伦潭水利枢纽土石坝设计说明书

第一章 工程概况

伦潭水利枢纽工程位于铅山县天柱山乡境内，距县城约50km，坝址地处铅山河支流杨村水中游，是铅山河流域内具有防洪、灌溉、发电、供水及水产养殖等综合效益的控制性工程。

铅山河是信江中上游南岸的一条主要支流，发源于闽赣边境的武夷山脉。流域东邻石溪水，西毗陈坊河，南靠武夷山，北抵信江，集雨面积1255km2。流域内山高林密 ，植被良好，气候温和，矿产资源丰富，尤以铜矿著称。铅山河流域理论电力蕴藏量约14×108 kW·h，初步查明的可开发水电装机有18.46×104 kW，可开发电量6.7×108 kW·h，其水力资源之丰富为信江之冠。

经综合分析论证，伦潭工程规模基本选定为：水库正常蓄水位252.0m，死水位230.0m，防洪水位250.0m，防洪高水位为254.70m，相应防洪库容为0.261×108m3，调节库容0.938×108m3，水库总库容1.798×108m3；灌溉农田面10.62万亩；电站装机容量20.0MW；枯水季节能为下游工矿企业补充1500×104m3生产生活用水。

在发电方面：电站装机2×10.0MW，年发电量6074×104kW.h，保证出力4520kW，年利用小时3037h；在供水方面：枯水季节能补充下游工矿企业生活生产用水1500×104m3。

第二章 设计的基本资料及水库工程特性

2.1 设计的基本资料

2.1.1水文气象

伦潭水利枢纽坝址处于铅山河支流杨村水中游。杨村水为信江二级支流，发源于武夷山脉读书尖。河流自南向北流经篁碧、港口、天柱山、港东、杨村、五都等地，在下坂与石塘水相汇后称铅山河。杨村水主河长70km，流域面积465km2，河道平均坡降6.6‰。伦潭水库坝址以上集雨面积242km2、主河长41.9km，流域平均宽度5.77km，主河道平均比降11.62‰。坝址附近无水文测站，选择铅山河流域内铁路坪水文站作为参证站，由1959年至2000年共42年径流资料，推求坝址多年平均流量为11.0m3/s，Cv=0.31,Cs=2.5Cv，多年平均径流深1438.8mm，多年平均径流量3.48×108m3。铅山河为雨洪式河流，洪水与暴雨相应，多发生在4~9月份，洪水主要由锋面雨形成，台风雨也能形成较大洪水。经分析计算，坝址设计洪水成果：校核洪水标准（P=0.1%)，相应洪峰流量为20m3/s，洪量W1=87.73×106m3、W3=155.17×106m3；设计洪水标准（P=1%）、相应洪峰流量为1500m3/s，洪量W1=52.06×106m3、W3=92.08×106m3。铅山河属少泥沙河流，坝址多年平均悬移质输沙量4.55×104t、推移质输沙量1.82×104t。

铅山河流域属亚热带季风气候区，流域内各地多年平均气温18.1℃，极端最高气温40.1℃，极端最低气温-10.6℃，多年平均相对湿度79%。多年平均降水量1908.9mm，最大年降水量2856.7mm（1998年），最小年降水量1177.1mm（1971年），多年平均蒸发量1550.4mm，多年平均风速1.9m/s，实测最大风速20.3m/s。坝址区洪水期多年平均最大风速16ｍ/ｓ，吹程为2.5公里。

2.1.2工程地质

本区处华南褶皱系、赣中南褶隆、饶南拗陷区。区内地势东南高、西北低，下游为低山丘陵区，中上游属中低山——中高山构造剥蚀地貌，不良物理地质现象不甚发育。区内出露地层主要为燕山早期花岗岩。枢纽及库区处于次一级的陈坊~永平~八都区域隆起构造带，未发现孕震断裂分布，不存在产生水库诱发地震的可能性，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，地震动反应谱周期小于0.35s，区域构造稳定性较好。

水库区地层岩性单一，组成库盆、库岸的花岗岩体岩性坚硬，透水性弱，库周分水岭雄厚，库区产生永久性渗漏的可能性小，库岸稳定性较好。未来库区淤积问题不大。库区内未发现有工业开采价值的矿产资源及古文化遗址分布，淹没影响较小。不存在浸没问题。

