水工建筑物课程设计—斜墙坝.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流水工建筑物课程设计斜墙坝.精品文档.水工建筑物课程设计班级： 姓名： 学号：水工建筑物课程设计斜墙坝一、 基本资料：1、河谷地形见附图。2、天然材料。在坝址附近3公里范围内渗透系数为k=10-5cm/s的土料储量丰富，砂石料分布较为广泛。覆盖层厚度：岸坡35m，河床57m。覆盖层渗透系数平均为10-2cm/s10-3cm/s.3、内外交通。工程紧靠公路，与铁路线相距约10公里，交通便利，不需另外修建对外临时施工道路。4、水库规划资料。该工程主要为下游城市和农田供水，供水工程的最大引用流量为20m3/s。水库正常蓄水位590 m、设计洪水位592 m、校核洪水位593m。设计洪水流量1200m3/s,下泄允许最大单宽流量18m3/s。水库最大风速12m/s，吹程D=5km。灌区位于左岸，灌溉输水渠渠首设计水位572m。二、 设计报告(一) 土石坝的剖面尺寸及构造 经分析，该设计选择斜墙坝。1、 坝顶高程：坝顶高程=水库静水位+坝顶超高，取4种运用条件：1) 设计洪水位+坝顶正常超高值2) 正常蓄水位+坝顶正常超高值3) 校核洪水位+坝顶正常超高值4) 正常蓄水位+坝顶正常超高值+地震安全加高中的最大值。 坝顶超高值： 式中：d坝顶超高，m；R波浪在坝坡上的设计爬高，m；e风浪引起的坝前水位壅高，m；A安全加高，m。1) 风壅水面高度： 式中，K综合摩阻系数，取；D风区长度，取吹程5km；计算风向与坝轴线的法线间的夹角，该坝；风区内水域平均深度，设为35m；计算风速，m/s，2级坝采用多年平均最大风速的1.52.0倍，此处取2倍。 算得，e=0.015m2) 波浪爬高的计算：平均波浪爬高：当坝坡系数m=1.55.0时，式中，斜坡的糙率及渗透性系数，查表得1.0；经验系数，查表得1.0；平均波高，m ；平均波长，m。平均波高与平均波长由经验公式得出:0.63=7.25 则， 设计波浪爬高：对2级坝取累计频率1%的爬高值，不同累计频率下的波浪爬高，可由的值和相应的累计频率P（%）查表得出。 ，查表得=2.66，所以，3) 安全加高A：根据坝的级别，按表5-1选用。表格 1 土石坝的安全加高 单位：m坝的级别123正常运行条件1.501.000.70非正常运行条件（a）0.700.500.40非正常运行条件（b）1.000.700.50该坝属于2级坝，所处地形属于山区、丘陵区。4种运用条件成果如下：表格2 土石坝的坝顶高程 单位：m运用条件水位波浪爬高R风壅水高e安全加高A地震安全加高坝顶高程（1）5921.810.0151.0-594.83（2）5901.810.0151.0-592.83（3）5931.810.0150.5-595.33（4）5901.810.0150.51.0593.33选取4中运用条件中的最大值作为坝顶高程，即坝顶高程为595.33m。考虑水库综合利用情况，取596m。2、 坝顶构造：（1） 坝顶宽度：SL 274200J碾压式土石坝设计规范规定： 高坝顶宽可选为10-15m，中、低坝顶宽可选为5-10m。由于该设计中无交通要求时，仅考虑抢险防汛及检修灌浆和运行管理要求，坝顶宽度8m。（2） 坝顶构造： 坝顶盖面材料应根据当地材料情况及坝顶用途确定，一般采用密实的砂砾石、碎石、单层砌石或沥青混凝土等柔性材料。本设计采用碎石路面。 坝顶上游侧宜设防浪墙，墙顶一般高出坝顶1.0-1.20m。防浪墙应坚固不透水，用砌石浆建造,取1.2m。3、 坝坡构造：（1） 坝坡坡度： 土坝坝坡比参考值坝高/m上游坝坡下游坝坡(1:2.00)(1:2.50)(1:1.50)(1:2.00)1020(1:2.25)(1:2.75)(1:2.00)(1:2.25)2030(1:2.50)(1:3.00)(1:2.50)（1:2.75）（1:3.00）（1:3.50）（1:2.50）（1:3.00）斜墙坝下游坝坡的坡率取值宜偏陡，上游则可适当放缓。该坝最大坝高596-560=36m，采用两级边坡。故上游坝坡为1：3.00，下游坝坡从坝顶到坝踵依次为1:2.5, 1:3.00，土石坝下游坝坡常沿高程每隔10-30m设置一条马道，其宽度不小于为1.52.0m，马道一般设在坡度变化处，坡率相差0.2-0.5。该坝在坝高处设置宽为2m的马道，坡度为1:1.5，1:2.0。