本标准包括前言、课程目标、课程内容和实施建议四十部分. 1 .依据国内化学课程的现状、国际科学教育和化学课程改革的趋势,以及基础教育课程改革的指导思想,提出化学课...
水工建筑物 课程设计 课设题目 学 专 年 姓 学 院 业 级 名 号 南岗粘土心墙土坝枢纽设计 工学院 2011 级水利水电工程 三年级 董涛 2011096009 第一章 基本资料 1.1. 地形资料 南岗河在坝址以上约 3 千米处进入一个葫芦形地带， 至此河南岗河在该坝址以上河谷收 缩，为一建坝的良好地形。枢纽附近河谷基本对称，河床最低高程 560.0 米。右岸有一天然冲沟，左岸有一山凹， 此两处均可作为溢洪道的比较线路。 1.2. 地质资料 库区岩石均为砂页岩，左岸覆盖有厚层黄土，河底为细沙及砂卵石。
在枢纽附近，右岸为砂质砂岩，岩石质地坚硬，无断层裂隙，左岸高程 102.5 米以上为 黄土，以下为砂岩。黄土可溶盐含量约 0.043%，并含有 18%的钙质结核。河库覆盖有细沙 及砂卵石，细砂厚约一米，砂卵石最深处 5 米，下为砂岩。
坝基砂卵石浮容重 10.5kN/m3，内摩擦角 33.0°，粘结力为 0，渗透系数 1x10-2cm/s。
左岸壤土干容重 15.0kN/m3，孔隙比 0.818，含水量 17%，比重 2.75，塑限 16.6%，塑性指数 13.6，湿容重 17.6kN/m3, 饱和容重 19.5kN/m3，渗透系数 4.5x10-4cm/s，内摩擦角 23.3°， 粘结力为 22kPa。
1.3 建筑材料 （1）在坝址附近有足够的壤土可供开采，主要分布在左岸及上游小孤山处。
（2）壤土物理指标：干容重 16.0kN/m3，饱和容重 19.5kN/m3，比重 2.72，塑限 18.9%， 塑性指数 14.0，渗透系数 9.76x10-5cm/s，内摩擦角 20°，粘结力 14kPa。
（3）枢纽附近分布有大量砂质砂岩，除表面风化部分外，内含新鲜基岩质地良好，湿 容重 26kN/m3，内摩擦角 31°。
1.4 水文水利资料 （1）多年平均年径流量 760 万 m3。
（2）正常蓄水位 640.50m，相应下游水位 566.0m;
（3）50 年一遇设计洪峰流量 215m3/s，设计洪水总量 160 万方。
（4）500 年一遇校核洪峰流量 320m3/s，校核洪水总量 225 万方。
（5）死水位 570.0m； （6）水位~库容关系曲线如下表所示。
水位～库容关系曲线表 水位（米） 库容（万 m ） 3 560 80 570 280 580 360 590 540 600 860 610 1000 620 1252 630 1520 640 1896 650 2140 1.5 气象资料 水库最大吹程 2.8km；多年平均最大风速 16m/s，多年平均最大冻土层深度 0.64m。
1.6 其他资料 （1）设计灌溉面积 40.0 万亩，灌区在左岸； （2）坝顶无交通要求； （3）灌溉引水涵管设计流量 2.0m3/s，加大流量 2.4m3/s. （4）坝轴线河床最低点高程 560.0m. 第二章 枢纽设计 2.1 工程标准确定 根据提供的水文资料,正常蓄水位是 640.5m,根据表一计算得水库相应库容为 0.1908 亿 3, m 根据水利水电工程风分等指标,该为 III 等中型水利工程, 主要建筑物级别:大坝、些水建筑物：3 级 电站厂房、供水建筑物：4 级 临时建筑物：5 级 2.2 枢纽总体布置 2.2.1 坝型选择过程论述过程 气候条件、施工条件、坝基处理、抗震要求等。本次选择几种比较优越的坝型，拟订剖 面轮廓尺寸，然后对工程量、工期、造价进行比较，最后选定技术经济可靠合理的坝型。本 设计限于资料只作定性的分析来确定土石坝坝型。
