郭庄水利枢纽

摘要

郭庄水利枢纽工程建筑物包括：主坝、溢洪道、导流建筑物、灌溉发电隧洞。按SDJ12—78规范中设计标准，工程等级为3等，水利枢纽为中型，主要建筑物按三级设计，次要建筑物按四级设计，临时建筑我按五级设计。

根据实际与现有条件，本设计主要针对其中的主坝和溢洪道进行详尽的设计。 主坝设计包括：坝工设计，渗透分析与计算，坝坡稳定与计算，地基处理，细部构造，两岸连接建筑物等。

溢洪道设计包括：引水渠，泄水槽，控制段及出口效能段的结构布置，水力计算（包括泄水过程、水面线及消能计算），细部构造等。

关键字：水利枢纽工程，挡水建筑物，溢洪道

1

河北工程大学毕业设计

Abstract

Water conservancy vital point engineering building in the Guo zhuang mainly includes: Main dam ,spillway, lead to follow to relapse excessive water hole, irrigation to generate electricity station factory premises to constitute .Press the SDJ12—78 the design in the norm standard ,the engineering grade is a NO.3 quality ,reservoir vital point is medium—sized ,the main building is according to the X-rated design ,the next in importance building press four classes design ,and the building presses five classes design at the time.

Graduate the design is student’s last teaching link during the period of school ,according to the actual and existing condition ,this main dam and spillway which designs to mainly as to it’s win carry on a detailed design.

The main dam design include: the dam work design, permeates analysis and computes ,dam ascent stability and calculation ,foundation processing ,minute part structure ,cross－straits conduction building eta.

The spillway design include :lead a water dike and leak water the structure decoration that slot ,control segment and exit eliminate an ability segment ,water conservancy calculation (include to leak water process, surface line and eliminate can compute),minute part structure etc.

Key words: water conservancy，vital point engineering ,blocks water building

2

河北工程大学毕业设计

目录

摘要 ....................................................................................................................... 1 ABSTRACT ......................................................................................................... 2 第1章 总述 ......................................................................................................... 5 1.1 概况 ............................................................................................................. 5 1.2 基本资料 ..................................................................................................... 5 1.2.1 水文资料 ............................................................................................... 5 1.2.2 地形、地质 ........................................................................................... 8 1.2.3 当地建筑材料 ....................................................................................... 8 1.2.4 水利规划计算成果 ............................................................................. 10 1.3 工程综合说明 ........................................................................................... 10 第2章 枢纽布置 ............................................................................................... 11 2.1 枢纽组成及建筑物级别 ........................................................................... 11 2.2 建筑物类型及枢纽布置方案比较及选定 ............................................... 12 2.2.1 建筑物类型 ......................................................................................... 12 第3章 土坝设计 ............................................................................................... 15 3.1 坝型选择 ................................................................................................... 15 3.2 地基处理及断面拟定 ............................................................................... 15 3.2.1地基处理 .............................................................................................. 16 3.2.2断面拟定 .............................................................................................. 16 3.3 渗流计算 ................................................................................................... 21 3.3.1 计算说明 ............................................................................................. 21 3.3.2 渗流计算 ............................................................................................. 23 3.4 稳定分析 ................................................................................................... 29 3.4.1计算说明 .............................................................................................. 29 3.4.2稳定计算 .............................................................................................. 30 3.4.3综合分析 .............................................................................................. 36 3.5 细部构造设计 ........................................................................................... 36 3.5.1坝顶布置 .............................................................................................. 36 3.5.2坝的防渗体和排水设备 ...................................................................... 37 3.5.3 反滤层设计标准 ................................................................................. 38 3.5.4 护坡设计 ............................................................................................. 39

3

河北工程大学毕业设计

第4章 溢洪道设计 ........................................................................................... 40 4.1 线路及型式选择 ....................................................................................... 40 4.1.1 溢洪道的位置选择 ............................................................................. 40 4.1.2 溢洪道形式选择 ................................................................................. 40 4.2 水力计算 ................................................................................................... 40 4.2.1 溢洪道基本数据 ................................................................................. 40 4.2.2 工程布置 ............................................................................................. 41 4.2.3 溢洪道的水力计算 ............................................................................. 42 4.3 溢洪道结构设计 ....................................................................................... 49 4.3.1 溢洪道护砌高度的确定 ..................................................................... 49 4.3.2 消能计算 ............................................................................................. 49 4.3.3 闸门泄洪能力计算 ............................................................................. 51 4.4 细部构造 ................................................................................................... 53 4.4.1 泄槽的衬砌 ......................................................................................... 53 4.4.2 溢洪道纵剖面 ..................................................................................... 54 参考文献 ............................................................................................................. 55 谢辞 ..................................................................................................................... 56

4

河北工程大学毕业设计

第1章 总述

1.1 概况

郭庄水库位于王家河中游平阳县内，坝址位于郭庄村，距县城18km，控制流域面积160km2，占总流域面积的68%，流域为以安山岩为主的石山区，耕地所占比重极小还不到10%，流域内植被较好，植被度达70%以上，王家河干流全长41.8km，平均纵坡1/98.3。

本地区多年平均降雨量为950mm，但年内及年际的分配极为不均，多集中在雨季，7、8月份降雨量占全年降雨量的68%，多年平均径流深336mm，多年平均径流量5920万m3，根据实测暴雨资料，利用综合单位线，结合历史洪水调查推算求得坝址百年一遇洪水为2080m3/s，千年一遇洪水为2710m3/s，洪水特点是峰高而历时短，持续时间不到一天，主要集中在汛期发生。

郭庄水库主要任务是调节水量，供平阳县的生活用水，以灌溉为主，结合引水发电、水面养殖、洪水错峰等，可得到综合利用的效果。水库总库容5030万m3，多年调节水库，在保证率75%的情况下，可灌溉王家河下游南岸农田11万亩，灌溉最大引水量10m3/s，由于来水较大，除利用灌溉用水发电外，还可利用丰水年的弃水发电，电站装机两台，总装机容量2000千瓦，全年可发电300万度，郭庄水库的修建可使五十年一遇的洪水洪峰流量由1840m3/s削减到1320m3/s，千年一遇洪水洪峰流量由2710m3/s削到1980m3/s，减轻下游洪水灾害。水库养鱼水面2130亩，库区淹没移民304户1550人，1590间房及土地赔偿1490亩，王平公路线10km，603通讯线路6km。

1.2 基本资料

1.2.1 水文资料

年径流：王家河流域水量丰沛，年径流由年降雨产生，年径流在地区与时间上的分布与年降水基本一致。

年径流在年际间变化悬殊，郭庄水库实测资料1963~1982年20年资料中，丰水年1976年达1.34亿m3，枯水年1985仅1238万m3，相差1.2亿m3，约合10.8倍。且丰枯水年连续发生。多年平均径流量为5920万m3。

洪水：王家河洪水由暴雨形成，本地区暴雨历史短，强度大，地面坡度陡，洪峰陡涨陡落，一次洪水一般历时1~2天。

本流域洪水多发生在七、八月，出现在七月占42%，出现在八月占58%，王家河多年平均6~9月洪量占年径流量的70%左右，一天洪量占六天洪量的80%以上，大水年尤为集中，如1972年最大三天洪量占年径流量达68%。

5

河北工程大学毕业设计

表1-1 洪水计算成果表

项目 特征值 频率(%) 均值 Cv Cs/Cv 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20 洪峰流量(秒立米) 900 1.35 2.50 2710 2650 2380 2080 1840 1586 1290 1020 24小时 238 1.35 2.50 586 563 512 454 398 342 296 259 洪量(万立米) 三天 328 1.35 2.50 692 657 608 571 520 463 410 365 六天 380 1.30 2.50 783 728 673 625 586 529 490 429 表1-2 郭庄水库坝址以上不同频率设计洪水过程线 时间 月 7 7 日 28 29 时 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2 4 6 0.1 86 205 392 830 2710 2068 1672 1026 794 568 431 266 125 86 63 1 59 115 197 346 506 2080 1259 861 573 430 329 173 78 50 32 不同频率(%)流量(秒立米) 2 41 53 123 274 369 774 1840 342 457 309 285 167 85 38 16 5 13 100 220 300 798 1487 621 290 221 189 134 68 30 9 8 10 11 82 184 249 621 1133 565 306 208 157 112 67 25 8 6 6

河北工程大学毕业设计

表1-3 相应于各时期的流量特征值

月份 频率 5% 2% 洪水期 700 1106 中水期 36 72 枯水期 表1-4 全年各月流量平均值：（P＝10%）

月份 Q(m3/s) 月份 Q(m3/s) 1 0.16 8 2.17 2 0.12 9 0.61 3 0.18 10 0.57 4 0.18 11 0.55 5 0.22 12 0.35 6 0.48 7 5.77 气象：

全流域属于季风大陆性气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，年平均降水量约950毫米，且多集中在夏季的七、八月。

流域多年平均气温为摄氏14℃，年最低气温－12℃，但延续时间不长，最高气温可达40℃，夏秋多东南风，冬春多北风。全年无霜期180天，结冰期约90天，河道一般十二月封冻，次年三月上旬解冻，冰厚0.2~0.5米，岸边可达1米。多年平均最大风速Vmax=12m/s，水库最大吹程：1.2km。温升率2.5摄氏度/时。

(1)水库年蒸发损失深度400mm，年渗损失深度500mm。 (2)坝址处各月平均降雨天数

表1-5 坝址处各月平均降雨天数

月份 5～10mm 10～20mm 20～30mm ＞30mm 月份 5～10mm 10～20mm 20～30mm ＞30mm

1 0.43 0.14 / / 7 2.29 2.43 1.43 2.00 2 0.57 0.14 / / 8 1.57 2.72 1.43 2.29 3 1.43 0.14 0.14 9 1.72 0.71 0.43 0.43 4 0.97 1.57 0.57 10 1.43 0.86 0.43 0.14 5 1.72 1.14 0.43 0.29 11 1.57 1.00 0.43 / 6 2.00 1.29 0.71 0.43 12 0.57 0.29 / / 7

河北工程大学毕业设计

1.2.2 地形、地质

坝址处河谷较窄，宽约120m，坝基和两岸均为安山岩，所属时代为震旦纪岩层，风化较重，一般风化深1～3m，两岸岩石裸露，高出河床50～100m，河床部分基岩埋深一般5～15m，河床质为砂卵石，砂卵石粒径一般为0.1～10cm，大的可达30cm，含中粗砂，基岩透水性不大。

