土石坝实训.docx
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土石坝实训
粘土心墙坝
设计题目：
粘土心墙坝
指导教师：
何小梅
班级：
12级水工4班
姓名：
明智昊
学号：
1202010421
成绩：
前言
土石坝设计是检验我们上半年来学习成果的机会，是对我们所学理论知识的一次系统的复习巩固过程，为我们以后的学习和工作奠定坚实的理论基础。
为了做好这次的毕业设计，我们需要全面系统的了解一份设计的基本步骤，工程的基本建设程序，通过查阅大量的相关工程资料，运用所学的知识及现有类似工程具体分析类比设计中所面临的问题并给予解决，按时、保质保量的完成本次设计任务。
本次设计的粘土心墙坝，该水库是一座以灌溉为主，兼有防洪、养鱼等综合利用的小
（2）型水利工程，其中设计灌溉面积0.03万亩；保护黄沙镇毛杨村下畈片、梅田村丛家湾、泉塘村耕地0.06万亩，人口400人。
通过土石坝的修建不仅能大幅改善当地居民用水问题，还能够推动当地经济的发展，有效的改善人民的生活水平。
土石坝工程属于小
（2）型水利工程。
枢纽主要建筑物按五级建筑物设计，次要建筑物按五级建筑物设计。
本次设计内容包括：
大坝主体结构设计（大坝最大剖面尺寸的确定、坝体分区、筑坝材料、渗流计算、稳定计算）、坝体细部构造设计（坝顶、护坡、马道、反滤层和垫层、坝面排水设计）。
本次设计由于自身理论知识的有限，有些地方设计比较粗糙，存在着诸多不足之处，请老师们多多指正设计中的疏忽和不当之处，在此表示感谢！
目录
前言-2-
摘要-4-
第一章基本资料-5-
第二章土坝类型及剖面基本尺寸拟定-7-
第三章渗流计算-13-
第四章坝坡稳定计算-16-
第五章设计成果-19-
见附图课程总结报告-19-
参考文献-22-
摘要
该水库是一座以灌溉为主，兼有防洪、养鱼等综合利用的小
（2）型水利工程。
主要是为了满足国家亟待解决的“兴水利、除水害”的政策而兴建的水利工程。
本次设计是在对枢纽地区的地形、地质、水文、气象条件综合分析的基础上，并对水利枢纽布置任务进行了比较充分的了解以后，确定采用粘土心墙坝方案。
设计内容主要包括：
1、土坝断面尺寸拟定；
2、土坝渗流分析；
3、土坝稳定分析；
4、土坝细部构造。
要求在对基本资料认真分析的基础上，根据水工建筑物教材中相应的内容进行设计，计算参数的选取和方案的确定要有必要的论证泄流能力计算进行了详尽的论述。
关键词：
粘土心墙坝；马道；护坡；坝顶高程
第一章基本资料
1.1、地形地质情况
石家垅水库坝址处河床宽约35m，坝址轴线处河床最低高程为113.0m。
河床表层为强风化带：
本带岩石风化强烈，风化裂隙发育，呈碎块状，此带厚度一般为3~5m。
其下为弱风化带：
本带岩石风化中等，风化裂隙较发育，呈块状体，此带厚度一般为5~8m。
该坝为粘土心墙代料坝，代料为当地砂土料，上游护坡采用砌石护坡。
1.2、水位
死水位：
113.0m；
正常蓄水位124.40m；
设计洪水位（10％）：
125.4m；
校核洪水位（2％）：
125.7m;相应库容10.4×104m3
正常蓄水时下游无水；
设计洪水时下游水位：
113.2m；
校核洪水时下游水位：
114.4m。
1.3、气象资料
校核洪水情况下平均最大风速13.8m/s；
正常蓄水位及设计洪水情况下最大风速为20.7m/s
水库吹程100m。
采用莆田公式进行波浪要素：
波高和波长的计算，在三种设计工况下分别为：
1、正常蓄水位时：
平均波高hm=0.11m，平均波长Lm=3.5m
2、设计洪水时：
平均波高hm=0.11m，平均波长Lm=3.5m
3、校核洪水时：
平均波高hm=0.07m，平均波长Lm=2.24m
1.4、筑坝材料及坝基岩石物理力学性质
项目
湿重度
