土石坝毕业设计

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1、 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除文中已经注明引用的 期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保存并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或局部 2021 年 月 日导师签名： 2021 年 月 日 I 土石坝 初步设计 Abstract PingShan reservoir located at the middle reaches of the PingShan River

2、 which is 3 kilometers south-west of G county, the river is the main tributary of the Mu River. Its entire length is 28 kilometers and its basin covers 556 square kilometers, the controls drainage area over the dam is 431 square kilometers. Because PingShan River is a mountainous nature river, it us

3、ually causes damage to thecrops and villages by the flash floods after rained, in addition, when the rainfall is not regular, it will be easy to cause drought, so the relevant departments have provided a large amount of surveys for this region to exploit waterpower resources.After generally demonstr

4、ation,the project is proposed to use earth and rockfill dam as the water retaining structure, the shore spillway as the water release structure.This thesis is mainly to give a analysis and research to the concept and design requirements of earth and rockfill dam, and make a preliminary design for th

5、e water retaining structure and the water release structure.Key words: PingShan reservoir rockfill dam preliminary design II 目 录 前 言 1 1 根本资料及设计数据 31.1 根本资料 31.2设计数据 4 2 枢纽布置 72.1 枢纽的组成建筑物及等级 72.2各组成建筑物的选择 72.3 枢纽总体布置方案确实定 9 3 土石坝设计 103.1坝型选择 103.2土石坝根本剖面的拟定 113.3防渗体设计 133.4土石坝渗流及稳定分析计算 143.5顶部构造 23

6、3.6护坡设计 233.7坝顶、坝面排水设计 243.8 坝体排水设计 253.9反滤层和过渡层 263.10 地基处理及坝体与地基岸坡的连接 283.11裂缝处理 28 4 溢洪道设计 304.1 溢洪道路线选择和平面位置确实定 304.2 溢洪道根本数据 304.3 工程布置 304.4溢洪道地基处理 39 5设计成果说明 405.1土石坝 405.2溢洪道 40 参 考 文 献 41 致 谢 42III 前 言 根据教学要求，毕业设计对水利水电工程专业学生进行的最后一项教学环节。本次设计内容为TS水利枢纽挡、泄水建筑物的初步设计，具体设计以位于G县城西南3公里处的平山河中游的平山水库为蓝

7、本，平山河全长28公里，流域面积为556平方公里，坝址以上控制流域面积431平方公里。由于平山河为山区性河流，雨后山洪常给农作物和村镇造成灾害，另外，当雨量分布不均时，又易造成干旱现象，因此有关部门对本地区作了屡次勘测规划以开发这里的水利资源。经初步论证，该工程拟采用土石坝作为挡水建筑物，岸边溢洪道作为泄水建筑物。土石坝是指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压方法堆筑成的坝，是历史最为悠久的一种坝型，是世界坝工建设中应用最为广泛和开展最快的一种坝型，全世界所建的百米以上高坝中，土石坝所占的比重在呈逐年增长趋势，20世纪50年代以前为30%，60年代接近40%，70年代接近60%，至80年代

8、后增至70%以上。据不完全统计，我国兴建的各种类型的坝共有8.48万余座，其中95%以上为土石坝。由于土石坝工程施工简单、地质条件要求低、造价廉价，并可以就地取材且料源丰富，因此土石坝在我国的高坝中所占的比重也在逐年增加，目前已建成的的天生桥一级面板堆石坝，高178m，在建的瀑布沟砾石土心墙堆石坝，高186m，在建的水布垭面板堆石坝，高233m，在建的扎糯渡心墙堆石坝，高261.5m。目前，土石坝工程建设水平和技术不断提高和开展，特别是20世纪90年代以来，我国土石坝坝高开始向300m级高度研发和建设。目前世界最高的土石坝，同时也是世界最高的水坝是位于塔吉克斯坦共和国阿姆河支流瓦赫什河上的罗贡

9、坝，最大坝高335m，坝顶长660m，坝顶宽20m，底宽1500m，坝体体积7550万m3，库容133亿dm3，水电装机360万kw，工程主要任务是灌溉与发电。世界第二高坝是位于塔吉克斯坦境内瓦赫什河的布利桑京峡谷的努列克土质心墙土石坝。最大坝高300m，坝顶长704m，库容105亿m3，为季调节水库。随着石方填筑质量的提高，面板接缝以及面板与岸坡和坝基连接结构的改良， 钢筋混凝土斜墙结构的完善，现代混凝土面板堆石坝得到了大力推广。因为混凝土面板堆石坝不但具备了土石坝的根本特点，而且在采用同等施工技术条件下，该坝型的填方量和防渗结构的工程量最小，是所有土石坝中最经济的坝型，结构也较为合理，目前

