土石坝设计.docx

土石坝设计.docx

《土石坝设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土石坝设计.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

土石坝设计

土石坝设计计算说明书

一、基本资料

1.1工程概况

S水库位于G县城西南3公里处的S河中游，该河系睦水的主要支流，全长28公里，流域面积为556平方公里，坝址以上控制流域面积431平方公里；沿河道有地势比较平坦的小平原，地势自西南向东由高变低。

河床比降3‰，河流发源于苏塘乡大源锭子，整个流域物产丰富，土地肥沃，下游盛产稻麦，上游蕴藏着丰富的木材、竹子等土特产。

由于S河为山区性河流，雨后山洪常给农作物和村镇造成灾害，另外，当雨量分布不均时，又易造成干旱现象，因此有关部门对本地区作了多次勘测规划以开发这里的水利资源。

1.2枢纽任务

枢纽主要任务以灌溉发电为主，并结合防洪、航运、养鱼及供水等任务进行开发。

根据初步规划，本工程灌溉面积为20万亩，装机7200千瓦。

防洪方面，由于水库调洪作用，使S河下游不致洪水成灾，同时配合下游睦水水利枢纽，对睦水下游也能起到一定的防洪作用，在流域900m3/s。

在航运方面，上游库区能增加航运里程20公里，下游可利用发电尾水等航运条件，使S河下游四季都能筏运，并拟建竹木最大过坝能力为25吨的筏道。

1.3地形、地质概况

1.3.1地形情况

库区属于低山区，两岸山体雄厚，分水岭山顶高程在550m~750m左右。

山体多呈北东向展布，山高坡陡，坡度在30°~50°，局部60°~70°，地形险峻。

库区植被茂盛。

沿河两岸冲沟发育，以北东—南西向为主。

基岩在河流两岸及冲沟处出露良好。

坝址附近河流流向总体向南，河床宽约8-15m。

两岸山体雄厚，山顶高程在370m以上。

坝址两岸上、下游均发育有冲沟，冲沟切割深度20m左右。

1.3.2地质情况

库区地质构造以断层和裂隙为主，断裂构造较为发育，以小断层为主，未发现有区域性大断裂通过。

库区主要发育以下几组节理裂隙：

①北东东组：

产状N70～80°E/NW∠65～85°，裂面平直，闭合～微张，延伸长短不一，约3～4条/m。

②北西组：

产状N30～40°W/SW∠50～75°、NE∠65～85°，裂面平直～稍起伏，闭合～微张，延伸一般较短，约4～5条/m。

产状N60～70°W/NE∠50～75°，裂面平直，闭合～微张，延伸一般较长，约3～4条/m。

坝址区断裂构造不发育，勘察所发现的断层构造均分布在坝址下游,有北东和北西两组。

在坝址区地震折射时距曲线，未发现明显的时间间隔变缓跳跃点，推测所测量的物探剖面中没有断裂构造带。

1.4水文、气象

1.4.1水文

该水流域缺乏实测洪水资料，坝址的设计洪水本次对可行性研究阶段推理公式法和综合单位线法进行复核计算。

又采用C站实测洪水进行水文比拟法计算，作为比较复核其成果与推理公式法十分相近，为使各阶段成果统一，仍采用推理公式法计算成果，见表1。

表1设计洪水洪峰流量成果表（单位：

m3/s）

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：

260.00m

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×宽×高=8.98m×16.0m×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

土壤类别

干容重

孔隙率n（%）

内摩擦角

渗透系数k（cm/s）

浮容重

砂土

16

40.6

10.06

表4石料特性表

干容重

（

）

孔隙率n（%）

内摩擦角

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；

D-----风区长度，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

2.5

3

3.5

4

≥5

Kｗ

1.00

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>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=1.30>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。

见下图：

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。

见下图：

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。

见下图：

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。

见下图：

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。

见下图：

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

1

2

3

4

5

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。

见下表：

正常运行下心墙下游侧到下游坝坡浸润线

编号

1

2

3

4

5

X（m）

11.13

22.25

33.38

44.50

55.63

H（m）

3.42

3.41

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

和

联立求出H=14.05m，q=8.87×10-7m3/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：

校核情况心墙内部浸润线

编号

1

2

3

4

5

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）

40.23

38.22

36.10

33.84

31.42

28.79

25.91

22.65

18.85

14.05

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。

见下表：

校核情况心墙下游侧到下游坝坡浸润线

编号

1

2

3

4

5

X（m）

13.48

26.96

40.44

53.92

67.40

H（m）

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=0.8×98.5×8.87×10-7=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