万年县山塘整治工程初步设计毕业论文.doc

万年县山塘整治工程初步设计毕业论文 目录第一章 山塘来水推求11.1工程地点流域特征11.2设计暴雨的查算11.3设计24小时净雨过程的计算41.4推求五十年一遇设计洪水4第二章 山塘坝体的基本剖面校核92.1坝顶高程的校核92.1.2安全加高确定102.1.3波浪雍高计算112.1.4设计坝顶高程计算112.2实际坝顶高程验算11第三章 山塘坝体的渗流校核计算133.1 山塘坝体的渗流计算133.1.1 山塘坝体渗流计算的内容133.1.2 山塘坝体渗流计算的目的133.1.3 山塘坝体渗流计算的渗流特性133.2山塘坝体渗流计算的方法143.2.1土石坝渗流计算分析的方法143.2.2水力学法计算坝体渗流143.2.3 均质土坝的渗流计算17第四章 坝体的稳定校核计算204.1坝坡失稳概述204.2坝坡稳定分析计算原理204.2.1坝坡稳定分析计算工况204.2.2土料抗剪强度指标的选取204.2.3坝坡稳定计算方法的选择214.2.4瑞典圆弧法计算安全系数选取224.2.5瑞典圆弧法计算原理224.3 坝坡稳定计算234.3.1计算方法234.3.2最小坝坡稳定安全系数滑动弧的确定244.3.3 坝坡稳定计算过程26第五章 溢洪道整治设计315.1 溢洪道的基本数据315.2调洪演算315.2.1计算原理315.2.2 绘制库容曲线和下泄流量关系曲线325.2.3计算并绘制下泄曲线qV325.2.4试算法推求洪水下泄过程335.3 溢洪道泄流安全复核355.4 溢洪道泄槽水面线的计算365.4.1 水面线计算原理365.4.2计算水面曲线（设计和校准两种情况）375.5 边墙高度确定425.6 出口消能42第六章 投资估算456.1 工程量计算456.1.1 坝体工程456.1.2 溢洪道工程456.1.3 灌溉涵管工程466.2 单价计算466.2.1 基础单价计算466.2.2 建筑、安装工程单价计算516.3 投资概算746.3.1 建筑工程746.3.2 金属结构设备及安装工程756.3.3 概算总表75第一章 山塘来水推求岭下坞山塘位于江西省万年县汪家乡山下村委会，坝址位于东经11709，北纬2840，设计历时为24小时，设计频率为五十年一遇为例。运用江西省暴雨洪水查算手册2010年版推荐的推理公式法推求设计洪水位，计算方法步骤如下：1.1工程地点流域特征工程地点的流域面积F=0.21km2，主河道的长度L=1.71km，主河道的比降J=0.038。1.2设计暴雨的查算1)求五十年一遇24小时的点暴雨量根据整治工程地理位置，查江西省暴雨洪水查算手册2010年版（下称：暴雨手册）附图2-4，得流域中心最大24小时点暴雨值P24=132mm;附图2-5得Cv24 =0.44,由设计频率P=2%和CS=3.5Cv查附表5-2，得KP24=2.2则五十年一遇24小时点暴雨量P24（2%）= P24KP24=1322.28=291.72mm2）求五十年一遇24小时面暴雨量根据山塘流域面积F=0.21km2和暴雨历时t=24h查暴雨手册附图5-1，得点面系数=1。则五十年一遇24小时面暴雨量为：，取292mm3）求设计暴雨24小时的时程分配设计暴雨24小时雨分配查暴雨手册附表2-1，得以60分钟为时段的雨型分配表，见下表1-1.查算五十年一遇60分钟，3小时，6小时暴雨参数根据工程地理位置分别查暴雨手册附录图2-6和附图2-8，得流域中心最大6小时和60分钟点暴雨量，P6=84mm；P60min=44mm；查暴雨手册附图2-7和附图2-9，得Cv6=0.52；Cv60min=0.42。由设计频率P=2%和CS=3.5Cv查附表5-2得KP6=2.48，KP60min=2.15。则五十年一遇60分钟，6小时点暴雨量为：P60min（2%）=P6KP6=442.15=94.6mmP6（2%）=P6KP6=842.48=208.32mm3小时暴雨由公式计算，式中：则P3（2%）=94.630.454=155.78mm。由流域面积F=0.21km2和暴雨历时t=60min,t=3h,t=6h分别查附图5-1，得点面系数a60min=1，a3=1，a6=1。