面板堆石坝电算设计.docx
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面板堆石坝电算设计
课程设计说明书
课程名称：
土石坝电算课程设计
题目：
砼面板堆石坝电算课程设计
学院：
土木工程学院系：
水利水电
专业：
水利水电专业
班级：
水利2班
学号：
050601227
学生姓名：
卢瑞金
起讫日期：
2010年7月5日至7月9日
指导教师：
邹盛堂职称：
副教授
目录
前言
第一章设计工程概况
1.1流域概况及枢纽任务
1.2地形地质
1.3建筑材料
1.4水文
1.5气象
1.6其他有关资料
第二章坝体设计
2.1坝顶高程的确定
2.2坝基面的确定
2.3坝顶宽度的确定
2.4坝坡的确定
2.5堆石体材料分区
2.6面板及防渗结构设计
2.6.1趾板
2.6.2面板
第三章计算分析
3.1坝坡稳定分析
3.2变形分析
3.3渗流分析
3.4坝基处理
第四章课程设计总结以及成果的分析
参考文献
前言
根据水工建筑物课程教学大纲的要求，安排1周时间进行土石坝电算课程设计。
其目的与要求：
1、课程设计安排在“水工建筑物”课程内容学习完成之后进行，课程设计作为综合性实践环节，是对平时作业的一个补充，课程设计包括土石坝设计的主要理论与计算问题，通过课程设计可以达到综合训练的目的。
2、课程设计的目的，是使学生融会贯通“水工建筑物”课程所学专业理论知识，完成土石坝较完整的设计计算过程，以加深对所学理论的理解与应用。
培养综合运用已学的基础理论知识和专业知识来解决基本工程设计问题的初步技能，全面分析考虑问题的思想方法、工作方法。
3．培养设计计算、绘图、编写设计文件、使用规范手册和应用计算机的能力。
4．提高查阅和应用参考文献和资料的能力。
第一章设计工程概况
1．1流域概况及枢纽任务
某水库枢纽位于某河上游，全河流域面积6156km2，流向自北向南，干流的平均比降为2%--3%。
流域内多石山，小部分为丘陵，水土流失不严重。
本枢纽工程是以发电为主兼顾灌溉和供水的综合利用工程，水库的总库容为1400万m3，发电引水高程为197.5m，最大引水流量为73m3/s，发电装机容量4万kW。
灌溉下游左岸耕地2.5万m2，灌溉最大引水流量40m3/s，引水高程202.5m。
1．2地形地质
坝址处的岩体可大致分为新鲜岩石、弱风化、强风化及河床卵石覆盖层。
河槽高程为182.0m，河槽处卵石覆盖层为5m，强风化层厚度为3m，弱风化层厚度为10m，基岩岩体较完整，无特殊不利地质构造。
两岸风化较深呈带状，覆盖层较少，厚度一般地2---3m，强风化层厚1—2m，弱风化层厚度为5－8m，坝址两岸均为花岗岩，岩石坚硬，裂隙不发育。
1．3建筑材料
粘土料、砂料、石料在坝址上、下游均有，坝址下游5公里以内砂储量丰富，可供建筑使用。
土石料计算参数
材料
容重
kN/m3
摩擦角
（度）
凝聚力
kPa
渗透系数
K（10-4cm/s）
粘土
18.7
17
15．3
3.6
砂砾料
19.5
35
0
600
土石料
20
28
10
18
堆石料
22
38
0
1．4水文
坝址以上控制集雨面积123km2，多年平均流量3.1m3/s，平均年径流量9776.2m3。
经水文水利规划（工程等别为三等，经调洪演算）得：
上游设计洪水位为235.4m，相应的下游水位为184.3m，库容为1140万m3，岸边溢洪道相应的泄量为1250m3/s；上游校核洪水位为236.7m，相应的下游水位为185.2m，库容为1200万m3，岸边溢洪道相应的泄量为1680m3/s；上游正常高水位为233.5m，相应的下游水位为183.7m，库容为895万m3；死水位为200m，相应的库容为40m3。
