水电站挡水建筑物设计之均质土坝.docx

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水电站挡水建筑物设计之均质土坝

水电站挡水建筑物设计之

均质土坝

1挡水建筑物结构布置

1.1挡水建筑物结构布置修改

挡水建筑物主要修改部分为：

改预应力闸墩为常规闸墩；

变底流和戽流相结合消能为短护坦底流消能；

左岸非溢流坝建基面抬高。

1.2枢纽布置

1.2.1坝线及坝型选择

1.2.1.1坝线选择

根据地形地质条件，坝轴线宜靠近已建的滚水坝，如此，可以利用滚水坝作为上游围堰的一部分，同时可以减少围堰工程量加快施工进度，也可以保证施工期下游灌溉和生活用水的供给。

经综合必选，坝轴线选定在原滚水坝滚水坝下游30m处，左岸延伸一定的距离后，向上游偏折24°的角度；右岸坝轴线直线延伸过挖除后的F10和F4断层交汇带基础再向上游偏折37.07°的角度。

1.2.1.2坝型选择

坝址枯水期河床宽约310m，河面宽阔，两岸地形不对称，右岸坡稍陡，约35°，左岸地势开阔，岸边有高程约36m的Ⅰ级阶地，阶地上为坡度约10°的山坡。

两岸风化程度不一，右岸强风化下限3.5m～9m，左岸强风化下限5m～13m，风化较深，不具备修建拱坝的地形条件。

河床基岩裸露，厚1m～2m的弱风化岩石下为微风化——新鲜黑云斜长片麻岩、混合岩化花岗岩及角砾状混合岩，岩性致密较坚硬，适宜建混凝土重力坝。

右岸坝型做了砼坝与土坝两种坝型的比较。

综合分析比较，右岸岸坡坝段推荐采用常态混凝土重力坝，且坝轴线向上游偏转。

河床式厂房左侧坝段需布置低干渠进水口，弱风化下限埋深约8m，因低干渠渠首电站布置需要，其挡水坝段只能采用混凝土重力坝。

低干渠坝段以左岸坡坝段，覆盖层厚0.5m～2.5m，基岩风化深度逐步加大，为全一强风化黑云斜长片麻岩、混合岩化花岗岩（土），厚5m～13m。

该处地形平缓开阔，地面高程36m～75m，坡角10°～15°。

全风化土层属中压缩性低液限粘性土，渗透系数K＝5.8×10-4～6.7×10-5cm/s，具较好防渗性能，可作为土坝基础。

左岸坝型做了砼坝、土坝和浆砌石坝3个方案的比较，采用土坝比混凝土坝将节约静态投资2000万元以上；土坝比浆砌石坝将节约投资400万元以上，故左岸岸坡坝段采用土坝。

1.2.2枢纽总布置

水电站采用河床式布置，主要由挡水建筑物、泄水建筑物、发电厂房及灌溉进水口等建筑物组成。

水库正常蓄水位54m，水库总库容1.22亿m3，总灌溉面积64.55万亩，枢纽电站装机容量80MW，最大坝高34.5m，属二等大

（2）型工程。

本工程选定的洪水标准：

挡水建筑物及河床式厂房坝段正常运用洪水标准采用洪水重现期100年；非常运用洪水标准重现期：

混凝土坝采用1000年、土坝采用2000年；消能防冲设计洪水标准重现期采用50年。

枢纽主要由挡水建筑物、泄水建筑物、发电厂房及灌溉进水口等建筑物组成。

挡水建筑物包括左、右岸混凝土重力坝段、土坝接头坝段和均质土坝段；泄水建筑物布置在偏右岸主河槽位置，共13个坝段，12孔溢流孔，总长256.5m；发电厂房包括河床式厂房坝段及低干渠渠首电站厂房；灌溉进水口为低干渠和中干渠进水口。

混凝土坝坝顶高程58.5m，最大坝高34.5m；均质土坝坝顶高程59m，最大坝高22m。

2设计依据

2.1工程等别

a）工程等别及建筑物级别

枢纽工程以灌溉、供水为主，兼顾发电等综合效益。

水库正常蓄水位54.00m，水库总库容1.22亿m3，总灌溉面积64.55万亩，枢纽电站装机容量80MW，最大坝高34.5m。

根据中华人民共和国《防洪标准》（GB50201-94）及《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）规定，本工程属二等大

