土石壩設(shè)計參考

1、目 錄1土石壩尺寸設(shè)計.51.1基本資料5地形地質(zhì)情況5水位5氣象資料5筑壩材料及壩基砂礫物理力學(xué)性質(zhì)5工程等級6其它61.2大壩輪廓尺寸的擬定6壩頂高程計算6壩頂寬度9壩坡與馬道9壩體排水9大壩防滲體102 土石壩滲流分析.112.1滲流分析計算目的112.2計算方法112.3滲流分析的計算情況112.4土石壩類型的選擇112.5方案的選擇：133土質(zhì)心墻壩穩(wěn)定分析143.1計算目的143.2計算方法143.3計算過程153.2穩(wěn)定成果分析164細(xì)部構(gòu)造設(shè)計164.1壩的防滲體排水設(shè)備164.2反濾層設(shè)計164.3護(hù)坡設(shè)計174.4壩頂布置175設(shè)計小結(jié)20附錄：參考文獻(xiàn)221土石壩尺寸設(shè)計

2、1.1基本資料地形地質(zhì)情況某壩壩址處河床寬約190m，壩址軸線處河床最低高程為302m，河床覆蓋層上層為粘土黃土夾雜有礫石，下層有沙礫層，壩址基巖為花崗巖，透水性很小。水位死水位：321m;正常蓄水位：334m;設(shè)計洪水位（1%）：337m;校核洪水位（0.1%）：338m;正常蓄水時下游水位：302m;校核洪水時下游水位：309m;氣象資料多年平均最大風(fēng)速16m/s；水庫吹程1.5Km.筑壩材料及壩基砂礫物理力學(xué)性質(zhì)項(xiàng)目重度含水量濕重度飽和重度浮重度凝聚力內(nèi)摩擦角滲透系數(shù)（kN/m3）(%)（kN/m3）（kN/m3）（kN/m3）（kN/m2）(0）（cm/s）粘土2691719.320.

3、510.52.1/1.820/170.7×砂礫料26.519.820.610.6362.5×壩基砂礫石26.516.819.89.8342.5×堆石20.720211140（注：內(nèi)摩擦力及凝聚力中分子為水上數(shù)值，分母為水下數(shù)值）工程等級本樞紐為二等 ，主要建筑物為二級。其它地震基本烈度：7度。1.2大壩輪廓尺寸的擬定大壩剖面輪廓尺寸包括壩頂高程，壩頂寬度、上下游壩坡、防滲體等排水設(shè)備。壩頂高程計算根據(jù)碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范（SL2742001）（以下簡稱“規(guī)范”）規(guī)定，壩頂高程分別按照正常蓄水位加正常運(yùn)用條件下的壩頂超高、設(shè)計水位加正常運(yùn)用條件下的壩頂超高、校核水位

4、加非常運(yùn)用下的壩頂超高進(jìn)行計算，因該地區(qū)地震烈度為7，故還需考慮正常蓄水位加非常運(yùn)用時的壩頂超高再加上地震涌浪高度，最后取以上四種工況最大值，同時并保留一定的沉降值。壩頂高程在水庫正常運(yùn)用和非常運(yùn)用期間的靜水位以上應(yīng)該有足夠的超高，以保證水庫不漫頂，其超高值y按下式計算：式中：R最大波浪在壩坡上的爬高，m；e最大風(fēng)壅水面高度，m；A安全加高，m，根據(jù)壩的等級，設(shè)計運(yùn)用條件時取1.0m，非常運(yùn)用條件是取0.7m；根據(jù)“規(guī)范”，計算大壩波浪爬高時，所采用設(shè)計風(fēng)速：正常運(yùn)用條件下為多年平均最大風(fēng)速的1.5倍，非常運(yùn)用條件下，采用多年平均最大風(fēng)速，根據(jù)氣象資料統(tǒng)計該水庫多年平均最大風(fēng)速為16.0m/s

5、，最大吹程為1.0km。1)平均波高及平均波長按下式計算：風(fēng)壅水面爬高的確定K-綜合摩阻系數(shù)，一般取。V-計算風(fēng)速，m/s，正常運(yùn)用條件下3、4、5級壩采用多年平均最的1.52.0倍.非正常運(yùn)用條件下,采用多年平均最大風(fēng)速。D -風(fēng)區(qū)長度，即為有效吹程，m。Hm -壩前水域平均水深，m。-風(fēng)向與水域中線的夾角。2)最大波浪在壩面的爬高的確定 用莆田公式計算波長及波高。th為雙曲函數(shù)。式中：hm平均波高，m；Tm平均周期，s；W計算風(fēng)速，m/s；D風(fēng)區(qū)長度，m；Hm水域平均水深，m；g重力加速度，取9.81m/s2；Lm平均波長，m。平均波浪爬高Rm參照“規(guī)范”附錄計算，初步擬定水庫大壩上游壩坡

