粘土斜墙土石坝本科毕业设计.docx
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粘土斜墙土石坝本科毕业设计
粘土斜墙土石坝本科毕业设计
本科毕业设计
粘土斜墙土石坝
1.综合说明
1.1枢纽概况及工程目的
某水库工程是河北省和水利部“八?
五”重点工程建设项目之一。
该工程是以供水、灌溉、发电、养殖等综合利用为主的大型控制枢纽工程。
青龙河流域水量充沛,控制流域面积6340km2,,多年平均径流量9.6亿m3,是滦河流域较大的一条支流。
但由于降雨、径流的年际年内分配极不均匀,必须修建大型控制工程调节水量,丰富的水资源才能得以充分开发利用。
水库按满足秦皇岛市生活、工业用水和滦河中下游农业用水的需要设计,工程规模是:
正常蓄水位141m,调节库容7.09亿m3,水库库容系数0.77,水量利用系数为70%。
坝后式电站装机容量20Mw。
根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》SDJ12-78的规定,一期工程为二等工程,大坝为II级建筑物,正常应用洪水为100年一遇,非常运用洪水为1000年一遇。
辅助建筑物按Ⅲ级设计,临时建筑物按Ⅳ级设计。
1.2水库枢纽设计基础资料
1.2.1地形、地质
1地形:
见1:
2000坝址地形图。
2库区工程地质条件。
水库位于高山区,构造剥蚀地形。
青龙河侵蚀能力较强,沿河形成不对称河谷,由于构造运动影响,河流不断下切,形成岸边阶地、陡岸。
流域内地形北高南低,平均高程与500m,最高峰海拔1680m。
河道蜿蜒曲折,河谷宽度400~100m不等,河道比降1/400~1/600。
库区两岸基岩出露高程大部分在200米左右,库区左岸非可溶性岩层分布广泛,其中主要由绢云母、千枚岩、石英、砂质页岩组成。
透水性较小,也没有发现沟通库内外的大断层。
库区可溶性岩层分布于青龙河右岸,从隔水层分布、熔岩发育情况分析,水库蓄水后向邻近河流渗透的可能性很小。
经过对库区断层的分析,水库向外流域及下游渗漏的可能性很小。
库区外岩层抗风化作用较强,库岸基本上是稳定的。
3坝址区工程地质条件
位于坝区中部背斜的西北,岩层倾向青龙河上游,两岸山体较厚。
河床宽约300米,河床地面高程85m,河床砂卵石覆盖层平均厚度5?
7米,渗透系数K1×10-2厘米/秒。
水库坝址选在青龙河下游的山谷河段上,共选出2条坝线,经过比较,确定第一坝线,出露岩性为大红峪组石英砂岩与板状粉细砂岩互层,岩石坚硬、构造简单、渗透性小。
坝址区为剥蚀?
?
中低山地形,河流经坝址处急转弯向北流向下游,由于受乔麦岭背斜控制,岩层倾向上游,呈单斜构造状。
坝线区河谷呈不对称“U”字形,较开阔。
右岸下游形成半岛状,因河流侧向侵蚀,使右岸形成陡壁,近于直立,已查明的小段层有6-7条,软弱夹层有13条;左岸山坡平缓,覆盖着31m厚的山麓堆积物,有断层一条。
河床坝基岩石构造较为发育,开挖揭露出断层40余条,其中相对较大的有10多条。
4坝址区建筑物包括导流泄洪洞及枢纽电站。
Ⅰ导流泄洪洞
沿洞线周围岩石厚度大于三倍开挖洞径出口段已避开塌滑体的东边界,沿线岩层、岩性主要为粉砂岩、细砂岩及砾岩,岩石较为坚硬。
坚固系数FK4,单位弹性抗力系数K200kg/cm3,弹模E0.4×105kg/cm2。
透水性较大。
岩层倾向下游出口段节理发育,应采取有效措施予以处理,为进一步保证出口段岩体稳定,免除由内水压力引起的后果,建议该段修建无压洞。
Ⅱ灌溉发电洞及枢纽电站
灌溉发电洞及枢纽电站布置在右岸。
上坝线方案:
沿线基岩以厚层粉砂岩为主,岩石完整,透水性小,洞顶以上岩层厚度较小。
本建筑物位于南坪沟?
