土石坝-粘土心墙

1、河北工程大学毕业设计（论文）- -1目录1 基本资料.41.1 工程概况.41.2 水文气象.41.3 地形地质.41.4 茅坪溪防护大坝.51.4.1 设计标准.51.4.2 平面布置.51.5 其它设计资料.51.1.11.5.1 工程特征水位.51.5.2 地震烈度.51.5.3 筑坝材料的技术指标.51.6 设计内容与要求 .61.6.1 设计目的.61.6.2 设计内容.72 坝址及坝型的选择.72.1 坝址的选择 .72.2 土坝对地基的要求 .82.3 坝型选择 .82.3.1 各种坝型的比较.82.3.2 土石坝类型的选择.93 坝工设计.103.1 坝顶高程 .103.1.1

2、 按正常情况下计算坝顶高程.113.1.2 按非常情况计算坝顶高程.123.1.3 考虑地震影响计算坝顶高程.133.1.4 确定坝顶高程及坝高.133.2 坝顶宽度 .133.3 坝坡 .143.5 排水体设备 .154 渗流计算.16河北工程大学毕业设计（论文）- -24.1 设计说明 .164.1.1 土石坝渗流分析的任务.164.1.2 渗流分析的工况.164.1.3 渗流分析的方法.164.2 渗流计算 .164.2.1 基本假定.164.2.2 渗流计算基本公式.164.3 渗流计算过程 .184.4 渗流稳定结果分析.214.4.1 正常蓄水位下渗流稳定分析.214.4.2 校核

3、洪水位下渗流稳定分析.225 土石坝坝坡稳定分析及计算.225.1 设计说明.225.1.1 设计任务.225.1.2 计算工况.225.1.3 计算断面.235.1.4 控制标准.235.2 稳定计算 .235.2.1 库水位最不利时的上游坝坡.235.2.2 施工或竣工期的上下游坝坡稳定计算及稳定渗流期的计算.286.土石坝的构造设计.416.1 坝顶 .416.2 护坡与坝坡排水.416.3 坝体排水设备.437. 沉降量计算.447.1 坝体的沉降量计算.447.2 坝基沉降量计算.458.地基处理.488.1 坝基清理.488.2 坝的防渗处理.488.3 土石坝与坝基的连接.48河

4、北工程大学毕业设计（论文）- -39.土石坝土料的选择.499.1 坝壳的土石料选择要求.499.2 防渗体土石料的选择要求.499.3 对排水设施和护坡的结构布置.499.4 反滤层的结构布置.5010. 工程量计算.5010.1 坝基开挖工程量计算 .5010.2 坝体工程量计算 .50谢 辞.53参考文献.54河北工程大学毕业设计（论文）- -41 1 基本资料基本资料1.11.1 工程概况工程概况茅坪溪防护工程的缘由：茅坪溪是长江上的小支流，其出口位于三峡大坝上游约1km 的右岸。流域面积 113.24km2,在茅坪溪防护坝址以上的流域面积为 98.54km。该流域属底山丘陵区，流域内

5、人口约 3.1 万人，耕地 3.43 亩。茶园 1601.4 亩，果园 11.4 亩，直接淹没人口 6561 人。淹没区内有成片的良田，是湖北省秭归县重要的产量田区和农业经济区。该县人多地少，坡多田少，移民难度大。经中央部门审定，修建茅坪溪防护工程。茅坪溪防护工程包括泄水建筑物（遂洞接涵洞）和防护坝（沥青混凝土心墙堆石坝） 。本设计是针对防护大坝。1.21.2 水文气象水文气象长江流域气候温暖，雨量丰沛，多年平均降水量 1100mm，雨季 410 月占全年降水的 85%。也经常发生洪，涝，旱，冰雹，滑坡，泥石流等自然灾害。多年平均气温是 1618。夏季最高超过 40，冬季-4，无台风灾害，降水

