张宇水工建筑物设计计算说明书

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1、 .水工建筑物课程设计土石坝设计指导书 专业：水利水电工程 ： 宇 学号：7 班级：水电123班 指导老师:红宣日期:2016年1月15号21 / 25前言一、目的通过课程设计，使学生能综合运用工程制图、工程地质、水力学、土力学等课程知识，进一步掌握水工建筑物课程中“土石坝”的总体布置、土料设计、剖面拟定、渗流与坝坡稳定计算等容。二、设计要求和设计步骤1、 考虑泄洪和输水要求进行总体枢纽布置，其建筑物包括土石坝、溢洪道、输水隧洞等。2、 综合分析比较确定土石坝坝型。3、 根据提供的料场资料，确定防渗料与堆石料填筑标准。防渗粘土料按压实度98%控制，堆石料按孔隙率20%28%控制。4、 利用已给

2、的水库特征水位，考虑风浪与安全加高因素，按正常运行和非常运行情况中的最大值确定坝顶或防浪墙顶高程。地震作用引起的沉降和涌浪综合考虑可取2.0m。5、 按使用要求与工程经验确定坝顶宽度、上下游坝坡坡比，初步拟定大坝剖面尺寸。6、 选择最大横剖面进行渗流计算，确定单宽渗流量并绘制浸润线，同时进行渗透稳定性校核。这部分可只进行正常蓄水位稳定渗流计算。7、 以渗流计算剖面和相应工况为基准，进行下游坝坡稳定校核。计算采用计与条块间作用力的简化毕肖普法，抗剪强度指标教材中有关表格选用。注意：为计算简便，堆石料强度指标不需按非线性强度包线修正；下游可按无水情况考虑。8、 进行细部构造设计：坝顶、护坡、反滤过

3、渡层。9、 坝基防渗处理，帷幕灌浆深度与灌浆孔距、排距确定。10、由于设计时间有限，初拟尺寸无论合适与否，均不需再做调整。但要对结果加以评述（论证）。摘要通过课程设计，使学生能综合运用工程制图、工程地质、水力学、土力学等课程知识，进一步掌握水工建筑物课程中“土石坝”的总体布置、土料设计、剖面拟定、渗流与坝坡稳定计算等容。考虑泄洪和输水要求进行总体枢纽布置，其建筑物包括土石坝、溢洪道、输水隧洞等。综合分析比较确定土石坝坝型。根据提供的料场资料，确定防渗料与堆石料填筑标准。利用已给的水库特征水位，考虑风浪与安全加高因素，按正常运行和非常运行情况中的最大值确定坝顶或防浪墙顶高程。地震作用引起的沉降和

4、涌浪综合考虑可取2.0m。按使用要求与工程经验确定坝顶宽度、上下游坝坡坡比，初步拟定大坝剖面尺寸。选择最大横剖面进行渗流计算，确定单宽渗流量并绘制浸润线，同时进行渗透稳定性校核。以渗流计算剖面和相应工况为基准，进行下游坝坡稳定校核。进行细部构造设计：坝顶、护坡、反滤过渡层。最终确定的土石坝为高坝，下游坝坡设马道，采用四级变坡，溢洪道采用正槽溢洪道，堰面曲线采用WES曲线。 关键词：土石坝、浸润线、反滤层、坝坡稳定目录一、设计基本资料 （2）二、枢纽布置 （6） 三、土石坝设计 （8）1、坝型选择 （8）2、大坝轮廓尺寸拟定 （8）3、防渗体设计 （11） 4、渗流分析计算 （11）5、反滤层设

