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一、枢纽概况及工程目的
张峰水库位于山西省沁水县张峰村西北1.5公里处的沁河干流上、水库控制流域面积4990平方公里，库容5.05亿立方米。
水库以灌溉发电为主，结合防洪，可引水灌溉高平、晋城、阳城、沁水四个县的土地，面积71.2万亩，远期可发展到104万亩。灌区由一个引水流量为45秒立米的总干渠和四条分干渠组成，在总干渠渠首及下游24公里处修建枢纽电站和槐庄电站，总装机容量31450千瓦，年发电量1.129亿度，以解决高灌及工业用电。水库防洪标准为百年设计，万年校核。枢纽建筑物包括主坝、溢洪道、导流泄洪洞、灌溉发电洞及枢纽电站组成。根据工程规模及其在国民经济中的作用，按SDJ12—78规范中设计标准，水库枢纽属于大（二）型。主要建筑物按二级设计，辅助建筑物按三级设计，临时建筑物按四级设计。二、设计基本资料（参见附录一）三、设计任务及基本要求
（一）设计任务
1、根据地形、地质、筑坝材料、水文气象、施工条件和枢纽建筑物的组成等因素进行坝轴线选择。
2、根据已知基本资料选择坝型。
3、根据枢纽建筑物的组成，进行枢纽布置方案的比较，确定枢纽布置方案。绘制枢纽平面布置图及上、下游立视图。4、坝工设计，包括：断面设计、渗透计算、稳定计算、沉陷量计算、裂缝校核、细部构造设计、基础处理、坝与两岸的连接。（稳定计算部分，要求自己编程上机优化剖面尺寸）5、外文翻译（二）设计要求1、设计者必须发挥独立思考能力，5、设计成果：设计说明书、计算书各一份；设计图4—5张。
四、时间安排
本设计共13周，学生应在规定时间内充分发挥独立工作能力，创造性地完成全部设计任务。附录一
张峰水库土坝枢纽设计原始资料
(一)地形、地质：
(1)地形：见1:2000坝址地形图。
(2)库区工程地质条件。
库区两岸分水岭高程均在820米以上，基岩出露高程大部分在800米左右，主要为紫红色砂岩，间夹砾岩、粉砂岩和砂质页岩。新鲜基岩透水性不大。且未发现大的构造断裂。水库蓄水条件是好的。
库区两岸高阶地土层可能发生塌岸。但塌滑范围不大，不会涉及大坝安全。
沁河为山区性河流，两岸居民及耕地分散，除库水位以下有一定淹没外，浸没问题不大，库区亦未发现重要矿产。
(3)坝址区工程地质条件
张峰水库坝址区沁河呈一弯度很大的“S”形，坝段位于“S”形的中、上段。坝段右岸为侵蚀岸，岸坡较陡，基岩出露。上下坝线有300余米长低平山梁——沁河与张峰沟之间的单薄分水岭，左岸为侵蚀堆积岸，岸坡较缓，有大片土层覆盖；右岸单薄分水岭是沁河环绕坝段左岸山体相对侧向侵蚀的结果。
坝址区基岩以紫红色、紫灰色细砂岩为主，间夹砾岩、粉砂岩和少数砂质页岩。地层岩相对变化剧烈，第四系除厚度不大的砂层、卵石层外，主要是黄土类土，在大地构造上处于相对稳定区，未发现有大的断裂构造迹象。
坝址区左岸有一大塌滑体，体积约45万立米，对工程布置有一定影响。
本区地震基本裂度为六度，建筑物按七度设防。
(Ⅰ)坝址
位于坝区中部背斜的西北，岩层倾向沁河上游。河床宽约300米，河床砂卵石覆盖层平均厚度5米，渗透系数K=1×10-2厘米/秒。一级阶地(Q4)表层具中偏强湿陷性。左岸730高程以上为三级阶地(Q2)具中偏弱湿陷性。土层物理力学性质见“工程地质剖面图”。
