水工建筑物土石坝设计.doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date水工建筑物土石坝设计水工建筑物土石坝设计四川大学课程设计报告题 目土石坝设计专 业班 级学 号姓 名指导教师水利水电学院二一四年十二月 第一章 、设计基本资料拟建的朝阳水库工程区位于开县赵家镇朝阳村境内，属长江上游小江水系浦里河朝阳沟支流。水库距离开县县城28.7km。1.1工程任务及规划数据 本水利枢纽以灌溉为主，兼顾防洪。设计灌溉面积为0.85万亩，设计放水流量0.8m3/s。根据兴利及调洪演算，确定出该水库规划指标为：水库正常蓄水位：374.5+0.7*8=380.1m时相应有效库容186.48万m3；30年一遇设计洪水位：375.2+0.7*8=380.8m（溢洪道最大下泄流量约20m3/s）；300年一遇校核洪水位：376.1+0.7*8=381.7 m时相应总库容218.44万m3（溢洪道最大下泄流量32m3/s）；水库死水位362.00m。1.2地形地质条件坝址处河谷断面河床宽度约2030m，两岸岸坡基本对称，坡角约35°。河床基岩高程350m，岩基为弱风化岩层，k=0.8×10-6cm/s。地基表面高程354.6m，高程350m354.6m为砂砾石覆盖层。（351+0.9*4=354.6m）.地形地质情况详见图纸。1.3水文气象水库集雨面积为3.67km2，流域属于亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨量充沛。多年平均降雨量1236.4mm，多年平均径流深590.0mm。库区汛期多年平均最大风速10.5m/s，方向垂直坝面，水库吹程0.3km。1.4天然建筑材料工程区附近土料及天然沙砾石、块石、石渣料均较为丰富。上游11.5km范围内可供开采的土料，主要为棕红色砂质粘土，粘性很强，是很好的防渗材料，总储量约9万m3；坝址下游12km范围内有约6万m3的石料可供开采，该石料主要为石英砂岩；在坝址下游22.5km范围内有丰富的石渣料，储量约10万m3。砂砾石覆盖层及天然材料物理力学性质见表1。1.5其他资料当地有较丰富的土石坝施工经验，缺少混凝土坝施工经验。工程单价可按下式估算：粘土填筑30元/m3；干砌块石88元/m3；石渣料填筑45元/m3；土石方开挖20元/m3。表1 天然材料物理性质表参数材料湿容重（KN/m3）饱和容重（KN/m3）浮容重（KN/m3）渗透系数(cm/s)非饱和固结快剪饱和固结快剪C（KPa）（度）C（KPa）（度）砂砾石覆盖层18.820.010.01.6×10-2/29.2/27.2粘土20.020.210.24.73×10-622.317.618.415.7石渣料20.521.411.47.2×10-429.831.625.629.4块石体18.120.210.28.0×10-2/34/331.6设计任务（1）根据提供的设计资料和图纸，确定较为合理可行的枢纽布置，即确定大坝、泄水建筑物、取水建筑物等枢纽建筑物的布置。由于时间关系，大坝选定为土石坝，在此基础上确定泄水建筑物、取水建筑物的位置及形式。（2）通过坝型方案比较，确定推荐坝型，并对推荐坝型进行计算分析和详细设计。1.7提交成果（1）设计说明书（包括计算原理）一份。论述枢纽布置；论证坝型选择并进行材料分区布置；计算坝顶高程；进行正常水位时的渗流计算，包括渗流量、浸润线和渗透变形分析；进行正常水位工况时下游坝坡一个滑移面的稳定分析；论述主要构造与尺寸，论述地基处理措施。（2）设计图纸两张（2号图）枢纽平面布置图一张；土石坝横断面设计图一张，包括坝顶、护坡、马道、排水设备和坝基防渗等的细部构造。