心墙土石坝设计及泄水建筑物水面线计算

- 1 - 摘 要 本设计是粘土心墙土石坝水利枢纽设计。 本设计根据碾压式土石坝设计规范和水工隧洞设计规范编写。在对 西南某江流域的自然地理，水文气候特性，工程地质等各方面情况分析的基础上， 通过调洪演算得到堰顶高程及溢流堰孔口净宽，并得到设计水位及其流量，校核 水位及其流量。 通过对坝址的地质地形料场位置的分析，定出坝轴线的位置。经过几种比较 方案的技术可能性和经济合理性定性分析，其坝型定为心墙土石坝。在此基础上 定性地对枢纽总体进行布置。 第一主要建筑物的设计工作主要有以下几个方面。通过方案比较，选定坝的 结构型式，拟定坝基防渗处理的形式及坝的主要尺寸。通过计算及土料各方面特 性的分析确定粘土料场及沙砾料场的选用。选用坝体中间断面和左右坝肩各一断 面进行渗流计算，确定渗透流量和逸出水深，并绘制流网图，验算渗透坡降是否 满足要求。土石坝易于发生滑动失稳，故要对其稳定性进行计算。使用简单折线 法通过编程计算在几种水位工况下上下游坝坡的最小安全系数，与规范比较验证 其稳定性。最后拟定坝身构造，包括防渗，排水反滤层设施，坝顶，护坡等。 本设计考虑其地理位置等因素确定采用隧洞泄洪。隧洞先确定结构型式及主 要尺寸（进口段，平洞段和消能段） ，进行建筑总体布置。通过隧洞水力计算 （主要为能量守恒的水面线计算）最终确定洞身尺寸及结构尺寸。最后对隧洞细 部及放空洞进行设计。 土石坝设计是坝工毕业设计的重要内容之一。本设计共历时 9 周完成。本坝 工设计过程中得到了王玲玲老师的指导和帮助，在此致谢。对于本设计中的不妥 及错误之处，恳请批评指正。 关键词：土石坝 心墙 隧洞 水面线 - 2 - Abstract The design is clay core embankment dam design Water Control Project. According to the design “of roller compacted earth dam design specifications“ and “Code for Design of hydraulic tunnel“ to prepare. In the southwest of the physical geography of a river, hydro-climatic characteristics, such as engineering geology analysis of all aspects on the basis of the calculus has been through the flood elevation and the top weir overflow weir orifice width, and the design water level and flow, school nuclear level and flow. Through geological terrain of the site location analysis yard, set the location of the dam axis. After comparing several technical and economic rationality of the possibility of qualitative analysis, the dam type for core wall of earth-rock dam. On this basis the overall characterization of the hub to set up their equipment. The first design of the main buildings in the following areas. Through the program compared to the structure of the selected type of dam, impervious foundation to deal with the development of the form and size of the main dam. By calculating and soil characteristics of all aspects of the analysis of clay and sand yard yard Selection. Selection of dam cross-section and about the middle of a cross-section of the abutment seepage calculation to determine the penetration depth of flow and escape, and the mapping of network maps, checking whether or not to meet the requirements of penetration gradient. Prone to sliding of earth-rock dam