6、為m=3，故波浪平均爬高按“規(guī)范”附錄式計算：式中：斜坡的糙率滲透性系數(shù)，護(hù)面類型為砌石護(hù)面確定=0.75；經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，由風(fēng)速W、坡前水深H、重力加速度g所組成的無維量，查表-2得設(shè)計條件：=1.01；校核條件：=1.00；m斜坡的坡度系數(shù)。最大波浪在壩坡上的爬高設(shè)計值R按2級土石壩取累積概率P=1%爬高值R1%計算。根據(jù)計算該水庫在設(shè)計條件下和校核條件下的累積概率P=1%的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)Kp值為2.23。根據(jù)以上公式及參數(shù)，壩頂超高計算成果見表。表 壩頂超高計算成果表工 況水位(m)設(shè)計風(fēng)速(m/s)平均波長(m)平均波高(m)平均波浪爬高(m)風(fēng)浪壅高（m）設(shè)計爬高(m)安全加高(m)壩頂超高(m

7、)設(shè)計(P=1%)337.024.07.360.240.310.005 0.691.01.70校核(P=0.1%)338.016.07.360.240.320.001 0.850.71.55由于水庫所在地區(qū)地震基本烈度6°，按水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范（SL29397），水工建筑物抗震計算的上游水位可采用正常最高蓄水位，地震區(qū)的地震涌浪高度，可根據(jù)設(shè)計烈度和壩前水深，一般涌浪高度為0.5m1.5m，該水庫地震涌浪高度不考慮，不考慮地震作用的附加沉陷計算。根據(jù)碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范（SL274-2001）第條規(guī)定，壩頂高程分別按以下運(yùn)用情況計算，取其最大值：1、設(shè)計洪水位加正常運(yùn)用情況的壩頂

8、超高：337+1.7338.7m；2、正常蓄水位加正常運(yùn)用情況的壩頂超高：334+1.7=335.7m；3、校核洪水位加非常運(yùn)用情況的壩頂超高：338+1.55=339.55m；4、正常蓄水位加非常運(yùn)用條件的壩頂超高，再加地震安全加高：334+1.7+1.0=336.7m。經(jīng)計算可以看出該大壩壩頂高程由校核情況控制為339.55m，取340.0m。壩頂寬度壩頂寬度主要取決于交通需要、構(gòu)造要求和施工條件，同時還要考慮防汛搶險、防空、防震等特殊需要。根據(jù)“規(guī)范”規(guī)定，壩頂無特殊要求時，高壩的頂部寬度可選用1015m，中低壩可選用510m。該水庫擋水大壩壩基高程為302m，根據(jù)計算壩高為38m，大于

9、30m，屬中壩，故綜合各方面因素可取該土石壩壩頂寬度為8m。壩坡與馬道土石壩的壩面坡度取決于壩高、筑壩材料性質(zhì)、運(yùn)用情況、地基條件、施工方法及壩型等因素。一般是參考以建成類似工程的經(jīng)驗(yàn)擬定壩坡，再通過計算分析，逐步修改確定。在滿足穩(wěn)定要求的前提下，應(yīng)盡可能使壩坡陡些，以減小壩體工程量。根據(jù)規(guī)范規(guī)定與實(shí)際結(jié)合，上游壩坡取3.0，下游自上而下均取2.50，下游在330.0m高程處變坡一次。在壩坡改變處，尤其在下游坡，通常設(shè)置1.52寬的馬道以使匯集壩面的雨水，防止沖刷壩坡，并同時兼作交通、觀測、檢修之用，綜合上述等各方面因素其寬度取為2.0。壩體排水由于本地區(qū)石料比較豐富，故采用堆石棱體排水比較適

10、宜，另外采用棱體排水可以降低壩體浸潤線，防止壩坡凍漲和滲透變形，保護(hù)下游壩址免受尾水淘刷，并可支撐壩體，增加下游壩坡的穩(wěn)定性。按規(guī)范棱體頂面高程高出下游最高水位1m為原則，校核洪水時下游水位為309.0m，最后取棱體頂面高程為310.5m，堆石棱體內(nèi)坡取1:1.5，外坡取1:2.0，頂寬2.0m，下游水位以上用貼坡排水。大壩防滲體大壩防滲體的設(shè)計主要包括壩體防滲和壩基防滲兩個方面。（1） 壩體的防滲壩體防滲的結(jié)構(gòu)和尺寸必須滿足減小滲透流量、降低浸潤線控制滲透坡降的要求，同時還要滿足構(gòu)造、施工、防裂、穩(wěn)定等方面的要求。該壩體采用粘土斜心墻，其底部最小厚度由粘土的允許坡降而定，上游校核洪水時承受的

