水工建筑物土石坝设计.docx
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水工建筑物土石坝设计
四川大学
课程设计报告
题目
土石坝设计
专业
班级
学号
姓名
指导教师
水利水电学院
二〇一四年十二月
第一章、设计基本资料
拟建的朝阳水库工程区位于开县赵家镇朝阳村境内，属长江上游小江水系浦里河朝阳沟支流。
水库距离开县县城28.7km。
1.1工程任务及规划数据
本水利枢纽以灌溉为主，兼顾防洪。
设计灌溉面积为0.85万亩，设计放水流量0.8m3/s。
根据兴利及调洪演算，确定出该水库规划指标为：
水库正常蓄水位：
374.5+0.7*8=380.1m时相应有效库容186.48万m3；30年一遇设计洪水位：
375.2+0.7*8=380.8m（溢洪道最大下泄流量约20m3/s）；300年一遇校核洪水位：
376.1+0.7*8=381.7m时相应总库容218.44万m3（溢洪道最大下泄流量32m3/s）；水库死水位362.00m。
1.2地形地质条件
坝址处河谷断面河床宽度约20～30m，两岸岸坡基本对称，坡角约35°。
河床基岩高程350m，岩基为弱风化岩层，k=0.8×10-6cm/s。
地基表面高程354.6m，高程350m～354.6m为砂砾石覆盖层。
（351+0.9*4=354.6m）.地形地质情况详见图纸。
1.3水文气象
水库集雨面积为3.67km2，流域属于亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨量充沛。
多年平均降雨量1236.4mm，多年平均径流深590.0mm。
库区汛期多年平均最大风速10.5m/s，方向垂直坝面，水库吹程0.3km。
1.4天然建筑材料
工程区附近土料及天然沙砾石、块石、石渣料均较为丰富。
上游1～1.5km范围内可供开采的土料，主要为棕红色砂质粘土，粘性很强，是很好的防渗材料，总储量约9万m3；坝址下游1～2km范围内有约6万m3的石料可供开采，该石料主要为石英砂岩；在坝址下游2～2.5km范围内有丰富的石渣料，储量约10万m3。
砂砾石覆盖层及天然材料物理力学性质见表1。
1.5其他资料
当地有较丰富的土石坝施工经验，缺少混凝土坝施工经验。
工程单价可按下式估算：
粘土填筑30元/m3；干砌块石88元/m3；石渣料填筑45元/m3；土石方开挖20元/m3。
表1天然材料物理性质表
参数
材料
湿容重
（KN/m3）
饱和容重
（KN/m3）
浮容重
（KN/m3）
渗透系数（cm/s）
非饱和固结快剪
饱和固结快剪
C（KPa）
φ（度）
C（KPa）
φ（度）
砂砾石覆盖层
18.8
20.0
10.0
1.6×10-2
/
29.2
/
27.2
粘土
20.0
20.2
10.2
4.73×10-6
22.3
17.6
18.4
15.7
石渣料
20.5
21.4
11.4
7.2×10-4
29.8
31.6
25.6
29.4
块石体
18.1
20.2
10.2
8.0×10-2
/
34
/
33
1.6设计任务
（1）根据提供的设计资料和图纸，确定较为合理可行的枢纽布置，即确定大坝、泄水建筑物、取水建筑物等枢纽建筑物的布置。
由于时间关系，大坝选定为土石坝，在此基础上确定泄水建筑物、取水建筑物的位置及形式。
（2）通过坝型方案比较，确定推荐坝型，并对推荐坝型进行计算分析和详细设计。
1.7提交成果
（1）设计说明书（包括计算原理）一份。
论述枢纽布置；论证坝型选择并进行材料分区布置；计算坝顶高程；进行正常水位时的渗流计算，包括渗流量、浸润线和渗透变形分析；进行正常水位工况时下游坝坡一个滑移面的稳定分析；论述主要构造与尺寸，论述地基处理措施。
（2）设计图纸两张（2号图）
