沟后沥青混凝土心墙土石坝毕业论文.doc

河北工程大学毕业设计沟后沥青混凝土心墙土石坝毕业论文目录摘要1Abstract2目录10 绪论41 概述51.1 工程概况及作用51.2 设计的主要任务及基本要求52 设计基本资料62.1 水文气象62.1.1 气象62.1.2 径流72.1.3洪水72.1.4 泥沙72.1.5 水文分析成果表72.2 工程地质92.2.1 库区工程地质条件92.2.2 坝址地区工程地质条件92.2.3 泄洪隧洞的工程地质条件102.3 筑坝材料及其物理力学性质102.4 水库和水利112.4.1 径流调节112.4.2 死水位选择112.4.3 正常高水位选择112.4.4 洪水标准及防洪淹没原则122.4.5水库回水及淹没122.5 工程特性表123 枢纽布置及坝型选择153.1 工程标准的确定153.1.1 枢纽等级153.1.2 主要建筑物的等级153.1.3 洪水标准153.2 枢纽布置153.2.1 设计参数的确定153.2.2 总体布置153.2.3 枢纽组成153.3 坝型选择163.3.1筑坝材料163.3.2地形条件163.3.3地质条件163.3.4 气候条件163.3.5 施工条件163.3.6 确定坝型164 土石坝剖面的基本尺寸164.1 坝顶高程的确定174.1.1 设计洪水位+正常运用情况超高194.1.2 校核洪水位+非常运用情况超高204.1.3 正常蓄水位+地震安全加高214.1.4 坝顶高程的确定及坝高的确定214.2 坝顶宽度224.3 坝坡224.4 马道224.5 防渗体234.5.1 坝体防渗234.5.2 过渡层234.5.3 坝基防渗234.6 排水设备235 土石坝的渗流计算245.1 设计说明245.1.1 渗流分析245.1.2 渗流分析方法245.1.3 渗流分析的工况245.1.4 渗透系数的选择245.1.5 计算剖面的选择245.2 上游校核洪水位3278.00m，下游相应水位3224.85m的渗流计算255.2.1 最大（1-1）剖面渗流计算 桩号（0+106.5）265.2.2 （2-2）剖面渗流计算 桩号(0+36.5）295.2.3 （3-3）剖面渗流计算 桩号(0+185）325.2.4 总渗流量计算345.2.5 校核345.3 上游设计洪水位3278.00米，下游相应水位3224.85米的渗流计算345.4 上游正常蓄水位3278.00米，下游相应最低水位3224.25米的渗流计算355.4.1 最大（1-1）剖面渗流计算 桩号（0+106.5）355.4.2 （2-2）剖面渗流计算 桩号（0+36.5）365.4.3 （3-3）剖面渗流计算 桩号（0+185）385.4.4 总渗流量的计算395.4.5 校核396 土石坝的稳定分析406.1 稳定分析的目的406.2 作用在土石坝上的荷载406.2.1 土体自重406.2.2 渗流力406.2.3 孔隙压力406.2.4 地震力406.3 稳定分析方法406.4 稳定分析的不利工况406.5 安全系数的选用416.6 稳定计算416.6.1 稳定渗流期下游坡稳定计算416.6.2 库水位骤降期的上游坝坡稳定计算467 沉降量计算517.1 坝体沉降量计算517.1.1 基本假定517.1.2 方法与步骤517.2 坝基沉降量计算527.2.1 基本假定527.2.2 方法与步骤527.2.3 土坝的沉降量528 土石料的结构布置538.1 坝壳的结构布置538.2 防渗体的结构布置538.3 排水设施及护坡的结构布置538.4 过渡层的结构布置539 细部构造549.1 坝顶549.2 防渗体559.3 护坡559.3.1 上游护坡559.3.2 下游护坡569.3.3 坝坡排水569.4 排水设施579.5 地基处理5810 土坝与地基、岸坡的连接5910.1土石坝与坝基的连接5910.2土石坝与坝基的连接5911土石坝的施工60谢辞690 绪论本次设计为毕业设计，是对大学四年来所学知识的一次综合性的总结概括；是考察学生理论知识与实践能力的一次演练；是为学生走向工作岗位打下一定基础的关键一步；是学生走向社会工作的第一步；是了解自我，自我定位的好机会。