水工建筑物课程设计说明书.doc
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水工建筑物课程设计说明书
设计坝型：
均质土坝
指导老师：
宋志斌
系别：
水利系
班级：
水工专2班
姓名:
王培华
学号：
093520206
目录
第一章、设计基本资料……………………………（3）
第二章、坝型选择和剖面设计……………………（5）
第三章渗流计算……………………………（11）
第四章、土石坝坝坡稳定分析和计算…………（14）
第五章、土石坝的构造设计………………………（20）
第一章基本资料
1.1地形地质情况
坝址处河床宽约为190m，坝轴线处河床最低高程为306m，河床覆盖层上层为湿陷性黄土夹有砾石，下部为沙砾石层，坝址岩为花岗岩，透水性很小，详见坝轴线地质剖面图。
1.2水位
死水位325m
正常蓄水位339m
设计洪水位1%342m
校核洪水位0.1%343m
正常蓄水位时下游水位306m
校核洪水位时下游水位313m
1.3气象资料
多年平均最大风速10m/s
冻土深1.1m
1.4筑坝材料及坝基沙砾物理学性质（见附表1）
1.5其它
工程等级：
枢纽为二等，建筑物为二级
水库次程1Km
地震基本烈度7度
附表1
筑坝材料及坝基砂砾石物理学性质
项目
比重
含水量（%）
湿容重（）
饱和容重（）
浮容重（）
凝聚力（）
内摩擦角Φ（度°）
渗透系数k（cm/s）
粉质壤土
2.69
17
19.3
20.5
10.5
16.0/12.0
22.0/18.0
0.5×
砂砾
2.65
19.8
20.6
10.6
36
2×
坝基砂砾料
2.65
19.8
20.6
10.6
36
2×
堆石
2.07
20.0
21.0
11.0
40
第二章坝型选择和剖面设计
2.1坝型选择
1〉该坝在40m以下，属于中坝，并且周边土料丰富。
故首先均质坝
2〉为了保证地基渗透稳定，在坝底设一截水槽。
综上，本次课程设计选择带截水槽的均质土石坝。
2.2剖面设计
土石坝剖面设计包含：
坝顶高程，坝体长度，最大坝高，最大剖面和特征剖面。
2.2.1确定坝顶高程
为了防止库水漫溢坝顶，坝顶在水库静水位以上应有足够的波浪超高，见图2-1，《碾压式土石坝设计规范》（SD7218-84）规定。
其值按下式计算
Y=R+e+A（2-1）
e=cos（2-2）
式中：
e—风沿水面吹过的所形成的水面升高，即风壅水面超出库水位的高度（m）
R—自风壅水面算起的波浪沿倾斜坝坡爬升的垂直高度（m）
D—水库吹程（Km或m）
H—沿水库吹程方向的平均水域深度，初拟时，可近似取坝前水深（m）
K—综合摩擦阻力系数，其值变化在（1.5～5.0）×之间，计算时一般取3.6×（D以km计）或3.6×（D以m计）
V—计算风速，m/s，正常运用条件下的ⅠⅡ坝条取V=（1.5～2.0（多年平均最大风速）正常运用条件下的ⅡⅣⅤ级采用V=1.5，非常运用条件下的各级土石坝采用V=
—风向与坝轴垂直线的夹角；（°）（大于1°，=0）
A—安全加高，根据坝的等级和运用，正常A=1.0非常A=0.7
2.2.1.1按正常情况下计算坝顶高程
=10m/s，V=1.5=15m/sH=33mD=1km
e=cos=
规范（SD7218-84）推荐采用莆田试验站统计分析公式计算R，其步骤如下
（1）计算波浪平均爬高
=（2-3）
式中：
—与坝坡的粗糙率和渗透性有关=0.8
—经验系数，由风速V，坝前水深H及重力坝加速度g组成的无维量，=1
