水工建筑物课程设计

说

明

书

水利学院工程管理专业

第一章 设  计  基  本  资  料

一、地形、地质情况

 坝址处河床宽约190米，坝轴线处河床最低高程为306米，河床覆盖层上层为湿陷性黄土夹杂有砾石，下边为砂砾石层，坝址岩体为花岗岩，透水性很小。详见坝轴线地质剖面图。

二、水位资料

 死水位 m

 正常蓄水位 338m 坝前水深32m

 设计洪水位(1%) 341m 坝前水深35m

 校核洪水位(0.1%) 342m 坝前水深36m

 正常蓄水时下游水位 m

 校核洪水位时下游水位 m

三、气象资料

 多年平均最大风速 12m/s

 冻土深 1.2m

 四、筑坝材料及坝基砂砾石物理力学性质(见附表)

表1.1    物理力学性质指标

 五、其它

 工程等级：枢纽为二等，建筑物为二级；

 水库吹程：1公里；

 地震基本烈度：7度。

第二章 土 坝 设 计

一、基础处理：

1、清基：清除河床覆盖层上层的湿陷性黄土，并将砂砾石向下开挖0.3米，使土坝建立在砂砾石地基上，清除河床左岸表层的覆盖层。

2、削坡：河床左岸岩石良好，清除表面风化的岩石后，直接填土筑坝。河床左岸岩体较陡，可能造成岸坡坝高变化剧烈，引起坝体不均匀沉降，需进行削坡处理，根据《碾压式土石坝设计规范SL274-2001》7.1.4规定岩石岸坡不应陡于1：0.5，削坡后的坡度可取1:0.75.

二、坝体剖面拟定：

（一）确定坝顶高程。

1. 计算依据

《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）第3.5节及附录A有关规定。

2. 已知参数

2.1水库水位及坝迎水面前水深H

2.2气象资料及风区水域平均水深Hm

表 2.3其他参数

注：《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）5.35规定，设计风速的取值应遵循下条规定：

（1）正常运行条件下的1级、2级坝，采用最大多年平均风速的1.5～2.0倍；

（2）非常运行条件下，采用多年平均年最大风速。

本设计建筑物为2级，对于正常运行条件下，可取W=(1.5～2.0)*12=1.5*12=18 m/s

表2.4  波高h及品均波长Lm

表2.5 不同累计频率下的波高与平均波高的比值（hp/hm）

               P(%)

表2.6平均波高hm

表2.7  风浪要素计算成果表

4.设计波浪爬高R 的确定

(1)按规范A.1.12条，当上游坝坡为单坡且m=1.5～5时，平均爬高Rm按公式（A.1.12-2）计算：

式中：

m……………………单坡的坡度系数，m=3.25

k……………………斜坡的糙率渗透系数，k=0.8

Kw……………………斜率的糙率渗透系数，根据的值按规范表

表2.8用内插法确定

表2.8 经验系数Kw

表2.9 系数Kw计算成果表

表2.10 平均爬高Rm计算结果表

(2)按规范表2.11条，设计波浪爬高值应根据大坝级别确定，1、2、3级大坝采用累计频率为1%的爬高值R1y，4、5级大坝采用累积频率为5%R5y.

表2.11 不同累积频率下的爬高与平均爬高比值（Ry/Rm）

P（%）

表2.12 设计爬高R计算结果表

5 风壅水面高度e的确定

按规范A.1.10条，风壅水面高度公式（A.1.10）计算：

                 ………………(A.1.10)

式中：

K………………综合摩阻系数，K=0.0000036

D………………风区长度（m），D=1000

β…………计算风向与坝轴线法线夹角，β=0

W………………计算风速（m/s）

Hm………………风区内水域平均水深

表2.13 风壅水面高度e计算结果表

按规范5.3.1条，安全加高A根据大坝级别规范表5.3.1确定。

表2.14安全加高A值表

7 超高y的确定

按规范5.3.1条，坝顶在水库静水位以上的超高y按规范公式（5.3.1）计算：

        y=R+e+A

表2.15坝顶超高y计算成果表

8        坝顶高程（或防浪墙顶）确定

（1）按规定5.3.3坝顶高程等于水库井水位与坝高之和，应按下列运用条件，取其大值：1 设计洪水位加正常运用条件的坝顶高程；2正常蓄水为加正常运用条件按的坝顶超高；3校核洪水位加非常时期运用条件的坝顶超高；4 正常蓄水位加非常运用条件下的坝顶超高，按规范5.3.2规定加地震安全高度。

