碾压土石坝计算书毕业设计.docx
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碾压土石坝计算书毕业设计
第一章水文水利计算
1.1推理公式法推求设计洪水位
市东山街办南山村老虎坑，坝址座落于章江水系二级支流老虎坑河，东经114°44´，北纬25°10´，设计历时为24小时，坝址以上控制集水面积1.2km2，主河长1.63km，河床平均坡降43‰，设计频率为30年一遇为例。
参照《手册》，计算步骤如下（说明：
以下所用附图均来自于手册）：
1.1.1工程地点流域特征值
工程地点流域面积F=1.2km2，主河道长度L=1.63km，主河道比降J=0.043。
1.1.2设计暴雨的查算
1、求三十年一遇24小时点暴雨量
根据工程地理位置查附图2-4，得流域中心最大24小时点暴雨值P24=101.5mm;附图2-5得Cv24=0.37，由设计频率P=3.33%和CS=3.5Cv查附表5-2，得
则30年一遇24小时点暴雨量
2、求30年一遇24小时面暴雨量
根据流域面积F=1.2km2和暴雨历时t=24h查附图5-1，得点面系数
=0.9998。
则30年一遇24小时面暴雨量为：
3、求设计暴雨24小时的时程分配
①设计暴雨24小时雨配
查附表2-1，得以60分钟为时段的雨型分配表，如表1-1。
②查算30年一遇60分钟，3小时，6小时暴雨参数
根据工程地理位置分别查附录图2-6和附图2-8，得流域中心最大6小时和60分钟点暴雨量，P6=72mm；P60min=44.5mm；查附图2-7和附图2-9，得Cv6=0.42；Cv60min=0.335。
由设计频率P=3.33%和CS=3.5Cv查附表5-2得
。
则30年一遇60分钟，6小时点暴雨量为：
3小时暴雨由公式
计算，
式中：
。
则P3（3.33%）=73.8×30.316=114mm。
由流域面积F=1.2km2和暴雨历时t=60min，t=3h，t=6h分别查附图5-1，得点面系数a60min=0.9993，a3=0.9994，a6=0.9995。
则30年一遇60分钟，3小时，6小时面暴雨量为：
③列表计算设计暴雨时程分配
将表1-1控制时段雨量的百分数列于表1-2第1、3、5、7栏。
由设计24小时暴雨控制时段雨量：
按各时段所占百分数计算各时段的雨量，填入表1-2第2、4、6、8栏。
第9栏即为设计24小时暴雨过程。
时段
（60min）
控制
时段雨量
（mm）
占控制时段雨量的百分数（%）
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
P60min
（1）
100
P3~P60min
（2）
60
40
P6~P3
（3）
20
40
40
P24~P3
（4）
5
5
5
5
5
5
0
0
0
10
10
10
9
9
8
5
5
4
表1-1以60分钟为时段的雨型分配表
表1-2流域30年一遇24小时暴雨时程分配计算表
表1-3流域30年一遇净雨过程计算
1.1.3设计24小时净雨过程的计算
1）扣除初损求时段总径流量
由附图3-1产流分区知，该工程地点在产流第Ⅱ区。
将表1-2第9栏各时段毛雨量列于表1-3第1栏，计算各时段累积雨量，填于第2栏。
将各时段累积雨量∑P与设计前期雨量Pa（该区为70mm），相加填入表1-3第3栏。
在附表3-2（Ⅱ），得相应各时段累积径流∑R总，填于表1-3第4栏。
计算各时段径流量∑R总，填于表1-3第5栏。
2）扣除稳渗求时段地面径流量
计算设计24小时平均暴雨强度
=
24/24=189.8/24=7.9mm/h.