本次设计的主要目的是让学生们体会在工作实践中所必须具备的精神，了解工程设计的过程程序，锻炼学生们的实践能力，为走向工作岗位打下一定基础。本设计主要是关于土石坝方面的问题，要求设计成果合理，各项指标达到国家规范要求。土石坝是世界历史上最为悠久，应用最为广泛，随着近年来大型土方施工机械，沿途理论和计算机术的发展，放宽了对筑坝材料的使用范围，缩短了工期，也是土石坝成为当今世界上坝工建设中发展最快的一种坝型。椐统计，至20世纪80年代末，世界上修建的100米高坝中，土石坝的比例达到75以上。由于地质、地形、施工技术等方面的原因，同一时期我国已建的高土石坝较少，主要为中低土石坝。但随着我国能源和水利事业的迅猛发展，我国今后也将逐渐发展高土石坝。例如：黄河小浪底坝，高151米；龙门坝，高220米；龙滩坝，高240米等均为土石坝。本设计主要是让同学们了解工程设计的过程程序，知道工程实践中所牵涉的工作环节，应注意的关键问题，为以后走向工作岗位打下良好的基础；同时锻炼同学们的实践动手能力和操作能力，改变思维方法，提高工作效率。鉴于本次设计性质，本设计主要对大坝和泄洪隧洞进行详细计算说明。大坝设计中主要对枢纽布置、坝型选择、剖面尺寸、渗流、稳定等做详尽计算说明；泄洪隧洞设计主要对总体布置、水力计算、结构计算、细部构造等进行计算说明。关于其它方面做合理文字说明，未进行详细计算。711 概述1.1 工程概况及作用沟后水库枢纽工程位于青海省共和县恰恰镇沟后村附近的黄河一级支流沟后河上。水库坝址以上控制流域面积为197.8平方公里库容330万立方米，属小（1）型四等工程。本水库为安置龙羊峡水库库区移民的配套工程。水库以灌溉为主，可灌溉共和县农田二万亩，林地五千亩，同时解决恰恰镇三万多居民的生活及城镇工业用水。枢纽工程包括大坝，泄洪兼引水隧洞两部分。1.2 设计的主要任务及基本要求确定洪水标准，工程级别，坝型选择；枢纽布置，进行方案比较确定枢纽布置，绘制枢纽布置平面图，上.下游立视图；坝工设计，进行断面设计，渗流计算，稳定计算，沉降量计算，细部构造设计；基础处理，坝与两岸的连接；隧洞的设计等。要求设计者必须充分重视和熟悉原始资料，明确设计任务，在规定时间内按设计要求完成设计任务，从工程实际出发，严格执行技术规范的要求，尽量采用国内外先进的技术和经验，每个参加设计的学生必须独立思考，发挥自己的创造性独立完成设计任务，理论依据正确充分，布置合理，计算准确，绘图正确，清晰，成果尽可能标准。2 设计基本资料2.1 水文气象流域内大部分地区人烟稀少，没有气象台站，仅在恰卜恰镇有气象站，也无实测系列水文资料，径流、洪水、泥沙计算系根据青海省水文手册及设计暴雨洪水图集等有关资料进行。2.1.1 气象流域所在地区地势高，气温多变，年平均气温底，约为3.4C，昼夜及地势温差大，天霜期短，年日照时间长，大部分地区寒冷而干燥，常冬无夏，春去秋来，纯属大陆性高原气候区。本区虽地处内陆，但因青海湖调节作用，降水相对丰富，年平均降水为311.8毫米。降水集中在69月，为全年的87.8%暴雨历时短，据统计年最大6小时降雨量占24小时降雨量的70%左右，大部分蒸发量是降水量的310倍，年平均蒸发量为117.18毫米。表格1 主要气象因素特征值表项目 单位数值备注年平均气温 C3.4无霜期天99年平均降水量毫米311.8极端最地气温C-28.9最高气温C31.3年平均大于30C天数天1.25最大冻土深度米1.33年最大日照时间小时3290年最短日照时间小时2794.8年平均小于5C的天数天180年平均蒸发量毫米1171.8多年平均最大风速米/秒25.25水库吹程米8202.1.2 径流沟后河虽为黄河一级支流，但水量很小，多年平均水量很小，多年平均径流深为65毫米，相应多年平均径流量1285.9万立方米。径流来源主要是降水补给，69月份水量占全来年水量的85%以上。2.1.3洪水沟后河洪水一般发生在69月份，有降雨形成。因本流域无实测洪水资料，故只能借助“设计暴雨洪水图籍”和地区性经验公式计算设计洪水。 2.1.4 泥沙本水库推移质来源较少，对水库淤积不产生很大影响。悬移质是根据“青海省水文手册”中的“多年平均侵蚀模数等值线图”查得流域多年平均侵蚀模数为70吨/平方公里，经计算其年输沙量为13846吨，折合体积为10651立方米。输沙量年内分布不均，主要集中在汛期（7、8、9）三个月。