土石坝设计Word文档格式.docx
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频率（%）
0.2
0.33
0.5
1
2
3.33
5
20
推理公式法
1580
1470
1380
1230
1070
961
871
562
本工程大坝防洪设计标准为30年一遇，校核标准为200年一遇，因此，设计洪水洪峰流量为961m3/s，校核洪水洪峰流量1380m3/s.
1.4.2气象
工程所在地属亚热带气候，冬半年受东北季风控制，气候寒冷略干燥，夏半年受西南和东南季风控制，气候炎热多雨。
多年平均气温20.2℃。
年极端最高气温39.2℃，年极端最低气温-5.1℃。
年平均降雨量在1897.8mm，最大降雨量2859mm，最小降雨量827mm。
降雨量年内分配不均，4～9月雨量占全年降雨量的75%，10月～3月占全年的25%。
多年平均相对湿度77%。
多年平均最大风速14.3m/s。
多年平均蒸发量1210mm。
1.5其它
（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3~6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，但目前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5~6度，设计时可不考虑。
二、设计数据
2.1工程等级：
根据规范自定
2.2水库规划资料
（1）正常水位：
295m；
（2）最高洪水位（校核）：
298.85m；
（3）死水位：
285.0m；
（4）灌溉最低库水位：
284.0m；
（5）总库容：
444万m3；
（6）库容系数：
0.0017；
（7）设计引用流量Q=9.87m3/s
（8）风速风向
多年平均风速1.8m/s，多年平均最大风速14.3m/s，历年最大风速20.7m/s。
最多风向为东北风。
（9）吹程可取正常蓄水位时的河谷宽度的5倍进行计算。
（10）水位及淤砂高程
上游正常蓄水位相应下游最低水位：
260.00m
上游设计洪水位相应下游水位：
269.04m
上游校核洪水位相应下游水位：
270.70m
死水位：
285.00m相应下游水位：
上游淤砂高程：
280.00m
2.3枢纽组成建筑物
（1）大坝：
布置在1#坝轴线上；
（2）溢洪道：
堰顶高程为295m；
（3）水电站：
装机容量3600千瓦，2台机组，主厂房由主机间和安装间两部分组成，其中主机间尺寸为长×
宽×
高=27.0m×
16.0m×
19.3m，安装间尺寸为长×
高=8.98m×
19.3m；
（4）灌溉：
主要灌区位于河流右岸；
（5）水库放空隧洞：
为便于检修大坝和其它建筑物，拟利用导流隧洞作放空洞，洞底高程为277.0m，洞直径为1.0m。
2.4筑坝材料
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下游1.5～3.5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1～3公里河滩范围内及S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合适，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。
（1）土料：
主要有粘土和壤土，储量多，质量尚佳，可作为筑坝材料，其性能见表2；
（2）砂土：
可从坝上下游0.3~3.5公里河滩上开采，储量多，可供筑坝使用，见表3；
（3）石料：
石质为石灰岩及砂岩，质地坚硬，储量丰富，性能见表4。
表2土料特性表
土壤类别
干容重
（
）
最优含水率（%）
孔隙率n（%）
内摩擦角
粘聚力C（Kpa）
渗透系数k（cm/s）
粘土
15.4
25
40
37
壤土
15.8
14.5
41.7
12
坡土
16.0
22.5
39.8
（湿）
（干）
7.5（湿）
表3砂土特性表
浮容重
砂土
16
40.6
10.06
表4石料特性表
18
33
三、枢纽布置
3.1工程等别及建筑物级别
3.1.1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。
3.1.2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，属Ⅲ等工程；
根据电站装机容量7200千瓦，属Ⅴ等工程；
根据总库容为0.0444亿m3，属Ⅳ等工程。
（2）水库枢纽等别：
