所選定建筑物的設(shè)計難點和重點，并掌握相應(yīng)的設(shè)計方法;④掌握計算機繪圖和程序計算方法，培養(yǎng)設(shè)計報告撰寫能力;⑤通過設(shè)計研究，培養(yǎng)文獻資料查閱、發(fā)現(xiàn)問題、獨立思考問題和解決問題的能力。
通過土石壩水利樞紐的'設(shè)計研究，掌握一個水利樞紐的設(shè)計步驟程序和方法，學習和發(fā)展土石壩設(shè)計理論，促進土石壩建設(shè)。
2.閱讀的主要文獻、資料;國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
1)水利電力部，碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范(SDJ218-84)，水利電力出版社，1985。
2)華東水利學院主編，水工設(shè)計手冊，土石壩分冊和結(jié)構(gòu)計算分冊，水利電力出版社，1984。
3)水利電力部，水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范(DL 5073-1997)，中國電力出版社，1997。
4)華東水利學院譯，土石壩工程，水利電力出版社，1978。
5)武漢水利電力學院，水工建筑物基本部分，水利電力出版社，1990。
6)水利電力部，混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范(SDJ21-78)，水利電力出版社，1981。
7)中華人民共和國水利部，溢洪道設(shè)計規(guī)范(SL253-2000)，中國水利水電出版社，2000。
8)中華人民共和國水利電力部，水工隧洞設(shè)計規(guī)范(SD134-84)，水利電力出版社，1985。
9)中華人民共和國水利部，水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范(SL 74-95)，水利電力出版社，1995。
10)成都科技大學水力學教研室合編，水力學下冊，人民教育出版社，1979。
11)華東水利學院等合編，水文及水利水電規(guī)劃上下冊，水利出版社，1981。
對20世紀70年代美國發(fā)生的一系列大壩失事進行調(diào)查后，美國總統(tǒng)科學技術(shù)政策辦公室于1979年6月25日在寫給卡特總統(tǒng)的報告中指出“雖然人類筑壩已有幾千年歷史，但是直到目前，壩工技術(shù)并不是一門嚴密的科學，而更恰當?shù)卣f是一種‘技藝’。不論是建造新壩還是改建老壩，在每一個規(guī)劃和實施階段都還需要依賴于經(jīng)驗判斷”。因此壩工研究更依賴于工程實踐，對其的研究工作貫穿于設(shè)計、施工和運行管理的各個環(huán)節(jié)。從國內(nèi)外土石壩建設(shè)狀況看，土石壩數(shù)量最多，相應(yīng)的筑壩經(jīng)驗最豐富。但前些年國內(nèi)百米以上的土石壩很少，這主要受當時的施工機械和技術(shù)限制。近年來，隨著施工技術(shù)的發(fā)展，特別是振動碾壓機械的應(yīng)用，國內(nèi)土石壩建設(shè)速度很快，且往高壩建設(shè)發(fā)展，目前已開工建設(shè)的水布埡面板堆石壩壩高233m。雖然土石壩筑壩經(jīng)驗很豐富，但仍存在許多問題需解決，因此，選擇土石壩設(shè)計為主要研究方向。
3 主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線
研究內(nèi)容：
1進行壩型選擇和樞紐布置方案研究;
2主要建筑物設(shè)計。對擋水建筑物進行穩(wěn)定分析、滲流計算、地基處理和細部結(jié)構(gòu)等的詳細設(shè)計;對泄水建筑物布置進行設(shè)計，對溢洪道過流堰的穩(wěn)定及邊緣應(yīng)力進行計算和分析，或?qū)π购樗矶吹倪M口建筑物設(shè)計及對洞身進行襯砌設(shè)計計算;
3 施工導(dǎo)流方案研究。
主要技術(shù)指標：
1)確定的樞紐布置方案經(jīng)濟合理，便于施工和運行管理;
2)設(shè)計的土石壩壩高和防滲體頂高按規(guī)范設(shè)計，壩剖面滿足壩坡穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定要求;
3)泄洪建筑物泄洪能力滿足設(shè)計要求，并能泄放校核洪水，溢洪道溢流堰滿足穩(wěn)定和強度要求;
4)水庫放空洞在30天內(nèi)可將水庫從正常高水位降至325m高程;
5)水電站引水隧洞洞徑按經(jīng)濟管徑設(shè)計;
6)所確定的施工方案可有效地施工導(dǎo)流，上下游圍堰高度滿足相應(yīng)的施工渡汛要求。
4 工作的主要階段、進度及完成時間
時間安排： 共14.0周。
其中熟悉資料 0.5周;
樞紐布置(含調(diào)洪演算、擋水壩段設(shè)計) 4.0周;
指定建筑物設(shè)計(含土石壩、溢洪道或泄洪隧洞、電站廠房等設(shè)計) 5.0周;
施工導(dǎo)流 0.5周;
成果整理及繪圖 4.0周。
具體完成時間：
3月1日~3月13日：開題報告;
4月19日~4月30日：老師檢查;
6月1日~6月2日：預(yù)答辯、畢業(yè)設(shè)計裝訂成冊;
6月7日：交成果;
6月10日：答辯。
篇3：土石壩畢業(yè)設(shè)計開題報告范文
學位論文原創(chuàng)性聲明
本人鄭重聲明:所呈交的學位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究 工作所取得的成果，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或 集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。 對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均 已在文中以明確方式標明，本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。
作者簽名: 日 期:
學位
論文版權(quán)使用授權(quán)書
本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保障、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并 向有關(guān)學位論文管理部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借 閱。 本人授權(quán)省級優(yōu)秀學士學位論文評選機構(gòu)將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有 關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學位論文。 本學位論文屬于 1、保密 □，在_________年解密后適用本授權(quán)書。 2、不保密 √。
作者簽名: 導(dǎo)師簽名:
2012 年 2012 年
月 月
日 日
I
內(nèi) 容 摘 要
平山水庫位于 G 縣城西南 3 公里處的平山河中游，該河系睦水的主要支流，全 長 28 公里，流域面積為 556 平方公里，壩址以上控制流域面積 431 平方公里。由于 平山河為山區(qū)性河流，雨后山洪常給農(nóng)作物和村鎮(zhèn)造成災(zāi)害，另外，當雨量分布不均 時，又易造成干旱現(xiàn)象，因此有關(guān)部門對本地區(qū)作了多次勘測規(guī)劃以開發(fā)這里的水利 資源。經(jīng)初步論證，該工程擬采用土石壩作為擋水建筑物，岸邊溢洪道作為泄水建筑 物。 本文對土石壩的概念和設(shè)計要求進行分析和研究，并對平山水利樞紐擋、泄水建 筑物進行初步設(shè)計。 關(guān)鍵詞:平山水庫 土石壩 初步設(shè)計
Abstract
PingShan reservoir located at the middle reaches of the PingShan River which is 3 kilometers south-west of G county， the river is the main tributary of the Mu River. Its entire length is 28 kilometers and its basin covers 556 square kilometers， the controls drainage area over the dam is 431 square kilometers. Because PingShan River is a mountainous nature river， it usually causes damage to thecrops and villages by the flash floods after rained， in addition， when the rainfall is not regular， it will be easy to cause drought， so the relevant departments have provided a large amount of surveys for this region to exploit waterpower resources.After generally demonstration，the project is proposed to use earth and rockfill dam as the water retaining structure， the shore spillway as the water release structure. This thesis is mainly to give a analysis and research to the concept and design requirements of earth and rockfill dam， and make a preliminary design for the water retaining structure and the water release structure. Key words: PingShan reservoir rockfill dam preliminary design
II
目
錄
前 言 ··································· ·································· 1 ·································· 1 基本資料及設(shè)計數(shù)據(jù) ···························3 ··························· ·························· 1.1 基本資料 ······························ 3 ······························ ······························ 1.2 設(shè)計數(shù)據(jù) ······························· ······························ 4 ······························ 2 樞紐布置 ································· 7 ································· ································· 2.1 樞紐的組成建筑物及等級····················· 7 ····················· ····················· 2.2 各組成建筑物的選擇 ························7 ························ ······················· 2.3 樞紐總體布置方案的確定 ····················· ···················· 9 ···················· 3 土石壩設(shè)計································ ······························· 10 ······························· 3.1 壩型選擇 ······························10 ······························ ····························· 3.2 土石壩基本剖面的擬定 ······················11 ······················ ····················· 3.3 防滲體設(shè)計 ····························· ···························· 13 ···························· 3.4 土石壩滲流及穩(wěn)定分析計算 ···················· ··················· 14 ··················· 3.5 頂部構(gòu)造 ······························23 ······························ ····························· 3.6 護坡設(shè)計 ······························23 ······························ ····························· 3.7 壩頂、壩面排水設(shè)計 ······················· 24 ······················· ······················· 3.8 壩體排水設(shè)計 ···························25 ··························· ·························· 3.9 反濾層和過渡層 ··························26 ·························· ························· 3.10 地基處理及壩體與地基岸坡的連接 ··············· ·············· 28 ·············· 3.11 裂縫處理 ····························· 28 ····························· ····························· 4 溢洪道設(shè)計································ ······························· 30 ······························· 4.1 溢洪道路線選擇和平面位置的確定 ··············· 30 ··············· ··············· 4.2 溢洪道基本數(shù)據(jù) ·························· ························· 30 ························· 4.3 工程布置 ······························ ····························· 30 ····························· 4.4 溢洪道地基處理 ··························39 ·························· ························· 5 設(shè)計成果說明······························· ······························ 40 ······························ 5.1 土石壩 ······························· 40 ······························· ······························· 5.2 溢洪道 ······························· 40 ······························· ······························· 參 考 文 獻 ································41 ································ ······························· 致 謝 ··································· 42 ··································· ···································
III
前
言
根據(jù)教學要求，畢業(yè)設(shè)計對水利水電工程專業(yè)學生進行的最后一項教學環(huán)節(jié)。本 次設(shè)計內(nèi)容為 TS 水利樞紐擋、泄水建筑物的初步設(shè)計，具體設(shè)計以位于 G 縣城西南 3 公里處的平山河中游的平山水庫為藍本，平山河全長 28 公里，流域面積為 556 平 方公里，壩址以上控制流域面積 431 平方公里。由于平山河為山區(qū)性河流，雨后山洪 常給農(nóng)作物和村鎮(zhèn)造成災(zāi)害，另外，當雨量分布不均時，又易造成干旱現(xiàn)象，因此有 關(guān)部門對本地區(qū)作了多次勘測規(guī)劃以開發(fā)這里的水利資源。經(jīng)初步論證，該工程擬采 用土石壩作為擋水建筑物，岸邊溢洪道作為泄水建筑物。本文將對土石壩的概念和設(shè) 計要求進行分析和研究，并對平山水利樞紐擋、泄水建筑物進行初步設(shè)計。它基本包 括一般水利樞紐所需進行的水工初步設(shè)計過程。 土石壩是指由當?shù)赝亮�、石料或混合料，�?jīng)過拋填、輾壓方法堆筑成的壩，是歷 史最為悠久的一種壩型，是世界壩工建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛和發(fā)展最快的一種壩型，全 世界所建的百米以上高壩中，土石壩所占的比重在呈逐年增長趨勢，20 世紀 50 年代 以前為 30%，60 年代接近 40%，70 年代接近 60%，至 80 年代后增至 70%以上。據(jù) 不完全統(tǒng)計，我國興建的各種類型的壩共有 8.48 萬余座，其中 95%以上為土石壩。 由于土石壩工程施工簡單、 地質(zhì)條件要求低、 造價便宜， 并可以就地取材且料源豐富， 因此土石壩在我國的高壩中所占的比重也在逐年增加， 目前已建成的的天生橋一級面 板堆石壩，高 178m，在建的瀑布溝礫石土心墻堆石壩，高 186m，在建的水布埡面板 堆石壩，高 233m，在建的扎糯渡心墻堆石壩，高 261.5m。目前，土石壩工程建設(shè)水 平和技術(shù)不斷提高和發(fā)展， 特別是 20 世紀 90 年代以來， 我國土石壩壩高開始向 300m 級高度研發(fā)和建設(shè)。目前世界最高的土石壩，同時也是世界最高的水壩是位于塔吉克 斯坦共和國阿姆河支流瓦赫什河上的羅貢壩，最大壩高 335m，壩頂長 660m，壩頂寬 20m，底寬 1500m，壩體體積 7550 萬 m3，庫容 133 億 dm3，水電裝機 360 萬 kw，工 程主要任務(wù)是灌溉與發(fā)電。 世界第二高壩是位于塔吉克斯坦境內(nèi)瓦赫什河的布利桑京 峽谷的努列克土質(zhì)心墻土石壩。最大壩高 300m，壩頂長 704m，庫容 105 億 m3，為 季調(diào)節(jié)水庫。 隨著石方填筑質(zhì)量的提高， 面板接縫以及面板與岸坡和壩基連接結(jié)構(gòu)的改進， 鋼 筋混凝土斜墻結(jié)構(gòu)的完善，現(xiàn)代混凝土面板堆石壩得到了大力推廣。因為混凝土面板 堆石壩不但具備了土石壩的基本特點，而且在采用同等施工技術(shù)條件下，該壩型的填 方量和防滲結(jié)構(gòu)的工程量最小，是所有土石壩中最經(jīng)濟的壩型，結(jié)構(gòu)也較為合理，目 前成為當前土石壩發(fā)展的主要趨勢。
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平山水庫采用粘土心墻土石壩作為擋水建筑物，岸邊溢洪道作為泄水建筑物，樞 紐主要任務(wù)以灌溉發(fā)電為主，并結(jié)合防洪，航運，養(yǎng)魚及供水等任務(wù)進行開發(fā)。根據(jù) 初步規(guī)劃，本工程灌溉面積為 20 萬畝(高程在 102m 以上) ，裝機 9 萬千瓦。防洪方 面，由于水庫調(diào)洪作用，使平山河下游不致洪水成災(zāi)，同時配合下游睦水水利樞紐， 對睦水下游也能起到一定的防洪作用， 在流域規(guī)劃中規(guī)定本樞紐在通過設(shè)計洪水流量 時，控制最大泄流流量不超過 900 m3 /s。在航運方面，上游庫區(qū)能增加航運里程 20 公里，下游可利用發(fā)電尾水等航運條件，使平山河下游四季都能筏運，并擬建竹木最 大過壩能力為 25 噸的筏道。 本設(shè)計歷時五個月，在此過程中參考近二十本相關(guān)圖書，運用 Geo-slope 軟件進 行滲流計算和穩(wěn)定計算，運用 AutoCAD 軟件將設(shè)計結(jié)果圖像化，更加直觀明白的表 現(xiàn)出設(shè)計成果，同時畢業(yè)設(shè)計輔導(dǎo)老師喬娟老師給予我相關(guān)指導(dǎo)和幫助，在此表示衷 心的感謝。由于本人水平有限，設(shè)計不可能完全妥當，對設(shè)計中的疏誤或不當之處， 敬請指正。
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1 基本資料及設(shè)計數(shù)據(jù)
1.1 基本資料
1.1.1 概況
平山水庫位于 G 縣城西南 3 公里處的平山河中游，該河系睦水的主要支流，全 長 28 公里，流域面積為 556 平方公里，壩址以上控制流域面積 431 平方公里;沿河 道有地勢比較平坦的小平原，地勢比較平坦的小平原，地勢自南向東由高變低.最低 高程為 62.5m 左右， 河床比降 3 ‰， 河流發(fā)源于蘇塘鄉(xiāng)大源錠子， 整個流域物產(chǎn)豐富， 土地肥沃，下游盛產(chǎn)稻麥，上游蘊藏著豐富的木材，竹子等土特產(chǎn)。 由于平山河為山區(qū)性河流，雨后山洪常給農(nóng)作物和村鎮(zhèn)造成災(zāi)害，另外，當雨量 分布不均時，又易造成干旱現(xiàn)象，因此有關(guān)部門對本地區(qū)作了多次勘測規(guī)劃以開發(fā)這 里的水利資源。
1.1.2 樞紐任務(wù)
樞紐主要任務(wù)以灌溉發(fā)電為主， 并結(jié)合防洪， 航運， 養(yǎng)魚及供水等任務(wù)進行開發(fā)。 根據(jù)初步規(guī)劃， 本工程灌溉面積為 20 萬畝 (高程在 102m 以上)裝機 9 萬千瓦. ， 防 洪方面，由于水庫調(diào)洪作用，使平山河下游不致洪水成災(zāi)，同時配合下游睦水水利樞 紐，對睦水下游也能起到一定的防洪作用，在流域規(guī)劃中規(guī)定本樞紐在通過設(shè)計洪水 流量時，控制最大泄流流量不超過 900 m3 /s。在航運方面，上游庫區(qū)能增加航運里程 20 公里，下游可利用發(fā)電尾水等航運條件，使平山河下游四季都能筏運，并擬建竹 木最大過壩能力為 25 噸的筏道。
1.1.3 地形、地質(zhì)概況
地形情況:平山河流域多為丘陵山區(qū)，在平山樞紐上游均為大山區(qū)，河谷山勢陡 峭，河谷邊坡一般為 60°~70° ，地勢高差都在 80~120m，河谷沖溝切割很深，山脈 走向大約為東西方向，巖基出露很好，河床一般為 100m 左右，河道彎曲相當厲害， 尤其樞紐布置處更為顯著形成 S 形， 沿河沙灘及坡積層發(fā)育， 尤以壩址下游段的平山 嘴下游一帶及壩下陳家上游一帶更為發(fā)育，其他地方則很少，在壩軸下游 300m 處的 兩岸河谷呈馬鞍形，其覆蓋物較厚，巖基產(chǎn)狀凌亂。 地質(zhì)情況:靠上游有泥盆五通砂巖靠下游為二疊紀灰?guī)r，幾條壩軸線皆落在五通 砂巖上面。 地質(zhì)構(gòu)造特征有: 在平山嘴以南， 即石灰?guī)r與砂巖分界處， 發(fā)現(xiàn)一大斷層， 其走向近東西，傾向大致向北西，在第一壩軸線左肩的五通砂巖，特別破碎，在 100 多米范圍內(nèi)就有三，四出小斷層，產(chǎn)狀凌亂，壩區(qū)右岸破碎達 60 米的鉆孔巖芯獲得 率僅為 20%，可見巖石裂隙十分發(fā)育。 巖石的滲水率都很小，右岸一般為 0.001~0.01，個別達到 0.07~0.08，而左岸多為
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0.001~0.01。 壩區(qū)下游石灰?guī)r中，發(fā)現(xiàn)兩處溶洞，平山嘴大溶洞和大泉眼大溶洞，前者對大壩 及庫區(qū)均無影響，但后者朝南東方向延伸的話，則可能通向庫壁，待將來蓄水后，庫 水有可能順著溶洞漏到庫外，為此，目前正在加緊地質(zhì)勘探工作，以便得出明確的結(jié) 論和提出處理意見。 壩址覆蓋層沿壩軸線厚度達 1.5~5.0m，K=1× -4 cm/s，浮容重 γ=10.7kN/m3，內(nèi) 10 摩擦角 Φ=35?。
1.1.4 水文，氣象
