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5.3土石坝的构造设计6
5.3.1防渗体设计6
5.3.2坝体排水设施的布置6
5.3.3坝顶与护坡设计7
5.3.4反滤层设计7
5.3.5坝顶,坝面排水设计7
5.4渗流稳定计算8
5.4.1计算方法与基本公式8
5.4.2计算过程与结果9
5.5坝坡稳定分析10
5.5.1计算方法选用10
5.5.5计算结果分析12
5.6地基处理12
5.7坝体与坝基,岸坡的连接13
六、正槽式溢洪道设计13
6.1正槽式溢洪道位置选择13
6.2正槽式溢洪道路线选择及溢流堰堰型确定13
6.2.1溢洪道路线选择13
6.2.2溢流堰堰型选择13
6.3溢洪道控制段确定14
6.3.1堰高及堰型设计14
6.3.2溢流前缘宽度计算14
6.3.3单孔宽度b的确定15
6.3.4闸门15
6.3.5闸墩及堰宽15
6.4溢洪道进水渠设计15
6.5溢洪道泄槽设计16
6.5.1泄槽的平面布置16
6.5.2泄槽的断面尺寸16
6.5.3泄槽的纵断面底坡16
6.5.4边墙高度的确定16
6.6.4冲刷坑深度的计算(由河床表面至坑底)20
6.7其他构造设计20
一、综述
1.1工程概况
平山水库位于湖北省某县平山河中游,该河系睦水(长辽的支流)的主要支流,全长284公里,流域面积为556平方公里,坝址以上控制流域面积431平方公里;
平山河是山区性河流,河床比降为0.3%,沿河有地势较为平缓的小平原,最低高程为62.5m左右。
1.2枢纽任务
枢纽主要任务以灌溉发电为主,并结合防洪、航运、养鱼及供水等任务进行开发。
根据初步规划,本工程灌溉面积为20万亩(高程在102m以上),装机9000千瓦。
防洪方面,由于水库调洪作用,使平山河下游不致洪水成灾,同时配合下游睦水水利枢纽,对睦水下游也能起到一定的防洪作用,在流域900m3/s。
在航运方面,上游库区能增加航运里程20公里,下游可利用发电尾水等航运条件,使平山河下游四季都能筏运,并拟建竹木最大过坝能力为25吨的筏道。
1.3设计基本资料
1、水库规划资料
(1)正常水位:
113.0m;
(2)设计洪水位:
113.10m(百年一遇);
(3)校核洪水位:
113.50m(千年一遇);
(4)死水位:
105.0m(发电极限工作深度8m);
(5)灌溉最低库水位:
104.0m;
(6)总库容:
2.00亿m3;
(7)水库有效库容:
1.15亿m3;
(8)发电调节流量Qp=7.35m3/s,相应下游水位63.20m;
(9)发电最大引用流量Qmax=28m3/s,相应下游水位68.65m;
(10)通过调洪演算,溢洪道下泄流量Q1%=840m3/s,相应下游水位72.65m;
(11)校核情况下,溢洪道下泄流量Q0.1%=1340m3/s,相应下游水位74.30m。
二、坝址水文特征
暴雨洪峰流量Q0.05%=1860m3/s,Q0.5%=1550m3/s,Q1%=1380m3/s。
多年平均流量13.34m3/s,多年平均水量4.22亿m3,多年平均最大风速10m/s,水库吹程8km,多年平均降雨次数48次/年,库区气候温和。
三、枢纽及库区地形地质条件
3.1坝址、库区地形地质及水文地质
1,地形地质情况
平山河流域都是山岭及山区,河谷山坡陡峻,坡度为60o-70o,地势高差为80-120m,河床宽一般为400m,河道弯曲,坝址处成S形,沿河滩及两岸坡积层发育,坝址处两岸河谷呈马鞍形,覆盖层较厚基岩产状凌乱。