基岩末发现大范围分布的夹层。两岩基岩透水性不大，河床中段及近右岸地段。沿113—111—115—104—114各钻孔连线方向，在岩面下21—47米深度范围有一强透水带W=5.46—30公升/分米2，中强透水W=0.15—0。74公升/分米2。下限最深至岩面下约80米。基岩透水性有从上游向下游逐渐增大的趋势，左岸台地黄土与基岩的交界处的底砾岩(最大厚度6米)。透水性强，渗透系数K=10米/天。左岸单薄分水岭岩层仍属于中强透水性平均W=0.48公升/分米2，应考虑排水，增加岩体稳定。
(Ⅱ)下坝址
位于上坝址同一背斜的东南翼，岩层倾向下游，河床宽约120米，左岩为二、三级阶地，右岸731米高程以下为基岩，以上为三级阶地。土层物理力学性质见“工程地质剖面图”。
左岸基岩有一条宽200—250米呈北东方向的强透水带，右岸上游张峰沟单薄分水岭透水性亦很大，左右岸岩石中等透水带下限均达岩面下80米左右。河床地段基岩透水性与中等透水带厚度具有从上游向下游逐渐变小的趋势，下游发现承压水，二、三级阶地底砾层透水性与上坝线相同左岸坝脚靠近塌滑体。
(4)坝址区其他建筑物地段的工程地质条件
坝址区其他建筑物包括导流泄洪洞、灌溉发电洞及枢纽电站。按上坝线方案，导流泄洪洞、溢洪道均布置在左岸单薄分水岭，灌溉发电洞则布置在左岸东凹沟附近三级阶地上，下坝线溢洪道可布置在右岸张峰沟，灌溉发电洞移至上坝线溢洪道轴线西侧40米左右，导流泄洪洞位置不变。
(Ⅰ)导流泄洪洞
沿洞线周围岩石厚度大于三倍开挖洞径出口段已避开塌滑体的东边界，沿线岩层、岩性主要为粉砂岩、细砂岩及砾岩，岩石较为坚硬。坚固系数FK=4,单位弹性抗力系数KO=200kg/cm3，弹模E=0.4×105kg/cm2。透水性较大。岩层倾向下游出口段节理发育，应采取有效措施予以处理，为进一步保证出口段岩体稳定，免除由内水压力引起的后果，建议该段修建无压洞。
(Ⅱ)溢洪道
上坝线方案溢洪道堰顶高程757米，沿建筑物轴线岩层倾向下游。岩性主要为坚硬的细砂岩，其中软弱层多为透镜体，溢洪道各部分的抗滑稳定条件是好的，下坝线溢洪道堰顶高程750米，基础以下10米左右为砂质页岩及夹泥层，且单薄分水岭岩层风化严重，透水性大，对建筑物安全不利。
(Ⅲ)灌溉发电洞及枢纽电站
上坝线方案沿线基岩以厚层粉砂岩为主，岩石完整，透水性小，洞顶以上岩层厚度较小。本建筑物位于南坪沟——东凹沟古河道内岩面上有0—5米厚的底砾岩及厚度不等的亚粘土层，电站厂房处岩石风化层厚度约5—6米。对其产生的渗漏及土体坍塌应采取必要的工程措施。下坝线方案，沿线全为基岩，工程比较简易可靠。
(二)水文与水利规划
(1)气象
流域年平均降雨量686.1毫米，70%集中在6—9月，多年年平均气温8—9℃，多年最高日气温29.1℃(6月)。多年平均最低日气温-14.3℃(1月)，多年平均最大风速9米/秒，50年一遇风速16.2米/秒。水位768.1米时水库吹程3.5公里。
(2)水文分析
(Ⅰ)洪水
沁河洪水由暴雨形成，据统计七～八月发生最大洪峰流量的机会占88%，而且年际变化很大，实测最大洪峰流量为2200秒立米(1954年)，最大洪峰流量184秒立米(1965年)，相差12倍，流域洪水峰高、历时短，陡涨陡落。
一次洪水持续时间一般3—5天。
(Ⅱ)年来水量