m—坝坡系数，m=ctg，为坝坡倾角，本设计平均坡率m=2.75
—平均波高与波长，m
①用下式计算平均坡高：
=0.13th[0.7]th{}
在水深较大，吹程较小的情况下，即当时（1-4）可简化为=0.0018
式中水库吹程D以m计经计算可知用上式计算m
②计算波浪平均周期，公式为
③计算平均波长，
（2）计算波浪爬高R
在工程设计中，波浪设计爬高R按建筑物的级别确定，对Ⅱ级土石坝取保证率P=1%的波浪爬高作为设计爬高即R=，由其相应波浪爬高保证率P，平均爬高R及爬高统计分布表计算爬高R
R=2.23×0.321=0.716
m
坝顶高程=342+1.717=343.717m
2.2.1.2按非常情况计算坝顶高程
非常运用情况下的坝顶高程与正常情况一样，仅风速采用V=10m/s，坝前水深H=343-306=37m
e=cos=
（1）计算波浪平均爬高
故取
（2）计算波长平均周期
（3）计算平均波长
，R=2.23×0.197=0.439
坝顶高程=343+1.14=344.14m
2.2.1.3考虑地震影响计算坝顶高程
地震安全加高=地震涌浪加高+地震附加沉陷值+安全加高
地震涌浪加高一般为0.5m～1.5m，应根据地震烈度大小和不同的坝前水深取不同值，本设计取1m，地震附加沉陷值，本设计取1%的坝高，即（343.717-306）×1%=0.37
安全加高A=1.0
地震安全加高=1+0.37+1.0=2.37m
坝顶高程=339+2.38=341.37m
2.2.1.4确定坝顶高程及坝高
坝顶高程取上述最大值，取坝高为345m，考虑在上游侧设置1.2m的防浪墙，最终确定坝顶高程为345-1.2=343.8m（不考虑压缩沉降）
坝高=343.8-306=37.8m
2.2.2坝体宽度
坝顶宽度取决于施工、构造、运行、抗震及防洪等要求。
如坝顶设置公路或铁路时，应按交通要求确定，无特殊要求时，高坝最小顶宽为10～15m,中低坝为5～10m。
对心墙或斜墙坝还需要满足其墙顶和两次反滤层的布置要求。
在寒冷地区，还需要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。
本设计坝高37.8m，属于中坝，且坝顶无交通要求，拟定坝顶顶宽为6m.
2.2.3上下游边坡
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大小。
（1）由于石料在饱和状态下抗剪强度低，水位下降时渗透力指向上游，对上游坝坡稳定不利。
即土石坝相同时上游坡比下游坡较缓；
（2）从坝型上看，上游坝坡较下游为缓；
（3）从荷载情况上，为适应从底部逐渐增加的特征，坝坡上陡下缓，故土石坝上、下游坡一般做成变坡，由上至下逐渐放缓，相邻坝坡率差为0.25～0.5。
若坝基较弱，最后一级坝坡宜缓，以利于坝坡稳定。
综上所述，对拟坝坡时，坡度一般为1:
2～1:
4，在下游坝面的边坡处一般设置马道，其长度取1.5～2.0m，以拦截并排除雨水，防止严重冲刷坝面，并兼做交通、检查观测之用，也有利于坝坡稳定。
拟定上游坝坡自上而下为1:
2.75和1:
3.0，下游边坡自上而下为1:
2.5，1:
2.75，在高程为326m处设置宽为1.5m的马道。
2.24截水槽尺寸
本设计为碾压式土石坝且为均质坝，故不设置心墙防渗体。
但坝址处有一定的透水层厚度，只设置截水槽从而起到对坝基防渗的作用。
计算点的作用水头为H=343-313=30m。
