碾压土石坝计算书毕业设计.doc

目录第一章水文水利计算11.1推理公式法推求设计洪水位11.1.1工程地点流域特征值11.1.2设计暴雨的查算11.1.3设计24小时净雨过程的计算61.1.4推求30年一遇设计洪水61.2调洪演算10第二章 大坝剖面确定142.1 正常运行情况下的超高计算142.1.1波浪爬高142.1.2 风雍高度152.1.3 正常情况下超高152.2 非常运行情况下的超高计算162.2.1波浪爬高162.2.2 风雍高度172.2.3 正常情况下超高172.3 坝顶高程17第三章 土石坝渗流计算193.1 计算方法及计算假定193.2 本设计土坝渗流的具体计算20第四章 土石坝坝坡稳定计算274.1 稳定计算方法274.2计算过程274.3 稳定成果分析31第五章 溢洪道设计365.1 控制堰设计365.1.1 克奥型堰的剖面设计365.2 泄槽设计375.2.1. 泄槽的布置375.2.2泄槽水面曲线计算385.2.3克奥型堰的抗滑稳定验算455.3出口消能设计46参考文献51南昌工程学院本科毕业设计第一章 水文水利计算1.1推理公式法推求设计洪水位市东山街办南山村老虎坑，坝址座落于章江水系二级支流老虎坑河，东经11444，北纬2510，设计历时为24小时，坝址以上控制集水面积1.2km2，主河长1.63km，河床平均坡降43，设计频率为30年一遇为例。参照手册，计算步骤如下（说明：以下所用附图均来自于手册）：1.1.1工程地点流域特征值工程地点流域面积F=1.2km2，主河道长度L=1.63km，主河道比降J=0.043。1.1.2设计暴雨的查算1、求三十年一遇24小时点暴雨量根据工程地理位置查附图2-4，得流域中心最大24小时点暴雨值P24=101.5mm;附图2-5得Cv24 =0.37，由设计频率P=3.33%和CS=3.5Cv查附表5-2，得则30年一遇24小时点暴雨量2、求30年一遇24小时面暴雨量根据流域面积F=1.2km2和暴雨历时t=24h查附图5-1，得点面系数=0.9998。则30年一遇24小时面暴雨量为：3、求设计暴雨24小时的时程分配设计暴雨24小时雨配查附表2-1，得以60分钟为时段的雨型分配表，如表1-1。查算30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=72mm；P60min=44.5mm；查附图2-7和附图2-9，得Cv6=0.42；Cv60min=0.335。由设计频率P=3.33%和CS=3.5Cv查附表5-2得。则30年一遇60分钟，6小时点暴雨量为：13小时暴雨由公式计算，式中：。则P3（3.33%）=73.830.316=114mm。由流域面积F=1.2km2和暴雨历时t=60min，t=3h，t=6h分别查附图5-1，得点面系数a60min=0.9993，a3=0.9994，a6=0.9995。则30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。1南昌工程学院本科毕业设计时段 （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3表1-2 流域30年一遇24小时暴雨时程分配计算表5表1-3 流域30年一遇净雨过程计算51.1.3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1-3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=189.8/24=7.9mm/h.由=7.9mm/h，查中表2-3，用经验公式fc=0.196计算得fc=0.1967.9=1.55mm/h，取fc=1.6mm/h填于表2-3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1.1.4推求30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=1.63/(0.043)1/3=4.66。