11、最大水頭為36.0，墻的厚度B36/4=9.0.參考以往工程的經(jīng)驗(yàn)，心墻的頂部寬度取為4（滿足大于3機(jī)械化施工要求），粘土心墻的上游壩坡的坡度為1:0.41:1.0之間，有資料研究認(rèn)為，心墻向上游傾斜的坡度為1:0.251:0.75時較好，本次設(shè)計粘土心墻的底部厚度取10.0m，粘土心墻的頂部高程以設(shè)計水位加一定的超高（超高0.30.6m）并高于校核洪水位為原則，最終取其墻頂高程為338.5，經(jīng)計算底寬為10,大于9.6.墻頂?shù)纳喜苛粲?.0m的保護(hù)層。（2） 壩基防滲由于本土石壩基礎(chǔ)為巖石基礎(chǔ)，故不設(shè)壩基礎(chǔ)防滲設(shè)施。 土石壩剖面圖 1:10002 土石壩滲流分析2.1滲流分析計算目的1）確定

12、壩體浸潤線及下游出逸點(diǎn)的位置，繪制壩體及壩基內(nèi)的等勢線分布圖或流網(wǎng)圖；2）確定壩體與壩基的滲流量；3）確定壩坡出逸段與下游壩基表面的出逸比降，以及不同土層之間的滲透比降；4）確定庫水位降落時上游壩坡內(nèi)的浸潤線位置或孔隙壓力；5）確定壩肩的等勢線、滲流量和滲透比降。2.2計算方法土石壩的滲流分析通常是把一個實(shí)際比較復(fù)雜的空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題。土石壩的滲流分析方法主要有解析法、手繪流網(wǎng)法、實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值法四種。解析法分為流體力學(xué)法和水力學(xué)法。前者理論經(jīng)驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)，只能解決某些邊界條件較為簡單的情況；水力學(xué)法計算簡單，精度可滿足工程要求，并在工程實(shí)踐中得到了廣泛的驗(yàn)證。本次課程設(shè)計主要采用了水力學(xué)法。2

13、.3滲流分析的計算情況1）上游正常蓄水位與下游相應(yīng)的最低水位；2）上游設(shè)計洪水位與下游相應(yīng)的水位；3）上游校核洪水位與下游相應(yīng)的水位；4）庫水位降落時上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況。本次設(shè)計就上游校核洪水位情況進(jìn)行了穩(wěn)定分析。2.4土石壩類型的選擇一般心墻壩土料的滲透系數(shù)很小，比壩殼小1萬倍以上。因此，在進(jìn)行計算時可以不考慮上游壩殼降落水頭的作用。下游壩殼的浸潤線也比較平緩，水頭損失主要在心墻部位，單下游有排水設(shè)備時，可以近似認(rèn)為浸潤線的逸出點(diǎn)為下游水位與堆石內(nèi)坡的交點(diǎn)，將心墻簡化成厚度為的等厚度矩形，則： 通過心墻、截水墻段的單寬滲流量： 通過下游壩殼和壩基段的單寬滲流量： 由q1=q2=q得心墻

14、后浸潤線高度和滲流量q。下游壩殼浸潤線用式子：方案一：土質(zhì)心墻壩計算結(jié)果分析：下游有水時的侵潤線方程為：下游無水時的侵潤線方程為：下游情況滲流量q（m/s3）滲透長度L（m）滲水水位差（m）滲透坡降下游有水4.86*10（-6）6728.824.12下游無水5.1*10(-6)56.530.484.35該壩體采用粘土斜心墻，其底部最小厚度由粘土的允許坡降而定，本設(shè)計允許滲透坡降J=5,故滿足滲流穩(wěn)定要求。方案二：均質(zhì)壩計算結(jié)果分析： 下游有水時的浸潤線方程為：下游無水時的浸潤線方程為：下游有水時的滲流量為0.0016m/s3，當(dāng)下游無水時的滲流量為0.0018m/s3。2.5方案的選擇：影響土