根据经验取渗透坡降[J]=4，，取8m。
截水槽的厚度为6.5m，其底部与地基相对不透水层连接。
2.25排水体设备
本设计均质土石坝全断面防渗，但仍会有一定的渗水，故在坝体下游侧设置排水设备。
其作用是控制和引导渗流安全的排出体外，降低坝体浸润线和空隙水压力，增强坝坡稳定保护下游坝坡免受冻胀破坏。
排水体由块石及其流层组成，要求其具有充分的排水能力，不堵塞，以保证坝体和坝基不发生渗流破坏，并且便于观测和检修。
（1）贴破排水构造简单，便于检修，但不能降低浸润线且易受水冻胀失效；
（2）棱体排水可降低浸润线，防止坝体冻胀，保护坝脚，免受尾水冲刷，且对坝坡有稳定作用。
对于增加坝坡稳定性是一种可靠有效、应用广泛的排水形式，适用于坝体河槽部位，较高的坝，石料丰富的地区；
（3）褥垫排水对地基不均匀沉陷的适应性差，易断裂，维修困难，故单独采用这种形式的不多；
（4）管网式排水较为复杂，不便采用；
（5）综合排水也较为复杂，不便采用。
综上所述，本设计采用棱体排水。
初拟定坝顶高程为314.5m，其坝顶根据检查观测及施工要求确定不小于1.0m时，一般为1.0～2.0m，本设计取1.5m。
棱体内破由施工条件确定，一般为1：
1～1:
1.5，本设计采用1：
1.5。
外破根据坝基抗剪强度和施工条件确定，一般为1:
1.5～1:
2.0，本设计取1:
2.0，为使渗流溢出坡降分布的更均匀，在棱体上游坝脚处应避免出现锐角，目的是使渗出的渗流坡降分布更加均匀和减少最大水利坡降。
第三章渗流计算
3.1设计说明
3.1.1土石坝渗流分析的任务
土石坝的剖面尺寸初步拟定后，必须进行渗流分析和稳定分析，为确定经济稳定的坝体剖面提供依据，渗流分析的主要任务是：
⑴确定坝体浸润线和下游溢出点的位置，为坝体稳定计算和排水体选择提供依据。
⑵计算坝体和坝基的渗流量，以计算水库渗漏损失，确定排水体尺寸。
⑶计算坝体和坝基的渗流溢出处的渗透坡降，以验算其渗透稳定性。
3.1.2渗流分析方法
土石坝渗流分析的方法有公式计算法（流体力学法、水力学法、有限元法、流网法和电模拟法），本设计采用水力学法，其计算简单且精度可以满足工程要求
3.1.3渗流计算公式
根据试验资料，截水槽的最佳位置是位于水面与上游坝坡交点的垂线上，此时浸润线最低，设截水槽用平均厚度代替，其渗透系数与坝体土料的相同，均为k，槽末端1-1断面渗流水深为h，通过x=0和H断面间的渗流量为（3-1）
同理可得1-1与2-2断面的渗流量为
（3-2）
联立（3-1）式与（3-2）式可求得h，进而可求得q
在1-1断面上游侧任意距离x处取3-3断面，设该断面渗流水深为y，3-3与H断面间的渗流区域应用式可求得浸润线方程为
（3-3）
断面1-1与2-2之间浸润线可由公式
x=（3-4）
确定，但式中应代换为h
3.2渗流计算
经计算得=14.06m，h=0.13m，q=2.3
3.3总的渗流量计算（示意图如上）
Q=1/2（）（3-5）
式中,，…—各段坝长m
，，…—各坝段交界处的坝体单宽流量
3.4渗流计算结果汇总分析
3.4.1渗流计算结果（正常蓄水位）
编号
桩号
L
T
K
h
Q
1
0+000
0
2
0+10
39
1.05
0
5
2
0.07
10
3
0+48.78
167
24.5
0
5
2
12.8
38.78
4
0+142.74
14.5
81.38
6.5
33
0
5
2
0.13
2.3
93.96
5
0+239.74
167
24.5
0
5
2
