土石坝设计参考

1、土石坝设计参考11目目 录录1 1 土石坝尺寸设土石坝尺寸设计计.5 5基本资料 .5地形地质情况 .5水位 .5气象资料 .5筑坝材料及坝基砂砾物理力学性质 .5工程等级 .6其它 .6大坝轮廓尺寸的拟定 .6坝顶高程计算 .6坝顶宽度 .9坝坡与马道 .9坝体排水 .9大坝防渗体 .102 2 土石坝渗流分土石坝渗流分析析.1111渗流分析计算目的 .11计算方法 .11渗流分析的计算情况 .11土石坝类型的选择 .11方案的选择： .133 3 土质心墙坝稳定分土质心墙坝稳定分析析1414土石坝设计参考22计算目的 .14计算方法 .14计算过程 .15稳定成果分析 .164 4 细部构

2、造设细部构造设计计1616坝的防渗体排水设备 .16反滤层设计 .16护坡设计 .17坝顶布置 .175 5 设计小设计小结结2020附录：参考文附录：参考文献献2222土石坝设计参考331 1 土石坝尺寸设计土石坝尺寸设计基本资料地形地质情况某坝坝址处河床宽约 190m，坝址轴线处河床最低高程为 302m，河床覆盖层上层为粘土黄土夹杂有砾石，下层有沙砾层，坝址基岩为花岗岩，透水性很小。水位死水位：321m;正常蓄水位：334m;设计洪水位（1%）：337m;校核洪水位（%）：338m;正常蓄水时下游水位：302m;校核洪水时下游水位：309m;气象资料多年平均最大风速 16m/s；水库吹程.

3、筑坝材料及坝基砂砾物理力学性质项目重度含水量湿重度饱和重度浮重度凝聚力内摩擦角渗透系数（kn/m3）(%)（kn/m3）（kn/m3）（kn/m3）（kn/m2）(0）（cm/s）粘土2691720/175-10砂砾36-210土石坝设计参考44料坝基砂砾石34-210堆石20211140（注：内摩擦力及凝聚力中分子为水上数值，分母为水下数值）工程等级本枢纽为二等 ，主要建筑物为二级。其它地震基本烈度：7 度。大坝轮廓尺寸的拟定大坝剖面轮廓尺寸包括坝顶高程，坝顶宽度、上下游坝坡、防渗体等排水设备。坝顶高程计算根据碾压式土石坝设计规范 （sl2742001） （以下简称“规范” ）规定，坝顶高程

4、分别按照正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高、设计水位加正常运用条件下的坝顶超高、校核水位加非常运用下的坝顶超高进行计算，因该地区地震烈度为 7，故还需考虑正常蓄水位加非常运用时的坝顶超高再加上地震涌浪高度，最后取以上四种工况最大值，同时并保留一定的沉降值。坝顶高程在水库正常运用和非常运用期间的静水位以上应该有足够的超高，以保证水库不漫顶，其超高值 y 按下式计算：aery+=式中：r最大波浪在坝坡上的爬高，m；e最大风壅水面高度，m；土石坝设计参考55a安全加高，m，根据坝的等级，设计运用条件时取，非常运用条件是取；根据“规范” ，计算大坝波浪爬高时，所采用设计风速：正常运用条件下为多年平均

5、最大风速的倍，非常运用条件下，采用多年平均最大风速，根据气象资料统计该水库多年平均最大风速为 s，最大吹程为。1)平均波高及平均波长按下式计算：风壅水面爬高的确定cos22mghdkvek-综合摩阻系数，一般取。6106 . 3kv-计算风速，m/s，正常运用条件下 3、4、5 级坝采用多年平均最的倍.非正常运用条件下,采用多年平均最大风速。d -风区长度，即为有效吹程，m。hm -坝前水域平均水深，m。-风向与水域中线的夹角。2)最大波浪在坝面的爬高的确定 用莆田公式计算波长及波高。7 . 0245. 027 . 0227 . 013. 00018. 07 . 013. 0omoomomvg

6、hthvgdthvghthvgh5 . 029 .13omomvghvgtth 为双曲函数。式中：hm平均波高，m；tm平均周期，s；w计算风速，m/s；土石坝设计参考66d风区长度，m；hm水域平均水深，m；g重力加速度，取 s2；lm平均波长，m。平均波浪爬高 rm参照“规范”附录计算，初步拟定水库大坝上游坝坡为m=3，故波浪平均爬高按“规范”附录式计算：mmwmhlmkkr21式中：斜坡的糙率渗透性系数，护面类型为砌石护面确定=；kk经验系数，由风速 w、坡前水深 h、重力加速度 g 所组成的无wk维量，查表得设计条件：=；校核条件：=；gh/wwkwkm斜坡的坡度系数。最大波浪在坝坡上

