土石坝设计毕业设计.doc
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目录
摘要 1
Abstract 2
前言 3
第1章设计的基本资料 4
1.1概况 4
1.2基本资料 4
1.2.1地震烈度 4
1.2.2水文气象条件 4
1.2.3坝址地形、地质与河床覆盖条件 5
1.2.4建筑材料概况 6
1.2.5其他资料 7
第2章工程等级及建筑物级别 8
第3章坝型选择及枢纽布置 9
3.1坝址选择及坝型选择 9
3.1.1坝址选择 9
3.1.2坝型选择 9
3.2枢纽组成建筑物确定 9
3.3枢纽总体布置 9
第4章大坝设计 10
4.1土石坝坝型选择 10
4.2坝的断面设计 10
4.2.1坝顶高程确定 10
4.2.2坝顶宽度确定 12
4.2.3坝坡及马道确定 13
4.2.4防渗体尺寸确定 13
4.2.5排水设备的形式及其基本尺寸的确定 14
4.3土料设计 14
4.3.1粘性土料设计 15
4.3.2石渣坝壳料设计（按非粘性土料设计） 16
4.4土石坝的渗透计算 17
4.4.1计算方法及公式 17
4.4.2计算断面及计算情况的选择 18
4.4.3计算结果 18
4.4.4渗透稳定计算 19
4.5稳定分析计算 19
4.5.1计算方法与原理 19
4.5.2计算公式 20
4.5.3稳定成果分析 20
4.6地基处理 20
4.6.1坝基清理 21
4.6.2土石坝的防渗处理 21
4.6.3土石坝与坝基的连接 21
4.6.4土石坝与岸坡的连接 21
4.7土坝的细部结构 21
4.7.1坝的防渗体、排水设备 21
4.7.2反滤层设计 22
4.7.3护坡及坝坡设计 22
4.7.4坝顶布置 23
第5章溢洪道设计 24
5.1溢洪道路线选择和平面位置的确定 24
5.2溢洪道基本数据 24
5.3工程布置 24
5.3.1引渠段 24
5.3.2控制段 25
5.3.3泄槽 26
5.3.4出口消能段 32
5.4衬砌及构造设计 33
5.5地基处理及防渗 33
结论 34
感想体会 35
致谢 36
参考文献 37
附录一：
计算书 38
附录二：
外文翻译 68
IV
第页
摘要
适当修建大坝可以实现一个流域地区防洪、灌溉的综合效益。
通过对某河地形地质、水文资料、气候特征的分析，结合当地的建筑材料，设计适合的枢纽工程来帮助流域地区实现很好的经济效益。
根据防洪要求，对水库进行洪水调节计算，确定坝顶高程及泄洪建筑物尺寸；通过分析，对可能的方案进行比较，确定枢纽组成建筑物的形式、轮廓尺寸及水利枢纽布置方案；详细作出大坝设计，通过比较，确定坝的基本剖面与轮廓尺寸，拟定地基处理方案与坝身构造，进行水力、静力计算；对泄水建筑物进行设计，选择建筑物的形式、轮廓尺寸，确定布置方案。
水库配合下游河道整治等措施，可以很大程度的减轻洪水对下游城镇、厂矿、农村、公路、铁路以及旅游景点的威胁；可为发展养殖创造有利条件。
关键词：
坝工设计,渗流分析,稳定分析,溢洪道设计,基础处理。
Abstract
Appropriateconstructionofdamcanbeachievedinabasinareaofpowergeneration,floodcontrol,irrigationbenefit.Theriverislocatedinourcountrysouthwest,throughtoitsgeological,hydrologicaldata,climateanalysis,combinedwiththelocalbuildingmaterials,designsuitablefortheprojecttohelptheregiontoachievegoodeconomicbenefit.Accordingtotherequirementoffloodcontrol,floodregulationcomputationofreservoir,todeterminethecrestelevationandreleasefloodwatersbuildingsize;throughtheanalysis,onthepossibleoptions,determinethehubofthebuildingform,dimensionsandwaterconservancyhublayoutplanmadeindetail;damdesign,throughthecomparison,determiningbasicprofilesanddimensions,makethefoundationtreatmentschemeandthedambodystructure,hydraulic,staticcalculationofoutletstructures;design,choiceofbuildingform,outlinedimensions,todeterminethelayoutscheme,makedetailstructure,hydraulic,staticcalculation.Reservoirwithriverregulationmeasures,cangreatlyreducethefloodonthedownstreamtowns,factoriesandmines,rural,highway,railwayandthetouristattractionsofthethreat;createfavorableconditionsfordevelopmentofaquaculture.