坝址处右岸山坡高峻，岩体完整，风化作用较轻，左岸山坡相对低矮平缓，岩石风化较重河床右边宽度30m，中上部坡积层厚数米，下部为褐红粘土胶结的砂卵石厚10m，不含泥，基岩表面有较多的裂隙，情况不如右边，但仍是良好的地基，河床中部约90m范围内的砂卵石厚5～15m，内部夹有薄层灰色淤泥，使砂卵石的力学性质有所降低，下部基岩表层节理发育，钻探所得岩心多为碎块，风化层厚0.6～3.5m，但钻进中不漏浆，说明基岩透水性不大，河床中有垂直方向的断层，走向约为北45°东，属受挤压产生的，破碎带宽数米，裂隙闭合。

坝址处沿I――I轴线地形地质剖面图见附图04 该地区地震烈度为7度 安山岩物理力学性质指标如下： 重度26.5kN/m3，坚固系数8～10

单位弹性抗力系数60～80MPa 弹性模量1.6×104MPa 1.2.3 当地建筑材料

1.土料

共有七个土料区，除林场在库区外，其余都在库区，各土料区的土料性质和储量详见下表：

表1-6 各土料区的土料性质和储量

土区名称 万水山 自然重度KN/m3 范围 16.1-17.1 平均值 16.7 15.3 16.0 15.3 15.6 15.8 16.3 自然含水量％ 21.0 19.4 21.3 22.2 20.2 21.0 21.0 塑性含水量％ 24.70 19.35 17.95 － － － － 流限含水量％ 34.95 29.20 29.15 － － － － 土类 重粉质壤土 中粉质壤土 重粉质壤土 － － － － 储量(万m3) 15.0 9.0 8.0 2.5 3.5 5.0 6.0 郭庄后地 15.0-15.7 郭庄东岗 15.8-16.6 后山 15.7-16.3 指挥部前 15.3-15.9 山前 林场 15.5-16.0 15.1-16.6

8

河北工程大学毕业设计

2.砂卵石

砂卵石分布在大坝上下游河滩，枯水季节河水位降低，上游在坝脚100m以外，1500m以内，平均取深1.5m，约45万m3，下游在坝脚100m以外，2000m以内取深1.2m，约40万m3，休止角经现场试验最小32，最大40.7。 3.石料

石料来源于溢洪道开挖的安山岩。坝体430m高程以上堆石粒径建议不小于300mm，小于300mm的用于上下游坝坡，430m高程以下，孔隙率不得超过30％。 4.风化料

在左岸坝头有可供筑坝的风化片麻岩。储量68万m3，其自然休止角37.5°-39.1°，自然含水量9％。夯实后干重度平均达18.1KN/m3(铺厚25cm)。 5.土石料的物理力学指标

根据现场和室内试验结果，筑坝土石料可按下表所列数据进行设计计算。

表1-7 土石料的物理力学指标

坝体 指标 单位 坝基砂卵石 土料 (均质坝) 12.3 30° 20.6 16.8 22.0 2.71 19.0 20.0 10.0 2.0×10-5 2.69 16.3 17 19.3 20.5 10.5 1.1×10-7

土料 (心、斜墙坝) 13.86 23.0 17.8 24.1 2.71 16.5 18.3 19.5 20.7 10.7 1.0×10-8 2.71 20.0 7.0 21.4 22.6 12.6 2.0×10-5 2.71 19.0 10.0 20.9 22.0 12.0 2.0×10-6 2.71 19.0 3.0 19.6 22.0 12.0 35° 32° 35° 32° 40° 38° 砂卵石 水上 水下 风化料 水上 水下 堆石 水上 水下 饱和快剪 φ C φ C 度 KPa 度 KPa KN/m3 % KN/m3 KN/m3 KN/m3 m/s 饱和固结快剪 比重 干重度 含水量 湿重度 饱和重度 浮重度 渗透系数 5.交通条件

对外交通计划新建从平阳县经郭庄村到达工地的公路，坝顶无交通要求。 6.施工条件

9

河北工程大学毕业设计

采用低围堰、底孔导流、分期施工的导流方法进行施工。各项施工辅助企业，仓库及生活等临时建设施布置在坝址下游两岸。

1.2.4 水利规划计算成果 淤积高程 421.0m 死水位 427.0m 正常蓄水位 443.0m

设计洪水位（P=1%） 450.0m，相应的泄量1470m3/s(溢洪道泄量1350m3/s，泄洪洞泄量120m3/s)

校核洪水位（P＝0.2%） 451.0，最大泄量2095m3/s，(溢洪道泄量1950m3/s，泄洪洞泄量145m3/s)

正常蓄水位、设计洪水位时下游水位 405m 校核洪水位时下游水位 407m

1.3 工程综合说明

综合考虑该坝址处的地形、地质条件、建筑材料及其工程效益，选择土石坝作为郭庄水利枢纽的挡水建筑物。主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。

根据SDJ12—78《水利水电工程枢纽等别划分及设计标准(山区，丘陵部分)》，综合考虑水库总库容、防洪效益、灌溉面积，电站装机容量，工程规模由库容5030万m3控制，属中型。

郭庄水利枢纽组成包括：挡水建筑物、泄水建筑物和发电站建筑物。

本枢纽是以灌溉为主的综合利用水利工程，规划总库容为5030万m3，灌溉下游农田11万亩，水电站装机两台，总装机容量为2000千瓦，设计年发电300万度。

10

河北工程大学毕业设计

第2章 枢纽布置

2.1 枢纽组成及建筑物级别

枢纽布置就是研究枢纽中各个水工建筑物的相互位置，是枢纽设计中一项重要内容，需以设计、施工、运行管理、经济等各方面进行全面论证，综合比较，最后以若干各比较方案中选择最好的枢纽布置方案。

郭庄水利枢纽组成包括：挡水建筑物、泄水建筑物和发电站建筑物。

根据SDJ12—78《水利水电工程枢纽等别划分及设计标准(山区，丘陵部分)》，综合考虑水库总库容、防洪效益、灌溉面积，电站装机容量，工程规模由库容5030万m3控制，属中型。主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。永久性水工建筑物洪水标准，正常运用（设计）洪水重现期100~50年；非常运用（校核）洪水重现期1000年。

2.1.1枢纽布置的一般原则

1.坝址、坝型选择河枢纽布置应与施工导流、施工方法和施工期限结合考虑，要在较顺利的施工条件下尽量缩短工期。

2.枢纽布置应满足各个建筑物在布置上的要求，保证各建筑物在任何工作条件下都正常工作。

3.在满足建筑物强度和稳定的条件下，降低枢纽总造价和其年运转费用。

4.枢纽中的各建筑物布置紧凑，尽量将同一工种的建筑物布置在一起，以减少联结建筑物。

5.尽可能使枢纽中的各部分建筑物早期投产，提前发挥效益。 6.枢纽的外观应与周围环境协调，在可能条件下注意美观。 2.1.2枢纽组成

郭庄水利枢纽组成包括：挡水建筑物、泄水建筑物和发电站建筑物。

挡水建筑物为拦截水流、抬高水位、调蓄水量或为阻挡洪水泛滥和海水入侵而建的水工建筑物。如拦河闸、坝、堤防、海塘等。或拦截江河、渠道等水流以壅高水位及为防御洪水或挡潮，而沿江河海岸修建的水工建筑物。

泄水建筑物用以排放多余水量、泥沙和冰凌等的水工建筑物。泄水建筑物具有安全排洪,放空水库的功能。对于水库、江河、渠道或前池等的运行起太平门的作用，也可用于施工导流。溢洪道、溢流坝、泄水孔、泄水隧洞等是泄水建筑物的主要形式。和坝结合在一起的称坝体泄水建筑物；设在坝身以外的常统称为岸边泄水建筑物。修建泄水建筑物，关键是要解决好消能防冲和防空蚀、抗磨损。对于较轻型建筑物或结构，还应防

11

河北工程大学毕业设计

止泄水时的振动。泄水建筑物设计和运行实践的发展与结构力学和水力学的进展密切相关。近年来由于高水头窄河谷宣泄大流量、高速水流压力脉动、高含沙水流泄水、大流量施工导流、高水头闸门技术以及抗震、减振、掺气减蚀、高强度耐蚀耐磨材料的开发和进展，对泄水建筑物设计、施工、运行水平的提高起了很大的推动作用。泄水建筑物的设计主要应确定：①水位和流量；②系统组成；③位置和轴线；④孔口形式和尺寸。总泄流量、枢纽各建筑物应承担的泄流量、形式选择及尺寸根据当地水文、地质、地形以及枢纽布置和施工导流方案的系统分析和经济比较决定。对于多目标或高水头、窄河谷、大流量的水利枢纽，一般可选择采用表孔、中孔或深孔，坝身与坝体外泄流，坝与厂房顶泄流等联合泄水方式。中国贵州省乌江渡水电站采用隧洞、坝身泄水孔、电站、岸边滑雪式溢洪道和挑越厂房顶泄洪等组合形式,在165m坝高、窄河谷、岩溶和软弱地基条件下,最大泄流能力达21350m3/s。通过大规模原型观测和多年运行确认该工程泄洪效果好，枢纽布置比较成功。

在多目标开发的综合利用水利工程中，坝、水闸等挡水建筑物及溢洪道、泄水孔等泄水建筑物为共用的水工建筑物。有时也只将从水电站进水口起到水电站厂房、水电站升压开关站等专供水电站发电使用的建筑物称为水电站建筑物。 2.1.3工程等别及建筑物级别

根据SDJ12—78《水利水电工程枢纽等别划分及设计标准(山区，丘陵部分)》，综合考虑水库总库容、防洪效益、灌溉面积，电站装机容量，工程规模由库容5030万m3控制，属中型。

主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。

永久性水工建筑物洪水标准，正常运用（设计）洪水重现期100~50年；非常运用（校核）洪水重现期1000年。

2.2 建筑物类型及枢纽布置方案比较及选定

2.2.1 建筑物类型 1 坝型选择

影响坝型选择的因素很多，最主要的是坝址附近的建筑材料，还有地形、地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理、抗震要求等。应选择几种比较优越的坝型，拟定剖面轮廓尺寸，进而比较工程量、工期、造价，最后选定技术上可靠、经济上合理的坝型。本设计可供选择的有重力坝、拱坝、土石坝。

1）对于重力坝具有以下工作特点

（1）重力坝筑坝材料强度高，耐久性好，抵抗洪水漫顶、渗漏、冲刷、地震破坏等的能力强。因而失事率低，工作安全可靠。

12

河北工程大学毕业设计

（2）对地质、地形条件适应性强。由于坝底压应力不高，对地质条件要求较低。 （3）由于重力坝可做成溢流的，也可在坝内设置泄水孔，故一般不需要另设溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑。

（4）结构作用明确。由于横缝将重力坝分成若干坝段，各坝段独立工作，结构作用明确。

（5）由于坝体剖面尺寸往往由稳定和坝体拉应力强度条件控制而做得较大。材料用量多，坝内压应力较低，材料强度不能充分发挥。且坝底面积大，因而扬压力也较大，对稳定不利。

