1、长春工程学院毕业设计1前 言毕业设计是大学本科教育的最后一个教学环节，也是最重要的教学环节之一。既是所学理论知识巩固深化过程，也是理论与实践相结合的过程。毕业设计是培养学生综合运用所学基本理论知识和基本技能，去解决实际问题和进一步提高运算、制图以及使用技术资料的技巧、完成工程技术和科学技术基本训练的重要环节。使学生从中受到工程师所必需的综合训练，并相应地提高各种能力，如调查研究、理论分析、设计计算、绘图、试验研究、技术经济分析、组织、撰写论文和说明书等等，培养实事求是、谦虚谨慎、刻苦钻研、勇于创新的科研态度和科学精神。经过严格的毕业设计训练，使我们进入工作岗位后，可以较快地适应工作。本次设计的
2、任务是亭子口水利枢纽工程，此工程是以发电为主，兼顾灌溉的综合利用的水利枢纽。本枢纽处于大陆腹地，气候干燥，坝区流道顺直，两岸为不对称河谷，岸坡陡峭。因此在组织设计过程中应充分考虑工程地质条件及处理措施，根据当地的条件选择最优的方案，使之既经济又安全。本工程承担发电、泄水、防洪任务，因此对水工建筑物的稳定、承压、防渗、抗冲等方面都有特殊要求，如要采取专门的地基处理措施和应力条件分析，以确保工程质量，优质完成设计任务。全文包括设计挡水建筑物即挡水坝的，泄水建筑物即溢流坝的设计以及土坝细部构造与坝基处理等部分，详细的介绍了亭子口水利枢纽工程设计的内容。作者：白昱2012 年 6 月长春工程学院毕业设
3、计2第一部分 设计说明书1 基本资料1.1 坝址区自然条件简况设计资料坝址位于峡谷河段内，峡谷河道长约 600m，总体河流流向为 S86E，河谷断面呈“V”型，坝轴线处河谷宽高比约 1.8。枯水期坝址河水位约 290m，水面宽 3050m ，水深 0.53m，局部深 6m，河床覆盖层厚 1932m，河床基岩面高程 258270m。汛期（79 月）最大风速的多年平均值为 9.05m /s，水库吹程约 900m，坝址区场地地震基本烈度为 6 度，鉴于本工程坝高超过 200m，其壅水建筑物的抗震设防应按甲类抗震设防标准进行抗震设防，应在地震基本烈度基础上提高 1 度，即为 7 度。1.2 地址概况设
4、计资料1.2.1 库区工程地质水库区位于溇水上游河段的深山峡谷中，河段多为“U”型和“V” 型峡谷，岸坡陡峻，人烟稀少，水库两岸大部分植被发育良好；水库区很少发育漏斗形的地形，除在坡脚因崩塌易形成常见的含碎、块石堆积体外，一般基岩（灰岩）直接裸露，较难具备形成泥石流的地质环境条件，调查中水库区未见泥石流的迹象，亦没有发生过大的泥石流，除因暴雨形成的山洪冲刷浅表层的覆盖层以外，无大的固体迳流来源。库区基岩裸露，地形险峻，但植被尚较好，固体径流来源少。峡谷深切，人烟稀少，除鹤峰县城外，仅在江坪河、白日垭、五码头、让口、风竹园、南渡江、沈家河、和坪、茶园湾等少数宽谷阶地或碎屑岩缓坡上有少量农户居住，
5、淹没损失小。库区以岩溶峡谷为主，地下水排泄条件较好，耕地极少，主要岩溶洼地（槽谷）有：关庄坪杨柳垭鹤峰岩溶洼地（槽谷） ，高程为 580m1000m；石龙洞凉水井岩溶洼地（槽谷） ，高程为 700m1000m；杨柳坪岩溶洼地（槽谷） ，高程为 700m900m；九洞坪七男坪岩溶洼地（槽谷） ，高程为 760m800m；梅坪岩溶洼地（槽谷） ，高程为 725m750m；红鱼坪岩溶洼地（槽谷） ，高程为 640m720m；曲溪岩溶洼地（槽谷） ，高程为 600m650m；柘坪岩溶洼地（槽谷） ，高程为 550m。其地面高程均在高程 550m 以上，不存在岩溶洼地等的浸没问题。长春工程学院毕业设计3
