擦玛沟水库大坝毕业设计说明书

擦玛沟水库沥青混凝土心墙坝设计 摘要 擦玛沟水库位于河南县境内泽曲流域左岸的一级支流擦玛沟上 坝址距河南县城 25km 距西 宁市 353km 其主要任务是城乡供水兼顾灌溉 主要解决优干宁镇以及荷日恒村 智后茂村 德日 隆村的城乡供水 以及新增 1 6 万亩饲草料地的灌溉 该毕业设计承担河南县擦玛沟水库挡水建筑物设计部分工作 根据已有的原始资料和该处地形图进行设计 主要内容有 擦玛沟水库工程坝址的选择 坝型 坝高及坝体基本剖面的确定 坝体的渗流分析 确定防渗体系 坝体稳定分析 细部结构设计 并 根据要求绘制相应的平面布置图和剖面图 关键词 擦玛沟 沥青混凝土 心墙 坝体设计 渗流分析 稳定分 析 ABSTRAT Camagou reservoir is located in jersey qu basin in HeNan County level tributaries of the left bank brush groove on dam site from HeNan county 25 kilometers 353 km away from XiNing city Its main task is to urban and rural water supply both irrigation mainly to solve water supply of YouGanNing town and HeRiHeng village ZhiHouMao village DeRiLong village irrigation combination and added 16000 acres of grass The graduation design for HeNan County camagou reservoir water retaining structure design part of the work According to the existing raw data and topographic map to carry on the design the main contents are brush ma ditch reservoir project dam site choice The dam type the determination of high dam and dam base profile Dam seepage analysis and determine the seepage control system The dam stability analysis Detail structure design And draw the corresponding layout and section according to the requirements Key words camagou asphalt concrete core wall dam design seepage analysis stability analysis 目录目录 1 绪论 1 2 基本资料 2 2 1 工程规模 2 2 2 工程等级及标准 2 2 3 水库主要特性指标 2 2 4 气象 2 2 5 工程地质 2 2 5 1 地形地貌 2 2 5 2 地层岩性 3 2 5 3 地质构造 3 2 5 4 水文地质条件 3 2 5 5 物理地质现象 4 3 大坝设计 5 3 1 坝址和坝型的比较 5 3 1 1 坝址比较 5 3 1 2 坝型比较 5 3 2 筑坝材料 5 3 3 大坝尺寸 6 3 3 1 坝坡与马道 6 3 3 2 坝顶高程 6 3 3 3 坝顶构造 8 3 4 防渗体设计 8 3 4 1 防渗体尺寸 8 3 4 2 过渡区 9 3 5 大坝分区 9 4 渗流分析 10 4 1 计算情况 10 4 2 确定浸润线方程 10 4 3 渗流量计算 11 4 4 坝基渗透稳定问题 11 4 4 1 渗透变形破坏形式 11 4 4 2 允许水力坡降 12 5 稳定计算 13 5 1 计算方法与原理 13 5 2 计算工况 14 5 3 稳定分析计算 14 5 3 1 正常运用情况 14 5 3 2 非常运用情况 19 5 4 坝体稳定分析结果 30 6 细部结构设计 31 6 1 护坡 31 6 2 坝体排水 31 6 3 反滤层设计 32 7 结论 33 参考文献 34 致谢 35 绪论 青海大学水利电力学院 1 1 绪论 擦玛沟水库位于河南县境内泽曲流域左岸的一级支流擦玛沟上 坝址距河南县城 25km 距西 宁市 353km 擦玛沟流域海拔在 3510 4045m 之间 河流全长 35 5km 流域面积 242km2 河道平 均比降 15 1 水库坝址位于擦玛沟中上游 坝址以上河长 12 2km 集水面积 60 9km2 河道平均 比降 17 8 擦玛沟水库作为河南县重要水源工程已编入了 青海省小型水库建设规划 修编 中 水库 总库容为 334 67 104m3 为 等小 1 型工程 擦玛沟水库的主要任务是城乡供水兼顾灌溉 主 要解决优干宁镇以及荷日恒村 智后茂村 德日隆村的城乡供水 以及新增 1 6 万亩饲草料地的灌 溉 水库建成运行后总供水量达到 581 