1．5气象
本地区洪水期多年平均最大风速14m/s，水库的风区长度（吹程）为2.6km。
1．6其他有关资料
坝基弱风化上限高程为175.0m，岸边溢洪道堰顶高程取为226.4m。
第二章坝体设计
2.1坝顶高程的确定
坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和予以确定，超高d按下式计算：
R—波浪在坝坡上的设计爬高，m
—风浪引起的坝前水位壅高，m
—安全加高，m
安全超高A,
该坝工程等别为三等，其值按下表采用。
表2-1
坝的级别
1
2
3
4，5
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
非常运行条件（a）适用于山区，丘陵区，所以根据资料所给的地形校核情况下应该加的非常运用条件（a）
风壅水高
和波浪爬高R
对于中、小型土石坝，R+e的高度可按坝前水库中风的吹程D做近似估计，参见表2-2
风在水库中的吹程D（km）
波浪爬高和风浪壅高R+e（m）
风在水库中的吹程D（km）
波浪爬高和风浪壅高R+e（m）
<1.6
0.9~1.2
8.0
1.8~2.4
1.6
1.2~1.5
16.0
2.1~3.0
4.0
1.5~1.8
根据资料D=2.6km可知，R+e=1.2~1.8,取1.6m,
坝高程的确定计算列表
表2-3
工况
安全超高（m）
吹程（km/s）
波浪爬高和风浪壅高R+e（m）
超高（m）
正常运用条件
0.7
2.6
1.6
2.3
非常运用条件
0.4
2.6
1.6
2.0
表2-4
工况
超高（m）
上游水位（m）
坝顶高程（m）
取大值（m）
防浪墙
高（m）
设计水位加正常运用条件的坝顶超高（m）
2.3
235．4
237．7
238．7
5
正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高（m）
2.3
233．5
235．8
校核水位加非常运用条件的坝顶超高（m）
2.0
236．7
238．7
正常水位加非常运用条件的坝顶超高再加地震安全加高（不考虑）（m）
2.0
233．5
235．5
防浪墙设于坝顶上游侧，采用L形钢筋混凝土防浪墙，墙高5M，墙顶高于坝顶1.2M，防浪墙底部要求高于正常蓄水位，其底部高程为234.9m＞正常蓄水位233.5m，故满足要求。
当地震烈度不大于6度时，不考虑地震影响。
坝高=坝顶高程-河槽高程=238.7-182.0=56.7m
30m<坝高57.8m<70m属于中坝。
2．2确定建基面
面板堆石坝基础开挖深度，因河槽高程为182.0m，河槽处卵石覆盖层为5m，强风化层厚度为2m，弱风化层厚度为6m，坝基采用挖除覆盖层和风化层，高程为169m。
2．3坝顶宽度的确定
我国面板堆石坝顶宽一般为5~8m。
综合考虑交通等因素，坝顶宽度设为8m。
2．4坝坡的确定
对于面板堆石坝，我国上、下游坝坡坡率常用1：
1.4。
此面板堆石坝采用上、下游均为1:
1.4的坝坡坡率。
2．5堆石体材料分区
根据面板堆石坝的受力特性和工作原理，确定以下分区原则：
1）坝体中应有畅通的排水通道。
因此，填筑的颗粒，应自上游往下游由细到粗；各区间应满足水力过渡的要求；
2）坝轴线上游侧坝料应具有较大的变形横量，且坝料变形模量从上游到下游可递减，以保证蓄水后坝体变形协调。
