土石坝毕业设计

前言根据教学大纲要求，学生在毕业前必须完成毕业设计。毕业设计是大学学习的重要环节，对培养工程技术人员独立承担专业工程技术任务重要。通过毕业设计可以进一步培养和训练我们分析和解工程实际问题及科学研究的能力。通过毕业设计，我们能够系统巩固并综合运用基本理论和专业知识，熟悉和掌握有关的资料、规范、手册及图表，培养我们综合运用上述知识独立分析和解决工程设计问题的能力，培养我们对土石坝设计计算的基本技能，同时了解国内外该行业的发展水平。这次我的设计任务是E江水利枢纽工程设计（土石坝），本设计采用斜心墙坝。该斜心墙土石坝设计大致分为洪水调节计算、坝型选择与枢纽布置、大坝设计、泄水建筑物的选择与设计等部分。1工程提要E江水利枢纽系防洪、发电、灌溉、渔业等综合利用的水利工程，该水利枢纽工程由土石坝、泄洪隧洞、冲沙放空洞、引水隧洞、发电站等建筑物组成。该工程建成以后，可减轻洪水对下游城镇、厂矿和农村的威胁，根据下游防洪要求，设计洪水时最大下泄流量限制为900，本次经调洪计算100年SM/3一遇设计洪水时，下泄洪峰流量为6726。原100年一遇设计洪峰流量为/31680，水库消减洪峰流量10074；其发电站装机为38000KW，共SM/3S24104KW；建成水库增加保灌面积10万亩，正常蓄水位时，水库面积为1770KM2，为发展养殖创造了有利条件。综上该工程建成后发挥效益显著。11工程等别及建筑物级别根据SDJ121978水利水电枢纽工程等级划分设计标准（山区，丘陵区部分）之规定，水利水电枢纽工程根据其工程规模效益及在国民经济中的重要性划分为五类，综合考虑水库的总库容、防洪库容、灌溉面积、电站的装机容量等，工程规模由库容决定，由于该工程正常蓄水位为28214M，库容约为385亿M3，估计校核情况下的库容不会超过10亿M3，故根据标准（SDJ121978），该工程等别为二等，工程规模属于大（2）型，主要建筑物为2级，次要建筑物为3级，临时性建筑物级别为4级。12洪水调节计算该工程主要建筑物级别为2级，根据防洪标准（GB5020194）规定2级建筑物土坝堆石坝的防洪标准采用100年一遇设计，2000年一遇校核，水电站厂房防洪标准采用50年一遇设计，500年一遇校核。临时性建筑物防洪标准采用20年一遇标准。根据资料统计分析得100年一遇设计洪峰流量为（P1），设Q,/16803SM2000年一遇校核洪峰流量为2320M3/S，（）。校Q05P根据选定的方案调洪演算的设计洪水位282260M，校核洪水位282358M，设计泄洪流量6726M3/S,校核泄洪流量7537M3/S。13坝型选择与枢纽布置通过各种不同的坝型进行定性的分析比较，综合考虑地形条件、地质条件、建筑材料、施工条件、综合效益等因素，最终选择土石坝的方案。根据工程功能以及满足正常运行管理要求，该枢纽由土石坝、泄洪隧洞、冲沙放空洞、水电站（包括引水隧洞、调压井、压力管道、电站厂房、开关站）等建筑物组成。本次根据工程经济性、正常运行安全稳定性以及地形地质条件等各方面因素要求，并且将冲沙放空洞和泄洪隧洞与施工导流隧洞相结合对枢纽建筑物进行了布置。枢纽平面布置见图52。14大坝设计根据方案比较分析，斜心墙坝综合了心墙坝与斜墙坝的优缺点，斜心墙有足够的斜度，能减弱坝壳对心墙的拱效应作用；斜心墙坝对下游支承棱体的沉陷不如斜墙那样敏感，斜心墙坝的应力状态较好，本次设计大坝坝型采用粘土斜心墙坝。根据计算大坝坝顶高程由校核情况控制为282517M，取28252M。最大坝高为752M，大于70M，属高坝，故综合各方面因素可取该土石坝坝顶宽度为10M。根据规范规定与实际结合，上游坝坡上部取25，下部取30，下游自上而下均取250，下游在2800M、2775M高程处各变坡一次。在坝坡改变处，尤其在下游坡，通常设置152宽的马道（戗道）以使汇集坝面的雨水，防止冲刷坝坡，并同时兼作交通、观测、检修之用，综合上述等各方面因素其宽度取为20。本次设计，大坝坝脚排水体采用棱体排水措施，按规范棱体顶面高程高出下游最高水位1M为原则，校核洪水时下游水位可由坝址流量水位曲线查得为275522M，最后取棱体顶面高程为27563M，堆石棱体内坡取115，外坡取120，顶宽20M，下游水位以上用贴坡排水。