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水工建筑物土石坝设计
四川大学
课程设计报告
题目
土石坝设计
专业
班级
学号
姓名
指导教师
水利水电学院
二〇一四年十二月
第一章、设计基本资料
拟建的朝阳水库工程区位于开县赵家镇朝阳村境内,属长江上游小江水系浦里河朝阳沟支流。
水库距离开县县城28.7km。
1.1工程任务及规划数据
本水利枢纽以灌溉为主,兼顾防洪。
设计灌溉面积为0.85万亩,设计放水流量0.8m3/s。
根据兴利及调洪演算,确定出该水库规划指标为:
水库正常蓄水位:
374.5+0.7*8=380.1m时相应有效库容186.48万m3;30年一遇设计洪水位:
375.2+0.7*8=380.8m(溢洪道最大下泄流量约20m3/s);300年一遇校核洪水位:
376.1+0.7*8=381.7m时相应总库容218.44万m3(溢洪道最大下泄流量32m3/s);水库死水位362.00m。
1.2地形地质条件
坝址处河谷断面河床宽度约20~30m,两岸岸坡基本对称,坡角约35°。
河床基岩高程350m,岩基为弱风化岩层,k=0.8×10-6cm/s。
地基表面高程354.6m,高程350m~354.6m为砂砾石覆盖层。
(351+0.9*4=354.6m).地形地质情况详见图纸。
1.3水文气象
水库集雨面积为3.67km2,流域属于亚热带湿润季风气候区,气候温和,雨量充沛。
多年平均降雨量1236.4mm,多年平均径流深590.0mm。
库区汛期多年平均最大风速10.5m/s,方向垂直坝面,水库吹程0.3km。
1.4天然建筑材料
工程区附近土料及天然沙砾石、块石、石渣料均较为丰富。
上游1~1.5km范围内可供开采的土料,主要为棕红色砂质粘土,粘性很强,是很好的防渗材料,总储量约9万m3;坝址下游1~2km范围内有约6万m3的石料可供开采,该石料主要为石英砂岩;在坝址下游2~2.5km范围内有丰富的石渣料,储量约10万m3。
砂砾石覆盖层及天然材料物理力学性质见表1。
1.5其他资料
当地有较丰富的土石坝施工经验,缺少混凝土坝施工经验。
工程单价可按下式估算:
粘土填筑30元/m3;干砌块石88元/m3;石渣料填筑45元/m3;土石方开挖20元/m3。
表1天然材料物理性质表
参数
材料
湿容重
(KN/m3)
饱和容重
(KN/m3)
浮容重
(KN/m3)
渗透系数(cm/s)
非饱和固结快剪
饱和固结快剪
C(KPa)
φ(度)
C(KPa)
φ(度)
砂砾石覆盖层
18.8
20.0
10.0
1.6×10-2
/
29.2
/
27.2
粘土
20.0
20.2
10.2
4.73×10-6
22.3
17.6
18.4
15.7
石渣料
20.5
21.4
11.4
7.2×10-4
29.8
31.6
25.6
29.4
块石体
18.1
20.2
10.2
8.0×10-2
/
34
/
33
1.6设计任务
(1)根据提供的设计资料和图纸,确定较为合理可行的枢纽布置,即确定大坝、泄水建筑物、取水建筑物等枢纽建筑物的布置。
由于时间关系,大坝选定为土石坝,在此基础上确定泄水建筑物、取水建筑物的位置及形式。
(2)通过坝型方案比较,确定推荐坝型,并对推荐坝型进行计算分析和详细设计。
1.7提交成果
(1)设计说明书(包括计算原理)一份。
论述枢纽布置;论证坝型选择并进行材料分区布置;计算坝顶高程;进行正常水位时的渗流计算,包括渗流量、浸润线和渗透变形分析;进行正常水位工况时下游坝坡一个滑移面的稳定分析;论述主要构造与尺寸,论述地基处理措施。
(2)设计图纸两张(2号图)
枢纽平面布置图一张;土石坝横断面设计图一张,包括坝顶、护坡、马道、排水设备和坝基防渗等的细部构造。
1.8参考资料
SL252—2000《水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准》
SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》
