铜钱坝枢纽与溢洪道设计说明.docx

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铜钱坝枢纽与溢洪道设计说明

湖南水利水电职业技术学院

HunanTechnicalCollegeofWaterResourcesandHydroPower

毕业设计成果

设计项目名称铜钱坝枢纽与溢洪道设计

摘要

铜钱坝土坝枢纽与溢洪道设计

本次毕业设计对大坝的各个部位进行了详细的设计，在分析了坝址的地质条件后，选取了坝轴线并进行了枢纽布置。

通过对深入部分泄水建筑的了解，对该工程的溢洪道与底孔的形式和消能与防冲进行了设计。

设计的主要容有：

坝址、坝型选择和枢纽布置，调洪计算，粘土均质坝设计，泄水建筑物设计，构造设计，地基处理等。

设计过程中，采用的主要方法有关于调洪计算的半图解法、坝坡稳定计算的瑞典圆弧法、渗流计算的水力学法、坝顶垂直沉降的工程类比估算法，以与相关规、手册所推荐的方法。

具体设计详见设计说明书，另外除了设计说明书外，还有反映本次设计成果的5图纸。

关键词：

土石坝；调洪计算；枢纽布置。

第一章基本资料

1.1地形、地质情况

1.1.1区域地质情况

本区位于大巴山旋扭构造西段北缘，北与岭纬向构造相连，由阳勉大断裂与之相隔，区域主要构造线方向为北东东向，局部有近南北向受多期构造运动影响。

区域地层有下元古界东房沟组震旦系下统陡山沱组、灯影组，寒武系石牌组，奥系中上统，志留系龙马溪组和第四系地层。

所见岩层有东房沟组灰、深灰色砂质极岩，绢云母千枚岩，白云质灰岩，砂岩，岩质硅质板岩。

震旦系下统千枚岩，砂岩砾岩，凝灰质砂砾岩，灯影组陡山沱组，硅质灰岩，白云质灰岩，砂岩，千枚岩等，石牌组页岩，粉砂岩，灰岩、白云质灰岩、奥系黄绿色质岩，砂质页岩，龟裂灰岩，泥灰岩，龙马溪组深灰绿色砂岩，砂质页岩，第四系坡积冲积亚砂土亚粘土夹碎石与砂卵石与卵石层等。

主要褶曲有家大山—阳平关背斜，家大梁—宽川铺背斜、胡家坝—家坝背斜，主要断裂有胡家垣—五月坪断层、无墩沟—双河寺断层，家大山—人长沟断层和铜钱坝断层等。

本区属于巴山系低山区，玉带河属山区河流，发源于巴山箭竹岭，自南向北，流经宁强勉县，于勉县铜钱坝注入汉江，全长110km，流域面积近800km2。

近期该区属缓慢上升区，河床与河谷两岸覆盖少，见有明显的三级阶地，河曲多，比降小，宜于见库。

1.1.2库区工程地质条件

⑴水库渗漏

玉带河为汉江上游南岸最大的一条河流，河底均低于邻谷数十米，上游库段河谷两岸，大部分为透水性很大的千枚岩，变质砂岩、凝灰质砂岩等，该区泉水出露高程在620m以上，回水后一般不会产生库水向邻近河谷渗漏的可能。

震旦系灯影组硅质白云岩有岩溶裂隙水，泉水流量不是很大，且高悬于640m——720m高程以上，不致产生渗漏，据水文二队访问，在七姐妹端玉带河河床中偏左岸有水平溶洞，枯水季节可见从山里有一股泉水溢出，该处高程在600m左右，是值得注意的低点。