大坝坝体防渗采用粘土斜心墙，坝基采用混凝土防渗墙。15泄水建筑物设计坝址地带河谷较窄，山坡陡峻，山脊高，经过比较枢纽布置于河弯地段。由于两岸山坡陡峻，无天然垭口如采取明挖溢洪道的泄洪方案，开挖量大，造价较高，故采用了隧洞泄洪方案。隧洞布置于岸（右岸），采取“龙抬头”无压泄洪的型式与施工导流洞结合。为满足水库放空水位27700M的要求，还与导流洞结合设置了放空洞。根据调洪演算和计算比选确定溢流孔口尺寸7M155M洞身尺寸为7M110M，根据以往经验溢流孔口后以11坡度连接，反弧段以600M半径圆弧相连接，见图71隧洞纵坡面布置。16施工组织设计本工程拟定2008年开工，从截流开始到大坝填筑完毕计4年，在现有施工能力及保证质量的前提下，尽可能缩短工期，提早发挥效益。1截流和拦洪日期针对该河流的水文特性，11月开始流量明显下降，此时水深只有10M左右，因此，设计截流日期定为2008年11月1日15日。实际施工中，根据当时的水文、气象条件及实际水情进行调整。2009年5月洪水期开始，围堰开始拦洪，围堰上升速度应以抢修到拦洪水位以上为原则。2封孔及发电日期，鉴于流量资料不足。为安全起见在大坝上升至泄洪隧洞进口高程以后进行封孔。斜心墙坝填筑要求粘土与砂砾同时上升。施工进度由粘土上升速度控制。按4M/月的速度上升，至泄洪洞高程2810M需15月，即到2010年7月。因此定在2010年8月1日进行封孔蓄水。水库蓄水过程一般按8090的保证率的流量过程线来预测，初始发电水位为70工作水深，即28085M。根据计算从8月1日封孔蓄水，到9月底即可蓄到初始发电水位。因此第一台机组发电日期定为2010年10月1日。实际发电日期根据当时水文、气象条件及水情进行调整。3大坝竣工日期。按4M/月的速度上升，在2010年底实现大坝填筑完成。2基本资料21水文211流域概况E江位于我国西南地区，流向自东向西北，全长约122KM，流域面积2558KM2，在坝址以上流域面积为780KM2。本流域大部分为山岭地带，山脉、盆地相互交错于其间，地形变化剧烈，流域内支流很多，但多为小的山区河流，地表大部分为松软沙岩、页岩、玄武岩及石灰岩的风化层，汛期河流含沙量较大，冲积层较厚，两岸有崩塌现象。本流域内因山脉连绵，交通不便，故居民较少，全区农田面积仅占总面积的20，林木面积约占全区的30，其种类有松、杉等。其余为荒山及草皮覆盖。212气象降雨（1）气象本区域气候特征是冬干夏湿，每年11月至次年四月特别干燥，其相对湿度在5173之间，夏季因降雨日数较多，相对湿度随之增大，一般变化范围为6786。该地区一般14月风力较大，实测最大风速为15M/S，风向为西北偏西，水库吹程为12KM。年平均气温约为128，最高气温为305，发生在7月份，最低气温53，发生在1月份，见表211、212。表211月平均气温统计表（）月份123456月平均气温4883112148163180月份789101112气温1881831601248659128表212平均温度日数（天）月温度（）123456789101112061203000000003103025268307303130313130313027930000000000000（2）降雨该地区最大年降水量可达1213MM，最小为617MM，多年平均降水量为905MM。表213多年平均各月降雨日数统计表月降雨量1234567891011125MM2622434270861158596954843510MM0302021420242727262408011030MM010107052346493822130601213径流E江径流的主要来源于降水，在此山区流域内无湖泊调节径流。根据短期水文气象资料研究，一般是每年五月底至六月初河水开始上涨，汛期开始，至十月以后洪水下降，则枯水期开始，直至次年五月。E江洪水形状陡涨猛落，峰高而瘦，具有山区河流的特性，实测最大流量为700秒，而最小流量为05。多年平均流量17。