水工建筑物土石坝课程设计模板.doc

水工建筑物土石坝课程设计

54

资料内容仅供参考，如有不当或者侵权，请联系本人改正或者删除。

《水工建筑物课程设计》

课题名称: 土 石 坝 设 计
专业班级: 水 工(本科) 13-3
姓 名: 袁 明 炜
编写日期: 7月1日

水利与环境学院

摘要

适当修建大坝能够实现一个流域地区发电、 防洪、 灌溉的综合效益。经过对地形地质、 水文资料、 气候特征的分析, 结合当地的建筑材料, 设计适合的枢纽工程来帮助流域地区实现很好的经济效益。根据防洪要求, 对水库进行洪水调节计算, 确定坝顶高程及泄洪建筑物尺寸; 经过分析, 对可能的方案进行比较, 确定枢纽组成建筑物的形式、 轮廓尺寸及水利枢纽布置方案; 详细作出大坝设计, 经过比较, 确定坝的基本剖面与轮廓尺寸, 拟定地基处理方案与坝身构造, 进行水力、 静力计算; 对泄水建筑物进行设计, 选择建筑物的形式、 轮廓尺寸, 确定布置方案。水库配合下游河道整治等措施, 能够很大程度的减轻洪水对下游城镇、 厂矿、 农村、 公路、 铁路以及旅游景点的威胁; 可为发展养殖创造有利条件。

目录

第1章 基本资料 1
1.1工程概况 1
1.2水文与水利规划 1
1．气象 1
2． 水利计算 1
1.3地形地质条件 1
1.库区工程地质条件 2
2.坝址区工程地质条件 3
1.4建筑材料及筑坝材料技术指标的选定 4
3．当地建筑材料 6
2 枢纽布置 8
2.1 坝轴线选择 8
2.2 工程等级及建筑物级别 9
2.3 枢纽布置 10
2.3.1 导流泄洪洞 11
2.3.2 溢洪道 11
2.3.3灌溉发电洞及枢纽电站 11
3.1 坝型确定 12
第3章 坝工设计 14
3.1 土石坝断面设计 14
3.1.1坝顶高程 14
3.1.2坝顶宽度 16
3.1.3上下游边坡 16
3.1.4 坝底宽度 17
3.2 防渗体设计 17
3.2.1.坝体的防渗 17
3.2.2防渗体的土料要求 18
第4章 坝体渗流计算 19
4.1 设计说明 19
4.1.1土石坝渗流分析的任务 19
4.1.2渗流分析的工况 19
4.1.3渗流分析的方法 19
4.2 渗流计算 20
4.2.1基本假定 20
4.2.2计算公式 20
4.2.3三种工况计算 21
4.2.4渗流校核 23
4.2.5浸润线计算 24
4.2.6理正软件校核 27
第5章 土石坝坝坡稳定分析及计算 30
5.1 坝体荷载 30
5.1.1渗流力 30
5.1.2孔隙压力 30
5.1.3地震力 30
5.2 稳定分析方法 30
5.3 计算工况 31
5.4稳定计算 31
5.4.1瑞典圆弧滑动法 31
5.4.2理正软件计算 33
第6章 细部构造 36
6.1 坝顶构造 36
6.2 护坡 36
6.3 反滤层 37
6.4 排水体 40
6.5 马道 42

第1章 基本资料
1.1工程概况
ZF水库位于QH河干流上, 水库控制流域面积4990km2, 库容5.05×108m3。水库以灌溉发电为主, 结合防洪, 可引水灌溉农田71.2×104亩, 远期可发展到104×104亩。灌区由一个引水流量为45m3/s的总干渠和四条分干渠组成, 在总干渠渠首及下游24km处分别修建枢纽电站和HZ电站, 总装机容量31.45MW, 年发电量1.129×108kW·h。水库防洪标准为百年设计, 万年校核。枢纽工程由挡水坝、 溢洪道、 导流泄洪洞、 灌溉发电洞及枢纽电站组成。
1.2水文与水利规划
1．气象
流域年平均降雨量686.1mm, 70%集中在6~9月, 多年年平均气温8~9℃, 多年平均最高气温29.1℃(6月), 多年平均最低气温-14.3℃(1月), 多年平均最大风速9m/s, 水位768.1m时水库吹程5.5km。
2． 水利计算
防洪运用原则及设计洪水的确定。本水库属二级工程。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为非常保坝标准对水工建筑物进行复核。
水库排沙和淤沙计算。ZF水库回水长25km, 河道弯曲, 河床宽300m左右, 河床比降为2.2%, 是个典型的河道型水库。

