水利水电工程毕业设计计算书

粘土心墙土石坝设计与泄洪洞衬砌内力计算水利水电工程专业毕业设计30-31-毕业设计计算书目录第一节调洪计算 -4-1.1调洪演算的原理概述 -4-1.2若干假定方案的调洪演算 -6-1.2.1方案一：I=2811m,B=7m -6-1.2.1.1设计洪水情况 -6-1.2.1.2校核洪水情况 -6-1.2.2方案二：I=2812m,B=7m -7-1.2.2.1设计洪水情况 -7-1.2.2.2校核洪水情况 -8-1.2.3方案三：I=2811m,B=8m -9-1.2.3.1设计洪水情况 -9-1.2.3.2校核洪水情况 -9-1.2.4方案四：I=2812m,B=8m -10-1.2.4.1设计洪水情况 -10-1.2.4.2校核洪水情况 -10-1.2.5方案五：I=2813m,B=8m -11-1.2.5.1设计洪水情况 -11-1.2.5.2校核洪水情况 -12-1.2.6方案六：I=2810m,B=8m -13-1.2.6.1设计洪水情况 -13-1.2.6.2校核洪水情况 -13-第二节土石坝坝高的确定 -14-2.1基本计算原理及计算公式： -14-2.1.1设计水位加正常运用条件下的坝顶超高 -16-2.1.1.1风壅高度 -16-2.1.1.2波浪爬高 -16-2.1.2正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高 -17-2.1.2.1风壅高度 -18-2.1.2.2波浪爬高 -18-2.1.3校核洪水位加非常运用条件下的坝顶高程 -19-2.1.3.1风壅高度 -19-2.1.3.2波浪爬高 -19-2.1.4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 -20-2.1.4.1风壅高度 -21-2.1.4.2波浪爬高 -21-2.2计算结果整理 -21-第三节土石料的设计 -23-3.1粘性土料的设计 -23-3.1.1计算公式 -23-3.1.2计算结果 -24-3.1.3土料的选用 -24-3.2砂砾料设计 -25-3.2.1计算公式 -25-3.2.2计算成果 -25-3.2.3砂砾料的选用 -29-第四节渗流计算 -29-4.1计算方法 -29-4.2计算断面与计算情况 -30-4.2.11-1断面： -30-4.2.1.1正常蓄水位+相应下游水位 -30-4.2.1.2设计水位与下游相应的水位 -30-4.2.1.3校核水位与下游相应水位 -31-4.2.22-2断面： -31-4.2.2.1正常蓄水位+相应下游水位 -31-4.2.2.2设计水位与下游相应的水位 -31-4.2.2.3校核水位与下游相应水位 -32-4.2.33-3断面： -32-4.2.3.1正常蓄水位+相应下游水位 -32-4.2.3.2设计水位与下游相应的水位 -33-4.2.3.3校核洪水位与下游相应的水位 -33-4.3逸出点坡降计算： -34-4.3.1心墙内渗流最大渗透坡降 -34-4.3.1.1正常蓄水位情况 -34-4.3.1.2设计洪水位情况 -34-4.3.1.3校核洪水位情况 -34-4.3.2逸出点渗透坡降 -34-4.3.2.1正常蓄水位情况 -34-4.3.2.2设计水位情况 -34-4.3.2.3校核洪水位情况 -35-第五节土石坝边坡稳定分析 -35-5.1计算方法概述 -35-5.2源程序代码简示 -37-5.3工况选择与稳定计算成果分析 -44-5.3.1上游坡 -44-5.3.1.1施工期水位在1/3坝高处 -44-5.3.1.2稳定渗流期 -44-5.3.1.3水位骤降到死水位2796m -44-5.3.2下游坡 -44-5.3.2.1施工期水位在1/3坝高处 -44-5.3.2.2稳定渗流期 -45-5.3.2.3正常蓄水位2822.5m+地震 -45-第六节土石坝细部结构计算 -45-6.1土石坝反滤层的设计计算 -45-6.1.1防渗体的反滤层： -45-6.1.2．坝壳与棱体排水，以及地基与棱体排水之间的反滤层的设计 -46-6.2土石坝护坡设计 -47-第七节泄水建筑物的有关计算 -48-7.1隧洞有关水力计算 -48-7.1.1进口堰面曲线部分（以堰顶为坐标原点） -48-7.1.2隧洞的水力计算部分 -48-7.1.3隧洞水面曲线的计算过程 -49-7.1.3.1计算长度L -49-7.1.3.2水面曲线计算 -50-7.2隧洞的有关尺寸确定 -54-7.2.1出口处断面部分 -54-7.2.2收缩断面部分： -55-7.2.3出口扩散段部分： -55-7.3出口消能验算 -55-7.3.1坎顶水深h1试算 -55-7.3.2挑距计算 -56-7.3.3冲坑深度按下式计算 -56-第八节施工组织设计 -57-8.1工日分析 -57-8.2施工导流计算 -59-8.3封堵日期的确定 -63-8.4工程量计算 -64-第九节 隧洞衬砌内力计算 -65-9.1基本资料。 -65-9.1.1洞身衬砌断面形式及尺寸 -65-9.1.2设计荷载 -66-9.1.3衬砌材料 -66-9.2计算方法简述 -66-9.3计算 -67-9.3.1计算简图及基本原理 -67-9.3.2应力验算 -69-9.3.2.1按承载能力极限状态设计配筋： -69-9.3.2.2按正常使用极限状态的验算 -77-第一节调洪计算主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级，临时建筑物级别为4级。永久建筑物的洪水标准：正常运用（设计）洪水重现期是100年；非常运用（校核）洪水重现期是2000年。设计洪峰流量Q设=1680m3/s（P=1%），校核洪峰流量Q校=2320m3/s（P=0.05%）。。