水工建筑物课程设计(土石坝设计)

'《水工建筑物》课程设计任务书水工建筑物课程设计任务书（Ⅱ）学院名称：能源与环境学院专业：水利水电工程年级：2008级1设计题目黑河水利枢纽土石坝设计2主要内容本工程采用混合式开发，开发任务为发电，兼顾下游环境与生态用水。该枢纽挡水建筑物为土石坝，坝体防渗体材料采用粘土；泄洪建筑物为布置在右岸的水工隧洞；引水发电隧洞亦布置在右岸。枢纽主要工程参数：（一）发电及水库特征（1）、本电站装机容量_________万千瓦。（2）、水库校核洪水位：_________m；水库设计洪水位：_________m；水库正常蓄水位：_________m，设计死水位：_________m；正常蓄水位以下相应水库库容________m3。（3）、厂房型式为引水式发电厂房。（4）、坝底高程为_________m。（5）、多年平均最大风速_____m/s，库面吹程_____km，风向与坝轴线垂直。（6）、土石坝坝型为粘土_____堆石坝。（二）地震设计烈度为度。（三）河床处坝基相对不透水层埋深________m。（四）其他_____。黑河水利枢纽设计资料说明：黑河水利枢纽位于四川省阿坝藏族羌族自治州九寨沟县境内，是白水江河干流水电规划“一库七级”开发方案的龙头水库梯级电站。首部枢纽距九寨沟县县城约74km，厂区距九寨沟县县城约54km，若尔盖—九寨沟公路从工程区通过，对外交通方便。（一）水文（1）流域概况白水江系白龙江的一级支流，发源于岷山山脉东麓，分为黑河和白河两源，两源于黑河桥汇合后始称白水江，自西北向东南流，流经九寨沟县白河乡、安乐乡、城关、双河乡，自柴门关出四川境，流入甘肃省文县，于碧口汇入嘉陵江一级支流白龙江。白水江九寨沟县境内河道长约50km。该河段南部与平武县境内的火溪河为界；西南部与松潘县岷江源头分水；西北毗邻黄河的黑河流域；北接白龙江。-7- 《水工建筑物》课程设计任务书白河发源于岷山弓杠岭斗鸡台，由西南向东北流经九寨沟县的上四寨、塔藏乡后折向东南，右岸纳入九寨沟，于黑河桥与西北流入的黑河相汇。白河全长57km，流域面积1334km2，流域形状呈扇形，南北长约50km，东西宽约40km，河网水系呈树枝状分布。白河河道平均比降20‰。黑河上源称热摩柯，自南向北流，至大录汇入芝麻沟后折向东流，于玉瓦乡转向东南流，至黑河桥白河从右岸汇入。黑河全长139km，流域面积2613km2，流域形状略成矩形，平均比降13‰。白水江流域地貌属高山峡谷类型，地势西北高、东南低，分水岭山地海拔都在4000m以上，其中以松（潘）南（坪）交界的朵尔纳最高，海拔高程为4764m。黑河流域地处青藏高原东南缘的岷山山脉东部，地理位置界于东经103°30′至104°20′与北纬32°50′至33°40′之间，流域边缘雪峰环绕流域内山势盘错，地势高亢，坡陡谷深。河道坡降大，水流湍急，河谷多呈V型，切割较深。域内广大山地坡面皆有森林覆盖，喀斯特地貌发育，分布有大量湖泊（海子），黑河大录神仙池有10余个湖泊。黑河流域支沟众多，河系呈羽毛状分布，较大支沟有芝麻沟、八朗沟、绕纳沟、羌活沟等。黑河电站是白水江（大录～青龙）水电规划“一库七级”中的龙头水库，混合式开发，坝、厂址均位于黑河上；电站坝址位于玉瓦乡根扎村上游，控制集水面积1311km2；厂址位于八朗沟沟口上游，控制集水面积1545km2。（2）气象白水江流域位于川西北高原的东北部，毗邻青藏高原，其气候具有川西高原气候的特点。气候具有干、雨季分明，夏短冬长，日照充足，气温较低，年较差小而日较差大等高原大陆性气候特征。气候分布的总趋势是降水随海拔的增高而增大，气温随海拔的增高而降低，高山多雨湿冷、河谷少雨干暖，光照丰富，降水量少，流域西北部、西南部冷而潮润，东南部河谷、半山地带暖而干燥。黑河坝、厂址无任何实测气象资料，距坝址直线距离约35km处的九寨沟景区内九寨沟管理局从2000年起设立有则查洼简易气象站（台高2400m）；距坝址直线距离约60km的九寨沟县城内设有九寨沟气象站（台高1406.8m）。