1)水文:由于流域徑流資料缺乏，設(shè)計年月徑流量及洪水流量不能直接由實測 徑流分析得到，必須通過降雨徑流間接推求.根據(jù)省水文站由C城站插補延長得三天 雨量計算頻率:1000 年一遇雨量 498.1mm，200 年一遇雨量 348.2mm，50 年一遇雨 量 299.9mm，暴雨洪峰流量 Q0.1%=1860m3/s， Q0.5%=1550m3/s， Q1%=1480m3/s，多 年平均來水量為 4.55 億 m3。 。 2)氣象:多年平均風速 15m/s，水庫吹程 D=10Km，多年平均降雨量 430mm/年， 庫區(qū)氣候溫和，年平均氣溫 16.9? C，年最高氣溫 40.5?C，年最低氣溫-14.9? C，平均 凍土深度 1.3m。
1.1.5 其他
1)壩頂無交通要求 2)對外交通情況 水路:由 B 城至溪口為南江段上水，自溪口至 C 城系睦水主流，為內(nèi)河航運， 全長 256 公里，可通行 3~6 噸木船，枯水季只能通行 3 噸以下船只，水運較為困難。 公路:附近公路線為 AF 干道，B 城至 C 城段全長 365KM，晴雨暢通無阻，但 C 城至壩址尚無公路通行。 鐵路:D 城為樂萬鐵路車站，由 B 城至 D 城 180KM，至工地有 53 公里。 3)地震:本地區(qū)為 5~6 度，設(shè)計時可不考慮。
1.2 設(shè)計數(shù)據(jù)
1.2.1 水庫規(guī)劃資料
1)正常蓄水位:112.6m; 2)設(shè)計洪水位:114.3m; 3)校核洪水位:116m; 4)死水位:103.8 m(發(fā)電極限工作深度 8m) ; 5)灌溉最低庫水位:103.2m;
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6)總庫容:2.00 億 m3; 7)水庫有效庫容:1.15 億 m3; 8)庫容系數(shù):0.575; 9)本設(shè)計以校核洪水時指定的下泄流量為泄水建筑物設(shè)計依據(jù)， 即通過校核洪水 位流量時，溢洪道泄水量 q=1000 m3/s，相應(yīng)下游最高洪水位 70m。通過設(shè)計洪水位 流量時，相應(yīng)下游最高洪水位 68.5m。當上游水位降到死水位時，相應(yīng)的下游水位是 64.5m。
1.2.2 筑壩材料
1) 土料: 主要有粘土和壤土， 可采用壩下 1.5-3.0km 丘陵區(qū)與平原地帶， 儲量多， 質(zhì)量尚佳，可作為筑壩材料，其性能見表 1.1。 2)砂土:可從壩上下游 0.5-3.5km 河灘上開采，儲量多，可供筑壩使用，其性能 見表 1.2。 3)石料:可在壩址下游附近開采，石質(zhì)為石灰?guī)r及砂巖，質(zhì)地堅硬，儲量豐富， 其性能見表 1.3。
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表 1.1
土壤類別 粘土 壤土 坡土 浮容重 γ’ (KN/m3) 13 14 15 濕容重 γ (KN/m3) 19 17.8 18.6 土粒比重 GS 2.62 2.6 2.73 干容重 γd (KN/m3) 16 15.8 16.6
土料特性表
有效內(nèi) 摩擦角 Φ’ 17° 20° 22° 內(nèi)摩 擦角 Φ 19° 22° 28° 有效粘聚力 C’(Kpa) 18 10 6.5 粘聚力 C(Kpa) 40 14 7.5 滲透系 數(shù)K (cm/s) 1× -7 10 1× -5 10 1× -3 10
最優(yōu)含水 孔隙率 率W (%) n(%) 25 14.5 22.5 30 32 39.8
表 1.2
干容重 γd(KN/m3) 18 孔隙率 n (%) 39 有效內(nèi) 摩擦角 Φ’ 20° 內(nèi)摩擦角 Φ 30° 有效粘聚 力C’(K pa) 5
砂土特性表
粘聚力C (Kpa) 12 滲透系數(shù) K(cm/s) 1× -2 10 濕容重 γ (KN/m3) 20.5 土粒比重 GS 2.92 浮容重 γ′ (KN/m3) 12.06
表 1.3
干容重 γd(KN/m3) 19 孔隙率 n (%) 41 有效內(nèi) 摩擦角 Φ’ 24° 內(nèi)摩擦角 Φ 38° 有效粘聚 力C’(K pa) 3
石料特性表
粘聚力C (Kpa) 10 滲透系數(shù) K(cm/s) 1× -1 10 濕容重 γ (KN/m3) 21.5 土粒比重 GS 3.1 浮容重 γ′ (KN/m3) 13.5
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2 樞紐布置
2.1 樞紐的組成建筑物及等級
2.1.1 水庫樞紐建筑物組成
根據(jù)水庫樞紐的任務(wù)，該樞紐組成建筑物包括:攔河大壩、溢洪道、水電站建筑 物、灌溉渠道、水庫放空隧洞(擬利用導(dǎo)流洞作放空洞) 、筏道。
2.1.2 工程規(guī)模
根據(jù)《水利水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計標準》以及該工程的一些指標確定工程 規(guī)模如下: 1)各效益指標等別:根據(jù)樞紐灌溉面積為 20 萬畝，在 5~50 萬畝范圍之間，屬Ⅲ 等工程;根據(jù)電站裝機容量為 9 萬 kW，在 5~30 萬 kW 之間，屬Ⅲ等工程;根據(jù)總 庫容為 2.00 億 m3，在 1~10 億 m3，屬Ⅱ等工程。 2)水庫樞紐等別:根據(jù)規(guī)范規(guī)定，對具有綜合利用效益的水電工程，各效益指 標分屬不同等別時，整個工程的等別應(yīng)按其最高的等別確定，故本水庫樞紐為Ⅱ等工 程。 3)水工建筑物的級別:根據(jù)水工建筑物級別的劃分標準，Ⅱ等工程的主要建筑 物為 2 級水工建筑物， 所以本樞紐中的攔河大壩、 溢洪道、 水電站建筑物、 灌溉渠道、 水庫放空隧洞為 2 級水工建筑物;次要建筑物筏道為 3 級水工建筑物。
2.2 各組成建筑物的選擇
2.2.1 擋水建筑物型式的選擇
擋水建筑物型式的選擇關(guān)系到整個地形的工程量、投資的工期，除筑壩材料是壩 型選擇的主要因素外， 還要根據(jù)地形地質(zhì)條件、 氣候條件、 施工條件、 壩基處理方案、 抗震要求等各種因素進行研究比較，最后選定技術(shù)上可靠、經(jīng)濟上合理的壩型 工程中主要的擋水建筑物型式有重力壩、 拱壩、 土石壩， 現(xiàn)對各種壩型進行比較: 1)重力壩方案 重力壩基本剖面呈三角形， 在水壓力及其他荷載作用下主要依靠壩體自重產(chǎn)生的 抗滑力來滿足穩(wěn)定要求， 同時依靠壩體自重產(chǎn)生的壓應(yīng)力來抵消水壓力所引起的拉應(yīng) 力來滿足強度要求。 重力壩的優(yōu)點:①筑壩材料強度高，耐久性好，抵抗洪水漫頂，滲漏沖刷，地震 破壞等的能力強;②對地質(zhì)、地形條件適應(yīng)性強，一般建與基巖上;③重力壩可做成 溢流的，也可在壩內(nèi)設(shè)置泄水孔，樞紐布置緊湊;④結(jié)構(gòu)作用明確;⑤施工方便。 重力壩的缺點: ①由于壩體剖面尺寸往往由于穩(wěn)定和壩體拉應(yīng)力強度條件控制而 做的較大，材料用量多，壩內(nèi)壓應(yīng)力較低，材料強度不能充分發(fā)揮，且壩底面積大，
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因而揚壓力也較大，對穩(wěn)定不利;②因壩體體積較大，施工期混凝土溫度收縮應(yīng)力也 較大，為防止溫度裂縫，施工時對混凝土溫度控制的要求較高。 2)拱壩方案 拱壩是固接于基巖的空間殼體結(jié)構(gòu)，在平面上呈向上游的拱壩，其拱冠剖面呈豎 直的或向上游凸出的曲面形。壩體結(jié)構(gòu)既有拱作用又有梁作用，其承受的荷載一部分 通過拱的作用壓向兩岸，另一部分通過豎直梁的作用傳到壩底基巖。 拱壩的優(yōu)點:①具有雙向傳力的性能;②拱是推力結(jié)構(gòu);③拱壩具有較高的超載 能力;④拱壩輕韌，富有彈性而整體性好，借助巖基對地質(zhì)功能的吸收，它又具有較 強的抗震能力。 拱壩的缺點:①拱壩是不設(shè)永久性橫縫的整體朝靜定結(jié)構(gòu)，設(shè)計時需計入溫度變 化和地基位移對壩體應(yīng)力的影響; ②拱壩體形復(fù)雜; ③設(shè)計施工難度大， 對施工質(zhì)量、 筑壩材料強度和防滲要求，以及對地形地質(zhì)條件及地基要求均較高。 3)土石壩方案 土石壩是指由當?shù)赝亮鲜匣蛲潦旌狭咸钪傻膲巍?土石壩的優(yōu)點:①就地取材，與混凝土壩相比，節(jié)省大量水泥、鋼材和木材，且 減少了筑壩材料運輸費用;②對地質(zhì)、地形條件要求較低，任何不良地基經(jīng)處理后也 可筑土石壩;③施工方法靈活，技術(shù)簡單，且管理方便，易于加高擴建。 土石壩的缺點:①不允許壩頂溢流，一般需在河岸上另設(shè)泄水建筑物;②在河谷 狹窄，洪水流量大的河道上施工導(dǎo)流較混凝土壩困難;③采用粘性土料施工受氣候條 件影響較大。 本設(shè)計中，從樞紐布置處地形地質(zhì)平面圖及 1#壩軸線地質(zhì)剖面圖上可以看出， 壩址基巖為上部為五通砂巖，下面為石英砂巖和砂質(zhì)頁巖，覆蓋層沿壩軸線厚 1.5~ 5.0m，五通砂巖厚達 30~80m，若建重力壩清基開挖量大，目前 C 城至壩址尚無鐵 路、公路通行，修建重力壩所需水泥、鋼筋等材料運輸不方便，且不能利用當?shù)刂䦃?材料，故修建重力壩不經(jīng)濟。修建拱壩理想的地形條件是左右岸地形對稱，岸坡平順 無突變，在平面上向下游收縮的河谷段，而且壩端下游側(cè)要有足夠的巖體支撐，以保 證壩體的穩(wěn)定。該河道彎曲相當厲害，尤其樞紐布置處更為顯著形成 S 形，1#壩址處 沒有雄厚的山脊作為壩肩，左岸陡峭，右岸相對平緩，峽谷不對稱，成不對稱的“U” 型，下游河床開闊，不適合拱壩的建設(shè)。土石壩對地形、地質(zhì)條件要求低，幾乎在所 有的條件下都可以修建，且施工技術(shù)簡單，可實行機械化施工，也能充分利用當?shù)亟?筑材料，覆蓋層也不必挖去，因此造價相對較低，所以采用土石壩方案是選定技術(shù)上 可行，經(jīng)濟上合理的壩型。
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2.2.2 泄水建筑物型式的選擇
土石壩最適合采用岸邊溢洪道進行泄洪，在壩軸線下游 300m 處的.兩岸河谷呈馬 鞍形，右岸有馬鞍形埡口，采用正槽式溢洪道泄洪，泄水槽與堰上水流方向一致，水 流平順，泄洪能力大，結(jié)構(gòu)簡單，運行安全可靠，適用于各種水頭和流量。
2.3 樞紐總體布置方案的確定
擋水建筑物:土石壩(包括副壩在內(nèi))按直線布置在河彎地段的 1#壩址線上。 泄水建筑物:溢洪道布置在大壩右岸的天然埡口處。 綜合考慮各方面因素，最后確定樞紐布置直接繪制地形地質(zhì)平面圖，見附圖。
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3 土石壩設(shè)計
3.1 壩型選擇
影響土石壩壩型選擇的因素有:壩高;筑壩材料;壩址區(qū)的地形地質(zhì)條件;施工 導(dǎo)流、施工進度與分期、填筑強度、氣象條件、施工場地、運輸條件、初期度汛等施 工條件;樞紐布置、壩基處理型式、壩體與泄水引水建筑物等的連接;樞紐的開發(fā)目 標和運行條件;土石壩以及樞紐的總工程量、總工期和總造價。 樞紐大壩采用當?shù)夭牧现䦃�，�?jù)初步勘察，土料可以采用壩軸線下游 1.5~3.5 公里的丘陵區(qū)與平原地帶的土料，且儲量很多，一般質(zhì)量尚佳，可作筑壩之用。砂料 可在壩軸線下游 1~3 公里河灘范圍內(nèi)及平山河出口處兩岸河灘開采。 石料可以用采石 場開采， 采石場可用壩軸線下游左岸山溝較合適， 其石質(zhì)為石灰?guī)r、 砂巖， 質(zhì)量良好， 質(zhì)地堅硬，巖石出露，覆蓋淺，易開采。各種材料的特性見表 1.1-1.3。 從建筑材料上說，該樞紐壩型選擇均質(zhì)壩、多種土質(zhì)分區(qū)壩、斜墻壩、心墻壩均 可。 1)均質(zhì)壩。壩體材料單一，施工工序簡單，干擾少;壩體防滲部分厚大，滲透 比降比較小，有利于滲流穩(wěn)定和減少通過壩體的滲流量，此外壩體和壩基、岸坡、及 混凝土建筑物的接觸滲徑比較長，可簡化防滲處理。但是，由于土料抗剪強度比用在 其他壩型壩殼的石料、 砂礫和砂等材料的抗剪強度小， 故其上下游壩坡比其他壩型緩， 填筑工程量比較大。壩體施工受嚴寒及降雨影響，有效工日會減少，工期延長，故在 寒冷及多雨地區(qū)的使用受限制。故不選擇均質(zhì)壩。 2)多種土質(zhì)分區(qū)壩。該壩型雖然可以因地制宜，充分利用包括石渣在內(nèi)的當?shù)?各種筑壩材料;土料用量較均質(zhì)壩少，施工受氣侯的影響也相對小一些，但是由于多 種材料分區(qū)填筑，工序復(fù)雜，施工干擾大，故也不選用多種土質(zhì)分區(qū)壩。 3)斜墻壩。斜墻壩與心墻壩，一般的優(yōu)缺點無顯著差別，粘心斜墻壩沙礫料填 筑不受粘土填筑影響和牽制， 沙礫料工作面大， 施工方便。 但到考慮壩址的地質(zhì)條件， 壩基有破碎帶和覆蓋層， 截水槽開挖和斷層處理要花費很多時間， 并且不易準確預(yù)計， 故不應(yīng)選擇斜墻壩。 4)心墻壩。心墻位于壩體中間而不依靠在透明水殼上，其自重通過本身傳到基 礎(chǔ)，不受壩殼沉降影響，依靠心墻填土自重，使得沿心墻與地基接觸面產(chǎn)生較大的接 觸應(yīng)力，有利于心墻和地基的結(jié)合，提高接觸面的滲透穩(wěn)定性，使其因壩主體的變形 而產(chǎn)生裂縫的可能性小，粘土用量少，受氣候影響相對小，粘土心墻施工受季節(jié)氣候 的影響也比其他壩型小得多。同時因為用作防滲體的土料在位于壩下游 1.5~3.5 公里 的丘陵區(qū)與平原地帶儲量很多，一般質(zhì)量尚佳，可作筑壩之用;用作透水料的砂土可
