小浪底水利枢纽工程土石坝课程设计.docx

土石坝课程设计20180820土石坝课程设计专 业： 水利水电工程 班 级： 水电XXXX 姓 名: XXXX 学 号： XX 指导教师： 成 绩： - 41 -目录一、基本资料- 1 -1.1 坝址区自然条件- 1 -1.2 坝址区地质条件- 2 -1.3 建筑材料物理力学指标- 3 -1.4 其它资料- 4 -二、枢纽布置- 5 -2.1 坝型选择- 5 -2.2 枢纽建筑物及其布置- 6 -三、剖面设计- 8 -3.1坝顶高程- 8 -3.2坝顶宽度- 13 -3.3坝坡- 13 -3.4坝底宽度- 13 -四、土料设计- 14 -4.1土料设计- 14 -4.2填筑标准设计- 15 -五、防渗排水设计- 16 -5.1渗流计算（电算）- 16 -5.2渗透破坏验算- 24 -5.3排水设施选择- 25 -六、土石坝稳定计算- 26 -七、土石坝的地基处理- 33 -7.1土石坝的坝基清理- 33 -7.2土石坝的防渗处理- 34 -八、土石坝两岸连接建筑物设计- 34 -8.1土石坝与坝基的连接- 34 -8.2土石坝与岸坡的连接- 35 -九、土石坝细部构造设计- 35 -9.1坝顶- 35 -9.2防渗体- 36 -9.3排水设施- 37 -9.4护坡与贴坡排水- 37 -主要参考文献- 40 -一、 基本资料小浪底水利枢纽工程是以防洪（包括防凌）、减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电、蓄清排浑，除害兴利的综合利用的水利枢纽。小浪底水利枢纽工程属一等工程，主要建筑物为1级，按千年一遇洪水设计，洪峰流量为40000m3/s（三门峡水库不控制的情况下）。水库防洪限制水位275m，总库容126.5亿m3，长期有效库容51亿m3为不完全年调节水库。电站总装机容量180万千瓦，正常运用期的保证出力为30万千瓦。1.1 坝址区自然条件小浪底工程位于黄河中游最后一个峡谷的出口，上距三门峡水库130km，下游是黄淮海平原。坝址处河道自西向东，水面宽约200m，河床底宽400m600m，河床最低高程约130m，河滩分布在南岸。距离地面十米处的风速为15m/s，吹程为6km。本地区地震基本烈度为7度，挡水建筑物要求按8度地震烈度设计，非挡水建筑物设防烈度为7度，峰值加速度为0.215g。混凝土与基岩之间的抗剪摩擦系数f=0.65。由于受地形、气候、产流条件的影响，黄河径流的地区分布很不平衡。大部分径流来自兰州以上及龙门到三门峡区间。受大气环流和季风的影响，黄河径流的年际变化较大，年内分配很不均衡。干流及较大支流汛期径流量占全年的60%左右，每年3月份-6月份，径流量只占全年的10%-20%，小浪底水利枢纽控制黄河90%的水量。黄河流域的洪水主要由暴雨形成，发生时间为6-10月，其中大洪水和特大洪水的发生时间，兰州以上一般在7月-9月，三门峡-花园口之间在7月中旬到8月中旬。黄河洪水的洪峰形式，上游为矮胖型，洪水历时较长，洪峰较低。中游洪水形式为高瘦型，洪水历时较短，洪峰较高。小浪底枢纽2000年水平年设计多年平均年径流为277.6亿m3，设计年均输沙量13.5亿t，年平均含沙量48.6kg/m3，在天然情况下汛期7月9月来沙量占85%。不同频率的洪峰流量见下。表1-1 不同频率的洪峰流量表频率0.010.11洪峰流量（Q/m3）523004000027500黄河径流的泥沙含量居世界首位，多年平均含沙量37.6kg/m3，多年平均输沙量13.51亿T。在一年之中，泥沙主要集中在汛期，干流站7-9月沙量占全年沙量的80%左右，支流站接近100%；汛期沙量又集中在几次暴雨洪水之中。黄河泥沙约有1/4沉积在下游河床，致使下游河床每年以10cm速度抬高。小浪底水利枢纽控制近100%的沙量。1.2 坝址区地质条件小浪底工程坝址河床覆盖层最深达74m。坝址区出露基岩为二、三叠系砂岩和粘土岩互层，坝址左岸岸坡较陡，由紫红色砂岩夹薄层粘土岩组成，基岩出露高程为290m300m，出露的地程其上为黄土覆盖，厚10m20m。坝址右岸岸坡较缓，离河岸较远处基岩出露高程为380m400m，由青灰色砂岩和紫红色粘土岩组成。坝址区断裂构造发育，沿坝轴线有13条断层，其中对大坝影响较大的F1断层位于河床右岸岸边，走向大致与河道平行，断层带物质为断层泥、角砾及岩粉，为一隔水断层。河床砂卵石覆盖层厚度一般为30m40m，最厚约80m，河床右侧覆盖层下有一基岩陡坎，坝轴线处陡坎高45m，坎的坡度约为1：0.35，向上游陡坎逐渐变缓直至消失。坝址区两岸及坝肩基岩泥化夹层发育，其抗剪强度指标：f=0.230.28，C=10 kpa。夹层抗剪强度低，给坝体、坝肩均带来严重的稳定问题。