2.1.5 水文分析成果表 表格2 水文分析成果表序号名称单位数量备注1代表性流量P=0.2%洪水洪峰流量立方米/秒250P=2%洪水洪峰流量立方米/秒140P=5%洪水洪峰流量立方米/秒1202 洪量P=0.2%洪水洪量万立米470.76P=2%洪水洪量万立米183.95P=5%洪水洪量万立米183.463多年平均年径流量万立米1285.94多年平均年输沙量万吨1.3846 2.2 工程地质沟后河发源于共和县南北山麓，沟后水库位于沟后河的上游，坝址以上为高山峡谷区，以下为广阔的共和盆地，该河在坝址下游35公里处注入黄河。2.2.1 库区工程地质条件水库库区两岸分水岑山顶高达3781米，山体宽厚不存在深切的邻谷和洼地，库内两岸斜坡面较平直，没有大型冲沟发育。坝址出河床高程为3211米，与两岸山顶相对高差达560米。水库库区基岩全部为印支期致密、坚硬的闪长岩及花岗闪长岩，其微风化-新鲜岩石的单位吸水量0.01升/分米，为相对不透水层，两岸分水岑相对不透水层的最低高程都在3360米以上，库区未发现大的断裂、破碎带和节理裂隙密集带，即在地层岩性和地质构造上不存在集中渗漏的通道，从上述地形、质条件判断，库区蓄水条件是比较好的。库区两岸基岩坡度一般在55度左右，岸边未发现规模较大的缓倾角结构面，水库蓄水后一般是稳定的。由于该地区属大陆性高原气候区，日温差很大，物理风华严重，两岸坍塌现象较发育，故两岸斜坡基岩面上广泛分布着坍塌物质，其中崩积、坡积的碎石一般是稳定的，而壤土极为疏松，属高压缩性，强失陷性土，对稳定不利，坝段部分须挖除，水库蓄水后估算总塌岸量约为15万立方米，将影响水库寿命。水库库盆地基底及库岸基岩属相对不透水层，故水库没有浸没问题。2.2.2 坝址地区工程地质条件坝轴线位于沟后河峡谷口上游500米处，河谷狭窄所在河段左北走向，平均河宽60米，两岸岸坡左陡右缓，左岸坡度45度左右，左岸坡度35度左右。基岩上分布着第四系全新统堆积物，其覆盖面积约站坝区的7080。河床砂卵石层厚1214米，透水性强，渗透系数为20.994.5米/昼夜，且整层结构疏松，分选性差，存在渗透稳定问题，应做坝基防渗处理，河谷两岸基岩上分布着崩积，坡积块、碎石，层厚1020米，边坡稳定性差，建坝前须做处理。坝址区基岩为花岗闪长岩。属坚硬岩石类，基岩表层弱风化带裂隙发育，具有程度不同的透水性。左岸严重透水层（=110升/分.米）厚3040米，相对不透水层埋深5060米。右岸较透水层（=0.11升/分.米）厚1040米，相对不透水层埋深50米左右。河床较严重透水层56米，相对不透水层埋深25米左右。坝基E断层在下游邻沟出露，影响带宽46米，（单位吸水量=0.0560.069升/分.米）属中等透水带。当水库蓄水后，将形成沿坝基和坝肩的渗漏，必须做防渗处理。经国家地震局兰州地震研究所鉴定，沟后水库的基本地震烈度为六度。2.2.3 泄洪隧洞的工程地质条件泄洪隧洞布置在坝区河谷左岸，地形地质条件均优于右岸。沿地面高程32403290米，隧洞建基高程32353211米。穿越地层岩性为花岗闪长岩，围岩致密坚硬，牢固系数f=79，岩石弹性抗力系数k=600800/ m3，但围岩节理裂隙发育，岩体成块状砌体结构，隧洞沿线依次通过F35，F36，F12。F9四个断层。开挖毛洞时，可能产生坍塌或掉块，应采取支护措施。2.3 筑坝材料及其物理力学性质天然筑坝材料贮藏量和质量均能满足要求，而且运距较近，开采、交通条件较好。各种材料的物理性质及设计指标见表3、表4、表5、表6。表格3 筑坝材料技术指标建筑材料名称比重容重（吨/立方米）孔隙率抗剪强度渗透系数K（/s）r干r湿r饱摩擦角凝聚力C=C（/2）土料（壤土）2.721.681.982.05=24=250.3110-6砂砾料2.681.801.802.1水上36水下345.7910-2堆石2.701.801.802.050.3340砂砾料坝基2.681.801.802.10水下35待求表格4 土颗粒级配粒径（）0.20.10.050.030.010.0050.002%84.575.058.043.526.016.211.0表格5 砂料颗粒级配粒径（）5.252.51.20.60.30.1510097.869.443.520.46.21.7表格6 砂砾料颗粒级配粒径（51.20.60.3.015%10084.565.051.334.827.42011.73.01.52.4 水库和水利沟后河自坝址以下出峡谷后流入共和盆地，共和盆地是共和县的主要农业县，坝址下游13公里处的恰卜恰镇是海南芷族自治州和共和县两级政府所在地，是海南声政治、经济、文化的中心和少数民族的聚居地，有近3万各族同胞居住在这里，共和县哆嗦有的工业均集中在恰卜恰镇。