水库土石坝工程初步设计学士学位论文.docx

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水库土石坝工程初步设计学士学位论文

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XX水库土石坝工程初步设计

摘要：

本毕业设计为XX水库土石坝工程的初步设计，在已知的地形、地质、水

文、气象条件的基础上，通过对土石坝的各种坝型进行综合分析与比较，最终选择粘土心墙土石坝的坝型。

设计的主要有水库枢纽布置、主坝体结构设计、坝体渗流计算、泄洪与发电隧洞的布置、施工工艺流程图与主坝体的施工工期计算等内容。

本设计的重点任务是结合实际情况编写施工组织设计，运用亿图软件编制工艺流程图。

在流程图中，详细阐述了从施工准备到坝体填筑的过程中工程的施工顺序，并对各坝体分区工程进行了详细的施工设计，具体涉及到了坝体的施工布置、各坝区施工方法与分部工程施工工艺以及施工质量与安全的控制等方面。

经具体的设计，完成了设计计算书和五张设计图。

关键词：

粘土心墙土石坝；主坝体结构设计；工艺流程图；施工方法；施工工艺

Abstract：

ThegraduationprojectofMeilinReservoirdampreliminarydesign，Basedontheknownterrain,geological,hydrological,meteorologicalconditions，throughthecomprehensiveanalysisandcomparisonofvarioustypeofdamonthedam，thefinalselectionofdamwithclaycorewallrockfilldam。

Themainreservoir

designprojectlayout,themaindamdesign,damseepage，spillwayandpowertu-nnellayout,constructionprocessdiagramwiththemaindamconstructionperiodcalculationetc。

Thekeytaskofthisdesigniscombinedwiththeactualsituationofcompilingtheconstructionorganizationdesign，usingthefiguresoftwareprocessflowdiagram。

Inthediagram,elaboratedindetailtheconstructionprep-arationandconstructionsequenceofdamfillingintheengineeringprocess，andcarriesonthedetailedconstructiondesignofthedamzoningengineering，inparticulartotheconstructionlayout,thedamdamconstructionmethodandconstructiontechnologydivisionofengineeringandconstructionqualityandsafetycontroletc。

Thespecificdesign,completedthedesigncalculationsand。

fivedesigndrawings

Keywords：

claycorewallrockfilldam；dambodystructuredesign；constructionme-thod；processflowdiagram；constructiontechnology

1基本资料

1.1水文资料

XX水库位于我国西南某省，工程以发电为主，兼顾灌溉。

水库库容为2605万m3，电站装机为3×6300KW。

所在流域属典型的山区季节性河流，洪峰流量不大，但洪枯流量和水位变幅较大。

水库坝址处控制流域面积为406KM2。

工程区域地形北高南低，海拔在780m～1250m之间；属亚热带气候，气温较高，年平均气温16.4C°。

最高气温33.1C°，最低气温-6.6C°；雨量充沛，多年平均降雨量为1556.8mm，5～10月为雨季，降雨集中在6～9月，年降雨天数约186天，年平均相对湿度为84%，年蒸发量为1260mm；坝址处年平均流量为11.2m3/s，实测最大流量为98m3/s，最小流量为1.46m3/s。