failure, the result will be to calculate its stability. Line method through the use of simple programming in the several conditions on the downstream water level of the minimum safety factor of slope, validation and standardization of its stability. Finalization of the dam body structure, including the anti-seepage, drainage facilities filter layer, the top of the dam, slope protection and so on. The design considerations and other factors to determine its location using the flood discharge tunnel. Tunnel to determine the structure and main dimensions (Import paragraph, Ping-dong, and energy dissipation), the overall layout of the construction. Hydraulic calculation through the tunnel (mainly for conservation of energy of the water line) to determine the final hole size and body size. Finally, empty tunnel release details and design. Earth-rock dam design is an important aspect of graduation, one of the design. During the design of a total of nine weeks to complete. The design process of the dam - 3 - has been Wang Lingling teachers guidance and help in this thanks. For the design inappropriate and wrong, the urge criticism. Key words: earthdam core wall tunnel water line - 4 - 目 录 摘 要 - 1 - ABSTRACT .- 2 - 第一章 前言 .- 8 - 1.1 毕业设计主要目的和作用.- 8 - 1.2 设计的对象和背景.- 8 - 1.3 设计过程和方法.- 8 - 1.3.1 了解任务书和熟悉、分析原始资料 - 8 - 1.3.2 洪水调节计算 - 8 - 1.3.3 主要建筑物形式选择和水利枢纽布置 - 8 - 1.3.4 第一主要建筑物拦河坝设计 - 8 - 1.3.5 第二主要建筑物坝外泄水道设计 - 9 - 1.4 预期效果.- 9 - 第二章 工程概况 - 10 - 2.1 流域概况.- 10 - 2.2 气候特征.- 10 - 2.2.1 气温- 10 - 2.2.2 湿度 - 10 - 2.2.3 降水量 - 11 - 2.2.4 风力及风向 .- 11 - 2.3 水文特征.- 11 - 2.3.1 年日常径流 .- 11 - 2.3.2 洪峰流量 .- 12 - 2.3.3 固体径流 .- 12 - 2.4 工程地质.- 12 - 2.4.1 水库地质 .- 12 - 2.4.2 坝址地质 .- 12 - 2.4.3 地质构造 .- 15 - 2.4.4 水文地质条件 .- 15 - 2.4.5 地震 .- 15 - 2.5 建筑材料.- 15 - 2.5.1 料场的位置与储量 .- 15 - 2.5.2 物理力学性质 .- 16 - 2.6 经济资料.- 19 - 2.6.1 库区经济 .- 19 - 2.6.2 交通运输 .- 19 - 2.7 枢纽任务.- 19 - 2.8 枢纽特征 .- 19 - 2.8.1 发电 .- 19 - - 5 - 2.8.2 灌溉 .- 20 - 2.8.3 防洪 .- 20 - 2.8.4 渔业 .- 20 - 2.8.5 其它 .