则五十年一遇60分钟，3小时，6小时面暴雨量为：列表计算设计暴雨时程分配将表1-1控制时段雨量的百分数列于表1-2第1、3、5、7栏。由设计24小时暴雨控制时段雨量： 按各时段所占百分数计算各时段的雨量，填入表1-2第2、4、6、8栏。第9栏即为设计24小时暴雨过程。 时段 （60min）控制时段雨量(mm)占控制时段雨量的百分数（%）序号123456789101112131415161718192021222324P60min（1）100P3P60min（2）6040P6P3（3）204040P24P3（4）5555550001010 10998554表1-1 以60分钟为时段的雨型分配表 表1-2 岭下坞山塘五十年一遇24小时暴雨时程分配计算表时段（t=60min）序号123456789101112131415161718192021222324合计设计24小时暴雨各时段雨量位置及所占百分数(1)100100(2)94.694.6(3)6040100(4)36.724.461.1(5)204040100(6)10.621.021.052.6(7)555555000101010998554100(8)4.24.24.24.24.24.20008.38.38.37.57.56.74.24.23.283.4(9)4.24.24.24.24.24.20008.38.38.310.621.021.036.794.624.47.57.56.74.24.23.2291.71.3设计24小时净雨过程的计算1）扣除初损求时段总径流量由附图3-1产流分区知，该工程地点在产流第区。将表1-2第9栏各时段毛雨量列于表1-3第1栏，计算各时段累积雨量，填于第2栏。将各时段累积雨量P与设计前期雨量Pa（该区为70mm），相加填入表4-8第3栏。在附表3-2（），得相应各时段累积径流R总，填于表1-3第4栏。计算各时段径流量R总，填于表1-3第5栏。2）扣除稳渗求时段地面径流量计算设计24小时平均暴雨强度=24/24=291.7/24=12.2mm/h.由=12.2mm/h，用经验公式fc=0.182计算得fc=2.22mm/h，取fc=2.2mm/h填于表1-3第6栏。由表1-3第5栏减去第6栏即得设计24小时净雨过程，填入表1-3第7栏。1.4推求五十年一遇设计洪水1）求设计洪峰流量Qm及汇流时间列表计算Qt值将表1-3第7栏自最大时段净雨开始，按前后相邻时段大小连续排列填于表1-4第1栏。由第1栏计算累积值ht值填于第2栏除于相应历时得ht/t值填于第3栏。由第3栏按公式Qt=0.278Fht/t计算各时段相应流量填于第4栏。列表试算Q值由附图4-2推理公式分区图知，该工程地点在第区。根据=L/J=1.2/(0.029)1/3=5.06。应用第区经验公式或直接查附图6-3（）计算参数m。用经验公式m=0.1000.417计算，得m=0.1966。根据公式=0.278L/MJ1/3Qt1/4=0.278/m，得不同值对应的流量，如表1-5第1、2栏。表1-3 岭下坞山塘五十年一遇净雨过程计算表项目 (mm)时间（t）序号123456789101112131415161718192021222324合计P(1)4.24.24.24.24.24.20008.38.38.310.621.021.036.794.624.47.57.56.74.24.23.2291.7P(2)4.28.412.616.821.025.225.225.225.233.541.850.160.781.7102.7139.4234.0258.4265.9273.4280.1284.3288.5291.7P+Pa(3)74.278.482.686.891.095.295.295.295.2103.5111.8120.1130.7151.7172.7209.4304.0328.4335.9343.4350.1354.3358.5361.7R总(4)1.63.24.86.48.19.79.79.79.713.517.722.629.845.763.299.4194.0218.4225.9233.4240.1245.3248.5251.7R总(5)1.61.61.61.61.71.60003.84.24.97.215.917.532.294.624.4 