由
=7.9mm/h，查中表2-3，用经验公式fc=0.196
计算得
fc=0.196×7.9=1.55mm/h，取fc=1.6mm/h填于表2-3第6栏。
由表1-3第5栏减去第6栏即得设计24小时净雨过程，填入表1-3第7栏
1.1.4推求30年一遇设计洪水
1、求设计洪峰流量Qm及汇流时间
①列表计算Qt值
将表1-3第7栏自最大时段净雨开始，按前后相邻时段大小连续排列填于表1-4第1栏。
由第1栏计算累积值∑ht值填于第2栏除于相应历时得∑ht/t值填于第3栏。
由第3栏按公式Qt=0.278F∑ht/t计算各时段相应流量填于第4栏。
②列表试算Q
值
由附图4-2推理公式分区图知，该工程地点在第Ⅱ区。
根据θ=L/J
=1.63/（0.043）1/3=4.66。
应用第Ⅱ区经验公式（手册表2-3）或直接查附图6-3（Ⅱ）计算参数m。
用经验公式m=0.429θ0.164计算，得m=0.633。
根据公式
=0.278L/mJ1/3Qτ1/4=0.278θ/m
，得
不同
值对应的流量
，如表1-5第1、2栏。
表1-5流域
计算表
点绘
，
相关线，如图3-1，得
，
光滑曲线交点对应的流量Qm地面=26.5m3/s,汇流时间
=0.8h，即为所求地面设计洪峰流量和汇流时间。
图1-1本流域
，
相关
2、设计洪水过程线推求
①地面流量过程线的推求
由（手册表3-2）概化五点折腰多边形过程线推求地面流量过程线。
各转折点的坐标如表1-6第1，2栏。
表1-6各点转折点坐标
坐标
a起涨点
b起涨段转折点
c洪峰
d退水段转折点
e终止点
Q地面（m3/s）
0
0
时间T（h）
0
0.1T
0.25T
0.5T
T
T为过程线底宽，由下式计算
T=9.67W/Qm地面（h）
式中：
W为洪水总量，由下式计算
已知净雨总量h24=120.7mm，地面洪峰流量Qm地面=26.5m
/s,则
W=0.1×120.7×1.2=14.5（万m
）
T=9.67×14.5/26.5=5.3（h）
根据表1-6第1、2两栏计算各转折点流量和时间，表1-7第1、2栏，即为所求地面流量过程线。
表1-7该流域地面流量过程线计算表
座标
序号
a点
b点
c点
d点
e点
1
0
2.7
26.5
5.3
0
T（h）
2
0
0.5
1.3
2.7
5.3
②地下径流回加计算
由已知表1-3第6栏地下径流深R下=29.3mm，表2-7地面径流过程线底宽T=5.3h。
以此时间为地下流量峰顶位置，按下列公式计算地下流量峰值。
Qm地下=R下·F/3.6T=（29.3×1.2）/（3.6×5.3）=1.8m3/s，填入表1-8第5栏5行。
自Qm地下开始，向后每增加一个时段（△t=1h），其流量随之减少一个
=1/5.3×1.8=0.34，向前每减少一个时段（△t），其流量减少一个
△Q地下=△t/5.3×1.8=0.34·△t，分别向后或向前填于表2-8第5栏的第6~11行和第4~1行。
即得地下流量过程线。
由第4、5两栏相加，填于第6栏，,即为所求30年一遇设计洪水过程线。
图1-2所示。
并得设计洪峰流量Qm=26.94m
/s。
表1-8该流域三十年一遇设计洪水过程计算表
序号
时间
Qm地面（m2/s）
Qm地下（m2/s）
Qτ（m2/s）
T（h）
△t（h）
1
2
3
4
5
6
⑴
0
0
0
0.00
0
⑵
0.5
0.5
2.7
0.17
2.87
⑶
1.3
0.8
26.5
0.44
26.94
⑷
2.7
1.4
5.3
0.92
6.22
⑸
5.3
2.6
0
1.8
1.8
⑹
6.3
1
1.46
1.46
⑺
7.3
1
1.12
1.12
⑻
8.3
1
0.78
0.78
⑼
9.3
1
0.44
0.44
⑽
10.3
1
0.1
0.1
⑾
10.8
1
0
0
图1-2三十年一遇的洪水过程线
按照这种方法可以得到三百年一遇校核洪水线见图1-3，并得到校核洪峰流量Qm=36.52m
/s。
表1-9该流域三百年一遇校核洪水过程计算表
序号
时间
Qm地面（m2/s）
Qm地下（m2/s）
Qτ（m2/s）
T（h）
△t（h）
1
2
3
4
5
6
⑴
0
0
0
0
0
⑵
0.6
0.6
3.6
0.211
3.811