5、置 （13）6、坝坡稳定计算 （14）7、细部构造设计 （18） 四、输水隧洞设计 （19） 五、地基处理与两岸的连接 （20） 六、心得体会 （21） 七、参考文献 （22）第一章 设计基本资料1.1基本资料1.1.1工程概况XX水库位于省某县西北部，弥沙河上游白石江上段老君山河上，其位于横断山脉的中段，金沙江与澜沧江的分水岭地带。流域最高点高程4247m，坝址处为最低点2660m。老君山河发源于老君山路路角，自北向南流经竹坪、锯木厂，锯木厂以下转向西南流经清坪后于龙塘与美水河汇合后为白石江。全流域面积80.6Km2，主河长18.70Km，主河道平均坡降5.22%。水库区地势北部、东部与南部

6、高，西部低，为高山深切割陡坡地形，侵蚀堆积地貌，库区为峡谷地形，两岸坡高而陡，库形条件一般。主要出露三叠系上统古村组（T3w）与印支一燕山期火成岩地层。库区水文地质条件简单，厚层至块状花岩斑岩、石英粉岩赋存裂隙水，属裂隙透水含水岩组，透水性强，主要为中等透水。库区两岸地下水位出露较高，属地下水补给水库。库区植被较好，库岸无大的坍塌、滑坡、泥石流等不良物理地质现象。但两岸山坡陡斜，冲箐沟发育，岩石风化较强，小型坍塌现象较多。XX水库总库容1200万m3，总供水量1253.4万m3，农业供水870.8万m3，灌溉面积3.7640万亩，工业与乡镇供水382.6万m3。依据水利水电工程等级划分与洪水标

7、准（SL252-2000），工程为中型水库，工程等级为等，主要水工建筑物：大坝、溢洪道、输水渠道、输水隧洞级别为3级，施工导流等临时性建筑物级别为4级。1.1.2枢纽任务防洪、灌溉、工业与乡镇供水。1.1.3地形地质资料地形如坝址区地形图1.2 设计数据1.2.1 设计参数表项目指标枢纽任务灌溉、防洪工程等级正常蓄水位(m)2748.00设计洪水位(m)2750.10校核洪水位(m)2752.60设计下泄洪水流量(m3/s)95校核下泄洪水流量(m3/s)140水库最大吹程(km)5.0设计风速(m/s)17组长幼林1.2.2 筑坝材料(1) 防渗料场防渗料场位于坝址上游左岸箐口坡脚一带，地形

8、坡度1020，相对平缓，老君山公路从其附近通过，距坝址约2km，开采与运输条件便利，该区主要出露地层为三叠系中统上兰组下段浅黄、浅灰白色全强风化泥质粉砂岩夹粉、细砂岩夹泥质粉砂岩，防渗土料为第四系全新统残坡积(Qel+dl)褐红、褐黄色含砂砾石粘土，主要为中、高液限粘土，厚度一般约36m，有用层储量为120万m3，无用剥离量为12万m3，经取样试验，主要物理指标：比重为2.76，粘粒含量为1749.97%，多数在40%以下，有效粒径0.001mm，含有少量砾石，大于5mm粒径含量24.46%，大于2mm粒径含量38.93%，不均匀系数平均137.5，土料颗分包络曲线见下图1，土料塑性指数Ip为

9、10.121.8，大部分在20以，自由膨率16.88%，最优含水量平均为24.83%，天然含水量平均为23.3%，二者较为接近，最大干容重平均为1.58g/cm3，渗透系数K为2.1710-76.3310-5cm/s；主要力学指标为：土料的压缩系数a1-2=0.247MPa-1，属中压缩性土，摩擦角小值均值为20.26，粘聚力小值均值为22.82KPa。(2) 堆石料场堆石料位于坝址上游右岸，堆石料主要为印支燕山期(r5)暗紫色弱微风化细粒花岗斑岩、三叠系上统歪古村组(T3Wb)灰白色弱微风化石英闪长玢岩，坚硬、块度好，力学强度高，有用层厚度约110m，有用层储量865.7万m3，无用剥离量4

