心墙坝专业课程设计.docx
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1、第一章 绪论1.1 序言1.2 设计基础资料1.2.1工程概况1.2.2 气象水文资料1.2.2.1气象条件1.2.2.2径流1.2.2.3洪水1.2.2.4泥沙1.2.2.5冰情1.2.2.6水化学1.2.3 工程地质条件1.2.3.1区域地质概况1.2.3.2库区工程地质条件1.3 设计内容1.4 设计依据土石坝设计1、土石坝设计任务书1.1、课程地位、作用:土石坝课程设计是水工建筑物教学中一个关键教学步骤之一,它是高等教育中培养水利水电工程专业应用型高等专门人才一次专题实训步骤,是在定岗实践基础上经过对经典,有代表性已建或在建工程实际资料分析,结合生产实际,进行水利水电工程枢纽设计,提升
2、专业基础技能及工作能力一次指导性实训课程。其任务关键有:1、经过课程设计使学生学会综合利用基础知识和专业理论知识,进行水利工程设计方法和步骤。2、培养学生善于利用设计图册、国家标准规范、熟悉计算方法,提升计算能力,专业绘图和编写设计文件等基础技能。3、提升学生分析问题、处理问题、独立工作能力。4、经过课程设计全方面考察,了解学生在校期间学习质量,从而发觉教学中存在问题,为深入进行教学改革提供依据。1.2、工程概况:水库在G县H河支流Q河上游,控制流域面积198km2,水库总库容330万m3。枢纽工程包含大坝和在左岸输水洞。其中主坝坝高为71m,坝轴线全长265m,顶宽7m。坝顶高程3281m,
3、设计、校核洪水位和正常蓄水位均为3278m,大坝按三级建筑物设计,设计标准按50年一遇洪水设计,5一遇校核。坝址处河床为洪积、冲积砂砾石覆盖层,最大厚度13m。在施工中进行覆盖层探深试验,平均干容重达23.5k,渗透系数为20.994.5m/d。1.3、设计任务:1.3.1 坝体结构设计依据工程概况确定合理土坝形式,其中包含坝体防渗体形式及材料,坝壳材料,排水体类型,和坝基防渗处理方法。1.3.2 坝体剖面设计在已知坝顶高程坝顶宽度条件下,依据所确定坝体结构,假定土坝上游及下游坡率,并在米格纸上绘出土坝最大剖面图。1.3.3 渗流计算依据已确定坝体结构形式选择对应水力学公式计算出最大剖面处单宽
4、流量和浸润线方程并会在米格纸上。(仅考虑外稳定渗流期一个工况,此时下游水深为5m)1.3.4 坝坡稳定计算应用圆弧滑动法,找出稳定渗流期坝体下游坡最小安全系数kmin所对应圆心大致区域。并最少计算出一个安全系数k,并在米格纸上绘出过程。1.3.5 细部结构设计包含坝顶、护坡、反滤层、坝体及坝基有防渗透、排水、坝坡排水沟等并绘出各个细部结构图。2、坝体结构设计2.1坝型选择在选定下坝线基础上,对可能利用当地材料进行了研究分析。考虑了多种可能采取坝型,因为坝址不含有相对对称山体地形,山体也不够宽厚,同时坝基为深厚砂砾石层,首先排除了采取拱坝及重力坝方案。依据地质勘测,当地含有材质良好、储量丰富、运
5、距短砂砾石料,坝壳填筑料充足,适宜建造土石坝 土石坝能够分为土石心墙坝,土石斜墙坝,心墙堆石坝,混凝土面板堆石坝。心墙土石坝、土石斜墙坝、心墙堆石坝需要有建筑心墙土料。依据工程地质条件、地形条件、当地建筑材料、交通情况,考虑大坝型式为:沥青混凝土心墙坝、土工膜斜墙砂砾石坝多个。依据当地地形、地质条件,及对筑坝材料分析,决定采取沥青混凝土心墙砂砾石坝。2.2防渗体设计2.2.1心墙材料选择沥青混凝土心墙含有良好适应变形能力、抗冲蚀能力、抗老化能力和整个心墙无须设置结构缝,所以,沥青混凝土心墙可在任何气候条件和任何海拔高度使用。本坝体选择沥青混凝土作为心墙材料,关键原因有以下几点:(1)施工时间:
6、能够以相当快速度铺筑沥青混凝土,很经济适用。沥青混凝土一经压实,立即能够防水,尤其是在潮湿季节施工时,这一点很关键。(2)生理适宜性:沥青在生理方面完全适宜于饮水,从水质卫生见解来看,对其应用于水库完全没有异议。(3)抗冻性:因为沥青混凝土含有极小孔隙率,所以水就没有进入这些构件机会,所以冰冻作用不会影响到沥青材料,故沥青构件不需要防水保护。(4)冰冻时期铺筑:假如铺盖层厚度合适,在零度以下全部能够铺筑沥青混凝土,这就许可在高海拔地方有较长施工工期,这点尤其适适用于新疆。2.2.2 心墙型式沥青混凝土心墙有两种型式,一个为碾压式沥青混凝土心墙,一个为浇筑式沥青混凝土心墙。浇筑式沥青混凝土心墙,
7、可采取人工方法在严寒地域冬季施工,沥青用量最高可达16%,塑性好,在中国有不少成功先例,如黑龙江西沟坝、尼尔基坝、库尔宾坝,吉林白河坝;碾压式沥青混凝土心墙,机械化施工程度高,施工方法简单易控,进度快,沥青用量少,是高坝中常采取形式。从中国相同工程来看,三峡茅坪溪、四川冶勒均采取碾压式沥青混凝土心墙。本水利枢纽工程项目属高坝、地震设防烈度高(8度设防)、碾压式沥青各项指标优于浇注式等特点,结合现在中国碾压式沥青心墙发展现实状况,确定采取碾压式沥青混凝土。2.2.3 心墙部署型式在心墙部署上,有直心墙,斜心墙,下部直心墙上部斜心墙三种型式。坝基覆盖层厚达13m,设计采取混凝土防渗墙和灌浆帷幕结合
8、垂直防渗形式,防渗墙顶部高程为29973281m,斜心墙受力条件好,但不能满足和基础防渗墙全部部位直接衔接,基础灌浆钻孔不能直线部署,若按折线部署,造成基础防渗工程量增加。阿尔塔什地震设防烈度高,一旦在地震情况下坝体发生永久剪切变形,沥青混凝土心墙出现开裂,斜心墙不易检修和检验。其右坝肩岸坡陡直,斜心墙斜线和岸坡岩石基础衔接难度大,沥青混凝土用量大,心墙出现剪切变形也较大。依据土坝设计直心墙含有以下优点:1、不受气候影响,能够使用性能较差沥青或渣油;建成后也不易受冰冻、风浪、浮托力或机械损伤。2、通常只有一层,比斜墙施工简单,施工设备也简单。3、心墙和坝基齿墙或岸坡连接较易;4、防爆性好,抗震
9、性也比很好;5、坝体沉陷对心墙影响小,而对斜墙影响大,易使斜墙开裂;6、心墙可和坝体同时施工,早期就可蓄水。心墙和河床段连接处图3-1所表示。图3-1 心墙和河床段连接图下部直心墙上部斜心墙第三种型式特点介于前两种之间,即使能够有效降低下游坝坡浸润线,增加坝体下游干燥区域,有利于增加坝体深层滑动稳定性。但对本工程下游坝坡稳定起控制作用是浅层滑弧,所以采取这么复杂心墙形式对坝体稳定意义不大。同时下部直心墙上部斜心墙和岸坡岩石基础衔接难度大,沥青混凝土用量较大。综合以上分析,从抗震、沥青心墙和基础防渗墙和两岸岩石衔接等角度分析,本水利枢纽工程大坝心墙部署型式确定采取直心墙。2.3坝壳材料 由任务书
10、可知,该土石坝坝址处河床为洪积、冲积砂砾石覆盖层,砂砾石材料丰富,所以坝壳材料选为砂砾石。2.4排水方法2.4.1 坝顶排水为了便于排水,坝顶应做成向两侧或一侧横坡,坡度为2%3%,取为2%。每隔100m设直径10cm排水孔将坝顶雨水排向下游坝面排水沟。坡面末端设纵向排水沟,以聚集坝顶雨水,排水沟断面通常为0.2m*0.2m0.4m*0.4m。2.4.2 坝面排水为预防雨水冲刷,下游坡面常设置纵横连通排水沟,现沿坝轴线每隔100m设置1条横向排水沟,顺坡部署,垂直于坝轴线,横向排水沟自坝顶直至棱体排水处。坝体和岸坡连接处应设置排水沟,以排除岸坡上游下来雨水。依据以往已建工程经验,排水沟宽度及深