应用第区经验公式（手册表2-3）或直接查附图6-3（）计算参数m。用经验公式m=0.4290.164计算，得m=0.633。根据公式=0.278L/mJ1/3Q1/4=0.278/m，得不同值对应的流量，如表1-5第1、2栏。表1-5 流域计算表7点绘， 相关线，如图3-1，得， 光滑曲线交点对应的流量Qm地面=26.5m3/s,汇流时间=0.8h，即为所求地面设计洪峰流量和汇流时间。图1-1 本流域， 相关2、设计洪水过程线推求地面流量过程线的推求由(手册表3-2)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第1，2栏。表1-6 各点转折点坐标坐标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)00时间T（h）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=120.7mm，地面洪峰流量Qm地面=26.5m/s,则W=0.1120.71.2=14.5 (万m)T=9.6714.5/26.5=5.3 (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。9表1-7 该流域地面流量过程线计算表座标序号a点b点c点d点e点102.726.55.30T (h)200.51.32.75.3地下径流回加计算由已知表1-3第6栏地下径流深R下=29.3mm，表2-7地面径流过程线底宽T=5.3h。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=(29.31.2)/(3.65.3)=1.8m3/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=1/5.31.8=0.34 ，向前每减少一个时段（t），其流量减少一个Q地下=t/5.31.8=0.34t，分别向后或向前填于表2-8第5栏的第611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30年一遇设计洪水过程线。图1-2所示。并得设计洪峰流量Qm =26.94m/s。表1-8 该流域三十年一遇设计洪水过程计算表序号时间Qm地面（m2/s）Qm地下（m2/s）Q（m2/s）T(h)t(h)1234560000.00 00.50.52.70.17 2.87 1.30.826.50.44 26.94 2.71.45.30.92 6.22 5.32.601.81.86.311.461.467.311.121.128.310.780.789.310.440.4410.310.10.110.81001图1-2 三十年一遇的洪水过程线按照这种方法可以得到三百年一遇校核洪水线见图1-3，并得到校核洪峰流量Qm =36.52m/s。表1-9 该流域三百年一遇校核洪水过程计算表序号时间Qm地面（m2/s）Qm地下（m2/s）Q（m2/s）T(h)t(h)123456000000.60.63.60.2113.8111.40.8360.52336.5232.91.57.21.1088.3085.72.802.22.26.711.811.817.711.421.428.711.031.039.710.640.6410.710.250.2511.710011图1-3 三百年一遇的洪水过程线1.2调洪演算本设计采用的是无闸门控制的调洪计算和静库容曲线，调洪计算的基本方法为列表试算法。以下具体介绍设计洪水情况的列表式算法的步骤。1、确定起调水位入库洪水为设计洪水，起调水位取正常蓄水位181.0m，即堰顶高程为181.0m。2. 、绘制水库容积曲线ZV。由基本资料知水库水位容积关系表，见表1-10；将其绘制成水库容积曲线，见图1-4。