土石坝课程设计本科.docx
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土石坝课程设计本科
土坝课程设计
专业：
水利水电工程
班级：
本科级
学号：
姓名：
日期：
前言
我们这次进行的土石坝毕业设计的目的，是培养我们综合运用所学知识解决实际工程技术问题的能力；全面分析考虑问题的思想方法，独立思考、解决问题和独立工作能力；设计计算、编写设计文件、使用规范手册和应用计算机的能力；调查研究、查阅技术文献和资料及编写技术文档的能力。
本设计说明及计算书共分七章，在介绍了设计工程基本资料及枢纽布置后，着重论述了挡水坝体断面和细部设计及坝体渗流、稳定计算。
第一章土坝基本资料………………………………………………………1
1.1地形地质情况…………………………………………………………1
1.2水位、水利计算资料……………………………………………………1
1.3气象资料……………………………………………………………1
1.4筑坝材料及坝基沙砾石物理力学性质………………………………1
1.5其他资料…………………………………………………………………2
第二章土坝坝型选择………………………………………………………2
2.1确定坝型………………………………………………………………2
2.2确定土石坝的类型……………………………………………………2
第三章坝体剖面拟定………………………………………………………3
3.1确定坝顶宽度…………………………………………………………4
3.2确定坝顶高程…………………………………………………………4
第四章细部构造设计………………………………………………………7
4.1坝顶高程…………………………………………………………………7
4.2坝体排水设备…………………………………………………………8
4.3护坡及坝坡排水…………………………………………………………9
4.4土坝的坝基、岸坡的连接………………………………………………11
4.5反滤层…………………………………………………………………11
第五章渗流计算……………………………………………………………12
5.1渗流计算…………………………………………………………………12
5.2计算总渗流量……………………………………………………………14
5.3渗透稳定验算……………………………………………………………14
第六章稳定计算……………………………………………………………12
6.1稳定计算的目的、方法、原理………………………………………12
6.2计算……………………………………………………………………12
第七章结语…………………………………………………………………17
第一章土坝基本资料
1.1地形地质情况
坝址处河床宽约190m，坝轴线处河床最低高程为306m，河床覆盖层上层为粘性黄土夹杂有砾石，下层为砂砾料，坝址基岩为花岗岩，透水性很小。
1.2水位、水利计算资料
1、正常蓄水位338.00m
2、设计洪水位（1％）341.00m
3、校核洪水位（0.1％）342.00m
4、死水位325.00m
5、正常蓄水时下游水位306.00m
6、校核洪水时下游水位313.00m
1.3气象资料
1、多年平均最大风速12m/s
2、多年平均最大冻土深度1.2m
1.4筑坝材料及坝基沙砾石物理力学性质
项目
土粒比重
含水量
（10%）
湿重度
（KN/m3）
饱和重度（KN/m3）
浮重度（KN/m3）
凝聚力（KN/m2）
内摩擦角（0）
渗透系数cm/s
粘土
2.69
17
19.3
20.5
10.5
6.2
27
0.6×10-5
砂砾料
2.65
19.8
20.6
10.6
36
2×10-2
坝基砂砾石
2.65
16.8
19.8
9.8
31
2×10-2
堆石
2.07
20.0
21.0
11.0
40
1.5其他资料
工程等级：
枢纽为二等，建筑物为二级
