1、- 1 -前 言1、设计任务书及原始资料是工作的依据，因此首先要全面了解设计任务，熟悉该河流的一般自然地理条件，坝址附近的水文和气象特性，枢纽及水库的地形、地质条件，当地材料，对外交通及有关规划设计的基本数据，只有在熟悉基本资料的基础上才能正确地选择建筑物的类型，进行枢纽布置、建筑物设计及施工组织设计。因此，应把必要的资料整理到说明书中。通过对资料的了解和分析，初步掌握原始资料中对设计和施工有较大影响的主要因素和关键问题，为以后设计工作的进行打下良好的基础。2、本次设计内容及要求：（1）坝轴线选择。（2）坝型选择。（3）枢纽布置。（4）挡水建筑物设计：包括土坝断面设计、平面布置、渗流计算、稳定
2、计算、细部构造设计、基础处理等。（5）泄水建筑物设计：溢洪道或导流洞设计（仅选其中一项） ，以水利计算为主。选取溢洪道设计。（6）施工导流方案论证（选作内容） 。仅作简单的阐述。3、工程设计概要ZH 水库位于 QH 河干流上，水库控制流域面积 4990km2，库容 5.05108m3。水库以灌溉发电为主，结合防洪，可引水灌溉农田 71.2104亩，远期可发展到10.4105亩。灌区由一个引水流量 45m3/s 的总干渠和 4 条分干渠组成，在总干渠渠首及下游 24km 处分别修建枢纽电站和 HZ 电站，总装机容量 31.45MW，年发电量 1.129108kwh。水库防洪标准为百年设计，万年校
3、核。枢纽工程由挡水坝、溢洪道、导流泄洪洞、灌溉发电洞及枢纽电站组成。摘要：土坝设计 渗流计算 稳定计算 细部结构 - 2 -第一章 基本数据第一节 工程概况及工程目的本水库建成后具有灌溉、发电、防洪、解决工业用水和人畜吃水等多方面的效益，是一座综合利用的水库。水库近期可灌溉农田 71.2104亩，远期可发展到10.4105亩。枢纽电站和 HZ 电站，总装机容量 31.45MW，年发电量1.129108kwh。除满足农业提水灌溉用电外，还剩余 50%的电力供工农业用电。防洪方面，水库控制流域面积 4990km2，占全流域面积的 39%，对下流河道防洪、削减洪峰、减轻防汛负担也有一定的作用，可将下
4、游 100 年一遇的洪水流量6010m3/s 削减到 3360m3/s，相当于 17 年一遇；可将 50 年一遇洪水流量 6000m3/s削减到 2890m3/s，相当于 12 年一遇。另外，每年还可供给城市及工业用水0.63108m3。由于市库区沿岸山峰重迭，村庄零散，耕地不多，故淹没损失较小。按库区移民高程 770m 统计，共需迁移人口 3115 人，淹没耕地 12157 亩，房屋 1223 间，窑洞 1470 孔。- 3 -第二节 基本数据2.1 工程等别及建筑物的级别1、工程等别ZH 水库工程，水库总库容 5.05108m3，灌溉农田 71.2104亩，远期可发展到 10.4105亩。
5、水电站总装机容量 31.45MW，年发电量 1.129108kwh。根据以上数据，参照水利水电枢纽工程等级划分SL252-2000 的规定，本工程等别为 II 等工程。2、建筑物级别根据本工程的等别及水工建筑物级别划分的规定知，永久性主要建筑物为 2级建筑物；永久性次要建筑物为 3 级建筑物；临时建筑物为 4 级建筑物。2.2 地形和地质图ZF 坝区地形图见附图，ZF 土坝坝线工程地质剖面图见附图 6。2.3 工程地质条件1、库区工程地质条件库区两岸分水岭高程均在 820m 以上，基岩出露高程大部分在 800m 左右，主要为紫红色砂岩，间夹砾岩、粉砂岩和砂质叶岩。新鲜基岩透水性不大。未发现大的
6、构造断裂，水库蓄水条件良好。QH 河为山区河流，两岸居民及耕地分散，除库水位以下有一定淹没外，浸没问题不大，库区也未发现重要矿产。2、坝址区工程地质条件QH 河在 ZF 水库坝址区呈一弯度很大的 S 形。坝段位于 S 形的中、上段。坝段右岸为侵蚀河岸，岸坡较陡，基岩出露。上下坝线有约 300m 长的低平山梁（单薄分水岭） ，左岸为侵蚀堆积岸，岸坡较缓，有大片土层覆盖。右岸单薄分水岭是QH 河环绕坝段左岸山体相对侧向侵蚀的结果。坝址区基岩以紫红色、紫灰色细砂岩为主，间来件砾岩、粉砂岩和少数砂质叶岩。地层岩相变化剧烈，第四系除厚度不大的砂层、卵石层外，主要是黄土类土，在大地构造上处于相对稳定区，未