?
东凹沟古河道内岩面上有0?
5米厚的底砾岩及厚度不等的亚粘土层,电站厂房处岩石风化层厚度约5?
6米。
对其产生的渗漏及土体坍塌应采取必要的工程措施。
下坝线方案:
沿线全为基岩,工程比较简易可靠。
灌溉引水洞出口高程110m,闸首枢纽由一干、二干进水建筑物组成。
1.2.2水文与水利规划
1气象
根据资料统计,青龙河流域属季风型大陆性气候,冬季寒冷干燥,夏季炎热多雨。
多年平均气温约10℃,年绝对最低气温为-29.2℃,最高气温为38.7℃,月平均温度变化较大,离坝址较远的迁安站实测最高气温39℃。
多年平均降雨量为700mm,且多集中在夏季七、八月份。
全年无霜期约180天,结冰期约120天,河道一般在12月封冻,次年三月上旬解冻,冻层厚0.4?
0.6m,岸边可达1.0m。
多年平均最大风速23.7m/s,水库吹程为3km。
2水文分析
Ⅰ洪水
青龙河洪水由暴雨形成,据统计七~八月发生最大洪峰流量的机会占88%,而且年际变化很大,实测最大洪峰流量为2200秒立米1962年,最小洪峰流量184秒立米1965年,相差12倍,流域洪水峰高、历时短,陡涨陡落。
一次洪水持续时间一般3?
5天。
Ⅱ年来水量
青龙河流域年径流由年降雨产生,年径流在地区与时间上分布与年降雨量基本一致,但年际间变化悬殊,实测径流资料1929?
1983年共35年资料中丰水年1961年达21.34×104m3,枯水年1965年仅16.77×104m3,相似枯水年连续发生,多年平均径流量9.6×108m3。
实测径流资料如表1所示。
考虑到流域内人类活动对产流的影响,分别对未来规划年2000年和2020年流域内耗水量进行了预测,得到个规划年的径流系列,如表1所示。
根据径流年内和年际变化特征,分别选择1986年,2000年和2020年为设计水平年,
Ⅲ年输沙量
青龙河流域植被较好,泥沙来源在地区分布和洪水分布上一致。
主要是土门子与某之间,其间来沙量约占某以上总输沙量的95%以上,而汛期输沙量又集中在几次特大洪水上。
年际间泥沙量的变化悬殊。
由统计分析得知,某站多年平均淤沙量为389t,多年平均含沙量为4.0kg/m3,多年平均侵蚀模数为762.8t/km2。
从泥沙的组成情况来看,泥沙颗粒较粗,中值粒径为0.075mm,淤沙浮容重0.9t/m3,内摩擦角为12度。
Ⅳ水文分析成果表表1-1水文分析成果表
序号姓名单位数量备注
1利用水文系列年限352代表性流量多年平均流量立米/秒30.5?
调查历史最大流量立米/秒3400?
设计洪水洪峰流量P1%立米/秒3600?
校核洪水洪峰流量P0.1%立米/秒5200?