水库吹程：
1km
地震基本烈度：
7度
第二章坝型选择
2.1确定坝型
根据给出的基本资料可知坝址处河床较宽，约为190m，本着“技术可靠，经济合理、施工方便”的原则，不选择重力坝与拱坝，采用就地取材的土坝较为适宜。
2.2确定土石坝的类型
水利枢纽工程的挡水建筑物主要有：
重力坝、拱坝、土石坝。
重力坝是用砼、浆砌石等筑成的大体积挡水建筑物，主要依靠坝体自身重力维持稳定；拱坝是平面上凸向上游三向固定的空间壳体挡水建筑物，利用筑坝材料的抗压强度和两岸拱端岩体来支承拱端推力；土石坝是利用坝址附近土料、石料及砂砾料填筑而成，筑坝材料基本来源于当地，是土坝、堆石坝和土石混合坝的总称。
本设计按坝体高度分可分为高坝、中坝、底坝。
由基本资料可知校核洪水位为342m，坝轴线处河床最低高程为306m，初步估计坝高为36m。
为中坝。
按土料在坝体中的配置和防渗所的材料可分为：
均质坝、分区坝、人工防渗材料坝。
均质坝坝体主要由一种材料组成，同事起防渗和稳定作用，不再另设专门的防渗体，坝体绝大部分是由抗渗性能好的土料筑成，其结构简单，施工方便，适用于中小型并不大于70m的高坝。
分区坝在坝体中设置专门起防渗作用的防渗体。
采用透水性较大，抗剪强度较高的砂石料作为坝壳，防渗体多采用防渗性能好的黏性土，其位置设在坝体中间的称为心墙坝，或稍向上游倾斜的称为斜心墙坝。
心墙土石坝，由于心墙设在坝体中部，施工时，心墙与坝体大体同时填筑，因而两者相互干扰大，影响施工进度，但是，其抗震性和均匀沉降的能力比斜墙土石坝好。
人工防渗材料坝，防渗体采用混凝土、沥青混凝土、钢筋混凝土、土工膜或其他人工材料制成，其余部分用土石料填筑而成。
其中防渗体在上游面的称为斜墙坝。
斜墙土石坝的斜墙支撑在坝体上游面，可滞后坝体施工，两者相互干扰小，但防渗体在坝体上游侧，受坝体变形影响大，易产生裂缝。
根据地形条件、地质条件、筑坝材料、施工条件及坝基处理等各种因素进行比较和分析，本次设计的土石坝河床覆盖层上层为粘性黄土夹杂有砾石，下层为砂砾料，坝址基岩为花岗岩，透水性很小。
最佳方案选择为均质土石坝。
第三章坝体剖面设计
土石坝的基本剖面尺寸主要包括坝顶宽度、坝顶高程、上下游坝坡。
3.1确定坝顶宽度
《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001规定，如无特殊要求，高坝的顶部宽度可选用10～15m，中低坝可选用5～10m。
当坝顶有交通要求时，其宽度应按照道路等级要求遵照交通部门的有关规定来确定。
此坝无交通要求，固取坝顶宽度为10m。
3.2确定坝顶高程
3.2.1坝顶高程
坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和。
应考虑正常蓄水情况、校核洪水情况和地震情况，取其最大值。
本次设计不考虑地震情况。
坝顶超高计算按Y=R+e+A计算。
式中：
Y—坝顶在水库静水位以上的超高，m；
R—最大波浪在坝坡上的爬高，m；
e—最大风壅水面高度，m；
A—安全加高，m；查《水利水电工程建筑物》中P86表2-13得
设计洪水位时A＝1；校核洪水位时A＝0.5。
3.2.2坝顶高程计算
设计洪水位
R＝3.2KΔ（2h）tanα
KΔ－坝坡护面糙率系数，查《水利水电工程建筑物》中P87表2-14土石坝护面的糙率系数KΔ，采用砌石护面查得KΔ＝0.75～0.8，取0.8。
2h－波高，由风浪要素计算确定
2h＝0.0166V5/4D1/3
=0.0166×（2×12）5/4×11/3＝0.88
α－上游面破角，取1∶3.0
R＝3.2KΔ（2h）tanα
＝3.2×0.8×0.88×
＝0.75
e＝0.0036
cosβ
式中V－水面以上10m处的风速，m/s；在正常蓄水位和设计洪水位时，采用洪水期多年平均最大风速的1.5～2.0倍，固V＝2×12＝24m/s；
D－吹程，km；D＝1km＝1000m；
H－坝前水深，m；H＝（341-306）/2＝17.5m；
