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1 調洪演算
有正常蓄水位為2821.6m,由水位庫容關系曲線查得對應庫容為3.8×10m,故工程等級為二等大（2）型，壩高小于90米，故主要建筑物級別為2級，次要建筑物級別為3級，臨時建筑物級別為4級。
1.1確定洪水標準
該工程為土石壩二等大（2）型，故永久建筑物洪水標準：正常運用（設計）洪水重現(xiàn)期100年(洪峰流量為1680m/s)；非常運用（校核）洪水重現(xiàn)期2000年(洪峰流量為2320m/s)；消能防沖建筑物洪水重現(xiàn)期為50年一遇；電站廠房洪水標準：正常運用（設計）洪水重現(xiàn)期為100年，非常運用（校核）為500年；臨時渡汛為200年一遇（大于100年）。
1.2泄洪方案選擇
采用隧洞泄洪方案
水庫運用方式：洪水來臨時用閘門控制下泄流量等于來流量，水庫保持汛前限制水位不變，當來流量繼續(xù)加大，則閘門全開，下泄流量隨水位的升高而加大，流態(tài)為自由泄流。
調洪演算原理
采用以峰控制的同倍比放大法對典型洪水進行放大，得出設計與校核洪水過程線如下：
擬定幾組不同的堰頂高程?及孔口寬度B的方案。由堰頂自由泄流公式和3臺機組的滿發(fā)流量44.1 m/s可確定設計洪水和校核洪水情況下的起調流量Ｑ起，由Ｑ起開始，假定四條泄洪過程線（為簡便計算，假設都為直線），在洪水過程線上查出Q泄，并求出相應的蓄水庫容V，根據(jù)庫容水位關系曲線可得相應的庫水位H，由四組（Q泄，H）繪制的Q～H曲線與由繪制的Q～H曲線相交，所得交點即為所對應洪水過程線下的下泄流量及相應水位。
方案一： 堰頂高程?=2810m，堰寬B=7m，起調流量Q＝570.75m/s。
設計情況下列表計算如下：
假定下泄流量Q（m/s）
下泄曲線與洪水過程線包圍面積A
水庫攔蓄洪水
△V(10m)
水庫總庫容V(10m)
水庫水位▽(m)
A: 564.72
20.83
31.87
430.85
2823.13
B: 635.31
19.4
29.68
428.66
2823.02
C: 705.9
18.00
27.54
426.52
2822.92
D: 776.47
16.7
25.55
424.53
2822.76
校核情況下列表計算如下：
假定下泄流量Q（m/s）
下泄曲線與洪水過程線包圍面積A
水庫攔蓄洪水
△V(10m)
水庫總庫容V(10m)
水庫水位▽(m)
A: 585
28.081
58.97
432.794
2823.7
B: 682.5
26.304
54.67
429.668
2823.54
C: 780
24.05
50.5
426.65
2823.384
D: 877.5
22.169
46.56
423.783
2823.24
繪制泄水能力曲線如下圖所示：
由上圖易知，設計下泄流量為669.1 m/s，設計水位為2823.2m;校核下泄流量為710.1 m/s，校核水位為2823.6m.
方案二：堰頂高程?=2808m, 堰寬 B=7m，起調流量Q＝712.79 m/s。
設計情況下列表計算如下：
假定下泄流量Q（m/s）
下泄曲線與洪水過程線包圍面積A
水庫攔蓄洪水
△V(10m)
水庫總庫容V(10m)
水庫水位▽(m)
A: 634.5
16. 838
25.67
415.653
2822.822
B: 705
15.753
23.98
413.999
2822.738
C: 775.5
14.661
22.31
412.334
2822.652
D: 846
13.595
20.69
410.708
2822.57
校核情況下列表計算如下：
假定下泄流量Q（m/s）
下泄曲線與洪水過程線包圍面積A
水庫攔蓄洪水
△V(10m)
水庫總庫容V(10m)
水庫水位▽(m)
A: 682.5
23.569
49.49
425.916
2823.346
B: 780
21.957
46.11
423.458
2823.22
C: 877.5
20.3815
42.8
421.055
2823.098
D: 975
18.854
39.59
418.727
2822.98
繪制泄水能力曲線如下圖所示：
由上圖易知，設計下泄流量為799.1 m/s，設計水位為2822.7m；校核下泄流量為842.1 m/s，水位為2823.2m。
方案三：堰頂高程?=2807.5m，堰寬B=7m，起調流量Q＝750 m/s。
設計情況下列表計算如下：
假定下泄流量Q（m/s）
下泄曲線與洪水過程線包圍面積A
水庫攔蓄洪水
△V(10m)
水庫總庫容V(10m)
水庫水位▽(m)
A: 705
15.169
23.09
413.108
2822.692
B: 775.5
14.143
21.53
411.544
2822.612
C: 846
13.128
19.98
409.996
2822.534
D: 916.5
12.129
18.13
408.473
2822.46
校核情況下列表計算如下：
假定下泄流量Q（m/s）
下泄曲線與洪水過程線包圍面積A
水庫攔蓄洪水
△V(10m)
水庫總庫容V(10m)
水庫水位▽(m)
A: 780
22.936
48.14
424.935
2823.3
B: 877.5
19.9
41.79
420.322
2823.06
C: 975
18.433
38.71
418.085
2822.95
D: 1072.5
17.033
35.77
415.95
2822. 46
繪制泄水能力曲線如下圖所示：
由上圖易知，設計下泄流量為819.1 m/s，設計水位為2822.6m；校核下泄流量為875 m/s，校核水位為2823.1m。
從調洪演算結果來看，初擬的三組方案均能滿足校核下泄流量Q<900 m3/s,校核水位與正常蓄水位之差?Z﹤3.5m的要求。為充分發(fā)揮隧洞的下泄能力，在本設計中我們考慮隧洞的下泄流量接近于上限值，以降低工程造價。
綜上所述，最終確定堰頂高程?=2807.5m，堰寬B=7m。
2 大壩高程的計算
壩頂高程由水庫靜水位加風浪壅高、壩面波浪爬高及安全超高等決定。壩頂超出靜水位以上的超高由公式Y = R + e + A 計算。
R：壩頂在水庫靜水位以上的超高，m。
R=。
m：單坡的坡度系數(shù)，該式適用于m＝1.5～5.0的情況，本次設計中m＝2.5。
，：斜坡的糙率滲透系數(shù)和經(jīng)驗系數(shù)。該壩上游擬用砌石護坡， 故糙率滲透系數(shù)為0.75～0.80，本次設計取為0.78；經(jīng)驗系數(shù)與有關，本次設計中﹤1，故經(jīng)驗系數(shù)取為1.0。
，：平均波長和波高。
對于內陸峽谷水庫，在風速W<20m/s、吹程D<2000m時，波浪的平均波長和波高可采用官廳公式：
式中，D：風區(qū)長度，m
H：壩前水深，m
W ：同上，計算風速, m/s。在正常運用條件（正常蓄水位或設計洪水位）下，采用相應洪水期多年平均最大風速的1.5～2.0倍（本次設計取為1.5），在非常運用條件（校核洪水位）下，采用相應洪水期多年平均最大風速。
e：最大風浪壅高，m?？捎晒絜＝0.0036計算。式中β為計算風向與壩軸線的夾角，本次設計取為22.5°，其余符號同前。
A：安全加高，由壩的等級和運用情況決定。2級壩在正常運用情況下的安全加高為1.0m，在非常運用情況下安全加高為0.5m。
壩頂高程的計算應同時考慮以下四種情況：
1、設計洪水位加正常運用情況的壩頂超高；
2、正常蓄水位加正常運用情況的壩頂超高；
3、校核洪水位加非常運用情況的壩頂超高；
4、正常蓄水位加非常運用條件下的壩頂超高再加地震區(qū)安全加高（地震超高一般取為0.5～1.5m，本次設計取為1.0m）。
本次設計壩頂需設置防浪墻，故以上四種情況下的最大值為沉降穩(wěn)定后的防浪墻頂高程，擬定防浪墻高為1.5m，故以上情況求得的最大值減去1.5m后即為壩頂設計高程。
壩頂高程計算成果見下表所示。
壩頂高程計算成果表
計算情況
計算項目
設計洪水位+正常運用情況
正常蓄水位+正常運用情況
校核洪水為+非正常運用情況
正常蓄水位+地震+非正常運用情況