- 20 - 第三章 设计条件和设计依据 21 3.1 设计任务.21 3.1.1 洪水调节计算21 3.1.2 主要建筑物型式选择和水利枢纽布置21 3.1.3 第一主要建筑物大坝设计21 3.1.4 第二主要建筑物泄水建筑物设计21 3.2 设计依据.21 第四章 洪水调节计算 22 4.1 洪水调节计算原理.22 4.1.1 工程等别及建筑物级别22 4.1.2 泄洪方式与水库运用方案.22 4.1.3 调洪演算原理23 4.2 堰顶高程及泄洪孔口的选择.23 4.2.1 堰顶高程及孔口尺寸选择原则23 4.2.2 方案拟定23 4.3 调洪演算结果与方案选择.23 4.3.1 调洪演算结果24 4.3.2 方案选择24 第五章 坝型选择及枢纽布置 26 5.1 坝址及坝型选择26 5.1.1 坝址选择.26 5.2.1 坝型选择26 5.2 枢纽组成建筑物29 5.2.1 挡水建筑物29 5.2.2 泄水建筑物29 5.2.3 水电站建筑物30 5.3 枢纽总体布置.31 5.3.1 挡水建筑物31 5.3.2 泄水建筑物32 5.3.3 水电站建筑物34 第六章 大坝设计 35 6.1 土石坝坝型选择35 6.1.1 土石坝坝型综述35 6.1.2 该江水利枢纽工程坝型选择35 6.2 大坝的轮廓尺寸与排水防渗体.36 - 6 - 6.2.1 坝顶宽度36 6.2.2 坝坡与戗道36 6.2.3 坝顶高程36 6.2.4 坝体排水38 6.2.5 坝内防渗体39 6.2.6 坝基防渗40 6.2.7 护坡40 6.2.8 坝面排水42 6.3 土料设计.42 6.3.1 粘性土料设计46 6.3.2 坝壳砂砾料设计50 6.4 渗流计算.52 6.4.1 渗流计算方法52 6.4.2 计算断面与计算情况53 6.4.3 计算结果55 6.4.4 渗透稳定分析55 6.4.5 成果分析与结论56 6.5 稳定分析计算.56 6.5.1 计算方法57 6.5.2 计算程序流程图58 6.5.3 工况选择与稳定计算成果59 6.5.4 稳定成果分析59 6.6 大坝基础处理.60 6.7 细部构造设计.61 6.7.1 防渗体和排水设施61 6.7.2 反滤层设计61 6.7.3 护坡设计63 6.7.4 坝顶布置64 6.7.5 细部布置图64 第七章 泄水建筑物设计 67 7.1 泄水方案选择.67 7.2 泄水隧洞选线与布置.67 7.3 隧洞的体型设计.70 7.3.1 进口建筑物70 7.3.2 洞身断面型式和尺寸71 7.3.3 出口消能段71 7.4 隧洞水力计算.72 7.4.1 设计条件73 7.4.2 平洞段底坡73 7.4.3 洞内水面曲线73 7.4.4 出口消能计算74 7.5 隧洞的细部构造.75 - 7 - 7.5.1 洞身衬砌76 7.5.2 衬砌分缝、止水76 7.5.3 灌浆、防渗与排水76 7.5.4 掺气槽78 7.5.5 锚筋加固79 7.6 放空洞设计.80 第八章 施工组织设计 81 8.1 导流方案81 8.2 施工分期81 8.3 导流工程规划布置81 8.4 施工控制性进度83 参考文献 85 - 8 - 第一章 前言 毕业设计是我们大学在校期间最后一个全面性、总结性、实践性的教学环节， 它既是运用所学知识和技能，解决某一工程具体问题的一项尝试，也是我们走向 工作岗位的前的一次“实战演习” 。 1.1 毕业设计主要目的和作用 （1）巩固、联系、充实、加深、扩大所学基本理论和专业知识，并使之系统化； （2）培养综合运用所学知识解决实际问题的能力，初步掌握设计原则、方法和 步骤； （3）形成正确的设计思想，树立严肃认真、实事求是和刻苦认真的工作作风。 （4）锻炼独立思考、独立工作的能力，并加强计算、绘图、编写说明书及使用 规范、手册等技能训练； 1.2 设计的对象和背景 本设计的对象和背景是为位于我国西南地区某江，进行以坝工为设计重点的 工程设计。 1.3 设计过程和方法 1.3.1 了解任务书和熟悉、分析原始资料 1.3.2 洪水调节计算 用图解法确定防洪库容、设计（校核）洪水位与相应的下泄流量，为确定大 坝高度和下游消能防冲设施提供设计依据。 1.3.3 主要建筑物形式选择和水利枢纽布置 对选定的坝型和枢纽布置方式，做技术可能性和经济合理性的论证。 1.3.4 第一主要建筑物拦河坝设计 一般应首先选定大坝结构布置与构造，然后进行校核计算。 - 9 - 1.选定坝的结构形式；拟定坝基防渗处的型式以及坝的主要尺寸。 2.进行土料设计，包括对坝身不同高程的透水料和不透水料的分区规划布置以及 压实标准的确定。 3.渗流演算，计算正常、校核水位 浸润线位置，确定总渗流量与逸出坡降。 4.静力稳定计算，用折线法求出上下游坡在某一危险水位情况下的最小稳定安全 系数，以论证选用坝坡的合理性。 5.拟定坝身构造，包括防渗、排水反滤层、坝顶、护坡、马道以及坝体与坝基、 岸坡及其他建筑物的连接。 1.3.5 第二主要建筑物坝外泄水道设计 1.确定结构形式和主要尺寸，进行建筑总体布置。 2.进行必要的水力计算和静力计算，以验证建筑物的轮廓尺寸和各部分的结构尺 寸是否合理。 3.拟定细部构造，包括排水、锚筋加固、灌浆。 1.4 预期效果 绘出 3 张工程设计图，并自行编制说明书与计算书，并编写中、英文的摘要。 - 10 - 第二章 工程概况 2.1 流域概况 该江位于我国西南地区，流向自东南向西北，全长约 122 公里，流域面积 2558 平方公里，在坝址以上流域面积为 780 平方公里。 本流域大部分为山岭地带，山脉和盆地交错于其间，地形变化剧烈，流域内 支流很多，但多为小的山区流河流，地表大部分为松软的沙岩、页岩、玄武岩及 石灰岩的风化层，汛期河流的含沙量较大。