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1、虞江心墙土石坝水利枢纽设计The design of Hydraulic complex of Earth-rock dam with central core of Yu-river总计 毕业设计 63 页表 格 21 个插 图 25 幅目 录第一章 调洪计算11.1 方案一：11.2 方案二：21.3 方案三：31.4 方案四：5第二章 大坝高程的确定62.1 坝顶高程计算方法62.2 计算过程8第三章 土石料的设计133.1 粘土料的设计133.2 坝壳砂砾料设计15第四章 渗流计算194.1 渗流计算应包括以下内容:194.2 渗流计算应包括以下水位组合情况：204.3 逸出点坡降计算
2、32第五章 稳定分析345.1 计算方法345.2 计算过程355.3 工况选择与稳定计算成果555.4 稳定成果分析55第六章 细部结构计算576.1 反滤层的设计计算：57第七章 泄水建筑物的计算587.1 隧洞的水力计算587.2 出口消能计算61第一章 调洪计算主要建筑物为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。（设计）洪水重现期100年；非常运用（校核）洪水重现期2000年。永久建筑物洪水标准：正常运用泄洪方案：采用隧洞泄洪方案。水库运用方式：洪水来临时用闸门控制下泄流量等于来流量，水库保持汛前限制水位不变，当来流量继续加大，则闸门全开，下泄流量随水位的升高而加大，流态为自由泄流。
3、调洪演算原理 采用以峰控制的同倍比放大法对典型洪水进行放大，得出设计与校核洪水过程线。拟定几组不同堰顶高程及孔口宽度B的方案。堰顶自由泄流公式可确定设计洪水和校核洪水情况下的起调流量Q起，由Q起开始，假定三条泄洪过程线（为简便计算，假设都为直线），在洪水过程线上查出Q泄，并求出相应的蓄水库容V。根据库容水位关系曲线可得相应的库水位H，由三组（Q泄，H）绘制的QH曲线与由绘制的QH曲线相交，所得交点即为所要求的下泄流量及相应水位。 1.1 方案一： I =2809m, B=7m起调流量=0.90.5711.5=543.86 m3/s1.1.1 设计洪水时：Q设 =1680 m3/s计算QH曲线列
4、表1-1如下：表1-1 QH曲线计算列表假设泄水流量 Q泄 （/s）对应方格纸的面积水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）55026.3039.857.682821.659022.3433.857.082821.4565020.5131.056.802821.3789014.5121.955.892821.0QH曲线与的交点为：Q泄 =650m3/s，H=2821.37 m。1.1.2 校核洪水时： Q校=2320 m3/s计算QH曲线列表1-2如下：表1-2 QH曲线计算列表假设泄水流量 Q泄 （/s）对应方格纸的面积水库拦蓄洪水 V（10）水库总水量V （10） 水库水
5、位H（m）56034.0171.1608.12822.875026.3255.0592.02822.6096021.9749.5582.92822.10QH曲线与的交点为：Q泄 =728 m3/s，H=2822.65 m1.2 方案二： I =2810m, B=7m起调流量=0.90.5710.5=474.49m3/s1.2.1 设计洪水时：Q设 =1680 m3/s计算QH曲线列表1-3如下：表1-3 QH曲线计算列表假设泄水流量 Q泄 （/s）对应方格纸的面积水库拦蓄洪水 V（10）水库总水量V （10） 水库水位H（m）49024.5437.1574.12821.956022.7934.