饱和
重度
浮重度
凝聚力
内摩
擦角
渗透
系数
（kN/m3）
（kN/m3）
（kN/m3）
Mpa
φ（°）
（cm/s）
代料
19.0
20.0
10.0
5
28
2×10－3
心墙
19
20
10
28
17
5×10-6
坝基及坝肩为相对不透水地基。
1.5、工程效益
该水库是一座以灌溉为主，兼有防洪、养鱼等综合利用的小
（2）型水利工程，其中设计灌溉面积0.03万亩；保护黄沙镇毛杨村下畈片、梅田村丛家湾、泉塘村耕地0.06万亩，人口400人。
1.6、其它
地震基本烈度：
6度。
第二章土坝类型及剖面基本尺寸拟定
2.1坝型选择
碾压式土石坝由土料分层填筑碾压而成，一般的土料、砂卵石料及风化石渣等均可用于这种坝型。
碾压式土石坝按坝体的防渗材料及结构，可分为以下几类：
（1）均质坝：
整个坝体起防渗作用并保持自身的稳定，坝体材料单一，施工简单。
土料场有丰富的黄土状壤土，可以满足筑坝材料需求。
所设计的坝为低坝，也可以满足土的抗剪强度要求。
但壤土的渗透系数为2×10-3cm/s，远大于渗透系数10-4cm/s，不满足渗透稳定要求。
所以不选择均质坝。
（2）斜墙坝：
斜墙坝的上游坝坡较缓，防渗体的粘土用量和坝体的总工程量较大，不经济，其抗震性能和不均与沉降的适应性不强。
故不选择斜墙坝。
（3）心墙坝：
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。
故选择心墙坝。
2.2坝顶宽度
坝顶宽度
根据运行、施工、构造、交通和人防等方面的要求综合研究确定。
，由《碾压式土石坝设计规范（SL274—2001）》高坝选用10～15m，中低坝可选用5～10m，根据所给资料，初步拟定坝体断面，坝顶宽度为8m见图。
坝顶结构图
2.3坝顶高程
坝顶高程由水库静水位加波浪爬高和壅水面高度及安全加高确定。
坝顶高程或坝顶上游防浪墙顶的高程按下式计算：
坝顶高程=设计洪水位+正常运用条件的
=校核洪水位+非常运用条件的
=正常蓄水位+非常运用条件的
+
坝顶静水位超高值按下式计算：
式中：
——波浪在坝坡上的设计爬高，m；
——风壅水面高度，m；
——安全加高，m。
该坝的级别为5级，则正常运行的安全加高A=0.5m，非常运行的安全加高A=0.3m。
（1）风壅水面高度的计算：
式中：
K——综合摩阻系数，取
；
v——计算风速，正常运用条件下的5级坝，采用多年平均离地面10m高的最大风速的1.5倍，非常运用条件下，采用多年平均年最大风速；
D——风区长度，为100m；
β——计算风向与坝轴线法线的夹角；
Hm——水域平均水深11.40m，取坝前水深的2/3，为7.6m。
正常运用条件下：
非常运用条件下：
（2）波高和波长的计算，在三种设计工况下分别为：
正常蓄水位时：
平均波高hm=0.11m，平均波长Lm=3.5m
设计洪水时：
平均波高hm=0.11m，平均波长Lm=3.5m
校核洪水时：
平均波高hm=0.07m，平均波长Lm=2.24m
（3）平均波浪爬高的计算
——平均波浪爬高，m；
——单坡的坡度系数，取3.0；
——斜坡的糙率渗透性系数，根据护面类型为砌石，取
；
——经验系数。
正常蓄水条件下取
，
本设计采用累计频率5％时的平均爬高，
则
设计洪水条件下取
，
根据规范得：
则
校核洪水条件下取
，
根据规范得：
则
（4）坝顶高程计算：
①正常蓄水位+非常运用条件的
+
，根据规范，取
=0.6m。
②设计洪水位+正常运用条件的
③校核洪水位+非常运用条件的
坝顶超高
H
R
H’
正常蓄水条件
124.40
1.04×10-3
0.5
0.302
125.802
设计洪水条件
125.40
4.60×10-4
0.5
0.299
126.199
校核洪水条件
125.70
4.60×10-4
