虞江心墙土石坝水利枢纽设计计算书

'虞江心墙土石坝水利枢纽设计ThedesignofHydrauliccomplexofEarth-rockdamwithcentralcoreofYu-river目录第一章调洪计算11.1方案一：11.2方案二：21.3方案三：21.4方案四：2第二章大坝高程的确定22.1坝顶高程计算方法22.2计算过程2第三章土石料的设计23.1粘土料的设计23.2坝壳砂砾料设计2第四章渗流计算24.1渗流计算应包括以下内容:24.2渗流计算应包括以下水位组合情况：24.3逸出点坡降计算2第五章稳定分析25.1计算方法25.2计算过程25.3工况选择与稳定计算成果25.4稳定成果分析2第六章细部结构计算2第七章泄水建筑物的计算27.1隧洞的水力计算2-66- 7.2出口消能计算2-66- 南昌工程学院本科毕业设计第一章调洪计算主要建筑物为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。（设计）洪水重现期100年；非常运用（校核）洪水重现期2000年。永久建筑物洪水标准：正常运用泄洪方案：采用隧洞泄洪方案。水库运用方式：洪水来临时用闸门控制下泄流量等于来流量，水库保持汛前限制水位不变，当来流量继续加大，则闸门全开，下泄流量随水位的升高而加大，流态为自由泄流。调洪演算原理采用以峰控制的同倍比放大法对典型洪水进行放大，得出设计与校核洪水过程线。拟定几组不同堰顶高程Ñ∩及孔口宽度B的方案。堰顶自由泄流公式可确定设计洪水和校核洪水情况下的起调流量Q起，由Q起开始，假定三条泄洪过程线（为简便计算，假设都为直线），在洪水过程线上查出Q泄，并求出相应的蓄水库容V。根据库容水位关系曲线可得相应的库水位H，由三组（Q泄，H）绘制的Q～H曲线与由绘制的Q～H曲线相交，所得交点即为所要求的下泄流量及相应水位。1.1方案一：ÑI=2809m,B=7m起调流量=0.90.5711.5=543.86m3/s1.1.1设计洪水时：Q设=1680m3/s计算Q～H曲线列表1-1如下：表1-1Q～H曲线计算列表假设泄水流量Q泄（/s）对应方格纸的面积水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）55026.3039.857.682821.659022.3433.857.082821.4565020.5131.056.802821.37-66- 南昌工程学院本科毕业设计89014.5121.955.892821.0Q～H曲线与的交点为：Q泄=650m3/s，H=2821.37m。1.1.2校核洪水时：Q校=2320m3/s计算Q～H曲线列表1-2如下：表1-2Q～H曲线计算列表假设泄水流量Q泄（/s）对应方格纸的面积水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）56034.0171.1608.12822.875026.3255.0592.02822.6096021.9749.5582.92822.10Q～H曲线与的交点为：Q泄=728m3/s，H=2822.65m1.2方案二：ÑI=2810m,B=7m起调流量=0.90.5710.5=474.49m3/s1.2.1设计洪水时：Q设=1680m3/s计算Q～H曲线列表1-3如下：-66- 南昌工程学院本科毕业设计表1-3Q～H曲线计算列表假设泄水流量Q泄（/s）对应方格纸的面积水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）49024.5437.1574.12821.956022.7934.5571.52821.7576019.4339.4566.42821.493013.9521.1558.12821.2Q～H曲线与的交点为：Q泄=582m3/s，H=2821.7m1.2.2校核洪水时：Q校=2320m3/s计算Q～H曲线列表1-4如下：表1-4Q～H曲线计算列表假设泄水流量Q泄（/s）对应方格纸的面积水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）49632.6768.2605.22823.177325.5453.3590.32822.7096721.4344.8581.82822.45Q～H曲线与的交点为：Q泄=656m3/s，H=2822.85m。-66- 南昌工程学院本科毕业设计1.3方案三：ÑI=2811m,B=8m起调流量=0.90.589.5=466.68m3/s1.3.1设计洪水时：Q设=1680m3/s计算Q～H曲线列表1-5如下：表1-5Q～H曲线计算列表假设泄水流量Q泄（/s）对应方格纸的面积水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）49024.8937.6574.62821.8256023.0834.9571.92821.7370019.6829.8566.82821.5098014.0721.3558.32821.35Q～H曲线与的交点为：Q泄=574m3/s，H=2821.7m。