根据规范规定，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Ⅲ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，Ⅲ等工程的主要建筑物为3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，水库放空隧洞等主要建筑物为3级水工建筑物；
筏道等次要建筑物为4级水工建筑物。
3.2各组成建筑物的选择
3.2.1挡水建筑物型式的选择
土石坝方案：
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，因此造价相对较低，所以采用土石坝方案，布置在坝址工程地形地质图的1#上。
3.2.2枢纽其他组成建筑物型式的选择
（1）溢洪道
土石坝最适合采用岸边溢洪道进行泄洪，在大坝坝体右岸，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，运行安全可靠，适用于各种水头和流量。
（2）灌溉引水建筑物
采用有压式引水隧洞与灌溉渠首连接。
进口设有拦污栅、进水喇叭口、闸门室及渐变段；
洞身用钢筋混凝土衬砌；
出口段设有一弯曲段连接渠首，并采用设置扩散段的底流消能方式。
主要灌区位于河流右岸。
（3）水电站建筑物
因为土石坝不宜采用坝式水电站，而宜采用引水式发电，所以这里用单元供水式引水发电。
（4）过坝建筑物
主要是筏道，采用干筏道。
（5）施工导流洞及水库放空洞
施工导流洞及水库放空洞，均采用有压式。
为便于检修大坝和其它建筑物，拟利用导流隧洞作放空洞。
3.3枢纽总体布置方案的确定
挡水建筑物——土石坝，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，堰顶高程为295m；
灌溉引水建筑物——引水隧洞紧靠在溢洪道的右侧布置；
水电站建筑物——引水隧洞、电站厂房、开关站等布置在右岸（凸岸），厂房布置在开挖的基岩上，开关站布置在厂房旁边；
施工导流洞及水库放空洞布置在左岸的山体内。
四、土石坝设计
4.1坝型选择
选择心墙坝，心墙位于坝体中间而不依靠在透水坝壳上，其自重通过本身传到基础，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，有利于心墙与地基结合，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，粘土心墙冬季施工时暖棚跨度比斜墙小。
移动和升高较便利。
综合以上分析，最终选择心墙坝，心墙材料为粘土。
4.2大坝轮廓尺寸的拟定
大坝轮廓尺寸包括坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡。
4.2.1坝顶高程
（1）坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应按以下4种运用条件计算，取其最大值：
①设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；
②正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；
③校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；
④正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全加高。
当坝顶上游侧设有防浪墙时，坝顶超高是指水库静水位与防浪墙顶之间的高差，但在正常运用条件下，坝顶应高出静水位0.5m，在非常运用条件下，坝顶不得低于静水位。
（2）坝顶超高的计算
①正常运用情况：
河谷宽度B=84.95m，吹程D=5B=424.75m，风速取多年平均最大风速的1.5倍，W=1.5×
14.3=21.45m/s，
由莆田试验站公式：
其中Hm=1/2（H正+H设）=1/2（38.3+42.15）=40.23m
可解得hm=0.19m
Tm＝4.438h0.5m解得Tm=1.93s
式中hm-----平均波高，m；
Tm-----平均波周期，s
W-----计算风速，m/s；
D-----风区长度，m；
Hm------水域平均水深，m；
g-----重力加速度，取9.81m/s2。
平均波长可按式计算：
式中Lm-----平均波长，m；
H-----坝迎水面前水深，m。
解得Lm=5.82m
式中e-----计算点处的风壅水面高度，m；
K-----综合摩阻系数，取3.6×
10－6；
β-----计算风向与坝轴线法线的夹角，（°
）。
式中Rm-----平均波浪爬高，m；
m-----单坡的坡度系数，若坡角为α，即等于cotα；
KΔ-----斜坡的糙率渗透性系数，根据护面类型由表A.1.12－1查得；
Kｗ-----经验系数，按表A.1.12－2查得。
表A.1.12－1糙率及渗透性系数KΔ
护面类型
KΔ
光滑不透水护面（沥青混凝土）