枢纽平面布置图一张；土石坝横断面设计图一张，包括坝顶、护坡、马道、排水设备和坝基防渗等的细部构造。
1.8参考资料
SL252—2000《水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准》
SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》
SL189—96《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》
第二章、工程等别及建筑物级别
根据水利水电工程等级划分依据，综合考虑水库的总库容、防洪库容、灌溉面积、电站的装机容量等，工程规模有库容决定，此水库工程的正常蓄水位时有效库容186.48万m3，校核洪水位时相应总库容186.48万m3，灌溉面积为0.85万亩，查参考资料可得其工程等别为Ⅳ，工程规模为小
（1）型。
又由水工建筑物的级别划分依据得知，该类小
（1）型的主要水工建筑物为4级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级。
第三章、坝型选择及枢纽布置
3.1、坝型选择
（一）坝型选择论证
所选的坝轴线处河床冲积层较深，两岸风化岩石透水性大，基岩为弱风化岩层，强度较低，地基到地表为砂砾石覆盖层，地基不完整。
从地质条件看不宜建拱坝。
较高的混凝土重力坝要求修建在岩石基础上，且当地缺少混凝土坝施工经验，因此也是不可行的。
而土石坝适应地基变形能力较强，对地基的要求较低；从当地的材料来看土石材料比较丰富，况且土石坝有就地取材特点；当地有较丰富的土石坝施工经验，为修建土石坝提供了施工基础。
通过各种不同的坝型进行定性的分析比较，综合考虑地形条件、地质条件、建筑材料、施工条件、综合效益等因素，最终选择土石坝的方案。
（二）枢纽组成建筑物
（1）、挡水建筑物;土石坝。
（2）、取水建筑物;取水隧洞。
（3）、泄水建筑物;该工程兼顾防洪，故其包括泄洪隧洞和冲沙放空洞，均与导流隧洞结合。
3.2、枢纽总体布置
1、挡水建筑物─土石坝；挡水建筑物按直线布置，坝布置在河弯地段上。
2、取水建筑物—取水隧洞；进行灌溉的取水采用隧洞形式，取水口布置在凸岸，隧洞出口与总干渠相连接。
3、泄水建筑物—泄洪隧洞；泄洪采用隧洞方案，为缩短长度、减小工程量，泄洪隧洞布置在凸岸，这样对流态也较为有利，考虑到引水发电隧洞也布置在凸岸，泄洪隧洞布置以远离坝脚和厂房为宜。
综合考虑各方面因素，最后决定枢纽布置如地形图所示。
第四章、大坝设计
4、1、土石坝坝型的选型
影响土石坝坝型选择的因素很多，最主要的乃至起决定性的是附近的筑坝材料，还有地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理等。
应选择几种比较优越的坝型，拟定剖面轮廓尺寸，进行比选工程量、工期、造价、最后选定技术上可靠，经济上合理的坝型。
均质坝：
材料比较单一，施工简单，但坝身粘性较大，断面大，用料多，填筑施工易受将于和冰冻的影响。
除此之外，该坝址处无足够适宜的土料来作均质坝（坝址附近可筑坝的土料只有9万m3，远远不能满足要求），因此均质坝方案不可行。
堆石坝：
坝坡较陡，工程量减小。
堆石坝施工干扰相对较小。
坝址附近有储量为6万m3的石料，其主要为石英砂岩，开采条件较好，可作为堆石坝石料，从材料角度可以考虑堆石坝方案。
但是由于河床地质条件较差，岩基为弱风化岩层，如果用堆石坝可能导致大量的开挖，此方案不予考虑。
塑性心墙（以砂砾料作为坝壳，以粘土料作防渗体设置在坝剖面的中部作心墙，与斜墙坝相比工程量相对较小，适应不均匀变形，抗震性能较好，但要求心墙粘土料与坝壳沙砾料同时上升。
