平山土石坝设计11.docx
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平山土石坝设计11.docx
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平山土石坝设计11
00平山大坝设计
一、基本资料
1.工程概况
平山水库位于湖北某县平山河中游,该河系睦水的主要支流,全长284㎞,流域面积为556㎞2,坝址以上控制流域面积491km2;平山河是山区性河流,河床比降0.3%,沿河有地势较为平坦的小平原,最低高程为62.5m左右。
平山水库总库容2.0亿km3,有效库容1.15
该水库以灌溉发电为主,并结合防洪、航运、养鱼及供水等。
坝顶设有公路,枢纽工程的对外交通有水路,公路,铁路。
坝区地震5~6度,本次设计不考虑。
2.地形地质
平山河流域多为丘陵地区,河谷山势陡峭,河谷边坡一般为60°~70°,地势高差都在80~120m,河床一般为400m左右,河道弯曲很厉害,沿河沙滩及两岸坡积层发育,两岸河谷呈马鞍形,覆盖层较厚,基岩产状凌乱。
靠近坝址上游是泥盆纪五通砂岩,坝址下游是二叠纪石炭岩。
在平山咀以南,即石灰岩与砂岩分界处,发现一大断层,其走向近东西,倾向大致向北西,在轴线左肩的为五通砂岩,特别破碎产状凌乱,岩石的隐裂隙很发育
岩石的渗水率都很小,两岸多为0.001~0.01,坝址处沿轴线1.5~5.0m厚的覆盖层,K=10-4cm/s,浮容重
=10.7KN/m3,内摩擦角φ=35°。
3.水文气象
该河系睦水的主要支流,暴雨洪峰流量Q0.05%=1860m3/s,Q0.5%=1550m3/s,多年平均流量13.34m3/s,多年平均来水量4.22亿m3,多年平均风速10m/s,水库吹程D=8Km,多年平均降雨次数48次/年,库区气候温和。
4.设计设计数据
正常蓄水位:
113.0m
设计洪水位:
113.1m(百年一遇)
校核洪水位:
113.5m(千年一遇)
死水位:
105.0m(发电极限工作深度8m)
灌溉最低库水位:
104.0m
总库容:
2.00亿m3
水库有效库容:
1.15亿m3
发电调节流量Qp=7.35m3/s,相应下游水位68.2m
发电最大引用流量Qmax=28m3/s,相应下游水位68.65m
通过调洪演算,设计情况泄洪流量Q1%=840m3/s,相应下游水位72.65m;校核情况下泄洪流量
=1340m3/s,相应下游最高洪水位74.3m。
水库淤积高程:
85.0m
水电站装机容量为9000KW
二.、枢纽组成建筑物
1)大坝:
布置在坝轴线上;
2)溢洪道:
堰顶高程为107.00m;
三、筑坝材料
枢纽大坝采用当地材料筑坝,据初步勘察,土料可以采用坝轴线下游1.5~3.5公里的丘陵区与平原地带的土料,且储量很多,一般质量尚佳,可作筑坝之用。
砂料可在坝轴线下游1~3公里河滩范围内及平山河出口处两岸河滩开采。
石料可以用采石场开采,采石场可用坝轴线下游左岸山沟较合适,其石质为石灰岩、砂岩,质量良好,质地坚硬,岩石出露,覆盖浅,易开采。
1)土料:
主要有粘土和壤土,储量多,质量尚佳,可作为筑坝材料;
2)砂土:
可从坝上下游河滩上开采,储量多,可供筑坝使用;
3)石料:
石质为石灰岩及砂岩,质地坚硬,储量丰富。
四、大坝设计
(一)坝型选择
1.工程等别及建筑物级别
1)水库枢纽建筑物组成
根据水库枢纽的任务,该枢纽组成建筑物主要包括:
拦河大坝、溢洪道。
2)工程规模
根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》以及该工程的一些指标确定工程规模如下:
(1)各效益指标等别:
根据电站装机容量9000千瓦即9MW,小于10MW,属Ⅴ等工程;根据总库容为2.00亿m3,在10~1.0亿m3,属Ⅱ等工程。
(2)水库枢纽等别:
根据规范规定,对具有综合利用效益的水电工程,各效益指标分属不同等别时,整个工程的等别应按其最高的等别确定,故本水库枢纽为Ⅱ等工程。
(3)水工建筑物的级别:
根据水工建筑物级别的划分标准,Ⅱ等工程的主要建筑物为2级水工建筑物,所以本枢纽中的拦河大坝、溢洪道为2级水工建筑物;次要建筑物为3级水工建筑物。
2.各组成建筑物的选择
1)挡水建筑物型式的选择
(1)重力坝方案
从枢纽布置处地形地质平面图及1#坝轴线地质剖面图上可以看出,坝址基岩为上部为五通砂岩,下面为石英砂岩和砂质页岩,覆盖层沿坝轴线厚1.5~5.0m,五通砂岩厚达30~80m,若建重力坝清基开挖量大,目前C城至坝址尚无铁路、公路通行,修建重力坝所需水泥、钢筋等材料运输不方便,且不能利用当地筑坝材料,故修建重力坝不经济。
(2)拱坝方案
修建拱坝理想的地形条件是左右岸地形对称,岸坡平顺无突变,在平面上向下游收缩的河谷段;而且坝端下游侧要有足够的岩体支撑,以保证坝体的稳定。
该河道弯曲相当厉害,尤其枢纽布置处更为显著形成S形,1#坝址处没有雄厚的山脊作为坝肩,左岸陡峭,右岸相对平缓,峡谷不对称,成不对称的“U”型,下游河床开阔,建拱坝的造价过高,不宜修筑。
(3)土石坝方案
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,也能充分利用当地建筑材料,覆盖层也不必挖去,因此造价相对较低,
综上采用土石坝方案。
2)泄水建筑物型式的选择
土石坝最适合采用岸边溢洪道进行泄洪,在坝轴线下游300m处的两岸河谷呈马鞍形,右岸有马鞍形垭口,采用正槽式溢洪道泄洪,泄水槽与堰上水流方向一致,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.枢纽总体布置方案的确定
挡水建筑物——土石坝(包括副坝在内)按直线布置在河弯地段的坝址线上。
泄水建筑物——溢洪道布置在大坝右岸的天然垭口处。
(二)大坝轮廓尺寸的拟定
大坝轮廓尺寸包括坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡、防渗排水设备
等。
1.坝顶宽度
本坝顶无交通要求,根据施工条件和防汛抢险需要以及以往工程的统计资
料,对于中低坝取5-10m。
本设计坝顶宽度采用B=8.0m。
2.坝坡
因最大坝高约115.0-62.50=52.5m,采用两级变坡。
(1)上游坝坡:
1:
2.75,1:
3
(2)下游坝坡:
1:
2.5,1:
2.75
(3)马道:
马道高程为62.5+25=87.5m,
3.坝顶高程
坝顶高程等于水库静水位与超高d之和,并分别按以下运用情况计算,取最大值:
①正常蓄水位加正常运用情况的坝顶超高;②校核洪水位加非常运用
情况的坝顶超高。
最后需预流一定的坝体沉降量,此处取坝高的1%。
计算公式
采用下列算式:
d=ha+e+A
e=KV2Dcos
/(2gHm)
ha--波浪最大爬高,m;
e--最大风壅水面高度,即风壅水面超出原库水位高度的最大
值,m;
e=1.010-210210/(29.850)=0.01m
A--安全加高
K--综合摩阻系数
--风向与坝轴线方向的夹角
V0、D--计算风速和水库吹程m3/s、Km;
表1-1安全加高A(单位:
m)
运用情况
坝的级别
1级
2级
3级
4、5级
正常
1.5
1.0
0.7
0.5
非常
0.7
0.5
0.4
0.3
该坝属于2级水工建筑物,安全加高分别取:
正常运用情况下1.0m,非常运用
情况下0.5m。
下面采用我国水利水电科学研究院推荐的计算波浪在坝顶上的爬高:
ha=0.45hlm-1n-0.6
式中:
hl——设计波高,hl=0.0166V5/4D1/3m;
m——坝坡坡率,取m=3.0;
n——坝坡护面糙率,取n=0.025
由所给的设计资料中只有多年平均风速V0=10m/s,故取正常运用情况和非正常运用情况波高均为hl=0.0166
105/4
91/3m=0.614m,则
ha=0.45
0.614
3.0-1
0.0250.6=0.8423m。
两种计算成果见表
运用情况
静水位
(m)
Ha(m)
e(m)
A(m)
坝顶高程(m)
考虑1%沉陷
设计洪水
113.1
0.8423
0.01
1
114.95
114.95
116.09
校核洪水
113.5
0.8423
0.01
0.5
114.85
坝顶高程最后结果:
116.10m。
验算:
坝顶高程116.10m均大于设计洪水位(正常蓄水位)+0.50m即
113.10+0.50=113.60m;校核洪水位113.50m。
(3)渗流计算
1.渗流计算的基本假定
1)心墙采用粘土料,渗透系数k=1.0
10-6cm/s,坝壳采用砂土料,渗透系数
k=1.0
10-2cm/s,两者相差104倍,可以把粘土心墙看做相对不透水层,因此计
算时可以不考虑上游楔行降落水头的作用。
2)土体中渗流流速不大,且处于层流状态,渗流服从达西定律平均流速v等于
渗透系数K与渗透比降i的乘积,v=K
i;
3)发生渗流时土体的空隙体积不变,饱和度不变,渗流为连续的。
2.渗流计算条件:
流计算时应考虑以下组合情况,取其最不利情况作为控制条件:
1)上游正常水位,下游相应的最低水位;
2)上游校核洪水位相应的下游最低水位;
3)对上游坝坡最不利的库水降落后的落差。
由于缺乏资料所以拟定如下工况进行计算:
设计洪水位(取与正常蓄水位)113.10m,相应的下游最低水位为74.3m;校核洪水位113.50m,相应的下游水深
为75.00m。
3.渗流分析的方法
采用水利学法进行土坝渗流计算。
将坝内渗流分为若干等份,应用维尔金斯
公式和水流连续方程求解渗流流量和浸润线方程。
4.计算断面及公式
本设计仅对河槽截面处进行最大断面的渗流计算,并假设地基为不透水。
采
用的公式:
y=
q=
5单宽流量
将心墙看作等厚的矩形,则平均宽度为:
d=(d1+d2)/2=(3.5+17)/2=11m;
D=7/2(116.1102.5)2.52(102.582.5)2.75
+2(82.576.5)3.02(76.562.5)2.0=144.5
L=
L=144.5-33.3-9.475=101.73(设计情况)
L=144.5-32.5-9.475=102.53(校核情况)
已知
ke=1.0
10-6cm/sk=1.0
10-2cm/s
通过心墙的单宽流量
=
(其中
为防渗体的等效宽度)
通过心墙下游坝壳的单宽流量为:
=
计算结果见表:
计算情况
Z上
(m)
Z下
(m)
H1
(m)
H2
(m)
d
(m)
D
(m)
L
(m)
q
10-7
m3/(m/s)
He
(m)
正常蓄水位
校核洪水位
6.总的渗流量计算
从地质地形平面图上可以看出大坝沿轴线大约长为400m,沿整个坝段的渗流量
为:
Q=μLq式中μ是考虑到坝宽,厚度,渗流量沿坝轴线的不均匀分布而加
的折减系数,μ=0.8
Q正=0.8×400×6.50×107=2.08104m³/s
Q校=0.8×400×6.36×107=2.04104m³/s
6浸润线方程
(四)坝坡稳定性计算:
面板坝下游采用的是是堆石,所以C=0,常形成折线状的滑弧面,形状如图所示:
图中所示的各数据应满足以下关系:
查设计资料沙土的抗剪强度指标,φ1=φ2=φ3=30º,由于设计原始资料中无相关的数据,在此也无法提供实验资料,所以假定θ=250,=50,β=100,φ1´=φ2´=φ3´=130,带入上面三个式子中解得Kc=2.5>Kcmin=1.35。
2级
水工建筑物正常运行情况下
因而该假定的滑动坡面是稳定的。
(五)材料及构造设计
1.防渗体设计(这里选用粘土心墙)
1)防渗体尺寸
土质防渗体的尺寸应满足控制渗透比降和渗流量要求,还要便于施工。
心墙顶部考虑机械化施工的要求,取3.5m,边坡取1︰0.3。
上下游最大作用水头差H=113.50-62.4=51.0m(下游无水工况),粘土心墙坝的允许渗透坡降[J]=4,故墙厚T≧H/[J]=51.0/4=12.75m。
心墙底宽为3.5+(51.0+0.5)×0.3×2=34.4m>12.75m,满足要求
2)防渗体超高
防渗体顶部在静水位以上超高,对于正常运用情况(如正常蓄水位、设计洪水位)心墙为0.3~0.6m,取0.5m,最后防渗体顶部高程取为113.10+0.50=113.60m。
3)防渗体保护层
心墙顶部应设保护层,防止冰冻和干裂。
保护层可采用砂、砂砾或碎石,其厚度不小于该地区的洞深或干燥深度,此处取1.6m,上部碎石厚50cm;下部砂砾厚110cm,具体见坝顶部构造。
2.坝体排水设计
1)排水设施选择
常用的坝体排水有以下几种型式:
贴坡排水、棱体排水、坝内排水、以及综合式排水。
(1)贴坡排水:
不能降低浸润线,多用于浸润线很低和下游无水的情况,故不选用。
(2)棱体排水:
可降低浸润线,防止坝坡冻胀和渗透变形,保护下游坝脚不受尾水冲刷,且有支撑坝体增加稳定的作用,且易于检修,是效果较好的一种排水型式。
(3)坝内排水:
其中褥垫排水对不均匀沉降的适应性差,易断裂,且难以检修,当下游水位高过排水设施时,降低浸润线的效果将显著降低;网状排水施工麻烦,而且排水效果较褥垫排水差。
综合以上分析选择棱体排水方式。
2)堆石棱体排水尺寸
顶宽2.0m,内坡1︰1,外坡1︰1.33,顶部高程须高出下游最高水位对1、2级坝不小于1.0m。
通过设计洪水位113.10m(正常水位)流量时,相应下游最高洪水位68.20m;假定通过校核洪水位113.50m流量时,相应下游最高洪水位68.65m。
超高取3.35m,所以顶部高程为68.65+3.35=72.00m。
3.反滤层和过滤层
1)设计规范及标准
(1)保护无粘性土料(粉砂、砂、砂砾卵砾石、碎石等)
碾压式土石坝设计规范规定,对于与被保护土相邻的第一层反滤料,建议按下述准则选用
,
,同时要求两者的不均匀系数
及
不大于5~8,级配曲线形状最好相似。
式中:
——反滤料的特征粒径,小于该粒径的土占总土重的15%;
——被保护土的控制粒径和特征粒径,小于该粒径的土分别占总重的15%及85%。
上述两式同样适用于选择第二、三层反滤料,当选择第二层反滤料时,以第一层反滤料为被保护土,二选择第三层反滤料时,则以第二层反滤料为被保护土。
按此标准天然砂砾料一般不能满足要求,须对土料进行筛选。
(2)保护粘性土料
粘性土有粘聚力,抗管涌能力一般比无粘性土强,通常不用上述两式设计反滤层,而用以下方法设计。
[参考:
林昭著.碾压式土石坝.郑州:
黄河水利出版社,2003.7,第157页]。
①满足被保护粘性土的细粒不会流失
根据被保护土的小于0.075mm含量的百分数不同,而采用不同的方法。
当被保护土含有大于5mm的颗粒时,则取其小于5mm的级配确定小于0.075mm的颗粒含量百分数及计算粒径
。
如被保护土不含有大于5mm的颗粒时,则按全料确定小于0.0075mm的颗粒含量百分数及
。
a.对于小于0.075mm的颗粒含量大于85%的粘性土,按式
设计反滤层,当
,取
等于0.2mm。
b.对于小于0.075mm的颗粒含量为40%~85%的粘性土按式
