土石坝设计计算说明书

第14页共15页水工建筑物课程设计——老君山水利枢纽2011年1月目录前言……………………21基本资料及数据设计………………42枢纽布置………………63土坝设计………………84参考文献……………15前言水工建筑物课程设计是一门基础课程，水工建筑物设计对于一个水利水电专业的学生来说，有特别重要的作用，水工设计是学生在跨出校门，走上工作岗位之前，学校安排的一次重要的设计课程。设计对于锻炼一个学生的动手能力起到相当重要的作用。本次设计目的在于培养学生的动手能力以及具体问题具体分析的能力，做设计的同学都知道，理论与实际并不完全一样。设计过程中会遇到课本上没有包括的情况，这就要求学生们能够联合所学知识跟实际遇到的工程概况，来对这其中的水工建筑物做适合的设计调整，以适合实际工况。此次设计开始于2011年1月4日，结束于2011年1月16日。设计期间在杨洪宣老师的精心指导下，在同学们的不懈努力下。设计得以很好的完成。设计中，由于学生水平有限以及所借资料比较陈旧。所以，设计中有很多不足之处，甚至还存在错误之处。这些，望老师给予指正。我们一定虚心学习，努力学习。在今后的工作生涯中，一定可以不断地完善自己，充实自己。1基本资料及数据设计1.1基本资料1.1.1工程概况老君山水库位于云南省××县西北部，弥沙河上游白石江上段老君山河上，其位于横断山脉的中段，金沙江于澜沧江的分水岭地带。流域最高点4247m，坝址最低点2660m。老君山河发源于老君山路路角，自北向南流经竹坪、锯木厂，锯木厂以下转向西南流经清坪后于龙塘于美水河汇合后为白石江。全流域面积80.6Km2，主河长18.70Km，主河道平均坡降0.0522。水库区地势北部、东部及南部高，西部低，为高山深切割陡坡地形，侵蚀堆积地貌，库区为峡谷地形，两岸坡高而陡，库形条件差。主要出露三叠系上统古村组（T3w）及印支一燕山期火成岩地层。库区水文地质条件简单，厚层至块状花岩斑岩、石英玢岩赋存裂隙水，属裂隙透水含水岩组，透水性强，主要为中等透水。库区两岸地下水位出露较高，属地下水补给水库。库区内植被较好，库岸无大的坍塌、滑坡、泥石流等不良物理地质现象。但两岸山坡陡斜，冲箐沟发育，岩石风化较强，小型坍塌现象较多。1.1.2枢纽任务老君山水库总库容1200万m3，总供水量1253.4万m3，农业供水870.8万m3，灌溉面积3.7640万亩，工业及乡镇供水382.6万m3。1.1.3地形地质资料地形如《坝址区地形图》，1.2设计数据1.2.1设计参数表项目指标枢纽任务灌溉、防洪工程等级Ⅲ正常蓄水位(m)2745.50设计洪水位(m)2746.80校核洪水位(m)2748.00设计下泄洪水流量(m3/s)85校核下泄洪水流量(m3/s)120水库最大吹程(km)3设计风速(m/s)191.2.2筑坝材料1.2.2.1防渗料场防渗料场位于坝址上游左岸箐口坡脚一带，地形坡度10～20º，相对平缓，老君山公路从其附近通过，距坝址约2km，开采及运输条件便利，该区主要出露地层为三叠系中统上兰组下段浅黄、浅灰白色全～强风化泥质粉砂岩夹粉、细砂岩夹泥质粉砂岩，防渗土料为第四系全新统残坡积(el+dlQ)褐红、褐黄色含砂砾石粘土，主要为中、高液限粘土，厚度一般约3～6m，有用层储量为120万m3，无用剥离量为12万m3，经取样试验，主要物理指标：比重为2.76，粘粒含量为17～49.97%，多数在40%以下，有效粒径<0.001mm，含有少量砾石，大于5mm粒径含量≤24.46%，大于2mm粒径含量≤38.93%，不均匀系数平均>137.5，土料颗分包络曲线见下图1，土料塑性指数Ip为10.1～21.8，大部分在20以内，自由膨率≤16.88%，最优含水量平均为24.83%，天然含水量平均为23.3%，二者较为接近，最大干容重平均为1.58g/cm3，渗透系数K为2.17×10-7～6.33×10-4cm/s，能满足防渗要求；主要力学指标为：土料的压缩系数a1-2=0.247MPa-1，属中压缩性土，内摩擦角小值均值为20.26º1.2.2.2堆石料场堆石料位于Ⅱ坝址上游右岸，堆石料主要为印支～燕山期(rπ5)暗紫色弱～微风化细粒花岗斑岩、三叠系上统歪古村组(T3Wb)灰白色弱～微风化石英闪长玢岩，坚硬、块度好，力学强度高，有用层厚度约110m，有用层储量865.7万m3，无用剥离量44.2万m3，料场坡脚河道左岸为老君山公路，交通较为便利，距Ⅱ坝址1.2km，距Ⅰ坝址3.7km。