心墙坝设计参考资料Word格式文档下载.docx

1、2.092008沥青砼心墙坝2五一水库103.72.5/1:8在建3三峡茅坪溪104石渣料2.25/1:2.0、1:2.25720034冶勒水电站125.5堆石料2.0/1:1.820055瀑布沟水电站1862、1:2009砾石土心墙坝覆盖层厚75m6糯扎渡水电站261.51.9/1:粘土心墙堆石坝拟定上游坝坡为1:2.5，下游坝坡从上到下为1:1.7。2.1.2 坝顶宽度坝顶宽度应根据构造、施工、运行和抗震等因素确定。如无特殊要求，高坝的顶部宽度可选用1015m，因此取坝顶宽度为13m。2.1.3 坝顶高程设计2.1.3.1 坝顶超高计算根据碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）的规定

2、，坝顶超高值按下式计算：（2-1）式中：坝顶超高，m；波浪爬高，m；最大风壅水面高度，m；安全加高，m。2.1.3.2 坝顶高程确定坝顶高程等于水库静水位加坝顶超高。并按下列四种情况计算，取其最大值。（1）设计洪水位1821.65m加正常运用情况的坝顶超高。（2）正常蓄水位1820.00m加正常运用情况的坝顶超高。（3）校核洪水位1823.64m加非常运用情况的坝顶超高。（4）正常蓄水位1820.00m加非常运用情况的坝顶超高加地震安全加高。经计算，最终确定坝顶高程为1826.00m，防浪墙顶高程1827.20m，最大坝高165m。具体计算过程详见计算书。2.1.3.3 防浪墙设计防浪墙尺寸如

3、图2-1。图2-1 防浪墙横剖图防浪墙的具体计算过程见附录。2.1.4 马道设置根据碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）的要求，土质防渗体分区坝和均质坝上游坝坡宜少设马道，且马道宽度应根据用途确定，但最小宽度不宜小于1.5m。根据以上要求，上游坝坡处设置2道马道，高程设在1776m、1706m处，马道宽度分别为5m和5m。下游坝坡2道马道，分别在高程1776m、1716m处，马道的宽度均设置为5m。2.2 坝体分区2.2.1 大坝分区原则（1）利用天然砂砾石料抗压强度较高，不易破碎，无论天然和饱和情况下，都具有较高的承载能力，压缩模量较大，坝体沉降较小的特点，在坝体变形较大部位采用砂砾

4、石料填筑，可以减少坝体的沉降变形，减小河床坝段和岸坡坝段的变形差；利用堆石料具有的较高的抗剪强度指标和良好的抗震性能，将堆石料布置在砂砾石料外侧，以得到较陡的上、下游坝坡，节省坝体方量，同时可使坝体获得较高的抗震稳定性能。（2）沥青混凝土心墙处于坝体中间，坝体的渗透性从中间向上下游逐步增大。（3）坝体填料的变形模量从中间向上下游协调过渡。（4）坝址区砂砾料储量丰富，经比较，砂砾料填筑较经济，坝壳填筑以砂砾料为主。（5）充分利用开挖材料，就近取材。2.2.2 大坝分区根据各坝料的特性和大坝各部位不同的工作条件，坝体填筑分区从上游至下游分为上游爆破料区，上游砂砾料区，上游过渡层区，沥青砼心墙，下游

5、过渡层区，下游砂砾料区，下游爆破料区。按坝体抗震和结构要求，其分区见坝体标准横剖面图2-2。图2-2坝体分区横剖图防渗体：碾压沥青砼心墙为垂直式，墙体轴线偏向上游。心墙顶高程1825.0m，最低墙底高程1660.0m。心墙宽1m。过渡层：位于沥青混凝土心墙两侧，顶高程1825.0m，过渡层水平宽度为3m，等宽布置，过渡层填筑至心墙顶部，底部建在弱风化基岩建基面上，采用C3料场砂砾石料筛分，相对密度不低于0.85。坝壳料分区：坝址区砂砾料储量丰富，经分析比较，砂砾料填筑较经济合理，坝壳填筑以砂砾料为主，砂砾料区布置在上、下过渡料区外侧，坝壳砂砾料填筑至1790.0m高程，上、下游砂砾料区顶部宽8

