E江水利枢纽工程土石坝设计说明与计算书毕业设计.docx

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E江水利枢纽工程土石坝设计说明与计算书毕业设计

E江水利枢纽工程——土石坝设计说明与计算书毕业设计

录

前言

根据教学大纲要求，学生在毕业前必须完成毕业设计。

毕业设计是大学学习的重要环节，对培养工程技术人员独立承担专业工程技术任务重要。

通过毕业设计可以进一步培养和训练我们分析和解读工程实际问题及科学研究的能力。

通过毕业设计，我们能够系统巩固并综合运用基本理论和专业知识，熟悉和掌握有关的资料、规范、手册及图表，培养我们综合运用上述知识独立分析和解决工程设计问题的能力，培养我们对土石坝设计计算的基本技能，同时了解国内外该行业的发展水平。

这次我的设计任务是E江水利枢纽工程设计（土石坝），本设计采用斜心墙坝。

该斜心墙土石坝设计大致分为：

洪水调节计算、坝型选择与枢纽布置、大坝设计、泄水建筑物的选择与设计等部分。

1工程提要

E江水利枢纽系防洪、发电、灌溉、渔业等综合利用的水利工程，该水利枢纽工程由土石坝、泄洪隧洞、冲沙放空洞、引水隧洞、发电站等建筑物组成。

该工程建成以后，可减轻洪水对下游城镇、厂矿和农村的威胁，根据下游防洪要求，设计洪水时最大下泄流量限制为900

，本次经调洪计算100年一遇设计洪水时，下泄洪峰流量为672.6

。

原100年一遇设计洪峰流量为1680

，水库消减洪峰流量1007.4

；其发电站装机为3×8000kw，共2.4×104kw；建成水库增加保灌面积10万亩，正常蓄水位时，水库面积为17.70km2，为发展养殖创造了有利条件。

综上该工程建成后发挥效益显著。

1.1工程等别及建筑物级别

根据SDJ12-1978《水利水电枢纽工程等级划分设计标准（山区，丘陵区部分）》之规定，水利水电枢纽工程根据其工程规模﹑效益及在国民经济中的重要性划分为五类，综合考虑水库的总库容、防洪库容、灌溉面积、电站的装机容量等，工程规模由库容决定，由于该工程正常蓄水位为2821.4m，库容约为3.85亿m3，估计校核情况下的库容不会超过10亿m3，故根据标准（SDJ12-1978），该工程等别为二等，工程规模属于大

（2）型，主要建筑物为2级，次要建筑物为3级，临时性建筑物级别为4级。

1.2洪水调节计算

该工程主要建筑物级别为2级，根据《防洪标准》（GB50201-94）规定2级建筑物土坝堆石坝的防洪标准采用100年一遇设计，2000年一遇校核，水电站厂房防洪标准采用50年一遇设计，500年一遇校核。

临时性建筑物防洪标准采用20年一遇标准。

根据资料统计分析得100年一遇设计洪峰流量为

=

（p=1%），2000年一遇校核洪峰流量为

=2320m3/s，（

）。

根据选定的方案调洪演算的设计洪水位2822.60m，校核洪水位2823.58m，设计泄洪流量672.6m3/s,校核泄洪流量753.7m3/s。

1.3坝型选择与枢纽布置

通过各种不同的坝型进行定性的分析比较，综合考虑地形条件、地质条件、建筑材料、施工条件、综合效益等因素，最终选择土石坝的方案。

根据工程功能以及满足正常运行管理要求，该枢纽由土石坝、泄洪隧洞、冲沙放空洞、水电站（包括：

引水隧洞、调压井、压力管道、电站厂房、开关站）等建筑物组成。

本次根据工程经济性、正常运行安全稳定性以及地形地质条件等各方面因素要求，并且将冲沙放空洞和泄洪隧洞与施工导流隧洞相结合对枢纽建筑物进行了布置。

枢纽平面布置见图5.2。

1.4大坝设计

根据方案比较分析，斜心墙坝综合了心墙坝与斜墙坝的优缺点，斜心墙有足够的斜度，能减弱坝壳对心墙的拱效应作用；斜心墙坝对下游支承棱体的沉陷不如斜墙那样敏感，斜心墙坝的应力状态较好，本次设计大坝坝型采用粘土斜心墙坝。

