1、课 程 设 计设计题目：温泉水库枢纽挡水坝初步设计学 院： 水利与土木工程学院 专业年级： 农业水利工程 姓名学号： 指导教师： 职 称： （年月）中国农业大学教务处制本科生课程设计任务书学年秋季学期水利与土木工程 学院 专业课程设计名称： 水工建筑物课程设计 设计题目： 温泉水库枢纽挡水坝初步设计 完成期限：自 年 月 日至 年 月 日 共 周1枢纽概况本工程以形成环境景观水库为主，工程建成后，可以形成 6000070000m2 面积的水域，蓄水 30 万m3，可以在一定程度上减少流域内的水土流失，减轻山洪对下游村镇、交通线路的危害，进一步改善和美化环境，调节小气候，改善周边植物生长条件。同
2、时为农业灌溉和生活用水提供补充水源。水库枢纽主要建筑物有挡水坝、溢洪道、引水管等。2. 设计要求根据所给资料进行枢纽工程设计，要进行设计构思、方案论证、计算分析、编制工程图、编制毕业设计说明书等。各阶段要求详见课程设计指导书。3. 设计内容（1）枢纽布置，包括枢纽方案选择，大坝的平面布置。（2）挡水坝的剖面和构造设计（3）挡水坝的渗流设计（4）挡水坝的稳定设计4. 设计成果及要求（1）计算说明书一份，字数不应少于 1 万字。（2）CAD 绘制 A2 号图纸一张：在地形图上绘制枢纽平面布置图，在地质剖面图上绘制下游立视图，交电子版图纸。手绘 1 号图纸一张：大坝典型剖面图，细部结构图 23 个（
3、项目自定） ，比例尺自定。5主要参考文献（1）碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）. 北京：中国水利水电出版社，2002（2）林继镛主编. 水工建筑物（第四版）. 北京：中国水利水电出版社，2006指导教师（签字）： 系主任（签字）： 批准日期： 2009 年 12 月 1 日1目录1 基本资料1.1 流域概况 .2 1.2 枢纽任务和规划数据 .21.3 自然条件 .2 2 枢纽布置2.1 枢纽的组成、枢纽等别和建筑物级别 .52.2 各组成建筑物的选择 .52.3 地基处理 .52.4 枢纽建筑物的平面布置 .63 土石坝的设计 3.1 坝型的选择 . 6 3.2 坝顶宽度 .63
4、.3 坝顶高程 .63.4 坝坡和防浪墙 .83.5 排水设施 .83.6 防渗设施 .93.7 护坡设计 .93.8 反滤层和过渡层 .94 渗流计算 4.1 渗流计算的基本假定 .104.2 水位组合 .104.3 渗流计算过程 .105 坝坡稳定计算 5.1 稳定计算条件 .125.2 稳定计算原理 .125.3 稳定计算步骤 . 126 设计成果6.1 枢纽布置平面图和下游立视图 . 1426.2 大坝典型剖面图与细部构造图 .14第一章 基本资料1.1 流域概况白家疃发源于京郊香山北麓，自南而北流经海淀区方庄镇，为温榆河水系之南沙河的支流，流域面积 4.2km。拟建的方庄水库坝址位于
5、方庄镇白家疃村南、白家疃沟出山口的河道狭窄处。距方（庄）颐（和园）公路约 1.5km，有简易公路相通。工程区距中关村科技开发区约 15km，距上地科技园区约 10km，距颐和园亦仅 13km，水库上游及下游均有密集的住宅区。坝址以上主沟长 2.95km，流域面积 2.90km2，沟底平均坡降 11.3%。1.2 枢纽任务和规划数据本工程以形成环境景观水库为主，工程建成后，可以形成 6000070000m2 面积的水域，蓄水 30 万 m3，可以在一定程度上减少流域内的水土流失，减轻山洪对下游村镇、交通线路的危害，进一步改善和美化环境，调节小气候，改善周边植物生长条件。同时为农业灌溉和生活用水提
6、供补充水源。水利枢纽经过可行性研究，提出如下参数作为建筑物设计依据。（1）特征水位（表 1）表 1 水库特征水位正常蓄水位 98.00m设计洪水位（2% ） 99.7m校核洪水位（0.5%） 100.1 m注：下游无水（2）防洪标准与安全泄量（表 2）考虑到工程特点及工程区下游现状和未来的发展，设计洪水标准为 50 年一遇，校核洪水标准为 200 年一遇。表 2 防洪标准与安全泄量洪水标准 洪水流量 安全泄量50 年一遇（ P=2%） 77m3/s 50200 年一遇（ P=0.5 %） 100m3/s 601.3 自然条件1.3.1 地形工程区位于九龙山碧云寺向斜东北翼。在微地貌上处于山前过