靠近坝址上游是泥盆纪五通砂岩,坝址下游是二叠纪石灰岩,坝轴线位于五通砂岩上。
在平山咀以南石灰砂岩分界处,发现一大断层,走向近东西,倾向大致北西,在坝轴线左岸的五通砂岩特别破碎,产状凌乱,两岸岩石破碎,岩石的隐裂隙很发育。
岩石的渗水率很小,两岸多为0.001-0.010升/分,坝址处轴线是1.5-5.0m厚的覆盖层,k=10-4cm/s,γ浮=10.0KN/m3,ψ=35o。
2,坝址处基岩力学参数
基岩允许抗压强度2MPa,混凝土与岩基摩擦系数ƒ=0.58.基岩内摩擦系数ƒ=0.7,粘着力c=0.5MPa,容重γ=26KN/m3。
3.2筑坝材料
坝轴线下游1.5-3.5Km,土料储量丰富,质量可满足筑坝要求,砂料在坝轴线上、下游1.0-3.0Km的河滩开采,石料可在坝轴线下游左岸的山沟里开采。
材料的性质及各项指标如下表格所示
土壤类别
干容重KN/m3
最优含水量(%)
孔隙率
(%)
内摩擦角
ψ
凝聚力
KN/m2
渗透系数
cm/s
壤土
15.8
15
42
24(干)
20(湿)
12
1*10-5
黏土
15.4
25
20(干)
18(湿)
37
1*10-6
山皮土
16.0
23
39
33(干)
22(湿)
7.5(湿)
10(干)
1*10-3
覆盖层
35
1*10-4
砂料
40
30
堆石
18.0
33
38
四、枢纽建筑物选型及枢纽总体布置
4.1工程等级及主要建筑物级别、洪水标准
4.1.1枢纽建筑物组成
主坝,河岸溢洪道,水电站,放空建筑物
4.1.2工程等级及主要建筑物的级别、洪水标准
因水库总库容为2*108m3,故属于大
(2)型工程规模,所以枢纽的等别为Ⅱ等,其主要建筑物的级别应为2级。
主要建筑物设计,校核洪水标准分别为百年一遇和千年一遇。
4.2枢纽建筑物选型
4.2.1坝轴线选择
坝轴线应选在河道转弯的下游侧,以便集中水头。
但坝址下游有一大断层,所以坝轴线应尽量向上游侧靠近,以免坝体受不良地质条件的影响,且坝轴线选择处山体应相对较高,以便建坝。
综合地形、地质、发电等要求,将坝轴线定位走向与下游断层走向平行,轴线右端位于右岸山顶附近的。
4.2.2枢纽各建筑物的选型
1,主坝选型
虽然在河谷山坡陡峻的河道上宜修建拱坝,且坝址地形宽高比在3-5之间,也满足修建拱坝的要求。
但是沿河沙滩及两岸坡积层发育,覆盖层较厚,使得修建拱坝所需的坝基坝肩的开挖量较大,同时基岩产转凌乱,使得基岩处理工作量也较大,这将大大加大工程量,故修建拱坝并不经济。
对于重力坝,因覆盖层较厚,坝基开挖量也较大。
同时基岩产状凌乱,且基岩抗压强度也不大,使得基础处理工作如固结灌浆的工作量较大,不经济。
而且坝轴线位于逆断层的上盘,存在较大沉陷的可能,使得重力坝并不太适宜在坝址处修建。
同时,当地的土石料以砂岩为主,不能很好地满足混凝土制备所需的骨料级配,对混凝土的生产造成一定影响。
对于土石坝,因土石坝对基础的承载力要求不高,同时当地地基的渗水率很小,使得基础处理工作比较简单。
同时土石坝能很好地适应地基沉降,符合坝址筑坝的要求。
此外,坝轴线附近存在一个与水库正常蓄水位高程相近的马鞍形垭口,使得岸边溢洪道布置比较容易,减小开挖量,也使得土石坝泄流建筑物的布置问题较易解决。
坝址附近土料储量丰富,质量可满足筑坝的要求等条件也适合于在坝址处修建土石坝。
综合分析地形、地质、经济及筑坝条件等具体条件,选用土石坝是比较经济合理的。
故将主坝坝型定位土石坝。
2,主要泄流建筑物选型