11、度通常采取0.2m到0.3m,本设计取0.3m。2.4.3 坝体排水常见坝体排水有以下多个型式:贴坡排水、棱体排水、坝内排水和综合式排水。(1) 贴坡排水贴坡排水又称为表面排水,这种形式排水结构结构简单用料节省,施工方便,易于检修,能够预防坝坡土发生渗流破坏,保护坝坡免受下游波浪淘刷。但不能有效地降低浸润线,且易因冰冻而失效。(2) 棱体排水棱体排水又称滤水坝趾,在下游坝脚处用堆石体堆成棱体。棱体排水适适用于下游有水多种坝型,它能够降低浸润线,预防坝坡冻胀,保护尾水范围内下游坝脚不受波浪淘刷,还能够和坝基排水相连接。当坝基强度足够时,能够发挥支撑坝体、增加稳定作用。但所需石料用量大,费用较高,
12、和坝体施工有干扰,检修较困难。(3) 坝内排水坝内排水包含褥垫排水、网状带排水、排水管、竖式排水体等。不过关键问题,褥垫排水对不均匀沉降适应性差,易断裂,且难以检修。当下游水位高过排水设施时,降低浸润线效果将显著降低,网状排水施工麻烦,而且排水效果较褥垫排水差。(4) 综合式排水实际工程中,常依据具体情况将多个不一样形式排水组合在一起称为综合式排水,以兼取各型式优点。综合考虑以上多个排水方法,现在下游坝脚处用块石堆成棱体,依据水工建筑物要求,棱体顶宽宽度应依据施工条件及检验观察需要确定,大于1.0m,通常为12m,顶部高程应超出下游最高水位,超出高度,1级、2级坝应大于2.0m,3级、4级、5
13、级坝应大于0.5m,并应超出波浪沿坡面爬高,顶部高程应使坝体浸润线距坝面距离大于该地域冻结深度,应避免在棱体上游坡脚处出现锐角,棱体内坡依据施工条件确定,通常为1:1.0至1:1.5,外坡依据坝基抗剪强度和施工条件确定,通常为1:1.5至1:2.0。综合以上原因考虑,该设计顶宽取2.0m。棱体内坡取1:1.5,棱体外坡取1:2。顶部高程为3215.5m。2.5坝基防渗关键有水平防渗和垂直防渗两种设施,水平铺盖作用是延长渗径,从而使坝基渗漏损失和渗流比降减小至许可范围内,不过它不能像垂直防渗设施那样能够完全截流,其防渗效果有一定程度,所以本设计采取垂直防渗体。坝基透水层厚度为59.9m, 采取混
14、凝土防渗墙。如用支撑法开挖直井,浇筑混凝土截水墙,则施工困难,工期长,造价高,故应采取机械造孔,浇筑混凝土防渗墙。防渗墙厚度依据防渗、强度和施工条件确定。按施工条件,墙厚在0.61.3m之间,通常为0.8m,现选为0.8m 。防渗墙顶部和沥青混凝土心墙底部连接,防渗墙高度应长于坝基透水层厚度,取65m。防渗墙以下采取帷幕灌浆。2.3.1 坝顶结构大坝路面为了排除雨水,坝顶面向大坝下游侧倾斜,倾斜坡度设为2%。坝面即使没有交通要求,但考虑到大坝维护运行及大坝防洪任务中车辆通行,所以路面采取混凝土结构形式。坝顶结构图图3-2。图3-2 坝顶结构图2.3.2 护坡土石坝上下游坡面通常均需设置护坡,但
15、上、下游护坡形式应依据工程具体情况进行选择。2.3.2.1上游护坡上游护坡常见形式为堆石、抛石、干砌石、浆砌石、预制或现浇混凝土板、沥青混凝土等。护坡形式、厚度及材料粒径应依据坝等级、利用条件和当地材料情况。上游坝坡关键考虑波浪淘刷、顺坝水流冲刷及漂浮物和冰层撞击及冻冰挤压。依据工程具体情况,上游护坡采取干砌石护坡,护坡厚度1m,护坡所用石料要求新鲜坚硬、耐久、饱和抗压强度小于40Mpa。对于干砌石护坡砌筑要求为:将块石错缝竖砌,紧靠密实,填塞稳固,表面平整、美观。2.3.2.2 下游护坡下游护坡关键形式为干堆石、堆石、碎石及草皮护坡。同时下游护坡关键考虑原因有:冻胀、干裂及蚁、鼠等动物破坏,
16、雨水、大风、水下部位风浪、冰层和水流作用。下游护坡应由坝顶至排水棱体。依据具体情况,下游护坡一样采取干砌石护坡,护坡厚度1m。3坝体剖面设计3.1 基础剖面确定断面设计基础尺寸关键包含:坝顶高程、坝顶宽、上下游坡度、防渗结构、排水设备形式及基础尺寸。依据设计规范要求及参考已建工程经验数据,并考虑本工程具体情况,对本工程各项数据设计以下。2.2.4心墙断面尺寸依据水工建筑物要求:沥青混凝土心墙顶部厚度不宜小于0.3m,心墙底部厚度宜为坝高1/601/40。参考中国外工程经验,考虑到本工程土石坝坝基深厚覆盖层,从有利于抗震角度出发,心墙厚度定为0.8m。该值满足规范要求。3.1.1已知坝体细则由任
