斜心墙土石坝设计王岳震.docx
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斜心墙土石坝设计王岳震
斜心墙土石坝设计-王岳震
摘要
关键词:
毕业设计，斜心墙土石坝，稳定计算
该江位于我国西南地区，本工程拦河坝为斜心墙土石坝。
由于山区水位暴涨暴落，所以设置成兴利库容和拦洪库容完全不结合，即正常蓄水位和汛限水位均为2822.4米。
本设计是侧重于坝工部分以挡水建筑物和泄水建筑物为主的土石坝水利枢纽设计。
第一步，通过调洪演算得到最佳的溢流堰孔口净宽和堰顶高程方案，比较不同类型的土石坝在施工特点，技术经济等方面的优劣，最终确定大坝坝型为斜心墙土石坝，并且初定了大坝的轮廓尺寸。
然后通过土料设计，对照指标确定了砂砾料场及粘土料场的位置。
再选择坝体的三个典型断面对大坝进行渗流计算，画出流网图，校核渗流逸出处的渗透坡降确定是否满足要求。
然后通过vb编程进行坝坡稳定分析，最终进行坝体细部构造设计。
第二步，进入主要建筑物设计阶段。
确定出大坝的型式及坝址和坝轴线。
另外确定该枢纽的组成建筑物，包括挡水建筑物、泄水建筑物、水电站厂房等。
第三步，进入第二主要建筑物设计阶段。
确定出泄水建筑物的尺寸，型式和结构，定为泄水隧洞。
然后进行轴线选择和水力计算，从下泄能力、净空余幅、挑距和冲刷深度等方面校核设计的可行性。
最后进行细部构造设计。
本设计以《碾压式土石坝设计规范SL274-2001》为基本设计依据，外加参考了与土石坝的有关资料和书籍。
由于知识有限，对于本设计中的不妥及错误之处，恳请批阅批评指正。
在设计过程中得到了王玲玲等老师的指导，再次表示由衷的感谢。
本设计共历时9周。
06021101王越贞
Abstract
TheRiverislocatedinsouthwestChina,theprojectincludestheRCCdamwithclaycorewallofearth-rockstyle.Thewaterlevelriseduetostormdownthemountains,sotheactiveStorageisnotcombinedwiththedetentionstorage,thatis,normalwaterlevelandfloodcontrollevelareboth2822.4meters.Thedamwas
第一章前言
本科毕业设计是大学四年最重要，最关键的教学内容，它既是学以致用，知行合一的一项尝试，也为我们以后的学习或工作模拟了一次“演习”。
通过毕业设计，大家全面地系统地巩固了一下大学所有学过的专业知识，提高了专业水平，锻炼了专业技能。
通过这次毕业设计，我们对粘土斜心墙土石坝的坝型特点，施工方式，设计理念等有了系统地全面地认知，也有了一次系统设计能力的培养机会。
我们对水利水电专业的更加了解，对水利水电事业更加热衷。
1.1毕业设计主要目的和作用
（1）巩固、联系、加深、充实、扩大所学基本理论和专业知识，并进行系统化；
（2）培养综合运用所学知识解决实际问题的技能，初步掌握设计原则、方法和步骤；
（3）养成正确的设计思想，树立严肃认真，实事求是和刻苦认真的工作作风，学习态度；
（4）锻炼独立思考、独立工作能力，加强计算、绘图、编写说明书及使用规范、手册等技能训练。
1.2设计对象和背景
本设计的对象和背景是位于我国西南地区的某江，进行以坝工为设计重点的工程设计。
1.3设计过程与方法
1.3.1了解任务书和熟悉、分析原始资料
1.3.2洪水调节计算
用图解法确定防洪库容、设计（校核）洪水位及相应的下泄流量，为确定大坝高度和下游消能防冲设施提供了设计依据。
1.3.3主要建筑物形式选择和水利枢纽布置
（1）确定枢纽组成建筑物及其设计等级。
（2）通过不同方案的初步技术经济比较，选定坝型。
（3）通过定性分析比较，选定水电站厂房及其他建筑物型式。
（4）确定水利枢纽的布置方案。
1.3.4第一主要建筑物——拦河坝设计
一般应首先选定大坝结构布置与构造，然后进行校核计算。
（1）选定坝的结构形式，拟定防渗体的型式以及坝的主要尺寸。
（2）进行土料设计，包括对坝身不同高程的透水料和不透水料的分区规划布置以及压实标准的确定。
（3）渗流演算，计算正常、校核水位下浸润线位置，确定总渗流量与逸出坡降。
