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1、 水工建筑物课程设计 课题名称：课题名称： 土土 石石 坝坝 设设 计计 专业班级：专业班级： 水水 工工( (本科本科) ) 13-313-3 姓姓 名：名： 袁袁 明明 炜炜 编写日期：编写日期： 20162016 年年 7 7 月月 1 1 日日 水利与环境学院水利与环境学院摘要摘要适当修建大坝可以实现一个流域地区发电、防洪、灌溉的综合效益。通过对地形地质、水文资料、气候特征的分析，结合当地的建筑材料，设计适合的枢纽工程来帮助流域地区实现很好的经济效益。根据防洪要求，对水库进行洪水调节计算，确定坝顶高程及泄洪建筑物尺寸；通过分析，对可能的方案进行比较，确定枢纽组成建筑物的形式、轮廓尺寸及
2、水利枢纽布置方案；详细作出大坝设计，通过比较，确定坝的基本剖面与轮廓尺寸，拟定地基处理方案与坝身构造，进行水力、静力计算；对泄水建筑物进行设计，选择建筑物的形式、轮廓尺寸，确定布置方案。水库配合下游河道整治等措施，可以很大程度的减轻洪水对下游城镇、厂矿、农村、公路、铁路以及旅游景点的威胁；可为发展养殖创造有利条件。目录目录 第第 1 章章 基本资料基本资料.11.1 工程概况.11.2 水文与水利规划.11气象.12 水利计算.11.3 地形地质条件.11.库区工程地质条件.22.坝址区工程地质条件.31.4 建筑材料及筑坝材料技术指标的选定.43当地建筑材料.62 2 枢纽布置枢纽布置.82
3、.1 坝轴线选择 .82.2 工程等级及建筑物级别 .92.3 枢纽布置.102.3.1 导流泄洪洞.112.3.2 溢洪道.112.3.3灌溉发电洞及枢纽电站.113.1 坝型确定.12第第 3 章章 坝工设计坝工设计.143.1 土石坝断面设计.143.1.1坝顶高程.143.1.2坝顶宽度.163.1.3上下游边坡.163.1.4 坝底宽度.173.2 防渗体设计.173.2.1.坝体的防渗.173.2.2防渗体的土料要求.18第第 4 章章 坝体渗流计算坝体渗流计算.194.1 设计说明.194.1.1土石坝渗流分析的任务.194.1.2渗流分析的工况.194.1.3渗流分析的方法.1
4、94.2 渗流计算.204.2.1基本假定.204.2.2计算公式.204.2.3三种工况计算.214.2.4渗流校核.234.2.5浸润线计算.244.2.6理正软件校核.27第第 5 章章 土石坝坝坡稳定分析及计算土石坝坝坡稳定分析及计算.305.1 坝体荷载.305.1.1渗流力.305.1.2孔隙压力.305.1.3地震力.305.2 稳定分析方法 .305.3 计算工况.315.4 稳定计算.315.4.1瑞典圆弧滑动法.315.4.2理正软件计算.33第第 6 章章 细部构造细部构造.366.1 坝顶构造.366.2 护坡.366.3 反滤层.376.4 排水体.406.5 马道.
