水工建筑物土石坝设计方案

'?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：2021年7月1日水利与环境学院 摘要适当修建大坝可以实现一个流域地区发电、防洪、灌溉的综合效益。通过对地形地质、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；通过分析，对可能的方案进行比拟，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，通过比拟，确定坝的根本剖面与轮廓尺寸，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，可以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；可为开展养殖创造有利条件。 目录第1章根本资料11.1工程概况11.2水文与水利规划11．气象12．水利计算11.3地形地质条件11.库区工程地质条件22.坝址区工程地质条件31.4建筑材料及筑坝材料技术指标的选定43．当地建筑材料62枢纽布置82.1坝轴线选择82.2工程等级及建筑物级别92.3枢纽布置102.3.1导流泄洪洞112.3.2溢洪道112.3.3灌溉发电洞及枢纽电站113.1坝型确定12第3章坝工设计143.1土石坝断面设计14 3.1.1坝顶高程143.1.2坝顶宽度163.1.3上下游边坡163.1.4坝底宽度173.2防渗体设计173.2.1.坝体的防渗173.2.2防渗体的土料要求18第4章坝体渗流计算194.1设计说明194.1.1土石坝渗流分析的任务194.1.2渗流分析的工况194.1.3渗流分析的方法194.2渗流计算204.2.1根本假定204.2.2计算公式204.2.3三种工况计算214.2.4渗流校核234.2.5浸润线计算24理正软件校核27第5章土石坝坝坡稳定分析及计算305.1坝体荷载305.1.1渗流力305.1.2孔隙压力30 5.1.3地震力305.2稳定分析方法305.3计算工况315.4稳定计算315.4.1瑞典圆弧滑动法315.4.2理正软件计算33第6章细部构造366.1坝顶构造366.2护坡366.3反滤层376.4排水体406.5马道42 第1章根本资料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，远期可开展到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那么及设计洪水确实定。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 1:2000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，大局部在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2ZF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/s2000.00其中溢洪道815相应下游水位m700.552校核洪水时最大泄流量m3/s6830.00其中溢洪道5600相应下游水位m705.603水库水位校核洪水位(P=0.01%)m770.40设计洪水位(P=1%)m768.10兴利水位m767.20汛限水位m760.70死水位m737.004水库容积总库容108m35.05校核洪水位设计洪水位库容108m34.63防洪库容108m31.36兴利库容108m33.51其中共用库容108m31.10死库容108m31.055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300m长的低平山梁(薄弱分水岭)，左岸为侵蚀堆积岸，岸坡较缓，有大片土层覆盖。右岸薄弱分水岭是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。本区地震根本烈度为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=5.46~30l/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。左岸薄弱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沟薄弱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局部，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-2)饱和固结快剪(25组)算术平均23.272.80算术小值平均20.961.93快剪(82组)算术平均21.542.93算术小值平均21.302.93快剪(18组)算术平均21.302.93算术小值平均21.001.94算术平均22.685.83算术小值平均20.033.56算术平均22.505.83算术小值平均23.803.56快剪(8组)算术平均28.804.51算术小值平均25.752.93算术平均29.004.51算术小值平均28.702.93三轴不排水剪(10组)算术平均20.002.88算术小值平均25.201.30三轴不排水剪(6组)算术平均13.302.80算术小值平均25.200.80三轴饱和固结不排水剪(6组)算术平均18.204.20算术小值平均22.303.50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(%)83.774.257.746.238.634.632.829.724.74.9(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他工程的经验，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1:2000地形图初步计算四个土场的总储量为2248.6×104m3，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(水上局部)，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，其他用砂需外运。