6、m，与堆石料的分界坡为1:1.8。在上下游砂砾料区外部设置了堆石料填筑区，利用堆石料休止角高的特点，增加坝坡的抗震稳定性。爆破料来源于P1、P2石料场开采的石料，弱风化及新鲜岩石开挖料可作为利用料，填筑在上下游爆破料区。砂砾石料填筑相对密度不低于0.85，爆破料及利用料填筑孔隙率小于19%。第三章坝体构造设计3.1 防渗体设计3.1.1心墙材料选择沥青混凝土心墙具有良好的适应变形能力、抗冲蚀能力、抗老化能力以及整个心墙无须设置结构缝，因此，沥青混凝土心墙可在任何气候条件和任何海拔高度使用。本坝体选取沥青混凝土作为心墙材料，主要原因有以下几点：（1）施工时间：可以以相当快的速度铺筑沥青混凝土，非

7、常经济适用。沥青混凝土一经压实，立即可以防水，特别是在潮湿的季节施工时，这一点非常重要。（2）生理的适宜性：沥青在生理方面完全适宜于饮水，从水质卫生的观点来看，对其应用于水库完全没有异议。（3）抗冻性：因为沥青混凝土具有极小的孔隙率，因此水就没有进入这些构件的机会，所以冰冻作用不会影响到沥青材料，故沥青构件不需要防水保护。（4）冰冻时期的铺筑：如果铺盖层的厚度适当，在零度以下都可以铺筑沥青混凝土，这就允许在高海拔的地方有较长的施工工期，这点特别适用于新疆。3.1.2 心墙型式沥青混凝土心墙有两种型式，一种为碾压式沥青混凝土心墙，一种为浇筑式沥青混凝土心墙。浇筑式沥青混凝土心墙，可采用人工方式在

8、严寒地区冬季施工，沥青用量最高可达16%，塑性好，在国内有不少成功先例，如黑龙江的西沟坝、尼尔基坝、库尔宾坝，吉林的白河坝；碾压式沥青混凝土心墙，机械化施工程度高，施工方法简单易控，进度快，沥青用量少，是高坝中常采用的形式。从国内的相似工程来看，三峡茅坪溪、四川冶勒均采用碾压式沥青混凝土心墙。ATS水利枢纽工程项目属高坝、地震设防烈度高（8度设防）、碾压式沥青各项指标优于浇注式等特点，结合目前国内碾压式沥青心墙的发展现状，确定采用碾压式沥青混凝土。3.1.3 心墙布置型式在心墙布置上，有直心墙，斜心墙，下部直心墙上部斜心墙三种型式。坝基覆盖层厚达100m，设计采用混凝土防渗墙和灌浆帷幕结合的垂

9、直防渗形式，防渗墙顶部高程为16611665m，斜心墙受力条件好，但不能满足与基础防渗墙所有部位直接衔接，基础灌浆钻孔不能直线布置，若按折线布置，造成基础防渗工程量增加。阿尔塔什地震设防烈度高，一旦在地震情况下坝体发生永久剪切变形，沥青混凝土心墙出现开裂，斜心墙不易检修和检查。其右坝肩岸坡陡直，斜心墙斜线与岸坡岩石基础衔接难度大，沥青混凝土用量大，心墙出现的剪切变形也较大。直心墙具有以下优点：在坝基和坝壳沉降大的情况下适应性好，在心墙出现裂缝后有利于自愈，与岸坡及坝基防渗墙衔接相对容易。墙体位于大坝中心部位，受温度影响很小，有利于早期蓄水。同时便于与不同部位混凝土防渗墙和左、右岸衔接，便于基础

