粘土心墙坝说明书设计论文.docx

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粘土心墙坝说明书设计论文

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前言

毕业设计是大学本科教育的最后一个教学环节，也是最重要的教学环节之一。

既是所学理论知识巩固深化过程，也是理论与实践相结合的过程。

毕业设计是培养学生综合运用所学基本理论知识和基本技能，去解决实际问题和进一步提高运算、制图以及使用技术资料的技巧、完成工程技术和科学技术基本训练的重要环节。

使学生从中受到工程师所必需的综合训练，并相应地提高各种能力，如调查研究、理论分析、设计计算、绘图、试验研究、技术经济分析、组织、撰写论文和说明书等等，培养实事求是、谦虚谨慎、刻苦钻研、勇于创新的科研态度和科学精神。

经过严格的毕业设计训练，使我们进入工作岗位后，可以较快地适应工作。

本次设计的任务是亭子口水利枢纽工程，此工程是以发电为主，兼顾灌溉的综合利用的水利枢纽。

本枢纽处于大陆腹地，气候干燥，坝区流道顺直，两岸为不对称河谷，岸坡陡峭。

因此在组织设计过程中应充分考虑工程地质条件及处理措施，根据当地的条件选择最优的方案，使之既经济又安全。

本工程承担发电、泄水、防洪任务，因此对水工建筑物的稳定、承压、防渗、抗冲等方面都有特殊要求，如要采取专门的地基处理措施和应力条件分析，以确保工程质量，优质完成设计任务。

全文包括设计挡水建筑物即挡水坝的，泄水建筑物即溢流坝的设计以及土坝细部构造与坝基处理等部分，详细的介绍了亭子口水利枢纽工程设计的内容。

2012年6月

第一部分设计说明书

1基本资料

1.1坝址区自然条件简况设计资料

坝址位于峡谷河段内，峡谷河道长约600m，总体河流流向为S86°E，河谷断面呈“V”型，坝轴线处河谷宽高比约1.8。

枯水期坝址河水位约290m，水面宽30～50m，水深0.5～3m，局部深6m，河床覆盖层厚19～32m，河床基岩面高程258～270m。

汛期（7～9月）最大风速的多年平均值为9.05ms，水库吹程约900m，坝址区场地地震基本烈度为6度，鉴于本工程坝高超过200m，其壅水建筑物的抗震设防应按甲类抗震设防标准进行抗震设防，应在地震基本烈度基础上提高1度，即为7度。

1.2地址概况设计资料

1.2.1库区工程地质

水库区位于溇水上游河段的深山峡谷中，河段多为“U”型和“V”型峡谷，岸坡陡峻，人烟稀少，水库两岸大部分植被发育良好；水库区很少发育漏斗形的地形，除在坡脚因崩塌易形成常见的含碎、块石堆积体外，一般基岩（灰岩）直接裸露，较难具备形成泥石流的地质环境条件，调查中水库区未见泥石流的迹象，亦没有发生过大的泥石流，除因暴雨形成的山洪冲刷浅表层的覆盖层以外，无大的固体迳流来源。

库区基岩裸露，地形险峻，但植被尚较好，固体径流来源少。

峡谷深切，人烟稀少，除鹤峰县城外，仅在江坪河、白日垭、五码头、让口、风竹园、南渡江、沈家河、和坪、茶园湾等少数宽谷阶地或碎屑岩缓坡上有少量农户居住，淹没损失小。

库区以岩溶峡谷为主，地下水排泄条件较好，耕地极少，主要岩溶洼地（槽谷）有：

关庄坪～杨柳垭～鹤峰岩溶洼地（槽谷），高程为580m～1000m；石龙洞～凉水井岩溶洼地（槽谷），高程为700m～1000m；杨柳坪岩溶洼地（槽谷），高程为700m～900m；九洞坪～七男坪岩溶洼地（槽谷），高程为760m～800m；梅坪岩溶洼地（槽谷），高程为725m～750m；红鱼坪岩溶洼地（槽谷），高程为640m～720m；曲溪岩溶洼地（槽谷），高程为600m～650m；柘坪岩溶洼地（槽谷），高程为550m。