2.4.1 径流调节沟后水库以调节为主，要求灌溉农田2万亩，林地0.5万亩。根据“水利水电工程水利动能设计规范”，对缺水地区一旱作物为主的灌区，起灌区设计保证率为75%，据此，年灌溉供水量为33.6万立方米，总供水量为618.82万立方米。按来水及供水保证率为75%进行调节计算，本工程兴利库容为252.09万立方米。2.4.2 死水位选择本工程死水位选择主要取决于灌溉引水工程，同时还应满足泥砂要求。引水渠进口位于坝址下游沟后村附近。为无坝自流引水无灌溉要求。本工程按泥砂水平15年计，泥砂量为15.975万立方米，为延长水库寿命，汛期利用泄洪道异重流排沙（一次洪水的排沙比为0.2）则淤库泥沙减少到12.8万立米，考虑到水库蓄水后总塌岸两中部分淤入死库容，最后确定死库容为21.3万立米，响应死水位为3241.0米。2.4.3 正常高水位选择水库库区河谷狭窄，河道比降大，库容条件差，要想获得库容必须显著加大坝高，前一求得兴利库容为3278.0米，总库容仅为多年平均径流量的25.7，库容系数小，只能进行年内的洪枯径流分配，本水库为年调节水库。2.4.4 洪水标准及防洪淹没原则根据“水利水电枢纽工程等级划分及设计标准”，本水库为下（1）型四等工程。主要建筑物为三级，洪水的设计标准为五十年一遇设计，五百年一遇校核。本工程因水库库容很小，在洪水期水库的调度运用原则是有水就蓄，保持库满，此时洪水来多少就泻多少，用闸门控制，是其不超过正常高水位。设计洪水位、校核洪水位均与正常高水位一致。由于水库库区无天然垭口地形修建溢洪道，故只在坝址左岸修建泄洪遂洞。对于小型水库，本着节约投资、缩短工期，便于集中管理的原则，尽量做到一洞多用。本工程泄洪遂洞兼做导流、引水、排沙、放空水库之用。进口高程充分照顾个方面的要求，确定为3237米。隧洞为圆形压力隧洞，按宣泄校核洪水时泄量设计，洞径4.3米，在隧洞出口工作闸门前左侧墙上设一管道，管径50厘米，引用流量1立米/秒。其出口又分为灌溉引水管及人畜引水管，由闸门控制。2.4.5水库回水及淹没正常高能水位时水库回水长度为1.28公里，库区属高山峡谷区，气候寒冷，荒芜人烟，淹没区没有移民及耕地。2.5 工程特性表 表格7 程特性表序号名称单位数量备注一水文1流域面积全流域平方公里663.2坝址以上平方公里197.832多年平均径流量万立米1285.93代表性流量调查历史最大流量立米/秒56.9设计洪水(p=2%)洪峰流量立米/秒140.0校核洪水(p=0.2%)洪峰流量立米/秒250.04洪量设计洪水(p=2%)洪量万立米183.95校核洪水(p=0.2%)洪量万立米470.765多年平均输沙量万吨1.3846二水库1水库水位校核洪水位米3278.0设计洪水位米3278.0正常高水位米3278.0死水位米3241.02正常高水位时水库面积万平米15.73回水长度公里1.28相应正常高水位4水库容积总库容万立米330.0兴利库容万立米252.09死库容万立米25.7三下泄流量及相应下游水位1设计洪水下泄流量立米/秒140.0相应下游水位米3214.252校核洪水下泄流量立米/秒250.0相应下游水位米3214.85四工程效益指标1灌溉面积万亩2.5最大引用流量立米/秒1.0年用水量(p=75%)万立米585.22城镇及工业用水立米/秒0.01最大引用流量万立米33.6五泄水建筑物1形式压力隧洞2洞径米4.33洞长米302.0水平长度4进口高程米5洞内最大流速米/秒6最大泄量(p=0.2%)立米/秒7消能方式挑流8工作闸门3.43.4弧门9检修闸门3.54.5平板门10工作闸门启闭机液压式QPPY启闭力80t闭门力45t11检修闸门启闭机固定卷扬式QPQ启门力263吨六灌溉引水建筑物1形式闸阀式2最大引用流量立米/秒1.03 枢纽布置及坝型选择3.1 工程标准的确定3.1.1 枢纽等级根据基本资料，水库总库容330万立方米。