5、42第 1 章 基本资料1.1 工程概况ZF 水库位于 QH 河干流上，水库控制流域面积 4990km2，库容5.05108m3。水库以灌溉发电为主，结合防洪，可引水灌溉农田 71.2104亩，远期可发展到 104104亩。灌区由一个引水流量为 45m3/s 的总干渠和四条分干渠组成，在总干渠渠首及下游 24km 处分别修建枢纽电站和 HZ电站，总装机容量 31.45MW，年发电量 1.129108kWh。水库防洪标准为百年设计，万年校核。枢纽工程由挡水坝、溢洪道、导流泄洪洞、灌溉发电洞及枢纽电站组成。1.2 水文与水利规划1气象气象流域年平均降雨量 686.1mm，70%集中在 69 月，多
6、年年平均气温89，多年平均最高气温 29.1(6 月)，多年平均最低气温-14.3(1 月)，多年平均最大风速 9m/s，水位 768.1m 时水库吹程 5.5km。2 水利计算水利计算防洪运用原则及设计洪水的确定。本水库属二级工程。水库建筑物按百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核。由于采用的洪水计算数值中未考虑历史特大洪水的影响，故用万年一遇洪水作为非常保坝标准对水工建筑物进行复核。水库排沙和淤沙计算。ZF 水库回水长 25km，河道弯曲，河床宽300m 左右，河床比降为 2.2%，是个典型的河道型水库。1.3 地形地质条件1:2000 坝址附近地形图、建议坝轴线地质图见附图。1.库区工程地质
7、条件库区工程地质条件库区两岸分水岭高程均在 820m 以上，基岩出露高程，大部分在 800m左右，主要为紫红色砂岩，间夹砾岩、粉砂岩和砂质页岩。新鲜基岩透水性不大。未发现大的构造断裂，水库蓄水条件良好。QH 河为山区性河流，两岸居民及耕地分散，除库水位以下有一定淹没外，浸没问题不大，库区也未发现重要矿产。表 2 ZF 水库工程特征值序号名 称单 位数 量备 注1设计洪水时最大泄流量m3/s2 000.00其中溢洪道 815相应下游水位m700.552校核洪水时最大泄流量m3/s6 830.00其中溢洪道 5600相应下游水位m705.603水库水位校核洪水位(P=0.01%)m770.40设计
8、洪水位(P=1%)m768.10兴利水位m767.20汛限水位m760.70死水位m737.004水库容积总库容108m35.05校核洪水位设计洪水位库容108m34.63防洪库容108m31.36兴利库容108m33.51其中共用库容108m31.10死库容108m31.055库容系数%50.506调节特性多年2.坝址区工程地质条件坝址区工程地质条件QH 河在 ZF 水库坝址区呈一弯度很大的“S”形。坝段位于“S”形的中、上段。坝段右岸为侵蚀型河岸，岸坡较陡，基岩出露。上下坝线有约 300 m 长的低平山梁(单薄分水岭)，左岸为侵蚀堆积岸，岸坡较缓，有大片土层覆盖。右岸单薄分水岭是 QH 河
9、环绕坝段左岸山体相对侧向侵蚀的结果。坝址区基岩以紫红色、紫灰色细砂岩为主，间夹砾岩、粉砂岩和少数砂质页岩。地层岩相变化剧烈，第四系除厚度不大的砂层、卵石层外，主要是黄土类土，在大地构造上处于相对稳定区，未发现有大的断裂构造迹象。坝址区左岸有一大塌滑体，体积约 45104m3，对工程布置有一定影响。本区地震基本烈度为 6 度，建筑物按 7 度设防。(1) 上坝址上坝址上坝址位于坝区中部背斜的西北，岩层倾向 QH 河上游。河床宽约300m，河床砂卵石覆盖层平均厚度 5m，渗透系数 110-2cm/s。一级阶地(Q4)表层具中偏强湿陷性。左岸 730m 高程以上为三级阶地(Q2)具中偏弱湿陷性。岩基
