土石坝设计参考.docx
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土石坝设计参考
1土石坝尺寸设计
1.1基本资料
1.1.1地形地质情况
某坝坝址处河床宽约190m，坝址轴线处河床最低高程为302m，河床覆盖层上层为粘土黄土夹杂有砾石，下层有沙砾层，坝址基岩为花岗岩，透水性很小。
1.1.2水位
死水位：
321m;
正常蓄水位：
334m;
设计洪水位（1%）：
337m;
校核洪水位（0.1%）：
338m;
正常蓄水时下游水位：
302m;
校核洪水时下游水位：
309m;
1.1.3气象资料
多年平均最大风速16m/s；
水库吹程1.5Km.
1.1.4筑坝材料及坝基砂砾物理力学性质
项目
重度
含水量
湿重度
饱和重度
浮重度
凝聚力
内摩擦角
渗透系数
（kN/m3）
（%）
（kN/m3）
（kN/m3）
（kN/m3）
（kN/m2）
Ф（0）
（cm/s）
粘土
26．9
17
19.3
20.5
10.5
2.1/1.8
20/17
0.7×
砂砾料
26.5
19.8
20.6
10.6
36
2.5×
坝基砂砾石
26.5
16.8
19.8
9.8
34
2.5×
堆石
20.7
20
21
11
40
（注：
内摩擦力及凝聚力中分子为水上数值，分母为水下数值）
1.1.5工程等级
本枢纽为二等，主要建筑物为二级。
1.1.6其它
地震基本烈度：
7度。
1.2大坝轮廓尺寸的拟定
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。
1.2.1坝顶高程计算
根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）（以下简称“规范”）规定，坝顶高程分别按照正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高、设计水位加正常运用条件下的坝顶超高、校核水位加非常运用下的坝顶超高进行计算，因该地区地震烈度为7，故还需考虑正常蓄水位加非常运用时的坝顶超高再加上地震涌浪高度，最后取以上四种工况最大值，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，其超高值y按下式计算：
式中：
R——最大波浪在坝坡上的爬高，m；
e——最大风壅水面高度，m；
A——安全加高，m，根据坝的等级，设计运用条件时取1.0m，非常运用条件是取0.7m；
根据“规范”，计算大坝波浪爬高时，所采用设计风速：
正常运用条件下为多年平均最大风速的1.5倍，非常运用条件下，采用多年平均最大风速，根据气象资料统计该水库多年平均最大风速为16.0m/s，最大吹程为1.0km。
1）平均波高及平均波长按下式计算：
风壅水面爬高的确定
K-综合摩阻系数，一般取
。
V-计算风速，m/s，正常运用条件下3、4、5级坝采用多年平均最的1.5~2.0倍.非正常运用条件下,采用多年平均最大风速。
D-风区长度，即为有效吹程，m。
Hm-坝前水域平均水深，m。
β-风向与水域中线的夹角。
2）最大波浪在坝面的爬高的确定
用莆田公式计算波长及波高。
th为双曲函数。
式中：
hm——平均波高，m；
Tm——平均周期，s；
W——计算风速，m/s；
D——风区长度，m；
Hm——水域平均水深，m；
g——重力加速度，取9.81m/s2；
Lm——平均波长，m。
平均波浪爬高Rm参照“规范”附录A.1.12计算，初步拟定水库大坝上游坝坡为m=3，故波浪平均爬高按“规范”附录A.1.12式计算：
式中：
——斜坡的糙率渗透性系数，护面类型为砌石护面确定
=0.75；
——经验系数，由风速W、坡前水深H、重力加速度g所组成的无维量
，查表A.1.12-2得设计条件：
=1.01；校核条件：
=1.00；
m——斜坡的坡度系数。
最大波浪在坝坡上的爬高设计值R按2级土石坝取累积概率P=1%爬高值R1%计算。
根据计算该水库在设计条件下和校核条件下的累积概率P=1%的经验系数Kp值为2.23。