7、渡区，相对高度320100m。库区左岸为冲积洪积堆积阶地，阶面由北向南逐渐抬升，高程自左坝头至库尾由 100m 递升至 120m，平均坡比 0.056。库盘区为河漫滩。坝址位于沟口河道狭窄处，沟底河道宽约 35m，高程 84.50m。1.3.2 地质（1）水库区工程地质条件水库区为一由西北方向（坝前）向东南方向渐扩的扇形谷地，北、东、南三面环山，相对高差 2080m，西面为山前堆积阶地，相对高差 1015m。库区内第四纪冲积洪积层广为分布，厚度在 15m 以上，水库的北、东、南三面及库盆下，基岩均为石炭二叠系或二叠系地层，透水性弱。西面广泛分布的洪积碎石（含粉质土）层，以及坝下沉积的粉质粘土、
8、漂石夹粉质粘土层，是未来渗漏的主要设防地段，也是影响大坝安全的主要因素。淹没损失小，无浸没及大的库岸稳定和淤积问题。在地质构造上，处于九龙山碧云寺向斜东北翼端部的转折端。基岩内节理、裂隙发育，但未发现较大规模断裂构造，区域稳定性好。基岩中分布有裂隙潜水。第四系松散层中有孔隙潜水，水面埋深 13.4015.5m，其补给来源为大气降水及山区基岩裂隙水，其排泄流向基本上与河道流向一致。（2）坝址工程地质条件坝址区呈“U”形河谷，谷底宽约 35m，高程 84.50m。上部（高程 100m 处）宽约120m，主河道由南向北流经库区后，改向为由南东向北西方向穿过坝址。谷底沉积有深达19.60m 的第四系沉
9、积层。左坝头亦为山前冲积 洪积阶地沉积物。右坝头为古生代二叠纪板岩，其产状为倾向南，倾角 50。未发现较大规模断裂构造。板岩为黄绿色，主要成分为粘土矿物，含白云母、绢云母和绿泥石等变质矿物，节理、板理发育，裂隙面上有氧化铁薄膜，裂隙中有红色粘土充填。露头岩石呈强风化。经分析和钻探资料证实，坝基覆盖层下基岩亦为板岩。坝基覆盖层表层为卵砾石，向下依次为碎石、漂石、粉土层等，其中的孔隙潜水水面埋深 13.5m。岩性在水平方向和垂直方向均存在明显的交替、穿插，透水性变化较大。对分布于坝基和左坝头的覆盖层，需采取可靠有效的防渗措施，方能确保大坝安全和水库的正常运转。1.3.3 水文气象流域内无水文测站和
10、气象站。可参照借鉴的颐和东闸站和昌平站，至水库的直线距离分别为 12km 和 20km。（1）河流水文特性白家疃沟为间歇性河流，除遇较大降雨时沟中有径流外，一般均为干沟。根据北京市山区水文资料，流域多年平均降水量 640mm，多年平均径流深为 240mm（相应多年平均年径流量为 69.6104m3） 。代表性水文年的年径流量如表 3 所列。表 3 代表性水文年的年径流量代表性水文年 丰水年（P=25% ） 平水年（P=50% ） 枯水年（P=75% ）年径流量(m 3) 91.4104 55.1104 30.51044（2）洪水历史资料说明，洪水多发生在 78 月，洪水过程多为单峰型，一次洪水
11、历时不超过15h。设计洪水过程线见表 4。表 4 典型洪水过程线时段（天） 0 0.5 1.0 1.5 2 3 4 5 6流量（m 3/s） 0 17.3 77.0 55.0 38.6 25.2 18.8 14.2 11.2（3）库水位与面积、库容关系表 5 水库高程与面积、库容关系高程(m) 面积(m 2) 库容(m 3)86 785 46187 3001 235488 7249 747989 11715 1696190 17975 3180691 20768 5117792 26279 7470193 32390 10403594 34301 13738195 38294 17367896
12、 44086 21486897 46898 26036098 51246 309432（4）据现有资料，工程区属于温带大陆季风气候，多年平均气温 11.7C。多年平均陆面蒸发量 450mm。（5）泥沙：坝址以上流域面积内，林木茂密，植被良好，水土流失较轻。（6）蒸发：流域内多年平均陆面蒸发量为 450mm。根据北京市水文手册资料，按 20cm 口径蒸发器测量库区内多年平均水面蒸发量为 1950mm。（7）其它洪水期多年平均离地面 10m 高的最大风速 v=18m/s，吹程 D=390m，风向垂直上游坝面。冻土深 1.0m。坝顶交通要求通行单行道 7m。坝、库区基本地震烈度为 6。1.3.4 建