水量的年内分配，汛期七～十月约占全年水量的62%，水量年际变化很大，实测最大年来水量1968亿立米(1963年7月—1964年6月)。最小年来水量3.34亿立米(1965年7月—1966年6月)，相差5.9倍。从历年水量过程线看约七年一周期。其中连续枯水段为四年。
(Ⅲ)年输沙量
汛期七～十月的来沙量约占全年输沙量的94%，其中七、八两月约占83%，输沙量的年际变化很大，实测最大年输沙量1240万吨(1969年7月—1959年6月)，最小年输沙量173万吨，相差7倍。
(Ⅳ)水文分析成果表序号姓
名单
位数
量备
注1利用水文系列年限
22
2代表性流量
多年平均流量立米/秒21.9
调查历史最大流量立米/秒3980
设计洪水洪峰流量(P=1%)立米/秒4000
校核洪水洪峰流量(P=0.1%)立米/秒6550
保坝洪水洪峰流量(P=0.01%)立米/秒9100
3洪量
设计洪水洪量(P=1%)亿立米5五
天校核洪水洪量(P=0.1%)亿立米7.95五
天4多年平均年径流量亿立米6.94
5多年平均输沙量吨431
(3)水利计算
(Ⅰ)死水位选择
为减少灌溉日程，尽可能增加自流灌溉面积，并使电站水头适当加高，力求达到电源自给以及为今后水库淤积留有余地。按二十年淤积部位，则根据今后运用情况加以计算调整。
(Ⅱ)调节性能的选定
灌溉保证率选取P=75%，水库上游来水，首先满足灌区工农业用水，电站则利用余水发电，按上述原则，并按近期灌溉面积71.2万亩进行水库调节计算，从年调节和多年调节两方案的水电量利用系数和坝高都相差不大，但是多年调节性能的水库能提供的电量和装机利用小时都较年调节性能水库提高20%。故确定张峰水库为多年调节性能水库。利用1949年7月—1971年6月共22年插补水文系列，采用“时历法”进行多年调节计算。
(Ⅲ)兴利水位的确定原则和指标
根据沁河洪水特性，汛期限制水位在七、八月定为760.7米。七、八月以后可重复利用一部分防洪库容蓄水兴利以不降工程防洪标准，以防洪兴利兼顾为原则，确定九、十月限制水位，提高为766.1米汛末可以多蓄水。但蓄水位按不超超过百年设计洪水位考虑，确定汛末兴利水位为767.2米。
电站的主要任务是满足本灌区提灌用电的要求，因此在保证灌区工农业用水的基础上，确定电站的运用原则是灌溉季节多引水发电，非灌溉季节少引水发电，遇丰水年则充分利用弃水多发电，提高年水量的利用系数。
(Ⅳ)防洪运用原则及设计洪水的确定
张峰水库属二级工程。水库建筑物按百年一遇洪水设计。千年一遇洪水校核，由于采用的洪水计算数值中未考虑历史特大洪水的影响，故用万年一遇洪水作非常保坝标准对水工建筑物进行复核。
工程泄洪建筑物有溢洪道和导流泄洪洞。溢洪道净宽60米，分设五孔闸门。每孔净宽12米，堰顶高程757米，泄洪洞洞径通过施工导游、拦洪、泄洪渡汛非常时期放空水库以及在可能情况下有利于排沙等方面经过综合分析比较确定为8米，进口底高程703.35米。
调洪运用原则：
当入库洪水为二十年一遇时，为满足下游河道保滩淤地的要求，水库控制下泄流量为600秒立米。
当入库洪水为百年一遇时，为提高下游河道的电站、桥梁等建筑物的防洪标准，水库控制下流量为2000秒立米。
当入库洪水为千年一遇时，溢洪道单宽流量以70每秒立米控制泄流。(5(a)8.8m)。