经取4组大样试验，主要物理力学指标为：天然密度2.03g/cm3，比重2.66，含泥量≤3%，控制干密度2.01g/cm3，孔隙率24.4%，渗透系数K平均为5.06×10-2cm/s，压缩系数a0.1～0.2≤0.011MPa-1，ф=40图1粘土料颗分级配包络曲线图图2堆石料颗分级配包络曲线图1.2.2.3反滤过渡料场工程区及附近缺天然反滤过渡料，反滤过渡料场位于白石江支流马登河下游河段流经马登镇处，在剑兰公路以西，距Ⅰ坝址19km，距Ⅱ坝址21.5km，交通方便，反滤过渡料为河道冲洪积砂卵砾砂石层，其母岩岩性主要为紫红色、灰白色石英砂岩，粉、细砂岩及少量深灰色砂质板岩及灰岩，无针、片状颗粒及软弱成分，含泥量较低，为2.2%，级配良好，经取2组样试验，各项指标均能满足要求，储量丰富，总储量约90万m3。该料场质量较好，储量丰富，开采运输条件好，交通方便，只是运距较远，单价偏高，但反滤过渡料通过对采用坝址区附近青灰色灰岩机制与采用马登河天然砂砾料进行单价比较，采用马登河天然砂砾料较为经济，因此，选择马登河天然砂砾料场为反滤料料场，按工程要求筛分选用。2枢纽布置2.1工程等别及建筑物级别2.1.1水利枢纽建筑物组成根据水库枢纽任务，该枢纽组成建筑物包括：拦河大坝、溢洪道、输水隧洞、施工导流等临时性建筑物。2.1.2工程规模 依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000），工程为中型水库，工程等级为Ⅲ等，主要水工建筑物：大坝、溢洪道、输水道、输水隧洞级别为3级，施工导流等临时性建筑物级别为4级。2.2各组成建筑物的选择2.2.1挡水建筑物土石坝对地形地质条件要求低，几乎在所有的条件下都可以修建，且施工技术简单，可实行机械化施工，也能充分利用当地建筑材料，覆盖层也不必挖去，因此造价相对较低，所以采用土石坝拦河。2.2.2泄水建筑物 土石坝最适合采用岸边溢洪道进行泄洪，河流下游向右转，在坝轴线下游下游500m处山谷，有阶状台地，然而上游左岸200m处也有较宽垭口，岸边山坡也较缓，采用正槽溢洪道，溢流堰可沿岸边等高线布置，溢流前沿长而泄槽较窄，开挖放量小，下游能使泄洪水很快回归河槽。引水渠末端设置圆形渐变段，泄槽不设收缩、弯曲段和扩散段，尾水渠设护袒。成直线布置在右岸的天然垭口。2.2.2.1堰面形式采用WES型堰面形状，孔口宽度为10m,中闸墩（取2.0m），边墩（取3.0m）,进水渠与控制堰之间为渐变段，采用弧线连接。2.2.2.2引水渠引水渠的作用是将水流平顺的引至溢流堰前。为提高泄洪能力，渠内流速v<4.0m/s。渠底宽度大于堰宽，渠底末端高程与控制堰顶高程相同，拟定引水渠底宽B=40m，引水渠与控制堰之间设渐变段，采用圆弧连接，圆弧半径R=10m，圆弧的圆心角为90°；引水渠前段采用梯形断面，边坡采用1：1.5；底坡均为1：10的逆坡。最后引水渠总长L=65m。进水渠与控制堰之间20m为渐变段，采用弧线连接。2.2.2.3控制段为了控制泻流能力，设置平面钢闸门，b×h=10m×6m。与泄槽底版相连采用反弧曲面。2.2.2.4泄槽泄槽布置在基岩上，断面为挖方，为适应地形，泻槽分为收缩段、泻槽一段、泻槽二段，根据已建的工程拟定收缩段收缩角为12度。首端与控制堰同宽B=30m。末端采用矩形。2.2.2.5出口消能溢洪道出口段为冲沟，岩石质地较好，离大坝较远，采用挑流消能。水流冲刷不会危及大坝安全。2.2.3输水隧洞 为了配合溢洪道宣泄洪水，设置输水隧洞，进口处设在坝轴线上游侧330m出右岸坡缓处，出口为下游400m处山谷。总长800m左右，围岩稳定，洞线长直，为有压隧洞。水流流速较大，采用厚50cm的混凝土衬砌，衬砌纵向接缝采用平接缝，沿水流向横缝采用搭接型式。