【《白泥面板堆石坝常规设计案例》5200字】

PAGE78白泥面板堆石坝常规设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u28289白泥面板堆石坝常规设计案例 1111001.1常规设计基本参数 1310161.1.1水库规划成果 1106541.1.2筑坝材料 256001.2枢纽建筑物总体布置 2139781.2.1工程等级及主要建筑物的级别、洪水标准 2185861.2.2枢纽布置 320541.3坝体结构设计 4132261.3.1坝坡 4216191.3.2坝顶高程 488761.3.3坝体分区 749101.3.4坝体防渗排水结构 7105791.3.5坝基处理 911091.4坝坡稳定计算 10239801.1.1计算工况 1026881.1.2计算方法 10127161.1.3计算过程及结果 111.1常规设计基本参数1.1.1水库规划成果（1）正常蓄水位：486.00m（2）设计洪水位：487.82m（50年一遇2%）（3）校核洪水位：488.50m（500年一遇0.2%）（4）死水位：457.50m（5）水库淤积高程：456.22m（6）水库总库容：218万m3（7）调洪验算成果：设计洪水下泄流量59.2m3/s，相应下游水位441.51m；校核洪水下泄流量91.5m3/s，相应下游水位445.20m。1.1.2筑坝材料本工程坝型为混凝土面板堆石坝，天然建材主要为毛石、碎石及砂料。主石料场位于坝区左岸坡，四周无村寨。为一孤立圆顶山地形，山顶高程560m左右，距左坝肩直线距离140m，存在高差大，水平距离近，施工公路陡，弯道大，场面窄，料场地表为0-1.5m厚的第四系坡积粘土夹碎石层，下伏地层为寒武系中上统娄山关群，岩性为灰白、浅灰色中厚层细晶白云岩。坝体各分区材料参数如表1.1所示。表1.1筑坝材料表材料分区材料设计干容重（kN/m3）孔隙率n（%）线性强度非线性强度渗透系数（cm/s）C（KPa）（°）(°)(°)垫层区人工破碎及筛分后的白云岩料23.0418%202.343.059.213.710-4~10-3过渡区白云岩料，机械初选22.4820%212.241.858.013.210-2主堆石区白云岩料21.9222%186.942.456.21110-1堆石排水区白云岩料21.0825%231.741.258.213.6自由排水1.2枢纽建筑物总体布置1.2.1工程等级及主要建筑物的级别、洪水标准根据《防洪标准》（GB50201-94）和《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）的要求，白泥水库工程为小（1）型，水库总库容为218万m3，在0.01~0.1亿m3之间，灌溉面积1.3万亩在0.5~5万亩之间，该工程为Ⅳ等工程。水利水电工程的永久性建筑物级别，应根据其所属工程等别及其重要性，按《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）的要求确定。Ⅳ等工程的主要建筑物为4级水工建筑物，即本枢纽的挡水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物和放空建筑物均为4级水工建筑物。山区水利水电工程的永久性水工建筑物的洪水标准，应按《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017），4级水工建筑物的设计洪水标准（重现期）为30~50年，土石坝的校核洪水标准为300~1000年。根据所给资料，选取设计洪水标准为50年，校核洪水标准为500年。