β－风向与坝轴线法线方向的夹角；β＝0°。
e＝0.0000036
cosβ
＝0.0000036×
＝0.006m
Y=R+e+A
=0.75+0.006+1=1.76
校核洪水位
R＝3.2KΔ（2h）tanα
KΔ－坝坡护面糙率系数，查《水利水电工程建筑物》中P87表2-14土石坝护面的糙率系数KΔ，采用砌石护面查得KΔ＝0.75～0.8，取0.8。
2h－波高，由风浪要素计算确定
2h＝0.0166V5/4D1/3
=0.0166×125/4×11/3＝0.37
α－上游面破角，取1∶3.0
R＝3.2KΔ（2h）tanα
＝3.2×0.8×0.37×
＝0.32
e＝0.0036
cosβ
式中V－水面以上10m处的风速，m/s；在校核洪水位时，采用洪水期多年平均最大风速，固V＝12m/s；
D－吹程，km；D＝1km＝1000m；
H－坝前水深，m；H＝（342-306）/2＝18m；
β－风向与坝轴线法线方向的夹角；β＝0°。
e＝0.0000036
cosβ
＝0.0000036×
＝0.0015m
Y=R+e+A
=0.32+0.0015+0.5=0.82
整理计算成果见下表：
计算情况
水库静水位（m）
计算风速（m/s）
吹程K（km）
波浪爬高R（m）
风壅高度e（m）
安全加高A（m）
计算坝顶高程（m）
设计洪水
17.5
24
1
0.75
0.006
1
342.06
校核洪水
18
12
1
0.32
0.0015
0.5
341.62
设计洪水位时，▽防浪墙顶高程＝341+1.76＝342.76m
▽坝顶高程＝342.76-1.2+0.5＝342.06m
校核洪水位时，▽防浪墙顶高程＝342+0.82＝342.82m
▽坝顶高程＝342.82-1.2＝341.62m<342m
所以最终设计坝顶高程＝342m。
3.2.3坝坡及平台
土石坝上游坝坡长期浸泡于水中，土的抗剪强度下降，会降低坝体的稳定性，所以当材料相同时，上游坡比下游坡缓，对在同一水位侧坝坡，水下部分也常比水上部分缓。
土石坝坝坡的陡缓直接影响着工程的安全性与经济性，常需综合考虑坝型、坝高、坝的等级、坝体及坝基材料的性质、所承受的荷载、施工和运用条件等因素。
在设计计算坝顶高程时，已初拟定了坝坡，其中上游坝坡为1∶3.0，下游坝坡为1∶2.5。
然后经渗流分析和稳定计算来确定经济的坝体断面。
在土石坝下游坡，一般沿高程每隔10～30m设置宽度不小于1.5～2.0m的马道，用于观测、检修和交通等，并沿马道设置排水沟汇集坝面雨水以防冲刷。
本设计下游坡沿高程每隔15米设置宽度2.0米的马道。
第四章细部构造设计
4.1坝顶构造
坝顶构造包括路面、排水、放浪墙、缘石等型式的尺寸的确定。
4.1.1坝顶路面：
根据资料说明，无交通要求，有人防要求，选用单层砌石护面，厚度为0.2m，以保护坝体。
垫层设置为0.2m厚的碎石。
4.1.2坝顶排水：
坝顶坡度采用2.5%，向下游倾斜，在坝顶下游侧沿坝轴线布置集水沟，将雨水排至下游，以防雨水冲刷坝面和坡脚，排水沟为浆砌石，尺寸设计为0.2×0.3m。
4.1.3坝顶上游侧设防浪墙，采用浆砌石筑成，设计高度为1.2m，宽度为0.6m，墙的基础与防渗体连接，以防止高水位时漏水。
4.1.4坝顶下游侧设缘石，设计高度为0.4m，厚度为0.2m，底部与下游护面齐平。
4.2坝体排水设备
4.2.1坝体排水的目的及形式
土石坝具有防渗设备，但仍有一定水量渗入坝体内，设置排水设备可以将渗入坝体的水有计划的排出坝外，以达到降低浸润线和孔隙水压的作用，增加坝体稳定性和保护坝坡，防止渗透变形而冻胀破坏的目的。
常用的坝体排水形式有，棱体排水和贴坡排水。
棱体排水：
是一种可靠的、应用广泛的排水形式，可以降低浸润线，防止坝坡冻胀，保护下游坡角，增加坝体稳定性，但石料用量大，费用高，与坝体施工有干扰。
贴坡排水：
构造简单，用料省，施工方便，易于检修，能够防止渗流逸出处的渗透变形，并可以保护下游坝坡不受冲刷，但不能降低浸润线，且易因冰冻而失效。