1.3.2校核洪水时：Q校=2320m3/s计算Q～H曲线列表1-6如下：表1-6Q～H曲线计算列表假设泄水流量Q泄（/s）对应方格纸的面积水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）53032.7268.3605.32823.075025.5753.4590.42822.8096021.4544.8518.82822.50Q～H曲线与的交点为：Q泄=676m3/s，H=2822.88m。-66- 南昌工程学院本科毕业设计1.4方案四：ÑI=2810m,B=8m起调流量=0.90.5810.5=542.27m3/s1.4.1设计洪水时：Q设=1680m3/s计算Q～H曲线列表1-7如下：表1-7Q～H曲线计算列表假设泄水流量Q泄（/s）对应方格纸的面积水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）49726.5840.2577.22822.056024.5037.0574.02821.9570020.7031.3568.32821.898014.6022.1559.12821.45Q～H曲线与的交点为：Q泄=502m3/s，H=2829.96m1.4.2校核洪水时：Q校=2320m3/s计算Q～H曲线列表1-8如下：表1-8Q～H曲线计算列表-66- 南昌工程学院本科毕业设计假设泄水流量Q泄（/s）对应方格纸的面积水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）48334.5972.2609.22823.177326.6255.6592.62822.896722.1646.3583.32822.3Q～H曲线与的交点为：Q泄=624m3/s，H=2822.97m。-66-第二章大坝高程的确定-66- 南昌工程学院本科毕业设计第二章大坝高程的确定2.1坝顶高程计算方法2.1.1坝顶在水库静水位以上的超高按下式确定：（2-1）其中：Y----坝顶超高，m；R----最大波浪在坝顶的爬高，m；e----最大风壅水面高度，m；A----安全超高，m，该坝为二级建筑物，设计时取A=1.0，校核时取A=0.5。2.1.2坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应按以下运用条件计算，取其最大值:1.设计水位加正常运用条件下的坝顶超高;2.正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高;3.校核洪水位加非常运用条件下的坝顶超高；4.正常蓄水位加非常运用条件下的坝顶超高加地震安全加高。2.1.3波浪的平均波高和平均波周期宜采用莆田试验站公式=（2-2）T=4.438×hm（2-3）L=（2-4）其中：hm——平均波高，m；T——平均波周期，s；L——平均波长，m；D——风区长度.km；——坝前水深，m；-66- 南昌工程学院本科毕业设计W——计算风速,m/s；2.1.4风壅高度可按下式计算:（2-5）式中：e——计算处的风壅水面高度，m；D——风区长度，km；K——综合摩阻系数3.6×10-6；β——计算风向与坝轴线的夹角25°。2.1.5波浪爬高设计波浪爬高值应根据工程等级确定，2级坝采用累积频率为1%的爬高值.正向来波在单坡上的平均波浪爬高可按下式或有关规定计算:（2-6）式中：Rm——波浪的平均爬高；K△——斜坡的糙率渗透性系数，根据护面类型查规范得0.77；Kw——经验系数，查规范得1.0；m——单坡的坡度系数，若坡角为，即等于ctg，本设计取m=2.5查规范1%累积频率下的爬高与平均爬高的比值为2.23，因风向与坝轴线的夹角为25°，波浪爬高应按正向来波计算爬高值乘以折减系数=0.94。2.2计算过程2.2.1设计水位加正常运用条件下的坝顶超高设计水位2821.70m吹程D=15㎞风速W=1.5m/s坝前水深=71.70mβ=25°根据公式（2-2）求解得：hm=1.56mT=4.438×hm=5.6s-66- 南昌工程学院本科毕业设计L==48.91m=0.77×1.0×/=2.13m查规范1﹪累积频率下的爬高与平均爬高的比值为2.23R1%=2.23×2.13=4.75m因风向与坝轴线的法线成25°,波浪爬高应按等于正向来波计算爬高值乘以折减系数Kβ。