水利水电工程专业专项设计说明书水工建筑物课程设计题目：土坝设计（金家坝水利枢纽）班级：水电1141姓名指导教师：老师长春工程学院水利与环境工程学院水工教研室2013 年 12 月 23日目录前言 (3)1 基本资料及设计数据 (4)2 枢纽布置 (8)3 土坝设计 (9)4 参考文献 (15)前言水工建筑物课程设计是一门基础课程，水工建筑物设计对于一个水利水电专业的学生来说，有特别重要的作用，水工设计是学生在跨出校门，走上工作岗位之前，学校安排的一次重要的设计课程。

设计对于锻炼一个学生的动手能力起到相当重要的作用。

本次设计目的在于培养学生的动手能力以及具体问题具体分析的能力，做设计的同学都知道，理论与实际并不完全一样。

设计过程中会遇到课本上没有包括的情况，这就要求学生们能够联合所学知识跟实际遇到的工程概况，来对这其中的水工建筑物做适合的设计调整，以适合实际工况。

此次设计开始于2013年12月15日，结束于2013年12月23日。

设计期间在孙立宇老师的精心指导下，在同学们的不懈努力下。

设计得以很好的完成。

设计中，由于学生水平有限以及所借资料比较陈旧。

所以，设计中有很多不足之处，甚至还存在错误之处。

这些，望老师给予指正。

我们一定虚心学习，努力学习。

在今后的工作生涯中，一定可以不断地完善自己，充实自己。

1. 基本资料1.1基本资料1.1.1工程概况水电枢纽工程位于乌江流域下游一级支流甘龙河的中游。

河流全长106km，河道天然落差804m，平均比降7.1‰，流域总集水面积1700km2。

1.1.2设计依据本阶段对上述内容进行复核。

根据《防洪标准》（GB50201-94）和《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）的有关规定，按照水库总库容划分，本工程为二等工程，工程规模为大（2）型，主要建筑物中的挡水坝、岸坡式溢洪道和引水洞进水口建筑物级别为2级，引水发电系统和电站厂房建筑物级别为3级，次要建筑物级别为3级，临时建筑物级别为4级。

洪水设计标准为：挡水坝和岸坡式溢洪道的正常运用洪水重现期为100年，非常运用洪水重现期为2000年；厂房的正常运用洪水重现期为50年，非常运用洪水重现期为200年；消能防冲建筑物的洪水设计标准为50年。

1.1.3地形地质资料1.2 设计数据1.2.1 设计参数表（a) 特征水位与流量（1）上游特征水位正常蓄水位445.00m 设计洪水位（P＝1％）445.00m 校核洪水位（P＝0.05％）446.31m 死水位407.00m （2）下游特征水位设计洪水（P＝1％）时下游水位362.30m 校核洪水（P＝0.05％）时下游水位364.12m 最低尾水位323.52m 设计洪水（P＝2％）时厂房尾水位332.61m 校核洪水（P＝0.5％）时厂房尾水位333.70m（3）流量多年平均流量26.9m3/s多年平均年径流量8.49×108m３表1 各级频率洪水的下泄流量（b) 气象资料（1）风速及吹程多年平均最大风速18m/s多年平均风速0.8m/s吹程 1.0km（2）气温多年平均气温14.9℃极端最低气温-7.8℃极端最高气温37.5℃（c) 地震烈度根据《中国地震烈度区划图》、《中国地震动峰值加速度区划图》（GB18306-2001），划定本工程区地震动峰值加速度为0.05g，地震基本烈度为Ⅵ度，因此确定地震设计烈度为Ⅵ度。

（d) 泥沙资料多年平均含沙量0.698kg/m3多年平均悬移质输沙量59.2×104t多年平均推移质输沙量 5.92×104t坝前50年泥沙淤积高程367.84m1.2.2 建筑材料（1）土石料分布、储藏状况砂砾料与粘土分布在坝址上下游，储量丰富，开采运输方便。

（2）筑坝材料物理力学指标a..粘性土天然状态：粘粒含量30%~40%，含水量23%~24%，塑性指数15~17，不均匀系数50有机质含量0.4%，水溶性盐类含量2%，塑限17%~19%比重2.7~2..72。

b. 扰动后粘性土：干容重γd =16.5kn/m 3，浮容重γ′=10.6 kN/m 3，渗透系数k=2×10-6cm/s.内摩擦角Φ=18○ ，水上内粘聚力C =26KPa 水下内粘聚力C =10KPa 。

内摩擦 角Φ′=27○ ，内粘聚力C ′ =6KPac.壤土天然状态：粘粒含量15%~25%，含水量20%~22%，塑性指数8~11，不均匀系数12有机质含量0.4%，水溶性盐类含量2%，塑限17%~19%比重2.7~2..72。

d.扰动后壤土：干容重γd =16.5kN/m 3，湿容重γ=19.5kN/m 3，浮容重γ′=10.6kN/m 3，渗透系数k=2.8×10-5cm/s.内摩擦角Φ=25○ ，水上内粘聚力C =20KPa 水下内粘聚力C =8KPa 。

内摩擦角Φ′=27○ ，内粘聚力C ′ =6KPae.砂砾石：渗透系数k=3×10-3cm/s. 水上内摩擦角Φ1=29○ ， 水上内摩擦角Φ1′′=32○ ，水下内摩擦角Φ2=27○ ，水下内摩擦角Φ2′=30○，最大孔隙比e max =0.98，最小孔隙比e min =0.58,比重G=2.7，不均匀系数15=η2. 枢纽布置2.1.1水利枢纽建筑物组成水电枢纽工程由挡水坝、岸坡式溢洪道、引水隧洞和发电厂房组成，总库容1.58×108m3。