6、集中形成暴CoCoCoCo风雨区，流域内较大日暴风雨覆盖面约 3 万15 万。最大达 21.3 万。1.31.3 地形地质地形地质 坝址基岩为前震旦纪闪云斜长花岗岩。岩体中有岩俘虏体和闪长岩包裹体，以及后期侵入的酸基性岩脉。闪云斜长花岗岩岩性均一，完整，力学强度高。微风化和新鲜岩石的饱和抗压强度达 100Mpa,变性模量达 30-40Gpa。坝区主要有两种断裂构造，一组走向北北向，另一组走向北被动，倾角多在 60以上。断层规模不大，且胶结良好。通过坝基规模较大的断层有 F7及 F23，出露在Co左漫滩上。缓倾角裂隙不甚发育，仅占裂缝总数的 13%，其中北北东组占缓倾角裂缝总数的 68.5%,倾

7、角东南为主，倾角为 1530。CoCo花岗岩的风化层分为全，强，弱，微 4 个风化带。风化壳厚度（全，强，弱 3 个风化带） ，以山脊部位最厚，可达 2040 米。山坡与一级阶地次之，沟谷，漫滩较薄，主河床中一般无风化层或风化层厚度很小，平均厚度 21.5 米。坝基除利用微风化岩体外，部分弱风化下亚带岩体亦可用作建基岩体。混凝土与建基岩面间的抗剪（断）强度，摩擦系数（F）取值 1.01.3。凝聚力（C）为 1.21.5Mpa。建基岩体岩石与岩石间的抗剪断强度，视不同的结构类型的岩体 F 与 C 值分别为 1.01.7Mpa 和 1.22.0Mpa。第四纪松散堆积物主要是河流冲积层，葛洲坝水库蓄

8、水后，主河槽及后河普遍淤积有原 518 米的细沙。坝址水文地质条件简单，微风化和新鲜岩体的透水性微弱，有 80%以上的压水试河北工程大学毕业设计（论文）- -5验段的岩体单位透水率小于 1Lu，其余试验段主要为弱，中等透水位。坝之区域地壳稳定条件好，不具备发生强烈地震的背景，为典型的弱震构造环境，基本烈度为度。经过多年的勘测研究，三峡工程坝址地质条件甚为优越，是一个难得的好坝址。1.41.4 茅坪溪防护大坝茅坪溪防护大坝1.4.1 设计标准茅坪溪防护大坝与三峡大坝共同拦挡三峡库水，挡水水头为 80 米。经审定茅坪溪防护大坝等级与三峡大坝相同，为一等工程。防护大坝按 1 级建筑物设计。大坝正常蓄

9、水位为 175 米。校核水位为 180.4 米。地震设计烈度为 7 度，均与三峡大坝相同。背水侧茅坪溪设计洪水位（20 年一遇）106.4 米，校核洪水位（100 年一遇）为 107.3 米，非常洪水位（万年一遇）考虑调蓄后为 114.6 米。1.4.2 平面布置茅坪溪防护大坝位于陈家冲到板桥和韩家嘴之间。坝址处河谷地形较为开阔，河谷走向约为 25。坝轴线峪河谷走向交角约 65o，自右岸的吴家湾通过茅坪溪与左岸Co松柏坪以上的山包相接。河谷两岸不对称，右岸山体雄厚，坝肩头（吴家湾）高程 232米，冲沟较发育。坝轴线斜跨一冲沟，其余段基本沿山梁展开，其平均坡度角约 8o，跨沟谷处坡角 35o。左

10、岸坝肩山头（吴家湾）高程 192.86 米，谷坡基本顺直，自让坡角较陡一般为 30o50o。局部达 50o。坝轴线基本沿分水岭脊线布置，地形高程 190 米200 米，最高 209.72 米（松茅坪） 。左坝肩两侧冲沟对应发育，在山脊汇合形成鞍部，最低高程 184.3 米。山体较单薄，高程 175 米处最小山脊宽 40 米。在此垭口处设一副坝，轴线长 80 米，走向为东南 165o。1.5 其它设计资料其它设计资料1.1.1 1.5.1 工程特征水位上游正常蓄水位 175.0m相应下游水位 106.4m防洪限制水位 145.0m枯季消落水位 155.0m1000 年一遇洪水水库水位 157.5