12.8
97
6
0+252.83
13.09
=2.3
第四章、土石坝坝坡稳定分析和计算
4.1设计说明
4.1.1设计任务
对土石坝进行稳定分析的目的是通过计算坝体剖面的稳定安全度来检验坝坡在各种工况下是否安全，断面尺寸是否经济合理。
坝坡坍滑失稳滑裂面的形式主要与坝体结构型式、坝基情况和坝的工作条件等因素有关。
主要有以下几种：
（1）曲线形滑裂面。
当为粘性土坝坡时，其失稳滑裂面呈上陡下缓的曲面，稳定计算时常假定为一圆柱面，其在坝体剖面的投影是一个圆弧，称滑弧。
滑裂面的位置，如坝基为岩石或坚硬的土层时多从坝脚处滑出；当坝基土质与坝体相近或更软弱时，滑裂面可能深入坝基从坝脚滑出。
（2）直线或折线形滑裂面。
当滑裂面通过由砂、砂砾石等材料组成的无粘性土坝坡时，在坝坡剖面上的投影是一直线或折线。
当坝坡干燥或完全浸入水中时成直线，部分浸水时是折线，斜墙坝上游失稳时，常沿斜墙与坝体交界面滑动。
（3）复合断裂面。
当坝坡由几种不同性质的土料组成或坝基存在软弱层时，滑裂面往往是由直线和曲线组成的复合型，在粘土上为曲线，在粘性土内或软弱层上为直线。
4.1.2荷载组合
土石坝应对以下几种荷载组合情况下的坝坡进行稳定计算。
正常运行情况下
（1）上游为正常蓄水位，下游为相应最低水位或上游为设计洪水位，下游为相应最高水位形成稳定渗流时的下游坝坡；
（2）水库水位正常降落时的上游坝坡；
（3）库水位最不利时的上游坝坡，这种不利水位大致在坝底以上1/3坝高处，对于复杂的坝剖面应进行试算。
非常运用情况包括：
（1）施工或竣工期的上下游坝坡；
（2）库水位骤降时的上游坡；
（3）校核洪水位下可能形成稳定渗流时的下游坝坡；
（4）正常运用情况加地震影响的上下游坝坡；
（5）有时还要验算水库蓄满、排水设备失效时下游坝坡的稳定。
本设计只针对正常运行情况下进行验算。
4.1.3计算断面
本设计只针对最大剖面。
4.1.4控制标准
表4--1容许最小抗滑稳定安全系数
运用条件
工程级别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
正常运用
1.30
1.25
1.20
1.15
非常运用
1.20
1.15
1.10
1.05
正常运用加地震
1.10
1.05
1.05
1.00
4.1.5稳定分析方法
按照坝坡滑裂面的形式不同，坝坡稳定分析方法为：
圆弧法、直线或折线滑动面法和复式滑动面法。
因本设计为均质坝，故采用圆弧滑动法。
4.2稳定计算
4.2.1基本原理与计算方法
圆弧法主要用于粘性土坝，如均质坝、厚斜墙坝、厚心墙坝等的稳定计算。
其基本原理是假设滑动面为一圆柱面，将滑动面内土体视为刚体，失稳是该土体绕圆弧底中心旋转，沿坝轴方向取单宽坝段按平面问题进行分析。
计算时将滑动面以上的划分为若干铅直土条，求出各土条对圆弧中心的抗滑力矩之和Mr与滑动力矩之和Ms，二者之比为该滑弧的抗滑稳定安全系数，即
按是否计算土条间的作用力，圆弧法又分为两种：
一是不计土条间作用力的简单方法，又称瑞典圆弧法；二是考虑土条水平力作用，忽略竖向力作用的简化的毕肖普法。
前者计算简单，偏于安全，单精度较差；后者较为合理，结果较精确，但需迭代计算，较繁琐。
我国规范规定，对Ⅰ、Ⅱ级高中坝以及一些比较复杂的情况，应同时采用瑞典圆弧法和计土条间作用力的方法。
对于后者，最小安全系数的容许值应比附表五中规定值提高10%左右，对Ⅰ级坝的正常运用情况安全系数不小于1.5。
4.2.2基本公式的推导