10、成为当前土石坝开展的主要趋势。1 平山水库采用粘土心墙土石坝作为挡水建筑物，岸边溢洪道作为泄水建筑物，枢纽主要任务以灌溉发电为主，并结合防洪，航运，养鱼及供水等任务进行开发。根据初步规划，本工程灌溉面积为20万亩高程在102m以上，装机9万千瓦。防洪方面，由于水库调洪作用，使平山河下游不致洪水成灾，同时配合下游睦水水利枢纽，对睦水下游也能起到一定的防洪作用，在流域规划中规定本枢纽在通过设计洪水流量时，控制最大泄流流量不超过900 m3 /s。在航运方面，上游库区能增加航运里程20公里，下游可利用发电尾水等航运条件，使平山河下游四季都能筏运，并拟建竹木最大过坝能力为25吨的筏道。本设计历时五个月

11、，在此过程中参考近二十本相关图书，运用Geo-slope软件进行渗流计算和稳定计算，运用AutoCAD软件将设计结果图像化，更加直观明白的表现出设计成果，同时毕业设计辅导老师乔娟老师给予我相关指导和帮助，在此表示衷心的感谢。由于本人水平有限，设计不可能完全妥当，对设计中的疏误或不当之处，敬请指正。 2 1 根本资料及设计数据1.1 根本资料1.1.1概况平山水库位于G县城西南3公里处的平山河中游，该河系睦水的主要支流，全长28公里，流域面积为556平方公里，坝址以上控制流域面积431平方公里；沿河道有地势比拟平坦的小平原，地势比拟平坦的小平原，地势自南向东由高变低最低高程为62.5m左右，河床

12、比降3 ，河流发源于苏塘乡大源锭子，整个流域物产丰富，土地肥沃，下游盛产稻麦，上游蕴藏着丰富的木材，竹子等土特产。由于平山河为山区性河流，雨后山洪常给农作物和村镇造成灾害，另外，当雨量分布不均时，又易造成干旱现象，因此有关部门对本地区作了屡次勘测规划以开发这里的水利资源。1.1.2枢纽任务枢纽主要任务以灌溉发电为主，并结合防洪，航运，养鱼及供水等任务进行开发。 根据初步规划，本工程灌溉面积为20万亩高程在102m以上，装机9万千瓦防洪方面，由于水库调洪作用，使平山河下游不致洪水成灾，同时配合下游睦水水利枢纽，对睦水下游也能起到一定的防洪作用，在流域规划中规定本枢纽在通过设计洪水流量时，控制最大

13、泄流流量不超过900 m3 /s。在航运方面，上游库区能增加航运里程20公里，下游可利用发电尾水等航运条件，使平山河下游四季都能筏运，并拟建竹木最大过坝能力为25吨的筏道。1.1.3地形、地质概况地形情况：平山河流域多为丘陵山区，在平山枢纽上游均为大山区，河谷山势陡峭，河谷边坡一般为6070 ,地势高差都在80120m，河谷冲沟切割很深，山脉走向大约为东西方向，岩基出露很好，河床一般为100m左右，河道弯曲相当厉害，尤其枢纽布置处更为显著形成S形，沿河沙滩及坡积层发育，尤以坝址下游段的平山嘴下游一带及坝下陈家上游一带更为发育，其他地方那么很少，在坝轴下游300m处的两岸河谷呈马鞍形，其覆盖物较

14、厚，岩基产状凌乱。地质情况：靠上游有泥盆五通砂岩靠下游为二叠纪灰岩，几条坝轴线皆落在五通砂岩上面。地质构造特征有：在平山嘴以南，即石灰岩与砂岩分界处，发现一大断层，其走向近东西，倾向大致向北西，在第一坝轴线左肩的五通砂岩，特别破碎，在100多米范围内就有三，四出小断层，产状凌乱，坝区右岸破碎达60米的钻孔岩芯获得率仅为20%，可见岩石裂隙十分发育。岩石的渗水率都很小，右岸一般为0.0010.01，个别到达0.070.08，而左岸多为3 0.0010.01。坝区下游石灰岩中，发现两处溶洞，平山嘴大溶洞和大泉眼大溶洞，前者对大坝及库区均无影响，但后者朝南东方向延伸的话，那么可能通向库壁，待将来蓄水

15、后，库水有可能顺着溶洞漏到库外，为此，目前正在加紧地质勘探工作，以便得出明确的结论和提出处理意见。坝址覆盖层沿坝轴线厚度达1.55.0m，K=110-4 cm/s，浮容重=10.7kN/m3，内摩擦角=35。1.1.4水文，气象1水文：由于流域径流资料缺乏，设计年月径流量及洪水流量不能直接由实测径流分析得到，必须通过降雨径流间接推求根据省水文站由城站插补延长得三天雨量计算频率：1000年一遇雨量498.1mm，200年一遇雨量348.2mm，50年一遇雨量299.9mm，暴雨洪峰流量Q0.1%1860m3/s， Q0.5%=1550m3/s， Q1%=1480m3/s，多年平均来水量为4.55