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)27.527.0重度湿重度(kN/m3)16.518.018.018.016.0饱和重度(kN/m3)19.819.1干重度(kN/m3)10.411.010.510.2孔隙率n0.33内摩擦角施工期总应力1031403120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)1×10-61×10-21×10-21×10-5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)746~805720~760710~749722~778储量(104m3)913.6855.7119.9359.42248.6 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拟确定。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,通过技术经济比拟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,左岸有薄弱分水岭.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,右岸有有薄弱分水岭.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薄弱分水岭，灌溉发电洞那么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.比拟结果分析后，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、能源部公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。水工建筑物的平安级别，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〕供应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33.30～6.6713.33～4.010～3.33重要1200～300三1.0～0.1中等6.67～2.04.0～1.03.33～0.33中等300～50 四0.1～0.01一般2.0～0.331.0～0.20.33～0.03一般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一134二234三345四455五55表5水工建筑物级别表6水工建筑物的结构平安级别水工建筑物级别水工建筑物的结构平安级别1Ⅰ2、3Ⅱ4、5Ⅲ本工程水库库容为5.05×108m3，所以该工程为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，巩固系数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，溢洪道各局部的抗滑稳定条件是好的。下坝线溢洪道堰项高程750m。根底以下10m左右为砂质页岩及夹泥层，且薄弱分水岭岩层风化严重，透水性大，对建筑物平安不利。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,灌溉发电洞那么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，工程平安比拟可靠。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薄弱分水岭,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，工程平安比拟可靠。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。我国?碾压式土石坝设计标准?〔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拟，初选几种坝型，拟定断面轮廓，进一步比拟工程量、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，坝体其他部位那么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，综合比拟选定坝型。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，所以坝坡较缓，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，无需另外购置库区当地下游土石料丰富，有利于修建防渗墙的各种材料，无需另外购置库区当地下游土石料丰富，有利于修建防渗墙的各种材料，无需另外购置适用条件不仅适宜低坝，也适宜于髙坝不仅适宜低坝，也适宜于髙坝一般使用于中、低高度坝比拟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根本尺寸主要包括：坝顶高程、坝顶宽、上下游坡度、防渗结构、排水设备的形式及根本尺寸。