其地面高程均在高程550m以上，不存在岩溶洼地等的浸没问题。

1.2.2坝址区工程地质

坝址区为岩溶峡谷，两岸山体雄厚，地貌形态以溶蚀峰丛洼地为主，次为剥蚀垄丘坡地，层状地貌较明显。

左右岸均有不对称冲沟发育，在坝址1.5km范围内共发育大小冲沟13条（左岸7条，右岸6条），冲沟发育深度一般为20～50m，冲沟两侧一般为陡坎，一般沿垂直河流方向（近南北向）发育，局部地段追踪北西、北东向断层延伸方向发育，其中⑸、⒀、⑵、⑹、⑻号5条冲沟有常年流水，其余冲沟有季节性流水。

除冲沟覆盖层局部较深外，余者基岩裸露，但由于岩层的差异风化作用，在悬崖和陡坡下形成有两级相对较缓的条带状台地。

岸坡多为悬崖和陡坡，高程350m以下两岸峭壁耸立，以上地形陡峻，坡角30°～65°。

1.3坝基岩石及砂砾石的物理学性质资料

1.3.1建造材料及水源资料

坝址附近缺少大规模土料料场，但坝址区块石料储量丰富，质量较好，蓄量丰富，粗骨料可满足要求。

1.3.2粘土的物理力学指标

在天然状态下：

粘粒含量30%～40%；天然含水量23%～24%；塑性指数15～17；不均匀系数50；有机质含量0.4%；水溶盐含量2%；塑限17%～19%；比重2.7～2.72。