为简化分析，现只考虑自重荷载。
如上图所示的坝坡，以i为土条为例，其自重，式中为土条高度，为土条宽度，b为土壤容重。
自重在滑动面上的切向力起促滑作用，法向分力在滑动面上产生摩擦力起抗滑作用。
式中为土条底部中点所在半径与铅直线的夹角，是土条在滑动面处的内摩擦角。
滑弧长度上的凝聚力为Cili起抗滑作用，Ci为该土条在滑动面处土壤的单位凝聚力。
在滑动面上的总滑动力为，总抗滑力为，分别对圆心O取力矩得滑动力矩为，抗滑力矩（）,则坝坡稳定安全系数K为=
上式即为瑞典条分发的基本公式。
4.2.3最危险滑弧位置的确定
上述滑动圆弧的圆心和半径是任意选定的，求出的稳定安全系数不一定是最小的。
最小安全系数必须经过试算才能得到。
如何用最少的试算次数找到最小的安全系数，主要有两种方法。
（1）B·B方耶夫法。
该法最小安全系数的滑弧圆心在扇形范围内，见图此扇形面积的两个边界为由坝坡中点a引出的两条直线，一条铅垂线，一条与平均坝坡线成85°角；另外两个边界为以a为圆心所作的两个圆弧，内外弧半径R内、R外，查附表。
如图
（2）费兰纽斯法。
该法认为最危险的滑弧圆心在图4--2所示直线的延长线附近，图中H为坝高，、查附表4---3
表4--2R内、R外值表
坝坡
1:
1
1:
2
1:
3
1:
4
1:
5
1:
6
R/H
R内
0.75
0.75
1.0
1.5
2.2
3.0
R外
1.50
1.75
2.30
3.75
4.80
5.50
表4--3、值表
坝坡坡度
1:
1.5
1:
2.0
1:
3.0
1:
4.0
26
25
25
25
35
35
35
36
上述两种方法，适用于均质坝，其他坝型也可参考。
实际运用时常将二者结合应用，即认为最危险的.滑弧圆心在扇形面积中eg线附近，并按一下步骤计算最小安全系数
（1）首先定出距离坝顶为2H，距离坝趾B为4.5H的M1点再从坝趾B和坝顶A引出直线BM1和AM2，它们分别于下游坝坡及坝顶、角，并相交与M2点，连接直线M1M2，再用方捷耶夫法给出bcdf，这样既可定出eg线。
（2）在eg线上选取几个圆心O1、O2、O3等，分别做通过B点的滑弧，然后按公式分别计算安全系数K，并按比值将K值标在相应的圆心上，并练成曲线找出最小K值。
（3）再通过eg线上K值最小的点，做eg的垂线N--N，并在N--N上选几个圆心，分别过B做圆弧并计算K，找出N--N上最小值，一般认为该K即为通过B点的最小安全系数，按比例画在B点。
（4）然后根据坝基土质情况，在坝坡或坝趾外选数点B1、B2、B3等，同上方法求出最小安全系数K1、K2、K3等并按比例标在B1、B2、B3点上，与B、K连成曲线，找Kmin
4.2.4详细计算过程见表
坝坡稳定分析计算表
高度h
宽度b
r
自重w
sin
cos
tg
wcos
wsin
l
凝聚力
10.95
15.64
19.3
3305.2794
0.731
0.682
0.404
2254.201
2416.159
22.93255
16
19.47
15.64
19.3
5877.05844
0.574
0.819
0.404
4813.311
3373.432
19.09646
16
22.42
15.64
19.3
6767.52184
0.407
0.914
0.404
6185.515
2754.381
17.1116
16
22.05
15.64
19.3
6655.8366
0.259
0.966
0.404
6429.538