（6）因坝体体积较大，施工期混凝土收缩应力也较大，为防止发生温度裂缝，施工时对混凝土温度控制的要求较高。

2）对于拱坝，具有以下特点

（1）具有双向传力的性能，拱坝荷载一部分通过拱的作用传给两岸岩体，另一部分通过竖直悬臂梁传给坝底基岩。因此，拱坝的选择要由良好的地形地质条件，如V形U形和梯形山谷。拱坝理想的地质条件时基岩坚硬致密，质地均匀，有足够的强度，透水性小，抗风化能力强，无大的断裂构造和软弱夹层。

（2）拱是推力结构，有利于发挥工材料的抗压性性能，可使坝体做得较薄，一般可节省同高重力坝工程量的1/3～2/3，节省材料，减小造价，增加工程效益。

（3）拱坝具有较高的超载能力。

（4）拱坝轻韧，富有弹性和整体性好，借助岩基对地震动能的吸收，具有较强的抗震能力。此外，拱坝体型复杂，剖面较薄，设计施工难度大，对施工质量、筑坝材料强度和防渗要求，以及对地形、地质条件及地基处理的要求均较高。

3) 对土石坝，具有以下特点

（1）土石坝可就地取材，与混凝土坝相比，节省大量水泥、钢材和木材，且减少了筑坝材料远途运输费用。

（2）对地质、地形条件要求低，任何不良地基经处理后均可筑土石坝。

（3）施工方法灵活，技术简单，且管理方便，利于加高扩建。它的缺点由：①不允许坝顶溢流（过水土石坝除外），所需溢洪道或其他泄水建筑物的造价往往很大；②在河谷狭窄、洪水流量大的河道上施工导流较混凝土坝困难；③采用黏性土料作防渗体时，黏性土料施工受气候条件影响大。

根据郭庄水库坝址处资料，该地对外交通不便，也不具有适宜建拱坝的有利地形，河床部分基岩埋深15~24m，但具有储量丰富的土石料。综合考虑该坝址处的地形、地质条件、建筑材料及其工程效益，选择土石坝作为郭庄水利枢纽的挡水建筑物。

2.2.2 泄水建筑物的选择

13

河北工程大学毕业设计

考虑到郭庄水利枢纽该地区在丰水年汛期洪峰流量较大，千年一遇洪水为2710 m3/s，该枢纽挡水建筑物为不过水土石坝，因此，泄水建筑物选择溢洪道和泄洪隧洞共同担任泄洪。

2.3 枢纽布置方案确定 2.3.1挡水建筑物 挡水建筑物选择土石坝。

挡水建筑物按直线布置，坝布置在河湾地段上。 2.3.2泄水建筑物

泄水建筑物包括泄洪隧洞和溢洪道。

由于坝址处右边山坡高峻，岩体完整，风化作用较轻，左岸山坡相对低矮平缓，岩石风化较河床右边重，岩石表面由较多的裂缝，情况不如右边，但仍是良好的地基。对于泄洪隧洞，为了缩短长度，减小工程量，泄洪隧洞布置在右岸，而将溢洪道布置在左岸山坡。

14

河北工程大学毕业设计

第3章 土坝设计

3.1 坝型选择

土石坝是由黏性土、非黏性土、堆石等材料组成。过去常将土石坝按建筑材料组成而分为土坝和堆石坝。土石坝根据坝体的防渗材料及其结构分为均质坝、分区坝、人工防渗材料坝。

影响土石坝坝型选择的因素很多，最主要的是坝址附近的筑坝材料，还有地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理、抗震要求等。应选择几种比较优越的坝型，拟定剖面轮廓尺寸，进而比较工程量、工期、造价，最后选定技术上可靠，经济上合理的坝型。本设计限于资料只做定性分析确定土石坝坝型选择，可供选择的坝型有均质坝、心墙坝和斜墙坝。

均质坝。坝体的绝大部分是由大体上均一的土料或相对均一的弱透水性材料组成，坝体的整个断面起防渗和稳定作用。这种坝由于土料的渗透系数小，因此施工期坝体内要产生孔隙压力，加上其抗剪强度较小，所以这种坝型大多数为中低坝。均质坝有以下优点：

（1）由于材料基本是均质，所以坝体断面简单，施工容易，施工机械、施工方法比较单一。

（2）由于全断面防渗，所以一些相对弱透水性的材料也可以用来填筑均质坝。 （3）由于这种坝一般较低，坝坡比较平缓，在承载力相当低的软基上也可修建。 均质坝的缺点是由于边坡较缓，工程量大，且需要大量的土料，因此往往要占用大量耕地。

心墙坝。心墙坝的防渗体设置在坝体中央，即坝轴线处。这种坝适应变形的条件较好，特别是当两岸坝肩很陡时，是应优先选用的坝型。其特点是：心墙与坝壳比较具有明显的较高压缩性，因此沿着心墙边界接触面出现的剪应力会使心墙有效垂直应力大幅度下降，即产生所谓拱效应。因心墙必须与两侧坝壳平起上升，施工难度较大。

斜墙坝。斜墙坝防渗墙设置在把提上游面或接近上游面。由于较低抗剪强度的防渗体位于上游面，故上游坝坡较缓，工程量大。正因为防渗体处在上游，故坝壳可单独领先上升，施工比心墙坝容易，基础处理干扰较小，雨季施工亦便于安排，拦洪度汛也较容易。

考虑到充分利用坝址附近的各种土石料，以及当地气候、工程造价、工期等各种因素，最终选择斜墙土石坝方案。

3.2 地基处理及断面拟定

15

河北工程大学毕业设计

3.2.1地基处理

土石坝对地基的要求比混凝土坝低，但从解决地基渗水承载力小，压缩性大，抗剪强度低及振动液化等问题方面，通常需对地基采取不同的处理措施。无论哪种地基，筑坝前都需要进行清基，清除可能造成集中渗流和发生滑动的表层土石。

河床部分：该枢纽河床部分基岩埋深15～24m，河床质为砂卵石，厚度为20～22m。对砂卵石地基的处理，主要是保证地基渗流稳定，控制渗流量，处理措施为：在坝体中上游侧设置垂直或水平防渗如黏土截水槽、混凝土防渗墙、灌浆帷幕或铺盖等，下右侧设排水减压措施如排水井、反滤盖重等。

由于坝址处砂卵石层深度不大，可开挖深槽直达基岩，槽内回填黏土与斜墙连成整体。由于坝基岩风化，节理发育，是防渗的薄弱环节。为防止发生集中渗流在槽底设混凝土齿墙。

坝肩岸坡处理：挖黏土截水槽至半风化岩基，基岩与粘土接触面设置混凝齿墙，齿 墙与河床部分防渗相连，详见细部构造设计。

3.2.2断面拟定

土石坝剖面的基本尺寸包括：坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡、防渗体、排水体的形式与尺寸等。设计时，一般根据坝高、坝型、坝基、筑坝材料等情况参考已建成的工程拟定，通过渗流和稳定分析进行检验，最终确定安全经济剖面。

1 坝顶高程

坝顶h/2ReAh/2静水位α（1）正常情况下的坝顶超高（Y正常）

Y正常=ReA （3-1）

16

河北工程大学毕业设计

KV2Decos2gH （3-2）

R-----波浪爬高,m。按蒲田试验站统计分析公式计算,先计算平均爬高R，平均爬高按按下式计算： KKRWhL （3-3）

1m21829.811200 h0.00180.00189.811820.450.299

（3-4）

T4.0h （3-5） 式中：K-----与坝坡的糙率和渗透性有关的系数，本设计采用砌石护面，查教材《水工建筑物》表5—1得：K=0.75～0.80,取K=0.78;

H------沿水库吹程方向的平均水域深度，初拟时，可近似取坝前水深，m；H=450.0-405.0=45.0m；

KW----经验系数,由风速V=18m/s,坝前水深H=45.0m及重力加速度g=9.81m/s2组成的无维量V0.8545,查教材《水工建筑物》表5--2得KW=1.0 gHV-----风速，正常运用条件下的Ⅲ级坝采用V=1.5V多=1.5×12=18m/s

K-----折减系数,取风向与坝轴线垂直的夹角为00，查教材《水工建筑物》表5-4可知：

K=1

m----坝坡系数，mctg，为坝坡倾角，初拟时取m=2.5; D-----水库吹程，m；由本设计资料查得D=1200m；

1229.811200h----平均坡高，h0.00189.811220.450.192m

T-------波浪平均周期 T4.00.2992.19 L---平均波长,假设L2gT1.56T1.562.9127.48m，故为深水波； 22R----平均爬高: R0.78112.520.1924.720.28

17

河北工程大学毕业设计

波浪设计爬高R按建筑物的级别确定,对于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土石坝取保证率P=1%的波浪R爬高值1%，该土石坝等级属于Ⅲ级，故P=1%。根据h/H=0.192/45=0.007，查教材《水工建筑物》表5-3得R/R=2.23

则:R=2.23×R=2.23×0.43=0.96m e------风壅水面超出库水位的高度,m；

KV2Decos2gH

K-----平均摩阻系数, K3.6106 (D以m计0； β-----风向与坝轴垂线的夹角，（º）； H----平均水深,坝前水深为67m, 3.61031821.2e0.002

29.8145A---安全加高,根据坝的等级和运用情况查教材《水工建筑物》表1-11则：A=0.7m，则正常运用情况下坝顶超高为: Y正常=R+e+A=0.96+0.002+0.7=1.662m

（2）非常运用条件下的坝顶超高（Y正常） R――波浪爬高，按蒲田试验站公式计算：

V=V多＝12m/s

1229.811200 h0.00189.811220.450.192m

T4.0h1. 7 5 R2L1.561.754.78

0.7810.1924.72 0.28212.5 按P＝1%，

h0.192R0.004，2.23 H45R则：R＝2.23R＝2.23×0.28=0.62m

e------风壅水面超出库水位的高度，m； 3.61061221200e0.001m

29.8145 A――安全超高，查表得A＝0.5m

则：非常运用情况下坝顶超高为：

Y非常ReA＝0.62+0.001+0.5＝1.121m

18

河北工程大学毕业设计

（3）地震情况下坝顶超高（地震安全加高）Y：

Y＝地震涌浪加高（h）+地震附加沉陷值（s）+安全加高（A） （3-6） h――地震涌浪加高，一般为0.5～1.5m,取为1.0m

s――地震附加沉陷值，因本区属7度地震区，则取为坝高的1%，则为s=45×1％=0.45m

A――安全加高，A=0.7m(查表1—11) 则：Y＝1.0+0.45+0.7＝2.15m

（4）坝顶高程的确定及坝高的确定

坝顶高程应分别按以下三种情况计算，并取最大值,

450.0Y正常坝顶高程＝max451.0Y非常=452.12

443.0Y地震考虑到压缩沉降量，土石坝竣工时的坝顶高程应等于设计高程加坝体施工沉降量超高，本设计取坝高的0.4％，即45×0.4％=0.18m。

所以，坝顶高程＝452.12+0.18＝452.30m≈453m。 2 坝顶宽度

坝顶宽度取决于施工、交通、构造、运行、抗震与防汛等要求。如坝顶设置公路或铁路时，应按交通要求确定。无特殊要求时，高坝最高坝宽为10~15m，中、低坝为5~10m。对心墙或斜墙坝需要满足其墙顶和两侧反滤层的布置要求。在寒冷地区，还应使心墙或斜墙至坝面的最小距离大于当地冻土层厚度，以免防渗体冻融破坏。本次设计的土石坝的最大坝高为H=453-405=48米，坝顶宽度B=H/10（H<100米），所以B=4.8米。