6、5571.52821.7576019.4339.4566.42821.493013.9521.1558.12821.2QH曲线与的交点为：Q泄 =582 m3/s，H=2821.7m1.2.2 校核洪水时： Q校=2320 m3/s计算QH曲线列表1-4如下：表1-4 QH曲线计算列表假设泄水流量 Q泄 （/s）对应方格纸的面积水库拦蓄洪水 V（10）水库总水量V （10） 水库水位H（m）49632.6768.2605.22823.177325.5453.3590.32822.7096721.4344.8581.82822.45QH曲线与的交点为：Q泄 =656m3/s，H=2822.85m
7、。1.3 方案三：I =2811m, B=8m起调流量=0.90.589.5=466.68m3/s1.3.1 设计洪水时：Q设 =1680 m3/s计算QH曲线列表1-5如下：表1-5 QH曲线计算列表假设泄水流量 Q泄 （/s）对应方格纸的面积水库拦蓄洪水 V（10）水库总水量V （10） 水库水位H（m）49024.8937.6574.62821.8256023.0834.9571.92821.7370019.6829.8566.82821.5098014.0721.3558.32821.35QH曲线与的交点为：Q泄 =574 m3/s，H=2821.7m 。1.3.2 校核洪水时： Q校
8、=2320 m3/s计算QH曲线列表1-6如下：表1-6 QH曲线计算列表假设泄水流量 Q泄 （/s）对应方格纸的面积水库拦蓄洪水 V（10）水库总水量V （10） 水库水位H（m）53032.7268.3605.32823.075025.5753.4590.42822.8096021.4544.8518.82822.50QH曲线与的交点为：Q泄 =676 m3/s，H=2822.88m 。1.4 方案四：I =2810m, B=8m起调流量=0.90.5810.5=542.27 m3/s1.4.1 设计洪水时：Q设 =1680 m3/s计算QH曲线列表1-7如下：表1-7 QH曲线计算列表假
9、设泄水流量 Q泄 （/s）对应方格纸的面积水库拦蓄洪水 V（10）水库总水量V （10） 水库水位H（m）49726.5840.2577.22822.056024.5037.0574.02821.9570020.7031.3568.32821.898014.6022.1559.12821.45QH曲线与的交点为：Q泄 =502m3/s，H=2829.96m1.4.2 校核洪水时： Q校=2320 m3/s计算QH曲线列表1-8如下：表1-8 QH曲线计算列表假设泄水流量 Q泄 （/s）对应方格纸的面积水库拦蓄洪水 V（10）水库总水量V （10） 水库水位H（m）48334.5972.2609
10、.22823.177326.6255.6592.62822.896722.1646.3583.32822.3QH曲线与的交点为：Q泄 =624m3/s，H=2822.97m 。第二章 大坝高程的确定2.1 坝顶高程计算方法2.1.1 坝顶在水库静水位以上的超高按下式确定： （2-1）其中：Y-坝顶超高，m；R-最大波浪在坝顶的爬高，m；e-最大风壅水面高度，m；A-安全超高，m，该坝为二级建筑物，设计时取A=1.0，校核时取A=0.5。2.1.2 坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应按以下运用条件计算，取其最大值:1.设计水位加正常运用条件下的坝顶超高;2.正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶
11、超高;3.校核洪水位加非常运用条件下的坝顶超高； 4.正常蓄水位加非常运用条件下的坝顶超高加地震安全加高。2.1.3 波浪的平均波高和平均波周期宜采用莆田试验站公式 = （2-2） T=4.438hm （2-3）L= （2-4）其中： hm 平均波高，m；T 平均波周期，s；L 平均波长，m；D 风区长度.km； 坝前水深，m；W 计算风速, m/s；2.1.4 风壅高度可按下式计算: （2-5）式中： e 计算处的风壅水面高度，m； D 风区长度，km； K 综合摩阻系数3.610-6； 计算风向与坝轴线的夹角25。2.1.5 波浪爬高设计波浪爬高值应根据工程等级确定，2级坝采用累积频率为1