SL189—96《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》
第二章、工程等别及建筑物级别
根据水利水电工程等级划分依据,综合考虑水库的总库容、防洪库容、灌溉面积、电站的装机容量等,工程规模有库容决定,此水库工程的正常蓄水位时有效库容186.48万m3,校核洪水位时相应总库容186.48万m3,灌溉面积为0.85万亩,查参考资料可得其工程等别为Ⅳ,工程规模为小
(1)型。
又由水工建筑物的级别划分依据得知,该类小
(1)型的主要水工建筑物为4级,次要建筑物为5级,临时建筑物为5级。
第三章、坝型选择及枢纽布置
3.1、坝型选择
(一)坝型选择论证
所选的坝轴线处河床冲积层较深,两岸风化岩石透水性大,基岩为弱风化岩层,强度较低,地基到地表为砂砾石覆盖层,地基不完整。
从地质条件看不宜建拱坝。
较高的混凝土重力坝要求修建在岩石基础上,且当地缺少混凝土坝施工经验,因此也是不可行的。
而土石坝适应地基变形能力较强,对地基的要求较低;从当地的材料来看土石材料比较丰富,况且土石坝有就地取材特点;当地有较丰富的土石坝施工经验,为修建土石坝提供了施工基础。
通过各种不同的坝型进行定性的分析比较,综合考虑地形条件、地质条件、建筑材料、施工条件、综合效益等因素,最终选择土石坝的方案。
(二)枢纽组成建筑物
(1)、挡水建筑物;土石坝。
(2)、取水建筑物;取水隧洞。
(3)、泄水建筑物;该工程兼顾防洪,故其包括泄洪隧洞和冲沙放空洞,均与导流隧洞结合。
3.2、枢纽总体布置
1、挡水建筑物─土石坝;挡水建筑物按直线布置,坝布置在河弯地段上。
2、取水建筑物—取水隧洞;进行灌溉的取水采用隧洞形式,取水口布置在凸岸,隧洞出口与总干渠相连接。
3、泄水建筑物—泄洪隧洞;泄洪采用隧洞方案,为缩短长度、减小工程量,泄洪隧洞布置在凸岸,这样对流态也较为有利,考虑到引水发电隧洞也布置在凸岸,泄洪隧洞布置以远离坝脚和厂房为宜。
综合考虑各方面因素,最后决定枢纽布置如地形图所示。
第四章、大坝设计
4、1、土石坝坝型的选型
影响土石坝坝型选择的因素很多,最主要的乃至起决定性的是附近的筑坝材料,还有地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理等。
应选择几种比较优越的坝型,拟定剖面轮廓尺寸,进行比选工程量、工期、造价、最后选定技术上可靠,经济上合理的坝型。
均质坝:
材料比较单一,施工简单,但坝身粘性较大,断面大,用料多,填筑施工易受将于和冰冻的影响。
除此之外,该坝址处无足够适宜的土料来作均质坝(坝址附近可筑坝的土料只有9万m3,远远不能满足要求),因此均质坝方案不可行。
堆石坝:
坝坡较陡,工程量减小。
堆石坝施工干扰相对较小。
坝址附近有储量为6万m3的石料,其主要为石英砂岩,开采条件较好,可作为堆石坝石料,从材料角度可以考虑堆石坝方案。
但是由于河床地质条件较差,岩基为弱风化岩层,如果用堆石坝可能导致大量的开挖,此方案不予考虑。
塑性心墙(以砂砾料作为坝壳,以粘土料作防渗体设置在坝剖面的中部作心墙,与斜墙坝相比工程量相对较小,适应不均匀变形,抗震性能较好,但要求心墙粘土料与坝壳沙砾料同时上升。
从筑坝材料来看,由于坝址上游1~1.5km内有可供开采的筑坝的土料9万m3,其粘性很强,是很好的防渗材料,可作防渗体之用;又坝址下游1~2km范围内有约6万m3的石英砂岩和10万m3的石渣料作为坝壳,由此可知心墙坝是可行的,因而最终采用斜心墙坝的方案。
4.2、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、坡顶高程
坝顶高程分别按设计工况、校核工况来计算大坝的高程,最后计算出数据取最大值,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按下式而定:
y=R+e+hc
式中R───波浪在坝坡上的设计爬高(m);e──最大风壅水面高度;
hc──安全加高(m),根据坝的等级及运用情况按下表选用
土石坝坝顶的安全超高值:
运用情况
坝的级别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ、Ⅴ