由设计资料，本设计为中坝，坝顶无交通要求，岸边冬季冻层厚达1m，以及为满足放浪墙顶和两侧反滤层的布置要求，坝顶宽度取8m。 3 坝顶长度

本设计中坝顶高程453m，坝基高程405.0m，坝高453-405.0=48m，在地形图上Ⅰ—坝轴线处，测量图上距离，然后按比例换算可得坝长45.0×100=450.0m。

4 上下游边坡

土石坝边坡的大小取决于坝型、坝高、筑坝材料、荷载、地基性质等因素，且直接影响到坝体的稳定性和工程量大小。边坡越缓，稳定性越好，工程量越大。

19

河北工程大学毕业设计

上游在距坝基高30m处变坡一次，上部坡率取2.5，下部坡率取2.75。变坡处设马道，宽2.0m。下游距坝基高30m处变坡一次，变坡处设马道，宽2.0m。上部坡率取2.0，下部坡率2.5。

5 排水体

为了有效地排除坝体和坝基的渗透水，降低坝体的浸润线和坝基的渗透压力，汇集排走坝坡排水沟的雨水，防止下游尾水冲刷坝脚，并对坝坡其 一定支撑作用，应在坝趾附近设置排水体。土石坝的防渗体后仍有一定的渗水，故在坝体的下游部分还必须设置排水设备，其作用是控制和引导渗流安全的排除坝体，降低坝体浸润线及孔隙水压力，增强坝坡稳定，保护下游坝坡免受冻胀破坏。常用的坝体排水有以下几种形式：

1.贴坡排水：构槽简单用料少，但不能降低浸润线位置且易因冰冻失效，适用于浸润线低的中等高度坝和下游无水的中小型工程的均质坝。

2.棱体排水：可降低浸润线，防止冻胀破坏，保护坝脚免受尾水冲刷，且对坝坡有支撑作用，增加坝坡稳定性，是一种可靠有效应用广泛的排水形式。

3.褥垫层排水：对地基不均匀沉降的适应性差，易断裂，维护困难，所以单独采用这种形式的不多。

4.管网式排水：不便采用。 5.综合排水：较复杂，不便采用。

本设计中开挖泄洪隧洞、以及溢洪道，因此石料丰富，在下游坝脚用块石堆成棱体作为坝体排水，按规范棱体顶面高程高出下游水位，对于Ⅲ级坝应不小于0.5m，棱体高取为2 m，以利于行走观察。校核洪水时的下游水位为407.0m，则排水棱体顶部高程为409.0m，棱体顶宽为2米，堆石棱体坡率内坡取1：0.5，外坡取1：2.0.

6 截水槽

对于河床中部和两岸岸坡，可开挖深槽直达基岩，槽内回填黏土，与斜墙连成整体。（截水槽底部是防渗的薄弱环节，为防止发生几种渗流，可在岩石表面喷一层混凝土再回填黏土）截水槽设于距上游坝脚15m处。基底部宽度按回填土料的容许坡降J设计，即H/L≤J，J取为4，H为正常蓄水情况下作用水头，H=443.0－405.0=38.0m，则L≥H/J=38.0/4=9.5m

为了减小工程量，可在槽底设混凝土齿墙，以延长槽底与地基的接触渗径截水槽具体布置见下图：

20

河北工程大学毕业设计

齿墙下部深入基岩0.5m，底座厚1.0m，上部深入槽底3.0m，则0.5+4+3×2=10.5>9.5m。

本设计截水槽底宽取8m，内外边坡各取1:1，则截水槽顶宽为8+152=38m。 7 防渗体

本设计中的防渗体采用斜墙，斜墙位于坝体上游，顶部不小于3m，底部亦不小于大坝水头的1/5。斜墙顶应高出设计洪水位0.6~0.8m，且不低于校核洪水位，一般斜墙的下游坡不陡于1：2.0，上游坡不宜陡于1:2.5。

综上所述，斜墙高程可取451m，即斜墙高为451-405=46m，外坡取1:2.6，内坡取1:2.0，斜墙底宽与截水槽同宽为38m。

3.3 渗流计算

3.3.1 计算说明

1 土石坝渗流分析的任务

土石坝的剖面尺寸初步拟定后，必须进行渗流分析和稳定分析，为确定经济可靠的坝体剖面提供依据。渗流分析的主要任务是：

（1）确定坝体浸润线和下游逸出点的位置，为坝体稳定计算和排水体选择提供依据。

（2）计算坝体与坝基的渗流量，以估算水库渗漏损失和确定排水体尺寸。 （3）计算坝体与坝基渗流逸出处的渗透坡降，以演算其渗透稳定性。 2 渗流分析方法

土石坝渗流方法有公式计算法（流体力学法、水力学法、有限单元法）、流网法和电模拟法，其中水力学法多用于土石坝的设计阶段。选择水力学方法解土坝渗流问题。

21

河北工程大学毕业设计

根据坝内各部分渗流状况的特点，应用达西定律近似解土坝渗流问题，计算假定任一铅直过水断面内各点渗透坡降均相等。 斜墙与截水槽的单宽渗流量为：

H1h2Hhq1K0K0T12sin1 （3—7）

2图3-1 渗流计算斜墙与截水槽下游坝体与坝基的单宽渗流量为： qh2H222hH22K2(LmKTT2H2)L0.44T 式中：K0、K、KT— 分别为防渗体、坝壳材料、河床质砂卵石的渗透系数；

、1— 斜墙与截水槽的平均厚度，m；

— 斜墙的倾角，（°）；

m2—下游坡坡率。

由水流连续条件q1q2联立求解式（3—7）与（3—8）可求得

hA22A1A3A2A1 式中

AK0K1sinLm2H2AKTK 20TT1L0.44T2

AKHKH2K0TH12KTTH2301sin2Lm2H21L0.44T

22

3—8）

3—9）

（ （河北工程大学毕业设计

假设：

（1）不考虑防渗体上游侧坝壳损耗水头的作用；

（2）由于砂石料渗透系数较大，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，此时实际上不为平面渗流，但计算仍按平面渗流计算，近似认为下游水位为零。由于河床冲积层的作用，岸坡实际上不会形成逸出点，计算时假定浸润线末端为坝址。

3 计算断面

总渗流量计算时，一般是根据地形和地基透水层分布情况，将坝体沿坝轴线分成若干曲边坝段。

先计算各坝段交界处的坝体单宽渗流量，然后按下式计算全坝的总渗流量：

1Qq1l1q1q2l2qn2qn1ln1qn1ln2 （3—10）

l、l、、ln式中：12—各坝段长度，m；

3q1、q2、、qn1m/(sm)。 —各坝段交界处的坝体单宽渗流量，

4 渗流分析的工况

渗流计算时，应考虑水库运行中出现的不利条件，一般需计算下列几种工况： （1）上游正常蓄水位与下游相应最低水位，此时坝内渗流的坡降最大，易产生渗透变形；

（2）上游设计洪水位与下游相应最高水位，此时坝内浸润线高，渗流量大；设计 （3）上游校核洪水位与下游相应最高水位，此时坝内浸润线最高；

（4）库水降落时，对上游坝坡稳定最为不利，应确定其浸润线，为稳定计算提供依据。

本设计中，计算主要针对正常蓄水位及校核洪水位时进行。 3.3.2 渗流计算 工况一：正常蓄水位

上游水位443m，下游相应水位405m的渗流计算

分段情况: 1-1断面高程425，距左岸66m；2-2断面高程405，距左岸158；3-3断面高程408，距左岸220m。

1-1断面的渗流计算

23

河北工程大学毕业设计

单宽流量：上游水位443m，下游无水，坝底高程为425m，无排水设备，用下式计算通过斜墙的单宽渗流量：

H1h2q1K02sin

2已知,斜墙的渗透系数K0=1.0×10-8m/s；上游水深H1＝443-425=18m，斜墙的平均厚度为：1424.20.34 14.1m；sin22212.68182h2fh 代入上式：q1110214.10.34通过下游坝体的单宽流量按下式计算：

Kh2，坝体渗透系数K=2.0×10-5m/s。计算长度： q22LL=(443-425)×2.25+4+(443-425)×2=80.5m

2.0105h2f2h 则q2280.5由q1q2得：h=1.65m

则单宽流量：q0.70106m3/sm 2－2 断面的渗流计算

单宽渗流量：用下式计算通过斜墙和截水墙的单宽流量

H1h2Hhq1K0K0T12sin1

2h：斜墙后渗水深。

已知斜墙渗透系数K01108m/s；坝前水深H1＝443-405＝38m，地基厚度T＝15m，斜墙的平均厚度为：

43821m2

83823m将δ、K0、H1、T等代入上式有：2382h238h8q1110110815f1h

2210.3423截水槽的平均厚度1用下式计算通过斜墙下游坝体和坝基的单宽流量：

24

河北工程大学毕业设计

2h2H2hH2q2KKTTf2h

2Lm2H2L0.44T已知坝体渗透系数K＝2.0×10-5m/s；坝基厚度T＝15m；H2＝2m；m2＝2.25；渗径长：L4434052.254094051.538243884183m

代入上式有：

h222h2q22.0102.010515f2h21832.2521830.4415

qq2根据水流连续条件有1，联立求解得：

5

hA2'2A1'A3'A2'A1'式中取：K＝1.0×10-8cm/s

K0K11082.0105A1.17108

sinLm2H2210.341832.252'1A'3'2K0T1KTT1108152.0105151.69106 L0.44T231830.4415K0H122K0TH12KTTH2KH2AsinLm2H21L0.44T11083822.0105221108153822.0105152

210.341832.252231830.44152.27106代入上式有：h＝0.67m

63则单宽流量 q1.1510m/（s·m）

3-3 断面的渗流计算

单宽流量：上游水位443m，下游无水，坝底高程为408m，无排水设备，用下式计算通过斜墙的单宽渗流量：

H1h2q1K02sin

2已知斜墙的渗透系数：

K01108cm/s,H144340835m,8352h2f1h 代入上式： q1110218.50.34Kh2q2f2(h)2L通过下游坝体的单宽流量按下式计算：

