水工建筑物土石坝课程设计报告书

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1、 . 水工建筑物课程设计 课题名称： 土 石 坝 设 计 专业班级： 水 工(本科) 13-3 姓 名： 袁 明 炜 编写日期： 2016年7月1日 水利与环境学院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，确定坝顶高程与泄洪建筑物尺寸；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、轮廓尺寸与水利枢纽布置方案；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；

2、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、铁路以与旅游景点的威胁；可为发展养殖创造有利条件。目录第1章 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建筑材料与筑坝材料技术指标的选定43当地建筑材料62 枢纽布置82.1 坝轴线选择82.2 工程等级与建筑物级别92.3 枢纽布置102.3.1 导流泄洪洞112.3.2 溢洪道112.3.3灌溉发电洞与枢纽电站113.1 坝型确定12第3章坝工设计1

3、43.1 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4章 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194.2 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5章 土石坝坝坡稳定分析与计算305.1 坝体荷载305.1.1渗流力305.1.2孔隙压力305.1.

4、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6章 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4241 / 47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，在总干渠渠首与下游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

5、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、灌溉发电洞与枢纽电站组成。1.2水文与水利规划1气象流域年平均降雨量686.1mm，70%集中在69月，多年年平均气温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 水利计算防洪运用原则与设计洪水的确定。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

6、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，两岸居民与耕地分散，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

7、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

8、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

9、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。岩基未发现大围的夹层，基岩的透水性不大。河床中段与近右岸地段，沿113-111- 115-104-114各钻孔连线方向，在岩面下2147m深度围，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

10、高程以下为基岩，以上为三级阶地。土层的物理力学性质见“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一样，左岸坝脚靠近塌滑体。1.4建筑材料与筑坝材料技术指标的选定库区与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

11、粉质粘土，60.7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，扣除漂石与围堰淹没部分，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)的相对紧密度为0.

12、895。(3) 石料。坝址区石料较多，运距均在1km以，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 土料的强度特性试验方法统计方法抗剪强度指标(o)C(kN.cm-2)饱和固结快剪(25组)算术平均23.272.80算术小值平均20.961.93快剪(82组)算术平均21.542.93算术小值平均21.302.93快剪(18组)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算术小值平均23.803.56快剪(8组)算术平均28.804.51算术小值平均25.752.93算术平均29.0

13、04.51算术小值平均28.702.93三轴不排水剪(10组)算术平均20.002.88算术小值平均25.201.30三轴不排水剪(6组)算术平均13.302.80算术小值平均25.200.80三轴饱和固结不排水剪(6组)算术平均18.204.20算术小值平均22.303.50野外自然坡度角(29组)算术平均35.70算术小值平均31.20室剪切试验算术平均31.10算术小值平均29.10算术平均31.00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1200二101.0重要33.306.6713.334

14、.0103.33重要1200300三1.00.1中等6.672.04.01.03.330.33中等30050四0.10.01一般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0.21，故满足防渗要求。2.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1、上游正常蓄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767.2，下游相应高水位取为700.5

15、5m。基础采用防渗处理，视为基础不透水。（1）计算示意图（2）心墙后的浸润线方程=h=6.97m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（2）心墙后的浸润线方程计算公式：=h=7.05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

16、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（2）心墙后的浸润线方程计算公式：=h=9.67m简化得： y2 +0.28x=93.5x/m060120180y/m9.578.767.746.574.2.6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.

17、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)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)

18、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(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

19、.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=1.255.4.2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： 水利水电工程边坡设计规 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

20、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

21、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 = 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

22、稳定计算2.4381.15本设计的安全系数大于校核安全系数，故本设计安全稳定。第6章 细部构造6.1 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:=1.0181.49.8/(21.

23、08-9.8)(1+32)1/2/3(3+2)2.67=0.700 m碎石块计算重量:=0.52523.080.70003 =4.156 KN碎石护坡厚度=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，纵横向排水沟与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。由于水力坡降往往很

24、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)d85 得：反

25、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。砂跞石土料级配图 反滤层设计成果汇总表 层 数类 型 第一层 第二层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；降低坝体浸润线与孔隙压力，改变渗流

26、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，保证坝体与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。设置坝体排水设施，可以将渗入坝体的水有计划的排出坝外，以达到降低坝体浸润线与孔隙水压力，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

27、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波浪爬高的要求。(3)褥垫排水。它是伸展到坝体的一种排水设施，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

28、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。按规棱体顶面高程高出下游最高水位1m为原则，堆石棱体坡取1:1.5，外坡取1:2.0，顶宽2.0m。取棱体排水体高8m。结论：排水设备选择为棱体排水，坡坡率1:1.5，外坡坡率1:2.0，顶宽2.0m，高8m。反滤层布置6.5 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。