1.1调洪演算的原理概述用以峰控制的同倍比放大法对典型洪水过程线进行放大，可以得出设计与校核洪水过程线.单位洪水过程线中，洪峰流量为120m3/s,设计洪峰流量为1680m3/s，校核洪峰流量为2320m3/s，继而得出对应的洪水过程线，计算结果如下表1-1-1，表1-1-2所示：表1-1-1设计洪水过程线流量单位洪水过程线流量（）设计洪水过程线流量（）157025070031101540455770537.552562839272230881723891318210101401179812570132.53514114表1-1-2校核洪水过程线流量单位洪水过程线流量（）校核洪水过程线流量（）1596.67250966.6731102126.674551063.33537.5725.00628541.33722425.33817328.67913251.331010193.33117135.3312596.67132.548.3314119.33表1-1-3水库高程～容积～面积表高程H（m）库容V（万m3）面积A（km2）高程H（m）库容V（万m3）面积A（km2）277010001.2528203670017652821.43850017.70278028002.5028234200019.00278547003.4028254620020.50279067004.5028275090021.80279595005.7528295760024.002800129007.6028336490026.002805170009.2028357000026.4028102220011.5028377500028.5028152860014.2028408160030.351.2若干假定方案的调洪演算可以拟定几组不同孔口宽度B及堰顶高程∩的方案。堰顶自由泄流公式Q=σmє（2g）1/2H3/2可确定设计洪水与校核洪水情况下的起调流量Q调，自Q调开始，假定三条四条或泄洪过程线，在洪水过程线上可以查出Q泄，然后求出相应的蓄水库容V。根据库容水位关系曲线可得相应的库水位H，由三组（Q泄，H）绘制的Q～H曲线与由Q=σmє（2g）1/2H3/2绘制的Q～H曲线相交，所得的交点即为所要求的下泄流量及相应水位。1.2.1方案一：I=2811m,B=7m算出起调流量=0.860.502711.5=522.031m3/s，侧收缩系数，H0/B>1时取1,ξk=0.7(圆弧墩头),n=1,故ε=0.86。1.2.1.1设计洪水情况Q设=1680m3/s,计算Q～H曲线列表如下：表1-2-1设计情况假设泄水流量Q泄（/s）水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）70028.261437.6012823.94463030.536439.876282456032.878442.2182824.18Q～H曲线与Q=Bmє(2g)1/2H3/2的交点为：Q泄=627.5m3/s，H=2824m,如图1-2-1所示。1.2.1.2校核洪水情况Q校=2320m3/s,计算Q～H曲线列表如下：表1-2-2校核情况假设泄水流量Q泄（/s）水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）773.3351.557460.8972825.014676.6655.96465.32825.20858061.451469.8822825.412Q～H曲线与Q=Bmє(2g)1/2H3/2的交点为：Q泄=707.5m3/s，H=2825.133m,如图1-2-1：图1-2-11.2.2方案二：I=2812m,B=7m起调流量=0.860.502710.5=455.443m3/s，侧收缩系数，H0/B>1时取1,ξk=0.7(圆弧墩头),n=1,故ε=0.86。1.2.2.1设计洪水情况Q设=1680m3/s，计算Q～H曲线列表如下：表1-2-3设计情况假设泄水流量Q泄（/s）水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）63032.325441.6652824.15256034.957444.2972824.2849037.702447.0422824.4Q～H曲线与Q=Bmє(2g)1/2H3/2的交点为：Q泄=577.143m3/s，H=2824.2m，如图1-2-2所示1.2.2.2校核洪水情况Q校=2320m3/s，计算出Q～H曲线列表如下：表1-2-4校核情况假设泄水流量Q泄（/s）水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）676.6658.464467.8042825.3258063.425472.7652825.54483.3368.658477.9982825.77Q～H曲线与Q=Bmє(2g)1/2H3/2的交点是：Q泄=657.142m3/s，H=2825.36m，如图1-2-2所示：图1-2-21.2.3方案三：I=2811m,B=8m起调流量=0.860.502811.5=596.607m3/s,侧收缩系数，H0/B>1时取1,ξk=0.7(圆弧墩头),n=1,故ε=0.86.。1.2.3.1设计洪水情况Q设=1680m3/s，计算出Q～H曲线列表如下：表1-2-5设计情况假设泄水流量Q泄（/s）水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）77023.891433.2312823.7270026.478435.8182823.85263028.494437.8342823.956Q～H曲线与Q=Bmє(2g)1/2H3/2的交点为：Q泄=700m3/s，H=2823.867m，如图1-2-3所示。