0.3
0.177
126.177
坝顶高程取三者最大值，即126.199m,取整126.2m。
当坝顶上游侧设有防浪墙时，则超高指静水位到防浪墙顶的高差，并规定正常情况坝顶应高出静水位0.5m，非常情况不低于静水位。
本设计防浪墙高度为1.0m，则坝顶高程为126.2m，且大于正常情况坝顶应高出静水位0.5m（124.40+0.5=124.90m），不低于校核洪水位（125.70m）。
所求坝顶高程是坝体沉降稳定以后的数值。
竣工时的坝顶高程应有足够的预留沉降值，约占坝高的0.2%~0.4%。
2.4坝坡和防浪墙
（1）坝坡：
上下游坝坡比见表。
坝高（m）
上游
下游
〈10
1：
2～1：
2.5
1：
1.5～1：
2
10～20
1：
2.25～1：
2.75
1：
2～1：
2.5
20～30
1：
2.5～1：
3
1：
2.25～1：
2.75
〉30
1：
3～1：
3.5
1：
2.5～1：
3
土石坝的坝坡的坡度取决于坝型、坝高、筑坝的土料要求、地形条件及地震情况因素。
根据坝坡选择规律，上游坝坡坡度取1：
3.0，下游边坡取1：
2.5。
（2）马道：
为了拦截雨水，防止坝面被冲刷，同时便于交通、检测和观测，并且利于坝坡稳定，下游常沿高程每隔10～30m设置一条马道，其宽度不小于1.5m，马道一般设在坡度变化处，粘土心墙坝上游不宜或少设马道，故本坝不设马道。
（2）防浪墙：
采用混凝土材料修筑防浪墙，墙顶高于坝顶0.8m。
2.5排水设施
坝体排水主要形式是棱体排水、贴坡排水、坝内排水和综合式排水。
（1）棱体排水：
在下游坝脚处用块石堆成的棱体，可以降低浸润线，防止坝坡冻胀且有支持坝体稳定作用。
下游无水，本设计棱体顶宽设为3.0m。
根据施工条件，棱体内坡设为1：
1，外坡取1：
1.5，棱体与坝体及地基间设置反滤层。
水位情况
下游水位（m）
加高（m）
顶面高程（m）
正常蓄水位
0
1.0
设计洪水
0.2
1.0
校核洪水
1.4
1.0
（2）贴坡排水：
用堆石或砌石加反滤层直接铺设在下游坝坡表面，施工简单，用料节省，施工方便，易于检修。
但是不能降低浸润线，而且易因冰冻失效。
（3）坝内排水：
包括褥垫排水层、网状排水带和竖式排水体，下游无水时可以降低浸润线，加速黏土地基固结，但是对不均匀沉降适应性差，易断裂，难于检修。
坝基底下有裂隙潜水面，需进行滤土排水。
坝址下游做反滤排水沟和减压井。
自坝顶上游向下游设置2%的坡，同时设置0.3m宽的乱石排水沟，以排除雨水。
在下游设置横向排水沟，沿坝轴线每隔30m设置一条。
横向排水沟自坝顶至棱体排水处的排水沟，再排至坝趾。
2.6防渗设施
设计的土石坝采用粘土心墙坝，粘土渗透系数（5×10-6cm/s）较小，所以粘土就是心墙防渗材料。
代料渗透系数（2×10-3cm/s）较小，所以代料就是坝壳防渗材料。
河床表层为强风化带：
本带岩石风化强烈，风化裂隙发育，呈碎块状，此带厚度一般为3~5m。
其下为弱风化带：
本带岩石风化中等，风化裂隙较发育，呈块状体，此带厚度一般为5~8m。
对分布于坝基和左坝头的覆盖层，需采取可靠有效的防渗措施。
本设计采用取粘土防渗墙。
根据规范，防渗墙顶部高程高于设计洪水位0.3~0.6m，且不低于校核洪水位。
顶部的水平宽度应考虑机械化施工的需要，不应小于3m。
底部厚度不宜小于水头的1/4.如顶部设防浪墙并与心墙紧密结合时，心墙顶部不受上述要求限制，但也不得低于设计洪水位。
设计混凝土防渗墙厚度0.8m，墙顶插入防渗体2m，墙底插入岩基0.8m。
在126.0m处修建防渗墙。
（1）坝身与坝基、岸坡的防渗：
坝断面范围内清除坝基和岸坡上的草皮、树根、表土和废料，并把坝基表面的土压实，坝基与土石坝下游接触部位设置反滤层。
岸坡应该平顺，并要在施工期保持稳定。