1.00
混凝土或混凝土板
0.90
草皮
0.85～0.90
砌石
0.75～0.80
抛填两层块石（不透水基础）
0.60～0.65
抛填两层块石（透水基础）
0.50～0.55
表A.1.12－2经验系数Kｗ
≤1
1.5
2.5
3
3.5
4
≥5
Kｗ
1.02
1.08
1.16
1.22
1.25
1.28
1.30
最后可解得：
e=0.000089mRm=0.27m
②非常运用情况
对于非常运用情况，风速取多年平均最大风速W=14.3m/s，其他数据均与正常运用情况下相同，同理，可解得：
hm=0.15mTm=1.72sLm=4.62m
e=0.0004mRm=0.21m
土石坝的安全加高A正常运用情况取0.7，非正常运用情况取0.4
则由d=Rm+e+A可得d正常运用情况下取0.97m，非常运用情况取0.61m。
综上，坝顶高程应按
（1）中的四种运用条件计算，取最大值：
①设计洪水位加正常运用下的坝顶超高=298.05+0.97=299.02m
②正常蓄水位加正常运行条件下的坝顶超高=295+0.97=295.98m
③校核洪水位加非正常运用条件下的坝顶超高=298.85+0.61=299.46m
④正常蓄水位加非正常运用条件下的坝顶超高=295+0.61=295.61m
根据规范，防浪墙高度取1-1.2m，取防浪墙的高度1.2m，所以坝顶高程299.46-1.2=298.26m，因坝顶高程低于校核洪水位，故取坝顶高程为299.5m。
坝基面为满足防渗要求，开挖至燕山三期岩体，q>
5Lu的分界线，此时坝基面高程256.7m，坝高42.8m，坝基面亦可以当做不透水地基处理。
4.2.2坝顶宽度
本坝坝顶无交通要求，对中低坝，坝顶宽度B取5-10m，这里取B=8m。
4.2.3坝坡
根据土石坝工程实践经验，采用土料时，上游坡率常用1:
2.5-1:
3.5，取1:
3.0，下游坡率常用1:
2.0-1:
3.0，取1:
2.5,下游坝坡修建一条马道，马道高程可取277m，宽度可取2m。
经计算得上游坝坡第一种工况（上游正常蓄水位+下游相应的最低水位）稳定系数K=1.72>
K’=1.196
第二种工况（上游校核水位+下游相应水位）稳定系数K=1.62>
K’=1.104，故上游坝坡稳定。
下游坝坡第一种工况（上游正常蓄水位+下游相应的最低水位）稳定系数K=1.36>
第二种工况（上游校核水位+下游相应水位）稳定系数K=1.30>
K’=1.104，故下游坝坡稳定。
所以，所选坡率符合稳定要求。
4.3防渗体设计
（1）防渗体尺寸
土质防渗体的尺寸应满足控制防渗比降和渗流量要求,还要便于施工。
心墙顶部考虑机械化施工的要求，不小于3m，这里取4m。
上下游最大作用水头差，H=295-260=35m，粘土心墙的容许渗透坡降[J]=4，故心墙平均厚度T=H/[J]=35/4=8.75m。
心墙底宽为8.75×
2-4=13.5m，这里取底宽为14m，坡率m=1:
0.12。
（2）防渗体超高
防渗体顶部在静水位以上超高，对于正常运用情况心墙为0.3-0.6m，对3级坝取0.3m，最后防渗体顶部高程取为298.05+0.3=298.35m。
（3）防渗体保护层
根据SL274-2001《碾压式土坝设计规范》知心墙顶部应设保护层，防止冰冻和干裂。
保护层可采用砂或者碎石，其厚度不小于该地区的冻结或干燥深度，由工程经验取1.15m，上部碎石厚0.65m，下部砾石石厚0.50m。
具体见坝顶构造。
（4）排水设施选择
①棱体排水：
可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚不受尾水冲刷，有支撑坝体增加坝体稳定的作用，且易于检修，是效果较好的一种排水形式。
由上可知，此处选用棱体排水。
②堆石棱体排水尺寸
顶宽2.0m，内坡1：
1.1，外坡1：
1.5，顶部高程须高出下游最高水位不小于0.5m，此处取1m,所以顶部高程为270.7+1.0=271.7m。
4.4细部构造
4.4.1顶部构造
坝顶护面采用密实的砂砾石、碎石，以适应坝的变形，并对防渗体起保护作用。
防浪墙采用C20水泥浆砌石，高于坝顶1.2m，为了便于排水，坝顶做成自上游向下游倾斜2%的坡，将坝顶雨水排向下游坝面排水沟。
墙身每隔15m布置一道设有止水的沉陷缝。
见下图：
4.4.2护坡设计
1、上游护坡：
由于堆石护坡不要人工铺砌，即可大大节约人力，又可加快施工速度，故采用堆石做上游护坡，护坡范围上部自坝顶起与防浪墙连接，下部一直延伸至坝脚，堆石厚度可取为0.6m，堆石下部设厚度为0.25m的碎石和0.2m的粗砂垫层。
2、下游护坡:
下游设厚度为0.3m的碎石护坡，护坡下面设厚度为0.3m的粗砂垫层。
4.4.3马道和坝面排水设计
1、马道下游马道高程为277m，宽2m。
2、坝面排水在马道内侧设纵向梯形排水沟，上宽1.2m，底宽0.4m，深0.3m。