扰动后的主要物理力学指标为干容重16.50kNm3;饱和容重20.60kNm3；浮容重0.60kNm3；渗透系数2×10-6cms。

1.3.3筑坝材料物理力学参数

筑坝材料物理力学参数见表（1-1）。

表1-1筑坝材料物理力学参数表

料场

岩石野外定名

风化程度

颗粒

密度

（gcm3）

饱和密度

（gcm3）

干密度

（gcm3）

饱和

吸水率

（%）

孔隙率

（%）

饱和抗压

强度

（MPa）

干燥抗压强度

（MPa）

软化

系数

栗

山

坡

含砾冰

碛砂岩

微~新鲜

2.724

2.717

2.713

0.16

0.39

67.8

79.6

0.85

冰碛砂岩

（灰~偏灰绿色）

微风化

2.74

2.73

2.73

0.14

0.55

104

133

0.78

冰碛砂岩

（灰色）

微风化

2.75

2.74

2.73

0.17

0.55

64.4

84.1

0.77

冰碛砂岩

（灰绿色）

微风化

2.774

2.766

2.761

0.17

0.36

77.3

94.0

0.82

白

岩

尖

白云质灰岩

弱风化

2.77

2.62

2.54

3.27

8.12

44.3

64.7

0.68

灰岩

（深灰色）

微风化

2.73

2.72

2.72

0.20

0.52

50.4

62.2

0.81

灰岩

（浅灰色）

弱风化

2.72

2.70

2.69

0.37

0.95

42.0

50.8

0.83

瘤状灰岩

弱风化

2.73

2.72

2.71

0.30

0.91

42.8

56.0

0.76

1.4水库特征表

特征水位与流量见表（1-2）。

表1-2特征水位、流量表

名称

洪峰流量

m3s

下泄流量

m3s

库水位

m

下游水位

m

正常蓄水位

-

-

470.0

-

可能最大洪水

（大坝校核洪水位）

11600

8850

475.14

309.04

P=0.1%洪水

（大坝设计洪水位）

9370

6180

471.90

306.06

P=0.2%洪水

（厂房校核洪水位）

8600

6070

470.90

305.92

P=1%洪水

（厂房设计洪水位）

6880

5720

470.00

305.47

防洪限制水位

-

-

459.70

-

死水位

-

-

427.00

-

2设计任务

2.1依据资料进行坝型选择和设计

根据给定的地形、地址、水文及施工运行方面的资料对选定的坝轴线，坝型进行论证。

确定枢纽主要建筑物的组成，根据建筑物及其要求确定主要建筑物在枢纽布置中的现对位置。

2.2主要建筑物设计

2.2.1挡水坝坝段的设计

确定挡水坝的使用部面及轮廓尺寸，并进行渗流分析、坝体稳定。

绘出最大处挡水坝横剖面图。

2.2.2溢洪道的设计

确定泄洪道的基本部面及轮廓尺寸，进行水利计算及稳定。

3枢纽建筑物及其布置

3.1工程标准

等级划分及设计安全标准》规定，本工程属一等大

（1）型工程。

3.2水工建筑物级别

挡水建筑物、泄洪建筑物等主要永久建筑物为1级建筑物，输水发电系统中发电进水口、主厂房、副厂房、开关站出线场等主要永久建筑物，按电站装机容量相当于二等大

（2）型工程，按2级建筑物设计，其余次要建筑物为3级建筑物。

3.3坝型选择

坝型选择要根据地形条件、地质条件、筑坝材料、施工条件、气候条件及坝基处理等各种因素，要求宣泄洪水情况，地震情况及枢纽任务，初步拟定几种坝型进行定性比较，选定技术上可靠、经济上合理的坝型。

本设计限于资料只作定性的分析来确定土石坝坝型的选择。

3.3.1均质坝

均质坝坝体材料单一，施工方便，当坝址附近有数量足够的适宜土料时可以选用，这种坝所用的土料的渗透系数较小，施工期坝体内会产生空隙水压力，影响土料的抗剪度，所以坝坡较缓，工程量大；此外铺土厚度薄、填筑速度慢、施工容易受降雨和冰冻影响，不利于加快进度、缩短工期。

一般适用于中、低坝。

工程量太大，故不采用此方案。

3.3.2斜墙坝

雨季和寒冷季节可先上透水料争取工期；坝基处理可与斜墙及坝壳填筑同时进行，不影响坝体施工；斜墙位于透水坝壳之上，如坝壳沉陷较多，将影响斜墙开裂；库水位降落时斜墙孔隙水来不及排出时，影响上游坡稳定；与岸坡及混凝土建筑物连接不如心墙坝；斜墙与地基接触应力比心墙小，与基础结合不如心墙坝，故不采用此方案。

3.3.3面板堆石坝

工程量较小，施工方便。

在具有大型振动碾等条件下，有很强的竞争力坝型。

堆石坝施工干扰相对较小。

但是由于河床地质条件较差，河床覆盖层一般为30米～40米，最大深度达70余米，作为堆石坝可能导致大量的开挖，此方案不予考虑。

3.3.4心墙坝

适应变形能力强，抗震性能较好，两岸的连接较为方便，坝址附近料场满足供应要求，故优先考虑此坝型，且根据地形条件、地质条件、筑坝材料、施工条件、气候条件等，最终决定采用心墙坝方案。

因此最终选用心墙坝方案。

3.4枢纽建筑物及其布置

3.41枢纽组成建筑物

（1）挡水建筑物：

土石坝。

（2）泄水建筑物：

溢洪道。

3.4.2枢纽总体布置

（1）挡水建筑物─土坝

挡水建筑物按直线布置，坝布置在河弯地段上。

（2）泄水建筑物—溢洪道

泄水建筑物采用溢洪道，溢洪道布置在坝体的左侧。

4挡水坝段设计

大坝剖面轮廓尺寸包括坝顶高程，坝顶宽度、上下游坝坡、防渗体等排水设备。

4.1坝顶高程

坝顶高程分别按正常情况、非常情况下的两种方案来计算大坝的高程，最后计算出数据取最大值，同时并保留一定的沉降值.坝顶高程在水库正常运用和非常─运用期间的静水位以上应该有足够的超高，以保证水库不漫顶，其超高按下式计算：