（2）型工程。

永久性主要建筑物有：

拦河坝（混凝土坝、土坝）、泄水建筑物、枢纽发电厂房、灌溉进水口等属2级建筑物。

低干渠渠首电站厂房属4级建筑物。

永久性次要建筑物有：

厂区挡土墙、消能建筑物左、右导墙属3级建筑物。

b）设计洪水标准

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）规定，本工程选定的洪水标准为：

挡水建筑物及河床式厂房坝段正常运用洪水标准采用洪水重现期100年；非常运用洪水标准重现期：

混凝土坝采用1000年、土坝采用2000年；泄水建筑物的消能防冲设计洪水标准重现期采用50年。

低干渠首电站正常运用洪水标准重现期采用20年，非常运用洪水标准重现期采用100年。

c）地震烈度

根据GB18306-2001《中国地震动参数区划图》，本区地震动峰值加速度小于0.05g（50年超越概率10%），相应本工程区地震基本烈度小于6度。

根据DL5073-2000《水工建筑物抗震设计规范》，本工程抗震设防类别为丙类，设计烈度按6度采用。

2.2基本资料

a）水文气象

坝址控制流域面积4082km2

多年平均降雨量1540mm

多年平均流量117m3/s

历史最大洪水流量（宝桥站）25400m3/s

多年平均含沙量0.193kg/m3

多年平均输沙量73.36万t

多年平均输沙率23.26kg/s

历年最高气温39.7℃（1980-04-23）

历年最低气温0.1℃（1974-01-02）

多年平均气温23.9℃

多年平均风速23.5m/s

流域平均相对湿度80%

b）水库特征

正常蓄水位54.00m

设计洪水位（P=1%）54.00m

校核洪水位（P=0.1%土坝）58.54m

校核洪水位（P=0.2%混凝土坝）56.95m

死水位48.00m

总库容1.22亿m3

坝址水位及下泄量见表2.2-1。

表2.2-1上下游水位及下泄量

水位

上游水位

（m）

下泄流量

（m3/s）

下游水位

（m）

正常蓄水位

54.00

-

27.61

死水位

48.00

-

-

设计洪水位（p=1%）

54.00

24800

38.50

校核洪水位（p=0.2%）

54.43

33800

40.32

校核洪水位（p=0.1%）

55.85

37600

41.19

50年一遇洪水位

54.00

21000

37.50

20年一遇洪水位

54.00

16000

35.547

5年一遇洪水位

54.00

8800

33.30

c）动能指标（括号内数据为低干渠渠首电站指标）

单机容量与机组台数2×40MW（2×1.0MW）台

多年平均发电量1.322（0.0704）亿kW·h

保证出力4.82（0.107）MW

年利用小时数1652（3726）小时

机组特征见表1.2-2。

表1.2-2机组特性表

项目

单位

枢纽机组

低干渠机组

机组安装高程

m

23.4

31.0

单机额定流量

m3/s

205.72

7.97

机组最大水头

m

27.1

19.8

机组最小水头

m

18.2

12.4

机组额定水头

m

22.5

15.0

d）地基特性

表2.2-3坝基岩体物理力学指标

岩石名称

项目名称

黑云斜长

片麻岩

花岗片

麻岩

含角闪黑云

斜长片麻岩

含石榴黑云

斜长片麻岩

含石榴二

云片麻岩

混合岩化

花岗岩

密度Pd

（g/cm3）

2.73

2.71

2.72

2.81

2.79

2.62

ωsa（%）

0.15

0.21

0.21

0.16

0.29

0.27

饱和极限抗压强度Rw

（MPa）

97.70

69.76

56.07

45.30

29.29

51.55

软化系数KR

0.85

0.76

-

0.75

0.74

0.61

静弹模E50

（GPa）

38.56

40.16

34.29

44.75

22.24

20.54

动弹模Ed

（GPa）

59.53

65.89

66.96

70.76

46.01

41.52

泊松比μ

0.23

0.25

0.25

0.20

0.22

0.28

表2.2-4土料物理力学指标

项目

单位

坝体填土

坝基风化土

设计干密度γd

g/cm3

1.52

1.64（天然）

最优含水量ωau

%

23

18.4（天然）