根据以上公式及参数，坝顶超高计算成果见表3.1.1。
表3.1.1坝顶超高计算成果表
工况
水位
（m）
设计
风速（m/s）
平均
波长
（m）
平均
波高
（m）
平均波浪爬高
（m）
风浪壅高
（m）
设计
爬高
（m）
安全
加高
（m）
坝顶
超高
（m）
设计（P=1%）
337.0
24.0
7.36
0.24
0.31
0.005
0.69
1.0
1.70
校核（P=0.1%）
338.0
16.0
7.36
0.24
0.32
0.001
0.85
0.7
1.55
由于水库所在地区地震基本烈度6°，按《水工建筑物抗震设计规范》（SL293—97），水工建筑物抗震计算的上游水位可采用正常最高蓄水位，地震区的地震涌浪高度，可根据设计烈度和坝前水深，一般涌浪高度为0.5m～1.5m，该水库地震涌浪高度不考虑，不考虑地震作用的附加沉陷计算。
根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）第5.3.3条规定，坝顶高程分别按以下运用情况计算，取其最大值：
1、设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高：
337+1.7＝338.7m；
2、正常蓄水位加正常运用情况的坝顶超高：
334+1.7=335.7m；
3、校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高：
338+1.55=339.55m；
4、正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全加高：
334+1.7+1.0=336.7m。
经计算可以看出该大坝坝顶高程由校核情况控制为339.55m，取340.0m。
1.2.2坝顶宽度
坝顶宽度主要取决于交通需要、构造要求和施工条件，同时还要考虑防汛抢险、防空、防震等特殊需要。
根据“规范”规定，坝顶无特殊要求时，高坝的顶部宽度可选用10~15m，中低坝可选用5~10m。
该水库挡水大坝坝基高程为302m，根据计算坝高为38m，大于30m，属中坝，故综合各方面因素可取该土石坝坝顶宽度为8m。
1.2.3坝坡与马道
土石坝的坝面坡度取决于坝高、筑坝材料性质、运用情况、地基条件、施工方法及坝型等因素。
一般是参考以建成类似工程的经验拟定坝坡，再通过计算分析，逐步修改确定。
在满足稳定要求的前提下，应尽可能使坝坡陡些，以减小坝体工程量。
根据规范规定与实际结合，上游坝坡取3.0，下游自上而下均取2.50，下游在330.0m高程处变坡一次。
在坝坡改变处，尤其在下游坡，通常设置1.5～2ｍ宽的马道以使汇集坝面的雨水，防止冲刷坝坡，并同时兼作交通、观测、检修之用，综合上述等各方面因素其宽度取为2.0ｍ。
1.2.4坝体排水
由于本地区石料比较丰富，故采用堆石棱体排水比较适宜，另外采用棱体排水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，校核洪水时下游水位为309.0m，最后取棱体顶面高程为310.5m，堆石棱体内坡取1:
1.5，外坡取1:
2.0，顶宽2.0m，下游水位以上用贴坡排水。
1.2.5大坝防渗体
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。
该坝体采用粘土斜心墙，其底部最小厚度由粘土的允许坡降而定，上游校核洪水时承受的最大水头为36.0ｍ，墙的厚度B﹥36/4=9.0ｍ.参考以往工程的经验，心墙的顶部宽度取为4ｍ（满足大于3ｍ机械化施工要求），粘土心墙的上游坝坡的坡度为1:
0.4～1:
1.0之间，有资料研究认为，心墙向上游倾斜的坡度为1:
0.25～1:
0.75时较好，本次设计粘土心墙的底部厚度取10.0m，粘土心墙的顶部高程以设计水位加一定的超高（超高0.3～0.6m）并高于校核洪水位为原则，最终取其墙顶高程为338.5ｍ，经计算底宽为10ｍ,大于9.6ｍ.墙顶的上部留有1.0m的保护层。
