【《土质心墙土石坝的剖面设计计算案例》3100字】

土质心墙土石坝的剖面设计计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u10707土质心墙土石坝的剖面设计计算案例 1127591坝顶高程设计 1164982坝顶宽度 3305603坝坡 4261874细部构造设计 4土石坝剖面设计内容包括坝顶高程设计、坝顶宽度设计、坝坡设计、坝体防渗设计、坝体排水设计。1坝顶高程设计根据规范《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2020）可知，坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应当按照以下运用条件计算，选取其中最大值：（1）设计洪水位加上正常运用条件的坝顶超高；（2）正常蓄水位加上正常运用条件的坝顶超高；（3）校核洪水位加上非常运用条件的坝顶超高；（4）正常蓄水位加上非常运用条件的坝顶超高，再按规范规定加地震安全加高。本设计过程坝顶高程按1（设计情况）和3（校核情况）计算，取两者的最大值作为坝顶高程参考标准。坝顶超高按式1.1确定： （1.1）式中：——坝顶超高，m；——最大波浪在坝坡上的爬高，m；——最大风雍水面高度，m；——安全加高，m。1.1波浪爬高计算根据中国水利水电科学研究院推荐的计算波浪在坝坡上的爬高的经验公式（1.2）确定： （1.2）式中：——设计波高，m；——坝坡坡率，因斜墙坝坡较缓，初步拟定取3.0；——坝坡护面糙率，采用浆砌石并勾缝作为本次设计的坝坡护面糙率，坝坡护面糙率为0.025。其中，设计波高采用官厅水库公式计算，该公式适用于山区峡谷水库，吹程1-13km，风速4-16m/s，深水波，公式（1.3）如下： （1.3）式中：

——设计波高，m；——为库面上的风速，，在正常蓄水位和设计洪水位情况下，宜采用对应洪水期多年平均最大风速1.5～2.0倍。本次设计中，设计工况取1.5，校核工况取1.0；——为库面的波浪吹程，，取4km。1.2风雍高度计算最大风雍水面高度计算公式如式1.4所示： （1.4）式中：——综合摩阻系数，不同研究者建议K值有所不同，一般取值范围为，本次设计取；——设计风速，，取12；——吹程，，取4；——水库水域的平均水深，；——风向和坝轴线法线的夹角，°(因为风雍高度e很小，风向难以确定，为安全和计算取最大值，即=0°)。1.3安全加高表1.1安全加高值坝的级别1234、5设计1.501.000.700.50校核山区、丘陵区0.700.500.400.30平原、滨海区1.000.700.500.30根据表1.1及本工程实际情况，该枢纽工程为Ⅰ级工程，土石坝是Ⅰ级建筑物，坝址是山区地貌。故安全加高在设计情况下取1.50m，校核情况下取0.70m。坝顶高程计算表如下：表1.2坝顶高程计算表设计情况校核情况河底高程/m140.5140.5上游水位高程/m199.79202.92水库平均水深/m59.2962.42风速V/(m/s)18（1.5）12吹程D/km44设计波高/m0.980.59坝坡坡率m3.03.0坝坡护面糙率n0.0250.025风向与坝轴线的夹角/（°）00波浪爬高R/m0.570.34风雍高度e/m0.001780.00169安全加高A/m1.50.70坝顶高程/m201.86203.96从表1.2得，校核情况的坝顶高程的计算结果较设计情况下的坝顶高程大，故土石坝的坝顶高程最终结果确定为204.0m（不考虑沉降超高）。2坝顶宽度根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274——2020），坝顶宽度的确定，应综合考虑构造、施工、运行和抗震等因素。一般情况下，坝高超过70m的坝顶宽度可取10～15m，坝高低于70m的坝坝顶宽度可取5～10m。该土石坝高度为204-140.5=63.5m，介于30m至70m之间，属于中坝。考虑到斜墙顶部反滤层、过渡层的布置、上游护坡设计以及坝顶的通行需求，本次设计直接取坝顶宽度B=10m。3坝坡一般情况下，三种坝型陡峭程度依次为心墙坝、斜墙坝和均质坝。影响坝坡确定因素有很多。通常参考已建工程项目建设经验选用坝坡坡度，然后通过稳定计算分析选用坝坡是否符合要求。土石坝坝顶高度较大时，可以在坝坡设置马道，马道之间高差介于20～30m之间。坝坡坡率从坝顶到坝底依次增大。