保坝洪水洪峰流量P0.01%立米/秒76003洪量设计洪水洪量P1%亿立米6.5五天校核洪水洪量P0.1%亿立米8.2五天
4多年平均年径流量亿立米9.65多年平均输沙量吨4311.2.3水利计算
Ⅰ死水位选择
为尽可能增加自流灌溉面积,并使电站水头适当加高,力求达到电源自给以及为今后水库淤积留有余地。
按二十年淤积高程,选定死水位104m。
Ⅱ调节性能的选定
灌溉保证率选取P75%,水库上游来水,首先满足灌区工农业用水,电站则利用余水发电,从年调节和多年调节两方案的水电量利用系数和坝高都相差不大,但是多年调节性能的水库能提供的电量和装机利用小时都较年调节性能水库提高20%。
故确定该水库为多年调节性能水库。
Ⅲ兴利水位的确定原则和指标
根据青龙河洪水特性,汛期限制水位在七、八月定为140.5米。
七、八月以后可重复利用一部分防洪库容蓄水兴利以不降工程防洪标准,以防洪兴利兼顾为原则,确定九、十月限制水位,提高为136.2米汛末可以多蓄水。
但蓄水位按不超超过百年设计洪水位考虑,确定汛末兴利水位为141米。
电站的主要任务是满足本灌区提灌用电的要求,因此在保证灌区工农业用水的基础上,确定电站的运用原则是灌溉季节多引水发电,非灌溉季节少引水发电,遇丰水年则充分利用弃水多发电,提高年水量的利用系数。
Ⅳ防洪运用原则及设计洪水的确定某水库属一级工程。
水库大坝建筑物按千年一遇洪水设计,万年一遇洪水校核。
由于采用的洪水计算数值中未考虑历史特大洪水的影响,故用万年一遇洪水作非常保坝标准对水工建筑物进行复核。
调洪运用原则:
入库洪水为百年一遇时,为提高下游河道的电站、桥梁等建筑物的防洪标准,水库控制下流量为2000秒立米。
当入库洪水为千年一遇时,溢洪道单宽流量以70每秒立米控制泄流。
当入库洪水为万年一遇时,按上述原则操作,即库水位接近校核水位时,水库水位仍继续上涨,为确保大坝安全,溢洪道敞开洪,允许溢洪道局部破坏。
Ⅴ水库排沙和淤沙计算
某水库回水长25公里,河道弯曲,河床比降为2.2%,河床宽300米左右,是个典型的河道型水库。
水库利用异重流排沙。
在蓄水过程中,只能用灌溉、发电有盈余水进行排沙,经计算,多年平均排沙量只占5.2%,94.8%的泥沙都要淤积在库区内侵占兴利库容。
淤沙高程为97.6m,堆沙库容为1.66×108m3。
Ⅵ水库工程特征值
A.枢纽下泄流量及相应下游水位
水库上游设计洪水位为142.0m,相应下游水位为92.0m,库容为8.32×108m3,溢流坝相应的泄量为15243m3/s;上游校核洪水位为143.3m,相应下游水位为92.4m,库容为8.70×108m3,溢流坝相应的泄量为19857m3/s;上游正常蓄水位为141m（与汛限水位同高）,相应下游水位为86.1m;死水位为90.0m,相应的库容为0.78×108m3;?
表1-2水库技术经济指标表
序号名称单位数量备注
1水库水位校核洪水位P0.01%米考虑淤积20年设计洪水位P1%米考虑淤积20年兴利水位米考虑淤积20年汛限水位米考虑淤积20年死水位米考虑淤积20年
2水库容积总库容亿立米5.05校核洪水位设计洪水位库容亿立米4.63序号名称单位数量备注防洪库容亿立米14.93?
兴利库容亿立米其中共用库容亿立米死库容亿立米?
3库容系数%?
4调节特性多年表1-3主要建筑物尺寸
序号名称单位数量备注
2导流泄洪洞型式明流隧洞工作闸前隧洞内径米8×8城门洞型压力隧洞8米消能方式挑流?
最大泄量P0.01%立米/秒22000最大流速米/秒闸门型式弧形门11扇启闭机型式300吨油
压启闭机?
检修门15×15.5斜拉门?
进口底部高程米90.0?
灌溉发电洞型式压力钢管
隧洞?
内径米6?
灌溉支洞内径米3?
最大流量立米/秒45?
进口底部高程131.64枢纽电站
序号名称单位数量备注型式引水式?
厂房面积平方米39×16.2?
装机容量MW3×10?
每台机组过水能力立米/秒12.01.2.4建筑材料及筑坝材料技术指示的选定
当地天然建筑材料分布在坝址地区上、下游河滩及两岸阶地。
其中,土料主要分布在庄窝、土谷子等七处,沙砾卵石料主要有南杖子、某等八处,各料厂的材料物理性质基本满足要求,可做大坝混凝土骨料及拱围堰。
1土料坝址上、下游均有土料场,储量丰富,平均运距小于1.5公里,根据155组试验成果统计,土料平均粘粒含量为26.4%,粉粒55.9%,砂粉17.6%,其中25%属粉质粘土,60.7%属重粉质壤土,14.3%属中粉质壤土,平均塑性指数11.1,比重2.75。
最大干容重1.67吨/立米,最优含水量20.5%,渗透系数0.44×10-6厘米/秒。
具有中等压缩性,强度指标见下页表。
2砂砾料主要分布在河滩上,储量为205万立米,扣除漂石及围堰淹没部分,可利用的约100?