⑶
1.4
0.8
36
0.523
36.523
⑷
2.9
1.5
7.2
1.108
8.308
⑸
5.7
2.8
0
2.2
2.2
⑹
6.7
1
1.81
1.81
⑺
7.7
1
1.42
1.42
⑻
8.7
1
1.03
1.03
⑼
9.7
1
0.64
0.64
⑽
10.7
1
0.25
0.25
⑾
11.7
1
0
0
图1-3三百年一遇的洪水过程线
1.2调洪演算
本设计采用的是无闸门控制的调洪计算和静库容曲线，调洪计算的基本方法为列表试算法。
以下具体介绍设计洪水情况的列表式算法的步骤。
1、确定起调水位
入库洪水为设计洪水，起调水位取正常蓄水位181.0m，即堰顶高程为181.0m。
2.、绘制水库容积曲线Z－V。
由基本资料知水库水位容积关系表，见表1-10；将其绘制成水库容积曲线，见图1-4。
表1-10水库水位容积关系表
Z（m）
143.8
150
155
160
165
170
175
180
185
A（万m2）
0
0.77
1.87
3.39
4.86
8.15
11.5
15.3
19.7
V（万m3）
0
2.39
8.99
22.1
42.7
75.2
124
191
279
3、计算并绘制蓄泄曲线q－V
在本设计中流量系数m=0.485，则P1/Hd=0.6。
因为溢洪道自由泄洪，故淹没系数取
=1、侧收缩系数均取
=0.91，流量系数m=0.485，则水库溢洪道出流公式为：
（1-1）
根据公式（1-1）可以将不同水位对应的下泄流量得出，
时，代入公式（1-1）得q=7.4，以此类推得出表1-11，并画出图1-4。
表1-11水库q~V、Z~V关系
Z（m）
181
182
183
184
185
V（万m3）
207
226.2
243.8
261.4
279
堰顶水头h（m）
0
1
2
3
4
下泄流量q（m3/s）
0
7.4
21.0
38.5
59.3
图1-4南山水库q~V、Z~V关系曲线
4、试算法法推求水库出流过程
起始时段的下泄流量q=0m3/s，V=207万m3，先取计算时段△t=1h。
在时间t=1h时查洪水过程线图1-2，得到Q=22.5m3/s,于是求的平均值11.25m3/s，分别填入表1-12的
（2）、（3）
假设h=0.1m，得Z=181+0.1=181.1m，
，将这些数字填入表1-12的
栏；并可求的
，填入表1-12的（8）栏，得出V=211.05万m3，再在库容水位曲线图1-3读出相应的库容V,=208.92m3/s，与V进行比较，知道数值差比较大，故重新假设一个h，以此类推，试算过程如表1-11。
最后得到一个V·的值与V的值很接近，在进行下一个时段的试算。
6.确定最大下泄流量和设计洪水位
表1-12中Δt=1h的出流过程，t=3h的流量4.43m3/s，小于入库流量4.9m3/s，t=4h的流量4.31m3/s，大于入库流量2.8m3/s。
故流量最大及水位最高是在3~4小时之间，对此范围缩小时段，取Δt=0.2h，重新进行试算，得
表1-11第一时段（0-1小时）的试算过程
时间t（h）
Q
（m3/s）
Q1+Q2/2
（m3/s）
h（m）
q
（m3/s）
q1+q2/2
（m3/s）
△V（104m3）
V
（104m3）
Z（m）
V,
（104m3）
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
（9）
（10）
0
0
11.25
0
0.12
4.05
207
181.00
1
22.5
0.1
0.23
211.05
181.10
208.92
0.15
0.43
0.22
3.97
418.05
181.15
209.88
0.2
0.66
0.33
3.93
625.05
181.20
210.84
0.21
0.71
0.36
3.92
832.05
181.21
211.03
0.205
0.69
0.34
3.93
210.93
181.21
210.936
表1-12中时刻t=3.2、3.4、3.6、3.8的泄流量（4h后的流量仍取Δt=1h试算），进一步分析知，最大值发生在3.2~3.4h之间，对此范围缩小时段，取Δt=0.05h，重新进行试算，得表1-12中时刻t=3.25的泄流量，t=3.25h的泄流量等于该时刻的入库流量，该值为所求最大下泄流量，即qm=4.45m3/s。