各频率分期洪水流量见表一。

汛期河水面宽为10～15m，河道天然坡降为9.1‰，糙率为0.046。

洪水受台风的影响能形成暴雨，根据暴雨洪水季节及全年径流变化规律，施工洪水时段分为洪水期（5月15日～10月5日）和枯水期（10月5日～翌年5月15日）。

坝址处右岸坡角为40°～50°，左岸坡在高程930m以下为35～50°，以上变缓约为20°。

时段

（月.日）

均值

QP

P=0.001

P=0.002

P=0.005

P=0.01

P=0.02

P=0.05

P=0.1

P=0.2

全年

212

195

177

162

146

125

104

88

10月5日～翌年5月15日

28.2

48.45

39.02

表1.1各频率分期洪水流量（m3/s）

1.2地形、地质条件

坝址地质构造为岩层走向与河流近于垂直，岩层陡立，倾角为60°～80°,。

出露地层为砂岩夹页岩。

河床冲积层厚为1～2m，产状N40°E/SE∠89°，下覆基岩为砂页岩；坝址上游右岸河边有几条小断层分布，破碎带宽＜10cm。

坝基为砂岩夹页岩，新鲜基岩透水性不大。

坝址附近左岸山体岩层的岩性主要为砂岩间夹薄层页岩。

左岸高程为905m以上为全风化层，最大厚度为30cm，全风化岩石大部呈土状及碎块状，可视为碎石质土。

强风化岩石厚4～8m，岩体松散破碎。

弱风化岩石厚4～8m，微风化岩石埋深为45～50m。

右岸山体主要为砂质页岩，右岸高程为912m以上全风化层8～14m，以下无全风化岩石。

强风化层厚为6～21m，弱风化层厚4～6m。

坝址区域在大地构造上处于相对稳定区，未发现大的构造断裂，水库蓄水条件良好。

河流两岸居民及耕地分散，除库水位以下有一定淹没外，浸没问题不大，库区未发现重要矿产和文物。

本区地震基本烈度为六级，建筑物按七级设防。

本枢纽工程的拦河大坝初步确定为土石坝，坝顶与一条三级公路衔接。

根据规划，水库正常蓄水位为925.5m，设计洪水位为925.5m，相应的下游水位864.85m，洪水流量为146.5m3/s；校核洪水位为926.0m，相应的下游水位为855.8m，洪水流量为210.5m3/s；死水位为880.0m

坝址处水位流量关系可近似地用下式表示：

工程区域附近的石料及粘土储量丰富，石料以白云质灰岩为主。

砂砾料颗粒组成见表1.2。

粒径（mm）

＜200

＜80

＜40

＜20

＜5

＜2

＜1

＜0.5

＜0.25

＜0.05

含量（%）

83.7

74.2

57.7

46.2

38.6

34.6

32.8

29.7

24.7

4.9

表1.2砂砾料颗粒组成

土石料的物理力学特性见表1.3。

项目

名称

比重

ρ

（KN/M3）

干容重

гd

（KN/M3）

湿容重

г

（KN/M3）

饱和容重Гs

（KN/M3）

塑性指数Iρ

（%）

最佳含水量WOρ

（%）

天然含水量WO

（%）

初始孔隙水

压力系数

B

粘土

25.7

15

23.9

17.6

18

22.5

29

0.3

砂砾石

25.3

17.7

18.5

4.8

堆石

27.2

19.6

26.5

表1.3土石料的物理力学特性

项目

名称

空隙比e

渗透系数K

（m/s）

粘聚力

C

（kpa）

摩擦角Ф（°）

施工期

稳定渗流期

水位落降

总应力

有效应力

有效应力

有效应力

粘土

0.71

4×10-9

20

10

21

19

19

砂砾石

0.43

4×10-4

0

35

堆石

0.39

0

39

库区多年平均最大风速为21.9m/s，多年平均最大风速的风向与坝轴线法向的交角为25.8°，建坝后库内吹程约1.5km。

枢纽工程由挡水坝、导流泄洪洞、溢洪道、发电灌溉隧洞及枢纽电站组成。

其中，发电灌溉隧洞和电站另组成发电引水系统。

图1-1是坝址处的地形图。

图1-1坝址地形图

2枢纽布置

2.1工程等别的确定

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000）的规定，水利水电工程根据其工程规模、效益以及在国民经济中的重要性，划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五等，适用于不同地区、不同条件下建设的防洪、灌溉、发电、供水和治涝等水利水电工程，见表2.1。