通过对两种措施进行比较，综合考虑，为降低浸润线，保护下游坡角，防止因冰冻而失效的不利因素。
采用堆石棱体排水。
4.2.2堆石棱体排水
堆石棱体排水设备是用块石堆筑而成，其结构如图
【堆石棱体排水】。
其顶部高程应保证坝体浸润线距下游坝坡面的距离大于地区的冰冻深度1.2m，并保证超出下游水位，超出的高度为1m，因此，顶部高程为：
313+1.2+1.0=315.20m
顶部宽度和两侧坡度应根据施工条件及检查观测需要确定，顶宽2.0m，其内坡为1∶1.5，外坡为1∶2.0，还应尽量避免在棱体上游坡脚处出现锐角。
4.3护坡及坝坡排水
4.3.1护坡
护坡的目的：
为了保护土石坝坝坡免受波浪淘刷、冰层和漂浮物的损害、降雨冲刷，防止坝体土料发生冻结、膨胀和收缩以及人畜破坏等，设置的护坡结构。
上游坝面的工作条件较差，承受风浪的淘刷和冰层、漂浮物的损害，选择有足够抗冲能力的护坡，固本次设计土坝的上游面采用干砌石护坡。
干砌石护坡做成双层，厚度为0.5。
干砌石下面要铺设碎石垫层，以防波浪淘刷坝坡。
垫层厚0.2m。
如图【上游坝坡干砌石护坡】。
下游坝坡工作条件较好，采用草皮护坡。
草皮厚度0.2m，草皮下铺一层厚为0.2m的腐植土。
下游坝坡需要全部护砌。
3.2坝坡排水
为了防止雨水的冲刷，在下游坝坡设纵横连通的排水沟，沿坝与岸坡的接合处，也设置排水沟。
坝面上的纵向排水沟沿马道内侧布置，沿坝轴线方向每隔100设一条横向排水沟。
排水沟的横断面，深0.2m，宽0.3m。
如【坝坡排水示意图】。
4.4土坝的坝基、岸坡的连接
4.4.1土坝的坝基的连接
筑坝前将坝基范围内的表面腐植土、稀泥、草皮、乱石等清除掉。
清基深度0.3-1m。
防渗体与基岩连接时，把岩基开挖至新鲜岩面，并使岩面平整，在岩石表面喷一层砂浆之后回填黏土。
4.4.2土坝与两岸岸坡的连接
两岸岸坡应进行清基，开挖后的岸坡不应陡于1∶0.5-1∶1.75，心墙与岸坡连接处的断面应扩大1/3。
如两岸山坡有强风化层时，可采用截水槽方式将心墙伸人到弱风化层内。
4.5反滤层
为了防止渗透变形的发生，设置反虑层以提高土体抵抗渗透破坏的能力是一项有效的措施，它起到滤土、排水的作用。
设置地点下游渗流溢出处，反滤层一般设置3层不同粒径的砂石料组成，石料采用耐久的，抗风化的天然材料，层的设置大体与渗流方向正交，且顺渗流方向粒径由小到大，顺渗流方向设置厚度15cm、15cm、25cm，对应粒径1mm、5mm、20mm。
初拟坝体剖面图
图见1号图
第五章渗流计算
5.1渗流计算
5.1.1渗流计算的任务、方法和原则
（1）渗流计算的任务：
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分布图或流网图，为坝体稳定核算、应力应变分析和排水设备的选择提供依据；
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内自由水面的位置，估算由此产生的孔隙压力，供上游坝坡稳定分析之用。
（2）渗流计算的方法有：
流体力学法、水力学法、流网法、试验法和数值解法。
水力学法是在一些假定基础上的近似解法，计算简单，能满足工程精度要求，所以在实践中被广泛采用，本次设计的渗流方法采用水力学法。
（3）渗流计算的原则：
坝体土是均质的，坝内各点在各方向的渗透系数相同；
渗透水流为二元稳定层流状态，符合达西定律；
渗透水流是渐变的，任一铅直过水断面内各点的渗透坡降和流速相等。
5.1.2渗流计算的水位组合情况如下：
（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）库水位骤降时对上游坝坡稳定是最不利的情况。
本次设计只计算河床最大断面在水库正常蓄水位时坝体浸润线位置及单宽流量。
5.1.3计算步骤和公式
1、根据坝轴线地质剖面图的地形、地质情况，沿轴线分三段进行计算，本设计只按最大断面处计算。