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。 2.2 气候特征 2.2.1 气温 年平均气温约为 12.8 度，最高气温为 30.5 度，发生在 7 月份，最低气温为- 5.3 度，发生在 1 月份。 表 2-21 月平均气温统计表（度） 123456789101112年平均 4.88.311.214.816.318.018.818.316.012.48.65.912.8 表 2-22 平均温度日数 日数 月份 平均温度 123456789101112 061.20.3000000003.1 30025.026.8 30.7303130313130313027.9 - 11 - 30000000000000 2.2.2 湿度 本区域气候特征是冬干夏湿，每年 11 月至次年和 4 月特别干燥，其相对湿度 为 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。 2.2.3 降水量 最大年降水量可达 1213 毫米，最小为 617 毫米，多年平均降水量为 905 毫 米。 表 2-23 各月降雨日数统计表 日数 月份 平均降雨量 123456789101112 30mm000000000000 2.2.4 风力及风向 一般 14 月风力较大，实测最大风速为 19.1 米秒，相当于 8 级风力，风 向为西北偏西。水库吹程为 15 公里。实测多年平均风速 14m/s。 2.3 水文特征 该江径流的主要来源为降水，在此山区流域内无湖泊调节径流。根据实测短 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。 该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 - 12 - 700 秒立米，而最小流量为 0.5 秒立米。 2.3.1 年日常径流 坝址附近水文站有实测资料 8 年，参考临近测站水文记录延长后有 22 年水文 系列，多年年平均流量为 17 秒立米。 2.3.2 洪峰流量 经频率分析，求得不同频率的洪峰流量如下表。 表 2-31 不同频率洪峰流量（秒立米） 频率0.0512510 流量23201680142011801040 表 2-32 各月不同频率洪峰流量（秒立米） 月 频率 123456789101112 146191219600 124 0 155 0 121 0 6703902837 236171115530 112 0 136 0 109 0 6003102333 52314911420850 110 0 8304802501628 101911793707609807204102101523 2.3.3 固体径流 该江为山区性河流，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 0.5 公斤立米。枯水极少，河水清彻见底，初步估算 30 年后坝前淤 积高程为 2765 米。 2.4 工程地质 2.4.1 水库地质 - 13 - 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，估计可能坍方量约为 300 万立米。在考虑水库淤积问题时可 作为参考。 2.4.2 坝址地质 坝址位于该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过，对其岩性分 述如下： (1) 玄武岩 一般为深灰色、灰色、含有多量气孔，为绿泥石、石英等充填， 成为杏仁状构造，并间或有方解石脉、石英脉等贯穿其中，这些小岩脉都是后来 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，力学性质也不同，可分为坚硬玄 武岩、多气孔玄武岩、破碎玄武岩、软弱玄武岩、半风化玄武岩和全风化玄武岩 等，其物理力学性质见表 2-41、表 2-42。 渗透性：经试验得出 k 值为 4.147.36 米/昼夜。 表 2-41 坝基岩石物理力学性质试验表 岩石名称 比重 容重 kN/m3 建议采用抗压强 度 MPa 半风化玄武岩3.0129.650 破碎玄武岩2.9529.250-60 火山角砾岩2.9028.735-120 软弱玄武岩2.8527.010-20 坚硬玄武岩2.9629.2100-160 多气孔玄武岩2.8527.870-180 表 2-42 全风化玄武岩物理力学性质试验表 - 14 - 压缩系数 a浸水固结块剪 天然 含水 率 % 干容 重 kN/m3 比重 液限 l 塑限 p 塑性 指数 p I 00.5 m2/kN 10-6 34 m2/kN 10-6 内摩 擦角 凝聚 力 kPa 2.516.32.9747.332.2616.95.971.5128.3824 (2) 火山角砾岩 角砾为玄武岩，棱角往往不明显，直径为 215 厘米，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 35MPa。 (3) 凝灰岩 成土状或页片状，岩性软弱，与近似，风化后成为碎屑的混合 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，并有大漂石掺杂其中。