从筑坝材料来看，由于坝址上游1~1.5km内有可供开采的筑坝的土料9万m3，其粘性很强，是很好的防渗材料，可作防渗体之用；又坝址下游1~2km范围内有约6万m3的石英砂岩和10万m3的石渣料作为坝壳，由此可知心墙坝是可行的，因而最终采用斜心墙坝的方案。
4.2、大坝轮廓尺寸的拟定
大坝剖面轮廓尺寸包括坝顶高程，坝顶宽度、上下游坝坡、防渗体等排水设备。
1、坡顶高程
坝顶高程分别按设计工况、校核工况来计算大坝的高程，最后计算出数据取最大值，同时并保留一定的沉降值。
坝顶高程在水库正常运用和非常─运用期间的静水位以上应该有足够的超高，以保证水库不漫顶，其超高值y按下式而定：
y=R＋e＋hc
式中R───波浪在坝坡上的设计爬高（m）；e──最大风壅水面高度；
hc──安全加高（m），根据坝的等级及运用情况按下表选用
土石坝坝顶的安全超高值：
运用情况
坝的级别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ、Ⅴ
设计
1.5
1.0
0.7
0.5
校核（山区丘陵区）
0.7
0.5
0.4
0.3
最大风雍水面高度按下式计算
式中K—综合摩阻系数，取3.6×10-6；
—为计算风速（m/s），本设计为多年平均最大风速10.5m/s；D─风区长度（m），D=0.3km=300m；
─风向与坝轴线的法线方向所成的夹角，因风向垂直于坝面，故
=0°；
—坝前水域的平均水深，可查地形剖面图得。
平均波浪爬高Rm可按下述公式计算：
式中：
───坝坡的糙率渗透性系数，块石为0.75～0.8；
—经验系数，按《水工建筑物》取1.0。
──平均波高与平均波长，选用《水工建筑物》公式计算可得；m—边坡系数，据经验取2.5。
坡顶高程计算成果表
计算情况
计算项目
设计情况
校核情况
上游静水位（m）
380.8
381.7
河地高程（m）
350
坝前水深Hm（m）
380.8－354.6=26.2
381.7－354.6=27.1
风区长度D（m）
300
风向与坝轴线夹角
0°
风浪引起坝前雍高e（m）
0.000522
0.000224
风速
（m/s）
1.5×10.5=15.75
10.5
平均波高
（m）
0.18
0.11
平均波长
（m）
4.49
3.0
护坡粗糙系数
0.8
上游边坡系数
2.5
波浪沿坝坡爬高（m）
0.27
0.17
安全超高A（m）
0.5
0.3
坝顶高程（m）
381.57
382.17
坝顶高程加0.4%沉陷（m）
383.10
383.70
坝顶高程结果取两者之大者，并预留一定的沉降值.结果见下表，设计竣工时坝顶高程为383.70m.所以坝高为383.70－354.6=29.1m.
2、坝顶宽度
坝顶宽度主要取决于交通需要、构造要求和施工条件，同时还要考虑防汛抢险、防空、防震等特殊需要。
坝顶的最小宽度按下面的方法确定：
当坝高H小于lOOm时，坝顶最小宽度Bmin取为H／10，并不小于3m；本设计坝高为29.1m故拟定坝顶宽度为5.0m。
3、坝坡设计
土石坝的坝面坡度取决于坝高、筑坝材料性质、运用情况、地基条件、施工方法及坝型等因素。
其范围大致在1：
2~1：
4之间。
当坝较高时，可每隔8-15m变一次坡，相邻坡率差取0.25-0.5，变坡处下游通常设置1.5—2.0m宽的马道。
在满足稳定要求的前提下，应尽可能使坝坡陡些，以减小坝体工程量。
根据规范规定与实际结合，上游坡率取1:
3.0。
此坝高度不大，可仅在下游设置变坡，下游上部坡度1:
2.5，下部坡率1:
3.0。
在下游坝坡改变处，设置2m宽的马道以使汇集坝面的雨水，防止冲刷坝坡，并同时兼作交通、观测、检修之用。
4、坝体排水
坝体浸润线位置不高，没有必要降低坝体浸润线，故采用贴坡排水。
此种排水形式石料用量少，施工方便，便于检修。
排水层厚度取为0.5m，顶部按规范要求高出浸润线逸出点1.5m。
5、大坝防渗体
大坝防渗体的设计主要包括坝体防渗和坝基防渗两个方面.