15、石壩壩型選擇的因素很多，其主要影響因素有附近的筑壩材料、地形地質(zhì)條件、氣候條件、施工條件、壩基處理、抗震要求等。本次選擇幾種比較優(yōu)越的壩型，擬訂剖面輪廓尺寸，然后對工程量、工期、造價進(jìn)行比較，最后選定技術(shù)經(jīng)濟(jì)可靠合理的壩型。本設(shè)計限于資料只作定性的分析來確定土石壩壩型。土石壩按其施工方法可分為碾壓式土石壩、拋填式堆石壩、定向爆破堆石壩、水中倒土壩和水力沖填壩。從地形地質(zhì)條件以及附近建筑材料來看本次設(shè)計壩型應(yīng)選擇碾壓式土石壩。碾壓式土石壩根據(jù)土料配置的位置和防滲體所用材料種類的不同，又分為均質(zhì)壩和土質(zhì)防滲體分區(qū)壩、非土質(zhì)材料防滲體分區(qū)壩。均質(zhì)壩材料單一，工序簡單，但壩坡較緩，剖面大，工程量大，施

16、工易受氣候影響，冬季施工較為不便，壩體空隙水壓力大，并且均質(zhì)壩的滲流量遠(yuǎn)大于土質(zhì)心墻壩，因此從材料上考慮均質(zhì)壩方案是不宜采用的。土質(zhì)防滲體分區(qū)壩主要有心墻壩、斜心墻壩、斜墻壩和多種土質(zhì)壩等類型。心墻壩土質(zhì)防滲體設(shè)在壩體中部，兩側(cè)為透水性較好的砂石料，該壩型粘性土料所占比重不大，施工受季節(jié)影響較小，但施工時心墻與壩體同時填筑，相互干擾較大。斜墻壩土質(zhì)防滲體設(shè)在上游或接近上游面，該壩型斜墻與壩體施工干擾小，但其抗震性和適應(yīng)不均勻沉降的性能不如心墻壩。由于該工程所在地區(qū)為地震烈度定為7度，故不宜采用斜墻壩。由上述比較可以看出，心墻壩的滲流量小，滿足壩體的滲透穩(wěn)定且心墻壩的應(yīng)力狀態(tài)較好，因而最終采用土

17、質(zhì)心墻壩的方案。3土質(zhì)心墻壩穩(wěn)定分析3.1計算目的穩(wěn)定分析是確定壩體設(shè)計剖面經(jīng)濟(jì)安全的主要依據(jù)。由于土石壩體積大、壩體重，不可能產(chǎn)生水平滑動，其失穩(wěn)形式主要是壩坡滑動或壩坡與壩基一起滑動。土石壩穩(wěn)定分析的目的是保證土石壩在自重、孔隙壓力、外荷載的作用下，具有足夠的穩(wěn)定性，不致發(fā)生通過壩體或壩基的整體或局部剪切破壞。3.2計算方法本次課程設(shè)計采用瑞典圓弧法來計算土體的穩(wěn)定分析。按施工期、穩(wěn)定滲流期、庫水位降落期三個控制時期核算土石壩的穩(wěn)定。心（斜心）墻壩的上下游壩坡滑動時形成折線滑動面.部分浸水的非粘土壩坡，由于水位上下的土料容重不同，有水時j、C值也有所降低，此時壩坡失穩(wěn)時最可能的滑動面近乎折

18、線。在滑動面上抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮是一樣的，安全系數(shù)的表示方式為 ； ； ；式中：1、2、3為實(shí)驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。計算安全系數(shù):Wi土條重量。Q、V水平和垂直地震慣性力（向上為負(fù)、向下為正）。u作用于土條底面的孔隙壓力。i條塊重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角。b土條寬度。Ci、土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。Mc水平地面慣性力對圓心的力矩。R圓弧半徑。算得K=1.47>1.25穩(wěn)定分析滿足要求。3.3計算過程E 穩(wěn)定分析剖面圖下游壩坡穩(wěn)定分析計算表r1r2r3r4單位：(kN/m3)19.320.610.610.6圖條編號h1h2h3h4r1h1r2h2r3h3r4h4wiwia

19、sinaicosaiwicosaiwi'sinai86.8 000131.2 000131.2 131.2 51.6 0.8 0.62 81.4 105.0 715.5 000299.2 000299.2 299.2 43.4 0.7 0.73 218.4 209.4 618.9 000364.8 000364.8 364.8 36.1 0.6 0.81 295.5 218.9 520.9 000403.4 000403.4 403.4 29.5 0.5 0.87 350.9 201.7 421.2 0.400409.2 000409.2 409.2 23.3 0.4 0.92 376

20、.4 163.7 318.0 3.4 00287.6 0 70.00323.6 357.6 17.3 0.3 0.95 307.4 107.3 214.9 5.4 00287.6 0 111.20344.8 398.8 11.6 0.2 0.98 337.9 79.8 16.6 11.7 00127.4 0 241.00251.4 368.4 5.9 0.1 0.99 248.9 36.8 07.0 9.1 00135.1 0 187.00231.6 322.6 0.0 0.0 1.00 231.6 0.0 -16.7 6.1 00129.3 0 125.70194.0 255.0 -5.2