64 104m3 其中居民生活用水 79 88 104m3 牲畜饮水 54 82 104m3 灌溉用水 293 33 104m3 工业用水 83 92 104m3 建筑业用水 22 60 104m3 三产用 水 47 09 104m3 河南县城到擦玛沟水库坝址有乡村公路 坝址附近有 10kv 线路经过 交通便利 施工用电方 便 当地筑坝材料丰富 建设条件较好 工程建成后 将对水资源进行合理开发利用 解决当地严 重缺水的问题 并改善下游河道内的生态环境 成为推动当地经济社会发展的重要骨干水源工程 设计的主要内容包括 确定大坝的位置 水利枢纽的布置 筑坝材料的选择 拟定大坝的基本 剖面尺寸 坝体渗流计算分析 坝体稳定计算分析 细部构造设计 青海大学毕业设计 擦玛沟水库沥青混凝土心墙坝设计 2 青海大学水利电力学院 大坝设计 青海大学水利电力学院 3 2 基本资料 2 1 工程规模 由流域水资源供需分析可知 擦玛沟流域具有一定的供水潜力 综合考虑流域实际情况和各行 业的用水需求 确定擦玛沟水库工程为城乡供水兼顾灌溉 供水任务 解决优干宁镇以及荷日恒村 智后茂村 德日隆村共 2 3 万人口和 5 49 万头 只牲 畜饮水 灌溉任务 解决新增 16000 亩饲草料地的灌溉用水 2 2 工程等级及标准 擦玛沟水库总库容为 334 67 104m3 根据 水利水电工程等别划分及洪水标准 SL252 2000 和 防洪标准 GB50201 94 的规定 本水库属 等小 1 型工程 其主要建筑物 大 坝 溢洪道 放水洞等 级别为 4 级 次要和临时建筑物 导流洞 上下游游围堰 施工道路等 级别为 5 级 根据上述规范 确定本工程主要建筑物的防洪标准采用 50 年一遇设计 相应洪峰流量 41 9m3 s 500 年一遇校核 相应洪峰流量 75 1m3 s 次要和临时性水工建筑物防洪标准采用 10 年一遇设计 相应洪峰流量 23 8m3 s 2 3 水库主要特性指标 经水库调节计算 泥沙淤积计算及调洪计算 最终确定总库容 334 67 104m3 其中死库容 17 99 104m3 兴利库容 251 45 104m3 防洪库容 65 23 104m3 相应死水位 3672 83m 正常蓄水位 3682 18m 设计洪水位 3682 89m 校核洪水位 3683 40m 2 4 气象 河南县位于青藏高原东北部 具有明显的高原大陆性气候特征 夏季雨量充沛且高度集中 冬 季降水稀少 干湿季分明雨热同期 根据河南气象站资料统计 多年平均气温 1 1 气温年较差 20 7 多年平均降水量 581 2mm 降水主要集中在 5 9 月 多年平均蒸发量 797 2mm 多年平 均日照时数 2545h 多年平均风速 2 3m s 年最大风速 18 m s 多年平均无霜期在 123d 2 5 工程地质 2 5 1 地形地貌 擦玛沟水库地处青海省东部 海拔 3600 3800m 水库所在沟谷为一山前 U 型冲沟 相对高 青海大学毕业设计 擦玛沟水库沥青混凝土心墙坝设计 4 青海大学水利电力学院 差 基本资料 青海大学水利电力学院 5 50 80m 山体自然坡角 10 40 坡面基本为草地 库区内仅发育不明显 级阶地 冲沟较发育 库区内小型冲沟较多 但均发育规模较小 延伸较短 约 200 300m 库区内较大冲沟主要有 1 个 在库区右岸 冲沟方向近东西向 最大延伸约 3km 在坡脚堆积呈小型洪积扇 但均对河道基本无 影响 河谷开阔 宽 200 300m 发育河漫滩 河道呈蛇曲状分布于河谷中 宽 5 10m 库区河 床总体纵坡坡降约为 1 2 2 5 2 地层岩性 根据地质测绘 工作区出露的地层岩性有 1 三叠系 T a 2 3 中上统砂质板岩 砂岩 主要分布于坝址区及上游库区一带 2 第四系全新统坡积 洪积 冲洪积松散堆积物 分布于库区各沟谷及斜坡表层地带 厚度 变化较大 2 5 3 地质构造 地处横恒东西的秦岭 昆仑复杂构造带部位 东西向构造形象显著 工程区北部受三叠系中统 曲什安 木岗隐伏断裂控制 同时受和日隐伏断裂影响 岩层强烈挤压 往往出现压扭性小裂隙小 皱褶发育 区域主构造线方向 NW 向 褶皱轴线与区域主构造线方向一致 属于松潘 甘孜印支皱 褶系 西倾山中间地块构造单元 主要区域断裂有瓦胡扎玛日压扭断层 位于北部相阿日 哈日肖勒背斜与代富桑向斜之间 长 达 80km 以上 断层略向北弯曲 总的走向大致为北西西向 290 在断层的东端为北盘之泥盆 石 炭系灰岩逆冲在南盘中 上三叠统砂板岩之上 在西端北盘出露中 上三叠统上 下岩组地层 南盘 出露中 上三叠统下岩组地层 造成南 北盘地层相顶的现象 根据北盘之中 上三叠统上岩组相对 往西错动的现象分析它属反时针方向扭动的压扭性质断层 此断层已切断秦岭东西构造带的结更背 斜轴及一系列的压性断层 应属康藏 歹 字型头部外围褶带的构造形迹 该断层距上坝址约 8 0km 达日桥断层 此断层长达 50km 以上 断层沿走向有扭曲 东部为北西西向 往西变为南 西向 断层两侧的地层常形成宽约百余米的破碎带 与断层面平行的一组节理发育 断层面呈舒缓 扭曲 断层倾向一般为 190 倾角 65 属压性 为秦岭东西构造的成分 该断层距上坝址约 4 5km 2 5 4 水文地质条件 区内水文地质特征受岩性 地形 地质构造的制约 地下水按其赋存形式 