上游靜水位(m)
2822.6
2821.6
2823.1
2821.6
河底高程(m)
2750
壩前水深(m)
72.6
71.6
73.1
71.6
吹程D(Km)
15
風向與壩軸線夾角(°)
22.5
風浪引起壩前壅高e(m)
0.011349
0.011507
0.005009
0.005114
護坡粗糙系數(shù)
0.78
上游壩面坡角(°)
21.8
波浪沿壩坡爬高(m)
2.322025
2.322025
1.471051
1.471051
安全超高(m)
1
1
0.5
0.5
地震超高(m)
0
0
0
1.0
壩頂高程(m)
2824.433
2823.434
2823.576
2823.076
注：以上表格中壩頂高程為減去防浪墻高度1.5m以后的高程。
根據(jù)上表中結果可知：壩頂高程由設計情況來控制，壩頂高程為2824.50m。為滿足心墻設計中頂部高程的要求（見防滲體設計部分），最后確定壩頂高程為2824.5m。
3 土料設計
在當?shù)赜卸喾N適于筑壩的土石料石，應進行技術經(jīng)濟比較后選用。在選擇時應具有或經(jīng)加工處理后具有與其使用目的相適應的工程性質，并具有長期穩(wěn)定性；就地、就近取材，減少棄料，少占或不占農(nóng)田，優(yōu)先考慮樞紐建筑物開挖料的利用；便于開挖、運輸和壓實。
3.1 粘土土料設計
粘性土料的填筑密度以壓實干容重為設計指標，并按壓實度確定：
/
式中： ——填土的壓實度；
——設計填筑干容重；一般為16～17KN/m。
——標準擊實試驗最大干容重。
對Ⅰ、Ⅱ級壩和各種等級的高壩應不低于0.98～1；對Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級壩（高壩除外）應不低于0.96～0.98。本次設計采用＝0.99。
施工填筑含水率控制為最優(yōu)含水率的－2%～+3%范圍內。
各料場的壓實干容重和施工填筑含水率列表計算如下：
料場
比重Gs
最大干密度(g/cm3)
最大干容重(KN/m3)
設計干容重(KN/m3)
流限（%）
塑限（%）
塑性指數(shù)
填筑含水量（%）
天然含水量（%）
滲透系數(shù)(10-6cm/s)
有機含量(%)
可溶鹽含量(%)
1#下
2.67
1.60
15.70
15.54
42.60
23.14
19.46
20.07～25.07
24.80
4.32
1.73
0.07
2#下
2.67
1.65
16.19
16.02
43.90
22.20
21.70
19.02～24.02
24.20
4.80
1.90
0.02
1#上
2.65
1.56
15.30
15.15
49.57
25.00
24.57
20.30～25.30
25.60
1.90
2.20
0.11
2#上
2.74
1.54
15.11
14.96
49.90
26.30
23.50
21.80～25.80
26.30
3.96
0.25
0.11
3#下
2.70
1.80
17.66
17.48
34.00
20.00
14.00
14.90～19.90
15.90
3.00
1.90
0.08
防滲土料選用粘土時，按規(guī)范應滿足：
滲透系數(shù)：均質壩不大于1×10 cm/s，心墻和斜墻不大于1×10 cm/s。
水溶鹽含量（指易溶鹽和中溶鹽，按質量計）不大于3%。
有機質含量（按質量計），均質壩不大于5%，心墻和斜墻不大于2%，超過此規(guī)定的需進行論證。
有較好的塑性和滲透穩(wěn)定性。
浸水與失水時體積變化小。
塑性指數(shù)大于20和液限大于40%的沖積粘土不宜作為壩體的防滲體填筑材料。
施工填筑含水率控制為最優(yōu)含水率的－2%～+3%范圍內。
綜上，防滲體土料料場選為3#下，1#下為備用料場。
3.2 砂礫石土料設計
壩殼砂礫料填筑的設計指標以相對密實度表示如下：
式中： ——相對密實度；
——最大孔隙比；
——最小孔隙比；
——填筑的砂、砂卵石或地基原狀砂、砂卵石的設計孔隙比。
施工控制指標用干重度表示，其中＝。
式中：、為沙礫料的最大、最小干重度，其余符號同前。
在地震情況下，浸潤線以上壩殼料要求填筑相對密實度Dr不低于0.7，浸潤線以下壩殼料要求填筑相對密實度Dr不低于0.75～0.85，故本次設計中相對密實度取為0.78。
同時應優(yōu)先選用不均勻和連續(xù)級配的砂石料，一般認為不均勻系數(shù)η＝/＝30～100時較易壓實，而當η﹤5～10時不易壓實。
各料場累積頻率計算及級配曲線繪制如下所示：
累積頻率計算表
1上
2上
3上
4上
粒徑（mm）
累積頻率(%)
粒徑(mm)
累積頻率(%)
粒徑(mm)
累積頻率(%)
粒徑(mm)
累積頻率(%)
0.15
0.3
0.15
0.5
0.15
0.4
0.15
0.3
0.3
4.9
0.3
5.8
0.3
6.6
0.3
2.8
0.6
10.3
0.6
10.4
0.6
10.1
0.6
7.6
1.2
24.2
1.2
25.2
1.2
30.6
1.2
24.3
2.5
42.7
2.5
43.0
2.5
47.0
2.5
39.9
20
55.0
20
57.1
20
62.3
20
56.3
60
76.3
60
77.4
60
80.8
60
75.7
100
94.8
100
95.2
100
96.2
100
94.0
300
100.0
300
100.0
300
100.0
300
100.0
1下
2下
3下
4下
粒徑(mm)
累積頻率(%)
粒徑(mm)
累積頻率（%）
粒徑（mm）
累積頻率(%)
粒徑(mm)
累積頻率(%)
0.15
0.2
0.15
0.1
0.15
0.9
0.15
0.7
0.3
7.4
0.3
2.9
0.3
5.0
0.3
4.3
0.6
16.0
0.6
8.6
0.6
11.3
0.6
8.4
1.2
23.2
1.2
16.9
1.2
20.2
1.2
22.8
2.5
38.1
2.5
35.9
2.5
38.6
2.5
40.7
20
61.3
20
54.6
20
52.8
20
54.8
60
81.4
60
76.9
60
71.9
60
73.5
100
95.5
100
96.1
100
95
100
95.9
300
100.0
300
100
300
100
300
100
各料場級配曲線：
各料場砂礫石填筑標準計算如下：
料場
比重Gs
d60
emax
d10
不均勻系數(shù)η
emin
設計孔隙比e
設計干重度
天然e
1上
2.75
30
0.786
0.59
50.85
0.370
0.461
18.46
0.481
2上
2.74
24
0.786
0.58
41.38
0.370
0.461
18.39
0.531
3上
2.76
18
0.786
0.6
30.00
0.370
0.461
18.53
0.449
4上
2.75
27
0.786
0.7
38.57
0.370
0.461
18.46
0.460
1下
2.75
19
0.786
0.36
52.78
0.370
0.461
18.46
0.481
2下
2.73
29
0.786
0.7
41.43
0.370
0.461
18.33
0.475
3下
2.73
33
0.786
0.53
62.26
0.370
0.461
18.33
0.481
4下
2.72
30
0.786
0.69
43.48
0.370
0.461
18.26
0.511
由各料場的級配曲線和不均勻系數(shù)可將主要砂礫石料場選為1#下，2#下和4#上作為備用料場。
4 滲流計算
土石壩滲流分析的目的是：確定壩體浸潤線和下游逸出點位置，繪制壩體及地基內的等勢線或流網(wǎng)圖；計算壩體和壩基滲流量，以便估算水庫的滲漏損失和確定壩體排水設備的尺寸；確定壩坡出逸段和下游地基表面的出逸比降，以及不同土層之間的滲透比降，以判斷該處的滲透穩(wěn)定性；確定庫水位降落時上游壩殼內自由水面的位置，估算孔隙壓力，供上游壩坡穩(wěn)定分析用；確定壩肩的等勢線、滲流量和滲透比降。