6、1.2.2 坝址区工程地质坝址区为岩溶峡谷，两岸山体雄厚，地貌形态以溶蚀峰丛洼地为主，次为剥蚀垄丘坡地，层状地貌较明显。左右岸均有不对称冲沟发育，在坝址 1.5km 范围内共发育大小冲沟 13 条(左岸 7 条，右岸 6 条)，冲沟发育深度一般为 2050m，冲沟两侧一般为陡坎，一般沿垂直河流方向(近南北向) 发育，局部地段追踪北西、北东向断层延伸方向发育，其中、号 5 条冲沟有常年流水，其余冲沟有季节性流水。除冲沟覆盖层局部较深外，余者基岩裸露，但由于岩层的差异风化作用，在悬崖和陡坡下形成有两级相对较缓的条带状台地。岸坡多为悬崖和陡坡，高程 350m 以下两岸峭壁耸立，以上地形陡峻，坡角 3
7、065。1.3 坝基岩石及砂砾石的物理学性质资料1.3.1 建造材料及水源资料坝址附近缺少大规模土料料场，但坝址区块石料储量丰富，质量较好，蓄量丰富，粗骨料可满足要求。1.3.2 粘土的物理力学指标在天然状态下：粘粒含量 30%40% ；天然含水量 23%24%；塑性指数 1517；不均匀系数 50；有机质含量 0.4%；水溶盐含量 2%；塑限 17%19%；比重 2.72.72。扰动后的主要物理力学指标为干容重 16.50kN/m3;饱和容重 20.60kN/m3；浮容重0.60kN/m3；渗透系数 210-6cm/s。1.3.3 筑坝材料物理力学参数筑坝材料物理力学参数见表（1-1） 。表
8、 1-1 筑坝材料物理力学参数表料场 岩石野外定名 风化程度颗 粒密 度(g/cm3)饱和密度(g/cm3)干密度(g/cm3)饱 和吸水率(%)孔隙率(%)饱和抗压强 度(M Pa)干燥抗压强 度(M Pa)软化系数含砾冰碛砂岩 微 新鲜 2.724 2.717 2.713 0.16 0.39 67.8 79.6 0.85栗山坡 冰碛砂岩(灰偏灰绿色) 微风化 2.74 2.73 2.73 0.14 0.55 104 133 0.78长春工程学院毕业设计4冰碛砂岩(灰色) 微风化 2.75 2.74 2.73 0.17 0.55 64.4 84.1 0.77冰碛砂岩(灰绿色) 微风化 2.7
9、74 2.766 2.761 0.17 0.36 77.3 94.0 0.82白云质灰岩 弱风化 2.77 2.62 2.54 3.27 8.12 44.3 64.7 0.68灰岩(深灰色) 微风化 2.73 2.72 2.72 0.20 0.52 50.4 62.2 0.81灰岩(浅灰色) 弱风化 2.72 2.70 2.69 0.37 0.95 42.0 50.8 0.83白岩尖瘤状灰岩 弱风化 2.73 2.72 2.71 0.30 0.91 42.8 56.0 0.761.4 水库特征表特征水位与流量见表（1-2） 。表 1-2 特 征 水 位、流 量 表名 称 洪峰流量 m3/s 下
10、泄流量 m3/s 库水位 m 下游水位 m正常蓄水位 - - 470.0 -可能最大洪水(大坝校核洪水位) 11600 8850 475.14 309.04P=0.1%洪水(大坝设计洪水位) 9370 6180 471.90 306.06P=0.2%洪水(厂房校核洪水位) 8600 6070 470.90 305.92P=1%洪水(厂房设计洪水位) 6880 5720 470.00 305.47防洪限制水位 - - 459.70 -死水位 - - 427.00 -2 设计任务2.1 依据资料进行坝型选择和设计根据给定的地形、地址、水文及施工运行方面的资料对选定的坝轴线，坝型进行论证。确定枢纽主
11、要建筑物的组成，根据建筑物及其要求确定主要建筑物在枢纽布置中的现对位置。长春工程学院毕业设计52.2 主要建筑物设计2.2.1 挡水坝坝段的设计确定挡水坝的使用部面及轮廓尺寸，并进行渗流分析、坝体稳定。绘出最大处挡水坝横剖面图。2.2.2 溢洪道的设计确定泄洪道的基本部面及轮廓尺寸，进行水利计算及稳定。3 枢纽建筑物及其布置3.1 工程标准水库总库容为 13.66 亿 m3，电站总装机容量为 450MW。按照 DL5180-2003水电枢纽工程等级划分及设计安全标准规定，本工程属一等大(1)型工程。3.2 水工建筑物级别挡水建筑物、泄洪建筑物等主要永久建筑物为 1 级建筑物，输水发电系统中发电