151万立米,其颗粒级配不连续,缺少蹭粒径,根据野外29组自然坡度角试验,34组室内试验分析,统计成果如下:
自然么重1.87吨/立米,软弱颗料含量2.64%。
不均匀系数561颗,颗组成见下表:
颗料组成毫米%
表1-4颗粒组成
2008040205210.50.250.5
83.774.257.746.238.634.632.829.724.74.9砂的储量很少,且石英颗料少,细度模数很低,不宜作混凝土骨料,砂D2毫米的相对紧密度为0.895。
3石料
坝址区石料较多,储量可满足需要,溢洪道、导流洞出碴也可利用。
沙石料厂设在水库下游13km的鹿尾山,大杨庄、薛庄,总储量1176万m3.
4筑坝材料技术指标的选定本工程经过试验,并参考有关文献资料及其他的工程的经验,最后选定其筑坝材料的各项技术指标。
表1-5砂砾料强度指标1
试验方法统计方法剪力
度C公斤/公分2
饱合固结快剪
25组
饱合固结快剪
82组算术平均23.270.280
算术小值平均20.960.193
算术平均21.540.293
快剪
18组算术小值平均21.30.293
值平均1.30.293
值小值平均21.00.194
算术平均22.680.583
算术小值平均20.030.356
值平均22.50.583
值小值平均23.80.356
快剪8组算术平均28.80.451
算术小值平均25.750.293
值平均29.00.451
值小值平均28.70.293
三轴不排水剪10组三轴不排水剪6组总应力小值平均200.288
有效应力小值平均25°20?
0.13
总应力小值平均13°30?
0.28
有效应力小值平均25°20?
0.08
三轴饱合固结不排水剪6组总应力小值平均18°20?
0.42
有效应力小值平均22°30?
0.35表1-6砂砾料强度指标2
试验方法统计方法剪力
（°）C公斤/厘米2
野外自然坡度角29组算术平均35°7?
算术小值平均31°2?
室内
剪力试验算术平均31.1°算术小值平均29.1°算术平均31°算术小值平均29°筑坝土料统计国外9座粘料含量20?
30%的高坝21°,C0.4公斤/厘米2左右,国内建国初期建成的坝选用指标一般较低,但近期建成的坝一般在25℃左右初始孔隙水压力系数一般在0.3?
0.4。
我国岳城水库施工期采用0.21。
据此采用的技术指标见下表。
砂砾料的强度指标,试验结果与实际出入较大,统计国内12座水库资料,平均值在32°以上,特别是最近建成的横山38°?
39°;毛家村37°,美国“土与土石坝”一书推荐,当相对紧密度D0.7时,34°?
35°,鉴于本地砂砾料级配不好,故选用310.
堆石指标一般值在39°?
45°之间,统计国外9座砂岩地区筑坝石料平均值为39.1°,我国狮子滩堆石坝试验为36°?
45°,取用39°50?
故本工程取用值40°。
左岩黄土台地Q2压缩系数SS0.025,起始孔隙比e00.725,平均料径D500.1mm。
1.3坝型选择
该坝区宜建黏土心墙坝或黏土斜墙坝,具体那一种进一步比较论:
心墙坝要求心墙与坝壳大体同时填筑,干扰大,一旦建成,难修补。
斜墙坝防渗体置于坝剖面的一侧,其优点是斜墙与坝壳之间的施工干扰相对较小,在调配劳动力和缩短工期方面比心墙坝有利。
坝的稳定性较高,墙后整个坝体对坝的稳定性都起作用,坝体传给地基的压力比较均匀,分期施工方便,第一期工程量少。
经综合考虑该坝型为:
黏土斜墙坝。
1.4坝线比选
灌溉发电洞及枢纽电站布置在右岸。
上坝线方案:
沿线基岩以厚层粉砂岩为主,岩石完整,透水性小,洞顶以上岩层厚度较小。
本建筑物位于南坪沟?
?
东凹沟古河道内岩面上有0?
5米厚的底砾岩及厚度不等的亚粘土层,电站厂房处岩石风化层厚度约5?