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從壩上下游 0.3~3.5 公里河灘上開采，儲量多，可供筑壩使用，筑壩石料在壩址下游 附近開采，且石質(zhì)為石灰?guī)r和砂巖，質(zhì)地堅硬，儲量豐富，便于開采，這樣便于分別 從上下游上料，填筑透水壩殼，使施工方便，減少工程造價，爭取工期。 綜合以上分析，最終選擇粘土心墻壩。
3.2 土石壩基本剖面的擬定
土石壩基本剖面包括上下游壩坡、壩頂寬度、壩頂高程等。
3.2.1 上下游壩坡
土石壩壩坡的大小取決于壩型、壩高、筑壩材料、荷載、壩基性質(zhì)等因素，且直 接影響到壩體的穩(wěn)定和工程量大小。 根據(jù) SL274-2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定:高度在 30m 以下的為低壩， 高度在 30~70m 之間的土石壩壩高為中壩， 高度超過 70m 的為高壩。 由于平山水庫屬 于Ⅱ等工程，以防洪發(fā)電為主，校核洪水位為 116m，水庫最低高程為 62.5m，壩高 至少 53.5m，預(yù)估為中高壩，故本壩采用三級變坡。 1)上游壩坡坡率:從壩頂至壩踵依次為 1:1.75;1:2.0;1:2.25。 2)下游壩坡坡率:從壩頂至壩趾依次為 1:1.5;1:1.75;1:2.0。 3)馬道:因土石壩高程相隔 10~30m 之間設(shè)馬道，故第一級馬道高程為 80.50m， 第二級馬道高程 100.50m，馬道寬度取 2.0m。
3.2.2 壩頂寬度
壩頂寬度根據(jù)運行、施工、構(gòu)造、交通和地震等方面的綜合研究后確定。 本壩屬于中壩，壩頂無交通要求，SL274-2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》 規(guī) 定:中低壩的壩頂寬度可選 5-10m�？紤]到心墻頂寬必須超過 3m，為便于心墻的施 工，本設(shè)計壩頂寬度取 B=8.0m。
3.2.3 壩頂高程
壩頂高程等于水庫靜水位與壩頂超高之和， 應(yīng)按以下運用條件計算， 取其最大值: 1) 設(shè)計水位加正常運用條件下的壩頂超高; 2) 正常蓄水位加正常運用條件下的壩頂超高; 3) 校核洪水位加非常運用條件下的壩頂超高; 4) 正常蓄水位加非常運用條件下的壩頂超高加地震安全加高。 注:本設(shè)計不考慮地震，因此不考慮第四工況。 最后需預(yù)留一定的壩體沉降量，此處取壩高的 1%。計算公式采用下列三式: (3.1) Y = R+ e+ A
11
KV0 2 D e= cos b 2 gH m
R = 0.45hl m- 1n- 0.6
(3.2) (3.3)
式中:Y--壩頂超高; R--波浪在壩坡上的最大爬高，m; 采用黃河水利水電出版社出版的《碾壓式土石壩設(shè)計》推薦的計算波浪在 壩坡上的爬高 R 計算公式。 式中: hl --設(shè)計波高， hl = 0.0166V0 4 D 3 m; m--上游壩坡平均坡率，取 m=3; n--壩坡護面糙率，上游擬采用漿砌石勾縫，取 n=0.025。
hl ? 0.0166 ?155/4 ?101/3 ? 1.056m ，則 R ? 04 10 6 3 ?001 ? . 5 ?5 . .? 5 2
. 14 ?6 ? . 50
5 1
m
e--最大風壅水面高度，即風壅水面超出原庫水位高度的最大值，m; 3.6 ?10?6 ?152 ?10000 e? ? 0.01 m 2 ? 9.8 ? 50 Hm--壩前水域平均水深， 由于壩高不低于 53.5m， 粗略估計 Hm 為 50m; K--綜合摩阻系數(shù)，其值由于變化在(1.5~5.0)× -6 之間，計算時一 10 般取 K=3.6× -6; 10 ; ? --風向與水域中線的夾角，本設(shè)計為 0° V0--計算風速，本設(shè)計為 15m/s; D--水庫吹程，本設(shè)計為 10 Km; A--安全加高，m，根據(jù)壩的等級和運用情況，其中非常運行條件(a) 適用于山區(qū)、丘陵區(qū)，非常運用條件(b)適用于平原區(qū)、濱海區(qū)，按表 3.1 確定。 表 3.1
壩的級別 正常運行條件 非常運行條件 (a) 非常運行條件 (b) 1 1.50 0.70 1.00
土石壩安全加高 A
2 1.00 0.50 0.70
(單位:m)
3 0.70 0.40 0.50 4，5 0.50 0.30 0.30
平山土石壩屬于 2 級水工建筑物，平山河流域多為丘陵山區(qū)，在平山樞紐上游均 為大山區(qū)，河谷山勢陡峭，河谷邊坡一般為 600 ~700 ，地勢高差都在 80~120m，河谷 沖溝切割很深，安全加高分別取:正常運用情況下 1.0m，非常運用情況下 0.5m。
12
計算成果見表 3.2。 表 3.2
運用情 況 1) 2) 3) 靜水位 (m) 114.3 112.6 116
壩頂高程計算結(jié)果
壅高 e (m) 0.01 0.01 0.01
(單位:m)
壩頂高程 Z 計 (m) 116.76 115.06 117.96 117.96 最大值(m)
波浪爬高 R(m) 1.45 1.45 1.45
安全超高 A(m) 1.0 1.0 0.5
其中:1)設(shè)計水位加正常運用條件下的壩頂超高; 2)正常蓄水位加正常運用條件下的壩頂超高; 3)校核洪水位加非常運用條件下的壩頂超高。 設(shè)計的壩頂高程是針對壩沉降穩(wěn)定以后的情況而言的，因此，竣工時的壩頂高程 應(yīng)留預(yù)留足夠的沉降量。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，土質(zhì)防滲體區(qū)分壩預(yù)留沉降量一般為壩 高的 1%，則計算壩頂高程為 117.8m，壩基開挖高程最低位 61.5m(清基深度 1m) ， 壩高則為 56.3m，則實際壩高為 56.9m。 綜合以上考慮，初步設(shè)定壩頂高程取為:118.40m。
3.3 防滲體設(shè)計
本土石壩的防滲體為粘土心墻，做成上下游面對稱。
3.3.1 防滲體尺寸
1)心墻頂寬 防滲體頂部的水平寬度考慮機械化施工的要求，不應(yīng)小于 3.0m。本心墻頂寬設(shè) 計為 4 米。 2)心墻底寬 SL274-2001《碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定:心墻的允許坡降 [ J a ] 不宜大于 4。 本心墻允許坡降 [ J a ] 設(shè)計為 4，考慮清基深度 1m，上下游最大作用水頭差 H=116-61.5=54.5m(下游無水工況) ，故防滲體墻厚 T≥H/ [ J a ] =54.5/4=13.625m。 考慮到壩體安全，并參考相關(guān)類似工程經(jīng)驗，本壩心墻底寬設(shè)計為 24m。 3)防滲體超高 防滲體頂部在正常蓄水位或設(shè)計洪水位以上的超高，在正常運行條件下，心墻應(yīng) 為 0.3~0.6m;在非常運行情況下，均不應(yīng)低于該工況下的靜水位，并應(yīng)計算風浪爬高 的影響，以防風浪形成的壅水通過防滲體頂部滲向下游。當防滲體頂部設(shè)有穩(wěn)定、堅 固、不透水且與防滲體緊密結(jié)合的防浪墻時，可將防滲體頂部高程放寬至正常運用靜
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水位以上即可。本壩防滲體將于防浪墻緊密結(jié)合，故防滲體高程設(shè)計為 116m。
3.3.2 防滲體保護層
心墻頂部應(yīng)設(shè)保護層，防止冰凍和干裂。保護層可采用砂、砂礫或碎石，其厚度 不小于該地區(qū)的凍深或干燥深度，粘土心墻不小于 1m，此處取 1.2m。壩頂路面混凝 土厚 0.4m，中部碎石厚 0.4m，下部礫石厚 0.4m。
3.3.3 壩頂路面高程確定
因粘土心墻高程為 116m，心墻保護層為 1.2m，故壩頂路面高程為 117.2m。 復(fù)核壩高:防浪墻高 1.2m， 故壩頂路面高程與防浪墻的總高程是 118.4m， 3.2.3 與 所計算的壩頂高程無誤。
3.4 土石壩滲流及穩(wěn)定分析計算
3.4.1 計算條件
根據(jù)《 防洪 標準 》 (GB50201-94)和 《水 利 水電工 程等 級劃 分及 洪水標 準》 (SL252-2000)， 平山水庫樞紐工程等別為 III 等， 主要建筑物為 2 級建筑物。 《水 根據(jù) 庫大壩安全評價導(dǎo)則》(SL258-2000)的要求，本次復(fù)核采用的防洪標準為 50 年一遇 洪水設(shè)計，1000 年一遇洪水校核。設(shè)計洪水位為 114.3m，校核洪水為 116m，正常蓄 水為 112.6m ，死水位為 103.2m 。 根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001)并結(jié)合水庫的運行情況，計算工況 取: (1)正常工況 1)設(shè)計洪水位 114.3m 下形成穩(wěn)定滲流時上、下游壩坡穩(wěn)定計算工況; 2)設(shè)計洪水位 114.3m 驟降至死水位 103.2m 時上游壩坡穩(wěn)定計算工況。 (2)非常工況 1)校核洪水位 116m 下形成穩(wěn)定滲流時上、下游壩坡穩(wěn)定計算工況; 2)校核洪水位 116m 驟降至死水位 103.2m 時上游壩坡穩(wěn)定計算工況。
3.4.2 計算參數(shù)的選取
計算參數(shù)見下表 3.3。 表 3.3
項目 上游壩身 下游壩身 心墻 土的類別 壤土 石料 粘土
水庫大壩穩(wěn)定分析計算參數(shù)表
濕重度 (KN/m3) 17.8 21.5 19 浮重度 (KN/m3) 14 13.5 13 Cu (KPa) 10 3 18 C’ (KPa) 14 10 40 φc (° ) 20 24 17 φ (° ) 22 38 19
干重度 (KN/m3) 15.8 19 16
14
3.4.3 計算方法
3.4.3.1 滲流基本理論 土是一種三相組成的多孔介質(zhì)，其孔隙在空間上相通。在飽和土中，水充滿整個 孔隙，當土中不同位置存在水位差時，土中水就會在水位能量作用下，從水位高(即 能量高)的位置向水位低(即能量低)的位置流動。則液體(如土中水)從物質(zhì)微孔 (如土體孔隙)中透過的現(xiàn)象稱為滲透，流體在孔隙介質(zhì)中的流動即為滲流。由于滲 流骨架的巖土性質(zhì)與其中流體的性質(zhì)較為復(fù)雜， 所以常用平均概念和綜合性的參數(shù)代 表其滲流性質(zhì)。 1)滲流基本定律--達西定律 最早，法國工程師達西(H.Darcy)在垂直圓管中裝砂進行滲透試驗，試驗結(jié)果 證明，滲透量 Q 除與斷面面積 A 直接成正比外，正比于水頭損失 hw，反比于滲徑 長度 L，引入決定土粒結(jié)構(gòu)和流體性質(zhì)的一個常數(shù) k，則 hw Q?A L
hw 或 Q ? kA L ? kJA
(3.4) (3.5)
式中:k 為反映土的透水性質(zhì)的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)。 達西滲透定律為:
v? Q ? kJ A
(3.6)
上式表明在均質(zhì)孔隙介質(zhì)中滲流流速與水力梯度的一次方成比例并與土的性質(zhì) 有關(guān)。但是，達西滲透定律僅在一定范圍內(nèi)才能使用，即流體做層流運動時方可，在 水利工程中，除了堆石壩、堆石排水體等大孔隙介質(zhì)中的滲流為湍流之外，絕大多數(shù) 滲流均屬于層流范圍。 2)二維滲流的連續(xù)性方程 當滲流場中水頭及流速等滲流要素不隨時間改變時，這種滲流為穩(wěn)定滲流。 對穩(wěn)定滲流場中任意點 A 處的以微小單元，面積為 dxdz，厚度為 dy=1，在 x 和 z 方 向各有流速 v x 和 v z 。 單位時間內(nèi)流入這個微小單元體的滲流量為 d qe ，則
dqe ? vx dz ?1 ? vz dx ?1
(3.7)
單位時間內(nèi)流出這個微小單元體的滲水量為 dq0 ，則
15
dq0 ? (vx ?
?vx ?v dx)dz ?1 ? (vz ? z dz )dx ?1 ?x ?z
(3.8)
假定水體不可壓縮，則根據(jù)水流連續(xù)原理，單位時間內(nèi)流入和流出微小單元體的 水量應(yīng)該相等，即
dqe ? dq0