1.2.3.2校核洪水情况Q校=2320m3/s，计算Q～H曲线列表如下：表1-2-6校核情况假设泄水流量Q泄（/s）水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）87045.4996454.842824.746773.3349.281458.6212824.914676.6653.248462.5882825.088Q～H曲线与Q=Bmє(2g)1/2H3/2的交点为：Q泄=784.615m3/s，H=2824.867m，如图1-2-3所示：图1-2-31.2.4方案四：I=2812m,B=8m起调流量=0.860.502810.5=520.506m3/s,侧收缩系数，H0/B>1时取1,ξk=0.7(圆弧墩头),n=1,故ε=0.86。1.2.4.1设计洪水情况Q设=1680m3/s，计算得Q～H曲线列表如下：表1-2-7设计情况假设泄水流量Q泄（/s）水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）70028.299437.639282463030.579439.9192824.06656032.927442.2672824.236Q～H曲线与Q=Bmє(2g)1/2H3/2的交点是：Q泄=638.46m3/s，H=2824.067m，如图1-2-4所示。1.2.4.2校核洪水情况Q校=2320m3/s，计算Q～H曲线列表如下：表1-2-8校核情况假设泄水流量Q泄（/s）水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）87951.603460.9432825.016773.3356.015465.3552825.212676.6660.604469.9442825.414Q～H曲线与Q=Bmє(2g)1/2H3/2的交点是：Q泄=723.076m3/s，H=2825.067m，如图1-2-4所示：图1-2-41.2.5方案五：I=2813m,B=8m起调流量=0.860.50289.5=447.947m3/s,侧收缩系数，H0/B>1时取1,ξk=0.7(圆弧墩头),n=1,故ε=0.86。1.2.5.1设计洪水情况Q设=1680m3/s，计算得Q～H曲线列表如下：表1-2-9设计情况假设泄水流量Q泄（/s）水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）70029.974439.3142824.06663032.523441.8632824.16256035.189444.5292824.292Q～H曲线与Q=Bmє(2g)1/2H3/2的交点是：Q泄=580.5m3/s，H=2824.6m，如图1-2-5所示。1.2.5.2校核洪水情况Q校=2320m3/s，计算得Q～H曲线列表如下：表1-2-10校核情况假设泄水流量Q泄（/s）水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）773.3353.808463.1482825.144676.6658.648467.9882825.32858063.747473.0872825.552Q～H曲线与Q=Bmє(2g)1/2H3/2的交点为：Q泄=668.02m3/s，H=2825.37m，如图1-2-5所示：图1-2-51.2.6方案六：I=2810m,B=8m起调流量=0.860.502812.5=676.093m3/s,侧收缩系数，H0/B>1时取1,ξk=0.7(圆弧墩头),n=1,故ε=0.86。1.2.6.1设计洪水情况Q设=1680m3/s，计算得Q～H曲线列表如下：表1-2-11设计情况假设泄水流量Q泄（/s）水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）84021.162430.5022823.58277022.837432.1772823.66670024.576433.9162823.756Q～H曲线与Q=Bmє(2g)1/2H3/2的交点为：Q泄=769.23m3/s，H=2823.68m，如图1-2-6所示。1.2.6.2校核洪水情况Q校=2320m3/s，计算Q～H曲线列表如下：表1-2-12校核情况假设泄水量Q泄（/s）水库拦蓄洪水V（10）水库总水量V（10）水库水位H（m）87043.37452.712824.652773.3346.803456.1432824.804676.6650.338459.6782824.96Q～H曲线与Q=Bmє(2g)1/2H3/2的交点为：Q泄=861.538m3/s，H=2824.64m，如图1-2-6所示：图1-2-6通过比较，最终选择方案五即∩=2810m,B=8m。设计洪水时：Q泄=769.23m3/s，H=2823.68m；校核洪水时：Q泄=861.538m3/s，H=2824.64m。第二节土石坝坝高的确定2.1基本计算原理及计算公式：坝顶在水库静水位以上的超高按下式2-1确定：（式2-1）式中：Y坝顶超高；R最大波浪在坝顶的爬高；e最大风壅水面高度；A安全超高。该坝为二级建筑物，设计时取A=1.0，校核时取A=0.5坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应按以下运用条件计算，取其最大值:设计水位加正常运用条件下的坝顶超高；正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高；校核洪水位加非常运用条件下的坝顶超高；正常蓄水位加非常运用条件下的坝顶超高。