10、未发现大范围的夹层，基岩的透水性不大。河床中段及近右岸地段，沿 113-111- 115-104-114 各钻孔连线方向，在岩面下 2147m 深度范围内，有一强透水带，W=5.4630 l/sm2，下限最深至基岩下约 80m。基岩透水性从上游向下游有逐渐增大的趋势，左岸台地黄土与基岩交界处的砾岩(最大厚度 6m)透水性强，渗透系数 K=10m/d。左岸单薄分水岭岩层仍属于中强透水性，平均 W=0.48l/sm2，应考虑排水，增加岩体稳定。(2) 下坝址下坝址位于上坝址同一背斜的东南翼，岩层倾向下游；河床宽约 120m，左岸为二、三级阶地，右岸 731m 高程以下为基岩，以上为三级阶地。土层的
11、物理力学性质见“工程地质剖面图”。左岸基岩有一条宽 200250m 呈北北东方向的强透水带，右岸 Z 沟单薄分水岭的透水性亦很大，左右岸岩石中等透水带下限均可达岩面下 80m左右。河床地段基岩透水性与中等透水带厚度具有从上游向下游逐渐变小的趋势。下游发现承压水，二、三级阶地砾石层透水性与上坝线相同，左岸坝脚靠近塌滑体。1.4 建筑材料及筑坝材料技术指标的选定库区及坝址下游土石料丰富，有利于修建当地材料坝。(1) 土料。坝址上、下游均有土料场，储量丰富，平均运距小于l.5km。根据 155 组试验成果统计，土料平均粘粒含量为 26.4%，粉粒55.9，粉砂 17.6%，其中 25%属粉质粘土，6
12、0.7属重粉质壤土，14.3%属中粉质壤土。平均塑性指数 11.1，比重 27.5kN/m3。最大干重度16.7kN/m3，最优含水量 20.5%，渗透系数 0.4410-5cm/s。具有中等压缩性，强度特性见表 3。(2) 砂砾料。主要分布在河滩上，储量为 205104m3，扣除漂石及围堰淹没部分，可利用的砂砾料约 100151104m3。其颗粒级配不连续，缺少中间粒径，根据野外 29 组自然坡度角试验，34 组室内试验分析，统计成果分析如下：天然重度 18.7kN/m3，软弱颗粒含量 2.64%。颗粒组成见表 4。砂的储量很少，且石英颗粒少，细度模数很低，不宜作混凝土骨料，砂(D2mm)的
13、相对紧密度为 0.895。(3) 石料。坝址区石料较多，运距均在 1km 以内，为厚层砂岩，储量可满足需要。溢洪道、导流洞出碴也可利用。表 3 土料的强度特性抗剪强度指标试验方法统计方法(o)C(kN.cm-2)算术平均23.272.80饱和固结快剪(25 组)算术小值平均20.961.93算术平均21.542.93快剪(82 组)算术小值平均21.302.93算术平均21.302.93算术小值平均21.001.94算术平均22.685.83算术小值平均20.033.56算术平均22.505.83快剪(18 组)算术小值平均23.803.56算术平均28.804.51算术小值平均25.752.
14、93算术平均29.004.51快剪(8 组)算术小值平均28.702.93算术平均20.002.88三轴不排水剪(10 组)算术小值平均25.201.30算术平均13.302.80三轴不排水剪(6 组)算术小值平均25.200.80算术平均18.204.20三轴饱和固结不排水剪(6 组)算术小值平均22.303.50算术平均35.70野外自然坡度角(29 组)算术小值平均31.20算术平均31.10算术小值平均29.10算术平均31.00室内剪切试验算术小值平均29.00表 4 砂砾料颗粒组成粒径(mm)2008040205210.50.2510特别重要33.3013.3310特别重要1200
15、二101.0重要33.306.6713.334.0103.33重要1200300三1.00.中等6.674.03.33中3005012.01.00.33等四0.10.01一般2.00.331.00.20.330.03一般5010五0.010.330.20.03.渗漏量：大坝在校核洪水位的库容为 5050 万。而每日渗漏量仅3m0.21，故满足防渗要求。3m2.渗透稳定：对于非粘性土，渗透破坏形式的判别可参考下式：20 时为管涌1020 时不定允许坡降可参考采用下列数字：1020, 允许=0.1。=0.02允许=0.1，所以满足要求。4.2.5 浸润线计算浸润线计算1、上游正常蓄水位与下游相应的