（2） 护坡构造： 土石坝上游坡面要经受波浪淘刷、顺坡水流冲刷、冰层和漂浮物等的危害作用；下游坡面要遭受雨水、大风、尾水部位的风浪、冰层和水流的作用以及动物、冻胀、干裂等因素的破坏作用，因此，上下游八面必须设置护坡。 该坝上游护坡采用浆砌石护坡，从坝顶一直到坝角，护坡厚度为50cm，下部设厚度均为40cm的碎石或粗砂垫石。下游护坡设厚度为50cm的碎石护坡，护坡下面设厚度为40cm的粗砂垫层。4、 坝体防渗设置：（1） 防渗体：防渗体的厚度主要决定于土料的质量，如容许渗流比降、塑性、抗裂性能等。在设计中通常采用平均容许比降作为控制标准，它等于作用水头H与防渗体厚度T的比值，斜墙的不宜大于5。防渗体顶部的水平宽度不应小于3m，自上而下逐渐加厚，在坝底部不低于容许比降所规定的要求。此斜墙坝顶部宽度定为3m，上游坡度取为1:2.5，上下游作用最大水头差H=596-560=36m，故墙厚，斜墙底宽取为10m7.2m,斜墙下游与水平面夹角为，则其坡度为。斜墙上游应设置保护层，以防止冰冻和干裂。保护层可采用砂或碎石，其厚度不小于该地区的冻结和干燥深度，此处取1.0m，分别铺0.5m厚的碎石和砂砾石。5、 坝基防渗设置：（1） 截水槽： 截水槽是坝体防渗体向透水地基中的延伸，是构造简单、防渗有效、稳妥可靠的坝基防渗设施。槽底宽度应根据回填土料的容许渗透比降、与基岩接触面抗渗流冲刷的容许比降以及施工条件确定。槽的边坡一般不陡于(1:1)(1:1.5)，槽两侧设置反滤层或过渡层。此处取槽的边坡1:1.2。（2） 铺盖：铺盖是均质坝体心墙或斜墙上游水平的延伸，可以延长坝基渗流的渗径，以控制渗透坡降和渗流量在允许的范围内。铺盖土料的渗透系数应小于10-5cm/s,且至少要小于坝基透水层渗透系数的100倍以上，此坝周围的砂石料符合这一要求。铺盖向上游伸展的长度一般最长不超过68倍水头，铺盖的厚度，上游端按构造要求，不小于0.5m，取为1m，向下游逐渐加厚使某断面处在顶、底水头差作用下其渗透比降在允许范围内，在与坝体防渗体连接处要适当加厚以防断裂。铺盖上应设保护层，以防止蓄水前干裂、冻蚀和运用期的风浪或水流冲刷，铺盖底应设置反滤层保护铺盖土料不流失。6、 土坝排水设置：坝体排水用堆石棱柱体排水，它是在下游坝脚处用块石堆成的棱体。棱体顶宽不小于1.0m，顶面超出下游最高水位的高度，对2级坝不小于1.0m，而且还应保证浸润线位于下游坝坡面的冻层以下，因下游无水，故取棱体顶高3m,顶宽2m。棱体内坡根据施工条件决定，一般为1:1.01:1.5，外坡取为1:1.51:2.0，在此处取内坡1:1.5，外坡1:2.0。在棱体与坝体及土质地基之间均应设置反滤层，在棱体上游坡脚处应尽量避免出现锐角。7、 反滤层和过滤层反滤层的作用是滤土排水，防止土工建筑物在渗流溢出处遭受管涌、流土等渗流变形的破坏以及不同土层界面外的接触冲刷。反滤层一般由1-3层级配均匀，耐风化的砂、砾。卵石和碎石构成，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0.3m；垂直或倾斜反滤层的最小厚度可采用0.5m。过渡层主要对其两侧土料的变形起协调作用。反滤层可以起到过渡层的作用，而过渡层却不一定能满足反滤的要求。合理的反滤层设计要满足的要求：（1） 被保护土层不发生管涌等有害的渗流变形，在防渗体出现裂缝的情况下，土颗粒不会被带出反滤层，而且能促进使裂缝自行愈合。要求反滤层有足够小的孔隙，以防土粒被冲入孔隙或通过孔隙而被冲走。（2） 透水性大于被保护土层，能畅通的排除渗透水流，同时不致被细粒土淤塞而失效。这要求反滤层必须有足够大的孔隙。8、 坝型剖面图（见图纸）(二) 土石坝防渗分析渗流分析的内容包括：确定坝体内浸润线；确定渗流的主要参数渗流流速与比降；确定渗流量。在渗流分析中，一般假定渗流流速和比降的关系符合达西定律，即。斜墙采用粘土料，渗透系数，坝壳采用砂土料，渗透系数，两者相差倍，可以把粘土斜墙看做相对不透水层，因此计算时可以不考虑上游楔形降落的水头作用。坝体渗透计算斜墙的平均厚度：通过斜墙的： (1)通过坝壳的： (2)由公式（1）、（2）相等得： 下游无水，堆石棱柱体排水体高度为3m，计算L的长度： 则，坝壳浸润线方程，则坝壳浸润线方程可写为坝壳浸润线方程坐标点x01020406080100120140160y01.161.642.322.843.273.664.014.334.63浸润线轮廓如图示：水力坡降 渗漏总量约为 渗漏量控制 平均流速 (三) 土坝稳定性计算1、 土坝失稳的形式，主要是坝坡或坝坡连同部分坝基沿某一剪切破坏面的滑动。