坝型选择设计

1、1.4 工程选址及坝型比选1.4.1 坝型选择坝址区为黄土丘陵阶地，因当地土料、砂砾料、石料丰富，根据就地取材的原则，本次坝型设计选择土石坝的方案进行比较。斜墙坝与心墙坝可在有覆盖层上的坝基修建，两种坝型造价相差不大，优缺点也无显著差别，但斜墙坝与心墙坝相比适应不均匀变形的能力和抗震性能不强，且斜墙坝防渗体的粘土用量和坝体的总工程量较大，基础处理范围较大，深度要求也较大，不经济。故首先舍弃粘土斜墙坝。根据工程地质条件，拟建坝型初步选择粘土心墙坝和均质土坝两种坝型。1.4.1.1 粘土心墙坝 (1)坝体断面设计对于土质防渗体的心墙坝：当上游坝壳采用堆石时，常用坡率为1:1.71:2.7； 采用土

2、料及砂砾料时.常用坡率为1:2.51:3.5。当下游坝壳采用堆石时，常用坡率为1:1.71:2.7； 采用土料及砂砾料时.常用坡率为1:2.01:3.0。由于该坝最大坝高为37.5m，大于30m，最终确定上游坝坡为1:3.0，下游设两级边坡，坡比分别为1：2、1：2.5、1：2.5。坝顶高程410.5m，坝顶宽6.0m，长210m。下游坝坡设二级马道，马道宽3.0m，一级马道高程398.5m，二级马道高程386.5m。(2)防渗体设计大坝采用粘土心墙做为坝体防渗体。根据碾压式土石坝设计规范(SL274-2001)的规定，土质防渗体断面应满足渗透比降、下游浸润线和渗透流量的要求。顶部的水平宽度不

3、宜小于3.0m，防渗体应自上而下逐渐加厚，底部厚度应按土料允许渗透坡降来确定。心墙两侧与坝壳之间应设置足够厚度的过渡层。心墙两侧边坡多在1:0.151:0.3之间，心墙顶部应高出设计洪水位0.30.6m，且不低于校核洪水位，心墙顶部应设保护层，且不小于1.0m。本次设计心墙位于坝体中央。心墙顶部宽度取3m，粘土心墙坝坡的心墙坡度为1:0.2，心墙底部宽度为18m，心墙两侧设0.6m的粗砂层。心墙顶部高程不低于校核洪水位409.15m，最终取墙顶高程409.3m，心墙顶部设1.0m厚砂砾石保护层，坝顶设20cm现浇C20砼路面，最终坝顶高程为410.5m。 (3)护坡及坝体排水设计因大坝的上游坡

4、面要遭受波浪等多种外界自然因素的危害，大坝的上游坡面需设置护坡，本次设计上游护坡采用干砌石护坡，下设碎石垫层，厚0.3m。 下游坝坡应设置纵横连通的坝面排水沟系统，下游坝坡面排水沟采用砼结构，沿大坝与岸坡连接处设竖向排水沟，在大坝轴线0+085、0+145处设2条竖向排水沟，直接排水至马道纵向排水沟中。坝下游坡脚修建排水棱体。排水棱体地面以上高2.0m，地面以下1.1m，顶宽2.0m，底宽6.8m，内坡比1:1.5、外坡比1:2。从外到内依次为干砌块石、碎石（2060mm）、砂砾料（220mm）和粗砂（0.52mm），砌筑石块应力求紧密嵌紧。(4)坝基及坝肩处理根据钻探揭露，河床表层Q4pal

5、 级配良好砾层厚4.807.00m。两岸阶地Q3pal卵石混合土层厚4.5012.40m，其下为Q1al低液限粘土。本次设计对河床表层的Q4pal 级配良好砾层及两岸阶地的Q3pal卵石混合土层不做处理，将心墙底部穿透坝基Q4pal 级配良好砾层及坝肩Q3pal卵石混合土层，嵌入下层的低液限粘土层2m。(5) 筑坝材料的选择筑坝材料的设计与土坝的结构设计、施工方法及工程造价有关，一般力求坝体内的材料分区简单，就地就近取材，因材设计。a. 防渗体土料根据碾压式土石坝设计规范(SL274-2001)的规定，防渗体应满足下列要求:渗透系数，心墙坝k不大于1×10-5cm/s。水溶盐含量不大