11、m10000 年一遇洪水水库水位 180.4m相应下游水位 107.3 1.5.2 地震烈度 场地基本烈度为 6 度，防护大坝设计烈度为 7 度。1.5.3 筑坝材料的技术指标 河北工程大学毕业设计（论文）- -6表 1.1 筑坝材料的技术指标容重（吨/立方米）抗剪强度建筑材料名称比重干湿饱孔隙率摩擦角凝聚力(kg/cm )c2渗透系数k (cm/s)土料（壤土）2.721.681.982.05=24=250.31106砂砾料2.681.801.802.10水上36水下346102堆石2.701.801.802.050.3340沙砾料坝基2.681.801.802.10水下3521068. 6

12、备注：沥青混凝土渗透系数 0.510-8表 12 土料颗粒级配粒径（mm）0.20.10.050.030.010.0050.00284.475.058.043.526.016.211.0表 15 砂料颗粒级配粒径（mm）5.252.51.20.60.30.1510097.869.443.520.46.21.7表 16 砂砾料颗粒级配粒51.20.60.3KaH。防浪墙用浆砌石，墙顶高出坝顶 1.2 米，高程为 183 米，墙厚为 0.5 米墙内应设伸缩缝，间距为 15 米，缝内设止水。坝顶下游设边石，采用浆砌石修筑，厚 0.4 米顶面高出路面约 0.2 米，边石内每隔

13、60 米设排水孔，以将坝顶排水沟的雨水经坝面排水沟排至下游。黄泥灌浆碎石路面175181.81833%1：2.501：2.754040120040 坝顶细部构造图 6.26.2 护坡与坝坡排水护坡与坝坡排水土石坝的上游要承受波浪套刷，冰层和漂浮物的撞击，顺坡水流的冲刷等破坏作用，下游坝面受雨水，大风动胀干裂尾水部位的风浪，冰层动植等的破坏作用，因此，上下游坝面上游坝面都设置护坡，护坡范围，上游一般从把顶至水库最低水位以下 2.5 米处，四级以下的坝可以护至最低水位以下 1.5 米至 2.0 米。最低水位不确定或坝高不大的坝可以保护至排水体顶部，无排水体时护至坝脚。1)上游护坡：上游采用混凝土板

14、护坡。该型式的护坡多用于石料缺乏的地区。采用正六边形的预制板，边长为 0.3m，厚河北工程大学毕业设计（论文）- -42度为 20cm，其下厚度 30cm 的碎石和厚度为 30cm 的砂砾石垫层，护坡范围至坝脚。见图 6-1.1：3.001：3.251：3.501301002001：1.501：1.50图6-1上游混凝土板护坡2)下游护坡下游护坡工作条件较好，可以设置干砌石护坡，厚 0.3 米，下面设厚度为 0.2 米的碎石垫层，护坡范围上至坝顶下至坝脚。见图 6-2.图6-2 下游护坡排水沟1：2.751：2.50碎石垫层厚20cm3）坝面排水为防止雨水冲刷，下游坝面常设置纵横连通的排水沟，

15、沿着坝体与岸坡结合处，也设置排水沟以拦截山坡上的雨水。纵向排水沟沿马道内侧布置，沿着坝轴线方向，每隔 100 米设置一条横向排水沟。见图 6-3.河北工程大学毕业设计（论文）- -43堆石体1:21:1.5图6-4 棱体排水体 马道（ ） 坝坡排水平面图30030030011001:1.5浆砌石碎石（ ）剖面图300图6-3 坝坡排水图（ ）（ ） 6.36.3 坝体排水设备坝体排水设备本设计采用棱体排水，排水体高程为 110 米，顶宽 6 米，内坡 1：2 ，外坡 1： 1.5。如图 6-4 所示。河北工程大学毕业设计（论文）- -447. 沉降量计算沉降量计算土石坝的沉降包括坝体和坝基两部