16、亿m3。2)气象：多年平均风速15m/s，水库吹程D10Km，多年平均降雨量430mm/年，库区气候温和，年平均气温16.9 C，年最高气温40.5C，年最低气温-14.9 C，平均冻土深度1.3m。1.1.5其他1)坝顶无交通要求2)对外交通情况水路：由B城至溪口为南江段上水，自溪口至C城系睦水主流，为内河航运，全长256公里，可通行36吨木船，枯水季只能通行3吨以下船只，水运较为困难。公路：附近公路线为AF干道，B城至C城段全长365KM，晴雨畅通无阻，但C城至坝址尚无公路通行。铁路：D城为乐万铁路车站，由B城至D城180KM,至工地有53公里。3)地震：本地区为56度，设计时可不考虑。1

17、.2设计数据1.2.1水库规划资料1)正常蓄水位：112.6m；2)设计洪水位：114.3m；3)校核洪水位：116m；4)死水位：103.8 m发电极限工作深度8m；5)灌溉最低库水位：103.2m；4 6)总库容：2.00亿m3；7)水库有效库容：1.15亿m3；8)库容系数：0.575；9)本设计以校核洪水时指定的下泄流量为泄水建筑物设计依据，即通过校核洪水位流量时，溢洪道泄水量q=1000 m3/s，相应下游最高洪水位70m。通过设计洪水位流量时，相应下游最高洪水位68.5m。当上游水位降到死水位时，相应的下游水位是64.5m。1.2.2筑坝材料1土料：主要有粘土和壤土，可采用坝下1.

18、5-3.0km丘陵区与平原地带，储量多，质量尚佳，可作为筑坝材料，其性能见表1.1。2砂土：可从坝上下游0.5-3.5km河滩上开采，储量多，可供筑坝使用，其性能见表1.2。3石料：可在坝址下游附近开采，石质为石灰岩及砂岩，质地坚硬，储量丰富，其性能见表1.3。 5 表1.1 土料特性表表1.2 砂土特性表表1.3 石料特性表6 2 枢纽布置2.1 枢纽的组成建筑物及等级2.1.1 水库枢纽建筑物组成根据水库枢纽的任务，该枢纽组成建筑物包括：拦河大坝、溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空隧洞拟利用导流洞作放空洞、筏道。2.1.2工程规模根据?水利水电枢纽工程等级划分及设计标准?以及该工程的

19、一些指标确定工程规模如下：1各效益指标等别：根据枢纽灌溉面积为20万亩,在550万亩范围之间，属等工程；根据电站装机容量为9万kW，在530万kW之间，属等工程；根据总库容为2.00亿m3，在110亿m3，属等工程。2水库枢纽等别：根据标准规定，对具有综合利用效益的水电工程，各效益指标分属不同等别时，整个工程的等别应按其最高的等别确定，故本水库枢纽为等工程。3水工建筑物的级别：根据水工建筑物级别的划分标准，等工程的主要建筑物为2级水工建筑物，所以本枢纽中的拦河大坝、溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空隧洞为2级水工建筑物；次要建筑物筏道为3级水工建筑物。2.2各组成建筑物的选择2.2.1

20、挡水建筑物型式的选择挡水建筑物型式的选择关系到整个地形的工程量、投资的工期，除筑坝材料是坝型选择的主要因素外，还要根据地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理方案、抗震要求等各种因素进行研究比拟，最后选定技术上可靠、经济上合理的坝型工程中主要的挡水建筑物型式有重力坝、拱坝、土石坝，现对各种坝型进行比拟：1重力坝方案重力坝根本剖面呈三角形，在水压力及其他荷载作用下主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求，同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消水压力所引起的拉应力来满足强度要求。重力坝的优点：筑坝材料强度高，耐久性好，抵抗洪水漫顶，渗漏冲刷，地震破坏等的能力强；对地质、地形条件适应性强，一般建与基

21、岩上；重力坝可做成溢流的，也可在坝内设置泄水孔，枢纽布置紧凑；结构作用明确；施工方便。重力坝的缺点：由于坝体剖面尺寸往往由于稳定和坝体拉应力强度条件控制而做的较大，材料用量多，坝内压应力较低，材料强度不能充分发挥，且坝底面积大，7 因而扬压力也较大，对稳定不利；因坝体体积较大，施工期混凝土温度收缩应力也较大，为防止温度裂缝，施工时对混凝土温度控制的要求较高。2拱坝方案拱坝是固接于基岩的空间壳体结构，在平面上呈向上游的拱坝，其拱冠剖面呈竖直的或向上游凸出的曲面形。坝体结构既有拱作用又有梁作用，其承受的荷载一局部通过拱的作用压向两岸，另一局部通过竖直梁的作用传到坝底基岩。拱坝的优点：具有双向传力的

22、性能；拱是推力结构；拱坝具有较高的超载能力；拱坝轻韧，富有弹性而整体性好，借助岩基对地质功能的吸收，它又具有较强的抗震能力。拱坝的缺点：拱坝是不设永久性横缝的整体朝静定结构，设计时需计入温度变化和地基位移对坝体应力的影响；拱坝体形复杂；设计施工难度大，对施工质量、筑坝材料强度和防渗要求，以及对地形地质条件及地基要求均较高。3土石坝方案土石坝是指由当地土料石料或土石混合料填筑而成的坝。土石坝的优点：就地取材，与混凝土坝相比，节省大量水泥、钢材和木材，且减少了筑坝材料运输费用；对地质、地形条件要求较低，任何不良地基经处理后也可筑土石坝；施工方法灵活，技术简单，且管理方便，易于加高扩建。土石坝的缺点