表1-10 水库水位容积关系表Z(m)143.8150155160165170175180185A(万m2)00.771.873.394.868.1511.515.319.7V(万m3)02.398.9922.142.775.21241912793、计算并绘制蓄泄曲线qV在本设计中流量系数m=0.485，则P1/Hd=0.6。因为溢洪道自由泄洪，故淹没系数取=1、侧收缩系数均取=0.91，流量系数m=0.485，则水库溢洪道出流公式为： （1-1）根据公式（1-1）可以将不同水位对应的下泄流量得出，1时，代入公式（1-1）得q=7.4，以此类推得出表1-11，并画出图1-4。表1-11 水库qV、ZV关系Z(m)181182183184185V(万m3)207226.2243.8261.4279堰顶水头h（m）01234下泄流量q（m3/s）07.4 21.0 38.5 59.3 图1-4 南山水库qV、ZV关系曲线4、试算法法推求水库出流过程起始时段的下泄流量q=0m3/s，V=207万m3，先取计算时段t=1h。在时间t=1h时查洪水过程线图1-2，得到Q=22.5m3/s,于是求的平均值11.25 m3/s，分别填入表1-12的（2）、（3）假设h=0.1m，得Z=181+0.1=181.1m，将这些数字填入表1-12的栏；并可求的，填入表1-12的（8）栏，得出V=211.05万m3，再在库容水位曲线图1-3读出相应的库容V,=208.92 m3/s，与V进行比较，知道数值差比较大，故重新假设一个h，以此类推，试算过程如表1-11。最后得到一个V的值与V的值很接近，在进行下一个时段的试算。6.确定最大下泄流量和设计洪水位 表1-12中t=1h的出流过程，t=3h的流量4.43m3/s，小于入库流量4.9m3/s ，t=4h的流量4.31m3/s，大于入库流量2.8 m3/s。故流量最大及水位最高是在34小时之间，对此范围缩小时段，取t=0.2h，重新进行试算，得表1-11 第一时段 （0-1小时）的试算过程时间t（h）Q(m3/s)Q1+Q2/2(m3/s)h(m)q(m3/s)q1+q2/2(m3/s)V(104m3)V(104m3)Z(m)V,(104m3)（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）0011.2500.12 4.05 207181.00 122.50.10.23 211.05 181.10 208.920.150.43 0.22 3.97 418.05 181.15 209.880.20.66 0.33 3.93 625.05 181.20 210.840.210.71 0.36 3.92 832.05 181.21 211.030.2050.69 0.34 3.93 210.93 181.21 210.936表1-12中时刻t=3.2、3.4、3.6、3.8的泄流量（4h后的流量仍取t=1h试算），进一步分析知，最大值发生在3.23.4h之间，对此范围缩小时段，取t=0.05h，重新进行试算，得表1-12中时刻t=3.25的泄流量，t=3.25h的泄流量等于该时刻的入库流量，该值为所求最大下泄流量，即qm=4.45m3/s。 由各时刻的下泄流量查得各时刻水位，最大下泄流量qm=4.45m3/s，相应的总库容为220.66104m3，查图1-4得相应的校核洪水位Z设=181.71m。表1-12 P=3.33%调洪演算过程时间t（h）入库洪水量Q(m3/s)时段平均Q1+Q2/2(m3/s)下泄流量q(m3/s)时段平均下泄流量q1+q2/2(m3/s)时段内水库存水量变化V(104m3)水库存水量V(104m3)水库水位Z(m)0011.2500.34 3.93 207181.00 122.50.69 210.93 181.21 1.326.9424.721.45 1.07 2.55 213.48 181.34 21621.473.36 2.40 4.80 218.29 181.59 34.910.454.43 3.90 2.36 220.64 181.71 3.24.54.74.45 4.44 0.02 220.66 181.71 3.254.454.484.45 4.45 