1.8参考资料SL2522000 水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准SL274-2001 碾压式土石坝设计规范SL18996 小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则第二章、工程等别及建筑物级别 根据水利水电工程等级划分依据，综合考虑水库的总库容、防洪库容、灌溉面积、电站的装机容量等，工程规模有库容决定，此水库工程的正常蓄水位时有效库容186.48万m3，校核洪水位时相应总库容186.48万m3，灌溉面积为0.85万亩，查参考资料可得其工程等别为，工程规模为小（1）型。又由水工建筑物的级别划分依据得知，该类小（1）型的主要水工建筑物为4级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级。第三章、 坝型选择及枢纽布置3.1、坝型选择（一）坝型选择论证所选的坝轴线处河床冲积层较深，两岸风化岩石透水性大，基岩为弱风化岩层，强度较低，地基到地表为砂砾石覆盖层，地基不完整。从地质条件看不宜建拱坝。较高的混凝土重力坝要求修建在岩石基础上，且当地缺少混凝土坝施工经验，因此也是不可行的。而土石坝适应地基变形能力较强，对地基的要求较低；从当地的材料来看土石材料比较丰富，况且土石坝有就地取材特点；当地有较丰富的土石坝施工经验，为修建土石坝提供了施工基础。通过各种不同的坝型进行定性的分析比较，综合考虑地形条件、地质条件、建筑材料、施工条件、综合效益等因素，最终选择土石坝的方案。（二 ）枢纽组成建筑物(1)、挡水建筑物;土石坝。(2)、取水建筑物;取水隧洞。(3)、泄水建筑物;该工程兼顾防洪，故其包括泄洪隧洞和冲沙放空洞，均与导流隧洞结合。3.2、枢纽总体布置1、挡水建筑物土石坝；挡水建筑物按直线布置，坝布置在河弯地段上。2、取水建筑物取水隧洞；进行灌溉的取水采用隧洞形式，取水口布置在凸岸，隧洞出口与总干渠相连接。3、泄水建筑物泄洪隧洞；泄洪采用隧洞方案，为缩短长度、减小工程量，泄洪隧洞布置在凸岸，这样对流态也较为有利，考虑到引水发电隧洞也布置在凸岸，泄洪隧洞布置以远离坝脚和厂房为宜。综合考虑各方面因素，最后决定枢纽布置如地形图所示。第四章、大坝设计4、1、土石坝坝型的选型影响土石坝坝型选择的因素很多，最主要的乃至起决定性的是附近的筑坝材料，还有地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理等。应选择几种比较优越的坝型，拟定剖面轮廓尺寸，进行比选工程量、工期、造价、最后选定技术上可靠，经济上合理的坝型。均质坝：材料比较单一，施工简单，但坝身粘性较大，断面大，用料多，填筑施工易受将于和冰冻的影响。除此之外，该坝址处无足够适宜的土料来作均质坝（坝址附近可筑坝的土料只有9万m3 ，远远不能满足要求），因此均质坝方案不可行。堆石坝：坝坡较陡，工程量减小。堆石坝施工干扰相对较小。坝址附近有储量为6万m3 的石料，其主要为石英砂岩，开采条件较好，可作为堆石坝石料，从材料角度可以考虑堆石坝方案。但是由于河床地质条件较差，岩基为弱风化岩层，如果用堆石坝可能导致大量的开挖，此方案不予考虑。塑性心墙（以砂砾料作为坝壳，以粘土料作防渗体设置在坝剖面的中部作心墙，与斜墙坝相比工程量相对较小，适应不均匀变形，抗震性能较好，但要求心墙粘土料与坝壳沙砾料同时上升。从筑坝材料来看，由于坝址上游11.5km内有可供开采的筑坝的土料9万m3 ，其粘性很强，是很好的防渗材料，可作防渗体之用；又坝址下游12km范围内有约6万m3 的石英砂岩和10万m3的石渣料作为坝壳，由此可知心墙坝是可行的，因而最终采用斜心墙坝的方案。4.2、大坝轮廓尺寸的拟定大坝剖面轮廓尺寸包括坝顶高程，坝顶宽度、上下游坝坡、防渗体等排水设备。1、坡顶高程坝顶高程分别按设计工况、校核工况来计算大坝的高程，最后计算出数据取最大值，同时并保留一定的沉降值。