表2.1水利水电工程分等指标

工程等级

工程规模

水库总库容（108m3）

防洪

治涝

灌溉

供水

发电

保护城镇及工矿企业的重要性

保护农田（104亩）

治涝面积（104亩）

灌溉面积（104亩）

供水对象重要性

装机容量（104kw）

Ⅰ

大

（1）型

≥10

特别重要

≥500

≥500

≥150

特别重要

≥120

Ⅱ

大

（2）型

10~1.0

重要

500-100

200-60

150-50

重要

120~30

Ⅲ

中型

1.0-0.1

中等

100-30

60-15

5-50

中等

30~5

Ⅳ

小

（1）型

0.1-0.01

一般

30~5

5-0.5

一般

5~1

Ⅴ

小

（2）型

0.01-0.001

<5

<3

<0.5

<1

注：

1.水库的总库容指水库最高水位以下的静库容。

2.治涝面积和灌溉面积均指设计面积。

对于综合利用的水利水电工程，当按综合利用项目的分等指标确定的等别不同时，其工程等别应该按其中的最高等别确定。

从水库的总库容来看，该工程的等别为Ⅲ级，从装机容量来看该工程的等别为Ⅳ级，取两者之间级别最高的，所以该工程的等别为Ⅲ级。

2.2坝型的选择与枢纽布置

水利工程建筑物主要包括：

挡水建筑物、围堰、导流泄洪洞、溢洪道、电站等。

水利枢纽的布置就是根据已有的条件合理的确定各个枢纽的位置。

2.2.1坝型的选择

根据提供的资料，该处的地形、地质条件适合建造土石坝，另外、建筑材料储存量丰富。

因此本枢纽工程的拦河大坝初步确定为土石坝。

根据防渗结构的类型，常见土石坝的型式有心墙土石坝、斜墙土石坝、面板土石坝、均质土石坝等。

根据地形、地质、建筑材料、施工情况、工程量、投资等方面，经综合比较选定坝型。

详见表2.2

表2.2坝型的比较

方案

因素

1

2

3

均质坝

斜心墙土石坝

心墙土石坝

地形条件

适合

适合

适合

地质条件

风化的岩基上

风化的岩基上

风化的岩基上

工程量

小

大

较大

建筑材料

粘土

石料、粘土

石料、粘土

施工条件

较为简单

复杂

较均质坝复杂

根据坝址处的地形、地质条件，虽然说修建均质坝的条件满足，但是从防渗效果来说，这个方案是不可取的。

因为该处的大坝为高坝，倘若只用一种土料来修坝，压实效果不好，从而影响坝的抗渗性，这也就是说均质坝常常适用于中低坝。

斜心墙坝的施工量和难度都较大，另外，修建斜心墙坝对筑坝材料的要求较高，因为坝体必须对斜墙有足够的支撑效果，也就是说斜心墙对沉降变形较为敏感，并会伴随着裂缝的产生。

心墙坝位于坝体中间而不依靠在透水的坝壳上，其自重依靠本身传到基础，不受坝壳的沉降影响，这样有利于整个坝体的稳定。

综上分析，工程最终的坝型选择粘土心墙土石坝。

2.2.2泄水建筑物的选择

泄水建筑物主要包括溢洪道、导流建筑物、放空建筑物等。

泄水建筑物的布置必须根据坝址处的地形、地质条件。

1导流建筑物

大坝的施工必须在干地上进行，因此首先要布置的是导流建筑物。

导流的方式大体上可以分为两类，即分段围堰法导流和全段围堰法导流。

根据坝址处的水位条件：

汛期河水面宽为10～15m，因此适合用全段围堰法导流。

导流的方式主要有明渠导流和隧洞导流。

明渠导流，主要用于岸坡平缓或有宽广滩地的平原河道上；隧洞导流，一般常用在河谷狭窄、两岸地形陡峻、山岩坚实的地方。

把适用于这两种导流方式的条件和坝址处的地形、地质的条件进行比较，不难得出该处采用隧洞导流，并把隧道布置在河道的左岸。

2溢洪道

溢洪道主要用来宣泄汛期或其他情况下水库中多余水量以保证大坝安全的建筑物，包括河床溢洪道和河岸溢洪道两类。

土石坝不允许水流漫顶，一般选择河岸溢洪道。

河岸溢洪道包括正槽式、侧槽式、隧洞式和虹吸式四种。

溢洪道在枢纽中的位置应根据地形、地质、工程特点、枢纽布置要求、施工及运行条件等综合因素确定：

开敞式溢洪道应建在山凹口出；隧洞式溢洪道最好在完整的岩体中开凿，同时要避开不稳定的边坡；溢洪道应避免与发电、及灌溉建筑物相互干扰；溢洪道出口的布置应使水流顺畅，还要远离土坝坝角，避免对坝体产生冲刷。

从各个方式的适用条件和该坝址本身的条件分析，隧洞式溢洪的方案较为理想。

3放空建筑物

因为水库每隔2～3年，需要将水库的库容放到死库容，为了达到这个目的而建的建筑物通常称为放空建筑物。

对于土石坝而言，为了保证坝体的安全不常将放空隧洞修建的岸边。

为了减少工程量，可以尝试一洞多用，采用“龙抬头”的方式，把放空隧洞与导流隧洞一起使用。

因为导流隧洞只是在工程的前期使用，当挡水建筑为修建完之后，常常会被堵上，这样就可以把导流隧洞改为放空隧洞。

但是，由于导流隧洞的进口高程较低，而放空隧洞的进口高程较高，此时，可以开挖一段较高高程的放空隧洞与导流隧洞相连，导流任务完成后将导流隧洞进口堵塞，不影响放空隧洞的运行。