波浪的平均波高和平均波周期宜采用官厅公式，下式2-2(W<20m/s,D<20000m)（式2-2）式中：hm——平均波高，mTm——平均波周期，sD——风区长度kmHm——水域平均水深，mW——计算风速,m/s风壅高度可按下式2-3计算:（式2-3）式中：e——计算处的风壅水面高度m；D——风区长度km；K——综合摩阻系数3.6×10；β——计算风向与坝轴线的夹角22.5°(以8个方位角为准，偏差在±22.50)，为了使坝高取高更合理，取22.5°。坝顶在水库静水位以上的超高按下式2-4确定：（式2-4）式中：y——坝顶超高R——最大波浪在坝坡上的爬高，m（按规范二级大坝设计情况为1.0,山区丘陵去校核情况0.5。当来波波向线与坝轴线的法线成夹角时波浪爬高等于按正向来波计算爬高值乘以折减系数Kβ,Kβ应按表A.1.15确定,插值得Kβ=0.951,用R=Kβ×R1%=0.951×R1%,）e——最大风壅水面高度A——安全加高（按规范二级大坝设计情况为1.0,山区丘陵区校核情况0.5）设计波浪爬高值应根据工程等级确定，2级坝采用累积频率为1%的爬高值。正向来波在单坡上的平均波浪爬高可按下式2-5或有关规定计算：m，（式2-5）2.1.1设计水位加正常运用条件下的坝顶超高吹程D=15km,风速W=21km/s,坝前水深Hm，73.68m,β=22.5，按下式计算：=9.81×15000/21=333.673=0.0076W-1/12(gD/W2)1/3=0.0076×(21)-1/12(333.673)1/3=0.040901h10%=1.8387m=0.331W-1/2.15(gD/W2)1/3.75=0.331×(21)-1/2.15×(333.673)1/3.75=0.3782Lm=17.00191m=333.673,,h为累积频率10%的波高h10%查表A.1.8， hm=hp/1.71，hm=1.07525mTm=4.438×1.07525=4.601951s2.1.1.1风壅高度可按下式计算:=3.6×10×212×15×COS(22.5°)/(2×9.81×73.68)=0.0152192.1.1.2波浪爬高设计波浪爬高值应根据工程等级确定，2级坝采用累积频率为1%的爬高值。正向来波在单坡上的平均波浪爬高可按下式或有关规定计算：m =0.78×1.0×(17.00191╳1.07525)0.5/(1+2.752)0.5 =1.139719m式中：Rm——平均波浪爬高m——单坡的坡度系数,若坡角为a,即等于cotaK△——斜坡的糙率渗透性系数，根据护面类型查规范得0.78Kw——经验系数,查规范得1.0,W/(gH)0.5<1大坝等级为2级,查规范1﹪累积频率下的爬高与平均爬高的比值为2.23。(hm/H<0.1)R1%=2.23×1.139719=2.541573m坝顶在水库静水位以上的超高按下式确定：=2.541573×0.951+0.015219+1.00=3.432256m坝顶高程2823.68+3.432256=2827.112坝高2827.237-2750=77.112m为预防坝体竣工后的沉陷,预留0.3%的坝高。坝高+0.4%沉陷=2750+77.112×1.003=2827.34359m2.1.2正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高吹程D=15㎞,风速W=21㎞/s,坝前水深Hm=(2824.64-2750)=74.64m,β=22.5o=9.81×15000/21=333.673=0.0076W-1/12(gD/W2)1/3=0.0076×(21)-1/12(333.673)1/3=0.040901h10%=1.8387m =0.331W-1/2.15(gD/W2)1/3.75=0.331×(21)-1/2.15×(333.673)1/3.75=0.3782Lm=17.00191m=333.673,h为累积频率10%的波高h10%查表A.1.8 hm=hp/1.71hm=1.07525mT=4.438×1.07525=4.601951s2.1.2.1风壅高度可按下式计算:=3.6×10×212×15×COS(22.5°)/(2×9.81×72.5)=3.6×10×142×15×103/(2×9.81×72.5)/COS(22.5°)=0.015467m2.1.2.2波浪爬高设计波浪爬高值应根据工程等级确定，2级坝采用累积频率为1%的爬高值。正向来波在单坡上的平均波浪爬高可按下式或有关规定计算：m=1.5～2.0=0.78×1.0×(1.07525×17.00191)/(1+2.752)0.5=1.139719m查规范1%频率下的爬高与平均爬高的比值为2.23。R/R=2.23R1%=2.23×1.139719=2.541573m坝顶在水库静水位以上的超高按下式确定：=2.541573×0.951+0.0015467+1=3.432504m坝顶高程2822.5+3.432504=2825.9325m坝高2826.057-2750=75.9325m为预防坝体竣工后的沉陷,预留0.3%的坝高。