（2）坝基防渗
由于本土石坝基础为岩石基础，故不设坝基础防渗设施。
土石坝剖面图1:
1000
2土石坝渗流分析
2.1渗流分析计算目的
1）确定坝体浸润线及下游出逸点的位置，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。
2.2计算方法
土石坝的渗流分析通常是把一个实际比较复杂的空间问题转化为平面问题。
土石坝的渗流分析方法主要有解析法、手绘流网法、实验法和数值法四种。
解析法分为流体力学法和水力学法。
前者理论经验严谨，只能解决某些边界条件较为简单的情况；水力学法计算简单，精度可满足工程要求，并在工程实践中得到了广泛的验证。
本次课程设计主要采用了水力学法。
2.3渗流分析的计算情况
1）上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；
2）上游设计洪水位与下游相应的水位；
3）上游校核洪水位与下游相应的水位；
4）库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。
本次设计就上游校核洪水位情况进行了稳定分析。
2.4土石坝类型的选择
一般心墙坝土料的渗透系数很小，比坝壳小1万倍以上。
因此，在进行计算时可以不考虑上游坝壳降落水头的作用。
下游坝壳的浸润线也比较平缓，水头损失主要在心墙部位，单下游有排水设备时，可以近似认为浸润线的逸出点为下游水位与堆石内坡的交点，将心墙简化成厚度为δ的等厚度矩形，则：
通过心墙、截水墙段的单宽渗流量：
通过下游坝壳和坝基段的单宽渗流量：
由q1=q2=q得心墙后浸润线高度和渗流量q。
下游坝壳浸润线用式子：
方案一：
土质心墙坝
计算结果分析：
下游有水时的侵润线方程为：
下游无水时的侵润线方程为：
下游情况
渗流量q（m/s3）
渗透长度L（m）
渗水水位差（m）
渗透坡降
下游有水
4.86*10^（-6）
67
28.82
4.12
下游无水
5.1*10^（-6）
56.5
30.48
4.35
该坝体采用粘土斜心墙，其底部最小厚度由粘土的允许坡降而定，本设计允许渗透坡降[J]=5,故满足渗流稳定要求。
方案二：
均质坝
计算结果分析：
下游有水时的浸润线方程为：
下游无水时的浸润线方程为：
下游有水时的渗流量为0.0016m/s3，当下游无水时的渗流量为0.0018m/s3。
2.5方案的选择：
影响土石坝坝型选择的因素很多，其主要影响因素有附近的筑坝材料、地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理、抗震要求等。
本次选择几种比较优越的坝型，拟订剖面轮廓尺寸，然后对工程量、工期、造价进行比较，最后选定技术经济可靠合理的坝型。
本设计限于资料只作定性的分析来确定土石坝坝型。
土石坝按其施工方法可分为碾压式土石坝、抛填式堆石坝、定向爆破堆石坝、水中倒土坝和水力冲填坝。
从地形地质条件以及附近建筑材料来看本次设计坝型应选择碾压式土石坝。
碾压式土石坝根据土料配置的位置和防渗体所用材料种类的不同，又分为均质坝和土质防渗体分区坝、非土质材料防渗体分区坝。
均质坝材料单一，工序简单，但坝坡较缓，剖面大，工程量大，施工易受气候影响，冬季施工较为不便，坝体空隙水压力大，并且均质坝的渗流量远大于土质心墙坝，因此从材料上考虑均质坝方案是不宜采用的。
土质防渗体分区坝主要有心墙坝、斜心墙坝、斜墙坝和多种土质坝等类型。
心墙坝土质防渗体设在坝体中部，两侧为透水性较好的砂石料，该坝型粘性土料所占比重不大，施工受季节影响较小，但施工时心墙与坝体同时填筑，相互干扰较大。
斜墙坝土质防渗体设在上游或接近上游面，该坝型斜墙与坝体施工干扰小，但其抗震性和适应不均匀沉降的性能不如心墙坝。
由于该工程所在地区为地震烈度定为7度，故不宜采用斜墙坝。
由上述比较可以看出，心墙坝的渗流量小，满足坝体的渗透稳定且心墙坝的应力状态较好，因而最终采用土质心墙坝的方案。
3土质心墙坝稳定分析
3.1计算目的
稳定分析是确定坝体设计剖面经济安全的主要依据。
