郭庄土石坝枢纽设计.doc

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。

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。

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。
建筑物类型
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。
（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）施工方便。
（６）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。
（７）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。
二、泄水建筑物的选择
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。
枢纽布置方案确定
一、挡水建筑物－土石坝
挡水建筑物按直线布置，坝布置在河湾地段上。
二、泄水建筑物
泄水建筑物包括泄洪隧洞和溢洪道。
由于坝址处东半山坡高峻，岩体完整，风化作用较轻，西岸山坡相对低矮平缓，岩石风化较河床东边重，岩石表面由较多的裂缝，情况不如东边，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，泄洪隧洞布置在东岸，而将溢洪道布置在西岸山坡。

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。坝体绝大部分由一种土料（多用壤土）填筑，材料单一，不设专门的防渗体，施工简单，整个坝身既起防渗又起稳定作用。由于粘性土抗剪性较低，其施工碾压较困难，并且坝身粘性较大，冬雨季施工较为不方便。
心墙坝。心墙坝的防渗体位于坝体中央，适应不均匀变形和抗震能力较强，尤其两岸坡较陡时，较斜墙坝优越，心墙坝的坝坡主要由坝壳砂砾料决定，较均质坝略陡，工程量较小。但厚心墙坡度过缓（一般缓于1：0.5）时，对坝坡稳定不利，较薄的心墙有利于降低施工期空隙水压力，但过薄时易产生拱效应，心墙施工时必须与两侧坝壳同时施工，施工干扰较大，受气候条件影响较大。
斜墙坝。斜墙坝可充分利用坝址附近的多种材料降低造价，防渗体易于与坝基垂直或水平防渗体连接，可建在较深的覆盖层上。斜墙坝坝壳可超前于防渗体填筑，也不受地基灌浆影响，施工干扰小。当河床覆盖层较深，采用黏土铺盖时，便于与铺盖连接。但因抗剪强度较低的防渗体位于上游面，上有坡较陡，坝体工程量相对较大。斜墙对坝体沉降也较敏感，易产生裂缝，且与陡峻河岸的连接较困难。
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，最终选择土石坝方案。

1、渗流控制方案。该枢纽河床部分基岩埋深一般为15～24ｍ，平均20m，河床质为砂卵石。对砂卵石地基处理，主要是保证地基渗流稳定，控制渗流量。处理措施可考虑采用在坝体上游侧设置垂直或水平防渗，如黏土截水槽、砼防渗墙、灌浆帷幕或铺盖等，下游侧设排水减压措施如排水井。
由于该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。截水槽结构简单，工作可靠，防渗效果好，若利用大型机械施工，则有开挖工期短，施工质量有保证等优点。因此，在设计中采用黏土截水槽的处理方法。由于坝基岩石风化深1～3m，截水槽底部是防渗的薄弱环节，为防止发生集中渗流，可在槽底设混凝土齿墙。

坝址处东岸山坡岩体完整，风化作用较轻，而西岸山坡相对低矮平缓，岩石风化较重，坡积层厚十几米，基岩表面有较多的裂隙，但仍是良好的地基，且基岩透水性不大。针对以上情况做以下处理：开挖黏土截水槽至半风化岩基，基岩与黏土接触面设置混凝土齿墙，齿墙与河床部分防渗斜墙相连，详见细部构造。
断面尺寸
坝顶高程
为防止库水满溢坝顶，坝顶在水库静水位以上应有足够的超高，其值按下式计算：
Y=R+e+A (3-1)
(3-2)

式中：
e—风壅水面超出库水位的高度，m；
R—波浪爬高，m；
D—水库吹程，km; 由设计资料，D=1.2km；
H—沿水库吹程方向的平均水域深度，初拟时，可近似去坝前水深；
K—综合摩阻系数，计算时一般取3.6×10 （D以km计）；
V—计算风速， 。正常运用条件下的Ⅰ、Ⅱ级坝采用V=(1.5 ～2.0) （多年平均最大用 ；本设计为Ⅲ级土石坝， =1.5×11=16.5m/s, = =11m/s；
—风向与坝轴垂线的夹角，（°）。
安全加高，根据坝的等级和运用情况，按《水工建筑物（上册）》表1—11采用。
波浪爬高R按规范（SDJ218—84）推荐的莆田试验站统计分析公式计算：
计算波浪平均爬高 。