16、最高水位上游校核洪水位取为兴利水位 767.2，下游相应高水位取为700.55m。基础采用防渗处理，视为基础不透水。（1）计算示意图1:2.51:3.0OH1hH2心 墙 坝 渗 流 计 算 图yxTL（2）心墙后的浸润线方程221y2 Hxkq=h=6.97m1H简化得心墙后的浸润线方程： y2 +0.26x=48.7x/m060120180y/m6.985.754.181.552、上游设计洪水位与下游相应的最高水位上游校核洪水位取为兴利水位 770.4，下游相应高水位取为 705.60m。基础采用防渗处理，视为基础不透水。（1）计算示意图1:2.51:3.0OH1hH2心 墙 坝 渗 流
17、计 算 图yxTL（2）心墙后的浸润线方程计算公式：221y2 Hxkq=h=7.051H简化得： y2 +0.27x=49.7x/m060120180y/m7.055.794.161.053、上游校核洪水位与下游相应的最高水位上游校核洪水位取为兴利水位 770.4，下游相应高水位取为 705.60m。基础采用防渗处理，视为基础不透水。（1）计算示意图1:2.51:3.0OH1hH2心 墙 坝 渗 流 计 算 图yxTL（2）心墙后的浸润线方程计算公式：221y2 Hxkq=h=9.67m1H简化得： y2 +0.28x=93.5x/m060120180y/m9.578.767.746.574
18、.2.6 理正软件校核理正软件校核项目 水位上游正常水位和下游最低水位上游设计洪水位和下游相应最高水位上游校核洪水位和下游相应最高水位土堤顶部宽度 b12.000(m)12.000(m)12.000(m)土堤顶部高度 h71.660(m)71.660(m)71.660(m)上游坡坡率 1:m13.03.03.0下游坡坡率 1:m22.52.52.5堤身渗透系数 k0.003(m/d)0.003(m/d)0.003(m/d)上游水位 h168.200(m)69.100(m)71.400(m)下游水位 h21.550(m)1.550(m)6.600(m)心墙顶部宽度3.000(m)3.000(m)
19、3.000(m)心墙底部宽度37.800(m)37.800(m)37.800(m)心墙渗透系数0.003(m/d)0.003(m/d)0.003(m/d)透水地基深度5.000(m)5.000(m)5.000(m)透水地基渗透系数8.400(m/d)8.400(m/d)8.400(m/d)排水棱体高度8.000(m)8.000(m)8.000(m)排水棱体宽度2.000(m)2.000(m)2.000(m)L169.530(m)166.830(m)159.930(m)透水地基有效深度374.130(m)374.130(m)374.130(m)浸润线计算公式原点374.130(m)374.130
20、(m)374.130(m)浸润线起点 x 坐标204.6(m)207.3(m)214.2(m)浸润线终点 x 坐标376.31(m)376.31(m)376.31(m)q1.824*10-5（m3/s）1.972*10-5（m3/s）2.26*10-5（m3/s）正常蓄水位出图设计洪水位出图校核洪水位出图 结论：（1）正常蓄水位下，简化得心墙后的浸润线方程：y2 +0.26x=48.7 当 x=169.53m 时，y=2.15m8m，校核安全（2）设计洪水位下，简化得心墙后的浸润线方程：y2 +0.27x=49.7 当 x=166.83m 时，y=2.16m8m，校核安全（3）校核洪水位下，简