库区中游的白岩河两条近东西向压扭性断层宽度一为40m，一为20m，地势向西逐渐增高，山体连绵，断层交会处已接近回水尾端，据水文二队估计，无集中渗漏可能。

玉带河下游四沟一带与汉江分水岭，按回水标高计算直线距离有2500m，燕几沟一带与汉江分水岭山体单薄，宽度由2400m左右。

水文二队认为回水后又可能发生渗漏。

⑵水库的淹没与浸没

按正常高水位605m，库区集中淹没围仅在南溪沟、白岩河以下，即沿河谷两岸高漫滩与一、二级阶地和各大溪沟出口段的相应高程。

南溪沟至曲尺沟，河道狭窄，零星分布的前缘标高在600m左右的一级阶地属淹没围，未淹没的部分一级阶地大部分为浸没围。

南溪沟以下，河谷开阔，两岸分布一、二级阶地，一级阶地为库区主要淹没区，二级阶地部分淹没。

白岩河瓦厂里以下将淹没部分一级阶地，未淹没的部分一级阶地为库区主要浸没围，据统计，蓄水后将淹没3000亩耕地和分散居民房屋千余间。

⑶水库坍岸

库岸基岩裸露，系坚硬岩石组成，河谷地区侵蚀剥蚀作用强烈，一般仅有厚度不大的强烈风化层，甚至地表即位弱风化岩层，不易产生塌滑体。

库区两岸存在第四系土层的崩塌体、滑坡体等不良地质体，将会产生坍岸变性。

滑坡体与崩塌体大部分分布在土车坝以下河段，尤以家油房、其沟、南溪沟、石马滩、黄家沟与许家流等地较多，一般长约100m—150m，高50m—100m，厚20m—30m。

滑坡地面坡度25°—30°，水文二队通过对60#和65#滑坡体验算，最终她岸宽度分别为90m和81m，而根据地质剖面分析65#滑坡塌岸最终宽度可能达100m以上。

曲尺沟口30#滑坡有可能阻塞河道。

另家坝和许家坝附近有基岩滑坡几处。

⑷固体径流来流

库区左家湾以上，河床固体径流，主要漂石夹卵块石，来源于上游寒武、奥系地层分布段，左家湾至南溪湾沟段细碎物质亦不多南溪沟以下，仅有部分溪谷出口处有小型碎块石组成的洪积扇，输沙量亦不大。

库段，覆盖层不发育，基岩广布，植被良好，固体径流来源不多，据水文二队获得的资料，多年平均输沙量为77.2万t—84.9万t，年固体径流模数为1115t/km2.

1.1.3坝址工程地质条件

⑴地形地貌

中坝址距下坝址400余米，玉带河环绕单薄山脊，呈S形弯曲，中坝址河段较平直，河谷呈U形谷，流向北西西，主流偏左岸，河谷宽约80m~100m，谷底平坦，河床比降为1%~0.5%，平水与枯水期低漫滩广泛分布，水面标高571.6m左右，水深1~3m。