稳定计算的目的是核算初拟的坝剖面尺寸在各种运用情况下坝坡是否安全、经济。2、 土石坝滑动面的形式有：曲线滑动面； 直线或折线滑动面；复合滑动面。3、 荷载及其组合：1）荷载：自重、渗透力、孔隙水压力、地震荷载。2）荷载组合（正常运用条件）：水库蓄满水（正常高水位或设计洪水位）时，下游坝坡的稳定计算；上游库水位最不利时，上游坝坡的稳定计算；库水位正常行降落，上游坝坡内产生渗透力时，上游坝坡的稳定计算。 4、 要求的抗滑稳定系数：对于非常运用条件（考虑孔隙水压力时）下，2级水工建筑物的坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.15。5、 土石坝的稳定分析：对于该坝来说，滑动面接近于圆弧，故采用圆弧滑动法进行坝坡稳定分析。为了简化计算和得到较为准确的结果，常采用条分法。规范采用的圆弧滑动静力计算公式有两种：一是不考虑条块间作用力的瑞典圆弧法，一是考虑条块间作用力的毕肖普法。此坝用瑞典圆弧滑动法。1) 计算原理：假定滑动面为圆柱面，将滑动面内土体是为刚体，边坡失稳时该土体绕滑弧圆心O作转动。分析计算时常沿坝轴线取单宽坝体，按平面问题采用条分法，将滑动土体按一定的宽度（通常宽度b=0.1R）分为若干个铅直土条，不计相邻土条间的作用力分别计算出土条对圆心O的抗滑力矩和滑动力矩，再分别求其总和。当土体绕O点的抗滑力矩大于滑动力矩，坝坡保持稳定，反之，坝坡则丧失稳定。2) 计算步骤：将滑弧内土体用铅直线分成12个条块，为方便计算，取各土条块宽度，对各土条进行编号，以圆心正下方的一条编号为i=0,并依次向上游为i=1,2,3,向下游为i=-1,-2,-3,如图示 不计相邻条块间的作用力，任取第i条为例进行分析，作用在该条块上的作用力如下：（1） 土条自重，方向垂直向下，其值为，其中分别表示该土条中对应土层的重度；分别表示相应的土层高度，b为土层宽度，可以将沿滑弧面的法向和切向进行分解，得法向分力，切向分力。（2） 作用于该土条底面上的法向反力与大小相等、方向相反。（3） 作用于土条底面上的抗剪力，其可能发挥的最大值等于土条底面上土体的抗剪强度与滑弧长度的乘积，方向与滑动方向相反。根据以上作用力，可求得边坡稳定安全系数为式中，为i土条底面上的弧长，。若计算时考虑孔隙水压力作用，可采用总应力法或有效应力法。总应力法计算抗滑力时采用快剪或三轴不排水剪强度指标；有效应力法计算滑动面的滑动力时，采用有效应力指标和，根据以往实际工程经验取， 此时，坝坡稳定安全系数为式中，为作用于i土条底面的孔隙压力。部分计算结果见下表土条编号-35.779.11103.86182.26.84623.124241894.61831.65273.6-27.5111.45135.182296.57752.265172441.022441262.8-19.5212.78171.36255.66.4817.92122927.172927.17256011.6213.38209.16267.66.3842.9463323.323323.31252113.7113.28246.78265.66.27832.65603591.273591.27250.8215.5612.48280.08249.66.3786.2463692.23692.19252317.6610.94317.88218.86.4700.16123679.373679.39256420.298.61365.22172.26.57565.677173602.213602.19262.8522.935.39412.74107.86.84368.676242334.423333.04273.6625.581.78460.4435.67.25129.05303010.933010.95290728.230508.1407.850372844.392844.55314830.890556.0208.80442382.852803.37352-6418.708-35723.7512877.623295.6瑞典条分法计算结果在非常运用条件下，即考虑孔隙水压力时，坝坡稳定安全系数为故该坝设计是稳定合理的。