16、分，计算内容于范围由工程等级，设计阶段与地基的特性而定，坝体沉降量的计算一般按单向压缩分层总和法计算，不要求十分精确，坝基沉降量计算一般也按单向压缩分层总和法计算不要求十分精确，在一定的假设条件下粗略计算就可以满足要求，由于本次设计提供的资料不全，坝体沉降量仅作简单的方法说明列出其步骤，坝基沉降计算作简单计算，以便掌握基本设计方法。7.1 坝体的沉降量计算坝体的沉降量计算计算坝身最终沉降量时，需要有大的压缩实验的成果，即压缩曲线，因本次设计资料不全，缺少关键资料，在此仅作简单的方法说明，列举步骤，以使本设计系统化。 基本假定 坝体中任何一点因自重所引起的垂直应力等于该点上面土粒的重量。 坝体中

17、最大沉降量发生在坝轴线附近。 坝体土料在压缩时不发生侧向膨胀。 方法与步骤 绘制压缩曲线 用计划采用的坝料，按设计填筑标准（设计含水量与干容重）制备击实试样，经饱和后，进行压缩试验，便可得压缩曲线，如图 7-1 所示一般计算土坝压缩时为了简化计算起见，在压应力的一定范围内以直线代替压缩曲线如图 38，显然开始压应力与终结压应力愈接近则误差愈小，根据图 381p2p得： 421212()eepp tgep （7-1） 式中：压缩系数（其值与及有关）1p2p河北工程大学毕业设计（论文）- -45【4】【4】图7-1 压缩曲线 坝体分层 土坝坝体分层时，分层厚度可随坝高而变，其厚度一般不大于坝高，在

18、此11510设计坝高 69m，可分为五层，逐层计算沉降量求其和。其计算公式如下：521111()11nniiiiiiiiia p ha pphsee （7-2）式中：分层计算的土层厚度，cm ih 1 ip第 i 层土 1/2 高度处本层土柱的有效重，等于，/1(1)2ih2cm 第 i 层土 1/2 高度处至坝顶或坝面的土柱自重，/2ip2cm51221iiiiieeapp （7-3） 有效重量压应力下的孔隙比，可采用设计初始孔隙比1 ie1 ip1 ie0e 压应力下的孔隙比2ie2ip 填土的起始孔隙压力系数 沉降量计算 由于本设计缺少坝体材料的压缩曲线及其一些参数，故在此未作详细计算，

19、只对其方法与步骤做详细阐述，以明白其具体过程。7.2 坝基沉降量计算坝基沉降量计算 沉降计算的基本假定 坝基面上各点的压应力等于其上土坝的土柱自重。 坝基内应力分布系假定从坝基向下作扩散，并在每个平面上按三角形分布，45河北工程大学毕业设计（论文）- -46三角形顶点与坝身自重合力作用线吻合（如图 39） 。 压缩时不发生侧向膨胀。 沉降量计算 为了计算简便，将坝体视为单一材料砂砾料，坝坡坡度采用平均坡率，只计算坝轴线处的沉降量。图 7-2。2222图坝基沉降计算简图计算公式： （7-4）maxmax212 10RpyLxppL 式中：层面上最大垂直压力，/cmmaxp2 层面上各点的垂直压力

