do土石坝设计.doc

目录1.基本资料 4 2.土石坝断面设计73.坝体构造设计104.渗流计算115.坝坡稳定分析146.溢洪道设计20附件1. 设计情况渗流分析计算252.设计情况上游坡稳定计算32 3.设计情况上游坡稳定计算土条信息394.设计情况下游坡稳定计算485.设计情况下游坡稳定计算土条信息566.校核情况渗流分析计算667.校核情况上游坡稳定计算73 8.校核情况上游坡稳定计算土条信息799.校核情况下游坡稳定计算8910.校核情况下游坡稳定计算土条信息9711.正常情况渗流分析计算10912.正常情况上游坡稳定计算116 13.正常情况上游坡稳定计算土条信息12214.正常情况下游坡稳定计算13115.正常情况下游坡稳定计算土条信息1391 基本资料 赤竹径水库位于东源县顺天镇赤竹径河中下游，其地理位置在东经114044，北纬2408之间，库区枢纽位于顺天镇赤竹径村，赤竹径河属新丰江的三级支流，流域面积52.6 km2，坝址以上集雨面积44.6km2，占流域面积的85，河流长度17.5km，河床平均坡降J=0.0212。1.1设计依据1.1.1工程等别及建筑物级别本工程以灌溉为主，兼有防洪、发电等综合功能，主要解决新丰江水库移民农业灌溉用水，拦河坝为均质土坝，总库容1782.4万m3，正常蓄水位相应库容1445万m3，兴利库容1083.4万m3，死库容361.6万m3；电站为引水式电站，装机容量为1920kw（装机320千瓦/2台，640千瓦/2台），水库设计灌溉面积2.89万亩，有效灌溉面积2.52万亩，捍卫人口0.5万人，捍卫耕地面积0.5万亩。根据水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）的有关规定，属等工程，工程规模为中型，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。1.1.2设计洪水标准按照水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）的规定，各建筑物按如下洪水标准进行设计：设计洪水为100年一遇，相应设计洪水位为167.99m，校核洪水为1000年一遇，相应校核洪水位为169.26m，正常蓄水位为166.7m，汛期防限水位166.7m（同正常蓄水位）。溢洪道消能防冲设计洪水标准取30年一遇（P=3.33%）。1.1.3设计基本资料1.1.3.1流量资料设计洪水标准及流量（P=1%） Q=532.1m3/s校核洪水标准及流量（P=0.1%） Q=731.1m3/s溢洪道消能防冲设计洪水标准及流量（P=3.33%） Q=425.1m3/s1.1.3.2波浪计算参数风速库面多年平均10分钟最大风速为V10=15.8 m/s。风区长度(吹程)由于土坝坝前风向两侧水域不规则，考虑水域形状的影响，根据SL274-2001碾压式土石坝设计规范附录A规定的等效风区长度计算方法，吹程及角度由赤竹径水库库区万分之一地形图量得，等效风区长度由下式确定： i= 0、1、2、3、土坝的风区长度计算参数及计算成果见表1。坝前水深及水域平均水深坝前水深，采用各种复核工况的水库水位与各坝基高程之差确定，各坝水域的平均水深参考水库地形图资料确定，详见表2。表1 土坝等效风区长度计算表（）主坝( )-45-37.5-30-22.5-15-7.507.51522.53037.545(m)380470540620750110033029012304303603803001922934095257061078330284115736427223715159990.710.790.870.920.970.991.000.990.970.920.870.790.7111.5(m)522表2 坝前水深及平均水域深计算表 项目工况洪水位(m)坝底高程(m)主水域平均高程(m)坝前水深(m)平均水域深(m)主坝设计工况(P=1%)167.99135.2145.032.7922.99校核工况(P=0.1%)169.26135.2145.034.0624.261.1.3.3工程地质河床高程为136.00m。基岩白垩系上统灯塔群紫红色凝灰质长石砂岩, 按岩石风化状态，可划分为强风化带及弱风化带。强风化带厚1.14.0m，现场注水试验表明K=(2.475.94)10-4 cm/s，属中等透水性；弱风化带厚1.24.8m，未揭穿，注水试验K值为6.8410-5 2.0810-4 cm/s，平均1.2910-4 cm/s。压水试验透水率为7.4lu，属弱透水性。