由于土石坝体积大、坝体重，不可能产生水平滑动，其失稳形式主要是坝坡滑动或坝坡与坝基一起滑动。
土石坝稳定分析的目的是保证土石坝在自重、孔隙压力、外荷载的作用下，具有足够的稳定性，不致发生通过坝体或坝基的整体或局部剪切破坏。
3.2计算方法
本次课程设计采用瑞典圆弧法来计算土体的稳定分析。
按施工期、稳定渗流期、库水位降落期三个控制时期核算土石坝的稳定。
心（斜心）墙坝的上下游坝坡滑动时形成折线滑动面.部分浸水的非粘土坝坡，由于水位上下的土料容重不同，有水时、C值也有所降低，此时坝坡失稳时最可能的滑动面近乎折线。
在滑动面上抗剪强度的发挥是一样的，安全系数的表示方式为
；
；
；
式中：
1、
2、
3为实验得到的抗剪强度指标。
计算安全系数:
Wi—土条重量。
Q、V—水平和垂直地震惯性力（向上为负、向下为正）。
u—作用于土条底面的孔隙压力。
βi—条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角。
b—土条宽度。
Ci＇、ψ＇—土条底面的有效应力抗剪强度指标。
Mc—水平地面惯性力对圆心的力矩。
R—圆弧半径。
算得K=1.47>1.25稳定分析满足要求。
3.3计算过程
E
稳定分析剖面图
下游坝坡稳定分析计算表
r1
r2
r3
r4
单位：
（kN/m3）
19.3
20.6
10.6
10.6
图条编号
h1
h2
h3
h4
r1h1
r2h2
r3h3
r4h4
wi
wi’
a
sinai
cosai
wicosai
wi'sinai
8
6.8
0
0
0
131.2
0
0
0
131.2
131.2
51.6
0.8
0.62
81.4
105.0
7
15.5
0
0
0
299.2
0
0
0
299.2
299.2
43.4
0.7
0.73
218.4
209.4
6
18.9
0
0
0
364.8
0
0
0
364.8
364.8
36.1
0.6
0.81
295.5
218.9
5
20.9
0
0
0
403.4
0
0
0
403.4
403.4
29.5
0.5
0.87
350.9
201.7
4
21.2
0.4
0
0
409.2
0
0
0
409.2
409.2
23.3
0.4
0.92
376.4
163.7
3
18.0
3.4
0
0
287.6
0
70.0
0
323.6
357.6
17.3
0.3
0.95
307.4
107.3
2
14.9
5.4
0
0
287.6
0
111.2
0
344.8
398.8
11.6
0.2
0.98
337.9
79.8
1
6.6
11.7
0
0
127.4
0
241.0
0
251.4
368.4
5.9
0.1
0.99
248.9
36.8
0
7.0
9.1
0
0
135.1
0
187.0
0
231.6
322.6
0.0
0.0
1.00
231.6
0.0
-1
6.7
6.1
0
0
129.3
0
125.7
0
194.0
255.0
-5.2
-0.1
-0.99
-192.0
-25.5
-2
2.9
5.5
0
0
56.0
0
113.3
0
114.3
169.3
-10.9
-0.2
-0.98
-112.0
-33.9
-3
0.1
3.6
0
0
1.9
0
74.2
0
40.1
76.1
-16.6
-0.3
-0.96
-38.5
-22.8
合计
2105.9
1040.3
3.2稳定成果分析
根据计算成果表可看出大坝上下游坡稳定均满足规范要求，由于上游坝坡较缓，稳定渗流期以及库水位降低期，不考虑地震。
下游坡情况也类似，正常情况Kmin=1.47>K允=[1.25]，坝的稳定安全系数偏大，就此而言，可考虑加陡坝坡以减小工程量.鉴于各种因素考虑不全，实际安全系数可能要小些，故而不改变坝坡，维持原拟订的剖面。
4细部构造设计
4.1坝的防渗体排水设备
坝体防渗体内心墙，心墙上下游设置反滤层；坝基防渗体为防渗墙和粘土截水墙；坝体排水为棱体排水。