根据计算大坝坝顶高程由校核情况控制为2825.17m，取2825.2m。

最大坝高为75.2m，大于70m，属高坝，故综合各方面因素可取该土石坝坝顶宽度为10m。

根据规范规定与实际结合，上游坝坡上部取2.5，下部取3.0，下游自上而下均取2.50，下游在2800m、2775m高程处各变坡一次。

在坝坡改变处，尤其在下游坡，通常设置1.5～2ｍ宽的马道（戗道）以使汇集坝面的雨水，防止冲刷坝坡，并同时兼作交通、观测、检修之用，综合上述等各方面因素其宽度取为2.0ｍ。

本次设计，大坝坝脚排水体采用棱体排水措施，按规范棱体顶面高程高出下游最高水位1m为原则，校核洪水时下游水位可由坝址流量水位曲线查得为2755.22m，最后取棱体顶面高程为2756.3m，堆石棱体内坡取1:

1.5，外坡取1:

2.0，顶宽2.0m，下游水位以上用贴坡排水。

大坝坝体防渗采用粘土斜心墙，坝基采用混凝土防渗墙。

1.5泄水建筑物设计

坝址地带河谷较窄，山坡陡峻，山脊高，经过比较枢纽布置于河弯地段。

由于两岸山坡陡峻，无天然垭口如采取明挖溢洪道的泄洪方案，开挖量大，造价较高，故采用了隧洞泄洪方案。

隧洞布置于岸（右岸），采取“龙抬头”无压泄洪的型式与施工导流洞结合。

为满足水库放空水位2770.0m的要求，还与导流洞结合设置了放空洞。

根据调洪演算和计算比选确定溢流孔口尺寸7m×15.5m洞身尺寸为7m

11.0m，根据以往经验溢流孔口后以1:

1坡度连接，反弧段以60.0m半径圆弧相连接，见图7.1—隧洞纵坡面布置。

1.6施工组织设计

本工程拟定2008年开工，从截流开始到大坝填筑完毕计4年，在现有施工能力及保证质量的前提下，尽可能缩短工期，提早发挥效益。

（1）截流和拦洪日期.针对该河流的水文特性，11月开始流量明显下降，此时水深只有1.0m左右，因此，设计截流日期定为2008年11月1日~15日。

实际施工中，根据当时的水文、气象条件及实际水情进行调整。

2009年5月洪水期开始，围堰开始拦洪，围堰上升速度应以抢修到拦洪水位以上为原则。

（2）封孔及发电日期，鉴于流量资料不足。

为安全起见在大坝上升至泄洪隧洞进口高程以后进行封孔。

斜心墙坝填筑要求粘土与砂砾同时上升。

施工进度由粘土上升速度控制。

按4m/月的速度上升，至泄洪洞高程（2810m）需15月，即到2010年7月。

因此定在2010年8月1日进行封孔蓄水。

水库蓄水过程一般按80%～90%的保证率的流量过程线来预测，初始发电水位为70%工作水深，即2808.5m。

根据计算从8月1日封孔蓄水，到9月底即可蓄到初始发电水位。

因此第一台机组发电日期定为2010年10月1日。

实际发电日期根据当时水文、气象条件及水情进行调整。

（3）大坝竣工日期。

按4m/月的速度上升，在2010年底实现大坝填筑完成。

2基本资料

2.1水文

2.1.1流域概况

E江位于我国西南地区，流向自东向西北，全长约122km，流域面积2558km2，在坝址以上流域面积为780km2。

本流域大部分为山岭地带，山脉、盆地相互交错于其间，地形变化剧烈，流域内支流很多，但多为小的山区河流，地表大部分为松软沙岩、页岩、玄武岩及石灰岩的风化层，汛期河流含沙量较大，冲积层较厚，两岸有崩塌现象。