(3.9)
由上得到:二維滲流連續(xù)方程 ?vx ?vz ? ?0 ?x ?z 3)二維滲流的基本微分方程
(3.10)
假設(shè)液體和固體骨架都不可壓縮，于是，可得到不可壓縮介質(zhì)中的滲流基本微分 方程，也稱為穩(wěn)定滲流微分方程: 根據(jù)達西滲透定律，對于各向異性土:
vx ? k x J x ? k x
vz ? k z J z ? k z
?h ?x
?h ?z
(3.11) (3.12)
式中: k x k z --表示 x 和 z 方向的滲透系數(shù); h--測管水頭。 由上述可得:在二維平面滲流的情況下，均勻各向異性土體的滲流基本微分方程 為:
kx ?2h ?2h ? kz 2 ? 0 ?x 2 ?z
(3.13)
對于各向同性的均質(zhì)土， k x ? k z ，則可得到:著名的拉普拉斯方程，也是平面穩(wěn) 定滲流的基本微分方程:
?2h ?2h ? ?0 ?x 2 ?z 2
(3.14)
4)滲流有限元分析的基本方法 有限(單)元法是數(shù)值計算方法中應(yīng)用最廣的一種。有限單元法以剖分離散和分塊 插值為指導(dǎo)思想。其基本方法是將連續(xù)的求解區(qū)域離散化為一組有限個、且按一定方 式相互連接在一起的單元組合體， 利用每一個單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片地表達整 個求解域上待求的未知場函數(shù)。由于單元能按不同的連接方式進行組合，且單元本身 又可以有多種形狀，因此可以模型化幾何形狀復(fù)雜的求解域。單元內(nèi)的近似函數(shù)通常
16
由未知場函數(shù)或其導(dǎo)數(shù)在單元各個節(jié)點的數(shù)值和其插值函數(shù)來表達。這樣一來，未知 場函數(shù)或其導(dǎo)數(shù)在各個節(jié)點上的數(shù)值就成為新的未知量， 從而使一個連續(xù)的無限自由 度問題變成離散的有限自由度問題。一經(jīng)求出這些未知量，就可以通過插值函數(shù)計算 出各個單元內(nèi)場函數(shù)的近似值，進而得到整個求解域上場函數(shù)的近似值。顯然隨著單 元數(shù)目的增加，或者隨著單元自由度的增加及插值函數(shù)精度的提高，解的近似程度將 不斷改進，只要單元滿足收斂要求，近似解最后將收斂于精確解。 有限元法雖然類似于有限差分法，但其實施方法不同。有限差分法是直接從微分 方程入手，以離散格式逐步近似逼近方程中的導(dǎo)數(shù)。有限元法的實施則相反，按照變 分原理求泛函積分找其函數(shù)值， 即把微分方程及其邊界條件轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋�泛函求極值的 問題。 有限元法是一種分塊近似茲(Ritz)法的應(yīng)用，即首先把連續(xù)體或研究區(qū)域離散劃 分為有限個、且按一定方式相互連接一起的單元的組合體，再以連續(xù)的分片插值函數(shù) 建立一個個的單元方程后，依靠各節(jié)點把單元與單元連接起來，集合為整體，形成代 數(shù)方程組進行求解。 有限單元法在模擬曲線邊界和向異性滲透介質(zhì)方面比有限差分法 具有較大的靈活性。 3.4.3.2 穩(wěn)定基本理論 穩(wěn)定分析是確定大壩剖面和安全的主要依據(jù)， 穩(wěn)定分析的可靠性對大壩的經(jīng)濟性 安全性具有較為重要的影響。作為穩(wěn)定分析基礎(chǔ)的土強度與破壞理論，應(yīng)用廣泛的是 摩爾-庫侖理論。 在工程上采用的土坡穩(wěn)定分析方法，主要是建立在極限平衡理論基礎(chǔ)上，假設(shè)達 到極限平衡狀態(tài)時，土體將沿某一滑裂面產(chǎn)生剪切破壞而失穩(wěn)，滑裂面上各點，土體 均處于極限平衡狀態(tài)，滿足摩爾-庫侖強度條件。 隨著時間的推進，對土石壩穩(wěn)定分析的逐漸深入，研究理論逐漸成熟，本文主要 介紹以下四種:瑞典圓弧法、簡化的畢肖(Bishop)法、滑楔法及滿足所有力和力矩 平衡的方法。 1)瑞典圓弧法計算原理 Fenenius 根據(jù)在瑞典岸邊發(fā)生的圓弧滑動破壞， 提出了瑞典條分法的邊坡穩(wěn)定分 析方法是條分法中最簡單的方法。除了假定滑裂面是個圓柱面外，還假定不考慮土條 兩側(cè)的作用力， 安全系數(shù)定義為每一土條在滑裂面上所提供的抗滑力矩之和與外荷載 及滑動土體在滑裂面上所產(chǎn)生的滑動力矩和之比。由十不考慮條間力的作用，嚴格地 說，對每一土條力的平衡條件是不滿足的，對土條本身的力矩平衡也不滿足，僅能滿 足整個滑動土體的整體力矩平衡條件。由此產(chǎn)生的誤差，一般使求出的安全系數(shù)偏低
17
10%~20%，這種誤差隨著滑裂面圓心角和孔隙壓力的增大而增大。盡管這種根據(jù)大 膽假設(shè)得出的簡便方法有缺點，可是該方法簡單明了，容易計算。瑞典法的推導(dǎo)通常 采用總應(yīng)力法。但同樣可用有效應(yīng)力法(考慮孔隙水壓力)計算并按定義的安全系來推 導(dǎo)公式。為了考慮條間力的作用，可假定每一土條兩側(cè)作用力的合力方向均和該土條 底面平行，因此在進行土條底部法線方向力的平衡時，可以不予考慮。 安全系數(shù)計算公式:
{[(W ?V ) cos? ?ub sec? ?Q sin ? ] tan? ' ? c 'b sec? } K?? ?[(W ?V ) sin ? ?Mc / R ]
(3.15)
式中:W--土條重量; Q、V--分別表示水平和垂直地震慣性力(向上為正，向下為負) ;
u --作用土條底面的孔隙壓力;
? --條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角;
b --土條寬度;
c'、? ' --土條底面的有效應(yīng)力抗剪強度指標;
M c --水平地震慣性力對圓心的力矩;
R--圓弧半徑。 該方法計算簡單，通過長時間運用，積累了較豐富的經(jīng)驗，基本能保證工程上的 安全;但是，該方法沒有考慮土條間的作用力。 (2)簡化的畢肖(Bishop)法計算原理 畢肖普采用的靜定化條件是假定土條間垂直方向的作用力相等。 考慮了條間力的 作用，并按照各土條對圓心的力矩和為零的安全系數(shù)來定義，在 1955 年提出了一個 安全系數(shù)計算公式畢肖普簡化法使用圓弧滑裂面。對多余未知力的假定，該法假定土 條兩側(cè)切向作用力均為 0，也就假定條間力的合力是水平的。 安全系數(shù)計算公式為:
{[(W ?V ) sec? ?ub sec? ] tan? ' ? c 'b sec? }[1 /(1?tan? tan? '/ K )] K?? ?[(W ?V ) sin ? ?Mc / R]
(3.16)
式中:W--土條重量; Q、V--分別表示水平和垂直地震慣性力(向上為正，向下為負) ;
u --作用土條底面的孔隙壓力;
? --條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角;
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b --土條寬度;
c'、? ' --土條底面的有效應(yīng)力抗剪強度指標;
M c --水平地震慣性力對圓心的力矩;
R--圓弧半徑。 簡化畢肖普法一般都能得出較為準確的答案， 但是在某些情況下有可能出現(xiàn)數(shù)值 上的問題。故常將畢肖普法和圓弧瑞典法的計算相比較，若出現(xiàn)畢肖普發(fā)的計算值小 于圓弧瑞典法的計算值時，表現(xiàn)數(shù)值上有問題，此時要改變滑動面，畢肖普法的一個 局限性是只適用圓弧滑動面。 (3)滑楔法計算原理 無粘性土的壩坡，如心墻壩的上下游壩坡、斜墻壩的下游壩坡、斜墻的上游保護 層、保護層連同斜墻和壩基中有軟弱夾層的滑動等常形成折線的滑動面。這時，可假 設(shè)滑動面為若干個楔形體組成，采用滑楔法計算穩(wěn)定安全系數(shù)。 滑楔法只滿足力的平衡條件， 但是不滿足力矩平衡條件， 計算結(jié)果的準確性不夠， 而且安全系數(shù)對所假定的塊間作用力的變化比較敏感。若選擇不當，則誤差較大，有 時還會出現(xiàn)數(shù)值計算上的問題，難以收斂。 (4)力矩平衡法計算原理 以極限平衡原理理論為基礎(chǔ)的穩(wěn)定分析方法，屬于超靜定問題，未知量的數(shù)目超 過可能建立的方程數(shù)。對于具有任意形狀的滑動面，根據(jù)總體力矩平衡以及滑動體水 平和豎向力的平衡，分別找出如下的安全系數(shù)表達式: ? ?ci?bi sec ? i ? ( Ni ? uibi sec ? i ) tan ?i?? Ri K cm ? ? (Wi ai ? Ni fi )
K cf ?
(3.17)
? ?c?b ? ( N cos ? ? u b ) tan ? ?? ? N sin ?
i i i i i i i i i
(3.18)
3.4.3.2 選擇分析方法 壩坡抗滑穩(wěn)定計算應(yīng)采用剛體極限平衡法。對于均質(zhì)壩、厚斜墻壩和厚心墻壩， 宜采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法;對于有軟弱夾層、薄斜墻、薄心墻壩的壩 坡穩(wěn)定分析及任何壩型，可采用滿足力和力矩平衡的摩根斯頓-普賴斯等分析。 平山水庫水庫由于是薄心墻壩， 故可采用滿足力和力矩平衡的摩根斯頓-普賴斯 分析。
3.4.4 GEO-SLOPE 軟件計算圖
3.4.4.1 滲流分析計算圖 校核洪水位 116m 下形成滲流計算工況圖，見圖 3.1。
19
圖 3.1 校核洪水位 116m 下浸潤線、等勢線、單寬流量圖
設(shè)計洪水位 114.3m 下形成滲流計算工況圖，見圖 3.2。
圖 3.2 設(shè)計洪水位 114.3m 下浸潤線、等勢線、單寬流量圖
3.4.4.2 穩(wěn)定分析計算圖 1) 校核洪水位 116m 下形成穩(wěn)定滲流時上、下游壩坡穩(wěn)定計算工況，見圖 3.3。
(a)
20
(b) 圖 3.3(a) (b) 校核洪水位 116m 下形成上下游穩(wěn)定滲流分析
2) 設(shè)計洪水位 114.3m 下形成穩(wěn)定滲流時上、下游壩坡穩(wěn)定計算工況，見圖 3.4。
(a)
(b) 圖 3.4(a) (b) 設(shè)計洪水位 114.3m 下形成上下游穩(wěn)定滲流分析 21
3) 校核洪水位 116m 驟降至死水位 64.5m 時上游壩坡穩(wěn)定計算工況，圖 3.5。
圖 3.5 校核洪水位 116m 驟降至死水位 64.5m 下形成穩(wěn)定滲流分析
4) 設(shè)計洪水位 114.3m 驟降至死水位 64.5m 時上游壩坡穩(wěn)定計算工況，圖 3.6。
圖 3.6 設(shè)計洪水位 114.3m 驟降至死水位 64.5m 時上游壩坡穩(wěn)定滲流分析
3.4.5 結(jié)論
3.4.5.1 滲流分析成果 經(jīng)計算大壩滲流計算成果見表 3.5。 表 3.5
計算工況 工況 校核洪水位 設(shè)計洪水位 庫水位 (m) 116 114.3
大壩滲流計算成果表
溢出點高 程 70.83 68.96 滲漏量 (m3/d.m) 1.74e-06 1.28e-06 出口流速 2.65e-8 4.31e-8
下游壩坡水力比降 出口段 3.28e-5 4.35e-5 允許坡降 1.24 1.24
注:下游壩坡(石料)容許比降=(Gs-1) (1-n)=(3.1-1) × (1-0.41)=1.24
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3.4.5.2 土石壩滲流分析結(jié)論 經(jīng)過計算分析可知，在各種工況工作情況下，平山水庫的滲流情況符合規(guī)范 的要求，下游壩坡的滲透比降均在規(guī)范的要求之內(nèi)。 3.4.5.3 穩(wěn)定分析成果 1)穩(wěn)定分析成果見表 3.6。 表 3.6
計算工況 校核洪水位 設(shè)計洪水位 校核驟降至死 水位 校核驟降至死 水位 上游水位(m) 116 114.3 114.3-103.2 116-103.2
穩(wěn)定分析成果表
下游水位(m) 70 68.5 64.5 64.5 計算安全系數(shù) 1.85 1.83 1.425 1.326 安全系數(shù) 1.25 1.35 1.35 1.25
3.4.5.4 土石壩穩(wěn)定分析結(jié)論 經(jīng)過驗算復(fù)核，在校核、設(shè)計以及正常蓄水位的工況時，安全系數(shù)均大于所規(guī)定 的范圍，設(shè)計符合要求。 在四種工況下，邊坡的滑坡型式為圓弧滑裂面。
3.5 頂部構(gòu)造
本壩壩頂上游側(cè)采用 C25 水泥漿砌塊石防浪墻， 墻頂高于壩頂 1.2m， 墻寬 0.5m。 防浪墻應(yīng)堅固且不透水，墻底應(yīng)和壩體防滲體緊密連接，插入防滲體保護層和防滲體 2m。壩頂下游側(cè)設(shè)路肩石，高 0.3m，寬 0.5m。 墻身每隔 15m 布置一道設(shè)有止水的沉陷逢，墻頂設(shè)有高 2.8m 的燈柱。