灌溉面积为农田二万亩、林地五千亩在50.5万亩范围内。查水利水电枢纽工程等级划分及设计标准可知，本水库为小（1）型四等工程。 3.1.2 主要建筑物的等级本枢纽的主要建筑物为大坝和隧洞。查水利水电枢纽工程等级划分及设计标准可知：主要建筑物为三级。3.1.3 洪水标准本水库为小（1）型工程，主要建筑物为三级，根据水利水电枢纽工程等级划分及设计标准知:洪水的设计标准为50年一遇；校核洪水标准为500年一遇。本工程因水库库容很小，在洪水期水库的调度运用原则是有水就蓄，保持库满，此时洪水来多少泄多少，用闸门控制，使其不超过正常高度。设计洪水位、校核洪水位均与正常高水位一致。3.2 枢纽布置3.2.1 设计参数的确定本水库为小（1）型工程，洪水的设计标准为50年一遇，校核洪水标准为500年一遇。本工程由于库容很小，设计洪水位、校核洪水位均与正常高水位一致，即为3278.00米。3.2.2 总体布置该坝位于沟后河的上游，坝址以上为高山峡谷区，以下为广阔的共和盆地，该河在坝址下游35公里处注入黄河。坝址处河床高程为3221.00米，与两岸山顶相对高差达560米。坝轴线位于沟后河峡谷口上游500米处，河谷狭窄，所在河段南北走向，平均河宽60米，坝轴线短，工程量小。泄洪隧洞修筑在坝址左岸，进口高程充分照顾各方面的要求，确定为3237.00米，3.2.3 枢纽组成本枢纽由大坝组成。3.3 坝型选择坝型选择关系到整个地形的工程量、投资的工期，除筑坝材料是坝型选择的主要因素外，还要根据地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理方案、抗震要求等各种因素进行研究比较，最后选定技术上可靠、经济上合理的坝型。3.3.1筑坝材料当地缺少做混凝土的砂石料，则不考虑混凝土坝，坝址附近有充足的天然建筑材料，而且运距较近，开采、交通条件较好，适宜修建土石坝。3.3.2地形条件由于坝轴线位于沟后河峡谷口上游500米处，该处两岸岸坡左陡右缓，左岸坡度45度左右，右岸坡度35度左右，两岸地形不对称，相对高差大，库区两岸基岩崩塌现象较发育，抗风化能力弱，透水性大则不考虑拱坝；坝址处无天然垭口且岩基不良则不考虑溢洪道；左岸地形地质条件均优于右岸，则适合在左岸修建溢洪隧洞。3.3.3地质条件由于坝址河床砂卵石层厚1214米，透水性强，且整层结构疏松，分选性差。该区属大陆性高原气候区，日温差很大，物理风化严重，造成两岸崩塌现象较发育，河谷两岸基岩上广泛分布着崩积、坡积块、碎石，层厚1020米，如修建重力坝、拱坝等混凝土坝，需开挖大量土方，且增加混凝土填方量，故不宜修建混凝土坝，而适合修建土石坝。3.3.4 气候条件由于流域所在地区地势高，气温多变，年平均气温低，约为3.4,昼夜及地形温差大，无霜期短，年日照时间长，大部分地区寒冷而干燥，常冬无夏，春去秋来，属大陆性高原气候，则不宜修建混凝土坝，适宜修建土石坝。3.3.5 施工条件 由于土石坝施工方法灵活，技术简单，管理方便，易于加高扩建，故可优先考虑修建土石坝。3.3.6 确定坝型 综合以上分析可确定应修建土石坝。由于水中填土坝适宜采用易于湿化崩解的黄土类以及含砾风化粘土，水中冲填坝适宜采用黄土地区年历含量在15以下的轻质粉质砂壤土、轻粉质壤土，且修筑这两种坝型均需要有充足的水源。但是库区少水干旱，多年平均降雨量为311.8mm，且筑坝材料不满足该两种坝型要求，故不宜修建水中填土坝和水中冲填坝。又因为定向爆破坝对山体破坏作用大，易于破坏隧洞周边的地质条件，故不宜修建定向爆破坝。本设计采用碾压式土石坝。本设计若采用均质坝，则坝体剖面尺寸较大，使得土料的抗剪强度降低，且工程量较大。由于坝区缺少防渗土料，且年平均气温较低，故不宜采用土质防渗体材料坝。本设计采用沥青混凝土心墙坝该坝型工程量小，施工方便，拦洪度汛简便。沥青混凝土心墙具有良好的适应变形的能力、抗冲蚀能力、抗老化能力及整个心墙无需设置结构缝，因此，沥青混凝土心墙可在任何气候条件下和任何海拔高度使用。理论分析和工程实践表明沥青混凝土心墙坝的安全性很高。它的优越性表现在对土石坝不均匀沉陷的适应、渗漏的严格控制、易于修缮，同时在严寒地区、高山地带都可迅速施工，促使工程效益早日发挥。