20、，/cmp2 坝自重的合力，tR 坝的底宽，m 计算层面至坝底面的垂直距离，my 由压应力三角形顶点至端点的水平距离，mL 由压应力三角形顶点至计算点的水平距离，m x 计算坝基沉降量应用的公式与计算坝体沉陷量应用的公式相同，系用上式求出，p坝基土亦分层进行沉陷量计算，其总和即为总沉陷量。 即：河北工程大学毕业设计（论文）- -47 5111niiiia p hse （7-5） 式中：分层厚度，cmih用原状土进行压缩试验求得的压缩系数1221iiiiieeapp该层原状孔隙比1 ie 筑坝后该层孔隙比（用原状土做压缩试验求得）2ie1 ip未筑坝前的压力， aP 筑坝后的压力，21iiipp

21、paP ip用上两式直接求得坝基分层时，每层厚度应不大于坝基土层厚度的 1/51/10。具体计算时，由于缺少原壮土的压缩曲线，未能做详细计算，故在此只对坝基沉降量进行估算，其公式为： = (7-6)SoPhE 式中 ： S基础压缩变形 oE砂砾石弹性模量，一般随地基深度而增加，计算时可取平均值 P基础表面承受上部坝体自重应力 h沙砾层的厚度受压区深度计算公式为： (7-7)ay 20.062550.25BRB当坝基内可可压缩土深度，其下面为不可压缩的土或岩盘时，则受压区的深ayy度采用 y当计算的受压区深度，垂直压力的采用可不必考虑其沿深度扩散的影响，0.25ay 而以坝基面的垂直压力作为坝基

22、各层土的垂直压力。 计算过程 坝体自重取单宽，已知1.8t/m ；坝顶宽 b12m；坝高 h=106.8m；坝底长干3m618.39 则坝体自重：11()(12618.39) 106.8 1.860593.0922Rbt 受压区深度河北工程大学毕业设计（论文）- -48220.062550.250.0625 618.395 60593.090.25 618.39417.13ayRBm 由于坝基内可压缩土层m；且，则受压区深度采用而考5 .21yayy14ay y虑，垂直沿深度扩散的影响。 沉降量计算 已知；h=22m；501 10aEkp aKPyBRP86.18935 .21239.6181

23、06059309210122max则，407. 01012253.182950Ephs 结论 由于坝轴线处沉降量最大达 0.407, 满足要求，故其它位置也能满足要求，在此不作详细计算。8.8.地基处理地基处理8.18.1 坝基清理坝基清理大坝基础至于坝脚线外 10 米范围内的树林，树跟耕枯土，垃圾，工厂资料地表块石，块体，梯田更及田边块石，河床池塘中的淤泥，沙壤土等的清理，地址勘探的钻孔，试坑平洞井等均需要回填，坝基清理后，应平整密实，无明显的陡坎和台阶，坡度应削成倾斜的接触面，不应成台阶状，边坡或突然变坡，岩石岸坡不陡于 1：0.75，土质岸坡不陡于 1：1.5 地表平均清除厚度为 1 米

24、，应对坝基进行平整，震动碾压或夯板夯实。8.28.2 坝的防渗处理坝的防渗处理学习过的坝基防渗措施有截水槽，板铺盖，混凝土防渗墙，帷幕灌浆，化学材料灌浆等。渗流控制的原则是“上游堵，下游排” 。由于本坝址基岩为闪云斜长花冈岩，属怪硬岩石类。故本设计采用截水槽与帷幕灌浆相结合。8.38.3 土石坝与坝基的连接土石坝与坝基的连接于坝体是建基岩上的所以本坝在坝底做混凝土齿墙与坝基连接。具体见图 8-1河北工程大学毕业设计（论文）- -49图8-1 土石坝与坝基的连接9.9.土石坝土料的选择土石坝土料的选择 土石坝是就地取材的建筑物，筑坝地点大都储藏着几种土料，因此选择一种或几种土料作为建筑材料是设计

