土石坝设计计算书

- 1 -1 调洪演算有正常蓄水位为 2821.6m,由水位库容关系曲线查得对应库容为 3.8×10 m ,83故工程等级为二等大（2）型，坝高小于 90 米，故主要建筑物级别为 2 级，次要建筑物级别为 3 级，临时建筑物级别为 4 级。1.1 确定洪水标准 该工程为土石坝二等大（2）型，故永久建筑物洪水标准：正常运用（设计）洪水重现期 100 年(洪峰流量为 1680m /s)；非常运用（校核）洪水重现期 20003年(洪峰流量为 2320m /s)；消能防冲建筑物洪水重现期为 50 年一遇；电站厂房3洪水标准：正常运用（设计）洪水重现期为 100 年，非常运用（校核）为 500 年；临时渡汛为 200 年一遇（大于 100 年） 。1.2 泄洪方案选择采用隧洞泄洪方案水库运用方式：洪水来临时用闸门控制下泄流量等于来流量，水库保持汛前限制水位不变，当来流量继续加大，则闸门全开，下泄流量随水位的升高而加大，流态为自由泄流。调洪演算原理 采用以峰控制的同倍比放大法对典型洪水进行放大，得出设计与校核洪水过程线如下： 流量×6h设 计 洪 水 过 程 线- 2 -流量×6h校 核 洪 水 过 程 线拟定几组不同的堰顶高程及孔口宽度B 的方案。由堰顶自由泄流公式和 3 台机组的BHgmQ2/30泻满发流量 44.1 m /s 可确定设计洪水和校核洪水情况下的起调流量起，由起开始，假定四条泄洪过程线（为简便计算，假设都为直线） ，在洪水过程线上查出 Q 泄，并求出相应的蓄水库容V，根据库容水位关系曲线可得相应的库水位 H，由四组（Q 泄，H）绘制的QH 曲线与由 绘制2/3gm的 QH 曲线相交，所得交点即为所对应洪水过程线下的下泄流量及相应水位。方案一： 堰顶高程=2810m，堰宽 B=7m，起调流量 Q570.75m /s。3设计情况下列表计算如下：假定下泄流量Q（m /s）3下泄曲线与洪水过程线包围面积A水库拦蓄洪水V(10 m )63水库总库容V(10 m )63水库水位(m)- 3 -A: 564.72 20.83 31.87 430.85 2823.13B: 635.31 19.4 29.68 428.66 2823.02C: 705.9 18.00 27.54 426.52 2822.92D: 776.47 16.7 25.55 424.53 2822.76校核情况下列表计算如下：假定下泄流量Q（m /s）3下泄曲线与洪水过程线包围面积A水库拦蓄洪水V(10 m )63水库总库容V(10 m )63水库水位(m)A: 585 28.081 58.97 432.794 2823.7B: 682.5 26.304 54.67 429.668 2823.54C: 780 24.05 50.5 426.65 2823.384D: 877.5 22.169 46.56 423.783 2823.24绘制泄水能力曲线如下图所示：2810,7,泄 水 能 力 曲 线400500600700800900100010 12 14 16 18堰 上 水 头下泄流量 过 水 能 力 曲 线设 计校 核由上图易知，设计下泄流量为 669.1 m /s，设计水位为 2823.2m;校核下泄流量3为 710.1 m /s，校核水位为 2823.6m.3- 4 -方案二：堰顶高程=2808m, 堰宽 B=7m，起调流量 Q712.79 m /s。3设计情况下列表计算如下：假定下泄流量Q（m /s）3下泄曲线与洪水过程线包围面积A水库拦蓄洪水V(10 m )63水库总库容V(10 m )63水库水位(m)A: 634.5 16. 