土石坝按其施工方法可分为碾压式土石坝、抛填式堆石坝、定向爆破堆石坝、水中倒土 坝和水力冲填坝。从地形地质条件以及附近建筑材料来看本次设计坝型应选择碾压式土石 坝。
碾压式土石坝根据土料配置的位置和防渗体所用材料种类的不同， 又分为均质坝和土质 防渗体分区坝、非土质材料防渗体分区坝。
均质坝材料单一，工序简单，但坝坡较缓，剖面大，工程量大，施工易受气候影响，冬 季施工较为不便，坝体空隙水压力大。从本工程来看，经探明坝址附近可筑坝的土料较少， 远远不能满足均质坝填筑土料数量上的要求，因此从材料上考虑均质坝方案是不宜采用的。
土质防渗体分区坝主要有心墙坝、斜心墙坝、斜墙坝和多种土质坝等类型。
心墙坝土质防渗体设在坝体中部， 两侧为透水性较好的砂石料， 该坝型粘性土料所占比 重不大，施工受季节影响较小，但施工时心墙与坝体同时填筑，相互干扰较大。
斜墙坝土质防渗体设在上游或接近上游面， 该坝型斜墙与坝体施工干扰小， 但其抗震性 和适应不均匀沉降的性能不如心墙坝。由于该工程所在地区基岩与砼之间磨擦系数取 0.43， 故不宜采用斜墙坝。
多种土质坝施工工序复杂，相互干扰较大，施工易受气候影响，在此不予采用。
非土质材料防渗体坝的防渗体一般有混凝土、 沥青混凝土或土工膜等材料组成， 而其余 部分由土石料组成，因工程附近建筑材料不易运输，为就地取材不宜采取该坝型。
由上述比较可以看出，因而最终采用粘土心墙坝的方案。
2.2.2 建筑物总体布置情况 枢纽布置应做到安全可靠，经济合理，施工互不干扰，管理运用方便。根影响土石坝坝 型选择的因素很多，其主要影响因素有附近的筑坝材料、地形地质条件、据枢纽布置原则， 枢纽中的泄水建筑物应做到安全可靠、经济合理、施工互不干扰、管理运用方便。枢纽布置 应满足以下原则：
枢纽中的泄水建筑物应满足设计规范的运用条件和要求。
选择泄洪建筑物形式时， 宜优 先考虑采用开敞式溢洪道为主要泄洪建筑物， 并经济比较确定。
泄水引水建筑物进口附近的 岸坡应有可靠的防护措施， 当有平行坝坡方向的水流可能会冲刷坝坡时， 坝坡也应有防护措 施。
应确保泄水建筑物进口附近的岸坡的整体稳定性和局部稳定性。
当泄水建筑物出口消能 后的水流从刷下游坝坡时，应比较调整尾水渠和采取工程措施保护坝坡脚的可靠性和经济 性，可采取其中一种措施，也可同时采用两种措施。对于多泥沙河流，应考虑布置排沙建筑 物，并在进水口采取放淤措施。
溢洪道应选择在地形开阔、岸坡稳定、岩土坚实和地下水位较低的地点，宜选用地质条 件好良好的天然地基。壤土、中砂、粗砂、砂砾石适于作为水闸地基，尽量避免淤泥质土和 粉砂、细砂地基，必要时应采取妥善处理措施。从地质地形图可知坝体右岸地质条件好，且 有天然的土料厂，上下游均有较缓的滩地，两岸岩体较陡，岩体条件好，施工起来更快捷更 经济合理。
1）挡水建筑物：土石坝 南岗河在坝址以上约 3 千米处进入一个葫芦形地带，至此河南岗河在该坝址以上河谷 收缩，为一建坝的良好地形，故考虑将大坝设在此处 2)泄水建筑物: 溢洪道布置在大坝右岸的天然垭口处. 3) 灌溉引水建筑物: 引水隧洞紧靠在溢洪道的右侧布置 第三章 土坝设计 3.1 剖面拟定 3.1.1 坝顶高程 坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，四种运用条件计算，取其最大值： max ? ? 设计洪水位加正常运用.