（1）、坝体的防渗
坝体防渗的结构和尺寸必须满足减小渗透流量、降低浸润线控制渗透坡降的要求，同时还要满足构造、施工、防裂、稳定等方面的要求.该坝体采用粘土心墙，心墙的顶部宽度取为4m（满足大于3m机械化施工要求），粘土斜心墙的上游坝坡的坡度为1:
0.15～1:
0.25之间，本设计取为1:
0.15，底宽为5+（380.8-354.6）*0.15*2=12.86m。
心墙的顶部高程以设计水位加一定的超高（超高0.6m）并高于校核洪水位为原则，最终取其墙顶高程为380.8m，墙顶的上部预留有0.5m的保护层。
（2）、坝基防渗体
坝址河床的砂砾石层深度不是很大，垂直防渗设置截水槽。
截水槽贯穿整个河床并延伸至两岸。
截水槽底宽由回填土料（与大坝防渗体相同）的允许渗透坡降确定。
则底宽为，取为5.0m（大于机械施工的最小宽度3.0m），边坡坡度选为1：
1.2。
第五章、渗流计算
土石坝的渗流计算主要确定坝体的浸润线的位置，为坝体的稳定分析和布置观测设备提供依据；同时确定坝体与坝基的渗透流量，以估算水库的渗漏损失，而且还要确定坝体和坝基渗流区的渗透坡降，检查产生渗透变形的可能性，以便取适合的控制措施。
5.1、计算方法
（1）选择水力学法解土坝渗流问题。
假定渗透水流为渐变流，过水断面上各点渗透坡降和渗透流速都是相等的，将坝体分为若干段，根据坝内各部分渗流状况的特点，应用达西定律近视解土坝渗流问题。
计算如下：
.由于沙砾料渗透系数较大，防渗体又损耗了大部分水头，逸出水与下游水位相差不是很大，认为不会影响逸出高度；对于岸坡断面，下游水位在坝底以下，水流从上往下流时由于横向落差，此时实际上不是平面渗流，但计算仍按平面渗流计算，近视认为下游水位为零。
由于河床冲积层的作用，岸坡实际不会形成逸出点，计算时假定浸润线末端即为坝址。
5.2、计算断面及计算情况的选择
对河床中间断面I—I
（1）,及左右岸坝肩处的两典型特殊断面II—II
（2）、III—III（3）进行渗流计算，计算主要针对正常蓄水及设计洪水时进行。
5.3、计算结果：
计算情况
计算项目
正常情况
设计情况
上游水深
1
25.2
26.2
2
16.0
14.9
3
6.6
4.7
下游水深
（m）
1
0.1
0.2
2
0
0
3
0
0
逸出水深h（m）
1
7.98
8.30
2
6.174
5.536
3
1.960
2.445
渗流量q（m3/d.m）
1
0.248
0.131
2
0.064
0.069
3
0.009
0.051
总渗流量Q（m3/d）
12.05
14.18
5.4、成果分析与结论
该坝的总渗流在正常蓄水时为12.05m3/d，设计洪水时为14.18m3/d，与同类工程相比是很小的，说明把基本不会存在什么渗漏问题，设计合理。
第六章、稳定分析计算
6.1、计算方法
在正常水位工况时（稳定渗流期）取下游坝坡的一个滑移面核算土石坝的稳定。
斜心墙坝的下游坝坡滑动时形成近于圆弧形滑动面。
运用瑞典圆弧法（不考虑土条间的作用力）计算土坡出最小安全系数，并据此确定出土坝的滑移面。
6.2、计算结果
下游坝坡圆弧滑动面计算结果如下所示：