Keywords:
Damdesign,Seepageanalysis,stabilityanalysis,spillwaydesign,foundationtreatment
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，如理论分析、设计计算、绘图、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。
本次设计的任务是木戛利水利枢纽工程，此工程是以灌溉为主，兼顾供水和防洪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。
本工程承担灌溉、供水、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的坝，泄水建筑物即溢洪道的设计以及土坝细部构造与坝基处理等部分，详细的介绍了该水利枢纽工程设计的内容。
第1章设计的基本资料
1.1概况
本设计对象为西南某山区水库，水库控制径流面积31.7km2，总库容：
1237.9万m3，兴利库容：
878.9万m3。
主要开发目标为：
灌溉、供水及防洪，对该地区的生产环境和经济发展有很大的促进作用。
1.2基本资料
1.2.1地震烈度
工程设计烈度为七度。
1.2.2水文气象条件
（1）水库主要水文数据表
水库特征水位，见表1.1。
水位、库容特征值表表1.1
项目
库水位（m）
相应库容（万m3）
最大下泄流量（m3/s）
校核洪水（p=0.1%）
2162.49
1237.9
108.3
设计洪水（p=2%）
2160.90
71.5
拦洪渡汛水位（p=5%）
2131.25
186.0
37.2
防洪限制水位
2158.98
正常水位
2158.98
1037.63
死水位
2129.68
158.73
枯期洪水（p=10%）
2122.0
72.99
5.26
（2）气象条件
①工程所在地属亚热带和温带，为半温，半干燥气候过度带，主要气候特征：
干湿分明。
5－10月份降水量占年降水量的80％，多年平均降水量903.8mm，多年平均蒸发量2123.2mm，多年平均气温16.3℃，实测最高35.6℃,最低-6.0℃。
②风速与吹程
多年平均最大风速20m/s（库面10m高），风向垂直坝轴线，吹程1.5km。
1.2.3坝址地形、地质与河床覆盖条件
（1）地形地貌
坝址基本对称的“U”型谷，左岸地形坡度为35°左右的陡坡，地表残坡积层覆盖；河床宽约146m，为冲洪积覆盖，右岸地形坡度为38°左右的陡岸，地表为残坡积覆盖，其下伏峨嵋山组玄武岩。
（2）地质岩性
①大坝工程地质条件
左岸主要分布二叠统峨嵋山玄武岩，其岩性为：
上部为强风化玄武岩，厚度为20.4～35m，下部为弱风化玄武岩。
右岸：
岩性与左岸相同，残坡积层厚3m，强风化层厚43m，下部为弱风化，该岸19～36m为断层。
河床由上而下分布有：
①粉质粘土、粉土，含少量砾石，厚度0.9～1.3m，分布河床表层，为高液限粉土砾；②由玄武岩和少量石英砂岩砾石组成的砂砾石层，厚度11.7～15.0m；③含砾石粉质粘土、粉质土砾，厚度1.4～2.8m。
不存在砂土液化问题。
④强风化玄武岩。
②溢洪道工程地质条件
溢洪道位于枢纽区右岸，地表主要为残坡积层及全风化玄武岩覆盖。
地基持力层为强风化玄武岩，裂隙发育，下部为弱风化玄武岩，溢洪道边坡为岩土混合边坡。
建议开挖坡比为：
1：
0.75～1：
1。
1.2.4建筑材料概况
（1）土料（防渗料）：
在水库区均有土料分布，各指标能满足防渗土料质量要求。
物理、力学指标见表1.3。
粘土料物理、力学性指标表1.3
土料试验成果评价及参数建议值
（2）风化石渣料
石渣料场均为玄武岩，质地坚硬，厚度大且稳定，分布面十分广泛，无用盖层薄，不夹无用层，受地下水影响小，易开采。