（4）静力稳定计算，求出上下游坡在某一水位情况下的最小稳定安全系数，以论证选用坝坡的合理性。
（5）拟定坝身构造，包括防渗、排水、反滤层、坝顶、护坡、马道，以及坝体与坝基、岸坡及其他建筑物的连接。
1.3.5第二主要建筑物——坝外泄水道设计
（1）确定结构形式和主要尺寸，进行建筑总体布置。
（2）进行水力计算，以验证建筑物的轮廓尺寸和各部分的结构尺寸是否合理。
（3）拟定细部构造，包括排水、锚筋加固、灌浆、掺气等。
1.3.6决定枢纽的施工导流方案，安排施工的控制性进度
1.4预期效果
绘出3张工程设计图，自行编制说明书和计算书，并编写中、英文的摘要。
第二章土石坝工程概况
2.1工程流域概况
该江位于我国西南地区，流向自东南向西北，全长约122公里，流域面积2558平方公里，在坝址以上流域面积为780平方公里。
本流域大部分为山岭地带，山脉和盆地交错于其间，地形变化剧烈，流域内支流很多，但多为小的山区流河流，地表大部分为松软的沙岩、页岩、玄武岩及石灰岩的风化层，汛期河流的含沙量较大。
冲积层较厚，两岸有崩塌现象。
本流域内因山脉连绵，交通不便，故居民较少，全区农田面积仅占总面积的20％，林木面积约占全区的30％，其种类有松、杉等。
其余为荒山及草皮覆盖。
2.2当地气候特征
2.2.1气温情况
年平均气温约为12.8度，最高气温为30.5度，发生在7月份，最低气温为-5.3度，发生在1月份。
表2-1月平均气温统计表（度）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
年平均
4.8
8.3
11.2
14.8
16.3
18.0
18.8
18.3
16.0
12.4
8.6
5.9
12.8
表2-2平均温度日数
月份日数
平均温度
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
℃
6
1.2
0.3
0
0
0
0
0
0
0
0
3.1
℃
25.0
26.8
30.7
30
31
30
31
31
30
31
30
27.9
℃
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
2.2.2湿度情况
本区域气候特征是冬干夏湿，每年11月至次年和4月特别干燥，其相对湿度为51~73％之间，夏季因降雨日数较多，相对湿度随之增大，一般变化范围为67~86％。
2.2.3降水量情况
最大年降水量可达1213毫米，最小为617毫米，多年平均降水量为905毫米。
表2-3各月降雨日数统计表
日数月份
平均降雨量
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
<5mm
2.6
2.2
4.3
4.2
7.0
8.6
11.5
8.5
9.6
9.5
4.8
4.3
5~10mm
0.3
0.2
0.2
1.4
2.0
2.4
2.7
2.7
2.6
2.4
0.8
0.1
10~30mm
0.1
0.1
0.7
0.5
2.3
4.6
4.9
3.8
2.2
1.3
0.6
0.1
>30mm
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
2.2.4风力和风向
一般1~4月风力较大，实测最大风速为19.1m/s，相当于8级风力，风向为西北偏西。
水库吹程为15公里。
实测多年平均风速14m/s。
2.3当地水文特征
该江径流的主要来源为降水，在此山区流域内无湖泊调节径流。
根据实测短期水文气象资料研究，一般是每年五月底至六月初河水开始上涨，汛期开始，至十月以后洪水下降，则枯水期开始，直至次年五月。
该江洪水形状陡涨猛落，峰高而瘦，具有山区河流的特性，实测最大流量为700秒立米，而最小流量为0.5秒立米。
2.3.1年日常径流资料
坝址附近水文站有实测资料8年，参考临近测站水文记录延长后有22年水文系列，多年年平均流量为17秒立米。
2.3.2洪峰流量资料
经过频率的分析，可以求得不同频率的洪峰流量如下表2-4，2-4所示，山区洪水的特性是暴涨暴落的。
表2-4不同频率洪峰流量（秒立米）
频率
0.05
1
2
5
10
流量