6、于3%；有机质含量不大于2%(按质量计)具有较好的可塑性，以适应坝体和坝基的变形而不产生裂缝；同时具有较好的渗透稳定性。本次设计土料场位于坝址处左岸上部的黄土台上，属黄土台塬前缘，土料场指标满足规范要求。土料场土料质量评价表序号项目质量指标试验指标心墙坝土料范围值平均值1粘粒含量1530%为宜10.625.0%.18.50%2塑性指数101710.212.811.23渗透系数碾压后1×10-5cm/s9.30×10-79.37×10-6 cm/s3.74×10-6cm/s4水溶盐含量3%0.050.08%0.06%5天然含水率与最优含水率或塑限接近者为优

7、6.015.5%10.70%6pH值77.57.67.67最大干密度宜大于天然密度1.621.70g/cm31.67g/cm38最优含水率14.0516.57%15.58%b. 坝壳填筑料使用于坝壳的填筑料应满足：填筑的坝壳料应有较好的透水性，以减小坝体内孔隙压力和渗透力。具有较强的抗剪强度以减小坝体工程量。具有一定抗渗稳定性，不易发生管涌，级配要好，不均匀系数宜大些。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，根据本次地质勘察报告，坝壳材料采用工程场区附近不均匀系数较大的砂卵石渣土作为坝壳填筑料。c. 过渡层料根据碾压式土石坝设计规范(SL274-2001)的规定，心墙过渡

8、层料应符合下列要求：质地致密，抗水性和抗风化性能满足工程运用条件的要求；具有要求的级配；具有要求的透水性。基于以上考虑要求，心墙过渡层料采用粗砂料。根据地质调查，工程区天然砂料缺乏，所需砂料从平陆县茅津砂场购运。砂料场距坝址约20km，现正在开采使用，属商用砂场，质量和储量满足工程要求。1.4.1.2 均质土坝(1)坝体结构设计大坝为碾压式均质土坝，最大坝高37m，坝顶高程410.0m，坝顶宽6.0m，长210m。上游坝坡坡比1：3，下游坝坡设二级马道，坡比分别为1：2、1：2.5、1：2.5，马道宽3.0m，一级马道高程398.0m，二级马道高程386.0m。均质坝坝体的绝大部分是均一的土料

9、或相对均一的弱透水性材料组成，坝体的整个断面起防渗和稳定作用。这种坝要求土料的渗透系数较小，一般小于1×10-4 cm/s。由于土坝的抗剪强度较小，所以这种坝型较适用于中低坝。根据地质报告显示，土料场位于坝址处左岸上部的黄土台上，属黄土台塬前缘。根据土工试验结果该层低液限粘土满足大坝所需填筑土料要求。(2)护坡设计根据碾压式土石坝设计规范(SL274-2001) ，本次设计坝体上游护坡采用干砌石护坡，护坡上部自坝顶起，下部至坝脚。护坡下设碎石垫层0.2m，砂垫层0.20m。(3)坝基及坝肩处理本次设计采用多种防渗方案结合，即坝轴线处开挖截水槽，上游回填铺盖，下游级配良好砾石层全部清除

10、，根据上堵下排的原则，下游设水平排水层。1.4.2 坝型方案比选本阶段从地形地质、筑坝材料、坝体防渗、施工及工程投资等方面进行了综合比较。具体如下：(1)地形地质条件根据五龙庙工程地质勘察报告，五龙庙水库上坝址位于原降龙大坝下游，两岸山体雄厚，左岸山坡度4050°，局部直立，右岸山高程405.50m以上坡度相对较陡，坡度一般3040°，局部直立。两岸均发育有阶地。坝址区被大面积松散层覆盖，未发现断裂构造迹象。粘土心墙坝适应变形的条件较好，特别是当两岸坝肩很陡时，是应优先选用的坝型。其作用原理是：心墙与坝壳比较具有较高的压缩性，因此沿着心墙边界接触面出现的剪应力会使心墙有效垂