838 25.67 415.653 2822.822B: 705 15.753 23.98 413.999 2822.738C: 775.5 14.661 22.31 412.334 2822.652D: 846 13.595 20.69 410.708 2822.57校核情况下列表计算如下：假定下泄流量Q（m /s）3下泄曲线与洪水过程线包围面积A水库拦蓄洪水V(10 m )63水库总库容V(10 m )63水库水位(m)A: 682.5 23.569 49.49 425.916 2823.346B: 780 21.957 46.11 423.458 2823.22C: 877.5 20.3815 42.8 421.055 2823.098D: 975 18.854 39.59 418.727 2822.98绘制泄水能力曲线如下图所示：- 5 -2808,7泄 水 能 力 曲 线4005006007008009001000110010 11 12 13 14 15 16 17堰 上 水 头下泄流量 过 水 能 力 曲 线设 计校 核由上图易知，设计下泄流量为 799.1 m /s，设计水位为 2822.7m；校核下泄流量为 842.1 m /s，水位为 2823.2m。3方案三：堰顶高程=2807.5m，堰宽 B=7m，起调流量 Q750 m /s。3设计情况下列表计算如下：假定下泄流量Q（m /s）3下泄曲线与洪水过程线包围面积A水库拦蓄洪水V(10 m )63水库总库容V(10 m )63水库水位(m)A: 705 15.169 23.09 413.108 2822.692B: 775.5 14.143 21.53 411.544 2822.612C: 846 13.128 19.98 409.996 2822.534D: 916.5 12.129 18.13 408.473 2822.46校核情况下列表计算如下：假定下泄流量Q（m /s）3下泄曲线与洪水过程线包围面积A水库拦蓄洪水V(10 m )63水库总库容V(10 m )63水库水位(m)A: 780 22.936 48.14 424.935 2823.3B: 877.5 19.9 41.79 420.322 2823.06C: 975 18.433 38.71 418.085 2822.95D: 1072.5 17.033 35.77 415.95 2822. 46- 6 -绘制泄水能力曲线如下图所示：2808,7泄 水 能 力 曲 线4005006007008009001000110010 11 12 13 14 15 16 17堰 上 水 头下泄流量 过 水 能 力 曲 线设 计校 核由上图易知，设计下泄流量为 819.1 m /s，设计水位为 2822.6m；校核下泄3流量为 875 m /s，校核水位为 2823.1m。 3从调洪演算结果来看，初拟的三组方案均能满足校核下泄流量 Q900 m3/s,校核水位与正常蓄水位之差 Z3.5m 的要求。为充分发挥隧洞的下泄能力，在本设计中我们考虑隧洞的下泄流量接近于上限值，以降低工程造价。综上所述，最终确定堰顶高程=2807.5m，堰宽 B=7m。2 大坝高程的计算坝顶高程由水库静水位加风浪壅高、坝面波浪爬高及安全超高等决定。坝顶超出静水位以上的超高由公式 Y = R + e + A 计算。R：坝顶在水库静水位以上的超高，m。R= 。mLhK21m：单坡的坡度系数，该式适用于 m1.55.0 的情况，本次设计中 m2.5。， ：斜坡的糙率渗透系数和经验系数。该坝上游拟用砌石护坡， 故糙率渗透系数 为 0.750.80，本次设计取为 0.78；经验系数 与 有关，本K KgHW次设计中 1，故经验系数取为 1.0。gHW- 7 -， ：平均波长和波高。mLh对于内陆峡谷水库，在风速 W20m/s、吹程 D2000m 时，波浪的平均波长和波高可采用官厅公式：31212 )(076.WgDWgh75.31215.223.Lm式中，D：风区长度，m H ：坝前水深，mW ：同上，计算风速, m/s。在正常运用条件（正常蓄水位或设计洪水位）下，采用相应洪水期多年平均最大风速的 1.52.0 倍（本次设计取为 1.5） ，在非常运用条件（校核洪水位）下，采用相应洪水期多年平均最大风速。e：最大风浪壅高，m。可由公式 e0.0036 计算。式中 为计算gHDW2cos风向与坝轴线的夹角，本次设计取为 22.5°，其余符号同前。A：安全加高，由坝的等级和运用情况决定。2 级坝在正常运用情况下的安全加高为 1.0m，在非常运用情况下安全加高为 0.5m。