（4-1）

式中：

——波浪在坝坡上的爬高，m；

——风浪引起的坝前水位壅高，m；

——安全加高，m。

根据坝的级别和运行情况按下表4-1选用。

坝的级别

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ、Ⅴ

正常运行

1.50

1.00

0.70

0.50

非常运行（a）

0.70

0.50

0.40

0.30

非常运行（b）

1.00

0.70

0.50

0.30

查《碾压式土石坝设计规范》波浪的爬高可按用蒲田实验站公式计算：

（4-2）（4-3）

（4-4）

式中：

——平均波高，；

——多年平均风速，，正常情况下，非常情况下；

——水库吹程，本设计取；

——经验系数，根据计算无维量查《碾压式土石坝设计规》取1.0；

——斜坡糙率及渗透性系数，，取；

——折减系数，风向与坝轴垂线的夹角为0º，查得折减系数；

——平均波长，。

风壅水面高e按下式计算：

（4-5）

式中：

K——综合摩阻系数，取；

——多年平均风速，，正常情况下，非常情况下；

——水库吹程，本设计取；

β——风向与坝轴线方向所成的夹角，β=0°；

H——水库的平均水深，m。

结果取正常、非常情况两者之大者，并预留一定的沉降值.结果见下表（4-2）。

表4-2坝顶高程计算成果表

计算情况

计算项目

设计情况

校核情况

上游水位（m）

471.90

475.14

河地变程（m）

290.86

坝前水深H（m）

184.04

184.28

吹程D（km）

0.9

风向与坝轴线夹角β0

0

风速v（ms）

17.9

9.05

经验系数Kw

1.00

坝坡糙率系数KΔ

0.80

初拟上游坝坡m

1.6

波浪爬高R（m）

0.655

0.584

风壅水面高度e（m）

0.0005

0.0002

安全超高A（m）

1.5

0.7

地震涌浪高度（m）

1.5

防浪墙（m）

1.2

坝顶高程（m）

474.06

476.42

坝高

181.70

184.36

坝顶高程加1%沉陷（m）

474.67

477.07

设计情况取坝顶高程为476.42m，坝高184.36m，

4.2坝顶宽度

坝顶宽度取决于施工、交通、构造、运行、抗震与防风等要求。

如坝顶设置公路或铁路时，应按交通要求确定。

。

对心墙或斜墙坝还需要满足其墙顶和两侧反滤层的布置要求。

在寒冷地区，还应使心墙或斜墙至坝面的最小距离大于当地冻土层厚度，以免防渗体冻融破坏。

查《水工设计手册》可知，当坝高大于时，应按确定坝顶宽度，即

。

确定坝顶宽为。

4.3坝坡的确定

土石坝边坡的大小取决于坝型、坝高、筑坝材料、荷载、坝基性质等因素，且直接影响到坝体的稳定和工程量的大小，边坡选择一般从以下几方面选择：

（1）由于土石料在饱和状态下抗剪强度降低，且库水位下降时，渗流力指向上游，对上游坝坡稳定不利。

所以土料相同时，上游坡应比下游坡缓；

（2）从坝型上看，心墙坝其下游坡稳定受心墙土料特性影响较大，故下游坡一般较斜墙坝缓；

（3）从受载情况看，为适应越向底部荷载逐渐增加的特征，坝坡应上陡下缓，且土石坝上下游一般做成变坡的，自上而下逐渐变缓，相邻坡率差为0.25～0.5。

综上，参考已建工程，拟定该土石坝坡分别为：

上游：

1：

2.51：

2.751：

3.00

下游：

1：

2.251：

2.51：

2.75

4.4坝体排水设备

坝体排水主要是控制和引导渗流，降低浸润线，加速孔隙水压力消散，以增强坝的稳定性，防止渗透变形，并保护下游坝坡免遭冻胀破坏。

坝体排水有一下几种形式：

（1）棱体排水，又称为滤水坝趾。

是在下游坝脚处用块石堆成的棱体。

棱体与坝体以及土质之间均应设置反滤层。

在棱体上游坡脚出应该尽量避免出现锐角。

棱体排水可以降低浸润线，防止坝坡冻胀，保护尾水范围内的下游坝坡不受波浪淘刷，还可以与坝基排水相连。

（2）贴坡排水，又称为表面排水。

排水顶部必须高于浸润线逸出点，对于1级、2级坝不小于2m，对于3~5级坝不小于1.5m。

贴坡排水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，但不能有效的降低浸润线，且易因冰冻而失效。

（3）坝内排水。

包括褥垫排水层，网状排水层、网状排水带、排水管、竖式排水体等。

当下游无水时，褥垫排水能有效地降低浸润线，有助于坝基排水，加速软粘土地基的固结。

主要缺点是对不均匀沉降的适应性差，易断裂.，且难以检修。

当下游水位高于排水设施时，降低浸润线的效果将显著降低。

本地区石料比较丰富，采用堆石棱体排水比较适宜，它可以降低坝体浸润线，防止坝坡冻涨和渗透变形，保护下游坝址免受尾水淘刷，并可支撑坝体，增加下游坝坡的稳定性。

按规范棱体顶面高程高出下游最高水位1m为原则，上游校核洪水时下游为最高水位水位309.04m最后取410.04m，堆石棱体内坡取1:

1.5，外坡取1:

2，顶宽2.0m。

在下游坝坡设纵横连通的排水沟，沿坝与岸坡的结合处，也设置排水沟，一般设于马道内侧，沿坝轴线方向每隔100m设置排水沟。

4.5大坝防渗体

所谓防渗体，就是该部分土体比坝壳其他部位更不透水，它的作用是控制坝体内浸润线的位置，并保持渗流稳定。

土石坝设计规范》规定：

心墙的不宜大于4，斜墙的不宜大于5。

国内外土石坝的建设实践中，后心墙的的底部常取为水头的30%~50%，薄心墙的底部厚度常取为水头的15%~20%。

大坝防渗体的设计主要包括坝体防渗和坝基防渗两个方面。

（1）坝体的防渗

坝体防渗的结构和尺寸必须满足减小渗透流量、降低浸润线控制渗透坡降的要求，同时还要满足构造、施工、防裂、稳定等方面的要求.该坝体采用粘土心墙，其底部最小厚度由粘土的允许坡降而顶，根据经验本设计允许渗透坡降取[J]=4，参考以往工程的经验，心墙的顶部宽度取为3ｍ，粘土心墙坝坡的坡度为1:

0.2，粘土心墙的顶部高程以设计水位加一定的超高（超高0.6m）并高于校核洪水位为原则，最终取其心墙顶高程为473.72ｍ，墙顶的上部预留有1.5m的保护层，心墙两侧设0.6m厚的粗砂层。

（2）.坝基防渗体

这个大坝坝基不设坝基防渗体。

材料给出坝址区露岩层主要为黑云角闪石英片岩，该岩石致密坚实，不透水，乃风化性强。

由材料可以知道，坝基岩体非常好，不透水，所以不用做坝基防渗体。

见大坝剖面简图（4-1）。

图4-1大坝剖面图

5土料设计

筑坝材料的设计与土坝的结构设计、施工方法及工程造价有关，一般力求坝体内的材料分区简单，就地就近取材，因材设计。

土料设计的主要目的是确定粘土的填筑干容重、含水量，砾质土的砾石含量、干容重、含水量，砂砾料的相对密度和干容重等指标，同时要使材料具有较高的强度，以减小坝体断面尺寸，防渗体较小的渗透性，以保证渗透稳定。

5.1粘性土料的设计

计算公式：

设计初步阶段，缺乏实验资料时，干容重按下式计算

（5-1）

（5-2）

式中：

——设计干容重，（）；

——水容重，取9.81Nm

——土粒比重，取2.72；

——经验系数，取0.95；

——土的塑限，取18%；

——稠度系数，取0.1；

——塑性指数，取16%。

5.2非粘性土料设计

对于砂砾料，由于含有砾石，如果用一般砂土的干容重控制砂砾料施工，会使坝壳紧密度降低。

可根据不同粗砾的含量，选择设计干容重。

参照下表（5-1），根据经验选择。

表5-1不同砾石含量设计干容重参考表

大于5mm的含砾量

10～20

21～30

31～40

41～50

51～60

61～70

设计干容重

（）

17.00

17.50

18.50

19.00

19.50

20.00

6渗流计算

土石坝的渗流计算主要确定坝体的浸润线的位置，为坝体的稳定分析和布置观测设备提供依据；同时确定坝体与坝基的渗透流量，以估算水库的渗漏损失，而且还要确定坝体和坝基渗流区的渗透坡降，检查产生渗透变形的可能性，以便取适合的控制措施。