10、处理和工程布置。心墙与河床段连接处如图3-1所示。图3-1 心墙与河床段连接图下部直心墙上部斜心墙的第三种型式特点介于前两种之间，虽然可以有效降低下游坝坡浸润线，增加坝体下游的干燥区域，有利于增加坝体深层滑动的稳定性。但对本工程下游坝坡稳定起控制作用的是浅层滑弧，所以采用这样复杂的心墙形式对坝体稳定意义不大。同时下部直心墙上部斜心墙与岸坡岩石基础衔接难度大，沥青混凝土用量较大。综合以上分析，从抗震、沥青心墙与基础防渗墙和两岸岩石的衔接等角度分析，阿尔塔什水利枢纽工程大坝心墙布置型式确定采用直心墙。3.1.4 心墙的断面尺寸根据土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范（DL/T5411-2009）第8

11、.0.2条的规定：“沥青混凝土心墙顶部的厚度不宜小于40cm，心墙底部的厚度宜为坝高的1/701/130。”。参考国内外工程的经验，考虑到阿尔塔什坝址地处高地震烈度区和坝基的深厚覆盖层，从有利于抗震角度出发，心墙厚度定为1m。该值满足规范的要求。3.2 坝体细部构造3.2.1 坝顶构造大坝路面为了排除雨水，坝顶面向大坝下游侧倾斜，倾斜坡度设为2%。坝面虽然没有交通要求，但考虑到大坝维护运行及大坝防洪任务中车辆的通行，因此路面采用混凝土结构形式。坝顶结构图如图3-2。图3-2 坝顶结构图3.2.2 护坡土石坝的上下游坡面一般均需设置护坡，但上、下游护坡的形式应根据工程的具体情况进行选择。3.2.

12、2.1 上游护坡上游护坡的常用形式为堆石、抛石、干砌石、浆砌石、预制或现浇的混凝土板、沥青混凝土等。护坡的形式、厚度及材料粒径应根据坝的等级、运用条件和当地材料情况。上游坝坡主要考虑波浪淘刷、顺坝水流冲刷及漂浮物和冰层的撞击及冻冰的挤压。根据工程的具体情况，上游护坡采用干砌石护坡，护坡厚度1m，护坡所用石料要求新鲜坚硬、耐久、饱和抗压强度小于40Mpa。对于干砌石护坡砌筑要求为：将块石错缝竖砌，紧靠密实，填塞稳固，表面平整、美观。3.2.2.2 下游护坡下游护坡的主要形式为干堆石、堆石、碎石及草皮护坡。同时下游护坡主要考虑的因素有：冻胀、干裂及蚁、鼠等动物破坏，雨水、大风、水下部位的风浪、冰层

13、和水流作用。下游护坡应由坝顶至排水棱体。根据具体情况，下游护坡同样采用干砌石护坡，护坡厚度1m。3.2.3 排水方式3.2.3.1 坝顶排水为了便于排水，坝顶做成自上游倾向下游的坡，坡度为2%。每隔100m设直径10cm的排水孔将坝顶雨水排向下游坝面排水沟。3.2.3.2 坝面排水沿坝轴线每隔100m设置1条横向排水沟，顺坡布置，垂直于坝轴线，横向排水沟自坝顶直至棱体排水处。坝体与岸坡连接处应设置排水沟，以排除岸坡上游下来的雨水。根据以往已建工程的经验，排水沟宽度及深度一般采用20到40cm，本设计取30cm。3.2.3.3 坝体排水常用的坝体排水有以下几种型式：贴坡排水、棱体排水、坝内排水以

14、及综合式排水。（1） 贴坡排水贴坡排水又称为表面排水，这种形式的排水结构构造简单用料节省，施工方便，易于检修，可以防止坝坡土发生渗流破坏，保护坝坡免受下游波浪淘刷。但不能有效地降低浸润线，且易因冰冻而失效。（2） 棱体排水棱体排水又称滤水坝趾，在下游坝脚处用堆石体堆成的棱体。棱体排水适用于下游有水的各种坝型，它可以降低浸润线，防止坝坡冻胀，保护尾水范围内的下游坝脚不受波浪淘刷，还可以和坝基排水相连接。当坝基强度足够时，可以发挥支撑坝体、增加稳定的作用。但所需石料用量大，费用较高，与坝体施工有干扰，检修较困难。（3） 坝内排水坝内排水包括褥垫排水、网状带排水、排水管、竖式排水体等。但是主要问题，