坝顶高程的计算应同时考虑以下四种情况：1、设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高；2、正常蓄水位加正常运用情况的坝顶超高；3、校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高；4、正常蓄水位加非常运用条件下的坝顶超高再加地震区安全加高（地震超高一般取为 0.51.5m，本次设计取为 1.0m） 。本次设计坝顶需设置防浪墙，故以上四种情况下的最大值为沉降稳定后的防浪墙顶高程，拟定防浪墙高为 1.5m，故以上情况求得的最大值减去 1.5m 后即为坝顶设计高程。坝顶高程计算成果见下表所示。坝顶高程计算成果表计算情况计算项目设计洪水位+正常运用情正常蓄水位+正常运用情况校核洪水为+非正常运用情正常蓄水位+地震+非正常运用情况- 8 -况 况上游静水位(m) 2822.6 2821.6 2823.1 2821.6河底高程(m) 2750坝前水深(m) 72.6 71.6 73.1 71.6吹程 D(Km) 15风向与坝轴线夹角(°) 22.5风浪引起坝前壅高 e(m) 0.011349 0.011507 0.005009 0.005114护坡粗糙系数 0.78上游坝面坡角(°) 21.8波浪沿坝坡爬高(m) 2.322025 2.322025 1.471051 1.471051安全超高(m) 1 1 0.5 0.5地震超高(m) 0 0 0 1.0坝顶高程(m) 2824.433 2823.434 2823.576 2823.076注：以上表格中坝顶高程为减去防浪墙高度 1.5m 以后的高程。根据上表中结果可知：坝顶高程由设计情况来控制，坝顶高程为 2824.50m。为满足心墙设计中顶部高程的要求（见防渗体设计部分） ，最后确定坝顶高程为2824.5m。3 土料设计在当地有多种适于筑坝的土石料石，应进行技术经济比较后选用。在选择时应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；就地、就近取材，减少弃料，少占或不占农田，优先考虑枢纽建筑物开挖料的利用；便于开挖、运输和压实。3.1 粘土土料设计粘性土料的填筑密度以压实干容重为设计指标，并按压实度确定：/ dPmax式中： 填土的压实度；设计填筑干容重；一般为 1617KN/m 。d 3- 9 -标准击实试验最大干容重。maxd对、级坝和各种等级的高坝 应不低于 0.981；对、级坝（高坝P除外）应不低于 0.960.98。本次设计采用 0.99。施工填筑含水率控制为最优含水率的2%+3%范围内。各料场的压实干容重和施工填筑含水率列表计算如下：料场比重Gs最大干密度(g/cm3)最大干容重(KN/m3)设计干容重(KN/m3)流限（%）塑限（%）塑性指数填筑含水量（%）天然含水量（%）渗透系数(10 -6cm/s)有机含量(%)可溶盐含量(%)1#下 2.67 1.60 15.70 15.54 42.60 23.14 19.46 20.0725.07 24.80 4.32 1.73 0.07 2#下 2.67 1.65 16.19 16.02 43.90 22.20 21.70 19.0224.02 24.20 4.80 1.90 0.02 1#上 2.65 1.56 15.30 15.15 49.57 25.00 24.57 20.3025.30 25.60 1.90 2.20 0.11 2#上 2.74 1.54 15.11 14.96 49.90 26.30 23.50 21.8025.80 26.30 3.96 0.25 0.11 3#下 2.70 1.80 17.66 17.48 34.00 20.00 14.00 14.9019.90 15.90 3.00 1.90 0.08 防渗土料选用粘土时，按规范应满足：渗透系数：均质坝不大于 1×10 cm/s，心墙和斜墙不大于 1×10 cm/s。水溶盐含量（指易溶盐和中溶盐，按质量计）不大于 3%。有机质含量（按质量计） ，均质坝不大于 5%，心墙和斜墙不大于 2%，超过此规定的需进行论证。有较好的塑性和渗透稳定性。浸水与失水时体积变化小。塑性指数大于 20 和液限大于 40%的冲积粘土不宜作为坝体的防渗体填筑材料。施工填筑含水率控制为最优含水率的2%+3%范围内。综上，防渗体土料料场选为 3#下，1#下为备用料场。