毕业设计（论文）-青海省沟后水库枢纽土石坝毕业设计.doc

河北工程大学毕业设计河北工程大学科信学院毕业设计任务书姓 名：张浩飞 专 业：水利水电工程设计起止日期：20011年 4月 10 日 至20011年 6 月 5 日设计题目：青海省沟后水库枢纽土石坝毕业设计副标题： 黏土心墙土石坝内容及要求：1 根据给定基本资料确定洪水标准、工程级别；对本工程的坝型及辅助泄洪方案进行方案选择和论证，推荐出黏土心墙坝和有压隧洞方案。2 对挡水建筑物进行结构型式选择与总体布置，绘制枢纽布置平面图、上、下游立视图。包括断面设计、渗流计算、稳定计算、沉降量计算、结构布置及坝体细部构造设计。3 在以上基础上进行坝工设计，包括断面设计、渗流计算、稳定计算、沉降量计算、结构布置及坝体细部构造设计。4 对泄洪隧洞进行设计，包括隧洞总体布置、过水能力计算（出口消能计算）等。5 结构设计。包括：坝体设计与构造、隧洞布置与构造、坝体与两岸连接、基础防渗处理等。6 绘制工程设计图纸包括：沟后水库平面蓝图、渗流断面图、部分坝体细部构造图、上下游立视图。7 编写设计说明书。指导教师：李 彦 军20011年 6 月5 日 1- 1 -1、概 述1 工程概况及作用沟后水库枢纽工程位于青海省共和县恰卜恰镇沟后村附近的黄河一级支流-沟后河上。水库坝址以上控制流域面积为197.8平方公里，库容330万立方米。 本水库为安置龙羊峡水库库区移民的配套工程。水库以灌溉为主，可灌溉共和县农田二万亩，林地五千亩，同时解决恰卜恰镇三万多居民生活及城镇工业用水。枢纽工程包括大坝、泄洪兼引水隧洞两部分。 1.1 设计任务及基本要求 1.1.1 心墙土石坝设计任务 1.1.1.1 确定洪水标准、工程级别 1.1.1.2 坝型选择，坝型方案比较，对心墙土石坝进行论证。 1.1.1.3 进行枢纽方案布置比较确定枢纽布置，绘制枢纽布置平面图、上、下游立视图。 1.1.1.4 防渗体设计、细部构造设计 （坝顶、反滤层、排水体、马道）。 1.1.1.5 进行断面设计、渗流计算、稳定计算、沉降量计算。 1.1.1.6 基础处理 坝与两岸的连接 1.1.1.7 隧洞初步设计1.2 基本要求 1.2.1 设计者必须充分重视和熟悉原始资料，明确设计任务，在规定的时间内按要求完成设计任务。 1.2.2 从工程实际出发，严格执行技术规范的要求，尽量采用国内外先进技术和经验。 1.2.3 每个参加设计的学生必须独立思考，发挥自己的创造性独立完成设计任务。 1.2.4 理论依据正确充分，布置合理，计算准确，绘图正确、清晰。 1.2.5 成果 设计说明书一份，图纸4-5张。1.3 设计基本资料与数据 1.3.1 水文气象 流域内大部分地区人烟稀少，没有气象台站，仅在恰卜恰镇有气象站，也无实测系列水文资料，径流、洪水、泥沙计算系根据青海省水文手册及设计暴雨洪水图集等有关资料进行。 1.3.1.1 气象 流域所在地区地势高，气温多变，年平均气温低，约为3.4，昼夜及地形温差大，无霜期短，年日照时间长，大部分地区寒冷而干燥，常冬无夏，春去秋来，纯属大陆性高原气候区。本区虽地处内陆，但因有青海湖调节作用，降水相对较丰富，年平均降雨为311.8毫米。降水量主要集中在69月，为全年的87.8%。暴雨历时短，据统计年最大6小时降雨量占24小时降雨量的70%左右，大部分地区年蒸发量是降水量的310倍，年平均蒸发量为117.18毫米。 表1-1 主要气象要素特征值项目单位数值备注年平均气温3.4无霜期天99年平均降水量毫米311.8极端最低气温-28.9附表1-1最高气温31.3年平均大于30的天数天1.25最大冻土深度米1.33年最大日照时间小时3290年最短日照时间小时2794.8年平均小于5的天数天180年平均蒸发量毫米1171.8多年平均最大风速米/秒25.25水库吹程米820 1.3.1.2 径流 沟后河虽为黄河一级支流，但水量很小，多年平均径流深为65毫米，相应多年平均径流量1285.9万立方米。径流来源主要是降水补给，69月份水量占全年来水量的80%以上。 1.3.1.3 洪水 沟后河洪水一般发生在69月份，由降雨形成。因本流域无实测洪水资料，故只能借助“设计暴雨洪水图集”和地区性经验公式计算设计洪水。 1.3.1.4 泥沙 本水库推移质来源较少，对水库淤积不会产生很大的影响。