设计
1.5
1.0
0.7
0.5
校核(山区丘陵区)
0.7
0.5
0.4
0.3
最大风雍水面高度按下式计算
式中K—综合摩阻系数,取3.6×10-6;
—为计算风速(m/s),本设计为多年平均最大风速10.5m/s;D─风区长度(m),D=0.3km=300m;
─风向与坝轴线的法线方向所成的夹角,因风向垂直于坝面,故
=0°;
—坝前水域的平均水深,可查地形剖面图得。
平均波浪爬高Rm可按下述公式计算:
式中:
───坝坡的糙率渗透性系数,块石为0.75~0.8;
—经验系数,按《水工建筑物》取1.0。
──平均波高与平均波长,选用《水工建筑物》公式计算可得;m—边坡系数,据经验取2.5。
坡顶高程计算成果表
计算情况
计算项目
设计情况
校核情况
上游静水位(m)
380.8
381.7
河地高程(m)
350
坝前水深Hm(m)
380.8-354.6=26.2
381.7-354.6=27.1
风区长度D(m)
300
风向与坝轴线夹角
0°
风浪引起坝前雍高e(m)
0.000522
0.000224
风速
(m/s)
1.5×10.5=15.75
10.5
平均波高
(m)
0.18
0.11
平均波长
(m)
4.49
3.0
护坡粗糙系数
0.8
上游边坡系数
2.5
波浪沿坝坡爬高(m)
0.27
0.17
安全超高A(m)
0.5
0.3
坝顶高程(m)
381.57
382.17
坝顶高程加0.4%沉陷(m)
383.10
383.70
坝顶高程结果取两者之大者,并预留一定的沉降值.结果见下表,设计竣工时坝顶高程为383.70m.所以坝高为383.70-354.6=29.1m.
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。
坝顶的最小宽度按下面的方法确定:
当坝高H小于lOOm时,坝顶最小宽度Bmin取为H/10,并不小于3m;本设计坝高为29.1m故拟定坝顶宽度为5.0m。
3、坝坡设计
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。
其范围大致在1:
2~1:
4之间。
当坝较高时,可每隔8-15m变一次坡,相邻坡率差取0.25-0.5,变坡处下游通常设置1.5—2.0m宽的马道。
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:
3.0。
此坝高度不大,可仅在下游设置变坡,下游上部坡度1:
2.5,下部坡率1:
3.0。
在下游坝坡改变处,设置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。
4、坝体排水
坝体浸润线位置不高,没有必要降低坝体浸润线,故采用贴坡排水。
此种排水形式石料用量少,施工方便,便于检修。
排水层厚度取为0.5m,顶部按规范要求高出浸润线逸出点1.5m。
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.该坝体采用粘土心墙,心墙的顶部宽度取为4m(满足大于3m机械化施工要求),粘土斜心墙的上游坝坡的坡度为1:
0.15~1:
0.25之间,本设计取为1:
0.15,底宽为5+(380.8-354.6)*0.15*2=12.86m。
心墙的顶部高程以设计水位加一定的超高(超高0.6m)并高于校核洪水位为原则,最终取其墙顶高程为380.8m,墙顶的上部预留有0.5m的保护层。
(2)、坝基防渗体
坝址河床的砂砾石层深度不是很大,垂直防渗设置截水槽。
截水槽贯穿整个河床并延伸至两岸。
截水槽底宽由回填土料(与大坝防渗体相同)的允许渗透坡降确定。
则底宽为,取为5.0m(大于机械施工的最小宽度3.0m),边坡坡度选为1:
1.2。
第五章、渗流计算
土石坝的渗流计算主要确定坝体的浸润线的位置,为坝体的稳定分析和布置观测设备提供依据;同时确定坝体与坝基的渗透流量,以估算水库的渗漏损失,而且还要确定坝体和坝基渗流区的渗透坡降,检查产生渗透变形的可能性,以便取适合的控制措施。
5.1、计算方法