7.57.56.74.24.23.2R下(6)2.22.22.22.22.22.22.22.22.22.22.22.22.22.22.22.22.22.22.22.22.246.2H25(7)0000001.62.02.75.013.715.330.092.420.25.35.34.52.02.01.0203.0表1-4 岭下坞山塘Qtt计算表时段(60min)序号123456789101112131415总计ht(前后相邻大小排列)(1)92.430.020.215.313.75.35.35.04.52.72.02.02.01.61.0203.0ht(mm)(2) 92.4 122.4142.6157.9171.6176.9182.2187.2191.7194.4196.4198.4200.4202.0203.0ht/t(mm/h)(3)92.4 61.247.539.534.329.526.023.421.319.417.916.515.414.413.5Qt(m3/s)(4)5.394 3.573 2.773 2.306 2.002 1.722 1.518 1.366 1.243 1.133 1.045 0.963 0.899 0.841 0.788 表1-5 岭下坞山塘计算表（h）3.544.555.566.577.588.59Q(m3 /s)17.47 10.24 6.39 4.19 2.86 2.02 1.47 1.09 0.83 0.64 0.50 0.40 在excel中绘，相关线，如图1-1，得，光滑曲线交点A对应的流量Qm地面=1.9m3/s,汇流时间=6.2h，即为所求地面设计洪峰流量和汇流时间。图1-1 岭下坞山塘， 相关2）设计洪水过程线推求地面流量过程线的推求由暴雨手册中（表2-4）概化五点折腰多边形过程线推求地面流量过程线。各转折点的坐标如表1-6。表1-6 各点转折点坐标坐标序号a起涨点b起涨段转折点c洪峰d退水段转折点e终止点Q地面(m3/s)（1）00时间T（h）（2）00.1T0.25T0.5TTT为过程线底宽，由下式计算 T=9.67W/Qm地面 （h）式中：W为洪水总量，由下式计算已知净雨总量h24=203.0mm，地面洪峰流量Qm地面=1.9m/s,则W=0.1203.00.21=4.263 (万m)T=9.674.2631.9=21.69(h)根据表1-6第1、2两栏计算各转折点流量和时间，表1-7第1、2栏，即为所求地面流量过程线。表1-7 岭下坞山塘地面流量过程线计算表座标序号a点b点c点d点e点100.21.90.40T (h)202.175.4210.8521.69地下径流回加计算由已知表1-3第6栏地下径流深R下=46.2mm，表1-7地面径流过程线底宽T=21.69h。以此时间为地下流量峰顶位置，按下列公式计算地下流量峰值。Qm地下=R下F/3.6T=(46.20.21)/(3.621.69)=0.128m3/s,填入表1-8第5栏5行。自Qm地下开始，向后每增加一个时段（t=1h），其流量随之减少一个=1/21.690.128=0.006 m3/s，向前没减少一个时段（t），其流量减少一个,Q地下分别向后或向前填于表1-8第5栏第627行和第41行。即得地下流量过程线。 由第4、5两栏相加，填于第6栏，即为所求五十年一遇设计洪水过程线。图1-2所示。并得设计洪峰流量Qm =1.98m/s。 