進行滲流計算時，應考慮水庫運行中可能出現(xiàn)的不利情況，常需計算以下幾種水位組合情況：
1、上游正常高水位與下游相應的最低水位；
2、上游設計洪水位與下游相應的最高水位；
3、上游校核水位與下游相應的最高水位；
4、庫水位降落時對上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況。
本次設計中，在左岸、河床中部和右岸各取一個斷面（左右兩個斷面取在高程2785m處），就前三種水位組合情況進行滲流分析，用有限深透水地基上土石壩的滲流計算來求解。沿壩軸線所取的斷面如說明書所示。
單寬滲流量q:
斷面1－1和2－2采用混凝土防滲墻。
通過心墻防滲體和混凝土防滲墻的單寬滲透流量：
通過防滲體后的單寬滲透流量：
斷面3－3地基處理采用粘性土截水槽，故通過防滲心墻和地基截水槽的單寬滲透流量
墻后段的單寬滲流量
公式中的符號意義見說明書。
根據(jù)水流連續(xù)條件q＝＝，可求得心墻后水深h和單寬滲透流量q。 總滲透流量Q:
由于沿壩軸線的各斷面形狀及地基地質條件并不相同，因此在計算通過壩體的總滲透流量時，可根據(jù)具體情況將壩體沿壩軸線劃分為若干段，分別計算出每個斷面的單寬流量，然后按下式計算全壩的總滲流量。
式中：、…——斷面1、2、n的單寬滲流量；
、…、——相鄰兩斷面之間的距離。
計算成果如下表所示。
工況
斷面
上游水頭H1(m)
心墻后水頭h(m)
下游水頭H2（m）
心墻厚度δ0(m)
壩基滲徑L(m)
心墻后壩殼滲徑L1(m)
壩前滲透量q1
壩后滲透量q2
總滲透量(m3/天)
正常水位
1-1
36
0.06
0
10.4
88.05
93.95
2.95E-06
2.95E-06
129.2
2-2
71.6
3.21
3.03
17.4
160.4
151
7.15E-06
7.15E-06
3-3
36
0.30
0
10.62
87.94
87.94
2.13E-06
2.13E-06
設計水位
1-1
37
0.06
0
10.4
88.05
93.95
3.08E-06
3.08E-06
132.09
2-2
72.6
5.55
5.3876
17.4
163.39
153.99
7.2E-06
7.2E-06
3-3
37
0.32
0
10.62
87.94
87.94
2.24E-06
2.24E-06
校核水位
1-1
38
0.07
0
10.4
88.05
93.95
3.22E-06
3.22E-06
135.69
2-2
73.3
5.64
5.4738
17.4
163.5
154.1
7.31E-06
7.31E-06
3-3
38
0.33
0
10.62
87.94
87.94
2.36E-06
2.36E-06
- 15 -
1 概述
1.1 教學目的
（1）鞏固、加深、擴大學生所學的基本理論和專業(yè)知識，并使之系統(tǒng)化；
（2）培養(yǎng)學生運用所學的理論知識解決實際技術問題功能力，初步掌握設計原則、方法和步驟；
（3）培養(yǎng)學生具有正確的設計思想，樹立嚴肅認真、實事求是和刻苦鉆研的工作作風；
（4）鍛煉學生獨立思考、獨立工作的能力，并加強計算、繪圖、編寫說明書及使用規(guī)范、手冊等技能訓練。
1.2 設計內容和基本方法
本畢業(yè)設計的題目是河川水利樞紐工程設計。以壩工為重點的設計包括下列幾個基本組成部分。
1.2.1 了解任務書和熟悉、分析原始資料
1.2.2 洪水調節(jié)計算
（1）選定泄洪方式和擬定泄洪建筑物孔口尺寸；
（2）確定防洪庫容、上游設計和校核洪水危及相應的下泄流量。
1.2.3 主要建筑物形式選擇和水利樞紐布置
（1）確定樞紐組成建筑物及其設計等級；
（2）通過不同方案的初步技術經(jīng)濟比較，選定壩型；
（3）通過定性分析比較，選定水電站廠房及其他建筑物型式；
（4）確定水利樞紐的布置方案。
1.2.4 第一主要建筑物——攔河壩設計
一般應首先選定大壩結構布置與構造，然后進行校核計算。
（1）選定壩的結構形式，擬定大壩基防滲處理形式及輪廓尺寸；
（2）進行土料設計，包括對壩身不同高程的透水料和不透水料的分區(qū)規(guī)劃布置以及壓實標準的確定；
（3）滲流演算，計算正常、校核水位下浸潤線位置，確定總滲流量與逸出坡降；
（4）靜力穩(wěn)定計算，求出上下游坡在某一水位情況下的最小穩(wěn)定安全系數(shù)，以論證選用壩坡的合理性；
（5）擬定壩身細部構造，包括防滲、排水、反濾層、壩頂、護坡、馬道，以及壩體與壩基、岸坡及其他建筑物的連接。
1.2.5 第二主要建筑物——壩外泄水道設計
（1）確定結構形式和輪廓尺寸，進行建筑總體布置；
（2）進行必要的水力、靜力計算與結構設計，以驗證建筑物的輪廓尺寸和各部分的結構尺寸是否合理；
（3）擬定細部構造，包括排水、錨筋加固、灌漿、封堵體設計、摻氣等。
2 工程概況
2.1 流域概況
該江位于我國西南地區(qū)，流向自東南向西北，全長約122公里，流域面積2558平方公里，在壩址以上流域面積為780平方公里。
本流域大部分為山嶺地帶，山脈和盆地交錯于其間，地形變化劇烈，流域內支流很多，但多為小的山區(qū)流河流，地表大部分為松軟的沙巖、頁巖、玄武巖及石灰?guī)r的風化層，汛期河流的含沙量較大。沖積層較厚，兩岸有崩塌現(xiàn)象。
本流域內因山脈連綿，交通不便，故居民較少，全區(qū)農(nóng)田面積僅占總面積的20％，林木面積約占全區(qū)的30％，其種類有松、杉等。其余為荒山及草皮覆蓋。
2.2 氣候特性
2.2.1氣溫
年平均氣溫約為12.8度，最高氣溫為30.5度，發(fā)生在7月份，最低氣溫為-5.3度，發(fā)生在1月份。
表2－1 月平均氣溫統(tǒng)計表（度）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
年平均
4.8
8.3
11.2
14.8
16.3
18.0
18.8
18.3
16.0
12.4
8.6
5.9
12.8
表2－2 平均溫度日數(shù)
日數(shù) 月份
平均溫度
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
℃
6
1.2
0.3
0
0
0
0
0
0
0
0
3.1
℃
25.0
26.8
30.7
30
31
30
31
31
30
31
30
27.9
℃
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
2.2.2 濕度
本區(qū)域氣候特征是冬干夏濕，每年11月至次年和4月特別干燥，其相對濕度為51～73%之間，夏季因降雨日數(shù)較多，相對濕度隨之增大，一般變化范圍為67～86%。
2.2.3 降水量
最大年降水量可達1213毫米，最小為617毫米，多年平均降水量為905毫米。
表2－3 各月降雨日數(shù)統(tǒng)計表
日數(shù) 月份
平均降雨量
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
<5mm
2.6
2.2
4.3
4.2
7.0
8.6
11.5
8.5
9.6
9.5
4.8
4.3
5-10mm
0.3
0.2
0.2
1.4
2.0
2.4
2.7
2.7
2.6
2.4
0.8
0.1
10-30mm
0.1
0.1
0.7
0.5
2.3
4.6
4.9
3.8
2.2
1.3
0.6
0.1
>30mm
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
2.2.4 風力及風向
一般1～4月風力較大，實測最大風速為19.1米／秒，相當于8級風力，風向為西北偏西。洪水期實測最大平均風速為14m/s。水庫吹程為15公里。
2.3 水文特性
該江徑流的主要來源為降水，在此山區(qū)流域內無湖泊調節(jié)徑流。根據(jù)實測短期水文氣象資料研究，一般是每年五月底至六月初河水開始上漲，汛期開始，至十月以后洪水下降，則枯水期開始，直至次年五月。