(1)选择水力学法解土坝渗流问题。
假定渗透水流为渐变流,过水断面上各点渗透坡降和渗透流速都是相等的,将坝体分为若干段,根据坝内各部分渗流状况的特点,应用达西定律近视解土坝渗流问题。
计算如下:
.由于沙砾料渗透系数较大,防渗体又损耗了大部分水头,逸出水与下游水位相差不是很大,认为不会影响逸出高度;对于岸坡断面,下游水位在坝底以下,水流从上往下流时由于横向落差,此时实际上不是平面渗流,但计算仍按平面渗流计算,近视认为下游水位为零。
由于河床冲积层的作用,岸坡实际不会形成逸出点,计算时假定浸润线末端即为坝址。
5.2、计算断面及计算情况的选择
对河床中间断面I—I
(1),及左右岸坝肩处的两典型特殊断面II—II
(2)、III—III(3)进行渗流计算,计算主要针对正常蓄水及设计洪水时进行。
5.3、计算结果:
计算情况
计算项目
正常情况
设计情况
上游水深
1
25.2
26.2
2
16.0
14.9
3
6.6
4.7
下游水深
(m)
1
0.1
0.2
2
0
0
3
0
0
逸出水深h(m)
1
7.98
8.30
2
6.174
5.536
3
1.960
2.445
渗流量q(m3/d.m)
1
0.248
0.131
2
0.064
0.069
3
0.009
0.051
总渗流量Q(m3/d)
12.05
14.18
5.4、成果分析与结论
该坝的总渗流在正常蓄水时为12.05m3/d,设计洪水时为14.18m3/d,与同类工程相比是很小的,说明把基本不会存在什么渗漏问题,设计合理。
第六章、稳定分析计算
6.1、计算方法
在正常水位工况时(稳定渗流期)取下游坝坡的一个滑移面核算土石坝的稳定。
斜心墙坝的下游坝坡滑动时形成近于圆弧形滑动面。
运用瑞典圆弧法(不考虑土条间的作用力)计算土坡出最小安全系数,并据此确定出土坝的滑移面。
6.2、计算结果
下游坝坡圆弧滑动面计算结果如下所示:
由计算所得滑动安全系数Kmin=1.38,大于1.25,故其正常水位工况时安全系数满足设计要求。
6.3、稳定成果分析
由于下游坡较缓,正常情况Kmin=1.38,坝的稳定安全系数满足要求,维持原拟订的剖面。
第七章、基础处理部分
7.1、河床部分
砂砾石地基主要是解决渗流问题。
可分为垂直防渗和水平防渗。
(1)垂直防渗控制方案可以参照第四章讲到的坝基防渗体。
【坝址河床的砂砾石层深度不是很大,垂直防渗设置截水槽。
截水槽贯穿整个河床并延伸至两岸。
截水槽底宽由回填土料(与大坝防渗体相同)的允许渗透坡降确定。
则底宽为,取为5.0m(大于机械施工的最小宽度3.0m),边坡坡度选为1:
1.2。
】
(2)水平防渗控制方案。
由于站址处粘土的渗透系数为4.73×10-6cm/s,大于铺盖填土要求的渗透系数1.0×10-6cm/s,故不能使用该地材料进行铺盖防渗。
7.2、坝肩处理
坝肩两岸为覆盖层及弱风化岩层,深约4m,承载力较好,但是透水性较差,故坝肩处理的主要任务也是防渗。
可以采用帷幕灌浆提高岩层的不透水性,减少坝基的渗漏量。
第八章、细部构造设计
8.1、坝的防渗体,排水设备
具体的防渗措施按照上面的设计为主;下游戗道设置排水沟,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。
8.2、护坡设计
上游护坡用砌石,因其抵御风浪的能力较强,下游坝面直接铺上20cm的石料作为护坡。
上游护坡上做至坝顶,下做至死水位以下362m。
8.3.坝顶布置
坝顶设置碎石路面,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,坝顶设置拦杆以便安全。
第九章、泄水建筑物设计
9.1、泄水方案选择
坝址地带河谷较窄、山坡陡峻、山脊高,经过比较枢纽布置于河弯地段。
由于两岸山坡陡峻,无天然垭口。
如采取明挖溢洪道的泄洪方案,开挖量较大,造价较高,故采用了隧洞泄洪方案。
隧洞布置于凸岸(左岸)。
9.2、隧洞选择与布置
枢纽布置于河弯地段。
从地形上来看隧洞应当布置于凸岸,这样不仅工程量省,而且水力条件也较好。