1.3地形地质条件
1: 坝址附近地形图、 建议坝轴线地质图见附图。
1.库区工程地质条件
库区两岸分水岭高程均在820m以上, 基岩出露高程, 大部分在800m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。未发现大的构造断裂, 水库蓄水条件良好。
QH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, 库区也未发现重要矿产。

表2 ZF水库工程特征值
序号
名 称
单 位
数 量
备 注
1
设计洪水时最大泄流量
m3/s
2 000.00
其中溢洪道815

相应下游水位
m
700.55

2
校核洪水时最大泄流量
m3/s
6 830.00
其中溢洪道5600

相应下游水位
m
705.60

3
水库水位

校核洪水位(P=0.01%)
m
770.40

设计洪水位(P=1%)
m
768.10

兴利水位
m
767.20

汛限水位
m
760.70

死水位
m
737.00

4
水库容积

总库容
108m3
5.05
校核洪水位

设计洪水位库容
108m3
4.63

防洪库容
108m3
1.36

兴利库容
108m3
3.51

其中共用库容
108m3
1.10

死库容
108m3
1.05

5
库容系数
%
50.50

6
调节特性

多年

2.坝址区工程地质条件
QH河在ZF水库坝址区呈一弯度很大的”S”形。坝段位于”S”形的中、 上段。坝段右岸为侵蚀型河岸, 岸坡较陡, 基岩出露。上下坝线有约300 m长的低平山梁(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QH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45×104m3, 对工程布置有一定影响。
本区地震基本烈度为6度, 建筑物按7度设防。
(1) 上坝址
上坝址位于坝区中部背斜的西北, 岩层倾向QH河上游。河床宽约300m, 河床砂卵石覆盖层平均厚度5m, 渗透系数1×10-2cm/s。一级阶地(Q4)表层具中偏强湿陷性。左岸730m高程以上为三级阶地(Q2)具中偏弱湿陷性。
岩基未发现大范围的夹层, 基岩的透水性不大。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21~47m深度范围内, 有一强透水带, W=5.46~30 l/s·m2, 下限最深至基岩下约80m。基岩透水性从上游向下游有逐渐增大的趋势, 左岸台地黄土与基岩交界处的砾岩(最大厚度6m)透水性强, 渗透系数K=10m/d。左岸单薄分水岭岩层仍属于中强透水性, 平均W=0.48l/s·m2, 应考虑排水, 增加岩体稳定。
(2) 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120m, 左岸为二、 三级阶地, 右岸731m高程以下为基岩, 以上为三级阶地。土层的物理力学性质见”工程地质剖面图”。
左岸基岩有一条宽200~250m呈北北东方向的强透水带, 右岸Z沟单薄分水岭的透水性亦很大, 左右岸岩石中等透水带下限均可达岩面下80m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、 三级阶地砾石层透水性与上坝线相同, 左岸坝脚靠近塌滑体。
1.4建筑材料及筑坝材料技术指标的选定
库区及坝址下游土石料丰富, 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l.5km。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％, 粉砂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27.5kN/m3。最大干重度16.7kN/m3, 最优含水量20.5%, 渗透系数0.44×10-5cm/s。具有中等压缩性, 强度特性见表3。
(2) 砂砾料。主要分布在河滩上, 储量为205×104m3, 扣除漂石及围堰淹没部分, 可利用的砂砾料约100~151×104m3。其颗粒级配不连续, 缺少中间粒径, 根据野外29组自然坡度角试验, 34组室内试验分析, 统计成果分析如下: 天然重度18.7kN/m3, 软弱颗粒含量2.64%。颗粒组成见表4。
砂的储量很少, 且石英颗粒少, 细度模数很低, 不宜作混凝土骨料, 砂(D<2mm)的相对紧密度为0.895。
(3) 石料。坝址区石料较多, 运距均在1km以内, 为厚层砂岩, 储量可满足需要。溢洪道、 导流洞出碴也可利用。