表1-8 岭下坞山塘五十年一遇设计洪水过程计算表序号时间Q地面(m3/s)Q地下(m3/s)Qt(m3/s)t(h)t(h)123456（1）00000.000（2）2.22.20.20.0130.213（3）5.43.21.90.0321.932（4）10.95.50.4 0.0640.464（5）21.710.800.1280.128（6）2410.1220.122（7）110.1160.116（8）210.1100.110（9）310.1040.104（10）410.0980.098（11）510.0920.092（12）610.0860.086续表1-8（13）710.0800.080（14）810.0720.072（15）910.0660.066（16）1010.0600.066（17）1110.0540.054（18）1210.0480.048（19）1310.0420.042（20）1410.0360.036（21）1510.0300.030（22）1610.0240.024（23）1710.0180.018（24）1810.0120.012 图12 岭下坞山塘五十年一遇设计洪水过程线图第二章 山塘坝体的基本剖面校核2.1坝顶高程的校核坝顶高程等于等于水库的静水位与坝顶超高之和，应按以下4种运用条件计算，取其最大1值：（1）设计洪水位+正常运用条件的坝顶超高；（2）正常蓄水位+正常运用条件的坝顶超高；（3）校核洪水位+非常运用条件的坝顶超高；（4）正常蓄水位+非常运用条件的坝顶超高；土石坝不允许漫顶溢流，要求坝顶距上游静水位必需有一定的超高Y，Y的对于工程的重要性不同而不同，超高值Y可由下式确定: Y=R+e+A 式中：R最大浪在坝坡上的爬高（查）；e最大风壅水面高度，即风壅水面超出原库水位高度的最大值；A安全加高，（m）；2.1.1波浪爬高计算根据江西省水利科学研究院提供的江西省塘坝除险整治技术指南 中指出：碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）附录A中的计算公式，采用莆田试验站公式，根据设计风速、风区长度、坡比、坡面护砌情况，在表2-1中查算R5值。设计风速根据当地气象资料，按下列规定采用：正常运用条件下，采用多年平均年最大风速的1.5倍；非常运用条件下，采用多年平均年最大风速。表2-1 塘坝风浪爬高、波高计算参考表风区吹程(m)设计风速(m/s)土石坝、堆石坝不同坡比(砌石护坡)下的波浪爬高R5%(m)1:2.251:2.001:1.801:1.751:1.601:1.4050100.130.140.150.160.170.18150.200.220.240.240.260.29200.270.300.330.340.360.39250.350.390.420.430.460.5300.430.470.510.520.560.61100100.170.190.210.210.230.25150.270.300.330.330.360.39200.370.410.450.460.490.54250.480.530.570.590.630.69300.590.640.700.720.760.84续表2-1200100.240.260.290.290.310.34150.370.410.450.460.490.53200.510.560.610.630.670.73250.650.720.780.800.850.94200300.800.880.950.981.041.14400100.330.360.390.400.430.47150.510.560.610.620.660.73200.700.770.830.850.911.00250.890.981.071.091.161.27301.091.201.301.331.421.56600100.390.430.470.480.510.56150.610.670.930.740.80.87200.840.921.001.021.091.20251.071.171.281.301.391.53301.301.431.561.591.701.86800100.440.490.530.540.580.64150.690.760.830.850.900.99200.951.051.141.161.241.36251.211.331.451.481.581.73301.481.631.771.811.932.111000100.490.540.590.600.640.70150.760.840.910.931.001.09201.051.151.251.281.371.5251.341.471.601.631.741.91301.631.731.951.992.132.331500