水理性质及水动力 特征可分为基岩裂隙水 松散岩类孔隙水两种类型 1 基岩裂隙水 河谷两岸基岩裂隙水主要分布于中生界三叠系板岩构成的中 高山区 中生界三叠系砂岩 砂 质板岩 由于该地区地质构造褶皱及断裂发育 岩性较为复杂 地层分界面 断层构造是地下水的 运移与富集通道 为地下水赋存条件提供了空间条件 呈网状或带状分布于岩体之中 水量受地形 条件的控制 其补给主要受大气降水补给 局部有承压 分布具不均一性 区内沿断层带常有泉水 呈线状分布 青海大学毕业设计 擦玛沟水库沥青混凝土心墙坝设计 6 青海大学水利电力学院 2 第四系孔隙潜水 基本资料 青海大学水利电力学院 7 河谷砂卵石层潜水分布于河谷及冲沟内的现代河床 漫滩及 阶地第四系冲积砂砾石层中 两 岸基岩裂隙水补给河谷河水或孔隙潜水 在坝址处河谷潜水埋藏深度与河水位相关性较好 地下水 位埋深较浅 一般为 1 0 4 0m 阶地及边缘地带埋藏深度大于 4m 含水层厚度在 5 10m 间 富水性好 呈条带状分布 补给条件好 受大气降水 上游地下水及基岩裂隙水的补给 水量丰富 地下水径流方向与河谷走向基本一致 2 5 5 物理地质现象 库区内物理地质现象主要有岩体的风化 崩塌 1 风化作用 在侵入岩组成的中高山区 气候的重直分带是岩体风化剥蚀作用的主要因素 之一 岩体在构造破碎的基础上遭受冻融破坏 表层岩石碎裂 风化作用强烈 岩体风化主要在下 坝址比较明显 岩性为砂质板岩 裸露在外 风化厚度 1 0 2 0m 多呈碎裂状 粉末状 2 崩塌 由于库区两岸大部分基岩裸露 沟谷侵蚀下切强烈 边坡陡峻 岩石构造节理 卸荷裂隙发育 使边坡失稳产生崩塌 在山顶处常形成高 10 30m 直立壁 易产生崩塌 造成边 坡失稳 并于坡脚形成倒石锥 并分散滑落在坡脚平坦处及河谷低洼处 工程区地处高寒高海拔地区 季节性冻土较发育 根据 青海省地面气象资料 30 年整编 1971 2000 年 工程区海拔 3700m 左右 在河谷盆地中 参考河南县 海拔 3500m 冻深 1 77m 工程区标准冻深为 1 8m 左右 青海大学毕业设计 擦玛沟水库沥青混凝土心墙坝设计 8 青海大学水利电力学院 3 大坝设计 3 1 坝址和坝型的比较 3 1 1 坝址比较 经现场踏勘 初步选择了上 下两个坝址 相距 0 7km 上坝址区河谷呈 U 型 谷底宽 260 287m 左右 谷底高程 3668m 左右 现代河床纵比降为 1 3 河床地形平坦 坝址分布的覆盖层主要有两岸坡积粉土层 现代河床冲洪积粉土 砂砾石及 右岸坡底坡洪积碎石土层 基岩岩性为中生代三叠系中上统砂质板岩 砂岩 大坝呈东西向布置 坝型为沥青混凝土心墙砂壳坝 经计算 上坝址方案工程总投资 19372 50 万元 下坝址区河谷呈 U 型 谷底宽 310 347m 左右 谷底高程 3660m 左右 现代河床纵比降为 1 0 河床地形平坦 坝址分布的覆盖层主要有两岸坡积粉土层 现代河床冲洪积粉土 砂砾石层 及右岸坡底坡冲洪积碎块石土 基岩岩性为三叠系中上统砂质板岩 砂岩 大坝呈东西向布置 坝 型为沥青混凝土心墙砂壳坝 经计算 下坝址方案工程总投资 20161 31 万元 经过比较 坝址选择为上坝址 3 1 2 坝型比较 坝型选择是根据当地建筑材料的储量和质量 地形和地质条件而定的 坝址区河谷呈 U 型 谷底宽 300 380m 左右 河床地形平坦 两岸山体表层分布有坡积粉土 其中左岸厚度约 3 11m 右岸厚度约 3 8m 河谷右侧分布有宽 50 80m 厚度为 4 8m 的坡积碎石土 河谷段砂 砾石厚度约为 18 23m 坝址区岩性为砂质板岩 砂岩 左右岸强风化厚度约 2 8m 河床强风化 厚度一般 4 6m 从坝址地质条件来看 不适合修建重力坝 拱坝等坝型 天然建筑材料的分布 储量和质量情况 坝址区无防渗土料 坝址附近砂砾石料储量较多 且各 项指标满足要求 因此 本次设计坝型选用沥青混凝土心墙坝 3 2 筑坝材料 根据工程总布置及建筑物设计 结合坝址附近天然建筑材料分布情况 本阶段选定了混凝土骨 料场 1 个 坝址区内 砂砾石填筑料场 1 个 坝址区上游 块石料场 2 个 坝址区上下游各一个 1 砂砾石料场 位于坝址上游库区 距坝址约 0 7 2 0km 距坝址较近 并有乡村道路通 过 交通较为方便 料场呈条带状分布于坝址区上游 料场表层 0 5 2 0m 为剥离层 料源为冲洪 积砂砾石 一般厚度为 14 16m 根据地质测绘和探坑揭露 枯水期料场地下水位平均埋深 1 0 3 0m 料场地下水位受河水影 响 料场基本为水下开采 开采条件较差 料场总面积约 65 104m2 2 混凝土骨料场 主要分布在坝址区河谷中 距离上坝址约 0 7 1 0km 呈带状分布 有 大坝设计 青海大学水利电力学院 9 用层厚度变化不大 表层有 0 5 2 0m 剥离层 属 类砂砾石料场 料场开采条件较好 运输方便 青海大学毕业设计 擦玛沟水库沥青混凝土心墙坝设计 10 青海大学水利电力学院 3 1 块石料场 1 块石料场位于坝址上游右岸河道拐弯处处 距上坝址约 700m 基岩出露 开采时无地下水 干扰 开采条件较好 料场岩性为三叠系砂质板岩 砂岩 青灰色 岩体较完整 呈块状结构 岩 质坚硬 全风化厚度约 0 5 1m 强风化厚度约 5 10m 4 2 块石料场 2 块石料场位于在下坝址右岸下游段 