由计算所得滑动安全系数Kmin=1.38，大于1.25，故其正常水位工况时安全系数满足设计要求。
6.3、稳定成果分析
由于下游坡较缓，正常情况Kmin=1.38，坝的稳定安全系数满足要求，维持原拟订的剖面。
第七章、基础处理部分
7.1、河床部分
砂砾石地基主要是解决渗流问题。
可分为垂直防渗和水平防渗。
（1）垂直防渗控制方案可以参照第四章讲到的坝基防渗体。
【坝址河床的砂砾石层深度不是很大，垂直防渗设置截水槽。
截水槽贯穿整个河床并延伸至两岸。
截水槽底宽由回填土料（与大坝防渗体相同）的允许渗透坡降确定。
则底宽为，取为5.0m（大于机械施工的最小宽度3.0m），边坡坡度选为1：
1.2。
】
（2）水平防渗控制方案。
由于站址处粘土的渗透系数为4.73×10-6cm/s，大于铺盖填土要求的渗透系数1.0×10-6cm/s，故不能使用该地材料进行铺盖防渗。
7.2、坝肩处理
坝肩两岸为覆盖层及弱风化岩层，深约4m，承载力较好，但是透水性较差，故坝肩处理的主要任务也是防渗。
可以采用帷幕灌浆提高岩层的不透水性，减少坝基的渗漏量。
第八章、细部构造设计
8.1、坝的防渗体，排水设备
具体的防渗措施按照上面的设计为主；下游戗道设置排水沟，并在坝坡设置横向排水沟以汇集雨水，岸坡与坝坡交接处也设置排水沟，以汇集岸坡雨水，防止雨水淘刷坝坡。
8.2、护坡设计
上游护坡用砌石，因其抵御风浪的能力较强，下游坝面直接铺上20cm的石料作为护坡。
上游护坡上做至坝顶，下做至死水位以下362m。
8.3．坝顶布置
坝顶设置碎石路面，坝顶向下游设1%横坡以便汇集雨水，并设置纵向排水沟，经坡面排水排至下游，坝顶设置拦杆以便安全。
第九章、泄水建筑物设计
9.1、泄水方案选择
坝址地带河谷较窄、山坡陡峻、山脊高，经过比较枢纽布置于河弯地段。
由于两岸山坡陡峻，无天然垭口。
如采取明挖溢洪道的泄洪方案，开挖量较大，造价较高，故采用了隧洞泄洪方案。
隧洞布置于凸岸（左岸）。
9.2、隧洞选择与布置
枢纽布置于河弯地段。
从地形上来看隧洞应当布置于凸岸，这样不仅工程量省，而且水力条件也较好。
从地质来看这个此处除表面有一层弱风化岩外，.下部大部分为坚硬的岩石，强度较高，岩体中夹杂着几条破碎带，但走向大都与隧洞轴线成较大的角度。
因此将泄洪洞布置于右岸凸出的山梁里面。
9.3、隧洞的体型设计
（1）隧洞的的形式
由于进口岸坡地质条件较好，岩体完整，岸坡稳定，坚固，因而采用竖井式进口，井底设置闸门，顶部安装启闭设备。
设为喇叭口，闸门型式及尺寸。
工作及检修闸门均采用平板门，设在进口处，闸门宽3m，高为4.5m。
（2）、洞身断面型式和尺寸
本无压隧洞采用城门洞型断面。
水流流经进口段后拟定洞宽不变，高度渐变为4.0m，渐变段长度为3m。
圆拱中心角选180°，半径取1.5m，直墙高度为2.5m。
（3）、出口消能段。
隧洞出口高程定为365.0m，由于下游出口离大坝较远，较大的冲坑不致影响坝的安全，下游也没有需要特别保护的建筑物，且地质条件容许。
因而采用挑流消能。
由于隧洞出口宽度小，单宽流量集中，因而在出口设置扩散段。
挑角取
°，因出口为平段，为了水流能平顺挑出采用了较大的反弧半径R=50m。