100.590.650.700.720.760.84150.911.011.091.121.191.31201.251.381.501.531.631.79251.601.761.911.952.082.28301.942.142.322.372.542.782000100.670.730.800.810.870.95151.041.141.241.271.351.48201.421.561.701.731.852.03251.811.992.162.212.362.59302.202.422.632.692.873.15注：当采用混凝土预制板（块）护坡时，风浪爬高乘以1.125的系数。结合万年县所处位置及当地实际情况，本山塘整治选取设计吹程为100m，风速25m/s。查上表得风浪爬高R=0.53m。2.1.2安全加高确定据山塘的所属工程等级及运用情况，A可由表2-2的规定选定参数。表2-2 土坝安全加高A值坝的级别1234、5正常运用条件1.510.70.5非常运用条件（a）0.70.50.40.3非常运用条件（b）10.70.50.3汪家乡白石李家村岭下坞山塘库容约为7万m3。表2-3 水利水电工程分等指标工程等别工程规模水库库容（亿m3）1大（1）型102大（2）型10-13中型1-0.14小（1）型0.1-0.015小（2）型0.01-0.001根据表2-3水利水电工程分等指标，知山塘工程等别小于5，因此本次岭下坞整治工程选取： 正常运用条件：A=0.5m；非常运用条件：A=0.3m。1.3波浪雍高计算波浪雍高参照水库的计算公式：H=0.0166V(1/2)D(1/3)L=10.4h0.8hz =H2/L*(cth2H/L);经计算得：H=0.385m, L=4.85mhz= 0.07m2.1.4设计坝顶高程计算由上述可知：非常运用条件超高值：Y=0.53+0.3+0.007=0.837m；正常运用条件超高值：Y=0.53+0.5+0.007=1.037m；设计坝顶高程Z=校核洪水位+超高值校核洪水位为59.22m。设计洪水位为59.02m。计算的坝顶高程H1=59.22+0.837=60.057mH2=59.02+1.037=60.057m2.2实际坝顶高程验算本次整治按设计洪水位加正常运用条件下的坝顶超高和校核洪水位加非常运用条件下的坝顶超高两种情况计算，取最大值。 坝顶高程为60.057m60.05m，所以达到要求，不需要采取工程措施。塘坝除险整治原则上不应加高大坝。与前述所得坝顶高程比较，在不加高坝顶高程的情况下，可通过设立防浪墙来满足实际坝高满足设计要求。第三章 山塘坝体的渗流校核计算3.1 山塘坝体的渗流计算3.1.1 山塘坝体渗流计算的内容确定坝体内浸润线的位置；确定山塘坝体渗流主要参数渗流比降流速与流速；确定坝体的渗流量。土石坝渗流分析的方法主要有：水力学法、流体力学法、流网法、实验法和有限单元法。本设计采用水力学法。3.1.2 山塘坝体渗流计算的目的土石坝渗流分析的目的：土中饱和水的程度不同，土料的抗剪强度等力学特性也相应的发生变化，渗流分析将为坝体内各部分土的饱和状态的划分提供依据；确定对坝坡稳定有重要影响的渗流作用力； 进行坝体防渗布置与土料配制，根据坝体内部的渗流参数与深流溢出比降，检验土体的渗流稳定性，防止发生管涌和流土等渗流破坏现象，在此基础上确定坝体及坝基中防渗体的尺寸和排水设施的容量和尺寸；确定通过坝和河岸的渗水量损失，并设计排水系统的容量。确定山塘库水位在降落时上游坝壳内自由水面位置，并估算孔隙水压力的大小，供坝体上游的坝坡面稳定分析计算使用。3.1.3 山塘坝体渗流计算的渗流特性坝体和河岸中的渗流均为无压渗流，有浸润面的存在，大多数情况下可看到作为稳定渗流。但水库水位急降时，则产生不稳定的渗流，需要考虑渗流浸润面随时间变化对坝坡稳定的影响。但由于山塘水位一般不会急降，所以本次山塘整治认为是稳定渗流。土石坝中渗流流速V和比降J的关系一般符合如下规律：V=kJ1/式中：k为渗流系数，量纲与流速相同；为参量，=1-1.1时为层流，=2时为紊流，=1.1-1.85时为过渡流态。本整治工程认定山塘坝体渗流为层流，选取=1。对于宽广河谷中的土石坝，一般采用二维渗流即可满足要求。