7、发现有大的断裂构造迹象。坝址区左岸有一大塌滑体，体积约 45104m3，对工程布置有一定的影响。- 4 -本区地震基本烈度为 6 度，建筑物按 7 度设防。（1）上坝址上坝址位于坝区中部背斜的西北，岩层倾向 QH 河上游。河床宽约 300m，河床砂卵石覆盖层平均厚度 5m，渗透系数 110-2cm/s。一级阶地（Q 4）表层具中偏强湿陷性。左岸 730m 高程以上为三级阶地（Q 2） ，具中偏弱湿陷性。岩基未发现大范围的夹层，基岩的透水性不大。河床中段及近右岸地段，沿113-111-115-104-114 各钻孔联机方向，在岩面下 2147m 深度范围内，有一强透水带，w=5.4630L/（s
8、 mm） ，下限最深至基岩下约 80m。基岩透水性从上游向下游有逐渐增大的趋势，左岸台地黄土与基岩交界处的砾岩（最大厚度 6m）透水性强，渗透系数 K=10m/d。左岸单薄分水岭岩层仍发属于中强透水性，平均w=0.4830L/（smm ） ，应考虑排水，增加岩体稳定。（2）下坝址位于上坝址同一背斜的东南翼，岩层倾向下游；河床宽约 120m，左岸为二、三级阶地，右岸 731m 高程以下为基岩，以上为三级阶地。土层的物理力学性质见附图 6“工程地质剖面图” 。左岸基岩有一条宽 200250m 呈北东方向的强透水带，右岸 Z 沟单薄分水岭的透水性亦很大，左右岸岩石中等透水带下限均可达岩面下 80m
9、左右。河床地段基岩透水性与中等透水带厚度具有从上游向下游逐渐变小的趋势。下游发现承压水，二、三级阶地砾石层透水性与上坝线相同，左岸坝脚靠近塌滑体。3、坝址区其它建筑物地段的工程地质条件坝址区其它建筑物包括导流泄洪洞、灌溉发电洞及枢纽电站。按上坝线方案，导流泄洪洞、溢洪道均布置在左岸单薄分水岭，灌溉发电洞则布置在左岸东凹沟附近三级阶地上。下坝线方案溢洪道可布置在右岸 Z 沟，灌溉发电洞移至上坝线溢洪道轴线西侧 40m 左右，导流泄洪洞位置与上坝线位置相同。（1）导流泄洪洞沿洞线周围岩石厚度大于 3 倍开挖洞径，出口段已避开塌滑体的东边界，沿线岩层、岩性主要为粉砂岩、细砂岩及砾岩，岩石较为坚硬，坚
10、固系数 Fk=4，单轴弹性抗力系数 K0=20MPa/cm，弹性模量 E=0.4104 MPa，透水性较大。岩层倾向下游，出口段节理发育，应采取有效措施予以处理。为进一步保证出口段岩体- 5 -稳定，免除由内水压力引起的后果，建议该段修建无压洞。（2）溢洪道上坝线方案溢洪道堰顶高程 757m，沿建筑物轴线岩层倾向下游。岩性主要为坚硬的细砂岩，其中软弱层多为透镜体，溢洪道各部分的抗滑稳定条件是好的。下坝线溢洪道堰顶高程 750m。基础以下 10m 左右为砂质叶岩及夹泥层，且单薄分水岭岩层风化严重，透水性大，对建筑物安全不利。（3）灌溉发电洞及枢纽电站上坝线方案沿线基岩以厚层粉砂岩为主，岩石完整，
11、透水性不大，洞顶以上岩层厚度较小。在建筑物的基岩岩面上有 05m 厚的砾岩及厚度不等的亚黏土层，电站厂房处岩石风化厚度约 56m ，对其产生的渗漏及土体坍塌应采取必要的工程措施。下坝线方案沿线全为基岩，工程安全比较可靠。4、施工区地质地形地质条件ZF 水库的右岸坡较陡，坡度为 30左右，大部分基岩出露高程为770810m。主河槽在右岸，河宽约 100m；左岸为堆积岸，左岸台地宽 200m 左右，山岭高程在 775m 左右，岸坡较平缓，大都为土层覆盖。水库枢纽处施工场地狭窄，枢纽建筑物全部布置在左岸，施工布置较为困难。坝区为上二迭系石千峰组的紫红色、紫灰色细砂岩，间夹同色砾岩及砂质叶岩等岩层。右
12、岸全部为基岩，河床砂卵石总厚度约 50m，覆盖层厚度约 5m。高漫滩表层亚砂土厚 515m，左岸 728m 高程以下为基岩。基岩面向下游逐渐降低，土层增厚。砂卵石层透水性不会很强，施工开挖排水作业估计不会很困难。2.4 水文气象条件1、气象流域内年平均降雨量 686.1mm，70%集中在 69 月，多年平均最高气温29.1（6 月） ，多年平均最低气温-14.3（1 月） ，多年年平均气温 89。多年平均师大风速 9m/s，水位 768.1m 时水库吹程 5.5km。（1）气温资料ZF 水库坝址处没有建立水文气象站，根据附近气象站 1958 年至 1963 年和1970 年至 1972 年共