1.3 建筑材料物理力学指标粘土在天然状态下：粘粒含量30%40%；天然含水量23%24%；塑性指数1517；不均匀系数50；有机质含量0.4%；水溶盐含量2%；塑限17%19%；比重2.72.72。扰动后的主要物理力学指标为干容重15.0kN/m3;饱和容重19.0kN/m3；浮容重11.0kN/m3；渗透系数1×10-6cm/s。砂砾石渗透系数3×10-3cm/s；内摩擦角：=25°；比重2.72，不均匀系数=15。表1-2 不同砾石含量设计干容重参考值表大于5mm的含砾量P（%）102021303140415051606170设计干容重（kN/m3）17.0017.5018.5019.0019.5020.001.4 其它资料1.4.1 工程规模小浪底水利枢纽位于三门峡水利枢纽下游130公里、河南省洛阳市以北40公里的黄河干流上，下距郑州花园口128公里，工程以防洪（包括防凌）、减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电、蓄清排浑，除害兴利，枢纽是由拦河大坝及泄水排沙等建筑物组成。拦河大坝总长1667m，泄洪建筑物由泄洪底孔和溢洪道组成，溢洪道布置3孔闸门，闸门尺寸11.5×17.5m。工程总库容126.5亿m3，按水利部、能源部颁布的水利水电工程的分等分级指标，确定枢纽为等工程，主要建筑物为1级，次要建筑物为2级，临时建筑物为3级。洪水设计标准按千年一遇设计，万年校核。1.4.2 水文、水利计算及调洪演算成果经洪水调节计算，确定的水库特征水位及库容成果如下表所示：表1-3 水库水位与库容表序号项 目单位数值备 注1 死水位m230.02 汛限水位m252.03 正常蓄水位m275.04 设计洪水位m274.0P=0.1%5 校核洪水位m275.0P=0.01%6 下游最高水位m141.57防洪库容亿m340.5 8有效库容亿m351.09 初始库容亿m317.110 总库容亿m3126.511溢洪道泄流量m3/s3700P=0.01%根据水库防洪要求，遇千年一遇洪水，库水位274m，要求总泄流量不得小于13480m3/s；遇万年一遇洪水，库水位275m，要求总泄流量不得小于17000 m3/s，并应留有足够的余地。工程坝体部分设有9孔泄洪洞,泄流能力为13500 m3/s。二、 枢纽布置2.1 坝型选择图2-1 所选坝址纵剖面图所选的坝轴线处河床冲积层较深，两岸风化岩石透水性大，基岩的强度较底，且不完整。从地质条件看不宜建拱坝。支墩坝本身的应力较高，对地基的要求也很高，在这种地质条件下修建支墩坝也是不可能的。较高的混凝土重力坝也要求修建在岩石基础上，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。从当地的材料来看材料比较丰富，土石坝又有就地取材特点。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。2.2 枢纽建筑物及其布置2.2.1 枢纽组成建筑物（1）挡水建筑物：土石坝。（2）泄水建筑物：包括泄洪隧洞和溢洪道结合。2.2.2 枢纽总体布置（1）挡水建筑物土坝挡水建筑物按直线布置，坝布置在河弯地段上。（2）泄水建筑物溢洪道泄水建筑物采用溢洪道，溢洪道布置在坝体的左侧。枢纽总布置图见下图：图2-1 枢纽总平面布置图三、 剖面设计1233.1 坝顶高程根据SL 274-2001碾压式土石坝设计规范可得：1) 坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和。应按以下4种运行条件计算，取其最大值： 设计洪水位+正常运用条件的坝顶超高； 正常蓄水位+正常运用条件的坝顶超高； 校核洪水位+非常运用条件的坝顶超高； 正常蓄水位+非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全加高。当坝顶上游侧设有防浪墙时，坝顶超高是指水库静水位与防浪墙顶之间的高差，但在正常运营条件下，坝顶应高出静水位0.5m，在非正常条件下，坝顶应不得低于静水位。坝顶超高d按下式计算，对于特殊重要的工程，可取d大与此设计值。d=R+e+A式中R波浪在坝坡上的设计爬高值，m； e风浪引起的坝前水位壅高，m；A安全加高，m；根据坝的级别按照表3-1选用，其中非常运行条件（a）适用于山区、丘陵区，非常运行条件（b）适用于平原区、滨海区。2) 波浪的平均波高和平均波周期宜采用莆田试验站公式：hm=0.13th0.7gHmw20.7th0.0018gDw20.450.13th0.7gHmw20.7Tm=4.438hm0.5当HmLm0.5时，称为深水波，其波长与周期有关：Lm=gTm221.56Tm2当HmLm0.5时，称为浅水波，其波长与周期有关：Lm=gTm22th2HmLm以式中：hm-平均坡高，m； Hm-坝前水域平均水深，m； Tm-平均坡周期，s。