（2）按规定5.3.4条，当坝顶上游侧设有防浪墙时，坝顶超高可改为对防浪墙的要求。但此时在正常运用时期条件下，坝顶应高出静水位0.5m。在非常时期条件下，坝顶应不低于静水位。

表2.16坝顶高程的确定表

   结论：坝顶上游侧设1.0m高的防浪墙，墙顶高程为343.2m，坝顶高程为342.2m。

二 最低坝底高程的选择

筑坝时清除河床覆盖层上的湿陷性黄土，将沙砾石向下开挖0.3米，即最低筑坝高程为306米。

（二） 确定坝顶宽度

1.我国《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）要求高坝的坝顶最小宽度为10～15m；中低坝的坝顶最小宽度为5～10m。 

2.坝顶最小宽度也可采用经验公式计算。 

（a）当坝高在30m～100m时，Bmin = 0.1H ;

（b）当坝高大于100m时， Bmin = H 0.5 .

本设计中坝体高度为36m,属于中低坝，所以可以确定坝顶宽度为：8m

（三） 确定坝坡和马道

坝坡可根据课本上的经验值取1：2～1：4，但是最终值要根据稳定计算核定。本课程设计可作上游一次、下游两次变坡并设置马道。

《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）5.2.5规定：上、下游坝坡马道的设置应根据坝面排水、检修、观测、道路、增加护坡和坝基稳定等不同需要确定。土质防渗体分区坝和均质坝上游坡宜少设马道。马道宽度应根据用途确定，但最小宽度不宜小于1.50m。

本设计中：

上游不设变坡，坡率分别为1：3。下游设变坡一次，坡率分别为1：2.5和1：3,边坡均为宽2m的马道。

（四） 排水体

《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定：

5.7.7棱体排水设计应遵守下列规定：

1、顶部高程应超出下游最高水位，超过的高度，1级、2级坝应不小于1.0m，3级、4级和5级坝应不小于0.5m，并应超过波浪滑坡面的爬高；

2、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；

3、顶部宽度应根据施工条件及检查观测需要确定，但不宜小于  1.0m；

4、应避免在棱体上游坡脚处出现锐角。

常用的坝体排水形式有以下几种：

1、贴坡排水：贴坡排水结构简单，用石料较少，且便于观察和检修，可防止渗流溢出处的渗透破坏，保护下游坝坡免受回水冲刷，但因未深入坝体，不能降低浸润线。

2、堆石棱体排水：棱体排水可以降低坝体浸润线，防止坝坡冻裂破坏和渗透变形，保护下游坝址免受层水淘刷，丹石料用量较多，故造价较高。

3、褥垫式排水：此排水体能显著降低坝体浸润线，也有助于地基的排水固 法，可免受冻裂。

4、混合式排水：根据具体情况采用将几种排水形式组合在一起的混合式排水设备，以发挥各种排水设施的作用。

 本设计采用堆石棱体排水。示意图如下：

图2.1 棱体排水

（五） 截水槽设计

《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定：

6.2.5垂直防渗措施应该在坝的防渗体底部，均质坝可设在距上游坝脚1/3～1/2坝底宽度处。

6.2.6垂直防渗措施的选择原则：砂砾石深度在15m以内，宜采用明挖回填粘土截水槽。

6.2.7截水槽应采用与坝体防渗体相同的土料填筑，其压实度不应小于坝体同类土料，底宽应根据回填土料的允许渗透比降、及土料与基岩接触面抗渗流冲刷的允许渗透比降和施工条件确定。

本设计中采用明挖回填粘土截水槽

图2.2 截水槽简图

三、渗流计算

（一）《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定

8.1.1渗流计算应包括以下内容：

1、确定坝体浸润线及其下游出逸点的位置绘制坝体及坝基内的等势线分布图或流网图；

2、确定坝体与坝基的渗流量；

3、确定坝坡出逸段与下游坝基表面的出逸比降以及不同土层之间的渗透比降；

4、确定库水位降落时上游坝坡内的浸润线位置或孔隙压力；

5、确定坝肩的等势线渗流量和渗透比降。

（二）土石坝渗流分析的目的

1、确定坝体浸润线的位置，为坝体稳定分析和布置观测设备提供依据：

2、确定坝体和坝基的渗透流量，以估算水库的渗流损失；

3、确定坝体和坝基渗流溢出区的渗透坡降，检查产出渗透变形的可能性，以便采取适当的控制措施。

（三）渗流计算

本课程设计利用水力学方法，计算河床坝体最大剖面，在水库正常蓄水位时，坝体达到稳定渗流时的坝体浸润线位置及单宽流量。

上游水深： =308-306=32m              下游水深： =306-306=0m

粘土渗透系数： m/s

坝基沙砾石渗透系数： m/s

由 有限深度透水地基土石坝的渗流计算

（1）均质坝

对于透水地基上的均质坝，分析时： 

把坝体与坝基分开考虑，即先假设地基为不透水的，由上述方法计算坝体的渗流量q1和浸润线（用q1代替q）;