尽可能减小对面板变形的影响，从而减少面板和止水系统通道破坏的可能性；
3）根据枢纽工程不同质量开挖料的数量，来确定坝体材料分区，尽可能多地利用枢纽工程开挖料，达到经济、合理的目的。
2.3.3.2设计坝体分区：
根椐混凝土面板堆石坝工作性能将填筑体分成三个主要区域。
从上游向下游依次分为Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区。
大坝各分区结构见图
1）I区：
上游铺盖区，设置顶部高程195m，水平宽度为5m，分为ⅠA区（上游铺盖区）和ⅠB区（盖重区）。
ⅠA区采用粘土填筑，设计水平宽度2m；ⅠB区采用建筑物开挖弃碴料填筑。
2）II区：
垫层区，垫层区为便于施工，设计水平宽3m，以1:
1.4的坡等宽布置。
垫层料要求有良好的颗粒级配，采用孔隙率为e=0.65、渗透系数K=3.6*10-4cm/s的粘土。
3）III区：
分主堆石区、次堆石区和过渡区，主堆石区是面板坝的主体，要求压实后能自由排水，并有较高的压实密度和变形模量，这就要求堆石料须有良好的级配。
采用孔隙率为n=0.25、渗透系数K=6.0*10-2cm/s的砂砾石。
次堆石区远离面板，基本上不承受谁荷载，主要起稳定坝坡的作用，采用堆石料填筑。
过渡区采用等宽布置，水平宽度4.0m，上游坡为1:
1.4。
采用孔隙率E=0.45、渗透系数K=1.8*10-3cm/s的土石料。
2．6面板及防渗结构设计
面板、趾板、趾板地基的灌浆帷幕、周边缝合面板间的接缝止水等构成面板坝的防渗体系。
2.6.1趾板
趾板是面板的底座，其作用是保证面板与河床及岸坡间的不透水连接，同时也作为坝基帷幕灌浆的盖板和滑模施工的起始工作。
趾板的宽度b取决于作用水头H和基岩的性质，要求水力比降J（J=H/b）不过过容许值,新鲜基岩可以大于20。
取J=20=H/b
即b=64.5/20=3.225m
取b=3.5m
底部趾板厚度不小于0.5m，取趾板厚度为1.0m。
趾板建基面附近有缓倾角结构面存在时，描杆参数要满足稳定要求，并能抵抗灌浆压力作用。
2.6.2面板
面板是防渗的主体，对质量有较高的要求。
除良好的防渗性能，还要有足够的耐久性，足够的强度和防裂性能。
为适合坝体变形和施工要求，需对面板进行分缝。
垂直缝间距采用15m。
两岸坝肩附近的缝为张性缝，其余部分为压性缝。
为满足滑模连续性浇注的要求，不设水平向伸缩缝。
面板厚度应使面板承受的水力梯度不超过200，为便于布置钢筋和止水，面板的最小厚度应为0.3m。
并向底部逐渐增加，厚度可按照公式：
t=0.30+（0.002~0.0035）H
式中：
t——面板厚度，m；
H——计算断面至面板顶部的垂直距离，m。
H取坝顶至基岩面高差为69.7m
即t=0.14~0.24m
参照国内外已建工程及施工经验，中低坝可采用0.3~0.4m的等候面板，故面板采用等厚0.4m。
面板接缝设计主要是止水结构及布置。
周边缝对面板防渗起关键作用，其中底部止水铜片为最基本的防渗线，中部采用橡胶止水片。
周边缝和垂直缝内的各道止水相互组成封闭的止水系统。
第三章计算分析
3.1坝坡稳定分析
实践证明，建在岩基上的坝，坝坡率为1:
1.3~1:
1.4已安全运行多年，稳定不成为问题。
只有在坝基中存在软弱夹层、易液化土层、坝体由软岩堆土料填筑或坝址位于8度以上高烈度地震区等不利条件下，才需要进行坝坡稳定核算。
3.2变形分析