卵砾石成分以玄武岩为主，石灰岩与砂岩占极少数。 沿河谷内分布：坝基部分冲积层厚度最大为 32 米，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 10100 毫米；砾石直径一般为 210 毫米；砂粒直径 0.050.2 毫米；细 小颗粒小于 0.1 毫米。见表 2-43。 冲积层的渗透性能 经抽水试验后得，渗透系数 k 值为 310-2厘米/ 秒1102厘米/秒。 (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。 表 2-43 冲积层剪力试验成果表 三轴剪力 （块剪） 应变（拉制） （浸水固结快剪）土 壤 名 称 代 号 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 24.38.66 4715 37.0 3243 10.5 含 中 量 细 粒 最小 值 22.24.27 3530 12.0 1755 0 - 15 - 平均 值 23.086.47 4034 18.2 2525 5.3 的 砾 石小值 平均 值 3732 14.8 备 注 三轴剪力土样备系筛去大于 4mm 颗粒后制备的。 试验时土样的容重为控制容重。 应变控制土样容重系筛去大于 0.1mm 颗粒后制备的。 以上两种试验的土样系扰动的。 2.4.3 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 0.5 米即有一条，疏者 35 米即有一条，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。 2.4.4 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，玄武岩的透水性不同，裂隙少、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 0.01 l/(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不透水性良好的岩层。至于节理很发 育的破碎玄武岩、半风化与全风化玄武岩都是透水性良好的岩层。正因为这些隔 水的与透水的玄武岩存在，遂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 因隔水层的层数多，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。 2.4.5 地震 本地区地震烈度定为 7 度，基岩与混凝土之间的摩擦系数取 0.65。 - 16 - 2.5 建筑材料 2.5.1 料场的位置与储量 各料场的位置与储量见坝区地形图。由于河谷内地地形平坦，采运尚方便。 2.5.2 物理力学性质 (1) 土料：（见表 2-51表 2-54） (2) 石料：坚硬玄武岩可作为堆石坝石料，储量较丰富，在坝址附近有石料场一 处，覆盖层浅，开采条件较好。 - 17 - 表 2-51 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 砾 粗中细粉 粘 土 湿干 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 2 mm 2 0.5 mm 0.5 0.05 mm 0.05 0.005 mm 设计水位2824.4+0.5m.非常运用 坝顶高程2828.5m 校核水位2825.3m，满足要求。上游设1.5米高防浪墙, 防浪 墙必须与防渗体紧密结合。防浪墙应坚固不透水,其结构尺寸应根据稳定强度计 算确定,并应设置伸缩缝做好止水.坝顶为了排水，坝顶面向下游侧放坡，坡度取 2%，做好下游侧的排水系统.下游侧根据要求设置栏杆。另外,位于地震区的土石 坝应核算防浪墙的动力稳定性. . 6.2.4 坝体排水 土石坝应设置坝体排水降低浸润线和孔隙压力改变渗流方向防止渗流出逸处 产生渗透变形保护坝坡土不产生冻胀破坏.坝体排水必须满足以下要求 1 能自由地向坝外排出全部渗透水； 2 应按反滤要求设计； 3 便于观测和检修。 坝体排水可在以下几种型式中选择 1 坝体内排水 (1)竖式排水,包括直立排水,上昂式排水,下昂式排水等； (2)水平排水,包括坝体不同高程的水平排水层,褥垫式排水坝底部水平排水层,网 状排水带排水管等； 2 棱体排水(滤水坝趾)； 3 贴坡式排水； 4 综合型排水由上述各种排水型式中的两种或多种综合组成。 排水型式的选择必须结合坝基排水的需要及型式根据下列情况经技术经济比 39 较确定 1 坝型坝体填土和坝基土的性质以及坝基的工程地质和 水文地质条件； 2 下游有水无水下游水位高低和持续时间以及泥沙淤积影响； 3 施工情况及排水设备的材料； 4 筑坝地区的气候条件。 本工程中，坝址附近石料比较丰富，采用堆石棱体排水比较适宜。同时土坝 下游有一定高的水位，因此不宜采用贴坡排水。褥垫排水伸入坝体内部，降低浸 润线效果显著，但是对地基的不均匀沉陷的适应能力较差，本工程所在坝址处的 坝基地质条件不适合使用该方案。