2320
1680
1420
1180
1040
表2-5各月不同频率洪峰流量（秒立米）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1％
46
19
12
19
600
1240
1550
1210
670
390
28
37
2％
36
17
11
15
530
1120
1360
1090
600
310
23
33
5％
23
14
9
11
420
850
1100
830
480
250
16
28
10％
19
11
7
9
370
760
980
720
410
210
15
23
2.3.3固体径流资料
该江为山区性河流，含沙量大小均随降水强度及降水量的大小而变化，平均含沙量达0.5公斤／立米。
枯水极少，河水清彻见底，初步估算30年后坝前淤积高程为2765米。
2.4工程地质资料
虽然土石坝对地质结构要求不像拱坝，重力坝以般苛刻，但是地质构造对土石坝的选址，建造，后期维护都有一定程度的决定性作用。
2.4.1水库地质资料
库区内出露的地层有石灰岩、玄武岩、火山角砾岩与凝灰岩等。
经地质勘探认为库区渗漏问题不大，但水库蓄水后，两岸的坡积与残积等物质的坍岸是不可避免的，经过勘测，估计可能坍方量约为300万立米。
在考虑水库淤积问题时可作为参考。
2.4.2坝址地质资料
坝址位于该江中游地段的峡谷地带，河床比较平缓，坡降不太大，两岸高山耸立，构成高山深谷的地貌特征。
坝址区地层以玄武岩为主，间有少量火山角砾岩和凝灰岩穿过，对其岩性分述如下：
（1）玄武岩。
一般为深灰色、灰色、含有多量气孔，为绿泥石、石英等充填，成为杏仁状构造，并间或有方解石脉、石英脉等贯穿其中，这些小岩脉都是后来沿裂隙充填进来的。
坚硬玄武岩应为不透水层，但因节理裂缝较发育，透水性也会随之增加，其矿物成份为普通辉石、检长石，副成分为绿泥石、石英、方解石等，由于玄武岩成分不甚一致，风化程度不同，力学性质也不同，可分为坚硬玄武岩、多气孔玄武岩、破碎玄武岩、软弱玄武岩、半风化玄武岩和全风化玄武岩等，其物理力学性质见表2-6、表2-7。
渗透性：
经试验得出k值为4.14~7.36米/昼夜。
表2-6坝基岩石物理力学性质试验表
岩石名称
比重
Gs
容重γ
kN/m3
建议抗压强度
MPa
半风化玄武岩
3.01
29.6
50
破碎玄武岩
2.95
29.2
50-60
火山角砾岩
2.90
28.7
35-120
软弱玄武岩
2.85
27.0
10-20
坚硬玄武岩
2.96
29.2
100-160
多气孔玄武岩
2.85
27.8
70-180
表2-7全风化玄武岩物理力学性质试验表
天然含水率
%
干容重
kN/m3
比重
Δ
液限
塑限
塑性指数
压缩系数a
浸水固结块剪
0~0.5
m2/kN
×10-6
3~4
m2/kN
×10-6
内摩擦角Φ
凝聚力
kPa
2.5
16.3
2.97
47.3
32.26
16.9
5.97
1.51
28.38
24
（2）火山角砾岩。
角砾为玄武岩，棱角往往不明显，直径为2~15厘米，胶结物仍为玄武岩质，胶结紧密者抗压强度与坚硬玄武岩无异，其胶结程度较差者极限抗压强度低至35MPa。
（3）凝灰岩。
成土状或页片状，岩性软弱，与近似，风化后成为碎屑的混合物，遇水崩解，透水性很小。
（4）河床冲积层。
主要为卵砾石类土，砂质粘土与砂层均甚少，且多呈透镜体状，并有大漂石掺杂其中。
卵砾石成分以玄武岩为主，石灰岩与砂岩占极少数。
沿河谷内分布：
坝基部分冲积层厚度最大为32米，一般为20米左右；靠岸边最少为几米。
颗粒组成以卵砾石为主，砂粒和细小颗粒为数很少。
卵石最小直径一般为10~100毫米；砾石直径一般为2~10毫米；砂粒直径0.05~0.2毫米；细小颗粒小于0.1毫米。
见表2-8。
冲积层的渗透性能经抽水试验后得，渗透系数k值为3×10-2厘米/秒~1×102厘米/秒。
（5）坡积层。
在水库区及坝址区山麓地带均可见到，为经短距离搬运沉积后，形成粘土与碎石的混合物质。
据《水利水电工程天然建筑材料勘察规程SL251-2000》，初步设计阶段的天然建筑材料勘察应在初查基础上进行详查。
应详细查明料场岩土层结构及岩性，夹层性质，及空间分布，地下水位，剥离层，无用层厚度及方量有用层储量，质量，开采运输条件和对环境的影响等。