（3—3）
式中：
—与坝坡的糙率和渗透性有关的系数，按《水工建筑物（上册）》表5—1采用；
—经验系数，由风速V坝前水深H及重力加速度g组成的无维量 ，按《水工建筑物（上册）》表5—2采用；
由于库前水深较大，吹程较小，用下式计算平均波高
（3—4）
式中的水库吹程D以m计。
计算波浪平均周期 ，公式为
（3—5）
3）计算平均波长 ：
当 时为深水波 （3—6）
当 时为浅水波 （3—7）
计算波浪设计爬高R。
波浪设计爬高R按建筑物的级别确定，对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级土石坝取保证率Ｐ=1%的波浪爬高 作为波浪设计爬高 。因此，对于本设计中的Ⅲ级土石坝，可由保证率Ｐ=1%、平均爬高 及《水工建筑物（上册）》表5—3采用。
L为计算波长,m,按鹤地水库计算公式计算，即：
（3—8）
坝顶高程分别按以下3种情况计算，并取其大值：
设计洪水位+正常运用情况超高 ；
校核洪水位+非常运用情况超高 ；
正常蓄水位+地震安全加高。
地震安全加高=地震壅浪加高+地震附加沉陷值+安全加高。
表3—1 坝顶高程计算
2种情况
设计洪水
校核洪水
备注
静水位（m）
450.2
451.5
Ⅰ—Ⅰ河道断面坝基高程405.0m；
水库吹程1200m。

坝前水深（m）
45.2
46.5
计算风速V(m/s)
16.5
11.0
平均波高 （m）
0.27
0.17
波浪平均周期 （s）
2.08
1.65
波长L（m）
6.82
4.54

6.63>0.5
10.24>0.5
平均波长 （m）
6.75
4.25
护坡相关粗糙系数
0.78
上游坝面坡角（°）

0.78
0.52
经验系数
1、0
1.0
波浪平均爬高 (m)
0.39
0.25

0.006<0.1
0.004<0.1

2.23
2.23
波浪设计爬高
0.87
0.56
e(m)
0.001
0.001
安全加高A（m）
0.7
0.5
波浪超高Y（m）
1.57
1.06
坝顶高程
451.77
452.56
坝顶高程加0.4%的沉陷
451.96
452.75

考虑第3种情况：正常蓄水位+地震安全加高。地震安全加高中地震壅浪加高取为1.0m，地震沉陷附加值取坝高1%，即（452.75-405.0）×1%=0.48m，安全加高取为0.7m，则坝顶高程为443.0+1.0+0.48+0.7=445.18m
综上坝顶高程计算，坝顶高程由校核情况控制，设计竣工时坝顶高程为452.75m。
2、坝顶高程
坝顶宽度取决于施工、交通、构造、运行、抗震与防汛等要求。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，把顶宽度取为8m。
3、坝顶长度
本设计中坝顶高程452.75m，坝基高程405.0，坝高452.75-405.0=47.75m，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42.95×1000=429.5m
4、上、下游边坡
土石坝边坡坡度的大小强取决于坝型、坝高、筑坝材料、荷载、坝基性质等因素。上游边坡考虑在距坝基高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；下游每隔15m高变坡一次，边坡处设马道，坡率自下而上为2.5、2.25、2.0。
设置马道，以拦截并排除雨水，防止严重冲刷坝面，并兼作交通、检修、观测之用，也有利于坝坡稳定。考虑这些因素，其宽取为2.0m。
5、排水体
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，取为2 m。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，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。截水槽设于距上游坝脚10m处，其底部宽度按回填土料的容许坡降 设计，即：
， 取为４，Ｈ为正常蓄水情况下作用水头，Ｈ=443.0-405.0=38m，则
为减小工程开挖量，可在槽底设置混凝土齿墙，以延长槽底与地基的接触渗径。截水槽具体布置见下图：
图3.2 截水槽布置图
齿墙下部深入基岩0.5m,底座厚1.0m，上部伸入槽底3.0m，可取实际槽底宽T=4.0m，则渗径为0.5+4+3×2=10.5>9.5m。
渗流计算