1.2.2枢纽布置根据设计资料中规定的本枢纽任务确定白泥水库工程大坝枢纽建筑物，拦洪蓄水需要挡水建筑物；为宣泄多余洪水，需要泄水建筑物；灌溉需要引水建筑物；为满足检修要求，需要放空建筑物。大坝枢纽由挡水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物和放空建筑物组成。（1）坝轴线选择结合地形地质条件及相关工程资料，选择混凝土面板堆石坝这一坝型。坝址坝基地质条件较简单，逆断层出现在坝基右岸，破碎带为钙质胶结，胶结良好，对基础稳定无影响。坝址河床呈直线形，相对顺直段长约70m，上、下河段地形较宽阔，左右岸地形向上下游均呈喇叭状扩散，且右岸上下游都有天然沟槽，左右岸地形极不对称，只有中间部分长约30m河段地形较对称，适宜大坝枢纽布置。因此将选择将坝轴线布置在此河段中，无突变地形，呈左右不对称的"V"形河谷。（2）泄水建筑物布置面板堆石坝一般采用隧洞或岸边溢洪道泄洪，从选取的坝轴线地形条件来看，左岸地形坡度整体较缓，且可利用裁弯取直的有利条件布置岸边溢洪道，溢洪道整体开挖边坡不高，投资不大，且施工较为方便。坝址左岸为逆向坡，边坡稳定性较好，施工安全，不会出现滑坡等现象，而右岸为顺向坡，边坡稳定性较差，边坡稳定支护费用高，施工不安全，故本工程溢洪道布置选择左岸侧槽式溢洪道。（3）导流建筑物布置根据地形条件，大坝下游右岸为一孤立山体，且沿河床向的右岸坡陡峭，开挖工程量较大，易出现顺向高边坡，并且根据地质剖面可知右岸有两条顺层面泥化夹层，所以右岸不适宜布置导流建筑物，故本工程选择将导流隧洞布置在左岸。导流隧洞同时作为取水和放空的引水隧洞。坝轴线以及泄水、导流建筑物具体的布置图详见附图A。1.3坝体结构设计1.3.1坝坡根据类似规模工程经验，初步拟定坝体横截面。上游坝坡为1:1.4，相应坡角为35°32′16″；下游坝坡依次为1:1.5、1:1.4和1:1.4，相应坡角为33°41′24″和35°32′16″，并在469m高程处设2m宽马道。1.3.2坝顶高程坝顶高程根据各种运行情况的水库静水位加上相应超高后的最大值确定。坝顶超高y按下式计算：（1.1）式中：—安全加高（m）；大坝为4级建筑物，按《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的规定，正常运用情况0.5m，非常运用情况0.3m；—最大风雍水面高度（m）；—最大波浪在坝坡上爬高（m）。采用莆田公式计算如下：平均波高：（1.2）平均波周期：（1.3）平均波长（深水波）：（1.4）式中：——平均波高，m；——计算风速，m/s，在正常运用条件下的4级坝，V可采用库区多年平均最大风速的1.5倍；在非常运用条件下V可采用多年平均最大风速；——风区长度，0.9km；——水域平均水深，正常蓄水位时为48.6m，校核洪水位时为50.75m；——重力加速度，取9.81m/s2。风浪壅高：（1.5）式中：——综合摩阻系数，取3.6*10-6；——计算风向与坝轴线法线的夹角，正向来风为0°。平均波浪爬高：当坡度系数1.25＜m＜1.5时，由=1.25和=1.5的计算值按内插法确定。m等于1.5时：（1.6）m等于1.25时：（1.7）式中：——斜坡的糙率渗透系数，取0.9；——经验系数，取1.0；——在没有风时，平均波高为1m，光滑的不透水护面的爬高值，取2.50。根据以上公式分别计算在正常水位、设计水位以及校核水位下的坝顶超高，最终得到的坝顶高程以最大值为准，计算结果见表1.2。