水工建筑物课程设计(土石坝设计).pdf

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1、 水工建筑物课程设计任务书-1-水 工 建 筑 物 课 程 设 计 任 务 书（）学院名称：能源与环境学院 专业：水利水电工程 年级：2008 级 1 设计题目 黑河水利枢纽土石坝设计 2 主要内容 本工程采用混合式开发，开发任务为发电，兼顾下游环境与生态用水。该枢纽挡水建筑物为土石坝，坝体防渗体材料采用粘土；泄洪建筑物为布置在右岸的水工隧洞；引水发电隧洞亦布置在右岸。枢纽主要工程参数：（一）发电及水库特征（1）、本电站装机容量_万千瓦。（2）、水库校核洪水位：_m；水库设计洪水位：_m；水库正常蓄水位：_m，设计死水位：_m；正常蓄水位以下相应水库库容_m3。（3）、厂房型式为引水式发电厂房

2、。（4）、坝底高程为 _ _m。（5）、多年平均最大风速_ _m/s，库面吹程_ _km，风向与坝轴线垂直。（6）、土石坝坝型为粘土_ _堆石坝。（二）地震设计烈度为 度。（三）河床处坝基相对不透水层埋深_ _m。（四）其他 _ _。黑河水利枢纽设计资料说明：黑河水利枢纽位于四川省阿坝藏族羌族自治州九寨沟县境内，是白水江河干流水电规划“一库七级”开发方案的龙头水库梯级电站。首部枢纽距九寨沟县县城约 74km，厂区距九寨沟县县城约 54km，若尔盖九寨沟公路从工程区通过，对外交通方便。（一）水文（1）流域概况 白水江系白龙江的一级支流，发源于岷山山脉东麓，分为黑河和白河两源，两源于黑河桥汇合后始

3、称白水江，自西北向东南流，流经九寨沟县白河乡、安乐乡、城关、双河乡，自柴门关出四川境，流入甘肃省文县，于碧口汇入嘉陵江一级支流白龙江。白水江九寨沟县境内河道长约 50km。该河段南部与平武县境内的火溪河为界；西南部与松潘县岷江源头分水；西北毗邻黄河的黑河流域；北接白龙江。水工建筑物课程设计任务书-2-白河发源于岷山弓杠岭斗鸡台，由西南向东北流经九寨沟县的上四寨、塔藏乡后折向东南，右岸纳入九寨沟，于黑河桥与西北流入的黑河相汇。白河全长 57km，流域面积 1334km2，流域形状呈扇形，南北长约 50km，东西宽约 40km，河网水系呈树枝状分布。白河河道平均比降 20。黑河上源称热摩柯，自南向

4、北流，至大录汇入芝麻沟后折向东流，于玉瓦乡转向东南流，至黑河桥白河从右岸汇入。黑河全长 139km，流域面积 2613km2，流域形状略成矩形，平均比降 13。白水江流域地貌属高山峡谷类型，地势西北高、东南低，分水岭山地海拔都在 4000m 以上，其中以松（潘）南（坪）交界的朵尔纳最高，海拔高程为 4764m。黑河流域地处青藏高原东南缘的岷山山脉东部，地理位置界于东经 10330至 10420与北纬 3250至 3340之间，流域边缘雪峰环绕流域内山势盘错，地势高亢，坡陡谷深。河道坡降大，水流湍急，河谷多呈 V 型，切割较深。域内广大山地坡面皆有森林覆盖，喀斯特地貌发育，分布有大量湖泊（海子）

5、，黑河大录神仙池有 10 余个湖泊。黑河流域支沟众多，河系呈羽毛状分布，较大支沟有芝麻沟、八朗沟、绕纳沟、羌活沟等。黑河电站是白水江（大录青龙）水电规划“一库七级”中的龙头水库，混合式开发，坝、厂址均位于黑河上；电站坝址位于玉瓦乡根扎村上游，控制集水面积 1311km2；厂址位于八朗沟沟口上游，控制集水面积 1545km2。（2）气象 白水江流域位于川西北高原的东北部，毗邻青藏高原，其气候具有川西高原气候的特点。气候具有干、雨季分明，夏短冬长，日照充足，气温较低，年较差小而日较差大等高原大陆性气候特征。气候分布的总趋势是降水随海拔的增高而增大，气温随海拔的增高而降低，高山多雨湿冷、河谷少雨干暖