经频率分析，SM/3SM/3SM/3求得不同频率的洪峰流量见表214、215。表214多年统计不同频率洪峰流量频率（）00512510流量（S/3）23201680142011801040表215各月不同频率洪峰流量（单位）SM/3月份P123456789101112146191219600124015501210670390283723617111553011201360109060031023335231491142085011008304802501628101911793707609807204102101523固体径流E江为山区性河流，含沙量大小均随降水强度及降水量的大小而变化，平均含沙量达05KG/M3。枯水期极小，河水清澈见底，初步估算30年后坝前淤积高程为2765M。22工程地质221水库地质库区内出露的地层有石灰岩、玄武岩、火山角砾岩与凝灰岩等。经地质勘探认为库区渗漏问题不大，但水库蓄水后，两岸的坡积与残积等物质的坍岸是不可避免的，经过勘测，估计可能塌方量约为300万M3，在考虑水库淤积问题时可作为参考。222坝址地质坝址位于E江中游地段的峡谷地带，河床比较平缓，坡降不太大，两岸高山耸立，构成高山深谷的地貌特征。坝址区地层以玄武岩为主，间有少量火山角砾岩和凝灰岩穿构，对其岩性分述如下（1）玄武岩一般为深灰色、灰色、有含泥量气孔，为绿泥石、石英等充填，成为杏仁状构造，并间或有方解石石脉，石英脉等穿其中，这些小脉都是后来沿裂隙充填进来的。坚硬玄武岩应为不透水层，但因节理裂缝较发育，透水性也会随之增加，其矿物成份为普通辉石、检长石、副成分为绿泥石、石英、方解石等。由于玄武岩成分不甚一致，风化程度不同，力学性质亦异，可分为坚硬玄武岩、多孔玄武岩，破碎玄武岩、软弱玄武岩、半风化玄武岩和全风化玄武岩。其物理力学性质见表221、222。表221坝基岩石物理力学性质试验表岩石名称比重容重（KN/M3）采用抗压强度（MPA）半风化玄武岩30129650破碎玄武岩2952925060火山角砾岩29028735120软弱玄武岩2852701020坚硬玄武岩296292100160多气孔玄武岩28527870180表222全风化玄武岩物理力学性质试验表压缩系数浸水固结块剪力天然含水率W干容重KN/3M比重液限WL塑限WP塑性指数IP005CM3/KN34CM3/KN内摩擦角凝聚力KPA25163297473322616900597001512838240渗透性经试验得出发值为414736M/D。（2）火山角砾岩角砾为玄武岩，棱角往往不明显，直径为215CM，胶结物仍为玄武岩质，胶结紧密者抗压强度与坚硬玄武岩无异，其胶结程度较差者极限抗压强度低至350MPA。（3）凝灰岩成土状或页片状，岩性软弱，与砂质粘土近似，风化后成为粘土碎屑的混合物，遇水崩解，透水性很小。（4）河床冲积层主要为卵砾石类土，砂质粘土与砂层均甚少，且多呈透镜体状，并有大漂石渗杂其中，卵砾石成分以玄武岩为主，石灰岩和砂岩占极少数，沿河谷内分布。坝基部分冲积层厚度最大为32M，一般为20米左右。靠岸边最少为几米。颗粒组成以卵砾石为主，砂粒和细小颗粒为数很少。卵石最小直径一般为10100MM；砾石直径一般为210MM；砂粒直径00502MM；细小颗粒小于01MM。冲积层的渗透性能经抽水试验后得渗透系数K值为3102CM/S10102CM/S。冲积层剪力实验成果见表223。表223冲积层剪力试验成果表三轴剪力（块剪）应变控制浸水固结快剪土壤名称项目计算值容重（控制）KN/M3含水量（控制）内摩擦角凝聚力KPA内摩擦角凝聚力KPA次数17128822最大值24386647153703254105最小值222427353012017550平均值23086474034182252553含中量细粒的砾石小值平均值37320148备注三轴剪力土样控制系筛去大于4颗粒后制备的。试验时土样的容重为控制容重。应变控制土样的容重系筛去大于01后制备的。以上两种试验的土样系扰动的。（5）坡积层在水库区及坝址区山麓地带均可见到，为经短距离搬运沉积后，形成粘土与碎石的混合物质。