查规范得Kβ=0.94R=Kβ×R1%=0.94×4.75=4.465m坝顶在水库静水位以上的超高按下式确定：Y=R+e+A=4.465+0.029+1.00=5.494m坝顶高程：2821.7+5.494=2827.19m坝高：2827.19-2750.0=77.19m为预防坝体竣工后的沉陷,预留0.4%的坝高坝高+0.4%沉陷=2827.19+77.19×0.004=2827.50m2.2.2正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高正常蓄水位2820.5m吹程D=15㎞风速W=1.5m/s坝前水深Hm=70.5mβ=25°根据公式（2-2）求解得hm=1.52m-66- 南昌工程学院本科毕业设计T=4.438×hm=4.438×1.52=5.47sL==46.71m=0.77×1.0×/=2.05m查规范不同累积频率下的爬高与平均爬高的比值为2.23R1%=2.23×2.05=4.575m因风向与坝轴线的法线成25°,波浪爬高应按等于正向来波计算爬高值乘以折减系数Kβ查规范得Kβ=0.94R=Kβ×R1%=0.94×4.575=4.301m坝顶在水库静水位以上的超高按下式确定：Y=R+e+A=4.301+0.029+1.0=5.33m坝顶高程：2820.5+5.33=2825.83m坝高：2825.83-2750=75.83m为预防坝体竣工后的沉陷,预留0.4%的坝高坝高+0.4%沉陷=2825.83+75.83×0.004=2826.13m2.2.3校核洪水位加非常运用条件下的坝顶超高校核洪水位2822.85m吹程D=15㎞风速W=19.1m/s坝前水深Hm=72.85mβ=25°根据公式（2-2）求解得hm=0.975m-66- 南昌工程学院本科毕业设计T=4.438×hm=4.38sL==29.98m=0.77×1.0×/=1.316m查规范不同累积频率下的爬高与平均爬高的比值为2.23R1%=2.23×1.316=2.936m因风向与坝轴线的法线成25°,波浪爬高应按等于正向来波计算爬高值乘以折减系数Kβ查规范得Kβ=0.94R=Kβ×R1%=0.94×2.936=2.76m坝顶在水库静水位以上的超高按下式确定：Y=R+e+A=2.76+0.013+0.5=3.273m坝顶高程：2822.85+3.273=2826.12m坝高：2826.12-2750=76.12m为预防坝体竣工后的沉陷,预留0.4%的坝高坝高+0.4%沉陷=2826.12+76.12×0.004=2826.43m2.2.4正常蓄水位加非常运用条件下的坝顶超高加地震安全加高正常蓄水位2820.50m吹程D=15㎞风速W=19.1m/s坝前水深Hm=70.5mβ=25°根据公式（2-2）求解得hm=0.975m-66- 南昌工程学院本科毕业设计T=4.438×hm=4.38sL==29.94m=0.77×1.0×/=1.32m查规范不同累积频率下的爬高与平均爬高的比值为2.23R1%=2.23×1.32=2.94m因风向与坝轴线的法线成25°,波浪爬高应按等于正向来波计算爬高值乘以折减系数Kβ查规范得Kβ=0.95R=Kβ×R1%=0.94×2.94=2.764m坝顶在水库静水位以上的超高按下式确定：Y=R+e+A=2.764+0.013+0.5=3.28m地震安全加高按设计烈度和坝前水深取为=0.5～1.5m，本设计取=1.0所以：y+=4.28m坝顶高程2820.50+4.28=2824.78m坝高2824.78-2750=74.78m为预防坝体竣工后的沉陷,预留0.4%的坝高坝高+0.4%沉陷=2824.78+0.004×74.78=2825.08m综合情况见下表2-1：-66- 南昌工程学院本科毕业设计表2-1各种工况下的坝顶高程计算情况计算项目正常运用情况非正常运用情况正常蓄水位设计洪水位正常蓄水位校核洪水位上游静水位（m）2820.52821.72820.502822.85河底高程（m）2750.0坝前水深（m）70.571.7070.5072.85吹程（km）15风向与坝轴线夹角（°）25风浪引起坝前雍高（m）0.0290.0290.0130.013风速V（m/s）28.6519.1波高2h(m)1.521.560.9750.975护坡粗糙系数0.77上游坝面坡脚arctg1/3.0波浪沿坝面爬高（m）4.3014.4652.7642.76安全超高（m）1.00.5地震安全加高（m）01.00坝顶高程（m）2825.832827.192824.782826.12坝顶高程加0.4%沉陷（m）2826.132827.502825.082826.43-66- 南昌工程学院本科毕业设计综合考虑最终确定坝顶高程取为2827.50m-66-南昌工程学院本科毕业设计第三章土石料的设计3.1粘土料的设计（1）计算公式黏壤土用南京水利科学研究所标准击实试验求最大干容重、最优含水量。