根据设计标准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、坝面波浪爬高及平安超高确定，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平安超高。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—平安加高查碾压式土石坝设计标准有：式中：e——计算处的风壅水面高度，mD——风区长度，D=5.5Km K——综合摩阻系数3.6×10-6β——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平安加高： 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767.201.96769.16校核洪水位767.201.46770.16考虑沉降量为坝高的0.2%~0.4%，取为0.3%，那么沉降量为62.86×0.3%=0.19m那么坝顶防浪墙高程为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?碾压式土石坝设计标准〔SL274—2001〕?高坝选用10～15m，中低坝可选用5～10m，根据所给资料，初步拟定坝体断面，坝顶宽度为12m。3.1.3上下游边坡坝坡确实定应根据坝型、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，经技术经济比拟确定。 上下游边坡比见表坝高(m)上游下游〈101：2～1：2.51：1.5～1：210～201：2.25～1：2.751：2～1：2.520～301：2.5～1：31：2.25～1：2.75〉301：3.0～1：3.51：2.5～1：3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，那么防渗体顶面高程为768.1+0.5=768.6m；上游坡度均为1:3，下游坡度为1:2.5，那么底宽为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，保护层材料常用砂、砾石或碎石，其厚度不得小于当地冰冻和干裂厚度。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适宜土料。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，一般需考虑计算以下几种工况：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，选假设干、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根本 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，且精度一般可以满足工程要求。4.2渗流计算4.2.1根本假定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拟简单实用，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根底上的近似解法，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：通过心墙的渗流量为：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，1.5×10-7m/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。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=3.0m=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=3.0m=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=3.0m=2.5。联立方程可得h2==93.85m2联立方程可得h=9.67m,q=1.83×10-5三种工况单宽流量那么最大总渗流量为：那么一天的总渗流量为：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以下数字：10<η<20；=0.2；＞20，=0.1渗流逸出点的实际坡降为：Ｊ=：ΔH=h-H2=3.07m，ΔL可近似取为计算长度L=177.7m，那么：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，所以满足要求。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。根底采用防渗处理，视为根底不透水。〔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=48.7x/m060120180y/m6.985.754.181.552、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。根底采用防渗处理，视为根底不透水。