23、：不允许坝顶溢流，一般需在河岸上另设泄水建筑物；在河谷狭窄，洪水流量大的河道上施工导流较混凝土坝困难；采用粘性土料施工受气候条件影响较大。本设计中，从枢纽布置处地形地质平面图及1#坝轴线地质剖面图上可以看出，坝址基岩为上部为五通砂岩，下面为石英砂岩和砂质页岩，覆盖层沿坝轴线厚1.55.0m，五通砂岩厚达3080m，假设建重力坝清基开挖量大，目前C城至坝址尚无铁路、公路通行，修建重力坝所需水泥、钢筋等材料运输不方便，且不能利用当地筑坝材料，故修建重力坝不经济。修建拱坝理想的地形条件是左右岸地形对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的河谷段，而且坝端下游侧要有足够的岩体支撑，以保证坝体的稳定。该

24、河道弯曲相当厉害，尤其枢纽布置处更为显著形成S形，1#坝址处没有雄厚的山脊作为坝肩，左岸陡峭，右岸相对平缓，峡谷不对称，成不对称的“U型，下游河床开阔，不适合拱坝的建设。土石坝对地形、地质条件要求低，几乎在所有的条件下都可以修建，且施工技术简单，可实行机械化施工，也能充分利用当地建筑材料，覆盖层也不必挖去，因此造价相对较低，所以采用土石坝方案是选定技术上可行，经济上合理的坝型。8 2.2.2 泄水建筑物型式的选择土石坝最适合采用岸边溢洪道进行泄洪，在坝轴线下游300m处的两岸河谷呈马鞍形，右岸有马鞍形垭口，采用正槽式溢洪道泄洪，泄水槽与堰上水流方向一致，水流平顺，泄洪能力大，结构简单，运行平安

25、可靠，适用于各种水头和流量。2.3枢纽总体布置方案确实定挡水建筑物：土石坝包括副坝在内按直线布置在河弯地段的1#坝址线上。 泄水建筑物：溢洪道布置在大坝右岸的天然垭口处。综合考虑各方面因素，最后确定枢纽布置直接绘制地形地质平面图，见附图。 9 3土石坝设计3.1坝型选择影响土石坝坝型选择的因素有：坝高；筑坝材料；坝址区的地形地质条件；施工导流、施工进度与分期、填筑强度、气象条件、施工场地、运输条件、初期度汛等施工条件；枢纽布置、坝基处理型式、坝体与泄水引水建筑物等的连接；枢纽的开发目标和运行条件；土石坝以及枢纽的总工程量、总工期和总造价。枢纽大坝采用当地材料筑坝，据初步勘察，土料可以采用坝轴线

26、下游1.53.5公里的丘陵区与平原地带的土料，且储量很多，一般质量尚佳，可作筑坝之用。砂料可在坝轴线下游13公里河滩范围内及平山河出口处两岸河滩开采。石料可以用采石场开采，采石场可用坝轴线下游左岸山沟较适宜，其石质为石灰岩、砂岩，质量良好，质地坚硬，岩石出露，覆盖浅，易开采。各种材料的特性见表1.11.3。从建筑材料上说，该枢纽坝型选择均质坝、多种土质分区坝、斜墙坝、心墙坝均可。1均质坝。坝体材料单一，施工工序简单，干扰少；坝体防渗局部厚大，渗透比降比拟小，有利于渗流稳定和减少通过坝体的渗流量，此外坝体和坝基、岸坡、及混凝土建筑物的接触渗径比拟长，可简化防渗处理。但是，由于土料抗剪强度比用在其

27、他坝型坝壳的石料、砂砾和砂等材料的抗剪强度小，故其上下游坝坡比其他坝型缓，填筑工程量比拟大。坝体施工受严寒及降雨影响，有效工日会减少，工期延长，故在寒冷及多雨地区的使用受限制。故不选择均质坝。2多种土质分区坝。该坝型虽然可以因地制宜，充分利用包括石渣在内的当地各种筑坝材料；土料用量较均质坝少，施工受气侯的影响也相对小一些，但是由于多种材料分区填筑，工序复杂，施工干扰大，故也不选用多种土质分区坝。3斜墙坝。斜墙坝与心墙坝，一般的优缺点无显著差异，粘心斜墙坝沙砾料填筑不受粘土填筑影响和牵制，沙砾料工作面大，施工方便。但到考虑坝址的地质条件，坝基有破碎带和覆盖层，截水槽开挖和断层处理要花费很多时间，