2.2.3取水建筑物

该工程是以发电为主、灌溉为辅的工程，因此必须修建取水建筑物和厂房。

引水隧洞的功用是集中落差，形成水头，并将水流输送到压力管道引入机组。

引水管道可分为有压管道和无压管道，无压管道承受的水压不大，有压管道承受的水压较大，所以这里采用有压引水管道。

用于水力发电的引水道，除应满足一般水工引水道的要求外，应特别注意一下要求：

①有符合要求的输水能力，②减少水头损失，③保证水质。

3坝断面设计

3.1坝顶高程确定

坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应该按照以下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。

坝顶超高可按照公式（3-1）、（3-2）计算：

（3-1）

（3-2）

式中:

y为坝顶超高，m；

R为最大风浪在坝坡上的安全爬高（图3-1），m；

e为最大风壅水面高度，即风壅水面超出原水库水位高度的最大值，m；

Hm为坝前水域平均水深，m；

K为综合摩阻系数，其值变化在1.5×10-6～5×10-6之间，计算时一般取K=3×10-6；

A为安全加高，m，可通过表3.1查得；

Β为风向与水域中线的夹角，°；

v0、D为库区多年平均最大风速和吹程，m3/s，m。

图3-1坝顶超高计算图

表3.1安全加高A单位：

m

坝的级别

1

2

3

4、5

设计

1.50

1.00

0.70

0.50

校核

山区丘陵区

0.70

0.50

0.40

0.30

平原滨海区

1.00

0.70

0.50

0.30

1.设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高

正常运用情况下计算坝顶的超高，对于

级坝，计算风速应该取多年平均年的最大风速的1.5倍，所以v0=32.85m3/s。

1）最大风壅水面高度

由公式（3-2），可以求出：

2）设计爬高

波浪沿建筑物坡面爬升的垂直高度成为破浪爬高。

它与坝前的波浪要素、坝坡坡度、坡面糙率、坝前水深、风速等因素有关。

波浪爬高的计算，常常采用莆田试验站的公式。

莆田试验站的波高和波长计算：

平均波高hm用公式（3-3）计算

（3-3）

式中:

hm---平均波高（m）；

v0、D、Hm同式（3-2）中。

经过计算可求出hm=0.64m。

求出平均波高后，通过式（3-4）

Tm=4.438hm0.5（3-4）

则可以求出平均周期，即：

Tm=4.438*hm0.5=3.55s，

接着可求出平均波长Lm，但要分两种情况：

当Hm/Lm≥0.5时，称为深水泼，

（3-5）

当Hm/Lm<0.5时

（3-6）

式中：

H为坝迎水面水深，m。

易知Hm/Lm≥0.5，所以

又因为上游的坝坡系数m=2.5，为求出平均爬高Rm，需用公式（3-7）

（3-7）

式中：

KΔ为斜坡的糙率渗透性系数，可查表3.2；

m为单坡的坡度系数；

Kw为经验系数，可查表3.3；

hm，Lm为平均波高和波长，m。

表3.2糙率渗透性系数KΔ

护面类型

KΔ

护面类型

KΔ

沥青混凝土

1.0

砌石护面

0.75～0.80

混凝土板护面

0.9

抛填两层块石（不透水基础）

0.60～0.65

草皮护面

0.85

抛填两层块石（透水基础）

0.50～0.55

表3.3经验系数Kw

v0/（gHm）^½

≤1

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

>5.0

Kw

1

1.02

1.08

1.16

1.22

1.25

1.28

1.33

又因为该处采用混沥青混凝土面板，因此糙率渗透性系数KΔ=1,此处的经验系数通过内插法可以得出Kw=1.01

求出各个系数之后，通过式（3-7），可以求出Rm,即

求出平均爬高后，要求出设计爬高。

不同累计频率的爬高Rp与Rm的比。

可根据爬高统计分布表3.4确定。

设计爬高值按照建筑物的级别而定，对

、

、

级土石坝累计频率P=1%的爬高值R1%；对

、

级坝P=5%的R5%。

表3.4爬高统计分布（Rp/Rm）

P（1%）hm/Hm

0.1

1

2

4

5

10

14

20

30

50

<0.1

2.66

2.23

2.07

1.90

1.84

1.64

1.54

1.19

1.22

0.96

0.1～0.3

2.44

2.08

1.94

1.80

1.75

1.57

1.48

1.16

1.21

0.97

>0.3

2.13

1.86

1.76

1.65

1.61

1.48

1.42

1.13

1.19

0.99

因为hm/Hm=0.01<0.1，则Rp/Rm=2.23，所以Rp=2.37m。

当风向与坝轴法线成的夹角为25.8°，波浪爬高应该乘以折减系数Kβ，其值可由表3.5确定

表3.5斜向坡折减系数Kβ

β（°）

0

10

20

30

40

50

60

Kβ

1

0.98

0.96

0.92

0.87

0.82

0.76

通过内插法，经查表得Kβ=0.94，所以最终的波浪爬高

Rp=0.94*2.37=2.23m

所以坝顶的高程：

H=925.5+2.23+0.004+0.7=928.4m

通过同样的方法可以计算出其他三种情况下的坝顶的高程，把这四种情况详细的填入到下表3.6中。

表3.6四种情况下坝顶高程的的计算表单位m

高度（m）

运用条件

①

②

③

④

计算水位高程

925.5

925.5

926.0

925.5

最大风壅水面高度e

0.004

0.004

0.002

0.002

设计爬高Rp

2.23

2.23

1.41

1.41

安全加高A

0.7

0.7

0.4

0.7

地震安全加高

0

0

0

0.8

坝顶的高程

928.4

928.4

927.8

928.4

坝的高度

66.3

66.3

65.7

66.3

沉降加高

0.66

0.66

0.66

0.66

坝顶的最终高程

929.1

929.1

928.5

929.1

坝的高度

67.0

67.0

66.4

67.0

注：

对于情况③而言，对于

级坝，计算风速应该取多年平均年的最大风速,所以v0=21.9m3/s。

通过上面四种情况的计算，从表格中得出了不同的坝的高程，取之中的最大H=929.1m，则坝高为67.0m。

为了进一步防浪、防洪和阻水，常在坝顶的上游侧修建防浪墙，防浪墙的高度的范围是1～1.2m，宽度是0.3～0.6m，这里防浪墙的高度取1m，宽度取0.5m。

由于防浪墙需要设置纵沉降缝，每隔10m设置一条沉降缝，沉降缝的宽度为20mm,采用橡胶止水。

3.2坝顶宽度的确定

坝顶宽度根据运行、施工、构造、交通和地震等方面的要求综合研究后确定。

根据SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》规定：

高坝顶宽可选为10～15m，中、低坝顶宽可选为5～10m。

另外，坝顶宽度必须考虑心墙及反滤层布置的要求。

本工程坝顶与一条三级公路相连，按照有关规定，三级公路的路面宽度在双车道时为7.5m；单车道时为6.5m。

在坝顶的上游侧设置防浪墙，防浪墙的厚度为0.5m，下游侧设缘石，缘石的厚度为0.15m。

另外，应该考虑到在上游侧设人行通道，人行通道的宽度为1.5m，为了保证行人的安全，人行道路的高度比公路的高0.15m,这样方便行人。

（如图3-2）

图3-2坝顶宽度示意图单位：

m

根据这些的要求，初选坝的宽度：

B=0.4+7.5+2+0.1=10.0m

3.3坝坡

坝坡选择不仅关系到坝体的稳定，还关系到工程量。

选择坝坡时应遵循以下规律：

（1）上游坝坡长期处于水下，呈饱和状态，且水库水位有可能骤降，使坝坡稳定处于不利地位，故其坡率应比下游坝坡较缓。

（2）当采用粘土心墙防渗方案时，因坝坡稳定性受心墙土料特性的影响，则坝的上游一般较斜墙坝的陡，下游则是相反。

粘性土料的稳定坝坡一般为一曲面，上部较陡，下部较缓，所以用粘性土料做成的坝坡，长沿着高度分成数段，每段10～30m，从上而下逐渐放缓，相邻坡率差值取0.25或0.5。

土石坝的坝坡初选可参照已有工程的实践经验拟定。

土质防渗体的心墙坝，当下游坝壳采用堆石时，常用的坡率为1：

1.5～1：

2.5，采用土