12、%的爬高值.正向来波在单坡上的平均波浪爬高可按下式或有关规定计算: （2-6）式中： Rm 波浪的平均爬高； K 斜坡的糙率渗透性系数，根据护面类型查规范得0.77； Kw 经验系数，查规范得1.0； m 单坡的坡度系数，若坡角为，即等于ctg，本设计取m=2.5查规范1%累积频率下的爬高与平均爬高的比值为2.23，因风向与坝轴线的夹角为25，波浪爬高应按正向来波计算爬高值乘以折减系数=0.94。2.2 计算过程2.2.1 设计水位加正常运用条件下的坝顶超高设计水位 2821.70m 吹程D=15 风速W=1.5m/s坝前水深=71.70m =25根据公式（2-2）求解得：hm=1.56mT=
13、4.438hm=5.6sL= =48.91m= 0.771.0 / = 2.13m查规范1累积频率下的爬高与平均爬高的比值为2.23R1%=2.232.13=4.75m因风向与坝轴线的法线成25,波浪爬高应按等于正向来波计算爬高值乘以折减系数K。查规范得K=0.94 R=KR1%=0.94 4.75=4.465m坝顶在水库静水位以上的超高按下式确定：Y=R+e+A =4.465+0.029+1.00=5.494m坝顶高程：2821.7+5.494=2827.19m坝 高：2827.19-2750.0=77.19m为预防坝体竣工后的沉陷,预留0.4%的坝高坝高+0.4%沉陷=2827.19+77
14、.190.004=2827.50m2.2.2 正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高正常蓄水位2820.5m 吹程D=15 风速W=1.5m/s 坝前水深Hm=70.5m =25根据公式（2-2）求解得hm=1.52m T=4.438hm=4.4381.52=5.47sL= =46.71m = 0.771.0 / = 2.05m查规范不同累积频率下的爬高与平均爬高的比值为2.23 R1%=2.232.05=4.575m因风向与坝轴线的法线成25,波浪爬高应按等于正向来波计算爬高值乘以折减系数K查规范得K=0.94 R=KR1%=0.94 4.575=4.301m坝顶在水库静水位以上的超高按下式确
15、定： Y=R+e+A =4.301+0.029+1.0 =5.33m坝顶高程： 2820.5+5.33=2825.83m坝 高： 2825.83-2750=75.83m为预防坝体竣工后的沉陷,预留0.4%的坝高坝高+0.4%沉陷=2825.83+75.830.004=2826.13m2.2.3 校核洪水位加非常运用条件下的坝顶超高校核洪水位 2822.85m 吹程D=15 风速W=19.1m/s 坝前水深Hm =72.85m =25根据公式（2-2）求解得hm=0.975m T=4.438hm=4.38sL= =29.98m = 0.771.0 / =1.316m查规范不同累积频率下的爬高与平
16、均爬高的比值为2.23 R1%=2.231.316=2.936 m因风向与坝轴线的法线成25,波浪爬高应按等于正向来波计算爬高值乘以折减系数K查规范得K=0.94 R=KR1%=0.94 2.936=2.76m坝顶在水库静水位以上的超高按下式确定： Y=R+e+A =2.76+0.013+0.5 =3.273m坝顶高程： 2822.85+3.273=2826.12m坝 高： 2826.12-2750=76.12m为预防坝体竣工后的沉陷,预留0.4%的坝高坝高+0.4%沉陷=2826.12+76.120.004=2826.43m2.2.4 正常蓄水位加非常运用条件下的坝顶超高加地震安全加高正常蓄
17、水位2820.50m 吹程D=15 风速W=19.1m/s 坝前水深Hm =70.5m =25根据公式（2-2）求解得hm=0.975m T=4.438hm=4.38sL= =29.94m = 0.771.0 / =1.32m查规范不同累积频率下的爬高与平均爬高的比值为2.23 R1%=2.231.32=2.94m因风向与坝轴线的法线成25,波浪爬高应按等于正向来波计算爬高值乘以折减系数K查规范得K=0.95 R=KR1%=0.94 2.94=2.764m坝顶在水库静水位以上的超高按下式确定： Y=R+e+A =2.764+0.013+0.5 =3.28m地震安全加高按设计烈度和坝前水深取为=