28、并且不易准确预计，故不应选择斜墙坝。4心墙坝。心墙位于坝体中间而不依靠在透明水壳上，其自重通过本身传到根底，不受坝壳沉降影响，依靠心墙填土自重，使得沿心墙与地基接触面产生较大的接触应力，有利于心墙和地基的结合，提高接触面的渗透稳定性，使其因坝主体的变形而产生裂缝的可能性小，粘土用量少，受气候影响相对小，粘土心墙施工受季节气候的影响也比其他坝型小得多。同时因为用作防渗体的土料在位于坝下游1.53.5公里的丘陵区与平原地带储量很多，一般质量尚佳，可作筑坝之用；用作透水料的砂土可10 从坝上下游0.33.5公里河滩上开采，储量多，可供筑坝使用，筑坝石料在坝址下游附近开采，且石质为石灰岩和砂岩，质地坚

29、硬，储量丰富，便于开采，这样便于分别从上下游上料，填筑透水坝壳，使施工方便，减少工程造价，争取工期。综合以上分析，最终选择粘土心墙坝。3.2土石坝根本剖面的拟定土石坝根本剖面包括上下游坝坡、坝顶宽度、坝顶高程等。3.2.1 上下游坝坡土石坝坝坡的大小取决于坝型、坝高、筑坝材料、荷载、坝基性质等因素，且直接影响到坝体的稳定和工程量大小。根据SL2742001?碾压式土石坝设计标准?规定：高度在30m以下的为低坝，高度在3070m之间的土石坝坝高为中坝，高度超过70m的为高坝。由于平山水库属于等工程，以防洪发电为主，校核洪水位为116m，水库最低高程为62.5m，坝高至少53.5m，预估为中高坝，

30、故本坝采用三级变坡。1上游坝坡坡率：从坝顶至坝踵依次为1：1.75；1：2.0；1：2.25。2下游坝坡坡率：从坝顶至坝趾依次为1：1.5；1：1.75；1：2.0。3马道：因土石坝高程相隔1030m之间设马道，故第一级马道高程为80.50m，第二级马道高程100.50m，马道宽度取2.0m。3.2.2 坝顶宽度坝顶宽度根据运行、施工、构造、交通和地震等方面的综合研究后确定。 本坝属于中坝，坝顶无交通要求，SL2742001?碾压式土石坝设计标准? 规定：中低坝的坝顶宽度可选5-10m。考虑到心墙顶宽必须超过3m，为便于心墙的施工，本设计坝顶宽度取B=8.0m。3.2.3 坝顶高程坝顶高程等于

31、水库静水位与坝顶超高之和，应按以下运用条件计算，取其最大值：1) 设计水位加正常运用条件下的坝顶超高;2) 正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高;3) 校核洪水位加非常运用条件下的坝顶超高；4) 正常蓄水位加非常运用条件下的坝顶超高加地震平安加高。注：本设计不考虑地震，因此不考虑第四工况。最后需预留一定的坝体沉降量，此处取坝高的1%。计算公式采用以下三式：Y=R+e+A (3.1)11 KV02De=cosb (3.2)2gHmR=0.45hlm-1n-0.6(3.3)式中：Y坝顶超高；R波浪在坝坡上的最大爬高，m；采用黄河水利水电出版社出版的?碾压式土石坝设计?推荐的计算波浪在坝坡上的爬高R

32、计算公式。式中：hl设计波高，hl=0.0166V0Dm；m上游坝坡平均坡率，取m=3；n坝坡护面糙率，上游拟采用浆砌石勾缝，取n=0.025。-1那么R=0hl=0.0166155/4101/3=1.056m，.451.05630.025-06.1.45=me最大风壅水面高度，即风壅水面超出原库水位高度的最大值，m；3.610-615210000e=0.01m29.850 Hm坝前水域平均水深，由于坝高不低于53.5m，粗略估计Hm为50m； K综合摩阻系数，其值由于变化在1.55.010-6之间，计算时一般取K=3.610-6；b风向与水域中线的夹角，本设计为0；V0计算风速，本设计为15

33、m/s； D水库吹程，本设计为10 Km；A平安加高，m，根据坝的等级和运用情况，其中非常运行条件a适用于山区、丘陵区，非常运用条件b适用于平原区、滨海区，按表3.1确定。表3.1 土石坝平安加高A 单位：m平山土石坝属于2级水工建筑物，平山河流域多为丘陵山区，在平山枢纽上游均为大山区，河谷山势陡峭，河谷边坡一般为600 700 ,地势高差都在80120m，河谷冲沟切割很深，平安加高分别取：正常运用情况下1.0m，非常运用情况下0.5m。12 计算成果见表3.2。表3.2 坝顶高程计算结果 单位：m其中：1设计水位加正常运用条件下的坝顶超高；2正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高；3校核洪水位

34、加非常运用条件下的坝顶超高。 设计的坝顶高程是针对坝沉降稳定以后的情况而言的，因此，竣工时的坝顶高程应留预留足够的沉降量。根据以往工程经验，土质防渗体区分坝预留沉降量一般为坝高的1%，那么计算坝顶高程为117.8m，坝基开挖高程最低位61.5m清基深度1m，坝高那么为56.3m，那么实际坝高为56.9m。综合以上考虑，初步设定坝顶高程取为：118.40m。3.3防渗体设计外乡石坝的防渗体为粘土心墙，做成上下游面对称。3.3.1防渗体尺寸1心墙顶宽防渗体顶部的水平宽度考虑机械化施工的要求，不应小于3.0m。本心墙顶宽设计为4米。2心墙底宽SL2742001?碾压土石坝设计标准?规定：心墙的允许坡

