水工建筑物土石坝课程设计（DOC47页）.doc

水工建筑物课程设计 课题名称：课题名称： 土土 石石 坝坝 设设 计计 专业班级：专业班级： 水水 工工( (本科本科) ) 13-313-3 姓姓 名：名： 袁袁 明明 炜炜 编写日期：编写日期： 20162016 年年 7 7 月月 1 1 日日 水利与环境学院水利与环境学院 摘要摘要 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，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。 目录目录 第第 1 章章 基本资料基本资料 .1 1.1 工程概况.1 1.2 水文与水利规划.1 1气象.1 2 水利计算.1 1.3 地形地质条件.1 1.库区工程地质条件.2 2.坝址区工程地质条件.3 1.4 建筑材料及筑坝材料技术指标的选定.4 3当地建筑材料.6 2 2 枢纽布置枢纽布置.8 2.1 坝轴线选择 .8 2.2 工程等级及建筑物级别 .9 2.3 枢纽布置.10 2.3.1 导流泄洪洞.11 2.3.2 溢洪道.11 2.3.3灌溉发电洞及枢纽电站.11 3.1 坝型确定.12 第第 3 章章 坝工设计坝工设计 .14 3.1 土石坝断面设计.14 3.1.1坝顶高程.14 3.1.2坝顶宽度.16 3.1.3上下游边坡.16 3.1.4 坝底宽度.17 3.2 防渗体设计.17 3.2.1.坝体的防渗.17 3.2.2防渗体的土料要求.18 第第 4 章章 坝体渗流计算坝体渗流计算.19 4.1 设计说明.19 4.1.1土石坝渗流分析的任务.19 4.1.2渗流分析的工况.19 4.1.3渗流分析的方法.19 4.2 渗流计算.20 4.2.1基本假定.20 4.2.2计算公式.20 4.2.3三种工况计算.21 4.2.4渗流校核.23 4.2.5浸润线计算.24 4.2.6理正软件校核.27 第第 5 章章 土石坝坝坡稳定分析及计算土石坝坝坡稳定分析及计算 .30 5.1 坝体荷载.30 5.1.1渗流力.30 5.1.2孔隙压力.30 5.1.3地震力.30 5.2 稳定分析方法.30 5.3 计算工况.31 5.4 稳定计算.31 5.4.1瑞典圆弧滑动法.31 5.4.2理正软件计算.33 第第 6 章章 细部构造细部构造 .36 6.1 坝顶构造.36 6.2 护坡.36 6.3 反滤层.37 6.4 排水体.40 6.5 马道.42 第 1 章 基本资料 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 5.05108m3。水库以灌溉发电为主，结合防洪，可引水灌溉农田 71.2104 亩，远期可发展到 104104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 1.129108kWh。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/s，水位 768.1m 时水库吹程 5.5km。 2 水利计算水利计算 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 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。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 2 ZF 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 /s 2 000.00 其中溢洪道 815 相应下游水位m700.55 2校核洪水时最大泄 流量 m3 /s 6 830.00 其中溢洪道 5600 相应下游水位m705.60 3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m737.00 4水库容积 总库容10 8m3 5.05校核洪水位 设计洪水位库容10 8m3 4.63 防洪库容10 8m3 1.36 兴利库容10 8m3 3.51 其中共用库容10 8m3 1.10 死库容10 8m3 1.05 5库容系数%50.50 6调节特性多年 2.坝址区工程地质条件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，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 45104m3，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 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 围内，有一强透水带，W=5.4630 l/sm2，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 属于中强透水性，平均 W=0.48l/sm2，应考虑排水，增加岩体稳定。 (2) 下坝址下坝址 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 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 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 0.4410-5cm/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 205104m3，扣除漂石及围 堰淹没部分，可利用的砂砾料约 100151104m3。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(D2mm)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 抗剪强度指标 试验方法统计方法 (o)C(kN.cm-2) 算术平均23.272.80饱和固结快剪(25 组) 算术小值平均20.961.93 算术平均21.542.93快剪 (82 组)算术小值平均21.302.93 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 快剪 (18 组) 算术小值平均23.803.56 算术平均28.804.51 算术小值平均25.752.93 算术平均29.004.51 快剪 (8 组) 算术小值平均28.702.93 算术平均20.002.88三轴不排水剪 (10 组)算术小值平均25.201.30 算术平均13.302.80三轴不排水剪 (6 组)算术小值平均25.200.80 算术平均18.204.20三轴饱和固结 不排水剪(6 组)算术小值平均22.303.50 算术平均35.70野外自然坡度角 (29 组)算术小值平均31.20 算术平均31.10 算术小值平均29.10 算术平均31.00 室内 剪切 试验 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 33.3013.3310 特别 重要 1200 二101.0重要 33.30 6.67 13.33 4.0 103. 33 重要1200300 三1.00.1中等 6.672 .0 4.01. 