因此设计采用棱体排水方案。 棱体排水设计应遵守下列规定 1 顶部高程应超出下游最高水位,超过的高度1级,2级坝应不小于1m，3级,4级,5 级坝应不小于0.5m,并应超过波浪沿坡面的爬高； 2 顶部高程应使坝体浸润线距坝面的距离,大于该地区的冻结深度； 3 顶部宽度应根据施工条件及检查观测需要确定但不宜小于1m； 4 应避免在棱体上游坡脚处出现锐角。 按规范棱体顶高程高出下游最高水位不应小于 1.0m 为原则，下游校核洪水时 下游水位为 2755.4m，加上考虑波浪爬高,最后将棱体顶高程取为 2758.0m。参考 以往工程，堆石棱体内坡取为 1：1.5，外坡取为 1：2.0，顶宽定为 2.0m,下游水 位以上用贴坡排水。 坝内水平排水设计应遵守下列规定 1 由砂卵砾石组成的水平排水层的厚度和伸入坝体内的长度应根据渗流计算确定 排水层中每层料的最小厚度应满足反滤层最小厚度的要求； 2 网状排水带中纵向排水带平行于坝轴线的厚度和宽度及伸入坝体内的深度应根 据渗流计算确定网状排水带中的横向排水带宽度应不小于0.5米，其坡度不宜超 过1%。或按不产生接触冲刷的要求确定； 3 当渗流量很大增大排水带尺寸不合理时，可采用排水管，管周围应设反滤层。 坝内水平排水伸进坝体的极限尺寸对于粘性土均质坝为坝底宽的1/2，砂性土均 质坝为坝底宽的1/3。对于土质防渗体分区坝宜与防渗体下游的反滤层相连接。 6.2.5 坝内防渗体 土质防渗体分区坝的防渗体断面尺寸应根据下列因素研究确定 1 防渗土料的质量如允许渗透比降塑性抗裂性能等； 2 防渗土料的数量和施工难易程度； 3 防渗体下面坝基的性质及处理措施； 40 4 防渗土料与坝壳材料单价比值； 5 设计地震烈度为8度，9度地区适当加厚。 土质防渗体断面应满足渗透比降，下游浸润线和渗透流量的要求应自上而下 逐渐加厚顶部的水平宽度不宜小于3.0m。底部厚度心墙不宜小于水头的1/4。 土质防渗体顶部在正常蓄水位或设计洪水位以上的超高，应按碾压土石坝设 计规范表5.5.3的规定取值。非常运用条件下防渗体顶部不应低于非常运用条件 的静水位，并应核算风浪爬高高度的影响。 当防渗体顶部设有防浪墙时防渗体顶部高程可不受上述限制但不得低于正常 运用的静水位，即2824.4m。 防渗体顶部应预留竣工后沉降超高。 土质防渗体顶部应设保护层,保护层厚度（包括上游护坡垫层）应不小于该 地区的冻结和干燥深度，还应满足施工机械的需要。 坝的防渗体为心墙，其最小厚度由黏土的允许渗透坡降而定，虽然粘性土料 室内管涌试验破坏渗透坡降很大，但考虑土料的不均匀性，实践中采用的安全坡 降较小，对压实良好的填土，轻壤土为34，壤土为46，粘土为510。太厚 则不利于空隙水应力的消散，太薄则可能造成水力劈裂或拱效应，故要用安全渗 透坡降确定心墙的最小厚度，综合坝坡稳定计算确定心墙的厚度。一般设于坝体 中部由透水性很小的黏性土筑成有时略偏于上游并略倾斜。心墙防滲体顶高程在 正常运用条件下高于正常蓄水位0.30.6米，顶部防冻裂加设沙性保护层，厚度 由冰冻深度决定，不小于1米。防渗体应自上而下逐渐加厚，顶部的水平宽度不 宜小于3.0m，故取为5.0m。心墙两侧的边坡一般在1:0.15至1:0.30之间，不易过 陡，特别是的堆石坝心墙坡越陡，堆石对心墙的牵制越大，心墙沉陷比坝壳大， 由于钳制不能自由下沉很容易产生水平裂缝，故取为1:0.20。心墙顶部以与防浪 墙结合并高于正常运用的静水位，即2824.4m为原则，并应核算风浪爬高高度的 影响，最后定为2825.5m（其中预留了竣工后沉降超高） 。本设计黏土允许坡降为 J=5.0，承受最大水头2825.3-2755.4=69.9m。底宽为35.2m，满足墙厚须大于 17.4m的要求。上留有1.2m的沙性保护层，以防冻裂。心墙与上下游坝体间应设 置反滤层，以起到反滤和排水的作用。与防浪墙结合心墙适当偏向上游侧。本例 为L型挡墙,故心墙与防浪墙结合偏上游侧。 6.2.6 坝基防渗 河床中部及左岸覆盖层较厚，采用混凝土防渗墙，防渗效果好。防渗墙厚度 为 0.61.3m，取 0.8m。防渗墙伸入心墙的长度由接触面允许渗透坡降决定，上 下游最大水头差为 69.9m,取J=5.0，则 L=69.9/5=13.98m,设计伸 8m（对于坝肩 41 部分可以减小） ，这样接触面长度为 16.9m。防渗墙伸入地基 1m。防渗墙位置在 心墙底部中心。 右岸冲积层较薄，采用截水槽。截水槽边坡为 1：1.5。槽上部与心墙相接， 底部与基岩连接时应把风化岩层挖除，并要求截水槽深入相对不透水地基的强风 化或弱风化岩层 0.51.0m,取 1.0m。底部宽度应根据回填土料的允许渗透坡降 而定，粘土取 510，为施工方便，槽底宽还应不小于 3m。 6.2.7 护坡 坝表面为土砂砂砾石等材料时应设专门护坡堆石坝，可采用堆石材料中的粗 颗粒料或超径石做护坡。 可在以下几种形式中选择 1 上游护坡 （1） 堆石抛石 （2） 干砌石 （3） 浆砌石 （4） 预制或现浇的混凝土或钢筋混凝土板或块 （5） 沥青混凝土 （6） 其他形式如水泥土 2 下游护坡 （1） 干砌石 （2） 堆石卵石或碎石 （3） 草皮 （4） 钢筋混凝土框格填石 （5） 其他形式如土工合成材料 护坡的形式厚度及材料粒径应根据坝的等级运用条件和当地材料情况根据以 下因素经技术经济比较确定。 