35、降Ja不宜大于4。本心墙允许坡降Ja设计为4，考虑清基深度1m，上下游最大作用水头差H=116-61.5=54.5m下游无水工况，故防渗体墙厚TH/Ja=54.5/4=13.625m。考虑到坝体平安，并参考相关类似工程经验，本坝心墙底宽设计为24m。 3防渗体超高防渗体顶部在正常蓄水位或设计洪水位以上的超高，在正常运行条件下，心墙应为0.30.6m；在非常运行情况下，均不应低于该工况下的静水位，并应计算风浪爬高的影响，以防风浪形成的壅水通过防渗体顶部渗向下游。当防渗体顶部设有稳定、巩固、不透水且与防渗体紧密结合的防浪墙时，可将防渗体顶部高程放宽至正常运用静13 水位以上即可。本坝防渗体将于防浪

36、墙紧密结合，故防渗体高程设计为116m。3.3.2防渗体保护层心墙顶部应设保护层，防止冰冻和干裂。保护层可采用砂、砂砾或碎石，其厚度不小于该地区的冻深或枯燥深度，粘土心墙不小于1m，此处取1.2m。坝顶路面混凝土厚0.4m，中部碎石厚0.4m，下部砾石厚0.4m。3.3.3坝顶路面高程确定因粘土心墙高程为116m，心墙保护层为1.2m，故坝顶路面高程为117.2m。 复核坝高:防浪墙高1.2m，故坝顶路面高程与防浪墙的总高程是118.4m，与3.2.3所计算的坝顶高程无误。3.4土石坝渗流及稳定分析计算3.4.1计算条件根据?防洪标准?(GB50201-94)和?水利水电工程等级划分及洪水标准

37、?(SL252-2000)， 平山水库枢纽工程等别为III等，主要建筑物为2级建筑物。根据?水库大坝平安评价导那么?(SL258-2000)的要求，本次复核采用的防洪标准为50年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核。设计洪水位为114.3m，校核洪水为116m，正常蓄水为112.6m ，死水位为103.2m 。根据?碾压式土石坝设计标准?(SL274-2001)并结合水库的运行情况，计算工况取：(1)正常工况1)设计洪水位114.3m下形成稳定渗流时上、下游坝坡稳定计算工况； 2)设计洪水位114.3m骤降至死水位103.2m时上游坝坡稳定计算工况。 (2)非常工况1)校核洪水位116m下形成

38、稳定渗流时上、下游坝坡稳定计算工况； 2)校核洪水位116m骤降至死水位103.2m时上游坝坡稳定计算工况。3.4.2计算参数的选取计算参数见下表3.3。表3.3 水库大坝稳定分析计算参数表14 3.4.3计算方法3.4.3.1渗流根本理论土是一种三相组成的多孔介质，其孔隙在空间上相通。在饱和土中，水充满整个孔隙，当土中不同位置存在水位差时，土中水就会在水位能量作用下，从水位高即能量高的位置向水位低即能量低的位置流动。那么液体如土中水从物质微孔如土体孔隙中透过的现象称为渗透，流体在孔隙介质中的流动即为渗流。由于渗流骨架的岩土性质与其中流体的性质较为复杂，所以常用平均概念和综合性的参数代表其渗流

39、性质。1)渗流根本定律达西定律最早，法国工程师达西H.Darcy在垂直圆管中装砂进行渗透试验，试验结果证明，渗透量 Q 除与断面面积 A 直接成正比外，正比于水头损失hw，反比于渗径长度 L，引入决定土粒结构和流体性质的一个常数 k，那么hwQAL 3.4 或Q=kAhw=kJA 3.5 L式中：k为反映土的透水性质的比例系数，称为渗透系数。达西渗透定律为：v=Q=kJ 3.6 A上式说明在均质孔隙介质中渗流流速与水力梯度的一次方成比例并与土的性质有关。但是，达西渗透定律仅在一定范围 3.7单位时间内流出这个微小单元体的渗水量为dq0，那么15dq0=(vx+vxvdx)dz1+(vz+zdz

40、)dx1 3.8 xz假定水体不可压缩，那么根据水流连续原理，单位时间 3.9由上得到：二维渗流连续方程vxvz+=0 3.10 xz3)二维渗流的根本微分方程假设液体和固体骨架都不可压缩，于是，可得到不可压缩介质中的渗流根本微分方程，也称为稳定渗流微分方程：根据达西渗透定律，对于各向异性土：vx=kxJx=kxvz=kzJz=kzhx 3.11 hz 3.12式中：kxkz表示x和z方向的渗透系数；h测管水头。由上述可得：在二维平面渗流的情况下，均匀各向异性土体的渗流根本微分方程为:2h2hkx2+kz2=0 3.13 xz对于各向同性的均质土，kx=kz，那么可得到：著名的拉普拉斯方程，也