13、筑材料坝基覆盖层表层为卵砾石，向下依次为碎石、漂石、粉土层。经勘察，选定的土料场位于水库主坝两坝肩，左坝肩土料场位于主坝左坝肩下游，共占用耕地 79.8 亩。00.4m 为耕植土，0.43.5m 为黄土状壤土。勘探深度内未见地下水。右坝肩土料场位于主坝右坝肩上游库区内，不占用耕地。00.3m 为耕植土，0.33.5m 为黄土状壤土。勘探深度内未见地下水。两个料场土料总储量可满足大坝对土料用量的要求。位于上游左岸 1km 处有一料场，占地 50 亩，00.3m 为耕植土，0.31m 为粘土。粘土料颗粒组成见表 6。表 6 粘土颗粒组成5粒径 20-2mm 2-0.5mm 0.5-0.05mm 0
14、.05-0.005mm 0.005 合计含量（） 2.06 9.20 2.03 35.4 51.3 100各种材料的物理力学性质见表 7。表 7 各种材料物理力学性质土料特性 粘土 黄土状壤土 坝基碎石 砂卵石钢筋混凝土饱和容重（kN/m 3） 21.3 20.85 22.25 22.8天然容重（kN/m 3） 19.5 19.85 20.6含水量 17% 9.0%12.1%塑性指标 11 9.910.7渗透系数（cm/s） 510-6 3.0110-6 110-3 1.1210-2 3.710-7内摩擦角 水上 22 水下 19 水上 23 水下 15 水上 35水下 32 水上 28凝聚力
15、 c（kN/m 2） 水上 16.52 水下 13.72 水上 20 水下 17第二章 枢纽布置2.1 枢纽的组成、枢纽等别和建筑物级别根据任务，枢纽由挡水建筑物、泄水建筑物、放空建筑物等组成。根据拟设计枢纽的工程规模以及在国民经济有关部门的重要性进行分等分级，建立安全经济有机统一的概念。枢纽等别根据规范中五项指标中最大的一项确定，建筑物的级别根据规范相应确定。2.1.1 工程等级工程建成后形成 6000070000m2 面积的水域，蓄水 30 万 m3，可以减少水土流失，改善环境，同时为农业灌溉和生活用水提供补充水源。根据水利水电工程等级划分及洪水标准，蓄水量小于 0.01108 m3，确定
16、工程等级为级小（ 2）型。2.1.2 建筑物级别根据水工建筑物级别的划分，级主要建筑为 5 级，次要建筑物为 5 级。2.2 组成建筑物的选择2.2.1 挡水建筑物的选择在岩基上筑坝有三种基本类型：重力坝、拱坝和土石坝。（1）重力坝方案：重力坝是用混凝土或浆砌石材料修筑的挡水坝。重力坝不能利用地基开挖的材料，而且材料造价较高，经济上不可行。（2）拱坝方案：拱坝是空间的壳体结构，地形条件是拱坝结构形式、枢纽布置和经济性的主要影响因素，理想的地形条件是两岸对称，岸坡平顺，平面上向下游收缩的峡谷地带，且拱端下游有足够的岩体支撑。所设计坝的地形条件左岸为洪积堆积阶地，阶面由北向南逐渐抬升，不满足地形条
17、件。（3）土石坝方案：土石坝由土、石料等当地材料建成的坝，可以适应不同地质和气候条件，另外，可以简单机械施工，管理方便，造价低。土料场位于水库主坝两坝肩，左坝肩土料场和右坝肩土料场有丰富的原料修建大坝。坝基表面有碎石和漂石，可以就近取材，节省原料，6所以选择土石坝方案。2.2.2 泄水建筑物型式的选择土石坝可以采用岸边溢洪道进行泄水，常采用正槽式溢洪道，即泄水槽与堰上水流方向一致，结构简单，水流平稳。2.3 地基处理地基覆盖层表层为卵砺石，需除掉。根据坝址工程地质剖面图，清基 0.6m，坝底高程为 83.9m。2.4 枢纽建筑物的平面布置挡水建筑物：土石坝按直线布置在坝址上。泄水建筑物：溢洪道
18、布置在大坝右侧。枢纽建筑物的平面布置图见图 01。第三章 土石坝的设计3.1 坝型选择碾压式土石坝由土料分层填筑碾压而成，一般的土料、砂卵石料及风化石渣等均可用于这种坝型。碾压式土石坝按坝体的防渗材料及结构，可分为以下几类：（1）均质坝：整个坝体起防渗作用并保持自身的稳定，坝体材料单一，施工简单。土料场有丰富的黄土状壤土，可以满足筑坝材料需求。壤土的渗透系数为 3.0110-6cm/s，远小于渗透系数 10-4 cm/s，满足渗透稳定要求。所设计的坝为低坝，也可以满足土的抗剪强度要求。所以选择均质坝。（2）斜墙坝：斜墙坝的上游坝坡较缓，防渗体的粘土用量和坝体的总工程量较大，不经济，其抗震性能和