10、4.2万m3，料场坡脚河道左岸为老君山公路，交通较为便利，距坝址1.2km。经取4组大样试验，主要物理力学指标为：天然密度2.03 g/cm3，比重2.66，含泥量3%，控制干密度2.01g/cm3，孔隙率24.4%，渗透系数K平均为5.0610-2cm/s，压缩系数a0.10.20.011MPa-1，=40，C=0。颗分级配包络曲线如图2。图1 粘土料颗分级配包络曲线图图2 堆石料颗分级配包络曲线图(3) 反滤过渡料场工程区与附近缺天然反滤过渡料，反滤过渡料场位于白石江支流马登河下游河段流经马登镇处，在剑兰公路以西，距坝址21.5km，交通方便，反滤过渡料为河道冲洪积砂卵砾、砂石层，其母岩岩

11、性主要为紫红色、灰白色石英砂岩，粉、细砂岩与少量深灰色砂质板岩与灰岩，无针、片状颗粒与软弱成分，含泥量较低，为2.2%，级配良好，经取2组样试验，各项指标均能满足要求，储量丰富，总储量约90万m3。该料场质量较好，储量丰富，开采运输条件好，交通方便，只是运距较远，单价偏高，但反滤过渡料通过对采用坝址区附近青灰色灰岩机制与采用马登河天然砂砾料进行单价比较，采用马登河天然砂砾料较为经济，因此，选择马登河天然砂砾料场为反滤料料场，按工程要求筛分选用。第二章 枢纽布置2.1 工程等别与建筑物级别2.1.1水利枢纽建筑物组成根据水库枢纽任务，该枢纽组成建筑物包括：拦河大坝、溢洪道、输水隧洞、施工导流等临

12、时性建筑物。2.1.2 工程规模依据水利水电工程等级划分与洪水标准（SL252-2000），因为库容为1200万m3工程为中型水库，工程等级为等，主要水工建筑物：大坝、溢洪道、输水道、输水隧洞级别为3级，又因为坝高大于70m，所以将等级提高一级，即，永久水工建筑物级别为2级；施工导流等临时性建筑物级别为4级。2.2 各组成建筑物的选择2.2.1 挡水建筑物 （1）土石坝对地形地质条件要求偏低，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。（2）大容量、多功能、高效率施工。（3）由于岩土力学理论、实验手段和计算技术的

13、发展，提高了分析计算的水平，进一步保障了大坝设计的安全可靠性。（4）高边坡、地下工程结构、高速水流消能防冲等土石坝配套工程设计和施工技术的综合发展。所以采用土石坝拦河（但应该注意防渗问题）。2.2.2 泄水建筑物土石坝最适合采用岸边溢洪道进行泄洪，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，运行安全可靠，适用于各种水头和流量。河流下游向右转，在坝轴线下游下游500m处山谷，有阶状台地，然而上游左岸200m处也有较宽垭口，岸边山坡也较缓，采用正槽溢洪道，溢流堰可沿岸边等高线布置，溢流前沿长而泄槽较窄，开挖放量小，下游能使泄洪水很快回归河槽。引水渠末端设置圆形渐变段，泄槽不设收缩、弯

14、曲段和扩散段，尾水渠设护袒。成直线布置在右岸的天然垭口。2.2.2.1 堰面形式采用WES型堰面形状，孔口宽度为10m, 中闸墩（取2.0m），边墩（取3.0m）, 进水渠与控制堰之间为渐变段，采用弧线连接。2.2.2.2引水渠引水渠的作用是将水流平顺的引至溢流堰前。为提高泄洪能力，渠流速v=H/J=88.6/4=22.15m。心墙底宽为22.15+22.15+3=47.8m22.0m，满足要求。3.3.2坝基的防渗体河床中部采用帷幕灌浆。3.3.3 截水槽的设定截水槽应采用与坝体防渗体一样的土料填筑，其压实度不应小于坝体同类土料，底宽应根据回填土料的允许渗透比降、与土料与基岩接触面抗渗流冲刷