〔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/m060120180y/m7.055.794.161.053、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。根底采用防渗处理，视为根底不透水。〔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=93.5x/m060120180y/m9.578.767.746.57 理正软件校核工程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b12.000(m)12.000(m)12.000(m)土堤顶部高度h71.660(m)71.660(m)71.660(m)上游坡坡率1:m13.03.03.0下游坡坡率1:m22.52.52.5堤身渗透系数k0.003(m/d)0.003(m/d)0.003(m/d)上游水位h168.200(m)69.100(m)71.400(m)下游水位h21.550(m)1.550(m)6.600(m)心墙顶部宽度3.000(m)3.000(m)3.000(m)心墙底部宽度37.800(m)37.800(m)37.800(m)心墙渗透系数0.003(m/d)0.003(m/d)0.003(m/d)透水地基深度5.000(m)5.000(m)5.000(m)透水地基渗透系数8.400(m/d)8.400(m/d)8.400(m/d)排水棱体高度8.000(m)8.000(m)8.000(m)排水棱体宽度2.000(m)2.000(m)2.000(m)L169.530(m)166.830(m)159.930(m)透水地基有效深度374.130(m)374.130(m)374.130(m)浸润线计算公式原点374.130(m)374.130(m)374.130(m)浸润线起点x坐标204.6(m)207.3(m)214.2(m)浸润线终点x坐标376.31(m)376.31(m)376.31(m)q"1.824*10-5〔m3/s〕1.972*10-5〔m3/s〕2.26*10-5〔m3/s〕 正常蓄水位出图设计洪水位出图校核洪水位出图结论： 〔1〕正常蓄水位下，简化得心墙后的浸润线方程：y2+0.26x=48.7当x=169.53m时，y=2.15m<8m，校核平安〔2〕设计洪水位下，简化得心墙后的浸润线方程：y2+0.27x=49.7当x=166.83m时，y=2.16m<8m，校核平安〔3〕校核洪水位下，简化得心墙后的浸润线方程：y2+0.28x=93.5当x=159.93m时，y=6.98m<8m，校核平安 第5章土石坝坝坡稳定分析及计算5.1坝体荷载坝体浸润线以上的局部按湿容重计，浸润线以下于坝体外水位之间的局部按饱和容重计，坝体水位以下局部按浮容重计。渗流力可由流网法求得，本设计不计渗流力。孔隙压力对于粘性坝坡，由于孔隙中的水或空气不易排出，当孔隙为水或气饷且受压时，上部传来的荷载将有孔隙水，气和土粒骨架共同承当，土粒骨架承当的应力万亩有效应力σ，孔隙水、气承当的应力称孔隙压力μ，二者之和为总应力σ，孔隙力是一种张力，各向相等，其数值与土料性质，填土含水量，受荷载与排水条件，运用工况有关，并随时间而变化，随荷载增加而变大，又随孔隙水的排出而流散，精确计算较复杂，目前多为近似计算，由于本设计坝壳材料多为砂砾料，属于无粘性土，故不计孔隙压力。地震力本工程所在地区根本烈度为6度，根据我国?水工建筑物抗震标准?(SDJ10-78)设计烈度在6度以下时，除对重要工程采取适当的抗震结构和工程措施外：可不作抗震设计。本水库为大(2)型二等工程，主要建筑物为二级那么可忽略地震力。5.2稳定分析方法对于无粘性土坝坡的上下游坝壳及斜墙连同上游保护层一起滑动时的稳定计算，宜采用直线法或折线法。 本设计为无粘性土坝壳材料，故采用折线法对土石坝进行稳定分析计算。5.3计算工况(1)上游水位大约在坝底以上1/3坝高处的上游坝坡；(2)水库水位降落期的上游坝坡；(3)上游水位为校核洪水位，下游为相应水位的下游坝坡。5.4稳定计算5.4.1瑞典圆弧滑动法采用圆弧滑动法有效应力法进行计算。滑弧稳定平安系数公式为：有效应力法：式中G—土条重量；—作用于土条底面的孔隙压力；—条块重力线与通过此条块底面中心点的半径之间的夹角；—土条宽度；、—土条底面的有效应力抗剪强度指标；计算结果可得施工期抗滑平安系数K最小为1.5>[K]=1.25 5.4.2理正软件计算理正软件计算所需参数表计算方式工程施工期稳定计算稳定渗流期稳定计算水位骤降期稳定计算采用标准：水利水电工程边坡设计标准SL386--2007计算工期施工期稳定渗流期水位降落期计算目标平安系数计算平安系数计算平安系数计算滑裂面形状圆弧滑动法圆弧滑动法圆弧滑动法不考虑地震圆弧稳定分析法瑞典条分法瑞典条分法瑞典条分法土条重切向分力与滑动方向反向时当下滑力对待当下滑力对待当下滑力对待稳定计算目标自动搜索最危险滑裂面自动搜索最危险滑裂面自动搜索最危险滑裂面条分法土条宽度10.000(m)10.000(m)10.000(m)搜索时圆心步长5.000(m)5.000(m)5.000(m)搜索时半径步长5.000(m)5.000(m)5.000(m)滑动圆心(55.080,166.455)(m)(83.620,140.915)(m)(77.124,145.685)(m)滑动半径189.010(m)186.335(m)179.126(m)滑动平安系数1.5003.2602.438 软件计算结果〔1〕施工期稳定计算最不利滑动面: 滑动圆心=(55.080,166.455)(m) 滑动半径=189.010(m) 滑动平安系数=1.500〔2〕稳定渗流期稳定计算最不利滑动面: 滑动圆心=(83.620,140.915)(m) 滑动半径=186.335(m) 滑动平安系数=3.260〔3〕水位骤降期稳定计算最不利滑动面: 滑动圆心=(77.124,145.685)(m) 滑动半径=179.162(m) 滑动平安系数=2.438 平安系数结果对照表 计算平安系数校核平安系数施工期稳定计算1.5001.25渗流稳定期稳定计算3.2601.25水位骤降期稳定计算2.4381.15本设计的平安系数大于校核平安系数，故本设计平安稳定。 