41、是平面稳定渗流的根本微分方程：2h2h+=0 3.14 x2z24)渗流有限元分析的根本方法有限(单)元法是数值计算方法中应用最广的一种。有限单元法以剖别离散和分块插值为指导思想。其根本方法是将连续的求解区域离散化为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元组合体，利用每一个单元内假设的近似函数来分片地表达整个求解域上待求的未知场函数。由于单元能按不同的连接方式进行组合，且单元本身又可以有多种形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。单元内的近似函数通常16 由未知场函数或其导数在单元各个节点的数值和其插值函数来表达。这样一来，未知场函数或其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量，从而使一个

42、连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，进而得到整个求解域上场函数的近似值。显然随着单元数目的增加，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改良，只要单元满足收敛要求，近似解最后将收敛于精确解。有限元法虽然类似于有限差分法，但其实施方法不同。有限差分法是直接从微分方程入手，以离散格式逐步近似逼近方程中的导数。有限元法的实施那么相反，按照变分原理求泛函积分找其函数值，即把微分方程及其边界条件转变为一个泛函求极值的问题。有限元法是一种分块近似兹(Ritz)法的应用，即首先把连续体或研究区域离散划分为

43、有限个、且按一定方式相互连接一起的单元的组合体，再以连续的分片插值函数建立一个个的单元方程后，依靠各节点把单元与单元连接起来，集合为整体，形成代数方程组进行求解。有限单元法在模拟曲线边界和向异性渗透介质方面比有限差分法具有较大的灵活性。3.4.3.2稳定根本理论稳定分析是确定大坝剖面和平安的主要依据，稳定分析的可靠性对大坝的经济性平安性具有较为重要的影响。作为稳定分析根底的土强度与破坏理论，应用广泛的是摩尔库仑理论。在工程上采用的土坡稳定分析方法，主要是建立在极限平衡理论根底上，假设到达极限平衡状态时，土体将沿某一滑裂面产生剪切破坏而失稳，滑裂面上各点，土体均处于极限平衡状态，满足摩尔库仑强度

44、条件。随着时间的推进，对土石坝稳定分析的逐渐深入，研究理论逐渐成熟，1)瑞典圆弧法计算原理Fenenius根据在瑞典岸边发生的圆弧滑动破坏，提出了瑞典条分法的边坡稳定分析方法是条分法中最简单的方法。除了假定滑裂面是个圆柱面外，还假定不考虑土条两侧的作用力，平安系数定义为每一土条在滑裂面上所提供的抗滑力矩之和与外荷载及滑动土体在滑裂面上所产生的滑动力矩和之比。由十不考虑条间力的作用，严格地说，对每一土条力的平衡条件是不满足的，对土条本身的力矩平衡也不满足，仅能满足整个滑动土体的整体力矩平衡条件。由此产生的误差，一般使求出的平安系数偏低17 10%20%，这种误差随着滑裂面圆心角和孔隙压力的增大而

45、增大。尽管这种根据大胆假设得出的简便方法有缺点，可是该方法简单明了，容易计算。瑞典法的推导通常采用总应力法。但同样可用有效应力法(考虑孔隙水压力)计算并按定义的平安系来推导公式。为了考虑条间力的作用，可假定每一土条两侧作用力的合力方向均和该土条底面平行，因此在进行土条底部法线方向力的平衡时，可以不予考虑。平安系数计算公式：(WV)cosa-ubseca-Qsinatanj+cbsecaK= (3.15) (WV)sina+Mc/R式中：W土条重量；Q、V分别表示水平和垂直地震惯性力向上为正，向下为负；u作用土条底面的孔隙压力；a条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b土条宽度；c、j

46、土条底面的有效应力抗剪强度指标；Mc水平地震惯性力对圆心的力矩；R圆弧半径。该方法计算简单，通过长时间运用，积累了较丰富的经验，根本能保证工程上的平安；但是，该方法没有考虑土条间的作用力。(2)简化的毕肖Bishop法计算原理毕肖普采用的静定化条件是假定土条间垂直方向的作用力相等。考虑了条间力的作用，并按照各土条对圆心的力矩和为零的平安系数来定义，在1955年提出了一个平安系数计算公式毕肖普简化法使用圆弧滑裂面。对多余未知力的假定，该法假定土条两侧切向作用力均为0，也就假定条间力的合力是水平的。平安系数计算公式为：(WV)seca-ubsecatanj+cbseca1/(1+tanatanj/

47、K)K= (3.16) (WV)sina+Mc/R式中：W土条重量；Q、V分别表示水平和垂直地震惯性力向上为正，向下为负；u作用土条底面的孔隙压力；a条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；18 b土条宽度；c、j土条底面的有效应力抗剪强度指标；Mc水平地震惯性力对圆心的力矩；R圆弧半径。简化毕肖普法一般都能得出较为准确的答案，但是在某些情况下有可能出现数值上的问题。故常将毕肖普法和圆弧瑞典法的计算相比拟，假设出现毕肖普发的计算值小于圆弧瑞典法的计算值时，表现数值上有问题，此时要改变滑动面，毕肖普法的一个局限性是只适用圆弧滑动面。(3)滑楔法计算原理无粘性土的坝坡，如心墙坝的上下游坝坡