該江洪水形狀陡漲猛落，峰高而瘦，具有山區(qū)河流的特性，實測最大流量為700秒立米，而最小流量為0.5秒立米。
2.3.1 年日常徑流
壩址附近水文站有實測資料8年，參考臨近測站水文記錄延長后有22年水文系列，多年年平均流量為17秒立米。
2.3.2 洪峰流量
經(jīng)頻率分析，求得不同頻率的洪峰流量如下表：
表2－4 不同頻率洪峰流量（秒立米）
頻率
0.05
1
2
5
10
流量
2320
1680
1420
1180
1040
表2－5 各月不同頻率洪峰流量（秒立米）
月
頻率
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1％
46
19
12
19
600
1240
1550
1210
670
390
28
37
2％
36
17
11
15
530
1120
1360
1090
600
310
23
33
5％
23
14
9
11
420
850
1100
830
480
250
16
28
10％
19
11
7
9
370
760
980
720
410
210
15
23
2.3.3 固體徑流
該江為山區(qū)性河流，含沙量大小均隨降水強度及降水量的大小而變化，平均含沙量達0.5公斤／立米?？菟畼O少，河水清徹見底，初步估算30年后壩前淤積高程為2765米。
2.4 工程地質
2.4.1 水庫地質
庫區(qū)內出露的地層有石灰?guī)r、玄武巖、火山角礫巖與凝灰?guī)r等。經(jīng)地質勘探認為庫區(qū)滲漏問題不大，但水庫蓄水后，兩岸的坡積與殘積等物質的坍岸是不可避免的，經(jīng)過勘測，估計可能坍方量約為300萬立米。在考慮水庫淤積問題時可作為參考。
2.4.2 壩址地質
壩址位于該江中游地段的峽谷地帶，河床比較平緩，坡降不太大，兩岸高山聳立，構成高山深谷的地貌特征。
壩址區(qū)地層以玄武巖為主，間有少量火山角礫巖和凝灰?guī)r穿過，對其巖性分述如下：
(1) 玄武巖 一般為深灰色、灰色、含有多量氣孔，為綠泥石、石英等充填，成為杏仁狀構造，并間或有方解石脈、石英脈等貫穿其中，這些小巖脈都是后來沿裂隙充填進來的。堅硬玄武巖應為不透水層，但因節(jié)理裂縫較發(fā)育，透水性也會隨之增加，其礦物成份為普通輝石、檢長石，副成分為綠泥石、石英、方解石等，由于玄武巖成分不甚一致，風化程度不同，力學性質也不同，可分為堅硬玄武巖、多氣孔玄武巖、破碎玄武巖、軟弱玄武巖、半風化玄武巖和全風化玄武巖等，其物理力學性質見表2－6、表2－7。
滲透性：經(jīng)試驗得出k值為4.14～7.36米/晝夜。
表2－6 壩基巖石物理力學性質試驗表
巖石名稱
比重
Δ
容重γ
kN/m3
建議采用抗壓強度
MPa
半風化玄武巖
3.01
29.6
50
破碎玄武巖
2.95
29.2
50-60
火山角礫巖
2.90
28.7
35-120
軟弱玄武巖
2.85
27.0
10-20
堅硬玄武巖
2.96
29.2
100-160
多氣孔玄武巖
2.85
27.8
70-180
表2－7 全風化玄武巖物理力學性質試驗表
天然含水率
%
干容重
kN/m3
比重
Δ
液限
塑限
塑性指數(shù)
壓縮系數(shù)a
浸水固結塊剪
0~0.5
m2/kN
×10-6
3~4
m2/kN
×10-6
內摩擦角Φ
凝聚力
kPa
2.5
16.3
2.97
47.3
32.26
16.9
5.97
1.51
28.38
24
(2) 火山角礫巖 角礫為玄武巖，棱角往往不明顯，直徑為2～15厘米，膠結物仍為玄武巖質，膠結緊密者抗壓強度與堅硬玄武巖無異，其膠結程度較差者極限抗壓強度低至35MPa。
(3) 凝灰?guī)r 成土狀或頁片狀，巖性軟弱，與近似，風化后成為碎屑的混合物，遇水崩解，透水性很小。
(4) 河床沖積層 主要為卵礫石類土，砂質粘土與砂層均甚少，且多呈透鏡體狀，并有大漂石摻雜其中。卵礫石成分以玄武巖為主，石灰?guī)r與砂巖占極少數(shù)。沿河谷內分布：壩基部分沖積層厚度最大為32米，一般為20米左右；靠岸邊最少為幾米。顆粒組成以卵礫石為主，砂粒和細小顆粒為數(shù)很少。卵石最小直徑一般為10～100毫米；礫石直徑一般為2～10毫米；砂粒直徑0.05～0.2毫米；細小顆粒小于0.1毫米。見表8。
沖積層的滲透性能 經(jīng)抽水試驗后得，滲透系數(shù)k值為3×10-2厘米/秒～1×102厘米/秒。
表2－8 沖積層剪力試驗成果表
土壤
名稱
代
號
項目
計
算值
容重
（控制）
kN/m3
含水量
（控制）
三軸剪力
（塊剪）
應變（拉制）
（浸水固結快剪）
內摩擦角
凝聚力
（kPa）
內摩擦角
凝聚力
（kPa）
含 中
量
細
粒
的
礫
石
次數(shù)
17
12
8
8
2
2
最大值
24.3
8.66
47°15′
37.0
32°43′
10.5
最小值
22.2
4.27
35°30′
12.0
17°55′
0
平均值
23.08
6.47
40°34′
18.2
25°25′
5.3
小值
平均值
37°32′
14.8
備
注
三軸剪力土樣備系篩去大于4mm顆粒后制備的。
試驗時土樣的容重為控制容重。
應變控制土樣容重系篩去大于0.1mm顆粒后制備的。
以上兩種試驗的土樣系擾動的。
(5) 坡積層 在水庫區(qū)及壩址區(qū)山麓地帶均可見到，為經(jīng)短距離搬運沉積后，形成粘土與碎石的混合物質。
2.4.3 地質構造
壩址附近無大的斷層，但兩岸露出的巖石，節(jié)理特別發(fā)育。可以分為兩組，一組走向與巖層走向幾乎一致，即北東方向，傾向西北；另一組的走向與巖層傾向大致相同。傾角一般都較大，近于垂直，裂隙清晰，且為鈣質泥質物所充填。節(jié)理間距，密者0.5米即有一條，疏者3～5米即有一條，所以沿岸常見有巖塊崩落的現(xiàn)象。上述節(jié)理主要在砂巖、泥灰?guī)r與玄武巖之類的巖石內產(chǎn)生。
2.4.4 水文地質條件
本區(qū)地形高差大，表流占去大半，缺乏強烈透水層，故地下水不甚豐富，對工程比較有利。根據(jù)壓水試驗資料，玄武巖的透水性不同，裂隙少、堅硬完整的玄武巖為不透水層，其壓水試驗的單位吸水量小于0.01 l/(min?m)。夾于玄武巖中的凝灰?guī)r，以及裂隙甚少的火山角礫巖都為不透水性良好的巖層。至于節(jié)理很發(fā)育的破碎玄武巖、半風化與全風化玄武巖都是透水性良好的巖層。正因為這些隔水的與透水的玄武巖存在，遂使玄武巖區(qū)產(chǎn)生許多互不連貫的地下水。一般砂巖也是細粒至微粒結構，除因構造節(jié)理裂隙較發(fā)育，上部裂隙水較多外，深處巖層因隔水層的層數(shù)多，難于形成泉水。石灰?guī)r地區(qū)外圍巖石多為不透水層，滲透問題也不存在。
本地區(qū)地震烈度定為7度，基巖與混凝土之間的摩擦系數(shù)取0.65。
2.5 建筑材料
2.5.1 料場的位置與儲量
各料場的位置與儲量見壩區(qū)地形圖。由于河谷內地地形平坦，采運尚方便。
2.5.2 物理力學性質
(1) 土料：見表2-9～表2－12。
(2) 石料：堅硬玄武巖可作為堆石壩石料，儲量較豐富，在壩址附近有石料場一處，覆蓋層淺，開采條件較好。
2.6 經(jīng)濟資料
2.6.1 庫區(qū)經(jīng)濟
流域內都為農(nóng)業(yè)人口，多種植稻米、苞谷等。庫區(qū)內尚未發(fā)現(xiàn)有價值可開采的礦產(chǎn)。淹沒情況如下表：
表2－13 各高程淹沒情況
高程（米）
2807
2812
2817
2822
2827
2832
淹沒人口（人）
3500
3640
3890
4060
5320
7140
淹沒土地（畝）
3000
3220
3410
3600
4600
6100
2.6.2 交通運輸
壩址下游120公里處有鐵路干線通過，已建成公路離壩址僅20公里，因此交通尚稱方便。
- 41 -
表2－9 粘土的物理力學性質
料
場
名
稱
物 理 性 質
滲
透
系
數(shù)
10-6
cm/s
力學性質
化學性
自然含水量
%
自然容重
比
重
孔隙率
%
孔隙比
稠度
飽和度
顆粒級配（成分%，粒徑d）