条件的坝顶超高； 正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高； 校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高； 正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高再加地震安 全加高 根据所给资料,正常蓄水位为 640.5m 设计洪水位根据资料求得 V正 =1908.2万m3 Z设 =640+ V设 = 1 9 0 8 . 2 +1 6 0 = 2 万 0 638 . 2 m 650-640 （2068.2-1896） =647.05m 2140-1896 V校 =V正 ? V洪2 =2980.2+225=2133.2万m3 同理,求得 Z校 =649.7m 设计洪水位加正常运用.条件的坝顶超高= =647.05+1.659=648.709m 正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高 =640.5 ? 1.659 ? 642.159m 校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高 =649.7 ? 1.359 ? 641.059m 正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高再加地震安全加高 =640.5 ? 1.359 ? 641.859m max ? 648.709m 则 坝高=648.709-560=88m ? 70m 属高坝 3.1.2 坝顶宽度 SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》规定：高坝顶宽可选 10-15m，中低坝顶宽可选为 5-10m。
此为高坝，故选坝顶宽度为 10m。
3.1.3 坝坡 土石坝的坝面坡度取决于坝高、筑坝材料性质、运用情况、地基条件、施工方法及坝型 等因素。一般是参考以建成类似工程的经验拟定坝坡，再通过计算分析，逐步修改确定。在 满足稳定要求的前提下，应尽可能使坝坡陡些，以减小坝体工程量。 坝高(m) 〈10 10～20 20～30 〉30 上游 1：2～1：2.5 1：2.25～1：2.75 1：2.5～1：3 1：3～1：3.5 下游 1：1.5～1：2 1：2～1：2.5 1：2.25～1：2.75 1：2.5～1：3 上游坝坡 ：
从坝顶到坝踵依次为 1:2.25；1:2.5；1:3. 下游坝坡 : 从坝顶到坝踵依次为 1:2；1:2；1:2.5 马道: 第一级马道高程为 82.5m,第二级马道高程为 102.5m,马道宽度取 2.0m。
3.2 结构设计 该部分主要包括：护坡、坝体排水、防渗 3.2.1 护坡设计 上游坝面要有足够抗冲能力，已建造的土石坝，多采用堆石、干砌石和浆砌石护坡和混 凝土护坡。根据资料分析本工程属高坝可采用浆砌石护坡，厚度 0.4m,浆砌石护坡是在块石 之间充填砂浆或细石混凝土适用于波浪高、压力大、容易被冲坏的情况。浆砌石护坡稳定性 较好，其厚度可比干砌石护坡酌情减小。
下游坝坡工作条件相对上游坝坡好些， 一般宜简化设置， 下游护坡本设计采用干砌石护 坡一般采用单层干砌形式、厚度 0.4m。
3.2.2 坝体排水 坝体排水应满足如下三点要求：
①排水体能自动地向坝外排出全部渗水； ②排水体应便于观测和检修； ③排水体应按反滤要求设计。
结合坝体排水几种形式的优缺点， 选定采用棱体排水， 因棱体排水可以降低坝体浸润线， 防止坝坡冻涨和渗透变形，保护下游坝址免受尾水淘刷，并可支撑坝体，增加下游坝坡的稳 定性。