坝高+0.3%沉陷=2750+75.9325×1.003=2826.16m2.1.3校核洪水位加非常运用条件下的坝顶高程吹程D=15㎞,风速W=14㎞/s,坝前水深Hm=(2824.64-2750)=74.64m,β=22.5=9.81×15000/14=750.765=0.0076W-1/12(gD/W2)1/3=0.0076×(14)-1/12(750.765)1/3=0.055438h10%=1.107622m =0.331W-1/2.15(gD/W2)1/3.75=0.331×(14)-1/2.15×(750.765)1/3.75=0.56695Lm=11.32748m=750.765,,h为累积频率10%的波高h10%查表A.1.8 ，hm=hp/1.71，hm=0.647732mT=4.438×0.647732=3.571782s2.1.3.1风壅高度可按下式计算:=3.6×10×142×15×COS(22.5°)/(2×9.81×74.64)=0.006677m2.1.3.2波浪爬高设计波浪爬高值应根据工程等级确定，2级坝采用累积频率为1%的爬高值。正向来波在单坡上的平均波浪爬高可按下式或有关规定计算:m=0.78×1.0×(0.647732╳11.32678)0.5/(1+2.752)0.5=0.722036m查规范不同累积频率下的爬高与平均爬高的比值为2.23。R1%=2.23×0.722036=1.610139m坝顶在水库静水位以上的超高按下式确定：=1.610139×0.951+0.006677+1=2.03792坝顶高程2824.64+2.03792=2826.678m坝高2826.757-2750=76.678m为预防坝体竣工后的沉陷,预留0.3%的坝高。坝高+0.3%沉陷=2750+1.003×76.678=2826.908m2.1.4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吹程D=15㎞,风速W=14㎞/s,坝前水深Hm=(2824.64-2750)=74.64m,β=22.5o=9.81×15000/14=750.765=0.0076W-1/12(gD/W2)1/3=0.0076×(14)-1/12(750.765)1/3=0.055438h10%=1.107622m =0.331W-1/2.15(gD/W2)1/3.75=0.331×(14)-1/2.15×(750.765)1/3.75=0.56695Lm=11.32748m=750.765,h为累积频率10%的波高h10%查表A.1.8， hm=hp/1.71，hm=0.647732mT=4.438×0.647732=3.571782s2.1.4.1风壅高度可按下式计算:=3.6×10×142×15×COS(22.5°)/(2×9.81×72.5)=0.006874m2.1.4.2波浪爬高设计波浪爬高值应根据工程等级确定，2级坝采用累积频率为1%的爬高值。正向来波在单坡上的平均波浪爬高可按下式或有关规定计算：m=0.78×1.0×(0.647732╳11.32678)0.5/(1+2.752)0.5=0.722036m查规范不同累积频率下的爬高与平均爬高的比值为2.23。R1%=2.23×0.722036=1.610139m考虑地震，涌浪水位在0.5m～1.5m之间，所以加1.5米超高。坝顶在水库静水位以上的超高按下式确定：=1.610139×0.951+0.006874+1.5=3.038117m坝顶高程2822.5+3.038117=2825.538m坝高2826.117-2750=75.538m为预防坝体竣工后的沉陷,预留0.3%的坝高。坝高+0.3%沉陷=2750+1.003×75.538=2825.76473m2.2计算结果整理此计算过程中采用了Excel，在此工具中直接输入上述公式，然后带入数据即得以下结果,如表2-2所示：表2-2官厅公式计算坝高结果整理项目设计+正常运用正常+正常运用校核+非常运用正常+非常运用+地震上游静水位2823.682822.52824.642822.5河底高程2750275027502750坝前水深Hm73.6872.574.6472.5吹程D15000150001500015000风向夹角β22.522.522.522.5风速w21211414gD/w2333.67333.67750.77750.77波高h10%1.841.841.111.11Lm17.0017.0011.3311.33hm1.081.080.650.65护坡粗糙系数0.780.780.780.78上游坝面坡脚2.82.82.82.8经验系数kw1111波浪沿坝坡爬高R1.141.140.720.72R1%2.542.541.611.61安全超高A110.51.5风浪引起坝前壅高e0.020.020.010.01超高y3.563.562.123.12坝顶高程2827.112825.932826.682825.54坝高77.1175.9376.6875.54坝高计算沉陷后0.3%2827.342826.162826.912825.76坝顶高程最终定为2828米,坝高78米。第三节土石料的设计3.1粘性土料的设计3.1.1计算公式粘性土料的填筑密度以压实干容重为设计指标，并按压实度确定，如式3-1：（式3-1）式中：P——填土的压实度； d——设计填筑干容重；dmax——标准击实试验最大干容重。对Ⅰ、Ⅱ级坝和各种等级的高坝P应不低于0.98～1.00；对Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级坝（高坝除外）应不低于0.96～0.98。设计最优含水量取在塑限附近略高于塑限，可用下式3-2拟定：(式3-2)式中：ω——土料天然含水率；ωp——土料的塑限含水量，以小数计；Ip——土料的塑性指数，以小数计；IL——土料的液性指数，亦称稠度，高坝可取-0.01～0.1，低坝可取0.10～0.20。粘性土料实际所能达到的最大干容重如式3-3示：d(式3-3)式中：Va——压实土体单位体积中的含气率，粘土0.05，壤土0.04，砂壤土0.03；s——土粒容重；ωt——填筑含水量。要乘以P才可作为设计干容重。