表3 土料的强度特性
试验方法
统计方法
抗剪强度指标
φ(o)
C(kN.cm-2)
饱和固结快剪(25组)
算术平均
23.27
2.80
算术小值平均
20.96
1.93
快剪
(82组)
算术平均
21.54
2.93
算术小值平均
21.30
2.93
快剪
(18组)
算术平均
21.30
2.93
算术小值平均
21.00
1.94
算术平均
22.68
5.83
算术小值平均
20.03
3.56
算术平均
22.50
5.83
算术小值平均
23.80
3.56
快剪
(8组)
算术平均
28.80
4.51
算术小值平均
25.75
2.93
算术平均
29.00
4.51
算术小值平均
28.70
2.93
三轴不排水剪
(10组)
算术平均
20.00
2.88
算术小值平均
25.20
1.30
三轴不排水剪
(6组)
算术平均
13.30
2.80
算术小值平均
25.20
0.80
三轴饱和固结
不排水剪(6组)
算术平均
18.20
4.20
算术小值平均
22.30
3.50
野外自然坡度角
(29组)
算术平均
35.70

算术小值平均
31.20

室内
剪切
试验
算术平均
31.10

算术小值平均
29.10

算术平均
31.00

算术小值平均
29.00

表4 砂砾料颗粒组成
粒径(mm)
<200
<80
<40
<20
<5
<2
<1
<0.5
<0.25
<0.05
含量(%)
83.7
74.2
57.7
46.2
38.6
34.6
32.8
29.7
24.7
4.9

(4) 筑坝材料技术指标的选定。经过试验, 并参考有关文献资料及其它工程的经验, 最后选定其筑坝材料的各项技术指标, 见表5。
3．当地建筑材料
(1) 土料。根据当地建筑材料调查报告, 土料场有五个。根据试井和钻孔情况, 从1: 地形图初步计算四个土场的总储量为2 248.6×104m3, 为需要量的4倍多。各土料场的储量如表6。
(2) 砂砾料。根据调查, 坝址附近的三个砂砾场, 开采总量约 100~151×104m3(水上部分), 不够使用。
(3) 石料。未进行石场储量的调查试验工作。在坝址右岸有两个石料场。石场空间不够开阔, 运输困难。
(4) 骨料。沿河调查, 本地砂只能用于浆砌石和混凝土, 其它用砂需外运。