擊實
剪力
固
結
壓
縮
系
數(shù)
cm2/kg
有機含量灼熱法
%
可溶鹽含量
%
流限
%
塑限
%
塑性指數(shù)
礫
砂
粘土
最
大
干
密
度
g/cm3
最優(yōu)含水量
%
內摩擦角
deg
凝聚力
kPa
濕
干
粗中
細
粉
>2
mm
2~
0.5
mm
0.5~
0.05
mm
0.05
~
0.005
mm
<
0.005
mm
kN/m3
1#下
24.8
18.91
15.16
2.67
42.26
0.734
42.60
23.14
19.46
0.93
7.47
5.95
17.87
35.48
33.23
1.60
22.07
4.317
24.67
24.0
0.021
1.73
0.070
2#下
24.2
18.91
15.18
2.67
41.90
0.721
43.90
22.20
21.70
0.91
7.25
4.15
14.35
41.75
32.25
1.65
21.02
4.80
25.50
23.0
0.020
1.90
0.019
1#上
25.6
17.35
13.03
2.65
49.80
0.990
49.57
25.00
24.57
0.87
8.83
8.00
17.50
31.00
34.67
1.56
22.30
1.90
23.17
25.0
0.026
2.20
0.110
2#上
26.3
16.37
12.84
2.74
52.30
1.093
49.90
26.30
23.50
0.69
4.50
4.33
20.67
36.20
34.30
1.54
23.80
3.96
21.50
38.0
0.033
0.25
0.110
3#下
15.9
19.11
16.64
2.70
37.00
0.580
34.00
20.00
14.00
0.67
6.40
9.00
12.00
35.00
19.60
1.80
16.90
3.00
28.00
17.0
0.010
1.90
0.080
表2－10 砂礫石的顆粒級配
顆 直粒 徑
mm
含量
料場
300
~
100
100
~
60
60
~
20
20
~
2.5
2.5
~
1.2
1.2
~
0.6
0.6
~
0.3
0.3
~
0.15
<0.15
1#上
5.2
18.6
21.4
12.3
18.6
13.9
5.4
4.6
0.3
2#上
4.8
17.8
20.3
14.1
17.8
14.8
4.6
5.3
0.5
3#上
3.8
15.4
18.5
15.3
16.4
20.5
3.5
6.2
0.4
4#上
6.0
18.3
19.4
16.4
15.6
16.7
4.8
2.5
0.3
1#下
4.5
14.1
20.1
23.2
14.9
7.2
8.6
7.2
0.2
2#下
3.9
19.2
22.4
18.7
19.1
8.3
5.7
2.8
0.1
3#下
5.0
23.1
19.1
14.2
18.4
8.9
6.3
4.1
0.9
4#下
4.1
22.4
18.7
14.1
17.9
14.4
4.1
3.6
0.7
表2－11 砂礫石的物理性質
名稱
1#上
2#上
3#上
4#上
1#下
2#下
3#下
4#下
容重，kN/m3
18.6
17.9
19.1
19.0
18.6
18.5
18.4
18.0
比重
2.75
2.74
2.76
2.75
2.75
2.73
2.73
2.72
孔隙率，%
32.5
34.7
31.0
31.5
32.5
32.2
32.5
33.8
軟弱顆粒，%
2.0
1.5
0.9
1.2
2.5
0.8
1.0
1.2
有機物含量
淡色
淡色
淡色
淡色
淡色
淡色
淡色
淡色
注：各砂礫石料場滲透系數(shù)k值為2.0×10-2厘米/秒左右。最大孔隙率0.44，最小孔隙率0.27。
表2－12 各料場天然休止角
料場名稱
最小值
最大值
平均值
1#上
34°30′
35°50′
35°10′
2#上
35°00′
37°10′
36°00′
3#上
34°40′
36°40′
35°40′
4#上
35°10′
37°40′
36°30′
1#下
34°10′
36°30′
35°20′
2#下
35°20′
38°00′
36°40′
3#下
34°30′
37°10′
35°50′
4#下
36°00′
38°20′
37°10′
3 洪水調節(jié)計算
本河流屬于典型山區(qū)河流，洪水暴漲暴落，設計洪峰流量Q設 = 1680m3/s（P=1%），校核洪峰流量Q校 = 2320 m3/s（P=0.05%）。
3.1 洪水調節(jié)計算原理
3.1.1. 工程等別、建筑物級別及洪水標準
水利水電工程的等別應根據(jù)其工程規(guī)模效益及在國民經(jīng)濟中的重要性按水利水電工程分等指標確定；永久性水工建筑物的級別根據(jù)其所在工程的等別和建筑物的重要性按永久性水工建筑物級別指標確定；施工期使用的臨時性擋水和泄水建筑物的級別應根據(jù)保護對象的重要性失事后果使用年限和臨時性建筑物規(guī)模按臨時性水工建筑物級別指標確定；永久性水工建筑物的洪水標準應按山區(qū)、丘陵區(qū)水利水電工程永久性水工建筑物洪水標準確定。樞紐工程等級、建筑物的等級不同，對其規(guī)劃，設計，施工運行管理的要求也不同，等級越高者要求越高。
本工程正常蓄水位2821.6m，相應庫容為3.72×106m3；（調洪計算后確定總庫為4.16×106m3）灌溉面積1.5萬畝；裝機2.4×104kW；保護下游城鎮(zhèn)及工礦企業(yè)的重要性為一般?！?
根據(jù)SL252—2000《水利水電工程等級劃分標準及洪水標準》，由水庫總庫容指標定為大（2）型；由防洪效益指標定為?。?）型；由灌溉面積指標定為小（1）型；由裝機容量等指標定為小（1）型。根據(jù)“各指標分屬不同標準時，采用其中最高級別來控制”的原則，最終由水庫總庫容確定該工程規(guī)模為大（2）型；工程等別為Ⅱ等。永久建筑物級別：主要建筑物為2級，次要建筑物為3級，臨時建筑物為5級。永久建筑物洪水標準：設計情況下洪水重現(xiàn)期為2000年；校核情況下洪水重現(xiàn)期為100年。
3.1.2.壩軸線選擇
壩軸線應根據(jù)壩址區(qū)的地形地質條件、壩型、壩基處理方式、樞紐中各建筑物（特別是泄洪建筑物）的布置和施工條件等，經(jīng)多方案的技術經(jīng)濟比較確定。因地制宜，宜采用直線。當壩址處存在有喀斯特、大斷層、或軟粘土等不良地質條件時，應研究避開的可能性。
比較Ⅰ－Ⅰ，Ⅱ－Ⅱ兩條較有利的壩軸線，（a）從工程量角度，兩軸線處河床覆蓋層平均厚度及河床中部最寬度大致相同，大壩工程量基本相同。（b）從地質角度，Ⅱ－Ⅱ剖面處破碎帶縱橫交錯，巖性復雜，地基處理很困難，而且必然滲流情況很嚴重，因此選擇Ⅰ－Ⅰ剖面比較合理。（c）從地形角度，Ⅰ－Ⅰ剖面截得的河流寬度比Ⅱ－Ⅱ剖面截得的河流寬度窄，那么從工程量，造價，工期來分析Ⅰ－Ⅰ剖面有明顯的優(yōu)勢。綜上，選擇Ⅰ－Ⅰ剖面更合理。
3.1.3.壩型選擇
壩型選擇應綜合考慮壩址區(qū)的河勢地形、壩址基巖、覆蓋層特征、地震烈度，筑壩材料的種類、性質、數(shù)量、位置、運輸條件，施工導流，壩高，樞紐布置，運行條件、工程造價等。
本工程所選壩軸線處河床沖積層較深，兩岸巖石破碎，透水性大，存在軟弱夾層和斷層；壩基覆蓋層較厚，基巖不完整，且強度低，透水性比較大。
拱壩 從地質條件看，拱壩對地形及地質條件有獨特的要求，地質條件要求巖基堅硬，整體性好，強度高，透水性??；拱壩主要依靠兩岸壩肩巖體維持穩(wěn)定，故應該避免兩岸邊坡有軟弱夾層或傾向河床方向的斷層；適于修建拱壩的河谷斷面寬高比應較小，它不像重力壩那樣全靠自重維持，而是利用筑壩材料強度承擔以軸向壓力為主的拱內力，并由兩岸拱端巖體來支撐拱端推力，地形地質條件好是一種經(jīng)濟性和安全性相對優(yōu)越的壩型。本工程地質復雜不宜建拱壩。
混凝土重力壩本工程壩體高度大于70m，較高的混凝土重力壩要求建在巖性地基上，且該工程河床覆蓋層較厚，壩基巖石不完整，若建混凝土重力壩地基處理及防滲工程量大。故不宜建重力壩。
