土石坝课程设计.docx
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土石坝课程设计
湖南水利水电职业技术学院
HunanTechnicalCollegeofWaterResourcesandHydroPower
课程设计成果
设计项目名称重力坝课程设计
姓名：
刘园
专业：
水利工程
班级：
11级施工班
学号：
201102030046
指导老师：
刘咏梅
任务下达日期：
2013年6月3日
设计完成日期：
2013年6月8日
水利工程系
目录
第一篇枢纽布置、坝址坝型选择...........................1
一、枢纽布置.....................................1二、坝址坝型选择....................................2
第二篇土石坝剖面设计
一、基本质料......................................3
二、坝基高程拟定..................................3
1、超高值y的计算..................................4
（1）基本公式......................................4
（2）设计洪水位时y的计算............................4（3）校核洪水位时y的计算............................5
2、坝顶高程计算.....................................5
（1）设计水位时的坝顶高程.............................5
（2）校核水位时的坝顶高程.............................5
（二）坝顶宽度拟定.....................................6
（三）棱体排水尺寸拟定..................................6
三、渗流分析.........................................5
（一）渗流计算.....................................6
1、基本公式........................................6
2、总渗流量.........................................7
3、浸润线..........................................7
四、稳定分析........................................8
第三篇土石坝的地基处理
一、坝基处理的要求.....................................10
二、岩基的处理........................................10
三、砂砾石坝基处理.....................................11
第一篇枢纽布置、坝址坝型
一、枢纽布置
1、枢纽布置就是合理安排枢纽中各建筑物的相互位置。
在布置时应从设计、施工、应用、管理、技术经济等方面进行综合比较，选定最优方案。
（1）枢纽布置应保证各建筑物在任何情况下都能正常工作。
（2）在满足建筑物的强度和稳定的条件下，使枢纽总造价和年运费降低。
尽量采用当地材料，节约钢材、木材、水泥等基建用料。
采用新技术、新材料等设备是降低工程造价的主要措施。
（3）枢纽布置应考虑施工导流、施工方法和施工进度等，应使施工方便、工期短、造价低。
（4）枢纽中各建筑布置紧凑，尽量将统一工种布置在一起；尽量使一个建筑物发挥多种用途，充分发挥枢纽的综合效益。
（5）尽可能使枢纽中的部分建筑物早日投产，提前受益。
（6）考虑枢纽的远景规划，应对远期扩大装机容量、大坝加高、扩建等留有余地。
（7）枢纽的外观与周围环境要协调，在可能情况下尽量美观。
2、枢纽布置的一般原则
（1）枢纽布置应保证各建筑物在任何情况下都能正常工作。
（2）在满足建筑物的强度和稳定的条件下，使枢纽总造价和年运费降低。
尽量采用当地材料，节约钢材、木材、水泥等基建用料。
采用新技术、新材料等设备是降低工程造价的主要措施。
（3）枢纽布置应考虑施工导流、施工方法和施工进度等，应使施工方便、工期短、造价低。
（4）枢纽中各建筑布置紧凑，尽量将统一工种布置在一起；尽量使一个建筑物发挥多种用途，充分发挥枢纽的综合效益。
（5）尽可能使枢纽中的部分建筑物早日投产，提前受益。
（6）考虑枢纽的远景规划，应对远期扩大装机容量、大坝加高、扩建等留有余地。
（7）枢纽的外观与周围环境要协调，在可能情况下尽量美观。
3、枢纽布置的方案选择
在遵循枢纽布置一般原则的前提下，从若干个具有代表性的枢纽布置方案中选择一个技术可行、经济合理、运用安全、施工期短、管理维修方便的最优方案是一个反复优化的过程。
需要对各方案进行具体分析、全面论证、综合比较而定。