3) 计算波浪的平均爬高Rm。当坡度系数m=1.55.0时，平均爬高Rm计算公式为:Rm=KKw1+m2hmLm式中K斜坡的糙率渗流系数，可查表3-2,；Kw经验系数，由计算风速v0（m/s）、水域平均水深Hm（m）和重力加速度g组成的无维量v0gHm按表3-3确定；m单坡的坡度系数，若单坡坡角为，则m=cot；hm、Lm-平均坡高和波长，m。计算设计爬高值R。不同累积频率的爬高RP和Rm的比，可根据爬高统计分布表3-4确定。设计爬高值按建筑物的级别而定，对于、级土石坝取累计频率P=1%的爬高值R1%，对于、级坝取P=5%的R5%。4) 风壅水面高度e=Kv02D2gHmcos式中：Hm坝前水域平均水深，m； K综合摩擦系数，其值变化在（1.55.0）×10-6之间，计算时一般取K=3.6×10-6； 风向与水域中线（或坝轴线的法线）的夹角，（°）； v0计算风速，m/s； D吹程， m。根据软件推算则： 根据正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高考虑地震的作用则其坝顶高程为=275+1.566+0.002+1+0.7=278.268m。取4种情况下最高为279.880m。坝高为279.880-130.000=149.880m。 根据规范考虑地基沉降为坝高的1%为1.499m。防浪墙加高1.2m。则坝高为149.880+1.499=151.379m。即为了便于施工取坝高为152m。3.2 坝顶宽度坝顶宽度根据构造、施工等因素确定，由SL 2742001碾压式土石坝设计规范规定高坝选用1015 m，中低坝可选用510 m，根据所给资料，初步拟定坝体断面，坝顶宽度为12m。3.3 坝坡坝坡坡率关系到坝体稳定及工程量的大小。根据坝型、坝高、坝的等级、坝体和坝基材料的性质、坝所承受以及施工和运用条件等因素，经技术经济比较确定。上下游边上下游边坡比见表坝高(m)上游下游101：21：2.51：1.51：210201：2.251：2.751：21：2.520301：2.51：31：2.251：2.75301：3.01：3.51：2.51：3根据已建成的实例可以取定坡率为：上游坡：1:3.5，1:3.5，1:3.5，1:3，1:3下游坡：1:2.5，1:2.5，1:2.5，1:3，1:3根据施工、交通需要，需在坝坡上设置马道。一般不小于1.5m。本设计取马道的宽度为2m。3.4 坝底宽度 推算大坝的最大底宽：972m。具体见图：四、 土料设计12344.1 土料设计筑坝土石料调查和土工试验应分别按照SL 251-2000水利水电工程天然建筑材料勘察规程 和SL 237-1999土工试验规程的有关规定，查明坝址附近各种天然土石料的性质、储量和分布，以及枢纽建筑物开挖料的性质和可利用的数量。土石坝的筑坝材料的主要特点是就地取材。根据坝址附近的土石料的种类及其工程性质，料场的分布、储量、开采及运输条件作为土石坝设计的重要依据。筑坝土石料选择应遵守下列原则：a) 具有或经加工处理后具有与其使用目的相适应的工程性质，并具有长期稳定性；b) 就地、就近取材、减少弃料、少占或不占农田、并优先考虑枢纽建筑物开挖料的利用；c) 便于开采、运输和压实。根据所给的资料：粘土扰动后的主要物理力学指标为干容重15.0kN/m3;饱和容重19.0kN/m3；浮容重11.0kN/m3；渗透系数1×10-6cm/s=0.000864 m/d；砂砾石渗透系数3×10-3cm/s=2.592 m/d，内摩擦角：=25°；比重2.72，不均匀系数=15。取重度为19.5kN/m3。4.2 填筑标准设计 填筑标准应根据以下因素综合研究确定：a) 坝的级别、高度、坝型和坝的不同部位；b) 土石料的压实特性和采用的压实机具；c) 坝料的填筑干密度和含水率与力学性质的关系，以及设计对土石料力学性质的要求；d) 土料的天然干密度，天然含水率，以及土料进行干燥或湿润处理的程度；e) 当地气候条件对施工的影响；f) 设计地震烈度及其他动荷载作用；g) 坝基土的强度和压缩性；h) 不同填筑标准对造价和施工难易程度的影响。粘性土的压实度应符合下列要求：1级、2级坝和高坝的压实度应为98%100%，3级中、低坝及3级以下的中坝压实度应为96%98%。砂砾石和砂的填筑标准应以相对密度为设计控制指标，并应符合下列要求：砂砾石的相对密度不应低于0.75，砂的相对密度不应低于0.70，反滤料宜为0.70。砂砾石中粗粒料含量小于50%时，应保证细料（小于5mm的颗粒）的相对密度也符合上述要求。