1723.862
16.19048
16
18.91
15.64
19.3
5708.02132
0.105
0.995
0.404
5679.481
599.3422
15.71859
16
13.24
15.64
19.3
3996.52048
0.052
0.999
0.404
3992.524
207.8191
15.65566
16
5.07
15.64
19.3
1530.38964
0.225
0.974
0.404
1490.6
344.3377
16.05749
16
求和
30845.17
11419.33
122.7628
=1.26
第五章、土石坝的构造设计
5.1坝顶
为防止防渗体干裂和雨水冲刷，满足维修和防汛要求。
坝顶应做成护面，护面做成柔性护面，以使坝顶变形和坝体裂缝及时发现。
护面多采用密实的黄泥灌浆碎石，其下设碎石垫层坝顶高程为343.8m。
为排出雨水，坝顶应做成一侧或两侧的横坡，坡度为2%--3%。
坡面末端设纵向排水沟，汇集坝顶雨水，排水沟断面尺寸是0.3m×0.3m
在坝顶上游做稳定坚固和不透水的防浪墙，且基础坚固的埋入坝内并与防渗体紧密结合，墙底与防渗体顶部接触渗径长度La应满足
La≥KaH
式中：
H----防浪墙底面承受的水头，m，算至波浪水面
La---防浪墙底与防渗体接触渗径长度，m，可按莱茵法计算，即
La=b/3+s，b、s分别为水平与垂直渗径
Ka---莱茵系数，即为单位作用水头的允许渗径，见表5--1
表5--1
莱茵经验系数
墙基
土类
中砂
粗砂
粗砾石
大块、中块碎石和砾石混合
软
粘
土
中等硬度粘土
硬粘土
极硬粘土
Ka
6.0
.0
4.0
3.5
3.0
2.5
3.0
2.0
1.8
1.6
防浪墙用浆砌石，墙顶高出坝顶1.2m，高程为345m，墙厚0.5m，墙内应设置伸缩缝，间距为15m，缝内设止水。
坝顶下游设边石，采用浆砌石修筑，厚0.4m，坝顶高出路面约0.2m，边石内每隔60m设排水孔，以将坝顶排水沟的雨水经坝面排水沟排至下游。
5.2护坡与坝坡排水
土石坝的上游要承受波浪冲刷，冰层和漂浮物的撞击，顺坡水流的冲刷等；下游坝面受大风、雨水、冻胀、干裂。
尾水部位的风浪、冰层、动植物的破坏等的破坏作用，因此上下游坝面都设置护坡。
护坡范围，上游一般从坝顶至水库最低水位一下2.5m处，四级一下的坝可以护至最低水位一下1.5m至2.0m。
最低水位不确定或坝高不大的坝可以保护至排水体顶部，无排水体时护至坝脚。
第五节上游护坡，上游采用砌石护坡
砌石护坡可以是单层或双层，单层厚0.3至0.35m，双层厚0.4至0.6m。
根据需要砌石按反滤层原则设置2至3层碎石或砾石垫层。
人工夯填时，每层厚度一般为0.15--0.25m，机械施工时总厚度有的达1m以上。
护坡在底部和马道处应适当加厚，并嵌入坝体或坝基。
本设计上游坝面设干砌石护坡，厚度0.3m，下设厚度0.2m碎石垫层。
护坡范围至坝脚。
第六节下游护坡
下游护坡工作条件较好，可以设干砌石护坡，厚0.3m，下设厚度0.2m的碎石垫层，护坡范围上至坝顶下至坝脚。
详细见图
第七节坝面排水
为防止雨水冲刷，下游坝面常设纵横联通的排水沟，沿着坝体与岸坡结合处，也可以设置排水沟以拦截上坡上的水。
纵向排水沟沿马道内侧布置，沿着吧轴线方向，每隔100m设置一条横向排水沟。
5.3坝体排水设备
本
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