0.00 220.66 181.71 3.43.63.854.45 4.45 -0.03 220.63 181.71 3.63.43.54.39 4.42 -0.07 220.56 181.71 3.833.24.36 4.37 -0.08 220.48 181.70 42.82.94.31 4.34 -0.10 220.37 181.70 52.12.454.02 4.17 -0.62 219.76 181.67 13南昌工程学院本科毕业设计图1-5 南山水库调洪计算结果图同理可得校核况工下的最大下泄流量qm=5.98m3/s，相应的总库容为223.64104m3，查图1-4得相应的校核洪水位Z设=181.87m。第二章 大坝剖面确定2.1 正常运行情况下的超高计算2.1.1波浪爬高根据资料知，南山水库多年平均年最大风速为18m/s，吹程为1000m，工程等级为等，大坝为4级。有规范知正常运行条件下的1、2级坝，采用多年平均年最大风速的1.52.0倍，正常运行条件下的3、4、5级坝，采用多年平均年最大风速的1.5倍，故计算风速:设计时W=181.5=27m/s。南山水库挡水土坝上游坝坡采用砌石护面，故=0.750.80，取=0.75。上游坝坡系数m取2.5。坝前水深H：设计情况下H=181.71-133=48.71m；，查表2-1得Kw=1.01。表2-1 经验系数11.52.02.53.03.54.05.011.021.081.161.221.251.281.30蒲田试验站的波高和波长计算：1） 平均波高 用简化公式计算，代入已知参数得： 2） 平均周期Tm按以下公式计算：3） 有经验得知本设计计算平均按以下公式计算： 所以平均爬高为： 计算设计爬高值R。不同累计频率的爬高Rp与的比，可根据爬高统计分布表2-2确定。设计爬高值按建筑物级别而定，对于、级土石坝取累计频率P=1%的爬高值R1% ；对于、级坝取P=5%的R5% 。南山水库挡水土坝为4级，故本设计中P=5%，因为，所以，则Rp=1.84=1。840.673=1.238m。 表2-2 爬高统计分布（Rp/Rm值）P(%)hm/H0.1124510152030500.32.131.861.761.651.611.481.391.311.190.992.1.2 风雍高度根据条件取风向与坝轴线垂线的夹角为=0。计算坝前最大风壅水面高度e：2.1.3 正常情况下超高表2-3 安全加高A单位：m计算情况坝的级别1234、5设计1.501.000.700.50校核山区、丘陵区0.700.500.400.30平原、海海区1.000.700.500.30安全加高值：设计时A=0.50m。Y=R+e+A=1.238+0.0028+0.5=1.741m故设计水位下的坝顶高程为=181.71+1.741=183.45m。2.2 非常运行情况下的超高计算2.2.1波浪爬高根据资料知，南山水库多年平均年最大风速为18m/s，工程等级为等，大坝为4级。由规范知非常运行条件下，采用多年平均年最大风速，故计算风速:校核时W=18m/s。南山水库挡水土坝上游坝坡采用砌石护面，故=0.750.80，取=0.75。上游坝坡系数m取2.5。坝前水深H：校核情况下H=181.87-133=48.87m；，查表2-1得Kw=1.0。蒲田试验站的波高和波长计算：1） 平均波高 用简化公式计算，代入已知参数得： 2） 平均周期Tm按以下公式计算：3） 有经验得知本设计计算平均按以下公式计算： 所以平均爬高为： 计算设计爬高值R。不同累计频率的爬高Rp与Rm的比，可根据爬高统计分布表2-2确定。设计爬高值按建筑物级别而定，对于、级土石坝取累计频率P=1%的爬高值R1% ；对于、级坝取P=5%的R5% 。南山水库挡水土坝为4级，故本设计中P=5%，因为，所以，则Rp=1.84=1。840.426=0.78m。 2.2.2 风雍高度根据条件取风向与坝轴线垂线的夹角为=0。计算坝前最大风壅水面高度e：2.2.3 正常情况下超高已知条件知本设计是在丘陵地带，故安全加高值：校核时A=0.30m。