（4）、隧洞水力计算
设计洪水位：
380.8m；下泄流量：
20m3/s；校核洪水位：
381.7m；下泄流量：
32m3/s。
因在宣泄校核洪水时也要满足各项要求。
因而对校核情况进行水力计算。
为不影响遂洞的泄流能力，隧洞应做成陡坡。
坡度太大施工不便，底坡取i=0.06。
（5）、隧洞的细部构造
洞身衬砌,工程为无压泄洪隧洞采用城门洞形断面，整体式单层混凝土衬砌。
衬砌厚度，取1/12洞径，最后取0.2m。
衬砌分缝、止水,为适应施工能力、防止混凝土干缩和温度应力而产生的裂缝，沿洞轴线方向设置永久性横向伸缩缝，分缝间距为10.0m，缝间设止水。
为防止不均匀沉陷而开裂，衬砌突变处设横向沉降缝。
灌浆,洞顶部进行回填灌浆，充填围岩与衬砌的空隙，使之紧密结合，共同工作，改善传力条件和减少渗漏.对围岩进行固结灌浆，提高其整体性，保证围岩的弹性抗力，减少渗漏。
回填灌浆与固结灌浆孔间隔布置。
掺气槽,在反弧段前沿及其后设置掺气槽，向水流边界通气，提高低压区的压力，缓冲气泡溃灭时的破坏作用。
第十章、取水建筑物设计
10.1、取水方案的选择与布置
观察地形图可知，左岸山体坡度陡峭，地质条件稳定，可以采用隧洞取水方案。
为了节省工程量，缩短隧洞长度，故将其布置在凸岸。
工作闸门设置在进水口处。
10.2、隧洞的体型设计
引水流量为0.8m3/s，仍做为竖井式无压隧洞，洞身仍采用城门洞型断面。
根据以往工程经验，取隧洞的坡降为i=0.003，且采用混凝土护面，查得糙率系数n=0.017。
取隧洞宽度为1.6m，高度为2.0m，圆拱段半径为0.8m。
假设水流只在直线流动，则其水深为h=1.2m。
取水口位置，因为该水库的死水位为362m，为了满足在死水位时能够满足设计流量，洞口应该在死水位以下，设洞口在死水位以下0.7m，即高程为361.3m。
校核在此水位能否取到引水流量。
由公式
，已知
，b=1.6m，Q=0.8m3/s，
=0.5m，
为闸门开度，经试算
=0.48597，故闸室开度为0.48597时可以取到设计流量，所以取水口在水下0.7m满足要求。
第十一章、工程经济计算
一、土石填筑量计算
1、粘土料填筑方量
坝体横断面面积：
m2，
截水槽断面积：
m2，则粘土的最大填筑方量为：
（174.7+42.84）×140=30455.6m3，因其类似于一个锥体，取其最大填筑方量的1/3,
故有粘土填筑方量为：
m3。
2、石渣料填筑方量
横断面面积：
m2，
石渣料最大填筑方量：
1647.02×140=230582.8m3，取其1/3,则有石渣料填筑方量为：
m3。
3、干砌块石填筑量
横断面面积：
m2，干砌块石最大填筑方量：
107.8×140=15102.8m3，取1/3，为15102.8÷3=5034.3m3。
4、土石方开挖量
据地形图可知，最大截面上开挖量为19.7m2，则总的最大开挖量为：
19.7×140=2758m3,取1/3有：
2758÷3=919.3m3。
二、工程造价估算
总造价
元。
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