6米。
对其产生的渗漏及土体坍塌应采取必要的工程措施。
下坝线方案:
沿线全为基岩,出露岩性为大红峪组石英砂岩与板状粉细砂岩互层,岩石坚硬、构造简单、渗透性小,工程比较简易可靠,灌溉引水洞出口高程110m,闸首枢纽由一干、二干进水建筑物组成。
故选用下坝线方案。
2.大坝剖面基本尺寸确定
2.1坝顶高程
2.1.1正常蓄水位情况下的坝顶超高（）
R+e+A（2-1）
（2-2）
1R-----波浪爬高,m。
按蒲田试验站统计分析公式计算,先计算平均爬高,平均爬高按按下式计算:
（2-3）
0.0018（2-4）4.0（2-5）
式中:
-----------与坝坡的糙率和渗透性有关的系数,本设计采用砌石护面,查教材《水工建筑物》表5?
1得:
0.75~0.80,取K0.78;
H------沿水库吹程方向的平均水域深度,初拟时,可近似取坝前水深,m;H141-8556m;
----经验系数,由风速V23.7m/s,坝前水深H56.0m及及重力加速度g9.81m/s2组成的无维量1.477,查教材《水工建筑物》表5--2得1.02
V-----风速,正常运用条件下的II级坝采用V1.51.5×15.823.7m/s
-----折减系数,取风向与坝轴线垂直的夹角为00,查教材《水工建筑物》表5-4可知:
1
m----坝坡系数,为坝坡倾角,初拟时取m3.0;
D-----水库吹程,m;由本设计资料查得D3000m;
----平均坡高,0.0018×
-------波浪平均周期;
---平均波长,假设,故为深水波;
----平均爬高:
波浪设计爬高R按建筑物的级别确定,对于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土石坝取保证率P1%的波浪爬高值,该土石坝等级属于II级,故P1%。
根据0.1643,H56m得/H0.1643/560.00294查教材《水工建筑物》表5-3得R/2.23
则:
R2.23×2.23×0.32670.728
2e------风壅水面超出库水位的高度,m;
K-----平均摩阻系数,;
β-----风向与坝轴垂线的夹角;
H----平均水深,坝前水深为56m,
e=
3A---安全加高,根据坝的等级和运用情况查教材《水工建筑物》表1-11则:
A0.7m,则正常运用情况下坝顶超高为:
R+e+A0.728+14.1×10+0.71.442m
2.1.2非常运用条件下的坝顶超高（）
1R――波浪爬高,按蒲田试验站公式计算:
V=15.8m/s
0.0018×=0.612m
0.7693
按P=1%,=2.23
则:
R=2.23=2.23×0.461.7155m
（2）e------风壅水面超出库水位的高度,m;
e=
（3）A――安全超高,查表得A=0.5m
则:
非常运用情况下坝顶超高为:
=R+e+A=1.7155++0.5=2.22m
2.1.3坝顶高程的确定及坝高的确定
由于正常蓄水位为141m,校核洪水位为143.3。
Y求得后,坝顶高程应分别按以下二种情况计算,并取最大值:
坝顶高程==145.52m
坝体施工沉陷超高,本设计取坝高的0.4%,即56×0.4%0.224m
考虑到上游坝段设置1.2m高的防浪墙,用防浪墙顶部高程代替坝顶高程,则坝高为:
145.52+1.2-85+0.224=60.496m,考虑到防渗体与坝面间的厚度应大于最大冻土厚度,则取坝高为61m。
则坝顶高程=85+61=146m
2.2坝顶宽度
《碾压式土石坝设计规范》SDJ218-84规定,如无特殊要求时,高坝最高宽度为10~15m,中、低坝为5~10m,此坝属中坝且无特殊要求,则确定坝顶宽度为8m。
2.3坝坡及平台（马道）
2.3.1坝坡
参考已建工程,初拟上游坝坡为:
1∶3.0;下游坝坡为:
1∶2.5。
在下游变坡处设平台,宽2.0m,以拦截并排除雨水,防止严重冲刷坝面,并兼做交通、检修、观测之用,也有利于坝坡稳定,下游平台设集水沟。
见图2-2。