4 土石坝剖面的基本尺寸土石坝剖面的基本尺寸包括：坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡、防渗体与排水体的型式与尺寸等。设计时，一般根据坝高、坝型、坝基筑坝材料等情况，参考已建工程初步拟定，通过渗流和稳定分析进行检验，最终确定安全经济的剖面。4.1 坝顶高程的确定为防止库水漫溢坝顶，坝顶在水库静水位以上应有足够的波浪超高，见图4-1所示。图4-1根据碾压式土石坝设计规范（SDJ218-84）规定，其值按下式计算：y=R+e+A式中： e风沿水面吹过所形成的水面升高即风壅水面超出库水位的高度，m； R自风壅水面算起的波浪沿倾斜坝坡爬升的垂直高度，简称波浪爬高，m；D水库吹程，km或m； H沿水库吹程方向的平均水域深度，初拟时，可近似取坝前水深，m；K综合摩阻系数，其值变化在（1.5 5.0）之间，计算时，一般取3.6 (D以km计)或3.6 （D以m计）； v计算风速，,正常运用情况下的级坝采用v= 1.5(为多年平均最大风速)，非常运用条件下的各级土石坝采用v=；风向与坝轴垂线的夹角，（）；A安全加高，根据坝的等级和运用情况确定。正常情况下，级土坝为0.7m，非常情况下，级土坝为0.5m。Y求得后，坝顶高程应分别按以下3种情况计算，并取其中大值：(1)设计洪水位+正常运用情况超高;(2)校核洪水位+非常运用情况超高;(3)正常蓄水位+地震安全加高。4.1.1 设计洪水位+正常运用情况超高(1) 计算风壅水面超出库水位的高度e:式中：水库吹程 D=820m计算风速 v=1.5=1.525.25=37.875 故 (2)计算波浪爬高R：规范（SDJ218-84）推荐采用蒲田试验站统计分析公式计算R：当坝坡系数m=1.55.0时，波浪平均爬高可按下式计算：= 式中: 与坝坡的糙率和渗透性有关的系数,本设计采用砌石护面,查教材表5-1得=0.75 0.80；Kw 经验系数,由风速v,坝前水深H及重力加速度g组成的无维量=1.6,查教材表5-2得Kw=1.032；m 坝坡系数, 本设计中上游坝坡，m为2.75； 、平均波高与波长，m。计算平均波高: 可得：=0.572m计算波浪平均周期： =4.0=3.0256s计算平均波长：采用我国混凝土重力坝设计规范（SDJ21-78）中的官厅水库公式：式中2h和2L以米计，D以千米计v=1.525.25=37.875，D=0.82km将数据代入公式计算可得： ，判断为深水波平均波长 =1.56=14.281m故 = =0.806m对级土石坝取保证率P=1%的波浪爬高作为设计爬高即R=，查教材水工建筑物表5-3爬高统计分布表可得： 所以设计波浪爬高=2.23 0.806=1.797m(3) 计算安全加高A：查教材水工建筑物表1-11非溢流堤坝顶的安全超高下限值可知正常情况下级土坝超高值为0.7m。故 =R+e+A=1.797+3.2+0.7=2.501m所以 设计洪水位+正常运用情况超高=3278.0+2.501=3280.501m4.1.2 校核洪水位+非常运用情况超高(1) 计算风壅水面超出库水位的高度e: 式中 D=820m H=3278-3211=67m (2) 计算波浪爬高R：= ,式中字母意义同前，取0.80 ,查教材表5-2得Kw=1计算平均波高：=计算波浪平均周期：=4.0=2.4208s计算平均波长：采用我国混凝土重力坝设计规范（SDJ21-78）中的官厅水库公式：式中2h和2L以米计，D以千米计v=25.25m/s D=0.82km将数据代入公式可得: 为深水波平均波长=1.56=9.144m所以 = =0.550m ,=2.23 0.550=1.226m(3) 计算安全加高A： 查教材水工建筑物表1-11非溢流堤坝顶的安全超高下限值可知非常情况下土坝超高值为0.5m, 故 = R+e+A=1.226+1.433+0.5=1.728m所以 校核洪水位+非常运用情况超高=3278.0+1.728=3279.728m4.1.3 正常蓄水位+地震安全加高地震安全加高=地震涌浪加高（h）+地震附加沉陷值（s）+安全加高（A）(1) 地震涌浪加高h一般为0.51.5m，应根据地震烈度大小和不同的坝前水深取大、中、小值,本拟建水库地震烈度为六度，坝前水深为67米，故取地震涌浪加高为1.2米。