Y=R+e+A=0.78+0.0012+0.3=1.08m故设计水位下的坝顶高程为=181.87+1.08=182.92m。2.3 坝顶高程坝顶高程等于水库静水位与超高之和，应分别按设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高；校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高，然后取其中最大值为坝顶高程。应该指出，这里计算的坝顶高程是指坝体沉降稳定后的数值。因此，竣工时的坝顶高程还应有足够的预留沉陷值。对于施工质量良好的土石坝，坝顶沉降值约为坝高的0.2%0.4%。本设计采用了0.4%的沉降计算。正常情况：施工高程为非常情况：施工高程为综合考虑，本设计坝顶不设防浪墙，现将计算成果列于表2-4中。坝顶高程由设计情况控制，设计竣工时坝顶高程为183.7m。表2-4 坝顶高程计算表计算项目设计情况校核情况上游静水位m181.71181.87河底高程m133坝前水深Hmm48.7148.87吹程Dkm1风向与坝轴线的夹角（）0风速Wm/s2718风浪引起雍高em0.00280.0012波高hmm0.4312.332土坝上游坝坡坡率m2.5上游糙率n0.025波浪沿坝坡爬高Rpm1.2380.78 安全超高Am0.50.3坝顶高程m183.45182.92坝顶高程加0.4%沉陷m183.65183.12第三章 土石坝渗流计算3.1 计算方法及计算假定根据坝内各部分渗流特点，将坝体分为若干段，应用达西定理近似解土坝渗流问题，计算假定任一过水断面内各点渗透坡降均相等。通过防渗体渗流量： (3-1)通过防渗体后侧坝体渗流量： (3-2)式中：坝体的渗透系数，m/s；：截水墙的渗透系数，m/s；：坝基的渗透系数，m/s；：上游水深，m；：防渗体下游侧逸出水深，m；h：心墙浸润线的逸出高度，m；T：透水地基厚度，m；：心墙平均厚度，m；：从防渗体渗流逸出处到浸润线与排水棱体上游坡交点的水平距离，m。假设：（1）不考虑防渗体上游侧坝壳损耗水头的作用。(2)由于砂砾料渗透系数较大，防渗体又损耗了大部分水头，逸出点位置高程与下游水位高差不是太大，认为不会形成逸出高度。根据水流连续条件，q=q1=q2，联立等式（5-6）和（5-7），可求得心墙后水深h和q。心墙内的浸润线按式（5-5），心墙后浸润线可按式（5-8）计算。坝体下游浸润线方程： （3-3）图3-1 透水地基上带截水槽的心墙坝的渗透计算3.2 本设计土坝渗流的具体计算在本设计中，渗流计算选取河床最大坝高断面，具体的计算工况如下：(a)工况1，水库为正常蓄水位稳定渗流期；(b)工况2，水库为设计洪水位稳定渗流期；(c)工况3，水库为校核洪水位稳定渗流期；(d)工况4，库水位自校核洪水位降至正常蓄水位时；(e)工况5，库水位自正常蓄水位下降至死水位时。现仅以工况3和工况5为例，工况1、工况2只在数值方面区别于工况3，工况4也只在数值方面区别于工况5，而它们的计算方法和步骤完全一样。在稳定计算里也只取此种情况进行计算。1. 工况3的渗流计算1）渗流计算的简化图 由基本资料知，透水层地基厚度在25.125.8m之间，现取透水层厚度T=25.8m15m，因此根据规范知地基的防渗体不能采用单一的粘性土截水槽，在本设计中地基的防渗处理采用粘土截水槽和混凝土防渗墙组成的防渗体。但在渗流分析时为了便于渗流计算和套用有限深透水地基上土石坝的渗透计算模型，暂将粘土截水槽和混凝土防渗墙组成的防渗体代之以单一的粘土截水槽，见图3-2。如果按后者计算出的浸润线进行稳定分析得出的坝坡是稳定的，那么前者也并将是稳定的。因为粘土截水槽和混凝土防渗墙组成的防渗体的防渗性能比单一的粘土截水槽要强得多。2）计算参数 心墙渗透系数K0=610-8m/s，透水地基渗透系数KT=310-6m/s，下游坝壳土的渗透系数K=4.3310-6m/s；上游水深H1=48.87m，下游水深H2=1.05m，透水层厚度T=25.8m，L=108.23；心墙的平均厚度=心墙总面积总高=13.84m。