15、的允许渗透比降和施工条件确定。截水槽可挖至坝基以下深处3m左右，高程约为2657m，填壤土。截水槽横断面拟定：边坡采用1：1.0；底宽，渗径不小于（1/31/5）H，其中H为最大作用水头（下游无水时为92.60m）。（1/31/5）87.60=（30.8718.52）m。为了施工方便，H底宽跟粘土心墙底宽取成一样，取48.0m，满足要求。由于边坡取成1:1。所以截水槽顶部的宽度为:48.0+10+10=68.0m.3.4 渗流分析计算3.4.1基本假定心墙采用防渗料场的粘土料，渗流系数K为2.1710-76.3310-4cm/s,坝壳料采用堆石料场的沙土料，渗透系数K平均为5.0610-2cm

16、/s，二者相差10-3倍，可把粘土心墙看作相对不透水层，计算时不考虑上游锲形降落水头的作用。土料中渗流流速不大，且处于层流状态，渗流服从达西定律平均流速V=Ki；发生渗流时土体空隙体积不变，饱和度不变，渗流为连续的。对河槽处最大断面进行渗流计算。计算情况为不透水地基、无排水设备和下游无水的情况。3.4.2计算条件控制条件取最不利情况：上游设计洪水位，下游相应最低水位；上游校核洪水位，下游相应最低水位；对上游坝坡最不利的库水降落后的落差。计算工况：正常蓄水位2748.00m。3.4.3渗流分析方法我们采用水力学方法进行土石坝渗流计算，近似的确定浸润线的位置，计算渗流流量、平均流速和坡降。3.4.

17、4单宽流量和浸润线的计算心墙段的渗流量为 （为心墙的渗透系数）下游坝壳段的渗流量为 （为坝壳的渗透系数）联立上述两式，可解得h和q：下游坝壳的浸润线方程是：心墙处的浸润线方程是： 我们取心墙顶高程为2748+0.6=2748.6m（0.6m为防渗透超高）、顶宽3m、坡比为1：0.25；上下游最大作用水头2748.6-2660=88.6m，容许渗透坡降J=4,故墙厚TH/J=88.6/4=22.15m，心墙底宽3+222.15=47.3m22m,满足要求。心墙的渗透系数，坝壳料的渗透系数为。带入数据，。计算得；浸润线方程为：下游坝壳的浸润线为： ( )心墙的浸润线为： （）下游坝壳的浸润线为：X

18、YXYXY06.60705.141403.04 106.41 804.891502.60206.22904.64 1602.08 306.021004.361701.37405.811104.07176.10.62 505.601203.76605.37130 3.42正常蓄水位情况心墙处浸润线:XYXY088.00 1458.79 284.45 1653.32 480.74 1847.23 676.85 2040.23 872.76 2231.71 1068.42 2419.83 1263.79 25.156.40 3.4.5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

19、砾或碎石，其厚度不小于该地区的冻深或干燥深度，此处取0.80m，上部碎石厚50cm；下部砾石厚30cm，具体见坝顶部构造.3.5反滤层设置心墙的渗透计算：因为，所以基本上满足要求，况且下游河道不可能无水深，即下游水位大于10m，故不会发生渗透变形。为了使心墙不发生渗透破坏，需要设置反滤层。反滤层的颗粒级配要求：为了满足滤土要求：查粘土料颗粒级配曲线（图1）得5mm粒径有75%，1.3,因此可得下游坝坡稳定满足要求，但偏于保守。因时间有限，不做调整。3.7细部构造设计3.7.1护坡设计上游护坡：采用目前最常用的浆砌石护坡。护坡围从坝顶一直到坝脚，厚度为40cm，下部设厚度均匀为30cm的碎石和粗