再用下式3-4校核(式3-4)式中：γd——设计干容重；(γd)o——土场自然干容重。3.1.2计算结果粘性土料设计的计算成果见表3-1及3-1（续）。依据这些指标来判断需要选择哪个料场。表3-1粘性土料设计成果表料场比重GS最大干容重dma最优含水量设计干容重塑限含水量ωp塑性指数Ip填筑含水量ωkN/m3%kN/m3%%1#下2.6715.722.0715.5423.1419.4622.52#下2.6716.221.0216.0222.2021.7020.71#上2.6515.322.3015.1525.0024.5723.82#上2.7415.123.8014.9626.3023.5025.83#下2.7017.716.9017.4820.0014.0016.3表3-1（续）粘性土料设计成果表自然含水量孔隙比e湿容重Rw浮容重r,内摩擦角φ液限K(10-6)有机含量可溶盐含量%kN/m3kN/m3o%m/s%%24.80.73419.0399.44824.6742.64.311.730.07024.20.72119.3429.51925.5043.94.801.900.01925.60.99018.7538.13423.1749.51.902.200.11026.31.09318.8178.15521.5049.93.960.250.11015.90.58020.32610.5528.0034.03.001.900.0803.1.3土料的选用上下游共有5个粘土料场，储量丰富。因地理位置不同，各料场的物理性质，力学性质和化学性质也存在一定差异，土料采用以“近而好”为原则。粘粒含量为15%～40%之间，均满足。规范指出粘土的渗透系数小于10×10-6cm/s,所有料场均满足要求。可溶盐含量都不大于3%，1#上的有机质含量为2.20%，大于规定的2%，故不予采用。2#下和2#上的塑性指数大于20%和液限大于40%，根据规范不能作为坝的防渗体材料。3#下的渗透系数比1#下的小，防渗性能好，最大干容重比1#下的大，压缩性能好，且3#下的填筑含水量比天然含水量大,施工时只需加水，故选3#下为主料场，1#下为辅助及备用料场。3.2砂砾料设计3.2.1计算公式坝壳砂砾料填筑的设计指标以相对密实度表示如下式3-5所示:(式3-5)(式3-6)湿容重(式3-7)浮容重(式3-8)式中的符号意义如下所示,emax为最大孔隙比0.7857；emin为最小孔隙比0.36986(nmax=0.44,nmin=0.27,e=n/(1-n))；e为填筑的砂、砂卵石或地基原状砂、砂卵石的孔隙比；rd为填筑的砂、砂卵石或原状砂、砂卵石干容重。设计相对密实度Dr要求不低于0.70～0.75；地震情况下，浸润线以下土体按设计烈度大小Dr不低于0.75～0.80。3.2.2计算成果砂砾料的计算成果见表3-2,表3-3和表3-3续。表3-2相对密实度Dr的计算料场emaxemineDr1#上0.78570.369860.4810.7322#上0.78570.369860.5310.6123#上0.78570.369860.4490.8104#上0.78570.369860.4600.7841#下0.78570.369860.4810.7322#下0.78570.369860.4750.7483#下0.78570.369860.4810.7324#下0.78570.369860.5110.662表3-3砂砾料计算成果汇总表不均匀系数Cu>5mm砾石比重Gs天然孔隙比相对密实度Dr设计干容重d设计孔隙比e%g/cm31#上50.1252.52.750.4810.73218.2160.4802#上45.7152.22.740.5310.61217.560.5303#上24.54747.72.760.4490.81018.6860.4504#上37.1553.82.750.4600.78418.4780.4601#下46.7753.52.750.4810.73218.2160.4802#下40.7455.92.730.4750.74818.1570.4753#下64.5755.32.730.4810.73218.0830.4804#下44.6753.52.720.5110.66217.6590.510表3-3续砂砾料计算成果汇总表料场保持含水量ω湿容重w浮容重内摩擦角φ粘聚力c渗透系数K%g/cm3g/cm3kPa10-2cm/s1#上519.12711.59235°10′02.02#上518.43811.14936°00′02.03#上519.6211.91635°40′02.04#上519.40211.75936°30′02.01#下519.12711.59235°20′02.02#下519.06511.50636°40′02.03#下518.98711.45935°50′02.04#下518.54211.16737°10′02.0绘出各沙石料场的级配曲线如下图3-1所示：图3-13.2.3砂砾料的选用土石坝的坝壳砂砾石材料主要为了保持坝体的稳定性，要求有较高的强度。根据规范要求砂砾石的相对密实度Dr要求不低于0.75，上述料场中只有3#上和4#上料场满足要求，其余料场不符合要求不予采用。下游坝壳水下部位和上游坝壳水位变动区宜有较高的透水性，且具有抗渗和抗震稳定性，应优先选用不均匀和连续级配的砂石料。认为不均匀系数η=30～100时较易压实，Cu<5～10时则压实性能不好。而3#上料场砂砾料的不均匀系数Cu=25＜30,不满足要求，从颗粒级配曲线上也可以看出，4#上料场的砂砾料颗粒级配较好，物理力学指标也较高，可优先使用，故选择4#上料场作为砂砾料的主料场。