（2）坝身与其它建筑物的防渗：
坝体与其它建筑物连接时，防止接触面的集中渗流，因不稳定沉降产生的裂缝，以及水流对上游坝坡和坝脚的冲刷危害影响。
2.7护坡设计
（1）上游护坡：
采用砌石护坡，护坡范围从坝顶一直到坝脚，厚度为30cm。
（2）下游护坡：
采用碎石护坡，除排水棱体外需全部护砌，厚度为30cm。
2.8反滤层和过渡层
反滤层和渡层主要设置在以下几个地方：
（1）土质防渗体与坝壳或坝基透水层之间以及下游渗流逸出处或进入排水处；
（2）下游坝壳与坝基透水层接触区，与岩基中发育的断层、破碎带和强风化带接触部位；
（3）如果防渗体与坝壳料之间的反滤层总厚度不能满足过渡要求时，可加厚反滤层或设置过渡层。
第三章渗流计算
4.1渗流计算的基本假定
渗流计算的基本假定：
坝体土是均质的，坝内各点在各方向上的渗透系数相同；渗透水流为二元稳定流，层流运动，符合达西定律；渗透水流是渐变的，过水断面上各点的坡降和流速是常数。
4.2水位组合
渗流计算包括以下水位的组合情况：
（1）上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；
（2）上游设计洪水位与下游相应的水位；
（3）下游校核洪水位与下游相应的水位。
4.3渗流计算过程
（1）正常蓄水情况下浸润线确定
正常蓄水位为124.4m，故坝前最低水深为
。
代料的渗透系数为2×10-3cm/s。
下游无水，建立x和y坐标轴，原点以排水起点与x轴的焦点为原点。
边界条件：
L=33.7m
排水起点处浸润线高度：
h0=1.38m
单位坝长的渗流量为q=5.7x10-7m3/s
则浸润曲线方程为
x和y数值
x（m）
1
2
4
8
14
20
30
33.41
y（m）
1.36
1.34
1.29
1.20
1.05
0.87
0.44
0.01
根据浸润曲线方程数据做出浸润曲线，如图。
正常蓄水情况下坝体浸润曲线图
（2）设计洪水情况下浸润线确定
设计洪水位为125.4m，设计洪水时下游水位113.2m。
故坝前最低水深为
，
。
代料的渗透系数为2×10-3cm/s。
建立x和y坐标轴，原点以排水起点与x轴的焦点为原点。
边界条件：
L=33.1m
排水起点处浸润线高度：
h0=1.51m
单位坝长的渗流量为q=6.8x10-7m3/s
则浸润曲线方程为
x和y数值
x（m）
1
2
4
8
14
20
30
33.1
y（m）
1.49
1.46
1.42
1.32
1.15
0.96
0.49
0.17
根据浸润曲线方程数据做出浸润曲线，如图。
设计情况下坝体浸润曲线图
（3）校核情况下浸润线确定
校核洪水位为125.7m，校核洪水时下游水位114.4m。
故坝前最低水深为
，
。
代料的渗透系数为2×10-3cm/s。
建立x和y坐标轴，原点以排水起点与x轴的焦点为原点。
边界条件：
L=29.5m
排水起点处浸润线高度：
h0=2.00m
单位坝长的渗流量为q=7.0x10-7m3/s
则浸润曲线方程为
x和y数值
x（m）
1
2
4
8
14
20
30
33.1
y（m）
1.98
1.96
1.93
1.85
1.74
1.61
1.38
1.30
根据浸润曲线方程数据做出浸润曲线，如图。
校核情况下坝体浸润曲线图
第四章坝坡稳定计算
5.1稳定计算条件
本设计粘土心墙坝，在正常蓄水位稳定渗流条件下，采用折线法，计算上游边坡稳定。
项目
湿重度
饱和
重度
浮重度
凝聚力
内摩
擦角
渗透
系数
（kN/m3）
（kN/m3）
（kN/m3）
Mpa
φ（°）
（cm/s）
代料
19.0
20.0
10.0
5
28
2×10－3
心墙
19
20
10
28
17
5×10-6
5.2稳定计算原理
滑楔间作用力为水平时，采用与圆弧法相同的安全系数；滑楔间作用力平行滑动面时，采用与毕肖普法相同的安全系数。