- 10 -3.2 砂砾石土料设计坝壳砂砾料填筑的设计指标以相对密实度表示如下：)/()(minaxmaxeeDr式中： 相对密实度；最大孔隙比；ax最小孔隙比；mine填筑的砂、砂卵石或地基原状砂、砂卵石的设计孔隙比。施工控制指标用干重度 表示，其中 。ddminaxi)1(drdrD式中： 、 为沙砾料的最大、最小干重度，其余符号同前。maxdind在地震情况下，浸润线以上坝壳料要求填筑相对密实度 Dr 不低于 0.7，浸润线以下坝壳料要求填筑相对密实度 Dr 不低于 0.750.85，故本次设计中相对密实度取为 0.78。同时应优先选用不均匀和连续级配的砂石料，一般认为不均匀系数 /60d30100 时较易压实，而当 510 时不易压实。30d各料场累积频率计算及级配曲线绘制如下所示： 累积频率计算表1 上 2 上 3 上 4 上粒径（mm）累积频率(%)粒径(mm)累积频率(%)粒径(mm)累积频率(%)粒径(mm)累积频率(%)0.15 0.3 0.15 0.5 0.15 0.4 0.15 0.3 0.3 4.9 0.3 5.8 0.3 6.6 0.3 2.8 0.6 10.3 0.6 10.4 0.6 10.1 0.6 7.6 1.2 24.2 1.2 25.2 1.2 30.6 1.2 24.3 2.5 42.7 2.5 43.0 2.5 47.0 2.5 39.9 20 55.0 20 57.1 20 62.3 20 56.3 - 11 -60 76.3 60 77.4 60 80.8 60 75.7 100 94.8 100 95.2 100 96.2 100 94.0 300 100.0 300 100.0 300 100.0 300 100.0 1 下 2 下 3 下 4 下粒径(mm)累积频率(%)粒径(mm)累积频率（%）粒径（mm）累积频率(%)粒径(mm)累积频率(%)0.15 0.2 0.15 0.1 0.15 0.9 0.15 0.70.3 7.4 0.3 2.9 0.3 5.0 0.3 4.30.6 16.0 0.6 8.6 0.6 11.3 0.6 8.41.2 23.2 1.2 16.9 1.2 20.2 1.2 22.82.5 38.1 2.5 35.9 2.5 38.6 2.5 40.720 61.3 20 54.6 20 52.8 20 54.860 81.4 60 76.9 60 71.9 60 73.5100 95.5 100 96.1 100 95 100 95.9300 100.0 300 100 300 100 300 100各料场级配曲线：1#上 砂 砾 石 级 配 曲 线01020304050607080901000.11101001000粒 径 （ mm）小于某粒径的土粒含量（%）- 12 -2#上 砂 砾 石 级 配 曲 线01020304050607080901000.11101001000 粒 径 （ mm）小于某粒径的土粒含量（%）3#上 砂 砾 石 级 配 曲 线01020304050607080901000.11101001000 粒 径 （ mm）小于某粒径的土粒含量（%）4#上 砂 砾 石 级 配 曲 线01020304050607080901000.11101001000 粒 径 （ mm）小于某粒径的土粒含量（%）- 13 -1#下 砂 砾 石 级 配 曲 线01020304050607080901000.11101001000 粒 径 （ mm）小于某粒径的土粒含量（%）2#下 砂 砾 石 级 配 曲 线01020304050607080901000.11101001000 粒 径 （ mm）小于某粒径的土粒含量（%）3#下 砂 砾 石 级 配 曲 线0204060801000.11101001000 粒 径 （ mm）小于某粒径的土粒含量（%）- 14 -4#下 砂 砾 石 级 配 曲 线01020304050607080901000.11101001000 粒 径 （ mm）小于某粒径的土粒含量（%）各料场砂砾石填筑标准计算如下：料场比重Gs d60 emax d10不均匀系数 emin设计孔隙比 e设计干重度天然e1 上 2.75 30 0.786 0.59 50.85 0.370 0.461 