12、进水口、主厂房、副厂房、开关站出线场等主要永久建筑物，按电站装机容量相当于二等大(2)型工程，按 2 级建筑物设计，其余次要建筑物为 3 级建筑物。3.3 坝型选择坝型选择要根据地形条件、地质条件、筑坝材料、施工条件、气候条件及坝基处理等各种因素，要求宣泄洪水情况，地震情况及枢纽任务，初步拟定几种坝型进行定性比较，选定技术上可靠、经济上合理的坝型。本设计限于资料只作定性的分析来确定土石坝坝型的选择。3.3.1 均质坝均质坝坝体材料单一，施工方便，当坝址附近有数量足够的适宜土料时可以选用，这种坝所用的土料的渗透系数较小，施工期坝体内会产生空隙水压力，影响土料的抗剪度，所以坝坡较缓，工程量大；此外
13、铺土厚度薄、填筑速度慢、施工容易受降雨和冰冻影响，不利于加快进长春工程学院毕业设计6度、缩短工期。一般适用于中、低坝。工程量太大，故不采用此方案。3.3.2 斜墙坝雨季和寒冷季节可先上透水料争取工期；坝基处理可与斜墙及坝壳填筑同时进行，不影响坝体施工；斜墙位于透水坝壳之上，如坝壳沉陷较多，将影响斜墙开裂；库水位降落时斜墙孔隙水来不及排出时，影响上游坡稳定；与岸坡及混凝土建筑物连接不如心墙坝；斜墙与地基接触应力比心墙小，与基础结合不如心墙坝，故不采用此方案。3.3.3 面板堆石坝工程量较小，施工方便。在具有大型振动碾等条件下，有很强的竞争力坝型。堆石坝施工干扰相对较小。但是由于河床地质条件较差，
14、河床覆盖层一般为 30 米40 米，最大深度达 70余米，作为堆石坝可能导致大量的开挖，此方案不予考虑。3.3.4 心墙坝适应变形能力强，抗震性能较好，两岸的连接较为方便，坝址附近料场满足供应要求，故优先考虑此坝型，且根据地形条件、地质条件、筑坝材料、施工条件、气候条件等，最终决定采用心墙坝方案。因此最终选用心墙坝方案。3.4 枢纽建筑物及其布置3.41 枢纽组成建筑物（1）挡水建筑物：土石坝。（2）泄水建筑物：溢洪道。3.4.2 枢纽总体布置（1）挡水建筑物土坝挡水建筑物按直线布置，坝布置在河弯地段上。（2）泄水建筑物溢洪道泄水建筑物采用溢洪道，溢洪道布置在坝体的左侧。长春工程学院毕业设计7
15、4 挡水坝段设计大坝剖面轮廓尺寸包括坝顶高程，坝顶宽度、上下游坝坡、防渗体等排水设备。4.1 坝顶高程坝顶高程分别按正常情况、非常情况下的两种方案来计算大坝的高程，最后计算出数据取最大值，同时并保留一定的沉降值.坝顶高程在水库正常运用和非常运用期间的静水位以上应该有足够的超高，以保证水库不漫顶，其超高 按下式计算：h(4-1)AeRh式中：波浪在坝坡上的爬高，m ；风浪引起的坝前水位壅高，m；e安全加高，m。根据坝的级别和运行情况按下表 4-1 选用。A表 4-1 土坝坝顶的安全超高 单位：m 查碾压式土石坝设计规范波浪的爬高 可按用蒲田实验站公式计算：RlLhmKR21（4-2） 45.02
16、018.2vgDhl（4-3）（4-iihL254）式中：平均波高， ；hm多年平均风速， ，正常情况下 ，非常情况下 ；vs/ V)0.251(坝的级别 、正常运行 1.50 1.00 0.70 0.50非常运行（a） 0.70 0.50 0.40 0.30非常运行（b） 1.00 0.70 0.50 0.30长春工程学院毕业设计8水库吹程，本设计取 ；DmD90经验系数，根据计算无维量查碾压式土石坝设计规取 1.0；wK斜坡糙率及渗透性系数， ，取 ； 80.75K80.K折减系数，风向与坝轴垂线的夹角为 0，查得折减系数 ； .1平均波长， 。lLm风壅水面高 e 按下式计算：cos2g