坝区含上、下两个坝址，均属构造剥蚀中低山地貌，位于燕山早期侵入的伦潭岩体上岩性，为细粒花岗岩，岩性单一，一般弱风化~微新岩体为中等~较好质量岩体。地质构造较简单，未发现较大的断裂构造及顺河断层。构造节理主要为北东向和北西向两组，卸荷裂隙发育不明显。

坝区的地下水主要为基岩裂隙潜水。地下水埋深多受大气降水和地形条件及季节变化等因素所控制。岩体透水性则受地形条件、节理裂隙的密度与贯通，节理裂隙充填状况及岩体风化程度等多种因素影响，一般遵循自上而下，由大到小的规律。据水质分析结果，坝区河水和地下水对混凝土具中等溶出型侵蚀性。

上、下坝址存在的工程地质问题，主要为渗漏及坝肩稳定问题。由于岩体风化及节理裂隙的影响，坝址基础开挖以后，建基面以下一般为弱~中等透水岩体，需作防渗处理。上坝址可利用基岩埋深较大，建基面以下透水岩体厚度也较大。下坝址拱坝方案右坝肩，由于局部分布有缓倾角节理裂隙，其与坝区较发育的北西或北东向两组陡倾角结构组合，存在与拱肩推力方向夹角很小的不利组合面，有沿该组面产生滑动的可能，对拱肩稳定不利。

就工程地质条件而言，上、下坝址均具备修建90m左右大坝的条件。而下坝址的工程地质条件优于上坝址。

据本阶段对三条引水隧洞、一条导流隧洞、一个溢洪道及三个发电厂房和下坝址上、下游围堰作的地质勘探工作，这些建筑物均处于中低山地貌，围岩为细粒花岗岩，洞室大部分置于弱风化~微新岩体，地下水量不丰，地质构造较简单，洞线进出口及厂房区未见较大的滑坡、崩塌等不良物理地质现象。各引水隧洞线及厂房均未发现大的工程地质问题。上、下游围堰不存在大的工程地质问题。

2.1.3筑坝材料及其物理力学性质

水库枢纽工程所需天然建材，石料可就地取材，储量及质量均可满足要求。砂砾料在坝址区缺乏，需在坝区下游较远处采运，其中砂料质量可满足规范要求，但粗骨料级配较差，粗细骨料储量均可满足需求。