然后再假定坝体为不透水，计算坝基渗流量q2 ， 将 q1 +q1可得坝体和坝基的流量  。

当有棱体排水时（图5-5），因地基产生渗流使得浸润线有所下降，可假设浸润线在下游水面与排水体上游面的交点进入排水体（即h0=H2 a0=0），则通过坝体的渗流量  可表达为：

通过坝基的渗流量q2可表达为:

 (d)

坝体、坝基的单宽渗流总量q为：

 (5-14)

式中:  KT—坝基土料渗透系数;T —透水层厚度；

   L0排水体起始点之前的坝底宽度；  n—坝基渗径修正系数，表5-8

表2-17  系数n 表

 用坝体渗流量q1代替。

   （5-6）

及示意图可求得一下数据：

浸润线方程为：

图2.3 浸润线示意图

四、稳定性计算

（一）《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定：

土石坝施工建成蓄水和库水位降落的各个时期不同荷载下应分别计算其稳定性，控制稳定的有施工期，包括竣工时，稳定渗流期水库水位降落期和正常运用遇地震四种工况。

应计算的内容如下：

（1）施工期的上下游坝坡

（2）稳定渗流期的上下游坝坡

（3）水库水位降落期的上游坝坡

（4）正常运用遇地震的上下游坝坡

各工况正常和非常运用条件的区分应按本规范的规定执行。

坝坡抗滑稳定计算应采用刚体极限平衡法对于均质坝厚斜墙坝和厚心墙坝宜采用计及条块间作用力的简化毕肖普（simplified bishop）法，对于有软弱夹层、薄斜墙、薄心墙坝的坝坡稳定分析及任何坝型可采用满足力和力矩平衡的摩根斯顿-普赖斯（Morgenstern-Price）等方法。稳定计算方法按本规范附录D的规定执行。

非均质坝体和坝基稳定安全系数的计算应考虑安全系数的多极值特性滑动破坏面应在不同的土层进行分析比较直到求得最小稳定安全系数。

采用不计条块间作用力的瑞典圆弧法计算坝坡抗滑稳定安全系数时，对Ⅰ级坝正常运用条件最小安全系数应不小于1.30，其他情况应比本规范表 规定的数值减小。

二、具体计算步骤 

（1）假定圆心和半径画弧。 

（2）将滑面上的土体分条编号。为简化计算，土条宽取b=0.1R；圆心以下的为0号土条：向上游依次为1、2、3...，向下游依次为-1、-2、-3...。 一般。

（3）计算每个土条所受的力

1º土条自重，其中，、、分别表示该土条中对应土层的容重，表示相应的土层高度，为土条宽度。

2º土条自重在滑弧面上的法向分力和切向分力为，，其中起滑动作用，产生的摩阻力则起抗滑作用。

3º滑动面的凝聚力也起阻滑作用。

4º渗透力作用，可用计算，式中，为该土条渗流区的平均渗流坡降，为渗流区的面积。为便于计算，可以采用等值力矩法来考虑渗透力的作用，则对浸润线以下与下游水位以上的土料容重，在计算滑动力矩时采用饱和容重，而在计算抗滑力矩时用浮容重；下游水位以下的土料容重仍按浮容重计。

（4）计算安全系数

根据以上的作用力，并忽略土条间的作用力，可求得坝坡抗滑稳定安全系数为：

其中，为土条数，为土条编号。

5、最小安全系数滑动面（最危险滑弧位置）的确定

对于均质坝可以采用这样的方法来确定。

图2.4 作图法确定危险圆心范围

（1）首先按一定比例画出坝体的横剖面图，然后在坝坡中点C做一铅直垂线。

（2）做一条与坝坡成85°角的直线。

（3）如图在坝下依图找到距坝顶和下游坝趾点交点。

（4）根据表格，查曲两组数据（半径和角度），利用角度值得到如图的交点.