距上坝址约 700m 料场到坝址有乡间公路通过 开采 时无地下水干扰 开采条件良好 岩性为三叠系砂岩 砂质板岩 岩体完整 呈块状结构 岩质坚 硬 节理裂隙发育 全风化厚度约 0 5 1m 强风化厚 5 8m 3 3 大坝尺寸 3 3 1 坝坡与马道 土石坝坝坡对坝的稳定有直接影响 参照已建工程的实践经验初步拟定上下游坝坡尺寸 故 大坝上游坝坡取 1 2 5 下游坝坡取 1 2 上游坝坡在 3670 83m 高程处设置马道 马道宽 2 0m 下 游坝坡在 3674 00m 高程处设置马道 马道宽 5m 3 3 2 坝顶高程 根据碾压式土石坝设计规范 SL274 2001 坝顶在静水位以上的超高值按下式计算 y R e A式 3 1 式中 y 坝顶超高 m R 最大波浪在坝坡上的爬高 m A 安全加高 该坝为 4 级建筑物 查 水工建筑物 课本表 5 1 表格如下 表 3 1 土石坝安全加高表 坝的级别1234 5 正常运行条件1 50 1 00 0 70 0 50 非常运行条件 a 0 70 0 50 0 40 0 30 非常运行条件 b 1 00 0 70 0 50 0 30 得设计水位时取 A 0 5m 因属于山区 所以校核水位时取 A 0 3m 坝顶高程等于水库静水位与超高 y 之和 计算公式采用下列算式 2 2 式 3 2 式中 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 m 坝前水域平均水深 粗略估计为 32m K 综合摩阻系数 取 3 6 10 6 风向与水域中线的夹角 0 大坝设计 青海大学水利电力学院 11 W 设计风速正常运用取最大风速的 1 5 倍 27m s 非常运用取多年平均最大风速 18m s D 风区长度的确定 当沿风向两侧的水域较宽广时 可采用计算点到对岸的距 离 粗略估计为 1200m 则正常运用条件下 0 00501m 正 2 2 3 6 10 6 3 452 1200 2 9 8 32 1 非常运用条件下 0 00223m 非 2 2 3 6 10 6 2 32 1200 2 9 8 32 1 下面采用我国水利水电科学研究院推荐的计算波浪在坝顶上的爬高 0 45 1 0 6式 3 3 式中 设计波高 采用公式 0 0166 5 4 1 3 式 3 4 m 上游坝坡平均坡率 取 m 2 5 n 坝坡护面糙率 取 n 0 025 故正常运用情况波高为 正 0 0166 3 455 412001 3 1 086 正 0 45 1 086 2 5 1 0 025 0 6 1 788 非常运用情况波高为 非 0 0166 2 35 412001 3 0 654 非 0 45 0 654 2 5 1 0 025 0 6 1 077 考虑地震浪涌高 所以坝顶高程应在正常运行下附加上地震涌浪高度 因为地震基本烈度为 度 所以取 1 0m 坝顶高程取以下四种情况的最大值 1 设计水位加正常运用条件下的坝顶超高 2 正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高 3 校核洪水位加非常运用条件下的坝顶超高 4 正常蓄水位加非常运用条件下的坝顶超高加地震安全加高 四种计算成果见表 青海大学毕业设计 擦玛沟水库沥青混凝土心墙坝设计 12 青海大学水利电力学院 表 3 2 坝顶高程计算表 运用情况 静水位 m R m e m A m 地震浪 涌高 m 坝顶高程 m 1 3682 891 7880 0050 5 3685 18 2 3682 181 7880 0050 5 3684 47 3 3683 41 0770 0020 3 3684 78 4 3682 181 0770 0020 313684 56 3685 18 坝顶高程的最终结果为 3685 20m 3 3 3 坝顶构造 1 坝顶宽度 坝顶宽度应根据构造 施工 运行和抗震等因素确定 如无特殊要求 高坝的顶部宽度可选用 10 15m 中 低坝可选用 5 10m 由上坝址地质剖面图可知 坝底高程约为 3653m 故本坝最大坝高约为 32m 坝顶宽度设为 6m 2 防浪墙 坝顶上游侧宜设防浪墙 墙顶高于坝顶 1 2 米 防浪墙高程为 3686 40m 3 坝顶公路 大坝坝顶长度长 442 77m 设坝顶公路 坝顶护面可采用密实的砂砾石 碎石 单层砌石或沥 青混凝土等柔性材料以适应大坝的变形 并对防渗体起保护作用 防止干裂和雨水冲蚀 根据当地 材料 本设计采用 40cm 厚砂砾石路面 3 4 防渗体设计 本土石坝的防渗体设计为沥青砼心墙 位于坝体中心部位 是大坝的防渗区域 采用垂直布置 型式 本次设计初步选用 110 号沥青 并根据已建工程的经验 心墙渗透确定为 K 1 10 8cm s 3 4 1 防渗体尺寸 1 心墙顶宽与底宽 对于中低坝 沥青混凝土心墙底部厚度可采用坝高的 1 60 1 40 且不小于 40cm 顶部厚度可 以减小 但不小于 30cm 本坝坝高约为 32m 故顶部厚度取 40cm 底部厚度取 60cm 底部扩大段 高 1 5m 厚度为 1 6m 2 防渗体超高 防渗体顶部在正常蓄水位或设计洪水位以上的超高 在正常运行条件下 心墙应为 0 3 0 6m 在非常运行情况下 均不应低于该工况下的静水位 并应计算风浪爬高的影响 