石渣料的不均匀系数C＝70，曲率系数C＝2.96，属良好级配的砾。
小于5mm的细粒含量为12.7%。
符合细粒含量小于20％的技术要求，平均最大干密度为2.03g/cm3，平均孔隙率为29.3％，符合孔隙率小于30％的质量要求，比重为2.87。
平均渗透系数7.58×10-2cm/s,符合碾压后大于1×10-3cm/s的技术要求。
浸水饱和后进行直剪试验，测得内摩擦角φ=50°57′，内聚力C=50.75KPa，符合坝壳料φ大于30度的质量要求。
其储量与质量可满足设计要求。
石碴料物理力学指标见表4
石碴料物理力学指标表表4
野外编号
碴1
碴2
碴3
三组算术平均
比重
2.87
2.87
2.87
2.87
击
实试验
层数×击数
2×70
2×70
2×70
2×70
总功能（kgf-cm/cm2）
863kJ/m3
最大干密度（g/cm3）
2.06
2.00
2.02
2.03
最优含水量（g/cm3）
3.0
2.94
2.77
2.90
孔隙比e
0.393
0.435
0.421
0.416
相对密度实验
最小干密度γmin（g/cm3）
1.71
1.69
1.70
1.70
最大干密度γmax（g/cm3）
2.19
2.21
2.20
2.20
最大孔隙比εmax
0.678
0.698
0.688
0.688
最小孔隙比εmin
0.311
0.311
0.300
0.307
直接快剪
φ
51°25′
50°33′
50°54′
50°57′
C（kPa）
40.27
56.75
55.22
50.75
渗透系数K（cm/s）
6.08×10-2
8.41×10-2
8.26×10-2
7.58×10-2
（3）堆石料、砂料
有现成采石场，岩性为二叠系下统阳新组灰岩，岩石质地坚硬，质纯，厚度稳定，储量满足设计用量要求，工程区及附近无天然砂料，采用石料场石料轧制人工砂。
1.2.5其他资料
1、1：
500库区地形图一张；
2、1：
500溢洪道纵剖面图一张；
第2章工程等级及建筑物级别
由于该工程正常蓄水位高程2158.98m，总库容约为0.13亿m3，工程等级由库容控制，根据《水利水电枢纽工程等级划分设计标准》SDJ12-1978（山区，丘陵区部分）之中作出的规定，该工程等级属于中型，主要建筑物为3级,次要建筑物为4级。
第3章坝型选择及枢纽布置
3.1坝址选择及坝型选择
3.1.1坝址选择
坝址基本对称的“U”型谷，左岸地形坡度为35°左右的陡坡，地表残坡积层覆盖；河床宽约146m，为冲洪积覆盖，右岸地形坡度为38°左右的陡岸，地表为残坡积覆盖，其下伏峨嵋山组玄武岩。
3.1.2坝型选择
综合考虑地形地质条件,筑坝材料,施工条件,综合效益等因素,最终选择土石坝方案。
3.2枢纽组成建筑物确定
1.挡水建筑物：
土石坝对地形、地质条件要求低，几乎在所有的条件下都可以修建，且施工技术简单，可实行机械化施工，由于坝址附近有大量天然的防渗土料、石渣料、筑坝料和开挖料，因此造价相对较低，所以采用土石坝方案。
2.泄水建筑物：
土石坝最适合采用岸边溢洪道进行泄洪，采用正槽式溢洪道泄洪，水流平顺，泄洪能力大，结构简单，运行安全可靠，适用于各种水头和流量。
3.3枢纽总体布置
挡水建筑物——土石坝按直线布置在地形图上所给的坝轴线处（即河道相对较窄处），泄水建筑物——溢洪道布置在大坝右岸。
综合考虑各方面因素，枢纽布置见枢纽总平面布置图。
第4章大坝设计
4.1土石坝坝型选择
斜墙坝:
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。
心墙坝:
工程量较小，且有利于就地取材，能较好地适应不均匀变形，稳定性，抗震性好,坝壳对心墙的拱效应作用减弱。
出于对当地材料大充分利用，可以用粘土作为防渗体材料。
综合以上分析，最终选择粘土心墙坝。
4.2坝的断面设计