马道要根据坝面排水、检修、观测、增加坝基和护坡稳定等要求进行设计，其宽度应超过1.5米。根据上述原则，参考已建工程项目经验，本设计上游坝坡不设马道,从坝顶到坝底取单一坡率，坡度为1：3.0；下游坝坡设二级马道，其高程分别为162m和183.0m，马道宽度取2m。上游坝坡到排水棱体顶部高程坡度分别为1:2.25、1:2.5和1:2.75。4细部构造设计4.1防渗体构造本次设计采用重壤土斜墙作为防渗体，根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274——2020），土质防渗体断面应当满足渗透比降、下游浸润线以及渗透流量的要求。防渗体斜墙从顶部到底部逐渐变宽，顶部的水平宽度取值应在3.00m以上；底部厚度应超过水头的1/5；正常运用情况下防渗体顶部超高按表1.3取值；非常运用情况下，防渗体顶部高程取值应在对应情况的静水位之上，并且应该将风浪爬高高度的影响进行核算检查；如若在防渗体最上端设计防浪墙，防渗体高程只需满足在正常运用静水位高程以上即可。表1.3正常运用情况下防渗体顶部超高防渗体结构形式超高/m防渗体结构形式超高/m斜墙0.60—0.80心墙0.30—0.60根据上述原则，拟定防渗体高程：本次设计坝顶设防浪墙，取坝顶超高取0.8m，设计洪水位条件下的静水位199.79m，防渗体高程为199.79+0.8=200.59m。最终取防渗体高程为200.7m。顶部保护层一般取1.5~2.5m，本次设计中取2.0m。防渗体的顶部宽度取4.0m，斜墙防渗体上游坝坡坡度取1：2.5，下游坝坡坡度取1：2.0。经计算，斜墙底部厚度为30.10m。土石坝剖面简图如图1.1所示。图1.1土石坝剖面简图4.2反滤层和过渡层根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274——2020），反滤层的设计应根据坝址地区的材料性能，库水位变化情况进行设计，包括反滤层级配和层数的计算以及方案的比选。每一层反滤层厚度的确定都应综合考虑材料的级配、来源、用途以及施工方法。由于冀河夹峪水利枢纽基本资料中并未给出详细的土料颗粒级配信息，无法进行反滤层级配和层数的计算。参考已建项目工程信息对防渗体斜墙和下游排水棱体进行反滤层设计。具体设计结果如下：（1）防渗体的反滤层设计第一层用厚30cm的细砂反滤，第二层用厚40cm的粗细砂反滤。（2）排水棱体的反滤层设计第一层为40cm厚的细砂反滤层；第二层为50cm厚的粗砂反滤层。4.3坝体排水设施布置在土石坝中，浸润性过高、孔隙水压力过大、渗流的运动方向均会导致坝体发生渗透破坏，为保护坝坡稳定，需要在土石坝中布置坝体排水。坝体排水一般包括棱体排水、贴坡排水、坝内排水和综合型排水。由设计资料的工程地质条件可知，坝址周围存在有大量完整坚硬的岩石可供使用，选择排水棱体作为坝体的排水设施。棱体排水又称滤水坝趾，适用于下游有水的坝。它能很好降低浸润线，保护坝坡和坝脚，防止发生渗透破坏。排水棱体顶部留有一定宽度，方便大坝观测检修以及维护坝体稳定。棱体顶部高程相比下游最高水位与波浪爬高之和有一定的超高，对1、2级坝来说，该超高1、2级大于1.0m。由4.4中调洪演算结果得，校核工况时上游有最高水位202.92m，相应下游最高水位为149.35m。取排水棱体顶部超高1.15m。则堆石棱体坝最终高程为149.35+1.15=150.5m。参考其他工程建设经验，堆石棱取1：1.0为内坡坡度，取1：2.0为外坡坡度，棱体顶部顶宽取2.0m。排水棱体构造图如图1.2所示。图1.2排水棱体细部构造图4.4护坡设计土石坝对上下游坝坡进行护坡设计能够有效预防风浪、冰层、水流对上下游坝坡得破坏作用。除此之外，护坡设计还能保护粘性土避免发生冻结、膨胀和收缩。护坡设计得材料应该选择当地富藏的材料，应因地制宜。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274——2018），上游护坡包括堆石、干砌石、浆砌石、预制或现浇的混凝土或钢筋混凝土板、沥青混凝土护坡等形式，下游护坡包括干砌石、堆石、卵石或碎石、草皮、钢筋混凝土框格填石护坡等形式。本次设计中上游采用浆砌石、碎石和粗砂垫层进行护坡设计，浆砌石厚度45cm，碎石和粗砂垫层厚30cm；下游采用干砌石进行护坡设计，取干砌石厚30cm。护坡细部构造图如图1.3所示。图1.3护坡细部构造图4.5坝面排水设计坝顶坝面排水设计主要是为