15、褥垫排水对不均匀沉降的适应性差，易断裂，且难以检修。当下游水位高过排水设施时，降低浸润线的效果将显著降低，网状排水施工麻烦，而且排水效果较褥垫排水差。（4） 综合式排水实际工程中，常根据具体情况将几种不同形式的排水组合在一起称为综合式排水，以兼取各型式的优点。在下游坝脚处用块石堆成棱体，根据SL2742001碾压式土石坝设计规范规定，棱体顶宽宽度应根据施工条件及检查观测需要确定，不小于1.0m，顶部高程应超过下游最高水位，超过高度，1级、2级坝应不小于1.0m，3级、4级、5级坝应不小于0.5m，并应超过波浪沿坡面的爬高，顶部高程应使坝体浸润线距坝面的距离大于该地区的冻结深度，应避免在棱体上游

16、坡脚处出现锐角，棱体内坡根据施工条件确定，一般为1:1.0至1：1.5，外坡为1:1.5至1:2.0。综合以上因素考虑，该设计顶宽取5.0m。棱体内坡取1：1.5，棱体外坡取1：顶部高程为1716.0m。第四章地基处理4.1 地基处理4.1.1 地基开挖地基的开挖情况如图4-1所示。图4-1 开挖轮廓线图图中粉色线为开挖轮廓线图。4.1.2 河床基础处理沥青混凝土心墙和过渡料的基础在河床部位要求清除基础至16611665m高程，落在约100米深的砂砾石覆盖层上。为增强防渗效果，心墙与河床基础的连接设置C25钢筋混凝土基座。混凝土防渗墙厚1.2m，深入基岩内1m，最大墙深为96m。设置1道墙。防

17、渗墙内预埋帷幕灌浆管，以适应其下部的帷幕灌浆。帷幕灌浆设两排，孔距为2m，帷幕灌浆深度以进入基岩透水率5Lu线以下5.0m及1/2坝高作为控制标准，深度为墙下1685m。为了增强覆盖层的防渗性能以及抗变形能力，在河床心墙基底下部的覆盖层中进行深15m的固结灌浆，孔距为3m，6排。4.1.3坝肩处理坝肩沥青心墙与坝基采用砼基座连接，砼基座宽6m，厚1.5m，砼标号为C25，基座基础挖至较坚硬、较完整岩石上，即弱风化上限。并设置必要的伸缩缝，伸缩缝间距12m。以基座为盖板，进行帷幕灌浆。沥青砼心墙坝的基础处理包括：基础开挖、固结灌浆、帷幕灌浆和断层处理。4.2 两岸处理4.2.1 右坝肩处理对右坝

18、肩做岸坡处理，要求挖去不稳定体，将表层松散体清除，把岸坡修正成较为平顺的边坡。坝肩坡脚分布有第四系崩坡积含土块碎石层，呈倒石锥状，其中范围较大的有二块，一块分布于右岸坡下游与3#冲沟交汇部位，最大厚度30m左右；另一块分布于坝轴线附近坡脚处，厚度723m。根据试验成果，其允许承载力一般为0.60Mpa0.80Mpa，变形模量30Mpa48Mpa，其承载力和变形指标基本满足堆石坝要求，但由于该层缺细粒充填，具架空结构，本阶段清除处理，是否可作为天然坝体保留下阶段进一步研究。（1）基础开挖沥青心墙基础：心墙基础坐在弱风化上限，心墙砼基础开挖要求顺直，平整，无突变。心墙两侧上下游岩石开挖1:0.5，