土石壩 適應地基變形能力強。本工程地質復雜多變宜造土石壩。且可以就地取材，降低運輸成本，節(jié)省“三材”。
均質壩 均質壩結構簡單，施工方便，但對于抗?jié)B性能好的土料，因其抗剪強度低，且施工碾壓困難，在多雨地區(qū)受含水量影響更難壓實，高壩中一般不采用此種形式。本江地處西南地區(qū)，多雨受含水量影響更難壓實，且壩高超過70m，屬高壩，因而不宜采用均質壩。
堆石壩 堆石體孔隙率大，在承受水壓力后變形大，抗剪強度低，發(fā)生地震時沉降量更大，故不宜采用。
斜墻壩 斜墻防滲體在施工時與壩體的施工干擾相對較小，壩體上升速度快，但上游坡較緩，填筑工程量較大，且對壩體沉陷變形比較敏感，抗震性能也差，易產(chǎn)生裂縫。故本次設計不采用斜墻壩。
心墻壩 施工時要求心墻與壩體同步上升‘因而兩者相互干擾大，影響施工進度。雖然心墻內易產(chǎn)生“拱效應”形成裂縫，但與斜墻壩相比工程量較小，適應不均勻變形、抗震性能都較好，土料在總方量中所占比重不大，施工受氣候和季節(jié)影響也不大。故本工程采用心墻壩。
3.1.4.組成建筑物
本樞紐工程同時兼有防洪、發(fā)電、灌溉、漁業(yè)等綜合作用，為飲水式電站。樞紐組成建筑物有擋水建筑物、泄水建筑物、水電站進水建筑物、水電站飲水及尾水建筑物、水電站平水建筑物、發(fā)電、變電和配電建筑物、以及其他建筑物。
3.2調洪演算
3.2.1確定洪水標準
該工程為土石壩二等大（2）型，故永久建筑物洪水標準：正常運用（設計）洪水重現(xiàn)期100年；非常運用（校核）洪水重現(xiàn)期2000年；消能防沖建筑物洪水重現(xiàn)期為50年一遇；電站廠房洪水標準：正常運用（設計）洪水重現(xiàn)期為100年，非常運用（校核）為500年；臨時渡汛為200年一遇（大于100年）。
3.2.2泄水孔口型式及尺寸
泄洪方式：本工程擋水建筑物擬定為土石壩，壩頂不允許過水，而且沒有天然埡口，故需設置河岸溢洪道，使土石壩在泄洪時受水體流動影響較小。正槽溢洪道是以面向水庫上游的寬頂堰或實用堰作溢流控制堰的壩外表孔溢洪道，開敞式正面進流，過堰水流與泄槽方向一致，泄流量大，過流能力強，水流條件平順穩(wěn)定，結構簡單可靠,運用安全可靠。廣泛應用于攔河壩為土石壩的水利樞紐。由于明渠開挖量大，故接隧洞泄流。
剖面形狀：擬用WES實用堰，邊墩型式為圓弧形。
尺寸：由試算確定。
水庫運用方式：洪水來臨時用閘門控制下泄流量等于來流量，水庫保持汛前限制水位不變，當來流量繼續(xù)加大，則閘門全開，下泄流量隨水位的升高而加大，流態(tài)為自由泄流。
防洪限制水位的選擇：防洪限制水位取與正常蓄水位重合，這是防洪庫容與興利庫容完全不結合情況，因為山區(qū)河流的特點是暴漲暴落，整個汛期內大洪水隨時都可能出現(xiàn)，故在任何時候都預留一定的防洪庫容。
3.2.3 調洪演算原理
采用以峰控制的同倍比放大法對單位洪水過程線進行放大，得出設計與校核洪水過程線分別如下圖所示。
擬定幾組不同堰頂高程?及孔口寬度B的方案。由堰頂自由泄流公式和3臺機組的滿發(fā)流量44.1 m/s可確定設計洪水和校核洪水情況下的起調流量Ｑ起，由Ｑ起開始，假定四條泄洪過程線（為簡便計算，假設都為直線），在洪水過程線上查出Q泄，并求出相應的蓄水庫容V，根據(jù)庫容水位關系曲線可得相應的庫水位H，由四組（Q泄，H）繪制的Q～H曲線與由繪制的Q～H曲線相交，所得交點即為所對應洪水過程線下的下泄流量及相應水位。
注：公式中
H：堰上水頭，H＝H+, 為行近流速，在計算時忽略，即H≈H。
：淹沒系數(shù)，本次設計中為自由出流，故＝1。
m: 流量系數(shù)，與堰高a,總水頭H，設計水頭H有關，范圍為0.42～0.50，本次設計取為0.50。
：側收縮系數(shù)，＝1－0.2﹝（n-1）﹞ ,n為溢流孔數(shù)，本次設計中n=1，b為每孔寬度，為閘墩系數(shù)，與閘墩頭部形狀有關（本次設計中沒有閘墩），為邊墩系數(shù)，與邊墩平面形狀有關，本次設計為半圓形，故
＝0.7。
g:重力加速度，9.81m/s。
擬定不同堰頂高程?及孔口寬度B時，堰頂高程如果取的太低，孔口總凈寬選的大，則泄流能力加大，所需水庫防洪庫容可較小，擋水建筑物高度也可較小，上游淹沒損失也較小，但是這時隧洞本身工程量及造價會較高；如果堰頂高程取的高，孔口總凈寬選的小，則結果與上述相反，壩高加大，上游淹沒損失加大，造成移民費用加大，因此堰頂高程要選擇適當。
選擇堰頂高程和孔口寬時，要求校核下泄流量不大于900m/s，且校核洪水位不得高于正常蓄水位3.5米。
3.2.4方案假設與結論
要得到堰頂高程與孔口尺寸的最佳方案，應在技術可行前提下，結合泄水隧洞以及擋水建筑物在內的樞紐總造價最小來優(yōu)，通過各種可行方案的經(jīng)濟比較決定。
設計中參照已建工程經(jīng)驗，初步擬定三組堰頂高程與孔口尺寸如下：
方案一： 堰頂高程?=2810m，堰寬B=7m。設計下泄流量為669.1 m/s，設計水位為2823.2m;校核下泄流量為710.1 m/s，校核水位為2823.6m.
方案二：堰頂高程?=2808m, 堰寬 B=7m。設計下泄流量為799.1 m/s，設計水位為2822.7m；校核下泄流量為842.1 m/s，水位為2823.2m。
方案三：堰頂高程?=2807.5m，堰寬B=7m。設計下泄流量為819.1 m/s，設計水位為2822.6m；校核下泄流量為875 m/s，校核水位為2823.1m。
計算過程詳見計算書。
從調洪演算結果來看，初擬的三組方案均能滿足校核下泄流量Q<900 m3/s,校核水位與正常蓄水位之差?Z﹤3.5m的要求。為充分發(fā)揮隧洞的下泄能力，在本設計中我們考慮隧洞的下泄流量接近于上限值，以降低工程造價。
綜上所述，最終確定堰頂高程?=2807.5m，堰寬B=7m。
3.3樞紐布置
3.3.1 擋水建筑物
擋水建筑物是粘土心墻壩，用來攔截河流，集中落差，形成水庫，同時，用于錯峰，便于下游在汛期防洪。壩軸線按直線布置，布置在河彎地段上。
3.3.2 泄水建筑物
泄水建筑物包括泄洪隧洞及放空洞，其中泄洪隧洞與施工期的導流隧洞結合。泄洪隧洞主要用于在洪水期渲泄洪水，以降低水庫水位，防止?jié)M頂。由于泄洪隧洞進口高程較高，故需另設置放空洞用以將水庫水位泄放到一定低水位。
布置泄洪隧洞時，為縮短長度、減小工程量，泄洪隧洞布置在凸岸，這樣水流經(jīng)隧洞流出直接入主河道，對流態(tài)也有利?？紤]到電站引水發(fā)電洞也布置在凸岸，泄洪隧洞布置應以遠離壩腳和廠房為宜。同時為減小泄洪時引起的電站尾水波動，以及防止沖刷壩腳，進出口相距30～40m以上。
3.3.3 水電站建筑物
引水隧洞、電站廠房布置在凸岸，在泄洪隧洞與大壩之間，由于風化巖層較厚，廠房布置在開挖后的堅硬玄武巖上，開關站布置在廠房附近。
4 大壩設計
4.1 壩型輪廓尺寸確定
4.1.1 壩頂高程
壩頂高程由水庫靜水位加風浪壅高、壩面波浪爬高及安全超高等決定。壩頂超出靜水位以上的超高由公式Y = R + e + A 計算。
注：公式 Y = R + e + A 中，
R：壩頂在水庫靜水位以上的超高，m。
R=
m：單坡的坡度系數(shù)，該式適用于m＝1.5～5.0的情況，本次設計中
m＝2.5。
，：斜坡的糙率滲透系數(shù)和經(jīng)驗系數(shù)。該壩上游擬用砌石護坡， 故糙率滲透系數(shù)為0.75～0.80，本次設計取為0.78；經(jīng)驗系數(shù)與有關，本次設計中﹤1，故經(jīng)驗系數(shù)取為1.0。
，：平均波長和波高。
對于內陸峽谷水庫，在風速W<20m/s、吹程D<2000m時，波浪的平均波長和波高可采用官廳公式：
式中，D：風區(qū)長度，m
H：壩前水深，m
W ：同上，計算風速, m/s。在正常運用條件（正常蓄水位或設計洪水位）下，采用相應洪水期多年平均最大風速的1.5～2.0倍（本次設計取為1.5），在非常運用條件（校核洪水位）下，采用相應洪水期多年平均最大風速。
e：最大風浪壅高，m?？捎晒絜＝0.0036計算。式中β為計算風向與壩軸線的夾角，本次設計取為22.5°，其余符號同前。