19、不均与沉降的适应性不强。故不选择斜墙坝。（3）心墙坝：墙位于坝体中间而不依靠在透水坝壳上，其自重通过本身传到基础，不受坝壳沉降影响，依靠心墙填土自重。但工程量比均质坝大，施工难度比均质坝大。故不选择心墙坝。3.2 坝顶宽度坝顶宽度：根据运行、施工、构造、交通和人防等方面的要求综合研究确定。我国土石坝设计规范要求中低坝的最小顶宽为 510m。坝顶交通要求通行单行道 7m，故取 8m。3.3 坝顶高程坝顶高程由水库静水位加波浪爬高和壅水面高度及安全加高确定。坝顶高程或坝顶上游防浪墙顶的高程按下式计算：坝顶高程 =设计洪水位+正常运用条件的 设h=校核洪水位+ 非常运用条件的 非=正常蓄水位+ 非常
20、运用条件的 +非 震7坝顶静水位超高值按下式计算： AeRh式中： 波浪在坝坡上的设计爬高，m；R风壅水面高度，m；e安全加高，m。A该坝的级别为 5 级，则正常运行的安全加高 A=0.5m，非常运行的安全加高 A=0.3m。（1）风壅水面高度的计算： 式中：K综合摩阻系数，取 ；610.3v计算风速，正常运用条件下的 5 级坝，采用多年平均离地面 10m 高的最大风速的 1.5 倍，非常运用条件下，采用多年平均年最大风速；D风区长度，为 390m；计算风向与坝轴线法线的夹角；Hm水域平均水深，取坝前水深的 2/3，为 9.4m。 正常运用条件下：非常运用条件下：（2）波浪平均波高和波长的计算
21、平均波高采用官厅公式： 3/14/506.Dvhp平均波长采用鹤地公式： 98Lm正常运用情况下： )(746.03.)15.(.016. /14/3/14/5 mDvhp 0889Lm本设计采用累计频率 5时的平均波高，根据规范得，则 ./p )(8.9./mmhp非常运用情况下： )(450.3.0106.016. /14/53/14/5Dvhp 6.889Lm根据规范得， 则9./mph2.9./mhp（3）平均波浪爬高的计算 平均波浪爬高，m；R单坡的坡度系数，取 2.5；)(1056.cos4.98230)15(06.3cos2K 302 mgvem )(7.2cs.cs 30262
22、HDvem vLK21cos2KmgHDve8斜坡的糙率渗透性系数，根据护面类型为砌石，取 ；K 75.0K经验系数。v正常运用条件下取 ，027.1Kv本设计采用累计频率 5时的平均爬高，则84.1/mpR)(69.084.1pmRm非常运用条件下取 ，3Kv根据规范得：则84.1/mpR)(48.0.1pmRm（4）坝顶高程计算：表 8 坝顶超高 )(hh eA正常运用条件 0.69 5.5610-3 0.5非正常运用条件 0.48 2.4710-3 0.3设计洪水位+正常运用条件的 设h)(89.105.6.59.0731 mAeRHh 设设校核洪水位+非常运用条件的 非 .47.28.
23、132非校正常蓄水位+非常运用条件的 + ，根据规范，取 =0.6m。非h震 震h)(38.96.0147.28.0933 AeRh 震震非蓄坝顶高程取三者最大值，即 100.9m。当坝顶上游侧设有防浪墙时，则超高指静水位到防浪墙顶的高差，并规定正常情况坝顶应高出静水位 0.5m，非常情况不低于静水位。本设计防浪墙高度为 0.8m，则坝顶高程为100.9-0.8=100.1m，且大于正常情况坝顶应高出静水位 0.5m（98.00+0.5=98.5m ） ，不低于校核洪水位（100.1m） 。所求坝顶高程是坝体沉降稳定以后的数值。竣工时的坝顶高程应有足够的预留沉降值，约占坝高的 0.2%0.4%。3.4 坝坡和防浪墙（1）坝坡：土石坝的坝坡的坡度取决于坝型、坝高、筑坝的土料要求、地形条件及地震情况因素。根据坝坡选择规律，上游坝坡坡度取 1：3.5，下游边坡取 1：3.0。因为设计的大坝高度较小，所以不设置马道。 ，（2）防浪墙：采用混凝土材料修筑防浪墙，墙顶高于坝顶 0.8m。)(375.3.7.02)(23.52.5.37.02