坝体填土：垂直渗透系数平均为2.010-6 cm/s，土体孔隙比平均0.65，含水率21.9%；干密度1.64g/cm3。各物理力学指标如表3。表3 坝体抗滑稳定计算参数取值土层名称湿密度(g/cm3)饱和密度(g/cm3)固结快剪慢剪cc大坝填土1.992.0322.023.4o16.026.2o反滤棱体2.12.2037.0o037.0o根据中国地震动参数区划图（GB18306-2001）知，该工程区的地震动峰值加速度小于0.05g，故不考虑地震设防。1.1.4主要技术规范小型水电站初步设计报告编制规程（SL/T179-96）水利水电工程等级划分及洪水标准（SL/252-2000）碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）水工钢筋混凝土结构设计规范（SL/T191-96）水工建筑物荷载设计规范DL5077-1997水工建筑物抗震设计规范SL203-972 设计内容和要求21 设计内容211 土石坝断面设计 212 坝体构造设计（防渗、排水设计） 213渗流计算 21坝坡稳定计算22 要求 要求按有关规范编写可行性研究设计文件： （1）设计说明书 （2）设计计算书 （3）设计图纸（A2图纸打印，包括断面图、细部构造图，要求各图均匀布满图纸，绘图满足制图规范要求）成果形式：每个学生提交纸质文件一套、电子文件一套（包括汇报）。 电子文件文件名为“学号+姓名”一、土石坝断面设计1、枢纽等级确定根据资料可知，大坝为等工程，设计洪水位100年一遇，校核洪水位1000年一遇，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。2、剖面设计（1）坝顶高程规范（SD7218-84）推荐采用莆田实验站统计分析公式计算平均爬高。1）设计工况已知： 坝前水深: 平均水域深：波浪平均波高和波长的计算因为 则有：平均波高：平均周期：平均波长：因为 ，所以为深水波。平均波浪爬高的计算 取单坡的坡度系数为m=3.0,选用砌石护面， 查课本62页表3-2得，取风向与坝轴垂直线的夹角为0，查表3-5得;由 ，查表3-3得平均爬高：计算设计爬高值R本工程设计中，波浪设计爬高R按建筑物的级别确定，对于级土石坝取累积频率的P=1%的爬高值 。根据 ，查课本62页表3-4得则设计爬高值为：坝顶高程的计算风壅水面高度：按级查得正常工作情况安全加高A=0.7m.坝顶超高：坝顶高程： 2）校核工况已知： 坝前水深： 平均水域深：波浪平均波高和波长的计算因为 ，则有：平均爬高：平均周期：平均波长：因为，所以为深水波。平均波浪爬高的计算 根据 ，查表3-3得平均爬高：计算设计爬高值R根据 ，查课本62页表3-4得则设计爬高值为：坝顶高程的计算风壅水面高度：按级查得非常工作情况安全加高A=0.4m.坝顶超高：坝顶高程：坝顶高程计算表(单位：m)计算工况静水位坝顶高程设计洪水位167.990.8920.0020.71.549169.25校核洪水位169.260.55750.0010.40.9585170.223）、坝顶高程的确定坝顶高程取上述情况的最大值，取170.22m,考虑在上游侧设置1.2m的防浪墙，则坝顶高程：坝高：因为竣工时的坝顶高程还应有足够的预留沉降值，以坝高侧1%为预留沉降值，则坝顶施工高程：坝高：（2）坝顶宽度根据运行、施工、构造、交通和人防等方面的要求综合研究确定。我国土石坝设计规范要求中低坝的最小顶宽为510m。该坝的高度为34.15m30m,属于中坝，坝顶为了满足交通要求，取坝顶宽度为8m。（3）坝坡对于中、底高度的均质坝，其平均坡度约为1:3；上游坝坡沿高度分成3段，自上而下坝坡的坡度为1:2.75、1:3.0、1:3.50；下游坝坡沿高度分成3段，自上而下把坝坡的坡度为1:2.5、1:2.75、1:3.50。该土石坝在上、下游变坡处设置马道，其宽度为2m；二、坝体构造设计（1）坝顶结构本设计坝体无交通要求，坝顶采用碎石铺设路面，为了排除雨水，坝顶通常设置向两侧或下游方向单侧倾斜的坡度，其坡度为2%3%，上游设1.2m高的防浪墙，下游侧有路沿石，每隔50100m在路沿石中设置排水孔，排水孔应与坝坡面横向排水沟衔接。（2）坝体防渗设计的土石坝采用壤土筑坝，渗透系数较小，所以壤土就是防渗材料。（3）坝基防渗本设计采用混凝土防渗墙。根据规范，防渗墙厚度一般取0.60.8m，墙顶插入防渗体的深度应大于1/10坝高且不小于2m，墙底嵌入若风化岩基不小于0.51m，均质坝可设置在坝脚1/31/2坝底宽处。设计混凝土防渗墙厚度0.8m，墙顶插入防渗体2m，墙底插入岩基0.8m。