表5 筑坝材料技术指标
筑 坝 材 料
坝 体
坝 基
土料
砂砾料
堆石
砂砾料
黄土
比重(kN/m3)
27.5

27.0

重度
湿重度(kN/m3)
16.5
18.0
18.0
18.0
16.0
饱和重度(kN/m3)
19.8

19.1
干重度(kN/m3)
10.4
11.0
10.5

10.2
孔隙率n

0.33

内摩擦角
施工期
总应力
10
31
40
31
20
有效应力
22
稳定渗流期
有效应力
23
水位降落
有效应力
23
粘聚力C(kN/cm2)
2.0

渗透系数K(cm/s1)
1×10-6
1×10-2

1×10-2
1×10-5
初始孔隙水压力系数
0.3

表6 各土料场的储量
土场
南坪沟
川坡
上山
大河滩
合计
高程(m)
746~805
720~760
710~749
722~778

储量(104m3)
913.6
855.7
119.9
359.4
2248.6

2 枢纽布置
2.1 坝轴线选择
坝轴线应根据坝址区的地形地质条件、 坝型、 坝基处理方式、 枢纽中各建筑物( 特别是泄洪建筑物) 的布置和施工条件等, 经多方案的技术经济比较确定。坝轴线应因地制宜地选定。宜采用直线; 当采用折线时, 在转折处应布置曲线段。设计烈度为8度、 9度地地区不宜采用折线。9·当坝址处存在喀斯特、 大断层或软粘土等不良地质条件时, 应研究避开的可能性。按照现有给定资料,经过技术经济比较分析确定坝轴线位置, 主要考虑上坝线和下坝线两个方案。
方案因素
上 坝 线
下 坝 线
地形条件
位于坝区中部背斜的西北, 岩层倾向QH河上游,河床宽约300m一级阶地(Q4)表层具中偏强湿陷性,左岸730m高程以上为三级阶地(Q2)具中偏弱湿陷性。
位于上坝址同一背斜的东南翼, 岩层倾向下游,河床宽约120m左岸为二、 三级阶地, 右岸731m高程以下为基岩, 以上为三级阶地。
地质条件
基岩无夹层,透水性不大, 透水性从上游向下游有逐渐增大的趋势, 左岸台地黄土与基岩交界处的砾岩透水性强,左岸有单薄分水岭.
左岸基岩有一条呈东北方向的强透水带,左右岸皆有强透水性,透水性从上游向下游有逐渐变小的趋势, 左岸坝脚靠近塌滑体,右岸有有单薄分水岭.
筑坝材料
坝体:土料,沙砾料,堆石;坝基:沙砾料,黄土.
坝体:土料,沙砾料,堆石;坝基:沙砾料,黄土.
施工条件
施工布置较为困难,开挖排水不困难
施工布置较为困难,开挖排水不困难
枢纽布置
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。
溢洪道可布置在右岸Z沟, 灌溉发电洞移至上坝线溢洪道轴线西侧40m左右,导流泄洪洞布置在左岸.
比较结果
分析后, 初步选定坝轴线位置在上坝线, 主要考虑到下坝线的塌滑体, 对工程存在不利的隐患。
2.2 工程等级及建筑物级别
水利部、 能源部颁布的水利水电工程的分等分级指标, 将水利水电工程, 根据工程规模、 效益和在国民经济中的重要性分为五等, 见表4。
水利水电工程中的水工建筑物, 根据其所属工程等别及其在工程中的作用和重要性划分为五级, 见表5。
水工建筑物的安全级别, 应根据建筑物的重要性及破坏可能产生后果的严重性而定, 与水工建筑物的级别对应而分为三级, 如表6所示。
表4 水利水电工程分等指标表
工程等别
水库总库容 ( 108m3)
防洪
排涝
灌溉
供水
水力发电
保护城市及工矿区
保护农田( 万亩)
排涝面积( 104ha)
灌溉面积( 104ha)
供给城镇及矿区
装机容量( MW)
一
>10
特别重要
>33.30
>13.33
>10
特别重要
>1200
二
10～1.0
重要
33.30～6.67
13.33～4.0
10～3.33
重要
1200～300
三
1.0～0.1
中等
6.67～2.0
4.0～1.0
3.33～0.33
中等
300～50
四
0.1～0.01
一般
2.0～0.33
1.0～0.2
0.33～0.03
一般
50～10
五
<0.01

<0.33
<0.2
<0.03

<10
工程等别
永久性建筑物级别
临时性建筑物级别
主要建筑物
次要建筑物
一
1
3
4
二
2
3
4
三
3
4
5
四
4
5
5
五
5
5

表5 水工建筑物级别

表6 水工建筑物的结构安全级别
水工建筑物级别
水工建筑物的结构安全级别
1
Ⅰ
2、 3
Ⅱ
4、 5
Ⅲ
本工程水库库容为5.05×108m3, 因此该工程为Ⅱ等工程。
主要建筑物大坝、 溢洪道级别为2级。
2.3 枢纽布置
2.3.1 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K0=20MPa/cm, 弹模E=0.4×104MPa, 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。
2.3.2 溢洪道
上坝线方案溢洪道堰顶高程757m, 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。下坝线溢洪道堰项高程750m。基础以下10m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。
2.3.3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, 透水性不大, 洞顶以上岩层厚度较小。在建筑物的基岩岩面上有0~5m厚的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5~6m, 对其产生的渗漏及土体坍塌应采取必要的工程措施,灌溉发电洞则布置在左岸东凹沟附近三级阶地上。下坝线方案沿线全为基岩, 工程安全比较可靠。可将灌溉发电洞移至上坝线溢洪道轴线西侧40m左右.
结论: 导流泄洪洞, 上下方案布置位置相同,均为左岸; 溢洪道, 上坝线方案宜布置在左岸单薄分水岭,下坝线方案宜布置在右岸Z沟; 灌溉发电洞及枢纽电站, 上坝线方案可布置在左岸东凹沟附近三级阶地上。下坝线方案沿线全为基岩, 工程安全比较可靠。可将灌溉发电洞移至上坝线溢洪道轴线西侧40m左右.