18、0.51.5m，本设计取=1.0所以： y+=4.28m 坝顶高程 2820.50+4.28=2824.78m坝 高 2824.78-2750=74.78m为预防坝体竣工后的沉陷,预留0.4%的坝高坝高+0.4%沉陷=2824.78+0.00474.78=2825.08m综合情况见下表2-1：表 2-1 各种工况下的坝顶高程 计算情况计算项目正常运用情况非正常运用情况正常蓄水位设计洪水位正常蓄水位校核洪水位上游静水位（m）2820.52821.72820.502822.85 河底高程（m）2750.0 坝前水深（m）70.571.7070.5072.85 吹程 （km）15风向与坝轴线夹角 （
19、）25风浪引起坝前雍高 （m）0.0290.0290.0130.013风速V （m/s）28.6519.1波高2h (m)1.521.560.9750.975护坡粗糙系数0.77上游坝面坡脚arctg1/3.0波浪沿坝面爬高 （m）4.3014.4652.7642.76安全超高 （m）1.00.5地 震 安 全 加高（m）01.00坝顶高程 （m）2825.832827.192824.782826.12坝顶高程加0.4%沉陷 （m）2826.132827.502825.082826.43综合考虑最终确定坝顶高程取为2827.50m第三章 土石料的设计3.1 粘土料的设计（1）计算公式黏壤土用南
20、京水利科学研究所标准击实试验求最大干容重、最优含水量。应该使土样最优含水量接近其塑限含水量，据此确定击数，得出多组平均最大干容重gdmax 和平均最优含水量W，设计干容重为 gd=mgdmax （3-1）gd 设计填筑干容重gdmax 标准击实试验最大干容重m 施工条件系数，或称压实度，m值对于一二级坝或高坝采用0.960.99，三四级坝或低坝采用0.930.96。本设计的m=0.98。设计最优含水量为 = （3-2）（2）计算结果粘性土料设计的计算成果见表31（3）土料的选用上下游共有5个粘土料场，储量丰富。因地理位置不同，各料场的物理性质，力学性质和化学性质也存在一定差异，土料采用以“近而
21、好”为原则。规范指出粘土的渗透系数大于1010-6 cm/s,所有料场均满足要求。可容盐含量都不大于3%，1#上 的有机质含量为2.20%，大于规定的2%，故不予采用。2#下 和2#上 的塑性指数大于20%和液限大于40%，根据规范不能作为坝的防渗体材料。3#下 的渗透系数比1#下 的小，防渗性能好，最大干容重比1#下 的大，压缩性能好，且3#下 的含水量比1#下 小，施工时只需加水，故选3#下 为主料场，1#下 为副料场。表31 粘性土料设计成果表料场比重GS最大容重gdma(kN/m3)最优含水量（%）设计干容重(kN/m3)塑限含水量p（%）塑性指数Ip填筑含水量（%）自然含水量（%）孔
22、隙比E湿容重rw(kN/m3)浮容重rb(g/c m3)内摩擦角液限（%）渗透系数10-6有机含量（%）可容盐含量（%）1#下2.6716.022.0715.6823.1419.4622.0724.80.73418.910.9424.6742.604.3171.730.0702#下2.6716.521.0216.1722.2021.7021.0224.20.72118.910.9325.5043.904.801.900.0191#上2.6515.622.3015.3025.0024.5724.5725.60.99017.350.8123.1749.571.902.200.1102#上2.741
23、5.423.8015.0926.3023.5023.8026.310.9316.370.8221.5049.93.960.250.1103#下2.7018.016.9017.6420.0014.0016.9015.90.58019.111.0628.0034.003.001.900.0803.2 坝壳砂砾料设计（1）计算公式坝壳砂砾料填筑的设计指标以相对密实度表示如下：Dr =(emax-e)/(emax-emin) （3-3）或 Dr =(rd-rmin)rmax/(rmax-rmin)rd （3-4）式中：emax为最大孔隙比；emin为最小孔隙比；e为填筑的砂、砂卵石或地基原状砂、砂卵石