33418.5m,2

25

河北工程大学毕业设计

坝体渗透系数为K2.0105m/s，计算长度：

L(443408)2.254(443408)2(409408)1.5147.25m2.0105h2q2f2(h)2147.25

由q1q2得： h＝3.76m

63q1.010m /(s·则单宽流量：m)

总渗流量计算 已知：

q10.70106m3/（s·m）,

q21.15106m3/（s·m）

，

q31.0106m3/（s·m）,

L166m,L2154m,L362m,L4150m则总渗流量为：

Q1q1L1q1q2L2q2q3L3q3L42166660.701066(0.701.15)10154(1.151.0)10621.0101502267.6106m3/s

63则一天的总渗流量为：267.61024360023.1m

工况二：校核洪水位情况 1－1 断面的渗流计算

单宽流量：上游水位451m，下游无水，坝底高程为425m，无排水设备，用下式计算通过斜墙的单宽渗流量：

H1h2q1K02sin

2已知，斜墙的渗透系数K0=1.0×10-8m/s；上游水深H1＝3278.0-3269.7=8.3m，斜墙的平均厚度为：

424.214.1m2

88.32h2f1h 代入上式： q11105.125通过下游坝体的单宽流量按下式计算：

Kh2q22L，坝体渗透系数K=2.0×10-5m/s。计算长度：

26

河北工程大学毕业设计

L=(453-425)×2.25+4+(452-425)×2=118.75m

2.0105h2q2f2(h)2118.75则

由q1q2得：h=2.9m

63q0.7010m则单宽流量：/(s·m)

2－2 断面的渗流计算

单宽渗流量：用下式计算通过斜墙和截水墙的单宽流量

H1h2Hhq1K0K0T12sin1

2h：斜墙后渗水深。 已知，斜墙渗透系数

K01108m/s；坝前水深H1＝451-405＝46m，地基厚度T＝

15m，斜墙的平均厚度为：

43821m2

截水槽的平均厚度

462h246h8q1110110815f1h

2210.3423183823m2将δ、K0、H1、T等代入上式有：

用下式计算通过斜墙下游坝体和坝基的单宽流量： h2H22hH2q2KKTT2(Lm2H2)L0.44T=f(h)

2

已知坝体渗透系数K＝2.0×10-5m/s；坝基厚度T＝15m；H2＝2m；m2＝2.25；渗径长：

L(453405)2.25(409405)1.54624(388)4211.5m 代入上式有：

h222h25q22.0102.01015f2h2211.52.252211.50.4415

5

根据水流连续条件有 hq1q2，联立求解得：

A' 2A2'2A1'A3'A1'式中取：K＝1.0×10-8cm/s

27

河北工程大学毕业设计

K0K11082.0105A9.8108

sinLm2H2210.34211.52.252'1A'2K0T1KTT1108152.0105151.38106 L0.44T23211.50.441522KH2K0TH1KH22KTTA3'01sinLm2H21L0.44T110462.0102110154622.010159.14106210.34211.52.25223211.50.4415825285

代入上式有：h＝3.0m

63则单宽流量 q1.610m/（s·m） 3-3 断面的渗流计算

单宽流量：上游水位443m，下游无水，坝底高程为408m，无排水设备，用下式计算通过斜墙的单宽渗流量：

H1h2qK0f1h2sin

2已知，斜墙的渗透系数：

K01108cm/s,H144340835m,8352h2q110f1h218.50.34代入上式：

33418.5m,2

Kh2q2f2(h)2L通过下游坝体的单宽流量按下式计算：

坝体渗透系数为K2.0105m/s，计算渗径长度：

L(453408)2.254(451408)2(409408)1.5189.8m2.0105h2q2f2(h)2189.8

由q1q2得：

h＝5.2m

63q1.4510m则单宽流量： /(s·m) 总渗流量计算

已知：(s·m), (s·m ),

q31.45106m3/L66m,L2154m,L362m,L4150m (s·m), 1， 则总渗流量为：

28

q10.7106m3/q21.6106m3/河北工程大学毕业设计

Q1q1L1q1q2L2q2q3L3q3L4210.710666(0.71.6)106154(1.61.45)106621.451061502807106m3/s

63则一天的总渗流量为：8071024360069.7m

3.4 稳定分析

3.4.1计算说明 （1）目的

土石坝稳定分析的目的是保证自重、渗透压力、孔隙水压力和其他外荷载的作用下具有足够的稳定性，不致发生通过坝体或坝体与坝基接触面的整体剪切破坏。 （2）荷载组合

土石坝应对以下几种荷载组合情况的坝坡惊醒稳定计算：

正常运用情况（设计情况）包括：①上游为正常蓄水位，下游为相应最低水位或上游为设计洪水位，下游为相应最高水位形成稳定渗流时的下游坝坡；②水库水位正常降落时的上游坝坡；③库水位最不利时的上游坝坡，这种不利水位大致在坝底以上1∕3坝高处。

非常运用情况(校核情况)包括：①施工或竣工期的上、下游坝坡；②库水位骤降时的坝坡；③校核洪水位下有可能形成稳定渗流时的下游坝坡；④正常运用情况加地震影响的上、下游坝坡；⑤水库蓄满，排水设备失效时的下游坝坡。

在本设计中，根据坝的实际情况分析，仅做坝底以上1∕3坝高处的上游坝坡及上游水位为校核洪水位，下游为相应水位的下游坝坡的稳定分析计算。 （3）分析方法

按照坝坡滑裂面的形式不同，坝坡稳定分析方法为圆弧法、直线或折线滑动面法和复式滑动面法。本设计中坝型为黏土料墙坝，因此采用折线滑动面法对上游坝壳以及斜墙连同上游保护层一起滑动时的稳定计算。 （4）计算工况

坝坡稳定分析计算时应考虑水库运行中的不利条件，一般需计算下列几种工况： 正常运用情况下：①上游为正常蓄水位与下游相应最低水位。②上游校核洪水位与下游相应最高水位。③上游距坝基1∕3高水位时。

非常运用情况下：①上游校核洪水位与下游相应最高水位。②库水位骤降时。 本设计中，稳定分析计算主要针对上游距坝基1∕3高水位上游；校核洪水位与下游相应最高水位的工况进行。

29

河北工程大学毕业设计

（5）控制标准

在本设计中，坝坡抗滑稳定安全系数的容许值见下表：

表3—2 容许最小抗滑稳定安全系数

运行条件 正常运用 非常运用 正常运用加地震 工程级别 Ⅰ 1.30 1.20 1.10 Ⅱ 1.25 1.15 1.05 Ⅲ 1.20 1.10 1.05 Ⅳ、Ⅴ 1.15 1.05 1.00 3.4.2稳定计算

斜墙土石坝的稳定计算包括：（1）部分浸水的无黏性土坝坡（即坝壳）的稳定性；（2）斜墙连同保护层的稳定分析。

1 计算工况

（1）上游水位大约在坝底以上三分之一坝高处的上游坝坡。 （2）上游水位为校核洪水位，下游为相应水位的下游坝坡。 2 稳定计算

（1）上游水位大约在坝底以上三分之一坝高处的上游坝坡。KK1.2 上游水位为443m，下游水位为405m；按下式计算安全系数K：

P1W1sin11W1cos1tg10K

cl1tg2W2cos2P1sin1222P2W2sin2P1cos120KK

1tg3W3cos3P2sin23W3sin3P2cos230K

联立上述三式，消去P1、P2，可解得K。

计算简图

ααα图3-2 上游坝坡稳定计算简图（单位：米）

30

河北工程大学毕业设计

已知：1=35º，2=17.8º，3=32º

，为计算简便，上游坝坡取平均值m=2.75.

W(1) 1=63.4º, 3=12º, 假设2=12º，取单宽重量W1、W2、3，分别按下式计算：

W1面积eb'ke11面积ekba13

W2面积b'c'ckb'11面积kcbk13W3面积c'ncc'11面积ndcn12

dhehm472.75129.25m fheh2.6472.6122.2m dfdhfh129.25122.27.05m

dgdffg7.05(421405)2.648.65m

c'gdg48.6517.7mm2.75

cc'c'gcg17.7161.7m

nccc'm1.72.754.65m ci312.6(0.312.64)22.6m bj22.6tg222.60.239.66m12tg2120.23

ij22.6tg2m119.32m12tg2

W1、W2、W3将以上数据代入

W3中，得

11nccc'11nch222114.651.7121.44.6516122.6925.3022

ae4m, 1em42m2

jl(452421)2.6(22.619.338.68mkjcj2.6(ciij)2.6(22.619.32)2.616.12mkbkjbj16.129.666.46m

31

河北工程大学毕业设计

cc`ncnj，所以 因为b`jcc`nj1.7(4.6522.619.32)17.03mnc4.65b`kb`jkj17.0316.120.91mb`j111W1b`kjl11eaememkbjl132221110.9138.68121.44226.6438.68119.52223645.1511W2b`kcc`cj11bkcj3122110.911.722.619.3221.46.4622.619.3219.5223811.03将以上数据代入式中，得

P13811.03sin63.413811.03cos23.563.4tg350K

124.143.02tg17.83811.03cos13Psin63.4131KKP23811.03sin13Pcos63.41301

1925.30sin12P2cos13120tan32925.30cos63.4Psin63.4132K解得，

K=2.23

142(2)假设 同理则有：

W12564.32,W22952.18,W3925.30

代入式中，得K=2.22

152(3) 假设 同理则有：

W11379.42,W21987.32,W3925.30

代入式中，得K=2.18

32

河北工程大学毕业设计

表3—6 1∕3坝高水深H=16m上游坝坡稳定计算

3 12 2 13 14 15 14 15 16 15 16 17 W1(KN) 3645.15 2564.32 1379.42 3234.98 2187.43 1121.49 2764.42 1927.43 1098.23 W2(KN) W3(KN) 3811.03 2952.18 1987.34 3501.24 2379.59 1289.87 2937.42 1927.43 1097.39 925.30 925.30 925.30 803.40 803.40 803.40 689.35 689.35 689.35 () c2 l2 80 83 87 K 2.23 2．22 2.18 2.26 2.25 2.22 2.13 2.24 2.15 13 135 24.1 217.8 （KN） 332 63 67 72 65 75 83 14 Kmin2.13 KminK=1.20,满足稳定要求。

表3—7 坝前水深H=18m上游坝坡稳定计算

3 2 W1(KN) W2(KN) W3(KN) 3478.51 2523.80 1120.37 3870.47 2579.37 1273.49 3047.31 1997.43 989.67 3620.32 2709.44 1379.52 3219.40 2269.14 1305.87 3275.45 2402.41 1579.36 798.30 798.30 798.30 663.91 663.91 663.91 520.31 520.31 520.31 () c2 l2 69 73 86 K 2.25 2.17 2.15 2.23 2.22 2.19 2.26 2.22 2.24 14 13 15 16 15 14 16 17 16 15 17 18 135 24.1 217.8 （KN） 332 73 85 96 72 85 94 Kmin2.15 KminK=1.20,满足稳定要求。