由各时刻的下泄流量查得各时刻水位，最大下泄流量qm=4.45m3/s，相应的总库容为220.66×104m3，查图1-4得相应的校核洪水位Z设=181.71m。
表1-12P=3.33%调洪演算过程
时间t（h）
入库洪水量Q（m3/s）
时段平均Q1+Q2/2（m3/s）
下泄流量q（m3/s）
时段平均下泄流量q1+q2/2（m3/s）
时段内水库存水量变化▽V（104m3）
水库存水量V（104m3）
水库水位Z（m）
0
0
11.25
0
0.34
3.93
207
181.00
1
22.5
0.69
210.93
181.21
1.3
26.94
24.72
1.45
1.07
2.55
213.48
181.34
2
16
21.47
3.36
2.40
4.80
218.29
181.59
3
4.9
10.45
4.43
3.90
2.36
220.64
181.71
3.2
4.5
4.7
4.45
4.44
0.02
220.66
181.71
3.25
4.45
4.48
4.45
4.45
0.00
220.66
181.71
3.4
3.6
3.85
4.45
4.45
-0.03
220.63
181.71
3.6
3.4
3.5
4.39
4.42
-0.07
220.56
181.71
3.8
3
3.2
4.36
4.37
-0.08
220.48
181.70
4
2.8
2.9
4.31
4.34
-0.10
220.37
181.70
5
2.1
2.45
4.02
4.17
-0.62
219.76
181.67
图1-5南山水库调洪计算结果图
同理可得校核况工下的最大下泄流量qm=5.98m3/s，相应的总库容为223.64×104m3，查图1-4得相应的校核洪水位Z设=181.87m。
第二章大坝剖面确定
2.1正常运行情况下的超高计算
2.1.1波浪爬高
根据资料知，南山水库多年平均年最大风速为18m/s，吹程为1000m，工程等级为Ⅳ等，大坝为4级。
有规范知正常运行条件下的1、2级坝，采用多年平均年最大风速的1.5～2.0倍，正常运行条件下的3、4、5级坝，采用多年平均年最大风速的1.5倍，故计算风速:
设计时W=18×1.5=27m/s。
南山水库挡水土坝上游坝坡采用砌石护面，故
=0.75～0.80，取
=0.75。
上游坝坡系数m取2.5。
坝前水深H：
设计情况下H=181.71-133=48.71m；
，查表2-1得Kw=1.01。
表2-1经验系数
≤1
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
≥5.0
1
1.02
1.08
1.16
1.22
1.25
1.28
1.30
蒲田试验站的波高和波长计算：
1）平均波高
用简化公式计算，代入已知参数得：
2）平均周期Tm按以下公式计算：
3）有经验得知本设计计算平均
按以下公式计算：
所以平均爬高
为：
计算设计爬高值R。
不同累计频率的爬高Rp与
的比，可根据爬高统计分布表2-2确定。
设计爬高值按建筑物级别而定，对于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级土石坝取累计频率P=1%的爬高值R1%；对于Ⅳ、Ⅴ级坝取P=5%的R5%。
南山水库挡水土坝为4级，故本设计中P=5%，因为
，所以
，则Rp=1.84
=1。
84×0.673=1.238m。
表2-2爬高统计分布（Rp/Rm值）
0.1
1
2
4
5
10
15
20
30
50
<0.1
2.66
2.23
2.07
1.90
1.84
1.64
1.50
1.38
1.23
0.96
0.1～0.3
2.44
2.08
1.94
1.80
1.75
1.57
1.46
1.36
1.21
0.97
>0.3
2.13
1.86
1.76
1.65
1.61
1.48
1.39
1.31
1.19
0.99
2.1.2风雍高度
根据条件取风向与坝轴线垂线的夹角为β=0º。
计算坝前最大风壅水面高度e：
2.1.3正常情况下超高