6、，光照丰富，降水量少，流域西北部、西南部冷而潮润，东南部河谷、半山地带暖而干燥。黑河坝、厂址无任何实测气象资料，距坝址直线距离约35km处的九寨沟景区内九寨沟管理局从2000年起设立有则查洼简易气象站（台高 2400m）；距坝址直线距离约 60km 的九寨沟县城内设有九寨沟气象站（台高 1406.8m）。由于两气象站距电站较远，其间有高山阻隔，且九寨沟气象站与电站坝址高程相差较大，因此在设计中供参考使用。查洼气象站资料表明，多年平均气温 7.4，多年平均降水量 663.5mm，多年平均相对湿度为 69%，多年平均风速 1.0m/s，历年最大风速 12.3m/s；九寨沟县气象站资料统计，多年平均

7、气温 12.6，极端最高气温 35.8，极端最低气温-10.3；多年平均相对湿度为 65%；多年平均年蒸发量 1393.0mm；多年平均年降水量 567.3mm、降水日数 140.1d，最大一日降水量 51.3mm；多年平均风速 2.1m/s，历年最大风速 13m/s，相应风向 N。多年平均积雪日数全年为 4.4 天，最大积雪深度为 7cm；最大冻土深为 10cm。（二）工程地质（1）水库区工程地质条件 水库正常蓄水位为 2372m 时，回水至八屯河坝，库长约 7km。正常蓄水位以下，香扎沟口的香扎寺庙、沟对面公路旁边的两座民居及一个林场宿舍、库区沿河两岸局部少量耕地，以及左岸若九公路库区段将

8、被淹没。库区内无重要矿产及文物分布。该水库属高山峡谷型水库，两岸无低于正常蓄水位的负地形；库尾八屯级阶地阶面高程为 23742375m，高出正常蓄水位约 34m，阶地组成物为含漂砂卵砾石层，毛管水作用微弱，蓄水后地下水位壅高有限，不致产生浸没危害，故水库不存在浸没问题。库区两岸山体雄厚，相对高差为 15002000m，附近无低于正常蓄水位的深切邻谷分布；库盆岩性以砂岩为主夹板岩、千枚岩，及少量灰岩，灰岩厚度较小，岩溶极其微弱，仅见少量溶隙、溶槽；岩体 水工建筑物课程设计任务书-3-完整性较好，无区域性大断裂分布，因此，水库不存在向邻谷渗漏的问题。库区地层走向与河谷大角度相交，主要结构面以层面为

9、主，其次是产状为 N60E/NW5060和N12E/SE6575两组裂隙的切割与组合，局部库岸存在不利的小型块体，水库蓄水后，可能产生小规模的塌滑失稳，但对库岸边坡的整体稳定性不会构成影响。右岸岸坡下部堆积少量崩坡积、坡残积块碎石土，结构密实，植被发育，并且大部分处于正常蓄水位以下；左岸覆盖层分布相对较广，厚度也相对较大，主要为岸坡坡脚崩坡积块碎石土，结构松散，局部架空；各冲沟沟口附近堆积的少量洪积含漂（块）碎砾石土，结构密实，天然状态下，可形成高达 1015m 的陡坎，大部分处于正常蓄水位以下。故水库蓄水后覆盖层岸坡段的边岸再造问题不突出。但左岸库尾烧古沟下游约 1km 和水库中段干沟下游约

10、 500m，坡体均为冰川冻融堆积含块碎石土（glQ3），厚度大，在库水长期消落冲刷、浪蚀作用下，可能产生塌岸，下阶段需对该库段作进一步研究。库区左岸冬沃沟、烧古沟、干沟均为浅切冲沟，沟床坡降平缓，沟口堆积的洪积含漂块碎砾石土，结构密实，在天然状态下可形成高达 1015m 的陡坎；冲沟两岸多为基岩，仅坡脚及沟底有少量松散堆积物，且植被也比较发育，亦未发现新近泥石流的活动迹象，当属衰退期古老泥石流沟，预测工程寿命期不会有大规模泥石流发生。香扎沟位于库区中部右岸，距坝址约 5km，是库内规模最大的冲沟，长约 4km，汇水面积 8 km2，沟床平均纵坡降较大。调查表明，冲沟沟口仅为小规模洪积扇，未见大

11、规模泥石流活动迹象；沟坡两岸以基岩为主，仅坡脚及沟底有少量崩坡积块碎石土分布；其右岸中部一带有类黄土，呈阶梯状分布，平均坡度 2030，现为民居及耕地，坡体未见变形迹象，岸坡整体稳定，不会构成泥石流的物源。因此，香扎沟属清水沟，不具备发生大规模泥石流的地形地质条件，除携带一定量的固体径流物入库外，不会影响水库正常运行。黑河埃沟切割较浅，沟口狭窄，两岸以基岩为主，仅坡脚及沟底堆积少量崩坡积块碎石土，植被也非常发育，以灌木林为主，夹直径约 2030cm 乔木。其右岸中上部黑河埃一带分布有少量灰黄浅黄色类黄土，呈阶梯状分布，地形坡度 2030，分布面积较小，平均厚度仅 2m 左右，坡体未见变形迹象，