坝体与岸坡连接处设置排水沟，并在下游坝坡中央设置一条横向排水沟，宽0.3m，深0.2m。
以排除岸坡上游下来的雨水。
4.4.4坝体排水
为避免棱体上游坡脚出现锐角，将棱体上游坡面的下部向下游折进一定的长度，起折点高程为261.7m，折进坡度为1:
1.1.具体见下图，棱体与坝体以及土质地基之间均应设置反滤层。
4.4.5反滤层
被保护的土为无粘性土料，由于原始设计资料中没有提供各土、砂、石料的颗粒级配情况，这里无法用计算的方法进行反滤层的设计，只能考虑相关规范和已建工程进行初步设计。
初步拟定分析结果为：
垂直或倾斜反滤层不小于0.5m，取0.8m，反滤层一般为1-3层级配均匀的、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。
4.4.6坝体与地基、两岸的连接处理
1、河槽处水流长年冲刷，基岩裸露，抗风化能力强，吸水量也较低，故只需清除覆盖层即可，挖至燕山三期不透水层。
坝址区断裂构造不发育，地质条件良好，无需特殊处理，仅对岩面不平整或存在微小裂缝处进行灌浆处理。
2、坝体与地基及岸坡的连接：
坝断面范围内的岩石坝基与岸坡，应清除其表面松动的石块，凹处积土和凸出的岩石。
并对表面进行压实处理，粘土心墙与岸坡结合处，将心墙加宽，并在岸坡上修建混凝土齿墙，同时，增设反滤层。
五、渗流计算
5.1渗流计算的基本假定
（1）心墙采用粘土料，渗流系数k=1×
10-6，坝壳采用砂土料，渗流系数k=1×
10-2，两者相差104倍，可以把粘土心墙看作相对不透水层，因此计算时可以不考虑上游楔形降落水头的作用。
下游设有棱体排水，可近似的假设浸润线的溢出点为下游水位与堆石棱体内坡的交点。
下游坝壳的浸润线也较平缓，接近水平，水头主要在心墙部位损失。
（2）土体中渗流流速不大且处于层流状态，渗流服从达西定律，即平均流速v等于渗流系数k与渗流比降i的乘积，v=ki。
（3）发生渗流量时土体，孔隙尺寸不变，饱和度，渗流为连续的。
（4）渗流计算条件。
渗流计算应考虑以下组合，取其两种工况进行验算：
①上游正常蓄水位+下游相应的最低水位
②上游设计水位+下游相应的水位
③上游校核水位+下游相应水位
这里取①、③进行渗流计算，即：
正常蓄水位295m，相应下游最低水位260m；
校核洪水位298.85m，相应下游最低水位270.70m
5.2浸润线的计算
（1）工况：
正常运行
①坝前水深H1=38.3m，坝后水深H2=3.3m，防渗体平均厚度tc=9m，L=55.63m，k1=10-6cm/s，k2=10-2cm/s，设逸出点的高度为H,由
和
联立求出H=3.43m，q=7.86×
10-7m3/s。
②心墙内部浸润线的计算：
采用等效矩形代替梯形心墙，其宽度tc=9m，设L=tc带入公式
得到浸润点，便可得到浸润线。
见下表：
正常运行下心墙内部浸润线
编号
6
7
8
9
10
X（m）
0.90
1.80
2.70
3.60
4.50
5.40
6.30
7.20
8.10
9.00
H（m）
36.35
34.29
32.10
29.75
27.19
24.37
21.17
17.40
12.54
3.43
③心墙下游侧到下游坝坡浸润线，也可按
得到浸润点，便可得到浸润线。
正常运行下心墙下游侧到下游坝坡浸润线
11.13
22.25
33.38
44.50
55.63
3.42
3.41
3.40
3.39
（2）工况：
校核情况
①坝前水深H1=42.15m，坝后水深H2=14m，防渗体平均厚度tc=9m，L=67.4m，k1=10-6cm/s，k2=10-2cm/s，设逸出点的高度为H,由
联立求出H=14.05m，q=8.87×
10-7m3/s
校核情况心墙内部浸润线
40.23
38.22
36.10
33.84
31.42
28.79
25.91
22.65
18.85
14.05
校核情况心墙下游侧到下游坝坡浸润线
13.48
26.96
40.44
53.92
67.40
14.04
14.03
14.02
14.01
14.00
最终，得到大坝在两种工况下的浸润线如下图所示：
5.3总渗流量的计算
从地形地质平面图上可大致量得大坝沿坝轴线长L=98.5m，沿整个坝段的总渗流量Q=
Lq,式中
是考虑到坝宽、坝厚、渗流量沿坝轴线的不均匀性而加的折减系数，取
.
Q正=0.8×
98.5×
7.86×
10-7=6.19×
10-5m3/s
Q校=0.8×
8.87×
10-7=6.99×
10-5m3/s
六、坝坡稳定计算
6.1稳定计算资料
心墙坝的下游坝壳料采用采用砂土，黏聚力c’=0。
心墙采用粘土，黏聚力c’=37。
滑动面为起点在坝顶，与心墙相交
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