面板堆石坝的堆石体变形对坝体影响很大，它影响到接缝的开度和面板的断裂和挤压破坏，严重时可导致防渗系统失效危及大坝安全。
高面板堆石坝一般都要进行有限元应力应变分析。
对于高应力和高围压条件下的堆石的弹塑性和徐变特性、复杂应力路径、颗粒破碎等因素对应力应变关系的影响等，在目前的计算模型中还难以充分反映。
因此面板尺寸目前还主要是依靠经验进行确定。
3.3渗流分析
渗流分析是面板坝的一个重要问题。
渗流控制不限于砂砾石坝，堆石坝也存在防止渗流扩大，保证正常运行的问题。
渗流控制措施目前主要基于已建坝的经验总结。
控制的重点是规定合适的分区材料级配，主要考虑的是垫层材料。
要求垫层料渗流系数较低，施工中又不产生分离，使之既可起限漏作用，又可在面板出现开裂时进行水下堵漏创造条件。
垫层料的级配：
最大粒径不大于7.5cm，小于4.77mm的细粒含量35%~55%，小于0.075mm的细粒含量不超过12%。
过渡料要有良好的级配：
最大粒径不超过填筑层厚，细粒含量小于20%，与垫层料相接触的表面，10cm以上的超粒石料应予清除。
主堆石料的最大粒径也不应超过筑层厚，同时细料含量小于20%。
3.4坝基处理
面板坝坝基处理主要问题是值班布置和砂砾石等渗水坝基的处理，在已建坝的基础上已总结出了一些有效的经验。
趾板可建于风化破碎岩面上。
为了防渗需要，可采用向下游眼神的混凝土板以增长渗径，减小渗流比降，同时用反滤层覆盖，以防止细料冲蚀。
对于坐落在砂砾石覆盖层上的面板坝，有以下几种处理方式：
1）将覆盖层全部挖除，当河床冲积层中有连续分布的软弱夹层，或覆盖层较浅的时候应用;
2）将趾板建于挖除覆盖层后的基岩面上，当坝体下的砂砾石层有足够强度时，可以保留作为坝基;
3）将趾板建于砂砾石层上，用混凝土防渗墙和趾板或链接板连接起来，接缝处设置止水，以适应不均匀沉降。
本面板坝采用将覆盖层全部挖除的措施来进行坝基处理。
第四章、课程设计总结以及成果的分析
本次课程设计只是初步阶段的设计，而且基于设计对象为混凝土面板堆石坝，设计的数值多为经验取值，采用已建的坝型作为参考对象，对于材料分区和坝体设计采用比较简便的模型作为参考。
本次课程设计根据教学要求，对水利水电专业学生进行的一项教学环节。
课程安排在“水工建筑物”课程内容学习完成只后进行，课程设计作为综合实践环节，是对平时作业的一个补充，课程设计包括重力坝设计的主要理论与计算问题。
通过课程设计可以大到综合训练的目的。
在这次课程设计中我更加熟悉了很多计算机方面的内容，譬如说编写文档，CAD制图，虽然有学过一级计算机但通过这次课设，不但将课堂内容复习巩固而且学到一些上课所没有学到知识，在画图过程渐渐熟悉了CAD基本命令，提高了应用的技巧，查阅了更多的书籍，了解了更多的知识，懂得了如何去使用规范，为以后从事实际的工作有着奠基的作用。
在设计过程中更是培养了我们自主学习、独立思考的能力。
让我们知识得到加强以及补充，通过研究和讨论，加强了同学之间的团结能力。
这次的课程设计是忙碌的一周，也是充实的一周，在设计中有培养了我们的设计思想，严谨的工作作风，塌实肯干和求实奋进的精神。
这些都是除了知识收获外，更为可贵的精神财富，将受益终身！
本次设计中感谢邹盛堂老师的指导！
参考文献
1.林继镛主编.水工建筑物.第4版.北京：
中国水利水电出版社.2006
2.中华人民共和国水利部.SL228-98《混凝土面板堆石坝设计规范》.北京：
中国水利水电出版社.1999
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