表1.2坝顶高程计算成果表计算情况静水位（m）（m）（m）（m）e（m）（m）（m）安全加高A（m）坝顶超高y（m）防浪墙顶高程（m）坝顶高程取整（m）正常水位486.000.262.278.070.00110.691.280.51.78487.78486.58设计水位487.820.262.278.070.00110.691.280.51.78489.60488.40校核水位488.500.171.825.170.00050.440.820.31.12489.62488.42坝顶高程的控制情况为设计洪水位加正常运用条件情况下超高，坝顶设防浪墙时，坝顶高程不应低于非常应用条件下得静水位。由表1.2中结果可知，坝顶高程取为489m，防浪墙顶距路面高度1.2m，墙顶高程取为490.2m。面板堆石坝典型断面的剖面图见附图B。坝顶上游侧设“L”型防浪墙，顶宽0.5m，墙高3m，顶部高程为490.2m，高出校核洪水位1.7m，高出坝顶1.2m。坝顶宽度取6m，在防浪墙上游一侧的底部设置1m宽的小道以利检查行走，坝顶总宽度7m。坝顶铺设0.5m厚的混凝土路面，下游侧设置一米高的护栏。1.3.3坝体分区根据面板坝的受力特点和渗流要求划分堆料分区，分区主要原则为:①坝体材料的变形模量由上游向下游递减，以保证蓄水后坝体变形尽可能小，从而减少面板和止水系统损坏的可能性。②坝料由上游向下游渗透系数增大，相应的下游坝料在上游区域应具有反滤保护作用。③同时，为节约投资，在坝轴线下游变形模量较低的位置设置下游堆石区，利用不良开挖料达到经济目的。④分区应尽可能简单，以便于施工运输以及质量控制。根据以上原则，坝体分区从上游到下游依次为：C25钢筋混凝土面板、垫层区、过渡区、主堆石区、下游排水棱体区和下游干砌块石护坡。垫层区的水平宽度由坝高、地形、施工工艺和经济比较确定，采用机械化施工时，其水平宽度不得小于3m，所以选择垫层区水平宽度为3m，上下等宽布置。在周边缝的下游侧设置薄层碾压的特殊垫层区。过渡区水平宽度应不小于垫层区宽度，因此选择过渡区水平宽度为3.5m。下游设置干砌石护坡，护坡范围由坝顶护至排水棱体，护坡厚度取0.5m。1.3.4坝体防渗排水结构（1）钢筋混凝土防渗面板面板堆石坝上游面设置混凝土面板，作为坝体的防渗结构，将上游水压力传递给堆石体。由于堆石体在水压力作用下的变形会导致面板的弯曲变形，面板混凝土不仅要有足够的抗渗性，还要有足够的柔韧性来适应坝体的变形。同时，还应具有足够的强度和耐久性，能承受一定的不均匀变形，防止面板开裂，提高耐性和抗冻性。根据《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL228-2013），面板厚度可采用下式计算：（1.8）式中：——面板厚度（m）；——计算断面至面板顶部的垂直距离（m），。计算出T＝0.396～0.468m，因面板混凝土性能比较高，且由于本工程坝高小于70m，为中等坝高，参照类似规模工程经验，中低坝可采用0.3~0.4m等厚面板，本工程选择取面板厚度为0.4m。（2）混凝土趾板趾板是布置在面板周围、河床及两岸基岩上的混凝土结构，与面板共同形成坝基以上的防渗体。本工程趾板采用趾板面等高线垂直于趾板基准线布置形式，趾板与相邻面板大致同厚，取为0.5m，其宽度按岩石地基容许水力梯度确定。（1.9）式中：——设计水头（m）；——基础的允许渗透坡降，弱风化岩体取值为10~15。趾板置于强风化岩体中下部，为了优化开挖，趾板宽度取为5m。趾板的岩石地基应进行固结灌浆和帷幕灌浆处理。（3）接缝止水①周边缝连接面板和趾板的接缝，设有嵌缝可压缩材料和2~3道止水，是面板坝中最薄弱的环节。本工程最大坝高为52m，面板厚度为0.4m，设置3道止水的空间十分紧张，故选择取消中间止水，设置表层塑性填料及底部铜止水片两道止水的结构。②面板垂直缝位于河床中部的压性缝，只设一道底部止水，缝中嵌可压缩材料；位于两岸坝肩附近的张性缝，缝面涂刷一层防粘合剂，设两道止水。