第四节渗流计算土石坝的渗流计算应该包括以下几点内容:确定坝体浸润线及其下游出逸点的位置，绘制坝体及其坝基内的等势线分布图或流网图；确定坝体与坝基的渗流量；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；确定库水位降落时上游坝坡内的浸润线位置空隙压力；确定坝肩的的等势线、渗流量和渗透比降。渗流计算应包括以下水位组合情况：(1)上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；(2)上游设计水位与下游相应的水位；(3)上游校核水位与下游相应水位。4.1计算方法根据坝体内部各部分渗流状况的特点，可以将坝体分为若干段。运用水力学方法解决土坝渗流问题。根据达西定律近似解土石坝的渗流问题。在计算中假定任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等。计算简图见图4-1。通过防渗体流量如式4-1示：（式4-1）通过防渗体后的流量如式4-2示：（式4-2）4.2计算断面与计算情况对河床中间断面1-1以及左右岸坡段各一断面2-2、3-3三个典型断面进行渗流计算，参见图4-1,4-2,4-3，计算按正常蓄水和设计洪水两种情情况进行。4.2.11-1断面：图4-14.2.1.1正常蓄水位+相应下游水位正常蓄水位2822.5m下游相应的最低水位为2752.2m（由发电所需引水量44.1m3/s确定）。k=3.010-6cm/s,k2=1×10-9cm/s，k1=2.0×10-2cm/s，kT取2.0×10-2cm/s，T1=2.2m，T=28.264m,D=0.8m，H=72.5m，δ==20m,L1=161.675mL=169.975m由=计算得：=3.983×10-6,H1=2.3167m4.2.1.2设计水位与下游相应的水位k=3.010-6cm/s,k2=1×10-9cm/s，k1=2.0×10-2cm/s，kT取2.0×10-2cm/s，H=73.68m，T1=5.3036m，L1=166.3304m，L=167.975m。由q1=q2计算得：=4.094×,H1=5.412m4.2.1.3校核水位与下游相应水位H=74.64m，k=3.010-6cm/s,k2=1×10-9cm/s，k1=2.0×10-2cm/s，kT=2.0×10-2cm/s,H=74.64m,T1=5.4592m，L1=166.5638m，L=167.975m。由=计算得：=4.2,H1=5.5699m4.2.22-2断面：图4-2上游坝底高程取在2803m处，下游坝底高程取在2753m处，经简化近似等效为上下游坝底高程均在2789m，坝与地基的接触面近似为一水平面，覆盖层深28.062m。4.2.2.1正常蓄水位+相应下游水位k=3.010-6cm/s,k2=1×10-9cm/s，k1=2.0×10-2cm/s，kT取2.0×10-2cm/s，T1=0mT=28.062m，D=0.8m，H=33.5m，δ==12.2m，L1=90.65mL=96.35m由=计算得：=1.403,H1=0.025746m。4.2.2.2设计水位与下游相应的水位k=3.010-6cm/s,k2=1×10-9cm/，k1=2.0×10-2cm/s，kT=2.0×10-2cm/s，T1=0m，T=28.062m，D=0.8m，H=34.68m，δ==12.2m，L1=90.65m，L=96.35m由=计算得：=1.503,H1=0.0276m。4.2.2.3校核水位与下游相应水位k=3.010-6cm/s,k2=1×10-9cm/，k1=2.0×10-2cm/s，kT=2.0×10-2cm/s，T1=0m，T=28.062m，D=0.8m，H=34.68m，δ==12.2m，L1=90.65m，L=96.35m由=计算得：=1.587,H1=0.029m。4.2.33-3断面：图4-3上游坝底高程取在2765m处，下游坝底高程取在2814m处，经简化近似等效为上下游坝底高程均在2800m，坝与地基的接触面近似为一个水平面，覆盖层深度14.275m。4.2.3.1正常蓄水位+相应下游水位k=3.010-6cm/s,k2=1×10-9cm/s，k1=2.0×10-2cm/s，kT取6.0×10-3cm/s(经试验得出玄武岩基的k值为4.14～7.36米/昼夜)，T1=0m，T=14.275m，D=0.8m，H=22.5m，δ==10m，L,=64.25m，L,=L=64.25m由=计算得：=1.787,H1=0.1446m。4.2.3.2设计水位与下游相应的水位k=3.010-6cm/s,k2=1×10-9cm/s，k1=2.0×10-2cm/s，kT取6.0×10-3cm/s(经试验得出玄武岩基的k值为4.14~7.36米/昼夜)，T1=0m，T=14.275m，D=0.8m，H=23.68m,δ==10m，L,=64.25m，L,=L=64.25m。由=经过试算得：=1.921,H1=0.1552m。4.2.3.3校核洪水位与下游相应的水位k=3.010-6cm/s,k2=1×10-9cm/s，k1=2.0×10-2cm/s，kT取6.0×10-3cm/s(经试验得出玄武岩基的k值为4.14~7.36米/昼夜)，T1=0m，T=14.275m，D=0.8m，H=24.64m,δ==10m，L,=64.25m，L,=L=64.25m。由=经过试算得：=2.032,H1=0.164m。结果整理如下表所示：表4-1渗流计算结果汇总表计算情况正常蓄水位设计洪水位校核洪水位上游水深H（m）1-172.573.6874.642-233.534.6835.643-322.523.6824.64下游水深T1（m）1-12.25.3045.4592-20003-3000逸出水深H1（m）1-12.3175.4125.572-20.0260.0280.0293-30.1450.1550.164单宽流量q(10-6m3/s.m)1-13.9834.0944.22-21.4031.5011.5873-31.7881.922.0324.3逸出点坡降计算：用流网法可准确求出渗流区任一点的渗透压力、渗透坡降和渗流量。