因为主坝选用土石坝,而且坝址附近有垭口地形,因此主要泄流建筑物已选择溢洪道。
而垭口上游侧地势较缓,下游侧地势较陡,使得修建溢洪道的开挖量较小。
因此,宜选择结构简单,泄流能力由堰的型式,孔口尺寸以及堰顶水头决定,施工运行方便的正槽溢洪道。
3,电站厂房选型
因主坝为土石坝,不宜修建坝后式和河床式电站厂房,故应选择引水式电站作为电站厂房型式。
且电站应布置在向河床凸起的右岸,以保证入流平顺,水头损失小,同时减小压力管道长度。
4.3枢纽的总体布置
(1)主坝为土石坝:
沿坝轴线布置;
(2)溢洪道为正槽式溢洪道:
堰顶高程为107.50m;
(3)水电站为引水式电站:
装机容量900千瓦,3台机组,厂房尺寸为30×
9m2,引水隧洞直径3.50m,尾水底板高程62.0m;
(4)水库放空隧洞可利用导流隧洞作放空洞,洞底高程为70.0m,洞直径为5m。
上游土石围堰顶部高程85.0m,下游土石围堰顶部高程70.0m。
具体布置建附图。
五、土石坝设计
5.1土石坝类型选择
因坝址下游处有一较大的逆断层,且坝轴线位于逆断层的上盘处,故坝体存在较大沉降的可能性,且坝基掩体强度不高,岩石产状凌乱,也会导致坝体出现不均与沉降。
因此宜选择能适应不均匀沉降的土石坝种类。
对于均质坝,所需的粘性填筑材料较多,且所需材料较为单一,故不能充分利用当地的图示材料。
而坝址附近有丰富的,可满足抗渗要求的黏土和壤土及可满足填筑要求的山皮土,砂石料等,则可将土石坝的类型定为土质心墙坝,以便既可适应地基沉降,又可充分利用当地材料。
5.2土石坝剖面设计
5.2.1坝顶高程确定
土石坝坝顶高程=max{设计水位+相应超高ds,校核水位+相应超高dj};
坝顶超高d=风吹雍高e+波浪爬高ha+安全加高δ;
波浪爬高,其中2hc可由经验公式得到,m
初估3.0,n为上游糙率,由护坡种类确定,因坝体易受风浪、雨水等影响,宜采用浆砌石护坡,则此时n取0.025.
由SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》推荐莆田试验站公式得:
式中,v取库区多年平均最大风速的2倍,即20m/s;
H1为沿计算风向的平均水深,初估为40m;
D为水库吹程,取8000m。
由此可得:
则可得出波浪爬高ha=1.04m。
而坝前雍高
式中K取,v取多年平均最大风速10m/s,α取0o,H取40m,得
而坝体的等级为2级,对校核水位,安全加高δj=0.7m,对设计洪水位,δs=1.0m;
则校核洪水位对应超高;
设计洪水位对应超高;
则坝顶高程=max{113.1+2.045,113.5+1.745}=115.245m,取115.3m。
5.2.2坝顶宽度确定
坝顶宽度取为10m。
5.2.3上下游坡度确定
1,上游坡度
上游坡度在坝顶115.3m高程和90m高程处马道之间为1:
3.0,90m高程处设一级宽度为4m的马道并做一次变坡,马道下部至上游围堰堰顶(85m高程处)坝坡坡度为1:
3.5。
上游围堰堰顶至坝底的坝坡坡度为围堰的上游坡度。
2,下游坡度
下游坡度在坝顶115.3m高程和95m高程处马道之间为1:
2.75,95m高程处设一级宽度为4m的马道并做一次变坡,马道下部至下游围堰堰顶(70m高程处)坝坡坡度为1:
3.0。
下游围堰堰顶至坝底的坝坡坡度为围堰的下游坡度。
下游所用填土种类为山皮土。
5.3土石坝的构造设计
5.3.1防渗体设计
心墙采用的是黏土
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