由于两气象站距电站较远，其间有高山阻隔，且九寨沟气象站与电站坝址高程相差较大，因此在设计中供参考使用。查洼气象站资料表明，多年平均气温7.4℃，多年平均降水量663.5mm，多年平均相对湿度为69%，多年平均风速1.0m/s，历年最大风速12.3m/s；九寨沟县气象站资料统计，多年平均气温12.6℃，极端最高气温35.8℃，极端最低气温-10.3℃；多年平均相对湿度为65%；多年平均年蒸发量1393.0mm；多年平均年降水量567.3mm、降水日数140.1d，最大一日降水量51.3mm；多年平均风速2.1m/s，历年最大风速13m/s，相应风向N。多年平均积雪日数全年为4.4天，最大积雪深度为7cm；最大冻土深为10cm。（二）工程地质（1）水库区工程地质条件水库正常蓄水位为2372m时，回水至八屯河坝，库长约7km。正常蓄水位以下，香扎沟口的香扎寺庙、沟对面公路旁边的两座民居及一个林场宿舍、库区沿河两岸局部少量耕地，以及左岸若～九公路库区段将被淹没。库区内无重要矿产及文物分布。该水库属高山峡谷型水库，两岸无低于正常蓄水位的负地形；库尾八屯Ⅰ级阶地阶面高程为2374～2375m，高出正常蓄水位约3～4m，阶地组成物为含漂砂卵砾石层，毛管水作用微弱，蓄水后地下水位壅高有限，不致产生浸没危害，故水库不存在浸没问题。库区两岸山体雄厚，相对高差为1500～2000m-7- 《水工建筑物》课程设计任务书，附近无低于正常蓄水位的深切邻谷分布；库盆岩性以砂岩为主夹板岩、千枚岩，及少量灰岩，灰岩厚度较小，岩溶极其微弱，仅见少量溶隙、溶槽；岩体完整性较好，无区域性大断裂分布，因此，水库不存在向邻谷渗漏的问题。库区地层走向与河谷大角度相交，主要结构面以层面为主，其次是产状为N60°E/NW∠50～60°和N12°E/SE∠65～75°两组裂隙的切割与组合，局部库岸存在不利的小型块体，水库蓄水后，可能产生小规模的塌滑失稳，但对库岸边坡的整体稳定性不会构成影响。右岸岸坡下部堆积少量崩坡积、坡残积块碎石土，结构密实，植被发育，并且大部分处于正常蓄水位以下；左岸覆盖层分布相对较广，厚度也相对较大，主要为岸坡坡脚崩坡积块碎石土，结构松散，局部架空；各冲沟沟口附近堆积的少量洪积含漂（块）碎砾石土，结构密实，天然状态下，可形成高达10～15m的陡坎，大部分处于正常蓄水位以下。故水库蓄水后覆盖层岸坡段的边岸再造问题不突出。但左岸库尾烧古沟下游约1km和水库中段干沟下游约500m，坡体均为冰川冻融堆积含块碎石土（glQ3），厚度大，在库水长期消落冲刷、浪蚀作用下，可能产生塌岸，下阶段需对该库段作进一步研究。库区左岸冬沃沟、烧古沟、干沟均为浅切冲沟，沟床坡降平缓，沟口堆积的洪积含漂块碎砾石土，结构密实，在天然状态下可形成高达10～15m的陡坎；冲沟两岸多为基岩，仅坡脚及沟底有少量松散堆积物，且植被也比较发育，亦未发现新近泥石流的活动迹象，当属衰退期古老泥石流沟，预测工程寿命期不会有大规模泥石流发生。香扎沟位于库区中部右岸，距坝址约5km，是库内规模最大的冲沟，长约4km，汇水面积8km2，沟床平均纵坡降较大。调查表明，冲沟沟口仅为小规模洪积扇，未见大规模泥石流活动迹象；沟坡两岸以基岩为主，仅坡脚及沟底有少量崩坡积块碎石土分布；其右岸中部一带有类黄土，呈阶梯状分布，平均坡度20～30°，现为民居及耕地，坡体未见变形迹象，岸坡整体稳定，不会构成泥石流的物源。因此，香扎沟属清水沟，不具备发生大规模泥石流的地形地质条件，除携带一定量的固体径流物入库外，不会影响水库正常运行。黑河埃沟切割较浅，沟口狭窄，两岸以基岩为主，仅坡脚及沟底堆积少量崩坡积块碎石土，植被也非常发育，以灌木林为主，夹直径约20～30cm乔木。其右岸中上部黑河埃一带分布有少量灰黄～浅黄色类黄土，呈阶梯状分布，地形坡度20～30°，分布面积较小，平均厚度仅2m左右，坡体未见变形迹象，整体稳定，不致构成泥石流的物源条件，调查中，也未发现任何泥石流的迹象。因此，该沟不具备发生大规模泥石流的可能性。库内不存在区域性断裂，不具备水库诱发构造地震的地质条件。