（一）坝址处地基物理力学设计指标

坝址处具有砂质亚粘土覆盖层，河床处覆盖深度约为5米，两岸垂直坡面覆盖左岸3米，右岸12米。砂质亚粘土覆盖层物理力学指标如下：

干容重Υｄ=1.59ｔ/ｍ3      饱和容重ΥS=2.00ｔ/ｍ3

浮容重Υｂ=0.98ｔ/ｍ3    渗透系数K=4.5×10-6ｃｍ/ｓ

凝聚力ｃ=0.38ｋｇ/ｃｍ2       内摩擦角φ=20.570

（二）筑坝材料

1、砂壤土

干容重Υd=1.70ｔ/ｍ3      饱和容重Υs=2.10ｔ/ｍ3

浮容重Υb=1.00ｔ/ｍ3     渗透系数K=2.5×10-5ｃｍ/ｓ

凝聚力ｃ=0.29ｋｇ/ｃｍ2       内摩擦角φ=300

湿容重Υww=1.70ｔ/ｍ3

2、粘土防渗体

干容重Υd=1.65ｔ/ｍ3      饱和容重Υs=2.07ｔ/ｍ3

浮容重Υb=1.05ｔ/ｍ3         渗透系数K=3×10-6ｃｍ/ｓ

凝聚力ｃ=0.35ｋｇ/ｃｍ2       内摩擦角φ=240

湿容重Υww=1.85ｔ/ｍ3

3、砂砾料

干容重Υd=1.67ｔ/ｍ3      饱和容重Υs=2.04ｔ/ｍ3

浮容重Υb=0.99ｔ/ｍ3       渗透系数K=2.×10-2ｃｍ/ｓ

凝聚力ｃ=0                  内摩擦角φ=330

湿容重Υww=1.81ｔ/ｍ3

4、块石

干容重Υd=1.79ｔ/ｍ3      饱和容重Υs=2.14ｔ/ｍ3

浮容重Υb=1.19ｔ/ｍ3     渗透系数K=2.5×10-5ｃｍ/ｓ

湿容重Υww=1.85ｔ/ｍ3       内摩擦角φ=380

（三）砼与基岩抗剪指标及基础承载力

纯摩时          ｆ=0.7      ｃ=0

剪摩时          ｆ=0.9      ｃ=2.8ｋｇ/ｍ2

基础承载力       [σ]=30ｋｇ/ｃｍ2

砼容重           Υ=2.4ｔ/ｍ3

2.1.4、水库的运用要求

    伦潭水利枢纽工程位于铅山河流域杨村水中游，是以防洪、灌溉为主，兼顾发电、供水和水产养殖的综合利用工程。经综合分析论证，伦潭工程规模基本选定为：水库正常蓄水位252.0m，死水位为230.0m，防洪水位250.0m，防洪高水位为254.70m，相应防洪库容为0.261×108m3，调节库容0.938×108m3，水库总库容1.798×108m3；灌溉农田面10.62万亩；电站装机容量20.0MW；枯水季节能为下游工矿企业补充1500×104m3生产生活用水。

伦潭水利枢纽工程综合利用效益显著。在防洪方面：经水库调蓄可使下游沿河两岸和港东、杨林、五铜、永平、鹅湖、福惠等7个乡（镇）的村镇和农田、永平铜矿的供水设施和尾矿污水排放设施、横南铁路线和上饶联络段铁路线以及铅山县河口镇的防洪标准由5年一遇提高到20年一遇；在灌溉方面：从水库坝下取水可灌溉下游铅山西部灌区的杨林、五铜、福惠、虹桥、汪二、河口茶场、新安埠、汪二垦殖场等九个乡（镇、场）的10.62万亩，农田灌溉保证率达90%；在发电方面：电站装机2×10.0MW，年发电量6074×104kW.h，保证出力4520kW，年利用小时3037h；在供水方面：枯水季节能补充下游工矿企业生活生产用水1500×104m3。

2.2 水库工程特性

水库枢纽工程主要特征值

     正常蓄水位                    252.00ｍ

     防洪高水位                    254.70ｍ

     设计洪水位（P=1％）           254.75ｍ

     相应下泻流量                  975ｍ3/ｓ

相应下游水位                  176.43ｍ

校核洪水位                    256.45ｍ

相应下泻流量                  1310ｍ3/ｓ

相应下游水位                  177.51ｍ

死水位                        230.00ｍ

水电站装机容量                2×10MW

总库容                        1.798亿ｍ3

河床地面高程                  170m

第三章 枢纽布置及工程等级

第一节 枢纽布置

一、坝址、坝轴线的选择

二、溢洪道的布置

溢洪道位于大坝

第二节 工程等级

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252---2000划分。

综合考虑水库总库容，防洪效益，灌溉面积，电站装机容量，工程规模，取最高级别，由库容（总库容1.798亿ｍ3）控制，所以本水利枢纽工程等级为大（二）型。按照《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》规定，本工程为II等工程，主要建筑物为2级。

第四章 坝工设计

4.1 坝型选择

由于设计任务书中，所给坝体粘土的渗透系数K=3×10-6, 《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）4.1.5条规定，心墙坝防渗土料的渗透系数不大于1.0×10-5，而且坝基的渗透系数为K坝基=4.5×10-6ｃｍ/ｓ，同时，综合考虑到气象、建筑材料，施工等条件，考虑采取带粘土心墙坝。

第二节 坝的断面设计

土石坝的基本剖面应根据坝高、坝的等级、坝型、筑坝材料特性、坝基情况及施工、运行条件等参照现有工程的实践经验初步拟定，然后通过渗流和稳定分析检验、最终确定合理的剖面形状。

一、坝顶高程确定

坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和。分别按以下运用情况计算，取其最大值：

1)设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高：坝顶超高d按下式计算

d=R+e+A………………………………………………（1）

其中：d—坝顶超高(m)