20、砂垫层。下游护坡：下游设厚度为40cm的碎石护坡，护坡下面设厚度为40cm的粗沙垫层。3.7.2顶部设计坝顶宽度：13m防浪墙：采用C15水泥浆砌石防浪墙，高1.4m,墙身每隔15m布置一道设有止水的沉陷缝，墙顶设有高2.5m的灯柱。坝顶铺盖:铺盖沥青柏油路面。3.7.3马道和坝顶，坝面排水设计马道：第一级马道高程为2685m，第二级马道高程为2705m，第三级马道高程为2725m。马道宽度2.0m。坝顶：坝顶上游一侧设防浪墙，为了便于排水，把顶做成自上游倾向下游的坡，坡度3%，将坝面水排到下游坝面排水沟。坝面排水：下游坝坡设纵向和横向的排水沟，纵向排水沟设在各级马道侧。沿坝轴线每隔200m设

21、置1横向排水沟，横向排水沟自坝顶直至棱体排水处的排水沟，再排至坝址排水沟。纵横排水沟互相连通，横向排水沟之间的纵向排水沟从中间向两侧倾斜，坡度0.2%，以便将雨水排向横向排水沟。坝体与岸坡连接处设计排水沟，排除岸坡下流水。排水沟宽度与深度取3030c，采用浆砌石块。3.8地基处理与坝体与岸坡连接3.8.1地基处理河槽处，强风化层与弱风化层中上部均以中等透水性为主，地基开挖至强风化层下限。由于坝基渗漏与两坝肩的绕坝渗漏均较严重，作多排孔帷幕灌浆处理，防渗帷幕沿坝轴线布设，帷幕防渗标准为q=3Lu。因相对隔水层埋藏较深，帷幕防渗底界按一倍坝高考虑。两岸延伸度自正常蓄水位与岸坡交点向两岸各延长50m

22、。灌浆孔距取为2m，排距取为0.7倍的孔距（1.4m），灌浆孔采用梅花型布置，灌浆所能得到的帷幕厚度在3m左右。3.8.2坝体与岸坡的连接坝肩结合围的所有腐殖土层、树根、草根、均需彻底清除。左岸坡上修建混凝土齿墙，岸坡教陡，开挖时基本与基岩大致平行。第四章 输水隧洞设计4.1 线路选择与进口建筑物改隧道主要作灌溉、饮水与放空之用，故设置该隧道为无压隧道，由于进口岸的岸坡地质条件较差，覆盖层较厚，因而采用塔式进水口，塔顶设置操作平台。4.2 洞身断面尺寸与衬砌根据以往的工程经验，本无压隧道采用圆型断面。洞底高程为2695m，洞直径为3.00m. 施工导流洞与水库放空洞,均采用无压输水。为了保证水

23、工隧洞安全有效的运行，通常需要对隧道进行衬砌，通过比较设置成单层衬砌，由钢筋混凝土做成，根据工程经验，钢筋混凝土的厚度，一般约为洞径的8-12，且不小于25cm，取10时，为30cm，所以最终取30cm。为适应施工能力，防止混凝土干缩和温度应力产生裂缝，沿洞轴线方向设置永久横向伸缩缝分缝间距为10.0m，缝间设止水。而且在洞顶部进行回填灌浆，充填围岩和衬砌之间的空隙，使之紧密结合，共同工作，改善传力条件和减少灌浆。在隧道进口、岩体破碎带、反弧段岩体还要进行锚筋加固。第五章 地基处理与两岸的连接5.1 土石坝地基处理的目的：（1）渗流控制：减少渗透坡降和渗流量，防止渗漏变形，降低坝坡浸润线，减少

24、下游的浸没；（2）稳定控制：使坝坡具有足够的强度，防止坝体连故坝基的失稳破坏；（3）变形控制：要求沉降量控制在容许围，特别要防止不均匀沉降，以免坝体开裂。5.2 地基处理根据坝基情况，从坝轴线工程地质剖面图上可知坝基处理措施如下：（1）将坝基上的松散覆盖层和全风化基岩全部清除，开挖清理至花岗斑岩层。（2）由于坝基渗漏与两坝肩的绕坝渗漏均较严重，作多排孔帷幕灌浆处理，防渗帷幕沿坝轴线布设，帷幕防渗标准为q=5Lu。因相对隔水层埋藏较深，防渗帷幕壳根据防渗要求确定，帷幕防渗底界按0.3至0.7倍坝高考虑。两岸延伸度自正常蓄水位与岸坡交点向两岸各延长50m。（3）灌浆孔距取为2m，排距取为1倍的孔距