3.1 坝型确定
土石坝按坝高可分为: 低坝、 中坝和高坝。中国《碾压式土石坝设计规范》( SDJ218—84) 规定: 高度在30米以下的为低坝, 高度在30～70米间的为中坝, 高度超过70米的为高坝。土石坝坝高均从清基后的地面算起。
土石坝按其施工方法可分: 碾压式土石坝、 充填式土石坝、 水中填土坝和定向爆破坝等。应用最为广泛的是碾压式土石坝。
土石坝坝型的选择的有关因素很多, 其中主要的是坝址附近的筑坝材料。除了含腐殖质太多的土料外, 所有的土石料都可筑坝, 只要适当的配置在坝体部位即可。不适合作防渗体的土料, 用一定的施工方法或加工处理后也可作防渗料。除筑坝材料是坝型选择的主要因素外, 还要根据地形、 地质条件、 气候条件、 施工条件、 坝基处理方案、 抗震要求、 人防要求等各种因素进行研究比较, 初选几种坝型, 拟定断面轮廓, 进一步比较工程量、 工期、 造价, 最后选择技术上可靠、 经济上合理的坝型。
按照土料在坝身内的配置和防渗体所用的材料种类, 碾压式土石坝可分为以下几种主要类型:
a.均质坝: 坝体主要有一种土料组成, 同时起防渗和稳定的作用。
b.土质心墙坝: 由相对不透水或弱透水土料构成中央防渗体, 而以透水土石料作为下游支撑体。
c.土质斜墙坝: 由相对不透水或弱透水土料构成上游防渗体, 而以透水土石料作为下游支撑体。
d.多种土质坝: 坝体由多种土料构成, 以细粒土料建成中央或靠近上游的防渗体, 坝体其它部位则由各种粗粒土料构成。
e.人工材料心墙坝: 中央防渗体由沥青混凝土或混凝土、 钢筋混凝土构成, 坝壳由透水或半透水土石料组成。
f.人工材料面板坝: 坝的支撑体由透水或半透水土石料组成, 上游防渗面板由钢筋混凝土、 沥青混凝土或塑料薄膜等材料构成。
根据地形、 地质、 建筑材料、 施工情况、 工程量、 投资等方面, 综合比较选定坝型。
类别
土质防渗心墙
土质防渗斜墙
均质坝
地形条件
对地形无特别要求
对地形无特别要求
对地形无特别要求
地质条件
对地质无特别要求
对地质无特别要求
对地质无特别要求
工程量

只需要按照卸料→铺料→碾压→取样等工序流水作业,相对来说,工程量较小.

斜墙坝由于抗剪强度较低的防渗体位于上游面, 故上游坝坡较缓, 工程量大。
一般来说, 所用的土料渗透系数小, 施工期坝体内会产生孔隙水压力, 影响抗剪强度, 因此坝坡较缓, 工程量大。
建筑材料
库区当地下游土石料丰富, 有利于修建防渗墙的各种材料, 无需另外购买
库区当地下游土石料丰富, 有利于修建防渗墙的各种材料, 无需另外购买
库区当地下游土石料丰富, 有利于修建防渗墙的各种材料, 无需另外购买
适用条件
不但适宜低坝, 也适宜于髙坝
不但适宜低坝, 也适宜于髙坝
一般使用于中、 低高度坝
比较结果
本设计土坝是高坝, 因此均质坝不适合, 而斜墙对于沉降以及
地震的适应能力比心墙小, 因此防渗体定为粘土心墙。