1 上游护坡 （1） 波浪淘刷 （2） 顺坝水流冲刷 （3） 漂浮物和冰层的撞击及冻冰的挤压 2 下游护坡 （1） 冻胀干裂及蚁鼠等动物破坏 （2） 雨水大风水下部位的风浪冰层和水流作用 有条件时上游护坡宜采用堆石护坡，在波浪较大的坝段和坡面，可采用与其 42 他部位不同的护坡厚度和形式。下游护坡的水上水下可采用不同的护坡厚度和形 式。 护坡的覆盖范围应按以下要求确定。 （1） 上游面上部自坝顶起如设防浪墙时应与防浪墙连接,下部至死水位以下不 宜小于2.5m,4级,5级坝可减至1.5m.最低水位不确定时应护至坝脚. （2） 下游面应由坝顶护至排水棱体无排水棱体时应护至坝脚. （3） 干砌石护坡的厚度t=1.36（Gmax/k）(1/3).Gmax=34G50(Gmax为最大块 石料重量，k为石块的容重)。 堆石干砌石护坡与被保护料之间不满足反滤要求时护坡下应按反滤要求设置 垫层。 现浇混凝土或钢筋混凝土沥青混凝土和浆砌石护坡应设排水孔。 在寒冷地区的粘性土坝坡当有可能因冻胀引起护坡变形时应设防冻垫层其厚 度不小于当地冻结深度.除堆石坝护坡外应在马道，坝脚和护坡末端设置基座.护 坡厚度和粒径应按本规范附录的方法计算其中设计风速应符合本规范的规定. 本设计上游取干砌石护坡，下游选用碎石护坡。上游护坡顶部与防浪墙相连， 底部至死水位(2796m)下不小于2.5米,取2790m。下游护坡自顶至排水棱体。马道， 坝脚和护坡末端设置基座。 6.2.8 坝面排水 除干砌石或堆石护坡外均必须设坝面排水.应包括坝顶坝坡坝头及坝下游等部 位的集水截水和排水措施.除堆石坝与基岩交坡处外坝坡与岸坡连接处均必须设 排水沟其集水面积应包括岸坡集水面积在内.坝面排水系统的布置排水沟的尺寸 和底坡应由计算确定.有马道时纵向排水沟宜与马道一致并设于马道内侧.竖向排 水沟可每设置一条.排水沟可用混凝土现场浇筑或浆砌石砌筑若用混凝土预制件 拼装时应使接缝牢固成一整体.本例上游为干砌石护坡，不用设置坝面排水。下 游为碎石护坡要设坝面排水。 （ 注：由于现在是初步定坝体轮廓，故细部具体设计详见后述。） 6.3 土料设计 筑坝材料的设计与土坝结构设计、施工方法及工程造价有关，一般力求坝体 内材料分区简单，就近、就地取材，因材设计。土料设计主要任务是确定粘壤土 的填筑干容重、含水量、砾质土的砾石含量、干容重、含水量，砂砾料的相对密 度和干容重等指标。 43 第一，筑坝材料选择： 选择用来筑坝土石料调查和土工试验应分别按照水利水电工程天然建筑材 料勘察规程SL251-2000和土工试验规程SL237-1999的有关规定，查明坝址 附近各种天然土石料的性质储量和分布，以及枢纽建筑物开挖料的性质和可利用 的数量。 在当地有多种适于筑坝的土石料时应进行技术经济比较后选用筑坝土石料选 择应遵守下列原则： (1) 具有或经加工处理后具有与其使用目的相适应的工程性质并具有长期稳定性. (2) 就地就近取材减少弃料少占或不占农田并优先考虑枢纽建筑物开挖料的利用 (3) 便于开采运输和压实. 枢纽建筑物开挖料的利用应与天然土石料场开采料一样,从材料性质数量弃 料对环境的影响,施工进度安排及工程费用等进行论证料场应统一规划. 料场开采或枢纽建筑物的开挖料原则上均可直接作为筑坝材料或经处理后用 于坝的不同部位,但沼泽土膨润土和地表土不宜采用. 防渗土料应满足下列要求: (1) 渗透系数均质坝不大于1*10-4 cm/s,心墙和斜墙不大于1*10-5cm/s. (2) 水溶盐含量指易溶盐和中溶盐(按质量计)不大于3%. (3) 有机质含量(按质量计)均质坝不大于5%,心墙和斜墙不大于2%,超过此规定需 进行论证 (4) 有较好的塑性和渗透稳定性. (5) 浸水与失水时体积变化小. 以下几种粘性土不宜作为坝的防渗体填筑料,必须采用时应根据其特性采取相 应的措施: (1) 塑性指数大于20和液限大于40%的冲积粘土 (2) 膨胀土 (3) 开挖压实困难的干硬粘土 (4) 冻土 (5) 分散性粘土 (6) 红粘土可用于填筑坝的防渗体用于高坝时应对其压缩性进行论证 经处理改性的分散性粘土仅可用于填筑级低坝的防渗体,其所选用的反滤料 应经过试验验证,防渗体与坝基岸坡接触处等易产生集中渗流的部位以及易受雨 水冲刷的坝表面不得 采用分散性粘土填筑. 湿陷性黄土或黄土状土可用于填筑防渗体,但压实后应不再具有湿陷性采用 44 的反滤料级配应经过试验验证. 用于填筑防渗体的砾石土粒径大于5mm的颗粒含量不宜超过50%,最大粒径不 宜大于150mm或铺土厚度的2/3,0.075mm以下的颗粒含量不应小于15%,填筑时不得 发生粗料集中架空现象. 人工掺合砾石土中各种材料的掺合比例应经试验论证. 当采用含有可压碎的风化岩石或软岩的砾石土作防渗料时,其级配和物理力 学指标应按碾压后的级配设计. 用膨胀土作为土石坝防渗料时填筑含水量应采用最优含水量的湿侧,并在顶 部设盖重层,盖重层产生的约束应力应足以制约其膨胀性,盖重层应采用非膨胀土. 采用土工膜作为防渗体材料时应按照的规定执行. 