本流域内因山脉连绵，交通不便，故居民较少，全区农田面积仅占总面积的20%，林木面积约占全区的30%，其种类有松、杉等。

其余为荒山及草皮覆盖。

2.1.2气象降雨

（1）气象

本区域气候特征是冬干夏湿，每年11月至次年四月特别干燥，其相对湿度在51%－73%之间，夏季因降雨日数较多，相对湿度随之增大，一般变化范围为67%－86%。

该地区一般1－4月风力较大，实测最大风速为15m/s，风向为西北偏西，水库吹程为12km。

年平均气温约为12.8℃，最高气温为30.5℃，发生在7月份，最低气温-5.3℃，发生在1月份，见表2.1.1、2.1.2。

表2.1.1月平均气温统计表（℃）

月份

1

2

3

4

5

6

月平均

气温

4.8

8.3

11.2

14.8

16.3

18.0

月份

7

8

9

10

11

12

气温

18.8

18.3

16.0

12.4

8.6

5.9

12.8

表2.1.2平均温度日数（天）

月

温度

（℃）

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

＜0

6

1.2

0.3

0

0

0

0

0

0

0

0

3.1

0～30

25

26.8

30.7

30

31

30

31

31

30

31

30

27.9

＞30

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

（2）降雨

该地区最大年降水量可达1213mm，最小为617mm，多年平均降水量为905mm。

表2.1.3多年平均各月降雨日数统计表

月

降雨量

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

＜5mm

2.6

2.2

4.3

4.2

7.0

8.6

11.5

8.5

9.6

9.5

4.8

4.3

5－10mm

0.3

0.2

0.2

1.4

2.0

2.4

2.7

2.7

2.6

2.4

0.8

0.1

10－30mm

0.1

0.1

0.7

0.5

2.3

4.6

4.9

3.8

2.2

1.3

0.6

0.1

>30mm

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

2.1.3径流

E江径流的主要来源于降水，在此山区流域内无湖泊调节径流。

根据短期水文气象资料研究，一般是每年五月底至六月初河水开始上涨，汛期开始，至十月以后洪水下降，则枯水期开始，直至次年五月。

E江洪水形状陡涨猛落，峰高而瘦，具有山区河流的特性，实测最大流量为700

，而最小流量为0.5

。

多年平均流量17

。

经频率分析，求得不同频率的洪峰流量见表2.1.4、2.1.5。

表2.1.4　　　　　　　　多年统计不同频率洪峰流量

频　　率（%）

0.05

1

2

5

10

流量（

）

2320

1680

1420

1180

1040

表2.1.5　　　　　　　　各月不同频率洪峰流量（单位：

）

月份

P

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

1%

46

19

12

19

600

1240

1550

1210

670

390

28

37

2%

36

17

11

15

530

1120

1360

1090

600

310

23

33

5%

23

14

9

11

420

850

1100

830

480

250

16

28

10%

19

11

7

9

370

760

980

720

410

210

15

23

固体径流：

E江为山区性河流，含沙量大小均随降水强度及降水量的大小而变化，平均含沙量达0.5kg/m3。

枯水期极小，河水清澈见底，初步估算30年后坝前淤积高程为2765m。

2.2工程地质

2.2.1水库地质

库区内出露的地层有石灰岩、玄武岩、火山角砾岩与凝灰岩等。

经地质勘探认为库区渗漏问题不大，但水库蓄水后，两岸的坡积与残积等物质的坍岸是不可避免的，经过勘测，估计可能塌方量约为300万m3，在考虑水库淤积问题时可作为参考。