悬移质是根据“青海省水文手册”中“多年平均侵蚀模数等值线图”查得“流域多年平均侵蚀模数等值图”查得流域多年平均侵蚀模数为70吨/平方公里，经计算其年输沙量为13846吨，折合体积为10651立方米。输沙量年内分布不均，主要集中在汛期（7、8、9）三个月。 1.3.1.5水文分析成果表 表1-2 水文分析成果表序号名称单位数量备注1代表性流量p=0.2%洪水洪峰流量立米/秒250p=2%洪水洪峰流量 立米/秒140p=5%洪水洪峰流量立米/秒1202洪量p=0.2%洪水洪量万立米470.76p=2%洪水洪量万立米183.95p=5%洪水洪量万立米183.463多年平均年径流量万立米1285.94多年平均年输沙量万吨1.3846 1.3.2 工程地质沟后河发源于共和县青海南北山麓，沟后水库位于沟后河的上游，坝址以上为高山峡谷区，以下为广阔的共和盆地，该河在坝址下游35公里处注入黄河。 1. 3.2.1 库区工程地质条件 水库库区两岸分水岑，山顶高达3781米，山体宽厚不存在深切的邻谷和洼地，库内两岸斜坡面较平直，没有大型冲沟发育。坝址处河床高程为3211米，与两岸山顶相对高差达560米。 水库库区基岩全部为印支期致密、坚硬的闪长岩及花岗闪长岩，其微风化-新鲜岩石的单位吸水量W 0.01 升/分米，为相对不透水层，两岸分水岑相对不透水层的最低高程都在3360米以上，库区未发现大的断裂、破碎带和节理裂隙密集带，即在地层岩性和地质构造上不存在集中渗漏的通道，从上述地形、地质条件判断，库区蓄水条件是比较好的。 库区两岸基岩面坡度一般在55度左右，岸边未发现规模较大的缓倾角结构面，水库蓄水后一般是稳定的。由于该区属大陆性高原气候区，日温差很大，物理风化严重，两岸崩塌现象较发育，故两岸斜坡基岩面上广泛分布着崩塌物质，其中崩积、坡积的块石、碎石一般是稳定的，而壤土极为疏松，属高压缩性，强失陷性土，对稳定不利，坝段部分须挖除，水库蓄水后估算总塌岸量约为15万立方米，将影响水库寿命。 水库库盆基底及库岸基岩属相对不透水层，故水库没有浸没问题。 1. 3.2.2 坝址区工程地质条件 坝轴线位于沟后河峡谷口上游500米处，河谷狭窄，所在河段南北走向，平均河宽60米，两岸岸坡左陡右缓，左岸坡度45度左右，右岸坡度35度左右。 基岩上分布着第四系全新统堆积物，其覆盖面积约占坝区的70%80% 。河床砂卵石层厚1214米，透水性强，渗透系数为20.994.5米/昼夜，且整层结构疏松，分选性差，存在渗透稳定问题，应作坝基防渗处理，河谷两岸基岩上分布着崩积，坡积块、碎石，层厚1020米，边坡稳定性差，建坝前须作处理。 坝址区基岩为花岗闪长岩。属坚硬岩石类，基岩表层弱风化带裂隙发育，具有程度不同的透水性。左岸严重透水层（=110升/分米）厚3040米，相对不透水层埋深5060米。右岸较严重透水层(=0.11升/分米）厚1040米。相对不透水层埋深50米左右。河床较严重透水层56米，相对不透水层埋深25米左右。坝基E 断层在下游邻沟出露，影响带宽46米，（单位吸水量=0.0560.069升/分米）属中等透水带。当水库蓄水后，将形成沿坝基和坝肩的渗漏，必须做防渗处理。 经国家地震局兰州地震研究所鉴定，沟后水库的基本地震烈度为六度。 1.3.2.3 泄洪隧洞的工程地质条件 泄洪隧洞布置在坝区河谷左岸，地形地质条件均优于右岸。沿地面高程32403290米，隧洞建基高程32373212米。穿越地层岩性为花岗岩闪长岩，围岩致密坚硬，牢固系数f=79，岩石弹性抗力系数K=600800kg/cm3。但围岩节理裂隙发育，岩体成块状砌体结构，隧洞沿线依次通过F35、F36、F12、F9四个断层。开挖毛洞时，可能产生坍塌或掉块，应采取支护措施。 1.3.3 筑坝材料及其物理力学性质天然建筑材料贮量和质量均能满足要求，而且运距较近，开采、交通条件较好。各种材料的物理力学性质及设计指标见表3、表4、表5、表6。