反滤料过渡层料和排水体料应符合下列要求: (1) 质地致密抗水性和抗风化性能满足工程运用条件的要求. (2) 具有要求的级配 (3) 具有要求的透水性 (4) 反滤料和排水体料中粒径小于0.075mm的颗粒含量应不超过5%. 反滤料可利用天然或经过筛选的砂砾石料也可采用块石砾石轧制或天然和轧 制的掺合料. 3级低坝经过论证可采用土工织物作为反滤层 料场开采和建筑物开挖的无粘性土包括砂砾石,卵石,漂石等石料和风化料砾 石土均可作为坝壳料并应根据材料性质用于坝壳的不同部位. 均匀中,细砂及粉砂可用于中低坝坝壳的干燥区,但地震区不宜采用. 采用风化石料和软岩填筑坝壳时,应按压实后的级配研究确定材料的物理力 学指标,并应考虑浸水后抗剪强度的降低压缩性增加等不利情况,对软化系数低不 能压碎成砾石土的风化 石料和软岩宜填筑在干燥区. 下游坝壳水下部位和上游坝壳水位变动区应采用透水料填筑。 开采坝壳堆石料应遵守下列规定 (1) 开采前应彻底清除覆盖层; (2) 不同程度的风化料与新鲜石料应分区开采; (3) 易风化的软岩如泥岩页岩宜边开采边填筑; (4) 宜进行爆破设计必要时进行爆破试验. 护坡石料应采用质地致密抗水性和抗风化性能满足工程运用条件要求的硬岩 石料. 45 第二，填筑要求： 填筑标准应根据以下因素综合研究确定 （1）坝的级别，高度，坝型和坝的不同部位； （2）土石料的压实特性和采用的压实机具； （3）坝料的填筑干密度和含水率与力学性质的关系以及设计对土石料力学性质 的要求； （4）土料的天然干密度天然含水率以及土料进行干燥或湿润处理的程度； （5）当地气候条件对施工的影响； （6）设计地震烈度及其他动荷载作用； （7）坝基土的强度和压缩性； （8）不同填筑标准对造价和施工难易程度的影响。 含砾和不含砾的粘性土的填筑标准应以压实度和最优含水率作为设计控制指 标。设计干密度应以击实最大干密度乘以压实度求得。 粘性土的压实度应符合下列要求： （1）1级，2级坝和高坝的压实度应为98%100%，3级中低坝及3级以下的中坝压 实度应为96%98%。 （2）设计地震烈度为8度，9度的地区宜取上述规定的大值。 （3）有特殊用途和性质特殊的土料的压实度宜另行确定。 粘性土的最大干密度和最优含水率应按照SL237-1999土工试验规程规定 的击实试验方法求取，对于砾石土应按全料试样求取最大干密度和最优含水率。 砂砾石和砂的填筑标准应以相对密度为设计控制指标并应符合下列要求： (1) 砂砾石的相对密度不应低于0.75,砂的相对密度不应低于0.7,反滤料宜为0.7. (2) 砂砾石中粗粒料含量小于50%时,应保证细料(小于5mm的颗粒)的相对密度也 符合上述要求. (3) 地震区的相对密度设计标准应符合. 堆石的填筑标准宜用孔隙率为设计控制指标并应符合下列要求: (1) 土质防渗体分区坝和沥青混凝土心墙坝的堆石料,孔隙率宜为20%28%. (2) 沥青混凝土面板坝堆石料的孔隙率宜在混凝土面板堆石坝和土质防渗体分区 坝的孔隙率之间选择. (3) 采用软岩风化岩石筑坝时孔隙率宜根据坝体变形应力及抗剪强度等要求确定. (4) 设计地震烈度为8度,9度的地区可取上述孔隙率的小值. 堆石的碾压质量可用施工参数包括碾压设备的型号,振动频率及重量,行进速 度,铺筑厚度碾压遍数等及干密度同时控制. 46 堆石碾压时宜加水加水量宜通过碾压试验确定,对于软化系数较高的硬岩堆 石应通过碾压试验确定是否加水. 设计填筑标准应在施工初期通过碾压试验验证,当采用砾石土风化岩石软岩 膨胀土湿陷性黄土等性质特殊的土石料时,对1级,2级坝和高坝宜进行专门的碾压 试验论证其填筑标准. 粘性土的施工填筑含水率应根据土料性质填筑部位气候条件和施工机械等情 况控制在最优含水率的-2%+3%偏差范围以内有特殊用途和性质特殊的粘性土的 填筑含水率应另行确定. 填筑含水率还应符合下列要求: 1)上限值 (1) 不影响压实和运输机械的正常运行; (2) 施工期间土体内产生的孔隙压力不影响坝坡的稳定; (3) 在压实过程中不产生剪切破坏. 2) 下限值 (1) 填土浸水后不致产生大量的附加沉降,使坝顶高程不满足设计要求,坝体发生 裂缝以及在水压力作用下不产生水力劈裂等; (2) 不致产生松土层而难以压实 在冬季负气温下填筑时应使土料在填筑过程中不冻结,粘性土的填筑含水率 宜略低于塑限,砂和砂砾料中的细料部分的含水率宜小于4%,并适当提高填筑密度。 筑坝材料的设计与土坝结构设计、施工方法以及工程造价有关，一般力求坝 体内材料分区简单，就地、就近取材，因材设计。 土石坝坝体主要由坝壳、防渗体、排水设备以及护坡等组成。由于它们工作 条件不同，因而对材料要求也不同。筑坝材料应具有与其使用目的相适应的工程 性质，并具有良好的长期稳定性。 土料设计的目的是确定粘性土的填筑干容重,含水量；砂砾料的相对密度和 干容重；砾质土的砾石含量，干容重，含水量；堆石料的级配，干容重，孔隙率。 要使土石坝有较小的变形，以防止裂缝；要使其有较高强度，以减少坝体断面； 要使防渗体有较小渗透性，以保证渗流稳定性。从而使土石坝设计安全合理，经 济可靠。 6.3.1 粘性土料设计 （1）土料各项指标表 序号 123456789 47 项目粘粒含 量 塑性 指数 渗透系数有 机 质 含 量 水溶 盐含 量 天然 含水 量 P