在上游40m处修建防渗墙。坝体剖面图（4）坝身与坝基、岸坡及其它建筑物连接的接触防渗1）坝身与坝基、岸坡的防渗：坝断面范围内清除坝基和岸坡上的草皮、树根、表土和废料，并把坝基表面的土压实，坝基与土石坝下游接触部位设置反滤层。岸坡应该平顺，并要在施工期保持稳定。2）坝身与其它建筑物的防渗：坝体与其它建筑物连接时，防止接触面的集中渗流，因不稳定沉降产生的裂缝，以及水流对上游坝坡和坝脚的冲刷危害影响。（5）坝体排水本设计为均质土石坝，全断面防渗，但仍有一定的渗水，故在坝体下游侧设置排水设备。坝体排水有棱体排水、贴坡排水、褥垫排水、混合式排水四种形式。棱体排水可以降低浸润线，防止坝坡冻胀且有支持坝体稳定作用。本设计采用棱体排水，设置在下游坝脚处，下游无水，棱体顶宽设为2.0m，顶面高程为3.0m。根据施工条件，棱体内坡设为1：1.5，外坡取1：2，棱体与坝体及地基间设置反滤层。（6）坝坡排水为了排除降落在坝面的雨水，下游坝坡上应设置纵横向的排水沟，沿坝轴线方向横向排水沟的间距约为50100m，纵向排水沟（沿轴线方向）通常设置在马道的内侧。（7）护坡1）上游护坡：采用砌石护坡，护坡范围从坝顶一直到坝脚，厚度为30cm。2）下游护坡：采用碎石护坡，厚度为30cm。三、渗流计算渗流计算图（1）正常高水位上游水位：166.7m 坝前水深：坝高： 渗透系数： 虚拟矩形宽度：ad到坐标原点的水平距离： bc至坐标原点的水平距离：浸润线在纵坐标上的高度：单宽渗流量：浸润线方程：（2）设计洪水位上游水位：167.99m 坝前水深：坝高： 渗透系数： 虚拟矩形宽度：ad到坐标原点的水平距离： bc至坐标原点的水平距离：浸润线在纵坐标上的高度：单宽渗流量：浸润线方程：（3）校核洪水位上游水位：169.26m 坝前水深：坝高： 渗透系数： 虚拟矩形宽度：ad到坐标原点的水平距离： bc至坐标原点的水平距离：浸润线在纵坐标上的高度：单宽渗流量：浸润线方程：渗流曲线坐标值xy正常高水位设计洪水位校核洪水位0.00 4.38 4.88 5.42 20.00 13.94 14.80 15.69 40.00 19.22 20.35 21.52 50.00 21.38 22.62 23.90 60.00 23.34 24.69 26.07 70.00 25.15 26.59 28.07 80.00 26.83 28.37 29.94 90.00 28.42 30.04 31.70 100.00 29.92 31.62 33.37 105.00 30.64 32.38 34.17 浸润线曲线图由图可知，以上三种情况下的渗流曲线没有相交点，说明渗流分析结果是合理的。四、坝坡稳定计算已知：坝体的湿重度：饱和重度：浮重度：反滤棱体：湿重度：饱和重度:浮重度：（一）正常高水位（1）滑动圆弧的圆心位置和滑动面形状如下图a.圆的半径R=80m.（2）将滑动土体划分为土条，并将其进行编号，取土条宽度为b=8m,以通过圆心O的铅垂线作为0号土条的中线，向左右两侧量取各土条，以左的编号为1、2.9，以右的编号为-1、-2、-3、-4，各土条的和 值填入计算表中的第、栏中；各土条的、 可按以下公式计算，如第1号土条：（3）量出各土条中心线的各种土体高度、，并填入表中的第和第栏内，第9号土条量出宽度 ，高度，不足一条土条b=8m的宽度，要将其换算成b=8m，高度 ；-4号土条量出的宽 ，高度 ，同理换算成宽度b=8m，高度。（4）计算表中各土条的重量；（5）计算： 弧长：坝坡稳定计算表（正常高水位）土条编号0014.1610.382.78 106.09 209.09 92.93 010.10.994.2611.4184.77 117.52 231.62 98.53 31.6420.20.984.512.9989.55 133.80 263.70 107.69 70.6530.30.954.7913.795.32 141.11 278.11 110.51 112.0340.40.925.1113.49101.69 138.95 273.85 108.92 150.2150.50.875.4712.27108.85 126.38 249.08 100.69 178.9760.60.85.879.88116.81 101.76 200.56 86.03 190.4370.70.716.316.07125.57 62.52 123.22 65.70 174.1580.80.66.66132.53 0.00 0.00 39.12 106.0390.90.440.428.36 0.00 0.00 1.81 7.52-1-0.1-0.994.068.9880.79 92.49 182.29 84.41 -26.31-2-0.2-0.983.955.6578.61 58.20 114.70 65.94 -38.66-3-0.3-0.953.911.4777.81 15.14 29.84 43.44 -31.3-4-0.4-0.921.5931.64 0.00 0.00 14.32 -12.66合计1020.04911.52（6）坝坡稳定系数： 故正常高水位情况下，坝坡稳定满足要求。