表2-3安全加高A单位：
m
计算情况
坝的级别
1
2
3
4、5
设计
1.50
1.00
0.70
0.50
校核
山区、丘陵区
0.70
0.50
0.40
0.30
平原、海海区
1.00
0.70
0.50
0.30
安全加高值：
设计时A=0.50m。
Y=R+e+A=1.238+0.0028+0.5=1.741m
故设计水位下的坝顶高程为▽=181.71+1.741=183.45m。
2.2非常运行情况下的超高计算
2.2.1波浪爬高
根据资料知，南山水库多年平均年最大风速为18m/s，工程等级为Ⅳ等，大坝为4级。
由规范知非常运行条件下，采用多年平均年最大风速，故计算风速:
校核时W=18m/s。
南山水库挡水土坝上游坝坡采用砌石护面，故
=0.75～0.80，取
=0.75。
上游坝坡系数m取2.5。
坝前水深H：
校核情况下H=181.87-133=48.87m；
，查表2-1得Kw=1.0。
蒲田试验站的波高和波长计算：
1）平均波高
用简化公式计算，代入已知参数得：
2）平均周期Tm按以下公式计算：
3）有经验得知本设计计算平均
按以下公式计算：
所以平均爬高
为：
计算设计爬高值R。
不同累计频率的爬高Rp与Rm的比，可根据爬高统计分布表2-2确定。
设计爬高值按建筑物级别而定，对于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级土石坝取累计频率P=1%的爬高值R1%；对于Ⅳ、Ⅴ级坝取P=5%的R5%。
南山水库挡水土坝为4级，故本设计中P=5%，因为
，所以
，则Rp=1.84
=1。
84×0.426=0.78m。
2.2.2风雍高度
根据条件取风向与坝轴线垂线的夹角为β=0º。
计算坝前最大风壅水面高度e：
2.2.3正常情况下超高
已知条件知本设计是在丘陵地带，故安全加高值：
校核时A=0.30m。
Y=R+e+A=0.78+0.0012+0.3=1.08m
故设计水位下的坝顶高程为▽=181.87+1.08=182.92m。
2.3坝顶高程
坝顶高程等于水库静水位与超高之和，应分别按设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高；校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高，然后取其中最大值为坝顶高程。
应该指出，这里计算的坝顶高程是指坝体沉降稳定后的数值。
因此，竣工时的坝顶高程还应有足够的预留沉陷值。
对于施工质量良好的土石坝，坝顶沉降值约为坝高的0.2%～0.4%。
本设计采用了0.4%的沉降计算。
正常情况：
施工高程为
非常情况：
施工高程为
综合考虑，本设计坝顶不设防浪墙，现将计算成果列于表2-4中。
坝顶高程由设计情况控制，设计竣工时坝顶高程为183.7m。
表2-4坝顶高程计算表
计算项目
设计情况
校核情况
上游静水位
m
181.71
181.87
河底高程
m
133
坝前水深Hm
m
48.71
48.87
吹程D
km
1
风向与坝轴线的夹角β
（°）
0
风速W
m/s
27
18
风浪引起雍高e
m
0.0028
0.0012
波高hm
m
0.431
2.332
土坝上游坝坡坡率m
2.5
上游糙率n
0.025
波浪沿坝坡爬高Rp
m
1.238
0.78
安全超高A
m
0.5
0.3
坝顶高程
m
183.45
182.92
坝顶高程加0.4%沉陷
m
183.65
183.12
第三章土石坝渗流计算
3.1计算方法及计算假定
根据坝内各部分渗流特点，将坝体分为若干段，应用达西定理近似解土坝渗流问题，计算假定任一过水断面内各点渗透坡降均相等。
通过防渗体渗流量：
（3-1）
通过防渗体后侧坝体渗流量：
（3-2）
式中：
：
坝体的渗透系数，m/s；
：
截水墙的渗透系数，m/s；
：
坝基的渗透系数，m/s；
：
上游水深，m；
：
防渗体下游侧逸出水深，m；
h：
心墙浸润线的逸出高度，m；
T：
透水地基厚度，m；
δ：
心墙平均厚度，m；
：
从防渗体渗流逸出处到浸润线与排水棱体上游坡交点的水平距离，m。
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