7、的爬高设计值 r 按 2 级土石坝取累积概率 p=1%爬高值 r1%计算。根据计算该水库在设计条件下和校核条件下的累积概率 p=1%的经验系数 kp值为。根据以上公式及参数，坝顶超高计算成果见表。表表 坝顶超高计算成果表坝顶超高计算成果表工 况水位(m)设计风速(m/s)平均波长(m)平均波高(m)平均波浪爬高(m)风浪壅高（m）设计爬高(m)安全加高(m)坝顶超高(m)设计(p=1%) 校核(p=%) 由于水库所在地区地震基本烈度 6，按水工建筑物抗震设计规范（sl29397） ，水工建筑物抗震计算的上游水位可采用正常最高蓄水位，地震区的地震涌浪高度，可根据设计烈度和坝前水深，一般涌浪高度为

8、，该水库地震涌浪高度不考虑，不考虑地震作用的附加沉陷计算。根据碾压式土石坝设计规范 （sl274-2001）第条规定，坝顶高程分别按土石坝设计参考77以下运用情况计算，取其最大值：1、设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高：337+；2、正常蓄水位加正常运用情况的坝顶超高：334+=；3、校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高：338+=；4、正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全加高：334+=。经计算可以看出该大坝坝顶高程由校核情况控制为，取。坝顶宽度坝顶宽度主要取决于交通需要、构造要求和施工条件，同时还要考虑防汛抢险、防空、防震等特殊需要。根据“规范”规定，坝顶无特殊要求时，高坝的顶部

9、宽度可选用 1015m，中低坝可选用 510m。该水库挡水大坝坝基高程为302m，根据计算坝高为 38m，大于 30m，属中坝，故综合各方面因素可取该土石坝坝顶宽度为 8m。坝坡与马道土石坝的坝面坡度取决于坝高、筑坝材料性质、运用情况、地基条件、施工方法及坝型等因素。一般是参考以建成类似工程的经验拟定坝坡，再通过计算分析，逐步修改确定。在满足稳定要求的前提下，应尽可能使坝坡陡些，以减小坝体工程量。根据规范规定与实际结合，上游坝坡取，下游自上而下均取，下游在高程处变坡一次。在坝坡改变处，尤其在下游坡，通常设置2宽的马道以使汇集坝面的雨水，防止冲刷坝坡，并同时兼作交通、观测、检修之用，综合上述等各

10、方面因素其宽度取为。坝体排水由于本地区石料比较丰富，故采用堆石棱体排水比较适宜，另外采用棱体排水可以降低坝体浸润线，防止坝坡冻涨和渗透变形，保护下游坝址免受尾水淘刷，并可支撑坝体，增加下游坝坡的稳定性。土石坝设计参考88按规范棱体顶面高程高出下游最高水位 1m 为原则，校核洪水时下游水位为，最后取棱体顶面高程为，堆石棱体内坡取 1:，外坡取 1:，顶宽，下游水位以上用贴坡排水。大坝防渗体大坝防渗体的设计主要包括坝体防渗和坝基防渗两个方面。（1） 坝体的防渗坝体防渗的结构和尺寸必须满足减小渗透流量、降低浸润线控制渗透坡降的要求，同时还要满足构造、施工、防裂、稳定等方面的要求。该坝体采用粘土斜心墙

11、，其底部最小厚度由粘土的允许坡降而定，上游校核洪水时承受的最大水头为，墙的厚度 b36/4=.参考以往工程的经验，心墙的顶部宽度取为 4（满足大于 3机械化施工要求） ，粘土心墙的上游坝坡的坡度为 1:1:之间，有资料研究认为，心墙向上游倾斜的坡度为 1:1:时较好，本次设计粘土心墙的底部厚度取，粘土心墙的顶部高程以设计水位加一定的超高（超高）并高于校核洪水位为原则，最终取其墙顶高程为，经计算底宽为 10,大于.墙顶的上部留有的保护层。（2） 坝基防渗由于本土石坝基础为岩石基础，故不设坝基础防渗设施。 土石坝剖面图 1:1000土石坝设计参考992 2 土石坝渗流分析土石坝渗流分析渗流分析计算