从地质来看这个此处除表面有一层弱风化岩外,.下部大部分为坚硬的岩石,强度较高,岩体中夹杂着几条破碎带,但走向大都与隧洞轴线成较大的角度。
因此将泄洪洞布置于右岸凸出的山梁里面。
9.3、隧洞的体型设计
(1)隧洞的的形式
由于进口岸坡地质条件较好,岩体完整,岸坡稳定,坚固,因而采用竖井式进口,井底设置闸门,顶部安装启闭设备。
设为喇叭口,闸门型式及尺寸。
工作及检修闸门均采用平板门,设在进口处,闸门宽3m,高为4.5m。
(2)、洞身断面型式和尺寸
本无压隧洞采用城门洞型断面。
水流流经进口段后拟定洞宽不变,高度渐变为4.0m,渐变段长度为3m。
圆拱中心角选180°,半径取1.5m,直墙高度为2.5m。
(3)、出口消能段。
隧洞出口高程定为365.0m,由于下游出口离大坝较远,较大的冲坑不致影响坝的安全,下游也没有需要特别保护的建筑物,且地质条件容许。
因而采用挑流消能。
由于隧洞出口宽度小,单宽流量集中,因而在出口设置扩散段。
挑角取
°,因出口为平段,为了水流能平顺挑出采用了较大的反弧半径R=50m。
(4)、隧洞水力计算
设计洪水位:
380.8m;下泄流量:
20m3/s;校核洪水位:
381.7m;下泄流量:
32m3/s。
因在宣泄校核洪水时也要满足各项要求。
因而对校核情况进行水力计算。
为不影响遂洞的泄流能力,隧洞应做成陡坡。
坡度太大施工不便,底坡取i=0.06。
(5)、隧洞的细部构造
洞身衬砌,工程为无压泄洪隧洞采用城门洞形断面,整体式单层混凝土衬砌。
衬砌厚度,取1/12洞径,最后取0.2m。
衬砌分缝、止水,为适应施工能力、防止混凝土干缩和温度应力而产生的裂缝,沿洞轴线方向设置永久性横向伸缩缝,分缝间距为10.0m,缝间设止水。
为防止不均匀沉陷而开裂,衬砌突变处设横向沉降缝。
灌浆,洞顶部进行回填灌浆,充填围岩与衬砌的空隙,使之紧密结合,共同工作,改善传力条件和减少渗漏.对围岩进行固结灌浆,提高其整体性,保证围岩的弹性抗力,减少渗漏。
回填灌浆与固结灌浆孔间隔布置。
掺气槽,在反弧段前沿及其后设置掺气槽,向水流边界通气,提高低压区的压力,缓冲气泡溃灭时的破坏作用。
第十章、取水建筑物设计
10.1、取水方案的选择与布置
观察地形图可知,左岸山体坡度陡峭,地质条件稳定,可以采用隧洞取水方案。
为了节省工程量,缩短隧洞长度,故将其布置在凸岸。
工作闸门设置在进水口处。
10.2、隧洞的体型设计
引水流量为0.8m3/s,仍做为竖井式无压隧洞,洞身仍采用城门洞型断面。
根据以往工程经验,取隧洞的坡降为i=0.003,且采用混凝土护面,查得糙率系数n=0.017。
取隧洞宽度为1.6m,高度为2.0m,圆拱段半径为0.8m。
假设水流只在直线流动,则其水深为h=1.2m。
取水口位置,因为该水库的死水位为362m,为了满足在死水位时能够满足设计流量,洞口应该在死水位以下,设洞口在死水位以下0.7m,即高程为361.3m。
校核在此水位能否取到引水流量。
由公式
,已知
,b=1.6m,Q=0.8m3/s,
=0.5m,
为闸门开度,经试算
=0.48597,故闸室开度为0.48597时可以取到设计流量,所以取水口在水下0.7m满足要求。
第十一章、工程经济计算
一、土石填筑量计算
1、粘土料填筑方量
坝体横断面面积:
m2,
截水槽断面积:
m2,则粘土的最大填筑方量为:
(174.7+42.84)×140=30455.6m3,因其类似于一个锥体,取其最大填筑方量的1/3,
故有粘土填筑方量为:
m3。
2、石渣料填筑方量
横断面面积:
m2,
石渣料最大填筑方量:
1647.02×140=230582.8m3,取其1/3,则有石渣料填筑方量为:
m3。
3、干砌块石填筑量
横断面面积:
m2,干砌块石最大填筑方量:
107.8×140=15102.8m3,取1/3,为15102.8÷3=5034.3m3。
4、土石方开挖量
据地形图可知,最大截面上开挖量为19.7m2,则总的最大开挖量为:
19.7×140=2758m3,取1/3有:
2758÷3=919.3m3。
二、工程造价估算
总造价
元。
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