（二）设计洪水位（1）滑动圆弧的圆心位置和滑动面形状如下图b.圆的半径R=84m.（2）弧长： 土条宽度：b=8.4m坝坡稳定计算表（设计洪水位）土条编号0013.978.9679.00 92.29 181.89 84.28010.10.993.7810.4175.22 107.22 211.32 88.8728.6520.20.983.6712.4473.03 128.13 252.53 96.9965.1130.30.953.8513.2976.62 136.89 269.79 99.79103.9240.40.924.0313.2280.20 136.17 268.37 97.93139.4350.50.874.4411.8888.36 122.36 241.16 90.2164.7660.60.85.099.12101.29 93.94 185.14 76.84171.8670.70.715.744.89114.23 50.37 99.27 57.5149.4580.80.64.89097.31 0.00 0.00 28.7377.85-1-0.10.994.157.382.59 75.19 148.19 76.85-23.08-2-0.20.984.33.5485.57 36.46 71.86 58.84-31.49-3-0.30.953.37067.06 0.00 0.00 31.35-20.12合计888.15826.34坝坡稳定系数： 故设计洪水位情况下，坝坡稳定满足要求。（三）校核洪水位（1）滑动圆弧的圆心位置和滑动面形状如下图c.圆的半径R=84m.（2）弧长： 土条宽度：b=8.4m坝坡稳定计算表（校核洪水位）土条编号0014.538.4590.15 87.04 171.54 87.17010.10.994.689.5593.13 98.37 193.87 93.2728.720.20.985.0611.11100.69 114.43 225.53 103.7365.2530.30.955.3511.87106.47 122.26 240.96 106.91104.2340.40.925.5711.77110.84 121.23 238.93 105.05139.9150.50.875.810.65115.42 109.70 216.20 96.36165.8160.60.859.2399.50 95.07 187.37 76.58172.1270.70.714.126.7481.99 69.42 136.82 52.89153.1780.80.63.182.1963.28 22.56 44.46 25.3486.19-1-0.10.994.357.1586.57 73.65 145.15 78.04-23.17-2-0.20.983.614.2771.84 43.98 86.68 55.84-31.7-3-0.30.953.45068.66 0.00 0.00 32.09-20.6合计913.27839.91坝坡稳定系数： 故校核洪水位情况下，坝坡稳定满足要求。5、 溢洪道设计1、 进口段由于溢洪道进口紧靠水库，水流条件较好，不需引水取渠，仅做喇叭口进口段。2、 控制端采用宽顶堰，堰顶高程为166.7m，堰顶泄水宽度为：已知最大泄流量：，堰顶高程为166.7m，校核洪水位为169.26m，堰顶水头： 取行进流速：3、 陡渠段（1） 判别水面曲线类型1）根据选定的溢洪道位置的落差，取底坡，底宽B=20m，糙率n=0.014，通过试算法求。