21、化得心墙后的浸润线方程：y2 +0.28x=93.5 当 x=159.93m 时，y=6.98mK=1.250-1-2-3124.5H=323.325H=71.85M1M5.4.2 理正软件计算理正软件计算理正软件计算所需参数表 计算方式项目施工期稳定计算稳定渗流期稳定计算水位骤降期稳定计算采用规范： 水利水电工程边坡设计规范 SL 386-2007计算工期施工期稳定渗流期水位降落期计算目标安全系数计算安全系数计算安全系数计算滑裂面形状圆弧滑动法圆弧滑动法圆弧滑动法不考虑地震圆弧稳定分析法瑞典条分法瑞典条分法瑞典条分法土条重切向分力与滑动方向反向时当下滑力对待当下滑力对待当下滑力对待稳定计算目
22、标自动搜索最危险滑裂面自动搜索最危险滑裂面自动搜索最危险滑裂面条分法土条宽度10.000(m)10.000(m)10.000(m)搜索时圆心步长5.000(m)5.000(m)5.000(m)搜索时半径步长 5.000(m)5.000(m)5.000(m)滑动圆心(55.080,166.455)(m)(83.620,140.915)(m)(77.124,145.685)(m)滑动半径189.010(m)186.335(m)179.126(m)滑动安全系数1.5003.2602.438软件计算结果（1）施工期稳定计算 最不利滑动面: 滑动圆心 = (55.080,166.455)(m) 滑动半径
23、 = 189.010(m) 滑动安全系数 = 1.500（2）稳定渗流期稳定计算 最不利滑动面: 滑动圆心 = (83.620,140.915)(m) 滑动半径 = 186.335(m) 滑动安全系数 = 3.260（3）水位骤降期稳定计算最不利滑动面: 滑动圆心 = (77.124,145.685)(m) 滑动半径 = 179.162(m) 滑动安全系数 = 2.438 安全系数结果对照表本设计的安全系数大于校核安全系数，故本设计安全稳定。计算安全系数校核安全系数施工期稳定计算1.5001.25渗流稳定期稳定计算3.2601.25水位骤降期稳定计算2.4381.15第 6 章 细部构造6.1
24、 坝顶构造坝顶构造坝顶设置黄泥灌浆碎石路面，坝顶向下游设 1%横坡以便汇集雨水，并设置纵向排水沟，经坡面排水排至下游。坝顶设置拦杆以策安全。6.2 护坡护坡土石坝的上游面，为防止波浪淘刷、冰层和漂浮物的损害、顺坝水流的冲刷等对坝坡的危害，必须设置护坡。土石坝下游面，为防止雨水、大风、水下部位的风浪、冰层和水流作用、动物穴居、冻胀干裂等对坝坡的破坏，也需设置护坡。坝表面为土、砂、砂砾石等材料时应设专门的护坡。上下游护坡均采用碎石、堆石护坡。碎石护坡在最大浪压力作用下的计算直径:hmmHmrrrKDwRw)2(018. 12=1.0181.49.8/(21.08-9.8)(1+32)1/2/3(3
25、+2)2.67=0.700 m碎石块计算重量:3525. 0DrQw=0.52523.080.70003 =4.156 KN碎石护坡厚度kDt67.1=1.670.700/1.4=0.835 m注:经计算对 1.67 的系数不作修改。上游护坡用于堆石，因其抵御风浪的能力较强；下游坝面直接铺上20cm 的碎石作为护坡。上游护坡做至坝顶，下做至死水位以下（加设计浪高）。坝顶设置拦杆以策安全。下游坡面上要设置表面排水系统，纵横向排水沟及坝坡与岸坡连接处的排水沟。此外，还应布置阶梯等通行道路。6.3 反滤层反滤层既要求把坝体渗水排除坝外，又要求不产生土壤的渗透破坏，在渗流的出口或进入排水处。由于水力坡