以防风浪形成的壅 水通过防渗体顶部渗向下游 当防渗体顶部设有稳定 坚固 不透水且与防渗体紧密结合的防浪墙 时 可将防渗体顶部高程放宽至正常运用静水位以上即可 本次心墙高程取 3683 40m 大坝设计 青海大学水利电力学院 13 3 4 2 过渡区 过渡区作为保护沥青砼心墙的材料 采用碎石或砂砾石 要求质密 坚硬 抗风化 耐侵蚀 颗粒级配连续 过渡层料按相对密度不低于 0 75 作为设计控制指标 上下游过渡料采用同一级配 采用砂砾石料 为便于碾压施工 过渡层厚度取为 1 5m 3 5 大坝分区 坝体结构设计以尽量利用当地材料为准 并根据当地不同材料的储量 坝基开挖料及各种料参 数的不同分为 4 个填筑区 第 区为砂砾石 位于大坝上 下游侧 采用坝址上游河床砂砾料填筑 根据砂砾石料场土工试验成果 砂砾石区按相对密度不低于 0 80 作为设计控制指标 由此按算出 设计干容重为 1 95g cm3 第 区为沥青砼心墙区 位于坝体中心部位 是大坝的防渗区域 采用 垂直布置型式 心墙顶高程为 3683 40m 沥青砼心墙采用碾压式 为便于碾压施工 顶部厚度为 40cm 底部厚度为 60cm 底部扩大段高 1 5m 厚度为 1 6m 本次设计初步选用 110 号沥青 并根 据已建工程的经验 心墙渗透确定为 K i 10 8cm s 第 区为过渡区 作为保护沥青砼心墙的材料 采用碎石或砂砾石 要求质密 坚硬 抗风化 耐侵蚀 颗粒级配连续 过渡层料按相对密度不低 于 0 75 作为设计控制指标 上下游过渡料采用同一级配 为便于碾压施工 过渡层厚度取为 1 5m 第 IV 区为下游排水体 采用贴坡式排水 选用块石料填筑 排水体顶部高程 3674 00m 水 平宽度 3m 青海大学毕业设计 擦玛沟水库沥青混凝土心墙坝设计 14 青海大学水利电力学院 4 渗流分析 渗流分析的内容包括 确定坝体内浸润线 确定渗流量 4 1 计算情况 渗流计算考虑下列的水位组合情况 1 设计情况对应的设计水位与下游无水的情况 2 校核情况对应的校核水位与下游无水的情况 4 2 确定浸润线方程 心墙的渗透系数很小 渗流通过心墙的水头损失较大 浸润线在心墙中形成很大跌落 渗流量 也减少很多 由于本次所设计的坝是建在有限深透水地基上 一般心墙的渗透系数 K 很小 因此 心墙前坝壳内的水位降落可忽略不计 心墙厚度按上下游心墙平均厚度 计 1 2 2 0 4 0 6 2 0 5 选择水力学方法解土坝渗流问题 根据坝内各部分渗流状况的特点 将坝体分为若干段 应用 达西定理近似解土坝渗流问题 通过心墙的 包括防渗墙 的单宽流量为 1 2 1 2 2 式 4 1 通过心墙下游坝壳的渗流量为 2 2 2 2 2 式 4 2 式中 q 单宽渗流量 H 心墙下游浸润线高度 心墙土料的渗流系数 本次设计初步选用 110 号沥青 渗透系数为 1 1 1 10 8 坝壳土料的渗流系数 采用砂砾石料 渗流系数为 2 2 8 83 10 2 上游水深 设计情况为 29 9m 校核情况为 30 4m 1 下游水深 取 0m 2 渗流分析 青海大学水利电力学院 15 心墙平均厚度 L 心墙下游边到下游水面线的距离 32 2 2 5 69 4 将数据带入两式 联立求解 青海大学毕业设计 擦玛沟水库沥青混凝土心墙坝设计 16 青海大学水利电力学院 分别可得设计情况 0 893 10 7 3 0 119 校核情况 0 924 10 7 3 0 121 通过比较当采用校核洪水位时的渗流量最大 对坝体最不利 所以采取校核水位所计算出的量 为控制量 故浸润线方程为 2 2 式 4 3 得 0 0146 0 000209 确定浸润线的方程可确定浸润线的位置 可为土石坝的稳定分析计算提供依据 4 3 渗流量计算 沿整个坝段的总渗流量 式 4 4 式中 m 考虑到坝宽 坝厚 渗流量沿坝轴线的不均匀性而加的折减系数 取 0 8 L 坝顶长度 L 442 77m q 单宽流量 故可得 0 8 442 77 0 924 10 7 3 273 10 5 3 渗流量的大小 可用于估算水库水量损失 4 4 坝基渗透稳定问题 坝基地层以冲洪积砂砾石层为主 该层分布稳定 厚度大 水库蓄水后 由于砂砾石层渗透压 力增大 在坝下游有可能产生渗透变形破坏 故对坝基砂砾石层渗透变形式及抗渗坡降进行评价 4 4 1 渗透变形破坏形式 根据野外对表层砂砾石层的试验 表层砂砾石层天然干密度平均值为 2 10g cm3 相应的孔隙 度 n 为 0 23 见表 3 16 坝址区表层砂砾石层天然密度试验成果表 砾石的密度试验成果及平均 颗分曲线见图 4 1 从图可以看出 表层卵 砾石平均颗分曲线总体斜率较为均匀 无明显的平缓 段 说明卵 砾石级配连续 由图可知 砂砾卵石层的细粒粒径的界限粒径平均为 相应的细颗粒含量为 23 6 根据 6 组颗分曲线判定 细颗粒含量 70 10 2 4 20 0 31 5 判定砾石渗透变形破坏形式为管涌或过渡型 渗流分析 青海大学水利电力学院 17 图 4 1 坝基河谷砾石层颗分曲线 表 4 1 坝址区表层砂砾石层天然密度试验成果表 深度 天然密 度 含水量 天然 干密 度 孔隙 率 细颗 粒含 量 编号 mg cm3 g cm3 渗透 变形 类型 d5d20 临界水 力比降 Jcr 10 52 234 872 1321 424 0管涌0 