对于狭窄河谷中的高坝和岸边的绕坝渗流，则需要进行三维渗流分析。3.2山塘坝体渗流计算的方法3.2.1土石坝渗流计算分析的方法土石坝渗流计算分析的方法有：水力学法、流体力学法、流网法、实验法和有限单元法。本山塘整治设计工程采用水力学法计算分析。渗流计算应包括以下水位组合情况：1、上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；2、上游设计洪水位与下游相应的水位；3、上游校核洪水位与下游相应的水位；4、库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。渗流计算分析的基本方程达西公式：连续条件： 二维渗流方程： 3.2.2水力学法计算坝体渗流水力学法基本假定：1土料均一，各向同性2渗流属稳定流3看作平面问题4渗流看作层流5渗流符合连续定律基本要点:将坝内渗流分成若干段（即分段法），应用达西定律和杜比假定（假定任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等），建立各段的运动方程，根据水流连续性求解流速、流量和浸润线等。渗流分析的计算原理：平均流速： 单宽流量：将上式化为自上游面（x0，y=H1)至下游面（x=L,y=H2)积分得： 转换为可得浸润线方程：由上式可知，浸润线是一条二次抛物线形状，为渗流的基本公式。当渗流基本参数中的渗流量q为已知量时，即可绘制坝体渗流的浸润线，若边界条件为已知量，即可以计算出坝体的单宽渗漏量。均质土石坝的渗流计算常采用分段方法计算，一般有三段法和两段法两种。三段法是巴普洛夫斯基提出的，将渗流区分为三段，第一段为上游三角形ABG（见图3-1）,第二段为中间段ACIG，第三段为下游三角体CEI。对每一段用渐变流进行处理，然后通过三段联合求解，可求得其渗流量和浸润线AC。 图3-1 坝体渗流简图因三段法比较麻烦，所以采用在三段法基础上进行修改和简化的方法。它将第一段用矩形体AABG去代替，对该矩形的宽度确定的原则为：使在相同上游水深H1和单宽流量q的情况下，通过矩形体和三角形体的水头损失a相等。根据试验，等效矩形体宽度为H1，值由下式确定：式中 m1坝的上游边坡系数 ； 坝的上游水深。（1）上游段（AABIC）的计算：设水流从AB面入渗，在上游段可看做渐变渗流，CI是该渗流段最末的过水断面。渗流从AB断面的水头差为-（ao+H2）,两断面间的渗流长度可近似认为是l+H1- m2（ao+H2），m2为下游坝面的边坡系数。故上游的的平均水力为：根据杜比公式，上游段的平均渗流流速为：设上游段的单宽平均过水面积为：便得到单宽流量为：（2）下游段（CIE）的计算：在坝下游有水时，该段的渗流分为两个区域处理：下游水位线以上的部分为1区，以下部分分为2区。近似流线为水平线，如果一下游坝址E点为圆心，EC为半径画圆弧CJ代替CI作为过水断面，更接近实际情况。这时，流线长度可近似等于Z/sin（为下游坝坡的坡角）。1区中任一条的渗流损失等于该流线与C点的垂直距离z。2区中任一条流线的渗流水头损失为常数a0。1区中高度为dz相邻两流线间的单宽流量可表示为：在1区内积分后得：2区中高度为dz相邻两流线间的微小单宽流量可表示为：在2区内积分后得：综合1区和2区两者，下游段单宽总流量为：联解 可解得单宽渗流量q和渗出段高度，用试算法求解。3.2.3 均质土坝的渗流计算在本次山塘整治设计中，选择山塘坝体的最大断面进行渗流计算分析。地基的透水性较差，与坝体的渗透系数相差很大，可认为相对不透水。本次设计选择水位组合情况如下：1上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；2上游校核洪水位与下游相应的水位。其他水位组合情况的计算方法与步骤与以上两种组合完全一样，本设计选择两种组合，实际工程中设计需要对各种水位组合情况进行渗流的计算。（1） 水位组合情况1的渗流计算： 渗流计算的主要计算参数 ：坝体渗透系数K=2.610-4cm/s，l=10.12m上游水深H1=2.29m，上游坝坡=1:2.0;下游水深H2=0，下游坝坡=1:1.75。