12、目的1）确定坝体浸润线及下游出逸点的位置，绘制坝体及坝基内的等势线分布图或流网图；2）确定坝体与坝基的渗流量；3）确定坝坡出逸段与下游坝基表面的出逸比降，以及不同土层之间的渗透比降；4）确定库水位降落时上游坝坡内的浸润线位置或孔隙压力；5）确定坝肩的等势线、渗流量和渗透比降。计算方法土石坝的渗流分析通常是把一个实际比较复杂的空间问题转化为平面问题。土石坝的渗流分析方法主要有解析法、手绘流网法、实验法和数值法四种。解析法分为流体力学法和水力学法。前者理论经验严谨，只能解决某些边界条件较为简单的情况；水力学法计算简单，精度可满足工程要求，并在工程实践中得到了广泛的验证。本次课程设计主要采用了水力学

13、法。渗流分析的计算情况1）上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；2）上游设计洪水位与下游相应的水位；3）上游校核洪水位与下游相应的水位；4）库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。本次设计就上游校核洪水位情况进行了稳定分析。土石坝类型的选择一般心墙坝土料的渗透系数很小，比坝壳小 1 万倍以上。因此，在进行计算时可以不考虑上游坝壳降落水头的作用。下游坝壳的浸润线也比较平缓，水头损失主要在心墙部位，单下游有排水设备时，可以近似认为浸润线的逸出点为下游水位与堆石内坡的交点，将心墙简化成厚度为 的等厚度矩形，则：土石坝设计参考1010 2121通过心墙、截水墙段的单宽渗流量： 222101hhkq通过下游

14、坝壳和坝基段的单宽渗流量： 22222hhkq由 q1=q2=q 得心墙后浸润线高度和渗流量 q。下游坝壳浸润线用式子：kqxhy22方案一：土质心墙坝方案一：土质心墙坝计算结果分析：下游有水时的侵润线方程为：下游无水时的侵润线方程为：下游情况渗流量q（m/s3）渗透长度l（m）渗水水位差（m）渗透坡降下游有水*10（-6）67下游无水*10(-6)xy1.031.2xy1 . 055.51土石坝设计参考1111该坝体采用粘土斜心墙，其底部最小厚度由粘土的允许坡降而定，本设计允许渗透坡降j=5,故满足渗流稳定要求。方案二：均质坝方案二：均质坝计算结果分析： 下游有水时的浸润线方程为：下游无水时

15、的浸润线方程为：下游有水时的渗流量为 s3，当下游无水时的渗流量为 s3。方案的选择：影响土石坝坝型选择的因素很多，其主要影响因素有附近的筑坝材料、地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理、抗震要求等。本次选择几种比较优越的坝型，拟订剖面轮廓尺寸，然后对工程量、工期、造价进行比较，最后选定技术经济可靠合理的坝型。本设计限于资料只作定性的分析来确定土石坝坝型。土石坝按其施工方法可分为碾压式土石坝、抛填式堆石坝、定向爆破堆石坝、水中倒土坝和水力冲填坝。从地形地质条件以及附近建筑材料来看本次设计坝型应选择碾压式土石坝。碾压式土石坝根据土料配置的位置和防渗体所用材料种类的不同，又分为均质坝和土质防渗

16、体分区坝、非土质材料防渗体分区坝。均质坝材料单一，工序简单，但坝坡较缓，剖面大，工程量大，施工易受气候影响，冬季施工较为不便，坝体空隙水压力大，并且均质坝的渗流量远大于土质心墙坝，因此从材料上考虑均质坝方案是不宜采用的。土质防渗体分区坝主要有心墙坝、斜心墙坝、斜墙坝和多种土质坝等类型。心墙坝土质防渗体设在坝体中部，两侧为透水性较好的砂石料，该坝型粘xy8 .121296xy81024土石坝设计参考1212性土料所占比重不大，施工受季节影响较小，但施工时心墙与坝体同时填筑，相互干扰较大。斜墙坝土质防渗体设在上游或接近上游面，该坝型斜墙与坝体施工干扰小，但其抗震性和适应不均匀沉降的性能不如心墙坝。

17、由于该工程所在地区为地震烈度定为 7 度，故不宜采用斜墙坝。由上述比较可以看出，心墙坝的渗流量小，满足坝体的渗透稳定且心墙坝的应力状态较好，因而最终采用土质心墙坝的方案。3 3 土质心墙坝稳定分析土质心墙坝稳定分析计算目的稳定分析是确定坝体设计剖面经济安全的主要依据。由于土石坝体积大、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。土石坝稳定分析的目的是保证土石坝在自重、孔隙压力、外荷载的作用下，具有足够的稳定性，不致发生通过坝体或坝基的整体或局部剪切破坏。计算方法本次课程设计采用瑞典圆弧法来计算土体的稳定分析。按施工期、稳定渗流期、库水位降落期三个控制时期核算土石坝