设计反滤层。
c.对于小于0.075mm的颗粒含量为15%~39%的粘性土按式
设计反滤层。
式中,
为小于0.075mm时颗粒含量1%。
若
,应取0.7mm。
②满足排水要求
以上三种土还应符合式
,以满足排水要求。
式中
应为被保护粘性土全料的
,若
时
不小于0.1mm。
(3)护坡垫层
同样应满足土粒不流失及足够的透水性要求,但标准可降低些,建议按下式的简便方法选择粒径。
。
2)设计结果
由于设计原始资料中没有提供各土、砂、石料的颗粒级配情况,这里无法用计算的方法进行反滤层的设计,只能参考相关规范和已建工程进行初步设计。
4.护坡设计
1)上游护坡:
采用目前比较常用的干砌石护坡。
护坡范围从坝顶一直到坝脚,厚度为80cm,下部设50cm的碎石和40cm的粗砂垫层。
。
2)下游护坡:
下游设厚度为50cm的干砌块石护坡,护坡下面设厚度为30cm的碎石垫层。
5.顶部构造
1)坝顶宽度
对中低坝可取5~10m,此处取B=8m。
2)防浪墙
采用C20水泥浆砌块石防浪墙。
墙身每隔15m布置一道设有止水的沉陷逢,墙顶设有高2.8m的灯柱。
3)坝顶盖面
以防止防渗体——粘土心墙干裂、冻结和雨水冲蚀,在粘土心墙顶部设置保护层,厚度为160cm,分为两层,上层碎石厚度为50cm,下层砂砾厚度为110cm。
见坝顶细部图。
6.马道和坝顶、坝面排水设计
1)马道:
第一级马道高程为87.50m,马道宽为4.0m。
2)坝顶排水:
坝顶设有防浪墙,为了便于排水,坝顶做成自上游倾向下游的坡,坡度为2%,将坝顶雨水排向下游坝面排水沟。
3)坝面排水
(1)布置
在下游坝坡设纵横向排水沟。
纵向排水沟(与坝轴线平行)设在各级马道内侧。
沿坝轴线每隔150m设置1条横向排水沟(顺坡布置,垂直于坝轴线),横向排水沟自坝顶直至棱体排水处的排水沟,再排至坝趾排水沟。
纵横向排水沟互相连通,横向排水沟之间的纵向排水沟应从中间向两端倾斜,坡度取0.3%,以便将雨水排向横向排水沟。
坝体与岸坡连接处应设置排水沟,以排除岸坡上游下来的雨水。
(2)排水沟尺寸及材料
①尺寸拟定:
由于缺乏暴雨资料,所以无法用计算的方法确定断面尺寸,根据以往已建工程的经验,排水沟宽度及深度一般采用20~40cm。
②材料:
排水沟通常采用浆砌石或混凝土预制块。
在有排水沟的坝面处用水泥将该处的干砌石勾缝,形成水泥浆砌石排水沟。
7.地基处理及坝体与地基岸坡的连接
结合本坝坝基情况,从坝轴线剖面图可知,地基处理如下:
1)地基处理
(1)河槽处:
水流常年冲刷,基岩裸露,抗风化能力强,且岩芯处获得率都比较高。
吸水量也较低,故只需清除覆盖层即可,挖至基岩即可。
(2)右岸河滩:
覆盖层和坡积物相对较厚,层裂隙较为发育,拟采用局部帷幕灌浆。
2)坝体与地基的连接
(1)河槽部位,岩芯获得率及吸水量均能达到要求,采用在心墙底端局部加厚的方式与地基相连。
(2)右岸河滩:
上部岩层裂隙较发育。
而覆盖层也较左岸厚,采用截水槽的方式与基岩相连。
截水槽可挖至基岩以下0.5m深处,内填壤土。
截水槽横断面拟定:
边坡采用1:
1.5;底宽,渗径不小于(1/3~1/5)H,其中H为最大作用水头(下游无水时为51.00m),底宽取1/2.6×51.00=20.0m。
3)坝体与岸坡的连接
左坝肩到左滩地,坡积风化层需彻底清除,左岸坡上修建混凝土齿墙,岸坡较陡,开挖时基本与基岩大致平行。
右坝肩到右滩地坡积风化层处理与左岸相同,基岩开挖角不宜太大。
五、正槽式溢洪道设计
1.溢洪道的位置选择
主要考虑:
地形、地质条件,枢纽总体布置等因素。
(1)地形条件
应将溢洪道尽量布置在与水库正常蓄水位高程相近的马鞍形垭口上。
这样溢洪道与坝分开,有利于坝的安全;利用垭口,有利于减少开挖工程量。