R—波浪设计爬高（m）

A—安全加高（m）

（A）波浪设计爬高的确定：波浪爬高按《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）A.1.12条规定的公式计算。先计算平均爬高，再计算设计爬高。当上游坝坡为单坡且m=1.5~5时，平均爬高公式为：，

=…………………………………（2）

式中：单坡的坡度系数，m=2.5

K斜坡的糙率及渗透性系数，K=0.9

Kw经验系数，根据w/(gH)1/2的值按规范表A.1.12-2内插，设计洪水位时，w/(gH)1/2=1.1，查表内插为1.004。

计算设计，步骤如下：

先计算出波浪的平均波高h和平均波长Lm，再计算设计坡高。对于内陆峡谷水库，当w<20m/s、D<20Km时，波浪的波高和平均波长可采用官厅水库公式计算，即按规范附录A公式（A.1.7-1）、（A.1.7-2）：

………………………………（3）

………………………………（4）

将上述公式简化，可得：

h=0.00166WD………………………………………（5）

Lm=0.062…………………………………（6）

式中:W取多年平均年最大风速的2倍，为16×2=32m/s

D为风区长度，即吹程，D=2500m。将各参数代入（5）、（6）两式，结果为：h=1.715m,Lm=16.072m；

按照规范附录A.1.7及A.1.8的规定，根据gD/W2=24,坝前水深H=254.75-170=84.75m,取g=9.81m/s2,查得累积频率为5%的波高与平均波高比值为1.95,由设计波高hm=h/1.95=0.879m。

将hm、Lm及m=2.5、K=0.9、Kw=1.004代入(2)式，结果

==1.261m

根据规范A.1.11条规定，设计波浪爬高值应根据根工程等级确定，本工程为2级，可采用累积频率为1%的爬高值R1%，h/hm<0.1,则设计爬高与平均爬高的比值取2.23，所以设计爬高R=2.23=2.23*1.261=2.812m

（B）风壅水面高度e的确定：根据规范A.1.10条，风壅水面高度e按公式下式计算：

e=cos………………………………………（7）

式中：K为综合摩阻系数，K=0.0000036

D为风区长度，D=2500m

为计算风向与坝轴线法线夹角，=48°

W为计算风速，为多年平均年最大风速的2倍，为16×2=32m/s

Hm为风区内水域平均水深，近似取为（254.75-170）/2=42.38m

将各参数代入（7）式，则

e=0.0111m

（C）安全加高A的确定，按照规范和正常运用情况查得A=1m

所以，在设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高为：

d=2.812+0.0111+1=3.8231(m)

2)校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高。

校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高计算公式与设计洪水正常运用情况基本一样，所不同的是风速采用多年平均最大风速W=16m/s，坝前水深H=256.45-170=86.45m，水库平均水深H/2=43.23m。

（A）波浪爬高值R的计算：

将D=2500m，W=16m/s分别代入（5）（6）两式，可得：

h=0.00166*16*2500=0.721m

Lm=0.062*16=8.027m

按照规范附录A.1.7及A.1.8的规定，根据gD/W2=96,坝前水深H=256.45-170=86.45m，取g=9.81m/s2,查得累积频率为5%的波高与平均波高比值为1.95,由设计波高hm=h/1.95=0.370m。

将 上述hm、Lm及m=2.5、K=0.9、Kw=1.00代入(2)式，结果

==0.576m

根据规范A.1.11条规定，设计波浪爬高值应根据根工程等级确定，本工程为2级，可采用累积频率为1%的爬高值R1%，h/hm<0.1,则设计爬高与平均爬高的比值取2.23，所以设计爬高R=2.23=2.23*0.576=1.284m

（B）风壅水面高度e的确定：将K=0.0000036，D=2500m、=90°、W=16m/s代入（7）式

e=0.0027m

（C）安全加高A的确定，按照规范和正常运用情况查得A=0.5m

所以，在校核洪水位加正常运用情况的坝顶超高为：d=1.284+0.0027+0.5=1.7867(m)