假设则过水断面面积：湿周：水力半径：谢才系数：流量：，不符合要求，应重新试算，计算结果列于下表：流量试算表20240241.67 77.78 1419.99 0.0019 201.32622.61.15 73.12 720.90 0.0021 201.3126.222.621.16 73.20 729.74 0.0021 201.31226.2422.6241.16 73.22 731.51 0.0021 201.3226.422.641.17 73.28 738.61 0.0021 20120220.91 70.30 473.98 0.0022 201.07421.4822.1480.97 71.06 531.49 0.0021 由表可知，当，正常水深；，正常水深2） 计算临界水深，临界底坡临界水深公式： 临界底坡公式; 临界水深、临界底坡计算表计算工况设计工况532.12026.611.14.326.2422.6241.1673.220.0021校核工况731.12036.561.15.31321.4822.1480.9771.060.002由以上表可知，故属于陡坡，水流为急流，水面曲线为型降水曲线。（2） 水面曲线计算将该陡槽段分为11、2-2、3-3、4-4、5-5、6-6断面，总长为252.92m，起启断面水深为3.3m。利用分段求和法计算水面曲线，其计算结果列于下表。1） 设计洪水位情况断面1-13.36626.62.4883.1111.086.269.560.00720.00841.018.78.72-2360262.3182.1112.197.5810.580.00950.01131.4812.9921.693-32.75425.42.138113.549.3512.050.01310.0162.1820.0441.734-42.44824.81.9479.7415.2311.8414.240.01890.02373.3232.874.535-52.14224.21.7478.317.4115.4617.560.02850.052613.09180.87255.396-61.5330.623.061.3374.8823.8929.1230.650.0767有表可知，当长度为252.9m时，水深为h=1.53m.2) 校核洪水位情况断面1-13.36626.62.4883.118.063.326.620.00380.0050.796.586.582-22.85625.62.1981.389.54.617.410.00620.00750.877.4214.013-32.55025280.1810.645.788.280.00880.01664.6743.0657.074-41.83623.61.5376.6414.7811.1512.950.02440.02982.7629.0186.085-51.63223.21.3875.3616.6314.1115.710.03530.061610.57166.71252.796-61.22422.41.0775.2522.1725.0826.280.0879有表可知，当长度为252.9m时，水深为h=1.2m.（3) 边墙高度的确定因为水流为急流，水深沿程下降，考虑掺取其水深，其计算式为，安全加高为0.5m，修正系数，边墙高计算结果如下：1）设计洪水位断面静水水深流速掺气水深安全加高边墙高度1-13.38.063.619 0.54.119 2-22.89.53.119 0.53.619 3-32.510.642.819 0.53.319 4-41.814.782.119 0.52.619 5-51.616.631.919 0.52.419 6-61.222.171.519 0.52.019 2）校核洪水位断面静水水深流速掺气水深安全加高边墙高度1-13.311.083.739 0.54.239 2-2312.193.439 0.53.939 3-32.713.543.139 0.53.639 4-42.415.232.839 0.53.339 5-52.117.412.539 0.53.039 6-61.5323.891.969 0.52.469 4、 消能段因为溢洪道下游为岩基，采用挑流消能，挑射角为 ：；反弧半径为8m，鼻坎高程为136.37m,过校核洪水情况时，频率为P=1%,相应上游水位为169.26m，最大下泄流量为。上下游水位差：上游水位与鼻坎高差：坎顶至河床面高差：鼻坎处单宽流量：当初拟反弧半径为8m，反弧最低点高程为流能比：坝面流速系数：坎顶水面流速：坎顶垂直方向水深：水舌抛距： 最大冲坑水垫厚度：（k取1.5)最大冲刷坑深度：消能防冲验算:，验算结果满足要求，说明挑流消能形成的冲坑不会影响大坝的安全。5、 退水渠将冲沟稍加修理，使水流经冲沟平顺地进入原河道。