孔隙比e

-

0.83

0.64

孔隙率n

%

45.3

39

天然容重γ

g/cm3

1.87

1.94

饱和容重γm

g/cm3

1.97

2.00

浮容重γb

g/cm3

0.97

1.00

渗透系数K

cm/s

6.2×10-6

5.0×10-4

临界坡降J

-

-

2.3

抗

剪

强

度

总应

力法

Φu

（°）

17.9

25.5

Cu

kPa

58.0

10.2

Φcu

（°）

18.4

-

Ccu

kPa

34.0

-

有效

应力法

Φ′

（°）

29.5

29.5

C′

kPa

13.0

13.0

e）设计采用的主要技术规范

SL252-2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》

DL5073-2000《水工建筑物抗震设计规范》

SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》

SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》

SL253-2000《溢洪道设计规范》

DL/T5398-2007《水电站进水口设计规范》

SL285-2003《水利水电工程进水口设计规范》

SL266-2001《水电站厂房设计规范》

DL/T5057-2009《水工混凝土结构设计规范》

GB50086-2001《锚杆喷射混凝土支护技术规范》

DL5077-1997《水工建筑物荷载设计规范》

DL/T5178-2003《混凝土坝安全监测技术规范》

3土坝

3.1土坝布置

土坝布置在河床左岸，为均质土坝，坝顶高程59m，最大坝高22m，坝轴线全长437m，右坝头采用混凝土重力坝插入式接头与混凝土坝相接。

土坝坝体剖面结构自上游至下游依次为：

上游抛石护坡区、坝体填筑区，下游草皮护坡区。

3.2土坝结构设计

3.2.1工程地质条件

土坝布置在河床左岸，为均质土坝，坝轴线全长437m。

坝址区地形开阔，山坡平缓，地面高程36m～75m，坡度10°～15°。

坝基岩石（土）为：

①腐植土：

厚度0.1m～0.5m；②坡残积：

砾质土夹风化碎石，呈黄褐色─棕红色，厚度1m～2.5m；③全～强风化岩（土）体，仍保持原岩结构，具一定强度，其深度5m～13m不等；以下为弱风化─新鲜岩体。

据物探成果分析，在地表高程60m左右发育F32断层，走向N70°W，倾向SW，倾角60°，性质不明，规模不大。

整个土坝基础无风化深槽。

土坝基础宜清除腐植土和残坡积层置于全风化土层上，据坝基土工试验成果表明，土质属中压缩性低液限粘土，其物理力学指标见表4.2-1。

土体中粗颗粒含量基本上随深度增加而增加，愈近地表粗颗粒含量愈少；天然干密度也随深度增大而变大；相应土体力学参数也遵循这个规律。

现场注水试验表明全风化土渗透系数K=8.5×10-4cm/s～6.4×105cm/s，主要属中等透水性土体。

通过渗透计算，土坝坝基及岸坡满足渗透变形和渗透量要求，无须采取特殊的反滤措施。

坝基土体物理力学试验成果表见表3.2-1。

表3.2-1坝基土体物理力学试验成果表

类别

天然含水量

（%）

天然

容量

（g/cm3）

天然干容量

（g/cm3）

土粒比重

液限

（%）

塑限

（%）

塑性指数

渗透系数（室内）

（cm/s）

直剪强度

临界坡降

固结

系数

（cm2/s）

凝聚力

（kPa）

内摩擦角

°

全风化土

18.4

1.94

1.64

2.69

35.9

22.8

13.1

1.24×10-5

15.0

19.7

2.2

3.37×10-3

3.2.2坝顶高程复核

根据调洪演算成果，正常蓄水位54m起调洪水时，设计洪水位为54m（p=1%），土坝校核洪水位（p=0.05%）为58.80m。

水库区的多年平均年最大风速

=15.2m/s；设计洪水情况下采用多年平均年最大风速的1.5倍，设计风速

=1.5×

=22.8m/s；非常运用情况下采用多年平均年最大风速

=

=15.2m/s。

依照坝前水域形状，确定设计风区长度1.2km，土坝坝顶高程按《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）第5.3.3及附录A中的莆田试验站公式公式计算风浪波高、波长、最大风壅水面高度、最大波浪爬高。