五、 防渗排水设计123455.1 渗流计算（电算）根据理正渗流析可得:(一) 当上游为正常蓄水位时：-计算项目： 渗流问题有限元分析 2-计算简图分析类型: 稳定流坡面信息 左侧水位高: 145.000(m) 右侧水位高: 11.500(m) 左侧水位高2: -1000.000(m) 右侧水位高2: -1000.000(m) 坡面线段数 23 坡面线号 水平投影(m) 竖直投影(m) 1 20.000 0.000 2 112.000 32.000 3 2.000 0.000 4 105.000 30.000 5 2.000 0.000 6 105.000 30.000 7 2.000 0.000 8 90.000 30.000 9 2.000 0.000 10 90.000 30.000 11 12.000 0.000 12 75.000 -30.000 13 2.000 0.000 14 75.000 -30.000 15 2.000 0.000 16 75.000 -30.000 17 2.000 0.000 18 105.000 -30.000 19 2.000 0.000 20 68.250 -19.500 21 2.000 0.000 22 43.750 -12.500 23 18.000 0.000土层信息 坡面节点数 = 26 编号 X(m) Y(m) 0 0.000 0.000 -1 20.000 0.000 -2 132.000 32.000 -3 134.000 32.000 -4 239.000 62.000 -5 241.000 62.000 -6 346.000 92.000 -7 348.000 92.000 -8 438.000 122.000 -9 440.000 122.000 -10 530.000 152.000 -11 542.000 152.000 -12 617.000 122.000 -13 619.000 122.000 -14 694.000 92.000 -15 696.000 92.000 -16 771.000 62.000 -17 773.000 62.000 -18 878.000 32.000 -19 880.000 32.000 -20 948.250 12.500 -21 950.250 12.500 -22 994.000 0.000 -23 1012.000 0.000 -24 509.000 145.000 -25 953.749 11.500 附加节点数 = 15 编号 X(m) Y(m) 1 499.900 0.000 2 530.000 150.500 3 536.000 150.500 4 558.575 0.000 5 923.250 0.000 6 0.000 -74.000 7 528.737 -74.000 8 528.737 0.000 9 528.737 15.000 10 529.737 15.000 11 529.737 0.000 12 1012.000 -74.000 13 529.737 -74.000 14 528.737 -75.000 15 529.737 -75.000 不同土性区域数 = 6 区号 土类型 Kx Ky Alfa 节点编号 (m/d) (m/d) (度) 1 细砂 2.59200 2.59200 0.000 (-2,-1,1,2,3,4,5,-20,-19,-18,-17,-16,-15,-14,-13,-12,-11,-10,-9,-8,-7,-6,-5,-4,-3,) 2 细砂 2.53000 2.53000 0.000 (-1,0,6,7,8,1,) 3 粘土 0.00864 0.00864 0.000 (2,1,8,9,10,11,4,3,) 4 角砾 80.00000 80.00000 0.000 (-21,-20,5,-22,) 5 细砂 2.59200 2.59200 0.000 (12,-23,-22,5,4,11,13,) 6 细砂 0.00000 0.00000 0.000 (10,9,8,7,14,15,13,11,)面边界数据 面边界数 = 15 编号1, 边界类型: 已知水头 节点号: 0 - -1 节点水头高度 145.000 - 145.000 (m) 编号2, 边界类型: 已知水头 节点号: -1 - -2 节点水头高度 145.000 - 145.000 (m) 编号3, 边界类型: 已知水头 节点号: -2 - -3 节点水头高度 145.000 - 145.000 (m) 编号4, 边界类型: 已知水头 节点号: -3 - -4 节点水头高度 145.000 - 145.000 (m) 编号5, 边界类型: 已知水头 节点号: -4 - -5 节点水头高度 145.000 - 145.000 (m) 编号6, 边界类型: 已知水头 节点号: -5 - -6 节点水头高度 145.000 - 145.000 (m) 编号7, 