纵横向分缝距离分别取为10m、20m，缝下设纵横向排水沟，并设有铜片止水装置，在排水沟顶面铺沥青麻片，以防止施工时水泥浆或运用时泥沙堵塞排水沟，各横向排水沟的水流应通过泄槽两侧的纵向排水沟排往下游，纵向排水管设置两排，以保证排水通畅。3土坝设计3.1坝型选择枢纽大坝采用当地材料筑坝，根据初步勘查，防渗料场位于坝址上游左岸箐口坡脚一带，老君山公路从其附近通过，开采及运输条件便利。反滤过渡料场位于白石江支流马登河下游河段流经马登镇处，在剑兰公路以西，料场质量较好，储量丰富，开采运输条件好，交通方便。心墙坝心墙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，不受坝壳沉降影响，依靠心墙填土自重，使得沿心墙与地基接触面产生较大的接触应力，有利于心墙与地基结合，提高接触面的渗透稳定性；使其因坝主体的变形而产生裂缝可能性小，粘土用量少，受气候影响相对较小，粘土心墙冬季施工时暖棚跨度比斜墙小，移动和升高较便利。故采用心墙坝。3.2大坝轮廓尺寸拟定3.2.1确定防渗料及坝壳堆石料的填筑标准根据防渗料厂及堆石料厂的资料，防渗粘土料按压实度98%控制，堆石料按孔隙率20%～28%控制。3.2.2坝顶宽度本坝顶无交通要求，全风化层下限高程2660,坝高约为2750-2660=90m，坝顶宽宜为8—10m，取坝顶宽度B=9m。3.2.3坝坡因最大坝高约为90m，故采用四级变坡。由防渗粘土料和堆石料性质取上游坝坡1:2.6；下游坝坡从坝顶到坝踵依次为1:2.5,1:2.6,1：2.7,1：2.75；第一级马道高程为2660+30=2690m，第二级马道高程为2690+20=2710m，第三级马道高程为2710+20=2730m。马道宽度2.0m。3.2.4坝顶高程坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应分别按以下运用情况计算，取其最大值：A、正常蓄水位+正常运用条件的坝顶超高B、设计洪水位+正常运用条件的坝顶超高C、校核洪水位+非常运用条件的坝顶超高D、正常蓄水位+非常运用条件的坝顶超高+地震安全超高坝顶安全超高d的计算公式为：风浪引起的坝前水位壅高：上游坡率m=3，波浪在坝坡上的爬高：式中：-最大波浪在坝坡上的爬高，m-最大风浪引起的坝前水位壅高，m-安全加高，m-综合摩阻系数(取)-设计风速，19-库水平均水深，初略估计为80-风向与坝轴线法线方向的夹角（取）。h、L-分别为设计波高和波长-坝坡糙率渗透系数,坝坡砌石护坡，取0.8-经验系数，,取1。带入数据有坝顶高程计算表：运用情况静水位坝址最低点ha/me/0.001mA/m地震作用/m坝高H/m取坝高/m取坝顶高程/mA2745.526600.6158250.0024840.7086.81831902750B2746.826600.6158250.0024840.7088.11831C274826600.6158250.0024840.7089.31831D2745.526600.6158250.0024840.7288.818313.3渗流分析计算3.3.1基本假定心墙采用防渗料场的粘土料，渗流系数K为2.17×10-7～6.33×10-4cm/s,坝壳料采用堆石料场的沙土料，渗透系数K平均为5.06×10-2cm/s，二者相差10-3倍，可把粘土心墙看作相对不透水层，计算时不考虑上游锲形降落水头的作用。 土料中渗流流速不大，且处于层流状态，渗流服从达西定律平均流速V=Ki； 发生渗流时土体空隙体积不变，饱和度不变，渗流为连续的。对河槽处最大断面进行渗流计算。计算情况为不透水地基、无排水设备和下游无水的情况。3.3.2计算条件 控制条件取最不利情况：上游设计洪水位，下游相应最低水位；上游校核洪水位，下游相应最低水位；对上游坝坡最不利的库水降落后的落差。 计算工况：设计洪水位2746.8m，校核洪水位2748m。3.3.3渗流分析方法我们采用水力学方法进行土石坝渗流计算，近似的确定浸润线的位置，计算渗流流量、平均流速和坡降。3.3.4单宽流量和浸润线的计算心墙段的渗流量为（为心墙的渗透系数）下游坝壳段的渗流量为（为坝壳的渗透系数）联立上述两式，可解得h和q：下游坝壳的浸润线方程是：心墙处的浸润线方程是：我们取心墙顶高程为2748m、顶宽5m、坡比为1：0.2；上下游最大作用水头85m，容许渗透坡降[J]=4,故墙厚T>H/[J]=85/4=21.25m，心墙底宽5+2×88×0.2=40.2m>21.25m,满足要求。