6.1计算方法

选择水力学解土坝渗流问题。

根据坝内各部分渗流状况的特点，将坝体分为若干段，应用达西定理近视解土坝渗流问题，计算假定任一铅直过水断面内各点渗透坡降均相等。

计算简图如下（6-1）：

图6-1大坝渗流计算简图

查《水力计算手册》第二版，进行渗流计算。

通过防渗体的渗流量：

（6-1）

通过下游坝壳和坝基的渗流量：

（6-2）

浸润线方程：

（6-3）

式中：

——上游水深，m；

——坝壳的渗透系数，取；

——心墙的渗透系数，取；

——坝基的渗透系数，取；

——心墙的平均厚度，，、为心墙在水库水位高程上和在地基上的厚度，m；

——透水地基深度，m；

——心墙浸润线的溢出高度，m；

——浸润线的水平投影长度，，其中，m。

6.2假设条件

1）.不考虑防渗体上游侧坝壳损耗水头的作用；

2）设心墙的上、下游水位分别等于坝的上、下游水位；

3）按下游无水设计；

4）总渗流量可按河床中间断面渗流量的平均进行计算。

6.3计算断面及计算情况的选择

计算断面取河床中间断面I—I进行渗流计算，计算主要针对正常蓄水、校核洪水及设计洪水时进行。

6.4计算结果

渗流计算结果汇于下表（6-1）：

表6-1渗流计算结果表

计算工况

计算项目

正常（校核）情况

设计情况

上游水深H（m）

184.28

181.04

棱体排水内坡m

1.5

心墙平均厚度δ（m）

41.02

心墙单宽流量q（m3m·s）

1.605×10-7

1.544×10-7

坝顶长（m）

375.578

总渗流量Q（m3天）

49.991

48.416

总渗流量Q（m3年）

18246.72

17671.84

6.5渗透稳定演算

心墙之后的坝壳，由于水头大部分在防渗体损耗了坝壳渗透坡降及渗透速度甚小，发生渗透破坏的可能性不大，而在防渗墙与粘土心墙的接触面按允许坡降设计估计问题也不大。

在心墙逸

出点渗透坡降较大，予以验算。

渗透坡降的计算公式：

（6-4）

式中：

——减逸出水深减下游水深，m；

——渗流区长度，m。

对于非粘性土，渗透破坏形式的判别根据指导书可参考下式：

η<10为流土

η>20为管涌

10<η<20时不定

允许坡降可参考：

10<η<20，J允许=0.2；η>20，J允许=0.1。

经演算校核情况下渗透逸出点的实际渗透坡降为小于其允许坡降J允许=0.2，故而认为渗透坡降满足要求。

其计算详见毕业设计计算书。

6.6成果分析与结论

以心墙、混凝土防渗墙作为防渗措施。

总渗流在正常蓄水时为18246.72m3年，设计洪水时为17671.84m3年，与其总库容相比显然是很小的。

因此该断面满足设计要求。

7稳定分析计算

7.1基本原理

工程上采用的土坡稳定分析方法，主要是建立在极限平衡理论基础之上的。

假设达到极限平衡状态时，土体将沿某一滑裂面产生剪切破坏而失稳。

滑裂面上的各点，土体均处于极限平衡状态，满足摩尔—库伦强度条件。

本次设计采用瑞典圆弧法。

假设坝坡或坝坡连同部分坝基土体沿某一圆柱面滑动。

圆柱面在坝体横剖面图上为宜圆弧。

通常取单位坝长按平面问题计算。

假设不同的圆心和半径画出一系列圆弧，对每一圆弧上的土体进行力的分析，分别求出各力对圆心的力矩。

设∑Mr为圆弧面上抗滑力产生的抗滑力矩总和，∑Mg为滑裂土体上的荷载对圆心的力矩代数和。

每一个假设圆弧面的抗滑安全系数均可由下式计算：

（7-1）

比较一系列滑动圆弧的，最小的安全系数即为该计算情况的安全系数，其值不得小于下表（7-1）所列数值。

表7-1坝坡抗滑稳定的安全系数

运用情况

工程等级

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ、Ⅴ

正常

1.30

1.25

1.20

1.15

非常

Ⅰ

1.20

1.15

1.10

1.05

Ⅱ

1.10

1.05

1.05

1.00

7.2计算方法

图7-1计算简图图7-2土条单元

图7-1所示为用任意半径R和圆心O所画的圆弧。

为了便于计算滑动土体上各力对圆心O的力矩，采用“条分法”。

将滑动圆弧以上的土体分成若干竖向土体，分别计算各土条上力的作用效果，然后求其总和代入公式计算稳定安全系数。

不计条块间作用力的圆弧法

（1）将土体分条编号

土体宽度常取半径R的110，即b=0.1R。

各