顶部高程：应大于该地区的冰结深度，并应满足波浪爬高的要求。高出下游水位 1.0m—0.5m。顶部宽度：
应根据施工和观测的要求确定，一般为 1.0～2.0m。排水的内坡：
一般为 1：1.0～1：1.5；外坡：一般为 1：1.5～1：2.0。本设计棱体顶部高程取 80m,顶部宽 度取 2m,排水内坡取 1：1.5，外坡取 1：1.5。
3.2.3 防渗设计 坝体防渗的结构和尺寸必须满足减小渗透流量、 降低浸润线控制渗透坡降的要求， 同时 还要满足构造、施工、防裂、稳定等方面的要求。该坝体采用粘土心墙，其底部最小厚度由 粘土的允许坡降而定，根据《碾压式土石坝设计规范》 （SL274—2001）5.5.2 规定土质防渗 体断面应满足渗透比降、下游浸润线和渗透流量的要求。
应自上而下逐渐加厚，顶部的水 平宽度不宜小于 3.0 m；底部厚度 斜墙不宜小于水头的 1/5，心墙不宜小于水头的 1/4。实 际工程经验提出的允许比降：心墙不宜大于 4.0，斜墙不宜大于 5.0 据此求出土质防渗体底 部的厚度。
底部厚度取为 ? 640.5 ? 560? ? 30% ? 16m： 水平宽度：
5m （满足大于 3m 机械化施工要求） 3.3 渗流计算 土石坝的渗流计算主要确定坝体的浸润线的位置， 为坝体的稳定分析和布置观测设备 提供依据；同时确定坝体与坝基的渗透流量，以估算水库的渗漏损失。
通过防渗体流量： q1 ? 通过防渗体后渗流量： k 1( H 1 2 ? H ) 2tc 2 q2 ? k 2( H 2 ? H 2 2 ) 2L 其中：q1——通过放身体的渗流量； q2——通过防渗体后的渗流量； K1——防渗体心墙土料的渗透系数，4.317×10-8m/s； H1——上游水深； H——逸出水深； tc——防渗体心墙的平均厚度； K2——坝壳土料的渗透系数，2×10-4 m/s； H2——下游水深； 由设计内容, H1 ? 80.5m H 2 ? 6m 联立 q1 q2 的计算式,求得 H =70m 浸润线的计算式 2 H x ? H12 ? ? H12 ? H 2 ?x/ L 浸润线的计算表 x(m) y(m) 正常蓄水位 校核洪水位 浸润线如二号图纸所示. 0 34.53 37.71 20 30.81 33.20 40 27.62 29.37 60 24.01 24.95 90 17.22 16.20 3.4 稳定分析 根据设计内容指导书要求，利用简化后的毕肖普发进行设计洪水位情况下的下游边坡稳定 性，有公式：
（已知设计洪水位情况下下游边坡稳定系数规范值为 1.35） Kc ? ?? ?c b ? ?W ? u b ? tan ? ? ? / ?cos ? ?1 ? tan ? ? ?W sin ? ? ? Q e / R '
i i i i i '
i i i i i i i tan ?i'
/ K c ? ? ? 坝坡抗滑稳定最小安全系数 工程等级 运用条件 1 正常运用条件 1,.5 2 1.35 3 1.3 4、 5 1.25 非常运用条件 I 非常运用条件Ⅱ 1.3 1.2 1.25 1.15 1.2 1.15 1.15 1.1 注：
此表摘自《碾压式土石坝设计规范》 （SL274—2001） 大坝上下游坝坡稳定计算成果表 最 小 安 全 系 数 部位 上 游 坡 下 游 坡 计算工况 （Kmin） 规范值 施工期 1/3 坝高 稳定渗流期 水位降落期 稳定渗流期（正常） 稳定渗流期（设计） 稳定渗流期（校核） 1.88 1.71 1.86 2.05 1.96 1.82 1.35 1.35 1.25 1.35 1.35 1.25 成果分析:主要建筑物土石坝的等级为Ⅱ级，查《碾压式土石坝设计规范》 （SL274—2001） 表 8.3.10 规定，坝坡稳定的安全系数应满足以下条件：正常运用条件不低于 1.35，非常运用 条件 I 时不低于 1.25，非常运用条件Ⅱ时不低于 1.15。
