温泉水库枢纽--挡水坝初步设计

目录第一章基本资料 (1)1.1 枢纽任务 (1)1.2 自然地理与水文气象特性 (1)1.3 工程地质 (3)1.4 建筑材料 (4)1.5 其他资料 (5)第二章枢纽布置 (6)2.1 工程等别及建筑物级别 (6)2.2 枢纽组成及布置 (7)2.3 地基处理 (7)第三章土石坝设计 (8)3.1 坝型选择 (8)3.2 坝体剖面设计 (8)3.3土料设计 (12)第四章渗流计算 (13)4.1 渗流计算的内容 (13)4.2 渗流计算的水位组合 (13)4.3 水力学法计算渗流 (13)第五章稳定分析 (17)5.1稳定计算条件 (17)5.2瑞典圆弧法计算原理 (17)5.3瑞典圆弧法计算 (18)附录设计指导书 (26)第一章基本资料1.1 枢纽任务本工程以形成环境景观水库为主，工程建成后，可以形成60000~70000m2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供补充水源。

1.2 自然地理与水文气象特性1.2.1 流域概况白家疃沟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%。

1.2.2 水文气象特征流域内无水文测站和气象站。

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69.6 104m3）。

代表性水文年的年径流量如表1-1所列。

（2）洪水历史资料说明，洪水多发生在7~8月，洪水过程多为单峰型，一次洪水历时不超过15h。

设计洪水过程线见表1-2。

（3）库水位与面积、库容关系表1-3 水库高程与面积、库容关系（4）温度：据现有资料，工程区属于温带大陆季风气候，多年平均气温11.7︒C。

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）其他：洪水期多年平均离地面10m高的最大风速v=18.5m/s，吹程D=392m，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 工程地质1.3.1 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20~80m，西面为山前堆积阶地，相对高差10~15m。

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、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13.40~15.5m，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。

1.3.2 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。

1.4 建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。

0～0.4m为耕植土，0.4～3.5m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。

0～0.3m为耕植土，0.3～3.5m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，0～0.3m为耕植土，0.3～1m 为粘土。

粘土料颗粒组成见表1-4。

各种材料的物理力学性质见表1-5。

表1-5 各种材料物理力学性质1.5 其他资料（1）外来材料工程使用的主材——水泥、钢材等，均可市购。

其他生活、生产资料，均可由当地采购。

（2）交通工程场区位于白家疃村南1.0km，距温（泉）颐（和园）干线公路1.5km，且有简易公路通过坝址和库区（其中有0.5km公路需在工程建设前改线建设）。

（3）施工动力、劳动力情况施工用水（仅限于搅制混凝土和生活用水）由当地供水管网供给。

施工用电直接接入当地电网，只增加一台变压器与相应数量的控制开关即可。

当地有很多闲散劳动力。

第二章枢纽布置2.1 工程等别及建筑物级别根据SL252-2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》（见表2-1~2-2），综合考虑水库总库容，防洪效益，治涝面积，灌溉面积，电站装机级容量，工程规模由库容控制，正常蓄水位对应的库容为0.003×108m3,初估时，校核情况下库容不会超过0.01×108m3,属小（2）型。

主要建筑物为5级，次要建筑物为5级。

表2-1 水利水电工程分等指标表2-2 永久性水工建筑物级别2.2 枢纽组成及布置2.2.1 坝型选择通过分析所选坝轴线处地质条件可知，由于重力坝不能利用地基开挖的材料，且材料造价较高，不可使用；由地形条件：左岸为洪积堆积阶地，阶面由北向南逐渐抬高可知,拱坝不能够满足地形条件的要求；通过对各种不同坝型进行定性分析，综合考虑地形，地质条件、建筑材料、施工条件、综合效益等因素，最终选择土石坝方案。