19、砂砾石覆盖层开挖边坡1:1.5。过渡料基础：同心墙基础。坝壳基础：要求挖去不稳定体，将表层松散体清除，把岸坡修正成较为平顺的边坡。（2）固结灌浆以心墙砼基座为平台，进行3排固结灌浆，在建基面表层基岩的张开裂隙带或中等透水带进行固结灌浆的目的是提高表层基岩的整体性和提高帷幕灌灌浆的灌浆效果。灌浆深度8m，孔距为3m，3排。（3）帷幕灌浆帷幕灌浆深度按q5Lu以下5.0m作为控制标准。帷幕灌浆右岸为2排，孔距2.0m，排距2.0m，深度为55m95m。坝肩设灌浆平洞，按q5Lu的控制标准，右岸平洞长度为80m，设2排帷幕灌浆，孔、排距2.0m，孔深为45m95m。灌浆孔布置如图4-4所示。（4）断

20、层处理根据地质报告，右岸坡分布规模较大的F9断层，出露在坝线1832m高程以上，缓倾岸内，断层破碎带宽45m左右，其中，糜棱岩厚1.53.5m，其余以碎裂岩和角砾岩为主。右岸灌浆平洞垂直穿过F9断层，需对灌浆平洞进行临时支护，帷幕灌浆增加一排。一般规模较小断层，处理方法是：一是开挖回填混凝土，二是灌浆加密，视开挖后实际情况确定。对于建基面出露的断层及其附近较破碎的节理裂隙，均作断层影响带挖除，用混凝土塞回填处理，并加强固结灌浆。4.2.2 左坝肩处理对左坝肩做岸坡处理，要求挖去不稳定体，将表层松散体清除，把岸坡修正成较为平顺的边坡。坝肩坡脚、冲沟底分布有第四系崩坡积含土块碎石和冲洪积碎石土覆盖

21、，厚度变化较大，一般0.53m，清除处理。以心墙砼基座为平台，进行固结灌浆，在建基面表层基岩的张开裂隙带或中等透水带进行固结灌浆的目的是提高表层基岩的整体性和提高帷幕灌灌浆的灌浆效果。帷幕灌浆深度按q5Lu线以下5.0m作为控制标准。帷幕灌浆左岸为2排，孔距2.0m，排距2.0m，深度为70125m。坝肩设灌浆平洞，按q5Lu的控制标准，左岸平洞长度为55m，设1排帷幕灌浆，孔距2.0m，孔深为2570m。根据地质报告，左岸发育有F3和F16张性顺河向断层，存在沿断层带及弱透水岩体的绕坝渗漏问题。从断层规模及断层带组成物分析，沿断层不存在渗透稳定问题，但须加强断层带的防渗处理。处理方法是：4.

22、3 坝体与地基岸坡的连接（1）坝体与坝基及岸坡的连接必须妥善设计和处理。连接面不应发生水力劈裂和邻近接触面岩石大量漏水，不得形成影响坝体稳定的软弱层面，不应由于岸坡形状或坡度不当引起不均匀沉降面导致坝体裂缝。（2）坝断面范围内必须清楚坝基与岸坡上的草皮、树根、含有植物的表皮、蛮石、垃圾及其他废料，并将清理后的坝基表面土层压实。（3）坝体断面范围内的低强度、高压缩性软土及地震时易液化的土层，应清除或处理。（4）坝断面范围内的岩石坝基与岸坡，应清除其表面松动十块、凹处积土和突出的岩石。（5）对失水很快风化的软岩（如页岩、泥岩等），开挖时宜预留保护层，待开始回填时，随挖除，随挖填，或开挖后用喷水泥砂

23、浆或喷混凝土保护。第五章 坝体安全复核5.1 渗流计算5.1.1 渗流计算基础根据地质报告提供的资料、试验参数进行渗流计算，河床地基为第四系砂卵砾石深厚覆盖层。坝基防渗采混凝土防渗墙下接帷幕灌浆，本阶段按规范采用平面渗流计算。5.1.1.1 计算目的（1）确定坝体浸润线及其下游逸出点的位置，绘制坝体及地基内的等势线分布图，分析坝体渗流稳定。（2）确定坝体渗流量，以便估计水库渗漏损失。5.1.1.2 计算工况本次计算为ATS工程沥青心墙坝渗流计算。以最大剖面为计算剖面。计算主坝标准剖面以下工况，确定渗流量：（1）正常情况：上游正常蓄水位（1820.00m）与下游相应水位。上游设计洪水位（1821