12、整体稳定，不致构成泥石流的物源条件，调查中，也未发现任何泥石流的迹象。因此，该沟不具备发生大规模泥石流的可能性。库内不存在区域性断裂，不具备水库诱发构造地震的地质条件。库区岩体总体透水性微弱，库水入渗条件差，水库蓄水对库盆岩体孔隙水压力改变的影响微弱，因此，因孔隙水压力改变而诱发地震的可能性不大；该水库最大壅水高 105m，库容为 5622 万 m3，蓄水后库盆上覆水荷载增加，有诱发水库地震的“荷载改变”条件，但据工程类比，预计诱发水库地震的可能性不大。（2）坝址工程地质条件 坝址区位于黑河埃沟下游 1.7km 的河弯段，河道呈蛇形弯曲，右岸山脊单薄，河谷总体上与地层走向呈大角度相交，属横向谷

13、。枯水期河水位高程 2249m，河水面宽度 1020m，两岸地形完整，山体浑厚，无较大的冲沟发育，但地形坡度变化较大，右岸及左岸上部多呈陡崖，坡度约 5070，右岸下部坡度一般为 3040，河谷呈不对称“V”型谷。区内出露的基岩地层为二叠系下统黑河组下段第五层（P1h15）青灰色长石石英砂岩为主，夹少量板岩和千枚岩，厚度 250300m。下部（P1h15-1）为厚层块状长石石英砂岩，厚约 150m；上部（P1h15-2）为中薄层长石石英砂岩夹板岩和千枚岩，厚度约 200m 左右。河床覆盖层厚度 33.55m，右岸大多基岩裸露，仅表部零星分布少量坡残碎石土层，厚度较小，一般25m，而左岸及下游段

14、覆盖层分布范围较广，厚度较大。水工建筑物课程设计任务书-4-坝址区在构造上位于陵江大录背斜北东冀，为单斜构造，地层产状：N4050W/NE6080，产状较稳定。区内构造简单，除局部发育次级褶曲外，小断层、层间及层内错动带、构造破碎带不甚发育，岩体较完整，结构面以层面裂隙为主，其次有两组优势节理：N5070E/SE7075；N4060E/NW7080。区内山体浑厚，地形较完整，无冲沟分布，未见滑坡、变形体、泥石流等不良物理地质现象，局部段有崩塌危岩体分布，但规模不大。工程区水质类型为 HCO3-Ca 型水，PH=8.18.3，均对混凝土无腐蚀性。坝址区工程岩、土物理力学参数指标建议值见表 1。表

15、 1 坝区覆盖层物理力学参数建议值表 分 类 名 称 天然 密度 允许承 载 力 压 缩 模 量 渗透系数 抗剪指标 允许比降 凝聚力 摩擦角 d F R ES k c g/cm3 kPa MPa cm/s MPa 度 崩坡积块碎石土层 2.05 250300 1520 5.1610-3 0 2527 0.10.12 含漂砂卵砾石层 2.1 250350 2030 1.010-1 0 2729 0.070.1 含块碎砾石夹土层 2.15 400500 3040 4.2710-3 0 2325 0.150.2（三）筑坝材料 距黑河电站挡水土石坝比较近的防渗土料料场共有 9个可供选用，其力学性能参

16、见表 2 和表 3 所示。表 2 黑河电站防渗土料室内力学性试验成果汇总表 料场 名称 制样控制条件 压缩试验(0.10.2MPa)渗 透 变 形 试 验 直剪试验(饱、固、快)干密度 含水率 压缩 系数 压缩 模量 临界 坡降 破坏 坡降 渗透系数 破坏 类型 凝聚力 摩擦角 d aV ES ik if k20-C g/cm3%MPa-1 MPa-cm/s-kPa()香扎 1.85 14.3 0.145 10.050 2.2610-7 流土 15.46 18.01 八屯-1 1.88 13.3 0.172 8.511 1.2310-7 流土 23.16 16.0 八屯-2 1.80 16.6

17、 0.121 12.579 1.0410-6 流土 10.16 21.48 冬沃 1.94 12.8 0.142 9.852 1.8210-7 流土 19.01 16.43 班藏 1.64 17.6 0.171 9.852 4.7710-7 流土 12.59 17.91 大巴山 1.71 15.5 0.139 11.364 5.5210-6 流土 5.90 19.48 小巴山 1.69 16.7 0.114 14.084 6.2910-6 流土 3.16 21.37 沙勿-1 1.92 13.5 0.184 7.772 8.8110-8 流土 22.39 16.69 沙勿-2 1.85 14.