进行方案比较时，通常对以下项目进行比较：
（1）主要工程量。
如钢筋混凝土和混凝土、土石方、金属结构、机电安装、帷幕灌浆、砌石等各项工程量。
（2）主要建筑物材料用量。
如钢筋、钢材、水泥、木材、沙石、沥青、炸药等材料的用量。
（3）施工条件。
主要是包括施工期、发电日期、机械化程度、劳动力状况、物资供应、料场位置、交通运输条件。
（4）运用管理条件。
发电、通航、泄洪、灌溉是否相互干扰，建筑物和设备的检查、维修和操作运用、对外交通是否方便，人防条件是否具备等
（5）建筑物位置与自然界的适应情况。
如地基是否可靠，河床抗冲能力与下游的消能方式是否适应，地形是否便于泄水建筑物的进、出口的布置和取水建筑物进口的布置等。
（6）经济指标。
主要比较总投资、总造价、年运费、淹没损失、电站单位千瓦投资、电能成本、灌溉单位面积投资以及能力航运。
二、坝址、坝型选择
坝址、坝型的选择和水利枢纽布置是水利枢纽设计的重要内容，二者相互联系，不同的坝址可选用不同的坝型和枢纽布置。
例如：
当河谷狭窄、地形条件良好时，适合修建拱坝；河谷宽阔，地质条件较好，可以修建重力坝；河谷宽阔，河床覆盖层深厚，地质条件较差又有适宜土石料时，可以选用土石坝。
不同的坝址选择不同的建筑物形式以及相应的枢纽布置方案，在选择坝址、坝型和布置时，不仅要考虑枢纽附近的自然条件，还需考虑枢纽的施工条件、运行条件、综合效益、投资指标以及长远规划等。
（1）地质条件是坝址、坝型选择的重要条件。
拱坝和重力坝（低的溢流坝重力坝除外），需要建在岩基上；土石坝对地质要求较低，岩基、土基均可；二水闸多是建在土基上。
但天然地基总是存在这样或那样的缺陷。
如：
断层破碎带、软弱地基、淤泥、细沙层等。
在工程设计中应通过勘测研究，了解地质情况，采取不同的地基处理方法，使其满足要求。
（2）不同的坝型对地形的要求不一样。
在高山峡谷地区不住水利枢纽，尽量减少高边坡开挖。
坝址选在峡谷地段，坝轴线短，坝体工程量小，但对布置泄水、发电等建筑物以及施工导流均有困难。
选用土石坝坝型时，应注意库区内有无天然垭口或天然冲沟可布置岸边溢洪道，上下游是否便于布置施工场地。
因此，经济与否由枢纽的总造价、总工期来衡量。
对于多泥沙及有漂木要求的河道，还应注意河流的流态，在坝址选择时，要注意坝址的位置是否对取水防沙及漂木有利。
对有通航要求的水利枢纽还应注意上下游河道与船闸、伐道等过坝建筑物的连接。
此外还希望坝轴线上游山谷开阔，在淹没没有损失尽可能小的情况下，能获得较大的库容。
（3）坝址附近应有足够数量符合要求的建筑材料。
采用混凝土坝时，要求有可作骨料用的沙卵石或碎石场。
采用土石坝时，应在距坝址不远处有足够数量的土石料场。
对于料场分布、储量、埋深、开采运输及施工期淹没等问题均应认真考虑。
（4）要便于施工导流，坝址附近应有开阔的地形，便于布置施工场地；距交通干线较近，便于交通运输。
在同一坝区范围内，施工条件往往是决定坝址的重要因素，但施工的困难是暂时的，工程运输管理方便则是长久的。
应从长远利益出发，正确对待施工条件的问题。
（5）对不同的坝址就是合理的安排枢纽中各种建筑物的相应位置。
在布置时应从设计、施工运用、管理、技术经济等方面进行综合比较，选定最优方案.
第二篇土石坝剖面设计
一、基本资料
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，河床覆盖上层为粘性黄土夹杂有砾石，下层为砂砾层，坝址基岩为花岗岩高层约为302m，透水性很小。
2．水位
死水位325m
正常蓄水位338m
设计洪水位（1%）341m
校核洪水位（0.1%）342m
正常蓄水时下游水位308m
校核洪水时下游水位313m
3.气象资料
多年平均无最大风速12m/s
冻土深1.2m
4.筑坝材料及坝基砂砾石物理力学性质
表2-5筑坝材料及坝基砂砾石物理力学性质
项目
重度/（KN*m-3）
含水量
（%）
湿重度（KN*m-3）
饱和重度（KN*m-3）
浮重度（KN*m-3）
凝聚力（KN*m-2）
内摩擦角
Φ/（°）
渗透系数/（cm*m-1）
粘土
26.9
17
19.3
20.5
10.5
2.1/1.8
20/17
0.5×10-4
砂砾石
26.5
19.8
20.6
10.6
36
2×10-2
坝基砂砾石
26.5
16.8
19.8
9.8
31
2×10-2
堆石
20.7
20.0
21.0
11.0
40
5.其他
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：
6度
二、坝基高程拟定
由基本资料得，河床高程为306m，地基开挖时河床上层覆盖粘性黄土夹杂砂砾石，下层为砂砾层，坝址岩基为花岗岩高层为302m。
所以开挖4m。
即坝基高程为306-4=302m。
（一）坝高拟定
1、超高值y的计算
（1）基本公式
坝顶或坝顶上游防浪墙高于静水位的超高y，可按下式计算
Y=R+e+A
y坝顶超高，m；
R波浪在坝坡上的最大爬高，m；
e最大风壅水面高度，m；
A安全加高，m。
坝顶高程或坝顶上游防浪墙顶高程按下式计算：
坝顶高程=设计洪水位+y
坝顶高程=校核洪水位+y