17、务书得,已知主坝坝高为71m,坝轴线全长265m。坝顶高程3281m。3.1.2 坝坡上下游坝坡依据已知坝顶高程已建工程经验和本工程坝料特征及计算分析确定。确定上游坝坡为1:2.5,下游坝坡从上到下为1:2、1:2、1:1.7。2.1.2 坝顶宽度坝顶宽度应依据结构、施工、运行和抗震等原因确定。由已知数据取坝顶宽度为7m。2.1.3 马道设置依据碾压式土石坝设计规范(SL274-)要求,土质防渗体分区坝和均质坝上游坝坡宜少设马道,且马道宽度应依据用途确定,但最小宽度不宜小于1.5m。依据以上要求,上游坝坡处设置2道马道,高程设在1776m、1706m处,马道宽度分别为5m和5m。下游坝坡2道马
18、道,分别在高程1776m、1716m处,马道宽度均设置为5m。2.2 坝体分区2.2.1 大坝分区标准(1)利用天然砂砾石料抗压强度较高,不易破碎,不管天然和饱和情况下,全部含有较高承载能力,压缩模量较大,坝体沉降较小特点,在坝体变形较大部位采取砂砾石料填筑,能够降低坝体沉降变形,减小河床坝段和岸坡坝段变形差;利用堆石料含有较高抗剪强度指标和良好抗震性能,将堆石料部署在砂砾石料外侧,以得到较陡上、下游坝坡,节省坝体方量,同时可使坝体取得较高抗震稳定性能。(2)沥青混凝土心墙处于坝体中间,坝体渗透性从中间向上下游逐步增大。(3)坝体填料变形模量从中间向上下游协调过渡。(4)坝址区砂砾料储量丰富,
19、经比较,砂砾料填筑较经济,坝壳填筑以砂砾料为主。(5)充足利用开挖材料,就近取材。2.2.2 大坝分区依据各坝料特征和大坝各部位不一样工作条件,坝体填筑分区从上游至下游分为上游爆破料区,上游砂砾料区,上游过渡层区,沥青砼心墙,下游过渡层区,下游砂砾料区,下游爆破料区。按坝体抗震和结构要求,其分区见坝体标准横剖面图2-2。图2-2坝体分区横剖图防渗体:碾压沥青砼心墙为垂直式,墙体轴线偏向上游。心墙顶高程1825.0m,最低墙底高程1660.0m。心墙宽1m。过渡层:在沥青混凝土心墙两侧,顶高程1825.0m,过渡层水平宽度为3m,等宽部署,过渡层填筑至心墙顶部,底部建在弱风化基岩建基面上,采取C
20、3料场砂砾石料筛分,相对密度不低于0.85。坝壳料分区:坝址区砂砾料储量丰富,经分析比较,砂砾料填筑较经济合理,坝壳填筑以砂砾料为主,砂砾料区部署在上、下过渡料区外侧,坝壳砂砾料填筑至1790.0m高程,上、下游砂砾料区顶部宽8m,和堆石料分界坡为1:1.8。在上下游砂砾料区外部设置了堆石料填筑区,利用堆石料休止角高特点,增加坝坡抗震稳定性。爆破料起源于P1、P2石料场开采石料,弱风化及新鲜岩石开挖料可作为利用料,填筑在上下游爆破料区。砂砾石料填筑相对密度不低于0.85,爆破料及利用料填筑孔隙率小于19%。第三章坝体结构设计第四章地基处理4.1 地基处理4.1.1 地基开挖地基开挖情况图4-1
21、所表示。图4-1 开挖轮廓线图图中粉色线为开挖轮廓线图。4.1.2 河床基础处理沥青混凝土心墙和过渡料基础在河床部位要求清除基础至16611665m高程,落在约100米深砂砾石覆盖层上。为增强防渗效果,心墙和河床基础连接设置C25钢筋混凝土基座。混凝土防渗墙厚1.2m,深入基岩内1m,最大墙深为96m。设置1道墙。防渗墙内预埋帷幕灌浆管,以适应其下部帷幕灌浆。帷幕灌浆设两排,孔距为2m,帷幕灌浆深度以进入基岩透水率5Lu线以下5.0m及1/2坝高作为控制标准,深度为墙下1685m。为了增强覆盖层防渗性能和抗变形能力,在河床心墙基底下部覆盖层中进行深15m固结灌浆,孔距为3m,6排。4.1.3坝
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