3.6 護坡設(shè)計
3.6.1 上游護坡
土石壩上游坡面要經(jīng)受波浪淘刷、冰層和漂浮物的撞擊等危害作用。 上游護坡的常用型式為干砌石、漿砌石或堆石�？紤]壩址附件石料豐富，故采取 漿砌石做上游護坡，護坡范圍從壩頂延伸至壩腳，厚度為 0.6m，下部設(shè)厚度設(shè)碎石 墊層，墊層厚度與材料粒徑有關(guān)，一般碎石用 0.3m~0.6m，故本設(shè)計采用 0.4m。如圖 3-7 所示。
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漿砌石60cm 碎石40cm
圖 3-7 上游壩坡和馬道
3.6.2 下游護坡
土石壩下游壩面為防雨水沖刷和人為破壞，一般采用簡化型式的護坡。護坡的覆 蓋范圍應(yīng)延伸至壩址，但排水棱體不需防護。通常采用干砌石、碎石或礫石護坡�？� 慮壩址附件石料豐富，故下游設(shè)厚度為 0.4m 的碎石護坡。如圖 3-8 所示
碎石40cm
圖 3-8 下游壩坡和馬道
3.7 壩頂、壩面排水設(shè)計
3.7.1 壩頂排水
壩頂設(shè)有防浪墻，為了便于排水，壩頂做成自上游傾向下游的坡，坡度為 3%， 路肩石底部每隔 100m 設(shè)直徑 6cm 的排水孔將壩頂雨水排向下游壩面排水溝。
3.7.2 壩面排水
1)布置 在下游壩坡設(shè)置縱橫向排水溝。 縱向排水溝(與壩軸線平行)設(shè)在各級馬道內(nèi)側(cè)。沿壩軸線每隔 100m 設(shè)置 1 條 橫向排水溝(順坡布置，垂直于壩軸線) ，橫向排水溝自壩頂直至棱體排水處的排水
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溝，再排至壩趾排水溝�？v橫向排水溝互相連通，橫向排水溝之間的縱向排水溝應(yīng)從 中間向兩端傾斜，坡度取 0.2%，以便將雨水排向橫向排水溝。 壩體與岸坡連接處應(yīng)設(shè)置排水溝，以排除岸坡上游下來的雨水。 2)排水溝尺寸及材料 ①尺寸擬定:本地區(qū) 1000 年一遇雨量 498.1mm，200 年一遇雨量 348.2mm，50 年一遇雨量 299.9mm。根據(jù)以往已建工程的經(jīng)驗，排水溝寬度及深度一般采用 20~ 40cm，本設(shè)計取 30cm。 ②材料:排水溝通常采用漿砌石或混凝土預(yù)制塊。綜合考慮選用漿砌石塊石。
3.8 壩體排水設(shè)計
3.8.1 排水設(shè)施選擇
常用的壩體排水有以下幾種型式:貼坡排水、棱體排水、壩內(nèi)排水以及綜合式排 水。 1)貼坡排水:貼坡排水又稱為表面排水，這種形式的排水結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，用料 節(jié)省，施工方便，易于檢修，可以防止壩坡土發(fā)生滲流破壞，保護壩坡免受下游波浪 淘刷。但不能有效地降低浸潤線，且易因冰凍而失效。 2)棱體排水:棱體排水又稱濾水壩趾，在下游壩腳處用堆石體堆成的棱體。棱 體排水適用于下游有水的各種壩型，它可以降低浸潤線，防止壩坡凍脹，保護尾水范 圍內(nèi)的下游壩腳不受波浪淘刷，還可以和壩基排水相連接。當壩基強度足夠時，可以 發(fā)揮支撐壩體、 增加穩(wěn)定的作用。 但所需石料用量大， 費用較高， 與壩體施工有干擾， 檢修較困難。 3)壩內(nèi)排水:壩內(nèi)排水包括褥墊排水，網(wǎng)狀帶排水，排水管，豎式排水體等。 但是主要問題:褥墊排水對不均勻沉降的適應(yīng)性差，易斷裂，且難以檢修。當下游水 位高過排水設(shè)施時，降低浸潤線的效果將顯著降低;網(wǎng)狀排水施工麻煩，而且排水效 果較褥墊排水差。 4)綜合式排水:實際工程中，常根據(jù)具體情況將幾種不同形式的排水組合在一 起稱為綜合式排水，以兼取各型式的優(yōu)點。 由于壩址附近有豐富的石料可開采，其石料質(zhì)地堅硬，可以利用做堆石料棱體排 水的材料。綜合以上分析選擇棱體排水方式。
3.8.2 堆石棱體排水尺寸
在下游壩腳處用塊石堆成棱體，根據(jù) SL274-2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī) 定:棱體頂寬寬度應(yīng)根據(jù)施工條件及檢查觀測需要確定，不小于 1.0m;頂部高程應(yīng) 超過下游最高水位，超過高度，1 級、2 級壩應(yīng)不小于 1.0m，3 級、4 級、5 級壩應(yīng)不
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小于 0.5m，并應(yīng)超過波浪沿坡面的爬高;頂部高程應(yīng)使壩體浸潤線距壩面的距離大 于該地區(qū)的凍結(jié)深度;應(yīng)避免在棱體上游坡腳處出現(xiàn)銳角;棱體內(nèi)坡根據(jù)施工條件確 定，一般為 1:1.0~1:1.5，外坡為 1:1.5~1:2.0;棱體與壩體以及土質(zhì)地基之間均應(yīng) 設(shè)反濾層。 綜合以上因素考慮: 該設(shè)計頂寬取 2.0m。 棱體內(nèi)坡取 1: 1.5， 棱體外坡取 1: 2.0。 頂部高程不小于 1.0m，由于通過校核洪水位流量時，溢洪道泄水量 q=1000 m3/s，相 應(yīng)下游最高洪水位 70m，超高取 1.5m，所以頂部高程為 71.50m 。棱體與壩體以及土 質(zhì)地基之間設(shè) 0.55m 的反濾層。如圖 3-9 所示
圖 3-9 棱體排水
3.9 反濾層和過渡層
3.9.1 設(shè)計規(guī)范及標準
1)保護無粘性土料(粉砂、砂、砂礫、卵礫石、碎石等) 《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，對于與被保護土相鄰的第一層反濾料，建議按 下述準則選用: D15/d85≤4~5 ， 15/d15≥5。 D 同時要求兩者的不均勻系數(shù) Cu=d60/d10 及 D60/D10≯5~8， 級配曲線形狀最好相似。 式中:D15--反濾料的特征粒徑，小于該粒徑的土占總土重的 15%; d15、 85--被保護土的控制粒徑和特征粒徑， d 小于該粒徑的土分別占總重的 15% 及 85%。 上述兩式同樣適用于選擇第二、三層反濾料，當選擇第二層反濾料時，以第一層 反濾料為被保護土，二選擇第三層反濾料時，則以第二層反濾料為被保護土。 按此標準天然砂礫料一般不能滿足要求，須對土料進行篩選。 2)保護粘性土料
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粘性土有粘聚力， 抗管涌能力一般比無粘性土強， 通常不用上述兩式設(shè)計反濾層， 而用以下方法設(shè)計。 ①滿足被保護粘性土的細粒不會流失 根據(jù)被保護土的小于 0.075mm 含量的百分數(shù)不同，而采用不同的方法。當被保 護土含有大于 5mm 的顆粒時，則取其小于 5mm 的級配確定小于 0.075mm 的顆粒含 量百分數(shù)及計算粒徑 d85 。如被保護土不含有大于 5mm 的顆粒時，則按全料確定小于 0.0075mm 的顆粒含量百分數(shù)及 d85 。 a.對于小于 0.075mm 的顆粒含量大于 85%的粘性土， 按式 D15≤9 d85 設(shè)計反濾層， 當 9d85 < 0.2mm ，取 D15 等于 0.2mm 。 b.對于小于 0.075mm 的顆粒含量為 40%~85%的粘性土按式 D15≤0.7mm 設(shè)計反 濾層。 c.對于小于 0.075mm 的顆粒含量為 15%~39%的粘性土按式
D15 ? 0.7 ? 1 (40 ? A)( 4d 85 ? 0.7)mm 設(shè)計反濾層。式中， A 為小于 0.075mm 時顆粒含 25
量 1%。若 4d85 < 0.7mm ，應(yīng)取 0.7mm。 ②滿足排水要求 以上三種土還應(yīng)符合式 D15 < 4d15 ，以滿足排水要求。式中 d15 應(yīng)為被保護粘性土 全料的 d15 ，若 4d15 < 0.1mm 時 D15 不小于 0.1mm 。 3)護坡墊層 同樣應(yīng)滿足土粒不流失及足夠的透水性要求，但標準可降低些，建議按下式的簡 便方法選擇粒徑。
D15 (塊石) / d 85 (墊層) ? 10 ， D15 (墊層) / d 85 (墊層下被保護土層) ? 5 。
3.9.2 設(shè)計結(jié)果
由于設(shè)計原始資料中沒有提供各土、砂、石料的顆粒級配情況，這里無法用計算 的方法進行反濾層的設(shè)計，只能參考相關(guān)規(guī)范和已建工程進行初步設(shè)計。初步擬定結(jié) 果分述如下。 1)防滲體周邊部位 第一層:碎石，D=5~20mm，厚 25cm;第二層:礫石，D=1~5mm，厚 20cm; 第三層:砂，D=0.25~1mm，厚 20cm。 2)排水部位 第一層:碎石，D=5~20mm，厚 25cm;第二層:礫石，D=1~5mm，厚 15cm; 第三層:砂:D=0.25~1mm，厚 15cm。
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3.10 地基處理及壩體與地基岸坡的連接
3.10.1 地基處理
大壩基礎(chǔ)至壩腳線外 10 米范圍內(nèi)的樹林、樹根、 、地表孤石、塊石以及河床底的 淤泥、 沙壤土等都應(yīng)在填筑壩體之前都要進行清基， 一般清除深度為 0.3-1.0m，本設(shè)計 清基深度初步設(shè)定為 1m。筑壩前所建造的地質(zhì)勘探的鉆孔、試坑、平洞井、泵等均 應(yīng)回填，對壩基進行平整、振動碾壓或夯板夯實。特殊部位采取的措施如下: 1)河槽處:水流常年沖刷，基巖裸露，抗風化能力強，吸水量也較低，故只需 清除覆蓋層即可，挖至基巖即可。 2)右岸河灘:覆蓋層和坡積物相對較厚，壩區(qū)右岸破碎達 60 米的鉆孔巖芯獲得 率僅為 20%，可見巖石裂隙十分發(fā)育，擬采用局部帷幕灌漿。 3)平山嘴大溶洞和大泉眼大溶洞:前者對大壩及庫區(qū)均無影響，但后者朝南東 方向延伸的話，則可能通向庫壁，待將來蓄水后，庫水有可能順著溶洞漏到庫外，為 安全起見，可修筑土鋪蓋，用水泥砂漿填縫。鋪蓋同時還應(yīng)與粘土心墻相連，向上庫 區(qū)及右岸延伸展布，將巖溶封閉。
3.10.2 壩體與地基的連接
1)河槽部位:巖芯獲得率及吸水量均能達到要求，采用在心墻底端局部加厚的 方式與地基相連。 2)右岸河灘:上部巖層裂隙較發(fā)育，巖芯獲得率只有 20%。而覆蓋層也較左岸 厚，采用截水槽的方式與基巖相連。截水槽可挖至基巖以下 2.5m 深處，內(nèi)填壤土。 截水槽橫斷面擬定:邊坡采用 1:2.0;底寬，滲徑不小于(1/3~1/5)H，其中 H 為最大作用水頭(下游無水時為 54.5m) ，底寬取 1/4× 54.5=13.625m，則取 14m。
3.10.3 壩體與岸坡的連接
左壩肩到左灘地，坡積風化層及其岸坡雜物需徹底清除，左岸坡不應(yīng)成臺階狀， 反坡或突然變坡，應(yīng)修建混凝土齒墻，由于巖石岸坡一般不宜陡于 1:0.5~1:0.75，太 陡會引起裂縫，故左岸根據(jù)地形地質(zhì)因素考慮，開挖時基本與基巖大致平行，坡度為 1:0.7。右壩肩到右灘地坡積風化層處理與左岸相同，基巖開挖角不宜太大。 心墻與岸坡連接處的斷面應(yīng)擴大 1/3， 并設(shè)反濾層。 防滲體鄰近巖質(zhì)岸坡 1.0m 范 圍內(nèi)，采用粘土填筑，且保持 W=W 最優(yōu)。巖面在填土前應(yīng)采用粘土漿抹面，且按要求 設(shè)反濾層，并可將心墻嵌入岸坡內(nèi)。
3.11 裂縫處理
由于設(shè)計、施工不當?shù)戎T多方面的原因，土石壩中常常會出現(xiàn)裂縫，而在滲流 等因素作用下，裂縫將進一步發(fā)展，威脅大壩安全。平山水庫作為Ⅱ等工程，其裂
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縫處理更加需要細致小心，需要有其防治處理方案。
3.11.1 裂縫的成因
平山水庫土石壩在建造和運行的過程中一般都要發(fā)生變形。在不利的地形和壩 基土質(zhì)條件下，可能產(chǎn)生局部過大的變形和應(yīng)力，當其超過壩體材料的承受能力時， 將產(chǎn)生裂縫。
3.11.2 裂縫的防治措施
3.11.2.1 改善壩體結(jié)構(gòu)或平面布置 平山水庫根據(jù)需要合理設(shè)計放緩壩坡，同時在滲流處鋪設(shè)足夠厚的反濾層，特別 是對易于出現(xiàn)裂縫的部位進行適當加厚， 另外在進行土料分區(qū)時采用粒徑相差不大的 兩種土料相鄰布置，在黏土心墻和壩殼之間設(shè)置較寬的過渡區(qū)。 3.11.2.2 重視壩基處理 平山水庫土石壩按 3.11.1 進行必要的壩基處理， 以避免過大的不均勻沉降及水力 劈裂沖蝕。 3.11.2.3 適當選用壩身土料 平山水庫土石壩防滲體是黏土心墻， 心墻的中上部對土料適應(yīng)變形的能力要求較 高，但心墻的中下部所承受的荷載較大，而不均勻的變形的可能性較小，故對其適應(yīng) 變形的要求可適當降低，故針對防滲體不同部位選用不同土料。 3.11.2.4 采用適宜的施工措施和運行措施 在修筑平山水庫土石壩的心墻或易于開裂的部位，其建筑速率可適當放緩，以使 下部壩體有充分的時間達到預(yù)期的沉降量; 在施工間歇期要妥善保護壩面， 防止干縮、 凍溶裂縫的產(chǎn)生，一旦產(chǎn)生及時處理;運行期，特別是初次蓄水時，水位升降速度不 宜過快，以免壩體各部位的變形來不及調(diào)整，互不協(xié)調(diào)，產(chǎn)生高應(yīng)力，同時避免出現(xiàn) 水力劈裂。