(2) 地震附加沉陷值s可取1.2%倍的坝高，为0.804m。(3) 安全加高A，查教材水工建筑物表1-11，A为0.5m 故 Y=h+s+A=1.2+0.804+0.5=2.504m所以正常蓄水位+地震安全加高=3278.0+2.504=3280.504m4.1.4 坝顶高程的确定及坝高的确定坝顶高程取以上三种情况的最大值，最大值为: 设计洪水位+正常运用情况超高=3278.0+2.501=3280.501m在坝顶设置1.2m高的防浪墙，可用防浪墙顶部高程代替坝顶高程，则坝顶高程为3280.501.2=3279.30m，取坝顶高程为3280.0m,则 坝高=3280.0-3211.0=69.0m考虑到压缩沉陷，土石坝竣工时的坝顶高程应等于设计高程加上坝体施工沉降超高。对于本设计，坝高69米为中型土石坝,坝体施工沉降超高可取为坝高的0.4%,其值为 ,则坝体竣工时坝顶高程为: 4.2 坝顶宽度坝顶宽度取决于施工、运行、构造、地震、人防等要求。如坝顶设置公路或铁路时，应按交通要求确定。无特殊要求要求时高坝最小顶宽为1015m，中、低坝为510m。对心强或斜心墙坝还需要满足其墙顶和两侧反滤层的布置要求。在寒冷地区，还应使心强或斜心墙至坝面的最小距离大于当地冻土层厚度，以免防渗体冻融破坏。查水工设计手册土石坝知坝高3080米时，坝顶宽度宜为68米。本设计坝顶宽度拟为8米。4.3 坝坡土石坝边坡的大小取决于坝型、坝高、筑坝材料、荷载、坝基性质等因素，且直接影响到坝体的稳定和工程量大小。边坡的选择从以下几方面考虑：(1) 由于土石料在饱和状态下抗剪强度低，且库水位下降时，渗流力指向上游，对上游坝坡稳定不利，所以土料相同时，上游坡应比下游坡为缓。(2) 从受载情况看，为适应愈向底部荷载逐渐增加的特征，坝坡应上陡下缓，尤其黏性土料的坝坡与坝高有关，坝高越大坡度应越缓。因此土石坝上下游坡一般做成变坡，自上至下逐级放缓，每隔1030米变坡一次，相邻坡率差0.250.5。若坝基软弱时，最末一级坝坡宜更缓些，以利于坝坡稳定。初拟坝坡时，一般参照已建工程经验选定。一般的，在碾压式土石坝中用砂或壤土筑成的坝坡，其平均坡度一般为1：21：4。坝坡采用堆石料时，坡度一般为1：1.51：2.7。本设计初拟下游坝坡为变坡，上游坝坡为1：2.5、1：2.75、1：3.0。下游坝坡由上而下分别为1：2.25、1：2.5、1：2.75。4.4 马道土石坝下游坝坡设置马道，其宽度常取1.52.0m，以拦截并排除雨水，防止严重冲刷坝面，并兼作交通、检修、观测之用，也有利于坝坡稳定。本设计在上下游变坡处均设置两级马道。上下游两级马道高程相同，为3236.0米和3261.0米。4.5 防渗体本设计的防渗体分为坝体防渗部分和坝基防渗部分。4.5.1 坝体防渗本设计采用人工材料防渗体中的沥青混凝土防渗体，它是由一定级配的碎石或卵石、砂、石料和沥青按一定比例配合，并加热拌和成均匀的混合物，经摊铺、碾压达到一定密实度形成的防渗体，有心墙和斜墙两种形式，本设计采用心墙形式。心墙可以是垂直的或向下游倾斜的，也可以设计成下部垂直、上部倾斜的。垂直心墙防渗面积最小，也最经济。当坝体高度小于70米时，一般采用垂直心墙。在已建工程中，垂直心墙较多，积累了较丰富的工程经验。本设计坝高小于70米，故采用垂直心墙。墙顶高程应高出设计洪水位0.30.6米，且不低于校核洪水位，故墙顶高程为：3278.0+0.5=3278.5m。顶部设置砂砾保护层，其厚度为3280.0-3278.5=1.5m德国规程大坝和蓄能水库沥青防渗中规定沥青混凝土心墙的厚度至少应为最大坝高的1/100，但最小厚度不应低于50厘米，且推荐心墙的厚度不变，因为坝体上部三分之一处的横向变形最大。有根据我国沥青混凝土防渗工程施工技术水平，建议中等高度的坝心墙厚度为5080厘米。故本设计采用心墙厚度为70厘米，且厚度不变。4.5.2 过渡层沥青混凝土心墙两侧应设置过渡层，其主要作用是为心墙提供一个良好和均匀的侧向支撑，同时在施工中为摊铺机提供稳定的竖向支撑。过渡层属于坝壳结构，但在施工时与沥青混凝土心墙同时铺筑同时碾压，因此在设计中过渡层与心墙一般同时考虑。过渡层材料应致密、坚硬、级配良好，最好使用人工破碎的硬岩，人工破碎的岩石带有棱角，比天然岩石稳定性好。