21、-0.1 -0.99 -192.0 -25.5 -22.9 5.5 0056.0 0 113.30114.3 169.3 -10.9 -0.2 -0.98 -112.0 -33.9 -30.1 3.6 001.9 0 74.2040.1 76.1 -16.6 -0.3 -0.96 -38.5 -22.8 合計2105.9 1040.3 3.2穩(wěn)定成果分析根據(jù)計算成果表可看出大壩上下游坡穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，由于上游壩坡較緩，穩(wěn)定滲流期以及庫水位降低期，不考慮地震。下游坡情況也類似，正常情況Kmin=1.47>K允=1.25，壩的穩(wěn)定安全系數(shù)偏大，就此而言，可考慮加陡壩坡以減小工程量.鑒于各

22、種因素考慮不全，實(shí)際安全系數(shù)可能要小些，故而不改變壩坡，維持原擬訂的剖面。4細(xì)部構(gòu)造設(shè)計4.1壩的防滲體排水設(shè)備壩體防滲體內(nèi)心墻，心墻上下游設(shè)置反濾層；壩基防滲體為防滲墻和粘土截水墻；壩體排水為棱體排水。在排水體與壩體、壩基之間設(shè)置反濾層；下游馬道設(shè)置排水溝，并在壩坡設(shè)置橫向排水溝以匯集雨水，岸坡與壩坡交接處也設(shè)置排水溝，以匯集岸坡雨水，防止雨水淘刷壩坡，見細(xì)部構(gòu)造設(shè)計圖。4.2反濾層設(shè)計（1）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn).對于被保護(hù)土的第一層反濾料，考慮安全系數(shù)為1.52.0，按太沙基準(zhǔn)確定，即式中，為濾料粒徑，小于該粒經(jīng)土占總土重的15%，d85為被保護(hù)土粒徑，小于該粒徑的土占總土重的85%，d15為保護(hù)土粒

23、徑，小于該粒徑的土占總土重的15%。第二層反濾料的選擇也按上述辦法進(jìn)行。按此標(biāo)準(zhǔn)天然砂礫料不能滿足要求，須對土料進(jìn)行篩選。（2）設(shè)計結(jié)果設(shè)計結(jié)果見表。表 反濾層設(shè)計成果表 層數(shù)部位 第一層 第二層D50(mm)厚度hc ()D50(mm)厚度hc ()防滲體周邊部位0.1201.030排水部位252090604.3護(hù)坡設(shè)計上游護(hù)坡用于砌石因其抵御風(fēng)浪的能力較強(qiáng)，下游壩面直接鋪上20cm 的碎石作為護(hù)坡.上游護(hù)坡由至壩頂做至死水位以下（加設(shè)計浪高），見細(xì)部構(gòu)造設(shè)計圖。4.4壩頂布置壩頂設(shè)置泥結(jié)石路面，壩頂向下游設(shè)1%橫坡以便匯集雨水，并設(shè)置縱向排水溝，經(jīng)坡面排水排至下游，壩頂設(shè)置欄桿以策安全，見

24、細(xì)部構(gòu)造詳圖。大壩細(xì)部構(gòu)造設(shè)計圖5設(shè)計小結(jié)實(shí)習(xí)小結(jié) 實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在課堂上我們學(xué)習(xí)了很多理論知識，但是如果我們在實(shí)際當(dāng)中不能靈活運(yùn)用，那就等于沒有學(xué)。實(shí)習(xí)就是將我們在課堂上學(xué)的理論知識運(yùn)用到實(shí)際應(yīng)用中去的一個過程。在經(jīng)過為期一個多星期的實(shí)習(xí)后，我感覺自己學(xué)到了很多有用的東西。包括土石壩的設(shè)計流程、土石壩設(shè)計中應(yīng)該注意的許多細(xì)節(jié)問題。當(dāng)然，在實(shí)習(xí)過程中也會出現(xiàn)一些或多或少的問題，例如：1、在進(jìn)行穩(wěn)定分析的時候沒有對正常蓄水位情況和設(shè)計洪水位情況進(jìn)行分析，至對校核情況下的穩(wěn)定進(jìn)行了分析。2、由于課程設(shè)計的時間有限，很多種土石壩相關(guān)的建筑物都沒有進(jìn)行設(shè)計，包括土石壩土料的選擇、土石壩的下游連接物等等。3、在滲流分析的時候可能是滲流水平距離