3.11.3 裂縫處理
平山水庫土石壩在設(shè)計和施工時，應(yīng)注意防范裂縫的形成和發(fā)展。發(fā)現(xiàn)裂縫時要 查明性狀，分析原因，做好處理預(yù)案。 1)對表面裂縫，先用沙土填塞，再以低塑性黏性土封填、夯實。對深度不大的 裂縫，也可以將裂縫部位的土體挖除，回填含水率稍高于最優(yōu)含水率的土料，分層夯 實。 2)對深層裂縫，可進行灌漿處理，用低塑性黏性土或在其中加少量中、細砂等 做灌漿材料自流或加壓灌注，但要防止水力劈裂。
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4 溢洪道設(shè)計
4.1 溢洪道路線選擇和平面位置的確定
根據(jù)本工程地形地質(zhì)條件，利用樞紐右岸的馬鞍形埡口，采用正槽式溢洪道，引 水渠末端設(shè)置圓形漸變段，泄槽不設(shè)收縮、彎曲段和擴散段，不設(shè)尾水渠。
4.2 溢洪道基本數(shù)據(jù)
由于沒有做調(diào)洪演算，初步擬定溢洪道水力計算成果見表 4.1。 表 4.1 溢洪道水力計算成果
計算情況 校核 上游水位(m) 116.0 下泄最大流量(m3/s) 1000 相應(yīng)的下游水位(m) 70.0
4.3 工程布置
4.3.1 引水渠
由于地形、 地質(zhì)條件限制， 溢流堰往往不能緊靠庫區(qū)， 需在溢流堰前開挖引水渠， 將庫水平順地引向溢流堰。為提高溢洪道的泄失。流速應(yīng)大于懸移質(zhì)不淤流速，小于 渠道的不沖流速，設(shè)計流速宜采用 3~5m/s，本設(shè)計采用設(shè)計流速 v 為 3m/s。引水渠 的橫斷面，在巖基上接近矩形，邊坡根據(jù)巖層條件確定，新鮮巖石一般為 1:0.1~1:0.3， 風化巖石為 1:0.5~1:1.0，本設(shè)計采用邊坡坡率 m 為 1:1.0。從平山水庫壩址地形圖可 知控制堰頂高程為 108m，堰高 3m，故引水渠水深 H 為 11m。 根據(jù)計算公式:
Q = vA A = ( B + mH ) H
(4.1) (4.2)
可以初步擬定引水渠斷面尺寸，具體計算結(jié)果 4.2。 表 4.2
計算情況 校核 上游水位(m) 116
引水渠斷面尺寸計算成果
下泄最大流量 Q (m3/s) 1000 水深 H(m) 邊坡坡率 m 11 1 底寬 B(m) 20
由計算可以擬定引水渠底寬 B 為 32m(安全設(shè)計) 。在引水渠與控制堰之間設(shè)漸 變段，采用圓弧連接，圓弧半徑 R=10m，圓弧的圓心角為 90° ;引水渠前段采用梯形 斷面，邊坡采用 1:1;引水渠總長 L=30m。
4.3.2 控制段
溢洪道的控制段包括:溢流堰及其兩側(cè)的連接建筑。本工程是以灌溉發(fā)電為主的 大(2)型工程，右岸巖石的滲水率小僅為 0.001~0.01，采用實用堰。
30
4.3.2.1 實用堰剖面的設(shè)計 溢流面由頂部曲線段、中間直線段和反弧段三部分組成。設(shè)計要求:①有較高的 流量系數(shù)，泄流能力大;②水流平順，不產(chǎn)生不利的負壓和空蝕破壞;③體形簡單、 造價低、便于施工等。 1)確定定型設(shè)計水頭 H d 堰頂高程=108m;校核洪水位=116m; 最大堰上水頭 Hmax =116-108=8m; 定型設(shè)計水頭: H d =(0.65~0.85) Hmax =(0.65~0.85)× 8=5.2m~6.8m 取
Hd
=6m。
2)確定堰剖面 上游段各圓弧參數(shù)為:
R1 ? 0.5H d ? 0.5 ? 6 ? 3m ， b1 ? 0.175H d ? 0.175 ? 6 ? 1.05m ; R2 ? 0.2 H d ? 0.2 ? 6 ? 1.2m ， b2 ? 0.276H d ? 0.276 ? 6 ? 1.656m ; R3 ? 0.04H d ? 0.04 ? 6 ? 0.24m ， b3 ? 0.282H d ? 0.282 ? 6 ? 1.692m ; 下游段滿足方程: x1.85 ? 2.0 H d 0.85 y 整理得:
y ? 0.109 x1.85
故因此 x 最大取 5.1，相應(yīng)的 y 取 2.2。如圖 4-1 所示。
(4.3)
對于 WES 型標準堰面，其大致范圍是:X=(-0.282~0.85)Hd，Y=(0~0.37)Hd，
圖 4-1WES 型標準堰面
4.3.2.2 孔口設(shè)計 ①WES 剖面的流量系數(shù) m m 的值主要取決于 P / H d 、 H 0 / H d 的值。 1
P / H d =3 /6=0.5; 1
查表取值:m=0.49
31
②溢流孔的設(shè)置 為了調(diào)節(jié)水位和流量，在溢流堰頂上設(shè)溢流孔，兩孔之間設(shè)置閘墩，在與岸邊連 接處設(shè)置邊墩，以便安設(shè)閘門。 開敞式 WES 型實用堰的泄流能力公式:
Q溢 ? cm?? s L 2 g H 03/2
式中:Q 溢為校核洪水時最大下泄量 1000m3/s; ε 為閘墩側(cè)收縮系數(shù)，與墩頭形式有關(guān)，本設(shè)計取 0.95; c 為上游堰坡影響系數(shù)，取 1; m 為堰流系數(shù)，取 0.49; σs 為淹沒系數(shù)，不淹沒取 1; H0 為堰上水頭，取校核洪水堰上水頭 8m; g 為重力加速度，取 9.8; 則溢流段凈寬度 L 為 21.45m，為保證設(shè)計安全溢流段凈寬度取 24m 單寬流量 q ?
Q 1000 ? ? 41.67m3 / ( s ? m) L 24
(4.4)
令:溢流孔孔數(shù) n=2，則孔口寬 b=12m，溢流段前緣總長 L0=nb+(n-1)d (4.5)
由于 b 為孔口寬度，d 為中閘墩寬度取 2.0m，邊墩寬度取 3.0m，則溢流前緣總 長為 L0=2× 12+2+2× 3=32m 單寬流量 q ? 4.3.2.3 閘門設(shè)計 1)閘門和啟閉機 閘門是可以閉合、用于控制孔口水流的擋水建筑物，是水工建筑物的重要組成部 分。閘門裝置于岸邊溢洪道的孔口上，控制流量，宣泄洪水。 閘門分為工作閘門、檢修閘門和事故閘門。工作閘門用來調(diào)節(jié)下泄流量，需要在 動水中啟閉，要求有較大的啟閉力;檢修閘門用于短期擋水，以便對工作閘門、建筑 物及機械設(shè)備進行檢修，可以在靜水中啟閉，啟閉力較小;事故閘門是在建筑或設(shè)備 出現(xiàn)事故緊急應(yīng)用，要求能在動水中關(guān)閉孔口。工作閘門一般設(shè)在溢流堰頂，檢修閘 門和工作閘門至少留有 1~3m 的凈距，以便進行檢修。 常用的工作閘門有平面閘門和弧形閘門。平面閘門的主要優(yōu)點是:結(jié)構(gòu)簡單，閘
32
Q 1000 ? ? 41.67m3 / ( s ? m) L 24
門墩受力條件好， 各孔口可共用一個活動式啟閉機; 缺點是: 啟閉力較大， 閘墩較厚， 設(shè)有門槽，水流條件差。弧形閘門主要優(yōu)點是:啟閉力較小，閘墩較薄，無門槽，水 流平順;缺點是:閘墩較長，且受力條件較差。 本溢流堰工作閘門和檢修閘門均采用直升式平面鋼閘門，選用活動式啟閉機。設(shè) 檢修閘門一扇，兩道閘門之間最小凈距為 1m，不設(shè)事故閘門。SL74-95《水利水電 工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》推薦閘門尺寸(寬× 高)為 12m× 9m。如圖 4-2 所示。
圖 4-2 閘門
2)閘墩和工作橋 閘墩的平面形狀，在上游端應(yīng)使水流平順，減小孔口水流的側(cè)收縮，下游端應(yīng)減 小墩后水流的水冠和沖擊波。本閘墩上下游端均采用半圓形設(shè)計，閘墩厚 2m，工作 門槽深 0.5m，寬 0.7m。 閘墩長度和高度，應(yīng)滿足布置閘門、工作橋、交通橋和啟閉機械的要求。本設(shè)計 閘門采用活動式啟閉機，軌距為 5m。由于本設(shè)計對交通要求不高，可將工作橋兼做 交通橋。門機高度為 13 米，以便將閘門自由吊出門槽。 溢流堰兩側(cè)設(shè)邊墩，邊墩從堰頂延伸到堰底，邊墩高度由溢流水深決定，并應(yīng)考 慮溢流面上有水流沖擊波和摻氣所引起的水深增加值，故邊墩頂高出水面 1.5m。
4.3.3 泄槽
正槽溢洪道在溢流堰后多用泄水陡槽與出口消能段相連接， 以便將過堰洪水安全 地泄向下游河道。泄槽一般位于挖方地段，設(shè)計時要根據(jù)地形、地質(zhì)、水流條件及經(jīng) 濟等因素合理確定其形式和尺寸。
33
4.3.3.1 泄槽的平面布置及縱、橫剖面 泄槽在平面上宜盡可能采用直線、等寬布置，不設(shè)置收縮段、擴散段和彎曲段， 這樣使水流平順、結(jié)構(gòu)簡單、施工方便。 泄槽縱剖面設(shè)計主要決定縱坡。泄槽縱坡必須保證泄流時，溢流堰下為自由流和 槽中不發(fā)生水躍，使水流始終處于急流狀態(tài)。因此泄槽縱坡必須大于臨界坡度。由地 形地質(zhì)平面圖上得出實用堰底到下游水位 70m 高程處的水平距離為 120m，高差為 30m，故初定泄槽縱坡 i ? 30 /120 ? 0.25 。因泄槽縱坡 i 須大于臨界坡度 ik ，須對泄 槽初定縱坡進行驗算。 對于矩形斷面泄槽臨界坡度計算公式
ik ? q2 hk2Ck2 Rk
(4.6)
臨界水深 hk 和謝才系數(shù) Ck 按式(4.7) 、式(4.8)計算
3
hk ?
Ck ?
? q2
g
(4.7) (4.8)
1 1/6 Rk n
式中:q-泄槽的單寬流量， m3 / ( s ? m) ; α-動能修正系數(shù)，可近似取為 1; g-重力加速度， m / s 2 ;
Rk -相應(yīng)臨界水深的水力半徑，m;
n-糙率，取 0.014。 將已知數(shù)據(jù)代入公式計算
ik ? q2 ? hk2Ck2 Rk 41.67 2
3
(
1? 41.67 2 2.71 2 ) ?( ) ? 2.71 9.81 0.014
2
1/6
? 0.003
因此應(yīng)地勢而建的縱坡為 0.25 的泄槽符合要求，故確定泄槽縱坡為 0.25。 4.3.3.2 泄槽水力計算 泄槽流段距離公式
? ? v2? ? ?v2 ? h2 cos ? ? 2 2 ? ? ? h1 cos ? ? 1 1 ? ? 2g ? ? 2g ? ?? i?J
34
?l1? 2
(4.9)
J ?
n2v 2 R ? 4/3
(4.10)
堰下收縮斷面處起始計算水深 h1 ?
q ? 2 g ( H 0 ? h1 cos ? )
q h
(4.11)
起始斷面流速公式 水力半徑
R?
v?
(4.12) (4.13)
L0 ? h L0 ? 2h
式中:φ-考慮從進口到計算起始斷面間沿程和局部阻力損失的流速系數(shù)，可取 為 0.95; q-斷面單寬流量; θ-泄槽底板和水平面夾角; H0-計算斷面渠底以上總水頭。 試算法求 h1 的值
H d =6m， P2 =4m， cos? ? 0.97 ， H 0 ? H d ? P =12m，q= 41.67m3 / ( s ? m) 2
取幾組 h1 值代入公式右邊得到的結(jié)果與 h1 比較，若不相等，則繼續(xù)取
h1 值代入公式進行計算，直到等式兩邊的值相等。
表 4.3
h1
(m) 3 3.22
試算法求 h1 的值
3.2 3.25 3.26 3.26
q ? 2 g ( H 0 ? h1 cos ? )
由此可取 h1 =3.26m 今以 h1 =3.26m， h2 =3.02m，求兩斷面之間的水平距離 ?l1? 2 。 q 41.67 q 41.67 v1 ? ? ? 12.78m / s ; v2 ? ? ? 13.80m / s h1 3.26 h2 3.02
v?
R1 ?
1 (v1 ? v2 ) ? 13.29m / s 2
L0 ? h1 L ?h 32 ? 3.26 32 ? 3.02 ? ? 2.71m ; R2 ? 0 2 ? ? 2.54m L0 ? 2h1 32 ? 2 ? 3.26 L0 ? 2h2 32 ? 2 ? 3.02
1 R ? ( R1 ? R2 ) ? 2.62m 2
35
?1v12
? 2 v2 2 1?13.902 1?12.782 ? ? 8.33m ; ? ? 9.70m 2g 2 ? 9.81 2g 2 ? 9.81
n2 v 2 R
4/3
J?
?
0.0142 ?13.292 ? 0.0096 2.624/3
?l1? 2 ?
(h2 cos14? ?
? 2 v2 2
2g
) ? ( h1 cos14? ?