25、（2m），灌浆孔采用梅花型布置，灌浆所能得到的帷幕厚度在3m左右。（4）本次设计垂直防渗还采用粘性土截水槽，截水槽底部与不透水层的接触面是防渗的薄弱环节，为防止发生集中渗流，在槽底部与基岩结合面上，防渗帷幕从截水槽开始。5.3 土石坝与岸坡的连接坝体与岸坡的连接。坝肩结合围的所有腐殖土层、树根、草根、均需彻底清除，坝与岸坡的连接，不仅需要防止发生集中渗流，而且还要注意岸坡与坝高的变化，避免由于结合面的坡质和形式选用不当，引起坝体不均匀沉降和裂缝，为此岸坡应清理成缓变的斜坡面，本设计中岩石地质条件不好，左岸岩体较陡，需进行削坡处理。第六章 心得体会此次课程设计是在我们学习了水工建筑物课程后，为了

26、使我们能够达到学以致用，更好的领会课程的要求而安排的一个重要课程设计，是培养我们综合素质和工程实践能力的一个教学过程。刚开始做是从周四开始做的，从周五到周日我每天都和同学一起去电力工程学院的励志书社424室做设计，经过三天的计算以与画图，我算到了边坡稳定那里，毕肖普法一直没做出来，然后第十八周的周一，老师说坝底肯定不是2660米，意味着我之前的设计都错了，如果改的话需要重头开始，浸润线那些也需要重新算，因为我表哥要结婚，我需要提前回去，所以我决定不改了，所以就照着我坝底选的2660米算，所以这次的课程设计做得不是很好，但设计一座粘土心墙土石坝的思路我大概知道了，首先，通过四种计算方法，算出最大

27、坝高为95米，初步拟定剖面尺寸，上游坝坡坡率为1:2，下游坝坡率从上到下依次为1:1.5,1:1.8；1:1.20；1:2.5，设三级马道，经过后续的计算，显然拟定的尺寸有的过缓，这会给工程带来不必要的浪费与损失，所以下次设计时应该拟定更合理的尺寸，让工程更经济安全可靠，在坝坡的稳定校核中，采用的是毕肖普法，但因为时间有限，所以算的滑弧不是最小的滑弧，下次设计时应该多取一些滑弧，找到最危险滑弧，算出最小的安全系数，保证工程的绝对安全，经过这一次的课程设计，我相信下次做可以做得更加心应手一些。在此次课程设计中，计算量和绘图量都比较复杂。特别是在计算过程中，很多地方都比较容易出错，用Excel工作

28、表计算和CAD绘图可以大大减少这方面的难度，使其变得相对比较容易些。这次的课程设计检验了我所学习的知识，在设计过程中，与同学们相互探讨，相互学习。巩固与扩充了水工建筑物等课程所学的容，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。参考文献1 中华人民国水利部. 碾压式土石坝设计规SL274-2001. ：中国 水利水电，2002.2 中华人民国建设部. 土工试验方法标准GB/T50123-1999. ：中国计划，1999.3 顾慰慈. 土石（堤）坝的设计与计算. ：，2006.4 华东水利学院. 水工设计手册第四卷土石坝. ：水利电力，1984.5中华人民国水利部. 水利水电工程等级划分与洪水标准SL252-2000. ：中国水利水电，2000.附图一：枢纽布置平面图（A1)附图二：大坝纵、横剖面图（A1）：包括帷幕灌浆深度、大坝标准横剖面、坝顶与护坡大样图。