1、渗流分析任务
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
选择水力学方法解土坝渗流问题。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。计算见图见下图：
斜墙与截水槽的单宽渗流量为：
（3—9）

图3.3 渗流计算简图
斜墙与截水槽下游坝体与坝基的单宽渗流量为：
（3—10）
式中： —分别为防渗体、坝壳材料、河床质砂卵石的渗透系数；
—斜墙与截水槽的平均厚度，m；
—斜墙的倾角，（°）；
—下游坡坡率。
由水流连续条件 联立求解式（3—9）与（3—10）可求得
（3—11）
式中：
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，见图：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：
（3—11）
式中： —各坝段长度，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；
(3)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及设计洪水时进行。

黏土斜墙土料渗透系数
河床质砂卵石渗透系数
坝体砂卵石渗透系数
斜墙平均厚度
截水槽平均厚度
下游坡坡率
斜墙的平均坡角
计算断面之间各坝段长度

表3—2 渗流计算结果汇总表

断面
正常蓄水位
校核洪水位
上游水深
1—1
14.0
22.5
2—2
38.0
46.5
3—3
36.0
44.5
4—4
33.0
41.5
5—5
8.0
16.5
下游水深
1—1
0
0
2—2
0
2.0
3—3
0
0
4—4
0
0
5—5
0
0
覆盖层
厚度
1—1
0
2—2
20
3—3
4—4
5—5
5
0
0
上下游方向
长
1—1
74.48
2—2
183.23
3—3
171.23
4—4
165.73
5—5
52.98
逸出水深
1—1
1.62
2.61
2—2
1.47
3.84
3—3
3.23
4.46
4—4
5.66
7.12
5—5
0.78
1.62
渗流量
1—1

2—2

3—3

4—4

5—5

总渗流量

斜墙内浸润线连接为直线，墙后浸润线方程为

斜墙之后的坝壳，由于水头大部分在防渗体损耗了，坝壳渗透坡降及渗透速度很小，发生渗透破环的可能性不大，而在截水槽底部与基岩接触面按允许坡降设计，其发生渗透破环的可能性也不大。
在溢出点处渗透坡降较大，予以演算。由于所给资料有限，本设计中渗透稳定不做验算。
稳定分析计算

1、目的
土石坝稳定分析的目的是保证土坝在自重、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、计算断面
土石坝的稳定分析计算应选取不同高程的几个坝体断面进行计算，以确保整个坝体的稳定，但限于设计时间以及计算量，本设计中仅计算河床中部的2—2断面进行稳定计算。
3、荷载组合
土石坝应对以下几种荷载组合情况的坝坡进行稳定计算：
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，限于设计时间和计算量，仅做坝底以上1/3坝高处的上游水位坝坡的文的分析计算。
4、分析方法
按照坝坡滑裂面的形式不同，坝坡稳定分析方法分为:圆弧法、直线法或折线滑动面法和复式滑动面法。本设计中土坝坝型为黏土斜墙坝，因此采用折线滑动面法对上游坝壳以及斜墙连同保护层一起滑动时的稳定计算。
5、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上游设计洪水位与下游相应最高水位；③上游距坝基1/3高水位。
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高水位时的工况进行。
6、控制标准
在本设计中，坝壳抗滑稳定安全系数的容许值按《水工建筑物（上册）》表5—7采用。见下表：
运行条件
工程级别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ、Ⅴ
正常运用
1.30
1.25
1.20
1.15
非常运用
1.20
1.15
1.10
1.05
正常运用加地震
1.10
1.05
1.05
1.00