心墙底部厚度：心墙面积：心墙的平均厚度：坝顶边缘至棱体顶部的水平距离：图3-2 渗流计算简图3) 计算步骤将现已知的参数代入公式（3-1）、（3-2）中，假设h在算出对应的q1和q2，直到出现q1=q2，这时的h就是要求的逸出点水深。工况3试算表如下表3-1：表3-1 工况3 h和q试算表h(m)q1(10-5m2/s)q2（10-5m2/s)21.041 0.067 41.016 0.220 60.989 0.389 80.961 0.574 100.931 0.774 110.915 0.880 11.20.912 0.901 11.220.912 0.904 11.240.911 0.906 11.260.911 0.908 11.280.911 0.910 11.2840.910 0.910 11.30.910 0.912 11.40.909 0.923 120.899 0.989 140.865 1.221 160.830 1.467 所以心墙后水深h=11.284m，通过坝基和坝身的总单宽流量q=0.9110-5m2/s。然后将q=0.9110-5m2/s，H1=h=11.284m、K=4.3310-6m/s、KT=310-6m/s和T=25.8m代入公式（3-3）求出下游坝壳内的浸润线方程：代入一定的y值求得对应的x值，描出一些点，再用光滑的线连接，即为浸润线。（注：下游浸润线是以图3-2所示O点位坐标原点描点）计算结果如表3-2，绘图3-3。图3-2 校核洪水位下游坝壳内的浸润线代表坐标y(m)024681011.284x(m)109.77 106.32 95.97 78.73 54.59 23.56 0.00 将q=0.9110-5m2/s，H1=48.87+25.8=74.67m和K0=610-8m/s代入式得心墙内浸润线方程：。代入一定的x值求得对应的y值，描出一些点，再用光滑的线连接，即为浸润线。（注：心墙浸润线是以图3-3所示O点位坐标原点描点）计算结果如表3-3，绘图3-3。表3-3 校核洪水位心墙内的浸润线代表坐标x(m)02468101213.84y(m)74.6770.49 66.05 61.28 56.12 50.42 44 37.11 图3-3 校核洪水位时的浸润线图同理工况1通过试算得出对应的逸出点水深h，及单款流量，试算表格如下（表3-4），可以由表3-5、3-6下游和心墙的代表坐标绘出浸润线，如图3-4所示。（注：坐标原点的选取和校核情况的一致）表3-4 工况1 h和q试算表h(m)q1(10-5m2/s)q2（10-5m2/s)2.000 1.036 0.137 4.000 1.011 0.290 6.000 0.984 0.459 8.000 0.956 0.644 10.000 0.926 0.844 10.200 0.922 0.865 10.400 0.919 0.886 10.600 0.916 0.907 10.680 0.915 0.915 10.800 0.913 0.928 11.000 0.910 0.950 13.000 0.877 1.173 所以心墙后水深h=10.68m，通过坝基和坝身的总单宽流量q=0.91510-5m2/s。图3-5 正常蓄水位下游坝壳内的浸润线代表坐标y(m)0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 10.68 x(m)108.63 104.82 93.39 74.34 47.68 13.39 0.00 表3-6 正常蓄水位心墙内的浸润线代表坐标x(m)0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 13.84y(m)73.8069.5465.0160.1454.8348.9542.2735.00图3-4 正常蓄水位时的浸润线图同理工况2通过试算得出对应的逸出点水深h，及单款流量，试算表格如下（表3-7），可以由表3-8、3-9下游和心墙的代表坐标绘出浸润线，如图3-5所示。