当需要时应进行混凝土天然掺合料的调查，在可行性研究阶段做过详查的料场可视需要进行复查。
宜采用1：
1000~1：
2000的地形图作底图进行料场地质测绘及勘探布置。
对人工骨料和块石料应实测1：
500~1：
2000料场地质剖面，砂砾料和土料料场可实测料场1：
500~1：
2000地质剖面图。
勘察储量与实际储量误差应不超过勘察储量15%应编制1：
10000~1：
50000料场分布图，1：
10000~1：
2000料场综合地质图1：
500~1：
2000料场地质剖面图。
表2-8冲积层剪力试验成果表
土壤
名称
项目
计
算值
容重
（控制）
kN/m3
含水量
（控制）
三轴剪力
（块剪）
应变（拉制）
（浸水固结快剪）
内摩擦角
凝聚力（kPa）
内摩擦角
凝聚力
（kPa）
含中
量
细
粒
的
砾
石
次数
17
12
8
8
2
2
最大值
24.3
8.66
47°15′
37.0
32°43′
10.5
最小值
22.2
4.27
35°30′
12.0
17°55′
0
平均值
23.08
6.47
40°34′
18.2
25°25′
5.3
小值
平均值
37°32′
14.8
注：
三轴剪力土样备系筛去大于4mm颗粒后制备的。
试验时土样的容重为控制容重。
应变控制土样容重系筛去大于0.1mm颗粒后制备的。
以上两种试验的土样系扰动的。
2.4.3地质构造资料
坝址附近无大的断层，但两岸露出的岩石，节理特别发育。
可以分为两组，一组走向与岩层走向几乎一致，即北东方向，倾向西北；另一组的走向与岩层倾向大致相同。
倾角一般都较大，近于垂直，裂隙清晰，且为钙质泥质物所充填。
节理间距，密者0.5米即有一条，疏者3~5米即有一条，所以沿岸常见有岩块崩落的现象。
上述节理主要在砂岩、泥灰岩与玄武岩之类的岩石内产生。
2.4.4水文地质条件
本区地形高差大，表流占去大半，缺乏强烈透水层，故地下水不甚丰富，对工程比较有利。
根据压水试验资料，玄武岩的透水性不同，裂隙少、坚硬完整的玄武岩为不透水层，其压水试验的单位吸水量小于0.01l/（min•m）。
夹于玄武岩中的凝灰岩，以及裂隙甚少的火山角砾岩都为不透水性良好的岩层。
至于节理很发育的破碎玄武岩、半风化与全风化玄武岩都是透水性良好的岩层。
正因为这些隔水的与透水的玄武岩存在，遂使玄武岩区产生许多互不连贯的地下水。
一般砂岩也是细粒至微粒结构，除因构造节理裂隙较发育，上部裂隙水较多外，深处岩层因隔水层的层数多，难于形成泉水。
石灰岩地区外围岩石多为不透水层，渗透问题也不存在。
2.4.5地震资料
本地区地震烈度定为7度，基岩与混凝土之间的摩擦系数取0.65。
2.5建筑材料
2.5.1料场的位置与储量资料
各料场的位置与储量见坝区地形图。
由于河谷内地地形平坦，采运尚方便。
2.5.2物理力学性质概述
（1）土料：
（见表2-9，表2-12）
（2）石料：
坚硬玄武岩可作为堆石坝石料，储量较丰富，在坝址附近有石料场一处，覆盖层浅，开采条件较好。
表2-9
料
场
名
称
物理性质
渗
透
系
数
10-6
cm/s
力学性质
化学性
自然含水量
%
自然容重
比
重
孔隙率
%
孔隙比
稠度
饱和度
颗粒级配（成分%，粒径d）
击实
剪力
固
结
压
缩
系
数
cm2/kg
有机含量灼热法
%
可溶盐含量
%
流限
%
塑限
%
塑性指数
砾
砂
粘土
最
大
干
密
度
g/cm3
最优含水量
%
内摩擦角
deg
凝聚力
kPa
湿
干
粗中
细
粉
>2
mm
2~
0.5
mm
0.5~
0.05
mm
0.05
~
0.005
mm
<
0.005
mm
KN/m3
1#下
24.8
18.91
15.16
2.67
42.26
0.734
42.60
23.14
19.46
0.93
7.47
5.95
17.87
35.48
33.23
1.60
22.07
4.317
24.67
24.0
0.021
1.73
0.070
2#下
24.2
18.91
15.18
2.67
41.90
0.721
43.90
22.20
21.70
0.91
7.25
4.15
14.35
41.75
32.25
1.65