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）的稳定分析；（2）斜墙连同保护层的稳定分析。
坝壳的稳定分析计算
1、对于部分浸水的无黏性土坝坡，因为水上水下土壤力学性能不同，滑裂面近似为一折面，折点高程大致在水位附近。
图3.4 无粘性土坝坡稳定计算图
图中ADC为任一滑动面，折点在D处，块间滑裂面DE将滑动土体分为两块，其重量分别为W1、W2两块间作用力为P，其方向平行于DC，两块土体底面土料内摩察角分别为φ1,φ2。
由土块BCDE沿DC方向力的平衡可得
（3—12）
由土块ADE沿AD方向力的平衡可得
（3—13）
表3—3 1/3坝高水深H=16m上游坝坡稳定计算表

（KN）
(KN)

16°
21°
4800
2110
35°
32°
1.90
24°
1500
2110
1.87
27°
900
2110
1.87
18°

21°
3240
3577
1.88
23°
880
3577
1.89
35°
510
3577
1.78
15.5°
21°
5320
1512
1.88
23°
2250
1512
1.85
35°
1200
1512
1.84
最小安全系数 =1.78

表3—4 坝前水深为H=16+2=18m上游坝坡稳定计算

（KN）
(KN)

17.5°
21°
4440
2318
35°
32°
1.85
24°
1350
2318
1.79
27°
750
2318
1.78
18°

21°
3200
3580
1.88
23°
890
3580
1.89
35°
500
3580
1.78
16°
21°
4800
2100
1.90
23.5°
1550
2100
1.89
26°
950
2100
1.89
最小安全系数 =1.79

表3—4 坝前水深为H=16-1.5=14.5m上游坝坡稳定计算

（KN）
(KN)

15.5°
21°
5400
1512
35°
32°
1.88
23°
1760
1512
1.89
26°
1290
1512
1.81
17.5°

21°
3840
3100
1.87
23°
1200
3100
1.86
30°
450
3100
1.83
15°
21°
5560
1323
1.89
23°
1900
1323
1.88
25°
1400
1323
1.82
最小安全系数 =1.81

2、 斜墙连同保护层的稳定计算
图3.5 斜墙连同保护层的稳定计算简图
斜墙与保护层以及斜墙与坝身之间是二种不同土料的接触面，往往强度较低，因而保护层连同斜墙有可能沿这类接触面产生滑动，应进行稳定分析计算。在斜墙连同保护层的稳定计算中，滑动面一般由三段直线组成，如图 中的dc、cb、ba分别位于砂砾保护层内、黏土斜墙内和斜墙与坝身接触面处。通过折点b、c处的块间滑裂面将滑动土体分成三块，其重量分别为W1、W2、W3。
由滑动土块abb′沿ab方向力的平衡可得：
（3—14）
由滑动土块bb′c′c沿bc方向力的平衡可得：
（3—15）
由滑动土块cc′d沿dc方向力的平衡可得：
（3—17）
表3—6 1∕3坝高水深H=16m上游坝坡稳定计算

11°
11°
13650
9738
378

24.1
（KPa）
85
2.26
13°
9555
13544
378
90
2.24
15.5°
2772
17548
378
95
2.12
13°
11°
13600
9700
454
65
2.23
13°
10920
12565
454
77
2.22
15°
2800
16500
454
82
2.14
15°
11°
9828
10023
882
62
2.31
15°
3024
15498
882
90
2.22
16°
320
17577
882
96
2.15
2.12

表3—6 1∕3坝高水深H=16m上游坝坡稳定计算

11.5°
12°
11450
12800
252

24.1
（KPa）
78
2.22
14°
7980
14580
252
84
2.17
16°
2520
17850
252
96
2.08
12.5°
11°
14580
9500
465
80
2.26
14°
8765
11650
465
87
2.24
16°
2260
14560
465
95
2.18
14°
11°
9830
9985
530
76
2.36
14°
5580
11980
530
85
2.31
16°
350
15960
530
94
2.18
2.08

表3—6 1∕3坝高水深H=16m上游坝坡稳定计算

11.5°
11°
14175
11850
310

24.1
（KPa）
70
2.18
13°
11900
13990
310
82
2.15
15°
3700
16540
310
95
2.14
12.5°
11°
14000
9700
450
84
2.26
13°
9560
13500
450
90
2.24
15°
2780
16900
450
96
2.18
14°
11°
10920
12600
560
78
2.22
13°
8145
14500
560
85
2.15
15°
450
17655
560
94
2.12
2.12