应该使土样最优含水量接近其塑限含水量，据此确定击数，得出多组平均最大干容重gdmax和平均最优含水量W，设计干容重为gd　=mgdmax（3-1）gd———设计填筑干容重gdmax———标准击实试验最大干容重m———施工条件系数，或称压实度，m值对于一二级坝或高坝采用0.96～0.99，三四级坝或低坝采用0.93～0.96。本设计的m=0.98。设计最优含水量为=（3-2）（2）计算结果粘性土料设计的计算成果见表3－1（3）土料的选用上下游共有5个粘土料场，储量丰富。因地理位置不同，各料场的物理性质，力学性质和化学性质也存在一定差异，土料采用以“近而好”为原则。规范指出粘土的渗透系数大于10×10-6cm/s,所有料场均满足要求。可容盐含量都不大于3%，1#上的有机质含量为2.20%，大于规定的2%，故不予采用。2#下和2#上的塑性指数大于20%和液限大于40%，根据规范不能作为坝的防渗体材料。3#下的渗透系数比1#下的小，防渗性能好，最大干容重比1#下的大，压缩性能好，且3#下的含水量比1#下小，施工时只需加水，故选3#下为主料场，1#下为副料场。-66- 南昌工程学院本科毕业设计表3－1粘性土料设计成果表料场比重GS最大容重gdma(kN/m3)最优含水量（%）设计干容重(kN/m3)塑限含水量ωp（%）塑性指数Ip填筑含水量ω（%）自然含水量（%）孔隙比E湿容重rw(kN/m3)浮容重rb(g/cm3)内摩擦角φ液限（%）渗透系数10-6有机含量（%）可容盐含量（%）1#下2.6716.022.0715.6823.1419.4622.0724.80.73418.910.9424.6742.604.3171.730.0702#下2.6716.521.0216.1722.2021.7021.0224.20.72118.910.9325.5043.904.801.900.0191#上2.6515.622.3015.3025.0024.5724.5725.60.99017.350.8123.1749.571.902.200.1102#上2.7415.423.8015.0926.3023.5023.8026.310.9316.370.8221.5049.93.960.250.1103#下2.7018.016.9017.6420.0014.0016.9015.90.58019.111.0628.0034.003.001.900.0803.2坝壳砂砾料设计（1）计算公式坝壳砂砾料填筑的设计指标以相对密实度表示如下：Dr=(emax-e)/(emax-emin)（3-3）或Dr=(rd-rmin)rmax/(rmax-rmin)rd（3-4）式中：emax为最大孔隙比；emin为最小孔隙比；e为填筑的砂、砂卵石或地基原状砂、砂卵石的孔隙比；rd为填筑的砂、砂卵石或原状砂、砂卵石干容重。设计相对密实度Dr要求不低于0.70～0.75-66- 南昌工程学院本科毕业设计；地震情况下，浸润线以下土体按设计烈度大小Dr不低于0.75～0.80。（2）计算成果砂砾料的计算成果见表3－2。表3－2砂砾料计算成果汇总表料场不均匀系数η>5mm砾石含量（%）比重△s天然孔隙比相对密实度Dr设计干容重gd(g/cm3)设计孔隙比e1#上48.853.02.750.4810.7321.860.4802#上44.053.02.740.5310.6121.790.5303#上25.048.02.760.4490.8101.910.4504#上38.654.02.750.4600.7841.880.4601#下48.955.02.750.4810.7321.860.4802#下39.358.02.730.4750.7481.850.4753#下63.857.02.730.4810.7321.840.4804#下45.055.02.720.5110.6621.800.510（续表）砂砾料计算成果汇总表料场保持含水量ω（%）湿容重w(g/cm3)浮容重(g/cm3)内摩擦角φ粘聚力ckPa渗透系数K（10-2cm/s）1#上51.901.1835°10′02.02#上51.821.1436°00′02.03#上51.951.2135°40′02.04#上51.941.2036°30′02.0-66- 南昌工程学院本科毕业设计1#下51.901.1835°20′02.02#下51.891.1736°40′02.03#下51.881.1735°50′02.04#下51.831.1437°10′02.0绘出各沙石料场的级配曲线如下表3-3：表3-3各沙石料场的级配曲线-66- 南昌工程学院本科毕业设计（续表）各沙石料场的级配曲线-66- 南昌工程学院本科毕业设计（3）砂砾料的选用-66- 南昌工程学院本科毕业设计土石坝的坝壳材料主要为了保持坝体的稳定性，要求有较高的强度。根据规范要求砂砾石的相对密实度Dr要求不低于0.75，上述料场中只有3#上和4#上料场满足要求，其余料场不符合要求不予采用。