151 50 23 21 22 093 72 0225 723 5管涌0 201 60 26 31 52 143 12 0824 423 8管涌0 10 750 24 41 52 183 12 1122 431 5 过渡 型 0 0750 50 25 51 82 274 92 1621 520 0管涌0 202 00 24 61 22 183 72 1022 528 0 过渡 型 0 0750 40 32 最大值2 274 92 1625 731 50 32 最小值2 093 12 0221 420 00 23 平均值1 183 92 1023 025 10 26 4 4 2 允许水力坡降 根据本次野外试验计算 卵石层临界水力坡降为 0 23 0 32 平均 0 26 见表 4 1 大坝在本 工程中为重要建筑物 取安全系数 2 0 则允许水力坡降 J0 为 0 12 0 16 考虑到砾石层的不均一 性 坝基砾石允许水力坡降取 0 14 为宜 青海大学毕业设计 擦玛沟水库沥青混凝土心墙坝设计 18 青海大学水利电力学院 5 稳定计算 5 1 计算方法与原理 土石坝由于体积很大坝体重 不可能产生水平滑动 其失稳形式主要是坝坡滑动或坝坡与坝基 一起滑动 土石坝发生稳定破坏时 将带来严重后果 甚至垮坝 土石坝稳定分析的目的就是核算 土石坝在自重 孔隙压力和外荷载作用等各种情况下 坝的剖面是否稳定 安全 经济 对土石坝 来说 滑动面往往接近圆弧 滑裂曲面线在坝顶接近于垂直 在岩基上接近于坝坡底部处渐趋于水 平 因此 土石坝的滑裂面初定为圆弧面 根据水工建筑物经验采用瑞典圆弧法分析坝坡稳定是较 为合符实际 1 基本原理 瑞典圆弧法假定滑动面为圆柱面 将滑动面内土体视为刚体 边坡失稳时该土 体绕滑弧圆心 o 作旋转运动 计算时沿坝轴线取单宽按平面问题进行分析 由于土石坝工作条件复 杂 滑动体内的浸润线又呈曲线状 而且抗剪强度沿滑动面的分布也不一定均匀 因此 为了简化 计算和得到较为准确的的结果 实践中常采用条分法 即将滑动面上的土体按一定宽度分为若干个 铅直土条 分别计算各土条对圆心 o 的抗滑力矩 Mr 和滑动力矩 Ms 再分别取其总和 其比值即 为该滑动面的稳定安全系数 K 具有最小安全系数的滑动面的位置需通过试算确定 土料的粘聚性越强 相应的滑动面越深 无粘性土的滑动面则较浅 初步试算时 可将滑动面圆心的位置选在坝坡中部 坡线中点铅垂线与 法线之间的半径为 1 2 3 4 L 的范围内 L 为坝坡在水平面上的投影长度 基本公式 只考虑 自重荷载作用的情况 如图 5 1 图5 1 坝坡稳定计算图 稳定分析 青海大学水利电力学院 19 则坝坡稳定安全系数 K 为 cos tan sin 式 5 1 其中 i 为土条编号数 为计算抗滑力时的土条重 验算坝坡稳定时 土料容重凡在外水位以上的用 干容重 在外水位以下 浸润线以上的用饱和容重 在浸润 19 5 2 13 4 2 线以下 滑裂面以上的用浮容重 13 4 2 为 i 号土条底部弧长 sec 为 i 号土条底部圆弧中点和圆心 0 连线与过 o 点铅直线间的夹角 为 i 号土条底部滑弧面上土的内摩擦角和粘结力 36 0 5 2 计算工况 根据经验 土石坝的稳定分析需要考虑以下具有代表性的几种情况 1 正常运用情况 上游为正常蓄水位或设计洪水位与死水位之间的某一水位 下游为相应 水位时 在渗流稳定情况下的上 下游坝坡的稳定计算 2 非正常运用情况 I 施工期 上 下游坝坡的稳定计算 水库水位自校核洪水位降落 至死水位以下 上游坝坡的稳定计算 校核洪水位情况下有可能形成稳定渗流时的上 下游坝坡 的稳定计算 按 SL274 2001 碾压式土石坝设计规范 规定 坝坡抗滑稳定的最小安全系数根据坝的级别 确定 参考表 5 1 加以选取 表 5 1 坝坡抗滑稳定最小安全系数 工程等级 运用条件1234 5 正常运用条件1 501 351 301 25 非常运用条件 I1 301 251 201 15 非常运用条件 II1 201 151 151 10 对于正常运用条件下 4 级水工建筑物的坝坡抗滑稳定最小安全系数为 1 25 对于非常运用条件下 4 级水工建筑物的坝坡抗滑稳定最小安全系数分别为 1 15 和 1 10 5 3 稳定分析计算 5 3 1 正常运用情况 A 上游为正常蓄水位 3682 18m 下游为相应水位时 在渗流稳定情况下的上游坝坡的稳定 青海大学毕业设计 擦玛沟水库沥青混凝土心墙坝设计 20 青海大学水利电力学院 计算 cos tan sin 稳定分析 青海大学水利电力学院 21 式中 条块实重 1 2 式 5 2 正常蓄水位以上的条块实重 1 1 1 式 5 3 正常蓄水位以下的条块实重 2 2 2 式 5 4 23 4 10 13 4 2式 5 5 土条宽度 m b i 号土条底部圆弧中点和圆心 O 连线与过 O 点铅直线间的夹角 i 号土条底部滑弧面上土的内摩擦角和粘结力 36 0 图 5 2 正常情况上游坝坡稳定计算图 经过试算 R 取 60m 则土条厚度 b 0 1R 6 0m 将滑弧内土体用铅直线分成 14 个条块 对各 土条进行编号 以圆心正下方的一条编号为 i 0 并依次向上游为 i 1 2 3 向下游为 i 1 2 3 如图 5 2 所示 青海大学毕业设计 