（注：坐标原点的选取和校核情况的一致）表3-7 工况2 h和q试算表h(m)q1(10-5m2/s)q2（10-5m2/s)2.00 1.036 0.075 4.00 1.011 0.229 6.00 0.984 0.397 8.00 0.956 0.582 10.00 0.926 0.782 11.00 0.910 0.888 11.10 0.908 0.899 11.180 0.907 0.907 11.200 0.907 0.910 11.400 0.903 0.931 11.600 0.900 0.953 12.000 0.894 0.998 13.000 0.877 1.111 所以心墙后水深h=11.18m，通过坝基和坝身的总单宽流量q=0.90710-5m2/s。图3-8 设计洪水位下游坝壳内的浸润线代表坐标y(m)0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 11.18 x(m)109.64 106.13 95.61 78.06 53.50 21.92 0.00 表3-9 设计洪水位心墙内的浸润线代表坐标x(m)02468101213.84y(m)74.51 70.34 65.90 61.14 55.97 50.28 43.86 36.98 图3-5 设计洪水位时的浸润线图2. 工况5的渗流计算为绘制出正常蓄水位降至死水位时上游坝壳内的浸润线，可将心墙前的上游土坝和透水层简化成不透水层地基上均匀土石坝的渗流计算,考虑最不利情况，于是取正常蓄水位为计算水位。上游水位H1=48+25.8=73.8m，下游水位H2=17+25.8=42.8m，取渗透系数K=2.2810-6m/s，L=88.58m，将其带入式得单宽流量q。 在将q=4.6510-5m/s，H1=73.8m和K=2.2810-6m/s代入式得浸润线方程： 上游坝壳浸润线只绘出坝体内部的那段，坝外部分不必绘出，现将坝内浸润线列于表3-10，绘于图3-6。值得注意的是：在稳定分析时死水位以上上游浸润线以下的土体均为饱和状态。表3-10 工况4 上游坝壳浸润线代表坐标x(m)0102030405060708088.58y(m)73.8070.9868.0564.9861.7658.3754.7650.9046.7342.82图3-6 正常蓄水位降至死水位渗流简图对于工况5，从校核水位181.87.m降至正常蓄水位181.00m，落差只有0.87m，这对坝上游坡的稳定性无影响，故在此不进行渗流分析和稳定计算，以节省设计时间。3. 成果分析与结论心墙之后的坝壳，由于水头大部分在防渗体内损耗了，因此坝壳渗透坡降及渗透速度甚小，发生渗透破坏的可能性不大。而在心墙逸出点渗透坡降较大，故应对其进行验算。渗透坡降的计算公式： 式中：上游水深减逸出水深； ：防渗体的平均厚度。具体计算如下：工况1 工况2 工况3 表3-11 各工况下的渗透坡降工况123渗透坡降2.72.712.72填筑土料的安全坡降，根据实践经验一般为J4，故而认为渗透坡降满足要求，加上重壤土心墙有反滤层，故而认为不会发生渗透破坏。第四章 土石坝坝坡稳定计算4.1 稳定计算方法本设计采用瑞典圆弧法计算坝坡稳定。假定滑裂面为一个圆柱面（剖面上是一个圆弧），安全系数定义为土条在滑裂面上所提供的抗滑力矩和滑动力矩之比。将可能滑动面以上的土体划分成若干铅直土条，不考虑土条间相互作用力的影响，可以计算出作用于土条底面的法向力和切向力。计算工况：稳定渗流期下游坝坡稳定。上游校核洪水位+下游相应的水位计算内容：确定下游坝坡的最小抗滑稳定系数，判断初拟的剖面是否满足稳定要求。滑弧面的选择：起点在坝顶，与心墙相交，与坝基相切或附近，端点在坝坡脚附近。荷载计算：土石坝坝体自重分浸润线以上、浸润线以下与下游水面线以上、下游水面线以下3种情况来考虑。在浸润线以上的土体，按湿容重计算；在浸润线以下、下游水面线以上的土体，按饱和容重计算；在下游水面线以下的土体，按浮容重计算。由于本设计中下游浸润线与下游水位基本持平，坝体自重只分两种情况考虑。稳定判断：土石坝坝坡的抗滑稳定安全系数应不小于规范规定的数值。