下游坝壳水下部位和上游坝壳水位变动区宜有较高的透水性，且具有抗渗和抗震稳定性，应优先选用不均匀和连续级配的砂石料。认为不均匀系数η=30～100时较易压实，η<5～10时则压实性能不好。而3#上料场砂砾料的不均匀系数η=25＜30,不满足要求，从颗粒级配曲线上也可以看出，4#上料场的砂砾料颗粒级配较好，物理力学指标也较高，可优先使用，故选择4#上料场作为砂砾料的主料场。-66-南昌工程学院本科毕业设计第四章渗流计算4.1渗流计算应包括以下内容:1.-66- 南昌工程学院本科毕业设计确定坝体浸润线及其下游出逸点的位置，绘制坝体及其坝基内的等势线分布图或流网图；2.确定坝体与坝基的渗流量；3.确定坝坡出逸段与下游坝基表面的出逸比降，以及不同土层之间的渗透比降；4.2渗流计算应包括以下水位组合情况：1.上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；2.上游设计水位与下游相应的水位；3.上游校核水位与下游相应水位4.2.1计算方法选择水力学方法解决土坝渗流问题。根据坝体内部各部分渗流状况的特点，将坝体分为若干段，选河床中部断面I-I及左右河岸两个典型断面Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ，应用达西定律近似解土坝渗流问题。计算中假定任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等。通过防渗体流量：qⅠ=k。（4-1）通过防渗体后的流量：qⅡ=k（4-2）式中：k。——心墙土料的渗透系数；——上游水深；T——透水地基厚度；h——心墙后水深；——防渗墙平均厚度；k——坝身土壤渗透系数；H2——下游水深；m——坝的下游边坡系数；KT——透水地基的渗透系数；L——见图由qⅠ=qⅡ，得心墙后水深h为：-66- 南昌工程学院本科毕业设计（4-3）式中：；（4-4）；（4-5）（4-6）心墙后的浸润线按下式计算：（4-7）假设：1）不考虑防渗体上游侧坝壳损耗水头的作用；2）由于砂砾料渗透系数较大，防渗体又损耗了大部分水头，逸出水与下游水位相差不是很大，认为不会形成逸出高度；3）对于岸坡断面，下游水位在坝底以下，水流从上往下流时由于横向落差，此时实际上不为平面渗流，但计算仍按平面渗流计算，近似认为下游水位为零。由于河床冲积层的作用，岸坡实际不会形成逸出点，计算时假定浸润线末端即为坝趾。4.2.2计算断面与计算情况对河床中间断面Ⅰ-Ⅰ以及左右岸坡段各一断面Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ--66- 南昌工程学院本科毕业设计Ⅲ三个典型断面进行渗流计算，计算按正常蓄水，设计洪水和校核洪水三种情情况进行。Ⅰ-Ⅰ断面：(1)正常蓄水位和相应下游水位正常蓄水位2820.50m，下游相应的最低水位为2752.00m。k。=3.0m/s,k=2.0m/s，KT=2.0×10-4m/s，T=32m，δ==m，m=2.5，L=165m，H1=70.5m，H2=2.0m由qⅠ=qⅡ，代入数据：=于是：m-66- 南昌工程学院本科毕业设计q==心墙后的浸润线方程：化简得：(2)设计水位与下游相应的水位设计洪水位2821.70m，下游相应的最低水位为2754.78m。k。=3.0m/s,k=2.0m/s，KT=2.0×10-4m/s，T=32m，δ==m，m=2.5，L=166.0m，H1=71.70m，H2=4.78m由qⅠ=qⅡ，代入数据：=于是：-66- 南昌工程学院本科毕业设计mq==心墙后的浸润线方程：化简得：(3)校核水位与下游相应水位校核水位2822.85m，下游相应的最低水位为2754.94m。k。=3.0m/s,k=2.0m/s，KT=2.0×10-4m/s，T=32m，δ==m，m=2.5，L=166.5m，H1=72.85m，H2=4.94m由qⅠ=qⅡ，代入数据：=于是：-66- 南昌工程学院本科毕业设计mq==心墙后的浸润线方程：化简得：Ⅱ-Ⅱ断面：上游坝底高程取在2752m处，下游坝底高程取在2805m处，经简化近似等效为上下游坝底高程均在2780m，坝与地基的接触面近似为一水平面，覆盖层深28m。(1)正常蓄水位和相应下游水位正常蓄水位2820.50m，下游相应的最低水位为2752.0m。k。=3.0m/s,k=2.0m/s，KT=2.0×10-4m/s，T=28m，δ==m，m=2.25，L=98m，H1=40.5m，H2=0m由qⅠ=qⅡ，代入数据：-66- 南昌工程学院本科毕业设计=于是：mq==心墙后的浸润线方程：化简得：(2)设计水位与下游相应的水位k。=3.0m/s,k=2.0m/s，KT=2.0×10-4m/s，T=28m，δ==m，m=2.25，L=98m，H1=41.7m，H2=0m由qⅠ=qⅡ，代入数据：-66- 南昌工程学院本科毕业设计=于是：mq==心墙后的浸润线方程：化简得：(3)校核水位与下游相应水位k。