当入库洪水为万年一遇时，按上述原则操作，即库水位接近校核水位时，水库水位仍继续上涨，为确保大坝安全，溢洪道敞开洪，允许溢洪道局部破坏。
(Ⅴ)水库排沙和淤沙计算
张峰水库回水长25公里，河道弯曲，河床比降为2.2%，河床宽300米左右，是个典型的河道型水库。
沁河泥沙年内约83%集中在七、八两个月，平均含沙量13.8公斤/立米，泥沙多年平均D50粒径为0.0155毫米。颗粒较细，由于张峰水库库区河道天然坡降较陡，回水短，泄洪洞泄量较大，且靠河床和我国官厅、三门峡、汾河天水库相比，张峰水库利用异重流排沙是完全可能的。但由于流域的水文特性及下游工农业对水源的要求，决定了本水库只能蓄水运用。而且是高水头蓄水运用，在蓄水过程中，只能用灌溉、发电有盈余水进行排沙，经计算，多年平均排沙量只占5.2%，94.8%的泥沙都要淤积在库区内侵占兴利库容。
(Ⅵ)水库工程特征值
枢纽下泄流量及相应下游水位序号名
称单
位数
量备
注1设计洪水位时最大泄流量立米/秒2000其中溢洪道815立米/秒相应下游水位米700.55(溢洪道)2校核洪水位时最大流量立米/秒6830其中溢洪道5600立米/秒相应下游水位米705.6(溢洪道)
水库特征序号名
称单
位数
量备
注1水库水位
校核洪水位(P=0.01%)米770.4考虑淤积20年设计洪水位(P=1%)米768.1考虑淤积20年兴利水位米767.2考虑淤积20年汛限水位米760.7考虑淤积20年死水位米737.0考虑淤积20年2水库容积
总库容亿立米5.05校核洪水位设计洪水位库容亿立米4.63
序号名
称单
位数
量备
注防洪库容亿立米1.36
兴利库容亿立米3.51
其中共用库容亿立米1.10
死库容亿立米1.05
3库容系数%50.5
4调节特性
多年
主要建筑物尺寸序号名
称单
位数
量备
注2导流泄洪洞
型式
明流隧洞工作闸前为压力隧洞隧洞内径米8×10城门洞型
压力隧洞8米消能方式
挑流
最大泄量(P=0.01%)立米/秒1230
最大流速米/秒23.1
闸门型式
7×6.5弧形门
启闭机型式
300吨油压启闭机
检修门
8×9斜拉门
进口底部高程米703.35
灌溉发电洞
型式
压力钢管隧洞
内径米5.4
灌溉支洞内径米3
最大流量立米/秒45
进口底部高程
731.64
4枢纽电站
序号名
称单
位数
量备
注型式
引水式
厂房面积平方米39×16.2
装机容量千瓦5×1250
每台机组过水能力立米/秒8.05
(三)建筑材料及筑坝材料技术指示的选定
库区及坝址下游土石料均很丰富，有利于修建当地材料坝。
(1)土料
坝址上、下游均有土料场，储量丰富，平均运距小于1.5公里，根据155组试验成果统计，土料平均粘粒含量为26.4%，粉粒55.9%，砂粉17.6%，其中25%属粉质粘土，60.7%属重粉质壤土，14.3%属中粉质壤土，平均塑性指数11.1，比重2.75。最大干容重1.67吨/立米，最优含水量20.5%，渗透系数0.44×10-6厘米/秒。具有中等压缩性，强度指标见下页表。
(2)砂砾料
主要分布在河滩上，储量为205万立米，扣除漂石及围堰淹没部分，可利用的约100—151万立米，其颗粒级配不连续，缺少蹭粒径，根据野外29组自然坡度角试验，34组室内试验分析，统计成果如下：
自然么重1.87吨/立米，软弱颗料含量2.64%。
不均匀系数561颗，颗组成见下表：
颗料组成(毫米)%