26、降往往很大，流速较高，土壤易发生管涌破坏，为了防止这种渗透破坏，在这些地方应设置反滤层。反滤层一般由 13 层级配均匀，耐风化的砂、砾、卵石或碎石构成，每层粒径随渗流方向而增大，水平反滤层的最小厚度可采用 0.3 m，垂直或倾斜反滤层的最小厚度可采用 0.5 m，（反滤层应有足够的尺寸以适应可能发生的不均匀变形，同时避免与周围土层混掺）。其作用是防止衬砌的护坡石陷入坝身体中，在上游坡避免冲刷并在库水位降落时把坝体的水排出去又不带走坝体土料。所采用反滤层位于被保护土的上部，渗流方向主要由下向上见图。在坝壳与心墙、排水设备与坝壳之间设置反滤层。坝体心墙部位的反滤层第一层土料的设计：由：D15(45
27、)d85 得：反滤层的 D150.0650.13之间，取D50=0.1mm ，厚度取为 hc=20cm。同理第二层反滤层土料的设计以第一层反滤料土料为被保护对象：由： D15 /d85（510）得：反滤层的 D150.51之间；D155d15 得：反滤层的 D150.5；于是选择反滤层第二层土料为：取D50=1.0，厚度取为 hc =30。1002030604050708060040020060100401020522.51.21100 900.50.40.20.10.05砂跞石土料级配图 反滤层设计成果汇总表d=0.251mmd=115mmd=520mm0.15m0.15m0.25m 第一层
28、 第二层 层 数类 型 D50(mm)厚度 hc ()D50(mm)厚度hc ()非粘性土反滤层土料0.1201306.4 排水体排水体排水设备是土石坝的一个重要组成部分。主要目的是：防止渗流溢出处的渗透变形；降低坝体浸润线及孔隙压力，改变渗流方向，增加坝体稳定；保护坝坡，防止冻胀破坏。坝体排水设备需保证充分地排水能力，能自由地向下游排出全部渗水，同时应按排水反滤原则设计，保证坝体及地基土不发生渗透破坏。土石坝虽有防渗体，但仍有一定水量渗入坝体内。设置坝体排水设施，可以将渗入坝体内的水有计划的排出坝外，以达到降低坝体浸润线及孔隙水压力，防止渗透变形，增加坝坡的稳定性，防止冻胀破坏的目的。排水设
29、施应具有充分的排水能力，不至被泥沙堵塞，以保证自由地向下游排出全部渗水；同时能有效地控制渗流，避免坝体和坝基发生渗流破坏。此外，还要便于观测和检修。常用的坝体排水型式有：(1)棱体排水。是一种可靠的，应用广泛的排水型式，可以降低浸润线，保护下游坡角不受尾水淘刷，且有支撑坝体增加稳定的作用是效果较好的一种排水型式，但石料用量大，费用高，与坝体施工有干扰，检修有干扰。(2)贴坡排水。紧贴下游把破的表面设置，它由 12 层堆石或砌石筑成，在石块与坝坡之间设置反滤层。贴坡排水构造简单，用料省，施工方便，易于检修，但不能降低浸润线，且易因冰冻而失效，多用于浸润线很低和下游无水的情况，当下游有水时还应满足
30、波浪爬高的要求。(3)褥垫排水。它是伸展到坝体内的一种排水设施，在坝基面上平铺一层厚约 0.40.5m 的块石，并用反滤层包裹。褥垫伸入坝体内的长度应根据渗流计算确定，对粘性土均质坝不大于坝底宽的 1/2，对砂性土均质坝不大于坝底宽的 1/3。褥垫排水可有效降低浸润线，但对地基不均匀沉陷适应性差。设计中应根据当地气候、土料、心墙型式等选择排水型式，也可以将几种不同的排水型式组合在一起，形成综合式排水。贴坡排水不能降低浸润线,所以不采用:褥垫排水对地基不均匀沉降适应性差所以也不采用:虽然棱体排水用料大,费用高,但此处有丰富的土料矿石,而且棱体排水能降低浸润线和增加稳定,故选它。按规范棱体顶面高程高出下游最高水位 1m 为原则，堆石棱体内坡取1:1.5，外坡取 1:2.0，顶宽 2.0m。取棱体排水体高 8m。结论：结论：排水设备选择为棱体排水，内坡坡率 1:1.5，外坡坡率 1:2.0，顶宽 2.0m，高 8m。8棱体排水1:1.51:2.020cm厚30cm厚20cm碎石护坡坝体2.0反滤层布置6.5 马道马道为了拦截雨水，防止坝面被冲刷，同时便于交通、检测和观测，并且利于坝坡稳定，下游常沿高程每隔 1030 m 设置一条马道，其宽度不小于 1.5 m，马道一般设在坡度变化处。本坝 752m、732m 处设 2.0m 马道。