48、、斜墙坝的下游坝坡、斜墙的上游保护层、保护层连同斜墙和坝基中有软弱夹层的滑动等常形成折线的滑动面。这时，可假设滑动面为假设干个楔形体组成，采用滑楔法计算稳定平安系数。滑楔法只满足力的平衡条件，但是不满足力矩平衡条件，计算结果的准确性不够,而且平安系数对所假定的块间作用力的变化比拟敏感。假设选择不当，那么误差较大，有时还会出现数值计算上的问题，难以收敛。(4)力矩平衡法计算原理以极限平衡原理理论为根底的稳定分析方法，属于超静定问题，未知量的数目超过可能建立的方程数。对于具有任意形状的滑动面，根据总体力矩平衡以及滑动体水平和竖向力的平衡，分别找出如下的平安系数表达式：cibisecai+(Ni-u

49、ibisecai)tanjiRiKcm= 3.17 (Wa-Nf)iiiiKcfcb+(Ncosa-ub)tanj= 3.18 Nsinaiiiiiiiii3.4.3.2选择分析方法坝坡抗滑稳定计算应采用刚体极限平衡法。对于均质坝、厚斜墙坝和厚心墙坝，宜采用计及条块间作用力的简化毕肖普法；对于有软弱夹层、薄斜墙、薄心墙坝的坝坡稳定分析及任何坝型，可采用满足力和力矩平衡的摩根斯顿普赖斯等分析。平山水库水库由于是薄心墙坝，故可采用满足力和力矩平衡的摩根斯顿普赖斯分析。3.4.4 GEO-SLOPE软件计算图3.4.4.1渗流分析计算图校核洪水位116m下形成渗流计算工况图,见图3.1。19 图3.

50、1 校核洪水位116m下浸润线、等势线、单宽流量图设计洪水位114.3m下形成渗流计算工况图,见图3.2。 图3.2 设计洪水位114.3m下浸润线、等势线、单宽流量图3.4.4.2稳定分析计算图1) 校核洪水位116m下形成稳定渗流时上、下游坝坡稳定计算工况,见图3.3。 a20 b图3.3ab 校核洪水位116m下形成上下游稳定渗流分析2) 设计洪水位114.3m下形成稳定渗流时上、下游坝坡稳定计算工况,见图3.4。 a b图3.4ab 设计洪水位114.3m下形成上下游稳定渗流分析21 3) 校核洪水位116m骤降至死水位64.5m时上游坝坡稳定计算工况，图3.5。 图3.5 校核洪水位

51、116m骤降至死水位64.5m下形成稳定渗流分析4) 设计洪水位114.3m骤降至死水位64.5m时上游坝坡稳定计算工况，图3.6。 图3.6 设计洪水位114.3m骤降至死水位64.5m时上游坝坡稳定渗流分析 3.4.5 结论3.4.5.1渗流分析成果经计算大坝渗流计算成果见表3.5。表3.5 大坝渗流计算成果表注：下游坝坡石料容许比降=Gs11n=(3.11) 10.41=1.2422 3.4.5.2土石坝渗流分析结论经过计算分析可知，在各种工况工作情况下，平山水库的渗流情况符合标准 的要求，下游坝坡的渗透比降均在标准的要求之稳定分析成果表3.4.5.4土石坝稳定分析结论经过验算复核，在校

52、核、设计以及正常蓄水位的工况时，平安系数均大于所规定的范围，设计符合要求。在四种工况下，边坡的滑坡型式为圆弧滑裂面。3.5顶部构造本坝坝顶上游侧采用C25水泥浆砌块石防浪墙，墙顶高于坝顶1.2m，墙宽0.5m。防浪墙应巩固且不透水，墙底应和坝体防渗体紧密连接，插入防渗体保护层和防渗体2m。坝顶下游侧设路肩石,高0.3m,宽0.5m。墙身每隔15m布置一道设有止水的沉陷逢，墙顶设有高2.8m的灯柱。3.6护坡设计3.6.1上游护坡土石坝上游坡面要经受波浪淘刷、冰层和漂浮物的撞击等危害作用。上游护坡的常用型式为干砌石、浆砌石或堆石。考虑坝址附件石料丰富，故采取浆砌石做上游护坡，护坡范围从坝顶延伸至坝脚，厚度为0.6m，下部设厚度设碎石垫层，垫层厚度与材料粒径有关，一般碎石用0.3m0.6m,故本设计采用0.4m。如图3-7所示。23 3.6.2下游护坡土石坝下游坝面为防雨水冲刷和人为破坏，一般采用简化型式的护坡。护坡的覆盖范围应延伸至坝址，但排水棱体不需防护。通常采用干砌石、碎石或砾石护坡。考虑坝址附件石料丰富，故下游设厚度为0.4m的