心墙的渗透系数，坝壳料的渗透系数为。带入数据，，，，，。计算得h=2.7m，q=0.698㎡。浸润线方程为：下游坝壳的浸润线为：（）心墙的浸润线为：（）正常蓄水位情况下游处浸润线x01020304050607080y2.7033072.6435892.5824912.5199122.4557382.3898422.3220772.2522732.180236x8090100110120130140150160y2.1802362.1057372.0285021.9482091.864461.7767691.6845191.5869151.4829x150160170180190200210220228.5y1.5869151.48291.3710171.2491531.1140380.9600910.776190.5321330.108428正常蓄水位情况心墙处浸润线x0246810121418202222.5y85.581.677.673.368.763.958.652.838.629.114.26.33.4反滤层设置心墙的渗透计算：因为，所以基本上满足要求，况且下游河道不可能无水深，即下游水位大于10m，故不会发生渗透变形。为了使心墙不发生渗透破坏，需要设置反滤层。反滤层的颗粒级配要求：为了满足滤土要求：查粘土料颗粒级配曲线（图1）得<5mm粒径有75%，<0.075mm粒径有38%，所以。故有。为了满足排水要求：因为，故。即，，厚度。因为心墙的渗透变形本身已基本满足要求，为防止心墙发生渗透变形设置了一层反滤层，故不需再设计第二层反滤层。3.5坝坡稳定计算由于下游坝壳的浸润线很低，对下游坝坡稳定的影响可忽略不计，由此对选出的1个危险的滑坡面进行计算，由设计资料可得： 坝壳料强度指标：，c=0，心墙防渗料强度指标：，c=22.82Ka用简化毕肖普法计算正常蓄水位且无地震情况下的坝坡稳定，根据《水工建筑物中》相关式子可有式中为第i条土的重量，为土条底部的扬压力为土条底面坡角倾角向滑动方向为正为土条厚度于是，，为土条底部中点在浸线以下的高度其中，对于坝壳料，湿容重饱和容重对于墙心料，湿容重饱和容重又说明：①，，假设k=2.35②由于下游坝壳的浸润线的位置很低，被浸润线穿过的土条很少，故可能所有土条重量看成由湿容重确定。③土条坡角和土条高度均为测量值3.6细部构造设计滑弧表计算：（滑弧半径R=150，取滑弧土条宽度b=20m以圆心O为点作地基垂线沿两边取土条向上几位1、2、3……,向下取-1、-2……）则计算为土条编号BiciRiQiRi/Qik-2-1590200-927.103542.700.903941.042.53-1-11220200-1670.738521.550.939195.84003402000.0012927.951.0015257.11194202002614.9616168.681.0616444.922154602004738.4918107.111.1017837.423255002008410.3420974.911.1819524.9943154020011069.7023950.091.2319723.7154152020013578.9526190.101.3316588.8464642262015.2112025.8023067.041.395320.71K>1.3,满足稳定条件，所选择的下游坡比合适，但K太大可能不是很经济。3.6细部构造设计3.6.1护坡设计上游护坡：采用目前最常用的浆砌石护坡。护坡范围从坝顶一直到坝脚，厚度为40cm，下部设厚度均匀为30cm的碎石和粗砂垫层。下游护坡：下游设厚度为40cm的碎石护坡，护坡下面设厚度为40cm的粗沙垫层。3.6.2顶部设计坝顶宽度：10m防浪墙：采用C15水泥浆砌石防浪墙，高1.2m,墙身每隔15m布置一道设有止水的沉陷缝，墙顶设有高2.5m的灯柱。坝顶铺盖:铺盖沥青柏油路面。3.6.3马道和坝顶，