?1v12
2g
)
i ? J1
1.05 ?13.902 1.05 ?12.782 (3.02 ? 0.97 ? ) ? (3.26 ? 0.97 ? ) 2 ? 9.8 2 ? 9.8 ? =5.05m 0.25 ? 0.0096
其余各流段的計算完全相同，為清晰起見，采用列表法進行，如下表所示: 表 4.4 泄槽水面線表
h ( m)
3.26 3.02 2.82 2.62 2.42 2.22 2.02 1.82 1.62 1.61
v(m / s )
12.78 13.90
v
(m / s)
13.29 14.28
R(m)
2.71 2.54
R ( m)
2.62 2.47
? v2
2g
(m)
J
0.0096 0.0120
?l (m)
5.05 5.48 7.06 9.26 12.42 17.18 24.87 38.63 2.52
? ?l
5.05 10.53 17.59 26.85 39.27 56.45 81.32 119.94 122.26
8.33 9.70 11.13
14.78 15.34 15.90 16.56 17.22 17.99 18.77 19.70 20.63 21.80 22.90 24.31 25.72 25.88 25.80
2.40 2.32 2.25 2.18 2.10 2.02 1.95 1.87 1.79 1.71 1.63 1.55 1.47 1.46 1.46
0.0150 12.89 0.0191 15.11 0.0248 17.96 0.0330 21.69 0.0453 26.72 0.0644 33.72 34.14 0.0783
36
根據(jù)表中數(shù)據(jù)，繪制水面線見圖 4-3:
圖 4-3 水面線
4.3.3.3 摻氣減蝕 水流沿泄槽下泄，流速沿程增大，水深沿程減小，即水流的空化數(shù)沿程遞減。于 是水流經(jīng)過一段流程后，將產(chǎn)生水流空化現(xiàn)象�？栈鞯竭_高壓區(qū)，因空泡潰滅而 使泄槽邊壁遭到空蝕破壞。為此，必須采取抗空蝕措施:摻氣減蝕、優(yōu)化體形�？刂� 溢流表面的不平整度和采用抗空蝕材料等。本設(shè)計采用自摻氣。 工程實踐證明，臨近固體邊壁水流摻氣，有利于減蝕和免蝕。沿陡槽泄流時的摻 氣水流可劃分為:無摻氣水流區(qū)、發(fā)展中摻氣水流區(qū)和充分發(fā)展的摻氣水流區(qū)三個區(qū) 域。計算摻氣起點的經(jīng)驗公式很多，但理論上有待深入，故本設(shè)計采用《水利學報》 推薦的公式:
Lk ? 14.7q 0.53
(4.14)
式中 Lk 為摻氣起點至堰頂?shù)难爻叹嚯x，m;q 為單寬流量，m3/(s?m) 因此 Lk ? 14.7 ? 41.670.53 ? 106m ，對照水面線圖可的摻氣起點處 v 為 24.8m/s，水深 h 為 1.52m。 SL253-2000《溢洪道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定:摻氣水深可按下式計算 ?v ha ? (1 ? )h 100 式中: (4.12)
h --不計波動和摻氣的水深，m;
37
v --不計波動和摻氣的計算斷面的平均流速，m/s;
? --修正系數(shù)，一般為 1.0 ~ 1.4 ，本設(shè)計取 1.2。
則 ha ? (1 ?
1.2 ? 24.8 ) ?1.52 ? 1.97m 100
4.3.3.4 泄槽邊墻和泄槽襯砌 泄槽邊墻高度根據(jù)水深并考慮沖擊波和水流摻氣在各種荷載作用下的影響，加上 0.5~1.5m 的超高，故本邊墻高度為 3.26+0. 74=4m。 為保護槽底不受沖刷和巖石不受風化， 防止高速水流鉆入巖石縫隙， 將巖石掀起， 泄槽都需要進行襯砌。對泄槽襯砌的要求是:襯砌材料能抵抗水流沖刷;在各種荷載 作用下能夠保持穩(wěn)定; 表面光滑平整， 不致引起不利的負壓和空蝕; 做好底板下排水， 以減小作處于用在底板上的揚壓力;做好接縫止水，隔絕高速水流侵入底板底面，避 免因脈動壓力引起的破壞等。 本設(shè)計泄槽處于巖基上， 下泄水流速度大， 故采用混凝土襯砌， 襯砌厚度為 0.5m。 為防止產(chǎn)生溫度裂縫，設(shè)置縱橫縫。縱橫向分縫距離分別取為 10m、20m，縫下設(shè)縱 橫向排水溝，并設(shè)有銅片止水裝置，在排水溝頂面鋪瀝青麻片，以防止施工時水泥漿 或運用時泥沙堵塞排水溝， 各橫向排水溝的水流應(yīng)通過泄槽兩側(cè)的縱向排水溝排往下 游，縱向排水管設(shè)置兩排，以保證排水通暢。
4.3.4 出口消能段
4.3.4.1 消能工的設(shè)計原則及形式 溢洪道宣泄洪水， 一般是單寬流量大、 流速高、 能量集中。 若消能措施考慮不當， 高速水流與下游河道的正常水流不能妥善銜接，下游河床和岸坡就會遭到?jīng)_刷，甚至 危及大壩安全。所以，消能措施的合理選擇和設(shè)計，對工程具有重大的意義。 消能工消能是通過局部水力現(xiàn)象，把水流中的一部分動能轉(zhuǎn)化成熱能，隨水流散 逸。實現(xiàn)這種能量轉(zhuǎn)換的途徑有:水流內(nèi)部的紊動、摻混、剪切和漩滾;水股的擴散 及水股之間的碰撞;水流和固體邊界的劇烈摩擦和撞擊;水流與周圍氣體的摩擦與摻 混。常用的消能工形式有:底流消能、挑流消能和消力戽效能等。 本出口消能段采用挑流消能。 4.3.4.2 挑流消能 挑流消能是利用泄水建筑物出口處的挑流鼻坎，將下泄的急流拋向空中，然后落 入離建筑物較遠的河床，與下游水流相銜接的效能方式。 本挑流消能的鼻坎型式采用連續(xù)式挑流鼻坎。 鼻坎挑射角度越大，挑射距離越遠。本鼻坎挑射角度為 20? 。
38
鼻坎反弧半徑 R 一般采用 (6~12) h 為鼻坎上水深。 h， 本鼻坎反弧半徑 R 取 12m。 鼻坎坎頂高程高出下游最高水面 1~2m，取 71m。 水舌挑射距離估算公式為 1 L ? [v12 sin ? cos ? ? v1 cos ? v12 sin 2 ? ? 2 g (h1 ? h2 )] g (4.15)
式中:L 為水舌挑距，m;g 為重力加速度，取 9.8m/s2;v1 為坎頂水流流速，約 為鼻坎處平均流速 v 的 1.1 倍，取 28.4m/s;θ 為挑射角度，取 20? 1 為坎頂平均水 ;h 深 h 在鉛直向的投影，h1=hcosθ=1.61×cos20?=1.51m;h2 為坎頂至河床面的高差，取 1m。故 L ?
1 [28.42 sin 20? cos 20? ? 28.4cos 20? 28.42 sin 2 20? ? 2 ? 9.8 ? 2.51] =101.6m 9.8
沖刷坑深度計算公式為
T ? kq1/2 Z 1/4
(4.16)
式中:T 為自下游水面至坑底最大水墊深度，m;q 為鼻坎末端斷面單寬流量， 41.67m3/(s ?m);Z 為上下游水位差，取 46m;k 為綜合沖刷系數(shù)，取 1.2。 故 T ? 1.2 ? 41.671/2 ? 461/4 ? 20.2m ，經(jīng)檢驗 L / tk ? 101.2 / 20.2 ? 5.02 ? 2.5 ~ 5.0 滿 足設(shè)計要求。 為保證挑坎穩(wěn)定，另在挑坎末端做一道深齒墻，深度 8m。挑坎的左右兩側(cè)也做 齒墻插入兩側(cè)巖體。為加強挑坎穩(wěn)定，常用錨筋將挑坎與基巖連成一體。
4.4 溢洪道地基處理
溢流堰堰頂處來自水重和底板的壓力較大，泄槽段高速水流的沖擊力較大，再加 上溢流堰所處的地質(zhì)條件在巖石破碎帶，故需清理地基，清基深度設(shè)為 1m，根據(jù)實 際情況調(diào)整。 初步擬定采用局部水泥灌漿， 泄槽至挑流鼻坎底部均采用鋼筋進行錨固。
39
5 設(shè)計成果說明
5.1 土石壩
壩頂高程:118.40m; 壩底高程:61.5m; 壩頂寬度:8m; 防浪墻尺寸:1.2m× 0.5m(高× 寬) 上游壩坡坡率:從壩頂至壩踵依次為 1:1.75;1:2.0;1:2.25; 下游壩坡坡率:從壩頂至壩趾依次為 1:1.5;1:1.75;1:2.0; 馬道高程:第一級馬道為 80.50m，第二級馬道為 100.50m; 馬道寬度:2.0m; 防滲體高程:116m; 心墻頂寬:4m 心墻底寬:24m; 排水棱體頂寬:2.0m; 排水棱體內(nèi)坡:1:1.5; 排水棱體外坡:1:2.0; 排水棱體頂部高程:71.50m 。
5.2 溢洪道
引水渠底寬:40m; 引水渠總長 L=24m; 漸變段半徑 R:8m; 溢流段凈寬度:24m; 單寬流量: 41.67m3 / ( s ? m); 閘門尺寸: 12m× 9m(寬× ; 高) 泄槽坡率:0.25; 泄槽長度:123m; 泄槽邊墻高度:2.5m; 鼻坎挑射角度:20? ; 鼻坎反弧半徑:12m; 鼻坎坎頂高程: 71m; 水舌挑距:101.6m; 沖刷坑深度:20.2m。
40
參 考 文 獻
1.范崇仁. 水工鋼結(jié)構(gòu).北京:中國水利水電出版社，2000. 2.林繼鏞.水工建筑物.北京:中國水利水電出版社，2006. 3.張克恭.土力學.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010. 4 趙風華，黃金林.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理.北京:高等教育出版社，2005. 4.劉川順.水利工程地基處理.武漢:武漢大學出版社，2004. 5.劉志民，王德信.水工設(shè)計手冊.北京:中國水利水電出版社，2011. 6.林昭.碾壓式土石壩設(shè)計.鄭州:黃河水利水電出版社，2003. 7.王復(fù)來，陳洪天.土石壩變形與穩(wěn)定分析 .北京:中國水利水電出版社，2008. 8.張啟岳.土石壩加固技術(shù).北京:中國水利水電出版社，2000. 9.武永新，吳正橋.水工建筑物設(shè)計與加固.鄭州:黃河水利水電出版社，2004. 10.呂秋林.畫法幾何及水利工程制圖.北京:高等教育出版社，2006. 11.潘家錚.建筑物的抗滑穩(wěn)定和滑坡分析.北京:中國水利水電出版社，1980. 12.王得厚.大壩安全監(jiān)測與監(jiān)控.北京:中國水利水電出版社，2006. 13.李振斌.工程 CAD 技術(shù)及應(yīng)用.北京:中國水利水電出版社，2005. 14.吳持恭.水力學.北京:高等教育出版社，2008. 15.中小型水利水電工程典型設(shè)計圖集. 北京:中國水利水電出版社，2007. 16.水工設(shè)計手冊.北京:中國水利電力出版社，1987. 17.碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范(SL274-2001). 北京:中國水利水電出版社，2001. 18.水利水電工程等級劃分及洪水標準(SL252-2000).北京:中國水利水電出版 社，2000. 19 溢洪道設(shè)計規(guī)范(DL/T5166-2002).北京:中國水利水電出版社，2002. 20.水利水電工程制圖標準(SL 73.2-95).北京:中國水利水電出版社，1995. 21.GEOSLOPE 軟件中文學習資料
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致謝
本畢業(yè)設(shè)計及學位論文是在我的導(dǎo)師喬娟老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。 從課題的選擇到項目的最終完成，喬老師都始終給予我細心的指導(dǎo)和不懈的支持。盡 管自己在大四下學期進行工作實習，但是我依然堅持每天完成設(shè)計內(nèi)容，遇到困難通 過電話和網(wǎng)絡(luò)與喬老師交流，喬老師都會耐心解答。大學四年，喬老師教授我水工建 筑物和水電站建筑物兩門專業(yè)課，她不僅在專業(yè)課上給我以精心指導(dǎo)，同時還向?qū)W生 介紹最新的水利技術(shù)動態(tài)擴寬眼界， 在此謹向鄭老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 在此，我還要感謝在一起愉快的度過本科生活的水利水電 20084011 班同學以及 其他班的水利水電專業(yè)同學。 四年前我們從五湖四海聚集在一起學習水利水電工程知 識， 四年后我們又將各奔東西將知識用于實踐。 四年的時間， 我們學習和生活在一起， 相互幫助，相互學習，有快樂，有悲傷，但是我很自豪自己是三峽大學科技學院水利 水電工程 2008 級的一員。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成， 有多少可敬的師長、同學、朋友給了我?guī)椭�，在這里請接受我誠摯的謝意!
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