11、直应力大幅度下降，即产生所谓拱效应。碾压式均质土坝对地形地基要求较低，在任何地基上都可以建坝，只需做到与地基结合紧密即可。五龙庙水库上坝址两岸山体较陡，粘土心墙坝与均质坝均适合此类地形。 (2)筑坝材料粘土心墙坝土质防渗体渗透系数较小，一般不大于1×10-5cm/s，防渗体土料要求粘粒含量为15%30%或塑性指数为1017的粘土。有机质含量不大于2%，水溶盐含量小于3%。碾压式均质土坝要求土料的渗透系数，一般小于1×10-4 cm/s。土料要求粘粒含量为10%30%或塑性指数为817的粘土。有机质含量不大于5%，水溶盐含量小于3%。根据地质报告显示，土料场位于坝址处左岸上部

12、的黄土台上，属黄土台塬前缘。根据土工试验结果该层低液限粘土满足粘土心墙坝土质防渗体的填筑要求，同时也满足碾压式均质土坝两种不同的坝型所需填筑土料的要求。粘土心墙坝坝壳料应有较好的透水性，级配要好，不均匀系数宜大些，并有较好的抗震稳定性。坝壳材料采用不均匀系数较大的砂卵石渣土。心墙过渡层料采用粗砂料。根据地质调查，工程区天然粗砂料缺乏，心墙过渡层所需粗砂料从平陆县茅津砂场购运。砂料场距坝址约20km，运距较远，运输所需费用较大。(3)坝体防渗碾压式均质土坝坝体的绝大部分是由大体上均一的土料或相对均一的弱透水性材料组成，坝体的整个断面起防渗和稳定作用，适应地基不均匀沉陷，坝的稳定性较高，坝体传给地

13、基的压力比较均匀。粘土心墙坝的土质防渗体位于坝体中间而不依靠在透水坝壳上，其自重通过本身传到基础，依靠心墙填土自重。受坝壳沉降影响较小。碾压式均质土坝由于大坝填筑料均为土料，相比粘土心墙坝土质防渗体来说，需要的土料工程量大。但过薄的心墙不适于防裂和抗震，若心墙较厚对坝的稳定和施工不利，坝壳与防渗体之间需设过渡层，过渡层要求较高，一旦破坏会导致心墙土料穿过坝壳发生渗透变形。 (4)坝基及坝肩防渗粘土心墙坝依靠坝体中央的土质防渗体进行防渗，坝基防渗要求心墙底部穿透坝基Q4pal 级配良好砾层及坝肩Q3pal卵石混合土层，嵌入下层的低液限粘土层2m，开挖边坡为1:1.0。碾压式均质土坝采用多种防渗方

14、案结合，即坝轴线处开挖截水槽，上游回填铺盖，下游级配良好砾石层全部清除，根据上堵下排的原则，下游设水平排水层。粘土心墙坝坝基接触面的心墙底宽18m，与均质坝相比坝基及坝肩处理范围较小，但心墙坝的土质防渗体容易与结合面产生集中渗流。 (5)施工经验粘土心墙坝由于各个环节施工均要求较高，坝体包括土质防渗体、坝壳以及心墙过渡层等分区，施工较为复杂。并且心墙坝要求心墙与坝壳大体同时填筑，干扰大，一旦建成，很难修补。碾压式均质土坝坝体材料单一，施工机械、施工方法比较简单，相对于粘土心墙坝施工容易。 (6)工程投资本次设计对两种坝型工程部分投资进行了同等深度的比较，经投资概算，粘土心墙坝方案大坝工程投资为

15、1322.6万元，均质土坝方案大坝工程投资为1312.0万元。仅从大坝工程投资来看，粘土心墙坝与均质土坝投资相比多出10.6万元，投资情况见下表。两种坝型投资比较编号项目单位数量单价(元)合计(元)粘土心墙坝 一大坝工程13226101 1大坝坝体9736527 挖土m320146 10.98 221203 填土（渣土）m3271936 8.00 2175488 填土（渣土外运）m3145279 17.31 2514779 心墙填土m382247 17.31 1423687 过渡层m315666 121.38 1901539 清基m322680 11.87 269212 干砌块石m32725 147.93 403109 碎石垫层m31850 40.69 75277 草皮护坡m214821 5.00 74105 坝基重夯m224550 17.36 426188 挖除砂卵石m341798 4.00 167192 现浇C20砼路面(20cm)m21260 67.26 84748 2排水沟119796 现浇C15砼排水沟m3193 376.29