坝址区河谷两岸发育不对称零星分布的阶地，左岸地形较缓，坡度35°~45°，山坡上发育有小冲沟，左岸平洞上游岸边河流侧蚀冲刷，谷坡陡峭基岩裸露。

右岸呈陡坡地形，坡度45°~60°。

上游略有变缓，下游有一条深冲沟切割。

河床覆盖层厚为4m~6m，河床与岩面略有起伏，但仍较平坦，未发现较大深槽。

⑵地层岩性

中下坝址均见有下元古界东房沟组（

）与后期岩脉与第四纪地层，其岩性略有差别。

元古界东房沟组：

①、含炭砂质板岩：

灰~深灰色，局部炭质富集呈灰黑色，矿物成分以石英、绢云母为主，其次为炭质，含少许黄铁矿小晶体，板理发育，易风化，新鲜岩石较坚硬。

②、硅化灰质砾岩夹岩质板岩：

深灰、灰黑色，砾石成分复杂，以灰岩、砂岩、火成岩为主，次为板岩、千枚岩。

次棱角状与棱角状，砾石大小不一，直径一般为3cm~5cm，偶见大者达2m，胶结物为钙质、硅质。

以基底胶结为主，质坚脆、石英脉发育、地表见有轻微的溶蚀现象，本层在中坝址变化较大。

③、炭质硅质板岩：

灰黑色、黑色，风化后呈灰白色，以炭质硅质成分为主，板状构造、板理发育、单层厚3cm~5cm，质坚脆、易风化。

④、紫色千枚岩：

底部夹灰绿色千枚岩，具千枚状构造，质软，易风化。

⑤、青灰色千枚岩：

具千枚状构造，片理明显，质软，易风化。

⑥、黄绿色千枚岩夹竹叶状灰岩、砂岩：

风化后呈灰黄—黄褐色，片理明显，易沿片理剥落，质软易风化。

所夹砂岩、竹叶状灰岩呈夹层或透镜状。

风化面呈褐色、质坚。

⑦、岩脉：

花岗闪长岩岩脉数条，多沿破碎带或顺层侵入，出露宽度一般1m—2m左右，最大厚度可达7m，与围岩接触较好，质坚，难风化。

⑧、第四系全新统河床冲积砂卵石层：

卵石成分主要为砂岩，次为板岩。

砂粒以石英长石岩屑为主，砂岩比为4：

6。

⑶地质构造

中坝址为浅薄山脊，为一倾覆倒转背斜，背斜轴向大致为2.5°—3.0°东，向被东向倾覆，倾覆角50°—70°，轴部由含炭砂质板岩地层组成，褶皱强烈，岩石层倒转，倾角陡立，翼部由硅化灰质砾岩、炭质桂质千枚岩等组成。

为一紧密同斜褶曲，西翼岩层产状：

北20—30西，倾南西，倾角65°—80°。

坝址断层发育，按其发育方向，大致分为北西、北北东、北东东三组为主，北东东向为压性断层，北西与北东东为扭裂，南北向为压性断层。

坝址区节理裂隙发育，根据坝肩平洞揭露，其中以北北东、北东东与北西西三组最为发育，次为北西西组，与坝址区构造线方向基本一致。

⑷主要物理地质现象与岩石风化情况

规模较大的滑坡体有：

左坝肩滑坡体、导流洞出口坍塌体、右坝肩坍塌体。

左坝肩滑坡体对建筑物危害较大，该滑坡体东以压性断层为界，西以凹沟左壁为界，

后缘位于CH15号孔下方（标高630m左右），滑动方向为北25m，东西宽80m，南北长后缘位于CH15号孔下方（标高630m左右），滑动方向为北25m，东西宽80m，南北长85m，钻孔中接露厚为20m—24m。

据水文二队初步估算其方量达10万m3，为一基岩谷滑坡，目前处于稳定，但坡脚破坏，仍有复活可能。

⑸水文地质

坝址区水文地质条件较简单，地下水有基岩裂隙水和河床砂卵石层孔隙潜水。

坝基与坝肩基岩含有微弱的裂隙水，由于岩层裂隙发育，连通性和岩石破碎程度不一，使岩石透水性变化很大，含水不均，局部有带状裂隙承压水，两岸基岩裂隙水由大气降水补给。

排泄于玉带河。

由于裂隙充填较多，其透水性较河床基岩透水性为小。

千枚岩夹砂岩为相对隔水层，透水性很差，但裂隙发育可含微量裂隙水，其透水性不均一。

河床砂粒层为极强透水层，厚度4m—8.9m。

根据中坝址两个试坑抽水试验，降深为0.315m—0.51m时渗漏系数为432m/d—523m/d.

（6）各坝轴线工程地质条件

中坝址位单薄山梁倾伏倒转背斜轴部，岩层强烈褶皱，断裂发育，坝基与坝肩两岸均坐落于含炭砂质板岩、硅化灰质砾岩与炭质硅质板岩上。

坝址工程地质条件复杂各坝址地质条件如下：

①、Ⅰ—Ⅰ线：

位于背斜轴部，岩石挤压破碎，左坝肩坐落在滑坡体上，处理困难，右坝肩上方

孔附近断层破碎带密集8余m，其铅直厚度达48m，并有岩脉穿插，强风化层深达36.4m，岩石透水性较强，渗透途径短，为绕坝渗漏主要通道。

右坝肩下方有

断层通过，硅化灰质砾岩组成，山体单薄，稳定性差。

②、Ⅱ—Ⅱ线：

左坝肩小凹沟有

断层的压碎岩宽约8m，坝脚坐落在滑坡体上，不利坝肩稳定，强风化层厚9m~12m，右坝肩正处硅化灰质砾岩与炭质硅质板岩软弱带上，近北东北，东东向东向断层发育，于此交会，构成断层交会带，岩石强度低，稳定性差，并为绕坝渗漏通道。