=3.0m/s,k=2.0m/s，KT=2.0×10-4m/s，T=28m，δ==m，m=2.25，L=98m，H1=42.85m，H2=0m由qⅠ=qⅡ，代入数据：-66- 南昌工程学院本科毕业设计=于是：mq==心墙后的浸润线方程：化简得：-66- 南昌工程学院本科毕业设计Ⅲ-Ⅲ断面：上游坝底高程取在2790m处，下游坝底高程取在2765m处，经简化近似等效为上下游坝底高程均在2775m，坝与地基的接触面近似为一水平面，覆盖层深18m。(1)正常蓄水位+相应下游水位正常蓄水位2820.50m，下游相应的最低水位为2752.0m。k。=3.0m/s,k=2.0m/s，KT=2.0×10-4m/s，T=18m，δ==m，m=2.75，L=142m，H1=45.5m，H2=0m由qⅠ=qⅡ，代入数据：=于是：-66- 南昌工程学院本科毕业设计mq==心墙后的浸润线方程：化简得：(2)设计水位与下游相应的水位k。=3.0m/s,k=2.0m/s，KT=2.0×10-4m/s，T=18m，δ==m，m=2.75，L=142m，H1=46.7m，H2=0m由qⅠ=qⅡ，代入数据：=于是：-66- 南昌工程学院本科毕业设计mq==心墙后的浸润线方程：化简得：(3)校核水位与下游相应水位：k。=3.0m/s,k=2.0m/s，KT=2.0×10-4m/s，T=18m，δ==m，m=2.75，L=142m，H1=47.85m，H2=0m由qⅠ=qⅡ，代入数据：=于是：-66- 南昌工程学院本科毕业设计mq==心墙后的浸润线方程：化简得：结果整理如下表4-1：表4－1渗流计算结果汇总表计算情况计算项目正常蓄水位设计洪水位校核洪水位上游水深H1Ⅰ-Ⅰ70.571.7072.85（m）Ⅱ-Ⅱ40.541.742.85Ⅲ-Ⅲ45.546.747.85下游水深H2Ⅱ-Ⅱ2.04.784.94（m）Ⅲ-Ⅲ000Ⅲ-Ⅲ000逸出水深hⅠ-Ⅰ2.234.385.11（m）Ⅱ-Ⅱ0.0840.0880.091Ⅲ-Ⅲ0.1570.1630.170单宽流量qⅠ-Ⅰ7.117.187.32-66- 南昌工程学院本科毕业设计(10-6m3/s.m)Ⅱ-Ⅱ4.274.464.63Ⅲ-Ⅲ3.783.934.09总渗流量Q（m3/d）151.2155.01159.35Q1=m3/s=151.2m3/sQ2==155.01m3/sQ2==159.35m3/s4.3逸出点坡降计算用流网法可准确求出渗流区任一点的渗透压力、渗透坡降和渗流量。绘制等势线和流网时，两者互相正交，并且分割的网格大致长宽相等。以I-I断面为例，各种工况下渗流逸出点坡降计算成过如表4-2。表4-2逸出点渗透坡降成果表断面I-I工况正常蓄水位设计洪水位校核洪水位坡降J2.282.232.43Ⅰ-Ⅰ断面（2750高程）正常蓄水位情况:,,-66- 南昌工程学院本科毕业设计设计洪水位情况:,,校核洪水位情况：,,-66-南昌工程学院本科毕业设计第五章稳定分析土石坝在自重、水荷载、渗透压力和地震荷载等作用下，若剖面尺寸不当或坝体、坝基土料的抗剪强度不足，坝体或坝体连同坝基有可能发生失稳。本设计中的稳定分析，主要指边坡的抗滑稳定。稳定分析计算的目的在于分析坝坡在各种不同工作条件下可能产生的失稳形式，校核其稳定性。5.1计算方法非粘性土的坝坡，如心墙坝的上、下游坝坡，常形成折线滑动面。所以本设计采用折线滑动法。-66- 南昌工程学院本科毕业设计对于部分浸水的非粘性土坝坡，由于水上与水下的物理性质不同，滑裂面不是一个平面，而是近似折线面，如上图5-1所示心墙坝的上游坝坡。图中ADE为任一滑裂面，折点D在上游水位处，以铅直线DE将滑动土体分为两块，其重量分别为W1，W2，假定条块间作用力为P1，其方向平行DC面，两块土体底面的抗剪强度分别为，，则土块BCDE的平衡式为（5-1）土体ADE的平衡式为：（5-2）由以上二式联立，可以求得安全系数K。若，并令，则；；；。并再将以上两式联解得（5-3）式中：（5-4）-66- 南昌工程学院本科毕业设计（5-5）（5-6）安全系数：（5-7）5.2计算过程5.2.1上游坡1/3坝高水深H=26m①由图5-2可知：,m1=1.462,m2=6.292.又已知：土块BCDE的平衡式为：土体ADE的平衡式为：因为，令，而-66- 南昌工程学院本科毕业设计则：所以：②由图5-3可知：,m1=1.398,m2=6.292.-66- 南昌工程学院本科毕业设计又已知：土块BDE的平衡式为：土体ADE的平衡式为：因为，令，而则：所以-66- 南昌工程学院本科毕业设计③由图5-4可知：,m1=1.963,m2=5.145.又已知：土块BCDE的平衡式为：土体ADE的平衡式为：因为，令，而则：-66- 南昌工程学院本科毕业设计所以5.2.2上游坡死水位2796m①由图5-5可知：,m1=1.05,m2=4.478.