13、9 年资料统计分析，最高气温 29.1（6 月） ，最低气温-14.3（1 月） ，多年平均日气温 424，多年年平均气温 89。历年各月气- 6 -温特征值见表 2-1。表 2-1 各月气温特征值 月份 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月多年平均气温 4.5 1.1 4.6 11.3 18.1 21.7 23.6 21.7 16.4 10.3 18.9 2.1多年最高气温 4.6 7.2 17 22.2 25.0 29.1 23.0 26.5 30.1 22.4 18.9 8.1多年最低气温 -14.3 0.0 5.8 1.0
14、 3.1 10.5 18.9 14.4 1.9 1.9 0.7 0.0（2）降雨资料根据附近气象站 1958 年至 1963 年和 1970 年至 1972 年共 9 年资料统计分析，得出多年的平均各月降雨天数见表 2-2。表 2-2 多年平均各月降雨天数项目月份平均日降雨5 10mm 天数平均日降雨10 20mm 天数平均日降雨2030mm 天数平均日降雨30 40mm 天数平均日降雨40mm 天数1 月 0.622 月 0.37 0.133 月 1.00 0.08 0.254 月 1.00 0.63 0.50 0.25 0.135 月 2.00 1.12 0.25 0.50 0.256 月
15、 1.37 1.00 0.63 0.25 1.007 月 2.75 1.88 1.00 1.00 1.388 月 1.37 2.27 0.25 0.25 2.609 月 1.45 0.88 0.13 0.63 0.7510 月 0.87 0.88 0.38 0.25 0.1311 月 0.73 0.88 0.1312 月 0.132、水文分析（1）洪水洪水由暴雨形成，据统计 78 月发生最大洪峰流量的机会占 88%，而且年际变化很大，实测最大洪峰流量 2200m3/s（1954 年） ，最小洪峰流量 184m3/s（1965- 7 -年） ，相差 12 倍。流域洪水的特点是峰高，历时短，陡涨陡
16、落。一次洪水持续时间一般 35d。各种频率的设计洪水过程线见表 2-3。表 2-3 各种频率的设计洪水过程线流量 /（m 3s-1） 流量/（m 3s-1）时间/hP=1% P=5% P=5%(10 月)时间/h P=1% P=5% P=5%(10 月)1 222 133 39 45 1670 10023 302 181 42 47 1520 9125 340 204 51 49 1500 9007 500 300 55 51 1400 8309 700 420 66 53 1280 76811 847 503 81 55 122013 950 550 105 57 116015 975 65
17、0 105 59 1080 64817 1350 810 174 61 102019 1760 1060 220 63 98021 2270 1362 202 65 92023 2900 1740 178 67 900 54025 4000 2360 160 69 87527 3350 2010 148 71 84929 2960 1770 138 73 800 48031 2670 1602 130 75 78033 2470 1380 101 77 76035 2300 1380 101 79 72037 2160 1290 98 81 700 42039 2020 1210 81 83
18、67641 1930 1150 76 8543 1820 1090（2）年来水量水量的年内分配，汛期 710 月约占全年水量的 62%，水量年际变化很大，实测最大年来水量 1968108m3（1963 年 7 月至 1964 年 6 月） 。最小年来水量3.34108m3（1965 年 7 月至 1966 年 6 月） 。相差 5.9 倍。从历年来水量过程来看约 7 年一个周期，其中连续枯水段为 4 年。- 8 -（3）年输沙量汛期 710 月的来沙量约占全年输沙量 94%，其中 7、8 两月约占 83%。输沙量的年际变化很大，实测最大年输沙量 1240104t（1969 年 7 月至 197
19、0 年 6 月） 。最小年输沙量 173104t（1969 年 7 月至 1970 年 6 月） 。相差 7 倍。（4）水文分析成果表水文分析成果表见表 2-4表 2-4 QH 河水文分析成果序号 名 称 单位 数量 备注1 利用水文系列年限 年 222 代表性流量多年平均流量 m3/s 21.9调查历史最大流量 m3/s 3980设计洪水洪峰流量（P=1% ） m3/s 4000校核洪水洪峰流量（P=0.1%） m3/s 6550保坝洪水洪峰流量（P=0.01%） m3/s 91003 洪量设计洪水洪量（P=1% ） m3 5.00108 5d校核洪水洪量（P=0.1% ） m3 7.951