24、.65m）与下游相应水位。（2）非常情况：上游校核洪水位（1823.64m）与下游相应水位。5.1.1.3计算参数坝壳料、过渡料、心墙、覆盖层、基岩渗透系数采用如下数值。渗透系数取为：（1）砂砾料=110-2cm/s。（2）爆破料=5（3）过渡料=1.010-3cm/s。（4）沥青混凝土心墙10-7cm/s。（5）河床覆盖层=5.0（6）混凝土防渗墙10-6cm/s。（7）基岩10-4cm/s。（8）防渗帷幕5.1.2 渗流基本理论有限（单）元法是数值计算方法中应用最广的一种。有限单元法以剖分离散和分块插值为指导思想。其基本方法是将连续的求解区域离散化为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的

25、单元组合体，利用每一个单元内假设的近似函数来分片地表达整个求解域上待求的未知场函数。由于单元能按不同的连接方式进行组合，且单元本身又可以有多种形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数在单元各个节点的数值和其插值函数来表达。这样一来，未知场函数或其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，进而得到整个求解域上场函数的近似值。显然随着单元数目的增加，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进，只要单元满足收敛

26、要求，近似解最后将收敛于精确解。有限元法虽然类似于有限差分法，但其实施方法不同。有限差分法是直接从微分方程入手，以离散格式逐步近似逼近方程中的导数。有限元法的实施则相反，按照变分原理求泛函积分找其函数值，即把微分方程及其边界条件转变为一个泛函求极值的问题。有限元法是一种分块近似兹（Ritz）法的应用，即首先把连续体或研究区域离散划分为有限个、且按一定方式相互连接一起的单元的组合体，再以连续的分片插值函数建立一个个的单元方程后，依靠各节点把单元与单元连接起来，集合为整体，形成代数方程组进行求解。有限单元法在模拟曲线边界和向异性渗透介质方面比有限差分法具有较大的灵活性。5.1.3 计算结果边界条件

27、及网格划分边界条件施加为：坝体前50m范围内施加相应工况下水位的压力，同时坝体上游做相应水位处理，下游水位定为4m。有限元网格为15m一格划分，划分情况如图5-1所示。图5-1 渗流分析有限元划分网格图运用GEO软件进行分析得出结果如图5-2图5-4所示。图5-2正常蓄水位渗流分析结果图图5-3设计洪水位渗流分析结果图图5-4校核洪水位渗流分析结果图成果表如表5-1。表5-1 渗流分析结果统计表工况正常蓄水位设计洪水位校核洪水位上游水位（m）1820.00m1821.65m1823.64m单宽渗流量 （m2/s）2.503810-42.53052.56265.2 坝坡稳定计算5.2.1 坝坡稳

28、定计算基础5.2.1.1 计算工况计算主坝标准剖面以下三种工况，控制土石坝的稳定：正常蓄水位（1820.0m）稳定渗流期的上、下游坝坡。（2）非常情况：施工期（竣工时），上下游坝坡稳定。上游水位骤降至死水位（1770.0m）的上游坝坡稳定。（3）非常情况：正常蓄水位（1820.0m）稳定渗流期加8度地震的上、下游坝坡。5.2.1.2 参数采用计算坝坡稳定分析选取的计算参数详见表5-2，大坝抗震设计烈度为8度。表5-2沥青心墙坝坝坡稳定分析计算参数表筑坝材料（）C（KPa）容重（g/cm3）饱和容重41152.1952.385392.262.426过渡料2.272.432沥青34.6342.40河床砂砾料382.225.2.1.3 抗滑