24、的孔隙比；rd为填筑的砂、砂卵石或原状砂、砂卵石干容重。设计相对密实度Dr要求不低于0.700.75；地震情况下，浸润线以下土体按设计烈度大小Dr不低于0.750.80。（2）计算成果砂砾料的计算成果见表32。 表32 砂砾料计算成果汇总表料场不均匀系数5mm砾石含量（%）比重s天然孔隙比相对密实度Dr设计干容重gd(g/cm3)设计孔隙比e1#上48.853.02.750.4810.7321.860.4802#上44.053.02.740.5310.6121.790.5303#上25.048.02.760.4490.8101.910.4504#上38.654.02.750.4600.7841
25、.880.4601#下48.955.02.750.4810.7321.860.4802#下39.358.02.730.4750.7481.850.4753#下63.857.02.730.4810.7321.840.4804#下45.055.02.720.5110.6621.800.510（续表） 砂砾料计算成果汇总表料场保持含水量（%）湿容重w(g/cm3)浮容重(g/cm3)内摩擦角粘聚力ckPa渗透系数K（10-2cm/s）1#上51.901.18351002.02#上51.821.14360002.03#上51.951.21354002.04#上51.941.20363002.01#下5
26、1.901.18352002.02#下51.891.17364002.03#下51.881.17355002.04#下51.831.14371002.0绘出各沙石料场的级配曲线如下表3-3：表3-3 各沙石料场的级配曲线（续表） 各沙石料场的级配曲线（3）砂砾料的选用土石坝的坝壳材料主要为了保持坝体的稳定性，要求有较高的强度。根据规范要求砂砾石的相对密实度Dr要求不低于0.75，上述料场中只有3#上 和4#上 料场满足要求，其余料场不符合要求不予采用。下游坝壳水下部位和上游坝壳水位变动区宜有较高的透水性，且具有抗渗和抗震稳定性，应优先选用不均匀和连续级配的砂石料。认为不均匀系数=30100时较
27、易压实，510时则压实性能不好。而3#上 料场砂砾料的不均匀系数=2530,不满足要求，从颗粒级配曲线上也可以看出，4#上料场的砂砾料颗粒级配较好，物理力学指标也较高，可优先使用，故选择4#上 料场作为砂砾料的主料场。第四章 渗流计算4.1 渗流计算应包括以下内容:1.确定坝体浸润线及其下游出逸点的位置，绘制坝体及其坝基内的等势线分布图或流网图；2.确定坝体与坝基的渗流量；3.确定坝坡出逸段与下游坝基表面的出逸比降，以及不同土层之间的渗透比降；4.2 渗流计算应包括以下水位组合情况：1.上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；2.上游设计水位与下游相应的水位；3.上游校核水位与下游相应水位4.2.
28、1 计算方法选择水力学方法解决土坝渗流问题。根据坝体内部各部分渗流状况的特点，将坝体分为若干段，选河床中部断面I-I及左右河岸两个典型断面-、-，应用达西定律近似解土坝渗流问题。计算中假定任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等。通过防渗体流量： q=k。 （4-1）通过防渗体后的流量： q=k （4-2）式中： k。 心墙土料的渗透系数； 上游水深； T 透水地基厚度； h 心墙后水深； 防渗墙平均厚度； k 坝身土壤渗透系数； H2 下游水深； m 坝的下游边坡系数； KT 透水地基的渗透系数； L 见图由q= q ，得心墙后水深h为： （4-3）式中： ； （4-4）； （4-5） （4-6
29、）心墙后的浸润线按下式计算： （4-7）假设：1）不考虑防渗体上游侧坝壳损耗水头的作用；2）由于砂砾料渗透系数较大，防渗体又损耗了大部分水头，逸出水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，岸坡实际不会形成逸出点，计算时假定浸润线末端即为坝趾。4.2.2 计算断面与计算情况对河床中间断面-以及左右岸坡段各一断面-、-三个典型断面进行渗流计算，计算按正常蓄水，设计洪水和校核洪水三种情情况进行。-断面：(1)正常蓄水位和相应下游水位正常
