（完整版）水工建筑物土石坝课程设计

1、 建筑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：2016年 7月 1日水利与环境学院 建筑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，通过比较，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，

2、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；可为发展养殖创造有利条件。 建筑目录第 1章基本资料 .1.1工程概况 .111.2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

3、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 建筑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基本假定 . 204.2.2计算公式 . 204.2.3三种工况计算 . 214.2.

4、4渗流校核 . 234.2.5浸润线计算 . 244.2.6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 建筑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 建筑第 1 章基本资料1.1工程概况24990km，库容ZF水库位于 QH河干流上，水库控制流域面

5、积8371.21045.0510 m。水库以灌溉发电为主，结合防洪，可引水灌溉农田43亩，远期可发展到 10410亩。灌区由一个引水流量为 45m /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 HZ8电站，总装机容量 31.45MW，年发电量 1.12910 kW 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 69月，多年年平均气温89，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/

6、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 建筑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。

7、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水库工程特征值序名称单数备注号位量1m32其中溢洪道 815设计洪水时最大泄/s/s000.00流量流量mm3700.556830.00相应下游水位23其中溢洪道 5600校核洪水时最大泄mm705.60相应下游水位水库水位770.40校核洪水位(P=0.01%)mmmm768.10767.20760.70737.00设计洪水位 (P=1%)兴利水位汛限水位死水位4水库容积总库容101010101010%5.054.631.3

8、63.511.101.0550.50校核洪水位8m38m38m38m38m38m3设计洪水位库容防洪库容兴利库容其中共用库容死库容5库容系数 建筑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，

9、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。3坝址区左岸有一大塌滑体，体积约 45104m，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 110-2cm/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 2147m深度范围2内，有一强透水带， W=5.4630 l

10、/s m，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 建筑2于中强透水性，平均 W=0.48l/s m，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”。120m，左左岸基岩有一条宽 200250m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左右。河床地段基岩透水性与中等透

11、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。80m1.4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33土。平均塑性指数 11.1，比重 27.5kN/m。最大干重度 16.7kN/m，最优含水量 20.5%，渗透系数 0.4410-5cm/s。具有中等压缩

12、性，强度特性见表 3。3(2)砂砾料。主要分布在河滩上，储量为 205104m，扣除漂石及围3堰淹没部分，可利用的砂砾料约 100151104m。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3成果分析如下：天然重度 18.7kN/m，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(D2mm)的相对紧密度为 0.895。 建筑(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土料的强度特性抗剪强度指标试验方法统计方法o)23.27C

13、(kN.cm -2)2.80饱和固结快剪 (25组)算术平均20.9621.5421.3021.3021.0022.6820.0322.5023.8028.8025.7529.0028.7020.0025.2013.3025.2018.2022.3035.7031.2031.1029.1031.0029.001.932.932.932.931.945.833.565.833.564.512.934.512.932.881.302.800.804.203.50算术小值平均算术平均快剪(82组)算术小值平均算术平均算术小值平均算术平均快剪(18组)算术小值平均算术平均算术小值平均算术平均快剪算术小

14、值平均算术平均(8组)算术小值平均算术平均三轴不排水剪(10组)三轴不排水剪(6组)算术小值平均算术平均算术小值平均算术平均三轴饱和固结不排水剪 (6组)算术小值平均算术平均野外自然坡度角(29组)算术小值平均算术平均室内剪切试验算术小值平均算术平均算术小值平均表 4砂砾料颗粒组成粒径(mm)含87532033.13.特一1010101200重要3033别重要1033.3013.3重要1200300二三重要1.06.67 34.03.331.0中等6.674.03.33中30050 建筑0.12.02.01.0 0.33等0.11.00.33一四一般50100.010.330.20.03般0.

15、30.03五0.010.2103表 5水工建筑物级别永久性建筑物级别工程等别主要建筑临时性建筑物级别次要建筑物物一二三四五12345334554455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12、34、53本工程水库库容为 5.05108m，所以该工程为等工程。主要建筑物大坝、溢洪道级别为 2级。2.3枢纽布置 建筑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4系数 F =4，单位弹性抗力系数 K =20MPa/cm，弹模 E=0.410 MPa，透水k0性较大。岩层

16、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 05m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

17、度约 56m，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. 建筑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规范（ SDJ218 84）规定：高

18、度在 30米以下的为低坝，高度在 3070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

19、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， 建筑坝壳由透水或半透水土石料组成。f.人工材料面板

20、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。类别土质防渗心墙对地形无特别要求对地质无特别要求土质防渗斜墙对地形无特别要求对地质无特别要求均质坝地形条件地质条件工程量对地形无特别要求对地质无特别要求一般来说，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。只需要按照卸料铺料碾压取样等工斜墙坝由于抗剪强度较低的防渗体位于上序流水作业 ,相对来游面，故上游坝坡较说,工程量较小 .缓，工程量大。建筑材料库区当地下游土石料丰富，有利于修

21、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比较结果不仅适宜低坝，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。 建筑第 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

22、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：2KW D cose2 gH m式中： e计算处的风壅水面高度， mD风区长度， D=5.5Km 建筑K综合摩

23、阻系数 3.610-6计算风向与坝轴线法线的夹角 15W计算风速 , m/s. W=（1.52）V=2 9=18m/sH坝前平均水深 768.1m；m2KWDcos44.12 10 me可忽略不计2gHm由于 D 10km，且 v=1020m/s，（查土坝设计 3-12）43132h 0.026vD2h 1. 144m上游坝坡较缓初步采用 1：3.0故 tan=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=3.2k2htan=3.20.81.1440.33=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=

24、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： 建筑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

25、算成果表计算工况设计洪水位校核洪水位水库水位 (m)767.20坝顶超高 Y(m)1.96坝顶高程 (m)769.16767.201.46770.16考虑沉降量为坝高的 0.2%0.4%，取为 0.3%，则沉降量为 62.860.3%=0.19m则坝顶防浪墙高程为 Y3.1.2坝顶宽度设计=771.86+0.19=772.05m。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 2001）高坝选用 1015 m，中低坝可选用 510 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

26、受以及施工和运用条件等因素，经技术经济比较确定。 建筑上下游边坡比见表坝高 (m)10上游下游1：21：2.51：1.51： 21：21：2.51：2.251： 2.751：2.51：310 20 1：2.251：2.7520 30 301：2.51：31： 3.01：3.5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

27、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。 建筑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。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 1001000倍，且其透水系数不宜大于 10 5cm，防渗体要有足s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1530%或塑性指数为1017的中壤土、重壤土粘粒含量为 3540%或塑性指数为 1720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