坝顶超高计算公式：

y=R+e+A（3.2-1）

式中：

△h——水库静水位以上的超高，m；

R——最大波浪在坝坡上的爬高，m；

e——最大风壅水面高，m；

A——安全加高，按坝的等级及运用情况选定，m。

波浪要素及波浪爬高按莆田试验站公式计算，安全加高根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的规定，对于2级建筑物，A设计=1.0m，A校核=0.7m。

土坝坝顶上游侧设1.2m高的钢筋混凝土防浪墙，防浪墙顶高程等于水库静水位加坝顶超高。

土坝坝顶高程计算成果见表3.2-2。

表3.2-2土坝坝顶高程计算结果汇总表单位：

m

运行工况

设计洪水位工况

校核洪水位工况

水位

54

58.80

坝顶超高y

安全加高A

1

0.7

最大风壅水面高度e

0.014

0.004

最大波浪爬高R1%

1.724

0.682

R1%+A+e

2.738

1.386

坝顶防浪墙顶高程

56.74

60.186

根据坝顶高程计算结果，结合坝顶结构布置，土坝坝顶高程采用59.0m，防浪墙顶高程60.20m。

3.2.3坝体结构及材料分区

土坝布置在河床左岸，为均质土坝，坝轴线全长437m，右坝头采用混凝土插入式接头与土坝坝体相接，左坝头与左岸上坝公路相通。

土坝坝体剖面结构自上游至下游依次为：

上游抛石护坡区、坝体填筑区，下游草皮护坡区。

坝体分区详见坝体典型剖面图5.2-1。

图3.2-1坝体典型剖面图

a）上游抛石护坡区：

上游边坡设两级坡，高程45m以上为1∶2.8，高程45.0m以下为1∶3.0，抛石护坡由表及里依次为：

抛石—碎石—土工织物。

抛石层厚1m，石料粒径均值40cm～70cm；中间层为碎石过渡层，厚度0.3m，石料粒径为0.5cm～7cm；土工织物取代传统的砂石料作坝体填筑料的反滤层。

b）坝体填筑区：

坝体填筑料为残坡积土和全风化黑云斜长片麻岩、混合岩化花岗岩（简称风化土），为中压缩性低液限粘质土，土料中尚存5%左右的石英及其它母岩风化残余碎石。

考虑到坝体水平风化料存在粗细不均匀的现象和坝基不作垂直防渗处理等因素，为了控制坝体和坝基渗流，设置了竖式排水和条带式水平排水系统。

竖向排水采用1m厚的中砂排水砂带，顶部高程48m；条带式排水中部为1.0m厚的碎石层，上、下各设1层厚度为0.5m的中砂作反滤层，条带式排水宽8m，间隔80m，其余坝基部分只填0.5m厚的中砂。

c）下游草皮护坡区：

下游边坡亦分为两级，高程45m处设一宽2m的马道，马道以上为1∶2.0，马道以下为1∶2.25。

边坡采用草皮护坡，坡面每80m设一横向排水沟，并与马道纵向排水沟、坡脚排水沟相连，将坡面雨水汇集后排往下游河床。

3.2.4筑坝材料及填筑要求

a）坝基土及坝体填土土料特性

左岸均质土坝坝基属中压缩性低液限粘土，并根据坝基土的渗透性，须进行必要的碾压处理。

天然土料场位于左岸坝线上游300m～1500m范围的坡地上，面积0.74km2。

地面高程40m～75m，地形平缓开阔，地表种植以果园、旱地为主。

地表腐植土厚度0.1m～0.5m，残坡积土及全风化土层厚度1m～3m（局部深8m）。

储量计算根据地形特征进行分区，采取平均厚度法进行计算，剥土层方量为21.92×104m3，有效储量为127.98×104m3，剥采比为0.171，储量满足设计要求。

