刘洋 董双元
东北农业大学 黑龙江省哈尔滨市 150001
摘要：该设计是以实例来进行介绍水库土石坝水利工程规划与设计。依据给定的数据资料确定工程的大小、水工建筑物的大小、坝轴线的位置、坝型的选择、剖面拟定详细确定了坝顶宽度、高程、坝坡、平台、路面、排水、防浪墙、缘石等的型式和尺寸。采用水力学法对坝体进行了渗透稳定分析，采用折线滑动法对坝坡进行了抗滑稳定计算来确定溢洪道形式和细部尺寸。这次设计中重点讲述了渗流计算的任务、方法和原理，并列出了详细的计算方法和过程。
关键词：土石坝；溢洪道；水利工程
1 设计区域概况
1.1 工程任务和效益
A水库位于SY河干流上，库容5.0511亿 m3,水库控制面积4991km2。水库以灌溉发电为主，兼具防洪功能。灌溉面积约104.1.1万亩，总装机容量约3.1451万Kw。
1.2 基本情况
1.2.1 地形和地质情况
1. 地形
SY河是典型的山区性河流，库区的两侧分水岭高程全部都高于820米，河床底高程约低于700米。河道的右岸坡较陡，河道的左岸坡相对较缓，对布置安排枢纽工程相对有利，坝适宜筑在河道的窄口处，上游相对比较开阔，蓄水量也比较大，蓄水条件相对较好。
2. 地质
大坝的基础主要为砂卵石，厚度约5m左右，渗透系数为1×10-2cm/s。在砂卵石的下面主要是砂岩和粉砂岩等结构，新鲜基岩的透水性相对不大。暂时在结构上没有发现较大的构造断裂层，具体的地层分布见ZF土坝坝线工程的地质剖面图附图6。
1.2.2 水文和水利计算基本情况
1.设计洪水位约是768.2m， 下游水位是700.56m。
2.校核洪水位是770.5m， 下游水位是705.65m。
3.设计下泄流量是2000 m3/s｛溢洪道流量为815 m3/s｝，校核下泄流量是6830 m3/s｛溢洪道流量为5600 m3/s｝
4.设计死水位是737.0m，设计死库容1.05×108m3。
1.2.3 气象和地理基本情况
1.20年来的平均最大风速是9m/s，设计洪水位的吹程是5500米，校核洪水位的吹程是7500米。
2. 近20年来最大平均冻土深度约1.0m。
3. 地震烈度为6度。
2 枢纽布置
2.1 工程标准
2.1.1 枢纽级别
根据给定的资料并查看《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）等资料可知该工程的总装机容量约为3.1451万千瓦，灌溉面积约为104.1万亩，水库总库容约为5.051亿立方米。灌溉发电是水库的主要功能，同时兼顾防洪，综合该四方面考虑，按《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）中表2.1.1，确定本工程级别为二级，规模为大（2）型。
2.1.2水工建筑物的级别和防洪标准
土石坝水利工程设计的主要水工建筑物有土坝、溢洪道等建筑物，且前文已论证了本工程等别为二级，由此查SL252-2002中表2.2.1，确定溢洪道、土坝均为Ⅱ级。
按《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2002中表3.2.1，挡水建筑物的防洪标准是按50年来进行设计，按50年来进行校核的。
2.2 坝轴线的选择
选择合适的坝轴线需要根据大坝选址区的地形条件，坝型，坝基，地质，枢纽中的各建筑物布置和施工条件等因素来进行综合考虑，通过比较多种方案的技术性、经济性等因素来确定。按照现有的资料，综合考虑可以选择上坝线和下坝线两个方案来实施。上坝线和下坝线的优劣可以通过列表进行对比说明。
如下表所示：
表 2.1 坝轴线对比分析选择说明表
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2.3 坝型的选择
按照现有的资料情况来看，大坝的坝型选择上建议选用土石坝这种形式进行建造。
从防渗的结构类型来看，常用的土石坝类型有均质型大坝，面板型大坝，斜墙土石大坝，心墙土石大坝等几种类型。
其中心墙土石坝是把土质防渗体设在坝体中央位置，斜墙土石坝是把防渗体设在坝体上游面或接近上游面而斜心墙土石坝是土质防渗体向上游倾斜。斜心墙坝是介于心墙坝和斜墙坝两者类型之间但同时又具有这两种坝的优缺点，施工难度相对比较大，主要用于高土石坝。综上所述本次设计不宜选用这种型式的大坝。
针对均质坝、土质防渗心墙坝和土质防渗斜墙坝这三种不同的坝型我们列表进行比较它们的优缺点，最终便于选定合适的坝型，详见下表。
表2.2 坝型对比分析选择表
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2.4 枢纽的布置
根据地形、地质、施工、运用等各个方面的因素，按选定的坝轴线大致确定建筑物的建筑型式和位置确定枢纽工程和建筑物的等级。
1、灌溉发电洞：沿线的基岩主要为厚厚的粉砂岩层，该岩层具有岩石完整，透水性不大等特点。洞顶以上的岩层厚度则比较小。电站厂房的岩石风化层厚度约为5至6m，产生的渗漏及土体坍塌应采取相应的防护措施。详见附图5。