结论: 本设计土坝选择坝型为心墙坝。
第3章 坝工设计
3.1 土石坝断面设计
土石坝断面设计的基本尺寸主要包括: 坝顶高程、 坝顶宽、 上下游坡度、 防渗结构、 排水设备的形式及基本尺寸。根据设计规范的要求及参照已建工程的经验数据, 并考虑本工程的具体情况, 对本工程的各项数据设计如下。
3.1.1坝顶高程
由于土石坝是不允许漫项溢流的, 因此坝顶高程由水库静水位加上风浪壅水增加高度、 坝面波浪爬高及安全超高确定, 同时坝顶高程的计算, 应同时考虑以下3种情况:
( 1) 设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高;
( 2) 校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高;
( 3) 正常高水位加非常运用情况的坝顶超高再加地震区安全超高。
坝顶超高按下式计算:
Y=R+e+A
式中: Y—坝顶在水库静水位以上的超高;
R—最大波浪在坝坡上的爬高
e—最大风壅水面高度;
A—安全加高
查碾压式土石坝设计规范有:

式中: e —— 计算处的风壅水面高度, m
D —— 风区长度, D=5.5Km
K —— 综合摩阻系数3.6×10-6
β—— 计算风向与坝轴线法线的夹角15°
W —— 计算风速, m/s. W=( 1.5～2) V=29=18m/s
——坝前平均水深768.1m;

可忽略不计
由于D≤10km, 且v=10~20m/s, ( 查《土坝设计》3-12)

m
上游坝坡较缓初步采用1: 3.0故tanθ=1/3.0=0.33
外层上游坝壳为砌石 取k=0.8( 查《水利水电工程建筑物》表2-14)
R=3.2k×2h×tanθ=3.2×0.8×1.144×0.33=0.96m 《水利水电工程建筑物》2-47
正常运行情况下坝顶超高Y=R+e+A=0.96+1=1.96m
非正常运行情况下坝顶超高Y=R+e+A=0.96+0.5=1.46m
坝顶高程取以下三种情况的最大值
(1) 校核洪水位加非常运用条件下的坝顶超高:
H=770.40m+1.46m=771.86m
(2) 正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高:
H=767.20m+1.96m=769.16m
(3) 正常蓄水位加非常运用条件下的坝顶超高加地震安全加高:
H=767.20m+1.46m+1.5m=770.16m
由于( 2) ( 3) 计算结果小于校核洪水位, 故计算坝顶高程取( 1) 情况771.86m考虑坝顶上设防渗体1.2m高防渗墙, 故取设计坝顶高程为771.86m-1.2m=770.66m
坝顶高程计算成果表
计算工况
水库水位(m)
坝顶超高Y(m)
坝顶高程(m)
设计洪水位
767.20
1.96
769.16
校核洪水位
767.20
1.46
770.16

考虑沉降量为坝高的0.2%~0.4%, 取为0.3%, 则沉降量为62.86×0.3%=0.19m
则坝顶防浪墙高程为Y设计=771.86+0.19=772.05m。
3.1.2坝顶宽度
坝顶宽度根据构造、 施工等因素确定, 由《碾压式土石坝设计规范( SL274— ) 》高坝选用10～15 m, 中低坝可选用5～10 m, 根据所给资料, 初步拟定坝体断面, 坝顶宽度为12m。
3.1.3上下游边坡
坝坡的确定应根据坝型、 坝高、 坝的等级、 坝体和坝基材料的性质、 坝所承受以及施工和运用条件等因素, 经技术经济比较确定。

上下游边坡比见表
坝高(m)
上游
下游
〈10
1: 2～1: 2.5
1: 1.5～1: 2
10～20
1: 2.25～1: 2.75
1: 2～1: 2.5
20～30
1: 2.5～1: 3
1: 2.25～1: 2.75
〉30
1: 3.0～1: 3.5
1: 2.5～1: 3

坝高为772.05-699-1.2=71.85m(防浪墙高1.2米), 坝顶高程: 770.85, 坡度取值为:
1、 上游坝坡: 1:3.0。
2、 下游坝坡: 1:2.5。
3.1.4 坝底宽度
推算最大底宽为:71.85×( 3+2.5) +12+10=417.18m。