根据计算成果表可看出大坝上下游坡稳定均满足规范要求， 由于上游坝坡较缓， 稳定渗 流期以及库水位降低期，不考虑地震，Kmin=1.71，Kmin=1.86 坝的稳定安全系数偏大，就 此而言，可考虑加陡坝坡以减小工程量，鉴于各种因素考虑不全，进行计算时所作的假设条 件可能与实际不符，实际安全系数可能要小些，但总体影响不大，故而不改变坝坡，维持原 拟订的剖面。
第四章 溢洪道设计 4.1 位置选择 根据所给资料知枢纽右岸有一天然冲沟， 左岸有一山凹， 此两处均可作为溢洪道的比较好 的线路。
4.2 型式选择和平面布置及绘制平面和纵面剖面布置 4.2.1 型式选择 选择正槽溢洪道，引水渠末端设置圆形渐变段，泄槽不设收缩、弯曲段和扩散段，尾水渠设 护袒 。 1)采用 WES 型堰面形状 Hd ? Hmax (75% ~ 95%) ? 9.2 ? (0.75 ~ 0.95) ? 6.9m ~ 8.7m 取 堰顶高程 H d ? 7.0m ?0 =?1 -Hd ? 647.9 ? 7.0 ? 640.9m p1 ? p2 ? ?0 ??3 ? 640.9 ? 560 ? 80.9m R1 ? 0.5Hd ? 3.5m R2 ? 0.20Hd ? 1.4m R3 ? 0.04Hd ? 0.28m b1 ? 0.175H d ? 1.225m b2 ? 0.276Hd ? 1.932m b3 ? 0.282H d ? 1.974m ? x ? y ? 0.5 ? ? Hd ? Hd ? 1.85 o 点下游曲线方程： y ? 0.0956x1.85 坡度 MC ? 0.6 （与水平线段夹角为 59 0 ）的下游直线段与曲线段相切点的坐标值，做 一阶导数： dy ? 0.0956*1.85* x 0.85 ? 1/ 0.6 dx =1.667 切点坐标为（14，12.6） 反弧圆心的确定：反弧半径 式中， r ? ? 0.25 0.5?? Hd ? zmax ? ， zmax ? 640.5 ? 566 ? 74.5 反弧圆心 o 点坐标 180 ? 59 xo ? x ? M c ( p2 ? y ) ? R cot( ) ? 72.27m 2 y0 ? p2 ? R ? 50.34m 圆弧与直线相交点坐标为： x1 ? x0 ? R sin590 ? 46.07m （2）孔口尺寸设计 ①单宽流量的确定。 y1 ? 9 ? ( x1 ?10) / 0.6 ? 66.08m 计算情况 设计 校核 3 上游水位 （m） 647 649.7 下泄最大流量 Q (m3/s) 215 320 水深 H （m） 6.5 9.2 q ? ?m 2 g H 02 q ——单宽流量 根据堰顶形式可选 则 q ? 23.34m / s 3 m ? 0.502 ? ? 0.65 Qmax ? 320m / s 3 L? L ?3 5 Qmax 320 ? ? 14m q 23.34 取孔口宽度为 5 m n? 则 n?3 L0 ? nb ? (n ? 1)d b ——孔口宽度 则 溢流前缘总长为 3 d ——中闸墩（取 2.0 m ） ，边墩（取 3.0m） L0 ? nb ? (n ?1)d1 ? ? 3? 5 ? 2 ? 2 ? 2 ? 3 ? 25m 3 Q溢 ? nb? m 2gH02 ? 3 ? 5 ? 0.502 ? 0.48 2 ? 9.81 ? 9.2 2 ? 604.5m3 / s ? ——闸墩侧收缩系数，取 0.65 m ——流量系数，取 0.502 g ——重力加速度，9.81 m 3 / s 溢洪道在开挖的时候，为了增强防冲刷能力，需要设置衬砌，粗糙率取 n ? 0.016 ②引水渠 引水渠的作用是将水流平顺的引至溢流堰前。