对于5级坝，正常运用条件下坝坡抗滑稳定安全系数不小于1.15。
5.3稳定计算步骤
图中ADC为一画裂面，折点D在上游水位处；用钱直线DE将滑动土体分为两块，重为W1、W2；假设条块间作用力为p1，方向平行于DC;两块土体底面的抗剪强度指标分为tanφ1、tanφ2。
水位（m）
α1（°）
α2（°）
A1（m²）
A2（m²）
湿重度
饱和重度
W1
W2
φ1（°）
φ2（°）
sinα1
sinα2
cosα1
cosα2
sin（α1-α2）
cos（α1-α2）
tanφ1
tanφ2
K
117.5
30
8
54.14
75.51
19.00
20.00
1028.66
1510.20
28
28
0.50
0.14
0.87
0.99
0.37
0.93
0.53
0.53
0.83
30
9
43.27
57.50
19.00
20.00
822.13
1150.00
28
28
0.50
0.16
0.87
0.99
0.36
0.93
0.53
0.53
0.75
30
10
28.52
40.26
19.00
20.00
541.88
805.20
28
28
0.50
0.17
0.87
0.98
0.34
0.94
0.53
0.53
0.75
35
8
39.52
75.52
19.00
20.00
750.88
1510.40
28
28
0.57
0.14
0.82
0.99
0.45
0.89
0.53
0.53
1.14
35
9
29.16
57.96
19.00
20.00
554.04
1159.20
28
28
0.57
0.16
0.82
0.99
0.44
0.90
0.53
0.53
1.11
35
10
18.16
40.71
19.00
20.00
345.04
814.20
28
28
0.57
0.17
0.82
0.98
0.42
0.91
0.53
0.53
1.14
40
8
18.96
76.39
19.00
20.00
360.24
1527.80
28
28
0.64
0.14
0.77
0.99
0.53
0.85
0.53
0.53
1.88
40
9
13.39
58.24
19.00
20.00
254.41
1164.80
28
28
0.64
0.16
0.77
0.99
0.52
0.86
0.53
0.53
1.81
40
10
8.33
40.49
19.00
20.00
158.27
809.80
28
28
0.64
0.17
0.77
0.98
0.50
0.87
0.53
0.53
1.77
118.0
30
9
50.87
95.48
19.00
20.00
966.53
1909.60
28
28
0.50
0.16
0.87
0.99
0.36
0.93
0.53
0.53
1.02
30
10
40.51
66.73
19.00
20.00
769.69
1334.60
28
28
0.50
0.17
0.87
0.98
0.34
0.94
0.53
0.53
0.86
22
14
26.75
21.06
19.00
20.00
508.25
421.20
28
28
0.37
0.24
0.93
0.97
0.14
0.99
0.53
0.53
0.23
35
9
39.85
94.24
19.00
20.00
757.15
1884.80
28
28
0.57
0.16
0.82
0.99
0.44
0.90
0.53
0.53
1.25
35
10
29.56
67.49
19.00
20.00
561.64
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