0 3.33 0.33 中等30050 四0.10.01一般 2.00. 33 1.00. 2 0.33 0.03 一般5010 五0.01 0.330.2.渗透稳定：对于非粘性土，渗透破坏形式的判别可参考下式： 20 时为管涌 1020 时不定 允许坡降可参考采用下列数字： 1020, 允许=0.1。 =0.02允许=0.1，所以满足要求。 4.2.5 浸润线计算浸润线计算 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。 基础采用防渗处理，视为基础不透水。 （1）计算示意图 1:2.5 1:3.0 O H1 h H2 心 墙 坝 渗 流 计 算 图 y x T L （2）心墙后的浸润线方程 22 1 y 2 Hx k q =h=6.97m 1 H 简化得心墙后的浸润线方程： y2 +0.26x=48.7 x/m060120180 y/m6.985.754.181.55 2、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。 基础采用防渗处理，视为基础不透水。 （1）计算示意图 1:2.5 1:3.0 O H1 h H2 心 墙 坝 渗 流 计 算 图 y x T L （2）心墙后的浸润线方程 计算公式： 22 1 y 2 Hx k q =h=7.05 1 H 简化得： y2 +0.27x=49.7 x/m060120180 y/m7.055.794.161.05 3、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。 基础采用防渗处理，视为基础不透水。 （1）计算示意图 1:2.5 1:3.0 O H1 h H2 心 墙 坝 渗 流 计 算 图 y x T L （2）心墙后的浸润线方程 计算公式： 22 1 y 2 Hx k q =h=9.67m 1 H 简化得： y2 +0.28x=93.5 x/m060120180 y/m9.578.767.746.57 4.2.6 理正软件校核理正软件校核 项目 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 b 12.000(m)12.000(m)12.000(m) 土堤顶部高度 h 71.660(m)71.660(m)71.660(m) 上游坡坡率 1:m1 3.03.03.0 下游坡坡率 1:m2 2.52.52.5 堤身渗透系数 k 0.003(m/d)0.003(m/d)0.003(m/d) 上游水位 h1 68.200(m)69.100(m)71.400(m) 下游水位 h2 1.550(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=2.15m8m，校核安全 （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=2.16m8m，校核安全 （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=6.98mK=1.25 0-1-2-312 4.5H=323.325 H=71.85 M1 M 5.4.2 理正软件计算理正软件计算 理正软件计算所需参数表 计算方式 项目 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 采用规范： 水利水电工程边坡设计规范 SL 386-2007 计算工期施工期稳定渗流期水位降落期 计算目标安全系数计算安全系数计算安全系数计算 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) 滑动安全系数 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) 滑动安全系数 = 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) 滑动安全系数 = 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) 滑动安全系数 = 2.438 安全系数结果对照表 本设计的安全系数大于校核安全系数，故本设计安全稳定。 计算安全系数校核安全系数 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 第 6 章 细部构造 6.1 坝顶构造坝顶构造 坝顶设置黄泥灌浆碎石路面，坝顶向下游设 1%横坡以便汇集雨水， 并设置纵向排水沟，经坡面排水排至下游。坝顶设置拦杆以策安全。 6.2 护坡护坡 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。 坝表面为土、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: h mm Hm rr r KD wR w )2( 018 . 1 2 =1.0181.49.8/(21.08-9.8)(1+32)1/2/3(3+2)2.67 =0.700 m 碎石块计算重量: 3 525 . 0 DrQ w =0.52523.080.70003 =4.156 KN 碎石护坡厚度 k D t67.1 =1.670.700/1.4 =0.835 m 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）。坝顶设置拦杆以策安全。下游坡面上要设置表面排水系统，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 13 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 0.3 m，垂直 或倾斜反滤层的最小厚度可采用 0.5 m，（反滤层应有足够的尺寸以适应 可能发生的不均匀变形，同时避免与周围土层混掺）。其作用是防止衬砌 的护坡石陷入坝身体中，在上游坡避免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(45)d85 得：反滤层的 D150.0650.13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（510）得：反滤层的 D150.51之间；D155d15 得：反滤层的 D150.5；于是选择反滤层第二层土料为：取 D50=1.0， 厚度取为 hc =30。 10 0 20 30 60 40 50 70 80 600 400 200 60 100 40 10 20 5 2 2.5 1.2 1 100 90 0.5 0.4 0.2 0.1 0.05 砂跞石土料级配图 反滤层设计成果汇总表 d=0.251mm d=115mm d=520mm 0.15m0.15m0.25m 第一层 第二层 层 数 类 型 D50(mm)厚度 hc ()D50(mm) 厚度 hc () 非粘性土反滤层土 料 0.120130 6.4 排水体排水体 排水设备是土石坝的一个重要组成部分。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则设计，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