18、0 0.115 12.82 4.9310-7 流土 17.85 18.72 水工建筑物课程设计任务书-5-表 3 黑河电站防渗土料击实试验成果表 试 验 编 号 击实功能 最大干密度 最优含水率 5mm含量 Ec dmax 0p kJ/m3 g/cm3 香扎 604 1.85 14.3 100 八屯-1 604 1.88 13.3 100 八屯-2 604 1.80 16.6 100 冬沃 604 1.94 12.8 100 班藏 604 1.64 17.6 100 大巴山 604 1.71 15.5 100 小巴山 604 1.69 16.7 100 沙勿-1 604 1.92 13.5 1

19、00 沙勿-2 604 1.85 14.0 100 渗流计算参数参见表 4。表 4 平面渗流计算参数表 材 料 渗透系数 允许水力坡降 名 称 K（X）K（Y）J 上、下游坝壳堆石体 1 10-1 1 10-1 过渡层 1 10-2 3 10-2 上游反滤层 8 10-3 8 10-3 下游反滤层 5 10-3 5 10-3 混凝土防渗墙 1 10-7 1 10-7 防渗粘土 5 10-7 5 10-7 8 帷幕 5 10-5 5 10-5 20 含漂沙卵砾石层 1 10-1 1 10-1 0.10.12 含漂沙卵砾石夹土层 4.2710-3 4.2710-3 0.150.20 基岩(弱风化)

20、5 10-7 5 10-7 基岩(微新)1 10-7 1 10-7 上、下游坝壳填筑砂石料采用 3 个分区设计。1 分区为反滤区，抗剪参数 C 为 0，为 42.8，设计容重 22.3kN/m3；2 分区为过渡区，抗剪参数 C 为 0，为 41.6，设计容重 21.2kN/m3；3 分区为坝壳堆石区，抗剪参数 C 为 0，为 40.5，设计容重 20.3kN/m3。3 具体要求 每个学生应根据自己的工程参数和基本工程资料在规定时间内，独立完成下列成果：（1）设计说明书一份。要求分章节次序，采用 A4设计纸来书写。其中计算内容主要包括有关参数的确定、剖面设计的相关计算、利用相关软件进行的坝坡稳定

21、计算、坝体浸润线计算等；说明内容主要包括基本资料说明、枢纽布置说明、剖面设计说明及细部构造说明（包括坝顶构造、护坡、坝体排水）等。水工建筑物课程设计任务书-6-（2）设计图纸。完成图纸主要包括：土石坝平面布置图，土石坝横剖图，细部构造图等。要求线条清晰匀称、比例适当、尺寸与符号注解齐全，符合工程制图的要求，必要时应有简明注释。4 主要技术路线提示（1）、确定工程等级。（2）、在已知正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位及地震设计烈度的前提下，确定坝顶高程和防 浪墙顶高程。（3）、参照已建类似工程、规范及相关参考资料初步拟定上、下游坝坡坡率。（4）、坝体横剖面各分区（包括坝体排水设备）的设计。（5）

22、、河床典型横剖面的浸润线计算（只考虑正常蓄水位时相应的稳定渗流期工况）。（6）、根据坝体各分区填筑料相关参数，利用相关软件进行坝体的稳定验算。若不满足稳定要求，应修正剖面尺寸重新验算，直至满足稳定要求为止。（7）、防浪墙的尺寸拟定。（8）、细部构造设计 参照碾压式土石坝设计规范 SL274-2002、水工建筑物教材及其他相关参考资料完成：1）护坡 及马道设计；2）坝顶路面构造设计。5 进度安排（1）、第一天：布置设计任务，阅读任务书和参考资料。（2）、第二天至第五天：完成结构布置和全部计算。（3）、第六天至第七天：完成设计说明书的手写或计算机录入。（4）、第八天至第九天：完成设计图纸的绘图工作

23、。（5）、第十天：上交全部设计成果并答辩。6 完成后应上交的材料（1）、水工建筑物课程设计任务书；（2）、课程设计说明书；（3）、设计图纸。7 推荐参考资料（1）河海大学左东启主编.水工建筑物.南京：河海大学出版社，1995（2）天津大学林继镛主编.水工建筑物.第五版.北京:中国水利水电出版社，2009（3）黄河水利委员会勘测规划设计研究院.碾压式土石坝设计规范 SL274-2002.北京：中国水利水电出版社，2002（4）华东水利学院.水工设计手册.第四卷（土石坝）.北京：水利电力出版社，1984（5）电力工业部中南勘测设计研究院主编.水工建筑物荷载设计规范 DL5077-1997.北京：中国电力出版社，1998（6）中华人民共和国水利部.水利水电工程等级划分及洪水标准 SL252-2000.北京:中国水利水电出版社，2000 指导教师 签名 日期 年 月 日 系 主 任 审核 日期 年 月 日