4.2计算过程南山水库挡水土坝坝坡稳定计算分析采用的计算断面和计算工况与渗流计算一样，在这仅以工况3即上游为校核洪水位，下游为相应的最高水位时，在稳定渗流情况下的下游坝坡的稳定计算为例进行说明。具体计算步骤如下：（1） 确定最小稳定安全系数的圆心范围。本坝坡为折线，应从坝顶至坝底作直线作为平均坝坡线，量取其平均坡度为24，约为1:2.2，用插值法查表得R1=0.8H，R2=1.86H，最大坝高为H=183.7-133=50.7m，所以R1=40.56m，R2=94.302m。在坝坡中点引出两条线，一条为铅直线，另一条鱼坝坡线成85角，另外两个边界坝坡中点为圆心作两个圆弧，内外圆弧的半径分别是R1 、R2。该法认为最危险的滑弧的圆心在图4-1所示直线MM1的延长线附近,并且在扇形面积bcdf内。图4-1 寻求最危险滑弧位置示意图（2） 用1:1000的比例尺绘出坝体横断面，取其厚度1米，将计算的浸润线绘于图上。经试算，确定最小稳定安全系数滑裂面圆弧半径R=113.58m，圆心O3，作用圆弧滑裂面。（3） 取条块宽度，以通过圆心铅直线作为第0号土条的中心线，向左以宽度11.4量得为8块，编号为18号；同样向右量得3块，编号为-1-3.各土条的，值，并填入表4-1中14、15栏。（4） 根据本例具体情况，分为三区，即下游坝壳区、棱体排水区和地基区。下游坝壳区内浸润线以上的土条高度用h1表示，浸润线以下的下游静水位以上及下游静水位以下的土条高度分别用h2及h3表示；棱体排水区内下游静水位以下的高度用h3表示；坝基区内下游静水位以下的高度用h4表示。在CAD图上量得土条各区的高度，并填入表4-1中37栏。左侧土条8、-3的宽度小于b，故要先在CAD图上量取面积，再除以量取的宽度，得到的才是土条高度，土条8的宽度量得为9.05m，面积为69.04m2，土条-3宽度量得为5.3m，面积为8.68 m2。计算各区土条分段条块的重量，计算重量时下游坝壳区浸润线以上用土料湿容重=2.0吨/米2，下游水位以下用土料浮容重=1.11吨/米2，浸润线以下的下游静水位以上部分，计算滑动力时用饱和容重=2.11吨/米2，计算抗滑力时用浮容重=1.11吨/米2；棱体排水区下游水位以下用=0.79吨/米2；地基土用浮容重=1.4吨/米2。将土条分段条块重量求出后分别填入表的812栏中，再计算土条总重 填入13栏中。（5） 将圆弧面上摩擦系数填入16栏中。（6） 孔隙水压力是不可以忽视的力，尤其是在水位变化的情况下，将水的容重乘以土条中线的高度就是孔隙水压力，填入16栏。（7） 图条宽度b除以，得到，乘以对应的粘聚力填入18栏中。（8） 计算出（Wncosn-un）tann和Wnsinn，填入19、20栏。（9） 在滑动面上总滑动力为Wnsinn，总抗滑力为（Wncosn-un）tann+ cnln ，分别对圆心O取力矩，滑动力矩为RWnsinn，抗滑力矩为R（Wncosn-un）tann+ cnln），则坝坡稳定系数K为：满足稳定要求。同理得，其他几种工况下的最小稳定安全系数，见表4-2、4-3。在水位骤降的情况下，仍然延续取最危险工况来计算，即为最高水位，工况5只需计算正常蓄水位的安全系数，若满足则该工况满足要求，这只是验算是否安全，若要精细此方法不可使用，本设计用该方法，简化工作量，其他步骤和上述工况3一致。图4-1 校核洪水位时的浸润线和稳定计算图图4-2 设计洪水位时的浸润线和稳定计算图图4-3 正常蓄水位时的浸润线和稳定计算图图4-4 正常蓄水位降至死水位时的浸润线和稳定计算图4.3 稳定成果分析现以工况3为例，得出下表，其他工况类似。算得的结果如下表表4-5 各工况下最小稳定安全系数工况最小稳定安全系数正常蓄水位1.22设计水位1.28校核水位1.31正常蓄水位将至死水位1.45由上述计算成果可知：该坝在各工况条件下的最小稳定安全系数均大于规范规定的1.15，所以初步拟定的大坝断面尺寸是安全合理的。各工况下的稳定安全系数均比规范大0.6左右，因此坝坡坡率还有变小的空间。55表4-1 校核洪水位稳定计算表表4-2 设计洪水位稳定计算表表4-3 正常蓄水位位稳