擦玛沟水库沥青混凝土心墙坝设计 22 青海大学水利电力学院 计算结果见下表 表 5 2 正常情况上游坝坡稳定计算表 土条编号 i m 1 m 2 sin cos 土条厚 度 91 876 563 0 89100650 453994 86 8014 0554 0 8090170 5877856 00 7017 5645 0 70710680 7071076 00 6019 6837 0 6018150 7986366 00 5020 7530 0 50 8660256 00 4020 9724 0 40673660 9135456 00 3020 5518 0 3090170 9510576 00 2020 1612 0 20791170 9781486 00 1018 366 0 10452850 9945226 00 0017 240 016 00 1015 966 0 10452850 9945226 00 2012 9612 0 20791170 9781486 00 309 3318 0 3090170 9510576 00 405 0424 0 40673660 9135456 02 土条编号 i 1 2 cos tan sin 9177 2199423 306600 5259198 2042535 0725 801129 621129 62482 7091913 8818 701411 8241411 824725 7716998 3103 601582 2721582 272918 6798952 2351 501668 31668 31050 362834 15 401685 9881685 9881119 745685 7531 301652 221652 221142 375510 5641 201620 8641620 8641152 618336 9966 101476 1441476 1441067 278154 2991 001386 0961386 0961007 6920 101283 1841283 184927 7644134 1293 201041 9841041 984740 9687216 6407 30750 132750 132518 6548231 8035 40406 5667406 5667270 0203165 3656 6669 20 cos tan 11322 84 sin 则当上游为正常蓄水位 3683 18m 下游为相应水位时 在渗流稳定情况下的上游坝坡抗滑 稳定安全系数为 cos tan sin 1 70 1 25 稳定分析 青海大学水利电力学院 23 故在正常运用情况下上游坝坡的设计是符合规范 安全稳定的 青海大学毕业设计 擦玛沟水库沥青混凝土心墙坝设计 24 青海大学水利电力学院 B 上游为正常蓄水位 3682 18m 下游为相应水位时 在渗流稳定情况下的下游坝坡的稳定 计算 cos tan sin 式中 浸润线以上的条块实重 1 浸润线以下的条块实重 2 其他符号意义相同 图 5 3 正常情况下游坝坡稳定计算图 经过试算 R 取 55m 则土条厚度 b 0 1R 5 5m 将滑弧内土体用铅直线分成 13 个条块 对各 土条进行编号 以圆心正下方的一条编号为 i 0 并依次向上游为 i 1 2 3 向下游为 i 1 2 3 如图 5 3 所示 稳定分析 青海大学水利电力学院 25 表 5 3 正常情况下游坝坡稳定计算表 土条编号 i m 1 m 2 sin cos 土条厚 度 31 683 8818 0 3090170 9510576 71 24 415 0212 0 20791170 9781485 50 17 155 586 0 10452850 9945225 50 08 525 580015 50 19 95 596 0 10452850 9945225 50 212 645 0412 0 20791170 9781485 50 315 383 9218 0 3090170 9510575 50 417 792 224 0 40673660 9135455 50 517 94030 0 50 8660255 50 617 51038 0 61566150 7880115 50 716 12045 0 70710680 7071075 50 813 45054 0 8090170 5877855 50 98 8064 0 8987940 4383714 75 土条编号 i 1 2 cos tan sin 9219 8196348 8663568 6859393 1997175 7336 8472 9725369 974842 9465599 4305175 2584 7766 8375411 2461178 084851 7749123 1433 6913 77411 2461325 016963 28660 51061 775411 9831473 7581065 553154 0497 41355 64371 4481727 0881228 155359 0818 31649 505288 9041938 4091340 251599 0013 21907 978162 142070 1181374 863841 9926 11924 06501924 0651211 