大坝剖面轮廓尺寸包括坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡、防渗体及排水设施等。
4.2.1坝顶高程确定
因土石坝不允许漫顶溢流,要求坝顶距上游静水位必需有一定的超高,超高值由下式确定:
Y=R+e+A
式中:
R—最大波浪在坝坡上的爬高；
e—最大风壅水面高度；
k—综合摩住阻系数,k=3.6×10-6；
H—坝前水深；
β—风向与坝轴线的夹角，因e很小，风向难定，为安全与方便起见，取β=0；
V、D—计算风速（在正常运用条件下，3级坝设计风速取多年平均年最大风速的1.5倍；在非常运用条件下，取多年平均年最大风速）和吹程；
A—安全加高，（对于本设计:
查规范《碾压土石坝规范》表5.3.1得:
正常运行取A=0.70；非常运行取A=0.40）。
（一）：
计算超高Y
Y=R+e+A
1：
计算波浪爬高R
波浪爬高按下式计算：
式中：
Rm—平均波浪在坝坡上的爬高；
m—单坡的坡度系数，初步拟定为1.9；
—斜坡的糙率渗透性系数,根据枢纽的基本情况,确定水库采用砌石护面,查《碾压土石坝规范》表A.1.12-1得与坝坡粗糙率有关的系数=0.75~0.8,采用0.8；
Kw—经验系数，查规范《碾压土石坝规范》表A.1.12-2得kw=1.00；
hm,Lm—分别为平均波高和波长（m）。
对于丘陵水库，当风速v<26.5m/s,吹程D<7500m时，波浪波高和平均波长可采用鹤地水库公式：
由以上公式算得非常运用条件下：
h2%=1.40m,Lm=9.55m；正常运用条件下：
h2%=2.57m,Lm=14.32m。
由《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001知，设计波浪爬高值应根据工程等别确定，1、2、3级坝采用累积频率为1％的爬高值R1％。
经计算，①非常运用情况下：
R1%=2.03m；②正常运用情况下：
R1%=3.37m。
2.计算坝前水位壅高e
各水位下正常与非常运用时的水位壅高值e
运用情况
校核水位
设计水位
正常水位
正常运用
0.0045
0.0047
0.0049
非常运用
0.0020
0.0021
0.0022
3.安全加高A
查规范《碾压土石坝规范》表5.3.1得:
正常运行取A=0.70m；非常运行取A=0.40m。
4.坝顶高程计算结果表如下：
运用情况
静水位
H
R
e
A
y
坝顶高程=H+y
设计洪水位+正常运用超高y
2160.90
2.03
0.0047
0.7
2.7347
2163.63
正常洪水位+正常运用超高y
2158.98
2.03
0.0049
0.7
2.7349
2161.71
校核洪水位+非常运用超高y
2162.49
3.37
0.0020
0.4
3.7720
2166.26
正常洪水位+非常运用超高y
2158.98
3.37
0.0022
0.4
3.7722
2162.75
根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001，坝顶高程应取以上四种运用情况中的最大值，即坝顶高程为2166.26m。
设计的坝顶高程是指大坝沉降稳定后的坝顶高程，因此竣工时的坝顶高程应预留足够的沉降量，一般施工良好的土石坝，坝体沉降量约为坝高的0.2%~0.4%，为防止坝顶低于设计高程应预留适当的沉降量，按坝高的0.4%预留,则坝顶高程为2166.49m，防浪墙高1.2m，则碾压坝顶高程为2165.29m，坝高57.36m。
4.2.2坝顶宽度确定
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。
当无特殊要求时，中低坝可选用5～10m。
坝顶宽度必须满足考虑心墙或斜墙顶部及反滤层布置的需要。
初步拟定坝顶宽度为8m。
4.2.3坝坡及马道确定