2.4防渗体
本设计防渗体初步确定采用土质防渗体,即黏土斜墙防渗体。
斜墙位于坝体内靠近上游面,顶部不小于3.0m,底部不宜小于大坝水头的1/5。
顶部4.4m,底宽24.12>85×1/517,斜墙顶高出设计洪水位0.6~0.8m,本设计取0.7m,即为56.0+0.756.7m,斜墙上游边坡为1:
2.75,下游边坡为1:
2.25。
斜墙顶部和上游设置砂砾保护层,其厚度（146-85-1.2-56.7）=2.1m,大于多年平均最大冻土厚度0.6m。
斜墙上下游均设过滤层,过滤层为0.4m厚的粗砂。
见图2-3。
2.5排水设备
本设计采用棱体排水,棱体顶面应高出下游最高水位,超出高度应大于波浪爬高且对II级坝不小于0.5米,并应保证坝体浸润线位于下游坝面冻层以下。
确定棱体顶面高程93.5m,顶宽2m,棱体内坡为1∶1.5,外坡为1∶2.0。
见图2-4。
2.6地基处理
此坝基沿线全为基岩,对基岩地基处理参数可参见混凝土坝,主要是保证地基渗流稳定,控制渗流量。
本设计初步采用黏土截水槽,与黏土斜墙连成整体,其上部厚度与斜墙底部厚度相同为24.12m,下部宽度取为10.12m槽底开挖齿墙,以加强截水槽与基岩的连接,截水槽开挖边坡为1∶1。
3.渗流计算
图3-1大坝平面图单位m
渗流计算时,水库运行中出现的不利条件,即基本工况如下:
1上游校核洪水位143.3m,下游相应水位92.4m
2水位降落时的渗流计算。
本设计仅对第1种工况做渗流计算。
3.1上游校核洪水位143.3m下游相应水位92.4m的渗流计算
3.1.1分段情况
根据坝轴线地质剖面图的地形,地质情况,沿坝轴线分三段进行计算,中间段为河床平均宽的范围,在其中选取1-1段面进行渗流计算;左段的地形在此选取断面2-2进行渗流计算;同法在右岸选取断面3-3,进行渗流计算。
3.1.21-1断面的渗流计算
1计算简图如图所示
图3-21-1断面剖面图（单位:
mm）
2单宽渗流量:
用下式计算通过斜墙和截水墙的单宽流量3-1
h:
斜墙后渗水深。
已知斜墙渗透系数;坝前水深H1=143.3-85=58.3m,地基厚度T=14m,斜墙的平均厚度为:
截水槽的平均厚度将δ、K0、H1、T等代入上式有:
用下式计算通过斜墙下游坝体和坝基的单宽流量:
q2Kf2h3-2
已知坝体渗透系数K=5.79×10-2cm/s;坝基厚度T=14m;H2=7.4m;m2=2.5;渗径长:
代入上式有:
5.79×10-4f2h
根据水流连续条件有q1q2,联立求解得:
h=式中取:
K=1.0×10-7cm/s
代入上式有:
h=3.535m
则单宽流量:
0.3/（s?
m）
3绘制浸润线:
浸润线近似为一直线,见图。
3.1.32-2断面的渗流计算
1计算简图如图所示。
图3-32-2断面（单位:
mm）
2单宽流量:
上游水位143.3m,下游无水,坝底高程为112.4m,无排水设备,用下式计算通过斜墙的单宽渗流量:
3-3
已知斜墙的渗透系数:
下游水深H1=
7.4m,
代入上式:
通过下游坝体的单宽流量按下式计算:
坝体渗透系数为,计算长度:
由得:
h=0.285m
则单宽流量:
/s?
m
3逸出调度及浸润线绘制:
已知:
/s?
m,
m23.0代入上式有:
按下式绘制浸润线:
y
代入已知数据有:
y
在0~161.9m之间假定一系列x值,求得相应的y值,列于表5-1中,将表中x,y值绘制于图5-22-2断面图上并连成曲线变为坝体浸润线。
坐标原点在下游表3-1:
表3-1浸润线坐标
xm020406080100120140160161.9
ym0.00050.07870.1110.1360.1570.1760.1930.2080.2230.224
3.1.43-3断面的渗流计算
1计算简图如图3-3所示
图3-43-3断面（单位:
mm）
2单宽流量:
上游水位143.3m,
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