本工程正好有一个符合上述条件的垭口,故在此处进行溢洪道布置。
(2)地质条件
应将溢洪道尽量修建在岩基上,并力求溢洪道两岸山坡稳定。
本工程垭口处覆盖层较薄,地质条件较好,两岸山体整体稳定,符合上述要求。
(3)枢纽总体布置
应考虑与枢纽各建筑物在总体布置上的协调。
入流、出流对枢纽其他建筑物的干扰。
一般来讲,溢洪道的水流入口应位于水流流畅处,并与土石坝保持一定的距离,避免横向水流对土石坝坝坡的冲刷影响;溢洪道的水流出口处,应与坝脚或下游其它建筑物保持一定的距离,避免水流冲刷以及水流波动的影响。
2.溢洪道线路选择
河岸溢洪道主要有正槽式、侧槽式、竖井式、虹吸式等。
综合考虑各条件因素,本设计采用开敞式正槽溢洪道。
3.溢洪道的孔口尺寸确定
1)堰型选择
溢洪道溢流堰可采用WES型实用堰,也可采用宽顶堰。
本工程拟采用WES型实用堰。
2)堰顶高程
根据设计资料给出,堰顶高程为107.0m(107.5)。
堰厚p拟取8m。
3)溢流前缘宽度L:
分别按设计情况和校核情况进行估算。
q=
L=Qmax/q
q为单宽流量,H0为设计水头,
=0.9
m为流量系数,在设计水头下取为0.502。
计算结果如表
溢流前缘宽度计算
计算情况
上游水位
泄量
堰上水头
流量系数
单宽流量
溢流前缘宽度
(m)
Q(m3/s)
H0(m)
m
m(m2/s)
L(m)
设计情况
113.1
840
6.1
0.502
30.13
27.88
校核情况
113.5
1340
6.5
0.502
33.14
40.43
由此可计算得溢流前缘宽度为40.43m。
4)单孔宽度b的确定
孔数n取为整数。
b=L/n。
b应为整数。
选择5孔,则单孔宽为8.086m,取单孔宽为9m。
5)闸门
可采用弧形闸门或平板闸门。
本设计中选用平板闸门。
根据《水利水电工程钢闸门设计规范SL74-95》,闸门尺寸取为9m×6.5m(宽×高),宽高比为9/6.5=1.38,满足按规范规定的露顶式闸门宽高比(1.0~1.5)。
6)闸墩
根据溢流堰的构造要求,闸室中墩宽度取为2.5m,中墩分缝,边墩宽度取为3m,由此计算可得溢流堰宽B:
B=5×9+2.5×4+3×2=61m
4.溢洪道泄槽设计
1)泄槽的平面布置
泄槽在平面布置上,沿水流方向呈直线、等宽、对称布置,这样可使水流平顺、结构简单、施工方便。
避免弯道或断面尺寸的变化,以防止高速泄流引起的波动、掺气、空蚀等现象。
2)泄槽的纵断面底坡
泄槽纵断面的布置与地形、地质条件关系密切。
泄槽底坡尽可能采用单一的坡度,一坡到底,且满足,保证泄槽中的水流流态为急流。
由地形地质平面图上量得堰顶到下游74.30m高程处的水平距离为120m,高差为33.20m,故从堰顶到下游水面连一直线,直线的斜率大约等于0.25。
为减少挖方,初步拟定泄槽坡率i=1/4。
泄槽衬砌初拟选用石灰浆砌块石水泥浆勾缝型式,查阅有关文献,浆砌块石糙率一般为0.025。
取,近似计算临界水深:
故其临界底坡:
C——谢才系数,C=
其中R为水力半径,n为粗糙系数,
对于混泥土n=0.014~0.016;g——重力加速度,g=9.81m/s2
——流速分布系数,取
=1.0;L=泄槽横断面的湿周,m;
B---水面宽度,m
q——单宽流量,
计算的:
=
3)泄槽的断面尺寸
溢洪道处于岩基,可采用矩形或接近矩形的断面,使流量和流速分布都比较均匀,对下游消能有利。
本设计采用矩形断面宽b=90m,长L约为137m。
4)边墙高度的确定
边墙的高度采用推求水面线的方法确定。
泄槽水面线根据能量方程,用分段求和法计算,计算公式如下:
式中,
为分段长度,h1、h2分别为
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