18、的稳定。心（斜心）墙坝的上下游坝坡滑动时形成折线滑动面.部分浸水的非粘土坝坡，由于水位上下的土料容重不同，有水时、c 值也有所降低，此时坝坡失稳时最可能的滑动面近乎折线。在滑动面上抗剪强度的发挥是一样的，安全系数的表示方式为 ； ； ；cktgtg)(11cktgtg)(22cktgtg)(33式中：1、2、3为实验得到的抗剪强度指标。土石坝设计参考1313计算安全系数:rmvwbcqubvwkciiiiiiiisinsectansinseccoswi土条重量。q、v水平和垂直地震惯性力（向上为负、向下为正） 。u作用于土条底面的孔隙压力。i条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角。b土

19、条宽度。ci、土条底面的有效应力抗剪强度指标。mc水平地面惯性力对圆心的力矩。r圆弧半径。算得 k=稳定分析满足要求。计算过程e 稳定分析剖面图下游坝坡稳定分析计算表r1r2r3r4单位：(kn/m3)图条编号h1h2h3h4r1h1r2h2r3h3r4h4wiwiasinaicosaiwicosaiwisinai8 000 000 7 000 000 6 000 000 5 000 000 4 00 000 3 00 0 0 2 00 0 0 1 00 0 0 0 00 0 0 -1 00 0 0 -2 00 0 0 -3 00 0 0 合计 土石坝设计参考1414稳定成果分析根据计算成果表

20、可看出大坝上下游坡稳定均满足规范要求，由于上游坝坡较缓，稳定渗流期以及库水位降低期，不考虑地震。下游坡情况也类似，正常情况 kmin=k允=，坝的稳定安全系数偏大，就此而言，可考虑加陡坝坡以减小工程量.鉴于各种因素考虑不全，实际安全系数可能要小些，故而不改变坝坡，维持原拟订的剖面。4 4 细部构造设计细部构造设计坝的防渗体排水设备坝体防渗体内心墙，心墙上下游设置反滤层；坝基防渗体为防渗墙和粘土截水墙；坝体排水为棱体排水。在排水体与坝体、坝基之间设置反滤层；下游马道设置排水沟，并在坝坡设置横向排水沟以汇集雨水，岸坡与坝坡交接处也设置排水沟，以汇集岸坡雨水，防止雨水淘刷坝坡，见细部构造设计图。反滤

21、层设计（1）设计标准.对于被保护土的第一层反滤料，考虑安全系数为，按太沙基准确定，即54/5/85151515dddd式中，为滤料粒径，小于该粒经土占总土重的 15%，d85为被保护土粒15d径，小于该粒径的土占总土重的 85%，d15为保护土粒径，小于该粒径的土占总土重的 15%。第二层反滤料的选择也按上述办法进行。按此标准天然砂砾料不能满足要求，须对土料进行筛选。（2）设计结果设计结果见表。表表 反滤层设计成果表反滤层设计成果表 层数部位 第一层 第二层土石坝设计参考1515护坡设计上游护坡用于砌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.上游护坡由至坝顶做至死水

22、位以下（加设计浪高） ，见细部构造设计图。坝顶布置坝顶设置泥结石路面，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，坝顶设置栏杆以策安全，见细部构造详图。d50(mm)厚度 hc ()d50(mm)厚度 hc ()防渗体周边部位2030排水部位25209060土石坝设计参考1616土石坝设计参考1717栈道上游护坡详图20cm碎石垫层1：1岸坡排水岸坡浆砌石坝体20cm碎石垫层大坝细部构造设计图土石坝设计参考18185 5 设计小结设计小结实习小结 实践是检验真理的唯一标准。在课堂上我们学习了很多理论知识，但是如果我们在实际当中不能灵活运用，那就等于没有学。实习就是

23、将我们在课堂上学的理论知识运用到实际应用中去的一个过程。在经过为期一个多星期的实习后，我感觉自己学到了很多有用的东西。包括土石坝的设计流程、土石坝设计中应该注意的许多细节问题。当然，在实习过程中也会出现一些或多或少的问题，例如：1、在进行稳定分析的时候没有对正常蓄水位情况和设计洪水位情况进行分析，至对校核情况下的稳定进行了分析。2、由于课程设计的时间有限，很多种土石坝相关的建筑物都没有进行设计，包括土石坝土料的选择、土石坝的下游连接物等等。3、在渗流分析的时候可能是渗流水平距离 l 定错了，导致算出来的浸润线方程可能存在问题。4、由于本次设计的心墙很厚，防渗效果较好，故后面算出的浸润线很缓，近似一条直