18.46 0.4812 上 2.74 24 0.786 0.58 41.38 0.370 0.461 18.39 0.5313 上 2.76 18 0.786 0.6 30.00 0.370 0.461 18.53 0.4494 上 2.75 27 0.786 0.7 38.57 0.370 0.461 18.46 0.4601 下 2.75 19 0.786 0.36 52.78 0.370 0.461 18.46 0.4812 下 2.73 29 0.786 0.7 41.43 0.370 0.461 18.33 0.4753 下 2.73 33 0.786 0.53 62.26 0.370 0.461 18.33 0.4814 下 2.72 30 0.786 0.69 43.48 0.370 0.461 18.26 0.511由各料场的级配曲线和不均匀系数可将主要砂砾石料场选为 1#下，2#下和 4#上作为备用料场。4 渗流计算土石坝渗流分析的目的是：确定坝体浸润线和下游逸出点位置，绘制坝体及地基内的等势线或流网图；计算坝体和坝基渗流量，以便估算水库的渗漏损失和确定坝体排水设备的尺寸；确定坝坡出逸段和下游地基表面的出逸比降，以及不同土层之间的渗透比降，以判断该处的渗透稳定性；确定库水位降落时上游坝壳- 15 -内自由水面的位置，估算孔隙压力，供上游坝坡稳定分析用；确定坝肩的等势线、渗流量和渗透比降。进行渗流计算时，应考虑水库运行中可能出现的不利情况，常需计算以下几种水位组合情况：1、上游正常高水位与下游相应的最低水位；2、上游设计洪水位与下游相应的最高水位；3、上游校核水位与下游相应的最高水位；4、库水位降落时对上游坝坡稳定最不利的情况。本次设计中，在左岸、河床中部和右岸各取一个断面（左右两个断面取在高程2785m处） ，就前三种水位组合情况进行渗流分析，用有限深透水地基上土石坝的渗流计算来求解。沿坝轴线所取的断面如说明书所示。单宽渗流量q:断面11和22采用混凝土防渗墙。通过心墙防渗体和混凝土防渗墙的单宽渗透流量：10211 )()(ThHKhq通过防渗体后的单宽渗透流量：1222 )()4.(LhTLhqt断面 33 地基处理采用粘性土截水槽，故通过防渗心墙和地基截水槽的单宽渗透流量 022101 )()(ThHKq墙后段的单宽渗流量LhTLqt2)4.(2公式中的符号意义见说明书。根据水流连续条件 q ，可求得心墙后水深 h 和单宽渗透流量 q。 12总渗透流量 Q:由于沿坝轴线的各断面形状及地基地质条件并不相同，因此在计算通过坝体- 16 -的总渗透流量时，可根据具体情况将坝体沿坝轴线划分为若干段，分别计算出每个断面的单宽流量，然后按下式计算全坝的总渗流量。 1121).()(2 nnlqqlqlQ式中： 、 断面 1、2、n 的单宽渗流量；1n、 、 相邻两断面之间的距离。l2l计算成果如下表所示。工况断面上游水头H1(m)心墙后水头h(m)下游水头H2（m）心墙厚度 0(m)坝基渗径L(m)心墙后坝壳渗径L1(m)坝前渗透量 q1坝后渗透量 q2总渗透量(m 3/天)1-1 36 0.06 0 10.4 88.05 93.95 2.95E-06 2.95E-062-2 71.6 3.21 3.03 17.4 160.4 151 7.15E-06 7.15E-06正常水位 3-3 36 0.30 0 10.62 87.94 87.94 2.13E-06 2.13E-06129.21-1 37 0.06 0 10.4 88.05 93.95 3.08E-06 3.08E-062-2 72.6 5.55 5.3876 17.4 163.39 153.99 7.2E-06 7.2E-06设计水位 3-3 37 0.32 0 10.62 87.94 87.94 2.24E-06 2.24E-06132.091-1 38 0.07 0 10.4 88.05 93.95 3.22E-06 3.22E-062-2 73.3 5.64 5.4738 17.4 163.5 154.1 7.31E-06 7.31E-06校核水位 3-3 38 0.33 0 10.62 87.94 87.94 2.36E-06 2.36E-06135.69