库区岩体总体透水性微弱，库水入渗条件差，水库蓄水对库盆岩体孔隙水压力改变的影响微弱，因此，因孔隙水压力改变而诱发地震的可能性不大；该水库最大壅水高105m，库容为5622万m3，蓄水后库盆上覆水荷载增加，有诱发水库地震的“荷载改变”条件，但据工程类比，预计诱发水库地震的可能性不大。（2）坝址工程地质条件坝址区位于黑河埃沟下游1.7km的河弯段，河道呈蛇形弯曲，右岸山脊单薄，河谷总体上与地层走向呈大角度相交，属横向谷。枯水期河水位高程2249m，河水面宽度10～20m，两岸地形完整，山体浑厚，无较大的冲沟发育，但地形坡度变化较大，右岸及左岸上部多呈陡崖，坡度约50～70°，右岸下部坡度一般为30～40°，河谷呈不对称“V”型谷。区内出露的基岩地层为二叠系下统黑河组下段第五层（P1h15）青灰色长石石英砂岩为主，夹少量板岩和千枚岩，厚度250～300m。下部（P1h15-1）为厚层块状长石石英砂岩，厚约150m；上部（P1h15-2）为中～薄层长石石英砂岩夹板岩和千枚岩，厚度约200m左右。河床覆盖层厚度33.55m，右岸大多基岩裸露，仅表部零星分布少量坡残碎石土层，厚度较小，一般-7- 《水工建筑物》课程设计任务书2～5m，而左岸及下游段覆盖层分布范围较广，厚度较大。坝址区在构造上位于陵江～大录背斜北东冀，为单斜构造，地层产状：N40～50°W/NE∠60～80°，产状较稳定。区内构造简单，除局部发育次级褶曲外，小断层、层间及层内错动带、构造破碎带不甚发育，岩体较完整，结构面以层面裂隙为主，其次有两组优势节理：①N50～70°E/SE∠70～75°；②N40～60°E/NW∠70～80°。区内山体浑厚，地形较完整，无冲沟分布，未见滑坡、变形体、泥石流等不良物理地质现象，局部段有崩塌危岩体分布，但规模不大。工程区水质类型为HCO3-Ca型水，PH=8.1～8.3，均对混凝土无腐蚀性。坝址区工程岩、土物理力学参数指标建议值见表1。表1坝区覆盖层物理力学参数建议值表分类名称天然密度允许承载力压缩模量渗透系数抗剪指标允许比降凝聚力摩擦角ρdF［R］ESkcφg/cm3kPaMPacm/sMPa度③崩坡积块碎石土层2.05250～30015～205.16×10-3025～270.1～0.12②含漂砂卵砾石层2.1250～35020～301.0×10-1027～290.07～0.1①含块碎砾石夹土层2.15400～50030～404.27×10-3023～250.15～0.2（三）筑坝材料距黑河电站挡水土石坝比较近的防渗土料料场共有9个可供选用，其力学性能参见表2和表3所示。表2黑河电站防渗土料室内力学性试验成果汇总表料场名称制样控制条件压缩试验(0.1～0.2MPa)渗透变形试验直剪试验(饱、固、快)干密度含水率压缩系数压缩模量临界坡降破坏坡降渗透系数破坏类型凝聚力摩擦角ρdωaVESikifk20-Cφg/cm3%MPa-1MPa--cm/s-kPa(°)香扎1.8514.30.14510.0502.26×10-7流土15.4618.01八屯-11.8813.30.1728.5111.23×10-7流土23.1616.0八屯-21.8016.60.12112.5791.04×10-6流土10.1621.48冬沃1.9412.80.1429.8521.82×10-7流土19.0116.43-7- 《水工建筑物》课程设计任务书班藏1.6417.60.1719.8524.77×10-7流土12.5917.91大巴山1.7115.50.13911.3645.52×10-6流土5.9019.48小巴山1.6916.70.11414.0846.29×10-6流土3.1621.37沙勿-11.9213.50.1847.7728.81×10-8流土22.3916.69沙勿-21.8514.00.11512.824.93×10-7流土17.8518.72表3黑河电站防渗土料击实试验成果表试验编号击实功能最大干密度最优含水率<5mm含量Ecρdmaxω0pkJ/m3g/cm3％％香扎6041.8514.3100八屯-16041.8813.3100八屯-26041.8016.6100冬沃6041.9412.8100班藏6041.6417.6100大巴山6041.7115.5100小巴山6041.6916.7100沙勿-16041.9213.5100沙勿-26041.8514.0100渗流计算参数参见表4。