2.2.2坝址地质

坝址位于E江中游地段的峡谷地带，河床比较平缓，坡降不太大，两岸高山耸立，构成高山深谷的地貌特征。

坝址区地层以玄武岩为主，间有少量火山角砾岩和凝灰岩穿构，对其岩性分述如下：

（1）玄武岩

一般为深灰色、灰色、有含泥量气孔，为绿泥石、石英等充填，成为杏仁状构造，并间或有方解石石脉，石英脉等穿其中，这些小脉都是后来沿裂隙充填进来的。

坚硬玄武岩应为不透水层，但因节理裂缝较发育，透水性也会随之增加，其矿物成份为普通辉石、检长石、副成分为绿泥石、石英、方解石等。

由于玄武岩成分不甚一致，风化程度不同，力学性质亦异，可分为坚硬玄武岩、多孔玄武岩，破碎玄武岩、软弱玄武岩、半风化玄武岩和全风化玄武岩。

其物理力学性质见表2.2.1、2.2.2。

表2.2.1坝基岩石物理力学性质试验表

岩石名称

比重　Δ

容重γ（KN/m3）

采用抗压强度（MPa）

半风化玄武岩

3.01

29.6

50

破碎玄武岩

2.95

29.2

50－60

火山角砾岩

2.90

28.7

35－120

软弱玄武岩

2.85

27.0

10－20

坚硬玄武岩

2.96

29.2

100－160

多气孔玄武岩

2.85

27.8

70－180

表2.2.2全风化玄武岩物理力学性质试验表

天然含水率W%

干容重γKN/

比重

Δ

液限

Wl

塑限

Wp

塑性指数

IP

压缩系数α

浸水固结块剪力

0～0.5

cm3/KN

3～4

cm3/KN

内摩擦角Φ

凝聚力KPa

2.5

16.3

2.97

47.3

32.26

16.9

0.0597

0.0151

28.38

24.0

渗透性：

经试验得出发值为4.14～7.36m/d。

（2）火山角砾岩

角砾为玄武岩，棱角往往不明显，直径为2～15cm，胶结物仍为玄武岩质，胶结紧密者抗压强度与坚硬玄武岩无异，其胶结程度较差者极限抗压强度低至350Mpa。

（3）凝灰岩

成土状或页片状，岩性软弱，与砂质粘土近似，风化后成为粘土碎屑的混合物，遇水崩解，透水性很小。

（4）河床冲积层

主要为卵砾石类土，砂质粘土与砂层均甚少，且多呈透镜体状，并有大漂石渗杂其中，卵砾石成分以玄武岩为主，石灰岩和砂岩占极少数，沿河谷内分布。

坝基部分冲积层厚度最大为32m，一般为20米左右。

靠岸边最少为几米。

颗粒组成以卵砾石为主，砂粒和细小颗粒为数很少。

卵石最小直径一般为10～100mm；砾石直径一般为2～10mm；砂粒直径0.05～0.2mm；细小颗粒小于0.1mm。

冲积层的渗透性能：

经抽水试验后得渗透系数K值为3×10-2cm/s～1.0×10-2cm/s。

冲积层剪力实验成果见表2.2.3。

表2.2.3冲积层剪力试验成果表

土壤

名称

项目

计算值

容重

（控制）KN/m3

含水量

（控制）

三轴剪力（块剪）

应变控制

浸水固结快剪

内摩擦角

凝聚力

KPa

内摩擦角

凝聚力KPa

含中量

细粒的

砾石

次数

17

12

8

8

2

2

最大值

24.3

8.66

47°15′

37.0

32°54′

10.5

最小值

22.2

4.27

35°30′

12.0

17°55′

0

平均值

23.08

6.47

40°34′

18.2

25°25′

5.3

小值

平均值

37°32′

0.148

备注

三轴剪力土样控制系筛去大于4颗粒后制备的。

试验时土样的容重为控制容重。

应变控制土样的容重系筛去大于0.1后制备的。

以上两种试验的土样系扰动的。

（5）坡积层

在水库区及坝址区山麓地带均可见到，为经短距离搬运沉积后，形成粘土与碎石的混合物质。

2.2.3地质构造

坝址附近无大的断层，但两岸露出的岩石、节理特别发育，可以分为两组，一组走向与岩层走向几乎一致，即北东方向，倾向西北；另一组的走向与岩层倾向大致相同，倾角一般都较大，近于垂直，裂隙清晰，且为钙质泥质物所充填，节理间距密者0.5m即有一条，疏者3～5m即有一条，所以沿岸常见有岩块崩落的现象。

上述节理主要在砂岩、泥灰岩与玄武岩之类的岩石内产生。

2.2.4水文地质条件

本区地形高差大，表流占去大半，缺乏强烈透水层，故地下水不甚丰富，对工程比较有利。

根据压水试验资料，玄武岩中透水性不同，裂隙少且坚硬完整的玄武岩为不透水层，其压水试验的单位吸水量小于0.01l/（min·m）。

夹于玄武岩中的凝灰岩，以及裂隙甚少的火山角砾岩都为良好的不透水性岩层，正因为这些隔水的与透水的玄武岩存在逐使玄武岩区产生许多互不连贯的地下水，一般砂岩也是细粒至微粒结构，除因构造节理裂隙较发育，上部裂隙水较多外，深处岩层因隔水层的层次多，难于形成泉水，石灰岩地区外围岩石多为不透水层，渗透问题也不存在。