绘制等势线和流网时，两者互相正交，并且分割的网格大致长宽相等。在Ⅰ-Ⅰ断面（2750高程），坝及坝基最大渗透坡降分下列情况罗列如下：4.3.1心墙内渗流最大渗透坡降4.3.1.1正常蓄水位情况△h=70.183/10=7.0183,△l=1.8m,i=△h/△l=7.0183/1.8=3.8994.3.1.2设计洪水位情况△h=68.268/10=6.8268,△l=1.6m,i=△h/△l=6.8268/1.6=4.274.3.1.3校核洪水位情况△h=69.07/10=6.907,△l=1.6m,i=△h/△l=6.907/1.6=4.317心墙内渗流最大渗透坡降计算结果如下表4-2所示表4-2心墙内渗流最大渗透坡降成果表1-1情况正常设计校核库水位骤降J3.8994.274.3170.1914.3.2逸出点渗透坡降4.3.2.1正常蓄水位情况△h=70.183/10=7.0183,△l=4.4m,i=△h/△l=7.0183/4.4=1.5954.3.2.2设计水位情况△h=68.268/10=6.8268,△l=4m,i=△h/△l=6.8268/4=1.70674.3.2.3校核洪水位情况△h=69.07/10=6.907,△l=4.8m,i=△h/△l=6.907/4=1.439库水位骤降时,砂砾坝壳的最大渗透坡降:△h=(2824.64-2796)/10=2.864,△l=30m,i=△h/△l=2.864/30=0.191在各种工况下渗流逸出点坡降计算成果如下表4-3：表4-3逸出点渗透坡降成果表1-1情况正常设计校核库水位骤降J1.5951.70671.4390.191第五节土石坝边坡稳定分析土石坝在自重、水荷载、渗透压力和地震荷载等作用下，若剖面尺寸设计不当或坝体、坝基土料的抗剪强度不足，坝体甚至坝体连同坝基都有可能发生失稳。本设计中的稳定分析，主要指边坡的抗滑稳定。稳定分析计算的目的在于分析坝坡在各种不同工作条件下可能产生的失稳形式，校核其稳定性是否符合要求。5.1计算方法概述假设滑动面只在坝壳中，而心墙不连同坝壳一起滑动这样可以在编程中作为坐标确定标准，如图5-1所示。初始安全系数假定为3.00，当满足判断条件并且安全系数小于上次取出的安全系数，取出安全系数，并绘出最危险滑动面。三个点的坐标加安全系数的计算循环。这样，程序总共有4层循环嵌套。计算简图如下5-1及图5-2。图5-1边坡稳定计算简图图5-2稳定计算图计算公式如下式5-1（式5-1）（注：4上料场的天然休止角为θ=36.5o,tanθ=0.74）滑动面上的抗剪强度利用充分程度应该是一样的，其安全系数表达方式为式5-2：（式5-2）式中：即为安全系数，为试验得到的抗剪强度指标。图中0点为坐标原点，水平的坝坡向为X轴，竖直向上为Y轴建立直角坐标系统。假设滑动面的三点A、D、C（据一定步长来确定这三点的坐标），滑动面不会切到心墙。其中A点在坝脚斜坡面上移动，但不会到达坝顶，D点为折坡点，C点在坝体计算那一面的表面上移动，可以到达坝顶，但不会移动到坝体的另一侧。其他字母如图所示。计算中把滑动土体ADC（构成的滑动面）分成两个滑块，Pi为相邻两土体滑面上的作用力。计算时先假设不同的安全系数Fs，从第一条土块的平衡条件中求出P1，然后求出第二块的P2，看求出是否满足P1=P2，如不平衡则重新假定安全系数，重复上述步骤，直到为满足，此时的Fs即为该滑动面的安全系数。多次计算求Fs最小值,对应的滑动面即为最危险滑动面。其中，在下游水位以上的土体所受的重力，用面积乘以天然容重，在下游水位以下，由于浮力作用，所以乘以浮容重得到。Qij为水平地震惯性力，其值为惯性系数aij乘以相应土体的重量，所有力都可以简化到形心处，编程中只考虑力的平衡，不考虑力矩的平衡。为简化程序起见，还作了以下假定：滑面ED、PQ铅直，条间力Pi，作用方向总是和上一个土体平行。这些假定会对计算结果的精确度产生一定影响，但总体影响不是太大，近似计算中可以忽略。本程序采用VB编程，当满足判断条件P1=P2,并且安全系数小于上次取出的安全系数，取出新安全系数，直至得到最小的安全系数，并给出最危险滑动面A、B，D、C的坐标。5.2源程序代码简示OptionExplicitPrivateSubAbout_Click()Form_About.ShowForm_About.Left=(Screen.Width-Form_About.Width)/2Form_About.Top=(Screen.Height-Form_About.Height)/2EndSubPrivateSubCal_U_Click()Form_main.HideForm_Cal.ShowForm_Cal.Left=(Screen.Width-Form_Cal.Width)/2Form_Cal.Top=(Screen.Height-Form_Cal.Height)/2Form_Cal.Caption="上游坡面计算"Form_Cal.Label_WH.Caption="上游水位H1(m)"Form_Cal.Label_m.Caption="上游坝面坡度m1"EndSubPrivateSubCal_D_Click()Form_main.HideForm_Cal.ShowForm_Cal.Left=(Screen.Width-Form_Cal.Width)/2Form_Cal.Top=(Screen.Height-Form