A：安全加高，由壩的等級和運用情況決定。2級壩在正常運用情況下的安全加高為1.0m，在非常運用情況下安全加高為0.5m。
壩頂高程的計算應同時考慮以下四種情況：
1、設計洪水位加正常運用情況的壩頂超高；
2、正常蓄水位加正常運用情況的壩頂超高；
3、校核洪水位加非常運用情況的壩頂超高；
4、正常蓄水位加非常運用條件下的壩頂超高再加地震區(qū)安全加高（地震超高一般取為0.5～1.5m，本次設計取為1.0m）。
本次設計壩頂需設置防浪墻，故以上四種情況下的最大值為沉降穩(wěn)定后的防浪墻頂高程，擬定防浪墻高為1.5m，故以上情況求得的最大值減去1.5m后即為壩頂設計高程。
計算成果如下表所示：
計算情況
計算項目
設計洪水位+正常運用情況
正常蓄水位+正常運用情況
校核洪水為+非正常運用情況
正常蓄水位+地震+非正常運用情況
上游靜水位(m)
2822.6
2821.6
2823.1
2821.6
河底高程(m)
2750
壩前水深(m)
72.6
71.6
73.1
71.6
吹程D(Km)
15
風向與壩軸線夾角(°)
22.5
風浪引起壩前壅高e(m)
0.011349
0.011507
0.005009
0.005114
護坡粗糙系數(shù)
0.78
上游壩面坡角(°)
21.8
波浪沿壩坡爬高(m)
2.322025
2.322025
1.471051
1.471051
安全超高(m)
1
1
0.5
0.5
地震超高(m)
0
0
0
1.0
壩頂高程(m)
2824.433
2823.434
2823.576
2823.076
由上表知，壩頂高程由設計情況來控制，最終確定壩頂高程為2824.5m。
4.1.2 壩頂寬度
壩頂寬度主要取決于交通、運行、施工、構造、抗震、防汛及其他特殊要求。參考已建工程經(jīng)驗和規(guī)范規(guī)定高壩頂寬取10~15m，本設計中采用壩頂寬度為10m。
4.1.3壩坡
土石壩壩坡的緩陡直接影響工程的安全性和和經(jīng)濟性,因而在選擇時應特別重視。壩坡的確定常需綜合考慮壩型、壩高、壩的等級、壩體、及壩基材料的性質、所承受的荷載、施工和運用條件等因素。設計時一般可先參照已建成壩的實際經(jīng)驗或用近似方法初擬壩坡，然后經(jīng)穩(wěn)定計算來確定經(jīng)濟的壩體斷面。
土石壩上游壩坡長期浸泡于水中，土的抗剪強度下降，會降低壩體的穩(wěn)定性，故材料相同時，上游坡常比下游坡緩，對于同一側的壩坡，水下部分常比水上部分緩。
本工程土壩為2級壩，壩高74.5m。參照已建工程的實踐經(jīng)驗初步擬定上下游壩坡如下：上游在?=2800m處變坡一次，上部坡率取1：2.5，下部坡率取為
1：2.75，變坡處設馬道；下游坡，在?=2800m和?=2775m處各變坡一次并設置馬道，坡率自下而上依次是：1：2.0，1：2.25 ，1：2.50。
馬道有利于壩坡的穩(wěn)定，便于施工、檢修及壩體觀測工作，同時可在馬道處設置排水設備。土石壩的下游邊坡，一般可沿高程每隔10-30m設置不小于1.5-2.0m的馬道，用于觀測，檢修及交通。此處設2m馬道。
4.1.4 防滲體設計
本工程采用土質心墻作為壩體防滲體，心墻稍偏向上游并略傾斜，頂部與防浪墻結合。心墻頂部高程應高于正常運用情況下的靜水位0.3m～0.6m，且不低于非常運用情況下的靜水位。當防滲體頂部設有防浪墻時，防滲體頂部高程可不受上述限制，但不得低于正常運用的靜水位。為了防止心墻凍裂，頂部應設置砂性保護層，厚度按冰凍深度確定，且不小于1.0m。心墻至上而下逐漸加厚，兩側邊坡一般在1：0.15～1：0.30之間，頂部厚度按構造和施工要求常不小于3.0m，底部厚度根據(jù)土料的允許滲透坡降來確定，應大于四分之一水頭。心墻與上下游壩體間應設置反濾層，以起反濾和排水的作用。
綜上，粘土心墻的頂部高程為2822 m，頂部砂性保護層厚度為2.5 m，頂寬取3.0m，滿足了3.0m的機械施工要求。上、下游坡率均為1：0.2。心墻底部厚度為31.8 m，滿足允許滲透坡降的要求。
4.1.5 排水設備
土石壩設置壩身排水主要目的：（a）降低壩體浸潤線及孔隙壓力，改變滲流方向，增加壩體穩(wěn)定；（b）防止?jié)B流逸出點的滲透變形，保護壩坡和壩基；（c）防止下游波浪對壩坡的沖刷及凍脹破壞，保護下游壩坡。
壩體排水設備應該具有足夠的排水能力，應按反濾原則設計，保證壩體和地基土不發(fā)生滲透破壞，設備自身不被淤堵，且便于觀測和檢修。設計時需綜合考慮壩型，壩基地質，下游水位，材料供應和施工條件等因素，通過技術經(jīng)濟比較確定
(a) 棱體排水適用于下游有水情況。這種形式排水效果好，除了能降低壩體浸潤線防止?jié)B透變形外。還可以支撐壩體，增加壩體的穩(wěn)定性和保護下游壩腳免遭淘刷。多用于下游有水和石料豐富的情況。本工程壩腳處有水且石料儲存豐富，故壩腳處選擇棱體排水。
(b) 貼坡排水，不能降低浸潤線，但能提高壩坡的抗?jié)B穩(wěn)定性和抗刷能力。這種排水結構簡單，便于維修。
(c) 褥墊排水，下游有水時，能有效地降低壩體浸潤線，但對增加下游壩坡的穩(wěn)定性不明顯，常用于下游水位較低或無水情況。
綜上分析，本工程壩腳處有水且石料儲存豐富，故壩腳處選擇棱體排水。由于褥墊排水對增加下游壩坡穩(wěn)定性不明顯所以不采用，兩岸下游采用貼坡排水。
按規(guī)范2級壩棱體排水的頂部高程應超出下游最高水位至少1m，校核流量下泄時，下游洪水位為2755.48米。綜上確定出堆石棱體頂高程為?2756.48m。棱體排水頂部不作道路用，以免排水堵塞，其頂部寬度根據(jù)施工條件及檢查觀測需要確定，本工程中取為2.0m。棱體排水的坡率選取參考已建工程，內坡取1：1.75，外坡取1：75。棱體排水依照反濾要求，設反濾層。
4.1.6壩基處理
壩基處理應滿足滲流控制（包括滲透穩(wěn)定和控制滲流量）、靜力和動力穩(wěn)定、允許沉降量和不均勻沉降量等方面要求，保證壩的安全運行。
本工程為砂礫石壩基，滲流控制可選擇垂直防滲、上游防滲鋪蓋、下游排水設備及蓋重等有效措施。根據(jù)壩高、壩型、水庫的用途等選用垂直防滲，設置在壩的防滲體底部。
規(guī)范垂直防滲措施的選擇原則規(guī)定：砂礫石層厚度在15m以內，宜采用明挖回填粘土截水槽；砂礫石層厚度在80m以內，可采用混凝土防滲墻。本工程河床中部和左部覆蓋層較厚，約為28m，故采用混凝土防滲墻；右岸覆蓋層逐漸變薄，且右岸下部為全風化和半風化的玄武巖，故可將全風化的玄武巖進行清基處理，再采用黏性土截水槽方案，結構簡單，工作可靠，防滲效果好。
河床中部和左岸混凝土防滲墻的厚度應滿足滲透穩(wěn)定要求（主要取決于允許水力坡降，水力坡降隨混凝土抗?jié)B標號提高而提高），機械施工條件，混凝土在滲水作用下的溶蝕速度等。參照我國已建和在建工程，混凝土防滲墻厚度一般為0.6～1.3m，本次設計取為0.8m。同時為增加混凝土的柔性，使之適應較大的變形而不發(fā)生裂縫，可在混凝土中摻入適量的粘土?；炷练罎B墻頂部應與壩體防滲體結合，接觸滲徑應滿足允許坡降。按規(guī)范，防滲墻插入土質防滲體高度應符合結合處允許滲透坡降要求，混凝土與粘土結合處的允許滲透坡降為4，故混凝土防滲墻插入壩身防滲體8.5m。防滲墻的底部嵌入弱風化基巖深度不宜小于0.5～1.0m，本次設計取為1.0m。部分防滲墻底部有風化玄武巖，需進行灌漿處理。為使防滲墻與壩體防滲體連接良好，將防滲墻頂端做成楔形體與壩體防滲體結合。
右岸黏性土截水槽應采用與壩體防滲體相同的土料填筑，壓實度不應小于壩體同類土料，開挖邊坡約為1：1.5；頂寬為與防滲心墻厚度相協(xié)調；底部寬度應根據(jù)回填土料的允許滲透坡降而定，且為便于施工，不應小于3m；槽底部與基巖連接時應把風化層挖除，并深入相對不透水的弱風化巖層0.5～1.0m。故黏性土截水槽用心墻防滲土料回填，頂寬與心墻底部厚度相同，兩側開挖邊坡約為1：1.5，底寬需滿足允許滲透坡降（粘土允許滲透坡降一般為5～10）和不小于3m的施工要求。
4.1.7護坡設計