表3—8 坝前水深H=14m上游坝坡稳定计算

33

河北工程大学毕业设计

3 2 W1(KN) W2(KN) W3(KN) 3073.41 2432.17 1796.82 2796.43 2042.54 1289.93 2437.42 1569.38 1897.83 3247.34 2709.27 2189.36 2989.91 2137.13 1409.78 2687.63 1792.72 1021.31 753.49 753.49 753.49 612.76 612.76 612.76 567.38 567.38 567.38 () c2 l2 67 74 83 K 2.27 2.22 2.19 2.26 2.24 2.25 2.25 2.18 2.20 12 11 13 14 13 12 14 15 15 14 16 17 135 24.1 217.8 （KN） 332 65 73 79 80 85 92 Kmin2.18 KminK=1.20,满足稳定要求。

（2）上游为校核水位，下游为相应水位的下游坝坡。KK1.1 上游水位为451m，下游水位为407m，按下式计算安全系数K：

PW1sin11W1cos1tg10K11W2cos2tg2Psin12tg2W2sin2Pcos120KK

计算简图

αα

图3-3 下游坝坡稳定计算简图（单位：米） 已知：1=35º，2=32º，为计算简便，下游坝坡取平均值m=2.25. (1) 假设1=24º, 2=13º,取单宽重量W1、W2，分别按下式计算：

W1面积cbedc11

W2面积cdge11面积gdag12

34

河北工程大学毕业设计

dh4074052m

ahdh28.70mtg20.23

ehah8.703.87mm2.25

edehdh3.8721.87m bi45340746m

igbim462.25103.5m dgedm1.872.254.20m

idigdg103.54.299.30m fiidtg199.300.44544.21m

bfbifi4644.211.79m

cbbf1.794.02mtg10.445

将以上数据代入W1、W2中，得

11W1cbbfbfedid121.422114.021.791.791.8799.307121.4223965.78m2

11W2eddg11dgdh1222111.874.2121.44.2212.622136.96m2

13965.78cos24tg350K11136.96cos13tg32Psin2413tg32KK136.96sin13Pcos24130P3965.78sin24将以上数据代入式中：解得，K=1.61

在此工况下，重新设定不同的1、2角，计算其安全系数K，并列于下表：

35

河北工程大学毕业设计

水库水位 1 23.5 24 2 13 W1m2 4386 3965.78 2796．94 4012.30 W2m2 136.96 K 1.67 1.61 1.56 1.62 上游为校核水位451米 下游为相应水位407米 24.5 23.5 24 24.5 23.5 23.8 24.1 17 15 2790.73 1470.26 3127.41 2394.00 1437.64 79.37 1.56 1.52 1.62 45.80 1.60 1.57 经分析计算知，在此情况下当1=24.3º，2=15º时，取得Kmin=1.52。 3.4.3综合分析

由上述计算成果知：该坝在正常条件下最小稳定安全系数为2.13，大于规范规定的数值1.20；在非常动用条件下的最小稳定安全系数为1.52，大于规范规定的1.10，因此所拟定的土坝断面尺寸是合理的，满足稳定要求。

3.5 细部构造设计

3.5.1坝顶布置

为防止防渗体干裂和雨水冲蚀，满足维修和防汛要求，坝顶设置沥青碎石和护面厚0.3m，其下设0.2m厚碎石垫层。坝顶向下游设2%横坡以便汇集雨水。坝面末端设置纵向排水沟，经坡面排水排至下游。排水沟断面尺寸为0.2m×0.2m。墙内应设计伸缩缝，间距为20m，缝内设止水。在坝顶上游侧设置防浪墙，采用浆砌石建造，厚0.6m，墙顶高出坝顶1.2m，基础牢固地埋入坝体防渗体内0.6m。在坝顶下游侧设边石，边石采用浆砌石修筑，厚0.4m。顶面高出路面0.4m，边石内每隔50m设排水孔，以将坝顶排水沟内汇集的雨水经坝面排水沟排到下游。细部构造详见图：

36

河北工程大学毕业设计

75.21：上游河床1：1图3-4 上游坝基处护坡

3.5.2坝的防渗体和排水设备

坝体防渗体为斜墙，斜墙上、下游坡设反滤层。坝基防渗体为黏土截水槽和砼齿墙，坝体排水为棱体排水，在排水体与坝体、坝基之间设置反滤层；下游马道设置排水沟，并在坝坡设置横向排水沟以汇集雨水。岸坡与坝坡交接处也设置排水沟，以汇集雨水，防止雨水淘刷坝坡，细部构造详见图：

1:1图3-5 上游护坡

37

河北工程大学毕业设计

0.2厚浆砌石0.2m厚碎石垫层1：1图3-6 岸坡排水

0.3×0.3m浆砌石0.4m碎石垫层图3-7 坝坡纵向排水

3.5.3 反滤层设计标准

采用天然砂石料作为反滤料时，第一层反滤料与被保护土的粒径之间应满足如下关系：

D154~5d85 （滤土原则） （3-18） D155d15 （排水原则） （3-19）

式中：

D15d85—第一层反滤料中，小于该粒径的土占总土重15%的粒径，mm； —被保护土中，小于该粒径的土占总土重85%的粒径，mm；

38

河北工程大学毕业设计

d15—被保护土中，小于该粒径的土占总土重15%的粒径，mm；

选择第二层反滤料时，以第一层反滤料作为被保护土，同样按以上要求进行，其后以此类推。

按此标准天然砂砾料不能满足要求，须对土料进行筛选。 3.5.4 护坡设计

上游护坡用干砌石，因其抵御风浪的能力较低，下游坝面直接铺上0.2m的碎石作为护坡。上游护坡上做至坝顶，下做至坝脚。

39

河北工程大学毕业设计

第4章 溢洪道设计

4.1 线路及型式选择

4.1.1 溢洪道的位置选择 1、布置原则

（1）从地形上看，坝址附近有马鞍形垭口，高程接近于水库正常蓄水位。垭口下游有冲沟能使洪水很快泄入原河道。出口又离下游坝脚较远，适于布置正槽式溢洪道。再者，如果坝端地形平缓，下游侧有阶状台地能使洪水顺利归河，也适于布置正槽式溢洪道。当两岸地势较高、岸坡较陡时，则适于布置侧槽式溢洪道。

（2）从地质上看，溢洪道应建于岩层坚固、完整稳定的地基上，并应考虑建库后水文地质条件变化对建筑物的不利影响。

（3）从施工和运用上看，溢洪道的出渣路线及堆料场地应便于利用其出渣筑坝。坝端布置溢洪道时应尽量避免与坝体紧接，防止进出口横向水流淘刷坝脚。

2、位置选择

根据以上溢洪道的布置原则，本枢纽坝址处左岸山体山坡平缓、岩层较稳定，具有一天然垭口，离坝体较远，不影响大坝施工。因此，溢洪道布置在左岸。

4.1.2 溢洪道形式选择

正槽式溢洪道：水流平顺，超泄能力大，对堰前水头适应能力强，适用于各种水头和流量，且结构简单，运用安全可靠。但修建正槽式溢洪道需要有适宜的地形条件。坝址附近需要有马鞍形的垭口，垭口高程接近于水库正常蓄水位，或某一坝端地形平缓，下游有阶状台地或冲沟能使下泄洪水顺利归河。

侧槽式溢洪道：溢流堰下游有一侧槽，其内水流掺混紊动剧烈，为此侧槽需修建在完整坚实的岩基上，要有质量较好的衬砌。当坝端两岸山高坡陡，无适宜地形修建正槽式溢洪道时，为节省工程量，可考虑采用侧槽式溢洪道。

根据本枢纽条件，采用正槽式溢洪道。

4.2 水力计算

4.2.1 溢洪道基本数据

溢洪道的水力计算成果见表4-1

40

河北工程大学毕业设计

表4-1 溢洪道的水力计算成果

正常蓄水位 设计洪水位 校核洪水位 水位（m） 443.0 450.0 451.0 流量（m/s） 0 1350 1950 3溢洪道开挖后，为减小糙率和防止冲刷，需进行衬砌。衬砌采用混凝土材料，粗糙系数取n=0.014。溢洪道为3级建筑物，采用100年一遇设计标准，1000年一遇校核标准。

4.2.2 工程布置

正槽式溢洪道由引水渠、控制端、泄水槽、效能段及尾水渠5部分组成。 1、引水渠

引水渠的作用是将库水平顺地引致溢流堰前。其平面布置为直线型，避免断面突然变化和水流的急转，采用梯形断面，底坡为平破。因岩石风化较重，边坡系数取m=1.0。为提高泄洪能力，渠内流速应大于悬移质不淤流速，小于渠道的不冲流速，一般不大于4m/s，渠道底宽大于堰顶宽度。渠底高程与正常蓄水位齐平，即为443.0m。

引水渠断面尺寸拟定，具体计算见表4—2.