坝顶高程在水库正常运用和非常运用期间的静水位以上应该有足够的超高，以保证水库不漫顶，其超高值y按下式而定：y=Rehc式中 R波浪在坝坡上的设计爬高（m）；e最大风壅水面高度；hc安全加高（m），根据坝的等级及运用情况按下表选用土石坝坝顶的安全超高值：运用情况坝的级别、设计1.51.00.70.5校核（山区丘陵区）0.70.50.40.3最大风雍水面高度按下式计算 式中 K综合摩阻系数，取3.6×10-6；为计算风速（m/s），本设计为多年平均最大风速10.5 m/s；D风区长度（m），D=0.3km=300m ；风向与坝轴线的法线方向所成的夹角，因风向垂直于坝面，故=0°；坝前水域的平均水深，可查地形剖面图得。平均波浪爬高Rm可按下述公式计算：式中：坝坡的糙率渗透性系数，块石为0.750.8；经验系数，按水工建筑物取1.0。平均波高与平均波长，选用水工建筑物公式计算可得；m边坡系数，据经验取2.5。坡顶高程计算成果表计算情况计算项目设计情况校核情况上游静水位（m）380.8381.7河地高程（m）350坝前水深Hm(m)380.8354.6=26.2381.7354.6=27.1风区长度D(m)300风向与坝轴线夹角0°风浪引起坝前雍高e(m)0.0005220.000224风速 (m/s)1.5×10.5=15.7510.5平均波高 (m)0.180.11平均波长(m)4.493.0护坡粗糙系数0. 8上游边坡系数2.5波浪沿坝坡爬高（m）0.270.17安全超高A （m）0.50.3坝顶高程（m）381.57382.17坝顶高程加0.4%沉陷(m)383.10383.70坝顶高程结果取两者之大者，并预留一定的沉降值.结果见下表，设计竣工时坝顶高程为383.70m.所以坝高为383.70354.6=29.1m.2、坝顶宽度坝顶宽度主要取决于交通需要、构造要求和施工条件，同时还要考虑防汛抢险、防空、防震等特殊需要。坝顶的最小宽度按下面的方法确定：当坝高H小于lOOm时，坝顶最小宽度Bmin取为H10，并不小于3m；本设计坝高为29.1m故拟定坝顶宽度为5.0m。3、坝坡设计土石坝的坝面坡度取决于坝高、筑坝材料性质、运用情况、地基条件、施工方法及坝型等因素。其范围大致在1：21：4之间。当坝较高时，可每隔8-15m变一次坡，相邻坡率差取0.25-0.5，变坡处下游通常设置1.52.0m宽的马道。在满足稳定要求的前提下，应尽可能使坝坡陡些，以减小坝体工程量。根据规范规定与实际结合，上游坡率取1:3.0。此坝高度不大，可仅在下游设置变坡，下游上部坡度1:2.5，下部坡率1:3.0。在下游坝坡改变处，设置2m宽的马道以使汇集坝面的雨水，防止冲刷坝坡，并同时兼作交通、观测、检修之用。4、坝体排水坝体浸润线位置不高，没有必要降低坝体浸润线，故采用贴坡排水。此种排水形式石料用量少，施工方便，便于检修。排水层厚度取为0.5m，顶部按规范要求高出浸润线逸出点1.5m。5、大坝防渗体大坝防渗体的设计主要包括坝体防渗和坝基防渗两个方面.（1）、坝体的防渗坝体防渗的结构和尺寸必须满足减小渗透流量、降低浸润线控制渗透坡降的要求，同时还要满足构造、施工、防裂、稳定等方面的要求.该坝体采用粘土心墙，心墙的顶部宽度取为4m（满足大于3m机械化施工要求），粘土斜心墙的上游坝坡的坡度为1:0.151:0.25之间，本设计取为1:0.15，底宽为5+(380.8-354.6)*0.15*2=12.86m。心墙的顶部高程以设计水位加一定的超高（超高0.6m）并高于校核洪水位为原则，最终取其墙顶高程为380.8m，墙顶的上部预留有0.5m的保护层。 （2）、坝基防渗体坝址河床的砂砾石层深度不是很大，垂直防渗设置截水槽。截水槽贯穿整个河床并延伸至两岸。截水槽底宽由回填土料（与大坝防渗体相同）的允许渗透坡降确定。则底宽为，取为5.0m（大于机械施工的最小宽度3.0m），边坡坡度选为1：1.2。第五章、渗流计算土石坝的渗流计算主要确定坝体的浸润线的位置，为坝体的稳定分析和布置观测设备提供依据；同时确定坝体与坝基的渗透流量，以估算水库的渗漏损失，而且还要确定坝体和坝基渗流区的渗透坡降，检查产生渗透变形的可能性，以便取适合的控制措施。