25、土坝的一个重要组成部分，根据坝体各部位不同的工作条件，合理的选择性的相应的土石料及布置区域。不同的部位土石料的选择及其布置有不同的要求。9.19.1 坝壳的土石料选择要求坝壳的土石料选择要求使用于填筑坝壳的土料应满足：1）填筑坝壳的土石料应有较好的透水性，以减小坝体内孔隙压力和渗透力。2）具有较强的抗剪强度以减小坝体工程量。3）具有一定抗渗稳定性，不易发生管涌，土料级配要好，不均匀系数宜大些。4）应有较好的抗震稳定性，不宜遇震发生液化流动基于以上考虑要求，坝壳材料采用沙砾石料，渗透系数为 5.7910-3cm/s.9.29.2 防渗体土石料的选择要求防渗体土石料的选择要求防渗体对土石料的要求1

26、）具有一定的不透水性，要求渗透系数 k110-5cm/s . 2）应具有一定的可塑性，以适应坝体和坝基的变形而不产生裂缝3）有机质含量小于 2%（按重量计）水溶盐含量小于 3%。基于上述要求本设计防渗体采用黏土、重壤土等黏性土料，其渗透系数为 10-6cm/s9.39.3 对排水设施和护坡的结构布置对排水设施和护坡的结构布置河北工程大学毕业设计（论文）- -50用于排水设施和护坡石料，应具有较高的抗压强度，良好的抗水性，不宜溶蚀，并具有抗冻融性和抗风化性，饱和抗压强度应不小于 40MPA 或 50MPA 软化系数（饱和抗压强度与抗压强度之比）不小于 0.75 或 0.85，岩石孔隙不大于 3%

27、，吸水率（按孔隙体积比计算）不大于 0.8，容重应大于 22KN/ 可以采用块石，卵石，砾石，沙石 3m。基于以上要求，排水设施应采用棱体排水，护坡采用干砌石护坡。9.49.4 反滤层的结构布置反滤层的结构布置反滤层应具有下列的要求:1）未经风化与溶蚀，而且坚硬，密实耐风化以及为水溶解.2）透水性很大，要求渗透系数至少大于 110-5cm/s 。 3）具有一定的抗剪强度.4）没有塑性.5）具有高度的抗水性和抗冻性.6）砾粗间有较好的透水性，粒径 d0.1mm 颗粒含量应小于 5%.基于以上要求，反滤料采用砂砾料。10.10. 工程量计算工程量计算10.110.1 坝基开挖工程量计算坝基开挖工程

28、量计算表 10.1 坝基开挖工程量计算表编号特征断面桩号开挖深度特征断面开挖面积特征断面间距坝基开挖工程量0+000000+2565.22917.22560+3552.61458.6990+4564.42468.41010+5585.028051020+6902.011201320+8106.23478.212080+1071026116326777.15河北工程大学毕业设计（论文）- -5110.2 坝体工程量计算坝体工程量计算防浪墙=32 0.5 10711071m截水槽=23151(8 15 0.4 28)13.142 222491022m 帷幕灌浆方量计算可参照下式计算：（7.1） 1

29、000Qkvn 式中：浆液总用量，LQ 注射对象的土量，mv3 土的孔隙率n 经验系数k 软土、黏性土、细砂 k=0.30.5 中砂、粗砂 k=0.50.7 砾砂 k=0.71.0 失陷性黄土 k=0.50.8 已知，k=0.4；1.68 9.81110.3822.72 9.81dnG 23120 1449043.2vm 则：0.49043.20.3821000=1.38L1000Qkvn610河北工程大学毕业设计（论文）- -52表 10.2 主坝体结构工程量计算编号特征断面桩号断面间距上游护坡上坝壳料上过渡层心墙下过渡层下坝壳料下游护坡棱体排水0+00000+22122126.821208

30、.948718.27871292.217.880+34712649.324504.5616236.721624129.1832.880+45610973.6210455.0624362.372439880.2649.082350+54488920717006.1304.584.75304.514066.1261.381795.650+75120796.1218535.14320.490.1320.415912.9364.082353.750+88213173.1610327.64241.561.99241.510035.1548.3214.9480+107118950879.556789039.2167545.