223地质构造坝址附近无大的断层，但两岸露出的岩石、节理特别发育，可以分为两组，一组走向与岩层走向几乎一致，即北东方向，倾向西北；另一组的走向与岩层倾向大致相同，倾角一般都较大，近于垂直，裂隙清晰，且为钙质泥质物所充填，节理间距密者05M即有一条，疏者35M即有一条，所以沿岸常见有岩块崩落的现象。上述节理主要在砂岩、泥灰岩与玄武岩之类的岩石内产生。224水文地质条件本区地形高差大，表流占去大半，缺乏强烈透水层，故地下水不甚丰富，对工程比较有利。根据压水试验资料，玄武岩中透水性不同，裂隙少且坚硬完整的玄武岩为不透水层，其压水试验的单位吸水量小于001L/（MINM）。夹于玄武岩中的凝灰岩，以及裂隙甚少的火山角砾岩都为良好的不透水性岩层，正因为这些隔水的与透水的玄武岩存在逐使玄武岩区产生许多互不连贯的地下水，一般砂岩也是细粒至微粒结构，除因构造节理裂隙较发育，上部裂隙水较多外，深处岩层因隔水层的层次多，难于形成泉水，石灰岩地区外围岩石多为不透水层，渗透问题也不存在。225地震烈度本地区地震烈度定为7度，基岩与砼之间磨擦系数取065。23建筑材料231料场的位置和储量各料场的位置与储量见坝区地形图。由于河谷内地形平坦，采运尚方便。沙砾料料场位于坝址上下游各有四处，总量达1850万M3。粘性土料料场于上游有三处，下游两处，总量190万M3。料场距坝址2KM左右。各砂砾石料场渗透系数K值为20102CM/S。最大孔隙率044，最小孔隙率027。石料坚硬玄武岩可作为堆石坝石料，储量较丰富，总储量450万M3，在坝址附近有石料场一处，覆盖层浅，开采条件较好。232各建筑材料的物理力学性质粘土的物理力学性质见表231，砂石料的颗粒级配及物理力学性质见表232233，各料场的天然休止角见表234。表231粘土的物理力学性质物理性质力学性质化学性稠度颗粒级配，（成分，粒径D）击实剪力自然容重砂湿干砾粗中细粉粘土料场名称自然含水量（）（KN/M3）比重孔隙率（）孔隙比流限（）塑限（）塑性指数饱和度2MM205MM05005MM0050005MM75隧洞的细部构造751洞身衬砌（1）衬砌型式本工程无压泄洪隧洞流量大、流速高，采用城门洞形断面，整体式单层混凝土衬砌。（2）衬砌厚度根据工程经验，取1/12洞径，最后取09M。752衬砌分缝、止水为适应施工能力、防止混凝土干缩和温度应力而产生的裂缝，沿洞轴线方向设置永久性横向伸缩缝，分缝间距为100M，缝间设止水，详见细部构造图。隧洞通过断层破碎带部位，衬砌厚度加大一倍；为防止不均匀沉陷而开裂，衬砌突变处设横向沉降缝，见细部构造图。753灌浆洞顶部进行回填灌浆，充填围岩与衬砌的空隙，使之紧密结合，共同工作，改善传力条件和减少渗漏对围岩进行固结灌浆，提高其整体性，保证围岩的弹性抗力，减少渗漏回填灌浆与固结灌浆孔间隔布置，详见细部构造图。754排水从地质剖面上看地下水位较高，为降低外水压力设置径向排水孔，孔径15CM，孔距400CM，孔深400M，并在底部设置纵向排水管，管径为20CM。755掺气槽在反弧段前沿及其后设置掺气槽，向水流边界通气，提高低压区的压力，缓冲气泡溃灭时的破坏作用，具体尺寸见图。756锚筋加固泄洪隧洞进口、岩体破碎带、反弧段岩体（四面临空比较薄弱），以锚筋加固，详见隧洞细部构造图。76放空洞设计水库放空要求降至27700M高程，由于泄洪洞进口高程较高（28100M）因而需另设放空洞。放空洞中后部与泄洪洞结合，见平面布置图。沥青油毛毡2CM止水片A放大图（单位）伸缩沉降缝详图A详图伸缩缝沉降缝遂洞排水纵向排水固结灌浆回填灌浆灌浆布置掺气槽详图保护范围50锚筋图71泄洪隧洞细部构造图8施工组织设计81施工导流计划811导流方案的选择土坝建于深厚的覆盖层上，不宜修建纵向围堰；且河床宽度不大，若分期修建土坝，容易形成接头薄弱面，加之坝体方量较大，保证其持续均衡生产十分重要，因而采用全断面围堰拦洪方案。坝址附近山坡陡峻，不宜采用明渠道导流，涵管的泄流能力又有限坝址右岸利于布置隧洞，山岩大部分为坚硬玄武岩，故而采用隧洞导流方案。