③、Ⅲ—Ⅲ线：

左坝肩发育有充填黏土的缓倾角裂隙，且有层间挤压破碎带，坝基有

断层斜交通过，岩石透水性较强，

，底板埋深大于50m，为坝下渗透的主要通道，右坝肩坐落于

、

、

断层交会软弱带上。

1.2水文与气象

玉带河发源于宁强县巴山箭竹岭，流贯宁强县境，由南向北，于勉县铜钱坝处流入汉江，河道曲折，高山植被良好，海拔1000m以下垦荒坡地少，河道总长110km，河床平均比降3

，下游河床比降为1/600—1/800。

坝址以上集水面积798

。

集水区呈狭长形，流域平均高程为1100m，多年平均降雨量1000mm—1100mm，由“省年降雨量等值线图”上可见，降水量分布由上游向下游递减，且宁强、铁锁关一带为暴雨中心。

铜钱坝水库坝址附近无实测水文资料，玉带河上游有铁锁关水文站、宁强气象站，汉江干流上有武侯镇站和大安站，沮水河有茶店子、观音寺、茅坝站，各站水文气象资料系列情况见表1-1。

表1-1各站水文气象资料系列情况

河流

水文站

雨量站

玉带河

铁锁关F=433km21960~1974年

铁锁关1960~1974年

宁强1958~1959年

宁强1960~1974年

汉江

武侯镇F=3092km2

武侯镇1934、1936~1974年

1935~1941年1953~1974年

大安1955~1970年

沮水河

茶店子F=1683km2

茶店子1966~1974年

1966~1974年

茅坝1957~1970年

观音寺1955~1970年

根据铜钱坝水库设计洪水标准，频率为1℅，0.1℅所涉与洪峰、洪量与洪水过程线的有关资料如下：

铜钱坝水库采用值为：

：

：

坝洪水历时定为3天。

分别统计铁锁关站和武侯镇站实测历年最大一、二、三日洪量，如表1-2所示。

进行频率计算，求得不同频率各时段的洪量，绘制最大洪量与流域面积关系图，插得铜钱坝频率为1%时段的洪量。

表1-2铁锁关站和武侯镇站实测历年最大一、三日洪量

时段

一

二

三

洪水总量（亿m3）

1.32

1.79

2.08

洪水过程线典型放大

已知铜钱坝水库坝址设计洪水的一日洪量与洪峰量。

选用铁锁关站1964年9月2—4日一次洪水过程线为典型：

典型洪峰

;24小时洪量

，作为一日洪量（3日4时—4日4时）；典型洪水线与其用同倍比放大的设计洪水过程线见表1-3。

其曲线如图1-1。

表1-3铜钱坝典型洪水过程线与设计洪水过程线

日~时（3日）

10时

11时

12时

13时

14时

15时

16时

17时

18时

Q（m3/s）

500

1180

1590

1640

1600

1270

890

610

480

设计（P=1%）

945

2230.2

3005.1

3099.6

3024

2400.3

1682.1

1153

907

校核（P=0.1%）

1385

3268.6

4404.3

4542.8

4432

35177.9

2465.3

1689.7

1329.6

图1-1铜钱坝水库同倍比放大法推求设计洪水过程线

1.3工程特性值

表1-3铜钱坝水库工程特性表

工程名称

铜钱坝土坝枢纽与溢洪道设计

坝址

省市勉县铜钱坝乡

坝址区地震烈度

Ⅶ度

水文特性

控制流域面积

798km2

百年一遇设计洪峰流量

4550m3/s

千年一遇校核洪峰流量

3100m3/s

水库特性

水位

正常蓄水位

605m

防洪限制水位

604.98m

设计洪水位

605.06m

校核洪水位

607.51m

死水位

588m

库容

总库容

0.73亿m3

设计库容

0.53亿m3

正常库容

0.52万m3

死库容

0.1亿m3

土石坝

坝型

均质土石坝

坝顶高程

617.3m

坝顶长度