392962 0325 01877 94801877 9481075 8461156 18 11728 8701728 87888 75441222 496 21442 51301442 513616 41431167 017 3815 10815 1259 769732 607 7668 59 cos tan 11868 69 sin 则当上游为正常蓄水位 3683 18m 下游为相应水位时 在渗流稳定情况下的下游坝坡抗滑 稳定安全系数为 cos tan sin 1 55 1 25 故在正常运用情况下下游坝坡的设计是符合规范 安全稳定的 青海大学毕业设计 擦玛沟水库沥青混凝土心墙坝设计 26 青海大学水利电力学院 5 3 2 非常运用情况 A 施工期 上游坝坡的稳定计算 cos tan sin 地下水位以上的条块实重 1 地下水位以下的条块实重 2 其他符号意义相同 图 5 4 施工期上游坝坡稳定计算图 经过试算 R 取 56m 则土条厚度 b 0 1R 5 6m 将滑弧内土体用铅直线分成 14 个条块 对各土 条进行编号 以圆心正下方的一条编号为 i 0 并依次向上游为 i 1 2 3 向下游为 i 1 2 3 如图 5 4 所示 稳定分析 青海大学水利电力学院 27 表 5 4 施工期上游坝坡稳定计算表 土条编号 i m 1 m 2 sin cos 土条厚 度 911 02066 0 91354550 4067375 94 816 32054 0 8090170 5877855 60 719 59045 0 70710680 7071075 60 618 193 3338 0 61566150 7880115 60 515 946 6430 0 50 8660255 60 413 669 1524 0 40673660 9135455 60 311 3310 9618 0 3090170 9510575 60 29 9112 1812 0 20791170 9781485 60 17 5812 796 0 10452850 9945225 60 06 4212 90 015 60 15 3412 836 0 10452850 9945225 60 2312 3412 0 20791170 9781485 60 30 7211 2318 0 3090170 9510575 60 407 9726 0 43837110 8987949 05 土条编号 i 1 2 cos tan sin 91276 44701276 447377 44211166 092 81782 14401782 144761 54561441 785 72139 22802139 2281099 7061512 663 61986 348249 88322236 2311281 1011376 761 51740 648498 26562238 9141409 6211119 457 41491 672686 6162178 2881446 705885 9895 31237 236822 43842059 6741424 096636 4744 21082 172913 98721996 1591419 495415 0248 1827 736959 76161787 4981292 392186 8444 0701 064968 0161669 081213 4210 1583 128962 76321545 8911117 706161 5896 2327 6925 99361253 594891 4471260 6368 378 624842 6992921 3232637 0195284 7045 40966 5219966 5219631 5479423 6953 9871 72 cos tan 15003 25 sin 则施工期时 上游坝坡的抗滑稳定系数为 cos tan sin 1 52 1 15 故在施工期上游坝坡的设计是符合规范要求 安全稳定的 青海大学毕业设计 擦玛沟水库沥青混凝土心墙坝设计 28 青海大学水利电力学院 B 施工期 下游坝坡的稳定计算 cos tan sin 符号与上游坝坡相同 图 5 5 施工期下游坝坡稳定计算图 经过试算 R 取 52m 则土条厚度 b 0 1R 5 2m 将滑弧内土体用铅直线分成 14 个条块 对各土 条进行编号 以圆心正下方的一条编号为 i 0 并依次向上游为 i 1 2 3 向下游为 i 1 2 3 如图 5 5 所示 稳定分析 青海大学水利电力学院 29 表 5 5 下游坝坡稳定计算表 土条编号 i m 1 m 2 sin cos 土条厚 度 402 4922 0 37460660 9271842 75 30 746 0318 0 3090170 9510575 20 23 197 1912 0 20791170 9781485 20 15 687 826 0 10452850 9945225 20 06 957 940 015 20 18 197 936 0 10452850 9945225 20 210 697 4912 0 20791170 9781485 20 313 26 5618 0 3090170 9510575 20 415 654 9824 0 40673660 9135455 2