过渡料的骨料最大粒径与沥青混凝土的最大骨料粒径不宜相差太大，设计导则中规定其最大粒径比值应小于8：1。过渡层的厚度一般为1.53.0米，应根据坝壳填筑材料、坝高和所在部位等因素来确定，本设计初拟其厚度为1.5米。4.5.3 坝基防渗 对砂砾石地基处理主要是保证地基渗流稳定。本设计采用截水槽，与沥青混凝土防渗心墙连成整体，连接处宜做成柔性的。4.6 排水设备土石坝防渗体后仍有一定量的渗水，故在坝体下游部分还必须设置排水设备。本设计采用棱体排水。棱体排水的作用是：控制和引导渗流安全地排出坝外，降低坝体浸润线及孔隙水压力，增强坝坡稳定，保护下游坝坡免受冻胀破坏。棱体顶面高程应高出下游最高水位，超出高度应大于波浪爬高，且对级土坝不小于0.5m，并应保证坝体浸润线位于下游坝面冻层以下。本设计棱体顶面高程设在3217.0m处，棱体顶宽设2.0m，棱体内坡设为1：1.5，外坡设为1：2.0，为使渗流逸出坡降分布得更均匀，在棱体上游坡脚处应避免出现锐角。 5 土石坝的渗流计算5.1 设计说明5.1.1 渗流分析土石坝的剖面尺寸初步拟定后，必须进行渗流分析，为确定经济可靠的坝体剖面提供依据，渗流分析的主要任务是： 确定坝体浸润线和下游逸出点的位置，为坝体稳定计算和排水体选择提供依据； 计算坝体与坝基的渗流量，以估算水库渗漏损失和确定排水体尺寸； 计算坝体与坝基渗流逸出处的渗透坡降，以验算其渗透稳定性。5.1.2 渗流分析方法土石坝渗流分析的方法有公式计算法（流体力学法，水力学法，有限单元法）、流网法和电模拟法。本设计采用水力学法，水力学法的基本假定： 坝体土料为均质，坝体内任一点的各方向上的渗透系数K相同，且为常数； 渗流为二元稳定层流，渗流运动符合达西定律：V=KJ(V为渗透流速，K为渗透系数，J为渗透坡降)； 渗流为渐变流，任意过断面上各点的坡降和流速相同。5.1.3 渗流分析的工况渗流计算时，应考虑水库运行中出现的不利条件，一般需计算下列几种工况： 上游正常蓄水位与下游相应最低水位，此时坝内渗流的坡降最大，易产生渗透变形； 上游设计洪水位与下游相应最高水位，此时坝内浸润线高，渗流量大； 上游校核洪水位与下游相应最高水位，此时坝内浸润线最高，渗流量最大； 库水降落时，对上游坝坡稳定最为不利，应确定其浸润线，为稳定计算提供依据。本设计只对前三种情况进行分析计算.5.1.4 渗透系数的选择坝壳砂砾石渗透系数: 坝体防渗体渗透系数: 坝基渗透系数：河床砂卵石层平均厚14米，透水性强，渗透系数为20.994.5 米/昼夜，取平均值 =57.7米/昼夜=5.1.5 计算剖面的选择根据坝轴线地形剖面图的地形、地质情况，沿坝轴线选取3个特征剖面进行渗流计算，各剖面的位置与桩号见地形剖面图。5.2 上游校核洪水位3278.00m，下游相应水位3214.85m的渗流计算5.2.1 最大（1-1）剖面渗流计算 桩号（0+106.5）计算简图见图5-1通过心墙与防渗墙的单宽渗流量为：通过心墙下游坝体和坝基的单宽流量为： 式中： 坝壳材料渗透系数，m/s ； 沥青混凝土心墙渗透系数，m/s ； 透水地基渗透系数，m/s ； 心墙前水深， m ； 下游水深，m； 心墙后水深，m； 心墙与防渗体的平均厚度，m；下游坝坡平均坡度；相对不透水层埋深， m；渗径，m。根据水流连续条件有 ，联立求解可得h为: 式中： =2.5 T=14m 通过心墙与防渗墙的单宽流量为： =4458.56 通过心墙下游坝体和坝基的单宽渗流量为： 浸润线：由于h=3.861m，下游水深=3.85m，故浸润线近似为一直线，见图5-1所示。5.2.2 （2-2）剖面渗流计算 桩号(0+36.5）计算简图见图5-2通过心墙与防渗墙的单宽渗流量为：通过心墙下游坝体和坝基的单宽流量为： 式中： 坝壳材料渗透系数，m/s ； 沥青混凝土心墙渗透系数，m/s ； 透水地基渗透系数，m/s ； 心墙前水深， m ； 下游水深，m； 心墙后水深，m； 心墙与防渗体的平均厚度，m；下游坝坡平均坡度；相对不透水层埋深， m；渗径，m。根据水流连续条件有 ，联立求解可得h为: 式中： 在(2-2)剖面的计算中,、，故公式可简化为： 通过心墙的单宽流量为：通过下游坝体的单宽流量： 浸润线方程：在095.2之间