垂直缝间距一般为12~18m，在两坝肩附近的面板设置张性垂直缝，间距6m，河床部分的面板设置压性垂直缝，间距12m。面板总分块数11块，不设水平施工缝。（4）棱体排水本工程主要建筑物为4级水工建筑物，其排水棱体的顶部高程应超出下游最高水位不少于0.5m，并应超过波浪延坡面的爬高。下游最高水位为446m，计算水头为9m，取顶部高程为448m。根据施工条件以及检查观测需要确定，不宜小于1m，选择棱体顶部水平宽度为4m。1.3.5坝基处理（1）基础处理由于堆石体和地基因承受库水压力而产生的应力和变形主要分布在靠近上游三分之一范围内，余下三分之二范围内则较小，所以上游部分的坝基开挖，将趾板、垫层和过渡层设于弱风化岩体上部，开挖深度8～10m，开挖边坡为1:0.5和1:1，大坝中、下游部分只将覆盖层挖除即可，开挖深度约5m。（2）固结灌浆固结灌浆范围依据《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL228－2013）第6节要求，固结灌浆线沿趾板中轴线两侧1.5m布置，采用双排孔，排距2m、孔距为3m，按“梅花形”布置，固结灌浆深度不小于5m。（3）帷幕灌浆混凝土面板堆石坝设计坝高52m，依据《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL228－2013）第6节要求，结合趾板水文地质和工程地质条件，防渗设计帷幕灌浆主线宜布置在趾板中部，沿趾板中轴线，与固结灌浆结合。帷幕底部进入相对防渗层的深度不小于5m，其厚度随深度逐渐减小。1.4坝坡稳定计算1.1.1计算工况控制稳定的有施工期、稳定渗流期、水库水位降落期和正常运用遇地震四种工况，规范规定应计算得内容有四种，这里选择稳定渗流期的下游坝坡进行计算，且选择上游设计洪水位（487.82m）+下游相应的水位（441.51m）这一种水位组合情况来进行下面的稳定计算。1.1.2计算方法稳定性计算的目的是保证土石坝在自重、孔隙压力和外部荷载作用下具有足够的稳定性，从而不会发生坝体或坝基的整体或局部剪切破坏。在土石坝设计中，条分法（瑞典圆弧法）仍被广泛采用。假定滑动面为圆柱面，安全系数定义为滑动面上土条提供的抗滑力矩与滑动力矩之比。将可能滑动面以上的土体划分为若干垂直土条，计算作用在土条底部的法向力和切向力时不考虑土条间相互作用的影响。对于堆石等粗粒土，采用非线性强度指标φ0和∆φ（1.10）式中：——一个大气压力下的摩擦角；——增加一个对数周期下的减小值；——土体滑动面的小主应力。采用瑞典圆弧法进行有效应力分析，用容重替代法考虑渗透水压力对稳定的影响，其稳定安全系数的计算式如下：（1.11）式中：i——下标，代表土条编号；——第i块土条的重量，浸润线以上以天然容重计，浸润线以下、下游水位以上以饱和容重计，下游水位以下以浮容重计，kN;；——第i块土条的重量，浸润线以上以天然容重计，浸润线以下、下游水位以上以饱和容重计，下游水位以下以浮容重计，kN；——第i块土条沿滑裂面的长度，m；——第i块土条沿滑裂面的坡角；和——有效抗剪强度指标。1.1.3计算过程及结果滑弧面的选择在原则上需要确定最危险滑动圆弧位置，但本次只选择做一个滑动面的稳定计算，该滑动面的起点在坝顶、切入坝基、端点在坝坡脚附近。具体滑动面和条块的划分如图1.1所示。圆弧半径取65m，起点和端点水平距离为80m，分为10块土条。图1.1坝坡稳定计算简图计算主堆石区和堆砌石区堆石料的饱和容重如下：主堆石区：堆砌石区：依据SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》表8.3.10，4级土石坝在正常运用条件下，最小抗滑稳定安全系数为1.