2、导流泄洪洞：适宜布在单分岭，主考虑地质条件，避开体并保证进出口的稳定性此外综合虑程序其对岩体漏的影响。洞线周岩厚度应大倍开挖洞径，口已避开塌滑东边界，沿线层性主粉砂岩、岩砾岩，岩较为坚硬固系数为F=0.4×.1mpa,透水性大。岩层倾下游，在导流洪洞出口和边坡应采取效措进处理。考虑线岩体透水性大，保证泄洪洞岩体稳定，建该段修无压洞。
2、溢洪的布置主要应地及流的情况。仅需要保证建物安全，还需尽量小开挖工程量。布置岸单水岭，沿筑物岩层倾下游。性为坚细砂岩，中软弱多数为镜体，洪挡水部分的抗滑定件比好。对溢洪左的挖坡采取加稳措施。
3 坝工的设计
3.1 挡水坝体断面设计
坝顶高程，宽度，大坝的防渗和排水设备的基本尺寸，上下游边坡等等条件应是土石坝基本剖面的尺寸所包含的主要内容。
3.2坝顶宽度的选定
坝顶宽度应按照施工、运行、构造和抗震等因素来确定，可以参照《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001中的规定。中低坝的坝顶宽度可采用5至10米，高坝可采用10至15米。按照给定的资料情况来看，该坝为中坝，坝顶没有交通要求，所以坝顶宽度选定为10米。
3.3 坝顶高程的选定
水库静水位与坝顶超高的和等于坝顶高程，多种情况下取其最大值。本次设计暂时不考虑地震的特殊意外灾害等情况。
1.正常运用情况下的坝顶超高计算 Y
水库静水位加上风壅增水高度、坝体沉降量、坝面波浪爬高、防浪墙高及安全超高等共同决定了坝顶高程。
y＝r＋e＋a
式中：
a：安全加高；y：坝顶超高；r：最大波浪在坝坡上的爬高；e：最大风雍水面高度。（单位：m）
（1）波浪在坝坡上的最大爬高 R
平均爬高值R米：
（3-1）
式中：
Rm：平均波浪爬高；
KΔ：坡的率渗性数，据面型得；
KW：经系数；
hm、Lm：波的平均高和均波长，莆验公式定；
m：坡度系数。
1平均波高 hm
波高h和波长L米可水库公算
g(2hl)/V2=0.0076V-1/12(gD/V2)1/3
g(2ll)/V2=0.331V-1/2.15(gD/V2)1/3.75
2hl当D/V2=0—50，为计率5的波高；
gD/2=20—100，为计率1%时的波高；
V计速，/s。正情0年遇或多年大的152.0，校核情采多年平最大风速。本设计常情况风速采用年均最大的1.5倍1.5×9=1.5 m/s，情况多年均最风速9m/s。
D程，应于计洪位吹程为500，于校核水位吹程750米。
h =2 h L=0.0076V(-1/12)(gD/V2)1/3×V2/g
=0.0076×13.5(-1/12) ×(9.80×5500/13.52)1/3×13.52/9.80=0.758（米）
gD/V2=9.80×5500/13.52=296
所求2 h L 为10%累计频率的波高。
L米 =2LL=0.331V(-1/2.15) (gD/V2)1/3.75×V2/g
=0.331× 13.5(-1/2.15) (9.80×5500/13.52)1/3.75×13.52/9.80
=8.36（米）
根据给定的资料情况设计洪水位为768.10米，由附坝工地质剖面查，坝底程取99.00米处，则坝水深 为H76810-69.0=69.10米，水域平均水深H米=69.10/2 =34.55米；
h/H米=0.758/34.55=0.0219<0.1
查得：hp/h米=1.71
h米= hp /1.71=0.758/1.71=0.44（米）
2）坡性 KΔ
据面型采砌时K=.75080取Δ=0。
3）经验系数 KW
依据W/（gH）1/2= 13.5/(9.80×69.1)1/2=0.52,查得KW=1.00。
4）平均波浪爬高 Rm
将h米=0.44米；L米=8.36米；KΔ=0.80；KW=1.00；米=2.5，代入公式3-1：
4.结论
结合防渗、排水、止水及锚固等工程措施，在符合安全、耐久的前提下，选用合理的的结构型式和尺寸。控滑稳定分析坝计中的一项重要内容，目的是核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全性。
作者简介：
刘洋（2001-04-13），男，汉族，籍贯：辽宁省铁岭市，学历：本科，研究方向：水利水电工程
董双元（2001-01-23），男，汉族，籍贯：黑龙江省佳木斯市，学历：本科，研究方向：水利水电工程
参考文献
[1] 戴金水、徐海生、毕元章，水利工程项目建设管理，出版社：黄河水利出版社，2008。
[2] 水利部，开发建设项目水土保持技术规范，出版社：中国计划出版社，2008。
[3] 高安泽，中国水利百科全书 著名水利工程分册，出版社：水利水电出版社，2004
[4] 李炜，水力计算手册，出版社：中国水利水电出版社，2006。
[5] 水利部天津水利水电勘测设计研究院，溢洪道设计规范，出版社：中国水利水电出版社，2000。