2.2.2 泄水建筑物选型根据坝址地形地质分析，坝址处岸坡平缓，又能很快使下泄洪水归原河道，故选择正槽式溢洪道，即泄水槽与堰上水流方向一致，结构简单，水流平稳。

2.2.3 枢纽组成建筑物（1）挡水建筑物：土石坝（2）泄水建筑物：正槽式溢洪道2.2.4 枢纽总体布置（1）挡水建筑物——土石坝挡水建筑物按直线布置，坝布置在河弯地段上。

（2）泄水建筑物——正槽式溢洪道溢洪道布置在大坝右侧，通向河道下游。

综合考虑各方面因素，最后确定枢纽平面布置如图01。

2.3 地基处理地基覆盖层表层为卵砾石，需处理掉。

根据坝址工程地质剖面图。

清基0.6m，坝底高程为83.5m第三章土石坝设计3.1 坝型选择影响土石坝坝型选择的最主要因素是坝址附近的筑坝材料，还有地形地质条件，气候条件，施工条件，坝基处理，抗震要求等。

碾压式土石坝由土料分层分层填筑碾压而成，一般的土料，砂卵石料及风化石渣均可用于这种坝型。

碾压式土石坝按坝体的防渗材料和结构，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。

据勘察，土料场有丰富的黄土状壤土，可满足筑坝材料需求，同时壤土的渗透系数为3.01×10-6cm/s，小于均质坝渗透系数要求的10-4cm/s，满足渗透稳定要求。

坝高小于30m，为低坝，满足抗剪强度要求。

坝址附近两个料场土料总储量可满足大坝对土料用量的要求。

故可选择均质坝作为设计坝型。

（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总工程量大，不经济。

故不选择。

（3）心墙坝：心墙坝的工程量大，施工难度大，对于此工程并不适用。

故不选择。

由以上分析，最终确定均质坝方案。

3.2 坝体剖面设计3.2.1坝顶宽度坝顶宽度取决于施工、运行、构造、抗震、人防及其他专门要求。

根据规范SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》，坝顶最小宽度对高坝可选用10～15米，对中低坝可选用5～10米。

坝顶交通要求单行道7m，故选择坝顶宽度8m。

3.2.2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h ∆ =正常蓄水位+非常运用条件的非h ∆+震h ∆坝顶静水位超高值按下式计算：A e R h ++=∆式中： R ——波浪在坝坡上的设计爬高，m ；e ——风壅水面高度，m ；A ——安全加高，m 。

表3-1 安全加高规范值该坝的级别为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6106.3-⨯；v ——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，离地面10m 高的最大风速为18.5m/s 。

非常运用条件下，采用多年平均年最大风速；D ——风区长度，为392m ；β——计算风向与坝轴线法线的夹角，风向垂直上游坝面，故β为0o ； H m ——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平均波高采用官厅公式：3/14/50166.0D v h p = 平均波长采用鹤地公式：3/1398.0vD L m =正常运用情况下：)(774.0392.0)5.185.1(0166.00166.03/14/53/14/5m D v h p =⨯⨯⨯==)(1078.50cos 4.98.92392)5.185.1(106.3cos 2K 30262m gH Dv e m--⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==β)(1062.20cos 4.98.923925.18106.3cos 2K 30262m gH D v e m --⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==ββcos 2K 2mgH D v e =)(083.8392.05.185.1389.0389.03/13/1m vDL m =⨯⨯⨯==本设计采用累计频率5％时的平均波高，根据规范得95.1/=m p h h ，则)(397.095.1/m m h h p ==非常运用情况下：)(440.0392.05.180166.00166.03/14/53/14/5m D v h p =⨯⨯== )(267.5392.05.18389.0389.03/13/1m vDL m =⨯⨯==根据规范得，95.1/=m p h h 则)(226.095.1/m m h h p ==（3）平均波浪爬高的计算mR ——平均波浪爬高，m ；m ——单坡的坡度系数，取2.5；K∆——斜坡的糙率渗透性系数，根据护面类型为砌石，取775.0K =∆；v K——经验系数。