水工建筑物土石坝课程设计汇本.doc

水工建筑物课程设计 课题课题名称 名称 土土 石石 坝坝 设设 计计 专业专业班班级级 水水 工工 本科本科 13 3 姓姓 名 名 袁袁 明明 炜炜 编编写日期 写日期 2016 年年 7 月月 1 日日 水利与水利与环环境学院境学院 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 目目录录 第第 1 章章 基本基本资资料料 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 枢枢纽纽布置布置 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 坝坝工工设计设计 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 坝坝体渗流体渗流计计算算 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 土石土石坝坝坝坝坡坡稳稳定分析及定分析及计计算算 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 细细部构造部构造 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 第第 1 章章 基本基本资资料料 1 1 工程概况工程概况 ZF 水库位于 QH 河干流上 水库控制流域面积 4990km2 库容 5 05 108m3 水库以灌溉发电为主 结合防洪 可引水灌溉农田 71 2 104亩 远期可发展到 104 104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 1 129 108kW 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 水文与水利水文与水利规规划划 1 气象 气象 流域年平均降雨量 686 1mm 70 集中在 6 9 月 多年年平均气温 8 9 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 水利水利计计算算 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 地形地地形地质质条件条件 1 2000 坝址附近地形图 建议坝轴线地质图见附图 1 库库区工程地区工程地质质条件条件 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 坝坝址区工程地址区工程地质质条件条件 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 45 104m3 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 上上坝坝址址 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 1 10 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 21 47m 深度范围内 有一强透水带 W 5 46 30 l s m2 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 s m2 应考虑排水 增加岩体稳定 2 下下坝坝址址 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 200 250m 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 建筑材料及筑建筑材料及筑坝坝材料技材料技术术指指标标的的选选定定 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 44 10 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 205 104m3 扣除漂石及围堰 淹没部分 可利用的砂砾料约 100 151 104m3 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 D 2mm 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 0 25 10 特别 重要 33 30 13 33 10 特 别重要 1200 二 10 1 0 重要 33 30 6 67 13 3 3 4 0 10 3 33 重 要 1200 3 00 三1 0 0 中等6 674 03 33中300 50 1 2 0 1 0 0 33等 四 0 1 0 01 一般 2 0 0 33 1 0 0 2 0 33 0 03 一 般 50 10 五 0 01 0 3 3 0 2 0 0 3 渗漏量 大坝在校核洪水位的库容为 5050 万 而每日渗漏量仅 3 m 0 21 故满足防渗要求 3 m 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 10 20 时不定 允许坡降可参考采用下列数字 10 20 允许 0 1 0 02 允许 0 1 所以满足要求 4 2 5 浸浸润线计润线计算算 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 4 2 6 理正理正软软件校核件校核 x m060120180 y m9 578 767 746 57 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 b12 000 m 12 000 m 12 000 m 土堤顶部高度 h71 660 m 71 660 m 71 660 m 上游坡坡率 1 m13 03 03 0 下游坡坡率 1 m22 52 52 5 堤身渗透系数 k0 003 m d 0 003 m d 0 003 m d 上游水位 h168 200 m 69 100 m 71 400 m 下游水位 h21 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 15m 8m 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 16m 8m 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 98m K 1 25 0 1 2 312 4 5H 323 325 H 71 85 M1 M 5 4 2 理正理正软软件件计计算算 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 第第 6 章章 细细部构造部构造 6 1 坝顶坝顶构造构造 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 护护坡坡 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 1 018 1 4 9 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 0 525 23 08 0 70003 4 156 KN 碎石护坡厚度 k D t67 1 1 67 0 700 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 反反滤层滤层 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 1 3 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 4 5 d85 得 反滤层的 D15 0 065 0 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 5 10 得 反滤层的 D15 0 5 1 之间 D15 5d15 得 反 滤层的 D15 0 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 25 1mm d 1 15mm d 5 20mm 0 15m0 15m0 25m 第一层 第二层 层 数 类 型 D50 m m 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 设置坝体排水设施 可以将渗入坝体内的水有计划的排出坝外 以达到降低坝体浸润线及孔隙 水压力 防止渗透变形 增加坝坡的稳定性 防止冻胀破坏的目