20、08 5d4 多年平均径流量 m3 6.941085 多年平均输沙量 t 4311043、水利计算（1）死水位选择为尽可能增加自流灌溉面积，并使电站水头适当增加，力求达到电源自给以及为今后水库淤积留有余地，按 20 年淤积高程考虑，并根据今后运用情况加以计算调整。（2）调节性能的选定灌溉保证率选取 P=75%，水库上游来水，首先满足灌区工农业用水，电站则利用余水发电。按上述原则，并按近期灌溉面积 71.2104亩进行水库调节计算。年调节和多年调节两个方案的水量利用系数和坝高都相关不大，但是多年调节性- 9 -能的水库能提供的电量和装机利用小时数都较年调节性能水库提高 20%。故确定本水库为多年
21、调节性能水库。利用 1949 年 7 月至 1971 年 6 月共 22 年插补水文系列，采用“时历法”进行多年调节计算。（3）兴利水位的确定原则和指标根据 QH 河洪水特性，汛期限制水位在 7、8 月定为 760.7m。7、8 月以后可重复利用一部分防洪库容蓄水兴利，以防洪为主，兼顾兴利为原则，确定 9、10 月限制水位为 766.1m。汛末可以多蓄水。但蓄水位按不超过百年设计洪水位考虑，确定汛末兴利水位为 767.2m。电站的主要任务是满足本灌区提灌用电的要求。因此在保证灌区工农业用水的基础上，确定电站的运用原则：灌溉季节多引水发电，非灌溉季节少引水发电，遇丰水处则充分利用弃水多发电，提高
22、年水量的利用系数。（4）防洪运用原则及设计洪水的确定本水库属二级工程。水库建筑物按百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核。由于采用的洪水计算数值中未考虑历史特大洪水的影响，故用万年一遇洪水作为非常保坝标准对水工建筑物进行复核。工程泄洪建筑物胡溢洪道和导流泄洪洞。溢洪道净宽 60m，分设 5 孔闸门，每孔闸门净宽 12m，堰顶高程 757m。通过施工导流、拦洪、泄洪度汛、非常时期放空水库以及在可能情况下有利于排沙等方面的综合分析和比较，泄洪洞洞径确定为 8m，进口底调和为 703.35m。调洪运用原则：当入库洪水为 20 年一遇时，为满足下游河道保滩淤地的要求，水库控制下泄流量为 600m3/s；当
23、入库洪水为百年一遇时，为提高下游河道的电站、桥梁等建筑物的防洪标准，水库控制下泄流量为 2000m3/s；当入库洪水为千年一遇时，溢洪道单宽流量以 70m3/s 控制泄流；当入库洪水为万年一遇时，按下述原则操作：即库水位接近校核水位时，若水库水位仍持续上涨，为确保大坝安全，溢洪道敞开泄洪，允许溢洪道局部破坏。（5）水库排沙和淤沙计算ZF 水库回水长 25km，河道弯曲，河床宽 300m 左右，河床比降为 2.2%，是个典型的河道型水库。QH 河泥沙年内的 83%集中在 7、8 两个月，平均含沙量为13.8kg/m3，泥沙多年平均 D50 粒径为 0.0155mm，颗粒较细。虽然本水库有可能-
24、10 -利用异重流排沙，但由于流域的水文特性和下游工农业对水源的要求，决定了本水库只能高水头蓄水运用。在蓄水过程中，只能用灌溉和发电的剩余水进行排沙。经计算，多年平均排沙量只占 5.2%，其余大部分的泥沙都淤积在水库中，从而减少兴利库容。（6）水库工程特征值水库工程特征值见表 2-5表 2-5 ZF 水库工程特征值序号 名 称 单位 数量 备注1 设计洪水时最大泄流量 m3/s 2000.00 其中溢洪道 815相应下游水位 m 700.552 校核洪水时最大泄流量 m3/s 6830.00 其中溢洪道 5600相应下游水位 m 705.603 水库水位校核洪水位（P=0.1% ） m 770.40设计洪水位（P=1% ） m 768.10兴利水位 m 767.20汛限水位 m 760.70死水位 m 737.004 水库库容总库容 m3 5.05108 校核洪水位设计洪水位库容 m3 4.63108防洪库容 m3 1.36108兴利库容 m3 3.51108其中共享库容 m3 1.10108死库容 m3 1.051085 库容系数 50.50%6 调节特性 多年7 导流泄洪洞形式 明流隧洞 工作闸门前为有压隧洞直径 m 8 城门洞型压力隧洞 8m消能方式 挑流表 2-5 ZF 水库工程特征值