又已知：土块BCDE的平衡式为：土体ADE的平衡式为：-66- 南昌工程学院本科毕业设计因为，令，而则：所以②由图5-6可知：,m1=0.923,m2=4.478.-66- 南昌工程学院本科毕业设计又已知：土块BCDE的平衡式为：土体ADE的平衡式为：因为，令，而则：所以-66- 南昌工程学院本科毕业设计③由图5-7可知：,m1=1.523,m2=4.174.又已知：土块BCDE的平衡式为：土体ADE的平衡式为：因为，令，而则：-66- 南昌工程学院本科毕业设计所以5.2.3上游坡正常蓄水位2820.50m①由图5-8可知：,m1=1.327,m2=3.251.又已知：土块BCDE的平衡式为：土体ADE的平衡式为：-66- 南昌工程学院本科毕业设计因为，令，而则：所以②由图5-9可知：,m1=1.043,m2=3.251.-66- 南昌工程学院本科毕业设计又已知：土块BCDE的平衡式为：土体ADE的平衡式为：因为，令，而则：所以-66- 南昌工程学院本科毕业设计③由图5-10可知：,m1=1.499,m2=3.211.又已知：土块BCDE的平衡式为：土体ADE的平衡式为：因为，令，而则：-66- 南昌工程学院本科毕业设计所以5.2.4下游坡设计水位时2754.78m①由图5-11可知：,m1=2.059,m2=10.988又已知：土块BCDE的平衡式为：土体ADE的平衡式为：-66- 南昌工程学院本科毕业设计因为，令，而则：所以②由图5-12可知：,m1=2.006,m2=10.988-66- 南昌工程学院本科毕业设计又已知：土块BDE的平衡式为：土体ADE的平衡式为：因为，令，而则：所以-66- 南昌工程学院本科毕业设计③由图5-13可知：,m1=2.135,m2=19.845又已知：土块BCDE的平衡式为：土体ADE的平衡式为：因为，令，而则：-66- 南昌工程学院本科毕业设计所以5.2.5下游坡正常蓄水位2752.0m①由图5-14可知：,m1=2.059,m2=23.859又已知：土块BCDE的平衡式为：土体ADE的平衡式为：-66- 南昌工程学院本科毕业设计因为，令，而则：所以②由图5-15可知：,m1=2.032,m2=23.859-66- 南昌工程学院本科毕业设计又已知：土块BCDE的平衡式为：土体ADE的平衡式为：因为，令，而则：所以-66- 南昌工程学院本科毕业设计③由图5-15可知：,m1=2.097,m2=21.205又已知：土块BCDE的平衡式为：土体ADE的平衡式为：因为，令，而则：-66- 南昌工程学院本科毕业设计所以5.3工况选择与稳定计算成果稳定计算中需选取不利工况和不利部位进行稳定计算，本设计中对上下游坡分别计算以下几种工况下的安全系数：上游坡：1）1/3坝高水深H=26.0m；2）死水位2796.0m；3）正常蓄水位2820.5m下游坡：4）设计洪水位2754.78m；5）正常蓄水位2752.0m计算以上几种工况下的上下游坝坡的最小安全系数，计算成果见表5-1。5.4稳定成果分析主要建筑物土坝的等级为Ⅱ级，查规范可知其坝坡抗滑稳定的安全系数应满足以下条件：正常运用条件下不低于1.25，非常运用条件Ⅰ时不低于1.15，非常运用条件Ⅱ时不低于1.05。表5-1各种工况上下游坝坡稳定计算成果部位组合情况安全系数K最小安全系数Kmin（1）1/3坝高水深H=16m①2.552.43-66- 南昌工程学院本科毕业设计上游坡②2.65③2.43（2）死水位2796m①2.622.42②2.68③2.42（3）正常蓄水位2820.5m①2.2982.176②2.312③2.176下游坡（4）设计洪水位2754.78m①1.9171.917②2.038③2.038（5）正常蓄水位2752.0m①2.1021.932②1.932③2.06表5-1中各工况下的安全系数均满足要求，且坝坡的稳定安全系数偏大，就此而言，可考虑加陡坝坡以节省工程量。但鉴于进行稳定计算时所作的假设条件可能与实际不符等因素，故而不改变坝坡，维持原拟定剖面尺寸不变。-66-南昌工程学院本科毕业设计第六章细部结构计算反滤层的设计计算：反滤层的设计要满足两个条件：（1）滤土要求；（2）排水要求。防渗墙的反滤层：按照规范，被保护土是粘性土，小于0.075mm颗粒含量71%，在40%-66- 南昌工程学院本科毕业设计到85%之间。由滤土要求：0.7mm（6-1）由排水要求：4，且要满足0.1mm（6-2）求出其上下包线如下表6-1：表6-1上下包线表最大=0.075=0.417=0.5=2.5=20最小=0.015=0.083=0.1=0.5=4第一层反滤料从已经探明的料场中可以选择1#下将大于20mm的粗料筛去即可。第一层反滤层与坝壳之间：=不满足反滤要求，还需要设置二层反滤层。坝壳与棱体排水，以及地基与棱体排水之间的反滤层的设计反滤层所保护的为无粘性土，不均匀系数为=418，5mm的含量为46%40%，按规范要求取5mm以下的细颗粒（满足5）的，作为计算粒径。