据试验，等效矩形体宽度为H1，值由下式确定：求得：=0.25。使用Microsoft excel办公软件进行试算。首先从0.4开始，每隔0.4进行试算，在进行夹逼，最后得出=0.285m，单宽流量q=6.28610-7m2/s。试算表3-1如下：表3-1 a0和q试算表 (m)0.40.30.20.50.280.290.285q(10-7m2/s)6.2506.282 6.313 6.2176.2886.2856.286q (10-7m2/s)8.751 6.5634.37610.9396.1266.3456.291将H1、q、k等值代入下述浸润线方程：得出浸润线的各位置：表3-2 浸润线坐标表X(m)01235791010.69Y(m)2.29 2.18 2.07 1.95 1.68 1.36 0.94 0.64 0.27以上表可得浸润线的长度约为10.69m，水头损失为2.02m,渗透坡降.可知坝体在水位组合情况1下不会发生渗透破坏。图3-2 正常蓄水位下坝体浸润线简图（2） 水位组合情况2的渗流计算：渗流计算的主要计算参数 ：坝体渗透系数K=2.610-4cm/s，l=12.92m；上游水深H1=1.89m，上游坝坡=1:2.0;下游水深H2=0，下游坝坡=1:1.75。=0.25。使用Microsoft excel办公软件进行试算。首先从0.2开始，每隔0.2进行试算，在进行夹逼，最后得出=0.16m，单宽流量q=3.46310-7m2/s。试算表格如下：表3-3 a0和q试算表ao(m)0.20.250.210.280.290.2010.180.170.160.15q1(10-7m2/s)3.4543.4393.4523.4273.4233.4543.4593.4613.4633.464q2(10-7m2/s)4.3766.2354.459 6.1266.3464.3983.9383.7193.4653.281将H1、q、k等值代入下述浸润线方程：得出浸润线的各位置：表3-4 浸润线坐标表X(m)0123567891111.92Y(m)1.89 1.82 1.74 1.67 1.50 1.40 1.31 1.20 1.08 0.80 0.36 以上表可得浸润线的长度约为12.92m，水头损失为1.89m,渗透坡降.可知坝体在水位组合情况2下不会发生渗透破坏。图3-3 校核洪水位下坝体浸润线简图第四章 坝体的稳定校核计算4.1坝坡失稳概述土石坝坝坡表面倾斜，土体在自重及外荷载作用下，将出现自上而下的滑动趋势。坝坡滑动的因素复杂多变，但其根本原因在于土体内部某个滑动面剪应力达到了其抗剪强度，使稳定的平衡遭到破坏。导致土石坝滑动失稳的原因有以下两种：1.外界荷载作用或土坡环境变化等导致土体内部剪应力加大。2.由于外界各种因素影响导致土体抗剪强度降低，促使土坡失稳破坏。稳定计算的目的:验算坝坡的稳定性。4.2坝坡稳定分析计算原理4.2.1坝坡稳定分析计算工况根据小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则SL18996，土石坝的稳定应计算以下的四种情况：施工期(包括竣工期)的上、下游坝坡；正常运用遇地震的上、下游坝坡。稳定渗流期的下游坝坡；水库水位降落期的上游坝坡；4.2.2土料抗剪强度指标的选取（1）确定抗剪强度指标的计算方法 抗剪强度指标的计算方法有总应力法和有效应力法。 对于各种计算工况，土的抗剪强度都可采用有效应力法按下式确定： 对于粘性土在施工期或库水位降落期（中、低坝），也可用总应力法，按下式确定：其中：土体的抗剪强度； 孔隙水压力； 、不排水剪的总强度指标；、固结不排水剪的总强度指标。 （2）在土石坝稳定校核设计中，土料的抗剪强度指标(涂料的内摩擦角和凝聚力c)选取的是否合理，对确定土石坝坝坡经济性和安全可靠性具有重要的意义。粘性土的抗剪强度指标一般采用三轴仪进行测定。对3级以下重要性较低的中低坝，容许采用直剪仪进行测定。仅对渗透系数小于10-7cm/s或压缩系数小于0.02的土料，才容许采用直接快剪或固结快剪试验测定级以下的中低坝的强度指标。4.2.3坝坡稳定计算方法的选择目前，工程上采用的土石坝的稳定分析法主要是建立在刚体极限平衡理论基础之上的。