表4平面渗流计算参数表材料渗透系数允许水力坡降名称K（X）K（Y）[J]上、下游坝壳堆石体1×10-11×10-1　过渡层1×10-23×10-2　上游反滤层8×10-38×10-3　下游反滤层5×10-35×10-3　混凝土防渗墙1×10-71×10-7　防渗粘土5×10-75×10-78帷幕5×10-55×10-520含漂沙卵砾石层1×10-11×10-10.1～0.12　含漂沙卵砾石夹土层4.27×10-34.27×10-30.15～0.20　基岩(弱风化)5×10-75×10-7　基岩(微新)1×10-71×10-7　上、下游坝壳填筑砂石料采用3个分区设计。1分区为反滤区，抗剪参数C为0，φ为42.8°-7- 《水工建筑物》课程设计任务书，设计容重22.3kN/m3；2分区为过渡区，抗剪参数C为0，φ为41.6°，设计容重21.2kN/m3；3分区为坝壳堆石区，抗剪参数C为0，φ为40.5°，设计容重20.3kN/m3。3具体要求每个学生应根据自己的工程参数和基本工程资料在规定时间内，独立完成下列成果：（1）设计说明书一份。要求分章节次序，采用A4设计纸来书写。其中计算内容主要包括有关参数的确定、剖面设计的相关计算、利用相关软件进行的坝坡稳定计算、坝体浸润线计算等；说明内容主要包括基本资料说明、枢纽布置说明、剖面设计说明及细部构造说明（包括坝顶构造、护坡、坝体排水）等。（2）设计图纸。完成图纸主要包括：土石坝平面布置图，土石坝横剖图，细部构造图等。要求线条清晰匀称、比例适当、尺寸与符号注解齐全，符合工程制图的要求，必要时应有简明注释。4主要技术路线提示（1）、确定工程等级。（2）、在已知正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位及地震设计烈度的前提下，确定坝顶高程和防浪墙顶高程。（3）、参照已建类似工程、规范及相关参考资料初步拟定上、下游坝坡坡率。（4）、坝体横剖面各分区（包括坝体排水设备）的设计。（5）、河床典型横剖面的浸润线计算（只考虑正常蓄水位时相应的稳定渗流期工况）。（6）、根据坝体各分区填筑料相关参数，利用相关软件进行坝体的稳定验算。若不满足稳定要求，应修正剖面尺寸重新验算，直至满足稳定要求为止。（7）、防浪墙的尺寸拟定。（8）、细部构造设计参照碾压式土石坝设计规范SL274-2002、水工建筑物教材及其他相关参考资料完成：1）护坡及马道设计；2）坝顶路面构造设计。5进度安排（1）、第一天：布置设计任务，阅读任务书和参考资料。（2）、第二天至第五天：完成结构布置和全部计算。（3）、第六天至第七天：完成设计说明书的手写或计算机录入。（4）、第八天至第九天：完成设计图纸的绘图工作。（5）、第十天：上交全部设计成果并答辩。6完成后应上交的材料（1）、水工建筑物课程设计任务书；（2）、课程设计说明书；（3）、设计图纸。7推荐参考资料（1）河海大学左东启主编.水工建筑物.南京：河海大学出版社，1995（2）天津大学林继镛主编.水工建筑物.第五版.北京:中国水利水电出版社，2009（3）黄河水利委员会勘测规划设计研究院.碾压式土石坝设计规范SL274-2002.北京：中国水利水电出版社，2002（4）华东水利学院.水工设计手册.第四卷（土石坝）.北京：水利电力出版社，1984（5）电力工业部中南勘测设计研究院主编.水工建筑物荷载设计规范DL5077-1997.-7- 《水工建筑物》课程设计任务书北京：中国电力出版社，1998（6）中华人民共和国水利部.水利水电工程等级划分及洪水标准SL252-2000.北京:中国水利水电出版社，2000指导教师签名日期年月日系主任审核日期年月日-7-'