土料为残坡积土和全风化黑云斜长片麻岩、混合岩化花岗岩（简称风化土），试验定名为中压缩性低液限粘质土。

坝体填筑料为残坡积土和全风化黑云斜长片麻岩、混合岩化花岗岩（简称风化土），为中压缩性低液限粘质土。

根据试验成果，土料质量符合《水利水电工程建筑材料勘察规程》（SL251-2000）关于碾压式均质土料质量技术要求，土料中尚存5%左右的石英及其它母岩风化残余碎石，且随开挖深度增大而有所增多，对密度和抗剪强度的提高有利。

天然含水量、干密度与压实的最优含水量、最大干密度较接近，土料无需加工处理可直接上坝使用。

坝基土及坝体填土物理力学指标建议值见表3.2-3。

表3.2-3土料物理力学指标

项目

单位

坝体填土

坝基风化土

设计干密度γd

g/cm3

1.52

1.64（天然）

最优含水量ωau

%

23

18.4（天然）

孔隙比e

-

0.83

0.64

孔隙率n

%

45.3

39

天然容重γ

g/cm3

1.87

1.94

饱和容重γm

g/cm3

1.97

2.00

浮容重γb

g/cm3

0.97

1.00

渗透系数K

cm/s

6.2×10-6

5.0×10-4

临界坡降J

-

-

2.3

抗

剪

强

度

总应

力法

Φu

（°）

17.9

25.5

Cu

kPa

58.0

10.2

Φcu

（°）

18.4

-

Ccu

kPa

34.0

-

有效

应力法

Φ′

（°）

29.5

29.5

C′

kPa

13.0

13.0

b）坝体材料填筑及碾压要求

土料采用分段流水作业方式进行填筑，土料运至坝面后，由推土机铺料，填筑厚度50cm。

选用14t凸块振动碾碾压4～6遍，压实度98%。

土坝和重力坝接合部位采用宽3m的粘土，填筑过程中应严格控制质量，在靠近接合处1.5m～2.0m宽度范围内，由人工铺土，并利用小型振动碾薄层压实，在局部狭小部位，由人工机具夯实。

土坝填筑由洒水车洒水。

两岸土坝排水砂体、碎石料和护坡碎石垫层料，均来自左岸砂石加工系统，由1m3装载机装料，10t自卸汽车运料上坝。

排水体由10t振动碾压实，护坡碎石由人工平整。

抛石护坡所需块石，均从石料场取料。

抛石先由人工挑选，2m3挖掘机装车，10t自卸汽车运至坝坡边缘，卸抛石于坡面上，卸料高度不宜大于3.0m，随抛填随整坡，可采用人工配合简易机械进行平整，并使之相互压紧。