30、蓄水位2820.50m ，下游相应的最低水位为2752.00m。k。=3.0m/s, k=2.0 m/s， KT=2.010-4 m/s， T=32m，=m， m=2.5， L=165m， H1=70.5m， H2=2.0m由q= q ，代入数据：= 于是：mq=心墙后的浸润线方程：化简得：(2) 设计水位与下游相应的水位设计洪水位2821.70m ，下游相应的最低水位为2754.78m。k。=3.0m/s, k=2.0 m/s， KT=2.010-4 m/s ， T=32m ，=m， m=2.5， L=166.0m， H1=71.70m， H2=4.78m由q= q ，代入数据：= 于是：
31、mq=心墙后的浸润线方程：化简得：(3)校核水位与下游相应水位校核水位2822.85m ，下游相应的最低水位为2754.94m。k。=3.0m/s, k=2.0 m/s， KT=2.010-4 m/s ， T=32m，=m， m=2.5， L=166.5m， H1=72.85m， H2=4.94 m由q= q ，代入数据：= 于是：mq=心墙后的浸润线方程：化简得：-断面：上游坝底高程取在2752m 处，下游坝底高程取在2805m 处，经简化近似等效为上下游坝底高程均在2780m，坝与地基的接触面近似为一水平面，覆盖层深28m。(1)正常蓄水位和相应下游水位正常蓄水位2820.50m ，下游相
32、应的最低水位为2752.0m。k。=3.0m/s, k=2.0 m/s， KT=2.010-4 m/s ， T=28m ，=m， m=2.25， L=98m， H1=40.5m， H2=0m由q= q ，代入数据：= 于是：mq=心墙后的浸润线方程：化简得：(2)设计水位与下游相应的水位k。=3.0m/s, k=2.0 m/s， KT=2.010-4 m/s ， T=28m，=m， m=2.25， L=98m， H1=41.7m， H2=0m由q= q ，代入数据：= 于是：mq=心墙后的浸润线方程：化简得：(3)校核水位与下游相应水位k。=3.0m/s, k=2.0 m/s， KT=2.01
33、0-4 m/s， T=28m ，=m ， m=2.25， L=98m， H1=42.85m，H2=0m由q= q ，代入数据：= 于是：mq=心墙后的浸润线方程：化简得：-断面：上游坝底高程取在2790m 处，下游坝底高程取在2765m 处，经简化近似等效为上下游坝底高程均在2775m，坝与地基的接触面近似为一水平面，覆盖层深18m。(1)正常蓄水位+相应下游水位正常蓄水位2820.50m， 下游相应的最低水位为2752.0m。k。=3.0m/s, k=2.0 m/s， KT=2.010-4 m/s ， T=18m，=m， m=2.75， L=142m， H1=45.5m， H2=0m由q=
34、q ，代入数据：= 于是：mq=心墙后的浸润线方程：化简得：(2)设计水位与下游相应的水位 k。=3.0m/s, k=2.0 m/s ， KT=2.010-4 m/s ， T=18m ，=m ， m=2.75， L=142m， H1=46.7m， H2=0m由q= q ，代入数据：= 于是：mq=心墙后的浸润线方程：化简得：(3)校核水位与下游相应水位：k。=3.0m/s, k=2.0 m/s， KT=2.010-4 m/s ， T=18m，=m， m=2.75， L=142m， H1=47.85m， H2=0m由q= q ，代入数据：= 于是：mq=心墙后的浸润线方程：化简得：结果整理如下表
35、4-1： 表41 渗流计算结果汇总表 计算情况计算项目正常蓄水位设计洪水位校核洪水位上游水深H1-70.571.7072.85（m）-40.541.742.85-45.546.747.85下游水深H2-2.04.784.94（m）-000-000逸出水深h-2.234.385.11（m）-0.0840.0880.091-0.1570.1630.170单宽流量q-7.117.187.32(10-6m3/s.m)-4.274.464.63-3.783.934.09总渗流量Q （m3/d）151.2155.01159.35Q1= m3/s=151.2 m3/sQ2= =155.01 m3/sQ2= =159.35 m3/s4.3 逸出点坡降计算用流网法可准确求出渗流区任一点的渗透压力、渗透坡降和渗流量。绘制等势线和流网时，两者互相正交，并且分割的网格大致长宽相等。以I-I断面为例，各种工况下渗流逸出点坡降计算成过如表4-2。 表4-2 逸出点渗透坡降成果表断 面I-I工 况正常蓄水位设计洪水位校核洪水位 坡 降 J2.282.2