17、HDKv（4-5）式中：K综合摩阻系数，取 ；610.3多年平均风速， ，正常情况下 ，非常情况下 ；vsm/ V)0.25(水库吹程，本设计取 ；DD9风向与坝轴线方向所成的夹角，=0；H水库的平均水深，m。结果取正常、非常情况两者之大者，并预留一定的沉降值.结果见下表（4-2） 。表 4-2 坝顶高程计算成果表计算情况计算项目设计情况 校核情况上游水位（m） 471.90 475.14河地变程（m） 290.86坝前水深 H(m) 184.04 184.28吹程 D(km) 0.9风向与坝轴线夹角 0 0风速 v(m/s) 17.9 9.05经验系数 Kw 1.00长春工程学院毕业设计9坝
18、坡糙率系数 K 0.80初拟上游坝坡 m 1.6波浪爬高 R（m） 0.655 0.584风壅水面高度 e（m） 0.0005 0.0002安全超高 A （m） 1.5 0.7地震涌浪高度（m） 1.5防浪墙（m） 1.2坝顶高程（m） 474.06 476.42坝高 181.70 184.36坝顶高程加 1%沉陷(m) 474.67 477.07设计情况取坝顶高程为 476.42m，坝高 184.36m，4.2 坝顶宽度坝顶宽度取决于施工、交通、构造、运行、抗震与防风等要求。如坝顶设置公路或铁路时，应按交通要求确定。SL274-2001碾压式土石坝设计规范规定：高坝顶宽可选为 ，中、低坝顶宽
19、选m150为 。对心墙或斜墙坝还需要满足其墙顶和两侧反滤层的布置要求。在寒冷地区，还应使m105心墙或斜墙至坝面的最小距离大于当地冻土层厚度，以免防渗体冻融破坏。查水工设计手册可知，当坝高大于 时，应按 确定坝顶宽度，即m10HB。HB46.130.8确定坝顶宽为 。mB4.3 坝坡的确定土石坝边坡的大小取决于坝型、坝高、筑坝材料、荷载、坝基性质等因素，且直接影响到坝体的稳定和工程量的大小，边坡选择一般从以下几方面选择：（1）由于土石料在饱和状态下抗剪强度降低，且库水位下降时，渗流力指向上游，对上游坝坡稳定不利。所以土料相同时，上游坡应比下游坡缓；（2）从坝型上看，心墙坝其下游坡稳定受心墙土料
20、特性影响较大，故下游坡一般较斜墙坝长春工程学院毕业设计10缓；（3）从受载情况看，为适应越向底部荷载逐渐增加的特征，坝坡应上陡下缓，且土石坝上下游一般做成变坡的，自上而下逐渐变缓，相邻坡率差为 0.250.5。综上，参考已建工程，拟定该土石坝坡分别为：上游：1：2.5 1：2.75 1：3.00 下游：1：2.25 1：2.5 1：2.754.4 坝体排水设备坝体排水主要是控制和引导渗流，降低浸润线，加速孔隙水压力消散，以增强坝的稳定性，防止渗透变形，并保护下游坝坡免遭冻胀破坏。坝体排水有一下几种形式：（1）棱体排水，又称为滤水坝趾。是在下游坝脚处用块石堆成的棱体。棱体与坝体以及 土质之间均应
21、设置反滤层。在棱体上游坡脚出应该尽量避免出现锐角。棱体排水可以降低浸润线，防止坝坡冻胀，保护尾水范围内的下游坝坡不受波浪淘刷，还可以与坝基排水相连。（2）贴坡排水，又称为表面排水。排水顶部必须高于浸润线逸出点，对于 1 级、2 级坝不小于 2m，对于 35 级坝不小于 1.5m。贴坡排水可以防止坝坡土发生渗流破坏，保护坝坡免受下游波浪淘刷，但不能有效的降低浸润线，且易因冰冻而失效。（3）坝内排水。包括褥垫排水层，网状排水层、网状排水带、排水管、竖式排水体等。当下游无水时，褥垫排水能有效地降低浸润线，有助于坝基排水，加速软粘土地基的固结。 主要缺点是对不均匀沉降的适应性差，易断裂.，且难以检修。当下游水位高于排水设施时，降低浸润线的效果将显著降低。本地区石料比较丰富，采用堆石棱体排水比较适宜，它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。按规范棱体顶面高程高出下游最高水位 1m 为原则，上游校核洪水时下游为最高水位水位309.04m 最后取 410.04m，堆石棱体内坡取 1:1.5，外坡取 1:2，顶宽 2.0m。在下游坝坡设纵横连通的排水沟，沿坝与岸坡的结合处，也设置排水沟，一般设于马道内侧，沿坝轴线方向每隔 100m 设置排水沟。