166.68m

坝基防渗形式

截水槽与灌浆帷幕联合防渗

溢洪道

型式

正槽溢洪道

底高程

590m

底宽

71m

最大泄量

4238.6

1.4水位

设计洪水位（1%）上游：

605.06m下游：

576.05m

校核洪水位（0.1%）上游：

607.51m下游：

581.57m

正常蓄水位上游：

605m下游：

579.01m

死水位558m

多年平均最大风速：

12.5m/s（45Km/h）

多年最大风速：

20m/s（72Km/h）

1.5其他

工程等级：

枢纽为3等，建筑物为3级；

水库吹程：

3km；

地震基本烈度：

7度。

第二章调洪演算

2.1洪水分析计算

根据铜钱坝水库设计洪水标准，频率为1℅，0.1℅所涉与洪峰、洪量与洪水过程线的有关资料如下：

2.1.1设计洪峰

铜钱坝水库采用值为：

：

：

2.1.2设计洪量的推求

通过铁锁关站洪水资料分析，洪水过程线多呈单峰，洪水历时为3天，铜钱坝洪水历时定为3天。

分别统计铁锁关站和武侯镇站实测历年最大一、二、三日洪量，如表2-1所示。

进行频率计算，求得不同频率各时段的洪量，绘制最大洪量与流域面积关系图，插得铜钱坝频率为1%时段的洪量。

表2-1铁锁关站和武侯镇站实测历年最大一、三日洪量

时段

一

二

三

洪水总量（亿m3）

1.32

1.79

2.08

洪水过程线典型放大

已知铜钱坝水库坝址设计洪水的一日洪量与洪峰量。

选用铁锁关站1964年9月2—4日一次洪水过程线为典型：

典型洪峰

;24小时洪量

，作为一日洪量（3日4时—4日4时）；典型洪水线与其用同倍比放大的设计洪水过程线见表2-2。

其曲线如图2-1。

表2-2铜钱坝典型洪水过程线与设计洪水过程线

日~时（3日）

10时

11时

12时

13时

14时

15时

16时

17时

18时

Q（m3/s）

500

1180

1590

1640

1600

1270

890

610

480

设计（P=1%）

945

2230.2

3005.1

3099.6

3024

2400.3

1682.1

1153

907

校核（P=0.1%）

1385

3268.6

4404.3

4542.8

4432

35177.9

2465.3

1689.7

1329.6

图2-1铜钱坝水库同倍比放大法推求设计洪水过程线

2.2泄洪规模和死库容确定

灌溉要求放水入坝下游河道，同时考虑水库排沙和意外情况下泄洪的需要，设隧洞和溢洪道。

根据水库淤积计算和排沙要求，为了保证设计洪水时宣泄通畅，选取隧洞进口高程580m,进口处闸门尺寸3×3m，隧洞明流泄量为

，兼顾水力发电最小工作水头的要求，选取死水位（即兴利下限水位）为588m，由图2-2钱坝坝水库水位和库容关系曲线查得相应死库容为

。

2.3兴利库容的确定

工业供水净用水量为

，考虑管道沿途损失以10%计，工业供水保证率为97%。

农业上要求水库补偿灌溉用水年

。

其中5月份

，6月份

。

同时要求5、6、7、8四个月的河道天然径流不纳入水库径流调节。

水库渗漏蒸发损失估算

根据当地水文气象资料分析，水库多年平均水面蒸发量为360

，水库库区地质条件属中等，月渗漏量以月平均库容水量的1.5%计。

根据当地水文、用水变化特点，选取调节度从9月初开始至次年8月底结束，确定水库运用方式为10月至次年4月为蓄水期，5—6月为用水高峰期，7—9月为防汛排沙期。

这样可以做到工、农业用水，蓄清、排浑相结合，保证水库安全渡汛，延长水库使用寿命，又可将部分兴利库容作为防汛使用。

用历时列表法，进行代表年P=25%，50%，75%，97%年调节兴利库容的推求，从中选择最大者作为采用年调节兴利库容，兴利库容为6349.9

，相应的正常蓄水位为605m.