为提高泄洪能力， 渠内流速 v <
4.0m / s 。
渠底宽度大于堰宽，渠底末端高程与控制堰顶高程相同，取为 89.7m。引水渠断面尺寸的拟 定，具体计算结果和过程见表 1-5。
表 1-5 引水渠断面尺寸计算成果 计算情况 设计 校核 上游水位 （m） 647 649.7 下泄最大流量 Q (m3/s) 215 320 水深 H （m） 6.5 9.0 边坡坡率 m 1.5 1.5 底宽 B (m) 71.36 13.3 计算公式：
Q = vA ， A = ( B + mH ) H ，假设 v = 2.0m / s 。
由计算可以拟定引水渠底宽 B=13.3m，引水渠与控制堰之间设渐变段，采用圆弧连接， 圆弧半径 R=10m，圆弧的圆心角为 90°；引水渠前段采用梯形断面，边坡采用 1：1.5；底 坡均为 1：10 的逆坡。
进水渠与控制堰之间 20m 为渐变段，采用弧线连接。
③ 控制段 拟定控制段的形式 为了控制泻流能力，设置平面钢闸门， b ? h ? 5m ? 9m 取 查表：
m ? 0.502 Hd ? ( 0 . 7 5 ~ 0 . H 905? ) P 1 ?P 2 ? 80.9m x ? (?0.282 ~ 0.85) H d (0.75 ? ~ 0.9 ? 5 ) m 9 . 2 m6 . 9 ~ 8.7 y ? (0 ~ 0.37) H d 与泄槽底版相连采用反弧曲面，R ? (3 ~ 6)h（其中 h 为校核洪水位全开时的反弧最低 点） ④ 泄 槽 泄槽布置在基岩上， 断面为挖方，为适应地形， 泻槽分为收缩段、泻槽一段、泻槽二段， 根据已建的工程拟定收缩段收缩角为 12 度。末端采用矩形。
⑤出口消能 溢洪道出口段离大坝较远，采用挑流消能。水流冲刷不会危及大坝安全。
（3）衬砌及构造设计 包括衬砌、排水、止水和分缝。
泄槽中的水流流速较大，采用厚 50cm 的混凝土衬砌，引水渠的流速较低可选用石灰浆 砌块石水泥勾缝。衬砌纵向接缝采用平接缝，沿水流向横缝采用搭接型式。纵横向分缝距离 分别取为 10m、20m，缝下设纵横向排水沟，并设有铜片止水装置，在排水沟顶面铺沥青麻 片， 以防止施工时水泥浆或运用时泥沙堵塞排水沟， 各横向排水沟的水流应通过泄槽两侧的 纵向排水沟排往下游，纵向排水管设置两排，以保证排水通畅。
（4） 地基处理及防渗 堰顶处来自水重和底板的重量较大， 泄槽段高速水流的冲击作用也较大， 再加上此 处的岩芯获得率较小，故需进行地基处理，初步拟定采用局部水泥灌浆，挑流消能的鼻坎由 连接面板（即泄槽衬砌之延续）和齿墙两部分组成，起到防滑兼防渗的作用。 四、坝基处理 坝基开挖处理的目的是使堆石体在饱和及加荷载的各种条件下， 地基具有比较高的抗剪 强度，比较小的压缩变形，避免地基不均匀沉降而影响面板正常运行工作。
岸坡段开挖与处理：为便于机械压实，使岸坡堆石填筑紧密，对坝肩两岸进行修整，坝 轴线以上与趾板之间存在倒悬坡， 对悬岩及高度不大于 1 米的陡坡均要削缓或用混凝土回填 成斜坡。
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