（1）绘制计算简图
（2）计算单宽流量
h
=
-（
L+L）
q=Kh
L=m1H1/2m1+1
=3
（338.00-306.00）/2
3+1
=13.7m
L=12+10+37.5+29.5-17.25
=73.75m
h
=
-（
L+L）
=
-（17.25+73.75）=5.46m
Lg=h
/2=5.46/2=2.73m
单宽流量为qi=Kh
=2
10-2
5.46=0.11m3/（sm）
（3）绘出浸润线
浸润线方程：
y=
=
=
在0—73.75m之间假定一系列X值，求得一系列Y值。
列表
（1），并绘于图
X（m）
0
10
20
30
40
73.75
Y（m）
6.53
11.79
15.75
18.90
21.60
29.00
见上简图
5.2计算总渗流量
根据工程等级和计算情况按有关规范加以核算
取计算坝长L计=L/2=190/2=95m
Q=∑qi
Li=0.13
95=12.35m3/s
5.3渗透稳定验算：
判别渗透破坏形式，计算渗透坡降并核算。
（1）判别渗透破坏形式：
有土体的不均匀系数判别和土体内的细颗粒含量判别。
根据资料采用土体内的细粒含量判别。
根据经验公式：
式中：
a——修正系数，取0.98
n——土体孔隙率。
n=0.33
——粒径小于或等于2mm的细粒临界质量分数，%
计算得，
=0.35，土体内的细粒含量小于细粒临界质量分数0.15，判别可能产生流土。
b、计算渗透坡降并核算：
渗流逸出点实际渗透坡降为：
已知：
△H=338.00-306.00=32m，
△L=73.75+2.73=76.48m，
计算得，Ｊ=32/76.48=0.42
[J]=Jk/2=（26.5-1）（1-0.3）/2=8.54
J<[J]所以，满足要求。
第六章坝坡稳定计算
6.1稳定计算的目的、方法、原理
6.1.1稳定计算的目的：
进行土石坝稳定计算的目的是保证坝体在自重、各种情况下的孔隙压力和外荷载作用下，具有足够的稳定性，不致发生通过坝体或坝体连同地基的剪切破坏。
6.1.2稳定计算的方法：
对于均质坝、厚斜墙坝和厚心墙坝来说，滑动面往往接近于圆弧，故采取圆弧滑动法进行坝坡稳定分析。
采用圆弧法计算时，为了简化计算和得到较为准确的结果，实践中常采用条分法。
6.1.3原理：
采用条分发，将滑动面土体按一定的宽度分为若干个铅直土条，不计土条间的作用力，分别计算出各土条对圆心0的抗滑力矩和滑动力矩，再分别求其总合。
当土体绕0点的抗滑力矩大于滑动力矩，坝坡保持稳定；反之，坝坡丧失稳定。
6.2计算
正常蓄水位下稳定渗流期下游坝坡的稳定。
6.2.1确定危险滑弧圆心的范围，如计算简图1-2
6.2.2在MN线任选一点0为圆心，选用半径R=100m，作圆弧通过下游坝脚。
将滑动土体分为b=0.1R=10m的若干土条并编号。
图中只画出各土条的中心线作为计算土条高度的依据。
6.2.3列表计算各土条的荷载。
表中8号土条宽6m，高1m，换算成宽为10m，高为1.0m。
但其角未进行修正。
6.2.4利用公式求稳定安全系数。
式tan
=tan20=0.323；
L=
3.14
100
78.4/180=136.8
K=（16500.8
0.323+2.1
136.8）/6932.6=0.81
K=0.81为所需要求的的稳定安全系数，此系数小于工程等级为2级正常运用情况时的最低稳定安全系数[K]=1.25。
因此，大坝的上游坝不稳定需要进行处理，通过放大坝坡处理，由于时间原因，这里不在进行计算。
第七章结语
通过此次土石坝课程设计，使我掌握了这门课程的理论知识和基本设计技能，完成了一个较为完善的设计计算过程，加深了对所学知识的理解与应用，培养了我综合运用已学的基础理论知识和专业知识来解决基本工程设计问题的初步技能，全面分析考虑问题的思想方法、工作方法以及计算、绘图和编写设计的能力，使我收获颇多。
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