第6章细部构造6.1坝顶构造坝顶设置黄泥灌浆碎石路面，坝顶向下游设1%横坡以便聚集雨水，并设置纵向排水沟，经坡面排水排至下游。坝顶设置拦杆以策平安。6.2护坡土石坝的上游面，为防止波浪淘刷、冰层和漂浮物的损害、顺坝水流的冲刷等对坝坡的危害，必须设置护坡。土石坝下游面，为防止雨水、大风、水下部位的风浪、冰层和水流作用、动物穴居、冻胀干裂等对坝坡的破坏，也需设置护坡。坝外表为土、砂、砂砾石等材料时应设专门的护坡。上下游护坡均采用碎石、堆石护坡。碎石护坡在最大浪压力作用下的计算直径:=1.018×1.4×9.8/(21.08-9.8)×(1+32)1/2/3×(3+2)×2.67=0.700m碎石块计算重量:=0.525×23.08×0.70003=4.156KN碎石护坡厚度=1.67×0.700/1.4=0.835m注:经计算对1.67的系数不作修改。 上游护坡用于堆石，因其抵御风浪的能力较强；下游坝面直接铺上20cm的碎石作为护坡。上游护坡做至坝顶，下做至死水位以下〔加设计浪高〕。坝顶设置拦杆以策平安。下游坡面上要设置外表排水系统，纵横向排水沟及坝坡与岸坡连接处的排水沟。此外，还应布置阶梯等通行道路。6.3反滤层既要求把坝体渗水排除坝外，又要求不产生土壤的渗透破坏，在渗流的出口或进入排水处。由于水力坡降往往很大，流速较高，土壤易发生管涌破坏，为了防止这种渗透破坏，在这些地方应设置反滤层。反滤层一般由1～3层级配均匀，耐风化的砂、砾、卵石或碎石构成，每层粒径随渗流方向而增大，水平反滤层的最小厚度可采用0.3m，垂直或倾斜反滤层的最小厚度可采用0.5m，〔反滤层应有足够的尺寸以适应可能发生的不均匀变形，同时防止与周围土层混掺〕。其作用是防止衬砌的护坡石陷入坝身体中，在上游坡防止冲刷并在库水位降落时把坝体的水排出去又不带走坝体土料。所采用反滤层位于被保护土的上部，渗流方向主要由下向上见图。 在坝壳与心墙、排水设备与坝壳之间设置反滤层。坝体心墙部位的反滤层第一层土料的设计：由：D15≤(4～5)d85得：反滤层的D15≤0.065～0.13㎜之间，取D50=0.1mm，厚度取为hc=20cm。同理第二层反滤层土料的设计以第一层反滤料土料为被保护对象：由：D15/d85≤〔5～10〕得：反滤层的D15≤0.5～1㎜之间；D15≥5d15得：反滤层的D15≥0.5㎜；于是选择反滤层第二层土料为：取D50=1.0㎜，厚度取为hc=30㎝。砂跞石土料级配图反滤层设计成果汇总表 层数类型第一层第二层D50(mm)厚度hc(㎝)D50(mm)厚度hc(㎝)非粘性土反滤层土料0.120130 6.4排水体排水设备是土石坝的一个重要组成局部。主要目的是：防止渗流溢出处的渗透变形；降低坝体浸润线及孔隙压力，改变渗流方向，增加坝体稳定；保护坝坡，防止冻胀破坏。坝体排水设备需保证充分地排水能力，能自由地向下游排出全部渗水，同时应按排水反滤原那么设计，保证坝体及地基土不发生渗透破坏。土石坝虽有防渗体，但仍有一定水量渗入坝体内。设置坝体排水设施，可以将渗入坝体内的水有方案的排出坝外，以到达降低坝体浸润线及孔隙水压力，防止渗透变形，增加坝坡的稳定性，防止冻胀破坏的目的。排水设施应具有充分的排水能力，不至被泥沙堵塞，以保证自由地向下游排出全部渗水；同时能有效地控制渗流，防止坝体和坝基发生渗流破坏。此外，还要便于观测和检修。常用的坝体排水型式有：(1)棱体排水。是一种可靠的，应用广泛的排水型式，可以降低浸润线，保护下游坡角不受尾水淘刷，且有支撑坝体增加稳定的作用是效果较好的一种排水型式，但石料用量大，费用高，与坝体施工有干扰，检修有干扰。(2)贴坡排水。紧贴下游把破的外表设置，它由1～2层堆石或砌石筑成，在石块与坝坡之间设置反滤层。贴坡排水构造简单，用料省，施工方便，易于检修，但不能降低浸润线，且易因冰冻而失效，多用于浸润线很低和下游无水的情况，当下游有水时还应满足波浪爬高的要求。(3)褥垫排水。它是伸展到坝体内的一种排水设施，在坝基面上平铺一层厚约0.4～0.5m的块石，并用反滤层包裹。褥垫伸入坝体内的长度应根据渗流计算确定，对粘性土均质坝不大于坝底宽的1/2，对砂性土均质坝不大于坝底宽的1/3。褥垫排水可有效降低浸润线，但对地基不均匀沉陷适应性差。 设计中应根据当地气候、土料、心墙型式等选择排水型式，也可以将几种不同的排水型式组合在一起，形成综合式排水。贴坡排水不能降低浸润线,所以不采用:褥垫排水对地基不均匀沉降适应性差所以也不采用:虽然棱体排水用料大,费用高,但此处有丰富的土料矿石,而且棱体排水能降低浸润线和增加稳定,应选它。按标准棱体顶面高程高出下游最高水位1m为原那么，堆石棱体内坡取1:1.5，外坡取1:2.0，顶宽2.0m。取棱体排水体高8m。结论：排水设备选择为棱体排水，内坡坡率1:1.5，外坡坡率1:2.0，顶宽2.0m，高8m。反滤层布置 6.5马道为了拦截雨水，防止坝面被冲刷，同时便于交通、检测和观测，并且利于坝坡稳定，下游常沿高程每隔10～30m设置一条马道，其宽度不小于1.5m，马道一般设在坡度变化处。本坝752m、732m处设2.0m马道。'