鉴于河床冲积层较深，基础处理工程艰巨、时间长，为降低临时工程的投资和加快施工进度，将上游围堰与坝体结合，施工导流隧洞与泄洪洞结合。812施工分期本工程划定工期为4年左右，采用隧洞导流方案。土坝施工分四期进行，见图81。28围堰坝体粘土砂砾351205260拦洪2780907506大坝施工分期图图81工程分期施工示意图（1）截流前,完成导流隧洞工程,并做好截流准备工作。（2）从截流开始，在围堰的保护下进行大坝基础工程，包括排水、清基、防渗墙施工汛期来到之前将围堰抢到拦洪水位以上，有余力则进行一部分坝体填筑。（3）拦洪后填筑大坝到开始封孔畜水。（4）封孔以后大坝继续升高至设计高程。813导流工程规划布置隧洞及围堰型式和尺寸选择，是个技术经济问题。本应该拟定多种方案进行比较。选择导流隧洞及围堰造价最小的隧洞尺寸及围堰高程。这里只作一个方案。由于设计时将施工导流隧洞与永久泄洪洞结合。将两者的断面尺寸设计成相等是比较有益的。如果按这个尺寸进行调洪计算,得出上游水位拦洪水位太高以至超过上游围堰的填筑能力则应加大隧洞的断面尺寸。1隧洞断面型式尺寸及布置泄洪洞断面为城门洞型。宽7M，高11M，隧洞底坡I0006。进口高程27536M。为使流态较好，进口布置成直线，设置喇叭口，并与明渠相连。2调洪演算上游拦洪围堰为坝体的一部分，因此采用施工期拦洪渡汛标准。拦洪时所形成库容在1亿01亿M3之间。设计洪水重现期为10050年。本设计将设计洪水频率定为1。1680/S下游围堰按临时性建筑选用洪水标准，按规1Q范采用5洪水，1180/S。对1、5洪水按洪峰量控制进行放大，得出53相应的洪水过程线，进行调洪计算。得到1洪水时拦洪水位27782，下泄量1030M3/S（虽大于900M3/的安全泄量，但施工期间，工程未发挥效益，可认为是容许的）。5洪水时拦水位27724M，下泄流量8950M3/S。3围堰主要型式、尺寸及布置本工程采用围堰拦洪，为全年挡水围堰。鉴于当地砂砾料丰富，上游围堰作为坝体的一部分，因而上下游围堰均采用粘土斜墙围堰。经过调洪计算，对于1洪水，隧洞下泄一部分流量后上游水位雍高为27782M,加一定的安全超高后，得上游围堰高程为278000M（安全超高取18MM），考虑到坝体的沉70陷取较大的超高；下游围堰采用5洪水标准，经过调洪计算下泄流量为895/S，相应下游水位27555M，加07M超高后取27565M。3M考虑施工要求围堰的顶宽，取为8M考虑边坡稳定要求，特别是上游围堰作为坝体的一部分，围堰的上下游边坡要求更高。防渗铺盖的尺寸经过渗流计算而定，具体见图84。上游围堰作为坝体的一部分把基坑全部围起来。下游围堰不作为坝体，布置在离坝不远而河床又比较狭窄的地方，还考虑离开导流洞出口一定的安全距离。27501350A上游围堰剖面图（2）粘土铺盖围堰坝体20530粘土750B下游围堰剖面图（1）围堰断面型式尺寸（单位M）10图84围堰设计简图82施工控制性进度821大坝施工控制性进度本工程拟定2008年开工，从截流开始到大坝填筑完毕计4年，在现有施工能力及保证质量的前提下，尽可能缩短工期，提早发挥效益。1截流和拦洪日期针对该河流的水文特性，11月开始流量明显下降，此时水深只有10M左右，因此，设计截流日期定为2008年11月1日15日。实际施工中，根据当时的水文、气象条件及实际水情进行调整。2009年5月洪水期开始，围堰开始拦洪，围堰上升速度应以抢修到拦洪水位以上为原则。2封孔及发电日期，鉴于流量资料不足。为安全起见在大坝上升至泄洪隧洞进口高程以后进行封孔。斜心墙坝填筑要求粘土与砂砾同时上升。施工进度由粘土上升速度控制。按4M/月的速度上升，至泄洪洞高程2810M需15月，即到2010年7月。因此定在2010年8月1日进行封孔蓄水。水库蓄水过程一般按8090的保证率的流量过程线来预测，初始发电水位为70工作水深，即28085M。根据计算从8月1日封孔蓄水，到9月底即可蓄到初始发电水位。因此第一台机组发电日期定为2010年10月1日。实际发电日期根据当时水文、气象条件及水情进行调整。3大坝竣工日期。按4M/月的速度上升，在2010年底实现大坝填筑完成。大坝控制进度图即大坝上升图见图83