5.1、计算方法(1)选择水力学法解土坝渗流问题。假定渗透水流为渐变流，过水断面上各点渗透坡降和渗透流速都是相等的，将坝体分为若干段，根据坝内各部分渗流状况的特点，应用达西定律近视解土坝渗流问题。计算如下：. 由于沙砾料渗透系数较大，防渗体又损耗了大部分水头，逸出水与下游水位相差不是很大，认为不会影响逸出高度；对于岸坡断面，下游水位在坝底以下，水流从上往下流时由于横向落差，此时实际上不是平面渗流，但计算仍按平面渗流计算，近视认为下游水位为零。由于河床冲积层的作用，岸坡实际不会形成逸出点，计算时假定浸润线末端即为坝址。5.2、计算断面及计算情况的选择对河床中间断面II（1）,及左右岸坝肩处的两典型特殊断面IIII（2）、IIIIII（3）进行渗流计算，计算主要针对正常蓄水及设计洪水时进行。5.3、计算结果：计算情况计算项目正常情况设计情况上游水深125.226.2216.014.936.64.7下游水深 (m)10.10.2200300逸出水深h (m)17.988.3026.1745.53631.9602.445渗流量q(m3/d.m)10.2480.13120.0640.06930.0090.051总渗流量Q(m3/d)12.0514.185.4、成果分析与结论该坝的总渗流在正常蓄水时为12.05m3/d，设计洪水时为14.18m3/d，与同类工程相比是很小的，说明把基本不会存在什么渗漏问题，设计合理。第六章、稳定分析计算6.1、 计算方法在正常水位工况时（稳定渗流期）取下游坝坡的一个滑移面核算土石坝的稳定。斜心墙坝的下游坝坡滑动时形成近于圆弧形滑动面。运用瑞典圆弧法（不考虑土条间的作用力）计算土坡出最小安全系数，并据此确定出土坝的滑移面。 6.2、 计算结果下游坝坡圆弧滑动面计算结果如下所示： 由计算所得滑动安全系数Kmin=1.38，大于1.25，故其正常水位工况时安全系数满足设计要求。6.3、稳定成果分析由于下游坡较缓，正常情况Kmin=1.38，坝的稳定安全系数满足要求，维持原拟订的剖面。第七章、基础处理部分7.1、河床部分 砂砾石地基主要是解决渗流问题。可分为垂直防渗和水平防渗。（1）垂直防渗控制方案可以参照第四章讲到的坝基防渗体。【坝址河床的砂砾石层深度不是很大，垂直防渗设置截水槽。截水槽贯穿整个河床并延伸至两岸。截水槽底宽由回填土料（与大坝防渗体相同）的允许渗透坡降确定。则底宽为，取为5.0m（大于机械施工的最小宽度3.0m），边坡坡度选为1：1.2。】（2）水平防渗控制方案。由于站址处粘土的渗透系数为4.73×10-6 cm/s，大于铺盖填土要求的渗透系数1.0×10-6 cm/s，故不能使用该地材料进行铺盖防渗。7.2、坝肩处理坝肩两岸为覆盖层及弱风化岩层，深约4m，承载力较好，但是透水性较差，故坝肩处理的主要任务也是防渗。可以采用帷幕灌浆提高岩层的不透水性，减少坝基的渗漏量。第八章、细部构造设计8.1、坝的防渗体，排水设备具体的防渗措施按照上面的设计为主；下游戗道设置排水沟，并在坝坡设置横向排水沟以汇集雨水，岸坡与坝坡交接处也设置排水沟，以汇集岸坡雨水，防止雨水淘刷坝坡。 8.2、护坡设计上游护坡用砌石，因其抵御风浪的能力较强，下游坝面直接铺上20cm 的石料作为护坡。上游护坡上做至坝顶，下做至死水位以下362m。8.3坝顶布置坝顶设置碎石路面，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，坝顶设置拦杆以便安全。第九章 、泄水建筑物设计9.1、泄水方案选择坝址地带河谷较窄、山坡陡峻、山脊高，经过比较枢纽布置于河弯地段。由于两岸山坡陡峻，无天然垭口。如采取明挖溢洪道的泄洪方案，开挖量较大，造价较高，故采用了隧洞泄洪方案。隧洞布置于凸岸（左岸）。9.2、隧洞选择与布置枢纽布置于河弯地段。从地形上来看隧洞应当布置于凸岸，这样不仅工程量省，而且水力条件也较好。