边界类型: 已知水头 节点号: -6 - -7 节点水头高度 145.000 - 145.000 (m) 编号8, 边界类型: 已知水头 节点号: -7 - -8 节点水头高度 145.000 - 145.000 (m) 编号9, 边界类型: 已知水头 节点号: -8 - -9 节点水头高度 145.000 - 145.000 (m) 编号10, 边界类型: 已知水头 节点号: -9 - -24 节点水头高度 145.000 - 145.000 (m) 编号11, 边界类型: 可能的浸出点 节点号: -19 - -20 编号12, 边界类型: 可能的浸出点 节点号: -20 - -21 编号13, 边界类型: 可能的浸出点 节点号: -21 - -25 编号14, 边界类型: 已知水头 节点号: -25 - -22 节点水头高度 11.500 - 11.500 (m) 编号15, 边界类型: 已知水头 节点号: -22 - -23 节点水头高度 11.500 - 11.500 (m)计算参数 剖分长度 = 5.000(m) 收敛判断误差(两次计算的相对变化) = 1.000% 最大的迭代次数 = 30输出内容 计算流量: 流量计算截面的点数 = 2 编号 X(m) Y(m) 1 920.000 -100.000 2 920.000 50.000 画分析曲线: 分析曲线截面始点坐标: (0.000,0.000) 分析曲线截面终点坐标: (30.000,0.000)-计算结果:-渗流量 = 1.55107 m3/天 浸润线共分为：Y(m)929.842888.067853.881800.229754.156673.287584.578509.001X(m)11.61912.13712.48812.98113.38214.06314.839145.000(二) 当下游为设计洪水位时：-计算项目： 渗流问题有限元分析 1-计算简图分析类型: 稳定流坡面信息 左侧水位高: 144.000(m) 右侧水位高: 11.500(m) 左侧水位高2: -1000.000(m) 右侧水位高2: -1000.000(m) 坡面线段数 23 坡面线号 水平投影(m) 竖直投影(m) 1 20.000 0.000 2 112.000 32.000 3 2.000 0.000 4 105.000 30.000 5 2.000 0.000 6 105.000 30.000 7 2.000 0.000 8 90.000 30.000 9 2.000 0.000 10 90.000 30.000 11 12.000 0.000 12 75.000 -30.000 13 2.000 0.000 14 75.000 -30.000 15 2.000 0.000 16 75.000 -30.000 17 2.000 0.000 18 105.000 -30.000 19 2.000 0.000 20 68.250 -19.500 21 2.000 0.000 22 43.750 -12.500 23 18.000 0.000土层信息 坡面节点数 = 26 编号 X(m) Y(m) 0 0.000 0.000 -1 20.000 0.000 -2 132.000 32.000 -3 134.000 32.000 -4 239.000 62.000 -5 241.000 62.000 -6 346.000 92.000 -7 348.000 92.000 -8 438.000 122.000 -9 440.000 122.000 -10 530.000 152.000 -11 542.000 152.000 -12 617.000 122.000 -13 619.000 122.000 -14 694.000 92.000 -15 696.000 92.000 -16 771.000 62.000 -17 773.000 62.000 -18 878.000 32.000 -19 880.000 32.000 -20 948.250 12.500 -21 950.250 12.500 -22 994.000 0.000 -23 1012.000 0.000 -24 506.000 144.000 -25 953.749 11.500 附加节点数 = 15 编号 X(m) Y(m) 1 499.900 0.000 2 530.000 150.500 3 536.000 150.500 4 558.575 0.000 5 923.250 0.000 6 0.000 -74.000 7 528.737 -74.000 8 528.737 0.000 9 528.737 15.000 10 529.737 15.000 11 529.737 0.000 12 1012