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，上游坡率取1.9，下游自上而下分别取1.7,1.8,1.9，下游自下而上每20m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（戗道）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，考虑这些因素其宽度取为1.5ｍ，并设0.5m的横向排水沟。
（注：
下图尺寸为米）
4.2.4防渗体尺寸确定
坝体防渗体。
防渗体的尺寸以满足构造、施工及防止开裂等要求为原则，同时也要满足稳定要求。
坝的防渗体为粘土心墙，其最小厚度（底部）由粘土的允许渗透坡降确定。
根据经验，本设计粘土允许坡降取[J]=4，承受的最大水头54.56m，心墙底部厚须大于54.56/4=13.64m。
参考以往工程心墙顶宽取4m（满足大于3m机械化施工要求），上下游坡率为0.25，底宽32.3m大于13.64m。
心墙顶高程以设计水位加0.6m超高并高于校核洪水为原则，最后取2164.29m，上留有1m的保护层。
坝基防渗体。
心墙底部采用粘土截水槽和帷幕灌浆进行坝基防渗。
根据规范，灌浆帷幕的设计标准应按灌后基岩的透水率控制，3级及其以下的坝，透水率宜为5～10Lu，且帷幕的底部深入相对不透水层宜不小于5m。
根据渗透及地质剖面图，将心墙底部的冲洪基层全部挖掉，截水槽顶宽与心墙底宽相同，取32.3m，底宽取4m，截水槽底部高程2093.78m，槽中回填粘土料，槽深14.15m，两侧边坡1:
1。
帷幕灌浆灌至相对不透水层以下5m，即渗透剖面图上q=4.4Lu向下5m，即灌浆底部高程为2084.49m。
防渗体的尺寸图如下：
（下图尺寸为米）
4.2.5排水设备的形式及其基本尺寸的确定
根据工程实际,坝址处石料丰富,可采用溢洪道开挖的石料，故采用堆石体棱体排水设备。
根据《水工建筑物》堆石体顶面应高出下游最高水位2109.7m并且三级坝不得小于1.0m.故取高程为2110.7m,顶宽不小于1.0m取2m。
其内坡根据施工条件取1:
1.5外坡取1:
2见图。
由外向内分别铺设粗砂0.2m，卵石0.3m，最后面用砌石。
具体构造见图。
4.3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，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。
4.3.1粘性土料设计
（1）计算公式：
选用室内标准击实实验，进行土料的击实试验，根据击实次数，得出该组平均最大干容重和平均最优含水量：
设计干容重为：
式中：
——设计干容重（g/cm3）；
——在相应击实功能下的平均最大干容重；
m——施工条件系数（压实系数），对于1、2级高坝，m值采用0.96~0.99之间，3、4级坝可采用0.93~0.96，本设计取m=0.96。
粘性土的填筑含水量W为：
W=Wp+IlIp
式中：
Wp——土的塑限含水量；
Il——液性系数，取0.07~0.1，本次设计取0.1；
Ip——土的塑性指数；
设计最优含水量：
（样最优含水量接近其塑限含水量）
用下述公式计算最大干容重作为校核参考：
式中：
G——土粒比重；
W——填筑含水量；
Va——压实土的含气量，粘土取0.05。
运用下式校核：
为土场的干容重（对于1、2级坝，还应进行碾压试验进行复核，据以确定碾压参数）
（2）计算成果汇总表
比
重
G
最大
干容重
γmax
（kN/m3）
最优
含水量
W0
（%）
设计
干容重
γd
（kN/m3）
塑性指数
IP
填筑
含水量
W
（%）
饱和容重
rsat
（kN/m3）
浮容重
rb
（kN/m3）
湿容重
γw
（kN/m3）
内摩擦角
φ
粘聚力
C
（kp
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