按規(guī)范，壩表面為土、砂、砂礫石等材料時應設專門護坡。護坡的形式、厚度及材料粒徑應根據(jù)壩的等級、運用條件和當?shù)夭牧锨闆r比較確定。經(jīng)比較，本次設計中上游護坡采用砌石，下游護坡采用草皮。上游面護坡的覆蓋范圍上部自壩頂起，與防浪墻連接，下部至死水位以下2.5m。下游護坡由壩頂護至排水棱體。護坡厚度和粒徑以及是否需設置反濾層經(jīng)計算確定（見細部構造部分）。
4.2 土料設計
在當?shù)赜卸喾N適于筑壩的土石料石，應進行技術經(jīng)濟比較后選用。在選擇時應具有或經(jīng)加工處理后具有與其使用目的相適應的工程性質，并具有長期穩(wěn)定性；就地、就近取材，減少棄料，少占或不占農(nóng)田，優(yōu)先考慮樞紐建筑物開挖料的利用；便于開挖、運輸和壓實。
4.2.1防滲體料場選擇及填筑標準設計
防滲土料選用粘土，按規(guī)范應滿足：
滲透系數(shù)：均質壩不大于1×10 cm/s，心墻和斜墻不大于1×10 cm/s。
水溶鹽含量（指易溶鹽和中溶鹽，按質量計）不大于3%。
有機質含量（按質量計），均質壩不大于5%，心墻和斜墻不大于2%，超過此規(guī)定的需進行論證。
有較好的塑性和滲透穩(wěn)定性。
浸水與失水時體積變化小。
塑性指數(shù)大于20和液限大于40%的沖積粘土不宜作為壩體的防滲體填筑材料。
施工填筑含水率控制為最優(yōu)含水率的－2%～+3%范圍內。
粘性土料的填筑密度以壓實干容重為設計指標，并按壓實度確定：
/
式中： ——填土的壓實度；
——設計填筑干容重；一般為16～17KN/m。
——標準擊實試驗最大干容重。
對Ⅰ、Ⅱ級壩和各種等級的高壩應不低于0.98～1；對Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級壩（高壩除外）應不低于0.96～0.98。本次設計采用＝0.99。
各料場的壓實干容重和施工填筑含水率列表計算如下：
比重Gs
最大干密度(g/cm3)
最大干容重(KN/m3)
設計干容重(KN/m3)
流限（%）
塑限（%）
塑性指數(shù)
天然含水量（%）
滲透系數(shù)(10-6cm/s)
有機含量(%)
可溶鹽含量(%)
2.67
1.60
15.70
15.54
42.60
23.14
19.46
24.80
4.32
1.73
0.07
2.67
1.65
16.19
16.02
43.90
22.20
21.70
24.20
4.80
1.90
0.02
2.65
1.56
15.30
15.15
49.57
25.00
24.57
25.60
1.90
2.20
0.11
2.74
1.54
15.11
14.96
49.90
26.30
23.50
26.30
3.96
0.25
0.11
2.70
1.80
17.66
17.48
34.00
20.00
14.00
15.90
3.00
1.90
0.08
表4－2 粘土料場填筑標準表
綜上，防滲體土料料場選為3#下，1#下為備用料場，其中3#下的設計干重度為17.48 KN/m，1#下的設計干重度為15.54 KN/m。
4.2.2壩殼料場選擇
料場開采和建筑物開挖的無粘性土（包括砂、礫石、卵石、漂石等）、石料和風化料、礫石土等均可以作為壩殼料，并根據(jù)材料性質用于壩殼的不同部位。地震區(qū)不宜采用均勻中、細砂及粉砂。采用風化石料和軟巖填筑壩殼時，應按壓實后的級配研究確定材料的物理力學指標，并考慮浸水后抗剪強度的降低、壓縮性增加等不利情況。對軟化系數(shù)低，不能壓碎成礫石土的風化石料和軟巖宜填筑在干燥區(qū)。下游壩殼水下部位和上游壩殼水位變動區(qū)應采用透水材料填筑。
應優(yōu)先選用不均勻和連續(xù)級配的砂石料，一般認為不均勻系數(shù)η＝/＝30～100時較易壓實，而當η﹤5～10時不易壓實。
壩殼砂礫料填筑的設計指標以相對密實度表示如下：
式中： ——相對密實度；
——最大孔隙比；
——最小孔隙比；
——填筑的砂、砂卵石或地基原狀砂、砂卵石的設計孔隙比。
施工控制指標用干重度表示，其中＝。
式中：、為沙礫料的最大、最小干重度，其余符號同前。
在地震情況下，浸潤線以上壩殼料要求填筑相對密實度Dr不低于0.7，浸潤線以下壩殼料要求填筑相對密實度Dr不低于0.75～0.85，故本次設計中相對密實度取為0.78。
各料場砂礫石填筑標準計算如下：
表4－3 各砂礫石料場填筑標準表
料場
比重Gs
d60
emax
d10
不均勻系數(shù)η
emin
設計孔隙比e
設計干重度
天然e
1上
2.75
30
0.786
0.59
50.85
0.370
0.461
18.46
0.481
2上
2.74
24
0.786
0.58
41.38
0.370
0.461
18.39
0.531
3上
2.76
18
0.786
0.6
30.00
0.370
0.461
18.53
0.449
4上
2.75
27
0.786
0.7
38.57
0.370
0.461
18.46
0.460
1下
2.75
19
0.786
0.36
52.78
0.370
0.461
18.46
0.481
2下
2.73
29
0.786
0.7
41.43
0.370
0.461
18.33
0.475
3下
2.73
33
0.786
0.53
62.26
0.370
0.461
18.33
0.481
4下
2.72
30
0.786
0.69
43.48
0.370
0.461
18.26
0.511
由各料場的級配曲線和不均勻系數(shù)可將主要砂礫石料場選為1#下，2#下和4#上作為備用料場。計算得砂礫石設計孔隙比e＝0.46，料場1#下的為18.46 KN/m ，料場2#下的 為18.33 KN/m ，料場4#上的 為18.46 KN/m 。
4.3 滲流分析
土石壩滲流分析的目的是：（a）確定壩體浸潤線和下游逸出點位置，繪制壩體及地基內的等勢線或流網(wǎng)圖；（b）計算壩體和壩基滲流量，以便估算水庫的滲漏損失和確定壩體排水設備的尺寸；（c）確定壩坡出逸段和下游地基表面的出逸比降，以及不同土層之間的滲透比降，以判斷該處的滲透穩(wěn)定性；（d）確定庫水位降落時上游壩殼內自由水面的位置，估算孔隙壓力，供上游壩坡穩(wěn)定分析用；（e）確定壩肩的等勢線、滲流量和滲透比降。
4.3.1單寬滲透流量計算原理
滲流計算方法應根據(jù)工程等級、地質條件和設計階段等因素考慮。本次設計中用水力學進行滲流分析，根據(jù)壩內各部分滲流狀況的特點，將壩體分為若干段，應用達西定理近似解土壩滲流問題，首先應做如下假定：
1、 壩體土是均質的，壩內各點在各方向的滲透系數(shù)相同；
2、 滲透水流為二元穩(wěn)定層流狀態(tài)，符合達西定律；
3、 滲透水流是漸變的，任一鉛直過水斷面內各點的滲透坡降和流速相等。
進行滲流計算時，應考慮水庫運行中可能出現(xiàn)的不利情況，常需計算以下幾種水位組合情況：
1、上游正常高水位與下游相應的最低水位；
2、上游設計洪水位與下游相應的最高水位；
3、上游校核水位與下游相應的最高水位；
4、庫水位降落時對上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況。
本次設計中，在左岸、河床中部和右岸各取一個斷面（左右兩個斷面取在高程2785m處），就前三種水位組合情況進行滲流分析，用有限深透水地基上土石壩的滲流計算來求解。
假設：
①不考慮防滲體上游側壩殼內的水頭損失作用（壩殼的滲透系數(shù)K=2×10cm/s，心墻的滲透系數(shù)K=3×10 cm/s，混凝土防滲墻滲透系數(shù)K=1×10cm/s，則可看出防滲墻的滲透系數(shù)K比心墻的滲透系數(shù)以及壩殼土料的滲透系數(shù)K、K小很多）。
②由于砂礫料滲透系數(shù)較大且下游有排水，則認為逸出水與下游水位相差不大，認為不會形成逸出高度；
③將心墻簡化成等厚度的矩形斷面；
④對于岸坡斷面，下游水位在壩底以下，水流從上往下流時由于橫向落差，此時實際上不為平面滲流，但計算仍按平面滲流計算，近似認為下游水位為零，由于河床沖積層的作用，岸坡實際不會形成逸出點