表1-3 筑坝材料技术指标建筑材料名称比重容重（吨/立方米）孔隙率抗剪强度渗透系数K(cm/s）r干r湿r饱摩擦角凝聚力C=C(kg/cm2)土料(壤土)2.721.681.982.05=24=250.33.610-6110-7砂砾料2.681.80 1.80 2.10 水上36 水下345.7910-2堆石2.70 1.80 1.80 2.050.3340砂砾料坝基2.681.80 1.80 2.10 水下355.7910-2表1-4 土料颗粒级配 粒径（mm) 0.20.10.050.030.010.0050.002% 84.575.0 58.0 43.526.0 16.211.0 表1-5 砂料颗粒级配 粒径（mm) 5.252.51.20.60.30.15% 10097.8 69.4 43.520.4 6.21.7 表1-6 砂砾料颗粒级配 粒径（mm)51.20.60.3计算简图如图所示：图3-1 1-1截面带截水槽的心墙坝渗透计算由联立得： 经计算=18m，L=216m， 得h=3.77m则单宽流量 ： /(sm)3.1.1.3 2-2断面的渗流计算1计算简图如图所示。图3-2 2-2截面的心墙坝渗透计算上游水位3278.0m，下游无水，坝底高程3250.0m，无排水设备。由得h=0.126m代入得： /(sm) L从0到90.15取值表3-1 02040608090.150.00030.06230.08940.1100.1260.1343根据以上数据描点画出浸润线。3.1.1.4 3-3断面的渗流计算1计算简图如图所示上游水位3278m，下游无水位，坝底高程位3270m，无排水设备。 图3-3 3-3截面心墙坝渗透计算 L=12=31.15由得h=0.025m代入得： /(sm) L从0到31.15取值表3-20101520253031.150.000010.0140.0180.020.0230.0250.026根据以上数据描点画出浸润线。3.2总渗流量计算 已知单宽流量分别为： /(sm)、 /(sm) /(sm) 则渗流量为：则一天的总渗流量为 ：3.3校核1.渗漏量：大坝在校核洪水位的库容为470.76万。而每日渗漏量仅1.76，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：10时为流土 20时为管涌 1020时不定允许坡降可参考采用下列数字：1020则为管涌。 =3.31610-4允许=0.1，所以满足要求。4、大坝稳定分析4.1稳定分析的目的 对土石坝进行稳定分析的目的，是通过计算坝体剖面的稳定安全度来确定坝的经济剖面。4.2荷载作用在土石坝上的荷载主要有以下几种：4.2.1土体自重坝体浸润线以上的部分按湿容重计，浸润线以下于坝体外水位之间的部分按饱和容重计，坝体水位以下部分按浮容重计。4.2.2渗流力可由流网法求得，本设计不计渗流力。4.2.3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担，土粒骨架承担的应力万亩有效应力，孔隙水、气承担的应力称孔隙压力，二者之和为总应力，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。4.2.4地震力本工程所在地区基本烈度为6度，根据我国水工建筑物抗震规范(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。本水库为小(1)型四等工程，主要建筑物为三级则可忽略地震力。4.3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。4.4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。4.5稳定计算4.5.1上游水位大约在坝底以上1/3坝高处的上游坝坡上游水位为3278.0m，下游水位为3214.85m （折线法） 图4-1 无黏土土坝稳定计算图分别为BCDE、ADE单宽重量，分别为两快土料内摩擦角，分别取和已知 (1)假设mmCH=69.8-25=44.8mCI=44.8-8.53=36.27mEK=36.27m=36.273.5=126.9mDJ=EKBC=JH=DH-DJ=130.23-126.9=3.33mFD=AG-25m=117.37-253.5=29.87m由下列两式联立得：k=2.398(2)假设同理得： K=2.423(3)假设同理得： K=2.481当水位为3235m时同理可得：（1） K=2.503 (2) K=2.687 (3) K=2.635当水位为3234.2m时同理可得：（1） K=2.40 (2) K=2.387 (3) K=2.295表4-1水位（m）(度)(度)K3236191211086.376475.062.39818.711939.722.42318.512563.22.481323526916567.3520799.972.50325.517423.532.6872517913.962.6353234.220.510.615039.5910260.622.4020.814219.082.3872113678.022.295经分析计算得：在此工况下，当 时，4.5.2水库水位骤降期的上游坝坡水库水位骤降至死水位3241.0米时，按下式计算安全系数图4-2 土坝稳定计算图已知等条件和计算过程同水位在1/3坝高处一样，不再赘述。列表4-2如下：水位(m)(度)(度)K3241.015.11021877.5821859.623.35115.225917.933.04315.829365.453.233经分析计算得：在此工况下，当 时，4.5.3 上游为校核水位，下游为相应水位的下游坝坡 上游水位为3278.0m，下游水位为3214.85m，计算安全系数K已知和计算过程同水位在1/3坝高处一样，不再赘述。列表4-3如下：水位(m)(度)(度)K上游为校核水位3278.0米下游为相应水位3241.85米18.9911067.13763.1422.20419.198573.22.3119.47542.372.28118.610.57354.31473.52.30418.86957.452.21219.06134.682.25318.9124567.70270.692.1218.85222.422.2318.75883.062.258经分析计算得：在此工况下，当 时，4.6综合分析由上述计算成果知：该坝在正常条件下最小稳定安全系数为2.295,大于规定的数值1.20；在非常动用条件下的最小稳定安全系数为2.12，大于规范规定的1.10，因此所拟定的土坝断面尺寸是合理的，满足稳定要求。5、沉降量计算土坝的沉降量包括坝基与坝体的两个部分。一般都应进行沉降估算，其目的在于确定竣工时坝顶应预留的超高，以及估算坝体各个部位之间的不均匀沉降和不均匀沉降梯度，以便初步判断是否存在发生裂缝的可能性，并研究防止裂缝的工程措施。本设计由于坝体为砂砾石，在施工期一般即可完成总沉降的80%以上，所以一般可不进行沉降计算。计算坝身最终沉降量时需要有大量的压缩实验成果，即压缩曲线。由于心墙在坝体中体积很小，且所给资料中黏土的比重为2.72，砂砾料的比重为2.68，两者相差不大，则可在此认为整修坝体为砂砾料，取河谷段坝的最高处单宽为研究对象，进行坝基沉降量计算。鉴于本次设计的性质，在此仅计算坝轴线附近引力最大处一点的沉降量既可。a坝体自重R的确定：已知：坝顶宽为8m，坝底宽B493.5m，坝高为71-1.2=69.8m，单宽b=1m，d=1.80t/m3则：R（8+493.5）69.811.8031504.23tb受压区深度ya：受压区深度由下式7-3-1计算：ya =292.25m，因为砂砾石基础厚度为T14m，Tya，则受压区的深度采用yT14m由于本设计资料不全，无法用以上分层总和法计算坝基沉降量，则用下式对砂砾石基础进行沉降量估算：S 式中：S基础压缩变形；E0砂砾石弹性模量，取E0（KPa） P基础表面承受的上部坝体自重应力，在此以式7-3-3计算其则：h砂砾石层的厚度，h14m则：S0.169m经以上估算知在应力最大处的沉降量为0.169m。满足要求，其它点在此不做计算。6、土石料的结构布置根据坝体各部位不同的工作条件，合理的选择性能相应的土石料及布置区域。不同的部位对土石料的选择有不同的要求。6.1坝壳的结构布置使用于填筑坝壳的土石料应满足：（1）填筑坝壳的土石料应具有较好的透水性，以减小坝体内孔隙压力和渗流力；（2）具有较高的抗剪强度，以减小坝体工程量（3）具有一定的抗渗稳定性，不易发生管涌，土料级配要好，不均匀系数要大些；（4）应有较好的抗震稳定性，不易遇震发生液化流动。基于以上要求，坝壳材料采用砂砾料，渗透系数为5.796.2防渗体的结构布置防渗体的土料应满足：（1）应具有一定的不透水性。