21.02
4.80
25.50
23.0
0.020
1.90
0.019
1#上
25.6
17.35
13.03
2.65
49.80
0.990
49.57
25.00
24.57
0.87
8.83
8.00
17.50
31.00
34.67
1.56
22.30
1.90
23.17
25.0
0.026
2.20
0.110
2#上
26.3
16.37
12.84
2.74
52.30
1.093
49.90
26.30
23.50
0.69
4.50
4.33
20.67
36.20
34.30
1.54
23.80
3.96
21.50
38.0
0.033
0.25
0.110
3#下
15.9
19.11
16.64
2.70
37.00
0.580
34.00
20.00
14.00
0.67
6.40
9.00
12.00
35.00
19.60
1.80
16.90
3.00
28.00
17.0
0.010
1.90
0.080
表2-10砂砾石的颗粒级配
颗粒
直径
料场
300
~
100
100
~
60
60
~
20
20
~
2.5
2.5
~
1.2
1.2
~
0.6
0.6
~
0.3
0.3
~
0.15
<0.15
1#上
5.2
18.6
21.4
12.3
18.6
13.9
5.4
4.6
0.3
2#上
4.8
17.8
20.3
14.1
17.8
14.8
4.6
5.3
0.5
3#上
3.8
15.4
18.5
15.3
16.4
20.5
3.5
6.2
0.4
4#上
6.0
18.3
19.4
16.4
15.6
16.7
4.8
2.5
0.3
1#下
4.5
14.1
20.1
23.2
14.9
7.2
8.6
7.2
0.2
2#下
3.9
19.2
22.4
18.7
19.1
8.3
5.7
2.8
0.1
3#下
5.0
23.1
19.1
14.2
18.4
8.9
6.3
4.1
0.9
4#下
4.1
22.4
18.7
14.1
17.9
14.4
4.1
3.6
0.7
表2-11砂砾石的物理性质
名称
1#上
2#上
3#上
4#上
1#下
2#下
3#下
4#下
容重kN/m3
18.6
17.9
19.1
19.0
18.6
18.5
18.4
18.0
比重
2.75
2.74
2.76
2.75
2.75
2.73
2.73
2.72
孔隙率%
32.5
34.7
31.0
31.5
32.5
32.2
32.5
33.8
软弱粒%
2.0
1.5
0.9
1.2
2.5
0.8
1.0
1.2
有机物
淡色
淡色
淡色
淡色
淡色
淡色
淡色
淡色
注：
各砂砾石料场渗透系数k值为2.0×10-2厘米/秒左右。
最大孔隙率0.44，最小孔隙率0.27。
表2-12各料场天然休止角
料场名称
最小值
最大值
平均值
1#上
34°30′
35°50′
35°10′
2#上
35°00′
37°10′
36°00′
3#上
34°40′
36°40′
35°40′
4#上
35°10′
37°40′
36°30′
1#下
34°10′
36°30′
35°20′
2#下
35°20′
38°00′
36°40′
3#下
34°30′
37°10′
35°50′
4#下
36°00′
38°20′
37°10′
2.6经济资料
2.6.1库区经济
流域内都为农业人口，多种植稻米、苞谷等。
库区内尚未发现有价值可开采的矿产。
淹没情况如下表。
表2-13各高程淹没情况
高程（米）
2807
2812
2817
2822
2827
2832
淹没人口（人）
3500
3640
3890
4060
5320
7140
淹没土地（亩）
3000
3220
3410
3600
4600
6100
2.6.2交通运输
坝址下游120公里处有铁路干线通过，已建成公路离坝址仅20公里，因此交通尚称方便。
2.7枢纽任务
本工程同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合作用。
2.8枢纽特征
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