假设达到极限平衡状态时，土体将沿某一滑裂面产生剪切破坏而失稳。滑裂面上的各点，土体处于极限平衡状态，满足摩尔-库仑强度理论。根据土的分类方法，粘性土坡应包括粉土土坡和粘性土（粘土、粉质粘土）土坡。依据滑弧的不同型式，粘性土常用的稳定分析方法可分为整体圆弧滑动法（包括稳定数法）、瑞典条分法（包括总应力法和有效应力法）、折线滑动法和复合滑动法。规范采用的圆弧滑动静力计算公式有两种：一种是不考虑条块间作用力的瑞典圆弧法；另一种是考虑条块间作用力的毕肖普法。由于瑞典圆弧法不考虑相邻土条间的作用力，因而计算结果偏于保守。计算时若假定相邻土条界面上切向力为零，即只考虑条块间的水平作用力，就是简化毕肖普法。对于土坡圆弧滑裂面形式的稳定分析计算方法中，目前广泛采用的是瑞典圆弧滑动法。这个方法假定坝坡或坝坡连同坝基一起的坍滑，是位于某一圆弧上的土体整体地绕该圆弧的圆心发生转动。圆弧法是假定坝坡滑动面为一圆弧，取圆弧面以上土体作为分析对象。常用于均质坝、厚心墙坝和厚斜墙坝；圆弧法由瑞典人彼得森提出，故称瑞典圆弧法。该法把分滑动体分若干土条，不考虑土条间的作用力，把滑动土体相对圆弧圆心的总阻滑力矩Mr与总滑动力矩MT的比值定义为坝坡稳定安全系数。即为该滑裂面的稳定安全系数K=Mr/MS。而一系列圆心位置作出许多可能滑裂面将得出许多相应的K值，从中可以求出一个最小值Kmin。上、下游坝坡以及局部坝坡的Kmin值均应按照坝的等级和组合情况满足表4-1的要求，否则应该修改坝坡重新计算，直至满足要求为止。简化毕肖普法就是在瑞典圆弧法的基础上考虑到土条之间的相反互作用力，计算时若假定相邻土条界面上切向力为零，即只考虑条块间的水平作用力，其余计算同瑞典圆弧法。根据小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则SL18996，坝的静力稳定计算，对于均质坝、心墙坝和厚斜墙坝可按刚体极限平衡理论采用瑞典圆弧法；对于薄斜墙坝、薄心墙坝、坝基有软土夹层的坝体可采用滑楔法；对于岩基上的面板堆石坝可不做坝坡稳定计算，类比已成面板堆石坝，选定坝坡。本整治工程属于小型水利工程，为均质坝。为了设计过程中的计算方便，在满足安全性的前提下，本次整治工程设计采用瑞典圆弧法来校核土石坝坝坡的稳定性。4.2.4瑞典圆弧法计算安全系数选取根据小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则SL18996，采用瑞典圆弧法计算时，坝坡抗滑稳定安全系数应不小于表4-1规定的数值。表4-1 坝坡抗滑稳定最小安全系数表运 用 条 件最小安全系数正常运用条件(稳定渗流期，库水位正常降落)1.15非常运用条件(施工期；库水位非常降落，正常运用条件加地震)1.05注：库水位正常降落水库在正常工作条件下库水位的经常性降落。库水位非常降落水库在非常工作条件下库水位的降落（如校核洪水位的降落、从水库的某一水位降落到死水位以下，水库要求在短时间内及紧急放空等）。4.2.5瑞典圆弧法计算原理（1）瑞典圆弧法有下述假定：认为土坝坝体内只有垂直应力，此力等于其上的土柱重量，不计水平应力及剪应力；认为滑裂弧内的土体类似刚体并分为若干单独的土体，其重量可分为作用于弧面的法向分力和切向分力， 土条之间的侧压力视作内力互相抵消，因此忽略土条之间作用力。（2）基本公式 设某一滑裂面圆弧abc，圆心为O半径为R，图4-1瑞典圆弧法计算简图滑裂弧内的土体分为宽度相等的若干土条，土条高度为Hi，宽度为b，见图 4-1。土条的重量为 ： 土条重量的法向分力及切向分力为： 。 土体重量沿abc的总法向分力及总切向分力为：孔隙水压力ui：当土条自重计算中坡外水面以下部分的土重按有效土重(浮重)计算时，有效应力公式为ui = ih2 h2为浸润线至水位之间的高度，可能为负值。凝聚力CiCi=cili 滑动力矩和阻滑力矩总滑动力矩： 总抗滑力矩： 坝坡稳定安全系数为： （3）坡外有水时容重的选取按有效应力的简化法计算时，采取变换容重的办法来近似计算坝体稳定渗流期和上游水位降落时的渗透压力。具体办法是：浸润线以上的土体采用湿容重，浸润线以下、