2.1.2 工程规模可研设计阶段，确定本工程属于Ⅱ等大（2）型工程，拦河坝、泄水建筑物及引水洞进水口建筑物级别为2级，引水发电系统和电站厂房建筑物级别为3级，临时建筑物级别为4级。

3. 土坝设计3.1 大坝轮廓尺寸拟定3.2.1确定防渗料及坝壳堆石料的填筑标准根据防渗料厂及堆石料厂的资料，防渗粘土料按压实度98%控制，堆石料按孔隙率20%～28%控制。

3.2.2 坝顶宽度坝高约为448-350=98m，坝顶宽宜为10—15m，取坝顶宽度B=12m。

3.2.3 坝坡因最大坝高为98m，下游故采用三级变坡。

由防渗粘土料和堆石料性质取上游坝坡1:3.0；下游坝坡从坝顶到坝踵依次为1:1.5,1:2,1：2.5；第一级马道高程为410m，第二级马道高程为380，马道宽度2.0m。

3.2.4 坝顶高程坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应分别按以下运用情况计算，取其最大值：A、正常蓄水位+正常运用条件的坝顶超高B、设计洪水位+正常运用条件的坝顶超高C、校核洪水位+非常运用条件的坝顶超高D、正常蓄水位+非常运用条件的坝顶超高+地震安全超高综上，取坝顶高程为448.00m 。

坝顶安全超高d 的计算公式为：A e h d a ++=风浪引起的坝前水位壅高：)2/(cos 2m gH D KV e β= 上游坡率m=3，波浪在坝坡上的爬高：2/12)]1/([m hL K K h w a +=∆ 式中：ah -最大波浪在坝坡上的爬高，me -最大风浪引起的坝前水位壅高，m A -安全加高，mK -综合摩阻系数(取6106.3-⨯) V -设计风速，18s m /mH -库水平均水深，初略估计为95β-风向与坝轴线法线方向的夹角（取︒=0β） h 、L 分别是设计波高和波长∆K -坝坡糙率渗透系数,坝坡砌石护坡，取0.8K-经验系数,取1。

w3.3 体构造设计3.3.1 坝顶构造坝顶上面用混凝土路面。

坝顶向下游倾斜3%的坡度，上侧设1.5高的防浪墙。

如图：3.3.2 棱体排水棱体顶部宽2m,上游坡率1:1.5，下游坡率1:2，内部用干砌石。

如图：3.4 渗流分析计算3.4.1基本假定斜墙采用防渗料场的粘土料，渗流系数K为3.0×10-3cm/s,坝壳料采用沙砾石料，渗透系数K平均为2.0×10-6cm/s，二者相差10-3倍。

土料中渗流流速不大，且处于层流状态，渗流服从达西定律平均流速V=Ki；发生渗流时土体空隙体积不变，饱和度不变，渗流为连续的。

计算情况为斜墙在不透水地基、有棱体排水设备和下游有水的情况。

3.4.2计算条件控制条件取最不利情况：上游设计洪水位，下游相应最低水位；上游校核洪水位，下游相应最低水位；对上游坝坡最不利的库水降落后的落差。

计算工况：设计洪水位445.00m，校核洪水位446.31m。

3.4.3渗流分析方法我们采用水力学方法进行土石坝渗流计算，近似的确定浸润线的位置，计算渗流流量、平均流速和坡降。

3.4.4单宽流量和浸润线的计算斜墙段的渗流量为()δ21221hHKq-=（K1为墙的渗透系数）下游棱体段的渗流量为())(22222emhdHhKq+--=（K2为坝壳的渗透系数）联立上述两式，可解得h和q：下游棱体段的浸润线方程是：()qyhKx2222-=斜墙处的浸润线方程是：()qyHKx21221-=试算过程如图：3.5反滤层设置心墙的渗透计算：因为[]432.24.235.54=<==∆=J HJ σ，所以不需要设置反滤层。

为了使心墙不发生渗透破坏，需要设置反滤层。

反滤层的颗粒级配要求： 为了满足滤土要求：查粘土料颗粒级配曲线（图1）得<5mm 粒径有75%，<0.075mm粒径有38%，所以%)85%40(%67.50%75%38-∈=。

故有mm D 7.015≤。

为了满足排水要求：因为mm mm d 1.00128.00033.04415≤=⨯=，故mm D 1.015≥。

即，mm D mm 7.01.015≤≤，厚度m h 0.3=。

斜墙上游设置两层厚度都为0.5m 反滤层,分别用细砂和砾。

斜墙下游设置三层都为，分别是细砂、砾、碎石。

4坝坡稳定计算由于下游坝壳的浸润线很低，对下游坝坡稳定的影响可忽略不计，由此对选出的1个危险的滑坡面进行计算，由设计资料可得： 坝壳料强度指标：︒=29φ，c=0， 心墙防渗料强度指标：︒=18φ，c=26Ka粘土：11tan φστ+=c 砂砾土：21tan φστ= 26=c ︒=181φ ︒=292φ21ττ=求得σ=113.34αγσcos h = ︒=05.29α 5.16=γ 求得 h=7.83 对坝体进行分块，分块如图所示：W 分别为各个分块的自重13.19948,55.5648,95.18649,66.186361.10,81.9,5.16,395.1643214321========W W W W γγγγ对各个分块进行受力分析，由力的平衡得P1-G1sina1）+ G1cosа1tanФ+L1C =0(P1- P2 +G2 sina2 )k- G2cosа1tanФ砂 =0(P3- P2cos(а3–а2)+G2 sina3 )K+ G1cosа3tanФ粘+2L3C =0(P3+G0sina4 )K- G0cosа1tanФ砂=0求得K=1.51 满足稳定要求。