表4—2 引水渠断面尺寸计算

水位（m） 设计洪水位 450.0 校核洪水位 451.0 3ms） 流量（水深（m） 7.0 8.0 底宽（m） 48.1 61.6 计算公式 Q=Av,A=(B+mh)h A-过水断面面积 B-渠底宽度 1350 1950 为安全起见，由计算可拟定引水渠底宽B=62m，引水渠长L=40m。 2、控制段

控制段包括溢流堰、闸门控制部分及两岸连接建筑物，是水库下泄洪水的口门，控制溢洪道的泄流能力和水库水位。本枢纽是以灌溉为主的中型工程，溢洪道轴线处岩层风化严重，但开挖后岩石坚固，地质较好，因此溢流堰的型式选为宽顶堰，断面为矩形，堰顶高程取与正常蓄水位齐平，为443.0m。堰顶厚度δ拟为4.0m（2.5H<δ<10H，H—堰顶水头）。

堰顶宽度计算公式

bQmH0322g （4—1）

3ms； 式中：Q—流量，

m—堰的流量系数，一般为0.32～0.385，取m=0.36； H0—不包括行进水头的堰上水头，m。

41

河北工程大学毕业设计

溢流堰堰顶宽度具体计算见表4—3

表4—3 溢洪道控制段堰顶宽度计算（不计v水位m 设计洪水位 校核洪水位 450.0 451.0 流量m/s 1350 1950 22g）

45.74 54.07 3H0m bm 7.0 8.0 2v由于不计水头损失（2g），所以堰顶宽度b=54.07×1.2=64.89，取b=65m。

3、泄水槽

泄水槽是用来宣泄过堰洪水的，连接溢洪道的控制段和消能段。为了不影响溢流堰的自由泄流和适应地形条件，泄水槽长做成都槽。在本设计中，泄水槽不设渐变段，泄槽直接与控制堰相连，底宽与堰顶宽度相等，拟断面为矩形；其平面布置为直线、等宽、左右对称。纵坡坡度i=1/12，底宽B=65m。

4、出口消能

溢洪道哦出口段为冲沟，岩石比较坚固完整，且离挡水坝段较远，故采用挑流消能，水流冲刷不会危机大坝安全。

5、尾水渠

尾水渠的作用是将消能后的水流平顺的归入原河道。为防止消能后水流产生贴流，淘刷鼻坎，鼻坎下游设置L=10m的护坦。

4.2.3 溢洪道的水力计算

溢洪道水力计算的目的是通过推求各段的水面线，最终确定溢洪道的边墙高度，按地形地质条件，将溢洪道划分为：进水渠段、控制段、泄槽段。

基本公式如下：

v2hj2g （4—2） v2Lv2n2Lhf24CRR3 （4—3）

AR （4—4） 11CR6n （4—5）

式中：

hj— 局部水头损失，m;

— 局部水头损失系数；

g— 重力计算速度，取g=9.8ms2； — 动能系数，取=1.0；

42

河北工程大学毕业设计

R— 水力半径，m;

— 湿周，m; hf— 沿程水头损失，m; v— 引水渠水流流速，m/s;

2A—过水断面面积，m； n— 引水渠糙率，n=0.014；

QsmbH032 (4—6)

v2H0H2g (4—7)

式中：

s—淹没系数，

s=1.0；

b — 堰顶宽度，m;

3Q—流量，ms；

m—宽顶堰的流量系数，m=0.36； H0—包括行近流速水头的堰上水头，m。

（1）求堰前水深和堰前引水渠流速 采用试算法，联立公式：

v2hH0P12g （4—8）

QQvWbhmh2 （4—9）

引水渠为梯形断面，b为底宽b=65m，m为引水渠边坡系数，具体计算见表4—4.

表4—4 溢洪道堰前水深和流速计算

水位 （m） 设计洪水位 450.0 校核洪水位 451.0 流量（ms） 1350 1950 3 (m) 7 8 H0H (m) 6.375 7.375 假设v(m/s) 3.5 3.5 试算v(m/s) 2.97 3.565 试算 H(m) 6.55 7.35 由计算表中可知，流速均小于4m/s，满足要求。

h(1) 引水渠总水头损失w

hwhjhf （4—10） v2hj2g （4—11）

hfv2n2LR43 （4—12）

43

河北工程大学毕业设计

式中=0.1（渠道为缓进口，局部水头损失系数采用0.1），具体计算见表4—5。

表4—5 引水渠水头损失计算

计算情况 设计水位 校核水位 H(m) 6.55 7.35 v 2.97 3.565 0.045 0.065 hjA(㎡) 454.5 547.0 (m) R(m) 80.52 82.79 5.64 6.60 R3(m) 10.03 12.30 4 0.007 0.008 hf 0.052 0.073 hw溢洪道水位=堰顶高程+堰上水头+水头损失，具体计算见表4—6。

表4—6 溢洪道水位—流量计算

3ms） 流量Q（H01350 1950 (m) 7 8 hw（m） 0.052 0.073 堰顶高程（m） 443.0 水位（m） 450.052 451.073

（2）溢洪道水面线计算 基本公式

hk3q2/g （4—13）

qQ/b （4—14） ikgk2CkBk （4—15） ARkkCk （4—16） Akbhk （4—17）

11CkRk6n (4—18)

式中：

hk—临界水深，m；

3ms； Q— 槽内流量，3m(sm)； q— 单宽流量，

ik— 临界坡度；

C— 泄槽首段宽度，m；

g— 重力计算速度，取g=9.8ms2； Bk— 相应临界水深的水面宽，m。

表4—7 陡坡判定

44

河北工程大学毕业设计

计算情况 设计洪水 校核洪水 Q3ms） （Bk62 62 qk Ak k Rk hk Ck ik 1350 1950 21.77 31.45 225.68 288.92 69.28 71.32 3.26 4.05 3.64 4.66 86.98 90.18 0.0014 0.0014 计算结果都小于1/12,判定为陡坡。

（1）泄槽段水面线计算

hi临界水深k及临界底坡k，断面为矩形，底宽b=65m,具体计算见表4—8。

表4—8 溢洪道临界水深和临界底坡计算

计算情况 设计洪水 校核洪水 Q3ms） （Bk qk Ak k72 74 Rk hk Ck ik 1350 1950 65 65 20.8 30 227.5 292.5 3.2 4.0 3.5 4.5 86.4 89.3 0.0015 0.0014 泄槽段水面线计算

泄槽段断面为矩形，宽65m，长140m，i=0.23，采用分段求和法，按水深进行计

h算，首段水深为临界水深k，均匀流水深计算如下： 设计情况：

b2.67652.671419.27nk0.01413500.23 校核情况：

b2.67652.67982.571950nk0.0140.23

查表得：

因渠道末端水深小于临界水深，所以水面线一定在b区，水面线为

b2b2型壅水曲线。

型水面线下游端以正常水深线为渐近线，取曲线下游端水深等于正常水深。计算公

EsdEsuEsv2iJi(2)CR

式：

S式中：

Eshv22gh2gA

Q2A(bmb)h

b21m2h

AR

45

河北工程大学毕业设计

11612123CRRRR22

h3.47m,h23.0m,今以1求两断面之间距离S。将有关已知数值代入上列各公式

12中，分别求得：

A1653.47225.55m2A2653.0195m216523.4771.94m26523.071m222.553.14m71.94195R22.75m712112312C1R1R13.143153.16m/sn0.0142112312C2R2R22.753142.20m/sn0.0141350v15.99m/s225.551350v26.92m/s195R1v125.9931.53010C12R1153.16v226.9232.43610C22R1140.20v2211v12J221.5302.4361031.9831032C1R1C2R2222

1v1215.9921.831m2g29.816.9222.443m2g29.8(3.471.831)(3.002.443)S0.88m3(0.231.98310)

其余各流段的计算完全相同，为清晰起见，采用列表计算，情况如表4—9，4—10：

2v2246

河北工程大学毕业设计

表4—9 溢洪道设计洪水位泄槽水面线计算

h/m A/m /m R/m 2123Rn 153.16 140.20 130.767 124.736 118.478 111.968 105.179 98.072 90.602 82.709 74.309 67.561 v/(m/s) 5.99 6.92 8.333 9.000 9.783 10.714 11.842 13.235 15.000 17.308 20.455 23.709 v2C2R(103) 1.530 2.436 4.061 5.206 6.818 9.157 12.680 18.210 27.410 43.790 75.770 123.100 J(10) 1983 3.48 4.63 6.01 7.99 10.92 15.44 22.81 35.60 59.78 99.46 3iJ1v2 2g(10) (m) 0.228 2.265 2.254 2.240 2.220 2.191 2.146 2.072 1.944 1.702 1.305 Es/m Es/m 0.0142 0.3732 0.3896 0.5500 0.7743 1.0979 1.5825 2.3422 3.6039 5.8629 7.1825 s/m 1.231 1.647 1.729 2.455 3.488 5.011 7.376 11.305 18.538 34.443 55.021 s/m 1.236 2.878 4.607 7.062 10.550 15.561 22.937 34.242 52.780 87.223 142.244 3.47 3.0 2.7 2.5 2.3 2.1 1.9 1.7 1.5 1.3 1.1 0.95

225.55 195 162.0 150.0 138.0 126.0 114.0 102.0 90.0 78.0 66.0 56.94 71.94 71 65.4 65.0 64.6 64.2 63.8 63.4 63.0 62.6 62.2 61.9 3.25 2.75 2.477 2.308 2.136 1.963 1.787 1.609 1.429 1.246 1.061 0.920 1.831 2.443 3.543 4.133 4.883 5.857 7.155 8.937 11.480 15.283 21.346 28.680 5.301 5.443 6.243 6.633 7.183 7.957 9.055 10.637 12.980 16.583 22.446 29.629 47

河北工程大学毕业设计

表4—10 溢洪道校核洪水位泄槽水面线计算

h/m 4.66 4.0 3.5 3.2 2.9 2.6 2.3 2.0 1.7 1.5 1.4 1.3

A/m /m 2R/m 4.033 3.529 3.134 2.892 2.644 2.393 2.136 1.875 1.609 1.429 1.338 1.246 123Rn 180.991 165.580 152.980 144.975 136.591 127.778 118.478 108.611 98.072 90.602 86.713 82.709 v2v/(m/s) 6.974 8.125 9.286 10.156 11.207 12.500 14.130 16.250 19.118 21.667 23.214 25.000 C2R(103) 1.485 2.408 3.684 4.908 6.732 9.570 14.220 22.390 38.000 57.190 71.670 91.360 J(10) 1.946 3.046 4.296 5.820 8.151 11.900 18.300 30.190 47.590 64.430 81.52 3iJ1v22g (10) (m) 2.281 2.270 2.257 2.242 2.218 2.181 2.117 1.998 1.824 1.656 1.485 2.482 3.368 4.399 5.263 6.408 7.972 10.187 13.473 18.647 23.951 27.495 31.488 Es/m Es/m s/m 0.993 2.340 2.497 3.770 5.698 8.781 14.102 24.396 27.982 20.800 28.910 s/m 0.993 3.333 5.830 9.600 15.298 24.079 38.181 62.577 90.559 111.359 140.269 279.6 240 210 192 174 156 138 120 102 90 84 78 69.3 68.0 67.0 66.4 65.8 65.2 64.6 64.0 63.4 63.0 62.8 62.6 7.142 7.368 7.899 8.463 9.308 10.572 12.487 15.473 20.347 25.451 28.895 33.188 0.2265 0.5311 0.5635 0.8452 1.2641 1.9153 2.9854 4.8746 5.1041 3.4438 4.2927 48

河北工程大学毕业设计

4.3 溢洪道结构设计

4.3.1 溢洪道护砌高度的确定

计算溢洪道水面线为确定边墙高度，边墙及衬砌底板的结构设计和下游消能的计算提供依据。

（1）溢洪道边墙高度的计算公式：

Hhhbhbvh/100 （4-19）

（4-20）

式中：h -----------不掺气时的水深，m；

h b ----------当流速大于7～8m/s 时,掺气增加的水深；  -----------安全超高，设计时取1.0m，校核时取0.7m； H -----------边墙高度，m。 （2）引水渠边墙高度计算，见表4-11。