2.2.5地震烈度

本地区地震烈度定为7度，基岩与钢筋混凝土之间磨擦系数取0.65。

2.3建筑材料

2.3.1料场的位置和储量

各料场的位置与储量见坝区地形图。

由于河谷内地形平坦，采运尚方便。

沙砾料料场位于坝址上下游各有四处，总量达1850万m3。

粘性土料料场于上游有三处，下游两处，总量190万m3。

料场距坝址2km左右。

各砂砾石料场渗透系数K值为2.0×10－2cm/s。

最大孔隙率0.44，最小孔隙率0.27。

石料坚硬玄武岩可作为堆石坝石料，储量较丰富，总储量450万m3，在坝址附近有石料场一处，覆盖层浅，开采条件较好。

2.3.2各建筑材料的物理力学性质

粘土的物理力学性质见表2.3.1，砂石料的颗粒级配及物理力学性质见表2.3.2~2.3.3，各料场的天然休止角见表2.3.4。

表2.3.1粘土的物理力学性质

料场名称

物理性质

渗透系数

（

10-6

cm/s）

力学性质

化学性

自然含水量

（%）

自然容重

比重

孔隙率

（%）

孔隙比

稠度

饱

和

度

颗粒级配，

（成分%，粒径d）

击实

剪力

固结压缩系数

（Cm2/kg）

有机含量灼烧法

（%）

可溶盐含量

（%）

流限

（‰）

塑限

（%）

塑性指数

砾

砂

粘土

最大干密度

（g/cm3）

最优含水量

（%）

内摩擦角

（º）

凝聚力

Kpa

湿

干

粗中

细

粉

（kN/m3）

>2mm

2~0.5

mm

0.5~0.05

mm

0.05~

0.005

mm

<0.005

mm

1#下

24.8

18.91

15.16

2.67

42.26

0.734

42.60

23.14

19.46

0.93

7.47

5.95

17.87

35.48

33.23

1.60

22.07

4.317

24.67

24.0

0.021

1.73

0.070

2#下

24.2

18.91

15.18

2.67

41.90

0.721

43.90

22.20

21.70

0.91

7.25

4.15

14.35

41.75

32.25

1.65

21.02

4.800

25.50

23.0

0.020

1.90

0.019

1#上

25.6

17.35

13.03

2.65

49.80

0.990

49.57

25.00

24.57

0.87

8.83

8.00

17.50

31.00

34.67

1.56

22.30

1.900

23.17

25.0

0.026

2.20

0.110

2#上

26.3

16.37

12.84

2.74

52.30

1.093

49.90

26.30

23.50

0.69

4.50

4.33

20.67

36.20

34.30

1.54

23.80

3.960

21.50

38.0

0.033

0.25

0.110

3#上

15.9

19.11

16.64

2.70

37.00

0.580

34.00

20.00

14.00

0.67

6.40

9.00

12.00

35.00

19.60

1.80

16.90

3.000

28.00

17.0

0.010

1.90

0.080

表2.3.2沙砾石的颗粒级配

300－100

100－60

60－20

20－2.5

2.5－1.2

1.2－0.6

0.6－0.3

0.3－0.15

＜0.15

1＃上

5.2

18.6

21.4

12.3

18.6

13.9

5.4

4.6

0.3

2＃上

4.8

17.8

20.3

14.1

17.8

14.8

4.6

5.3

0.5

3＃上

3.8

15.4

18.5

15.3

16.4

20.5

3.5

6.2

0.4

4＃上

6.0

18.3

19.4

16.4

15.6

16.7

4.8

2.5

0.3

1＃下

4.5

14.1

20.1

23.2

14.9

7.2

8.6

7.2

0.2

2＃下

3.9

19.2

22.4

18.7

19.1

8.3

5.7

2.8

0.1

3＃下

5.0

23.1

19.1

14.2

18.4

8.9

6.3

4.1

0.9

4＃下

4.1

22.4

18.7

14.1

17.9

14.4

4.1

3.6

0.7

表2.3.3砂石料的物理性质　　

名　称

1＃上

2＃上

3＃上

4＃上

1＃下

2＃下

3＃下

4＃下

容　重

1.86

1.79

1.91

1.90

1.86

1.85

1.84

1.80

比　重

2.75

2.74

2.76

2.75

2.75

2.73

2.73

2.72

孔隙率

32.5

34.7

31.0

31.5

32.5

32.2

32.5

33.8

软弱颗粒

2.0%

1.5%

0.9%

1.2%

2.5%

0.8%

1.0%

1.2%

有机物含量

淡色

淡色

淡色

淡色

淡色

淡色

淡色

淡色

表2.3.4各料场的天然休止角

料场名称

最小值

最大值

平均值

1＃上

34°30′

35°50′

35°10′

2＃上

35°00′

37°10′

36°00′

3＃上

34°40′

36°40′

35°40′

4＃上

35°10′

37°40′

36°30′

1＃下

34°10′

36°30′

35°20′

2＃下

35°20′

38°00′

36°40′

3＃下

34°30′

37°10′

35°50′

4＃下

36°00′

38°20′

37°10′

2.4经济资料

2.4.1库区经济

流域内部为农业人口，多种植水稻、玉米等。

库区内尚未发现有价值可开采的矿产。

淹没情况见表2.4.1。

表2.4.1各高程淹没情况

高程（m）

2807

2812

2817

2822

2827

2832

淹没人口（人）

3500

3640

3890

4060

5320

7140

2.4.2交通运输

坝址下游120km处有铁路干线通过，已建成公路离坝址仅20km，因此交通尚称方便。