3)坝顶高程及坝高

设计洪水位正常用条件下的坝顶高程为：254.75+3.8231=258.57m；

校核洪水位非常用条件下的坝顶高程为：256.45+1.7867=258.24m。

4)结论

经比较，坝顶高程取为258.6米，考虑在上游侧设置1.2m高的防浪墙，用防浪墙顶部高程代替坝顶高程，则土坝坝顶的实际高程为258.6-1.2=257.4米，坝高为257.4-165=92.4米。

以坝高的1%预留沉陷值，则施工高程为257.4+92.4*1%=258.32米。

两种运行情况下，坝顶高度计算成果如下：

二、坝顶宽度确定

坝顶宽度根据运行、施工、构造、交通和地震等方面的要求综合研究后确定。

SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》规定：高坝顶宽可选为10-15米，中、低坝顶宽可选为5-10米。因本土石坝坝高92.4米，确定坝顶宽为10米。

三、边坡确定

1、土石坝的坝坡初选根据规范规定并参考已建工程，拟定上游坝坡由上而下为：1：2.5，1：2.75，1：3.0，1：3.25；下游坝坡由上而下为：1：2. 5，1：2. 75，1：3.0。即上游坝顶至237m高程坡率取2.5，237m至217m高程坡率取2.75，217m至197m高程坡率取3.0，197m高程以下坡率取3.25；下游自坝顶至227m高程坡率取2.5，227m至197m高程坡率取2.75,197m高程至179m高程坡率取3.0,179m高程以下高置一堆石排水棱体。

在坝坡改变处，上游坡不设置马道，在下游坡，设置2ｍ宽的马道，马道上游侧设置一30×20CM的排水沟以使汇集坝面的雨水，防止冲刷坝坡，并同时兼作交通、观测、检修之用。

上游侧在227m高程（死水位230m）以上采用12cm厚预制混凝土块进行护坡，预制砼块分为中心处有排水孔和无排水孔的两种，排水孔按1800×2080mm布置。

下游侧在堆石棱体以上采用草皮护坡，草皮厚0.2米，草皮下铺一层厚为0.2米的腐植土。

坝面除设置沿马道和坝四周的排水沟外，每隔50米设置一条横向排水沟。

2、坝顶上面铺筑普通混凝土路面。坝顶向下游倾斜3%的坡度。上游侧设1.2m高的防浪墙，下游侧设排水沟。

四、防渗体尺寸确定

1、坝体防渗（防渗墙顶部应预留竣工后沉降超高）

坝体防渗采用粘土心墙防渗体。心墙顶高程为256.45米，高出设计洪水位1.7米，顶部保护层厚度为257.4-256.45=0.95米。

心墙顶宽3米，自顶向下逐渐加厚，边坡为1：0 .2。计算点作用水头取校核洪水位的水头：H=256.45-177.51=78.94米，根据规范规定和经验取允许坡降[J]=4，底部厚度35.01米，大于H/[J]=80.02/4=19.74米，满足要求。心墙两侧设0.4m厚的粗砂为过度层。

具体情况见图      所示。

2、坝基防渗

坝基防渗采用粘土截水墙，上部厚度与心墙等厚，为20.m，下部厚度取为13.182米（大于H/4=12.9m）。为加强截水墙与岩石的连接，在截水墙底部再挖4m*0.5m的齿槽，截水墙开挖边坡为1:1,两侧设0.4m厚的粗砂层。具体情况见图      所示。

五、排水设备的形式及其基本尺寸的确定

1、坝体排水设备

采用堆石棱体排水设备。排水棱体顶部高程根据规范规定应超出下游最高水位，超过的高度根据规范为1米，所以确定排水棱体顶部高程为178.51m，顶宽2米，内坡1:1.5，外坡1:2.0。详见图    所示。

2、坝坡排水

在下游坝坡设纵横连通的排水沟，沿坝与岸坡的结合处，也设置排水沟。详见图    所示。

第三节 土石坝的渗透计算

第四节 土石坝的稳定计算

第五节 土石坝的细部结构

一、坝体结构（指河床及河岸坝体）

二、坝顶的构造（包括防浪墙的结构及尺寸）

三、上游护坡的结构尺寸

四、下游护坡的结构及尺寸

五、反滤层及过渡层的设计