在排水体与坝体、坝基之间设置反滤层；下游马道设置排水沟，并在坝坡设置横向排水沟以汇集雨水，岸坡与坝坡交接处也设置排水沟，以汇集岸坡雨水，防止雨水淘刷坝坡，见细部构造设计图。
4.2反滤层设计
（1）设计标准.对于被保护土的第一层反滤料，考虑安全系数为1.5~2.0，按太沙基准确定，即
式中，
为滤料粒径，小于该粒经土占总土重的15%，d85为被保护土粒径，小于该粒径的土占总土重的85%，d15为保护土粒径，小于该粒径的土占总土重的15%。
第二层反滤料的选择也按上述办法进行。
按此标准天然砂砾料不能满足要求，须对土料进行筛选。
（2）设计结果
设计结果见表6.7.1。
表6.7.1反滤层设计成果表
层数
部位
第一层
第二层
D50（mm）
厚度hc（㎝）
D50（mm）
厚度hc（㎝）
防渗体周边部位
0.1
20
1.0
30
排水部位
25
20
90
60
4.3护坡设计
上游护坡用于砌石因其抵御风浪的能力较强，下游坝面直接铺上20cm的碎石作为护坡.上游护坡由至坝顶做至死水位以下（加设计浪高），见细部构造设计图。
4.4坝顶布置
坝顶设置泥结石路面，坝顶向下游设1%横坡以便汇集雨水，并设置纵向排水沟，经坡面排水排至下游，坝顶设置栏杆以策安全，见细部构造详图。
大坝细部构造设计图
5设计小结
实习小结
实践是检验真理的唯一标准。
在课堂上我们学习了很多理论知识，但是如果我们在实际当中不能灵活运用，那就等于没有学。
实习就是将我们在课堂上学的理论知识运用到实际应用中去的一个过程。
在经过为期一个多星期的实习后，我感觉自己学到了很多有用的东西。
包括土石坝的设计流程、土石坝设计中应该注意的许多细节问题。
当然，在实习过程中也会出现一些或多或少的问题，例如：
1、在进行稳定分析的时候没有对正常蓄水位情况和设计洪水位情况进行分析，至对校核情况下的稳定进行了分析。
2、由于课程设计的时间有限，很多种土石坝相关的建筑物都没有进行设计，包括土石坝土料的选择、土石坝的下游连接物等等。
3、在渗流分析的时候可能是渗流水平距离L定错了，导致算出来的浸润线方程可能存在问题。
4、由于本次设计的心墙很厚，防渗效果较好，故后面算出的浸润线很缓，近似一条直线，因此只对下游有水的情况下进行了稳定分析。
5、由于CAD学的不怎么好，导致画出来的设计图纸不符合建筑设计图纸要求。
6、在设计过程中，对坝基的表面一层壤土没有进行渗流分析近似看成岩石地基，这样就没有进行地基的防渗处理，可能导致地基渗流不稳定。
在短暂的实习过程中，其实还有很多很多的问题没有发现，同时我也深深地感觉到自己所学知识的肤浅和在实际运用中专业知识的匮乏。
一旦接触到实际，才发现自己知道的是多么的少。
总的来说，这次认识实习是非常有意义的，它开阔了我的视野和认知，让我学到很多课本上学不到的东西，这样的实习正是我所希望要的。
同时，要感谢张老师给了我这样的一个机会来接触水工设计方面的一角，在实习中获得的经验都离不开张老师对我的教诲和批评！
在未来的学习和生活中，我要加倍的努力学习学校的各种专业知识，不断的充实自己，为以后的学习和工作打下良好的基础！
其实在计算水平渗流长度L的时候，我就想要张老师教我做的，但是张老师说叫我自己仔细思考，相信我是可以算出来的，还不让别人告诉我，最后虽然算出来了，这样的例子还有很多，但是我还是要和张老师说声：
谢谢您，张老师！
没有张老师的教导，就没有这样的成果出现！
附录：
参考文献
1.SL274—2001《碾压土石坝设计规范》中华人民共和国水利部发布
2.《水力学》刘纯义熊宜福编中国水利水电出版社
3.《水工建筑物》汤能见吴伟民胡天舒编中国水利水电出版社
4.《水利工程施工》袁光裕编中国电力出版社
5.枢纽布置及坝型选择沈曾愿等合编中国水利水电出版社
6.《水工建筑物》郭宗闵主编辽宁省水利学校
7.SL/T191-96《水工砼设计规范》中国水利电力出版社
8.《水力学》刘纯义熊宜福编中国水利水电出版社
9.《水力学计算手册》吴持恭主编水利电力出版社
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