3.2 防渗体设计
3.2.1.坝体的防渗
1、 防渗体尺寸确定
考虑采用机械施工, 防渗体顶面宽度为3m; 顶面高程满足高于正常运用情况下的静水位0.3-0.6m, 且不低于非常运用情况下的静水位。实际选取0.5m, 则防渗体顶面高程为768.1+0.5=768.6m; 上游坡度均为1:3, 下游坡度为1:2.5, 则底宽为3+( 768.6-699) ×( 3 -2.5) =37.8m, 满足斜墙底宽不小于H/4=( 768.9-699) ÷4=17.4m。
因此, 本坝防渗体采用碾压式粘土心墙, 顶宽3m, 底厚37.8m。
2、 尺寸确定
心墙顶部和上游坡设保护层, 以防冲刷、 冰冻和干裂, 保护层材料常见砂、 砾石或碎石, 其厚度不得小于当地冰冻和干裂厚度。
3.2.2防渗体的土料要求
防渗体要具有足够的不透水性和塑性, 要求防渗体的渗透系数比坝主体至少小100～1000倍, 且其透水系数不宜大于10, 防渗体要有足够的塑性。这样, 防渗体能适应坝基和坝体的沉陷和不均匀变形, 从而不致断裂。长期的筑坝经验告诉我们, 粘粒含量为15～30%或塑性指数为10～17的中壤土、 重壤土粘粒含量为35～40～%或塑性指数为17～20的粘土都是填筑防渗体的合适土料。粘性土的天然含水量最好, 稍高于塑限含水量, 使土料处于硬塑状态。
第4章 坝体渗流计算
4.1 设计说明
4.1.1土石坝渗流分析的任务
土石坝的剖面尺寸初步拟定后, 必须进行渗流分析和稳定分析, 为确定经济可靠的坝体剖面提供依据, 渗流分析的主要任务是:
⑴ 确定坝体浸润线和下游溢出点的位置, 为坝体稳定计算和排水体选择提供依据;
⑵ 计算坝体与坝基的渗流量, 以计算水库渗漏损失, 和确定排水体尺寸;
⑶计算坝体与坝基的渗流溢出处的渗透坡降, 以验算其渗透稳定性。
4.1.2渗流分析的工况
渗流计算时, 应考虑水库运行中出现的不利条件, 一般需考虑计算下列几种工况:
⑴ 上游正常蓄水位767.20m与下游相应最低水位700.55m, 此时坝内渗流的坡降最大, 易产生渗透变形;
⑵ 上游校核洪水位774.40m与下游相应最高水位705.60m, 此时坝内浸润线最高, 渗流也最大;
分析时, 常根据河谷地形情况, 选若干、 单宽坝坡, 按二元渗流问题考虑, 对河床中间断面及左右对称的Ⅰ－Ⅰ、 Ⅱ－Ⅱ、 Ⅲ－Ⅲ三个典型断面进行渗流计算。
4.1.3渗流分析的方法
土石坝渗流分析的方法有公式计算法( 流体力学法、 水力学法、 有限单元法) 流网法和电模拟法。
本设计采用水力学法, 水力学法建立在一些基本假定上, 是一种近似解法, 只能求得过水断面上渗流要素的平均值, 但其计算简单, 且精度一般能够满足工程要求。
4.2 渗流计算
4.2.1基本假定
⑴ 坝体土料为均质, 坝体内任一点在各方向上的渗透系数相同且为常数;
⑵ 渗流二元稳定层流, 流动运动符合达西定律: V=KJ( V为渗透流速, K为渗透系数, J为渗透坡降)
⑶ 渗流为渐变流, 任意过水断面上各点的坡降和流速相同。
4.2.2计算公式
在众多渗流分析方法中, 较水力学法和流网法比较简单实用, 流网法虽然能够求解渗流场内任意一点渗流要素, 但对不同土质和渗透系数相差较大的情况难以采用; 水力学法是在一些假设条件基础上的近似解法, 能满足工程精度要求。本设计采用水力学方法进行渗流分析。
计算公式:
单宽渗流量 q =
浸润线方程 y =
单宽渗流计算公式:
经过心墙的渗流量为: q1 =
心墙后的渗流量为: q2 =
其中:
—上游水深;
—墙后逸出水深, m;
—基岩透水深度, 取最大值15m;
—黏土心墙平均厚度;
—防渗体后堆石体渗透系数, 1.3×10-4m/s;
—下游水深;
—粘土渗透系数, 1.5×10-7 m/s;
—下游坡比。
总渗流量的计算
全坝的总渗流量为:

式中: 、 、 ……、 —断面1、 2、 ……、 的单宽渗流量; 、 、 ……、 、 —相邻两断面之间的距离。
4.2.3三种工况计算
三种工况: 上游为设计洪水位、 校核洪水位、 正常蓄水位和相应的下游水位见图。
各水位示意图

( 1) 正常蓄水位时, 上游正常高水位取为兴利水位767.2m, 下游相应低水位取为700.55m。河床高度为699m, 坝顶宽度为12m, 坝高为71.85m, m=3.0 m=2.5。
联立方程可得h2= =48.7m2

联立方程可得h=6.98m , q=1.69×10-5

( 2) 设计洪水位时, 上游正常高水位取为设计洪水位768.1m, 下游相应低水位取为700.55m。河床高度为699m, 坝顶宽度为12m, 坝高为71.85m, m=3.0 m=2.5。
联立方程可得h2= =49.70m2,

联立方程可得h=7.05m , q=1.73×10-5

( 3) 校核洪水位时, 上游正常高水位取为兴利水位770.4m, 下游相应低水位取为705.6m。河床高度为699m, 坝顶宽度为12m, 坝高为71.85m, m=3.0 m=2.5。
联立方程可得h2= =93.85m2

联立方程可得h=9.67m , q=1.83×10-5

已知三种工况单宽流量则最大总渗流量为:

则一天的总渗流量为 :
4.2.4渗流校核
1>.渗漏量: 大坝在校核洪水位的库容为5050万。而每日渗漏量仅0.21, 故满足防渗要求。
2>.渗透稳定: 对于非粘性土, 渗透破坏形式的判别可参考下式:
η<10时为流土
η>20时为管涌
10<η<20时不定
允许坡降可参考采用下列数字: 10<η<20; =0.2; ＞20, =0.1
渗流逸出点的实际坡降为: Ｊ=
已知: ΔH=h-H2=3.07m, ΔL可近似取为计算长度L=177.7m, 则: Ｊ=0.017
根据表4砂砾料颗粒组成可得 d60=45.57, d10=0.1又: η=d60/d10=455.7>20, Ｊ允许=0.1。
Ｊ=0.02<Ｊ允许=0.1, 因此满足要求。
4.2.5浸润线计算
1、 上游正常蓄水位与下游相应的最高水位
上游校核洪水位取为兴利水位767.2, 下游相应高水位取为700.55m。
基础采用防渗处理, 视为基础不透水。
( 1) 计算示意图

( 2) 心墙后的浸润线方程

=h=6.97m
简化得心墙后的浸润线方程:
y2 +0.26x=48.7
x/m
0
60
120
180
y/m
6.98
5.75
4.18
1.55

2、 上游设计洪水位与下游相应的最高水位
上游校核洪水位取为兴利水位770.4, 下游相应高水位取为705.60m。
基础采用防渗处理, 视为基础不透水。
( 1) 计算示意图

( 2) 心墙后的浸润线方程
计算公式:

=h=7.05
简化得: y2 +0.27x=49.7
x/m
0
60
120
180
y/m
7.05
5.79
4.16
1.05

3、 上游校核洪水位与下游相应的最高水位
上游校核洪水位取为兴利水位770.4, 下游相应高水位取为705.60m。
基础采用防渗处理, 视为基础不透水。
( 1) 计算示意图

( 2) 心墙后的浸润线方程
计算公式:

=h=9.67m
简化得: y2 +0.28x=93.5
x/m
0
60
120
180
y/m
9.57
8.76
7.74
6.57

4.2.6理正软件校核
项目 水位
上游正常水位和下游最低水位
上游设计洪水位和下游相应最高水位
上游校核洪水位和下游相应最高水位
土堤顶部宽度b
12.000(m)
12.000(m)
12.000(m)
土堤顶部高度h
71.660(m)
71.660(m)
71.660(m)
上游坡