从地质来看这个此处除表面有一层弱风化岩外，.下部大部分为坚硬的岩石，强度较高，岩体中夹杂着几条破碎带，但走向大都与隧洞轴线成较大的角度。因此将泄洪洞布置于右岸凸出的山梁里面。9.3、隧洞的体型设计（1）隧洞的的形式由于进口岸坡地质条件较好，岩体完整，岸坡稳定，坚固，因而采用竖井式进口，井底设置闸门，顶部安装启闭设备。设为喇叭口，闸门型式及尺寸。工作及检修闸门均采用平板门，设在进口处，闸门宽3m，高为4.5m。（2）、洞身断面型式和尺寸本无压隧洞采用城门洞型断面。水流流经进口段后拟定洞宽不变，高度渐变为4.0m，渐变段长度为3m。圆拱中心角选180°，半径取1.5m，直墙高度为2.5m。（3）、出口消能段。隧洞出口高程定为365.0m，由于下游出口离大坝较远，较大的冲坑不致影响坝的安全，下游也没有需要特别保护的建筑物，且地质条件容许。因而采用挑流消能。由于隧洞出口宽度小，单宽流量集中，因而在出口设置扩散段。挑角取°，因出口为平段，为了水流能平顺挑出采用了较大的反弧半径R=50m。（4）、隧洞水力计算设计洪水位：380.8m；下泄流量：20m3/s；校核洪水位：381.7m；下泄流量：32 m3/s。因在宣泄校核洪水时也要满足各项要求。因而对校核情况进行水力计算。为不影响遂洞的泄流能力，隧洞应做成陡坡。坡度太大施工不便，底坡取i=0.06。（5）、隧洞的细部构造洞身衬砌,工程为无压泄洪隧洞采用城门洞形断面，整体式单层混凝土衬砌。衬砌厚度，取1/12洞径，最后取0.2m。衬砌分缝、止水,为适应施工能力、防止混凝土干缩和温度应力而产生的裂缝，沿洞轴线方向设置永久性横向伸缩缝，分缝间距为10.0m，缝间设止水。为防止不均匀沉陷而开裂，衬砌突变处设横向沉降缝。灌浆,洞顶部进行回填灌浆，充填围岩与衬砌的空隙，使之紧密结合，共同工作，改善传力条件和减少渗漏.对围岩进行固结灌浆，提高其整体性，保证围岩的弹性抗力，减少渗漏。回填灌浆与固结灌浆孔间隔布置。掺气槽,在反弧段前沿及其后设置掺气槽，向水流边界通气，提高低压区的压力，缓冲气泡溃灭时的破坏作用。第十章、取水建筑物设计10.1、取水方案的选择与布置 观察地形图可知，左岸山体坡度陡峭，地质条件稳定，可以采用隧洞取水方案。为了节省工程量，缩短隧洞长度，故将其布置在凸岸。工作闸门设置在进水口处。10.2、隧洞的体型设计引水流量为0.8m3/s，仍做为竖井式无压隧洞，洞身仍采用城门洞型断面。根据以往工程经验，取隧洞的坡降为i=0.003，且采用混凝土护面，查得糙率系数n=0.017。取隧洞宽度为1.6m，高度为2.0m，圆拱段半径为0.8m。假设水流只在直线流动，则其水深为h=1.2m。取水口位置，因为该水库的死水位为362m，为了满足在死水位时能够满足设计流量，洞口应该在死水位以下，设洞口在死水位以下0.7m，即高程为361.3m。校核在此水位能否取到引水流量。由公式，已知，b=1.6m，Q=0.8 m3/s，=0.5m，为闸门开度，经试算=0.48597，故闸室开度为0.48597时可以取到设计流量，所以取水口在水下0.7m满足要求。第十一章、工程经济计算一、土石填筑量计算 1、粘土料填筑方量 坝体横断面面积：m2， 截水槽断面积：m2，则粘土的最大填筑方量为： （174.7+42.84）×140=30455.6m3，因其类似于一个锥体，取其最大填筑方量的1/3,故有粘土填筑方量为：m3。 2、石渣料填筑方量 横断面面积：m2， 石渣料最大填筑方量：1647.02×140=230582.8 m3，取其1/3,则有石渣料填筑方量为：m3。3、干砌块石填筑量横断面面积：m2，干砌块石最大填筑方量：107.8×140=15102.8m3，取1/3，为15102.8÷3=5034.3m3。 4、土石方开挖量 据地形图可知，最大截面上开挖量为19.7 m2，则总的最大开挖量为：19.7×140=2758 m3,取1/3有：2758÷3=919.3m3。二、工程造价估算 总造价元。 -