（2）设计洪水位时y计算
库库面有效吹程1km，坝址洪水期多年平均最大风速12m/s。
即：
波浪最大爬高
查规范得
为0.9，
为1,
为2.23，A为1；
经验公式
由上述综合得：
则:
风壅水面高度
坝顶超高y=2.14+1=3.14
（3）校核洪水位时y计算
风速采用多年平均风速，即：
V=12m/sA=0.7mD=1km。
波浪最大爬高
y=0.98+0.7=1.68
2、坝顶高程计算
根据以上两种水位时y计算结果和预留1m沉降值，得出两种状况下坝顶高程。
（1）设计洪水位时的坝顶高程：
坝顶高程=设计洪水位+y
=3.14+341+1=345.14m
（2）校核洪水位时的坝顶高程：
坝顶高程=校核洪水位+
=1.68+342+1=344.68m
为保证大坝的安全运行，应该选用其中的较大值，坝顶高程＝345.14m，取345m,建基面最低高程为302m，则最大坝高为H=43m，属于中坝。
（二）坝顶宽度拟定
无特殊要求，中低坝可选用5~10m。
（三）棱体排水尺寸拟定
剖面拟定见下图：
棱体排水科降低浸润线，防止渗透变形，保护下游坝脚不受尾水淘刷，且有支撑坝体增加稳定的作用。
棱体顶部宽度取1~2m，顶部高程应超出下游最高水位的1m以上。
要避免在棱体上出现锐角。
详图如下：
三、渗流分析
（1）基本公式
上游坝面的边坡系数，如为变坡则取平均值；
上游水深，m；
K渗透系数，查规范取
；
上游水深，m；
下游水深，m；
q单宽流量，
；
（2）总渗流量计算
总渗流量：
已知河床宽约为190m，所以总渗流量
（2）浸润线方程的确定
渗流分析图如下：
浸润线坐标（单位：
m）
X
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Y
34.19
32.29
30.26
28.09
25.73
23.13
20.21
16.78
12.44
5.29
四、稳定分析
（1）用瑞典圆弧法：
计算步骤如下
1确定圆心、半径，绘制圆弧。
2将土条编号。
便于计算，土条宽度取b=0.1R（圆弧半径）。
3计算各土条重量。
4计算稳定安全系数。
（2）考虑地震力的稳定安全系数计算公式如下：
不考虑地震力的稳定安全系数计算公式如下：
土条重量，KN；
Q、V水平和垂直地震惯性力，KN；
u作用于土条底面的孔隙压力，
；
条块重力线与通过此条块底面终点的半径之间的夹角；
b土条宽度，m；
、
土条底面的有效应力抗剪强度指标；
水平地震惯性力对圆心的力矩，
；
R圆弧半径，m。
（3）圆弧滑动计算简图如下：
第三篇土石坝的地基处理
一、地基处理的要求
坝基处理的范围包括河床和两岸岸坡。
处理的主要要求如下：
（1）控制渗流，减少渗流坡降，避免管涌等有害的渗流变形，控制渗流量；
（2）保持坝体和坝基的静力和动力稳定，不产生过大的有害变形，不发生明显的均匀沉降，竣工后，坝基和坝体的总沉降量一般不宜大于坝高的1%；
（3）在保证坝安全运行的条件下节省投资。
二、岩基处理
（1）岩基处理要求
1．当岩基上的覆盖层较薄时，只需将防渗体座落在岩基上形成截水槽，隔断渗流即可；但对较高的土石坝，从防渗和稳定安全考虑，有时要挖除较大部分的覆盖层，将防渗体和透水坝壳都建在岩基上。
2.．防渗体与基岩的接触面要求结合紧密。
3．表层强风化、裂隙密集的岩石应挖除，将坝建在具有足够强度和整体性好并在渗流作用下不致产生严重渗透变形的岩层上。
（2）岩基处理的方法：
1、在岩面不平整或存在微小裂缝处，可通过灌浆、喷水泥砂浆或浇筑混凝土进行处理，防止表层裂隙渗水直接冲刷坝体。
2、基岩内部防渗处理的主要设施是帷幕灌浆，用以提高其不透水性、强度和完整性，减小渗流坡降，减少渗漏损失。
可利用廊道或平洞对全坝进行深孔帷幕灌浆。
3、对断层破碎带等不良地质构造，应着眼于了解其中填充物的性质和紧密程度以及两侧围岩的岩性，研究其抗渗稳定性和抗溶蚀性能。
三、砂砾石坝基处理
常见的砂砾石坝基，其河床段上部多为近代冲积的透水砾石层，具有明显的成层结构特性。
在这种坝基上即使建造高土石坝，其地基承载力一般也是足够的，而且压缩性不大。
在砂砾石地基上建坝的主要问题是进行渗流控制，解决的方法是作好防渗和排水。
处理方法：
1、垂直防渗设施
（1）粘性土截水槽。
（2）混凝土防渗墙。
（3）灌浆帷幕
垂直防渗措施包括：
（1）粘性土截水槽；
（2）混凝土防渗墙；（3）灌浆帷幕。
2、上游水平防渗铺盖：
（1）用粘性土料修筑铺盖与坝身防渗体相连接，并向上游延伸至要求的长度。
铺盖的作用是延长渗径，从而使坝基渗漏损失和渗流坡降减小至容许范围以内。
（2）当坝基覆盖层深厚，缺乏采用垂直防渗设施的条件或其造价昂贵难以实现时，应采用铺盖防渗。
（3）铺盖不能像垂直防渗设施那样可以完全截阻渗流，其防渗效果有一定限度，故多在中、小工程中使用，对高坝多和其他防渗设施配合使用。
3.下游排水设施包括：
（1）水平排水层；
（2）排水沟；（3）减压井；（4）透水盖重等。
这些设施可以单独使用，也可以综合使用。
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