在本设计中，建筑物级别为Ⅲ级，坝坡抗滑稳定安全系数的容许值查表5—7，可得在正常运用情况下K[容]=1.20，综上比较，坝的稳定安全系数偏大，就此而言，可考虑加陡坝坡以节省工程量。鉴于各种因素考虑不全，实际安全系数可能要下些，故而不改变坝坡，维持原拟定剖面。
细部构造设计

为防止防渗体干裂和雨水冲刷，满足防汛和维修要求，坝顶设置沥青碎石护面0.3m厚，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。墙内应设伸缩缝，间距为20m，缝内设止水。
在坝顶上右侧设置防浪墙，采用浆砌石建造，厚0.6m。墙顶高出坝顶1.2m，基础牢固的深入坝体防渗体内0.6.在坝顶下右侧设置边石，边石采用浆砌石修筑，厚0.4，顶面高出路面0.4边石内每隔50设排水孔，以将坝顶排水沟内汇集的雨水经坝面排水沟排至下游，细部构造详见图。

坝体防渗体为斜墙，斜墙上下游坡面设置反滤层；坝基防渗体为黏土截水槽和混凝土齿墙；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，岸坡与坝坡交界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。
图3.6 上游坝基处护坡
1、反滤层设计
2、护坡设计
上游护坡用干砌石，因其抵御风浪的能力较强；下游坝面直接铺上0.2厚的碎石作为护坡。上游护坡上做至坝顶，下做至坝脚。

图3.7 上游护坡
图3.8 岸坡排水
图3.9 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：
（滤土原则） （3-18）
（排水原则） （3-19）
式中： —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；
—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。

线路及型式选择

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，本枢纽坝址处西岸山体山坡平缓，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，溢洪道布置在西岸。

正槽式溢洪道：水流平缓，超泄能力大，对堰前水头适应能力较强，适应于各种水头和流量，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:坝址附近须有马鞍形的垭口，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，为此侧槽需建在完整坚实的岩基上，要有质量较好的衬砌。当坝端山高坡陡时，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。
水力计算

溢洪道的水力计算成果见表4—1
表4—1 溢洪道的水力计算成果
水位（m）
流量（m3/s）
正常蓄水位
443.0
0
设计洪水位
450.2
1350
校核洪水位
451.5
1950

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n=0.014。溢洪道为3级建筑物，采用100年一遇，1000年一校核的洪水标准。

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）
流量（m3/s）
水深（m）
底宽（m）
计算公式
设计洪水位
450.2
1350
7.2
39.68
Q=Av,A=(B+mh)h
A—过水断面面积
B—渠底宽度
校核洪水位
451.5
1950
8.5
60.5

为安全起见，由计算可拟定引水渠底宽B=62m，引水渠长L=40m。
1、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40m（2.5H<δ<10H，H—堰顶水头）。
堰顶宽度计算公式
（4—1）
式中：Q—流量，m3/s；
m—堰的流量系数，一般为0.32～0.385；
H0—不包括行进水头的堰上水头，m。
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v2/2g）
水位（m）
流量（m3/s）
H0 (m)
b(m)
设计洪水位
450.2
1350
7.2
43.85
校核洪水位
451.5
1950
8.5
49.37

由于不计水头损失（v2/2g），所以堰顶宽度b=49.37×1.2=59.24，取b=60m。
1、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=0.23。

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。

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。

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：
（4—2）
（4—3）
（4—4）
（4—5）
式中：
hj—局部水头损失，m；
ξ—局部水头损失系数；
g—重力计算速度，取g=9.8m/s2；
—动能系数，取 =1.0；
R—水力半径，m；
χ—湿周，m；
hf—沿程水头损失，m；
v—引水渠水流流速，m/s；
A—过水断面面积，m2；
n—引水渠糙率，n=0.014；
(4—6)
(4—7)
式中：σs—淹没系数，σs =1.0；
b—堰顶宽度，m
Q—流量，m3/s；
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：
（4—8）
（4—9）
引水渠为梯形断面，b为底宽，m为引水渠边坡系数，具体计算见表4—4