表4-11 引水渠边墙高度计算

计算情况 设计情况 校核情况 h(m) 6.59 7.52 (m) 1.0 0.7 Hh 7.59 8.22 泄槽段边墙高度计算

控制段边墙高度与引水渠等高，设计洪水位时，边墙高度H=7.87m；校核洪水位时，边墙高度H=8.72m。泄槽边墙高度具体计算见表4-12。

4.3.2 消能计算

（1）溢洪道出口消能计算任务是：估算下泄水流的挑射距离，选择挑流鼻坎形式，确定挑流鼻坎方式、反弧半径、挑射角及尺寸，以保证达到最优的消能效果；估算下游冲刷坑的深度和范围。

(2) 冲坑计算

冲坑最大水垫深度计算公式：

TkqH （4-21）

1214式中：T— 自下游水面至坑底的最大水垫厚度，m；

k— 冲坑系数，坚硬完整的基岩k取0.9～1.2，本设计取0.95；

H— 上下游水位差，m； q—单宽流量，m3/(sm)。

设计洪水流量：

H45040545m

49

河北工程大学毕业设计

校核洪水流量下：

3q1350/6520.77m/(sm)

1124T0.9520.774511.21

H45140546m

35m30s/m( q1950/6 T0.953012)461413.55m

表4-12 溢洪道泄槽边墙高度计算

计算情况 断面 1-1 2-2 3-3 4-4 5-5 6-6 7-7 8-8 9-9 10-10 11-11 12-12 1-1 2-2 3-3 4-4 5-5 6-6 7-7 8-8 9-9 10-10 11-11 12-12 断面距槽 1.231 2.878 4.607 7.062 10.550 15.561 22.937 34.242 52.780 87.223 142.244 0.993 3.333 5.830 9.600 15.298 24.079 38.181 62.577 90.557 111.359 140.269 计算水深 3.47 3.0 2.7 2.5 2.3 2.1 1.9 1.7 1.5 1.3 1.1 0.95 4.66 4.0 3.5 3.2 2.9 2.6 2.3 2.0 1.7 1.5 1.4 1.3 流速 5.99 6.92 8.333 9.000 9.783 10.714 11.842 13.235 15.000 17.308 20.455 23.709 6.974 8.125 9.286 10.156 11.207 12.500 14.130 16.250 19.188 21.667 23.214 25.000 hb设 计 情 况 校 核 情 况 0 0.22 0.23 0.23 0.22 0.22 0.22 0.23 0.23 0.23 0.23 0.33 0.33 0.32 0.33 0.33 0.32 0.33 0.33 0.33 0.32 0.33 b H 4.66 4.23 3.92 3.73 3.53 3.32 3.12 2.92 2.73 2.53 2.33 2.18 5.36 5.03 4.53 4.22 3.93 3.63 3.32 3.03 2.73 2.53 2.32 2.33 1.0 0.7 （3）挑距计算 公式 ：

122L[v1sincosv1cosv1sin2g(h1h2)]g （4—22） 式中：

— 挑射角，取为25°；

v1— 坝顶水面流速，v11.1v，m/s；

h1— 坝顶铅直方向水深，h1hcos（h为坝顶平均水深），m；

h2— 坝顶至河床面高差，m；

g— 重力加速度，9.8ms2；

50

河北工程大学毕业设计

L— 自挑流坎末端起算的挑流水舌外缘挑距，m。

设计洪水流量下的水力计算：

H为水面线末端水深，即h=0.95m.

Q1350 v11.1v1.11.124.05m/s

A650.95hhcos0.95cos250.86m 1

h24124057.0m

最大水垫深度：T11.21m

冲坑深度：t11.21(405405)11.21m

L124.052sin25cos2524.05cos2524.052sin2529.80.867.067.059.8

校核洪水流量下的水力计算：

195025.38m/s

651.3hhcos1.3cos251.18m 1

h24124057.0m

v11.1最大水垫深度：T13.55m

冲坑深度：t13.55(407.0405)11.55m

L

（4）护坡计算：

125.382sin25cos2525.38cos2525.382sin2529.81.187.074.049.8只需在校核流量的情况下验证护坡情况。 由挑距L=74.04>2.5t =2.5×11.55=28.875m。 冲坑对溢洪道下游稳定性无影响。 （5）反弧半径确定

鼻坎的反弧半径一般采用（8～10）h，h为反弧最低点水深。 设计情况：

R=（8～10）h =7.6～9.5m

校核情况：

R=（8～10）h =10.4～13m

4.3.3 闸门泄洪能力计算 1、计算说明

51

河北工程大学毕业设计

计算目的是给出在设计和校核洪水时，闸门在不同开度下的泄洪能力，即设计或校核泄洪过程（e～Q），计算公式按以下情况选用：

e0.65H 为闸孔出流 （4—23） e0.65H 为堰流 （4—24）

（注：为闸门开度，为从堰顶算起的闸前水深） H设4504437m

H校4514438m堰流计算公式：

自由出流： 淹没出流： 孔流计算公式：

Q1mnb2gH0

32 （4—25）

32Q1smnb2gH0 （4—26）

自由出流：

明流公式：

Qbe2gH0 （4—27）

淹没出流：由于实际工程中，宽顶堰形成淹没出流的情况十分少见，故不考虑。

QwcRi （4—28）

2、设计洪水时泄水过程计算

设计水位下，闸门开度以0.5m幅度递增计算，门前设计水深为：

HH设4504437m

溢流堰控制闸门为5孔闸门，单孔闸门宽约b=13m，现列表计算如表4—13。

表4—13 设计设计洪水位下泄水过程

开度e/m 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 4.68 e/H 0 0.071 0.143 0.214 0.286 0.357 0.429 0.500 0.571 0.643 0.650 32 Qbe2gh(m3/s)0 44.72 87.53 128.43 167.41 204.48 239.63 272.87 304.20 333.60 336.44 320 0.587 0.575 0.562 0.550 0.537 0.525 0.512 0.499 0.489 0.486 当e>4.68m时为堰流， Qmnb2gH00.3626529.871929.29m3/s 3、校核洪水泄水过程计算

校核水位下：闸门开度以0.5m幅度递增计算，闸前水深为：

52

河北工程大学毕业设计

HH校4514438m

泄水过程列表计算如下表4—14：

表4—14 校核水位下泄水过程计算

开度e/m 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.2 e/H 0 0.062 0.125 0.188 0.250 0.312 0.375 0.438 0.500 0.562 0.625 0.650 32 Qbe2gh(m3/s)0 47.94 94.09 138.45 181.02 221.80 260.78 297.98 333.39 367.00 398.83 411.05 320 0.589 0.578 0.567 0.556 0.545 0.534 0.523 0.512 0.501 0.490 0.486 当e>5.52时为堰流 Qmnb2gH00.3626529.882357.14m3/s 综合以上计算，设计洪水和校核洪水时闸门均符合泄洪要求。

4.4 细部构造

4.4.1 泄槽的衬砌

1、衬砌的作用是为了保护槽底不受冲刷和高速水流破坏泄槽通常都需要衬砌。 2、衬砌应满足的要求：①表面光滑平整，不致引起不利的负压和空蚀，因脉动压力引起破坏；②分缝止水可靠，避免高速水流浸入底板以下，因脉动压力引起破坏；③排出渗水以减小作用在底板上的扬压力；④材料能抵抗水流冲刷；⑤在各种荷载作用下能够稳定；⑥适宜温度变化和一定抗融冻循环能力。

3、衬砌的构造要求

（1）在本设计中采用混凝土衬砌，衬砌厚度取为0.3m，为防止产生温度裂缝，在衬砌上设置横缝和纵缝，横缝间距为15m，用搭接方式，纵缝间距为12.6m，用平接方式，缝宽为1.5cm。为减小作用在底板上的脉动压力提高底板的稳定性，缝内需设置止水，靠近衬砌的表面沿纵横缝配置温度钢筋，含筋量为0.1%。

53

河北工程大学毕业设计

（2）衬砌的纵缝和横缝下面应设置排水设备，且互相连通，渗水集中到排水管排到下游。本设计横向排水是在沟槽内放置钢瓦管，管径D=10cm，管接口不封闭，以便收集渗水，周围用1～2cm碎石填满，顶部盖混凝土板或沥青油毛毡等，以防止浇筑混凝土时灰浆进入造成阻塞，具体构造见附图。

4.4.2 溢洪道纵剖面（见附图）

54

河北工程大学毕业设计

参考文献

【1】马文英、刘健中、李显军编著，水工建筑物（上册），第一版，黄河水利出版社，2003

【2】成都科技大学水力学教研室主编，水力学（上、下册），第二版，高等教育出版社，1982

【3】河海大学、大连理工大学、西安理工大学、清华大学合编，水工钢筋混凝土结构学，第三版，中国水利水电出版社，11996

【4】华东水利学院编《水工设计手册》第四卷 水利水电出版社1987 【5】华东水利学院编《水工设计手册》第五卷 水利水电出版社1987 【6】华东水利学院编《水工设计手册》第六卷 水利水电出版社1987 【7】水电部五局东北院编《土坝设计》水利水电出版社1987 【8】土石坝设计规范 水利出版社 【9】水力计算手册 水利部 【10】水利水电工程制图 水利部

【11】水利水电枢纽工程等级划分及设计标准 水利电力出版社 【12】C.G.Salmon.Steel Structure Design and Behavior.第二版，1982

【13】Litle , A.L,Experiences with instrumentation for embankment dam, Field Instrumentation in Geotechnical Engineering, Butterworth’s London,1973

55

河北工程大学毕业设计

谢辞

为期两个月的毕业设计即将结束，在这里特别感谢给予我帮助的老师和同学，由于你们的支持，我的设计才能顺利的完成。

首先我要感谢我的指导老师——宋志斌老师，可以说这次设计不仅是我个人的成果，还凝结着老师们的心血，他在百忙之中抽出时间来指导我们的毕业设计，解答我们在设计中遇到的问题。其次，我要感谢我们设计小组的各位同学，在这次设计过程中，大家相互帮助、通力合作，共同面对设计中遇到的难题。在设计期间，有问题自己决不了的提出来大家一起解决，这无疑增强了我们自己动手翻阅书籍、刻苦钻研、独立思考问题的能力，也是对我们大学期间以来所学基础课和专业课的一次综合测试，是将理论系统化、综合化应用于实践的评估，也为我们将来走向工作岗位奠定基础。

毕业设计是大学期间所学知识的综合总结。它不仅考察了我们对基础知识的掌握程度，还对分析问题和解决问题的能力提出了更高要求。通过这次毕业设计，使我受益匪浅。要做好一个设计，必须在充分掌握设计资料的基础上，还要查阅大量的相关资料。它要求设计人员将所学知识灵活运用，真正做到融会贯通。整个毕业设计过程不仅是一个很好的复习过程，也是一个很好的学习过程，使我的专业知识在原有的基础上有了新的提高，更使我对水利工程设计的过程有了全面的了解。

56