（5）根据半径值，以为圆心，分别以为半径画弧，与最初绘制的两条直线围成扇形。通常最危险的画弧就在此扇形区域内的延长线附近。

（6）试算：在延长线上取，并以之为圆心，做通过点的圆弧，求出各画弧的稳定安全系数,标于上方并连成的变化曲线，通过的最小值点如图上点做的垂线,同样在其上取等点，然后以这些点为圆心，做通过点的圆弧，并计算相应的并连成曲线寻找最小点，如，则此点就是通过点的最小滑动安全系数。

（7）继续对等点做类似的计算，求得通过这些点的最小，并将各点连成曲线，曲线上的最小就是所求坝坡的最小稳定安全系数，目前有电算程序。

计算结果：

计算图纸见附图一，数据见附表一。

图2.5 滑弧法计算坝体稳定

第三章 细部构造设计

一、坝顶构造

《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定：

1.坝顶盖面材料应根据当地材料情况及坝顶用途确定宜采用密实的砂砾石、碎石、单层砌石或沥青混凝土等柔性材料。

2.坝顶面可向上、下游侧或下游侧放坡。坡度宜根据降雨强度，在2%-3%之间选择并应做好向下游的排水系统。

3.坝顶上游侧宜设防浪墙，墙顶应高于坝顶防浪墙1.00-1.20m，必须与防渗体紧密结合。

4.防浪墙应坚固不透水，其结构尺寸应根据稳定、强度计算确定并应设置伸缩缝做好止水。

二、上、下游护坡

《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定

坝表面为土、砂、砂砾石等材料时应设专门护坡，堆石坝可采用堆石材料中的粗颗粒料或超径石做护坡。

护坡可在以下几种形式中选择：

1上游护坡

1）堆石抛石

2）干砌石

3）浆砌石

4）预制或现浇的混凝土或钢筋混凝土板（或块）

5）沥青混凝土

6）其他形式如水泥土

2下游护坡

1）干砌石

2）堆石、卵石或碎石

3）草皮

4）钢筋混凝土框格填石

5）其他形式如土工合成材料

    护坡的覆盖范围应按以下要求确定：

1.上游面 上部自坝顶起，如设防浪墙时应与防浪墙连接；下部至死水位以下不宜小于2.5，4级、5级坝可减至1.5m,最低水位不确定时应护至坝脚.

2.下游面 应由坝顶护至排水棱体，无排水棱体时应护至坝脚。

堆石干、砌石护坡与被保护料之间不满足反滤要求时，护坡下应按反滤要求设置垫层。

三、坝面排水

《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定：

四、反滤层

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL247-2001）5.6条规定设置反滤层。

在土石坝土质防渗体与坝壳或坝基透水层间，以及渗流溢出处，进水排水处，都必须设反滤层。反滤层由一到三层，级配均匀，耐风化的沙砾，或碎石构成，每层粒径随渗流方向增大。

该坝为均质土坝，坝上游护坡与坝体之间，坝底与坝基之间，截水槽周围以及排水棱体与坝体接触部分均需设反滤层。反滤层设三层，第一层设d50=30mm，厚50cm砂，第二层设d50=4.0mm，厚40cm，第三层设d50=0.45mm的卵石厚40mm。

第四章 地基处理与两岸的连接

1.土石坝地基处理的目的：

（1）    渗流控制：减少渗透坡降和渗流量，防止渗漏变形，降低坝坡浸润线，减少下游的浸没；

（2）    稳定控制：使坝坡具有足够的强度，防止坝体连故坝基的失稳破坏；

（3）    变形控制：要求沉降量控制在容许范围内，特别要防止不均匀沉降，以免坝体开裂。

2.地基处理

    在本次设计中，地形、地质情况提到河床覆盖层上为失陷性黄土。失陷性黄土地基的主要危害是浸水后产生过大的不均匀沉降，造成坝体裂缝。一般处理措施为挖除、翻无或者通过强夯等以消除其失陷性。本次设计采用挖出的处理措施，所以土石坝建立在沙砾石地基上，沙砾石地基具有较大的抗剪强度和承载能力，后缩变形小，其主要问题是进行渗流控制。本次设计垂直防渗采用粘性土截水槽，水平防渗只要采用铺盖、截水槽底部与不透水层的接触面是防渗的薄弱环节，为防止发生集中渗流，在槽底部与基岩结合面上，建造混凝土齿墙。

3.土石坝与岸坡的连接

    坝与岸坡的连接，不仅需要防止发生集中渗流，而且还要注意岸坡与坝高的变化，避免由于结合面的坡质和形式选用不当，引起坝体不均匀沉降和裂缝，为此岸坡应清理成缓变的斜坡面，不易削成阶梯状，更不能有道破，本设计右岸岩石良好，清楚表面风化即可，左岸岩体较陡，需进行削坡处理。

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