第一层反滤层的级配：；由这两个条件可以求得1.75，7.8—9.75，取=5mm。在料场中没有合适的土料可供使用，故需要人工配置。-66-第七章泄水建筑物的计算-66- 第七章泄水建筑物的计算第七章泄水建筑物的计算7.1隧洞的水力计算7.1.1进口堰面曲线（以堰顶为坐标原点）采用WES型堰面曲线,坝面铅直，方程为：Xn=KHdn-1y，（7-1）x1.85=2.0Hd0.85y（7-2）式中Hd——定型设计水头，按堰顶最大作用水头Hmax的75%～95%计算；K，n——与上游面有关的系数和指数,,当坝面铅直时,K=2.0,n=1,850。Hd＝（2822.85-2810）×75%～95%＝9.45～11.97取Hd＝11.45mx1.85=2.0Hd0.85y=2.0×11.450.85y即：x1.85=15.89y堰顶上游段采用椭圆曲线，其方程为：（7-3）其中：a为0.28～0.3之间，取a=0.30,aHd=3.435，a/b=0.87+3a=0.87+0.90=1.77，b=0.17，bHd=1.95。上游段椭圆曲线方程为：7.1.2隧洞的水力计算平洞底坡的确定：假定过水断面为城门洞型下部的矩形断面，矩形断面的水面宽与底宽相等，则hc计算公式为：hc===9.64>7需试算，经试算得hc＝9.4m-66- 第七章泄水建筑物的计算=2=6.42mA=m2X=7+8×2+0.41×3.5×2=25.88mR=A/X=65.53/25.88=2.53=1/0.014×2.531/6=83.39m0.5/s其中：n——糙率系数取0.014；C——谢才系数.=0.00569计算得到临界坡降=0.00569,设计平洞底坡为陡坡，取底坡=0.006。7.1.3隧洞水面曲线的计算：（7-4）计算得：=2822.85-2756=66.85m66.85=式中：T0——堰前总有效水头；——流速系数；——反弧段最低点水深；经过试算得：=2.784m。水面曲线计算见表7-1。-66- 第七章泄水建筑物的计算表7－1分段求和法水面曲线计算表格经整理得出平洞段水面曲线，见表7－2表7－2平洞段水面曲线l(m)0.00120.906198.747278.109359.510443.609h(m)2.7843.103.303.503.703.90-66- 第七章泄水建筑物的计算由于隧洞泄流时流速较大，应次必须考虑高速水流掺气的影响。掺气后的水深按以下公式计算：（7-5）（7-6）式中：V、R——为不计掺气时断面的平均流速和水力半径；ha——考虑掺气后的水深。k——掺气系数，取0.008。按上式计算得掺气后平洞段的水面曲线,成果见表7－3：表7－3掺气后水面曲线计算成果l(m)0.00120.906198.747278.106359.510443.609h(m)4.0914.2074.3074.4214.5484.6847.2出口消能计算7.2.1扩散角为减小单宽流量，减轻下游冲刷，利于消能，隧洞出口采用扩散段布置。为防止高速水流脱离边壁而发生空蚀，扩散角不宜过大。设计中采用以下公式来控制：tgθ≤（7-7）Fr==24.99/=4.12tgθ≤=1/(2.5×4.12)=0.097arctg0.097=5.57,取5º.式中：θ——扩散角；Fr——佛汝德数，Fr=/，、h为扩散段起始断面处流速和水深；K——经验系数，可取1.5～3.0,本设计取2.5.-66- 第七章泄水建筑物的计算最终确定扩散角θ=5º。7.2.2挑距计算挑距L可用下面公式估算公式：（7-8）式中：L——挑距（m），鼻坎末端至冲坑最深点的水平距离；——坎顶水面流速（m/s），可取为坎顶平均流速的1.1倍；——鼻坎挑射角度；h1——坎顶平均水深h在铅直方向投影，即h1=h·cos；h2——坎顶至河床表面高差；g——重力加速度。已知：遂洞出口断面（掺气）=4.756m计算示意图如图7-1：扩散段长：鼻坎顶宽：单宽流量：由伯努利方程把扩散段起点的水流动能换算成静水高度由前面可得：-66- 第七章泄水建筑物的计算流速系数：流能比：所以坝顶平均流速挑距：7.2.3冲坑深度冲坑稳定深度tr与水流冲刷能力和河床抗冲能力有关，采用以下估算公式：（7-9）则式中：t—下游水位；-66- 第七章泄水建筑物的计算H—上下游水位差；kr—冲刷坑系数。对于坚硬岩石取kr=0.9～1.2；坚硬但不完整岩石kr=1.2～1.5；软弱破碎的岩石kr=1.5～2.0。设计中取kr=1.2。计算得出最大冲刷坑深度为tr=12.91m。7.2.4计算结果分析L/tr=35.96/12.91=2.79安全挑距以确保冲坑不会危及建筑物的安全,一般安全挑距约为冲刷坑深度的2.5～5.0倍。本设计中冲坑离鼻坎边界的挑距L=35.96m,L/tr=2.73>2.5，满足设计要求。-66-'