用于填筑防渗体的土料，其渗透系数不大于；（2）应具有一定的可塑性，以适应坝与坝基的变形而不致产生裂缝；（3）为保证有一定的抗水性，填筑防渗体及均质坝的土料，其有机质含量应分别小于2%和5%（按重量计）；水溶盐含量均应小于3%。基于以上要求，并结合当地土料的储量，防渗体采用粘土，其渗透系数为。6.3排水设施及护坡的结构布置用于排水设备和护坡的石料，应具有较高的抗压强度，良好的抗水性，不易溶蚀，并具有抗冻融性和抗风化性。饱和抗压强度应小于40或50，软化系数（饱和抗压强度于抗压强度之比）不小于0.75或0.85。岩石孔隙率不大于3%，吸水率（按孔隙体积比计算）不大于0.8，容重应大于22。可采用块石，碎石，砾石。基于上述考虑，排水设备采用贴坡排水；护坡采用干砌石护坡。6.4反滤层的结构布置反滤层由23层不同粒径的砂石料排列组成，层面与渗流方向大致正交，粒径沿渗流方向由细到粗逐层增大。按照机械化施工，每层厚度在1m以上，总厚度不小于3.0m。根据上面原则布置反滤层，见细部构造附图所示。反滤层设在心墙与坝壳交界处、节水槽开挖交界处和排水体与坝壳交界处。填筑反滤层的砾和砾石，应质地致密坚硬，具有较高的抗水性和抗风化能力，一般不采用风化料；粒组间应有较好的透水性，粒径0.1的颗粒含量应小于5%。基于上述考虑，反滤层采用细砂d=0.3mm，中砂d=2mm，粗砂d=10mm7、细部构造7.1坝顶为防止防渗体干裂和雨水冲蚀，满足维修和防汛要求，坝顶做柔性护面，以适应坝顶变形和及时发现坝体裂缝。护面采用0.2米厚黄泥灌浆碎石，其下设0.2米厚碎石垫层。坝顶高程为3280.8m，坝顶宽度为8m，为排除雨水，坝顶做成向下游侧的斜坡，坡度为3%。坡面末端设排水沟，汇集坝顶积水，排水沟端面尺寸为0.2m0.2m。基础牢固地埋入坝内并与防渗体紧密结合，墙底与防渗体顶部接触渗径满足：式中：防浪墙底面承受的水头m，算至波浪水面； 防浪墙底与防渗体接触渗径长度，m；图7-1 土坝坝顶 莱因系数，取2.5。满足要求。防浪墙采用浆砌石。墙顶高出坝顶1.2m，墙厚0.5m。墙内设伸缩缝间距为15m，缝内设止水。坝顶下游侧设边石，边石采用浆砌石修筑，边石内每隔60m设排水孔，以将坝顶排水沟内汇集的雨水经坝面排水沟排至下游。7.2防渗体本设计防渗体采用黏土心墙防渗体。心墙顶部和上游设置砂砾保护层，其厚度（3282-3211-1.2-67.5）2.3m，大于多年平均最大冻土厚度1.33m。心墙上下游均设过滤层，过滤层为0.4m厚的粗砂。深入砂卵石下5m处与截水槽相连为整体与坝底相对不透水层相接，两侧设反滤层，见细部构造附图所示。7.3地基处理土石坝的地基渗水、承载能力小，压缩性大、抗剪强度低及震动液化等问题，通常需对地基采取不同的处理措施。本设计坝址处砂卵层14米，需开挖14米做截水槽，并与基岩连接。坝基的防渗处理主要是在上游坝踵周边的基座上进行帷幕灌浆。根据规范“防渗帷幕上游的坝基宜进行固结灌浆”， 固结灌浆深度一般为58米，孔距4米成梅花形排列。帷幕灌浆深度是按相对隔水层的单位吸水率标准确定的，帷幕灌浆深度取0.30.7倍的坝高，根据本地区的地质情况确定平均灌浆深度为40米左右。河床部分作用水头按70米计，按允许水力坡降算得帷幕厚度2.8米，帷幕排数为两排，孔距2米，排距1.5米，两岸边坡设一排灌浆孔，孔距2米。7.4排水设备本设计采用干砌石加反滤层贴坡排水设备，详细见细部构造图。图7-2 贴坡排水7.5护坡及坝面排水7.5.1 上游护坡上游坝面设计干砌石护坡，厚度0.5m，下面设厚度0.2m的碎石垫层，护坡范围上至坝顶、下至坝址，见细部构造附图所示。 图7-3 上游护坡7.5.2下游护坡下游护坡也采用干砌石护坡，厚度为0.3m，下面设厚度为0.2m的碎石垫层，护坡范围上至坝顶，下至坝脚，见细部构造附图所示。图7-4 下游护坡 7.5.3坝面排水为防止雨水冲刷，下游坝面常设置纵横连通的排水沟，沿坝体与岸坡的结合处，也设置排水沟以拦截山坡上的雨水。坝面上的纵向排水沟沿马道内侧布置，用浆砌石做成梯形或矩形断面。沿坝轴线方向每隔80m设一条横向排水沟，见细部构造附图所示。图7-5 坝面排水7.5.4土坝与坝基、岸坡的连接这些连接面设计遵循的原则是：防止连接面或靠近连接面处发生水力劈裂，以及防止邻近连接面的岩石节理大量渗漏，引起坝体