各分区坝体材料要求和碾压参数见表3.2-4，各分区主要材料级配指标及颗粒级配曲线分别见表3.2-5～7、图3.2-2。

表3.2-4坝体材料要求及碾压参数

材料

材料要求

层厚

碾压指标及要求

坝体填筑料

料场风化土（剥离地表腐植土）

0.5m

干容重1.60t/m3，14t凸块振动碾碾压4～6遍，压实度98%

护坡抛石

弱风化～新鲜石料，粒径为40cm～70cm

-

10t自卸汽车运料上坝，人工平整

护坡碎石

轧制的弱风化～新鲜石料，粒径为0.5cm～7cm

0.3m

10t自卸汽车运料上坝，人工平整

排水碎石

弱风化～新鲜石料，最大粒径为4cm

0.5m

干容重2.18t/m3，洒水量5%，10t振动碾压实

排水中砂料

弱风化～新鲜石料最大粒径为5mm

0.5m

干容重2.21t/m3，洒水量3%，10t振动碾压实

表3.2-5粒径小于5mm填筑料级配表

粒径范围

（mm）

5～2

2～0.5

0.5～0.25

0.2～0.1

0.1～0.05

0.05～0.005

<0.005

占百分比（%）

3.2

7.5

10.0

11.6

12.2

25.3

30.2

表3.2-6中砂级配表

粒径范围

（mm）

>5

5～2

2～0.5

0.5～0.25

0.25～0.1

0.1～0.05

0.05～0.005

占百分比（%）

2.9

18.9

15.1

22.2

17.9

8.3

14.6

表3.2-7排水碎石级配表

粒径范围

（mm）

40～30

30～20

20～10

10～5

占百分比（%）

25

20

30

25

图3.2-2粒径小于5mm填筑料、中砂及排水碎石颗粒级配曲线

3.2.5上、下游边坡防护

戈枕枢纽上游水电站大广坝初步设计时，对海南岛已建水库土坝上游护坡型式进行了普查，得出如下结论：

台风频繁地区，上游干砌块石护坡、混凝土块护坡易受台风破坏，具维修工程量大的缺点，故其两岸长达将近6km的土坝上游护坡采用抛石护坡。

该电站95年竣工运行至今，将近12年，多次历经几十年一遇大台风，护坡运行情况基本良好，充分发挥了抛石护坡消浪效果良好、抗冲击和抗不均匀沉陷的优点。

借鉴大广坝上游采用抛石护坡的成功经验，戈枕枢纽土坝上游面自坝顶至坝脚，均采用抛石护坡，其剖面结构由表及里依次为抛石—碎石—土工织物。

抛石层厚1.0m，石料粒径均值40cm～70cm；中间层为碎石过渡层，厚度0.3m，石料粒径为0.5cm～7cm；底层采用300g/m2土工织物取代传统的砂石料作反滤层。

土坝下游边坡坡比分别为1∶2、1∶2.25，在高程45.0m处变坡，变坡处设2m宽马道，马道内侧设0.6×0.8m（宽×高）的纵向水平排水沟。

坡面每隔80m设一横向排水沟，并在坝脚处设一纵向坡脚排水沟，通过纵横排水沟的相互连通，将坡面雨水汇集后排往下游。

排水沟均采用M7.5浆砌石，厚3cmM10砂浆抹面。

坡面采用草皮护坡，植草皮前先覆盖一层厚0.3m～0.5m的腐植土层，以保证草皮更好地生长。

通过对下游坡面的排水和草皮护坡设置，可较好地避免雨水对坡面的冲刷和坝脚的淘刷。

3.2.6土坝渗流稳定分析

根据土坝结构尺寸和选用的排水型式，参考《水工设计手册》第三册，选取最大剖面，计算其在校核洪水位和正常蓄水位的稳定渗流、水位骤降等工况的坝体浸润线和渗透坡降及坝体和坝基的渗透量。

水位骤降考虑了校核洪水位骤降至正常蓄水位、正常蓄水位24小时骤降至死水位（发电期间）、正常蓄水位旬骤降至死水位（灌溉引水期间）三种工况，其中第一种骤降为快速骤降，其浸润线可采用校核洪水位稳定渗流工况的浸润线，第二种和第三种骤降介于快速骤降和缓慢骤降之间，第二种骤降浸润线高于第三种，故取第二种为计算代表。

计算浸润线时，首先不考虑垂直排水，正常蓄水位和第二种骤降按有水平排水计算浸润线，校核洪水工况因下游水位高，下游校核洪水位（P=0.05%）为42.02m，水平排水基本不发挥作用，故按无排水计算浸润线。

计算结果表明，正常蓄水位工况和第二种水位骤降工况因水平排水作用，坝体渗透稳定。

而校核洪水工况，逸出点未淹没部分末端最大渗透坡降为0.744，淹没部分最大渗透坡降为1.44，皆小于其填土安全渗透坡降2.0，坝体渗透稳定。

同时对高程45.0m以下下游坡面设层厚0.5m的干砌石压坡，干砌石与填土间设砂砾石反滤保护；并且坝体垂直排水和坝基褥垫式排水亦可降低坝体浸润线，可作为土坝安全储备。

渗透量计算成果表明：

坝体和坝基渗透量为300m3/