附件一 设计情况渗流分析计算-计算项目： 设计情况渗流分析计算 -计算简图分析类型: 稳定流坡面信息 上游水位高: 32.790(m) 下游水位高: 2.000(m) 上游水位高2: -1000.000(m) 下游水位高2: -1000.000(m) 坡面线段数 13 坡面线号 水平投影(m) 竖直投影(m) 1 35.525 10.150 2 2.000 0.000 3 36.000 12.000 4 2.000 0.000 5 33.000 12.000 6 8.000 0.000 7 25.000 -10.000 8 2.000 0.000 9 27.500 -10.000 10 2.000 0.000 11 35.000 -10.000 12 2.000 0.000 13 8.300 -4.150土层信息 坡面节点数 = 16 编号 X(m) Y(m) 0 0.000 0.000 -1 35.525 10.150 -2 37.525 10.150 -3 73.525 22.150 -4 75.525 22.150 -5 108.525 34.150 -6 116.525 34.150 -7 141.525 24.150 -8 143.525 24.150 -9 171.025 14.150 -10 173.025 14.150 -11 208.025 4.150 -12 210.025 4.150 -13 218.325 0.000 -14 104.785 32.790 -15 214.325 2.000 附加节点数 = 9 编号 X(m) Y(m) 1 -10.000 0.000 2 -10.000 -6.000 3 70.500 -6.000 4 75.500 -6.000 5 228.325 -6.000 6 228.325 0.000 7 201.800 0.000 8 79.000 0.000 9 68.000 0.000 不同土性区域数 = 4 区号 土类型 Kx Ky Alfa 节点编号 (m/d) (m/d) (度) 1 细砂 0.34560 0.34560 0.000 (0,9,3,4,8,7,-11,-10,-9,-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,) 2 细砂 34.56000 34.56000 0.000 (7,-13,-12,-11,) 3 细砂 8.00000 8.00000 0.000 (0,1,2,3,9,) 4 细砂 8.00000 8.00000 0.000 (8,4,5,6,7,)面边界数据 面边界数 = 10 编号1, 边界类型: 已知水头 节点号: 1 - 0 节点水头高度 32.790 - 32.790 (m) 编号2, 边界类型: 已知水头 节点号: 0 - -1 节点水头高度 32.790 - 32.790 (m) 编号3, 边界类型: 已知水头 节点号: -1 - -2 节点水头高度 32.790 - 32.790 (m) 编号4, 边界类型: 已知水头 节点号: -2 - -3 节点水头高度 32.790 - 32.790 (m) 编号5, 边界类型: 已知水头 节点号: -3 - -4 节点水头高度 32.790 - 32.790 (m) 编号6, 边界类型: 已知水头 节点号: -4 - -14 节点水头高度 32.790 - 32.790 (m) 编号7, 边界类型: 已知水头 节点号: -15 - -13 节点水头高度 2.000 - 2.000 (m) 编号8, 边界类型: 已知水头 节点号: -13 - 6 节点水头高度 2.000 - 2.000 (m) 编号9, 边界类型: 可能的浸出点 节点号: -10 - -11 编号10, 边界类型: 可能的浸出点 节点号: -11 - 7点边界数据 点边界数 = 2 编号1, 边界类型: 已知水头 节点编号描述: -14 节点水头高度 32.790(m) 编号2, 边界类型: 已知水头 节点编号描述: -15 节点水头高度 2.000(m)计算参数 剖分长度 = 1.000(m) 收敛判断误差(两次计算的相对变化) = 0.100% 最大的迭代次数 = 30输出内容 计算流量: 流量计算截面的点数 = 2 编号 X(m) Y(m) 1 209.250 -10.000 2 209.250 10.000 画分析曲线: 分析曲线截面始点坐标: (0.000,0.000) 分析曲线截面终点坐标: (30.000,0.000)-计算结果:-渗流量 = -11.95621 m3/天 浸润线共分为 1 段 第 1段 X(m) Y(m) 104.785 32.790 105.120 30.966 105