2.4调洪计算

初定大坝采用排沙隧洞和溢洪道联合泄流，溢洪道堰顶设闸门高10m，堰顶高程为597m,净宽65m。

隧洞进口高程580m,闸门处尺寸3.5×3m。

大坝库水位库容Z—V关系曲线如图2-2，大坝下游河道水位流量Z—Q关系曲线如下图所示：

图2-2铜钱坝水库水位和库容的关系曲线

图2-3铜钱坝水库下游河道水位流量关系曲线

库水位下泄流量关系曲线计算过程见表2-3

表2-3铜钱坝水库库水位—下泄流量曲线计算表

Z上

（m）

Z下（m）

水头h1（m）

排沙洞泄量q1（m3/s）

水头h2（m）

溢洪道泄量q2（m3/s）

602.5

575.9

19.95

186.9

5.5

1604.6

603.0

576.3

20.45

189.2

6.0

1828.3

603.5

576.7

20.95

191.5

6.5

2061.5

604.0

577.1

21.45

193.8

7.0

2304

604.5

577.4

21.95

196

7.5

2555

605.0

577.8

22.45

198.2

8.0

2814.9

605.5

578.1

22.95

200.4

8.5

3082.8

606.0

578.4

23.45

202.6

9.0

3358.8

606.5

578.8

23.95

204.7

9.5

3642.5

607.0

579.1

24.45

206.9

10.0

3933.9

607.5

579.4

24.95

209

10.5

4232.6

608.0

579.7

25.45

211.1

11.0

4538.5

表2-3中各流量分别由下列公式确定:

隧洞

其中流量系数

取用0.90。

为上游水面到计算断面中心的水位差。

溢洪道

其中

取用0.43，B=65m,h2=Z上—597

本设计隧洞为非淹没出流，其出流量和下游水位有关，而下游水位又决定于总下泄流量。

因而需要进行试算。

淹没出流的一般试算步骤是：

首先假定上游水位，再假定下游水位，然后由流量公式求出各项流量。

如果求得的总下泄流量与假定的下游水位符合下游水位流量关系，则该结果即为所求。

如不符需重新假定下游水位，直至符合为止。

表5所列的即为B=65m时水库蓄水位与下泄能力关系的试算结果。

取

，根据库水位~下泄流量曲线，即可计算相应工作曲线，计算步骤见表2-4。

工作曲线见图2-4。

表2-4工作曲线计算表

库水位Z

库容V

（万m3）

总下泄量

q（m3/s）

q/2（m3/s）

V/△t

（m3/s）

V/△t-q/2（m3/s）

V/△t+q/2（m3/s）

602.5

4610

1791.5

895.75

12805.556

11909.81

13701.31

603

4724.4

2017.5

1008.75

13123.333

12114.58

14132.08

603.5

4846.2

2253

1126.5

13461.667

12335.17

14588.17

604

4975.8

2497.8

1248.9

13821.667

12572.77

15070.57

604.5

5114.6

2751

1375.5

14207.222

12831.72

15582.72

605

5264.3

3013.1

1506.55

14623.056

13116.51

16129.61

605.5

5427.1

3283.2

1641.6

15075.278

13433.68

16716.88

606

5605.9

3561.4

1780.7

15571.944

13791.24

17352.64

606.5

5805

3847.2

1923.6

16125

14201.4

18048.6

607

6030.4

4140.77

2070.385

16751.111

14680.73

18821.5

607.5

6290.9

4441.6

2220.8

17474.722

15253.92

19695.52

608

6600.4

4749.56

2374.78

18334.444

15959.66

20709.22

图2-4铜钱坝水库调洪演算工作曲线

调洪演算工作曲线绘出后，先对百年一遇设计洪水进行调洪演算。

起调水位为600m，随着入库流量增大，泄洪隧洞闸门逐渐开启以控制下泄，使泄量等于来量，库水位维持在600m不变。

随后，因隧洞闸门已全开而来水量仍然继续增大，故进入自由泄流情况，库水位被迫上升，由初时段的泄量

查

曲线得

，加上

值后得

值，再回查

曲线得

，以此方法计算，最后求得最大泄量为3045.5

，相应最高水位即设计洪水位为605.06m。

详细计算过程见表8。

对于千年一遇设计洪水与百年一遇洪水调洪演算方法一样，求得最大泄量为4447.8

，相应最高水位即校核洪水位为608m。

详细计算过程见表2-5，表2-6。

表2-5千年一遇洪水调洪计算表

时

间（h）

入库Q（m3/s）

平均入库Q（m3/s）

水位Z1（m）

V1/△t-q/2

V1/